DE102009055638A1

DE102009055638A1 - Heißfallenanordnung

Info

Publication number: DE102009055638A1
Application number: DE200910055638
Authority: DE
Inventors: Kavreet Bhangu; Stefan Schneider
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-05-26
Also published as: WO2011072932A1; TW201121638A; WO2011072932A9

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Heißfallenvorrichtungen, die zusammen mit Vakuumbehandlungssystemen zur Reinigung der Abgase von Prozesskammern in verschiedenen Anwendungen dienen. Insbesondere offenbart die vorliegende Erfindung Modifikationen von Heißfallenvorrichtungen. Weiterhin werden Vakuumbehandlungssysteme, die solche Heißfallenvorrichtungen umfassen, offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Heißfallenvorrichtungen, die zusammen mit Vakuumbehandlungssystemen zur Reinigung der Abgase von Prozesskammern in verschiedenen Anwendungen dienen. Insbesondere offenbart die vorliegende Erfindung Modifikationen von Heißfallenvorrichtungen. Weiterhin werden Vakuumbehandlungssysteme, die solche Heißfallenvorrichtungen umfassen, offenbart.
Vakuumpumpensysteme sind in der Technik wohlbekannt und werden bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, um ein Vakuum zu erzeugen, zum Beispiel für die Erzeugung von Dünnschichtsolarzellen oder TFT-Displays in der Photovoltaikindustrie bzw. der Displayindustrie. Im Allgemeinen besteht ein Vakuumpumpensystem aus einer Vakuumpumpe, zum Beispiel einer Vorvakuumpumpe, einem Unterdruckverstärker und einer Hochvakuumpumpe, wie einer Turbomolekularpumpe. Dem Vakuumpumpensystem können Substratverarbeitungsstationen oder -module oder Prozesskammern vorgeschaltet sein, um mit Hilfe eines der bekannten Abscheidungsverfahren ein Substrat auf einer Oberfläche abzuscheiden. Die oben genannten Stationen oder Module können eine der oder alle folgenden Komponenten umfassen: Heizeinrichtungen, Kühleinrichtungen, Einrichtungen zur Schichtabscheidung durch unter anderem chemisches Aufdampfen (CVD), Einrichtungen zum Ätzen oder zur Qualitätskontrolle usw. EP 0 575 055 A und US 4,358,472 C zeigen sogenannte mitlaufende Vakuumpumpensysteme. Im Allgemeinen sind die Module des Vakuumpumpensystems durch Ventile oder Schleusen voneinander getrennt, um eine Kreuzkontaminierung zu vermeiden, und der Druck innerhalb der Module wird mittels Vakuumpumpen, wie Vorvakuumpumpen oder Hochvakuumpumpen, auf Unterdruck, d. h. Unteratmosphärendruck, eingestellt.
Während des Abscheidungsvorgangs werden Prozessgase, zum Beispiel Diethylzink (DEZ), in die Prozessumgebung oder Prozesskammer, zum Beispiel ein TCO-Abscheidungsmodul, geleitet. Weiterhin werden die Prozessgase während der Abscheidung abgereichert, und es wird ein permanenter Strom von frischem Prozessgas in das Verarbeitungssystem geleitet. Gleichzeitig werden die Vakuumpumpen permanent betrieben, um den gewünschten Verfahrensdruck aufrechtzuerhalten. Folglich wird Prozessgas, das Reaktionsnebenprodukte und/oder nicht umgesetzte Reagentien umfasst, ständig mit Hilfe des Vakuumpumpensystems abgesaugt/abgeleitet.
Die Reaktionsnebenprodukte und/oder nicht umgesetzten Reagentien aggregieren unter den im Abgasrohr des Moduls, der Vakuumpumpe und dem Rohrsystem herrschenden Bedingungen jedoch leicht, was zu negativen Wirkungen auf die Verfahrenseffizienz, eine Blockierung der Rohre und Vakuumpumpen, einer Reduktion der Produktionszykluszeit und/oder der Notwendigkeit häufiger Reinigungszyklen führen kann. Insbesondere die Vakuumpumpen sind betroffen, da die Gase innerhalb der Vakuumpumpen komprimiert und aufgrund der Kompression gleichzeitig erhitzt werden. Außerdem dient die Oberfläche der Pumpe unter den oben genannten Bedingungen als Reaktionszentrum, was zu einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit und damit zur Abscheidung von metallischem oder oxidischem Material (z. B. Zn oder ZnO aus Diethylzink) in der Pumpe führt. Dies führt wiederum zu einer reduzierten Lebensdauer der Pumpen, einer Verstopfung der Abgasleitungen usw. Dieses Problem ist bei der Herstellung im industriellen Maßstab, wo ein hoher Durchsatz von Substraten einen hohen Verbrauch an Prozessgasen erfordert, noch ausgeprägter.
Bei herkömmlichen Vakuumpumpensystemen wird der Vakuumpumpe eine Falle vorgeschaltet, um das Abgas von Reaktionsnebenprodukten und den nicht umgesetzten Reagentien zu reinigen. In der Technik sind Heißfallen und Kaltfallen bekannt. Kaltfallen ermöglichen die Kondensation oder Rekombination von Gasbestandteilen, um Teile der unverbrauchten Prozessgase und/oder Reaktionsnebenprodukte zu entfernen oder zu inaktivieren. Kaltfallen werden jedoch sehr schnell gesättigt und können zu einer Konzentration einer einzelnen Komponente in dem Abgasstrom führen, die gesundheitsgefährdend sein könnte, was zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen erfordert.
In der Technik sind verschiedene Bauweisen von Heißfallen bekannt, die entweder mechanische Verengungen in der Bahn des Gasstroms oder eine vergrößerte Oberfläche verwenden. Diese Voraussetzungen beruhen darauf, dass die Reaktion von in dem Prozessgas vorhandenen Komponenten oberflächenbasiert ist. Diese Oberfläche kann also entweder durch mechanische Gestaltung erhalten werden, oder sie kann entstehen, wenn Reaktionsprodukte aus früheren Zyklen innerhalb der Geräte, zum Beispiel den Rohren, abgelagert werden.
Herkömmliche Heißfallen erfordern ausgedehntes und häufiges Reinigen und/oder Austausch, was aufgrund des Aufbaus der Heißfalle einen beträchtlichen Zeitaufwand erfordert. Heißfallen mit geringer Effizienz verursachen auch eine häufige Reinigung des Vakuumpumpensystems, um oxidische und metallische Ablagerungen zu entfernen, und anschließend eine reduzierte Laufzeit des Ablagerungssystems und hohe Instandhaltungskosten.
Aus der unveröffentlichten PCT/EP2009/057395 ist eine Aufdampf-Heißfallenvorrichtung bekannt, die Folgendes umfasst: ein Gehäuse, das wenigstens einen Einlass und wenigstens einen Auslass umfasst; wenigstens eine Heizeinrichtung; und wenigstens eine Kollektoreinrichtung für die Umwandlung von Reaktionsnebenprodukten in Produkte, die auf der Kollektoreinrichtung und/oder der inneren Oberfläche des Gehäuses abgeschieden werden, wobei die Kollektoreinrichtung innerhalb des Gehäuses zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist und wobei die wenigstens eine Kollektoreinrichtung in Form von Granulat vorliegt.
Diese Heißfallenvorrichtung wird, wie oben erläutert, verwendet, um Abgas aus einem Vakuumpumpensystem zu reinigen und Reaktionsnebenprodukte zu entfernen oder partiell zu entfernen. Der hier verwendete Ausdruck ”Reaktionsnebenprodukte” umfasst auch nicht umgesetzte Reagentien, vorzugsweise nicht umgesetztes DEZ.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Heißfallenvorrichtung für die leichte, effiziente und kosteneffektive Entfernung von Reaktionsnebenprodukten und nicht umgesetzten Reagentien aus Prozessabgasen bereitzustellen.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Hufdampf-Heißfallenvorrichtung 1, die Folgendes umfasst: ein Gehäuse 2, das wenigstens einen Einlass 3 und wenigstens einen Auslass 5 umfasst; wenigstens eine Heizeinrichtung 7; und wenigstens eine Kollektoreinrichtung 13 für die Umwandlung von Reaktionsnebenprodukten in Produkte, die auf der Kollektoreinrichtung und/oder der inneren Oberfläche des Gehäuses abgeschieden werden, wobei die Kollektoreinrichtung innerhalb des Gehäuses zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoreinrichtung eine Strombrecherstruktur umfasst.
