DE19961088C2 - Vorrichtung zum Mischen von Chemikalien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen von Chemikalien gemäß Patentanspruch 1.

Ätzprozesse werden eingesetzt zum Entfernen abgeschiedener Schichten, die freigelegt sind, ohne dass sie mit Fotoresist bedeckt sind. Eine chemische Reaktion oder eine physikalische Reaktion wird zum Entfernen der Schicht während des Ätzprozesses eingesetzt. Nach dem Ätzen wird ein Muster des Fotoresists auf die Schicht übertragen. In einem Prozeß zur Bildung eines MOS oder CMOS-Elements kann die Schicht beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Polysilizium, Metall oder dotiertes Siliziumdioxid, beispielsweise BPSG und BSG enthalten. Diese Materialien, die zur Bildung von Halbleiterelementen eingesetzt werden, werden üblicherweise Abscheidungsprozessen, Fotolithographieprozessen sowie Ätzprozessen unterzogen.

Nassätzen ist die jüngste Technik, die zum Entfernen abgeschiedener Schichten eingesetzt wird. Beim Nassätzen wird eine Lösung als Ätzmittel verwendet, die mit der Schicht reagiert und die Schicht, die reagiert hat, wird in der Lösung aufgelöst. Einer der Vorteile des Nassätzverfahrens ist eine einfache und schnelle Fertigung von Halbleiterelementen.

Um eine BSG-Schicht zu ätzen wird ein Ätzmittel benötigt, das eine hohe Ätzselektivität für BSG hinsichtlich Siliziumdioxid aufweist, um den Effekt der Unterätzung zu vermeiden. Ein Gemisch, das Schwefelsäure und Fluorwasserstoffsäure (HF) enthält, wird als Ätzmittel eingesetzt. Das Mischen von Schwefelsäure und Fluorwasserstoffsäure führt zu einer stark exothermen chemischen Reaktion, so dass die Reihenfolge, in der die einzelnen Komponenten des Ätzmittels zusammengeführt werden und ein sicheres Mischverhältnis einer sorgfältigen Beobachtung unterzogen werden müssen.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer üblichen Mischvorrichtung 10. Die Mischvorrichtung 10 enthält einen Mischbehälter 100, ein erstes Leitungsrohr 102 zum Transportieren von Schwefelsäure, ein zweites Leitungsrohr 104 zum Transportieren von Fluorwasserstoffsäure und Sensoren 106, 108, 110. Die Sensoren enthalten einen ersten Sensor 106, einen zweiten Sensor 108 und einen Alarmsensor 110, die jeweils an einer Seitenwand des Mischbehälters 100 angebracht sind. Der erste Sensor 106 ist unterhalb des zweiten Sensors 108 angeordnet und der Alarmsensor 110 ist über dem zweiten Sensor 108 angeordnet. Wenn der Pegel der Lösung in dem Mischbehälter 100 einen der Sensoren 106, 108, 110 erreicht, werden die entsprechenden Sensoren 106, 108, 110 aktiviert.

Während ein Ätzprozess zum Entfernen von BSG durchgeführt wird, müssen die Schwefelsäure und die Fluorwasserstoffsäure vollständig in dem Mischbehälter 100 gemischt werden. Ein erster Schritt des Mischens besteht darin, dass die Schwefelsäure durch das erste Leitungsrohr 102 in den Mischbehälter 100 befördert wird, solange bis der erste Sensor 106 aktiviert wird. Dann wird eine bestimmte Menge von Fluorwasserstoffsäure durch das zweite Leitungsrohr 104 dem Mischbehälter 100 zugeführt. Schließlich wird wieder Schwefelsäure dem Mischbehälter 100 zugeführt, bis der zweite Sensor 108 aktiviert wird.

Die Reaktion der Schwefelsäure mit der Fluorwasserstoffsäure ist ziemlich stark, so dass die Geschwindigkeit der Zuführung der Fluorwasserstoffsäure zu der Schwefelsäure und die Geschwindigkeit der erneuten Zuführung der Schwefelsäure sehr gering sein muß. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das zweite Leitungsrohr 104 über der Mitte des Mischbehälters 100 angebracht, so dass die dem Mischbehälter 100 zugeführte Fluorwasserstoffsäure sich im wesentlichen in der Mitte des Mischbehälters 100 zentralisieren kann. In dem üblichen Mischbehälter 100 ist kein Flüssigkeitskreislauf vorgesehen. Somit ist das Mischen abhängig von der Diffusion, so dass eine lange Zeitdauer benötigt wird, um ein gründliches Mischen zu erreichen. In den meisten Fällen werden 24 Stunden zum Mischen benötigt. Manchmal ist selbst nach 24 Stunden der Mischvorgang noch nicht vollständig beendet, was zu einer instabilen Ätzrate im Rahmen des Ätzprozesses und zu einer ungleichmäßig geätzten BSG-Schicht führt. Dies zeigt, dass der Ätzprozess schwierig zu steuern ist.

