單晶硅生長尾氣固相處理技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明技術(shù)是一種單晶硅生長尾氣固相處理技術(shù)，特別涉及含有可燃性一氧化硅和一氧化碳氣體的固相處理技術(shù)。將單晶硅生長產(chǎn)生的尾氣經(jīng)由導(dǎo)氣管，導(dǎo)入到一個三層結(jié)構(gòu)的固相處理濾筒內(nèi)，三層結(jié)構(gòu)分別為濾筒中心、濾筒中間層和濾筒外層，濾筒整體水平放置。濾筒中心為空心式結(jié)構(gòu)，接入尾氣，中間層為可轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，填充氧化銅粉末顆粒。尾氣中的高溫一氧化硅與氧化銅發(fā)生反就生成二氧化硅固體粉末，從濾筒內(nèi)分離出來，在濾筒底部的收集器收集回收。一氧化碳與氧化銅發(fā)生反就生成二氧化碳，通過排放管過濾后與氬氣一同排放。
【專利說明】
單晶硅生長尾氣固相處理技術(shù)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種單晶硅生長尾氣處理技術(shù)，涉及直拉法單晶硅生長工藝中尾氣中 一氧化硅氣體和一氧化碳氧化的處理，和氬氣的回收，特別涉及采用固相法尾氣處理技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在單晶硅的制造工藝中，最常使用的是直拉法(Czochralski，縮寫CZ)，在直拉法 中，多晶硅是填充在石英玻璃坩堝(也稱石英坩堝）中，然后加熱熔融形成硅熔液，然后，將 熔硅略做降溫，給予一定的過冷度，把一支特定晶向的硅單晶體(稱做籽晶）與熔體硅接觸， 通過調(diào)整熔體的溫度和籽晶向上提升速度，使籽晶體長大至近目標(biāo)直徑時，提高提升速度， 使單晶體近恒直徑生長。在生長過程的尾期，此時堝內(nèi)的硅熔體尚未完全消失，通過增加晶 體的提升速度和調(diào)整向堝的供熱量將晶體直徑漸漸減小而形成一個尾形錐體，當(dāng)錐體的尖 足夠小時，晶體就會與熔體脫離，從而完成晶體的生長過程。
[0003] 直拉法生長硅單晶大致分為以下幾個階段：多晶硅裝料、抽真空、多晶硅熔化、縮 頸及放肩和轉(zhuǎn)肩、等直徑生長、尾部(尾椎)晶體的生長、晶體冷卻、停爐。從多晶硅原料熔化 到停爐的整體期間，爐內(nèi)是負壓狀態(tài)，爐內(nèi)充高純氬氣保護，典型的壓力是20Torr。晶體生 長過程中，氬氣和其它生長的氣體共同構(gòu)成尾氣，尾氣主要成分是氬氣、一氧化硅和一氧化 碳。
[0004] 硅單晶生長工藝，氬氣是為了冷卻晶棒、降低一氧化硅氣體的分壓以及減少一氧 化碳的生成，并將生成一氧化硅和一氧化碳氣體帶離生長爐。在拉晶過程中從爐體上部通 入的，流量在30_40L/min左右。一氧化硅是石英坩堝與硅熔液在高溫下相互反應(yīng)生成，Si + Si02 - SiO。生成的速度約為：1.5mg/cm2h。一氧化硅為氣態(tài)，在石英坩堝與硅熔液界面生 成后，擴散到硅熔液的自由界面揮發(fā)到爐體中，與氬氣一同形成尾氣。
[0005] -氧化碳是由硅熔體表面揮發(fā)出來的高溫一氧化硅與熱屏、發(fā)熱體等碳材料發(fā)生 反應(yīng)生成。
[0006] 尾氣中一氧化硅最難處理，一氧化硅是氣體，也可以固相存在，與氧結(jié)合后生成二 氧化硅。反應(yīng)生成物二氧化硅是固體，生成過程是燃燒反應(yīng)，危險性高。氣態(tài)一氧化硅，隨著 氬氣一同被抽到真空管道中，部分一氧化硅會沉結(jié)在爐室和管道的內(nèi)表面，還有一部分會 進入栗中，引起栗油變粘稠，栗的工作性能下降，使用壽命縮短。
