DE3850816T2

DE3850816T2 - Plasma-Extraktionsreaktor und seine Verwendung zur Extraktion von Dampf aus Gasen.

Info

Publication number: DE3850816T2
Application number: DE3850816T
Authority: DE
Inventors: Kin-Chung Ray Chiu
Original assignee: Individual
Current assignee: Dryscrub Etc San Jose Calif Us
Priority date: 1987-06-23
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2008-05-28
Also published as: EP0296720B1; CN1021886C; US4735633A; KR890001152A; SG11695G; JPH0659384B2; CN1030192A; KR940007057B1; JPH01307429A; EP0296720A3; HK51595A; DE3850816D1; EP0296720A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Behandlung von ausströmenden Gasströmen, um verunreinigende Dämpfe daraus zu entfernen. Im spezielleren betrifft die Erfindung das Entfernen solcher Dämpfe durch ein plasmaunterstütztes Extraktionsverfahren.
Bei Halbleiterherstellungsverfahren werden große Mengen einer Vielzahl toxischer, korrodierender und brennbarer Gase verwendet. Beispielsweise werden bei chemischen Dampfablagerungs-(CVD)-Verfahren große Volumina an Silan, Dichlorsilan, Ammoniak, Stickoxide, Arsin, Phosphin, Diborin, Bortrichlorid und ähnlichem eingesetzt, von denen nur eine kleine Teilmenge während des Verfahrens tatsächlich verbraucht wird. Daher enthalten die bei diesen Verfahren abgegebenen Abgasströme relativ hohe Konzentrationen sehr toxischer Spezien. Aus Gründen des Umweltschutzes und der Gesetzeslage ist es unumgänglich, derartige toxische Spezien zu entfernen, bevor die Abgasströme an die Atmosphäre abgegeben werden.
Es ist eine Vielzahl herkömmlicher Gasbehandlungsmethoden entwickelt worden, um die Abgase von Halbleiterherstellungsverfahren zu behandeln. Einer der häufigsten Ansätze besteht darin, die Verunreinigungen bei hohen Temperaturen zu zersetzen, umzusetzen oder zu verbrennen. Beispielsweise kann Silan mit Sauerstoff oder Luft verbrannt werden, wobei Siliziumdioxidteilchen erzeugt werden. Unglücklicherweise weist die Silanverbrennung eine Reihe von Nachteilen auf. Erstens bilden die Siliziumdioxidteilchen (als Ergebnis der Gasphasenreaktion) ein sehr feines Pulver, das den Brenner verstopfen kann und häufig zum Versagen des Verbrennungssystems führt. Zweitens werden die Teilchen im allgemeinen durch Waschen mit Wasser gesammelt, und das Waschwasser selbst muß vor der Entsorgung behandelt werden, um die Teilchen sowie verschiedene wasserlösliche Verunreinigungen zu entfernen.
Waschen mit Wasser, chemischen Lösungen und trockenen Chemikalien sind ebenfalls eingesetzt worden, um Abgasströme von Halbleiterherstellungsverfahren zu behandeln.
Waschen mit Wasser kann eingesetzt werden, um wasserlösliche Bestandteile des Abgases aufzulösen. Für Verunreinigungen, die in Wasser unlöslich oder kaum löslich sind, kann chemisches Waschen verwendet werden. Das ist zwar wirksam, aber das Wasser oder chemische Absorbens muß vor dem Abgeben aus der Anlage behandelt werden. Da die Wasserverschmutzungskontrollen zunehmend verschärft werden, verlieren derartige Waschtechniken ihre Attraktivität. Es kann auch auf trockene chemische Adsorption und/oder Reaktion zurückgegriffen werden, um die verunreinigenden Spezien aus dem Gas zu extrahieren. Unglücklicherweise ist derartiges trockenes chemisches Waschen zur Behandlung großer Abgasvolumina ineffizient.
Das am häufigsten verwendete Behandlungsverfahren ist Verdünnung. Das heißt, die Konzentrationen an toxischer Spezies werden reduziert, indem der Abgasstrom mit großen Volumina an Luft oder einem inerten Verdünnungsgas kombiniert wird. Mit einer derartigen Reduktion der Konzentrationswerte wird zwar den bestehenden Abgasgrenzwerten Rechnung getragen, in Wirklichkeit führt das jedoch zu keiner tatsächlichen Reduktion der an die Atmosphäre abgegebenen Menge an toxischen Spezien. Darüber hinaus wird, wenn die Umweltschutzbestimmungen in der Zukunft verschärft werden, der Einsatz von Verdünnung als Behandlungsmethode an Akzeptanz verlieren.
Zur Behandlung von Abgasen sind auch plasmaunterstützte Systeme vorgeschlagen worden. Bei derartigen Systemen ist jedoch bisher auf Gasphasenreaktion zurückgegriffen worden, die üblicherweise zur Bildung eines sehr feinen Pulvers führt, das selbst beträchtliche Probleme bei der Sammlung und Entsorgung aufwirft.
In der US-A-4472174 wird die elektrostatische Ausfällung aus einem Gasstrom durch das Einspritzen von Plasma in eine oder die Bildung von Plasma in einer Einlaßleitung des Abscheiders unterstützt.
Aus den obigen Gründen wäre es wünschenswert, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, die in der Lage sind, Dampfphasenverunreinigungen im wesentlichen vollständig aus Abgasströmen zu entfernen. Es wäre besonders wünschenswert, daß solche Verfahren zur Umwandlung der Dampfphasenverunreinigungen in eine feste Phase führen, die der Einschließung zugeführt werden kann. Idealerweise führt das Verfahren zur Ablagerung einer Festphasenschicht aus einem inerten Material auf einem entsorgbaren Substrat (und nicht eines feinen Pulvers oder Staubs), so daß die Verunreinigungen daran gehindert werden, in die Luft und/oder Wasser zu gelangen. Solche Verfahren sollten auch wirtschaftlich sein und nur mäßige Kapital- und Betriebsausgaben erfordern und sollten leicht in bestehende Halbleiterherstellungsanlagen einbaubar sein, so daß ihr Einsatz wahrscheinlich ist, und sie sollten fähig sein, relativ große Abgasvolumina zu bewältigen.
Die plasmaunterstützte Vernichtung von Verunreinigungen aus Reaktoren vom Plasmatyp ist bekannt. Die JP-A-58-6231 lehrt die Verwendung eines Parallelplattenplasmareaktors in Serie mit einem primären CVD-Reaktor, wobei der Plasmareaktor verwendet wird, um aus dem CVD-Reaktor abgegebenes Silan zu zersetzen. Die DD-A-230,790 lehrt auf ähnliche Weise die Verwendung eines Plasmas zur Umsetzung von ausströmendem Halogendampf von einem Plasmaätzer. Weder die japanische noch die deutsche Anmeldung lehrt die Ablagerung der Verunreinigungen auf einer festen Phase zur Entsorgung. Offensichtlich werden die Teilchen in der Gasphase gebildet und kontinuierlich als Pulver aus dem System entfernt.
