專利名稱：回收硅烷的方法
技術領域：
本發明涉及從制造過程的廢氣中回收有價值的硅烷產物。更具體地，本發明提供 從用于生產半導體器件的薄膜工藝回收硅烷的方法，所述半導體器件包括大規模集成電 路，平板顯示器個薄膜太陽能電池。
背景技術：
等離子體和熱活化的化學氣相沉積(CVD)工藝長期用于生產半導體器件。在許多 工藝中，使用含硅化合物沉積各種所需要的層。但是，在這些工藝中進料氣體中硅物質(例 如SiH4)只有很小比例，通常小于5%能被有效使用。進料中很大比例的硅沉積在反應室壁 上，需要周期性清潔，例如使用等離子體活化的含氟氣體(例如NF3、F2或SF6)來除去不需 要的殘余物。硅進料氣體中大部分，通常大于75%簡單地從沉積室通過后作為廢氣部分排 出。人們已經認識到CVD反應器廢氣中存在的有價值的SixH2x+2(x= 1&2)物質具有再使用 的機會和回收的經濟動機。但是，之前的回收存在許多實際問題。例如，用作反應器真空泵 的壓載的氮氣明顯稀釋了 CVD反應器廢氣中含硅組分，而使回收困難。此外，CVD反應器的 廢氣可能擇一包含富燃料組分(還原劑)，如H2和SixH2x+2，或者高氧化組分如F2和02，當試 圖回收和積累硅烷時可能導致燃燒或爆炸的危險。為避免發生這些危險，通常順序與高溫火焰和滌氣水溶液接觸，將來自CVD室的 富燃料物料和氧化物料轉化為更穩定的物質如SiO2, H2O和含水HF。這種方式使燃燒和爆 炸的危險最小，但是也消除了從回收CVD工藝廢氣流中的有價值的SixH2x+2物質的可能。因 為CVD工藝最初是用于生產很用于計算機的小型高價值集成電路和其他電子器件，從CVD 廢氣流回收SixH2x+2物質的經濟動力較低。但是，隨著CVD工藝在制造大面積薄膜顯示器和 具有大面積和層厚度的太陽能伏打電池器件中的應用這種動機成正比增大。這些器件對生 產所用的其他進料顯著增加，導致高的多的氣體進料費用，特別是硅烷的費用。盡管對回收CVD反應器廢氣最高的有價值SixH2x+2物質的經濟動力增大，但是至今 還未提出能實際解決上述問題的方法。因此，本領域仍需要對回收硅烷的方法進行改進。發明概述本發明提供一種針對從這些CVD工藝回收有價值的硅烷副產物相關的未解決的 安全問題的方案。具體地，本發明提供一種從CVD反應器的廢氣回收SixH2x+2物質的方法， 該方法包括使至少一部分的CVD反應器廢氣與硅顆粒在升高溫度下接觸；通過除去大部分正常沸點低于100° K的其他物質，提高SixH2x+2物質的濃度；和純化粗SixH2x+2物料，制備所需的硅烷產物。
附圖簡要描述
圖1是處理CVD反應器廢氣的常規工藝的流程圖。圖2是按照本發明從CVD反應器廢氣回收硅烷產物的方法的流程圖。發明詳述本發明提供一種從CVD反應器廢氣回收SixH2x+2物質的方法下面參考圖1和圖2 詳細描述該方法。具體地，圖1顯示處理CVD反應器廢氣的常規工藝。該常規工藝包括CVD 反應器系統1和當地廢物處理系統2。將工藝氣體10輸入CVD反應器系統1，生產所需的 半導體產品。通常，將大量氮氣12輸入該CVD反應器系統1的真空泵，以保證可靠的真空 泵操作。在該常規工藝中，將全部自CVD反應器系統1的排出物料14引向現場廢物處理系 統2。常規的現場廢物處理系統2 —般包括燃燒器和水滌氣塔。該現場地廢物處理系統2 的目的是將排出物流14中高毒性的反應性物質在現場廢物處理系統2中轉化為含水和氣 態產物流16中的低毒性物質。將來自生產裝置的多個現場廢物處理系統2的含水和氣態 產物流16固結，用于進一步的處理后排出。如上所述，這種常規廢氣處理消除了從廢氣回 收有價值的硅烷的可能性。本發明提供一種從CVD廢氣回收硅烷產物的方法，下面參考圖2說明該方法。在 圖2中，CVD反應器系統100與圖1所示的常規工藝類似，具有工藝氣體進料110和氮氣進 料112。如圖所示，根據CVD的反應器系統用于不同半導體器件制造步驟和制造步驟間的 反應室清潔步驟，排出物流114的組成在強氧化至強還原條件的范圍隨時間變化。為安全 考慮，要求將強氧化排出物流與強還原排出物流隔離，用排出物流114表示這兩種物流中 任一物流。因此，根據本發明，依據排出物流的組成將其轉移到不同系統。具體地，當排出 物流114來自硅沉積步驟并含有SixH2x+2組分時，通過物流118將該物流轉移至回收消除 (abatement)裝置130。相反，當排出物流114來自其他制造步驟或室清潔步驟時，通過物 流115將其轉移到消除廢物處理系統120，與圖1所示的常規工藝類似。SixH2x+2回收消除裝置130的作用是保證以最小的SixH2x+2損失從物流118除去來 自室清潔步驟或氧化制造步驟的氧化物質例如F2或02。這可以防止閥或其他工藝發生故 障，使氧化物質與物流118繼續，替代通過物流115進行轉移。該作用可通過提供回收消除 裝置130得以實現，該裝置包括熱的冶金用顆粒硅床，該床溫度優選保持在200-500°C，壓 力略高于大氣壓，如絕對壓低于1. 5巴。回收消除裝置130可以是包含硅床和改進物流118 和硅床之間接觸的常規分布器的圓筒容器。