專利名稱：處理氣流的方法
處理氣流的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理從室中排出的氣流的方法，和用于處理從室中排出 的氣流的裝置。
在處理室內(nèi)形成半導(dǎo)體或平板顯示裝置過程中可能會向室內(nèi)提供
各種不同氣體?；瘜W(xué)氣相沉積法(CVD)被用于向位于沉積室內(nèi)的基材或 晶片表面沉積薄膜或?qū)印＿@種工藝是通過在能促使基材表面發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)的條件下向所述室內(nèi)、向所述基材表面提供一或多種活性氣體(通常 采用載體氣體)來進(jìn)行的。例如，為在基材上形成氧化硅層可以向沉積 室中提供TEOS和氧氣與臭氧之一，為形成氮化硅層可以提供硅烷和氨。 多晶硅是通過加熱使硅烷或氯硅烷分解而沉積在基材上的。
為了執(zhí)行對沉積層的某些區(qū)域的選擇性蝕刻，例如在形成半導(dǎo)體器 件的電極和源、漏極區(qū)過程中，也向蝕刻室提供氣體。蝕刻氣體能包括 全氟化的(PFC)氣體如CF4、 C2F6、 C3F8和C4Fs，而其它蝕刻劑包括氫氟 烴氣體，如CHFs、 C2HF^nCH2F2,氟、NFg和SF6。這類氣體通常用于 在形成于多晶硅層上并通過光刻膠層暴露的氮化物或氧化物層的某區(qū) 域上形成開口。通常還隨著所述蝕刻氣體向所述室內(nèi)輸入氬氣，以向在 所述蝕刻室內(nèi)進(jìn)行的處理提供促進(jìn)氣體。
在這種蝕刻過程中，提供給蝕刻室的氣體一般會有剩余，包含在通 過真空泵與蝕刻過程的副產(chǎn)物如siF4和COF2,以及惰性氣體如Ar—起 從蝕刻室中抽出的廢氣中。在所述廢氣中往往會以約40-50slm的流速加 入額外的氮氣作為所述真空泵的吹掃氣體。
上述全氟化的氣體是溫室氣體，考慮到這點，在廢氣被排入大氣之
易從廢氣;例2通過傳統(tǒng)的洗滌除去的物、種和/或可以無害地排入1氣 中的物種。然而，由于添加到廢氣中的吹掃氣體的流速相對于來自處理 室的廢氣的流速(一般為0.5-5slm左右)來說較高，吹掃氣體的添加可能 會顯著降低消減設(shè)備的破壞效率或增加消減設(shè)備的能量需求。
在第 一方面，本發(fā)明提供一種控制用于處理氣流的消減系統(tǒng)的效率 的方法，所述消減系統(tǒng)包括真空泵和，位于其下游的，用于從氣流中除 去全氟化物種的等離子體消減設(shè)備，該方法包括將一部分氣流轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離消減設(shè)備的步驟和將所述轉(zhuǎn)向部分作為真空泵的吹掃氣體返回所述氣 流的步驟。
通過將一部分氣流轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離所述等離子體消減設(shè)備，進(jìn)入所述等離 子體消減設(shè)備的氣流的流速可得到顯著降低，由此提高該設(shè)備的破壞效 率。未轉(zhuǎn)向部分氣流內(nèi)的全氟化物種的濃度將隨時間逐漸升高，這可以 提高所述等離子體消減設(shè)備的破壞效率。此外，通過將轉(zhuǎn)向部分作為真 空泵的吹掃氣體返回所述氣流，可以顯著降低進(jìn)入真空泵的新鮮吹掃氣 體的流速。由于這是一個閉環(huán)系統(tǒng)，因為氣流轉(zhuǎn)向部分^皮留在消減系統(tǒng) 之內(nèi)，所以氣流中的所有全氟化物種都將最終通過所述等離子體消減設(shè) 備得到處理。
氣流轉(zhuǎn)向部分優(yōu)選地在其返回所述泵之前穿過熱交換器和壓縮機(jī) 的至少一個。
