DE60130161T2

DE60130161T2 - Behandlung von Gasen aus der Halbleiterherstellung

Info

Publication number: DE60130161T2
Application number: DE60130161T
Authority: DE
Inventors: Andrew James Seeley; James Robert Blackford Smith
Original assignee: Edwards Ltd
Current assignee: Edwards Ltd
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: EP1129763A1; JP5265828B2; TW575455B; EP1129763B1; JP2001313263A; DE60130161D1; US20010032543A1; ATE371483T1; US6530977B2; GB0005231D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Vernichtung von Halbleiterverarbeitungsgasen, und mehr im Einzelnen auf die Vernichtung solcher Gase, die pyrophore Eigenschaften zeigen.
Die Verwendung pyrophorer Gase zum Einsatz bei der Verarbeitung von Halbleiterprodukten, beispielsweise Chips, ist gut bekannt. Sei umfassen Silan, Disilan, Dichlorsilan, Trichlorsilan, Arsin und Phosphine, und werden im allgemeinen eingesetzt, um Prozeßschichten auf Siliziumplättchen oder Flachbildschirmen aufzubringen.
Pyrophore Gase können eine spezielle Gefahr mit sich bringen, indem sie eine spontane und unkontrollierte pyrophore Reaktion bei Berührung mit Luft innerhalb der Rohrleitung oder anderen Komponenten der Prozesseinrichtung und einschließlich deren Belüftungskanäle hervorrufen können.
Um die Gefahr einer unkontrollierten pyrophoren Reaktion innerhalb der Prozessapparatur zu minimieren, ist es bekannt, einen "Brennkasten" einzusetzen, der dafür ausgelegt ist, irgendeine Reaktion abzuschwächen oder eine kontrollierte und abgeschlossene pyrophore Reaktion stattfinden zu lassen. Eine solche Brennbox hat typischerweise 1 bis 7 Meter Länge und 10 bis 20 Zentimeter Durchmesser und befindet sich üblicherweise in einem Ventilationskanal, um kalte Luft durch das System zu saugen, wie in der EP-1 143 197 A1 angegeben ist. Die Luft kann auch vor dem Einleiten in den Brennkasten erhitzt werden, wie in der WO 00/01465 beschrieben ist.
Eine Weiterentwicklung von dem Brennkasten ist die Verwendung eines thermischen Reaktionsrohrs oder Brennrohrs. In diesem Fall kann das Rohr selbst erhitzt werden, wie in der US 5 860 792 , beispielsweise durch ein elektrisches Heizgerät; jedoch werden die pyrophoren Gase und die Luft ohne irgendein Vorheizen in das Rohr eingeleitet, da ein solches Vorheizen als unnötig und nicht wünschenswert angesehen wird. Des weiteren sind die pyrophoren Gase und die Luft im wesentlichen oder vollständig trocken.
Jedoch sind Brennrohre nicht ohne ihre Schwierigkeiten. Es besteht eine Notwendigkeit, das Vorhandensein laminarer Luftströmung in dem Rohr absolut zu vermeiden, das ansonsten zu einer unvollständigen Oxidation der pyrophoren Gase führen könnte, insbeson dere bei höheren Konzentrationen, und was in möglicherweise instabiler Oxidbildung und einiger unnötiger Oxidation von Gasen führen könnte. Obwohl eine turbulente Strömung in dem Rohr leicht durch die allgemeine Strömung von pyrophorem Gas und Luft in das Rohr induziert werden kann, können noch gewisse Schwierigkeiten verbleiben.
Damit der Einsatz der Vernichtungsapparatur kontinuierlich sein kann, ist ein ständiges Reinigen erforderlich, um Verstopfungen zu vermeiden. Das Feststoff- oder Teilchenmaterial kann unter Verwendung eines Wassersprühstrahls weggewaschen werden, wie in der WO-A-95.00805 und der US-A-6 234 787 .
Die Erfindung befasst sich mit dem Vorsehen eines verbesserten Verfahrens/Apparatur zur Vernichtung pyrophorer Gase im Besonderen und im Schaffen einer verbesserten Vernichtungsgewissheit und einer verbesserten Effizienz. Die Erfindung betrifft auch das Abführen von Teilchen aus dem Behälter, in welchem die Vernichtung durchgeführt wird.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Vernichtung eines oder mehrerer pyrophorer Gase in einem Gasstrom vorgesehen, welches das Einleiten vorgeheizter Dämpfungsluft in den Gasstrom und Einleiten der Dämpfungsluft und des Gasstroms in einen Behälter umfaßt, in welchem die pyrophoren Gase vernichtet werden.
