TWM557266U - 氣體回收模組 - Google Patents

Abstract

本創作提供一種氣體回收模組，用於回收原子層鍍膜製程中未反應的的前驅物。該模組主要包含：一切換元件，連接一第一路徑管路與一第二路徑管路；一回收裝置，連接該第一路徑管路，具有一冷卻補抓元件；一廢氣處理裝置，連接該第二路徑管路。根據本創作之氣體回收模組可以將原子層鍍膜製程的前驅物有效地回收，並減少廢氣廢水對環境的污染。

Description

氣體回收模組

本創作係有關於一種氣體回收模組，更特別來說是能將原子層鍍膜未反應的前驅物有效地回收之氣體回收模組。

原子層沉積技術是利用製程氣體與材料表面進行化學吸附作用，由於反應僅在表面發生反應，具自我侷限(Self-limited)特性，使得每次的成長循環，僅會在表面形成一層原子的薄膜，可控制膜厚度達原子級(0.1奈米)，是現存所有鍍膜方法中，可成長最高品質薄膜的鍍膜技術。

原子層沉積技術可進行超薄高介電(High-k)材料鍍膜外，亦可針對微小的電路結構提供孔洞填補能力，在具有高深寬比的動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory，DRAM)電容結構與微機電元件中提供厚度均勻的鍍膜；在元件封裝上，具有高緻密性的原子層沉積技術漸漸被導入有激發光二極體(Organic Light-Emitting Diode，OLED)元件的封裝。傳統的原子層鍍膜系統，具有前驅物輸送模組，用於提供一前驅物蒸氣壓給製程腔體。

典型的原子層鍍膜成膜機制，大致分成四個步驟：

步驟一：於一時間T1區內，將前驅物A注入並吸附於基材之表面，所注入前驅物和基材表面產生反應。此反應具有自我限制(self-limiting)之特性，多餘的前驅物並不會再吸附於已經吸附的前驅物分子上面。

步驟二：於一時間T2區內，清除多餘未反應之前驅物A及反應後之副產物。該步驟是藉由通入惰性氣體或低反應氣體，例如氬氣或氮氣，將 未反應之前驅物以及副產物經由該真空幫浦抽氣帶離該反應腔體。

步驟三：於一時間T3區內，將反應物B注入並吸附於基材之表面，以形成一新鍵結的化合物。

步驟四：於一時間T4區內，清除多餘未反應之反應物B及反應後之副產物。該步驟同樣是藉由通入惰性氣體或低反應氣體，例如氬氣或氮氣，將未反應之前驅物以及副產物經由該真空幫浦抽氣帶離該反應腔體。

第1圖為先前技術的原子層鍍膜系統示意圖。該原子層鍍膜系統100，其包含一反應腔體110、一氣體傳送模組120、一真空幫浦130與一廢氣處理模組140。該反應腔體110接收來自氣體傳送模組120之氣體；該真空幫浦130用於將該反應腔體110的未反應的氣體與副產物抽出；以及該廢氣處理模組140用於處理該反應腔體110的未反應的氣體與副產物。該氣體傳送模組120主要包含鋼瓶121a與鋼瓶121b，以及一進氣管路122a與一進氣管路122b。切換元件鋼瓶121a藉由該進氣管路122a將前驅物A傳輸進入該反應腔體110；鋼瓶121b藉由該進氣管路122b將反應物B傳輸進入該反應腔體110。反應物B切換元件124能在適當時間導入前驅物A或反應物B導入到進氣管路126進入該反應腔體110。該反應腔體110之出氣管路112連接該反應腔體110與真空幫浦130，並具有切換元件124，可配合該真空幫浦130的抽氣功能。該真空幫浦130之出氣管路132連接該真空幫浦130與該廢氣處理模組140，並具有切換元件134，可配合該真空幫浦130抽氣功能，使未反應的氣體與副產物到達該廢氣處理模組140進行處理，並由排氣管路142排出。該廢氣處理模組140典型的處理方法是將使未反應的氣體與副產物予以燃燒後並排放。然而，典型的原子層鍍膜成膜機制於步驟一所注入的前驅物，和基材表面產生反應的比率通常低 於1%，剩餘的前驅物和副產物由該真空幫浦130抽氣抽走，燃燒後並排放於大氣，除造成汙染，亦造成該前驅物的損失。