氣流轉(zhuǎn)向部分優(yōu)選地被加入到提供給所述泵的惰性氣體流中。或 者，這部分氣流也可在真空泵的上流、下游或階段之間獨立于所述惰性 氣體被加入到所述氣流中。
在所述部分氣流乂人氣流中轉(zhuǎn)向之前優(yōu)選地/人所述氣流中除去至少 一種物種。此物種優(yōu)選地是氣流中包含的化學(xué)反應(yīng)性或腐蝕性物種，且 可以通過任何適合的方法除去。在優(yōu)選實施方案中，氣流穿過用于與所 述物種反應(yīng)的一或多種材料的加熱床。此物種可以是發(fā)生在真空泵從中 抽取氣流的室中的某個過程的副產(chǎn)物。例如，當(dāng)所述過程為在硅或介電
層上進(jìn)行的蝕刻過程時，所述物種可能包含SiF4和COF2之一。
所述等離子體消減設(shè)備可以為微波等離子體消減設(shè)備或直流等離
子體炬(dctorch)。通過降低穿過該設(shè)備的氣流的流速，所述消減設(shè)備為
保持可接受的全氟化氣體破壞效率所需的功率可得到顯著降低。
所述全氟化物種可以是通式為CxFyHz的任何氣體，其中x》1， y》
l和zX),例如CF4、 C2F6、 C3F8、 C4F8、 CHF3、 02!^5和01^2, NF3
或SF6。
在第二方面，本發(fā)明提供處理從室中排出的氣流的方法，該方法包 括向氣流中加入真空泵吹掃氣體的步驟，其中所述真空泵用于從室中抽 出所述氣流；使用笫一消減設(shè)備從氣流中除去第一物種的步驟；將氣流 分為第一和第二部分的步驟；使用第二等離子體消減設(shè)備從第一部分氣 流中除去第二物種的步驟，和將第二部分氣流返回真空泵的步驟?？梢詫乃龅入x子體消減設(shè)備排出的氣流輸送到第三消減設(shè)備 以從氣流中除去第三物種。此第三物種可以是來自從氣流中去除第二物 種時的副產(chǎn)物。所述第三消減設(shè)備優(yōu)選地包括濕式洗滌器。
在第三方面，本發(fā)明提供處理氣流的裝置，該裝置包括真空泵和， 位于真空泵下游用于從氣流中去除全氟化物種的等離子體消減設(shè)備，用 于將一部分氣流轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離消減設(shè)備的機(jī)構(gòu)，和用于將所述轉(zhuǎn)向部分作為
真空泵的吹掃氣體返回所述氣流的機(jī)構(gòu)。
在第四方面，本發(fā)明提供處理氣流的裝置，該裝置包括真空泵，用 于從氣流中去除第 一物種的第 一 消減設(shè)備，位于第 一 消減設(shè)備下游用于 從氣流中去除第二全氟化物種的第二等離子體消減設(shè)備，用于將一部分 氣流轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離所述等離子體消減設(shè)備的機(jī)構(gòu)，和用于將所述轉(zhuǎn)向部分作 為真空泵的吹掃氣體返回所述氣流的機(jī)構(gòu)。
上面針對本發(fā)明第 一方面所述的特征同樣適用于第二至第四方面， 反之亦然。
下面將參照附圖，僅作為舉例，描述本發(fā)明的優(yōu)選特征，其中

圖1顯示了用于處理從等離子體蝕刻反應(yīng)器的室中排出的氣流的裝
置的第一實施方案；
圖2顯示了用于處理從多個室中排出的氣流的裝置的第二實施方
案；和
圖3顯示了用于處理從多個室中排出的氣流的裝置的第三實施方案。