In einer zweiten Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf eine Aufdampf-Heißfallenvorrichtung 1, die Folgendes umfasst: ein Gehäuse 2, das wenigstens einen Einlass 3 und wenigstens einen Auslass 5 umfasst; wenigstens eine Heizeinrichtung 7; und wenigstens eine Kollektoreinrichtung 13 für die Umwandlung von Reaktionsnebenprodukten in Produkte, die auf der Kollektoreinrichtung und/oder der inneren Oberfläche des Gehäuses abgeschieden werden, wobei die Kollektoreinrichtung innerhalb des Gehäuses zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Falle einen getrennten Gaseinlass für die Einführung von reaktivem Gas, das die Erhöhung der Reaktionseffizienz unterstützt, enthält.
Weiterhin ist die Heißfallenvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Heißfallenvorrichtung, die für ein Vakuumpumpensystem geeignet ist. In einer Ausführungsform ist die Heißfallenvorrichtung für ein Modul eines Vakuumpumpensystems, vorzugsweise ein mitlaufendes Vakuumpumpensystem, geeignet. In einer anderen Ausführungsform wird das Vakuumpumpensystem oder sein Modul zum Aufdampfen verwendet. In weiteren Ausführungsformen wird das Aufdampfen aus der Gruppe ausgewählt, die aus physikalischem Aufdampfen (PVD), chemischem Aufdampfen (CVD), Niederdruck-CVD (LPCVD) oder plasmaverstärktem CVD (PECVD) besteht. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufdampfen um LPCVD oder PECVD.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich bei dem Aufdampfen um eine Ablagerung von Silicium, Siliciumoxid oder Metalloxid, besonders bevorzugt eine Ablagerung von ZnO oder Indiumzinnoxid (ITO). ZnO-Schichten zeigen erstklassige Eigenschaften als leitfähiges Kontaktmaterial, zum Beispiel für (Dünnschicht-)Solarzellenanwendungen. Am meisten bevorzugt handelt es sich bei dem Aufdampfen um ZnO-LPCVD oder ZnO-PECVD. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird das Aufdampfen für die Herstellung von Dünnschichten verwendet, vorzugsweise Dünnschichttransistoren (TFTs) oder Schichten aus transparentem leitfähigen Oxid (TCO).
In einer weiteren speziellen Ausführungsform ist die Heißfallenvorrichtung der vorliegenden Erfindung für ein Vakuumpumpensystem für die CVD-Verarbeitung von Substraten einer Größe von > 1 m², vorzugsweise dünnen Glasplatten, geeignet.
Das Gehäuse der Heißfallenvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Geometrie beschränkt, sondern kann jede Form haben, die es erlaubt, die Kollektoreinrichtung innerhalb des Gehäuses und zwischen dem Einlass und dem Auslass des Gehäuses anzuordnen, so dass der Gasstrom, der durch den Einlass eintritt und durch den Auslass austritt, durch die Kollektoreinrichtung strömen muss. In speziellen Ausführungsformen hat das Gehäuse die Form eines zylindrischen Rohrs, und/oder der Querschnitt des Gehäuses ist kreisförmig oder quadratisch. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse ein verbreiterter Teil der Rohre, die zum Beispiel ein PECVD- oder TCO- oder Laminatormodul mit der Vakuumpumpe verbinden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse weiterhin wenigstens eine verschließbare Öffnung, zum Beispiel einen Deckel oder eine Kappe, am meisten bevorzugt einen Blindflansch. Die verschließbare Öffnung ermöglicht die Reinigung des Innern des Gehäuses, zum Beispiel durch eine chemische Behandlung unter Verwendung von Mineralsäuren und/oder anderen geeigneten organischen Lösungsmitteln, und den Austausch der Kollektoreinrichtung. Besonders bevorzugt befindet sich die verschließbare Öffnung an der Oberseite und/oder Unterseite des Gehäuses. Ganz besonders bevorzugt umfasst das Gehäuse zwei verschließbare Öffnungen, die einander gegenüber ausgerichtet sind, wobei zum Beispiel eine die Oberseite und eine die Unterseite des Gehäuses bildet. Eine solche Anordnung ermöglicht ein leichtes Ausspülen des Gehäuses, wobei das Reinigungsreagens, zum Beispiel die Mineralsäure und/oder organische Lösungsmittel, durch die erste Öffnung eingeführt wird, durch das gesamte Gehäuse tritt und es durch die zweite Öffnung wieder verlässt. In einer weiteren speziellen Ausführungsform bestehen das Gehäuse und/oder die verschließbaren Öffnungen aus irgendeinem geeigneten Material, das Temperaturen von ≥ 250°C und ≤ 500°C aushalten kann. Vorzugsweise sind das Gehäuse und/oder die verschließbaren Öffnungen beständig gegenüber chemischer Behandlung, zum Beispiel Behandlung mit Mineralsäuren und/oder organischen Lösungsmitteln. Am meisten bevorzugt bestehen das Gehäuse und/oder die verschließbaren Öffnungen aus Metall.
Das Gehäuse umfasst wenigstens einen Einlass und wenigstens einen Auslass, die beiderseits der Kollektoreinrichtung angeordnet sind. In einer Ausführungsform ist der Einlass vorzugsweise mit einer Abscheidungsstation verbunden, während der Auslass mit einem Vakuumpumpensystem verbunden ist. Vorzugsweise ist der Einlass mit einem PECVD- oder LPCVD-Abscheidungs- oder Laminatormodul verbunden, und besonders bevorzugt wird dieses Modul für die Abscheidung von ZnO, Si oder SiO verwendet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der Einlass und der Auslass in der Nähe der Oberseite bzw. Unterseite des Gehäuses angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Gehäuse einen einzigen Einlass und einen einzigen Auslass. Die Einlässe und Auslässe des Gehäuses können jeden geeigneten Querschnitt und Durchmesser haben, der von dem Durchsatz des PECVD- oder LPCVD-Systems oder in weiterer Verwendung eines Solarmodullaminators abhängt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Heißfallenvorrichtung innerhalb des Vakuumpumpensystems installiert, vorzugsweise zwischen einem Unterdruckverstärker und einer Vorvakuumpumpe, wie es in 1 gezeigt ist. Die Effizienz der Heißfalle hängt von vielen Parametern ab, nämlich der Temperatur, der Gegenwart einer großen Oberfläche für eine oberflächenkontrollierte Reaktion, der Verweilzeit der Recktanten, dem Druck usw. In einer speziellen Anordnung kann durch Platzieren der Heißfalle zwischen Pumpen in einem typischen Vakuumpumpensystem aus Verstärker und Vorvakuumpumpe das Druckprofil in der Heißfalle so beeinflusst werden, dass man einen höheren Druck erreicht, wodurch die Verweilzeit der Recktanten (DEZ und vorzugsweise Sauerstoff) in der Heißfalle erhöht wird, was zu einer erhöhten Effizienz bezüglich der Entfernung von Recktanten vor der Vorvakuumpumpe führt.
Das Gehäuse umfasst wenigstens eine Heizeinrichtung, vorzugsweise zwei Heizeinrichtungen. In speziellen Ausführungsformen der Erfindung ist die Heizeinrichtung wenigstens eine interne Heizeinrichtung und/oder wenigstens eine externe Heizeinrichtung. Am meisten bevorzugt umfasst das Gehäuse eine interne und eine externe Heizeinrichtung, was eine zuverlässige Steuerung der Temperatur ermöglicht. Interne Heizeinrichtungen sind innerhalb des Gehäuses angeordnet, während externe Heizeinrichtungen außerhalb des Gehäuses angeordnet sind. In speziellen Ausführungsformen der Erfindung kann die Heizeinrichtung Temperaturen von ≥ 100°C und ≤ 600°C, vorzugsweise ≥ 250°C und ≤ 500°C, liefern. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die interne Heizeinrichtung ein elektrischer Heizstab, besonders bevorzugt ein Heizelement, das sich innerhalb einer zentralen Welle in dem Gehäuse befindet. Vorzugsweise ist die interne Heizeinrichtung in der Mitte des Gehäuses angeordnet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Heizeinrichtung etwa über die gesamte Länge des Gehäuses, d. h. von der Oberseite zur Unterseite oder fast von der Oberseite bis fast zur Unterseite des Gehäuses. Besonders bevorzugt ist die interne Heizeinrichtung mit der verschließbaren Öffnung verbunden und kann zusammen mit dem Deckel der verschließbaren Öffnung entfernt werden. In einer weiteren Ausführungsform ist die externe Heizeinrichtung ein Heizmantel. Vorzugsweise sind die externen Heizeinrichtungen mit Wärmeisolationsband umwickelt. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse wenigstens teilweise wärmeisoliert, um einen Energieverlust zu vermeiden. Am meisten bevorzugt ist das Gehäuse vollständig wärmeisoliert. In einer weiteren Ausführungsform kann die äußere Heizanordnung ein Induktionsheizer sein, der lokalisierte Wärme zur Kollektoreinrichtung bringt, ohne sich in physikalischem Kontakt mit dieser zu befinden.