為了解決上述問題，有需要提供氣體回收模組，剩餘的前驅物回收。

本創作之主要目的在於提出一種氣體回收模組，用於有效地回收原子層鍍膜中未反應的前驅物，以減少廢氣廢水對環境的污染。

為達本創作之本創作的目的，本創作提供一種氣體回收模組。該氣體回收模組，接收來自一反應腔體的未反應的氣體與副產物，該模組主要包含：一切換元件；一回收裝置與一廢氣處理裝置。該切換元件，連接一第一路徑管路與一第二路徑管路；該回收裝置，連接該第一路徑管路，用於將所接收到之該反應腔體的未反應的氣體與副產物做一回收處理；該廢氣處理裝置，連接該第二路徑管路，用於將所接收到之該反應腔體的未反應的氣體與副產物做一分解處理後後排出。

根據本創作之一特徵，該回收裝置具有一冷卻補抓元件與一收集容器，用於冷凝並收集所接收到之未反應的氣體冷凝成之一液體與一固體。

根據本創作之一特徵，該回收裝置具有一調整溫度之功能，可以控制將所接收到之該反應腔體的未反應的氣體冷凝成該液體，而將所接收到之副產物排出。

本創作之氣體回收模組具有以下之功效：

1.將未反應的前驅物有效地回收，提高前驅物的使用效率。

2.將未反應的前驅物有效地回收，並減少廢氣廢水對環境的污染。

為讓本創作之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

100‧‧‧原子層鍍膜系統

110‧‧‧反應腔體

120‧‧‧氣體傳送模組

122a‧‧‧進氣管路

122b‧‧‧進氣管路

124‧‧‧切換元件

126‧‧‧進氣管路

130‧‧‧真空幫浦

132‧‧‧出氣管路

134‧‧‧切換元件

140‧‧‧廢氣處理模組

142‧‧‧排氣管路

200‧‧‧原子層鍍膜系統

210‧‧‧反應腔體

212‧‧‧出氣管路

220‧‧‧氣體傳送模組

222a‧‧‧進氣管路

222b‧‧‧進氣管路

224‧‧‧切換元件

230‧‧‧真空幫浦

232‧‧‧出氣管路

235‧‧‧切換元件

236‧‧‧第一路徑管路

238‧‧‧第二路徑管路

240‧‧‧氣體回收模組

250‧‧‧回收裝置

252‧‧‧冷卻補抓元件

256‧‧‧底部收集端

254‧‧‧出氣管路

258‧‧‧收集容器

260‧‧‧抽氣幫浦

262‧‧‧出氣管路

270‧‧‧廢氣處理裝置

272‧‧‧出氣管路

為讓本創作之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。雖然本創作可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本創作可之較佳實施例，並請了解本文所揭示者係考量為本創作之一範例，且並非意圖用以將本創作限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。

第1圖：先前技術之原子層鍍膜系統示意圖。

第2圖：具有本創作之氣體回收模組的原子層鍍膜系統之實施示意圖。

第3圖：應用本創作之回收裝置之實施示意圖。

本創作將由協同附圖之下列詳盡描述而更為全面瞭解。現將描述某些例示性實施例以提供本文所揭示之裝置及方法之結構、功能、製造及使用原理的全面瞭解。此等實施例之一個或多個實施例於附圖中加以繪示。熟習此項技術者將瞭解，本文所特定描述且在附圖中繪示之裝置及方法係非限制性例示性實施例，且本創作之範疇僅由申請專利範圍加以界定。結合一例示性實施例繪示或描述之特徵可與其他實施例之諸特徵進行結合。此等修飾及變動將包括於本創作之範疇內。

雖然本創作可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本創作之較佳實施例，並請瞭解本文所揭示者係考量為本 創作之一範例，且並非意圖用以將本創作限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。

現請參考第2圖，其係表示具有本創作之氣體回收模組的原子層鍍膜系統之實施示意圖。根據本創作之一種原子層鍍膜系統200，其包含一反應腔體210；一真空幫浦230；以及一氣體回收模組240。

該氣體傳送模組210提供至少一氣體，特別是前驅物的氣體。該氣體傳送模組120主要包含鋼瓶221a與鋼瓶221b，以及一進氣管路222a與一進氣管路222b。鋼瓶221a藉由該進氣管路222a將一前驅物傳輸進入該反應腔體210；鋼瓶221b藉由該進氣管路222b將另一前驅物傳輸進入該反應腔體210。一切換元件224能在適當時間導入不同前驅物進入該反應腔體210。

