CN103930189B - 用于处理气流的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于处理气流（22）的设备。等离子体消除装置（10）具有反应腔室（14）和等离子体焰炬（12），等离子体焰炬（12）用于生成等离子体流以喷射到腔室内用于处理气流。第一入口（18）输送气流到等离子体消除装置内以进行处理；并且第二入口（20）在设备的正常条件下与试剂源流动连通用来将试剂（24）输送到等离子体装置内来改进处理的效率。在设备的备份条件下，第二入口与气流源流动连通以将气流输送到装置内进行处理。

Description

用于处理气流的设备

技术领域

本发明涉及用于处理气流的设备。本发明特别适用于处理从过程腔室排出的气流，过程腔室例如用于半导体、太阳能或平板显示器行业中。

背景技术

在半导体装置制造中的一个步骤是通过蒸气前体的化学反应在半导体基板上形成薄膜。用来在基板上淀积薄膜的一种已知的技术是化学气相淀积（CVD），其通常被等离子体增强。在这种技术中，过程气体被供应到过程腔室，过程腔室容纳基板，在过程腔室中，过程气体起反应以在基板表面上形成薄膜。供应到过程腔室以形成薄膜的气体示例包括（但不限于）：用来形成氮化硅膜的硅烷和氨；用来形成SiON膜的硅烷、氨和一氧化二氮；用来形成氧化硅膜的氧气和臭氧之一和TEOS；以及，用来形成氧化铝膜的Al(CH₃)₃和水蒸气。

从过程腔室排出的气体可以使用等离子体消除装置以高效率和相对较低的成本来处理。在等离子体消除过程中，待处理的气流被输送到热大气压力等离子体排放口（等离子体光焰），热大气压力等离子体排放口主要是热源。等离子体优选地由惰性气体诸如氮气形成，在光焰形成之后，过程气体被传递到光焰，因为这保护等离子体形成装置避免损坏。等离子体造成气流离解为反应物质，诸如自由基，然后反应物质与氧气或氢气物质（也被输送到等离子体光焰）组合以产生相对稳定的副产物。

反应腔室位于等离子体发生器下游。反应腔室的目的是为了提供距等离子体形成装置较远的反应空间，在反应空间中，从过程腔室排出的气体可以被等离子体处理并且与额外试剂气体诸如氧气或氢气起反应。反应腔室可以包括尺寸可为例如约30mm至50mm直径和90mm至150mm长度的管路。

在过程腔室中产生的有害气体，即未用的前体气体和反应副产物必须当它们从过程腔室排出时被处理。它们不是被储存且然后处理。因此，等离子体消除装置（有时被称作等离子体燃烧器或焰炬）必须在加工期间操作。如果由于无论何种原因，燃烧器停止工作或者其需要脱机以清洁或者维修，那么基板加工也必须停止。这显然是不合需要的，因为加工理想地持续运行全天24小时，一周七天。

因此，已知有一种备份等离子体燃烧器装置，这种备份等离子体燃烧器装置可能在主等离子体燃烧器损毁或由于任何原因脱机时被联机。但是，对于这种问题，这是一种很昂贵的解决方案，因为很昂贵的等离子体燃烧器在大部分时间保持不工作。

发明内容

根据本发明，提供一种用于处理过程气流的设备，包括：等离子体消除装置，其具有反应腔室、等离子体焰炬，等离子体焰炬用于生成等离子体流以喷射到腔室内用于处理所述过程气流；第一入口，其用于输送所述过程气流进入所述等离子体消除装置内以进行处理；以及，第二入口，其在设备的正常条件下与试剂源成流动连通用来将试剂输送到等离子体装置内以改进处理的效率并且其在设备的备份条件下与所述过程气流源成流动连通用来将气流输送到装置内以进行处理。

