CN101155634A - 处理气流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种处理含有硅烷或其它含硅气体的气流的方法。在该方法中，该气流传送到液环泵或螺杆机构泵。同时提供用于在该泵内氧化该含硅气体的氧化剂，以及用于在该泵内形成液环或用于间歇性冲刷的液体。包含有该液体以及该含硅气体氧化副产品的液体流从该泵排出。

Description

处理气流的方法
本发明涉及用于处理气流的方法以及设备，特别地涉及对包含有含硅气体，比如自燃气体如硅烷的气流的处理。
使用自燃气体将处理层沉积于硅片或平板显示器上已司空见惯。这些气体包括硅烷、二硅烷、二氯硅烷以及三氯硅烷。自燃气体可以引起风险，即遇到空气时它们可以引起自发及不受控制的自燃反应。为了降低不受控制的自燃反应的风险，该反应由于在从处理工具中排出的废弃流中存在自燃气体而导致，采用“燃烧箱”或“燃烧管”，通过引起自燃气体与空气的反应来去除自燃气体，使其浓度低于可燃极限的做法已司空见惯。这些燃烧管装置主要包括反应腔室，其具有入口，用于接收包含有自燃气体的流以及接收用于在该腔室内产生可控的及内含的自燃反应的流；以及包括用于从该腔室内传送该废弃流的排出管道。
当例如硅烷燃烧时，形成大量硅粉，其能够迅速地堵塞该反应腔室、入口以及下游管道。作为结果，必须对该装置进行常规清洗，该清洗增加了成本并且招致该处理工具的停工。此外，如果发生故障，该装置内的温度能够迅速地升高，从而引起火险。而且，这已成为惯例：使用稀释气体，典型地为氮气，将带有硅烷气体的流稀释至一定等级，在该等级，硅烷气体在泵抽机构内或泵抽机构之后不可以燃烧，以便将该废弃流从处理腔室中吸出(常常推荐低于1％的等级)。这种稀释致使燃烧管的后续使用无效。
本发明的至少一个优选实施例的目的是力求解决这些以及其它问题。
在第一方面，本发明提供处理包含有含硅气体的气流的方法，该方法包括步骤：将气流传送到泵内；给该泵供应氧化剂以便在该泵内氧化该含硅气体以及供应液体；以及从该泵内排出包含有含硅气体的氧化副产品的液体。
在一个实施例中，该泵包括液环泵(liquid ring pump)。液环泵包括转动地安装在环形壳体内的转子，使得该转子轴线与该壳体的中央轴线不同心。该转子具有叶片，其径向向外地自该转子延伸并且其均匀地围绕该转子而隔开。一定量的泵抽液体比如水维持于该壳体内。当该转子转动时，该转子叶片与该液体接合并使该液体在该壳体内部形成环形圆环。这意味着：在该泵的入口侧，存在于位于相邻转子叶片之间的压缩区域内的气体，从该转子轮毂径向向外地迅速移动，而在该泵的出口侧，该气体径向向内地朝着该转子轮毂迅速移动。从而在穿过该泵的气体上引起活塞型泵抽动作。
在该优选实施例中，第一气体入口提供于该泵的入口侧，使得包含有含硅气体比如硅烷的气流被拉动到位于相邻转子叶片之间的空间内，该液体在该空间内径向向外地移动。第二气体入口同时提供于该泵的入口侧，用于将第二气流比如空气或其它含氧气体传送到该壳体内。用于将液体传送到该壳体内以便在该壳体内形成液环的另一个入口，典型地提供于该壳体的底部，并介于该泵的入口侧与出口侧之间。在该壳体内，发生硅烷的气相氧化作用。比如，当该氧化剂为氧气时，该氧化作用形成二氧化硅(SiO2)，其夹带于该液环内。出口提供于该出口侧，以便液体流可以从该泵释放，该液体流包含有液体以及从该反应得来的固体副产品，连同其它任何进入该泵内的第一气流与第二气流的组分。
在另一个实施例中，该泵包括螺杆泵抽机构(screw pumpingmechanism)，优选地为多转子螺杆机构。多转子螺杆机构泵能泵抽气体与液体的混合物，并且因此能够作为本发明的液环泵的替代物使用。多转子螺杆泵抽机构包括两个或多个位于静止的定子内的转动螺杆，在该转动螺杆内，流体被轴向地传输到空腔内，该空腔由该螺杆转子的啮合齿形成。流体穿过该机构运动的方向取决于该螺杆转子的转动方向。不在该泵自身内提供压缩，而是通过对出口的限制来提供，该压缩常常仅仅是大气压。
