本發(fā)明涉及電子級(jí)多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是改良西門子法回收氫氣的硼、磷元素雜質(zhì)的去除。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有改良西門子法多晶硅生產(chǎn)技術(shù)中，尾氣回收主要采用干法回收。氫氣、氯硅烷和氯化氫組成的混合物通過低溫淋洗、吸收等過程進(jìn)行分離，包含了少量氯硅烷、氯化氫和其他雜質(zhì)的氫氣通往吸附塔，在吸附塔中利用活性炭進(jìn)行純化。
目前吸附塔中通常都采用單一吸附物質(zhì)進(jìn)行吸附，而氫氣中包含了氯硅烷、氯化氫、BCl3、PCl3及其他未知組成的雜質(zhì)，單一吸附物質(zhì)的吸附塔無法很好的對氫氣進(jìn)行純化。
電子級(jí)多晶硅生產(chǎn)，特別是對于集成電路用半導(dǎo)體級(jí)高純多晶硅的生產(chǎn)中，各原料的控制需非常嚴(yán)格，通過氫氣帶入還原爐的雜質(zhì)將直接導(dǎo)致多晶硅產(chǎn)品的純度不足。
例如現(xiàn)有技術(shù)中通常采用椰殼活性炭作為吸附材料，椰殼活性炭雖然擁有很多優(yōu)點(diǎn)，但基于材料本身特性，其孔隙基本為微孔，即孔徑小于2nm，而氫氣中含有的一些雜質(zhì)利用微孔吸附效果不佳，并會(huì)因此導(dǎo)致部分重要目標(biāo)雜質(zhì)例如B、P的吸附效果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種用于電子級(jí)多晶硅尾氣純化的多層吸附裝置及其使用方法，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)電子級(jí)多晶硅的目標(biāo)。
一種用于電子級(jí)多晶硅尾氣純化的多層吸附塔，塔體通過若干層塔板分為若干個(gè)塔室，塔頂設(shè)有氣體出口管和塔底設(shè)有氣體入口管；所述塔體外部繞有中空的外盤管，所述外盤管的兩端設(shè)有外盤管入口和外盤管出口。
優(yōu)選的，塔體內(nèi)置有中空內(nèi)筒，所述中空內(nèi)筒自塔底貫穿塔室直至靠近塔頂位置，所述中空內(nèi)筒下部設(shè)有外延伸段，所述外延伸段通過塔底的孔穿出塔外，所述中空內(nèi)筒設(shè)有內(nèi)筒出口管和內(nèi)筒入口管，所述內(nèi)筒出口管設(shè)在所述中空內(nèi)筒的底部，所述內(nèi)筒入口管自所述中空內(nèi)筒的底部延伸至頂部，所述中空圓筒外部纏繞有中空的內(nèi)盤管，所述內(nèi)盤管的兩端設(shè)有內(nèi)盤管入口和內(nèi)盤管出口，所述內(nèi)盤管入口和內(nèi)盤管出口穿出塔體。
所述塔室可以多個(gè)，優(yōu)選的是2～6個(gè)，所述塔室內(nèi)各自獨(dú)立的填充有吸附材料。每一層塔室的底板是可拆卸的，吸附材料堆填在底板上的。安裝時(shí)從下往上一層一層安裝填充。
所述塔室可以為4個(gè)，所述吸附材料各自獨(dú)立的選自分子篩、1號(hào)活性炭、2號(hào)活性炭和3號(hào)活性炭，所述1號(hào)活性炭為椰殼活性炭，所述2號(hào)和3號(hào)活性炭為煤質(zhì)活性炭。
所述分子篩的孔徑為0.3-1nm；所述1號(hào)活性炭為椰殼活性炭，其主要孔徑小于2nm，對應(yīng)孔容為3-6ml/g；所述2號(hào)活性炭為煤質(zhì)活性炭，其主要孔徑為2-50nm，對應(yīng)孔容為1-3ml/g；所述3號(hào)活性炭為煤質(zhì)活性炭，其主要孔徑大于50nm，對應(yīng)孔容為0.5-2ml/g。
一種使用上述任一所述多層吸附塔純化電子級(jí)多晶硅尾氣的方法：