本发明还提供一种系统，其包括用来处理过程气流的设备，所述设备还包括：至少一个过程腔室；主要气体管，其用于将来自过程腔室的过程气流输送到等离子体消除装置的第一入口以进行处理；以及，试剂气体管，在设备正常条件下，其连接于试剂源与等离子体消除装置的第二入口之间以将试剂输送到装置内以改进处理效率；次要气体管，在设备的备份条件下，其连接于所述至少一个过程腔室之一与第二入口之间用于将过程气流输送到装置以进行处理；以及，控件，其在正常条件与备份条件之间进行选择性切换。

在附属权利要求中限定本发明的其它优选和/或可选方面。

附图说明

为了使发明更好地理解，现将参看附图来描述本发明的某些实施例，仅以举例说明的方式给出本发明的实施例，在附图中：

图1为处于处理设备的正常条件下的等离子体消除装置的示意图；

图2为处于处理设备的备份条件下的等离子体消除装置的示意图；

图3为加工系统的示意图，该加工系统包括处于正常条件的处理设备；

图4为加工系统的示意图，该加工系统包括处于备份条件的处理设备；

图5为处于处理设备的正常条件下的另一等离子体消除装置的示意图；

图6为处于处理设备的备份条件下的其它等离子体消除装置的示意图；

图7为加工系统的示意图，该加工系统包括处于正常条件的另一处理设备；

图8为加工系统的示意图，该加工系统包括处于备份条件的处理设备；

图9示出了等离子体消除装置的局部视图；以及

图10示出了等离子体消除装置的入口布置。

具体实施方式

图1和图2为形成用于处理气流的设备的部分的一种等离子体消除装置10的示意图。装置10包括等离子体发生器或焰炬12或反应腔室14。焰炬提供等离子体光焰16用来处理从过程腔室（参看图3、图4、图7和图8）输送到该装置的气流。等离子体装置优选地为直流等离子体装置，其包括直流等离子体焰炬，诸如在EP1715937中所描述的直流等离子体焰炬。腔室14具备第一入口18和第二入口20。在图1所示的设备的正常条件下，第一入口18与过程腔室成流体连通。使从过程腔室排放的过程气流22经由入口18流入到反应腔室14和等离子体光焰16。第二入口20与通常为氧气的试剂源24（参看图3、图4、图7和图8）成流体连通。使试剂经由入口20流到腔室14内，在腔室14中，其与过程气体混合以改进在等离子体光焰16内进行处理的效率。在图2所示的设备的备份条件下，作为试剂24的替代，来自过程腔室的过程气体22被输送到第二入口20。如果该设备的另一等离子体消除装置变得不工作或者如果将过程气体输送到另一等离子体装置的管变得堵塞，则选择该设备的备份条件。

因此，在备份条件下，不同的过程气体可以被输送到同一反应腔室。作为替代或补充，如果将过程气体输送到第一入口18的管变得堵塞，例如，由于在管中固体淀积物的积聚，那么过程气体22可以转向到第二入口20而不是第一入口。

本发明认识到可以省掉将试剂供应到反应器腔室或者至少试剂可以被供应到反应腔室下游的消除过程。例如，其可以被供应到反应腔室下游的喷雾塔（或湿洗涤器）以完成过程废气的处理。因此，气流在反应腔室14内侧由等离子体16加热并且然后在反应器腔室下游与试剂起反应。由于反应在反应器外侧发生，并且气体温度更冷，在这种操作状况下，系统效率更低。因此，根据本发明，通常用于试剂气体的入口可以替代地用于喷射过程气体。如果例如另一消除装置诸如等离子燃烧器变得脱机，这可能是必需的。通常，过程工具或系统将包括多个过程腔室和相应多个等离子体燃烧器。在一个燃烧器变得脱机的情况下，来自相关联的过程腔室的过程气体朝向另一等离子体燃烧器的试剂入口被导向。因此该等离子体燃烧器可以处理来自多于一个过程腔室的过程气体而不需要在反应腔室中使用试剂。

