等离子体反应器的制作方法

专利名称：等离子体反应器的制作方法
等离子体反应器 本发明涉及等离子体反应器。所述装置可特别用于等离子体消除(abatement)系 统，用于处理从工艺室中排出的气体物流。 制造半导体设备的主要步骤是通过蒸气前体的化学反应在半导体基板上形成薄 膜。 一种已知的在基板上沉积薄膜的技术是化学气相沉积(CVD)。在这种技术中，将工艺气 体提供给安放基板的工艺室，并且反应而在基板表面上形成薄膜。提供给工艺室而形成薄 膜的气体的实例包括，但不局限于
硅烷和氨，用于形成氮化硅薄膜； 硅烷、氨和氧化亚氮(nitrous oxide)，用于形成SiON薄膜；
TEOS和氧气与臭氧之一，用于形成氧化硅薄膜；禾口
Al (CH3) 3和水蒸气，用于形成氧化铝薄膜。 等离子体蚀刻工艺通常也在工艺室中进行以蚀刻电路特征。蚀刻气体一般是全氟 化合物(perf luorocompound)气体如CF4、 C2F6、 CHF3、 NF3和SF6。 工艺室的内表面还定期地进行清洗而从所述室中除去不需要的沉积材料。清洗 所述室的一种方法是提供全氟化合物清洗气体，如NF3或C2F6，以便与不需要的沉积材料反应。 工艺工具通常具有多个工艺室，每个可在沉积、蚀刻或清洗工艺相应的不同阶段。 从工艺室排出的气体物流的组成典型地包括剩余量的提供给工艺室的气体以及来自工艺 的副产物。因此，在加工期间，由从各室排出的气体的组合形成的废物物流可以具有各种不 同的组成。 工艺气体如硅烷和TEOS，和清洗气体如全氟化合物是非常危险的，如果排出到大 气的话，并且因此，在将排出气体排放到大气前，它们被送到消除装置。消除装置将排出气 体中更危险的组分转化成可容易地通过常规洗刷除去的物质和/或可被安全地排出到大 气的物质。 目前趋势是朝着无燃料的消除技术发展，并且众所周知使用等离子体消除设备， 在来自蚀刻工艺室的排出气体中的不期望的物质能够高效率地且以较低成本被除去。在等 离子体消除工艺中，使得气体物流流入高密度等离子体并且在强化条件下气体物流中的等 离子体物质经受高能电子的撞击，使得分解成反应性物质，其能够与氧气或氢气结合而产 生相对稳定的副产物。例如，C2F6能够被转化为C0、 C02和HF，其能够在其它处理步骤中被 除去。因此令人期望的是扩展等离子体消除技术以便能够使单个无燃料的消除设备用于处 理来自一定范围的工艺室的排出气体。 然而，取决于在各室中进行的工艺，不同的排出气体可能包含彼此不相容的化学 物质。例如，来自其中进行氧化硅沉积工艺的室的排出气体可能包含TEOS、氧气和Si(^颗 粒物(其在该室中产生)。另一方面，来自其中进行NF3清洗工艺的室的排出气体可能包含 氟气(F2)。 TEOS和氟气将在接触时自发地燃烧，这潜在地在排出气体管道系统中导致火灾 或爆炸。虽然这些气体物流可以使用相应的消除装置来分别处理，但是这增加了与消除系 统有关的成本。
此外，为了优化微波等离子体消除设备的破坏效率，气体入口典型地是大约1平方毫米。因此，在排出气体中直径为仅仅数微米的颗粒物的存在可能导致等离子体消除设备的入口的迅速阻塞。 本发明的至少优选的实施方案的目标是设法解决这些和其它问题。
在第一方面中，本发明提供了等离子体反应器，其包括
反应室； 入口头，其具有连接到反应室的开口端，位于与开口端相对的等离子体入口，从开口端向等离子体入口逐渐变小的内表面，和各自位于等离子体入口和开口端之间的第一和第二气体入口 ；禾口 用于通过等离子体入口将等离子体物流注入反应室的等离子炬； 其中，等离子体入口被成形为使得等离子体物流朝着气体入口向外散布(spread