該反應腔體210，具有複數個進氣管路226及一出氣管路212，接收來自該氣體傳送模組220之氣體；且該反應腔體210之外表面係接地。圖中以進氣管路226來表示複數個進氣管路，但事實上，該反應腔體210可以同時接上許多的進氣管路。又更詳細來說，進氣管路122a代表前驅物A經由進氣管路226進入該反應腔體210的管路之一，進氣管路122b代表反應物B經由進氣管路226進入該反應腔體210的管路之一。

本創作中，該反應腔體210均係為碳鋼、不銹鋼、鈦、鈦合金、鋁或鋁合金加工形成。該反應腔體210內外層亦可鍍上黃金等低活性金屬，或鍍上奈米材料塗層，防止前驅物腐蝕腔體或外在環境化合物破壞該反應腔體210。

該真空幫浦230，連接於該反應腔體210之該出氣管路212，具有一出氣管路232，用於將該反應腔體210的未反應的氣體與副產物抽出。該真空幫浦230採用習知之真空幫浦即可實現。 真空幫浦230用以在製程時，藉由控制元件214的控制，抽出該反應腔體210內氣體之方式，使得該反應腔體210內部之壓力值位於0.5-760托耳(Torr)之間。

該氣體回收模組240，連接於該真空幫浦230之該出氣管路232，用於處理該反應腔體210的未反應的氣體與副產物。該氣體回收模組300包含：一切換元件235；一回收裝置250與一廢氣處理裝置260。該切換元件235，連接一第一路徑管路236與一第二路徑管路238。該回收裝置250，連接該第一路徑管路236，具有一冷卻補抓元件252，用於將所接收到之該反應腔體210的未反應的氣體與副產物做一回收處理；該廢氣處理裝置240，連接該第二路徑管路238，用於將所接收到之該反應腔體210的未反應的氣體與副產物做一分解處理後排出。

本創作中，該回收裝置250，係為碳鋼、不銹鋼或鈦、鋁合金加工形成。該回收裝置250內外層亦可鍍上黃金等低活性金屬，或在外層鍍鋅、或內外層可具奈米塗層，可防前驅物腐蝕腔體或外在環境化合物破壞該回收裝置250。該冷卻補抓元件252係為碳鋼、不銹鋼、鈦、鈦合金、鋁或鋁合金加工形成。冷卻補抓元件252內外層亦可鍍上黃金等低活性金屬，或鍍上奈米材料塗層，防止前驅物腐蝕腔體或外在環境化合物破壞該冷卻補抓元件252。

現請參考第3圖，進一步表示應用本創作之回收裝置的示意圖。該回收模組250，主要包含一冷卻補抓元件252與一收集容器258。該冷卻補抓元件252將所接收到之該反應腔體210的未反應的氣體冷凝成一液體或一固體。該收集容器258用於收集所冷凝成該液體或固體。該回收裝置250係具有一調整溫度之功能，可以控制將所接收到之該反應腔體210的未反應的氣體冷凝成該液體或 固體，而將所接收到之副產物排出。該回收裝置250更包含一出氣管路254連接於一抽氣幫浦270，用於所接收到之該反應腔體210的之副產物，由一排氣管路272排出。

該冷卻補抓元件252係一冷凝元件，是一個可以將氣態物質凝結成液態或固體的設備，例如是一種熱交換器。該冷卻補抓元件252利用冷卻的方式使物質凝結，凝結過程中物質放出潛熱，使冷凝元件的冷媒溫度昇高。該冷卻補抓元件252的結構可以是一個網狀，因此所冷凝的液體或固體可以進入到該回收裝置250之底部收集端256，在進入該收集容器258後取出。較佳地，該收集容器258係一圓形的網狀結構，亦即是底部收集端256較佳係為一圓形的形狀。該收集容器258與該回收模組250是可分離的。當該收集容器258收集未反應的氣體所冷凝成的液體或固體到一定量時，可以將該收集容器258時取下，此時繼續冷凝的液體或固體可以進入到該回收裝置250之底部收集端256。

需注意的是，本創作中之該回收裝置250具有可以調整溫度之功能。該回收裝置250的調整溫度之設計主要在於，讓所接收到的未反應的氣而體能夠被該回收裝置250的該冷卻補抓元件252所冷凝成液體或固體，而讓副產物不冷凝成液體或固體，而繼續由該抽氣幫浦270抽氣經由出氣管路272排出。因此，亦可以說，該回收裝置250可以調整溫度之功能主要是在於控制該冷卻補抓元件252的溫度。