现代等离子体消除系统的要求之一在于具有可用的备用入口。本发明提供一种具有若干单独气体入口的等离子体消除装置。

本发明涉及以下理解：虽然认为需要试剂来改进反应腔室中过程气体的处理，但与不间断地处理过程气体的需要相比，对于试剂的需要是次要的。因此，到装置内的试剂流动可以中断或者在下游喷射从而使得过程气体可以通过通常用于试剂的入口转向到该装置。

在图3中示出了在用于处理气流的设备的正常条件期间的加工系统。两个过程腔室26、28被布置成用于加工产品诸如半导体晶片或平板显示器。能通过使用各种气体在由一个或多个真空泵（未图示，但位于过程腔室26、28与消除装置之间）生成的真空中进行蚀刻、淀积或清洁来进行加工。这些气体是有害的并且不能未经处理就释放。如关于图1和图2所描述的多个等离子体消除装置10被布置成用以处理从过程腔室26、28释放的过程气体。

主要气体管30将来自过程腔室28、30的过程气流21、22经由真空泵输送到等离子体消除装置10的第一入口18以进行处理。处理过的气体38从等离子体消除装置10排出以处置或储存。在设备正常操作条件下，试剂气体管32连接于试剂源34中的一个或多个源与等离子体消除装置的第二入口20之间以将试剂24输送到装置内来改进处理效率。

如图4所示，当设备处于备份条件时，次要气体管36连接于过程腔室26与被示出在右边的等离子体消除装置10的第二入口20之间以将过程气流21输送到该装置进行处理。在此示例中，在图4中被示出在左边的等离子体消除设备10已变得不工作，或者主要过程气体管已变得部分地或完全堵塞。在此情况下，过程气体21转向以由被示出在图右边的等离子体消除装置10处理并且因此从过程腔室排出的所有气体的处理是不间断的并且过程工具26可以保持操作。没有试剂，气体效率相对适度地降低，但这认为比中断来自过程腔室26之一的废气处理或者中断所述过程腔室26的操作更可取。这种布置的益处在于适当运作的等离子体消除装置在该设备中并非冗余的并且仅当不工作时，气体才转向到设备中的其它地方进行处理。

参考图3和图4，处理设备包括阀布置，在装置的正常条件下，阀布置允许试剂输送通过试剂管32。当在消除装置10之一中的处理中断时，在装置的备份条件下，第二气流被输送通过第二过程气体管36。

在图3和图4的示例中阀布置包括第一阀40，第一阀40被定位成在主要管30中输送过程气体选择性地朝向第一入口18或第二入口20。第二阀42被定位成选择性地沿着试剂管输送试剂或者输送过程气体朝向第二入口20。在此优选布置中，阀40和42为三通阀。主要管、试剂管和次要管共用在设备中输送气体的管道或管路的部分。即，主要管和次要管在第一阀40上游共同延伸并且次要管和试剂管在第二阀42下游共同延伸。

对于本领域技术人员显然，阀的布置可以与图3和图4所示的布置不同，同时仍实现相同的所希望的结果。

提供控件44，其用来在图3所示的正常条件与图4所示的备份条件之间选择性地切换。控件44在图4中示出并且由控制线（以虚线示意性地示出）连接到阀40、42。控件选择性地操作阀布置以用于在正常条件与备份条件之间切换。切换可以由操作者手动起始或者可以是自动的。在自动的情况下，可以提供传感器48用来感测等离子体消除装置的操作条件并且在等离子体消除装置中的一个或多个不工作的情况下向控件输出信号。例如，传感器可以监视直流等离子体焰炬的电流并且如果电流低于预定电流（指示减少的气体流量），系统故障信号被输出到控件44，控件44可以随后启动备份条件。类似的传感器可以被提供用于系统的其它等离子体消除装置。