Die plasmaunterstützte Behandlung von Abgasen wird in einer Anzahl anderer Patente und Anmeldungen gelehrt, aber keines lehrt einen Ablagerungs/Extraktionsmechanismus. Die JP-A-5 1-129868, DD-A-2 15,706, EP-A- 176,295 und JP-A-52-078176 lehren alle die Plasmaphasenumsetzung eines Abgases mit einem Reaktanden, um inerte Spezies zu erzeugen. Die JP-A-49-122879 lehrt die Behandlung von Stickoxiden in einem Plasma durch Umsetzung mit Eisen, Aluminium oder Wasserstoff, um stabile Verbindungen herzustellen. Andere Patente lehren die Verwendung von Glimmentladung und/oder anderer elektronischer Erregung, um die Zersetzung von Abgasen zu unterstützen. Siehe z. B. JP-A-51-0941 78, GB-B-21 58055 (die die Herstellung fester Produkte lehrt), EP-B-58,823, JP-B-60-193522, JP-A-60- 137421 und JP-A-56-108514.
Die JP-A-5845718 offenbart die Verwendung spiralförmiger Gasmischelektroden in einem Abgasbehandlungssystem. Das System arbeitet jedoch nicht über Ablagerung der Verunreinigung, sondern über Ionisierung und Oxidation. Die US-A4491606 offenbart eine spezielle Vorrichtung zum Abstandshalten von parallelen Elektroden in einem herkömmlichen plasmaunterstützten CVD-System.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Dampfphasenverunreinigungen aus einem Abgasstrom bereit, insbesondere aus Abgasströmen aus Halbleiterbearbeitungsvorrichtungen, wie chemischen Dampfablagerungs- und Plasmaätzreaktoren. Ein derartiges Entfernen wird erreicht, indem ein Plasmaextraktionsreaktor stromabwärts vom Bearbeitungsgerät angeordnet wird. Der Plasmaextraktionsreaktor umfaßt zumindest ein Paar gegenüberliegender paralleler Elektroden, die einen gewundenen Strömungsweg zwischen einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung definieren und die bei Radiofrequenz (rf) betrieben werden, um die Dampfmoleküle elektronisch zu erregen, so daß erregte Spezien erzeugt werden, die direkt auf der Oberfläche der Elektroden abgelagert werden, um einen stabilen Film darauf zu bilden. Der Dampf wird so direkt in einen Feststoff umgewandelt, der zweckmäßig entsorgt werden kann.
Der erfindungsgemäße Plasmaextraktionsreaktor unterscheidet sich sowohl von den oben erörterten Plasmaabgasbehandlungsverfahren als auch von herkömmlichen Plasmaablagerungsreaktoren in einer Reihe von Merkmalen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Plasmaextraktionsreaktor ein relativ hohes Verhältnis zwischen Elektrodenfläche und Reaktorvolumen auf, das üblicherweise zumindest etwa 1 cm&supmin;¹ beträgt, häufiger zumindest etwa 2 cm&supmin;¹ beträgt und vorzugsweise zumindest etwa 3 cm&supmin;¹ beträgt, wobei das Reaktorvolumen als das Volumen zwischen den Elektroden definiert ist und die Elektrodenfläche so definiert ist, daß sie die Oberflächen beider an das Volumen angrenzenden Elektroden umfaßt. Die große Elektrodenfläche relativ zum Reaktorvolumen begünstigt die Umsetzung der angeregten Dampfmoleküle an der Elektrodenoberfläche und nicht in der Gasphase, was zur Bildung des gewünschten Films anstelle eines Pulvers führt.
Andere Merkmale des Plasmaextraktionsreaktors sind ein relativ langer gewundener Strömungsweg zwischen den benachbarten Elektroden, um im wesentlichen vollständiges Entfernen der verunreinigenden Dämpfe zu gewährleisten. Üblicherweise beträgt die Strömungsweglänge zumindest etwa 100 cm, wobei sie häufiger zumindest etwa 250 cm und häufig 500 cm oder mehr beträgt. Auch liegt üblicherweise ein minimales Verhältnis zwischen Elektrodenfläche und Abströmungsgeschwindigkeit vor, um zu gewährleisten, daß die Dampfentfernungskapazität nicht überlastet wird. Das Verhältnis beträgt üblicherweise etwa 10 min/cm, ist häufiger zumindest etwa 50 min/cm und häufig zumindest etwa 100 min/cm oder mehr, wobei die Strömungsgeschwindigkeit bei Normbedingungen (d. h. Norm cm³ pro Minute) gemessen wird. Gemeinsam gewährleisten der lange Strömungsweg und das hohe Verhältnis der Elektrodenfläche im wesentlichen vollständige Extraktion der kontaminierten Dämpfe vom Abgasstrom. Im Gegensatz dazu basieren herkömmliche Plasmaablagerungsreaktoren auf dem Vorhandensein eines beträchtlichen Überschusses des abzulagernden Dampfes, um gleichmäßige Ablagerung zu erreichen. Somit liegt die Strömungsweglänge üblicherweise unter 100 cm, und das Verhältnis zwischen Elektrodenfläche und Strömungsgeschwindigkeit wird üblicherweise unter 1 min/cm gehalten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Elektroden leicht ersetzbare Elektroden, die entsorgt werden können, nachdem eine vorbestimmte Dicke des festen Films darauf abgelagert worden ist. Die Elektroden haben üblicherweise die Konfiguration konzentrischer Spiralen oder Ringe, und der Abgasstrom wird von der äußeren Peripherie der Elektrode zu einem inneren Sammlungskern gelenkt. Sowohl spiral- als auch ringförmige Elektroden fokussieren das Radiofrequenzfeld nahe dem Zentrum oder Kern, so daß die Entfernungseffizienz des Reaktors nahe dem Ende des Gasströmungsweges erhöht wird, wodurch die Gesamtentfernung der Verunreinigungen in der Dampfphase vom Abgasstrom verbessert wird. Zusätzlich sorgt die spiralförmige Geometrie für einen langen und ununterbrochenen Strömungsweg in einem besonders kompakten Reaktor.
Unter Einsatz des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung können Dampfextraktionseffizienzien über etwa 75 Mol-%, üblicherweise über etwa 90 Mol-%, und häufig über etwa 95 Mol-% erreicht werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Einsatz ineinander geschachtelter, spiralförmiger Elektroden.
Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen einen Reaktorprototyp, der im Versuchsabschnitt der vorliegenden Beschreibung verwendet wird.
Die Fig. 7-10 veranschaulichen die Versuchsergebnisse eines Prototypsystems, das die Wirksamkeit des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung demonstriert.

BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Halbleiterbearbeitungsvorgänge, wie chemische Dampfablagerung (CVD), Niederdruck- CVD, plasmaunterstützte CVD, Plasmaätzung, epitaxische Ablagerung und ähnliche erzeugen eine Vielzahl toxischer Dämpfe, die nicht an die Atmosphäre abgegeben werden dürfen. Je nach dem speziellen Bearbeitungsvorgang können die toxischen Dämpfe Silan (SiH&sub4;), Arsin (AsH&sub3;), Borhydrid (B&sub2;H&sub6;), Phosphin (PH&sub3;), Wolframhexafluorid (WF&sub6;), Bortribromid (BBr&sub3;), Bortrichlorid (BCl&sub3;), Phosphor(III)tribromid (PBr&sub3;), Tetraäthylorganosilikat ((C&sub2;H&sub5;O)&sub4;)Si)), Triisobutylaluminium (C&sub4;H&sub9;)&sub3;Al)), andere Organometalle und ähnliche sein. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es auch, halogenierte Kohlenwasserstoffe, insbesondere chlorierte und fluorierte Kohlenwasserstoffe aus Prozeßabgasen zu entfernen, üblicherweise Plasmaätzreaktoren, worin die halogenierten Kohlenwasserstoffe das Ätzmittel sind. Die vorliegende Erfindung findet auch Anwendung bei der Umwandlung von Stickoxiden aus Halbleiterverfahren und anderen Quellen in Stickstoff und Sauerstoff.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Plasmaextraktionsreaktor eingesetzt, der ein Paar paralleler, im Abstand voneinander angeordneter Elektroden aufweist, die bei Radiofrequenz betrieben werden, um die Abgasdampfmoleküle, die zwischen den Elektroden hindurchgeführt werden, elektronisch zu erregen. Im allgemeinen sind die Elektroden dem Abgas direkt ausgesetzt, und ein elektrisches Radiofrequenzfeld zersetzt die Abgasdampfmoleküle, um Spezien zu erzeugen, die an der Oberfläche der Elektroden umgesetzt werden, um eine feste Filmmaterialschicht zu erzeugen. Die Chemie der einzelnen Reaktionen variiert je nach der Zusammensetzung des speziellen zu behandelnden Abgases. Beispielhafte Reaktionsformeln sind in nachstehender Tabelle 1 angeführt.