In speziellen Ausführungsformen der Erfindung sind die internen Heizeinrichtungen direkt oder vorzugsweise indirekt thermisch mit der Kollektoreinrichtung gekoppelt. Wie im Folgenden diskutiert wird, kann die Kollektoreinrichtung in einer Halterung, wie einer Schale oder einem Käfig, angeordnet sein. Die Heizeinrichtung kann in Kontakt mit der Halterung stehen und somit indirekt thermisch mit der Kollektoreinrichtung gekoppelt sein, die von der Halterung festgehalten wird.
Die Heißfalle gemäß der Erfindung umfasst weiterhin wenigstens eine Kollektoreinrichtung für die Umwandlung von Reaktionsnebenprodukten einschließlich nicht umgesetzter Reagentien in Produkte, die auf der Kollektoreinrichtung und/oder der inneren Oberfläche des Gehäuses abgeschieden werden, wobei die Kollektoreinrichtung innerhalb des Gehäuses zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist.
Wie oben diskutiert, sind die Kollektoreinrichtungen innerhalb des Gehäuses und zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet. So muss Gas, das durch den Einlass in die Heißfalle eintritt und die Heißfalle durch den Auslass wieder verlässt, durch die Kollektoreinrichtung strömen. In einer bevorzugten Ausführungsform bedeckt die Kollektoreinrichtung den gesamten Querschnitt der Heißfalle, d. h. die Kollektoreinrichtung bedeckt vollständig eine Querschnittsfläche des Gehäuses. Dies hat den Vorteil, dass das durch die Heißfalle strömende Gas mit der Kollektoreinrichtung in Kontakt treten muss und nicht um die Kollektoreinrichtung herum strömen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Abscheidung der umgewandelten Reaktionsnebenprodukte, zum Beispiel Zn und/oder ZnO, primär auf der Kollektoreinrichtung und in geringerem Maße auf der Innenfläche des Gehäuses. Dies hat den Vorteil, dass eine Reinigung des Gehäuses, zum Beispiel durch Ausspülen mit Mineralsäuren und/oder organischen Lösungsmitteln, nicht oder weniger häufig erforderlich ist. Wie im Folgenden diskutiert wird, kann die Kollektoreinrichtung schneller und leichter entfernt/ausgetauscht werden. Daher ist die Innenfläche des Gehäuses in einer bevorzugten Ausführungsform klein im Vergleich zur Oberfläche der Kollektoreinrichtung. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Innenfläche des Gehäuses klein gehalten, indem man Leerräume innerhalb des Gehäuses, die nicht von der Kollektoreinrichtung bedeckt sind, vermeidet. Zum Beispiel können ≥ 50%, ≥ 60%, ≥ 70%, ≥ 80%, ≥ 90% des Volumens des Gehäuses von einer oder mehreren Kollektoreinrichtungen bedeckt sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Kollektoreinrichtung vorzugsweise ein keramisches Material. Im Folgenden werden solche Kollektoreinrichtungen, zum Beispiel in einer Wellenform (Wavepak^®), die von Saint-Gobain NorPro entwickelt wurde, als ”Keramiken” bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Keramiken einen Durchmesser von ≥ 6 mm und ≤ 75 mm. In weiteren speziellen Ausführungsformen bietet die Geometrie der Keramik eine große Oberfläche und weist gleichzeitig keinen starken Strömungswiderstand auf. Vorzugsweise hat die Keramik die Wellenform, aber es kann sich auch um ein Granulat, Perlen, Kugeln, extrudierte Zylinder oder extrudierte rechteckige Zylinder mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung und katalytischer Natur handeln. In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Geometrie der Keramik eine wellenartige Struktur, da diese Strukturen ein gutes Verhältnis zwischen Oberfläche und Strömungswiderstand bieten.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Anordnung der katalytischen Oberfläche des Einsatzes der Heißfalle optimiert, indem man durch Verwendung eines Strombrecheraufbaus, wie es in 2 gezeigt ist, für einen längeren Gasweg sorgt. Die Effizienz der Heißfalle in Bezug darauf, zu verhindern, dass die reaktiven Spezies in die Vakuumpumpe gelangen, kann weiter verbessert werden, indem man ein großes Volumen eines Katalysatormaterials mit größerer Oberfläche verwendet, das nicht nur als Katalysator, sondern auch als Bereitsteller einer Oberfläche für die Abscheidung von Reaktionsprodukten, wie ZnO, wirkt. Das Material kann entweder auf einem großporigen Sieb platziert werden, das für einen geringen Widerstand gegen Gasströmung sorgt und dazu dient, Wärme von der Heißfallenoberfläche mit dem Heizelement auf das Katalysatormaterial zu übertragen, oder es kann für sich in einer geeigneten Ausrichtung in dem Heißfallengehäuse vorliegen. Das Katalysatormaterial ist typischerweise SiO₂/Al₂O₃ in unterschiedlichen Verhältnissen. Ein typisches Katalysatorelement kann eines sein, wie es im Folgenden von Saint-Gobain NorPro gezeigt ist. Außerdem kann die Verweilzeit der Recktanten in der Heißfalle erhöht werden, indem man den Gasweg in der Heißfalle verlängert und dadurch die Möglichkeit einer Reaktion beeinflusst. Dies kann erreicht werden, indem man in der Heißfalle Strombrecher verwendet, die nicht nur die Länge des Weges, den Recktanten zurücklegen, um durch die Heißfalle zu strömen, vergrößern; sondern auch Turbulenz verursachen, indem sie die Gasströmung behindern. Die kombinierte Wirkung von Turbulenz, die die Kollisionshäufigkeit von Reaktantenspezies begünstigt, und Gasweg, der die Verweilzeit erhöht, führt zu einer höheren Heißfalleneffizienz.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform besteht die Kollektoreinrichtung aus einem Material, das als Katalysator für die Umwandlung der Reaktionsnebenprodukte wirkt. In einer weiteren speziellen Ausführungsform besteht die Kollektoreinrichtung aus einem keramischen Material. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kollektoreinrichtung Silicium, Siliciumoxid (SiO₂), Aluminium, Aluminiumoxid (Al₂O₃), Kupfer, Natriumoxid (Na₂O) oder Kombinationen davon. Besonders bevorzugt besteht die Kollektoreinrichtung aus einem keramischen Material, das ≥ 50 Gew.-% und ≤ 85 Gew.-% SiO₂ und/oder ≥ 15 Gew.-% und ≤ 50 Gew.-% Al₂O₃ umfasst. Ganz besonders bevorzugt besteht die Kollektoreinrichtung aus einem keramischen Material, das ≥ 65 Gew.-% und ≤ 70 Gew.-% SiO₂ oder ≥ 23 Gew.-% und ≤ 28 Gew.-% Al₂O₃ oder Kombinationen davon umfasst. Am meisten bevorzugt besteht die Kollektoreinrichtung aus einem keramischen Material, das ≥ 65 Gew.-% und ≤ 70 Gew.-% SiO₂ und ≥ 23 Gew.-% und ≤ 28 Gew.-% Al₂O₃ umfasst. Das Material der Kollektoreinrichtung kann weiterhin Spuren von anderen Materialien umfassen.