在图3和图4所示的布置中，设有多个等离子体消除装置10，等离子体消除装置10具有被布置成与多个过程腔室26、28成流动连通的相应多个第一入口18。虽然示出了两个这样的等离子体消除装置连接到相应过程腔室，可以根据需要提供多于两个这样的等离子体消除装置。在设备的正常条件下，所述第二入口20被布置成用以与试剂源成流动连通。在设备的备份条件下，至少一个第二入口被布置成与所述过程腔室之一成流动连通以用于从所述过程腔室接收气流进行处理。因此，在此布置中，一个等离子体消除装置充当另一等离子体消除装置的备份，并且在备份条件下被布置成从与在正常条件下其接收气流的过程腔室不同的所述过程腔室之一接收气流。

在图5和图6所示的替代布置中，在设备的正常条件下，第一入口18被布置成经由主要管30与过程腔室26成流动连通以从过程腔室输送气流21来进行处理。第二入口20被布置成从试剂源34沿着试剂管32接收试剂24以改进处理效率。这种布置类似于图3和图4所示的布置。但在图6所示的备份条件下，第二入口20被布置成与同一过程腔室26成流动连通从而使得如果流动限于沿着主要管30（即，沿着主要管的一部分48）到第一入口，那么，来自所述过程腔室的气流21可以经由次要管50输送通过第二入口20以进行处理。

阀52和54可以由控件（未图示）以类似于图3和图4所示的方式操作。

在图3和图4或图5和图6中在先前描述的布置的修改中，等离子体消除装置中的至少一个包括至少三个入口并且在所述设备的备份条件下所述入口之一仅输送气流或试剂到等离子体消除装置内。以此方式布置的等离子体消除装置60在图7和图8中示出并且包括三个额外入口62、64、66。在其中设有多个类似等离子体消除装置60的设备的正常条件下，第一入口18从第一腔室接收气流，第二入口从试剂源34接收试剂并且另外的入口62、64、66未使用。在备份条件下，另外的入口可以从相应过程腔室接收第二气流68、第三气流70或第四气流72。以此方式，如果它们的相应等离子体消除装置变得不工作，可以处理三个另外的气流，而同时仍维持试剂到装置内的流动以改进处理效率。可选地，第二入口20也可以用来处理来自另外的过程腔室的气流；但在此情况下，试剂将不会被供应到装置60。

在优选布置中，至少一个并且更优选地全部等离子体消除装置包括与过程腔室相同数量的入口，使得在设备的备份条件下，来自所有过程腔室的气流可以通过相应所述入口输送到该装置以在所述装置中进行处理。

所述等离子体消除装置的第一入口和第二入口被配置成用以导向流体到反应腔室14内使得通过第一入口或第二入口输送的流体分别远离第二入口或第一入口导向以减少在入口中任一个中流体的混合。图9示出了反应器腔室14、等离子体光焰16和第一入口18和第二入口20的视图。第一入口18在一方向上引入气体流动，该方向大体上垂直于通过第二入口20引入气体流动到反应器的方向。因此，将看出，来自一个入口的气体被远离另一入口导向从而使得两种气体的反应通常不在入口中任一个中发生。替代地，在两种气体之间的反应在等离子体光焰16中发生，导致对一个或多个气流的更高效处理。

在图9中还示出了两个双头的箭头74、76。箭头74示出了第一入口优选地定位同时仍实现相同效果（即，通过两个入口的气体被导向远离其它入口）的位置范围。另一方面，箭头76示出了其中第一入口18可以定位的不当位置的范围，这样的位置范围将会导致来自一个入口的气体朝向另一入口导向。

在图1至图7中示出了从一个入口远离另一入口导向气体的优选布置，特别是在设有大量入口的情况下，其中这些入口被配置成用以在多个方向输送流体到装置内，在这些方向上，一个方向大体上平行于另一个方向。从这些附图将看出，入口被布置成一个入口在相邻入口竖直上方，并且每个入口与其它入口机械地分离开以使这些入口间隔开。

如果两个入口都被用来喷射过程气体，则到反应腔室14内的入口的配置更加重要。重要的是，不同的过程气体在喷射到等离子体光焰之前并不彼此起反应。因为在备份操作条件下，两个入口可以用来喷射过程气体，因此入口不应如图9中的位置范围76所示彼此相对着而定位。可能使入口定位成气体相对于彼此以一定角度喷射。但是，当入口被配置成使气体流动全都在相同方向被导向至反应器腔室内时，可以提供更好的结果。

