TWI656237B - 用於直接電氣加熱流通式化學反應器之方法與裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於促進一化學反應之系統及方法。該系統可具有一導電部件。該導電部件能夠容納一化學混合物。該導電部件直接耦合至一電源且在該電源接通時經加熱。當一化學混合物處於該導電部件內且該電源接通時，該化學混合物經加熱，使得可發生一化學反應。

Description

用於直接電氣加熱流通式化學反應器之方法與裝置 相關申請案之交叉參考
此申請案主張2014年2月25日申請之美國專利申請案第14/189,649號之優先權，此申請案亦主張2014年2月14日申請之美國臨時專利申請案第61/956,189號之權益及優先權，該等案兩者皆由本申請案之受讓人所擁有且該等案之揭示內容以引用的方式全部併入本文中。
本發明大體上係關於在化學汽相沈積(CVD)及濕晶圓處理應用中採用之器件、系統及方法。特定言之，本發明係關於將一導電部件直接耦合至一電源以加熱導電部件，以便由安置於該導電部件內之一或多個化學物質產生一化學反應。
當製造半導體器件時，使用各種化學品。化學物質可用於蝕刻晶圓、清潔腔室及用於在半導體器件製造期間發生之無數其他操作中。
在半導體器件製造程序期間使用之諸多化學物質需經加熱。一個實例係臭氧過多之氣體。臭氧氣體可用於產生臭氧化去離子水，其可用於晶圓表面清潔、鈍化、自然氧化物移除及/或光阻劑之移除。將臭氧氣體釋放至環境中可係有害的，從而可期望破壞臭氧過多之氣體。熱之施加可導致臭氧氣體經破壞為氧。藉由將臭氧曝露至超過 250℃之溫度，可破壞臭氧氣體。藉由破壞臭氧氣體，可避免有害化學物質釋放至環境中。
在半導體器件之製造期間可需要加熱之其他化學物質係氟化合物，諸如CxFy、NF3、CHF3及SF6。其他氣體亦可需要加熱。
用於在半導體製造期間加熱化學物質之當前方法及裝置包含使用一加熱元件加熱一化學反應器。舉例而言，圖1係根據先前技術之用於破壞臭氧之一例示性系統100之一示意性表示。系統100包含一輸入110、一輸出115、一管120、一加熱元件130、一冷卻元件140及一控制單元150。在操作中，控制單元150將加熱元件130加熱至一所要溫度。因而，藉由元件130加熱通過化學輸入110引導至管120中之一化學物質(例如，臭氧)。一旦經加熱，化學物質流動通過冷卻元件140，冷卻元件140在化學物質經由輸出115離開系統前冷卻化學物質。
系統100之一個問題係可需焊接或以其他方式操縱(例如，彎曲)管120，從而導致至化學物質之熱分佈不均。另外，管120之部分可具有非所要冷凝堆積及死端，從而進一步促成不均熱分佈。
當前方法亦可具有一長於所要之加熱時間，此係歸因於(例如)藉由一加熱元件之存在導致之額外耐熱性。當前方法及裝置可為十分昂貴、大及/或沉重的，此係歸因於(例如)一加熱元件之大小、成本及/或重量。
另一問題係現存之熱反應器通常歸因於(例如)加熱元件無法經受具有一高腐蝕性之化學品而不具有良好耐化學性及/或無法在一系列化學物質上操作。不良耐化學性可導致一反應器之過早腐蝕。
當前方法之另一問題係對於臭氧破壞，由臭氧氣體變為氧之臭氧轉化率可為小於95%。
本發明包含加熱安置於一經加熱之導電部件(例如，一導電化學反應器)內之一化學混合物。藉由將化學反應器直接電耦合至一電源來加熱化學反應器。當開啟電源時，化學反應器用作關於安置於反應器內之化學混合物之一加熱元件。
本發明之一個優勢係化學物質之加熱、反應及封裝皆可使用相同結構組件(例如，導電部件)達成。藉由加熱化學反應器來加熱化學混合物允許一單獨加熱元件之消除。因而，本發明之另一優勢係減小之大小及/或成本。
