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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fallen zum Entfernen von
Reaktanten aus Reaktionskammerausflüssen und insbesondere auf ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Entfernen von Reaktanten in Ausflüssen einer
Atomlagenabscheidung oder von anderen Prozessen, bevor sie Vakuumpumpen
beschädigen
können.
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Stand der Technik
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Die
Atomlagenabscheidung (ALD, Atomic Layer Deposition) von Dünnschichtmaterialien
in der Halbleiterfertigung wie etwa von Sperrschichtlagen, Lagen
mit hoher Dielektrizitätskonstante
(hohem K) für
Kondensatoren und für
dielektrische Gate-Lagen und dergleichen besitzt zahlreiche Vorteile.
Beispielsweise haben ALD-Prozesse typischerweise einen geringen
Partikelgehalt und verhältnismäßig niedrige
Verarbeitungstemperaturen, außerdem
erzeugt die ALD qualitativ hochwertige Schichten mit gleichmäßigen Schichtdicken,
ferner können
mit ihr Materialien in tiefen Gräben
in den Substratmaterialien abgeschieden werden. Zahlreiche praktische
Probleme bei ihrer Implementierung haben jedoch die Anwendung von
ALD in der kommerziellen Großserienproduktion
von Halbleitervorrichtungen und von anderen Dünnschichtanwendungen verhindert.
Kürzliche
technologische Entwicklungen, die darauf zielten, diese Probleme
zu lösen,
beispielsweise Ventile, die Beschickungsgase genauer steuern können, um die
Abscheidungsraten erhöhen
zu können,
tragen zur Entwicklung von größeren ALD-Prozessen
und -Anlagen bei. Solche größeren ALD-Verwendungen haben
jedoch weitere Probleme offenbart oder zu ihnen geführt, die
gelöst
werden müssen,
damit die ALD für
die Fertigung von Dünnschicht-Halbleitermaterialien
auf großtechnischer
Basis wirtschaftlich brauchbar ist.
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Eines
dieser Probleme besteht darin, dass auf Grund der eigentümlichen
Natur der ALD die Abscheidung einer bestimmten Atomlage zu einer
Zeit mit aufeinander folgenden Strömungen von Reaktanten, die
durch kurze Impulse von Spülgas
getrennt sind, einhergeht. In typischen ALD-Prozessen sind zwei chemische Vorläufer (A
und B) erforderlich, die miteinander reagieren sollen, um die feste
Dünnschicht
auf der Wafer-Oberfläche
(Substratoberfläche)
zu bilden, d. h. abzuscheiden. Dieser Prozess umfasst tatsächlich wenigstens
vier Schritte, um einen Abscheidungszyklus vollständig auszuführen. Zunächst wird
ein Reaktant oder Vorläufer
(A) der ALD-Prozesskammer zugeführt,
um die Bildung einer Einzellage aus A-Molekülen auf der Oberfläche des
Substrats durch physikalische Adsorption zu ermöglichen. Dann wird der Prozesskammer
Spülgas (typischerweise
Inertgas) zugeführt,
um die Vorläufer-A-Moleküle in der
Gasphase zu entfernen, wodurch eine Hauptquelle von Partikeln auf
der Wafer-Oberfläche (Substratoberfläche) beseitigt
wird, weil die chemische Reaktion in der Gasphase oftmals die Hauptquelle
von Partikeln auf der Wafer-Oberfläche ist. Als Nächstes wird
der Vorläufer
B der Prozesskammer zugeführt,
um den Abscheidungsreaktionsprozess zu beginnen. Da sehr wenig reaktive A-Moleküle in der
Gasphase vorhanden sind, wenn überhaupt,
treten chemische Reaktionen wegen der begrenzten Zufuhr des Vorläufers A
hauptsächlich auf
der Oberfläche
des Wafers auf. Schließlich
erfolgt ein weiteres Spülen,
bevor der nächste
Abscheidungszyklus beginnt. Es ist offensichtlich, dass große Mengen
von Reaktantgasen – oftmals
mehr als 80 bis 90 Prozent – in
dem Aus fluss aus der Reaktionskammer ausströmen. Derart große Mengen
von verbliebenen Reaktantgasen in den ALD-Prozessausflüssen können einen starken Verschleiß und eine ernsthafte
Beschädigung
an den Vakuumpumpen hervorrufen, wo verhältnismäßig hohe Temperaturen, die
in der Pumpe entstehen, bewirken, dass sie miteinander reagieren,
um hochgradig abriebstarke Partikel zu bilden. In einigen ALD-Systemen,
beispielsweise jene, die für
die Abscheidung von Aluminiumoxid (Al2O3) aus Trimethylaluminium (Al(CH3)3 und einem Oxidanten verwendet werden, oder
jene, die für die
Abscheidung von Hafniumoxid (HfO2) aus Haffniumchlorid
(HfCl4) und einem Oxidanten verwendet werden,
können
die Vakuumpumpen innerhalb weniger Betriebsstunden oder -tage beschädigt werden, so
dass sie ersetzt werden müssen.