图3为根据本发明的等离子体消除装置的示意图。

在图10中示出了在先前讨论的实施例中的任何实施例中可以采用的多个入口布置。入口布置具有“切片型”结构，其具有由间隔件86机械地彼此分离开的四个入口78、80、82、84。“切片型”结构允许将不同的过程气体引入到一个等离子体反应器腔室内而不使它们在入口处混合。

参考附图所描述的处理设备作为包括至少一个过程腔室的加工系统的部分而构成改进。该设备包括：主要气体管，即，管道，其用于将来自过程腔室的过程气流输送到等离子体消除装置的第一入口以进行处理；以及，试剂气体管，在设备的正常条件下，其连接于试剂源与等离子体消除装置的第二入口之间以用于将试剂输送到装置内来改进处理效率。在设备的备份条件下，连接于所述至少一个过程腔室之一与第二入口之间的次要气体管将过程气流输送到该装置以进行处理。控制器件在正常条件与备份条件之间选择性地切换。

通常，该系统包括多个过程腔室，其中在设备的正常条件下，多个过程气流从过程腔室输送到相应等离子体消除装置的第一入口，并且在气流的备份条件下，过程气体被输送到所述等离子体消除装置之一的第二入口。

如果存在仅一个过程腔室，在设备的正常条件下，过程气流从过程腔室输送到单个等离子体消除装置的第一入口，并且备份条件下，作为试剂的替代，气流转向到装置的第二入口以进行处理。

在上文中关于优选实施例描述了本发明。本领域技术人员应了解在不偏离所附权利要求所陈述的本发明的范围的情况下，可以对本发明做出变化和修改。

Claims (21)

1.一种用于处理来自过程装置的过程废气流的设备，包括：等离子体消除装置，其具有反应腔室和等离子体焰炬，所述等离子体焰炬用于生成等离子体流以喷射到所述腔室内用于处理过程废气流；第一入口，其用于输送所述过程废气流进入所述反应腔室以进行处理；以及，第二入口，其在所述设备的正常条件下与试剂源成流动连通用来将试剂输送到所述反应腔室用来改进所述处理的效率，并且其在所述设备的备份条件下与过程废气流源成流动连通用来将过程废气流输送到所述反应腔室内进行处理。

2.根据权利要求1 所述的设备，其特征在于，在所述正常条件下，所述第一入口与第一过程腔室成流动连通用于向所述装置内输送第一过程废气流以进行处理并且在所述备份条件下，所述第二入口与第二过程腔室成流动连通用于向所述装置内输送第二过程废气流以进行处理。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于包括：第一管，其布置成用以将试剂从所述试剂源输送到所述第二入口；第二管，其布置成用以将所述第二过程废气流从所述第二过程腔室输送到所述第二入口；以及，阀布置，其在所述装置的正常条件下允许试剂输送通过所述第一管并且在所述装置的备份条件下允许所述第二过程废气流输送通过所述第二管。

4.根据权利要求3 所述的设备，其特征在于，所述阀布置包括位于相应第一管和第二管中的第一阀和第二阀，所述第一阀可操作以允许通过所述第一管流动连通并且所述第二阀可操作以允许在所述第二管中流动连通。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，其包括：多个所述等离子体消除装置，其具有布置成在所述设备的正常条件下与多个过程腔室成流动连通的相应多个所述第一入口；并且所述等离子体消除装置具有布置成在所述设备的正常条件下与试剂源成流动连通的相应多个所述第二入口，其中在所述设备的备份条件下，至少一个第二入口布置成与所述过程腔室之一成流动连通以用于从所述过程腔室接收过程废气流进行处理。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，在所述设备的所述备份条件下，所述第一入口布置成与所述过程腔室成流动连通并且所述第二入口布置成与所述过程腔室中的不同过程腔室成流动连通。