[0007] 為了減少一氧化硅進入真空栗，傳統(tǒng)的方法是在爐體排氣管和真空栗之間安裝一 個過濾器，專利CN202962167U，過濾器可以是絲網(wǎng)式的或者是紙質(zhì)的，它可以把一氧化硅或 者其它粉塵擋在濾芯的外面，防止它們隨著氣體進入栗內(nèi)。這種過濾器有個致命的缺點：隨 著時間延長，一氧化硅的粘接越來越多，過濾器堵管道阻力加大，過濾阻力加大，使單晶爐 內(nèi)的壓力升高，偏離設(shè)定值，影響到拉單晶的無位錯生長。栗的使用壽命也會很短，還要經(jīng) 常更換栗油。專利CN201551929U提供了一種自凈化過濾方法，減少了一氧化硅進入真空栗 的機率，但仍不能徹底解決一氧化硅的排放問題，排放的一氧化硅由于可與氧氣發(fā)生劇烈 的燃燒反應(yīng)而存在危險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供單晶硅生長尾氣固相處理技術(shù)，特別涉及含有可燃性一氧 化硅和一氧化碳氣體的固相處理技術(shù)。
[0009] 為了達到以上的目的，本發(fā)明方法采用以下技術(shù)方案:將單晶硅生長產(chǎn)生的尾氣 經(jīng)由導(dǎo)氣管1，導(dǎo)入到一個三層結(jié)構(gòu)的固相處理濾筒內(nèi)，三層結(jié)構(gòu)分別為濾筒中心、濾筒中 間層和濾筒外層，濾筒整體水平放置，見圖1所示。濾筒中心2為空心式結(jié)構(gòu)，接入尾氣；中間 層3為可轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，填充氧化銅粉末顆粒4。尾氣中的高溫一氧化硅與氧化銅發(fā)生反應(yīng)生成 二氧化硅固體粉末，從濾筒內(nèi)分離出來，在濾筒底部的收集器5收集回收。
[0010] 反應(yīng)方程式見式（1)和(2)所示 (1) SiO T +2Cu*：> ^ Cu 20 + WiO, (2) si〇 丁 +ai- wi + si〇2 一氧化碳與氧化銅發(fā)生反應(yīng)生成二氧化碳，見式(3)所示。
[0011] (3) C? f+Cu〇 ^:C021'+Cu 生成的二氧化碳，通過排放管6過濾后與氬氣一同排放。尾氣中的其它超細固體顆粒被 氧化銅粉末過濾收集，由于過濾筒中間層在尾氣處理過程中旋轉(zhuǎn)，氧化銅顆粒在過濾筒中 間層的帶動下不斷翻轉(zhuǎn)流動，濾筒不會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，過濾效果好。生成的氧化亞銅和銅 粉，在空氣中直接再氧化生成氧化銅后即可重復(fù)使用。
[0012] 本發(fā)明尾氣固相處理技術(shù)，其特征在于濾筒三層式結(jié)構(gòu)的內(nèi)層2由200目絲網(wǎng)制 成，中心為尾氣接入孔，濾筒中心層結(jié)構(gòu)的直徑為100-150mm。尾氣通過絲網(wǎng)的孔隙進入到 中間層3中。
[0013]本發(fā)明尾氣固相處理技術(shù)，其特征在于濾筒三層式結(jié)構(gòu)的中間層3由200目絲網(wǎng)制 成，濾筒中間層結(jié)構(gòu)的直徑為800-1000mm。濾筒中心層在尾氣處理過程中，通過旋轉(zhuǎn)環(huán)7進 行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為20-30 rpm。旋轉(zhuǎn)過程中氧化銅顆粒在中間層中翻轉(zhuǎn)流動，使尾氣與 固相顆粒充分接觸，反應(yīng)過程穩(wěn)定。
[0014]本發(fā)明尾氣固相處理技術(shù)，其特征在于濾筒三層式結(jié)構(gòu)的中間層中裝有氧化銅顆 粒4,顆粒的粒徑為100-150目。氧化銅顆粒的填充量為中間層體積的85 - 90%，保證氧化銅 顆粒的翻轉(zhuǎn)流化流動性以及反應(yīng)物的混合均勻性，同時也保證了生成的二氧化硅超細粉末 通過旋轉(zhuǎn)篩分到濾筒的底部進行收集，不會對濾網(wǎng)形成堵塞。200目的絲網(wǎng)使氧化銅顆粒不 會從濾網(wǎng)中漏出，同時具有足夠的接觸表面積進行反應(yīng)。