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Es
besteht daher ein sehr großer
Bedarf an neuen Verfahren und Vorrichtungen zum Schützen von
Vakuumpumpen in ALD-Systemen, die vor allem für die einzigartigen Charakteristiken
solcher ALD-Reaktanten und -Prozesse geeignet sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Daher
ist es eine allgemeine Aufgabe dieser Erfindung, Vakuumpumpen in
ALD-Prozess-Systemen zu schützen.
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Eine
spezifischere Aufgabe dieser Erfindung ist es, zu verhindern, dass
ALD-Vorläufer-Reaktanten
in Ausflüssen
sowohl von ALD-CVD-Prozesskammern als auch von einigen herkömmlichen CVD-Prozesskammern,
die nicht reagiert haben, die Vakuumpumpen erreichen.
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Weitere
Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden in der
folgenden Beschreibung beschrieben oder sind in den Ansprüchen angegeben
oder werden dem Fachmann auf dem Gebiet bei einer Untersuchung der
Beschreibung und der Zeichnungen oder bei der Ausführung oder
Verwendung der Erfindung deutlich.
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Um
die oben genannten und andere Aufgaben zu lösen, umfasst die Erfindung
unter anderem ein Verfahren zum Schützen einer Vakuumpumpe in einem
CVD-System, das ein ALD-CVD-System enthält, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein,
vor Reaktanten im Ausfluss des CVD-Systems. Das Verfahren umfasst
unter anderem das Erhitzen einer Reaktionselements, das ein Geflecht
(mesh) in einer evakuierten sekundären Reaktionskammer aufweist, die
in einer vorvakuumseitigen Leitung bzw. Saugleitung zwischen der
primären
oder Haupt-CVD-Reaktionskammer und der Vakuumpumpe angeordnet ist, auf
eine Temperatur, die an die Reaktion der CVD-Reaktanten angepasst
ist, und das Strömenlassen
des Ausflusses durch das Geflecht in dem erhitzten Reaktionselement,
damit die CVD-Reaktanten an dem Geflecht reagieren, wodurch die
Reaktanten aufgebraucht werden. Weitere neue Merkmale und Einzelheiten
des Verfahrens werden im Folgenden beschrieben.
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Die
Erfindung umfasst außerdem
eine heiße Reaktorfallenvorrichtung,
um die CVD-Vorläufer-Reaktantgase
reagieren zu lassen und aus dem Ausfluss zu entfernen, bevor sie
die Vakuumpumpe erreichen. Eine solche Vorrichtung kann eine sekundäre Reaktionskammer,
ein Reaktorelement und ein Heizelement umfassen. Die sekundäre Reaktionskammer besitzt
einen Einlass und einen Auslass und ist so beschaffen, dass sie
in der Saugleitung zwischen der Haupt-CVD-Reaktionskammer und der Vakuumpumpe
angeordnet werden kann, so dass der Ausfluss durch die sekundäre Reaktionskammer
strömt,
bevor er die Vakuumpumpe erreicht. Das Reaktorelement umfasst ein
Geflecht mit mehreren Mikrooberflächen, das in der sekundären Reaktionskammer
zwischen dem Einlass und dem Auslass positioniert ist, so dass die
Ausflussströmung
durch das Geflecht strömt.
Das Heizelement ist ebenfalls in der sekundären Reaktionskammer positioniert,
um die sekundäre
Reaktionskammer und das Reaktorelement auf die gewünschte Solltemperatur
zu erhitzen. Mehrere Ablenkeinrichtungen in der zweiten Reaktionskammer definieren
einen gekrümmten
Strömungsweg
für den Ausfluss,
um die Verweildauer des Ausflusses in der sekundären Reaktionskammer und in
dem Geflecht zu verlängern,
damit eine vollständige
Durchmischung der Reaktantgase und ein ausreichender Kontakt der
Reaktantgase mit den heißen
Geflecht-Mikrooberflächen
gewährleistet
sind, damit die Reaktanten reagieren, um sie dadurch aus dem Ausfluss
zu entfernen. Weitere neue Merkmale und Einzelheiten der Vorrichtung
dieser Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die zu der Beschreibung gehören und einen Teil hiervon
bilden, veranschaulichen bevorzugte, jedoch nicht die einzigen,
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung
dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen sind:
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1 eine
schematische Darstellung eines ALD-Systems, das mit einer beispielhaften
heißen Reaktorfalle
gemäß dieser
Erfindung für
den ALD-Ausfluss ausgerüstet
ist;
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2 ein
Seitenaufriss der beispielhaften heißen Reaktorfalle dieser Erfindung;
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3 eine
Draufsicht der beispielhaften heißen Reaktorfalle dieser Erfindung;
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4 eine
perspektivische Ansicht des Heizeinrichtungskerns der beispielhaften
heißen
Reaktorfalle dieser Erfindung;
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5 eine
perspektivische Ansicht des Gehäuses
der beispielhaften heißen
Reaktorfalle dieser Erfindung; und
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6 eine
Querschnittsansicht der beispielhaften heißen Reaktorfalle dieser Erfindung
längs der
Schnittlinie 6-6 in 3.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist
schematisch eine beispielhafte heiße Reaktorfalle 10 gemäß dieser
Erfindung gezeigt, die in der Saugleitung 12 eines Atomlagenabscheidungs-Systems
(ALD-Systems) angebracht
ist, um zu verhindern, dass ALD-Reaktanten
A und B in den Ausfluss von der ALD-Prozess-Reaktionskammer 14 die Vakuumpumpe 16 erreichen
und beschädigen.