Weiterhin ist anzumerken, dass eine Öffnung zum Zuführen der Chemikalien über dem Alarmsensor 110 positioniert ist und relativ weit von dem Boden des Mischbehälters 100 entfernt ist. Wenn Schwefelsäure oder Fluorwasserstoffsäure dem Mischbehälter zugeführt wird, fließen die Chemikalien entlang der Richtungen, die in Fig. 1 durch Pfeile symbolisiert sind. Somit entsteht ein unkontrolliertes Spritzen der Chemikalien, was zum Bilden einer großen Menge chemischer Dämpfe und eine erhebliche Zerstäubung chemischer Tropfen bedeutet. Die große Menge chemischer Dämpfe und die zerstäubten chemischen Tropfen gelangen leicht auf den Alarmsensor 110, was zu einer Fehlermeldung in der Mischvorrichtung führen kann. Die Fehlermeldung kann weiterhin dazu führen, dass das Zuführen der Chemikalien unterbrochen wird, obwohl der Mischprozess noch nicht beendet worden ist. Der Fehlalarm führt zum Stillstand des Mischprozesses, so dass die für das Mischen benötigte Zeit weiter erhöht wird.

Die DE-AS 11 17 085 beschreibt eine andere Vorrichtung zum Homogenisieren einer flüssigen Mischung, bei der der Flüssigkeitseintritt in den Behälter über ein einziges Zuflussrohr und über konische Düsen des sich daran anschließenden Zuflussrohres bewirkt wird. Die aus den Düsen austretenden Strahlen sind auf ein Ablenkorgan gerichtet, welches die Flüssigkeitsströme richtet. Auch bei dieser Vorrichtung wird ein unkontrolliertes Spritzen erzeugt.

Eine Variante davon wird in der EP 05 70 335 A1 beschrieben, in der eine Vorrichtung zum Beimischen einer schüttbaren Komponente zu einer flüssigen Grundmasse offenbart wird, bei der das Mischgut aus flüssiger Grundmasse und schüttbarer Komponente durch eine Leitung, ein sich daran anschließendes Turbulenzrohr sowie eine am Ende des offenen Turbulenzrohrs angeordnete Prallplatte in den Innenraum der Vorrichtung geleitet wird. Die zugeführte Komponente wird beim Verlassen des Turbulenzrohres durch eine Verengung beschleunigt und durch das Auftreffen auf die Prallplatte in Aufwärtsrichtung abgelenkt.

Die FR 392 809 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung einer Mischung, bei der Komponenten mittels verschiedener Leitungen, die eine einfache Öffnung an ihrem Ende aufweisen, eingebracht werden. Eine Variante wird in der US 3,051,455 beschrieben, in der eine Mischvorrichtung mit einer speziell ausgestalteten Mischdüse offenbart wird, bei der Komponenten mittels durch das jeweilige offene Ende zweier separater Leitungen zugeführt werden und in einem Innenraum durch einen speziellen Schneckenmischer vermischt werden.

In der DE 820 345 C ist eine Düsenstruktur beschrieben, die eine Vielzahl von Seitenwandlöchern umfasst, durch die eine auszugebende Flüssigkeit fließt. Die Löcher können nach Bedarf ganz oder teilweise geschlossen werden, um die Menge der abzugebenden Flüssigkeit zu regulieren. Die abzugebende Flüssigkeit kann eine Mischung sein, welche in einer vor der Düsenstruktur angeordneten Mischkammer durch Einsaugen eines Mischmittels zu einer in der Mischkammer bereits vorhandenen Flüssigkeit hergestellt wird.

