TWI841035B - 半導體製程還原劑添加系統與方法 - Google Patents
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Abstract
一種半導體製程還原劑添加系統，包括處理前與後的氣體濃度檢測裝置、製程尾氣處理裝置、還原劑供應裝置以及添加系統控制裝置。處理前氣體濃度檢測裝置用以檢測所述半導體製程尾氣中的多種製程氣體的處理前濃度。製程尾氣處理裝置用以對半導體製程尾氣進行淨氣並排放處理後氣體。還原劑供應裝置用以供應還原劑氣體到製程尾氣處理裝置內。處理後氣體濃度檢測裝置用以檢測處理後氣體中的多種製程氣體的處理後濃度以及還原劑氣體的殘留濃度。添加系統控制裝置用以根據處理前與處理後濃度計算出多種製程氣體的去除處理效率，並根據去除處理效率與所述殘留濃度，對還原劑供應裝置發送控制訊號，以控制還原劑氣體的添加量。
Description
本發明是有關於一種半導體製程的尾氣處理裝置，且特別是有關於一種半導體製程還原劑添加系統與方法。
半導體的製造基本上是由矽晶圓開始，經過一連串製程步驟，包括光學顯影、化學氣相沉積、離子植入、蝕刻、化學與機械研磨等製程，在這些製程中通常會使用到大量的化學成分進行分子的解離與結合，因此在半導體製程完成每一次的流程後，將會產生大量的製程化學殘氣。這些氣體若未經處理而排放，將會對大氣環境與人體健康造成極大傷害，因此需要利用製程氣體處理設備將其消除。
目前已知可藉由還原劑的添加，提高製程氣體處理設備的處理效率。然而，因為難以對還原劑的流量進行即時控制，因此，無法精準地維持設備的處理效率，且容易造成還原劑的排放濃度過高，而違反還原劑使用的安全規範標準。
本發明提供一種半導體製程氣體還原劑的添加系統與方法，可同時處理包含多種製程氣體的半導體製程尾氣，並改善現有製程氣體處理設備對於製程氣體的處理效率，同時可以監控還原劑的流量，避免造成過多的還原劑殘留。
本發明的半導體製程還原劑添加系統，以控制用於半導體製程尾氣的還原劑的添加量，所述添加系統包括處理前氣體濃度檢測裝置、製程尾氣處理裝置、還原劑供應裝置、處理後氣體濃度檢測裝置以及添加系統控制裝置。所述處理前氣體濃度檢測裝置用以檢測所述半導體製程尾氣中的多種製程氣體的處理前濃度。所述製程尾氣處理裝置用以對所述半導體製程尾氣進行淨氣並排放處理後氣體。所述還原劑供應裝置用以供應還原劑氣體到所述製程尾氣處理裝置內。所述處理後氣體濃度檢測裝置用以檢測所述處理後氣體中的所述多種製程氣體的處理後濃度以及所述還原劑氣體的殘留濃度。所述添加系統控制裝置用以根據所述處理前濃度與所述處理後濃度計算出所述多種製程氣體的去除處理效率(destruction and removal efficiencies，DRE)，並根據所述去除處理效率與所述還原劑氣體的所述殘留濃度，對所述還原劑供應裝置發送控制訊號，以控制所述還原劑氣體的添加量。
本發明的半導體製程還原劑添加方法，包括檢測半導體製程尾氣中的多種製程氣體進入製程尾氣處理裝置的處理前濃
度；使用所述製程尾氣處理裝置對所述半導體製程尾氣進行淨氣，其中所述製程尾氣處理裝置內添加有還原劑氣體；檢測從所述製程尾氣處理裝置排出的處理後氣體中的所述多種製程氣體的處理後濃度以及所述還原劑氣體的殘留濃度；以及根據所述處理前濃度與所述處理後濃度計算出所述多種製程氣體的去除處理效率(DRE)，並根據所述去除處理效率與所述還原劑氣體的所述殘留濃度，決定所述還原劑氣體的添加量。
為讓本發明的上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100:半導體製程反應腔
102、104、122:流量控制器(MFC)
106:製程氣體控制器