在一實施例中，該回收裝置250的溫度係設置在攝氏10度至50度之間。以最常用的氧化鋁(Al₂O₃)製程而言，該反應腔體210製程溫度在140度至350度之間，所欲冷凝回收的三甲基鋁(Al(CH₃)₃、TMA)在常溫常壓下的沸點為125度，因此，當該回收 裝置250的溫度係設置在攝氏10度至50度之間，可以使得三甲基鋁凝結成液態，但其副產物甲基(CH₄)仍為氣態。

本創作中，該廢氣處理裝置260可以有許多實施方式，典型的商用方式是利用液體來清潔氣流之裝置，或稱濕式收集器(wet collectors)或濕式滌塵器(wet scrubbers)，包括：旋風式洗滌器(cyclone scrubber)、燻煙洗滌器(fume scrubber)、離子式洗滌器(ionizing scrubber)、機械式洗滌器(mechanical scrubber)、孔口式洗滌器(orifice scrubber)、填充塔式洗滌器(packed tower)、平板式洗滌器(plate scrubber)、噴霧式洗滌器(spray chamber)、文式洗滌器(venturi scrubber)、溼式過濾器(wet filter)等。洗滌器適合於處理高溫、易燃及易爆氣體。該廢氣處理裝置260使氣流密切接觸液體，氣流中之粒子、蒸氣或氣體等污染物因而從廢氣中分離出來。洗滌器利用各種方式溼潤污染物粒子，然後將已溼潤或未溼潤之粒子衝擊至收集表面，接著藉由液體沖洗，將已收集之粒子沖刷移除。除物理作用之外，在沖刷移除之過程中亦可能發生化學作用(如吸收、溶解、與添加物反應等)。

本創作中之許多進氣管路與出氣管路，包含該氣體傳送模組210之複數個進氣管路122a、122b、該反應腔體210之進氣管路226、該反應腔體210之出氣管路212、該真空幫浦230之該出氣管路232以及該氣體回收模組300之該第一路徑管路236與該第二路徑管路238等，由於該些管路反覆的使用前驅物蒸氣，特別是受到周圍環境降溫的影響，在管路部分低溫的位置點上，容易形成管路的氣體殘餘和聚積。隨著聚積不斷增加，會產生前驅物冷凝成液體或形成前驅物固態顆粒等問題。因此，在上述管路之外部纏繞加熱包或加熱保護套，對各管路進行加熱，以便維持管路內的前驅物氣體狀態，防止前驅物氣體在進氣管路與出氣 管路冷凝成液體或形成前驅物固態顆粒，一方面避免顆粒進一步進入反應腔210內，造成薄膜缺陷，一方面可延長管路使用期限，並可使氣體於管路順利回收較高純度的前驅物氣體。

此外，在管路上通常具有一些切換元件。例如，切換元件124、切換元件214，切換元件235等。該些切換元件基本功能為閥門(valve)或物質流量控制器(mass flow controller，MFC)等。閥門可用手動或自動，通過控制來改變流體介質的壓力、溫度、電磁場和流量變化來啟動閥門的開關。閥門可以對這些變化進行連續或重複的操作。在本實施例中較佳的，係採用自動控制閥門，特別是能夠快速切換的閥門，能使閥門準確控制流體介質的各項要求。

該第一路徑管路236連接一回收裝置250，該回收裝置具有一冷卻補抓元件252，用於將所接收到之該反應腔體的未反應的氣體與副產物做一回收處理。其中該第二路徑管路238連接一廢氣處理裝置260，該廢氣處理裝置260用於將所接收到之該反應腔體210的未反應的氣體與副產物做一分解處理後排出。

如先前技術所述，典型的原子層鍍膜成膜機制，大致分成四個步驟：

步驟一：於一時間T1區內，將前驅物A注入並吸附於基材之表面，所注入前驅物和基材表面產生反應。此反應具有自我限制(self-limiting)之特性，多餘的前驅物並不會再吸附於已經吸附的前驅物分子上面。

步驟二：於一時間T2區內，清除多餘未反應之前驅物A及反應後之副產物。該步驟是藉由通入惰性氣體或低反應氣體，例如氬氣或氮氣，將未反應之前驅物以及副產物經由該真空幫浦抽氣帶離該反應腔體。

