[发明专利]一种含低浓度硅烷与碳二以上轻烃类的氯基SiC-CVD外延尾气全温程变压吸附提氢与循环再利用方法

说明书

本发明公开了一种含低浓度硅烷与碳二以上轻烃类的氯基SiC‑CVD外延尾气全温程变压吸附提氢与循环再利用方法，通过中温变压吸附提纯与浅冷变压吸附浓缩与精馏、化学吸附纯化耦合，并经预处理、压缩冷凝、中温变压吸附提纯、吸附纯化、变压吸附提氢、氢气纯化、中浅冷精馏与HCl精制工序，将来自氯基SiC‑CVD外延制程中产生的含低浓度硅烷与碳二以上轻烃类尾气的有效组分H2提取与纯化，获得满足SiC‑CVD制程所需的电子级H2产品气并返回制程循环使用，收率高达90％以上，同时获得副产物HCl气体，作为“含氯”载体返回制程循环使用，为SiC产业绿色与循环经济发展填补了空白。

技术领域

本发明涉及第三代半导体材料碳化硅(SiC)氯基外延生长过程中的制程氢气(H₂)的提取纯化制备及外延尾气中回收H₂再利用的半导体材料与半导体制程环保领域，更具体的说是涉及一种含低浓度硅烷/碳二以上轻烃类(碳二及碳二以上的轻烃类碳氢化合物组分)氯基SiC-CVD(碳化硅化学气相沉积)外延尾气FTrPSA(全温程变压吸附)提氢与循环再利用方法。

背景技术

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料，因其具有宽禁带、耐高温与高压、高频大功率，及耐辐射等优异特性，已广泛应用于IT及电子消费品、汽车、光伏光电、核反应堆，以及系统工作条件苛刻的航空航天与军事等领域的功率开关、变频变压、UPS等电力电子元器件，其中，外延是SiC材料得以广泛应用的关键生产步骤。

SiC外延制程有高温升华(PVT)、化学气相沉积(CVD)、液相生长外延(LPE)、分子束外延生长(MBE)、电子回旋共振等离子化学气相沉积(ECR-MPCVD)等，而工业上普遍采用的是具有外延生长温度低、生产批量大、外延薄膜均匀性好，以及操作易控制特点的CVD制程，其中，按参与反应的硅(Si)源和碳(C)源(称为“反应前驱物”)不同而又可分为常规(无氯)、氯基(含氯)及同时含C/Si/Cl源的有机硅化合物的SiC-CVD外延制程，进而，不同的外延制程所产生的尾气组成也不尽相同，处理方法随之也不同。

基于轻烃类与硅烷反应的氯基SiC-CVD外延制程是，以烷烃如甲烷(CH₄)或丙烷(C3H8)或烯烃如乙烯(C2H4)作为“碳(C)”源、以硅烷(含氯硅烷，记为SiH_mCl_n)作为“硅(Si)”源，在氢气(H₂)或氩气(Ar)为载气的携带下，并同时加入氯化氢(HCl)气体进入CVD反应腔(炉)，在一定温度及压力下进行化学气相沉积反应。外延系统中加入HCl或含氯的氯硅烷/氯烷烃，可以有效抑制无氯外延过程中硅团簇在外延气相中的生成，进而提高了硅源的使用效率，也就意味着提高了外延生长速率。因此，在CVD反应腔中，基于轻烃与硅烷的氯基SiC-CVD反应所产生的外延薄膜在适合的衬底或基片(通常是Si或SiC材料)上形成一层薄膜，即外延层，经处理后得到合格的SiC外延片，而在气相中含有，参与反应的生成物H₂、HCl、氯硅烷(SiH_mCl_n)、CH₄、乙烷与碳二以上轻烃类，及微量的Si粉或Si团簇或C粉等固体微小颗粒，未反应完的HCl、轻烃如甲烷、丙烷或乙烯，不参与反应的载气H₂或Ar，以及微量或痕量的其它杂质，如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)及水(H₂O)等。商业上常用H₂作为载气，可以有效提升外延效率。由于尾气中含有有毒有害且易燃易爆的氯硅烷/硅烷、氢气、丙烷/甲烷，以及腐蚀性极强且不易燃烧的HCl组分，因而，对尾气处理的方法也比较特殊，如工业上普遍采用的对常规无氯SiC-CVD外延制程尾气燃烧法的处理工艺，因尾气中含有较多的不易燃HCl，无法适用。目前，针对高击穿电压SiC电力电子元器件的研制与推广应用，越来越多的氯基SiC-CVD外延系统投入使用，已成为SiC-CVD外延的主流工艺。因此，对基于烷烃与硅烷反应的氯基SiC-CVD外延制程尾气的处理方法或有效组分的回收与循环再利用，使得氯基SiC-CVD外延的原材料成本或尾气的处理成本大幅度降低，业已成为本领域较为重要的开发内容。