Die CH 564 368 A5 beschreibt eine Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten, bei der ein Gas zuführender Körper, z. B. ein hohler Doppelkonus, derart angeordnet ist, dass die Gaszuführöffnungen an der engsten Stelle des durch das verengte Leitrohr und dem Gaszuführkörper gebildeten Ringspalts angeordnet sind. Zwar sind für die Belüftung Öffnungen vorhanden, entscheidend ist für eine wirksame und regulierbare Belüftung jedoch die spezielle Ausgestaltung des Ringspalts sowie die Axialverschiebbarkeit des Trägerrohrs.

Eine Vorrichtung zum Mischen von Chemikalien wird weiterhin in der FR 13 23 327 beschrieben, wobei die Vorrichtung eine Mischkammer enthält, die mit einem ersten und einem zweiten Zuleitungsrohr verbunden ist. Das zweite Zuleitungsrohr weist einen Endabschnitt mit einer Vielzahl von Seitenwandlöchern auf, durch die eine in die Mischkammer zu injizierende Flüssigkeit fließt. Das erste Zuleitungsrohr weist eine Vielzahl von Flügeln auf, die derart angeordnet sind, dass das die in die Mischkammer zugeführte Flüssigkeit einer Drehbewegung unterworfen wird. Durch eine derartige Zuführungsweise wird kann zwar durch Verwirbelung ein effektiver Mischvorgang erreicht werden, aber gleichzeitig wird ein unkontrolliertes Spritzen erzeugt, das weiterhin zur Bildung von chemischen Dämpfen führt.

Ein Rohrsystem zum kontrollierten Zuführen von Chemikalien wird in der DE 88 10 774 U1 beschrieben, in der ein Füllrohrsystem bereitgestellt wird, das in einem Rohrabschnitt endet, der mit wandseitigen Ausnehmungen bereitgestellt ist, um ein Füllgut in einen Aufnahmebehälter zuzuleiten. Dabei wird das Füllgut durch die die Ausnehmungen umgebende Halbkugelschale in Aufwärtsrichtung umgelenkt, wodurch eine Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit erreicht wird. Mittels dieses Füllrohrsystems wird verhindert, dass eine im Behälter befindliche Flüssigkeit aufgewirbelt bzw. mit dem frisch eingefüllten Lagergut durchmischt wird.

Eine andere Vorrichtung zum kontrollierten Zuführen von Füllgut wird in der DE 86 02 879 U1 beschrieben, bei der ein Tauchrohr als ein Endabschnitt einer Füllleitung dient, dessen Mündung von einem Körper mit einer Struktur umgeben ist, die eine in einen Behälter einzufüllende Flüssigkeit auflöst. Durch diese Vorrichtung läßt sich ebenfalls ein Vermischen eines im Behälter befindlichen Füllguts mit frisch eingefülltem Füllgut während des Füllvorgangs verhindern.

Ein Nachteil der beiden vorstehenden Vorrichtungen zum kontrollierten Zuführen von Füllgut, welcher deren Anwendung zur Zuführung von Chemikalien zur Durchführung von chemischen Reaktionen verhindert, ist, dass das frisch eingefüllte Füllgut nicht mit dem im Behälter befindlichen Füllgut gemischt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Mischen von Chemikalien bereitzustellen, mit der die anhand der Fig. 1 beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Zur Lösung wird eine Vorrichtung zum Mischen von Chemikalien gemäß Patentanspruch 1 angegeber. Diese Vorrichtung enthält einen Mischbehälter zur Aufnahme einer ersten Chemikalie und, einer zweiten Chemikalie, Sensoren, die einen ersten Sensor, einen zweiten Sensor und einen dritten Sensor umfassen, die entlang einer Aufwärtsrichtung an dem Mischbehälter aufeinanderfolgend angeordnet sind, ein oberes erstes Leitungsrohr zum Zuführen der ersten Chemikalie, ein oberes zweites Leitungsrohr zum Zuführen der zweiten Chemikalie, ein mittleres Vereinigungs- Leitungsrohr, in welches das erste Leitungsrohr und das zweite Leitungsrohr einmünden, zum Zuführen der Chemikalien in den Mischbehälter, und einen Diffusor, der mit dem Mündungsende des Vereinigungs-Leitungsrohres verbunden ist, um die vermischten Chemikalien aufzunehmen, wobei der Diffusor jeweils eine Vielzahl von Löchern in einer Seitenwand des Diffusors, zum Zuführen der vermischten Chemikalien in den Mischbehälter, und einen Boden aufweist, der sich zwischen dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor befindet.