outwardly)。 入口头和等离子体入口的这种成形能够使得等离子体物流可以撞击到气体物流上，当气体物流从气体入口离开时。等离子体物流能够提供能量源，其能够引起相当大比例的气体物流的至少一种组分在气体物流开始在室内混合前进行反应。 例如，如果气体物流的一种组分是可燃性的并且与足够量的氧化剂一起被输送到
反应器中，等离子体物流能够在反应器内气体物流与其它气体物流混合前提供用于引起该
可燃性组分的基本上完全的、受控燃烧的着火能量。这可能抑制在一种气体物流的可燃性
组分例如TEOS与其它气体物流的组分例如氟气之间的在等离子体反应器中发生的非受控
反应。其他气体物流的这种组分能够与反应物例如水蒸气(单独提供给反应室的或者先前
在气体物流中夹带的)反应，其中等离子体物流提供了促进该反应的能量源。 结果，等离子体反应器可以用于以降低的功率消耗和成本同时处理从两个工艺室
排出的气体物流，相比于为每一个气体物流包括等离子体反应器的消除系统来说。 为产生其中工艺粉末不能聚集的高温反应器，反应室优选包括环形主体和向环形
主体的内表面提供气体的装置(means)以便抑制沉积物在其上的堆积。这种特征可以在不
具有上述入口头的等离子体反应器中提供，并且因此在第二方面中，本发明提供了等离子
体反应器，其包括 反应室； 至少一个用于向反应室等离子体中提供气体的气体入口 ；禾口
用于将等离子体物流注入反应室的等离子炬； 其中反应室包括环形主体和向环形主体的内表面提供气体的装置以便抑制沉积物在其上的堆积。 环形主体可包括多孔环形构件，其中气体提供装置包括用于接收气体的在环形构件周围延伸的充气室(ple皿m chamber)。在压力下气体从充气室通过环形构件并且逐出任何可能已经积聚在环形构件内表面上的沉积物。 可以提供装置(means)以便加热提供给环形主体的内表面的气体。装置可以由位于充气室中的电阻加热器来提供，或者备选地由围绕充气室的加热器来提供。加热提供给反应器室的气体可以使得高温能够沿反应器室的长度被保持，由此提高气体物流的组分暴露于在室中产生的高温条件的时间长度并且因此提高反应器的消除性能。
气体可以是惰性吹扫气体，例如氮气或氩气，并且可以包括反应物，例如水蒸气， 氧气，氢气或甲烷，用于与通过气体入口之一进入反应器的气体物流的组分反应。这可以提 供用于将反应物提供给反应器室的适宜的机构，因为不要求另外的气体提供来将反应物提 供给反应器室。 冷却塔可以与用于保持沿冷却塔的内表面的水流量的装置一起在反应室下并且 与反应室流体连通地提供。这能够使得离开反应室的反应产物物流可以被冷却，同时使得 气体物流中所含的酸性气体如HF能够通过包覆塔内表面的水流被带入溶液，以及此外使 得固体颗粒物能够被这种水流捕获。冷却塔还可包括热交换器以便回收热量来提供给反应 器的其它部分。 第一气体入口优选地位于与第二气体入口在直径上相对。优选地选择内表面的 形状以便其严格地符合等离子体物流的形状，由此最小化在气体入口和等离子体物流之 间的气体路径的长度。例如，入口头的内表面可以基本上是圆锥形的或者截头圆锥形的 (frustro-conical)，其中内表面的锥角被选择为严格地匹配等离子体物流从等离子体入 口向外扩张(flare outwardly)所处的角度。 每一气体入口包括用于接收待在反应室中处理的气体物流的喷嘴，和用于接收吹 扫气体的在喷嘴周围延伸的环形通道。这种吹扫气体可以用来冷却入口头，另外的优点在 于由吹扫气体从入口头中取出的热量通过吹扫气体被再次引入回到反应室。吹扫气体可以 包括相对惰性气体，如氮气或氩气，并且还可包括反应物，如氢气，水蒸气，氧气或甲烷，用 于与通过气体入口被输送到反应器中的气体物流的组分反应。喷嘴可以在气体入口中终止 以便提供反应物在其离开气体入口前与气体物流混合的机会。入口还可包括反应物气体入 口管，其延伸到喷嘴中，被喷嘴和环形通道同心围绕。通到反应物气体入口管的反应物气体 可以包括，例如，氢气，水蒸气，甲烷或氧气。通到反应物气体入口管的反应物气体可以是除 任何通到环形通道的反应物之外的，或者是替代任何通到环形通道的反应物的。