7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，在所述设备的正常条件下，所述第一入口布置成与所述过程腔室成流动连通并且在所述备份条件下，所述第二入口布置成与同一所述过程腔室成流动连通，从而使得如果流动限于所述第一入口，来自所述过程腔室的所述过程废气流可以通过所述第二入口输送以进行处理。

8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述等离子体消除装置中的至少一个包括至少三个入口并且所述入口之一仅在所述设备的备份条件下将过程废气流或试剂输送到所述等离子体消除装置内。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，在所述设备的所述备份条件下，所述等离子体消除装置中的至少一个包括：所述第一入口，其布置成与第一过程腔室成流动连通以输送第一过程废气流到所述装置内以进行处理；所述第二入口，其布置成与第二过程腔室成流动连通以输送第二过程废气流到所述装置内以进行处理；以及，第三入口，其布置成与第三过程腔室成流动连通以输送第三过程废气流到所述装置内进行处理。

10.根据权利要求9 所述的设备，其特征在于，所述等离子体消除装置中的至少一个包括：与过程腔室相同数量的入口，使得在所述设备的所述备份条件下，来自所有过程腔室的过程废气流可以通过相应所述入口输送到所述至少一个装置以在所述装置中进行处理。

11.根据权利要求10 所述的设备，其特征在于，所述等离子体消除装置中每一个包括与过程腔室相同数量的入口，使得在所述设备的所述备份条件下，来自所有过程腔室的所述过程废气流可以通过相应所述入口输送到所述装置中的任一个以在所述任一个装置中进行处理。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于：所述等离子体消除装置的所述第一入口和第二入口配置成在选定的相应方向上将流体输送到等离子体消除装置从而使得通过所述第一入口或第二入口输送的流体受导向分别远离所述第二入口或第一入口以减少在所述入口中任一个中的流体混合。

13.根据权利要求12 所述的设备，其特征在于，所述等离子体消除装置的所述入口配置成在多个方向上输送流体到所述装置，在所述方向中大体上一个方向平行于另一个方向。

14.根据权利要求13 所述的设备，其特征在于，所述入口布置成一个入口竖直地在相邻入口上方。

15.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，每个入口与其它入口机械地分开。

16.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于包括：控件，其配置成在所述正常条件与备份条件之间选择性地切换。

17.根据权利要求16 所述的设备，其特征在于，所述控件可手动操作以在所述正常条件与所述备份条件之间切换。

18.根据权利要求16所述的设备，其特征在于包括：多个所述等离子体消除装置和传感器，其用来感测由所述等离子体消除装置中任一个等离子体消除装置对气流处理的减少；以及向所述控件输出信号，所述控件响应地输送所述气流到所述等离子体消除装置中另一等离子体消除装置的第二或另一入口。

19.一种系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的设备，其还包括：至少一个过程腔室；主要气体管，其用于将来自所述至少一个过程腔室的过程废气流输送到所述等离子体消除装置的所述第一入口以进行处理；以及，试剂气体管，在所述设备正常操作条件下，其连接于试剂源与所述等离子体消除装置的所述第二入口之间以将试剂输送到所述装置内用来改进处理效率；次要气体管，在所述设备的备份条件下，其连接于所述至少一个过程腔室之一与所述第二入口之间用于将过程废气流输送到所述装置以进行处理；以及，控件，其在所述正常条件与备份条件之间进行选择性切换。

20.根据权利要求19所述的系统，其包括多个过程腔室，其特征在于，在所述设备的正常条件下，多个过程废气流从所述过程腔室输送到相应等离子体消除装置的第一入口；以及在所述备份条件下，将来自所述过程腔室的所述过程废气流输送至所述等离子体消除装置之一的所述第二入口。

21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，在所述设备的正常条件下，过程废气流从所述过程腔室输送到所述等离子体消除装置的第一入口；以及在所述备份条件下，所述过程废气流转向到所述装置的第二入口以进行处理。