DE10211738B4

DE10211738B4 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung einer ultrareinem Mischung aus Wasserdampf und Sauerstoff

Info

Publication number: DE10211738B4
Application number: DE10211738A
Authority: DE
Inventors: Marcel Tognetti
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: US6824757B2; JP2004040078A; NL1022935A1; US20040018142A1; NL1022935C; DE10211738A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer ultrareinen Mischung von Wasserdampf und Sauerstoff durch Oxidation von Wasserstoff in einer geschlossenen Brennkammer mit getrennten Zuführleitungen für Wasserstoff und Sauerstoff, wobei Sauerstoff und Wasserstoff in einem solchen überstöchiometrischen Verhältnis über einen Injektor zugeführt werden, dass die Verbrennung bei einer für den Injektor geeigneten Temperatur erfolgt und mit einer Ableitung für den entstehenden Wasserdampf zu einer Prozesskammer, dadurch gekennzeichnet, dass dem bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampf beim Eintritt in die Prozesskammer reiner Zusatzsauerstoff zur Erzeugung eines erheblichen Sauerstoffüberschusses im Wasserdampf beigemischt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer ultrareinen Mischung aus Wasserdampf und Sauerstoff durch Oxidation von Wasserstoff in einer geschlossenen Brennkammer mit getrennten Zuführleitungen für Wasserstoff und Sauerstoff, wobei Sauerstoff und Wasserstoff in einem solchen geringfügig überstöchiometrischen Verhältnis über einen Injektor zugeführt werden, dass die Verbrennung bei einer für den Injektor geeigneten Temperatur erfolgt und mit einer Ableitung für den entstehenden Wasserdampf zu einer Prozesskammer. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
In einer Vielzahl von Verfahrensschritten bei der Bearbeitung von Halbleiterscheiben zur Herstellung von Halbleiterbauelementen werden Oxidationsvorgänge durchgeführt. Hierzu hat es sich als zweckmäßig erwiesen, anstelle von reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel Wasserdampf zu verwenden. Dieser zu Oxidationszwecken verwendete Wasserdampf kann allerdings nicht durch einfaches Verdampfen von Wasser erzeugt werden, sondern muss wegen der extremen Reinheitsanforderungen durch Verbrennung (Oxidation) von Wasserstoff hergestellt werden. Dazu müssen Sauerstoff und Wasserstoff als Reinstgase bereitgestellt und in einer speziellen Brennkammer (torch) verbrannt werden. Eine solche Brennkammer wird auch als Balloon bezeichnet.
Ein solcher Balloon enthält auf der einen Seite einen Injektor für die zuzuführenden Reinstgase, die diesem über konzentrische Kanäle zugeführt werden und auf der gegenüberliegenden Seite eine Ableitung für den bei der Verbrennung entstehenden Wasser dampf zu einer Prozesskammer. Die Regelung der Mengen des zugeführten Wasserstoffes und des Sauerstoffes erfolgt mit Hilfe von Mass Flow Controllern.
Um jegliche Kontamination zu verhindern, werden der gesamte Balloon, einschließlich des Injektors sowie die Zu- und Ableitungen aus Quarzglas gefertigt und miteinander verschweißt. Außerdem ist dadurch der gesamte Innenraum gegenüber der Umgebung hermetisch abgetrennt, so dass eine Kontamination durch die Umgebungsatmosphäre ausgeschlossen ist. Der Injektor ist weiterhin mit einer elektrischen Heizung versehen, so dass dieser und die durch diesen geleiteten Gase auf eine Temperatur von >500 °C vorgewärmt werden können.
Die dem Injektor zugeführten Gase werden an der Spitze des Injektors miteinander vermischt und in einer Flamme innerhalb des Balloons, verbrannt. Die meisten Injektoren wurden für ein Mischungsverhältnis von H₂:O₂ von etwa 1:0,65 entwickelt, um eine vollständige Oxidation des Wasserstoffs sicherzustellen. In einigen Anwendungsfällen hat sich ein umgekehrtes Mischungsverhältnis, nämlich 0,65:1, mit dem Ergebnis einer besseren Oxiduniformität, als besonders günstig erwiesen. Das bedeutet, dass wesentlich mehr Sauerstoff dem Injektor zugeführt wird, als für eine rein stöchiometrische Verbrennung erforderlich wäre. Damit geht allerdings eine erhebliche Erhöhung der Temperatur der Flamme einher, wodurch die Spitze des Injektors „abbrennt", bzw. entglast. Das führt zu einer erheblichen Verringerung der Lebensdauer des Injektors. Darüber hinaus können dabei Partikel generiert werden, die weitere Probleme nach sich ziehen. Die gesamte Verbrennungseinrichtung wird also insgesamt unbrauchbar und muss repariert bzw. regeneriert werde, indem der Injektor ausgetauscht wird.
Das Austauschen des Injektors führt allerdings zu einer erzwungenen Stillstandszeit der Einrichtung und dadurch zu einer Verringerung der Produktion.
Zur Verlängerung der Lebensdauer des Injektors wurde versucht, dessen konstruktiven Aufbau zu verändern, wobei jedoch keine brauchbaren Resultate erzielt werden konnten.
Die gleiche Anordnung wird auch zur Zuführung von geringen Mengen Sauerstoff (ohne Verbrennungsvorgang) zu Prozesskammern für Voroxidationszwecke verwendet, indem die Mass Flow Controller entsprechend gesteuert werden.