入口头可以包括位于等离子体入口和反应室之间的装置，用于朝着第一和第二气 体入口引导等离子体物流，由此进一步减小从气体入口延伸到等离子体物流的气体路径。 例如，陶瓷主体可以位于入口头之中并且被成形为使得将等离子体物流引导到位于主体和 入口头的内表面之间的圆锥形或截头圆锥形通道中。可以提供装置以便在主体外表面上产 生气体层。例如，陶瓷主体可以是多孔的，其中气体物流被提供给该主体从而在主体的外表 面上产生气体层。这种气体层能够为陶瓷主体提供保护性气体边界。气体还可包括反应物， 用于与通过气体入口之一进入反应器的气体物流的组分反应。如果将冷却水提供给主体， 这可以提供水蒸气源，其用于与气体物流的组分反应。 参考附图，仅仅作为举例，现将描述本发明的优选特征，在附图中


图1是等离子体反应器的第一实施方案的剖视图；
图2是等离子体反应器的第二实施方案的剖视图；禾口
图3是等离子体反应器的第三实施方案的剖视图。
图4是等离子体反应器的第四实施方案的剖视图。 首先参看图l，等离子体反应器的第一实施方案包括反应器室12。反应器室12基 本上是圆柱形的，并且被环形主体16的内表面14限界。在这个实施例中，环形主体16由 多孔陶瓷环形构件提供，其被在环形主体外表面和圆柱形外壳20之间形成的充气体积18围绕。如下文更详细描述的，通过一个或多个入口喷嘴22，气体被引入充气体积18，以便， 在使用期间，气体通过环形主体16进入反应器室12，如图1中24处所指出的。
反应器室12的下端(如所示)是开放的以便允许反应产物从反应器室12输出。 反应器室12的上端(如所示)连接到入口头30，以便提供待处理的气体给反应器室12。入 口头30包括连接到反应室12的开口下端32和位于与开口端32相对的等离子体入口 34， 其中入口头30的内表面36从开口端32朝着等离子体入口 34逐渐变小。
dc等离子炬38位于入口头30的外部以便通过等离子体入口 34注入等离子体物 流。等离子体物流可以由任何可电离的等离子体源气体，例如氩气或氮气产生。等离子体 入口 34被成形为使得等离子体物流向外散布，当其离开等离子体入口 34时。在这个实施 例中，等离子体入口34具有内壁，其具有与等离子炬38相邻的收敛段，和与入口头30的内 表面36相邻的扩散段，以便等离子体物流以等离子体扩张角a从等离子体入口34向外扩 张。入口头30的内表面36被成形以便严格地符合等离子体物流的形状。在这个实施例 中，内表面36基本上是截头圆锥形的，其具有锥角P，该锥角13严格地匹配等离子体扩张 角a 。 入口头30还包括第一气体入口 40和第二气体入口 42，各自位于等离子体入口 34 和入口头30的开口端32之间并且以基本上平行方向延伸通过入口头30。每一气体入口 40、42连接到相应的气体提供管道44、46，其将待在等离子体反应器中处理的气体提供到 其相应的气体入口 40、42。如图l-3所示，入口 40、42可以被排列以便沿与环形主体16的 内表面14平行的向下方向提供待通过等离子体反应器处理的气体。入口 40、42还可被排 列以便通过以某一角度引导入口40、42到入口头30中(未示)而沿向下的螺旋方向提供 待处理的气体通过等离子体反应器，并且因此提高了气体在反应器中的停留时间。喷嘴48 被提供在每个气体入口 40、42中以便接收来自气体供给管道44、46的气体并且将气体注入 到反应室12中。每一喷嘴48被在喷嘴48的外表面和气体入口 40、42的内表面之间限定 的环形气体通道50围绕，并且向其中提供吹扫气体以便在等离子体反应器的使用期间冷 却入口头30。 