[0015]本發(fā)明尾氣固相處理技術(shù)，其特征在于濾筒三層式結(jié)構(gòu)的外層8為密封式結(jié)構(gòu)，分 成上下兩個部分，上部分為尾氣排放6，下部分為超細二氧化硅粉末收集器5。由于硅單晶生 長的原料純度高，環(huán)境穩(wěn)定，生成的二氧化硅粉末為高純二氧化硅，可直接做為原材料使 用。
[0016]本發(fā)明尾氣固相處理技術(shù)，其特征在于氧化銅粉末反應(yīng)后生成氧化亞銅和銅。初 始反應(yīng)物氧化銅顆粒的含氧量為20%，當(dāng)氧化銅顆粒含氧量的低于12%時更換氧化銅顆粒。 氧化亞銅和銅粉末顆粒在空氣中直接放置會自然生成氧化銅，重復(fù)使用。
[0017]生成的二氧化硅粉末的顆粒粒徑與尾氣中一氧化硅的含量、尾氣的溫度、過濾筒 中間層的的旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)。一氧化硅的含量越高、尾氣的溫度越高，二氧化硅的顆粒越大， 而過濾筒中間層的轉(zhuǎn)速越高，二氧化硅的顆粒越小。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明硅單晶生長尾氣固相處理裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 實施例1 生長直徑為51mm單晶硅。氬氣Ar的輸入量為30L/min，尾氣的溫度為1100°C。過濾筒中 心孔的直徑為100mm，由200目絲網(wǎng)制成。濾筒中間層結(jié)構(gòu)的直徑為800mm，由200目絲網(wǎng)制 成。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為30 rpm，中間層中裝有氧化銅顆粒，顆粒的粒徑為100-150目，氧化銅顆粒 的填充量為中心層體積的85%。系統(tǒng)的真空度保持在20Torr。尾氣處理過程中，真空系統(tǒng)穩(wěn) 定，氣路壓力沒有增加，真空油沒有污染。收集到二氧化硅粉末150g，平均顆粒徑為8.9ym， 純度達到99.999%以上。在排放的氣體中沒有檢測到一氧化娃和二氧化娃，一氧化碳的濃度 小于5ppm。達到尾氣處理的要求。
[0020] 實施例2 生長直徑為6英寸的單晶硅。氬氣Ar的輸入量為40L/min，尾氣的溫度為1150°C。過濾筒 中心孔的直徑為100mm，由200目絲網(wǎng)制成。濾筒中間層結(jié)構(gòu)的直徑為800mm，由200目絲網(wǎng)制 成。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為30 rpm，中間層中裝有氧化銅顆粒，顆粒的粒徑為100-150目，氧化銅顆粒 的填充量為中心層體積的85%。系統(tǒng)的真空度保持在20Torr。尾氣處理過程中，真空系統(tǒng)穩(wěn) 定，氣路壓力沒有增加，真空油沒有污染。收集到二氧化硅粉末200g，平均顆粒徑為9ym，純 度達到99.999%以上。在排放的氣體中沒有檢測到一氧化娃和二氧化娃，一氧化碳的濃度小 于5ppm。達到尾氣處理的要求。
[0021] 實施例3 生長直徑為6英寸的單晶硅。氬氣Ar的輸入量為40L/min，尾氣的溫度為1150°C。過濾筒 中心孔的直徑為100mm，由200目絲網(wǎng)制成。濾筒中間層結(jié)構(gòu)的直徑為800mm，由200目絲網(wǎng)制 成。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為25 rpm，中間層中裝有氧化銅顆粒，顆粒的粒徑為100-150目，氧化銅顆粒 的填充量為中心層體積的85%。系統(tǒng)的真空度保持在20Torr。尾氣處理過程中，真空系統(tǒng)穩(wěn) 定，氣路壓力沒有增加，真空油沒有污染。收集到二氧化硅粉末180g，平均顆粒徑為10ym，純 度達到99.999%以上。在排放的氣體中沒有檢測到一氧化娃和二氧化娃，一氧化碳的濃度小 于5ppm。達到尾氣處理的要求。
