DE112006001323T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Verhindern der Beschädigung von Vakuumpumpen durch ALD-Reaktanten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verhindern der Beschädigung von Vakuumpumpen durch ALD-Reaktanten Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Schützen einer Vakuumpumpe in einem System zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD-System) vor CVD-Reaktanten im Ausfluss einer CVD-Abscheidung, die in einer evakuierten primären CVD-Reaktionskammer in dem System erfolgt, das umfasst:
Erhitzen eines Reaktionselements, das ein Geflecht in einer sekundären Reaktionskammer aufweist, die in einer Saugleitung zwischen der primären CVD-Reaktionskammer und der Vakuumpumpe angeordnet ist, auf eine Temperatur, die an für Reaktion der CVD-Reaktanten geeignet ist; und
Bewirken einer Strömung des Ausflusses durch das Geflecht in dem erhitzten Reaktionselement, damit die CVD-Reaktanten an dem Geflecht reagieren und dadurch die Reaktanten in einer Abscheidung eines Reaktionsprodukts der Reaktanten auf dem Geflecht verbraucht werden, wodurch die Reaktanten aus dem Ausfluss wirksam entfernt werden, bevor der Ausfluss die Vakuumpumpe erreicht.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • 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.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Daher ist es eine allgemeine Aufgabe dieser Erfindung, Vakuumpumpen in ALD-Prozess-Systemen zu schützen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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:
  • 1 eine schematische Darstellung eines ALD-Systems, das mit einer beispielhaften heißen Reaktorfalle gemäß dieser Erfindung für den ALD-Ausfluss ausgerüstet ist;
  • 2 ein Seitenaufriss der beispielhaften heißen Reaktorfalle dieser Erfindung;
  • 3 eine Draufsicht der beispielhaften heißen Reaktorfalle dieser Erfindung;
  • 4 eine perspektivische Ansicht des Heizeinrichtungskerns der beispielhaften heißen Reaktorfalle dieser Erfindung;
  • 5 eine perspektivische Ansicht des Gehäuses der beispielhaften heißen Reaktorfalle dieser Erfindung; und
  • 6 eine Querschnittsansicht der beispielhaften heißen Reaktorfalle dieser Erfindung längs der Schnittlinie 6-6 in 3.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • 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.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Schützen einer Vakuumpumpe in einem System zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD-System) vor CVD-Reaktanten im Ausfluss einer CVD-Abscheidung, die in einer evakuierten primären CVD-Reaktionskammer in dem System erfolgt, das umfasst: Erhitzen eines Reaktionselements, das ein Geflecht in einer sekundären Reaktionskammer aufweist, die in einer Saugleitung zwischen der primären CVD-Reaktionskammer und der Vakuumpumpe angeordnet ist, auf eine Temperatur, die an für Reaktion der CVD-Reaktanten geeignet ist; und Bewirken einer Strömung des Ausflusses durch das Geflecht in dem erhitzten Reaktionselement, damit die CVD-Reaktanten an dem Geflecht reagieren und dadurch die Reaktanten in einer Abscheidung eines Reaktionsprodukts der Reaktanten auf dem Geflecht verbraucht werden, wodurch die Reaktanten aus dem Ausfluss wirksam entfernt werden, bevor der Ausfluss die Vakuumpumpe erreicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das das Vorsehen eines Geflechts mit einer Mikrooberflächendichte umfasst, die eine turbulente Strömung der Reaktanten hervorruft, um sowohl die Gasphasen- als auch die Oberflächenreaktionen der Reaktantgase in der sekundären Reaktionskammer zu erhöhen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, das das Erhitzen der sekundären Reaktionskammer und des Reaktionselements auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500 °C umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, das das Bewirken einer Strömung der Reaktantgase in dem Ausfluss durch einen gekrümmten Weg, der die Verweildauer der Reaktantgase in der sekundären Reaktionskammer erhöht, umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die CVD-Reaktanten im Ausfluss von einem ALD-Prozess vorhanden sind, wo sie zunächst aufeinander folgende Strömungen der einzelnen Reaktanten sind, die durch Impulse von Spülgasströmungen getrennt sind, wobei das Geflecht eine ausreichende Turbulenz in großer Nähe zu genügend Mikrooberflächen in ausreichend langen Strömungswegen des Ausflusses in der sekundären Reaktionskammer hervorruft, um im Wesentlichen alle einzelnen Reaktanten miteinander zu vermischen und um im Wesentlichen alle Reaktanten in der zweiten Reaktionskammer miteinander reagieren zu lassen und um sie dadurch aus der Ausflussströmung zu entfernen, bevor sie diese die Vakuumpumpe erreicht.
  6. Heiße Reaktorfallenvorrichtung zum Reagierenlassen und Entfernen von CVD-Vorläufer-Reaktantgasen aus einem CVD-Reaktionskammer-Ausfluss in einer Vakuumsaugleitung, die eine Vakuumpumpe mit der CVD-Reaktionskammer verbindet, bevor die Reaktanten die Vakuumpumpe erreichen, mit: einer sekundären Reaktionskammer mit einem Einlass und einem Auslass, die in der Saugleitung zwischen der CVD-Reaktionskammer und der Vakuumpumpe angeordnet ist; einem Reaktorelement, das ein Geflecht aufweist, das mehrere Mikrooberflächen besitzt, und in der sekundären Reaktionskammer zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist; und einem Heizelement, das in der sekundären Reaktionskammer angeordnet ist, um die sekundäre Reaktionskammer und das Reaktorelement auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen, die eine Reaktion der Reaktanten an den Mikrooberflächen initiiert und aufrechterhält.
  7. Heiße Reaktorfallenvorrichtung nach Anspruch 6, mit mehreren Ablenkelementen, die in der sekundären Reaktionskammer zwischen dem Einlass und dem Auslass voneinander beabstandet angeordnet sind, um den Ausfluss auf einem gekrümmten Weg durch die zweite Reaktionskammer zu lenken.
  8. Heiße Reaktorfallenvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Reaktorelement eine zylindrische Form hat und um das Heizelement angeordnet ist.
  9. Heiße Reaktorfallenvorrichtung nach Anspruch 8, die innere Ablenkelemente, die in dem Reaktorelement angeordnet sind, und äußere Ablenkelemente, die um die Außenseite des Reaktorelements an relativen Positionen angeordnet sind, um den Ausfluss auf dem gekrümmten Weg in der Weise zu lenken, dass der Ausfluss zu einem wiederholten Strömen durch das Geflecht des Reaktorelements veranlasst wird.
  10. Heiße Reaktorfallenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Reaktorelement aus der zweiten Reaktionskammer entnehmbar und austauschbar ist.
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