該床可采用任何所需的加熱方式加熱，將硅床 溫度保持在要求的溫度，加熱方式包括通過金屬壁傳導間接加熱物流118 ；通過包硅床容 器壁間接加熱硅床；電阻加熱硅床；加入氧化劑例如02，通過燃燒加熱該硅床；直接接觸的 熱交換，這種方式，氧化劑不與SixH2x+2組分接觸；或者這些方式的組合。周期性更換硅床以 保持其性能。處理后的物流132從該回收消除裝置130排出，然后在濃縮裝置140中處理，制備 具有高得多的SixH2x+2濃度的產物流142。可以通過由物流144從濃縮裝置140排出，除去 大部分的標準沸點低于100° K的高揮發性組分，如H2、氦、N2和氬來獲得高濃度產物流。具 體地，通過間接冷卻的方式，將物流132從SixH2x+2回收消除裝置130的操作溫度冷卻至較低 溫度，例如室溫。然后采用各種合適方法除去高揮發性組分。例如，壓力增高使得能夠通過 壓力變換吸附或膜技術除去高揮發性組分。優選的方法是使用低溫流體146，例如液態氮，通過將低溫濃縮與吸附或升華結合，產生濃縮的SixH2x+2產物流142。這種方法提供了幾個 優點。例如，從濃縮這種140排出的蒸發的氮氣流148可以用作CVD反應器系統100真空 泵的壓載氣體。此外，SixH2x+2液體或固體可以氣化并以要求的操作壓力在產物流142中通 入純化系統150，而不需要壓縮步驟。純化系統150可以使用常規蒸餾來產生所需的SiH4 產物，分離Si2H6和SiH4產物，SiH4-Si2H6產物152。從該純化系統150還除去高揮發性雜 質154和低揮發性雜質156的廢棄物流。 應理解，按照前面的描述，本發明的其他實施方式和變化對本領域技術人員而言 是顯而易見的，這些實施方式和變化包含在由權利要求書限定的本發明范圍之內。
權利要求
一種從CVD反應器的廢氣回收SixH2x+2的方法，該方法包括使至少一部分的廢氣與硅顆粒在升高溫度下接觸；從廢氣中除去標準沸點低于100°K的氣體物質以提高SixH2x+2的濃度；和純化剩余的SixH2x+2物流。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，硅顆粒包括冶金用顆粒硅床，所述升高溫度 為 200-500 0C ο
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，硅床的絕對壓力保持低于1.5巴。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，除去的氣體物質是H2、氦、N2、氬或者它們的組合。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，除去氣體物質步驟包括壓力變換吸收或膜 分離過程。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，除去氣體物質的步驟包括用低溫流體進行 冷卻。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，低溫流體是液氮。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，純化步驟包括蒸餾。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，SixH2x+2是硅烷。
10.一種從CVD反應器的廢氣回收SixH2x+2的設備，該設備包括 CVD反應器，具有工藝氣體進料、氮氣進料和排出物流；廢物處理系統，與CVD反應器的排出物流連通； 回收系統，與CVD反應器的排出物流連通；和轉移裝置，當廢氣中SixH2x+2濃度太低而不能保證回收時將CVD反應器的廢氣送入廢物 處理系統，當廢氣中SixH2x+2濃度能夠保證回收時將將CVD反應器的廢氣送入回收系統；其中，回收系統包括硅床、加熱硅床的裝置、與硅床連通的濃縮裝置、與濃縮裝置連通 的純化裝置。
11.如權利要求10所述的設備，其特征在于，硅床是冶金用顆粒硅床，該硅床溫度保持 在200-500°C，絕對壓力低于1. 5巴。
12.如權利要求10所述的設備，其特征在于，硅床包含在具有分布器的圓筒容器內。
13.如權利要求10所述的設備，其特征在于，加熱裝置包括間接加熱、電阻加熱、燃燒 加熱或直接接觸加熱。
14.如權利要求10所述的設備，其特征在于，濃縮裝置包括壓力變換吸附系統，膜分離 系統、低溫流體冷卻系統。
15.如權利要求10所述的設備，其特征在于，純化裝置是蒸餾系統。全文摘要
提供從CVD工藝安全回收高價值硅烷副產物的工藝。從CVD反應器廢氣回收SixH2x+2物質的方法包括使至少一部分的CVD反應器廢氣與硅顆粒在升高溫度接觸；通過除去大部分標準沸點低于100°K的其他物質來提高SixH2x+2物質的濃度；純化粗SixH2x+2物流，生產所需的硅烷產物。
文檔編號C01B33/04GK101918310SQ200880125576
公開日2010年12月15日 申請日期2008年12月11日 優先權日2007年12月18日
發明者D·P·小撒切爾, R·A·霍格爾 申請人:琳德北美股份有限公司