Vorzugsweise hat die Dämpfungsluft eine relative Feuchte von mindestens 50%, mehr vorzugsweise von mindestens 90% und höchst vorzugsweise von mindestens 95%. Das Wasser wird vorzugsweise durch Perlen der Luft durch ein Wasservolumen eingebracht.
Die Dämpfungsluft, die mit dem Gasstrom zu mischen ist, wird vor dem Mischen vorgeheizt. Eine Dämpfungslufttemperatur von mindestens 300°C, beispielsweise 350°C bis 500°C, wird bevorzugt.
Der Gasstrom und die Dämpfungsluft werden vorzugsweise vor dem Eintritt in den Behälter vermischt. Eine nominelle Dämpfungslufttemperatur von 400°C wird am meisten bevorzugt. Es ist auch vorteilhaft, wenn der Behälter, in welchen der Abgasstrom und die vorgeheizte Dämpfungsluft eingeleitet werden, selbst erwärmt wird, um die erhöhte Temperatur der Dämpfungsluft und folglich auch des Abgasstroms zu halten und zu steigern.
Die Erfindung beinhaltet auch eine Apparatur zur Ausführung eines Verfahrens, wie oben erwähnt, mit einem Behälter, Mitteln zum Ermöglichen des Einleitens von Dämpfungsluft und einem pyrophores Gas enthaltenden Strom in den Behälter, Mitteln zum Erhitzen der Dämpfungsluft vor deren Vermischen mit dem pyrophoren Gasstrom, und Mittel zum Austragen des behandelten Gasstroms.
Die Mittel zum Erhitzen der Dämpfungsluft sind vorzugsweise eine beheizte Rippe, vorzugsweise aus Metall, die neben der Dämpfungsluftzufuhr in die Kammer angeordnet ist. Eine Kupferrippe wird wegen ihrer Wärmeleitereigenschaften bevorzugt.
Die Innenseite des Behälters kann ebenfalls erwärmt werden, und ein besonders bevorzugtes Merkmal für das Heizmittel ist eine beheizte Hülse, vorzugsweise aus Metall, und von zylindrischer Form, die in den Behälter hinein erstreckt und durch ein Heizgerät beheizt wird, beispielsweise einen Widerstandsheizer im Gehäuse des Behälters, um Wärme in den Bereich zu leiten, wo das kalte Gas zu erhitzen ist, und vorteilhafterweise zum Beheizen des Behälters allgemein. Bei solchen Ausführungsformen wird es bevorzugt, dass ein Ende der Heizhülse die beheizte Rippe bildet.
Die Vernichtung von pyrophoren Gasen resultiert gewöhnlich in der Bildung von Feststoff oder Teilchenmaterialien, die an den Innenoberflächen des Brennrohrs oder Behälters anhaften können, wo die Vernichtung stattfindet. Solche Feststoffmaterialien können daher die Gasströmung durch den Behälter behindern und können eine Wärmeisolationsschicht bilden, welche die Oberflächentemperatur der Behälterinnenwände absenkt und bewirkt, dass die Reaktionen im Behälter nachlassen.
Daher wird vorzugsweise Wasser in den Behälter eingesprüht, um den Aufbau von Feststoff- oder Teilchenmaterialien auf den beheizten Innenoberflächen des Behälters zu reduzieren, in welchem die pyrophoren Gase vernichtet werden.
Das Wasser sollte in einer Weise eingesprüht werden, die bewirkt, dass das Wasser auf die heißen, mit Feststoff- oder Teilchenmaterialien bedeckten Behälterflächen auftrifft.
Das Wasser wird vorzugsweise in Form eines Sprühstrahls am oberen Ende des Behälters eingeleitet. Das Wasser wird vorteilhafterweise intermittierend während einer Dauer von beispielsweise 1 bis 15 Sekunden, mehr vorzugsweise 5 bis 10 Sekunden, eingesprüht. Drücke von 1 bis 6 bar, mehr vorzugsweise von 3 bis 5 bar, können nützlicherweise eingesetzt werden. Bei Verwendung zum Besprühen der Feststoff- oder Teilchenmaterialbedeckten Behälterflächen, die auf eine Temperatur von beispielsweise zwischen 500°C und 1000°C erhitzt sind, hat sich gezeigt, dass das resultierende explosive Sieden des Wassers auf diesen Oberflächen bewirkt, dass die Feststoff/Teilchenmaterialien effektiv entfernt und weggewaschen werden.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun Bezug auf die anliegende Zeichnung genommen, die einen schematischen Schnitt einer Apparatur zur Ausführung eines Verfahrens nach der Erfindung zeigt.
Gemäß der Zeichnung ist dort ein Behälter 1 gezeigt, der eine äußere zylindrische Wand 2 und eine innere zylindrische Wand 3 hat. Zwischen den Wänden 2 und 3 eingebettet ist ein Isoliermaterial 4, und in der oberen Hälfte des Behälters ein elektrischer Heizer 5.
In einem oberen Teil des Behälters sind verschiedene Kanäle wie folgt definiert:

– eine Reihe von Einlässen 7 für den Eintritt von Abgasen in den Behälter 1,
– eine Reihe von Einlässen 8 für den Eintritt von Luft in den Behälter 1,
– ein Einlaß 9 für den Eintritt von Wasser in den Behälter 1 über eine Sprühkopf 10.

Die innere zylindrische Wand 3 weist eine in deren obere Hälfte eingesetzte Hülse 11 auf, von welcher ein Teil 12 aufwärts (jeweils wie dargestellt) in den oberen Teil des Behälters 1 ragt. Die Hülse 11 ist aus Kupfer für optimale Wärmeleitungseigenschaften hergestellt.
Während die Einlässe 7 den Eintritt von Abgasen direkt in die Kammer 1 ermöglichen, ist der obere Teil 6 so ausgelegt, dass kalte Dämpfungsluft (unter einer äußeren Druckquelle) von den Einlässen 8, wie in der Zeichnung durch die Pfeile angedeutet, geleitet und in Be rührung mit dem Teil 12 der Hülse 11 und von da aus in Berührung mit einer die Einlässe 7 umrundenden Lochplatte 13 gebracht wird.
Behandeltes Gas tritt aus dem Behälter 2 mittels eines Auslasses 14 an dessen Boden aus.
Im Gebrauch der Apparatur werden sowohl die Hülse 11 als auch die Platte 13 beheizt (erstere durch den Heizer 5 und letztere durch nicht dargestellte Mittel) auf beispielsweise 400°C, so dass die in den Behälter 1 durch die Einlässe 8 strömende Luft durch Berührung damit erwärmt wird und auf erhöhter Temperatur in den Behälter 1 eintritt.
Eine Wasserströmung kann durch den Einlaß 9 von einer externen Wasserquelle in den Behälter 1 bewirkt werden und auf die Innenwände der Hülse 11 im besonderen, aber auch über die untere Innenwand des Behälters 1 gesprüht werden.
Im normalen Gebrauch der in der Zeichnung gezeigten Apparatur wird kalte Dämpfungsluft über die Einlässe 8 von einer externen Druckquelle, beispielsweise einer Flasche, in den Behälter 1 gedrängt. Die Luft wird durch Berührung mit dem geheizten Teil 12 und der Platte 13 erwärmt und vermischt sich dann im oberen teil des Behälters 1 mit einem ein oder mehrere phosphorische Gase enthaltenden Gasstrom, der über die Einlässe 7 von beispielsweise einer Halbleiterverarbeitungskammer unter der Wirkung einer oder mehrerer Vakuumpumpen in die Kammer eintritt.
In Vergleichsversuchen, die in der Zeichnung dargestellten Apparatur durchgeführt wurden:

a) Mit sauberer trockener Luft (CDA), die in den Behälter 1 über die Einlässe 8 mit einer Rate von 500 l/min und mit 250 sccm Silan (SiH₄) eintritt, vorgemischt mit 50 slm Stickstoff (N₂), der in den Behälter über die Einlässe 7 eintritt, und bei Steuerung des elektrischen Heizers 5 auf 850°C, wurde bestimmt, dass die Gasströmung aus dem Boden (wie dargestellt) des Behälters 1 21 ppm SiH₄ enthielt, also eine Silan-Zerstörungseffizienz von 54% vorlag.
b) wenn die in den Behälter 1 eintretende Luft 1,5 Volumen-% Wasserdampf enthielt, wurde eine entsprechende Silan-Zerstörungseffizienz von 62% beobachtet.
c) wenn die saubere trockene Luft nach Experiment a) erhitzt wurde, indem die Hülse 11 sich auf einer Temperatur von 400°C befand, wurde eine entsprechende Silan-Zerstörung von mehr als 78% beobachtet.
d) wenn die Dämpfungsluft nach Experiment b) erhitzt wurde, indem die Hülse 11 sich auf einer Temperatur von 400°C befand, wurden 3 ppm Silan am Boden des Behälters 1 nachgewiesen, und es wurde eine entsprechende Silan-Zerstörungseffizienz von 95% beobachtet.