108:泵
110:半導體製程還原劑添加系統
112:處理前氣體濃度檢測裝置
114:製程尾氣處理裝置
116:還原劑供應裝置
118:處理後氣體濃度檢測裝置
120:添加系統控制裝置
124:還原劑氣體控制器
200:顯示面板
202:濃度顯示區域
204:製程氣體處理效率顯示區域
206:風量顯示區域
208:條件設定區域
300、302、304、306、308、310、312、404、408:步驟
400、402、406:決定條件
CM:系統通訊模組
G1:第一製程氣體鋼瓶
G2:第二製程氣體鋼瓶
G3:還原劑氣體鋼瓶
圖1是依照本發明的第一實施例的一種半導體製程還原劑添加系統的方塊示意圖。
圖2是第一實施例的半導體製程還原劑添加系統中的顯示面板的示意圖。
圖3是依照本發明的第二實施例的一種半導體製程還原劑的添加步驟圖。
圖4是依照本發明的第三實施例的一種半導體製程還原劑的添加步驟圖。
圖5A是實驗例1的製程氣體的去除處理效率與還原劑流量之間的關係曲線圖。
圖5B是實驗例1的還原劑殘留濃度與還原劑流量之間的關係曲線圖。
圖6A是實驗例2的製程氣體的去除處理效率與還原劑流量之間的關係曲線圖。
圖6B是實驗例2的還原劑殘留濃度與還原劑流量之間的關係曲線圖。
圖7A是實驗例3的製程氣體的去除處理效率與還原劑流量之間的關係曲線圖。
圖7B是實驗例3的還原劑殘留濃度與還原劑流量之間的關係曲線圖。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種半導體製程還原劑添加系統的方塊示意圖。
請參照圖1，第一實施例的半導體製程還原劑添加系統110是用來控制用於半導體製程尾氣的還原劑的添加量。舉例來說，使用兩種製程氣體進行半導體製程的話，會分別從第一製程氣體鋼瓶G1與第二製程氣體鋼瓶G2供應製程氣體至半導體製程反應腔100，並且會通過製程氣體控制器106控制流量控制器(MFC)102與104，來決定兩種製程氣體進入半導體製程反應腔100的流量；然後在半導體製程完成後的半導體製程尾氣會通過泵108進入半導體製程還原劑添加系統110。圖1雖然只顯示兩種製
程氣體，但應知本發明可應用於使用兩種或超過兩種的製程氣體的半導體製程，而不侷限於圖1中的裝置。
請繼續參照圖1，本實施例的半導體製程還原劑添加系統110基本上包括處理前氣體濃度檢測裝置112、製程尾氣處理裝置114、還原劑供應裝置116、處理後氣體濃度檢測裝置118以及添加系統控制裝置120。所述處理前氣體濃度檢測裝置112用以檢測所述半導體製程尾氣中的多種製程氣體的處理前濃度，其中處理前氣體濃度檢測裝置112例如氣體感測器(gas sensor)或傅立葉紅外線光譜儀(FTIR)。所述製程尾氣處理裝置114則用以對所述半導體製程尾氣進行淨氣並排放處理後氣體，其中製程尾氣處理裝置114可為滌氣器(scrubber)。所述還原劑供應裝置116是用來供應還原劑氣體到所述製程尾氣處理裝置114內，其中還原劑供應裝置116可包含但不限於還原劑氣體鋼瓶G3、還原劑氣體控制器124與流量控制器(MFC)122。還原劑氣體控制器124可接受從添加系統控制裝置120發出的控制訊號，並控制流量控制器122，來決定還原劑氣體進入製程尾氣處理裝置114內的流量。所述處理後氣體濃度檢測裝置118則是用來檢測從製程尾氣處理裝置114排放出的處理後氣體，並得到所述處理後氣體中的多種製程氣體的處理後濃度以及還原劑氣體的殘留濃度，其中處理後氣體濃度檢測裝置118例如氣體感測器(gas sensor)或傅立葉紅外線光譜儀(FTIR)。舉例來說，本實施例中有兩種製程氣體以及還原劑氣體，則可得到兩種製程氣體的處理後濃度以及還原劑氣體
的殘留濃度。