In einem typischen ALD-Prozess-System mit chemischer Abscheidung
aus der Dampfphase (ALD-CVD-Prozess-System),
das verwendet wird, um eine Dünnschichtlage 18 beispielsweise
aus Al2O3 oder HfO2 oder einem anderen Material mit hoher Dielektrizitätskonstante
K auf einem Substrat 20 abzuscheiden, wird die Reaktionskammer 14 mit
einer Vakuumpumpe 16, die mit der Reaktionskammer 14 über eine
Saugleitung (die manchmal auch Pumpleitung 12 genannt wird)
verbunden ist, evakuiert, außerdem
werden die Reaktionskammer 14 und/oder das Substrat 20 erhitzt,
um eine gewünschte
Oberflächentemperatur
des Substrats 20 zu erhalten, die gewünschte Reaktionen der Vorläuferreaktanten
A und B auf der Oberfläche
des Substrats 20 fördert,
um die gewünschte
Dünnschichtlage 18 auf
dem Substrat 20 aufzubauen. Dann bewegen sich aufeinander
folgende Strömungen
der einzelnen Vorläuferreaktan ten
A bzw. B, die durch Impulse aus einem Inertspülgas P getrennt sind, durch
die ALD-Reaktionskammer 14. Es werden ALD-Ventile 22, 24, 26 verwendet,
um die aufeinander folgenden Strömungen
des Reaktanten A, des Spülgases
P bzw. des Reaktanten B zu beginnen und anzuhalten, um die aufeinander folgenden
Strömungen
jener Gase zu erzeugen, wie dem Fachmann auf dem Gebiet wohl bekannt
ist.
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Beispielsweise
können
ein erster Vorläuferreaktant
A aus Trimethylaluminium Al(CH3)3 und ein zweiter Vorläuferreaktant B aus einem Oxidanten
wie etwa Sauerstoff (O2), Ozon (O3) oder Wasserdampf (H2O)
verwendet werden, um eine Dünnschichtlage 18 aus
Aluminiumoxid (Al2O3)
auf einem Substrat 20 abzuscheiden. In einem solchen Prozess
wird die Reaktionskammer 14 auf einen Basisdruck von weniger
als 10–3 Torr
evakuiert und auf etwa 300 bis 400 °C erhitzt. Dann ergibt die erste
Strömung
von Al(CH3)3, dass
Al(CH3)3 entweder
auf der Oberfläche des
Substrats 18 adsorbiert wird oder mit den verfügbaren Sauerstoff-
oder Hydroxylstellen (OH-Stellen) auf der Oberfläche des Substrats 20 reagiert.
Dann wird Al(CH3)3 aus
der Reaktionskammer 14 mit einem Inertspülgas P wie
etwa Stickstoff oder Helium gespült,
gefolgt von einer Strömung
des Oxidanten, z. B. O2, O3 oder
H2O, der mit Al(CH3)3 reagiert, um eine Atomlage aus Al2O3 auf dem Substrat 20 zu
erzeugen und als Nebenprodukt beispielsweise Methan (CH4), das
ein Gas ist, das als Teil des Ausflusses aus der Reaktionskammer 14 strömt, zu erzeugen.
Der Oxidant B wird anschließend
aus der Reaktionskammer 14 durch eine weitere Strömung des
Spülgases
P gespült.
Wiederholte aufeinander folgende Zyklen der aufeinander folgenden
Strömungen
des ersten Reaktanten A, z. B. Al(CH3)3, des Spülgases
P, des zweiten Reaktanten B, z. B. O2, O3 oder H2O, und des Spülgases P
ergeben den Aufbau der Dünnschichtlage 18 aus
Al2O3, jeweils eine
Atomlage auf einmal.