In einer anderen speziellen Ausführungsform der Erfindung weist die Kollektoreinrichtung eine große Porenzahl auf, die definiert ist als Volumen der Poren in einem Gemisch, dividiert durch das Volumen der Festbestandteile. Dies hat den Vorteil, dass Druckabfälle in dem System vermieden werden.
In einer anderen speziellen Ausführungsform weist die Kollektoreinrichtung eine physikalische und chemische Stabilität bei hohen Temperaturen auf, vorzugsweise bei Temperaturen von ≥ 100°C und ≤ 600°C, besonders bevorzugt ≥ 250°C und ≤ 500°C.
In einer anderen speziellen Ausführungsform weist die Kollektoreinrichtung eine chemisch aktive und/oder katalytische Oberfläche auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Heißfallenvorrichtung der Erfindung verwendet, um Reaktionsnebenprodukte aus einem ZnO-Abscheidungsverfahren zu entfernen. Die Kollektoreinrichtung weist also eine katalytische Oberfläche für die Umwandlung der Reaktionsnebenprodukte aus dem ZnO-Abscheidungsverfahren auf. In industriellen ZnO-Abscheidungsverfahren werden große Mengen an Reaktionsnebenprodukten aus DEZ und Wasser (H₂O) über eine Heißfallen- und Vakuumpumpenanordnung aus dem CVD-Modul zum Abgasaufbereitungssystem gepumpt. Die nicht umgesetzten Komponenten (DEZ, H₂O) reagieren leicht innerhalb der Nachprozess-Kammeranordnung. Es wurde beobachtet, dass die Reaktion oberflächenkontrolliert ist und über die Wechselwirkung von Wasser mit einer Oberfläche verläuft. Zwei Hauptparameter, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen, sind die Oberfläche und deren Temperatur. Der Reaktionsmechanismus, der durch Molekülorbitalstudien während des chemischen ZnO-Aufdampfens bewertet wurde, wird wie folgt dargestellt (siehe Vigil et al., Interactions of silica surfaces, 3. Colloid and Interface Science, 165: 367–385, 1994): Zn(C₂H₅)₂ → ZnC₂H₅ + •C₂H₅ (Start) → 1 ZnC₂H₅ → Zn + •C₂H₅ (Start) → 2 H₂O + •C₂H₅ → C₂H₆ + •OH (Fortpflanzung) → 3 Zn(C₂H₅)₂ + •OH → Zn(OH)C₂H₅ + •C₂H₅ (Fortpflanzung) → 4 Zn(OH)C₂H₅ + •OH → Zn(OH)₂ + •C₂H₅ (Fortpflanzung) → 5 •OH + •C₂H₅ → C₂H₅OH (Abbruch) → 6 2 •C₂H₅ → C₄H₁₀ (Abbruch) → 7
Die geschwindigkeitsbestimmende Reaktion in dem oben vorgeschlagenen Mechanismus ist die Dissoziation von Wasser in resultierende Radikale (Schritt 3). Eine höhere Energie, d. h. höhere Temperatur, führt zu einer schnelleren Reaktion und beeinflusst auch die Geschwindigkeit der Zersetzung von DEZ zum Ethylzinkradikal.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Kollektoreinrichtungen die oben definierten Siliciumoxid(SiO₂)-Keramiken, die zusätzliche Komponenten, vorzugsweise Al₂O₃, Cu und/oder Na₂O, umfassen können. Unerwarteterweise hat sich gezeigt, dass solche Keramiken effektiv verwendet werden können, um Nebenprodukte aus Abgasen von Abscheidungsverfahren, vorzugsweise von ZnO-CVD-Verfahren, umzuwandeln und zu sammeln. Unter Verwendung der Heißfallenvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die Ansammlung von metallischen oder oxidischen Ablagerungen in den Rohren und der Vakuumpumpe eines Vakuumpumpensystems also reduziert oder vermieden werden.
Die Wechselwirkung von Silicumoxid mit den nicht umgesetzten Prozessgasen wird wie folgt erklärt. Die bevorzugte Adsorption von Wasser auf der Silicumoxidoberfläche senkt die Energie, die notwendig ist, damit Wasser zu Hydroxyl-(OH) und Wasserstoff(H)-Radikalen dissoziiert, was die Reaktionsgeschwindigkeit beträchtlich erhöht. Ein Hydroxylradikal bleibt an die Silicumoxidoberfläche gebunden und fungiert als aktives Zentrum für die Reaktion des DEZ (Schritt 4 im Reaktionsmechanismus). Aufgrund der lokalen Anwesenheit von -OH-Radikalen auf dem Siliciumoxid in der Keramikoberfläche und der starken Bindungsstärke der Zn-O-Bindung bleibt Zink an die Oberfläche gebunden. Das resultierende Ethan (C₂H₆) wird freigesetzt.
Die Verwendung der siliciumoxidhaltigen Keramik als Kollektoreinrichtung zum Umwandeln und Einfangen der Reaktionsnebenprodukte gemäß der Erfindung beinhaltet effizient die Verwendung von hohen Temperaturen und einer Konstruktion, die den Gasen während der Anhäufung von Zn auf der Keramikoberfläche einen minimalen Strömungswiderstand entgegensetzt. Gleichzeitig haben die Keramiken ein ausreichend großes Porenvolumen, um eine Zn- oder ZnO-Abscheidung unterzubringen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Kollektoreinrichtung so angeordnet, dass der Strömungswiderstand minimal gehalten wird. Dem Fachmann wird klar sein, dass die Ausrichtung von der Geometrie der verwendeten Kollektoreinrichtung abhängt. Die optimale Ausrichtung für eine gegebene Geometrie der Kollektoreinrichtung kann vom Fachmann leicht bestimmt werden.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Kollektoreinrichtung austauschbar, d. h., sie ist kein Bestandteil des Gehäuses. Dies hat den Vorteil, dass die Kollektoreinrichtung bei Sättigung leicht und schnell entfernt und/oder ausgetauscht werden kann. Dadurch wird wiederum die Wartungszeit reduziert, und die Laufzeit des Vakuumpumpensystems wird erhöht. Da weiterhin keine herkömmliche Heißfalle, die zum Beispiel mechanische Verengungen beinhaltet, verwendet wird, sind zeitraubende Reinigungsschritte nicht mehr notwendig. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Kollektoreinrichtung in einer Halterung enthalten oder angeordnet. Die Halterung dient also dazu, die Kollektoreinrichtung zu lagern. Besonders bevorzugt kann diese Halterung leicht von dem Gehäuse entfernt werden.
Die Halterung kann eine beliebige Geometrie und/oder Struktur haben, die geeignet ist, um die Kollektoreinrichtung zu lagern, und ermöglicht das Strömen des Gases durch die Halterung und die Kollektoreinrichtung. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Halterung eine Schale oder ein Käfig. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat die Halterung ≥ 1 Öffnung. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Halterung ein Käfig, und Öffnungen, die als Einlass dienen, sowie Öffnungen, die als Auslass dienen, sind einander gegenüber angeordnet. Weiterhin haben die Öffnungen einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser/die Größe des verwendeten keramischen Materials. Vorzugsweise besteht die Halterung aus irgendeinem geeigneten Material, das Temperaturen von ≥ 250°C und ≤ 500°C aushalten kann. Vorzugsweise ist die Halterung beständig gegenüber chemischer Behandlung, zum Beispiel gegenüber Behandlung mit Mineralsäuren und/oder organischen Lösungsmitteln. Am meisten bevorzugt besteht die Halterung aus Metall, zum Beispiel Aluminium oder Edelstahl. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform hat diese Halterung einen Durchmesser, der fast identisch mit dem inneren Durchmesser des Gehäuses ist, so dass die Halterung in das Gehäuse eingesetzt werden kann, ohne zu viel Zwischenraum zwischen der Halterung und der Innenfläche des Gehäuses zu lassen.
Eine Schale kann als flache Schüssel mit Öffnungen im Boden realisiert sein, die kleinere Durchmesser haben als das verwendete keramische Material. Vorzugsweise besteht eine solche Schale aus Aluminium. Ein Käfig kann aus einem Drahtgeflecht mit Öffnungen bestehen, die kleinere Durchmesser als das verwendete Granulat haben.