在圖1中，添加系統控制裝置120用以根據所述處理前濃度與所述處理後濃度計算出所述多種製程氣體的去除處理效率(destruction and removal efficiencies，DRE)，並根據去除處理效率與還原劑氣體的殘留濃度，對所述還原劑供應裝置116發送控制訊號，以控制還原劑氣體的添加量。
所述去除處理效率可由以下的公式(1)表示：DRE=1-(Cout/Cin)(Qout/Qin) (1)
在公式(1)中，DRE是指製程氣體處理效率，Cout是所述處理後濃度，Cin是所述處理前濃度，Qout是所述製程尾氣處理裝置114的出口風量，Qin是所述製程尾氣處理裝置114的入口風量。Qin與Qout可由使用者輸入或者經由量測得到。
在一實施例中，所述添加系統控制裝置120可在所述還原劑氣體的殘留濃度超過設定值，發送一控制訊號至還原劑供應裝置116，以使還原劑氣體的流量調降至系統設定初始值。
所述多種製程氣體的所述去除處理效率各自具有設定值與目標範圍，其中所述設定值為所述目標範圍的下限值。在一實施例中，在所述多種製程氣體的所有去除處理效率都到達所述設定值，且其中至少一種所述製程氣體的去除處理效率超越上述目標範圍的上限值時，添加系統控制裝置120會發送一控制訊號至還原劑供應裝置116，調降所述還原劑氣體的流量。在另一實施例中，在所述多種製程氣體的所有去除處理效率都到達設定值，且
其中至少一種製程氣體的去除處理效率低於所述設定值時，添加系統控制裝置120會發送一控制訊號至還原劑供應裝置116，以提高所述還原劑氣體的添加量。
請再度參照圖1，半導體製程還原劑添加系統110還可包括系統通訊模組CM，與處理前氣體濃度檢測裝置112、處理後氣體濃度檢測裝置118以及添加系統控制裝置120(的還原劑氣體控制器124)進行通訊。上述系統通訊模組CM還可與製程氣體控制器106進行通訊，以反饋處理前氣體濃度的數值，使製程氣體控制器106對多種製程氣體進入半導體製程反應腔100的流量進行調控。透過系統通訊模組CM的建立，添加系統控制裝置120可以對系統內的組件進行訊號的接收與命令，來達成系統的功能與目的。另外，系統通訊模組CM的建立，也可以將硬體或是軟體的通訊格式做統一，方便未來系統的應用與功能的擴充。舉例來說，通訊格式可根據控制裝置為Modbus、Ethercat、Ethernet等；硬體格式可根據控制裝置為RJ45、RS232、RS485等。然而，本發明並不限於此。
另外，在第一實施例的半導體製程還原劑添加系統110中還可具有如圖2所示的顯示面板200，其可裝設於添加系統控制裝置120，供使用者得到即時資訊。
請參照圖2，假設製程氣體為NF3與N2O、還原劑氣體為CH4，則顯示面板200可具有顯示隨時間變化的NF3與N2O處理前濃度、NF3與N2O處理後濃度與還原劑氣體CH4的殘留濃度的
濃度顯示區域202以及製程氣體處理效率顯示區域204，其中濃度顯示區域202內以曲線圖表示，但也可改為數字模式或者同時顯示曲線圖與數字。此外，顯示面板200還可具有顯示製程尾氣處理裝置(114)的出口風量以及入口風量的風量顯示區域206。同時，顯示面板200還可具有顯示多種製程氣體的去除處理效率的目標範圍與還原劑氣體的殘留濃度的設定值的條件設定區域208，其中的數值範圍均可根據使用者需求做調整。此外，顯示面板200也可省略部份資訊；或者另外顯示其它資訊，如圖2中的取樣頻率、還原劑(氣體)的添加頻率、流量等。
圖3是依照本發明的第二實施例的一種半導體製程還原劑的添加步驟圖。
在步驟300中，檢測半導體製程尾氣中的多種製程氣體進入製程尾氣處理裝置的處理前濃度。製程氣體為兩種以上，且檢測裝置例如氣體感測器或傅立葉紅外線光譜儀(FTIR)。