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In
typischen ALD-CVD-Prozessen wird tatsächlich nur ein kleiner Anteil
der Reaktanten A und B in den Oberflächenreaktionen auf dem Substrat 20 verbraucht,
um die Dünnschichtlage 18 auf
dem Substrat 20 aufzubauen, so dass große Anteile, die typischerweise
mehr als 80 bis 90 Prozent der Reaktanten A und B ausmachen, zusammen
mit dem Ausfluss aus der Reaktionskammer in die Saugleitung 12 strömen, ohne
irgendeine chemische Reaktion erfahren zu haben. Da die aufeinander
folgenden Strömungen
der Reaktanten A und B verschieden sind und durch Impulse aus Spülgas P getrennt
sind, sind ihre jeweiligen Strömungen
in dem Ausfluss durch die Saugleitung 12 ebenfalls voneinander
verschieden und getrennt, wie in 1 schematisch
angegeben ist. Wenn die Reaktanten A und B in der Saugleitung 12 und
in dem gesamten Weg durch die Vakuumpumpe 16 voneinander
getrennt gehalten werden könnten,
würden
sie die Vakuumpumpe 16 nicht beschädigen. Wenn sie sich jedoch
durch die Saugleitung 12 vorwärts bewegen, vermischen sich
die Gase und die verschiedenen Impulse aus A-P-B-P-A-P-B usw., verschmieren
und verschwinden schließlich
auf Grund der Diffusion ineinander der Gase in der Saugleitung,
so dass sich die Reaktanten A und B miteinander vermischen. Daher
reagieren sie bei den hohen Temperaturen der Vakuumpumpe 16,
um harte, hochgradig abriebstarke Partikel zu erzeugen, die einen
extremen Verschleiß und
eine Beschädigung
der Vakuumpumpe 16 hervorrufen. Beispielsweise mischen
sich in dem oben beschriebenen AL2O3-ALD-Prozess der Al(CH3)3- und der Oxidant-Reaktant miteinander und
reagieren bei den verhältnismäßig hohen
Temperaturen, die durch die Vakuumpumpe erzeugt werden, um hauptsächlich feste
Al(OH)3-Partikel (Aluminiumhydroxid-Partikel) und
einige Al2O3-Partikel
(Aluminiumoxid-Partikel) zu erzeugen, die eine sehr abriebstarke
Wirkung haben. Höhere
Temperaturen etwa im Bereich von 300 bis 400 °C der Haupt-ALD-Reaktionskammer 14 führen dazu,
dass die Al2O3-Produktion
begünstigt
wird, während
etwas niedrigere Temperaturen, z. B. 200 bis 300 °C dazu führen, dass
sich eine stärkere Al(OH)3-Produktion
ergibt. Da die Mengen der Reaktanten A und B in dem ALD-Prozessausfluss
so groß sind,
werden viele abriebstarke Nebenprodukte erzeugt, die Vakuumpumpen
innerhalb weniger Betriebsstunden oder -tage ernsthaft beschädigen und zerstören können und
dies auch typischerweise tun.
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Gemäß dieser
Erfindung ist daher die heiße Reaktorfalle 10 in
der Saugleitung 12 zwischen der ALD-Reaktionskammer 14 und
der Vakuumpumpe 16 positioniert, um die Reaktanten A und
B auf adsorbierenden Oberflächen
in einer ausreichend heißen Umgebung
einzufangen, um Reaktionen von A und B zu begünstigen, um abriebstarke Nebenprodukte dort
zu erzeugen, wo sie eingefangen und aus der Ausflussgasströmung effektiv
entfernt werden können,
bevor sie die Vakuumpumpe 16 erreichen. Einzelheiten einer
beispielhaften heißen
Reaktorfalle 10 mit diesem Zweck sind in den 2 bis 6 gezeigt.
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Die
heiße
Reaktorfalle 10 besitzt ein Gehäuse 30, das vorzugsweise
zylindrisch ist und eine sekundäre
Reaktionskammer 31 umschließt, die ein zu öffnendes
oberes Ende 32 besitzt, um eine Heizanordnung 34 und
ein entnehmbares und wegwerfbares Reaktorelement 36 mit
hohem Flächeninhalt,
das vorzugsweise ein Geflecht 38 aus adsorbierendem Material
wie etwa Edelstahl, Kupfer oder ein anderes Material, das der Hochtemperaturumgebung
der heißen
Reaktorfalle 10 widerstehen kann, aufweist, aufzunehmen.
Das Reaktorelement 36 hat, wie am besten in den 4 und 6 gezeigt
ist, eine zylindrische Form, wobei das Geflecht 38 durch
eine poröse zylindrische
Platte 40 aus einem Material unterstützt ist, das den hohen Temperaturen
in der heißen
Reaktorfalle 10, etwa 200 bis 500 °C, widerstehen kann. Beispielsweise
kann die poröse
Platte 40 Edelstahl, Kupfer oder ein anderes Material,
das der Hochtemperaturumgebung der heißen Reaktorfalle 10 widerstehen
kann, sein. In den 4 und 6 ist nur etwa
die Hälfte
des zylindrischen Reaktorelements 36 gezeigt, um die Heizelemente 42, 44, 46, 48 der Heizanordnung 34 erkennbar
zu machen, der Fachmann auf dem Gebiet kann jedoch anhand dieser Darstellung
die vollständige
zylindrische Ausführungsform
verstehen, die vorzugsweise aus der Heizanordnung 34 einfach
entnehmbar und wegwerfbar ist, so dass sie nach Bedarf durch ein
neues Reaktorelement 36 ersetzt werden kann.