提供给气体入口 40、42的气体可以包括来自半导体工艺室的排出气体，其中每一 气体入口 40、42被安排接收来自不同的工艺室的气体。例如，在一定时刻，被输送到气体管 道44的气体可以是来自其中进行氧化硅沉积工艺的工艺室的排出气体，并且被输送到气 体管道46的气体可以是来自其中进行清洗工艺的不同的工艺室的排出气体。因此，被提供 给反应器的气体可以是不相容的；在这个实施例中，一种气体可以包含TEOS，而其他气体 可以包含氟气。 入口头30的设计能够使得等离子体物流可以撞击到这些气体上，当它们从气体 入口 40、42进入等离子体反应器时。内表面36的形状意味着在各个气体入口 40、42和等 离子体物流之间仅仅存在相对短的气体路径，并且因此在被等离子体物流撞击前气体混合 的机会很小。等离子体物流能够提供能量源，其能够引起相当大比例的气体的至少一种组 分在气体开始在反应室12内混合前进行反应。例如，等离子体物流能够提供用于消除与 来自沉积工艺室的排出气体一起包含的可燃性气体如TEOS的着火源。TEOS通常从具有一 定量的氧化剂如氧气或臭氧的这样的室中排出，并且因此前提是在气体中存在足够的氧化 剂，可燃性气体的基本上完全燃烧可以在反应器中进行。如果对于可燃性气体的完全燃烧来说，在排出气体中所含的氧化剂不足，可以将另外的氧化剂提供给吹扫气体，该吹扫气体 被提供给围绕气体入口 44的喷嘴48的环形通道50。 如上所述，被输送到气体管道46的气体可以是来自其中进行清洗工艺的工艺室 的排出气体，并且因此可以包含清洗气体，如NF3，以及在清洗工艺期间产生的氟气(F2)和 SiF4。通过由等离子体物流加热气体至足够的温度来实现F2和SiF4的消除，这些物质与水 蒸气的反应是迅速且完全的。此外，水蒸气可以被提供给反应器，夹带在吹扫气体中，该吹 扫气体被提供给围绕气体入口 46的喷嘴的气体通道50，使得反应能够在入口头30中开始。 或者，当可燃性气体已经在非常接近气体入口 44之处被消除时，在反应室12中将存在很 少的可燃性气体，即使有的话，并且因此水蒸气可以被提供给反应室12，夹带在被提供给充 气室18的吹扫气体中，以便氟气和SiF4与水蒸气的反应完全在反应室12中进行。N&和 其它全氟化合物的消除需要提高的温度和较长的停留时间，这是通过加热提供给充气室18 的(含水的)吹扫气体而实现的。吹扫气体可以使用位于充气室18中的电阻加热器或者 通过围绕充气室18的加热夹套来加热。 当进入等离子体反应器的气体之一可以是来自其中进行二氧化硅沉积的工艺室 的排出气体时，二氧化硅的颗粒物可以进入反应器。这是因为在沉积工艺期间，在紧接基板 的条件被优化以便最小化气相反应和最大化表面反应以便在基板上形成连续薄膜。然而， 在室中其它处的条件和在室下游的条件没有被这样优化，并且气相成核作用可以导致形成 颗粒物。这些颗粒物通常以一定尺寸范围形成，直径为几微米直至直径为数十或数百微米， 并且较细的颗粒物可能往往聚集而形成较大的颗粒物。将吹扫气体提供通过环形主体16 用来从环形主体16的内表面14中逐出任何这样的颗粒物，由此使得反应室12可以在反应 器的使用期间被保持在相对清洁条件中。 从反应室12的开口底端排出的气体物流因此将包括来自在反应器中进行的反应 的副产物，以及已经通过反应器的其它气体如吹扫气体和未消耗的反应物，和固体颗粒物。 反应室的开口底端连接到圆柱形的后燃烧室60，其包括用于接收流自反应室12的气体物 流的水冷塔62。通过管(未示)将水提供给围绕冷却塔62的环形槽64，以便水从槽64的 顶部溢出并且顺冷却塔62的内表面流下。水用来冷却气体物流并且防止固体颗粒物沉积 在冷却塔62的表面上。另外，气体物流的任何酸性组分可以被水带入溶液。