本發明之其他優勢包含一更均勻熱分佈及一更短加熱時間。藉由消除在系統中產生額外電阻之加熱元件來達成此等優勢。本發明之另一優勢係系統已改良耐化學性及/或可在一系列化學物質上操作，此係因為僅化學反應器(且不係一單獨加熱元件)經受化學物質。本發明之另一優勢係對於臭氧破壞應用，由臭氧氣體變為氧之臭氧轉化率可大於95%，此係由於更均勻熱分佈及更快加熱時間。本發明之另一優勢係冷凝堆積之最小化，此係歸因於實質上經完全均勻加熱之化學反應器及藉由反應器之一個管設計消除之死體積。
在一項態樣中，本發明涉及一種促進一化學反應之方法。該方法涉及直接耦合一導電部件與一電源，該導電部件具有一內部區域，該內部區域經結構設計以實質上抵抗化學腐蝕且能夠將一化學混合物保持於其中。該方法亦涉及將該化學混合物提供至該導電部件之該內部區域。該方法亦涉及藉由控制施加至該導電部件之該電力以將該導電部件加熱至一預定溫度以引起該化學混合物內之一化學反應。
在一些實施例中，化學反應係臭氧破壞。在一些實施例中，該方法進一步涉及將該導電部件加熱至大於200攝氏度之一預定溫度。在一些實施例中，基於該化學混合物、導電部件之類型或其等之任何組合來選擇該預定溫度。
在一些實施例中，該方法涉及冷卻該導電部件之一區段以在該化學混合物離開該導電部件後旋即冷卻該化學混合物。在一些實施例中，該導電部件係一金屬管。在一些實施例中，該導電部件係導電及導熱之一單一結構。
在另一態樣中，本發明涉及用於促進一化學反應之一系統。該系統包含一金屬管，該金屬管實質上抵抗化學腐蝕且能夠將一化學混合物保持於其中，該金屬管具有一第一區段及一第二區段。該系統亦包含直接電耦合至該金屬管之一電源，該電源經結構設計以加熱該金屬管之該第一區段。該系統亦包含電耦合至該電源之一控制器，該控制器控制至該金屬管之電力，使得當該化學混合物流動至該金屬管中時，該化學混合物經加熱以引起該化學混合物內之一化學反應。
在一些實施例中，藉由將一或多個電線沿著該金屬管之該第一區段連接至該金屬管來耦合該電源與金屬管。在一些實施例中，藉由將電力直接感應至該金屬管中來耦合該電源與該金屬管。在一些實施例中，該金屬管經結構設計以完成一變壓器之一次級繞組。在一些實施例中，藉由渦電流執行直接感應。
在一些實施例中，該系統包含沿著該金屬管之一第二區段連接至該金屬管之一冷卻區段。
在一些實施例中，該金屬管之該第二區段相對於一線圈狀金屬管而定位，該線圈狀金屬管具有流動通過其之冷卻劑，使得該金屬管之該第二區段經冷卻。
在一些實施例中，該系統包含該金屬管之該第一區段之一經加熱區段，該經加熱區段連接至該金屬管之該第二區段且與該金屬管之第一部分之一入口流體連接，使得來自該金屬管之該第一區段之該經加熱區段之熱加熱進入該金屬管之該第一部分之該化學混合物。
在一些實施例中，該金屬管之長度多達15公尺。在一些實施例 中，該金屬管之該第一區段、該金屬管之該第二區段或兩者皆具有一線圈形狀。在一些實施例中，該電源係一變壓器。在一些實施例中，該變壓器具有在該變壓器之一次級側上之10個迴路。
在一些實施例中，該電源係一DC源。在一些實施例中，該電源係一切換式電源供應器。在一些實施例中，該電源係一受控源。
100‧‧‧系統
110‧‧‧輸入/化學輸入
115‧‧‧輸出
120‧‧‧管
130‧‧‧加熱元件/元件
150‧‧‧控制單元
200‧‧‧系統
210‧‧‧控制器
220‧‧‧電源
230‧‧‧導電部件
240a‧‧‧電連接器
240b‧‧‧電連接器
250‧‧‧流體輸入/導電部件
260‧‧‧流體輸出
270‧‧‧溫度感測器
300‧‧‧系統/導電部件
310‧‧‧第一部分/第二部分
320‧‧‧第二部分
325‧‧‧冷卻管
327‧‧‧入口
329‧‧‧出口
330‧‧‧入口
335‧‧‧電源
340‧‧‧出口
345‧‧‧控制器
350a‧‧‧電連接器