TABELLE 1

Toxischer Dampf Reaktion
Silan SiH&sub4;(g) + rf = Si(s) + 2H&sub2;(g)
Arsin 2AsH&sub3;(g) + rf = 2AS(s) + 3H&sub2;(g)
Phosphin 2PH&sub3;(g) + rf = 2P(s) + 3H&sub2;(g)
Diborin B&sub2;H&sub6;(g) + rf = 2B(s) + 3H&sub2;(g)
Wolframhexafluorid WF&sub6; + rf = W(s) + 3F&sub2;(g)
Dichlorsilan SiCl&sub2;H&sub2; + rf = Si(s) + 2HCl(g)
Gemischte Dampfreaktionen:
SiH&sub4; + 4NO + rf = SiO&sub2;(s) + 2N&sub2;(g) + 2H&sub2;O(g)
SiH&sub4; + 4N&sub2;O + rf = SiO&sub2;(s) + 4N&sub2;(g) + 2H&sub2;O(g)
2SiH&sub4; + 2NH&sub3; + rf = 2SiN(s) + 7H&sub2;(g)
2SiH&sub4; + WF&sub6; + rf = WSi&sub2;(s) + 6HF(g) + H&sub2;(g).
Der Plasmaextraktionsreaktor umfaßt einen eingeschlossenen Reaktionsbehälter, in dem sich zumindest ein Paar paralleler, im Abstand voneinander angeordneter Elektroden befindet, die einen Strömungsweg dazwischen definieren. Der Strömungsweg ist gewunden, um die Größe des Reaktors zu verringern und die strukturelle Festigkeit der Anordnung zu erhöhen. Je nach der Geometrie der Elektroden können zwei oder mehr Elektrodenpaare Verwendung finden. Der Behälter umfaßt zumindest einen Einlaß und einen Auslaß, und die im Abstand voneinander angeordneten Elektroden definieren einen Strömungsweg vom Einlaß zum Auslaß. Vorzugsweise sind die Elektrodenpaare als konzentrische Spiralen oder Ringe angeordnet, und der Strömungsweg verläuft von der äußeren Peripherie des Reaktors zu einem inneren Sammelkern im Zentrum. Durch Anordnung der Elektroden in allgemein konzentrischen Spiralen oder Ringen ist das elektrische Feld im Zentrum des Reaktors fokussiert, das den stromabwärts gelegenen Abschnitt des Abgasströmungsweges bildet. Ein solche fokussierte Energie erhöht die Erregung der Dampfmoleküle, was ihr Entfernen erleichtert, da die Konzentration des Abgasstroms gegen das Ende des Strömungsweges hin erschöpft wird.
Die bevorzugte Elektrodenanordnung besteht zwar in einer Spirale mit spiralförmiger Geometrie oder aus konzentrischen Ringen, es können aber auch ebene parallele Platten und andere Geometrien Verwendung finden. Beispielsweise können ebene Platten, kreisförmige Scheiben und Kegel parallel ineinander verschachtelt oder genestet sein, um einen umkehrenden Serpentinenweg zu definieren, der die gewünschten Verhältnisse zwischen Elektrodenfläche und Reaktorvolumen sowie Strömungsweglänge und Abstand zwischen den Elektroden aufweist, wie nachstehend im Detail dargelegt.
Um vollständiges Entfernen der Abgasdampfmoleküle zu bewirken und die Kernbildung der Spezies auf der Elektrodenoberfläche zur Bildung eines Films zu erhöhen, ist es notwendig, das Verhältnis zwischen Elektrodenfläche und Reaktorvolumen im Vergleich zu herkömmlichen plasmaunterstützten CVD-Reaktoren zu erhöhen. Bei herkömmlichen Reaktoren ist es notwendig, ein relativ großes Reaktorvolumen relativ zur Elektrodenfläche bereitzustellen, um relativ freien Massentransport zu gewährleisten und zu gewährleisen, daß die abgelagerte Spezies nicht erschöpft wird und durch den gesamten Reaktor in einer im wesentlichen konstanten Konzentration bleibt. Somit wird nur ein kleiner Prozentsatz der Reaktanden, die in den Reaktor gelangen, typischerweise etwa 5 bis 10%, tatsächlich im Reaktor verbraucht. Im Gegensatz dazu fordert die vorliegende Erfindung im wesentlichen das vollständige Entfernen der Reaktandspezies vor jeglicher Abgabe an die Atmosphäre. Um das zu erreichen, sind relativ große Elektrodenflächen vorgesehen, sowohl relativ zum zwischen den Elektroden definierten Reaktorvolumen als auch relativ zur erwarteten volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit von extrahierten Spezien. Üblicherweise beträgt das Verhältnis zwischen Elektrodenfläche und Reaktorvolumen zumindest 1 cm&supmin;¹, häufiger zumindest 2 cm&supmin;¹, und beträgt vorzugsweise zumindest 3 cm&supmin;¹. Zweckmäßig weisen plasmaunterstützte CVD-Reaktoren normalerweise ein Verhältnis zwischen Elektrodenfläche (d. h. freiliegender Waferfläche) und Reaktorvolumen deutlich unter 1 cm&supmin;¹, üblicherweise unter 0,5 cm&supmin;¹ auf.