[0022] 實施例4 生長直徑為8英寸的單晶硅。氬氣Ar的輸入量為40L/min，尾氣的溫度為1180°C。過濾筒 中心孔的直徑為150mm，由200目絲網(wǎng)制成。濾筒中間層結(jié)構(gòu)的直徑為1000mm，由200目絲網(wǎng) 制成。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為20 rpm，中間層中裝有氧化銅顆粒，顆粒的粒徑為100-150目，氧化銅顆 粒的填充量為中心層體積的90%。系統(tǒng)的真空度保持在20Torr。尾氣處理過程中，真空系統(tǒng) 穩(wěn)定，氣路壓力沒有增加，真空油沒有污染。收集到二氧化硅粉末305g，平均顆粒徑為10.5y m，純度達到99.999%以上。在排放的氣體中沒有檢測到一氧化娃和二氧化娃，一氧化碳的濃 度小于5ppm。達到尾氣處理的要求，具備長期穩(wěn)定工作能力。
[0023] 實施例5 生長直徑為8英寸的單晶硅。氬氣Ar的輸入量為40L/min，尾氣的溫度為1180°C。過濾筒 中心孔的直徑為150mm，由200目絲網(wǎng)制成。濾筒中間層結(jié)構(gòu)的直徑為1000mm，由200目絲網(wǎng) 制成。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為25 rpm，中間層中裝有氧化銅顆粒，顆粒的粒徑為100-150目，氧化銅顆 粒的填充量為中心層體積的90%。系統(tǒng)的真空度保持在20Torr。尾氣處理過程中，真空系統(tǒng) 穩(wěn)定，氣路壓力沒有增加，真空油沒有污染。收集到二氧化硅粉末220g，平均顆粒徑為10ym， 純度達到99.999%以上。在排放的氣體中沒有檢測到一氧化娃和二氧化娃，一氧化碳的濃度 小于5ppm。達到尾氣處理的要求，具備長期穩(wěn)定工作能力。
[0024] 實施例6 生長直徑為12英寸的單晶硅。氬氣Ar的輸入量為40L/min，尾氣的溫度為1200°C。過濾 筒中心孔的直徑為150mm，由200目絲網(wǎng)制成。濾筒中間層結(jié)構(gòu)的直徑為1000mm，由200目絲 網(wǎng)制成。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為20 rpm，中間層中裝有氧化銅顆粒，顆粒的粒徑為100-150目，氧化銅 顆粒的填充量為中心層體積的90%。系統(tǒng)的真空度保持在20Torr。尾氣處理過程中，真空系 統(tǒng)穩(wěn)定，氣路壓力沒有增加，真空油沒有污染。收集到二氧化硅粉末125g，平均顆粒徑為12y m，純度達到99.999%以上。在排放的氣體中沒有檢測到一氧化娃和二氧化娃，一氧化碳的濃 度小于5ppm。達到尾氣處理的要求，具備長期穩(wěn)定工作能力。
[0025] 實施例7 生長直徑為12英寸的單晶硅。氬氣Ar的輸入量為40L/min，尾氣的溫度為1200°C。過濾 筒中心孔的直徑為150mm，由200目絲網(wǎng)制成。濾筒中間層結(jié)構(gòu)的直徑為1000mm，由200目絲 網(wǎng)制成。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為25 rpm，中間層中裝有氧化銅顆粒，顆粒的粒徑為100-150目，氧化銅 顆粒的填充量為中心層體積的90%。系統(tǒng)的真空度保持在20Torr。尾氣處理過程中，真空系 統(tǒng)穩(wěn)定，氣路壓力沒有增加，真空油沒有污染。收集到二氧化硅粉末210g，平均顆粒徑為9y m，純度達到99.999%以上。在排放的氣體中沒有檢測到一氧化娃和二氧化娃，一氧化碳的濃 度小于5ppm。達到尾氣處理的要求，具備長期穩(wěn)定工作能力。