Aus der US 5,234,501 geht ein Oxydationsverfahren hervor, bei dem der zur Oxidation benötigte Wasserdampf, wie bereits beschrieben, durch Zuführung von Sauerstoff und Wasserstoff über einen Injektor und Verbrennung in einer Kammer erzeugt wird.

In den US 5,633,212 und US 5,810,929 wird die Nassoxidation von Wafern als Prozess beschrieben, der in einer Wasserdampf haltigen Atmosphäre, häufig unter Vorhandensein von Sauerstoff, stattfindet. Für die Oxidation wird hier der Restsauerstoff aus einer über stöchiometrischen Verbrennung verwendet. Eine hinreichend genaue Einstellung des Sauerstoffanteils im Wasserdampf ist hier nahezu unmöglich.

Die US 5,257,926 beschreibt spezielle Ausgestaltungen des Injektors zur Verhinderung eines Flammenrückschlages bei der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff und die US 5,733,114 eine Verbrennungskammer mit einer demontierbaren Wasserstoffzuführung.

Schließlich wird in der US 6,221,791 eine Vorrichtung zur Oxydation von Siliziumsubstraten in einen Trocken-Nass-Trocken-Oxydationsprozess beschrieben, wobei beide Prozesse in der selben Oxydationskammer stattfinden. Der Verbrennungseinrichtung wird hier zusätzlich Stickstoff zur Steuerung des Verbrennungsvorganges zugeführt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu realisierendes Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung einer ultrareinen Mischung von Wasserdampf und Sauerstoff zu schaffen, mit dem eine deutlich verlängerte Standzeit des Injektors erreicht wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass dem bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampf beim Eintritt in die Prozesskammer reiner Zusatzsauerstoff zur Erzeugung eines erheblichen Sauerstoffüberschusses im Wasserdampf beigemischt wird.

Dieses besonders einfach zu realisierende Verfahren führt zu einer wesentlichen Verlängerung der Standzeit des Injektors, wobei die Zuführung des Zusatzsauerstoffes nach der Verbrennung unproblematisch ist. Durch die Erfindung ist es möglich, die Menge des Zusatzsauerstoffes, bzw. den Anteil des freien Sauerstoffes im Wasserdampf, vollkommen frei wählen zu können, ohne dass die Standzeit des Injektors bzw. des Balloons insgesamt negativ beeinflusst wird.

Um jede Abkühlung des Wasserdampfes und eine dabei mögliche Kondensatbildung am Ausgang des Balloons zu vermeiden, sieht eine erste Fortführung der Erfindung vor, den dem Wasserdampf zugeführten Zusatzsauerstoff auf eine vorgegebene Temperatur vorzuwärmen. Die Vorwärmung des Zusatzsauerstoffes kann unmittelbar durch Nutzung der Wärmeenergie der Wasserstoffflamme erfolgen.