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Die
Heizanordnung 34 besitzt ein oder mehrere Heizelemente
wie etwa die Heizelemente 42, 44, 46, 48,
die in einem Becher 50 angebracht sind, der an einer Abdeckplatte 52 befestigt
ist und vorzugsweise einteilig hiermit ausgebildet ist, so dass
die einteilige Kombination aus der Abdeckplatte 52 und
dem Becher 50 das obere Ende des Gehäuses 30 umschließt, wenn
die Heizanordnung in das Gehäuse 30 eingesetzt
ist, um die Vakuumdichtigkeit der sekundären Reaktionskammer 31 in
der Falle 10 aufrecht zu erhalten. Mehrere innere Ablenkplatten
wie etwa die obere, die mittlere und die untere Ablenkplatte 54, 56 bzw. 58,
die in Längsrichtung
voneinander beabstandet an den Heizelementen 42, 44, 46, 48 befestigt
sind, schaffen die doppelten Funktionen des Stabilisierens oder
des Schaffens einer strukturellen Unterstützung und Steifigkeit der länglichen
Heizelemente 42, 44, 46, 48 und
des Lenkens der Strömung des
ALD-Ausflusses auf einem gekrümmten
Weg durch die sekundäre
Reaktionskammer 31, wie später beschrieben wird. Die obere
innere Ablenkplatte 54 erstreckt sich vorzugsweise radial
ausreichend weit nach außen,
um am oberen Ende des zylindrischen Reaktorelements 36 anzuliegen
und es zu umschließen,
während
sich die mittlere und die untere innere Ablenkplatte 56 bzw. 58 radial
in einen Kontakt mit der inneren Oberfläche des Reaktorelements 36 erstrecken.
Wenn die Heizanordnung 34 aus dem Gehäuse 30 entfernt wird,
kann das Reaktorelement 36 leicht entnommen werden, indem
es in Längsrichtung
von der Heizanordnung 34 gleitet, so dass es durch ein
neues Reaktorelement 36 ersetzt werden kann.
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Ein
Einlass 60, der quer zu der Längsachse 21 der Falle 10 orientiert
ist, ist in der Seite des Gehäuses 30 vorgesehen
und ausgelegt, um eine Verbindung mit der Saugleitung 12 herzustellen,
wie in 1 gezeigt ist, außerdem ist im unteren Ende 64 des
Gehäuses 30 ein
Auslass 62, der zu der Längsachse 21 parallel
ist, vorgesehen und ausgelegt, um eine Verbindung mit einer Verlängerung 12' der Saugleitung
zu schaffen, die mit der Vakuumpumpe 16 verbunden ist (1).
Wie am besten aus 6 hervorgeht, besitzt das Gehäuse 30 außerdem mehrere
ringförmige äußere Ablenkplatten
oder -ringe 66, 68, die sich von der inneren Oberfläche 33 des
Gehäuses 30 radial
einwärts
zu dem Reaktorelement 36 erstrecken, um ebenfalls dazu
beizutragen, die ALD-Ausflussströmung
auf dem gekrümmten
Weg durch die sekundäre
Reaktionskammer 31 zu führen.
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Wenn
nun in erster Linie auf 6 und in zweiter Linie auf 4 Bezug
genommen wird, ist ersichtlich, dass die Heizelemente 42, 44, 46, 48 (wovon
in 6 zwei gezeigt sind) die sekundäre Reaktionskammer 31 und
das Geflecht 38 auf die gewünschte Temperatur, gewöhnlich in
einem Bereich von 200 bis 500 °C,
erhitzen, damit die Reaktanten A und B auf den vielen Mikrooberflächen des
Geflechts 38 reagieren. Der ALD-Ausfluss aus der ALD-Reaktionskammer 14 und
der Saugleitung 16 (1), der die
Reaktanten A und B enthält,
strömt
durch den Einlass 60 in die sekundäre Reaktionskammer 31, die
durch die heiße
Reaktorfalle 10 gebildet wird, wie durch den Strö mungspfeil 70 angegeben
ist. In der sekundären
Reaktionskammer 31 verteilt sich die ALD-Ausflussströmung um
das Reaktionselement 36, wie durch die Strömungspfeile 72, 74 angegeben ist,
und strömt
dann durch das Reaktionselement 36, wie durch die Pfeile 76, 78 angegeben
ist. Die obere, äußere Ablenkplatte
oder der obere, äußere Ablenkring 66 verhindert
eine Abwärtsströmung durch
den Ringraum um das Reaktionselement 36, während die obere
innere Ablenkplatte 54 verhindert, dass der ALD-Ausfluss
in das Reaktionselement 36 strömt, ohne sich durch das Geflecht 30 zu
bewegen.