350b‧‧‧電連接器
360‧‧‧溫度感測器
500‧‧‧系統
510‧‧‧AC電源/電源
540‧‧‧變壓器核心
550‧‧‧電連接
561‧‧‧流體輸入
562‧‧‧流體輸出
563‧‧‧導電部件
570‧‧‧電連接
580‧‧‧磁通量
590‧‧‧溫度感測器
591‧‧‧溫度控制器
可藉由結合隨附圖式參考以下描述來更好理解上文描述之本發明之優勢連同進一步優勢。圖式不必按比例，而通常替代地強調繪示本發明之原理。
圖1係根據先前技術之用於破壞臭氧之一例示性系統之一示意性表示。
圖2係根據本發明之一闡釋性實施例之用於促進一化學反應之一系統之一示意性表示。
圖3係根據本發明之一闡釋性實施例之用於促進一化學反應之一系統之示意性表示。
圖4係根據本發明之一闡釋性實施例之促進一化學反應之一方法之一流程圖。
圖5係根據本發明之一闡釋性實施例之用於促進一化學反應之一系統之一示意性表示。
一般言之，本發明包含直接耦合一導電部件(例如，一金屬管)與一電源。導電部件能夠將一化學混合物保持於其中。電源施加電力至導電部件。導電部件由於所施加電力而加熱。導電部件具有允許一化學混合物流動通過之一內部區域。
當一化學混合物安置於導電部件之內部區域內且施加電力時，在導電部件中產生之熱傳送至化學混合物以導致化學混合物經加熱。 導電部件之一部分可經冷卻。導電部件之經冷卻部分可冷卻流動通過導電部件之化學混合物。在一項實施例中，可在化學混合物已經加熱後冷卻化學混合物。
導電部件可為一金屬管。金屬管可經細分為第一部分及一第二部分。第一部分直接耦合至一電源。當電源開啟時，其直接加熱金屬管之第一部分。金屬管之第二部分藉由一冷卻劑冷卻。金屬管由實質上抵抗化學腐蝕之一材料(例如，合金625)形成。
在一些實施例中，一夾鉗直接電連接至金屬管。夾鉗與金屬管之間的一接觸表面可經定位及定大小，使得最小化過渡電阻。夾鉗可經冷卻，使得若金屬管經完全加熱，則夾鉗可在其規定溫度範圍內操作。在一些實施例中，藉由液體冷卻(例如，水、油)、空氣冷卻(對流冷卻)或其等之任何組合來冷卻夾鉗。
圖2係根據本發明之一闡釋性實施例之用於促進一化學反應之一系統200之一示意性表示。系統200包含一控制器210、一電源220、一導電部件230、一或多個電連接器240a、240b(一般言之，240)、一溫度感測器270、至導電部件之一流體輸入250及至導電部件之一流體輸出260。
控制器210可與電源220及溫度感測器270連通。在一些實施例中，控制器210係一恆溫器。在一些實施例中，藉由控制器210將電源220控制至基於來自溫度感測器270之量測之一溫度設定點。溫度感測器270可為可量測導電部件250之溫度之此項技術中已知之任何溫度感測器。在一些實施例中，不存在溫度感測器270。
在一些實施例中，電源220包含一變壓器。在一些實施例中，變壓器具有在其次級側上之10個迴路。在各種實施例中，變壓器係一升壓變壓器、一降壓變壓器或一中性變壓器。在各種實施例中，電源係一DC源或一切換式電源供應器。
電源220經由電連接器240電連接至導電部件230。在一些實施例中，導電部件230係一管。在一些實施例中，導電部件230係線圈形狀。在一些實施例中，導電部件230具有多達幾公尺之一長度。在一些實施例中，導電部件230之長度取決於一所要流體流動範圍及在出口處之所要臭氧濃度。
在一些實施例中，導電部件230之一直徑取決於部件之操作條件。在一些實施例中，導電部件230具有多達兩英吋之一直徑。
在一些實施例中，導電部件230係金屬的。在一些實施例中，導電部件230係在施加電力時經加熱之任何金屬。在一些實施例中，導電部件230係導熱及導電的(例如，21℃，約9.8W/m*℃且約130*10-6Ohm*cm)。在一些實施例中，導電部件230可在存在多達1000℃之溫度之情況下維持其形態。在一些實施例中，導電部件230在存在HF之情況下實質上抵抗腐蝕。