在步驟302中，使用如第一實施例中的製程尾氣處理裝置114對半導體製程尾氣進行淨氣，其中所述製程尾氣處理裝置內添加有還原劑氣體。
在步驟304中，檢測從所述製程尾氣處理裝置排出的處理後氣體中的所述多種製程氣體的處理後濃度；以及在步驟306中檢測所述還原劑氣體的殘留濃度。前述檢測步驟所用的裝置例如氣體感測器或傅立葉紅外線光譜儀(FTIR)。
在步驟308中，根據步驟300中測得的處理前濃度與步
驟304中測得的所述處理後濃度，計算出所述多種製程氣體的去除處理效率(DRE)，其中DRE可由第一實施例中的公式(1)表示，故不再贅述。
然後，根據步驟308中得到的去除處理效率與步驟306中測得的還原劑氣體的殘留濃度進行步驟310，以決定所述還原劑氣體的添加量。
在步驟312中，根據步驟310的結果來添加還原氣體。也就是說，當步驟310中決定要調降還原劑氣體的流量，則添加還原氣體時提供給淨氣步驟(302)的流量會降低；相反地，當步驟310中決定要提高還原劑氣體的添加量，則添加還原氣體時提供給淨氣步驟(302)的流量會增加。而且第二實施例的整個步驟300至310可即時量測，如按秒量測各種濃度值並根據步驟310的結果，即時或按時添加還原劑氣體。
圖4是依照本發明的第三實施例的一種半導體製程還原劑的添加步驟圖，其中的步驟300至308與第二實施例相同，可直接參照第二實施例的內容。至於步驟310則有更詳細的流程。
請參照圖4，在步驟400中，若是多種製程氣體(第一至第N種製程氣體，N大於1)的所有去除處理效率(DRE)都到達設定值，則進行步驟402來決定後續處理方式；若是多種製程氣體中至少有一種的去除處理效率未達所述設定值，則進行步驟408。在本實施例中，所述多種製程氣體的所述去除處效率各自具有上述設定值與目標範圍，其中設定值為所述目標範圍的下限值。
在步驟402中，若是多種製程氣體中至少有一種的去除處理效率超過上限值，則進行步驟404；若是多種製程氣體的去除處理效率都沒有超過上限值，則回到步驟312，無需調整還原劑氣體的流量，直接添加還原氣體。
在步驟404中，得到調降還原劑氣體的流量的決定，並根據此決定進行步驟312，調降還原劑氣體的流量，並添加還原氣體。
在步驟406中，若是還原劑氣體的殘留濃度超過設定值，則進行步驟404，且於一實施例中，將還原劑氣體的流量調降至系統設定初始值；若是還原劑氣體的殘留濃度沒有超過設定值，則回到步驟312，無需調整還原劑氣體的流量，直接添加還原氣體。
在步驟408中，得到增加還原劑氣體的添加量的決定，並根據此決定進行步驟312，增加還原劑氣體的流量，以添加還原氣體。
以下列舉實驗來說明本發明的系統的運作方式，但本發明並不侷限於以下的內容。
〈實驗例1〉
在實驗例1中，製程氣體為NF3與N2O、還原劑氣體為CH4，NF3的去除處理效率的設定值是85%、N2O的去除處理效率的設定值是70%且CH4的殘留濃度的設定值是4000ppm。使用如圖1的系統，並且設定製程尾氣處理裝置114的腔體溫度為570℃進行淨氣。經過一段時間得到圖5A與圖5B。
圖5A是製程氣體的去除處理效率與還原劑流量之間的關係曲線圖。圖5B是還原劑殘留濃度與還原劑流量之間的關係曲線圖。從圖5A與圖5B可得到，在製程氣體NF3與N2O的去除處理效率都未達設定值，且還原劑殘留濃度未超過4000ppm的設定值的條件下，還原劑流量持續增加，如圖5A左邊的箭頭。而且，當製程氣體NF3與N2O的去除處理效率都達設定值，且N2O的去除處理效率超過上限值85%時，調降還原劑流量，如圖5A右邊的箭頭，以達到節能效果。
〈實驗例2〉
採用與實驗例1相同的條件，但製程尾氣處理裝置114的腔體溫度改為540℃進行淨氣。經過一段時間得到圖6A與圖6B。