首先參照圖1，等離子體蝕刻反應(yīng)器的室IO具有至少一個用于從圖 中在14處一般表示的氣體源接收過程氣體的入口 12?？梢詾槊恳环N氣 體提供控制閥或質(zhì)量流量控制器15,所述質(zhì)量流量控制器15受系統(tǒng)控 制器控制以確保所需量的氣體被提供給所述室10。在此實施例中，所述 過程氣體包括作為在室10中進(jìn)行的過程的反應(yīng)物的蝕刻劑和氧，還包 括氬氣。適合的蝕刻劑的例子包括通式為CJyHz的全氟化化合物，其中 x> 1、 y> 1和z>0,例如CF4、 C2F6、 C3F8、 C4F8、 CHF3、 C2HF5和CH2F2, NF3和SF6。氬氣為室10中進(jìn)行的過程提供促進(jìn)氣體(facilitating gas)。 還可以向室10中提供相對較少量的氦以冷卻所述過程室內(nèi)的基材的背 面。
所述等離子體蝕刻反應(yīng)器可以是任何產(chǎn)生用于蝕刻位于其中的基材表面至要求幾何形狀的等離子體的適合反應(yīng)器。例子包括電感耦合等離子體蝕刻反應(yīng)器、電子回旋共振(ECR)等離 子體蝕刻反應(yīng)器或其它高密度等離子體反應(yīng)器。在此實施例中，所述等 離子體蝕刻反應(yīng)器是其中進(jìn)行半導(dǎo)體制造過程的反應(yīng)器，因此基材表面 可能包括多晶硅或介電膜。或者，在所述等離子體蝕刻反應(yīng)器內(nèi)也可以 進(jìn)行平板顯示器的制造。通過由18—般表示的包括一或多個真空泵的真空泵系從室10的出 口 16抽出氣流。所述真空泵系可以是渦輪分子泵和/或具有交叉式旋翼 的干式泵形式的。渦輪分子泵可以在室10內(nèi)產(chǎn)生至少10-3毫巴的真空。 來自室10的所述氣流的流速一般在0.5-5slm左右。在刻蝕過程中，將只有一部分反應(yīng)物凈皮消沖毛，因此乂人室10的出口 16排出的氣流將包含反應(yīng)物、提供給室的任何未反應(yīng)的惰性氣體和來自 所述刻蝕過程的副產(chǎn)物的混合物。例如，氣流可能包含CxFyHz、 02、 Ar、 He、 SiF4和COF2的混合物?？涛g過程可以包括若干不同的工藝步驟， 因此從室10排出的氣流的組成和/或氣流的組分的相對比例可能會隨著 時間變化。如圖所示，從惰性吹掃氣體的源20向真空泵系提供了惰性吹掃氣 體流，如氦或，如在此實施例中的氮氣，例如用于提高泵18的動態(tài)軸 密封的壽命和效率，和/或用于稀釋氣流以降低由于泵送侵蝕性的未消耗 氣體分子所造成的腐蝕和破壞。吹掃氣體通常以與來自室10的氣體的 流速相比較高的流速，例如40-50slm左右，添加到氣流中。通入所述真 空泵系的吹掃氣體的流速可以使用位于泵18與吹掃氣體源20之間的控 制閥21控制。由此從所述真空泵系排出的氣流現(xiàn)在除從室10排出的氣體之外還 包含氮氣。為了從氣流中除去某些組分，將氣流隨后輸送穿過第一消減 設(shè)備22。所述第一消減設(shè)備22可以采取任何所需的形式，如焚化或熱 分解單元，以從氣流中除去要求的組分。然而，由于在熱分解單元之內(nèi) 燃燒所述氣流需要提供燃料氣體、所述氣流的進(jìn)一步稀釋和水分向所述 氣流中的添加(不去除的話其將增加氣流的腐蝕性)，所以在所示實施例 中第 一 消減設(shè)備22是以氣體反應(yīng)器柱或其它干消減設(shè)備的形式提供的， 以從所述氣流中去除SiF4、 C0F2和更活性的CxFyHz組分。在美國專利 US5,213,767中記述了適合的氣體反應(yīng)器柱的例子，該專利的內(nèi)容通過引用并入本說明書。 一般說來，氣體反應(yīng)器柱包含為從氣流中去除特定 組分所選擇的材料的若干個加熱的床。在此實施例中，氣體反應(yīng)器柱包 含至少兩個加熱的階段，其可以方便地提供在,皮電加熱爐包圍的可拆卸
筒內(nèi)。第一階段包含加熱的硅顆粒，用于預(yù)熱氣流和將較活性的CxFyHz 組分轉(zhuǎn)化成F2和C,其中所述C或者以煙灰的形式從所述柱中掉下或者 被氣流中存在的02轉(zhuǎn)化成CO和C02。第二階段包含加熱的氧化鉤，優(yōu) 選地為石灰形式的，用于將SiF4轉(zhuǎn)化成CaF2和Si02,以及將F2轉(zhuǎn)化成 CaF2。氣流中較不反應(yīng)性的氣體，即此實施例中的惰性氣體He和Ar、