Außerdem ist, um weiterhin vollständiges Entfernen toxischer Dämpfe zu gewährleisten, die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases relativ zur Elektrodenfläche begrenzt, und es ist zumindest eine Mindestströmungsweglänge vorgesehen. Das Verhältnis zwischen der Elektrodenfläche und der erwarteten volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit von Abgasspezien (unter Standardbedingungen) liegt üblicherweise über etwa 10 min/cm, häufiger über etwa 50 min/cm, und kann 100 min/cm oder mehr betragen. Das steht im Gegensatz zur Strömungsgeschwindigkeit durch herkömmliche plasmaunterstützte Ablagerungsreaktoren, worin das Verhältnis zwischen Elektrodenfläche und Strömungsgeschwindigkeit üblicherweise etwa 10 min/cm nicht übersteigt, und häufiger etwa 5 min/cm nicht übersteigt. Die Länge des Strömungsweges zwischen den benachbarten Elektroden beträgt üblicherweise zumindest etwa 100 cm, wobei sie häufiger zumindest etwa 250 cm beträgt und häufig 500cm oder mehr ausmacht.
Die erfindungsgemäßen Elektroden können aus so gut wie jedem leitenden Metall bzw. Legierung gebildet werden. Zweckmäßig finden relativ billige Metalle, wie Aluminium, Eisen und ihre Legierungen, am häufigsten Verwendung. Die Elektroden können auf herkömmliche Art in ihre gewünschte Endgeometrie gebracht werden, wie durch Prägen, Stanzen oder Walzen. Wie oben beschrieben, sind die Elektroden im allgemeinen wegwerfbar, und sollten so konstruiert sein, daß sie innerhalb des Reaktors leicht montiert und abmontiert werden können.
Der Plasmaextraktionsreaktor ist stromabwärts von der Abgasquelle angeordnet und ist üblicherweise direkt oder indirekt mit dem Abgasdampfauslaß des Bearbeitungsreaktors verbunden. Im Fall von Niederdruckreaktoren wie Niederdruck-CVD-Reaktoren kann der Plasmaextraktionsreaktor stromabwärts von der am Anfang stehenden Vakuumpumpe, wie einer Rootspumpe, angeschlossen sein, und unmittelbar vor der unterstützenden, die zweite Stufe darstellenden, Vakuumpumpe, typischerweise einer mechanischen Pumpe. Somit arbeitet der Plasmaextraktionsreaktor beim Stufentrennungsdruck zwischen diesen beiden Pumpen, typischerweise im Bereich von etwa 0,1 bis 10 Torr. Um die Dampfphasennukleierung der Reaktionsprodukte weiter zu minimieren, ist es wünschenswert, daß der Reaktorbetriebsdruck unter etwa 2 Torr und vorzugsweise unter etwa 1 Torr gehalten wird.
Die Betriebstemperatur des Plasmaextraktionsreaktors wird primär durch die Energiemenge bestimmt, die von den Elektroden in Verlustwärme umgesetzt wird, und liegt typischerweise im Bereich von etwa Raumtemperatur bis 500ºC. Wahlweise können die Elektroden zusätzlich durch externe Einrichtungen erwärmt werden.
Die Leistungsversorgung arbeitet bei einer Betriebsfrequenz im Radiofrequenzbereich bis etwa 100 GHz, häufiger im Bereich von etwa 25 kHz bis 13,6 MHz. Der Leistungsoutput der Versorgung hängt vom zu behandelnden Gasvolumen im Bereich der Elektroden ab. Typischerweise sollte die Leistungsversorgung einen Output haben, der gleich zumindest 0,01 Watt pro cm² Elektrodenfläche ist und typischer etwa 0,05 Watt pro cm² Elektrodenfläche beträgt. Das Verhältnis zwischen Leistung und volumetrischer Strömung sollte im Bereich von etwa 0,5 bis 5 Watt pro sccm (Normkubikzentimeter pro Minute) liegen und beträgt typischerweise etwa 2 Watt pro sccm.
Auf die Fig. 1 und 2 bezugnehmend wird eine bevorzugte Ausführungsform 10 der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht. Die bevorzugte Vorrichtung 10 umfaßt eine Reaktionskammer 12 mit einer Einlaßöffnung 14 und Auslaßöffnung 16. Die Reaktionskammer 12 kann geöffnet werden, um das Anordnen und Entfernen eines Elektrodenmoduls 18 zu ermöglichen. Das Elektrodenmodul 18 umfaßt zumindest ein Paar ineinander verschachtelter, spiralförmiger Elektroden 20 und 22. Unter bestimmten Umständen kann es wünschenswert sein, zwei oder mehr Paare ineinander verschachtelter, spiralförmiger Elektroden vorzusehen, aber aus Gründen der Zweckmäßigkeit ist in den Fig. 1 und 2 nur eines dargestellt.