在该实施例中，在该泵的入口端部提供主气体入口，因此该包含有含硅气体的气流被吸入该泵内。进一步地沿着该转子的第二气体入口允许引入该第二气流，该第二气流包含有氧化剂(比如氧气、臭氧、过氧化物、空气或者卤化物)。第三入口供引入液体流，其可以被连续地或间歇性地引入。
在该第二气体入口处以及其下游，该两股气流在该泵的壳体内混合并且发生该含硅气体的气相氧化。与该液环泵类似，该固体氧化副产品(比如，在硅烷氧化的情况下为二氧化硅)被该液体流所夹带。该泵的出口允许将该液体流从该泵释放出去。
该液环泵或者螺杆机构泵因此作为用于消除该含硅气体的消除装置而运行，并且作为用于该第一气流的大气真空泵抽级而运行。关于该液环泵或者螺杆机构泵的消除方面，该泵内减小的压力为气体氧化提供了安全的环境。在氧化过程中产生的热量传递到该泵内的液体中。因此，在使用过程中，相对较热的液体从该泵排出，并且被进入该泵内的相对较冷的液体所替换。这可以防止该泵内过分的温度升高。此外，由于来自氧化的任何固体副产品借助液体而从该泵内除去，该泵或者来自该泵的出口没有发生阻塞，并且因此没有必要提供任何单独的设置，以便将固体副产品从泵除去。而且，当位于该泵内的液体为水或者其它含水溶液时，水从该液体的蒸发以及喷溅可以在该泵内产生潮湿大气。这被发现有利于促进含硅气体比如硅烷的氧化。此外，不需要对该含硅烷流进行稀释，从而节约了巨大成本。
关于该液环泵或者螺杆机构泵的泵抽方面，不像Root或者Northey类型的泵抽机构，其可以作为大气压泵抽级使用，任何来自对该含硅气体的消除中的颗粒副产品或者粉末副产品不会对该泵的机构具有有害影响。
在优选实施例中，该含硅气体为用于半导体装置制造中的先驱体(precursor)。这些含硅气体的例子包括硅烷、二硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、正硅酸乙酯(TEOS)、硅氧烷比如八甲基环四硅氧烷(OMCTS)、有机硅烷。该含硅气体可以具有自燃性，并且因此本发明的第二方面提供一种处理包含有自燃气体的气流的方法。该方法包括如下步骤：将气流传送到泵，给该泵供应氧化剂以便在该泵内氧化该自燃气体并给该泵供应液体；以及从该泵内排出包含有自燃气体氧化副产品的液体。
除了含硅气体之外，其它可以用这种方式处理的自燃气体包括金属氢化物以及其它非金属氢化物，比如乙硼烷和磷化氢。除了氧气流之外，该第二气流可以包括空气。其它合适的氧化剂包括卤素，比如氯和溴，一氧化氮、臭氧以及过氧化物。
本发明的第三方面提供用于处理包含有含硅气体的气流的设备。该设备包括用于接收该气流的泵，用于给该泵供应用以在该泵内氧化该含硅气体的氧化剂并给该泵供应液体的机构；以及从该泵内传送包含有位于该泵内的含硅气体氧化副产品的液体的机构。
本发明的第四方面提供一种设备，用于处理包含有自燃气体的气流。该设备包括用于接收该气流的泵，用于给该泵供应用以在该泵内氧化自燃气体的氧化剂并给该泵供应液体的机构；以及从该泵内传送包含有位于该泵内的自燃气体氧化副产品的液体的机构。
在第五方面，本发明提供一种系统，用于对处理腔室进行抽空。该系统包括用于将气流从该腔室吸出的真空泵，以及前述用于从该真空泵接收气流的设备。
上述相对于本发明的方法方面的特征可以平等地应用于设备方面以及系统方面，反之亦然。
下面结合附图对本发明的优选特征进行描述，附图中：
图1示意性地展示了对处理腔室进行抽空的系统。
图2示意性地展示了用于处理从该处理腔室吸出的气流的设备的一个实施例。
图3示意性地展示了用于处理从该处理腔室吸出的气流的设备的另一个实施例。
首先参考图1，处理腔室10上设有至少一个入口12，用于接收一个或者多个来自气体源的处理气体，该处理气体在图1中大体上显示为14。该处理腔室10可以为腔室，其内发生对半导体或者平板显示器装置的处理。质量流量控制器16可以提供于每个个别的处理气体。该质量流量控制器由系统控制器所控制，以确保将所需要的气体量供应该处理腔室10。
废弃气流借助在图1中标号20处显示的泵抽系统而从该处理腔室10的出口18被吸出。当该处理在该腔室10内进行时，该供应到腔室内的处理气体中的仅仅一部分将被消耗，并且因此，从该处理腔室10的出口18排出的废弃气流将包含供应到该腔室10内的处理气体与来自在该腔室10内进行的处理中的副产品的混合物。