圖6A是實驗例2的製程氣體的去除處理效率與還原劑流量之間的關係曲線圖。圖6B是實驗例2的還原劑殘留濃度與還原劑流量之間的關係曲線圖。從圖6A可得到，當製程氣體NF3的去除處理效率達設定值，但N2O的去除處理效率未達設定值時(如圖6A的箭頭標示)，增加還原劑氣體的流量。然而，從圖6B發現，還原劑氣體的殘留濃度超過4000ppm的設定值，需要將還原劑氣體的流量調降至系統設定初始值4LPM再次循環，但是對照圖6A會發現調降還原劑氣體的流量的時點，N2O的去除處理效率仍未達設定值。
因此從實驗例2發現，在殘留濃度為4000ppm的嚴苛條
件下，製程尾氣處理裝置114的腔體溫度設在540℃可能無法達到系統的平衡，因此可能需要調高上述腔體溫度或是放大還原劑氣體的殘留濃度的排放標準。
〈實驗例3〉
採用與實驗例2相同的條件，但將還原劑氣體CH4的殘留濃度的設定值改為10000ppm。經過一段時間得到圖7A與圖7B。
圖7A是實驗例3的製程氣體的去除處理效率與還原劑流量之間的關係曲線圖。圖7B是實驗例3的還原劑殘留濃度與還原劑流量之間的關係曲線圖。
從圖7A可得到，當製程氣體NF3的去除處理效率達設定值，但N2O的去除處理效率未達設定值時，還原劑流量持續增加，如圖7A左邊的箭頭標示。
從圖7B可得到，當還原劑氣體的殘留濃度超過10000ppm的設定值，如圖7B的箭頭標示，需要將還原劑氣體的流量調降至系統設定初始值4LPM再次循環。
而且，從圖7A發現，製程尾氣處理裝置114中的還原劑氣體與製程氣體的反應隨時間增加會逐漸提高去除處理效率，使系統中的還原劑流量(即還原劑氣體添加量)逐漸穩定，從而使系統達到平衡。
綜上所述，本發明的半導體製程還原劑添加系統與方法，能提高製程尾氣處理裝置中的製程氣體之去除處理效率並避免過多的還原劑殘留，使還原劑的殘留濃度維持至安全規範，以
達到節能與安全的效果。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:半導體製程反應腔
102、104、122:流量控制器(MFC)
106:製程氣體控制器
108:泵
110:半導體製程還原劑添加系統
112:處理前氣體濃度檢測裝置
114:製程尾氣處理裝置
116:還原劑供應裝置
118:處理後氣體濃度檢測裝置
120:添加系統控制裝置
124:還原劑氣體控制器
CM:系統通訊模組
G1:第一製程氣體鋼瓶
G2:第二製程氣體鋼瓶
G3:還原劑氣體鋼瓶
Claims (16)
- 一種半導體製程還原劑添加系統，以控制用於半導體製程尾氣的還原劑的添加量，所述添加系統包括：處理前氣體濃度檢測裝置，用以檢測所述半導體製程尾氣中的多種製程氣體的處理前濃度；製程尾氣處理裝置，用以對所述半導體製程尾氣進行淨氣並排放處理後氣體；還原劑供應裝置，用以供應還原劑氣體到所述製程尾氣處理裝置內；處理後氣體濃度檢測裝置，用以檢測所述處理後氣體中的所述多種製程氣體的處理後濃度以及所述還原劑氣體的殘留濃度；添加系統控制裝置，用以根據所述處理前濃度與所述處理後濃度計算出所述多種製程氣體的去除處理效率(DRE)，並根據所述去除處理效率與所述還原劑氣體的所述殘留濃度，對所述還原劑供應裝置發送一控制訊號，以控制所述還原劑氣體的添加量；以及系統通訊模組，用以與一製程氣體控制器進行通訊，以反饋處理前濃度的數值至所述添加系統控制裝置。
- 如請求項1所述的半導體製程還原劑添加系統，其中所述添加系統控制裝置包括：在所述還原劑氣體的所述殘留濃度超過設定值，發送所述控制訊號，以使所述還原劑氣體的流量調降至系統設定初始值。
- 如請求項1所述的半導體製程還原劑添加系統，其中所述多種製程氣體的所述去除處理效率各自具有設定值與目標範圍，其中所述設定值為所述目標範圍的下限值。