如果需要任何 另外的骤冷，可以将喷雾喷射器设置在室60的下端以便引入水雾。 通过室60的出口排放的气体物流和水可以被输送到分离器(未示)以便从气体 物流中分离水，现在其包含固体颗粒物和酸性物质。然后气体物流可以被输送通过湿式洗 涤器而从气体物流中除去剩余的酸性物质，然后将其排放到大气中。 等离子体反应器的第二实施方案在图2中进行了举例说明。第二实施方案包括第 一实施方案的全部特征，此外还包括位于与等离子体入口 34相对的圆锥形的陶瓷主体70， 以便将等离子体物流引导到位于主体70和入口头30的内表面36之间的圆锥形的通道72 中。主体70可以被连接到入口头30、环形主体16或外壳20的底部。等离子体物流进入圆 锥形通道72的方向还降低了从各个气体入口 40、42延伸到等离子体物流的气体路径，由此 使得在气体已经被处理而基本上从气体中除去至少一种组分前气体在反应器中进行混合 变得更困难。 等离子体反应器的第三实施方案在图3中进行了举例说明。第三实施方案包括第一实施方案的全部特征，并且还包括位于入口头30和环形主体16之间的第二环形主体80。 这种第二环形主体还优选地由多孔陶瓷环形构件提供，所述多孔陶瓷环形构件被在环形主 体80的外表面和圆柱形外壳84之间形成的充气体积82围绕。如对于环形主体16那样， 通过一个或多个入口喷嘴86，气体被引入充气体积82，以便，在使用期间，气体通过第二环 形主体80进入反应器室12，如图3中88处所指出的，以便将颗粒物从第二环形主体80的 内表面90逐出。如在第一实施方案中的，在进入反应室12之前，这种气体优选地被加热。
除提高反应室12的长度，和因此气体在等离子体反应器中的停留时间之外，包括 这种第二环形主体80和相关的充气室82能够使得沿反应室12的长度可以使用不同的吹 扫气体流动速率、吹扫气体组成和温度，以便可以对待在反应器中处理的气体优化消除化 学过程。例如，充气室82可以进料以用于消除氢气的富集氧化剂的吹扫气体，而富集水蒸 气的吹扫气体可以被提供给充气室18以便消除氧化剂如氟气或NF3。 等离子体反应器的第四实施方案在图4中进行了举例说明。第四实施方案包括第 三实施方案的全部特征，并且还包括反应性气体入口管100，其提供在喷嘴48和环形气体 通道50中并且由其同心围绕。与任何通过气体通道50提供的反应性气体一起，或者代替 任何通过气体通道50提供的反应性气体，反应性气体通过反应性气体入口管100提供给待 处理的气体。应当理解的是反应性气体入口管100可具有图1至3中的本文中所述的实施 方案中的任一个，并且不局限于图4中所示的实施方案。此外，相对于吹扫气体入口的反应 性气体入口管的排列，不局限于图4中所示的排列。例如，反应性气体入口管100可以这样 排列，使得在进入室12前，全部气体相互混合。
权利要求
一种等离子体反应器，包括反应室；入口头，其具有连接到反应室的开口端，位于与开口端相对的等离子体入口，从开口端向等离子体入口逐渐变小的内表面，和各自位于等离子体入口和开口端之间的第一和第二气体入口；和用于通过等离子体入口将等离子体物流注入反应室的等离子炬；其中，等离子体入口被成形为使得等离子体物流朝着气体入口向外散布。
2. 根据权利要求l的等离子体反应器，其中第一气体入口位于与第二气体入口在直径 上相对。
3. 根据权利要求1或2的等离子体反应器，其中入口头的内表面基本上是截头圆锥形的。
4. 根据前述权利要求中任一项的等离子体反应器，其中气体入口以基本上平行方向延 伸通过入口头。
5. 根据前述权利要求中任一项的等离子体反应器，其中每一气体入口包括用于接收待 在反应室中处理的气体物流的喷嘴，和用于接收吹扫气体的在喷嘴周围延伸的环形通道。