该泵抽系统20包括至少一个二级泵22(虽然根据该处理腔室10的容量可以提供任何合适的数量，但在图1中仅显示了一个)。每个二级泵22可以包括多级干燥泵，其中根据该处理腔室10的泵抽要求，每个泵抽级可以由Roots型泵抽机构或Northey型泵抽机构、涡轮分子泵、以及/或者分子拖动机构所提供。为了避免在对处理腔室10进行抽空时该二级泵被损坏，如图1所示，清洗气体比如氮气或者氦气可以通过管路系统24而供应给每个二级泵22，该管路系统24将清洗气体源26与每个二级泵22的清洗端口28互相连接起来。
该二级泵22将废弃气流从该处理腔室10的出口18吸出，并且在亚大气压的条件下，典型地在50-500mbar之间，将气流从该二级泵22的排出口30排出。考虑到这些，该泵抽系统20包括前级泵32，其具有第一入口34，该第一入口34借助管路系统36而连接到二级泵22的排出口30，该管路系统36用于将废弃流传送到前级泵32。
根据在处理腔室10内执行的处理，进入前级泵32的废弃流可以包含一个或者多个含硅气体，其作为在半导体装置制造过程中的先驱体使用。这些气体的例子可以包括硅烷、二硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、正硅酸乙酯(TEOS)、硅氧烷，比如八甲基环四硅氧烷(OMCTS)，以及有机硅烷。比如硅烷，在化学气相沉积(CVD)流程中的多晶硅层沉积或者硅氧化物层沉积中典型地作为处理气体使用。这种气体可以自燃。
考虑到这些，该前级泵32配置成执行包含在废弃流中的含硅气体的可控制氧化。现在参考图2和图3描述合适的前级泵的两个实施例。在第一个实施例中，该前级泵由液环泵提供，而在该第二个实施例中，该前级泵由具有螺杆泵抽机构的泵提供。
首先参考图1，该液环泵32包括靠近该第一入口34而定位的第二入口38，该第一入口34位于该液环泵32的入口侧，如图2所示。用于在该废弃流内氧化任何含硅气体，比如在本实施例中为硅烷，的氧化剂源40，借助管路系统42而连接于该液环泵32的第二入口38，该管路系统42给该液环泵32供应氧化剂。该源40可以方便地包括空气源，其包含用于氧化该硅烷的氧气。其它替代物包括臭氧、一氧化氮以及过氧化物。该液环泵32进一步包括第三入口44，经由该第三入口44，用于在泵32内形成液环48的液体借助管路系统52而从其源50被传送。在该实施例中，该液体为水，但是可以使用任何其它含水溶液。
如图2所示，该液环泵32包括转动地安装在环形壳体56内的转子54，使得该转子轴线58与该壳体56的中央轴线60不同心。该转子54具有叶片62，其径向向外地自该转子延伸并且其均匀地围绕该转子54而隔开。当该转子54转动时，该叶片62与该液体接合并使该液体在该壳体56内部形成环形圆环48。
通过该第一入口34而进入该液环泵32内的废弃流，以及通过该第二入口38而进入该液环泵32内的空气流，被拉动到位于相邻叶片62之间的空间63内。作为结果，在亚大气压下，该液环泵32内发生了包含于该废弃流内的硅烷气相氧化。比如，当该氧化剂为氧气时，该发生于液环泵32内的反应形成二氧化硅(SiO2)，其夹带于形成于该液环泵32内的液环48内。该液环泵32在其出口侧设有排出口64，用于将包含有来自该液环48的液体以及来自该硅烷氧化的副产品的液体流从该泵32排出。由于液体借助管路系统66而从其排出口被传送，该液环48可以借助经由第三入口44给该壳体56供应新鲜液体的方式而被补充。从该液环泵32排出的液体流可以随后被处理，以便从该液体流中除去副产品。在处理之后，该经处理的液体可以回流到源50，以供再使用。
现在参考图3描述实施例，在该实施例中，该前级泵32上设有螺杆型泵抽机构，在该图3中，与结合液环泵描述的那些特征等同的特征将赋予相同的标号。