Eine besondere günstige Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Brennkammer Sauerstoff und Wasserstoff im Verhältnis von 0,65:1 zugeführt werden und dass dem während des Oxidationsvorganges in der Brennkammer entstehenden Wasserdampf Zusatzsauerstoff zugemischt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die der Brennkammer zugeführten Gase vorgewärmt, wobei die Vorwärmtemperatur mindestens 100 °C betragen sollte.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner bei einer Anordnung, bestehend aus einer Brennkammer mit Zuführleitungen für Wasserstoff und Sauerstoff zu einer geschlossenen Brennkammer sowie einer Ableitung zu einer Prozesskammer, wobei jeder Zuführleitung ein Mass Flow Controller zugeordnet ist, dadurch gelöst, dass die Ableitung zu der Prozesskammer über eine mit einem Mass Flow Controller versehene Zuführleitung für Zusatzsauerstoff mit der Sauerstoffzuführung zur Brennkammer verbunden ist.

Das ermöglicht eine vollkommen freie Einstellung des Sauerstoffanteiles im erzeugten Wasserdampf. Dadurch, dass die Temperatur der Wasserstoffflamme durch die Zuführung des Zusatzsauerstoffes in keiner Weise beeinflusst wird, wird eine erhebliche Verlängerung der Standzeit des Injektors und damit der gesamten Verbrennungseinrichtung erreicht. Damit können erhebliche Betriebskosten eingespart werden.

Um eine ausreichende Vorwärmung des Zusatzsauerstoffes zu ermöglichen, ist die Zuführleitung für den Zusatzsauerstoff mit einer Heizeinrichtung versehen, die Heizeinrichtung in unmittelbarer Nähe des Anschlusses des Rohres am Verbindungskanal angeordnet ist.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung aus einem Rohrabschnitt der Zuführleitung für den Zusatzsauerstoff besteht, der die Brennkammer zumindest teilweise umgibt. Dadurch lässt sich die Wärmeenergie der Flamme zur Vorwärmung des Zusatzsauerstoffes nutzen.

Um jegliche Kontaminationsmöglichkeiten auszuschließen, bestehen sämtliche Bauteile der Verbrennungseinrichtung, d.h. sämt liche Leitungen und der Balloon aus Quarzglas.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Aus der zugehörigen Zeichnungsfigur ist eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von ultrareinem Wasserdampf mit frei einstellbarem Anteil an Zusatzsauerstoff ersichtlich.
Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Brennkammer (Balloon) 1, in den auf einer Seite ein Injektor 2 hineinragt, der über getrennte Zuführleitungen 3, 4 jeweils mit einem Wasserstoff- und einem Sauerstoffvorrat verbunden ist. Auf der dem Injektor 2 gegenüberliegenden Seite des Balloons 1 befindet sich eine Ableitung 5, die mit einer nicht dargestellten Prozesskammer verbunden ist, in der Oxidationsvorgänge durchgeführt werden.
Um eine genaue Dosierung des dem Injektor 2 zugeführten und in einer Flamme 6 zu verbrennenden Sauerstoffes und des Wasserstoffes zu ermöglichen, befindet sich in jeder Zuführleitung 3, 4 ein Mass Flow Controller 7, 8. Im normalen Betriebsfall werden dem Injektor 2 0,65 Teile Sauerstoff und 1 Teil Wasserstoff zugeführt, so dass die Verbrennung zu Wasserdampf in einem geringfügig überstöchiometrischen Verhältnis erfolgt. Die Erzeugung des gewünschten erheblichen Sauerstoffüberschusses im Wasserdampf erfolgt nach der Verbrennung, indem der Zusatzsauerstoff über eine weitere Zuführleitung 9 in die Ableitung 5 eingeleitet wird. Die genaue Einstellung der Menge des Zusatzsauerstoffes erfolgt ebenfalls mit einem Mass Flow Controller 10, welcher der Zuführleitung 9 zugeordnet ist.
Um eine Mindesttemperatur der Flamme 6 sicherzustellen, ist eine Heizvorrichtung 11 vorgesehen, die beide Zuführleitungen 3, 4 unmittelbar vor dem Injektor außerhalb des Balloons 1 umgibt.
Damit der durch die Verbrennung erzeugte Wasserdampf nicht un nötig gekühlt wird, was zu einer unerwünschten Kondensatbildung in der Ableitung 5 führen könnte, wird der zugeführte Zusatzsauerstoff durch eine Heizvorrichtung 12 etwa auf die Temperatur des Wasserdampfes vorgewärmt. Als Heizvorrichtung 12 kann eine übliche elektrische Heizung, oder auch die Abwärme der Flamme 6 verwendet werden.
Diese Anordnung erlaubt eine vollkommen freie Einstellung der der Flamme 6 zugeführten Gase, so dass die Verbrennung bei einer Temperatur erfolgen kann, für die der Injektor 2 ausgelegt ist, wobei die Menge des Zusatzsauerstoffes im Wasserdampf ebenfalls frei wählbar ist, ohne dass dies einen Einfluss auf die Lebensdauer des Injektors hätte. Dadurch, dass die Verbrennung stets unter optimalen Bedingungen erfolgt wird gegenüber dem Stand der Technik sogar eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer erreicht, was zu einer erheblichen Einsparung an Wartungsaufwand und Stillstandszeit führt.

