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湿式废气处理设备在半导体单晶圆清洗领域应用评测

发布时间:2021-07-06 13:38:23

       使用端废气处理概念已成功在半导体单晶圆清洗领域进行评测。相较于传统的半导体废气处理,端湿式废气处理设备其优点包括体积更小、排气管道复杂度较低、对中央处理系统的负载较小、减少无尘室空气的损耗、占用楼板空间更小、以及制程变动的弹性更高等。此外,除了达成低排放浓度,其还能消除因酸咸中和所产生的盐粒子。

废气处理设备

半导体制造领域的单晶圆洗净

       半导体产业的许多制程步骤都会排放各种有害废气。化学气相沉积或干式蚀刻则会运用许多反应性强的气体,其通常会在很靠近废气来源的地方进行所谓的使用端处理。反观湿式化学法则是发展已久的制程,其运用湿式废气处理设备来处理废气,如果废气中含有许多挥发性有机化合物(VOC),则会采用废气焚化炉(oxidizer),两者通常都置于建筑物的内部或顶层。然而,随着单晶圆洗净逐渐广泛用于量产环境,接近废气来源的湿式废气处理设备则能提供许多优点。许多技术与商业层面的因素导致客户要求更改良的湿式废气处理设备方案,除了缩小占用空间外,并能滤除系统排放废气所含的各种制程化学物质。在已使用很长一段时间的湿式清洗台方面,其承载着多片晶圆的托架(carrier)会浸入一连串的液体槽,而湿式清洗台的每个隔间(compartment)永远会装入相同种类的液体。每个隔间的通风空气会导入其中一个排气系统,通常分类成酸、咸、挥发性有机化合物、以及一般排气系统。

       反观在单晶圆湿式洗净系统方,则只会将一片晶圆置入制程反应室(chamber)内。湿式洗净机台含有多个制程反应室,可一次处理多片晶圆,或在不同反应室中执行不同的制程步骤。在洗净过程中,晶圆先后喷洒多种不同的化学液体,之后再透过旋转晶圆的方式移除。除了纯水之外,常用的成分还包括氨、硫酸、过氧化氢、臭氧水(ozonizedwater)、氢氟酸、或异丙醇。而在喷洒与旋转过程中,有些液体会挥发,另外有些液体的飞沫则会被吸入通风管路中。

       一些含有氨以及氢氟酸或硫酸的液体由于蒸气或飞沫相互接触,会在排气管路内形成盐结晶。氨与氢氟酸的反应是可逆的(参阅反应式1);因此若两种气体的浓度压低在平衡值以下,就能抑制氟化铵盐的生成,我们可依据热力学推算出在室温下的这个平衡值

[NH3][HF]<100(ppm)&sup2

HF(g)+NH3(g)↔NH4F(s)

湿式清洗台设备制程处理废气的新途径

       以往解决问题的作法,是将每个工具反应室的排气依照咸、酸、或有机性质分门别类导入专属的管路,如图1所示。分成这三种排气的方法是将湿式洗净机台内数个反应室的排气管道全部连结到一个所谓的切换箱(switchingbox)中,之后大口径阀件将反应室内排气管的每道排气导入这三种排气管路的其中一条,导气的路线则是根据每个反应室的实际制程步骤来决定。每个排气管路都会透过特定的湿式废气处理设备加以处理。

       虽然切换箱成效不错,但由于仍具有缺点,因此使得晶片制造商不得不另觅他法:以避免排气管路中压力变化而出现切换箱将气体送到不通气的死点,使得暂时无法连通到制程反应室。也因此,每条排气管路导通较大的流量,随时畅通无阻连到所有制程反应室。由于切换箱靠近生产设备,而这些生产设备均置于无尘室内,因此昂贵的无尘室空气适时补充。在每条中央排气管路的下游,中央湿式废气处理设备系统永远都会载入大流量的气体,因此其设计容量是制程工具实际排气量的数倍。另外,辅助设备安装的空间通常直接占用无尘室的楼板,因此会被限缩,而须采取高密度的配置设计;由于管路与阀件口径偏大,切换箱会占用很大的楼板空间,此外,系统产生多个讯号,以将每个制程排气导引至适合的中央排气管路中。凭借使用端湿式废气处理设备,以上这些缺点都能得以克服。

废气处理设备

       湿式废气处理设备通常适用来移除气流中各种可溶性气体。酸性与咸性气体(这里指的包括氟化氢HF与氨NF3)可透过咸性与酸性水洗废液(参见反应式2与3)以化学吸收的方式减量。对于遵循亨利定律的溶剂,流经水洗器的低排气浓度受限于最终水洗器处理站水洗废液的有效浓度(参见反应式4),但这些理论限制都要求设备够大,特别是气体的存留时间够长,气相与液相才会平衡;此外,液体的流量够高,如此流经水洗塔(scrubbercolumn)液体的浓度才会维持相对稳定。废气公司设备设计面临的挑战要适时做出取舍,以因应尺吋、效率、以及压力差(pressuredrop)方面的限制。

HF+OH–↔F–+H2O(2)

NH3+H3O+↔NH4++H2O(3)

kH=p/caq(4)

caq是指液态的浓度;p则是气相的分压

       新型使用端湿式废气处理设备解决方案。其中,一个制程机台的所有制程反应室都连到一个湿式废气处理设备,而该设备只连接一个排气管路。依废气处理要求加装的旁通管路是设置在设备四周,当设备进行维护或故障时可让生产设备维持通风。位于湿式废气处理设备排气管路入口的喷嘴,能在混合不同排气气体之前用来降低可溶气体的浓度,之后气体会流经两个水洗处理段利用不同水洗废液进行处理;在每个水洗处理段的终点,会透过一个除雾器除去气流中的水沫,至于系统内的压力,则会透过一个附有电子频率转换器的风扇来维持恒定,一旦出现故障或进行维护时,气体会经由旁通管路略过两个湿式废气处理设备处理段。

废气处理设备

使用端(PointofUse)废气处理设备废气治理运作原理

       为因应面积与高度的限制,处理站尽量缩小。典型的喷淋塔废气处理设备均含有多个水洗单元并堆叠在一起,因此这种设计并不合宜。两个四方堆叠的逆流处理站是并列式的置于方格的内部,由于气体依接触液体表面的状态有可能转成液相,因此两个处理站都设计成紧密的塔状(column)。在这个设计中,选用紧密填充的媒材是一大关键,因为更小的填充媒材不仅会增加接触面积,还会导致填料内部压力差加大。由于湿式废气处理设备高度固定,填充媒材尽可能提高表面积;但每个填充媒材的单元之间要有足够的开放面,以使排气风扇仍能持续补偿填充媒材之间的压力差。气流管路的狭窄区域与转弯处以及除雾器都会造成系统的压力差,由于两个处理站段都是逆流塔,气体流经复杂的管路,才能从湿式废气处理设备一侧的入口传到另一个处理段的底部,然后再从处理段的顶部传到第二处理段的底部,再从水洗器的另一侧送出。系统的压力差尽量消除,才能让维持微型化的设计。

结论

       使用端湿式废气处理设备处理半导体单晶圆生产制造所产生的废气,成功地在半导体晶圆厂完成废气处理评测。测试结果除了达到低排放浓度,还排除了因酸咸中和产生的盐粒。相较于旧废气处理系统,其优势包括:更小与较不复杂的排气管路、对湿式废气处理设备的负载较小、变更制程的弹性较高、减少无尘室空气的损耗,以及占用空间更小。

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