第一入口34定位于该泵的入口侧，经过该第一入口34，该废弃流进入该泵32内。如图3所示，该第二入口38靠近位于该泵32的入口侧的第一入口34而定位。用于在该废弃流内氧化任何硅烷的氧化剂源40，借助该泵32的管路系统42而连接于该泵32的第二入口38，该管路系统42给该泵32供应氧化剂。如上所述，该源40可以方便地包括空气源，其包含用于氧化该硅烷的氧气，或者可以使用任何其它合适的氧化剂。该泵32进一步包括第三入口44，经由该第三入口44，用于冲刷位于泵32内的泵壳体70的液体借助管路系统52而从其源50被传送。在该实施例中，该液体为水，但是可以使用任何其它含水溶液。该液体可以间歇性地供应给泵32。
如图3所示，该泵32包括第一轴72以及与其隔开并与其平行的第二轴74。提供轴承用于支撑该轴72、74。该轴72、74适于在该壳体70内绕纵向轴以反旋转方向转动。该第一轴72连接于驱动马达76，这些轴借助正时齿轮78而互相配接起来，以便在使用时，轴72、74以相同的速度但却以相反的方向转动。第一转子80安装于该第一轴72上，用于在该腔室70内作旋转运动，并且类似地，第二转子82安装于该第二轴74上。该两个转子80、82之中的每一个大体上为圆柱体形状并且具有个别地形成于其外表面上的螺旋翼(helical vane)或者螺纹，如图所示，这些螺纹互相啮合。
在使用时，通过该第一入口34而进入该螺杆机构泵32内的废弃流，以及通过该第二入口38而进入该螺杆机构泵32内的空气流，被拉动到位于互相啮合的转子80、82之间的空腔82内。作为结果，在亚大气压下，该螺杆机构泵32内发生了包含于该废弃流内的硅烷气相氧化。比如，当该氧化剂为氧气时，该发生于螺杆机构泵68内的反应形成二氧化硅(SiO2)，其夹带于液体74内，该液体74是通过第三入口44而间歇性地或连续地进入该螺杆机构泵32内的。该螺杆机构泵32的出口侧设有排出口64，用于将包含有液体以及来自该硅烷氧化的副产品的液体流从该泵32排出。由于液体借助管路系统66而从其排出口被传送，该冲刷液体可以借助经由第三入口44给该壳体70供应新鲜液体的方式而被补充。从该螺杆机构泵32排出的液体流可以随后被处理，以便从该液体流中除去副产品。在处理之后，该经处理的液体可以回流到源50，以供再使用。

Claims (31)

1.一种处理包含有含硅气体的气流的方法，所述方法包括步骤：将所述气流传送到泵内；给所述泵供应氧化剂和液体，所述氧化剂用于在所述泵内氧化所述含硅气体；以及从所述泵内排出包含有所述含硅气体的氧化副产品的所述液体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含硅气体为用于半导体装置制造中的先驱体。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述含硅气体包括硅烷、二硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、正硅酸乙酯(TEOS)、硅氧烷比如八甲基环四硅氧烷(OMCTS)、以及有机硅烷中的一种。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述含硅气体具有自燃性。
5.一种处理含有自燃气体的气流的方法，所述方法包括如下步骤：将所述气流传送到泵；给所述泵供应氧化剂和液体，所述氧化剂用于在所述泵内氧化所述自燃气体；以及从所述泵内排出含有所述自燃气体的氧化副产品的所述液体。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述自燃气体为金属氢化物或非金属氢化物，比如为硅烷、二硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、磷化氢和乙硼烷中的一种。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体与所述氧化剂分隔开地供应至所述泵。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体与所述气流分隔开地供应至所述泵。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体间歇性地供应至所述泵。