Die erste spiralförmige Elektrode ist an ihrem oberen Ende an einer abstützenden Stromsammelschiene, d. h. einem sogenannten Stützbus 24 befestigt, der sowohl bewirkt, daß Strom gleichmäßig entlang der gesamten Länge der Elektrode 20 verteilt wird, als auch als eine Obergrenze für den Strömungsweg dient, der durch die ineinander verschachtelten Elektroden 20 und 22 definiert ist. Der Stützbus 24 ist an einem elektrischen Durchführungsleiter 26 befestigt, der durch die Keramikdichtung 28 in der Deckwand der Kammer 12 hindurchgeht. Die Keramikdichtung 28 sorgt sowohl für eine Vakuumabdichtung als auch für elektrische Isolierung.
Die zweite Elektrode 22 ist an die Bodenplatte 30 des Elektrodenmoduls 18 angeschlossen. Die Elektroden 20 und 22 werden betrieben, indem der Verbindungsstab 26 an eine geeignete Stromquelle angeschlossen wird (wie oben erörtert) und das Gehäuse 30 geerdet wird.
Sobald der Strom an das Gerät 10 angeschlossen und eingeschaltet ist, wird zwischen den ineinander verschachtelten Elektroden 20 und 22 ein geeignetes elektrisches Feld erzeugt. Gasströmung kann dann durch Zufuhr durch die Einlaßöffnung 14 erzielt werden. Die Gasströmung verteilt sich im allgemeinen um die spiralförmigen Strömungswege und verteilt sich gleichmäßig über die Höhe der Strömungswege. Zusätzlich zur spiralförmigen Strömung, die von den spiralförmigen Elektroden 20 aufgebaut wird, gibt es eine Querströmung, die durch den Zwischenraum 32 zwischen der ersten Elektrode 20 und der Bodenplatte 30 sowie durch den Zwischenraum 34 zwischen der zweiten Elektrode 22 und dem Stützbus 24 errichtet wird. Eine derartige Querströmung trägt dazu bei, eine gleichmäßige Verteilung des Abgases in der gesamten Reaktionskammer 12 aufzubauen
Nun auf die Fig. 3 und 4 bezugnehmend wird eine alternative Ausführungsform 50 der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht. Die Vorrichtung 50 umfaßt eine Reaktionskammer 52 mit einer Einlaßöffnung 54 und einer Auslaßöffnung 56. Die Reaktionskammer 52 kann offen sein, und im Inneren der Kammer ist ein abnehmbares Elektrodenmodul 58 aufgenommen.
Das Elektrodenmodul 58 umfaßt eine Vielzahl erster Elektroden 60, die abwechselnd mit einer Vielzahl zweiter Elektroden 62 gestapelt sind. Die ersten Elektroden 60 sind in ihrer Mitte an einem vertikalen Stützbus 64 befestigt. Der Stützbus 64 geht durch die Einlaßöffnung 54 nach außen und wird in einem Isolationsring 66 in der Kammer 12 gehalten. Der Bus 64 kann mit einer gewünschten Stromzufuhr verbunden sein, wie oben beschrieben.
Die zweiten Elektroden 62 sind an ihren äußeren Peripherien an der äußeren zylindrischen Wand 68 des Elektrodengehäuses 58 befestigt. Dadurch, daß die äußere Peripherie der ersten Elektroden 60 in einem vorbestimmten Abstand von der zylindrischen Wand 68 endet und die zweite Elektrode 62 in einem vorbestimmten Abstand vom vertikalen Stützbus 64 endet, bleiben Zwischenräume 70 bzw. 72 frei. Diese Zwischenräume stellen einen Strömungsweg für die Abgase dar, die durch die Einlaßöffnung 54 eintreten und durch die Auslaßöffnung 56 austreten. Der Strömungsweg verbreitet sich im allgemeinen radial nach außen über die höchste der ersten Elektroden 60 und dann radial nach innen, wenn er unter die erste Elektrode 60 und über die zweite Elektrode 62 gelangt.
Die in Fig. 3 und 4 dargestellte alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, daß sie wirtschaftlich zu konstruieren ist, da sie nicht die Herstellung spiralförmiger Elektroden erfordert. Der Betrieb der alternativen Ausführungsform ist jedoch nicht so effizient wie jener der in den Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform, da es zu keiner Fokussierung des elektrischen Feldes nahe der Auslaßöffnung des Strömungsweges kommt.
Es wird anerkannt werden, daß auch eine Vielzahl anderer Geometrien für die erfindungsgemäße Vorrichtung möglich sind, solange ein minimales Verhältnis zwischen Elektrodenfläche und Reaktorvolumen beibehalten wird. Es ist auch in höchstem Maße wünschenswert, daß das Verhältnis zwischen der Elektrodenfläche und der volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit über dem oben dargelegten Wert gehalten wird und daß die Strömungsweglänge zwischen den Elektroden über dem oben angeführten min i malen Schwellenwerten gehalten wird.
Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung.