Die Vorrichtung enthält bevorzugt ein erstes Leitungsrohr zum Transportieren von Schwefelsäure, ein zweites Leitungsrohr zum Transportieren von Fluorwasserstoffsäure und Sensoren zum Erfassen des Pegelstands der zugeführten Chemikalien. Wenn Chemikalien dem Mischbehälter durch den Diffusor zugeführt werden, werden die Chemikalien in kleine Flüssigkeitsströme aufgeteilt. Damit wird das oben beschriebene Phänomen des unkontrollierten Spritzens, wie es in einem üblichen Mischbehälter zu beobachten ist, vermieden. Die chemischen Dämpfe und die Zerstäubung der chemischen Tropfen werden ebenfalls verringert. Somit können fehlerhafte Meldungen des Alarmsensors vermieden werden.

Die dem Mischbehälter über den Diffusor zugeführten Chemikalien werden in kleine Flüssigkeitsströme aufgeteilt. Eine Kontaktfläche zwischen unterschiedlichen Chemikalien ist somit gross, so dass die Chemikalien gleichmäßig gemischt werden. Ferner werden die Chemikalien dem Mischbehälter in der Nähe seines Boden zugeführt. Chemische Dämpfe und Zerstäubung der chemischen Tropfen treten kaum auf, so dass keine fehlerhaften Alarmmeldungen generiert werden.

Weitere Vorteile der Erfindung werden deutlich durch die folgende detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.

Es zeigen

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer üblichen Mischvorrichtung (Stand der Technik),

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Mischvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 3A einen Diffusor der in Fig. 2 gezeigten Mischvorrichtung, und

Fig. 3B eine Querschnittsansicht des in Fig. 3A gezeigten Diffusors.

Fig. 2 zeigt eine Mischvorrichtung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die einen Mischbehälter 200, ein erstes Leitungsrohr 202, ein zweites Leitungsrohr 204, Sensoren 212, 214, 216 und einen Diffuser 208 enthält. Das erste Leitungsrohr 202 wird verwendet zum Transportieren von Schwefelsäure. Das zweite Leitungsrohr 204 wird verwendet zum Transportieren von Fluorwasserstoffsäure. Die Sensoren 212, 214, 216 sind auf der Seitenwand des Mischbehälters 200 angebracht und enthalten einen ersten Sensor 212, einen zweiten Sensor 214 und einen Alarmsensor 216. Wenn ein Pegelstand der Chemikalien innerhalb des Mischbehälters 200 einen der Sensoren 212, 214, 216 erreicht, so werden die entsprechenden Sensoren 212, 214, 216 aktiviert. Der erste Sensor 212 ist unterhalb des zweiten Sensors 214 angeordnet. Der Alarmsensor 216 ist oberhalb des zweiten Sensors 214 angeordnet.

Das erste Leitungsrohr 202 und das zweite Leitungsrohr 204 vereinigen sich in einem Vereinigungs-Leitungsrohr 208 über der Mitte des Mischbehälters 200. Der Diffusor 208 ist zylindrisch ausgestaltet. Ein Ende des Diffusors 208 ist mit einem Ende des Vereinigungs- Leitungsrohrs 208 verbunden. Das andere Ende des Diffusors 208 ist geschlossen. In den Seitenwänden des Diffusors 208 ist eine Vielzahl von Löchern 210 ausgebildet. Wenn Chemikalien transportiert werden, so werden diese dem Mischbehälter 200 durch die Löcher 210 zugeführt.

Fig. 3A zeigt eine perspektivische Ansicht des Diffusors 208 und Fig. 3B eine Querschnittsansicht des Diffusors 208. Ferner ist die Lage der Löcher 210 in den Figuren dargestellt.

Jede Querschnittsebene des Diffusors 208 weist vier Löcher 210 auf, die in äquidistantem Abstand voneinander in den Seitenwänden des Diffusors 208 positioniert sind. Der Boden des Diffusors 208 befindet sich zwischen dem ersten Sensor 212 und dem zweiten Sensor 214.

Die Anzahl der Löcher in jeder Ebene, wie sie oben beschrieben ist, ist beispielhaft zu verstehen. Die Löcher 210 werden verwendet, um voneinander getrennte Flüssigkeitsströme zu erzeugen.