- 如請求項3所述的半導體製程還原劑添加系統，其中所述添加系統控制裝置包括：在所述多種製程氣體的所有去除處理效率都到達所述設定值，且其中至少一種所述製程氣體的所述去除處理效率超越所述目標範圍的上限值時，發送一控制訊號，調降所述還原劑氣體的流量。
- 如請求項3所述的半導體製程還原劑添加系統，其中所述添加系統控制裝置包括：在所述多種製程氣體中的至少一種所述製程氣體的所述去除處理效率低於所述設定值時，發送所述控制訊號，以提高所述還原劑氣體的添加量。
- 如請求項1所述的半導體製程還原劑添加系統，其中所述去除處理效率是由公式(1)表示：DRE=1-(Cout/Cin)(Qout/Qin) (1)其中，DRE是指製程氣體處理效率，Cout是所述處理後濃度，Cin是所述處理前濃度，Qout是所述製程尾氣處理裝置的出口風量，Qin是所述製程尾氣處理裝置的入口風量。
- 如請求項1所述的半導體製程還原劑添加系統，其中所述添加系統控制裝置更包括顯示面板，用以顯示隨時間變化的所述處理前濃度、所述處理後濃度、所述還原劑氣體的所述殘留濃度以及所述去除處理效率。
- 如請求項7所述的半導體製程還原劑添加系統，其中所述顯示面板還顯示所述製程尾氣處理裝置的出口風量以及入口風量。
- 如請求項7所述的半導體製程還原劑添加系統，其中所述顯示面板還顯示所述多種製程氣體的所述去除處理效率的目標範圍與所述還原劑氣體的所述殘留濃度的設定值。
- 如請求項1所述的半導體製程還原劑添加系統，其中所述系統通訊模組還與所述處理前氣體濃度檢測裝置、所述處理後氣體濃度檢測裝置以及所述添加系統控制裝置進行通訊。
- 一種半導體製程還原劑添加方法，包括：檢測半導體製程尾氣中的多種製程氣體進入製程尾氣處理裝置的處理前濃度；使用所述製程尾氣處理裝置對所述半導體製程尾氣進行淨氣，其中所述製程尾氣處理裝置內添加有還原劑氣體；檢測從所述製程尾氣處理裝置排出的處理後氣體中的所述多種製程氣體的處理後濃度以及所述還原劑氣體的殘留濃度；以及根據所述處理前濃度與所述處理後濃度計算出所述多種製程氣體的去除處理效率(DRE)，並根據所述去除處理效率與所述還原劑氣體的所述殘留濃度，決定所述還原劑氣體的添加量。
- 如請求項11所述的半導體製程還原劑添加方法，其中所述還原劑氣體的所述殘留濃度超過設定值，則調降所述還原劑氣體的流量至系統設定初始值。
- 如請求項11所述的半導體製程還原劑添加方法，其中所述多種製程氣體的所述去除處理效率各自具有設定值與目標範圍，其中所述設定值為所述目標範圍的下限值。
- 如請求項13所述的半導體製程還原劑添加方法，其中所述多種製程氣體的所有去除處理效率都到達所述設定值，且其中至少一種所述製程氣體的所述去除處理效率超越所述目標範圍的上限值，則調降所述還原劑氣體的流量。
- 如請求項13所述的半導體製程還原劑添加方法，其中所述多種製程氣體中的至少一種所述製程氣體的所述去除處理效率低於所述設定值，則提高所述還原劑氣體的添加量。
- 如請求項11所述的半導體製程還原劑添加方法，其中所述去除處理效率是由公式(1)表示：DRE=1-(Cout/Cin)(Qout/Qin) (1)其中，DRE是指製程氣體處理效率，Cout是所述處理後濃度，Cin是所述處理前濃度，Qout是所述製程尾氣處理裝置的出口風量，Qin是所述製程尾氣處理裝置的入口風量。
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113466398A (zh) | 2021-08-16 | 2021-10-01 | 湖南省计量检测研究院 | 元素分析检测方法、元素分析检测系统及存储介质 |
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