VERSUCHE

Materialien und Verfahren

1. Plasmaextraktionsreaktor (PER)

Der Prototyp eines Plasmaextraktionsreaktors (PER) wurde konstruiert, wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Der Reaktor 100 war dem in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Reaktor ähnlich, mit der Ausnahme, daß die ersten und zweiten Elektroden als eine Vielzahl konzentrischer Ringe und nicht als ineinander verschachtelte Spiralen angeordnet waren.
Der Reaktor 100 umfaßte insgesamt 8 obere Elektroden 102 (von denen in den Fig. 5 und 6 nur drei dargestellt sind) und 9 untere Elektroden 104 (von denen in den Fig. 5 und 6 nur 4 dargestellt sind). Die oberen Elektroden 102 sind an einem oberen Stützbus 106 befestigt, der wiederum an einen Verbindungsstab 108 angeschlossen ist. Der Verbindungsstab 108 durchdringt das obere Ende des Gehäuses 101 und wird in einem Isolationsring 110 gehalten. Die unteren Elektroden 104 sind an der Bodenplatte des Gehäuses 101 befestigt. Zwischenräume 112 sind zwischen den unteren Enden der Elektroden 102 und der unteren Wand des Gehäuses 101 ausgebildet. Zwischenräume 114 sind zwischen dem oberen Ende der Elektroden 104 und der Bodenfläche des Stützbusses 106 ausgebildet. Auf diese Art ist der Gasströmungsweg definiert, wie durch die Pfeile angegeben.
Das Reaktorgehäuse 101 ist ein zylindrischer Behälter aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 40,01 cm und einer Höhe von 33,02 cm. Die obere Abdeckung ist ein Aluminiumflansch mit zwei konzentrischen O-Ringdichtungen, wobei der Innenraum zwischen den O-Ringen mit Stickstoff gefüllt ist. Der Einlaßanschluß ist an eine Rootspumpe angeschlossen, während der Auslaßanschluß an eine mechanische Pumpe angeschlossen ist.
Der Stützbus 106 ist eine Aluminiumscheibe mit einem Durchmesser von 37,08 cm und einer Dicke von 0,64 cm. Die 8 konzentrischen Elektroden 102 sind ebenfalls aus Aluminium gebildet und haben folgende Radii: 5,72 cm, 7,49 cm, 9,27 cm, 11,05 cm, 12,83 cm, 14,61 cm, 16,38 cm und 18,16 cm. Die Höhen einer jeden Elektrode (vom kleinsten Durchmesser nach außen abgelesen) sind folgende: 26,67 cm, 29,21 cm, 29,21 cm, 29,21 cm, 29,21 cm, 29,21 cm, 29,21 cm und 26,67 cm.
Die Bodenelektroden sind ebenfalls aus Aluminium gebildet und haben die folgenden Radii: 3,81 cm, 6,60cm, 8,38 cm, 10,16 cm, 11,94cm, 13,72 cm, 15,49 cm, 17,27 cm und 19,05 cm. Die Höhen der Elektroden (von der innersten Elektrode nach außen abgelesen) sind folgende: 26,67 cm, 30,48 cm, 30,48 cm, 30,48 cm, 30,48 cm, 30,48 cm, 30,48 cm und 29,85 cm. Die Zwischenräume, die zwischen den Elektroden 102 und der Bodenplatte des Gehäuses gelassen werden, haben etwa 3,18 cm, während die Zwischenräume zwischen den Elektroden 104 und dem Stützbus 106 etwa 1,587 cm betragen. Öffnungen (0,51 cm · 1 ,27 cm) wurden nahe der oberen Kante der äußersten Elektrode 104 ausgebildet, um den hereinkommenden Gasstrom durch den Reaktor zu verteilen.
Die soeben beschriebene Vorrichtung wurde mit einer bei 75 kHz betriebenen ENl Plasmaloc 3-Stromversorgung mit einer Leistung bis zu 3000 Watt und einer entsprechenden Impedanz von 300 Ohm betrieben.

2. Testsystemkonfiguration

Der PER befand sich stromabwärts von der Reaktorkammer eines GENUS-Reaktors Modell 8402 LPCVD (zwischen der Rootspumpe und der mechanischen Grobpumpe), wobei kurze Vakuumverbindungen mit ausreichender Größe verwendet wurden, um für einen minimalen Druckabfall zu sorgen. Ein Restgasanalyser (RGA) wurde unmittelbar stromabwärts vom PER angeordnet. Dieser RGA wurde verwendet, um die Silan- und H&sub2;-Signale als Funktion der Radiofrequenzleistung im PER zu messen. Ein Thermopaar (TC)-Druckmesser wurde unmittelbar stromaufwärts vom PER angeordnet.
Silangas wurde mit einer bekannten Strömungsrate bei abgeschalteter Leistung durch den PER geschickt, um ein Nullsignal zu liefern. Einschalt/Ausschalt-Messungen mit unterschiedlichen Gasströmungsraten und Leistungsstärken wurden wiederholt, und es stellte sich heraus, daß die Ergebnisse wiederholbar sind.
Der Output des RGA hatte die Form Massenabtastungen, die den interessierenden Bereich von Masse 1 bis 50 abdecken. Fig. 7 ist eine Massenabtastsammlung von Silan allein, die die Hauptpeaks bei Si (Masse 28), SiH (Masse 29), SiH&sub2; (Masse 30), SiH&sub3; (Masse 31) und SiH&sub4; (Masse 32) zeigt. Die untere Kurve zeigt die Hintergrundabtastung bei einem Basisdruck von 8·10&sup7; Torr. Das dissoziative Ionisierungsfragment SiH&sub3; (Masse 31) wurde für alle darauffolgenden Entfernungsberechnungen verwendet, da der Hintergrund bei Masse 31 zu vernachlässigen ist, während jegliche Luft im Hintergrundgas zu kompetitiven Peaks für N&sub2; (Masse 28) und für O&sub2; (Masse 32) führen würde. Es gab eine geringfügige Hintergrundintensität im Spektrum für H&sub2; (Masse 2), die von den H&sub2;-Signalen abgezogen wurde.
Es wurde eine Aufzeichnung der Messungen durchgeführt, wobei die Versuchsnummer, die Radiofrequenz-Leistungsstärke, das Si H&sub3;-relative Signal, das H&sub2;-relative Signal, der Silanfluß in Normkubikzentimeter pro Minute (sccm), RGA-Gewinn, RGA-Druck und TC-Manometerdruck in mTorr enthalten war. Aufgrund dieser Aufzeichnung wurden Graphen hergestellt, die die Leistung des PER veranschaulichen. Fig. 8 zeigt die Änderung in SiH&sub3; (proportional zu Silan) für Radiofrequenz-ein und -aus dividiert durch das Signal im ausgeschalteten Zustand. Das stellt die Menge an vom PER entferntem Silan als Funktion der rf-Leistung dar. Es wurde festgestellt, daß die Gasbelastung die relative Effizienz änderte. Bei 3000 Watt wurden zumindest 99% des Silans von einer Strömung mit 900 sccm entfernt; von einer Strömung mit 1500 sccm wurden etwa 94% entfernt; und bei einer Strömung mit 4000 sccm wurden etwa 83% entfernt.
Fig. 9 ist ein Graph der relativen SiH&sub3;-Peakhöhe für Silan als Funktion der Silanmassenströmung. Es gibt eine lineare Reaktion, was darauf hinweist, daß die Ablagerung von Silan mit zunehmender Belastung nicht abfällt. Es wird auch eine lineare Reaktion des Reaktordrucks mit der Strömung erzielt, wie in Fig. 10 gezeigt. Die Zunahme des Drucks bei eingeschalteter Radiofrequenz bestätigt, daß die teilweise Dissoziation von SiH&sub4; mit der obigen H&sub2;-Signalanalyse in Einklang steht.
Der abgelagerte Film auf den Elektroden wurde analysiert, und es wurde bestätigt, daß es sich dabei um amorphes Silizium handelt. Der Film haftete und ließ sich leicht gemeinsam mit dem Elektrodensubstrat entsorgen.