在一些實施例中，電連接器240係幾公分長。在一些實施例中，電連接器240係幾公尺長。在一些實施例中，電連接器240具有低於導電部件230之電阻之一電阻。在一些實施例中，電連接器240之電阻取決於電連接器240之長度、直徑及/或材料。在一些實施例中，電連接器240由銅製成。在各種實施例中，電連接器240可由具有比金屬管(例如，鋁、銀、金)之導電性高的導電性之一材料構成。
導電部件250經由至導電部件之流體輸入250與一化學源(未展示)進行流體連通。在一些實施例中，化學源係一臭氧源。在一些實施例中，化學源提供一化學混合物。在一些實施例中，化學源提供一單一化學品。
導電部件250經由至導電部件之流體輸出260與一出口(未展示)進行流體連通。
在操作期間，一化學混合物經輸入至導電部件250。電源220施 加一電壓至導電部件250。導電部件250加熱，因此化學混合物加熱。
在一些實施例中，導電部件230包含一第一部分及一第二部分。圖3係根據本發明之一闡釋性實施例之用於促進一化學反應之一系統300之示意性表示。系統300包含具有一第一部分310及一第二部分320之一導電部件300、一冷卻管325、一電源335、一溫度感測器360、一控制器345及兩個電連接器350a、350b。
導電部件300包含一第一部分310、一第二部分320、一入口330及一出口340。
第一部分310係能夠接收來自入口330處之一化學品之一線圈狀管。第一部分310經由兩個電連接器350a、350b電連接至電源335。第一部分耦合至溫度感測器360。溫度感測器360及電源335皆耦合至控制器345。控制器345基於溫度感測器360設定用於電源之一電力設定點。在一些實施例中，不存在溫度感測器360。
第一部分310與第二部分320進行流體連通。第二部分320係能夠接收第一部分310之輸出之一線圈狀管。
第二部分320經圍封於冷卻管325內。冷卻管325能夠在一入口327處接收冷卻水，使得一冷卻劑圍繞第二部分320之一外部流動。冷卻水在一出口329處離開冷卻管325。第二部分320能夠在出口340處釋放化學混合物。
在一些實施例中，第一部分310被一絕緣材料包圍。在一些實施例中，絕緣材料被鋁包圍。在一些實施例中，第一部分310係1公尺長。在一些實施例中，第二部分310係1公尺長。
圖4係根據本發明之一闡釋性實施例之促進一化學反應之一方法之一流程圖400。該方法涉及直接電耦合一導電部件與一電源(步驟410)。舉例而言，如在圖2中展示，導電部件230直接耦合至電源220，使得電源220與導電部件230之間無其他組件。
在一些實施例中，電源提供230V AC。在一些實施例中，電源提供取決於導電部件之一所要溫度之一電力。該方法亦涉及提供一化學混合物至導電部件之一內部區域(步驟420)。舉例而言，如在圖2中展示，至導電部件之一流體輸入250能夠接收一化學混合物。在一些實施例中，化學混合物係臭氧、HF或其等之任何組合。
該方法亦涉及判定導電部件之一預定溫度(步驟430)。在一些實施例中，預定溫度取決於所要化學反應。舉例而言，對於破壞臭氧之一所要化學反應，預定溫度係約350℃。在各種實施例中，預定溫度取決於化學混合物、化學混合物之體積、導電部件之材料類型、導電部件之大小、導電部件之形狀或其等之任何組合(例如，一較短管可需要一較高溫度)。
該方法亦涉及判定導電部件應被加熱之一持續時間(步驟440)。持續時間可取決於化學混合物、化學混合物之體積、導電部件之材料類型、導電部件之大小、導電部件之形狀、流速或其等之任何組合。舉例而言，對於一低流速，加熱與非加熱時間關係可為50：50。流速之一增大可導致加熱時間之一增大。流速之一減小可導致加熱時間之一減小。