N2吹掃氣體、較穩(wěn)定的CxF2x+2組分，如CF4和C2H6、 CO和/或C02無
變化地穿過氣體反應(yīng)器柱。
雖然可以僅提供單個氣體反應(yīng)器柱，但也可以并行提供兩個或更多 個相似的氣體反應(yīng)器柱。例如在提供了兩個氣體反應(yīng)器柱時，可以在真 空泵18與氣體反應(yīng)器柱之間設(shè)置一或多個閥使得可以在將氣流導(dǎo)向一 個氣體反應(yīng)器柱的同時另 一 個氣體反應(yīng)器柱離線，例如以便更換一或多 個所述筒或以便使用例如氮氣進(jìn)行吹掃。這使得可以對氣流進(jìn)行連續(xù)處 理。這種情況下，還可以在所述氣體反應(yīng)器柱下游提供一或多個閥的排 列以連接所述氣體反應(yīng)器柱的輸出到共用氣體導(dǎo)管。
如上所述，從第一消減設(shè)備22排出的氣流中一般包含，在此實施 例中，He、 Ar、 N2、 一或多種全氟化物種如CF4和C2F6,以及(302和 CO之一或全部兩種。為從氣流中去除剩余的全氟化物種，在第一消減 設(shè)備22下游提供了等離子體消減設(shè)備24形式的第二消減設(shè)備。等離子 體消減設(shè)備24優(yōu)選地為微波等離子體消減設(shè)備，不過也可使用其它形 式的等離子體消減設(shè)備，如直流等離子體炬。
由于在從第一消減設(shè)備22排出的氣流中與全氟化物種相比存在較 大比例的吹掃氣體，為降低等離子體消減設(shè)備24的能量需求，氣體流 過等離子體消減設(shè)備24的速度與氣流從第 一消減設(shè)備22中排出的速度 相比被降低。在所示實施例中，在第一消減設(shè)備22與等離子體消減設(shè) 備24之間有支管26,用于從第一消減設(shè)備22接收氣流和將所述氣流分 成第一和第二部分。第一部分氣流被傳輸?shù)降入x子體消減設(shè)備24,其間 穿過可變控制閥28或其它用于控制氣體流入等離子體消減設(shè)備24的流 速的設(shè)備。笫二部分氣流被轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離等離子體消減設(shè)備24,并被氣體導(dǎo) 管30輸送回真空泵系以構(gòu)成提供給所述真空泵系的吹掃氣體的至少一部分。在此實施例中，氣流轉(zhuǎn)向部分被添加到由吹掃氣體源20提供的
新鮮吹掃氣體流中?；蛘?，氣流轉(zhuǎn)向部分也可在泵18的上游、下游或 階段之間被單獨地提供給所述真空泵系。如圖所示，可以在氣體導(dǎo)管30 中提供熱交換器32和壓縮機(jī)34以在氣流轉(zhuǎn)向部分返回真空泵系之前分 別對其進(jìn)4于冷卻和壓縮。
通過將一部分氣流轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離等離子體消減設(shè)備24,進(jìn)入等離子體消 減設(shè)備24的氣體的流速可得到顯著降低，由此提高等離子體消減設(shè)備 24的破壞效率。隨著時間的過去，第一部分氣流中的全氟化物種的濃度 將升高，這可以提高等離子體消減設(shè)備24的破壞效率。
此外，通過將轉(zhuǎn)向部分作為真空泵18的吹掃氣體返回所述氣流， 進(jìn)入真空泵18的新鮮吹掃氣體的流速可得到顯著降低，例如使用控制 閥21。例如，通過將大約75%的氣流轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離等離子體消減設(shè)備24, 提供給真空泵18的新鮮吹掃氣體量可降低75%。