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In
dem Reaktionselement 36 ist die Strömung anfangs im Allgemeinen
axial nach unten gerichtet, die mittlere innere Ablenkplatte 56 lenkt
jedoch die ALD-Ausflussströmung radial
nach außen und
dann durch das Geflecht 38 des Reaktionselements 36 in
den Mittelabschnitt des Ringraums der sekundären Reaktionskammer 31 zwischen
den äußeren Ablenkringen 66, 68,
wie durch die Strömungspfeile 80, 82 angegeben
ist. Der untere äußere Ablenkring 68 lenkt
dann die ALD-Ausflussströmung
radial nach innen und erneut durch das Geflecht 38, wie
durch die Strömungspfeile 84, 86 angegeben
ist, um dann wiederum im Allgemeinen axial nach unten zu strömen, woraufhin
die untere innere Ablenkplatte die Strömung radial nach außen und
wieder durch das Geflecht 38 lenkt, wie durch die Strömungspfeile 88, 90 angegeben
ist.
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Selbstverständlich könnten mehr
Ablenkelemente und eine größere Reaktorelementlänge verwendet
werden, um mehr Durchläufe
des ALD-Ausflusses durch das Geflecht 38 des Reaktorelements 36 zu
schaffen, alternativ könnten
weniger Ablenkelemente und weniger Durchläufe durch das Geflecht 36 verwendet
werden. Die vier Durchläufe
durch das Geflecht 38 wie in 6 gezeigt
und oben beschrieben reichen jedoch für viele Anwendungen aus. Nach dem letzten
Durchlauf durch das Geflecht 38 setzt die Ausflusströmung, wie
durch die Strömungspfeile 92, 94 angegeben,
ihren Weg zu dem Auslass 62 fort, von wo sie durch die
Saugleitungsverlängerung 12' zur Vakuumpumpe 16 strömt (1).
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Die
Strömung
der ALD-Reaktanten A und B zusammen mit dem ALD-Ausfluss durch das
heiße Geflecht 38 des
Reaktorelements 36 bewirkt, wie oben beschrieben worden
ist, Reaktionen von A und B an den vielen heißen Mikrooberflächen des
Geflechts 38, um die A- und B-Reaktionsprodukte auf den
Mikrooberflächen
des Geflechts 38 wirksam abzuscheiden. Im Unterschied zu
dem verhältnismäßig kleinen
Flächeninhalt
des Substrats 20 in der Haupt-ALD-Reaktionskammer 14 (1),
wo typischerweise weniger als etwa 10 bis 20 Prozent der Reaktanten
A und B reagieren und zurückgehalten werden,
wie oben erläutert
worden ist, bewirkt jedoch der verhältnismäßig große kumulative Flächeninhalt, der
durch die vielen Mikrooberflächen
des Geflechts 38 in dem Reaktionselement 36 gebildet
wird, dass im Wesentlichen alle restlichen Reaktanten A und B reagieren
und zurückgehalten
werden, so dass sie die Vakuumpumpe 16 nicht erreichen.
In einer beispielhaften ALD-Abscheidung von Al2O3 auf dem Substrat 20, wie oben
beschrieben worden ist, hat die Aufrechterhaltung einer Temperatur
von etwa 200 bis 300 °C
in der sekundären
Reaktionskammer 31 eine Reaktion von Al(CH3)3 zur Folge, wobei die Oxidant-Reaktanten
die Vakuumpumpe erreichen, um dort zu reagieren.
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Wie
oben beschrieben, kann das Geflecht 38 beispielsweise Edelstahl,
Kupfer oder ein anderes Material sein, das den hohen Temperaturen
in der sekundären
Reaktionskammer 31 widersteht, wobei die Mikrooberflächen-Dichte
in einem Bereich von etwa 2 Zoll2/Zoll3 bis 15 Zoll2/Zoll3 und vorzugsweise bei etwa 8 Zoll2/Zoll3 liegt, wobei Zoll2/Zoll3 der kumulative
Mikrooberflächeninhalt
ist, ausgedrückt
in Quadratzoll in einem Geflechtvolumen, das durch Kubikzoll ausgedrückt ist,
wobei das Geflecht 38 vorzugsweise eine Dicke von wenigstens
0,25 Zoll besitzt. Diese Mikrooberflächen-Dichten und Dickenparameter
werden bevorzugt, damit das Geflecht eine turbulente Strömung der
Reaktanten A und B sehr nahe bei den Mikrooberflächen des Geflechts erzeugt,
um sowohl die Gasphasenreaktionen als auch die Oberflächenreaktionen
der Reaktantgase A und B zu fördern.