該方法亦涉及在持續時間內將導電部件加熱至預定溫度(步驟450)。舉例而言，如在圖2中展示，一電源220直接電耦合至導電部件230，其間無一加熱元件。電源220傳輸足以導致導電部件230加熱至所要溫度之電力至導電部件230。導電部件230保持化學混合物以給化學混合物提供一化學反應器且亦提供熱至化學混合物。不需電源與化學反應器之間的一單獨加熱元件來加熱化學混合物。
在一些實施例中，該方法亦涉及冷卻導電部件之一部分(步驟460)，使得化學混合物經冷卻。化學混合物可經冷卻至一所要溫度。化學混合物之所要溫度可基於化學混合物、化學混合物之體積、導電 部件之材料類型、導電部件之大小、導電部件之形狀或其等之任何組合。在一些實施例中，所要溫度之一下限取決於避免導電部件內之冷凝之化學混合物之一露點。在一些實施例中，所要溫度之一上限取決於至一排氣系統之廢氣經釋放之一可接受溫度位準。
在一些實施例中，導電部件之部分藉由水冷卻而冷卻。在各種實施例中，導電部件之部分藉由空氣冷卻、液體冷卻(例如，藉助油)、藉助熱交換器或其等之任何組合而冷卻。
圖5係根據本發明之一闡釋性實施例之用於促進一化學反應之一系統500之一示意性表示。系統500包含一溫度控制器591、一溫度感測器590、一AC電源510、一電連接550、一變壓器核心540、具有一流體輸入561及一流體輸出562之一導電部件563及一電連接570。
電源510與電連接550及溫度控制器591進行連通。電連接550圍繞變壓器核心540繞線以完成一初級變壓器繞組。導電部件563圍繞變壓器核心540繞線以完成一次級變壓器繞組。
溫度控制器591與AC電源510及溫度感測器590進行連通。在一些實施例中，溫度控制器591係一恆溫器。在一些實施例中，藉由溫度控制器591將AC電源510控制至基於來自溫度感測器590之量測之一溫度設定點。溫度感測器590可為可量測導電部件563之溫度之此項技術中已知之任何溫度感測器。在一些實施例中，不存在溫度感測器590。
在操作期間，一化學混合物經輸入至導電部件563。AC電源510提供一平均電壓(例如，208伏特)至電連接550以對變壓器核心540上之初級變壓器繞組進行供電。電連接550在變壓器核心540內產生一磁通量580。磁通量580在導電部件563中誘發一電流(例如，50安培)，導電部件563亦操作為變壓器之次級繞組。導電部件563可操作為一低導電電路。一般技術者將明白，初級繞組對次級繞組之比可經調整以 在導電部件563中誘發一所要電流。
電連接570使導電部件563短路。因此，進入流體輸入561之一未加熱化學混合物在導電部件563內經加熱且經由流體輸出562離開導電部件563。在一些實施例中，流體輸出562係用於一未加熱化學混合物之一輸入且流體輸入561係用於經加熱化學混合物之一輸出。
在一些實施例中，藉由AC電源510供應之平均電壓取決於導電部件563之所要溫度及/或導電性以及變壓器之初級變壓器繞組、電連接550與次級變壓器繞組、導電部件563之間的匝數比。舉例而言，對於臭氧解構，導電部件內之所要溫度係約350℃。
雖然已參考特定實施例特定展示及描述本發明，但熟習此項技術者應理解，可在不脫離如藉由隨附申請專利範圍定義之本發明之精神及範疇之情況下在本發明中作出形式及細節中之各種改變。

Claims (25)

  1. 一種促進一化學反應之方法，該方法包括：直接耦合一導電部件與一電源，該導電部件具有一內部區域，該內部區域經結構設計以抵抗化學腐蝕且能夠將一化學混合物保持於其中；將該化學混合物提供至該導電部件之該內部區域；且藉由控制施加至該導電部件之電力而將該導電部件加熱至一預定溫度以引起該化學混合物內之一化學反應，其中該化學反應係臭氧破壞。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括將該導電部件加熱至大於200攝氏度之一預定溫度。