In einer weiteren Ausführungsform sind mehr als eine Kollektoreinrichtung vorhanden. Vorzugsweise sind ≥ 2 oder ≥ 3 Kollektoreinrichtungen vorhanden. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei diesen Kollektoreinrichtungen um keramisches Material unterschiedlicher Geometrie. Dies führt vorteilhafterweise zu verschiedenen Graden der Effizienz der Behandlung der Reaktionsnebenprodukte. In bevorzugten Ausführungsformen werden die keramischen Materialien unterschiedlicher Geometrie in wenigstens einer Halterung miteinander gemischt und/oder sind in wenigstens zwei Halterungen getrennt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind ≥ 2 Schalen, besonders bevorzugt ≥ 3 Schalen, innerhalb des Gehäuses gestapelt. Ganz besonders bevorzugt wird diese Stapelung durch Abstandshalter erreicht. Dies hat den Vorteil, dass eine einzige Schale zwei, vorzugsweise verschiedene, Kollektoreinrichtungen voneinander trennen kann.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Heißfallenvorrichtung zusätzlich wenigstens eine Einrichtung für die Messung der Temperatur (z. B. einen Thermosensor oder Thermistor), vorzugsweise an verschiedenen Punkten in der Heißfallenvorrichtung. Dies hat den Vorteil, dass die Temperaturbedingungen innerhalb der Heißfallenvorrichtung überwacht und auf den gewünschten Werten gehalten werden können. Vorzugsweise ist die Einrichtung zur Messung der Temperatur so angeordnet, dass sie die Temperatur innerhalb des Gehäuses oder an der Außenfläche des Gehäuses misst. Besonders bevorzugt ist die Einrichtung so angeordnet, dass sie die Temperatur einer Kollektoreinrichtung und/oder einer Halterung misst. Ganz besonders bevorzugt werden die Einrichtungen für die Messung der Temperatur verwendet, um wenigstens eine der Heizungseinrichtungen zu steuern.
In einer Ausführungsform ist das Vakuumpumpensystem ein mitlaufendes Vakuumpumpensystem. In einer anderen Ausführungsform wird das Vakuumpumpensystem oder dessen Verarbeitungsmodul zum Aufdampfen verwendet. In weiteren Ausführungsformen ist das Aufdampfen aus der Gruppe ausgewählt, die aus PVD, CVD, LPCVD oder PECVD besteht. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufdampfen um LPCVD oder PECVD. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich bei dem Aufdampfen um eine Ablagerung von Silicium, Siliciumoxid oder Metalloxid, besonders bevorzugt eine Ablagerung von ZnO oder Indiumzinnoxid (ITO). Am meisten bevorzugt handelt es sich bei dem Aufdampfen um ZnO-LPCVD oder ZnO-PECVD. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird das Aufdampfen für die Herstellung von Dünnschichten verwendet, vorzugsweise Dünnschichttransistoren (TFTs) oder Schichten aus transparentem leitfähigen Oxid (TCO).
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist die Evakuierungseinrichtung eine Abgaspumpe, Vakuumpumpe, Vorvakuumpumpe, Drehschieberpumpe, Wälzkolbenpumpe, Hochvakuumpumpe, Öldiffusionspumpe, Kryopumpe oder Turbomolekularpumpe. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Evakuierungseinrichtung eine Vorvakuumpumpe und ein mechanischer Unterdruckverstärker, am meisten bevorzugt ein Vakuumsystem, das einen Druck von etwa 10^–3 bis 10^–4 mbar erreichen kann.
Das Vakuumpumpensystem, die Evakuierungseinrichtung und die Heißfallenvorrichtung des Vakuumpumpensystems müssen, vorzugsweise in Reihe, miteinander verbunden sein, wobei die Heißfallenvorrichtung einer der Vakuumpumpen vorgeschaltet, aber dem Abscheidungsverarbeitungsmodul nachgeschaltet ist. Die Ausdrücke ”vorgeschaltet” und ”nachgeschaltet” sollen sich auf die Strömungsrichtung des Prozessgases beziehen, das aus dem Substratabscheidungsverarbeitungsmodul abgesaugt wird. Mit anderen Worten, die Heißfallenvorrichtung ist zwischen dem Abscheidungsverarbeitungsmodul und der Evakuierungseinrichtung angeordnet, und in dem Abscheidungsverarbeitungsmodul verwendetes Prozessgas wird durch die Evakuierungseinrichtung abgesaugt, wobei das Prozessgas zuerst durch die Heißfallenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung strömt, um die Reaktionsnebenprodukte zu entfernen, bevor sie in die Vorvakuumpumpe eintreten.
Die Verbindung der Komponenten des Vakuumpumpensystems der vorliegenden Erfindung kann mit jedem geeigneten Mittel erreicht werden, das dem Fachmann bekannt ist und es ermöglicht, das Prozessgas aus dem Abscheidungsverarbeitungsmodul abzusaugen und durch die Heißfallenvorrichtung zu leiten, so dass es schließlich die Evakuierungseinrichtung erreicht. Vorzugsweise sind die Komponenten des Vakuumpumpensystems durch Rohre, Belüftungsleitungen und/oder Abzweigrohre miteinander verbunden.
In einer Ausführungsform werden ≥ 1, ≥ 2 oder ≥ 3 Abscheidungsverarbeitungsmodule durch eine einzige Evakuierungseinrichtung evakuiert, d. h. alle Verarbeitungsmodule sind mit einer verbunden, oder ≥ 1, ≥ 2 oder ≥ 3 Verarbeitungsmodule werden von ≥ 2 Evakuierungseinrichtungen evakuiert, d. h. jedes einzelne Verarbeitungsmodul kann durch ≥ 1 Evakuierungseinrichtung evakuiert werden, und/oder ≥ 2 Verarbeitungsmodule können durch ≥ 1 Evakuierungseinrichtung evakuiert werden.
Die Verbindungen zwischen den Komponenten des Vakuumpumpensystems können weiterhin Ventile umfassen. Zusätzlich kann die Heißfallenverbindung im Vakuumpumpensystem Ventile umfassen, die gegebenenfalls ein leichtes Zerlegen und Austauschen der Heißfalle ermöglichen können. Ventile können vorteilhafterweise verwendet werden, um die Komponenten des Vakuumpumpensystems voneinander zu trennen. Die Ventile zwischen dem Vakuumpumpensystem und dem Abscheidungsverarbeitungsmodul ermöglichen ein Abtrennen des Systems, ohne das Vakuumniveau zu beeinträchtigen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ≥ 1 Ventil der Heißfallenvorrichtung vorgeschaltet, und ≥ 1 Ventil ist der Heißfallenvorrichtung nachgeschaltet. Das wenigstens eine Ventil, das der Heißfallenvorrichtung vorgeschaltet ist, trennt also die Heißfallenvorrichtung von dem Unterdruckverstärker, und wenigstens ein Ventil, das der Heißfallenvorrichtung nachgeschaltet ist, trennt die Heißfallenvorrichtung von der Vorvakuumpumpe. In einer weiteren Ausführungsform können die eine oder die mehreren Heißfallenvorrichtungen zwischen dem Abscheidungsverarbeitungsmodul und dem Vakuumpumpensystem platziert sein. Die Verbindung zwischen der Heißfalle und dem Verarbeitungsmodul und zu dem Vakuumsystem kann Ventile umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ≥ 1 Ventil der Heißfallenvorrichtung vorgeschaltet, und ≥ 1 Ventil ist der Heißfallenvorrichtung nachgeschaltet.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Ventil zusätzlich mit einem weiteren, vorzugsweise kleineren, Ventil verbunden, das vorteilhafterweise ein weiches Pumpen des Vakuumpumpensystems ermöglicht.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform umfasst das Vakuumpumpensystem weiterhin wenigstens eine Einrichtung zum Messen des Systemdrucks, vorzugsweise einen Druckwandler. Die Einrichtung zum Messen des Systemdrucks kann an jeder geeigneten Position innerhalb des Vakuumpumpensystems angeordnet sein.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform umfasst das Vakuumpumpensystem weiterhin wenigstens eine Belüftungsleitung, die so angeordnet ist, dass sie die eine oder mehreren Heißfallenvorrichtungen auf Atmosphärendruckniveau belüftet, sobald sie durch die Ventile isoliert sind. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Belüften mit einem inerten Gas, zum Beispiel N₂.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform umfasst das Vakuumpumpensystem weiterhin wenigstens eine Belüftungsleitung, die so angeordnet ist, dass sie die Evakuierungseinrichtung belüftet, indem sie einen Gasballast einleitet. Mittels dieser Belüftungsleitung kann also der Druck innerhalb der Evakuierungseinrichtung gesteuert werden, und es kann sich um die sich ändernde Leitfähigkeit aufgrund der Abscheidung innerhalb der Heißfallenvorrichtungen, die den uneingeschränkten Querschnitt der Leitungen reduziert, gekümmert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gasballast ein Inertgas, zum Beispiel N₂.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines mitlaufenden Vakuumpumpensystems, bei dem die Heißfallenvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist das TCO-1200-LPCVD-Abscheidungssystem, das von Oerlikon Solar erhältlich ist.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Vakuumpumpensystem ≥ 2 Heißfallenvorrichtungen gemäß der Erfindung, von denen wenigstens zwei parallel geschaltet sind und sich somit in wenigstens zwei Zweigen befinden. Mit anderen Worten, wenigstens zwei parallele Heißfallenvorrichtungen befinden sich in verschiedenen Zweigen und ermöglichen die Wartung einer ersten Heißfallenvorrichtung, während die zweite Heißfallenvorrichtung die Funktion der ersten Heißfallenvorrichtung übernimmt, und das Vakuumpumpensystem kann funktionsfähig gehalten werden. Vorteilhafterweise ermöglicht eine solche Anordnung von Fallen in Parallelschaltung einen ununterbrochenen Betrieb des Vakuumpumpensystems, was die Wartung beträchtlich vereinfacht, die Lebensdauer der Evakuierungseinrichtung erhöht und die Laufzeit und die Kosteneffizienz des gesamten Produktionssystems verbessert.