Wie oben angemerkt, neigt das Verbrennen pyrophorer Gase in dein Brennrohr der obigen Bauart und allgemein dazu, eine Feststoff-Teilchenbildung zu bewirken, die an den Innenwänden des Behälters 1 anhaften kann. Der die pyrophoren Gase enthaltende Gasstrom kann ebenfalls Feststoffe mit sich führen.
Gemäß der Erfindung wird ein solcher Feststoff/Teilchenmaterialaufbau dadurch entfernt, dass man eine Wassermenge auf die erhitzten Innenwände auftreffen lässt.
Dies wurde bei der Apparatur nach der Erfindung, die in der Zeichnung gezeigt ist, dadurch erreicht, dass eine Strömung kalten Wassers in den Behälter 1 über den Wassereinlaß 9 und den zentrisch angeordneten Sprühkopf 10 herbeigeführt wurde und dadurch ein Sprühstrahl 15 durch den Behälter 1 erzeugt wurde.
Der Wassersprühstrahl ist vorzugsweise intermittierend, beispielsweise einmal pro Stunde oder sogar nur einmal pro Tag. Der Wasserdruck beträgt vorteilhafterweise von 1 bis 6 bar, höchst vorzugsweise von 3 bis 5 bar, und die Sprühzeit beträgt vorteilhafterweise 1 bis 15 Sekunden, höchst vorzugsweise 5 bis 10 Sekunden.
Dadurch wird eine ausreichende Reinigung der erhitzten Wand des Behälters 1 bewirkt. Die Teilchen, die daraus resultieren, erleiden einen Wärmeschock, und dies bewirkt ein weiteres Aufbrechen und ermöglicht sie, durch die Wasserströmung auszuwaschen.

Claims

Verfahren zur Vernichtung eines oder mehrerer pyrophorer Gase in einem Gasstrom, welches das Einleiten von vorgewärmter Dämpfungsluft in den Gasstrom und das Einleiten der vorerwärmten Dämpfungsluft und des Gasstroms in einen Behälter (1) umfasst, in welchem die pyrophoren Gase vernichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dämpfungsluft eine relative Feuchte von mindestens 50% hat.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Dämpfungsluft eine relative Feuchte von mindestens 90% hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorerwärmte Dämpfungsluft eine Temperatur von mindestens 300°C hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, bei welchem die vorerwärmte Dämpfungsluft eine Temperatur von 350°C bis 500°C hat.
Verfahren nach Anspruch 1, Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei der Gasstrom und die vorerwärmte Dämpfungsluft vor dem Einleiten in den Behälter (1) vermischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 4, 5 oder 6, wobei der Behälter (1), in welchem der Gasstrom und die vorerwärmte Dämpfungsluft eingeleitet werden, Heizmittel (5, 11) aufweist, um die erhöhte Temperatur der vorerwärmten Dämpfungsluft und folglich auch des Gasstroms zu halten und zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Heizmittel (5, 11) die Dämpfungsluft beheizen und die Form beheizter Rippen (11) haben, die neben der Zufuhr der Luft in den Behälter (1) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die Heizmittel (5, 11) die Innenseite des Behälters (1) beheizen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Heizmittel (5, 11) eine geheizte Hülse (11) umfassen, die in den Behälter (1) hineinragt und durch ein Heizgerät (5) zum Leiten von Wärme in den Bereich, in welchem die Dämpfungsluft zu Beheizen ist, erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 in Abhängigkeit von Anspruch 8, wobei ein Ende der Hülse (11) die beheizten Rippen (12) bildet.
Verfahren nach einen der Ansprüche 7 bis 11, wobei Wasser in den Behälter (1) eingesprüht wird, um den Aufbau von Feststoff oder teilchenförmigen Materialien auf den beheizten Innenoberflächen des Behälters (1) zu reduzieren, in welchem die pyrophoren Gase vernichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Wasser in einer Weise eingesprüht wird, die bewirkt, dass das Wasser auf die heiße, mit Feststoffen oder Teilchen bedeckte Oberfläche auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei das Wasser in Gestalt eines Sprühnebels (15) am oberen Ende des Behälters (1) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Wasser intermittierend eingesprüht wird.