回到圖1,等離子體消減設(shè)備24將第一部分氣流中的全氟化物種轉(zhuǎn) 化成可以通過位于等離子體消減設(shè)備24下游的濕式洗滌器36或其它類 似消減i殳備除去的物種如C02和HF。
在圖2和3所示的第二和第三實施方案中，等離子體消減設(shè)備24 被用于處理從多個室IO(為清楚起見在圖2中僅顯示了 2個)中排出的氣 流。在圖2所示的第二實施方案中，從各個室IO排出的氣流在于各自 的支管26處被分成第 一和第二部分之前穿過各自的真空泵系18和第一 消減設(shè)備22。如同第一實施方案，每個第二部分都被轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離等離子體 消減設(shè)備24并通過各自的導(dǎo)管30返回各自的真空泵系。未轉(zhuǎn)向的第一 部分氣流在歧管40處被匯合，并被輸送到等離子體消減設(shè)備24以從中 除去全氟化物種。在圖3所示的第三實施方案中，從室10的真空泵系 排出的氣流在位于第一消減設(shè)備22上游的歧管50處被匯合。匯合的氣 流在于支管26處被分成第一和第二部分之前被在第一消減設(shè)備22中處 理。如同笫一實施方案，第一部分的匯合氣流被輸送到等離子體消減設(shè) 備24以從中除去全氟化物種。第二部分匯合氣流在于支管52處被分成 兩個相似的子流之前被導(dǎo)管30輸送穿過熱交換器32和壓縮機(jī)34,其中 所述兩個子流中的每一個如同第一實施方案中一樣被輸送回各自的真 空泵系。
權(quán)利要求
1.控制用于處理氣流的消減系統(tǒng)的效率的方法，所述消減系統(tǒng)包括真空泵和，位于其下游的，用于從所述氣流中除去全氟化物種的等離子體消減設(shè)備，該方法包括將一部分所述氣流轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離所述消減設(shè)備的步驟和將所述轉(zhuǎn)向部分作為所述真空泵的吹掃氣體返回所述氣流的步驟。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述轉(zhuǎn)向部分氣流在其返回所述泵之 前穿過熱交換器。
3. 權(quán)利要求1或2的方法，其中所述轉(zhuǎn)向部分氣流在其返回所述 泵之前一皮壓縮。
4. 前述權(quán)利要求任一的方法，其中所述轉(zhuǎn)向部分氣流被加入到提 供給所述泵的惰性氣體流中。
5. 前述權(quán)利要求之一的方法，其中在所述部分氣流從所述氣流中 轉(zhuǎn)向之前從所述氣流中除去至少 一 種物種。
6. 權(quán)利要求5的方法，其中所述氣流穿過用于與所述物種反應(yīng)的 一或多種材料的加熱的床。
7. 權(quán)利要求5或6的方法，其中所述物種包含SiF4。
8. 處理從室中排出的氣流的方法，該方法包括向所述氣流中加入 真空泵吹掃氣體的步驟，其中所述真空泵用于從所述室中抽吸所述氣 流；使用第一消減設(shè)備從所迷氣流中除去第一物種的步驟；將所述氣流 分為第 一和第二部分的步驟；使用第二等離子體消減設(shè)備從第 一部分氣 流中除去第二物種的步驟，和將第二部分氣流返回所述泵的步驟。
9. 權(quán)利要求8的方法，其中所述第二部分氣流被加入所述吹掃氣 體中。
10. 權(quán)利要求8或9的方法，其中所述第一物種包括來自在所述室 中進(jìn)行的蝕刻過程的副產(chǎn)物。 '
11. 權(quán)利要求10的方法，其中所述副產(chǎn)物為SiF4。
12. 權(quán)利要求8-11中任意一項的方法，其中所述第二物種為全氟化物種。
13. 權(quán)利要求8-12中任意一項的方法，其中從等離子體消減設(shè)備中 排出的所述氣流被輸送到第三消減設(shè)備以從該氣流中除去笫三物種。