需要純化氫氣時(shí)，將需純化的循環(huán)氫氣通過換熱器冷卻至-20到0℃之間后，從所述氣體入口管通入多層吸附塔去除雜質(zhì)，控制吸附塔的壓力為0.5～2個(gè)大氣壓，得到純化后的氫氣從所述氣體出口管通入電子級(jí)多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)。
需要再生所述吸附塔內(nèi)的吸附材料時(shí)，向所述內(nèi)盤管、外盤管或內(nèi)筒中的至少一個(gè)通入熱介質(zhì)將所述吸附塔升溫至150～200℃，控制吸附塔的壓力為0.5～2個(gè)大氣壓，從所述氫氣出口反吹入純氫氣，將吸附塔內(nèi)吸附材料進(jìn)行再生。
優(yōu)選的內(nèi)盤管、外盤管或內(nèi)筒中都通入熱介質(zhì)加熱。
一種尾氣純化的系統(tǒng)，包含本發(fā)明任一所述的多層吸附塔。
以上有三個(gè)加熱區(qū)域，外盤管加熱外部區(qū)域，內(nèi)筒加熱內(nèi)部區(qū)域，內(nèi)盤管加熱中間區(qū)域。優(yōu)選的三個(gè)區(qū)域同時(shí)加熱，達(dá)到最佳的加入效果。
本發(fā)明中所述的吸附材料為多孔介質(zhì)，該類多孔介質(zhì)吸附氫氣中雜質(zhì)主要依靠其不同大小的微孔，若孔徑遠(yuǎn)大于分子運(yùn)動(dòng)直徑，則不易發(fā)生吸附，若孔徑略大于分子運(yùn)動(dòng)直徑，則發(fā)生牢固的吸附，但是再生不易，若孔徑小于分子運(yùn)動(dòng)直徑，則不發(fā)生吸附。以往通用的活性炭往往孔徑集中于2nm以下，不僅吸附總?cè)萘坎患?，而且?huì)形成競爭吸附，影響關(guān)鍵目標(biāo)物質(zhì)的吸附。針對以上的特點(diǎn)，本發(fā)明同時(shí)兼顧吸附介質(zhì)再生的便利性，選擇了上述不同孔徑的多孔介質(zhì)為吸附材料。所述吸附材料的排列順序以主要有效孔徑分布的大小為標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明優(yōu)選的選用了分子篩、椰殼活性炭、煤質(zhì)活性炭綜合運(yùn)用的方式對氫氣進(jìn)行吸附除雜。這4個(gè)特性的吸附材料進(jìn)行多重吸附可以較為有效的吸附氫氣中的一系列雜質(zhì)，每一層吸附物質(zhì)都針對不同的需去除的雜質(zhì)有較強(qiáng)的吸附能力，其中，所述分子篩針對O2、N2、BH3、PH3；所述1號(hào)活性炭針對CH4、CO2、HCL、BCL3、PCL3，所述2號(hào)活性炭針對三氯氫硅、二氯二氫硅、四氯化硅；所述3號(hào)活性炭主要用于六氯化二硅、聚硅烷的吸附。
孔容標(biāo)示了吸附介質(zhì)的總吸附能力，因?yàn)榭偪兹莶顒e不大，對應(yīng)的孔容能一定程度上反映吸附介質(zhì)的孔結(jié)構(gòu)特性，所以以主要孔徑的對應(yīng)孔容作為吸附介質(zhì)性能的次要指標(biāo)。
經(jīng)過一段時(shí)間的吸附操作后，進(jìn)行再生操作，在整個(gè)生產(chǎn)過程中，吸附和再生可以不斷重復(fù)進(jìn)行。
傳統(tǒng)的理論認(rèn)為，煤質(zhì)活性炭中含有的雜質(zhì)不利于電子級(jí)多晶硅系統(tǒng)，但是本發(fā)明的實(shí)際的效果顯示，煤質(zhì)活性炭因?yàn)樾阅芊€(wěn)定，在氣體吸附過程中不會(huì)析出B、P等雜質(zhì)。由于氫氣中B\P等雜質(zhì)含量極其微量，無法直接用儀器測量，我們以成品多晶硅的電阻率和少子壽命進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)采用本發(fā)明的多層吸附相對于傳統(tǒng)的單層椰殼活性炭吸附，改善效果非常明顯，本發(fā)明成品多晶硅的電阻率和少子壽命都大有提高。