1: Brennkammer (Balloon)
2: Injektor
3: Zuführleitung
4: Zuführleitung
5: Ableitung
6: Flamme
7: Mass Flow Controller
8: Mass Flow Controller
9: Zuführleitung
10: Mass Flow Controller
11: Heizvorrichtung
12: Heizvorrichtung

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer ultrareinen Mischung von Wasserdampf und Sauerstoff durch Oxidation von Wasserstoff in einer geschlossenen Brennkammer mit getrennten Zuführleitungen für Wasserstoff und Sauerstoff, wobei Sauerstoff und Wasserstoff in einem solchen überstöchiometrischen Verhältnis über einen Injektor zugeführt werden, dass die Verbrennung bei einer für den Injektor geeigneten Temperatur erfolgt und mit einer Ableitung für den entstehenden Wasserdampf zu einer Prozesskammer, dadurch gekennzeichnet, dass dem bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampf beim Eintritt in die Prozesskammer reiner Zusatzsauerstoff zur Erzeugung eines erheblichen Sauerstoffüberschusses im Wasserdampf beigemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Wasserdampf zugeführte Zusatzsauerstoff auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung des Zusatzsauerstoffes unmittelbar durch Nutzung der Wärmeenergie der Wasserstoffflamme erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer Sauer stoff und Wasserstoff im Verhältnis 0,65:1 zugeführt werden und dass dem während des Oxidationsvorganges in der Brennkammer entstehenden Wasserdampf Zusatzsauerstoff zugemischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der Brennkammer (1) zugeführten Gase vorgewärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperatur mindestens 100 °C beträgt.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, bestehend aus einer Brennkammer (1) mit Zuführleitungen (3, 4) für Wasserstoff und Sauerstoff zu der geschlossenen Brennkammer (1) sowie einer Ableitung (5) zu einer Prozesskammer, wobei jeder Zuführleitung (3, 4) ein Mass Flow Controller (7, 8) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung (5) zu einer Prozesskammer über eine mit einem Mass Flow Controller (10) versehene Zuführleitung (9) für Zusatzsauerstoff mit der Sauerstoffzuführung (4) zur Brennkammer (1) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung (9) für den Zusatzsauerstoff mit einer Heizvorrichtung (12) versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (12) in unmittelbarer Nähe des Anschlusses der Zuführleitung (9) am der Ableitung (5) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, dass die Heizvorrichtung (12) aus einem Rohrabschnitt der Zuführleitung (9) für den Zusatzsauerstoff besteht, der die Brennkammer (1) zumindest teilweise umgibt.
Anordnung nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Leitungen und die Brennkammer aus Quarzglas bestehen.