Aufgrund des vergleichsweise kleinen Volumens der parallelen Heißfallenvorrichtungen kann das Umschalten von einem ersten Zweig des Vakuumpumpensystems zu einem zweiten in einer sehr kurzen Zeit erfolgen. Vorzugsweise wird dieses Umschalten in einer Zeit durchgeführt, die kürzer ist als die Transportzeit des Systems. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Umschalten also durchgeführt werden, ohne das Verfahren des Vakuumpumpensystems, vorzugsweise ein Abscheidungsverfahren, zu unterbrechen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist für jede erste Heißfallenvorrichtung, die in dem Vakuumpumpensystem vorhanden ist, eine entsprechende zweite Heißfallenvorrichtung vorhanden, die parallel zu der ersten Heißfallenvorrichtung geschaltet ist. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind ≥ 1 oder jedes Verarbeitungsmodul mit ≥ 1 Paar von parallel geschalteten Heißfallenvorrichtungen verbunden, oder zwei oder mehr Heißfallen können mitlaufend im Vakuumpumpensystem zwischen dem Unterdruckverstärker und der Vorvakuumpumpe parallel geschaltet sein. In einer weiteren, ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist/sind das bzw. die CVD-Verarbeitungsmodule mit ≥ 1 Paar von parallel geschalteten Heißfallenvorrichtungen verbunden, oder 1 Vakuumpumpensystem, das ≥ 1 Heißfallen umfasst, ist mitlaufend parallel geschaltet. Am meisten bevorzugt ist/sind dieses/diese CVD-Verarbeitungsmodule ZnO-LPCVD- oder ZnO-PECVD-Module.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Vakuumpumpensystem mehr als zwei Zweige, jeweils mit einer Heißfallenvorrichtung. Mehr als zwei Heißfallenvorrichtungen sind also in einem ”Revolvermodus” miteinander verbunden, was ein verbessertes Laufzeit-Wartungszeit-Verhältnis ermöglicht. Dies hat den Vorteil, dass ein automatischer störungsfreier Betrieb realisiert werden kann, zum Beispiel mittels Druckwandlern, die den Systemdruck in der jeweiligen Belüftungsleitung überwachen und über einen Regelkreis eine automatische Umschaltung zwischen verschiedenen Zweigen ermöglichen. Wenn mehr als zwei Zweige vorhanden sind, kann das System reagieren, wenn eine Heißfallenvorrichtung ausfällt, bevor ihre erwartete Lebensdauer erreicht ist. Wenn die Heißfallenvorrichtung einen automatischen Selbstreinigungszyklus hat, kann sie diesen weiterhin durchführen, während sie isoliert ist und Heißfallenvorrichtungen, die sich in verschiedenen Zweigen befinden, funktionsfähig sind. Ein Vakuumpumpensystem mit ≥ 2 Zweigen, die jeweils wenigstens eine Heißfallenvorrichtung umfassen, kombiniert also vorteilhafterweise eine hohe Verfügbarkeit mit einer geringen Wartung und niedrigen Stillstandzeit.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Heißfallenvorrichtung durch einen Gaseinlass modifiziert, der reaktive Gase in die Falle leitet. Kleine Mengen eines hochreaktiven Gases, wie Sauerstoff, können in einer reinen Form oder als Luft zwischen dem Volumen des katalytischen Materials in die Heißfalle geleitet werden, so dass man hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erhält, zum Beispiel mit Diethylzink (DEZ [(C₂H₅)₂Zn]). Selbst unter atmosphärischen Bedingungen reagieren diese beiden Spezies heftig unter Bildung von Zinkoxid (ZnO), beträchtlich schneller als die Reaktion von DEZ mit Wasser. Die Gegenwart von Sauerstoff beschleunigt die Dissoziation des DEZ-Moleküls unter Bildung von Zn- und Ethylradikalen, die leicht mit Sauerstoff unter Bildung von Zinkoxid und/oder Zink reagieren können. Sauerstoff erhöht auch die Dissoziationsgeschwindigkeit von Wasser, das mit DEZ reagieren kann. Zusammen mit einer höheren Temperatur, vorzugsweise > 400°C, die leicht durch innere und äußere Heizelemente in der Heißfalle erreicht werden kann, können erhöhte Reaktionsgeschwindigkeiten und eine erhöhte Falteneffizienz erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die horizontale Anordnung der Heißfalle zwischen dem Unterdruckverstärker und der Vorvakuumpumpe gezeigt. Die herkömmliche Strömung von Reaktantengasen in einer Heißfalle in einer vertikalen Anordnung leidet unter dem Nachteil von kürzeren Residenzzeiten und einer begrenzten Größe. Die horizontale Installation der Heißfalle zwischen dem Unterdruckverstärker und der Vorvakuumpumpe bietet die Flexibilität einer Erhöhung der Heißfallengröße und einer Reduktion des Druckabfalls über das System, während sich die Ablagerungen von ZnO und Zn auf der unteren Fläche der Heißfalle absetzen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entfernung von Reaktionsnebenprodukten in einem Vakuumbehandlungssystem, wobei ein Prozessgas, das die Reaktionsnebenprodukte umfasst, durch wenigstens eine Heißfallenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geleitet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Heißfallenvorrichtung entweder dem Vakuumpumpensystem vorgeschaltet, oder sie befindet sich mitlaufend zwischen dem mechanischen Unterdruckverstärker und der Vorvakuumpumpe gemäß der Erfindung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Heißfallenvorrichtung auf eine Temperatur von ≥ 250°C und ≤ 500°C erhitzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Vakuumpumpensystem wenigstens zwei Heißfallenvorrichtungen, die parallel geschaltet sind, und wird kontinuierlich betrieben, d. h. das System wird zur Wartung nicht heruntergefahren.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung gehen aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen hervor und werden unter Bezugnahme auf dieselben erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 die bevorzugte Position der Heißfalle innerhalb des Vakuumpumpensystems, insbesondere ein Modell mit vertikaler Strömung.
2 die bevorzugte Struktur der Einschübe (Kollektoreinrichtungen) innerhalb der Heißfalle.
3 die Gasströmung bei Verwendung der Strombrecherstruktur in einer vertikalen Heißfallenanordnung.
4 die horizontale Anordnung der Heißfalle zwischen Unterdruckverstärker und Vorvakuumpumpe.
5 eine bevorzugte Ausführungsform einer Heißfallenvorrichtung gemäß der Erfindung.
6 eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Heißfallenvorrichtung gemäß der Erfindung.
7 eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Heißfallenvorrichtung gemäß der Erfindung.
8 eine bevorzugte Ausführungsform eines Vakuumpumpensystems gemäß der Erfindung.