Eine derart verlängerte
Verweildauer und die Turbulenzen der Reaktanten A und B sind für die ALD-Prozessausflüsse besonders
wichtig, um sicherzustellen, dass alle aufeinander folgenden Reaktantgasströmungen,
die durch Inertgas-Impulse getrennt sind, vollständig vermischt werden, miteinander
reagieren und aus dem Ausfluss in der sekundären Reaktionskammer 31 entfernt
werden, bevor die verbleibenden Ausflussströmungen die Vakuumpumpe 16 erreichen.
Die Heizelemente 42, 44, 46, 48 können auf
irgendeine Weise, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist, hergestellt
sein, die Firerod®-Kassetten, die von Watlow Electric Manufacturing
Company aus St. Louis, Missouri, erhältlich sind, sind jedoch für diese
Anwendung besonders gut geeignet. Diese Heizelemente 42, 44, 46, 48 sind
vorzugsweise einstellbar, um unterschiedliche Solltemperaturen in
der sekundären
Reaktionskammer 31 zu schaffen, um die Betriebstemperatur
zu optimieren, damit die erforderlichen Reaktionen erzielt werden. Die
elektrischen Drähte 96 für die Versorgung
dieser Heizelemente können
durch eine Durchführungsdichtung 97 in
einer oberen Verschlussplatte 98 auf der Abdeckplatte 52 geführt werden,
wie in den 2, 3 und 6 gezeigt
ist. Die Abdeckplatte 52 mit der Heizanordnung 34 kann
an dem Gehäuse 30 auf
herkömmliche
Weise angebracht sein, um eine Vakuumdichtung zu schaffen, etwa
mit der Ringdichtung 102 und mit Klemmen 104,
wie dem Fachmann auf dem Gebiet wohl bekannt ist.
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Vorzugsweise
ist das Gehäuse
30 von
einer Isolation oder, falls gewünscht,
von einem isolierten Heizmantel wie etwa dem in den
2 und
6 gezeigten
isolierten Heizmantel
100 umgeben, um zu der Aufrechterhaltung
der gewünschten
Temperatur in der heißen
Reaktorfalle
10 beizutragen. Solche Heizmäntel
100 sind
auf dem Gebiet wohl bekannt, beispielsweise jene, die im
US-Patent Nr. 5.714.738 beschrieben
sind und von B. Hauschulz und D. Hilton erfunden wurden. Im Allgemeinen
ist der Heizmantel
100 nicht erforderlich und ist ein Isolationsmantel ausreichend.
Für reaktive
Chemikalien, die höhere Temperaturen
erfordern, um die chemische Reaktion in der sekundären Reaktionskammer
31 wie
oben beschrieben zu unterstützen,
kann jedoch die Verwendung eines solchen Heizmantels
100 hilfreich
sein. Der Isolationsmantel kann außerdem dazu beitragen, die
Außenoberflächentemperatur
der Falle
10 auf einer niedrigeren Temperatur zu halten,
um zur Vermeidung von Hautverbrennungen von Personen, die an der
heißen
Reaktorfalle
10 oder in deren Nähe arbeiten, beizutragen.
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Die
Verwendung der heißen
Reaktorfalle 10 dieser Erfindung zum Reagierenlassen und
Entfernen von Reaktanten im Ausfluss von Ausflüssen einer chemischen Abscheidung
aus der Dampfphase (CVD-Ausflüssen)
ist nicht auf ALD-Prozesse
beschränkt,
sondern hat auch Anwendungen in einigen anderen CVD-Prozessen. Beispielsweise
ist in herkömmlichen
Einzelwafer-CVD-Prozessen, d. h. Einzelsubstrat-CVD-Prozessen, in
die Prozessschritte oftmals ein reaktiver Reinigungsschritt vor
Ort, der eine Ätzreaktion
verwendet, integriert, um die wirksame Reinigung der Prozesskammer
zu gewährleisten. Unglücklicherweise
kann die potentielle chemische Querreaktion zwischen Restgasen im
CVD-Ausfluss und den Nebenprodukten des Reinigungsschrittes vor
Ort manchmal feste, abriebstarke Nebenpro dukte in der Vakuumpumpe
bilden, was einen vorzeitigen Ausfall der Vakuumpumpe bewirkt. Dieses
nachteilige Phänomen
tritt insbesondere auf, wenn ein zu Verklumpungen neigendes Gas
wie etwa Ammoniak (NH3) und Wasserdampf
(H2O) verwendet wird. Beispielsweise haben
Ammoniak und Wasser oftmals relativ lange Verweildauern in der Vakuumpumpen-Saugleitung,
da die Adsorptionsrate an der Oberfläche der Saugleitung hoch ist.
Ein typischer beispielhafter CVD-Prozess, in dem dieses Phänomen auftritt,
ist die plasmaverstärkte
chemische Abscheidung aus der Dampfphase (PECVD) von Siliciumnitrid
(Si3N4), wobei Silan
(SiH4) und Ammoniak (NH3)
für die
Abscheidung von Siliciumnitrid verwendet werden und entweder Stickstofffluorid
(NiF3) oder Kohlenstoffhexafluorid (C2F6) für die Reinigung
vor Ort verwendet wird, wobei in den vorzeitig verschlissenen Vakuumpumpen
oftmals festes (NH4)2SiF6 gefunden wird. Die heiße Reaktorfalle 10,
die gemäß dieser
Erfindung verwendet wird, kann dieses Problem lösen.