6. 根据前述权利要求中任一项的等离子体反应器，其中等离子体入口具有内壁，其具 有与等离子炬相邻的收敛段，和与入口头的内表面相邻的扩散段。
7. 根据前述权利要求中任一项的等离子体反应器，包括位于与等离子体入口相对的用 于朝着第一和第二气体入口引导等离子体物流的装置。
8. 根据权利要求7的等离子体反应器，其中引导装置包括主体，其用于将等离子体物 流引导到位于主体和入口头的内表面之间的圆锥形通道中。
9. 根据权利要求8的等离子体反应器，其中主体由陶瓷材料形成。
10. 根据权利要求8或9的等离子体反应器，包括用于在主体外表面上产生气体层的装置。
11. 根据权利要求10的等离子体反应器，其中气体层包括用于与通过气体入口之一进 入反应器的气体物流的组分反应的反应物。
12. 根据权利要求8-11中任一项的等离子体反应器，包括用于冷却主体外表面的装置。
13. 根据权利要求12的等离子体反应器，其中主体冷却装置被配置成为主体提供水。
14. 根据前述权利要求中任一项的等离子体反应器，其中反应室包括环形主体和向环 形主体的内表面提供气体的装置以便抑制沉积物在其上的堆积。
15. —种等离子体反应器，包括 反应室；至少一个气体入口，用于向反应室等离子体中提供气体；禾口 用于将等离子体物流注入反应室的等离子炬；其中反应室包括环形主体和向环形主体的内表面提供气体的装置以便抑制沉积物在 其上的堆积。
16. 根据权利要求14或15的等离子体反应器，其中环形主体包括多孔环形构件，并且 气体提供装置包括用于接收所述气体的在环形构件周围延伸的充气室。
17. 根据权利要求14-16中任一项的等离子体反应器，包括用于加热提供给环形主体 的内表面的气体的装置。
18. 根据权利要求14-17中任一项的等离子体反应器，其中气体包括用于与进入反应 器的气体物流的组分反应的反应物。
19. 根据权利要求14-17中任一项的等离子体反应器，其中反应室包括位于第一次提 及的环形主体和等离子体入口之间的第二环形主体，和第二气体提供装置，用于将不同于 提供给第一次提及的环形主体的气体的第二气体提供给第二环形主体的内表面以便抑制 沉积物在其上的堆积。
20. 根据权利要求19的等离子体反应器，其中第二环形主体包括多孔环形构件，并且 第二气体提供装置包括用于接收所述第二气体的在这个环形构件周围延伸的充气室。
21. 根据权利要求19或20的等离子体反应器，包括用于加热第二气体的装置。
22. 根据权利要求19-21中任一项的等离子体反应器，其中第二气体包括用于与进入 反应器的气体物流的组分反应的反应物。
23. 根据前述权利要求中任一项的等离子体反应器，包括在反应室以下并且与反应室 流体连通的冷却塔，和用于保持沿冷却塔的内表面的水流量的装置。
24. 根据权利要求5和15的等离子体反应器，还包括气体管道以便在通过所述等离子 体处理前，将反应物气体引入到待处理的气体。
全文摘要
等离子体反应器包括反应室和连接到反应室的入口头。入口头包括连接到反应室的开口端，位于与开口端相对的等离子体入口，从开口端向等离子体入口逐渐变小的内表面，和各自位于等离子体入口和开口端之间的第一和第二气体入口。等离子炬通过等离子体入口将等离子体物流注入到反应室中，所述等离子体入口被成形为使得等离子体物流朝着第一和第二气体入口向外散布。入口头和等离子体入口的这种成形能够使得等离子体物流可以撞击到气体物流上，当它们从气体入口离开时，并且由此引起相当大比例的气体物流的至少一种组分在气体物流开始在室内混合前进行反应。
文档编号H01J37/32GK101755322SQ200880025328
公开日2010年6月23日 申请日期2008年7月14日 优先权日2007年7月19日
发明者A·钱伯斯, G·P·奈特 申请人:爱德华兹有限公司