1 zeigt die bevorzugte Position der Heißfalle zwischen dem Unterdruckverstärker und der Vorvakuumpumpe mit der Option, ein reaktives Gas, insbesondere Sauerstoff oder Luft, direkt in die Heißfalle einzuleiten.
2 zeigt eine bevorzugte Strombrecherstruktur, die in der Heißfalle verwendet wird und aufgrund des längeren Gaswegs und der erhöhten Strömungsturbulenz zu einer hohen Effizienz der Heißfalle führt.
3 zeigt die Gasströmung durch die Heißfalle bei Verwendung der Strombrecherstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung. Insbesondere ist der Gaseinlass der Heißfalle mit der TCO-Kammer oder einem Unterdruckverstärker verbunden, während der Gasauslass mit dem Vakuumpumpensystem bzw. der Vorvakuumpumpe verbunden ist. Es ist eine horizontale oder vertikale Anordnung der Heißfalle möglich.
4 zeigt das Modell mit der horizontalen Strömung, wobei die Heißfalle zwischen dem Unterdruckverstärker und der Vorvakuumpumpe angeordnet ist und die bevorzugte Strombrecherstruktur und den bevorzugten Gaseinlass zum Einleiten von reaktiven Gasen in die Heißfalle enthält. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die Strombrecherstruktur und der Gaseinlass als bevorzugte Merkmale anzusehen sind.
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Heißfallenvorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Die Heißfallenvorrichtung umfasst ein Gehäuse 2 in Form eines zylindrischen Rohrs, das einen Einlass 3 und einen Auslass 5 umfasst. Der Einlass ist mittels eines ersten Rohrs 4 mit einem ZnO-LPCVD Verarbeitungsmodul verbunden, während der Auslass durch ein zweites Rohr 6 mit einem Vakuumpumpensystem verbunden ist.
Weiterhin umfasst die Heißfallenvorrichtung eine Heizeinrichtung 7, bei der es sich um eine interne Heizeinrichtung handelt, die als elektrischer Heizstab 8 ausgeführt ist, der in der Mitte des Gehäuses angeordnet ist und sich über etwa die gesamte Länge des Gehäuses erstreckt.
Die Heißfallenvorrichtung umfasst weiterhin vier Halterungen 10, die als Schalen 11 ausgeführt sind, die mittels Abstandshaltern übereinandergestapelt sind. Die Schalen sind als flache Schüsseln mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführt und bestehen aus Aluminium. Die Schalen sind so montiert, dass sie mit der Innenwand des Gehäuses 2 abschließen. Die Schalen umfassen Öffnungen, die das Gas hindurchströmen lassen, die aber einen kleineren Durchmesser haben als die Kollektoreinrichtung. Weiterhin sind die Schalen in direktem thermischen Kontakt mit dem Heizstab 8.
Die Heißfallenvorrichtung umfasst weiterhin zwei verschließbare Öffnungen 16, die einander gegenüber ausgerichtet sind. Die untere verschließbare Öffnung ist als Blindflansch 17 ausgeführt. Die obere verschließbare Öffnung 18 ist als Blindflansch, der mit dem Heizstab verbunden ist, ausgeführt.
Die Heißfallenvorrichtung umfasst weiterhin zwei Arten von Kollektoreinrichtungen in Wellen- oder Granulatform 13, die in zwei getrennten Schalen 11 enthalten sind. Die erste Art 14 hat eine Geometrie eines extrudierten Zylinders, die zweite Art 15 hat eine Fünfringgeometrie (hier gezeigt). Die Granulatkörner mit der Fünfringgeometrie 15 haben einen Durchmesser von 19 mm und eine Länge von 9,5 mm. Beide Kollektoreinrichtungen 13 bestehen aus einem Material, das als Katalysator für die Umsetzung der Reaktionsnebenprodukte wirkt. Sie bestehen aus einem keramischen Material, das ≥ 65 Gew.-% und ≤ 70 Gew.-% SiO₂ sowie ≥ 23 Gew.-% und ≤ 28 Gew.-% Al₂O₃ umfasst. Solche Kollektoreinrichtungen sind zum Beispiel von Saint-Gobain NorPro erhältlich. Da sich die Kollektoreinrichtungen in direktem thermischen Kontakt mit den Schalen 11 befinden, die in direktem thermischen Kontakt mit dem Heizstab 8 stehen, befinden sich die Kollektoreinrichtungen also in indirektem thermischen Kontakt mit dem Heizstab.
Während des Betriebs des Vakuumpumpensystems wird die Heißfallenvorrichtung auf eine Temperatur von etwa 450°C erhitzt, wobei man den Heizstab und den äußeren Heizmantel 8 verwendet. Eine Temperaturmessung an verschiedenen Punkten in der Heißfallenvorrichtung wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Temperaturbedingungen innerhalb der Heißfalle die gewünschten Werte erreichen.
Da die Vakuumpumpe permanent betrieben wird, wird Prozessgas aus dem ZnO LPCVD-Verarbeitungsmodul abgesaugt und zur Vakuumpumpe gesaugt. Da die Heißfallenvorrichtung zwischen dem ZnO-LPCVD-Verarbeitungsmodul und der Vakuumpumpe angeordnet ist, wird Prozessgas durch die Heißfallenvorrichtung (wie durch die Pfeile angezeigt), die Öffnungen der Schalen und die Kollektoreinrichtungen geleitet.
Nachdem die Kollektoreinrichtungen 13 gesättigt sind, wird das Vakuumpumpensystem angehalten und an der Oberseite 18 geöffnet, um eine Entnahme der Schalen und des darauf angeordneten Granulats zu ermöglichen. Danach wird das Gehäuse der Heißfallenvorrichtung mit Mineralsäuren gereinigt/gespült, um die Abscheidungsprodukte zu entfernen. Die untere verschließbare Öffnung 17 wird geöffnet, um ein Abfließen der Mineralsäuren zu ermöglichen.
6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Heißfallenvorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Die Heißfallenvorrichtung umfasst ein Gehäuse 2 in Form eines zylindrischen Rohrs, das einen Einlass 3 und einen Auslass 5 umfasst. Das Gehäuse ist als erweiterter Teil des Rohrs ausgeführt, das ein Verarbeitungsmodul mit einer Vakuumpumpe verbindet. Der Einlass ist also mittels eines ersten Rohrs 4 mit dem ZnO-LPCVD-Verarbeitungsmodul verbunden, während der Auslass durch ein zweites Rohr 6 mit einer Turbomolekularvakuumpumpe verbunden ist.
Weiterhin umfasst die Heißfallenvorrichtung zwei Heizeinrichtungen 7. Eine interne Heizeinrichtung ist vorhanden, die als elektrischer Heizstab 8 ausgeführt ist, der in der Mitte des Gehäuses angeordnet ist und sich über etwa die gesamte Länge des Gehäuses erstreckt. Weiterhin ist eine externe Heizeinrichtung 9 vorhanden, die sich über etwa die gesamte Länge des Gehäuses erstreckt, d. h. von fast der Oberseite bis fast zur Unterseite des Gehäuses. Die externe Heizeinrichtung ist als Heizmantel ausgeführt, und das Gehäuse ist wärmeisoliert, um einen Energieverlust zu vermeiden.
Die Heißfallenvorrichtung umfasst weiterhin eine Halterung 10, die als Käfig 12 aus einem Drahtgeflecht ausgeführt ist. Der Käfig ist so montiert, dass er mit der Innenwand des Gehäuses 2 abschließt. Die Öffnungen in dem Drahtgeflecht haben einen kleineren Durchmesser als die Kollektoreinrichtung. Weiterhin steht der Käfig in direktem thermischen Kontakt mit dem Heizstab 8.
Die Heißfallenvorrichtung umfasst weiterhin eine verschließbare Öffnung 16. Die verschließbare Öffnung befindet sich an der Unterseite des Gehäuses.