  3. 如請求項2之方法，基於該化學混合物、該導電部件之類型或其等之任何組合來選擇該預定溫度。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包括冷卻該導電部件之一區段以在該化學混合物離開該導電部件後旋即冷卻該化學混合物。
  5. 如請求項1之方法，其中該導電部件係一金屬管。
  6. 如請求項1之方法，其中該導電部件係導電及導熱之單一結構。
  7. 一種用於促進一化學反應之系統，該系統包括：一金屬管，其抵抗化學腐蝕且能夠將一化學混合物保持於其中，該金屬管具有一第一區段及一第二區段；一電源，其藉由將電力直接感應至該金屬管中來直接電耦合至該金屬管，該電源經結構設計以加熱該金屬管之該第一區段；一控制器，其電耦合至該電源，該控制器控制至該金屬管之電力，使得當該化學混合物流動至該金屬管中時，該化學混合物經加熱以引起該化學混合物內之一化學反應。
  8. 如請求項7之系統，其中藉由沿著該金屬管之該第一區段將一或多個電線連接至該金屬管來耦合該電源與該金屬管。
  9. 如請求項7之系統，其中該金屬管經結構設計以完成一變壓器之一次級繞組。
  10. 如請求項7之系統，其中直接感應係藉由渦電流執行。
  11. 如請求項7之系統，其進一步包括沿著該金屬管之一第二區段連接至該金屬管之一冷卻區段。
  12. 如請求項11之系統，其中該金屬管之該第二區段相對於一線圈狀金屬管而定位，該線圈狀金屬管具有流動通過其之冷卻劑，使得該金屬管之該第二區段經冷卻。
  13. 如請求項11之系統，其中連接至該金屬管之該第二區段之該金屬管之該第一區段之一經加熱區段與該金屬管之第一部分之一入口進行流體連接，使得來自該金屬管之該第一區段之該經加熱區段之熱加熱進入該金屬管之該第一部分之該化學混合物。
  14. 如請求項7之系統，其中該金屬管之長度多達15公尺。
  15. 如請求項7之系統，其中該金屬管之該第一區段、該金屬管之該第二區段或兩者皆具有一線圈形狀。
  16. 如請求項7之系統，其中該電源係一變壓器。
  17. 如請求項16之系統，其中該變壓器具有在該變壓器之一次級側上之10個迴路。
  18. 如請求項7之系統，其中該電源係一DC源。
  19. 如請求項7之系統，其中該電源係一切換式電源供應器。
  20. 如請求項7之系統，其中該電源係一受控源。
  21. 如請求項7之系統，其中該金屬管之溫度受到控制。
  22. 如請求項7之系統，其中該溫度控制係一閉合迴路控制。
  23. 如請求項17之系統，其進一步包括一恆溫器，其與該變壓器連接，使得該恆溫器控制該變壓器以將電力供應至該金屬管以導致該金屬管加熱至該所要溫度。
  24. 一種破壞臭氧之方法，該方法包括：直接耦合一導電部件與一電源，該導電部件具有一內部區域，該內部區域經結構設計以抵抗臭氧腐蝕且能夠將臭氧保持於其中；將該臭氧提供至該導電部件之該內部區域中；且藉由控制施加至該導電部件之電力而將該導電部件之一第一區段加熱至一預定溫度以導致該臭氧被破壞。
  25. 一種用於破壞臭氧之系統，該系統包括：一金屬管，其抵抗化學腐蝕且能夠將臭氧保持於其中，該金屬管具有一第一區段及一第二區段；一電源，其直接電耦合至該金屬管，該電源經結構設計以加熱該金屬管之該第一區段；一控制器，其電耦合至該電源，該控制器控制至該金屬管之電力，使得當臭氧流動至該金屬管中時，該臭氧經加熱以導致該臭氧破壞。
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