[发明专利]废气处理系统及处理方法

说明书

技术领域

本发明总地涉及废气处理，更特别地，涉及在制造基于硅的半导体器件 的过程中产生的硅烷(SiH₄)废气的处理系统和处理方法。

背景技术

真空加工设备广泛应用于大规模制造基于硅的半导体器件过程中，例如 集成电路和太阳能电池，包括基于硅薄膜的大面积光电池组件等。化学气相 沉积(CVD)和化学气相蚀刻是当前制造所述产品较常用的技术手段。例如， 集成电路中的多晶硅或二氧化硅层可通过硅烷(SiH₄)气体或其它含硅气体 经化学气相沉积法淀积。在另一示例中，硅烷被用于等离子体增强化学气相 沉积(PECVD)工艺来生产基于硅薄膜的氢化非晶硅和纳米硅的太阳能电池。 在化学气相沉积过程之后，多余的气体滞留在化学气相沉积系统中，之后排 气系统可以将反应气体排放到大气当中。然而，由于硅烷能在空气中自动燃 烧，所以出于安全和环保目的，不能把它直接排放到大气中。一般而言，真 空加工设备中的含硅烷的剩余反应气体必须经过废气洗涤器处理，以免把有 害的污染物质排放到环境中。因此，在需要将反应气体排放出来的设备中， 废气洗涤器是不可缺少的重要部分。

硅烷和类似气体必须从废气流中过滤掉或者转化成可被安全处置的合 成物。通常把硅烷转化成合成物的方法之一是将它在所谓的“燃烧箱”中加 以燃烧。燃烧箱一般以天然气为燃料，这时SiH₄经过反应转化成氧化硅 (SiO₂)，其化学反应为：SiH₄+2O₂→SiO₂+2H₂O。然而，如果系统突然发生 故障，燃烧箱就有成为火源的危险。比如说，如果废物处理系统的进气口出 故障的话，残留的SiH₄就会在燃烧箱中聚集，很有可能导致随后不可控制的 燃烧。另外一个重要问题是，由于硅的氧化物粉尘沉积，燃烧箱很容易被阻 塞，因此频繁的清理和维护是非常必要的，但这样会耽搁设备的正常运行。 及时地处理在燃烧箱中和管道中游离的硅氧化物粉尘(一种黄色粉末)操作 起来也有很大难度，并造成环境污染。美国专利6174349、6126906和5183646 中描述了关于燃烧箱的废气处理程序和设备。

湿的洗涤器和其它处理设备也已经应用于硅烷废气的处理。美国专利 6174349提供了一种结合燃烧箱的潮湿洗涤器。美国专利5955037提供了一 种氧化的处理方法。美国专利5320817使用一种可生成氢铝化合物的金属盐 来清除硅烷。美国专利6949234描述了一种基于水的湿洗涤器，但这种洗涤 器比较贵重，很难应用于大量硅烷废气的处理。其它类型的湿洗涤器是基于 湿的化学反应，让硅烷和诸如氢氧化钠(NaOH)的雾状物反应，这种方法 效率高，处理量大，但是过程和设备非常复杂，容易出故障。

另外一种处理硅烷的方法是干化学反应处理法，在高温条件下使用接触 反应与燃烧相结合的方法。这种设备价格昂贵，需要很高的电力，消耗品成 本也非常高(反应盒需要频繁地替换)。此外，诸如“气体反应柱”(gas reactor column)一类的装置并不能像大规模生产设备所要求的那样处理流速超过每 分钟一标准升(SLPM)的高速硅烷气流。

另外一种处理硅烷的技术是通过所谓的“干处理器”将低压的高密度等 离子体施加在含有硅烷的废气混合物中，硅烷被分解沉积在表面积很大的多 层电极上面，电极被定期地更换和清理。这种方法并不是很可靠，由于气体 管道压力的不断变化和混合废气的合成物的存在，经常导致等离子体的消 失。此外，95％-99％的处理效率并不能达到当今政府机构制定的严格的安全 和环保规章和要求。

总之，现有的硅烷处理方法都受到设备成本和运行费用昂贵，维修和保 养要求高，产生液体或固体污染物，存在操作危险，或者占据空间较大等诸 多因素的制约。同时，它们需要诸如水、电、压缩空气等基础设施的支持， 不具备单独可靠运行的特性。这类硅烷处理设备的效能有时候非常差。另外， 传统的废气处理系统的性能很大程度上取决于混合废气中气体的类型。每一 种废气混合物都需要一种特定的“反应盒”或者化学方法来很好地中和。没 有一种处理方法能够用同一个化学气相沉积反应堆处理掉所有的废气。传统 的硅烷处理设备不适用于低成本和大批量地生产基于硅的器件，例如大面积 的基于硅薄膜的光电器件。

发明内容