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化剂为氧气、臭氧、过氧化物以及卤化物中的一种。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述氧气通过夹杂于空气流中或其它含氧气流中而供应至所述泵。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述自燃气体为金属氢化物或非金属氢化物，比如为硅烷、二硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、磷化氢和乙硼烷中的一种。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体包括水或者含水溶液。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气流在范围为50-500mbar之间的压力下传送到所述泵。
15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述泵为液环泵，所述液体在所述液环泵内形成液环。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述液体以一定等级进入所述泵内，所述等级低于含有所述副产品的所述液体从所述泵排出时的等级。
17.如权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述泵包括互相啮合的转子。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述泵包括螺杆型泵抽机构。
19.一种用于处理包含有含硅气体的气流的设备，所述设备包括用于接收所述气流的泵；用于给所述泵供应用以在所述泵内氧化所述含硅气体的氧化剂以及供应液体的机构；以及用于从所述泵内传送包含有位于所述泵内的含硅气体的氧化副产品的液体的机构。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述泵包括用于接收所述气流的第一入口，以及用于接收所述氧化剂的第二入口。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述泵包括用于接收所述液体的第三入口。
22.如权利要求19至21中任一项所述的设备，其特征在于，所述供应机构包括给所述泵供应包含所述氧化剂的气流的机构。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于，所述气流包括空气流、臭氧流、过氧化物流以及卤化物流中的至少一个。
24.如权利要求19至23中任一项所述的设备，其特征在于，所述供应机构包括给所述泵供应水流的机构。
25.如权利要求19至24中任一项所述的设备，其特征在于，所述泵为液环泵。
26.如权利要求19至24中任一项所述的设备，其特征在于，所述泵包括互相啮合的转子。
27.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述泵包括螺杆型泵抽机构。
28.一种用于对处理腔室进行抽空的系统，所述系统包括用于将气流从所述腔室吸出的真空泵，以及用于从所述真空泵接收所述气流的根据权利要求19至27中任一项所述的设备。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，所述真空泵配置为在范围为50-500mbar的压力下将所述气流排出。
30.如权利要求28或29所述的系统，其特征在于，包括用于给所述真空泵供应清洗气体的机构。
31.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述清洗气体为氮气。
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