【主權(quán)項】
1. 一種單晶硅生長尾氣固相處理技術(shù)，特別涉及含有可燃性一氧化硅和一氧化碳氣體 的固相處理技術(shù);將單晶硅生長產(chǎn)生的尾氣經(jīng)由導(dǎo)氣管1，導(dǎo)入到一個三層結(jié)構(gòu)的固相處理 濾筒內(nèi)，三層結(jié)構(gòu)分別為濾筒中心、濾筒中間層和濾筒外層，濾筒整體水平放置;濾筒中心2 為空心式結(jié)構(gòu)，接入尾氣；中間層3為可轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，填充氧化銅粉末顆粒4;尾氣中的高溫一 氧化硅與氧化銅發(fā)生反就生成二氧化硅固體粉末，從濾筒內(nèi)分離出來，在濾筒底部的收集 器5收集回收;一氧化碳與氧化銅發(fā)生反應(yīng)就生成二氧化碳，通過排放管6過濾后與氬氣一 同排放。2. 根據(jù)權(quán)利要求1，單晶硅生長尾氣固相處理技術(shù)的特征在于，濾筒三層式結(jié)構(gòu)的內(nèi)層 2由200目絲網(wǎng)制成，中心為進氣孔，濾筒中心層的直徑為100-150mm;尾氣通過絲網(wǎng)的孔隙 進入到中間層3中。3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2,單晶硅生長尾氣固相處理技術(shù)的特征在于，濾筒三層式結(jié)構(gòu)的 中間層3由200目絲網(wǎng)制成，濾筒中間層結(jié)構(gòu)的直徑為800-1000mm;本發(fā)明單晶硅生長尾氣 固相處理技術(shù)的特征還在于，濾筒中心層在尾氣處理過程中，通過旋轉(zhuǎn)環(huán)7進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn) 的轉(zhuǎn)速為20-30 rpm。4. 一種單晶硅生長尾氣固相處理技術(shù)，其特征在于濾筒三層式結(jié)構(gòu)的中間層中裝有氧 化銅顆粒4,顆粒的粒徑為100-150目；氧化銅顆粒的填充量為中間層體積的85 - 90%;尾氣 中的高溫一氧化硅與氧化銅發(fā)生反就生成二氧化硅固體粉末，從濾筒內(nèi)分離出來，在濾筒 底部的收集器5收集回收;反應(yīng)方程式見式(1)和(2)所示 (1) SiCt T +2CuO Cit 2;0 + SiQ2. (2) 汾:> T +Cii2O - + 一氧化碳與氧化銅發(fā)生反就生成二氧化碳，見式(3)所示； (3) COt +C'uO -> CO2 T +Cu 生成的二氧化碳氣體，通過排放管6過濾后與氬氣一同排放。5. 根據(jù)權(quán)利要求1和2,單晶硅生長尾氣固相處理技術(shù)的特征在于，濾筒三層式結(jié)構(gòu)的 外層8為密封式結(jié)構(gòu)，分成上下兩個部分，上部分為尾氣排放6，下部分為超細二氧化娃粉末 收集器5;硅單晶生長的原料純度高，環(huán)境穩(wěn)定，生成的二氧化硅粉末為高純二氧化硅，可直 接做為原材料使用。6. -種單晶硅生長尾氣固相處理技術(shù)，其特征在于氧化銅粉末反應(yīng)后生成氧化亞銅和 銅;初始反應(yīng)物氧化銅粉末顆粒的含氧量為20%，當(dāng)氧化銅顆粒含氧量的低于12%時更換氧 化銅顆粒;氧化亞銅和銅粉末顆粒在空氣中直接放置會自然生成氧化銅，重復(fù)使用。
【文檔編號】B01D53/83GK105879656SQ201610229173
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】張俊寶, 宋洪偉
【申請人】上海超硅半導(dǎo)體有限公司