Claims

1. Plasmaextraktionsreaktor, umfassend:

eine Behälterkammer (12,52,100), die eine Einlaßöffnung (14, 54) und eine Auslaßöffnung (16, 56) für einen Gasstrom definiert;

im Abstand voneinander angeordnete, zueinander parallele Elektroden (20, 22, 60, 62, 102, 104), die innerhalb des Behälters angeordnet sind und den Gasstrom so einschränken, daß er in einem gewundenen Strömungsweg zwischen der genannten Einlaßöffnung und Auslaßöffnung strömt;

eine Einrichtung zum Betreiben der Elektroden (24, 26, 30, 58, 64, 101, 106, 108) mit einer Radiofrequenz, um eine Dampfspezies im zwischen den Elektroden hindurchgeführten Gasstrom elektronisch zu erregen, so daß sie an der Oberfläche der Elektroden reagiert, um einen kohärenten Film darauf abzulagern.

2. Plasmaextraktionsreaktor nach Anspruch 1, worin ein Paar im Abstand voneinander angeordneter, zueinander paralleler Elektroden (20, 22) zwischen einander einen spiralförmigen Strömungsweg vom Einlaß (14) zum Auslaß (16) definiert.

3. Plasmaextraktionsreaktor nach Anspruch 1 oder 2, worin eine erste Reihe paralleler Elektroden (60) mit einer zweiten Reihe paralleler Elektroden (62) verschachtelt ist, um dazwischen einen umkehrenden Serpentinenweg vom Einlaß (54) zum Auslaß (56) zu definieren.

4. Plasmaextraktionsreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das Verhaltnis zwischen der Oberfläche der Elektroden (20, 22, 60, 62, 102, 104) und dem Volumen zwischen den Elektroden zumindest etwa 1 cm&supmin;¹ betragt.

5. Plasmaextraktionsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Länge des Strömungsweges zumindest etwa 100 cm beträgt.

6. Plasmaextraktionsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Elektroden (20, 22, 102, 104) konzentrisch zueinander angeordnet sind, um ein elektrisches Feld dazwischen in der Nähe einer Öffnung im Strömungsweg zu intensivieren.

7. Verfahren zum Extrahieren eines Dampfes aus einem Abgasstrom unter Verwendung des Plasmaextraktionsreaktors nach Anspruch 1-6, wobei das genannte Verfahren umfaßt:

das Hindurchschicken des Abgases zwischen einander gegenüberliegenden parallelen Elektroden; und

das Betreiben der Elektroden mit Radiofrequenz und das elektronische Erregen des Dampfes dazwischen, um im wesentlichen den gesamten erregten Dampf an der Oberfläche der Elektroden umzusetzen und dadurch einen stabilen Film darauf abzulagern, wodurch zumindest 75 Mol-% des Dampfes aus dem Abgasstrom extrahiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Elektroden ersetzt werden, nachdem die Filmdicke ein vorbestimmtes Ausmaß übersteigt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, worin das Verhältnis zwischen der Elektrodenfläche und der volumetrischen Strömungsrate des Abgasstromes zumindest etwa 10 min/cm beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, worin die Elektroden mit Radiofrequenz und mit einer Leistung von zumindest etwa 0,01 Watt pro cm² Elektrodenfläche betrieben werden, um zumindest etwa 90 Mol-% des Dampfes zu extrahieren.