[发明专利]乙烯与硅烷反应的氯基SiC-CVD外延制程尾气FTrPSA回收与循环再利用方法

说明书

本发明公开了乙烯与硅烷反应的氯基SiC‑CVD外延制程尾气FTrPSA回收与循环再利用方法，属于半导体材料与半导体制程环保领域，以解决现有的SiC‑CVD外延制程制备成本高，无法从尾气中回收再利用的问题，通过预处理、浅冷氯硅烷吸收、浅冷变压吸附浓缩、吸附净化、变压吸附提氢、氢气纯化、多级蒸发/压缩/冷凝、HCl精制、氯硅烷中浅冷精馏、乙烯/硅烷分离、硅烷提纯与乙烯精制工序，回收高纯度、高收率的回收H₂、HCl、SiH₄、C₂H₄，并作为原料气返回到氯基SiC‑CVD外延制程中循环使用，既实现尾气的全组分回收再利用，又减少了尾气排放，弥补了氯基SiC‑CVD外延制程尾气处理技术的空白。

技术领域

乙烯与硅烷反应的氯基SiC-CVD外延制程尾气FTrPSA回收与循环再利用方法，本发明属于半导体材料与半导体制程环保技术领域，具体涉及SiC-CVD外延制程尾气处理技术领域。

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”)不同而又可分为无氯、含氯(氯基)及同时含C/Si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。

基于乙烯与硅烷反应的氯基SiC-CVD外延制程是，以乙烯(C₂H₄)作为“碳(C)”源、以硅烷作为“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，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，基于乙烯与硅烷的氯基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，参与反应的主要生成物为H₂、HCl、氯硅烷(SiHmCln)、少量的甲烷(CH₄)、氯烷烃(CHmCln)、氯烯烃(VCM)、碳二以上轻烃组分(C²⁺)，及微量的Si粉或Si团簇或C粉等固体微小颗粒，未反应完的主要组分有HCl、C₂H₄、SiH₄，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、乙烯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而无法适用。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，对基于乙烯与硅烷反应的氯基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。

目前常用的氯基SiC-CVD外延制程尾气进行处理的方法主要有干法吸附式和水洗式两种。