Die Heißfallenvorrichtung umfasst weiterhin Kollektoreinrichtungen in Granulatform 13, die in dem Käfig 12 enthalten sind. Die hier gezeigten Kollektoreinrichtungen haben eine Fünfringgeometrie 15 und einen Durchmesser von 25 mm sowie eine Länge von 12,5 mm. Die Kollektoreinrichtungen 13 bestehen aus einem Material, das als Katalysator für die Umwandlung der Reaktionsnebenprodukte wirkt. Sie bestehen aus einem keramischen Material, das ≥ 65 Gew.-% und ≤ 70 Gew.-% SiO₂ sowie ≥ 23 Gew.-% und ≤ 28 Gew.-% Al₂O₃ umfasst. Solche Kollektoreinrichtungen sind zum Beispiel von Saint-Gobain NorPro erhältlich. Da sich die Kollektoreinrichtungen in direktem thermischen Kontakt mit dem Käfig 12 befinden, der in direktem thermischen Kontakt mit dem Heizstab 8 steht, befinden sich die Kollektoreinrichtungen also in indirektem thermischen Kontakt mit dem Heizstab.
Während des Betriebs des Vakuumpumpensystems wird die Heißfallenvorrichtung von innen auf eine Temperatur von etwa 450°C erhitzt, wobei man den Heizstab 8 und den Heizmantel 9 verwendet. Eine Temperaturmessung an verschiedenen Punkten in der Heißfallenvorrichtung wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Temperaturbedingungen innerhalb der Heißfalle die gewünschten Werte erreichen.
Da die Vakuumpumpe permanent betrieben wird, wird Prozessgas aus dem ZnO-LPCVD-Verarbeitungsmodul abgesaugt und zur Vakuumpumpe gesaugt. Da die Heißfallenvorrichtung zwischen dem ZnO-LPCVD-Verarbeitungsmodul und der Vakuumpumpe angeordnet ist, wird Prozessgas durch die Heißfallenvorrichtung (wie durch die Pfeile angezeigt), die Öffnungen des Käfigs und die Kollektoreinrichtungen geleitet.
7 zeigt bevorzugte Geometrien der Kollektoreinrichtung. Figur tA zeigt eine Fünfringstruktur, während 7B eine Wabenstruktur zeigt. Beide Geometrien bieten ein gutes Verhältnis zwischen Oberfläche und Strömungswiderstand.
8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Vakuumpumpensystems 31 gemäß der Erfindung. Ein Prozessmodul (PM) 19 ist über Abzweigrohre 20, 21 und Ventile 22–27 mit der Vorvakuumpumpe 28 verbunden. Weiterhin sind eine erste und eine zweite Heißfallenvorrichtung 1 gemäß der Erfindung (HT1 und HT2) vorhanden und sind parallel geschaltet. Zwei Hauptventile pro Zweig 22, 24 für die erste Zweigleitung 20 sowie 23, 25 für die zweite Zweigleitung 21 werden verwendet, um die Heißfallenvorrichtungen auf beiden Seiten von dem Prozessmodul und der Pumpe zu trennen. Die Hauptventile 24, 25 auf der Pumpenseite weisen kleinere zusätzliche Ventile 26, 27 auf, um ein weiches Pumpen des Systems zu ermöglichen.
Außerdem werden Druckwandler (PT) 28 verwendet, um den Systemdruck zu überwachen. Weiterhin ist eine Belüftungsleitung 29, 30 auf jeder Zweigleitung vorhanden, um eine Belüftung der Heißfallenvorrichtungen 1 mit N₂ auf Atmosphärendruck zu ermöglichen, nachdem diese durch die Ventile 22, 24 bzw. 23, 25 isoliert wurden. Eine weitere Belüftungsleitung 30 wird verwendet, um den Druck in der Vakuumpumpenleitung durch Hinzufügen von N₂ zu steuern.
Das Betriebsverfahren umfasst das Öffnen der Ventile 22, 24 zum Auspumpen des Prozessmoduls und der Belüftungsleitungen einschließlich der daran befestigten Geräte. Die Ventile 23, 25, 27 bleiben geschlossen, so dass man eine gesteuerte Leitfähigkeit der gesamten Pumpenanordnung erhält. Das Abscheidungsverfahren wird mit Hilfe der Heißfallenvorrichtung HT1 durchgeführt, um die austretenden Prozessgase aufzufangen, wie es oben beschrieben ist.
Während des Betriebs kann die Heißfallenvorrichtung HT2 im zweiten Zweig 21 gewartet, ausgetauscht oder gereinigt werden, da sie aufgrund der geschlossenen Isolationsventile 23, 25, 27 isoliert bleibt. Sobald sie gewartet und installiert wurden, können sie in Betriebsbedingungen gebracht werden. Dies umfasst Abpumpsequenzen, Ausbrenn- und/oder Abkühlvorgänge und dergleichen.
Sobald die Falle HT1 gesättigt ist und gewartet werden muss, kann eine Umschaltung zum zweiten Zweig 21 durchgeführt werden, indem man die Isolationsventile 23, 25, 27 öffnet und die Isolationsventile 22, 24, 26 schließt. Jetzt ist die Heißfallenvorrichtung des ersten Zweigs 20 isoliert und kann gewartet werden, während der zweite Zweig 21 verwendet wird, um das System zu betreiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0575055 A [0002]
US 4358472 C [0002]
EP 2009/057395 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Vigil et al., Interactions of silica surfaces, 3. Colloid and Interface Science, 165: 367–385, 1994 [0031]

Claims

Aufdampf-Heißfallenvorrichtung (1), die Folgendes umfasst: ein Gehäuse (2), das wenigstens einen Einlass (3) und wenigstens einen Auslass (5) umfasst; wenigstens eine Heizeinrichtung (7); und wenigstens eine Kollektoreinrichtung (13) für die Umwandlung von Reaktionsnebenprodukten in Produkte, die auf der Kollektoreinrichtung und/oder der inneren Oberfläche des Gehäuses abgeschieden werden, wobei die Kollektoreinrichtung innerhalb des Gehäuses zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoreinrichtung eine Strombrecherstruktur umfasst.
Aufdampf-Heißfallenvorrichtung (1), die Folgendes umfasst: ein Gehäuse (2), das wenigstens einen Einlass (3) und wenigstens einen Auslass (5) umfasst; wenigstens eine Heizeinrichtung (7); und wenigstens eine Kollektoreinrichtung (13) für die Umwandlung von Reaktionsnebenprodukten in Produkte, die auf der Kollektoreinrichtung und/oder der inneren Oberfläche des Gehäuses abgeschieden werden, wobei die Kollektoreinrichtung innerhalb des Gehäuses zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Falle einen getrennten Gaseinlass für die Einführung von reaktivem Gas, das die Erhöhung der Reaktionseffizienz unterstützt, enthält.
Heißfallenvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse zusätzlich wenigstens eine verschließbare Öffnung (16) umfasst.
Heißfallenvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die eine zentrale interne Heizeinrichtung (8), die thermisch an die Kollektoreinrichtung gekoppelt ist, und gegebenenfalls eine externe Heizeinrichtung (9) umfasst.
Heißfallenvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Kollektoreinrichtung Silicium, Siliciumoxid, Aluminium, Aluminiumoxid, Kupfer, Natriumoxid oder Kombinationen davon umfasst.
Heißfallenvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Kollektoreinrichtung in wenigstens einer Halterung (10) enthalten oder angeordnet ist.
Heißfallenvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei > 2 Kollektoreinrichtungen vorhanden sind und wobei es sich bei diesen Kollektoreinrichtungen um ein keramisches Material unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und/oder unterschiedlicher Geometrie handelt, das frei oder auf einem Träger, wie einem Käfig, einer Schale, einem Geflecht usw. oder zwischen Strombrechern angeordnet ist.
Vakuumpumpensystem (31), umfassend wenigstens ein Prozessmodul (19), das mit wenigstens einer Evakuierungseinrichtung (28) und wenigstens einer Heißfallenvorrichtung (1) gemäß den Ansprüchen 1–7 verbunden ist, wobei die Heißfallenvorrichtung als Teil der Evakuierungseinrichtung (28) zwischen einem Unterdruckverstärker und einer Vorvakuumpumpe angeordnet ist.
Vakuumpumpensystem gemäß Anspruch 8, wobei ≥ 2 Heißfallenvorrichtungen vorhanden sind, von denen wenigstens 2 parallel zueinander geschaltet sind.
Verfahren zur Entfernung von Reaktionsnebenprodukten in einem Vakuumbehandlungssystem gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei Prozessgas, das die Reaktionsnebenprodukte umfasst, durch die wenigstens eine Heißfallenvorrichtung geleitet wird.