有益效果：使用本發(fā)明的多層吸附塔可以有效提高對于氫氣提純的效率，并以得到的高純度的氫氣為原料能夠生產(chǎn)出更高純度的集成電路用半導(dǎo)體級(jí)多晶硅。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的剖面圖，其中1～4分別為1～4塔室；5為氣體入口管，6為氣體出口管，7為中空內(nèi)筒，701為內(nèi)筒入口管，702為內(nèi)筒出口管，703為內(nèi)筒外延伸段，8為內(nèi)盤管，801為內(nèi)盤管入口，802為內(nèi)盤管出口，9為外盤管，901為外盤管入口，902為外盤管出口，。
具體實(shí)施方式
根據(jù)下述實(shí)施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實(shí)施例所描述的內(nèi)容僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)也不會(huì)限制權(quán)利要求書中所詳細(xì)描述的本發(fā)明。
實(shí)施例1
一種用于電子級(jí)多晶硅尾氣純化的多層吸附塔，包括塔體和塔板若干層，塔體通過3層塔板分為4個(gè)塔室，塔底設(shè)有氣體入口管5，塔頂設(shè)有氣體出口管6；塔體內(nèi)置有中空內(nèi)筒7，所述中空內(nèi)筒7自塔底貫穿塔室直至靠近塔頂位置，所述中空內(nèi)筒7的下部設(shè)有外延伸段703，所述外延伸段703通過塔底的孔穿出塔外，所述中空內(nèi)筒7設(shè)有內(nèi)筒入口管701和內(nèi)筒出口管702，所述內(nèi)筒出口管701設(shè)在所述中空內(nèi)筒7的底部，所述內(nèi)筒入口管701自所述中空內(nèi)筒的底部延伸至頂部，所述中空圓筒外部纏繞有中空的內(nèi)盤管8，所述內(nèi)盤管的兩端設(shè)有內(nèi)盤管入口801和內(nèi)盤管出口802，所述內(nèi)盤管入口801和內(nèi)盤管出口802穿出塔體，所述塔體外部繞有中空的外盤管9，所述外盤管的兩端設(shè)有外盤管入口901和外盤管出口902。
將含有氯硅烷、氯化氫、BCl3、PCl3及其他多種雜質(zhì)的氫氣通過換熱器冷卻至-10℃，從吸附塔底部5口通入吸附塔，吸附塔內(nèi)壓力維持在1個(gè)大氣壓，氫氣經(jīng)過4層塔室吸附后，絕大多數(shù)雜質(zhì)被吸附，高純的氫氣從塔頂6口引出。經(jīng)過8小時(shí)連續(xù)運(yùn)行后，吸附效果會(huì)開始有所下降，此時(shí)需要進(jìn)入再生工序。先停止通入需純化的氫氣，在吸附塔內(nèi)置盤管、內(nèi)筒、外盤管中通入導(dǎo)熱油將吸附塔升溫至180℃后，從頂部通入反吹氫氣，壓力為2個(gè)大氣壓，將吸附塔內(nèi)吸附材料所吸附的雜質(zhì)吹掃出來，尾氣通往尾氣處理裝置，該再生過程持續(xù)4小時(shí)。再生過程完成后，在內(nèi)置盤管、內(nèi)筒、外盤管中通入乙二醇水溶液對系統(tǒng)進(jìn)行降溫，經(jīng)過一段時(shí)間后，吸附塔溫度降至-10℃并穩(wěn)定10～30分鐘后，即可再次進(jìn)行吸附過程。
在整個(gè)生產(chǎn)過程中，吸附和再生不斷重復(fù)進(jìn)行。一般為整個(gè)系統(tǒng)配備3臺(tái)吸附塔并聯(lián)，保持有1臺(tái)吸附塔始終處于吸附狀態(tài)。
表1為傳統(tǒng)干法回收氫氣和本發(fā)明方法多層吸附回收氫氣之間的效果比較，使用氣相色譜儀對氫氣中的雜質(zhì)進(jìn)行檢測。
表1 傳統(tǒng)干法回收氫氣和本發(fā)明方法多層吸附回收氫氣之間的效果比較
用本發(fā)明回收的氫氣與傳統(tǒng)干法回收氫氣制備的成品多晶硅的電阻率和少子壽命比較結(jié)果如表2，可見改善效果非常明顯。