Die dem Mischbehälter 200 zugeführten Flüssigkeitsströme fließen entlang der Pfade, die durch Pfeile in Fig. 2 symbolisiert sind. Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, werden die Chemikalien dem Mischbehälter 200 durch die Löcher 210 zugeführt und weisen somit eine grosse Kontaktoberfläche auf. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiges Mischen der Chemikalien innerhalb einer kurzen Zeitdauer erreicht. Ein gleichmäßiges Gemisch kann eine stabile Ätzrate sowie ein gleichmäßiges Ätzen während des Nassätzprozesses gewährleisten.

Weiterhin befindet sich der Boden des Diffusors 208 zwischen dem ersten Sensor 212 und dem zweiten Sensor 214, so dass eine geringere Menge chemischer Dämpfe gebildet wird, wenn die Chemikalien dem Mischbehälter 200 zugeführt werden.

Bevor ein Nassätzprozess zum Entfernen von BPSG oder BSG durchgeführt wird, wird ein Gemisch produziert, das als Ätzmittel verwendet wird. Das zum Ätzen einer BSG-Schicht verwendete Ätzmittel sollte eine hohe Ätzselektivität für BSG gegenüber Siliziumdioxid aufweisen, damit der Effekt des Unterätzens vermieden wird. Das Gemisch enthält Schwefelsäure und Fluorwasserstoffsäure. Ein erster Schritt zum Bilden den Gemisches besteht darin, dass die Schwefelsäure in den Mischbehälter 200 durch das erste Leitungsrohr 202 und anschließend durch das Vereinigungs-Leitungsrohr 206 injiziert wird, solange bis der erste Sensor 212 aktiviert wird. Anschließend wird eine bestimmte Menge von Fluorwasserstoffsäure dem Mischbehälter 200 durch das zweite Leitungsrohr 204 und das Vereinigungs-Leitungsrohr 206 zugeführt. Anschließend wird wiederum Schwefelsäure dem Mischbehälter 200 solange zugeführt, bis der zweite Sensor 214 aktiviert wird. Das Verhältnis der Schwefelsäure zu der Fluorwasserstoffsäure liegt bei ungefähr 1/7 bis 1/10.

Wenn die Chemikalien dem Mischbehälter zugeführt werden, wird der Diffusor allmählich mit den Chemikalien bedeckt, so dass die zugeführten Chemikalien gleichmäßig von dem Diffusor in den Mischbehälter fließen, ohne dass chemische Dämpfe gebildet werden. Weiterhin ist zu bemerken, dass die Chemikalien, die dem Mischbehälter durch die kleinen Löcher zugeführt werden, eine grosse Kontaktoberfläche auf weisen. Auf diese Weise wird ein gleichmässiges Mischen innerhalb einer kurzen Zeitdauer (ungefähr 2 Stunden) erzielt.

Weiterhin ist anzumerken, dass der Kontakt zwischen verschiedenen Chemikalien in viele unterschiedliche und kleine Positionen aufgeteilt wird, so dass die Gefahr einer stark exothermen Reaktion aufgrund des chemischen Mischvorgangs vermieden werden kann.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Mischen von Chemikalien, aufweisend:
einen Mischbehälter zur Aufnahme einer ersten Chemikalie und einer zweiten Chemikalie, Sensoren, die einen ersten Sensor, einen zweiten Sensor und einen dritten Sensor umfassen, die entlang einer Aufwärtsrichtung an dem Mischbehälter aufeinanderfolgend angeordnet sind,
ein oberes erstes Leitungsrohr zum Zuführen der ersten Chemikalie,
ein oberes zweites Leitungsrohr zum Zuführen der zweiten Chemikalie,
ein mittleres Vereinigungs-Leitungsrohr, in welches das erste Leitungsrohr und das zweite Leitungsrohr einmünden, zum Zuführen der Chemikalien in den Mischbehälter, und
einen Diffusor, der mit dem Mündungsende des Vereinigungs-Leitungsrohres verbunden ist, um die vermischten Chemikalien aufzunehmen, wobei der Diffusor jeweils eine Vielzahl Löchern in einer Seitenwand des Diffusors, zum Zuführen der vermischten Chemikalien in den Mischbehälter, und einen Boden aufweist, der sich zwischen dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Chemikalie Schwefelsäure enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die zweite Chemikalie Fluorwasserstoff enthält.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Sensor aktiviert wird, wenn ein Pegelstand der Chemikalien innerhalb des Mischbehälters den Sensor erreicht.