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Im
Allgemeinen dient ein bevorzugter Entwurf der heißen Reaktorfalle
dazu: (i) eine (einstellbare) hohe Temperatur in der sekundären Reaktionskammer 31 zu
schaffen, die die chemische Reaktion zwischen den nicht reagierten
Vorläufer-Reaktantgasen
A und B initialisieren und aufrecht erhalten kann; (ii) eine ausreichend
lange Aufenthalts- oder Verweildauer für die Reaktantgase A und B
in der sekundären
Reaktionskammer 31 zu schaffen, damit im Wesentlichen alle
Reaktanten in dem Ausfluss reagieren, was eine Funktion der Strömungsweglänge sowie
des verfügbaren
Adsorptions- und Reaktionsflächeninhalts
ist; (iii) die Turbulenz in der Gasphase der Reaktanten A und B
in der Nähe
der heißen
Reaktionsoberflächen
oder Mikrooberflächen,
die durch das Geflecht 38 geschaffen werden, zu erhöhen, um sowohl
die Gasphasen- als auch die Oberflächenreaktionen zu steigern;
(iv) einen kostengünstigen Reaktionsträger, d.
h. das Geflecht, zu schaffen, so dass er weggeworfen werden kann;
und (v) eine niedrige Außenoberflächentemperatur
an der Falle 10 aufrecht zu erhalten, um sie sicher handhaben
zu können
und die Wahrscheinlichkeit von Hautverbrennungen minimal zu machen.
Die spezifischen Größen der
sekundären
Reaktionskammer 31, des Reaktorelements 36 und
die Anzahl und die Anordnung der inneren und äußeren Ablenkelemente hängen von
der Menge und der Durchflussrate des besonderen CVD-Ausflusses aus einem
bestimmten CVD-Prozess, davon, ob es sich um einen ALD-CVD-Prozess handelt,
und von der Flüchtigkeit
und von dem Reaktionsvermögen
der besonderen verwendeten Reaktanten ab, wobei sie empirisch und/oder
durch Berechnungen durch den Fachmann auf dem Gebiet bestimmt werden
können,
um das gewünschte
Ergebnis des Vermischens und Reagierenlassens im Wesentlichen aller
Reaktanten und dadurch die Entfernung der Reaktanten aus dem Ausfluss
zu erzielen, sobald die Prinzipien dieser Erfindung verstanden worden
sind. "Im Wesentlichen
alle", wie hier
verwendet, hat die Bedeutung einer zumindest ausreichenden Verringerung
des Vakuumpumpen-Verschleißes,
um die Ausgaben der Installation, des Betriebs und der Wartung der
heißen
Reaktorfalle 10 in dem CVD-System zu rechtfertigen, und
vorzugsweise die Bedeutung einer Verringerung, die ausreicht, damit
die Vakuumpumpen für
Dauern betrieben werden können,
die als vernünftig
konsistent mit normalen Verwendungen von Vakuumpumpen bei vernünftigem
normalem Verschleiß angesehen
werden können.
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Da
diese und zahlreiche andere Abwandlungen und Kombinationen des oben
beschriebenen Verfahrens und der Ausführungsformen dem Fachmann auf
dem Gebiet ohne Weiteres deutlich sein werden, ist nicht beabsichtigt,
die Erfindung auf die genaue Konstruktion und den genauen Prozess,
wie sie hier gezeigt und beschrieben worden sind, einzuschränken. Daher
können
alle geeigneten Abwandlungen und Äquivalente in Betracht gezogen
werden, die in den Umfang der Erfindung fallen, der durch die folgenden
Ansprüche
definiert ist. Die Wörter "umfassen", "umfasst", "umfassend" "besitzen", "besitzend", "enthalten" "enthaltend" und "enthält", wenn sie in dieser
Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen verwendet werden, sollen
das Vorhandensein der angegebenen Merkmale oder Schritte angeben, sie
schließen
jedoch das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer weiterer
Merkmale, Schritte oder Gruppen hiervon nicht aus.
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Zusammenfassung
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Eine
sekundäre
Reaktionskammer (31) mit einem Geflecht-Reaktorelement (38) und einer
Heizanordnung (34) sind in einer Saugleitung (12)
zwischen einer CVD-Reaktionskammer (14) und einer Vakuumpumpe
(16) angeordnet, um alle Vorläuferreaktanten, die vorher
nicht reagiert haben, zu mischen und reagieren zu lassen, um sie
aus dem Ausfluss zu entfernen, bevor sie die Vakuumpumpe erreichen und
beschädigen
können.