14. 權(quán)利要求13的方法，其中所述第三物種是來自從所述氣流中去除所述第二物種的副產(chǎn)物。
15. 權(quán)利要求13或14的方法，其中所述第三消減設(shè)備包括濕式洗滌器。
16. 處理氣流的裝置，該裝置包括真空泵、位于所述真空泵下游用 于從所述氣流中去除全氟化物種的等離子體消減設(shè)備、用于將一部分所 述氣流轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離所述消減設(shè)備的機(jī)構(gòu)，和用于將所述轉(zhuǎn)向部分作為所述 真空泵的吹掃氣體返回所述氣流的機(jī)構(gòu)。
17. 權(quán)利要求16的裝置，包括用于在所述轉(zhuǎn)向部分的所述氣流返 回所述泵之前對其進(jìn)行冷卻的熱交換器。
18. 權(quán)利要求16或17的裝置，包括用于在所迷轉(zhuǎn)向部分的所述氣 流返回所述泵之前對其進(jìn)行壓縮的壓縮沖幾。
19. 權(quán)利要求16-18中任意一項的裝置，包括用于在所述部分的所 述氣流從所述氣流中轉(zhuǎn)向之前從所述氣流中除去至少 一 種物種的消減 設(shè)備。
20. 權(quán)利要求19的裝置，其中所述額外的消減設(shè)備包括一或多種 材灃牛的加熱的床。
21. 權(quán)利要求16-20中任意一項的裝置，包括位于所述等離子體消 減設(shè)備下游用于從所述氣流中去除物種的消減設(shè)備。
22. 權(quán)利要求16-20中任意一項的裝置，包括位于所述等離子體消 減設(shè)備下游用于從所述氣流中去除來自從所述氣流中去除全氟化物種 產(chǎn)生的副產(chǎn)物的濕式洗滌器。
23. 處理氣流的裝置，該裝置包括真空泵、用于從所述氣流中去除 第 一 物種的第 一 消減設(shè)備、位于第 一 消減設(shè)備下游用于從所述氣流中去 除第二全氟化物種的第二等離子體消減設(shè)備、用于將一部分所述氣流轉(zhuǎn) 向遠(yuǎn)離所述等離子體消減設(shè)備的機(jī)構(gòu)、和用于將所述轉(zhuǎn)向部分作為所述 真空泵的吹掃氣體返回所述氣流的機(jī)構(gòu)。
24. 權(quán)利要求23的裝置，包括用于在所述轉(zhuǎn)向部分氣流返回所述 泵之前對其進(jìn)行冷卻的熱交換器。
25. 權(quán)利要求23或24的裝置，包括用于在所述轉(zhuǎn)向部分氣流返回 所述泵之前對其進(jìn)行壓縮的壓縮機(jī)。
26. 權(quán)利要求23-25中任意一項的裝置，包括位于所述等離子體消 減設(shè)備下游用于從所述氣流中去除第三物種的第三消減設(shè)備。
27.權(quán)利要求26的裝置，其中所述第三消減設(shè)備包括濕式洗滌器。
全文摘要
記述了控制用于處理氣流的消減系統(tǒng)的效率的方法，其中一部分氣流被轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離用于從氣流中除去全氟化物種的等離子體消減設(shè)備，并在所述消減設(shè)備上流作為真空泵的吹掃氣體被返回所述氣流。這既可以降低消減設(shè)備的能量需求又可以降低被添加到所述氣流中彌補(bǔ)吹掃氣體的惰性氣體量。
文檔編號B01D53/68GK101410167SQ200780011123
公開日2009年4月15日 申請日期2007年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月8日
發(fā)明者A·J·西利, J·R·史密斯 申請人:愛德華茲有限公司