步驟三：於一時間T3區內，將反應物B注入並吸附於基材之表面，以形成一新鍵結的化合物。

步驟四：於一時間T4區內，清除多餘未反應之反應物B及反應後之副產物。該步驟同樣是藉由通入情性氣體或低反應氣體，例如氬氣或氮氣，將未反應之前驅物以及副產物經由該真空幫浦抽氣帶離該反應腔體。

通常這樣四個步驟即完成一次循環，每次循環完成接近一個原子等級厚度的成膜。要增加成膜的厚度，就要繼續上述的四個步驟的循環。

本創作之氣體回收模組中，該第一時間係介於指大於等於時間T1區，且少於等於時間T1區與時間T2區之總和。亦即是，第一時間的設定至少包含了步驟一的時間T1，但最多包含了步驟一的時間T1與步驟二的時間T2總和。亦即，在該第一時間內，藉由一切換元件235，將所接收到之該反應腔體210的未反應的氣體與副產物，導入到該氣體回收模組240之該第一路徑管路236，送至該回收裝置250進一步回收。舉例來說，若時間T1區為1秒，時間T2區為2秒，則第一時間的設定係小於1秒(T1時間)，但少於3秒(T1與T2總和)。

該第二時間係至少包含了典型的原子層鍍膜成膜機制之時間T3區與時間T4區之總和，但少於時間T2至時間T4區之總和。在該第二時間內，藉由該切換元件235，將所接收到之該反應腔體210的未反應的氣體與副產物，導入到該氣體回收模組240之該第二路徑管路238，送至該廢氣處理裝置260進一步處理。舉例來說，若T1區為1秒，時間T2區為2秒，時間T3區為4秒，時間T2為2秒，則第二時間的設定係大於6秒(T3與T4總和)，但少於8秒(T2、T3與T4總和)。

在一實施例，該反應腔體210較佳係一電漿製程用的腔體，具有一電漿阻抗。且該電漿的頻率係介於10至150MHz之間，較佳地，該電漿之頻率為40.68MHz。由於原子層鍍膜成長的化學特性，並不是所有的材料都適合用原子層鍍膜成長。因電漿激發形成許多自由基，其自由基可幫助成膜的鍵結並形成有利於下次反應的反應表面，所以可以於更低的製程溫度下成長。因此反應並不會因為熱能不足而受到限制。因此，電漿可提供自由基增加其反應性，於低溫下成長反應更加完全。因此，藉由電漿輔助方式，可以成長一些傳統加熱式原子層鍍膜成長無法成長之薄膜材料。

本創作之氣體回收模組具有以下之功效：

1.將未反應的前驅物有效地回收，提高前驅物的使用效率。

2.將未反應的前驅物有效地回收，並減少廢氣廢水對環境的污染。

雖然本創作已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (7)

1. 一種氣體回收模組，接收來自一反應腔體的未反應的氣體與副產物，該模組主要包含：一切換元件，連接一第一路徑管路與一第二路徑管路；一回收裝置，連接該第一路徑管路，用於將所接收到之該反應腔體的未反應的氣體與副產物做一回收處理；一廢氣處理裝置，連接該第二路徑管路，用於將所接收到之該反應腔體的未反應的氣體與副產物做一分解處理後排出。
2. 如請求項1所述之氣體回收模組，其中該回收裝置具有一冷卻補抓元件，該冷卻補抓元件係將所接收到之該反應腔體的未反應的氣體冷凝成一液體或一固體。
3. 如請求項1所述之氣體回收模組，其中該回收裝置更包含一收集容器，用於收集所冷凝成之該液體或該固體。
4. 如請求項1所述之氣體回收模組，其中該回收裝置係具有一調整溫度之功能，可以控制將所接收到之該反應腔體的未反應的氣體冷凝成該液體或該固體，而將所接收到之副產物保持氣體狀態以排出。
5. 如請求項1所述之氣體回收模組，其中該回收裝置更連接一抽氣幫浦，用於將該回收裝置之所接收到之副產物排出。
6. 如請求項1所述之氣體回收模組，其中該切換元件在一第一時間，將所接收到之該反應腔體的未反應的氣體與副產物切換到該第一路徑管路。
7. 如請求項1所述之氣體回收模組，其中該切換元件在一第二時 間，將所接收到之該反應腔體的未反應的氣體與副產物切換到該第二路徑管路。