TWI575585B - 自乾式幫浦表面原位移除半導體製程殘物 - Google Patents
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Description
本發明大體係關於使用處理氣體之真空沈積處理之領域，且更特定言之，係關於在真空處理系統中所使用之乾式真空幫浦的內表面上自處理氣體移除沈積物之累積。
此申請案主張2007年4月25日申請之標題為"自乾式幫浦表面原位移除半導體製程殘物(In-Situ Removal of Semiconductor Process Residues from Dry Pump Surfaces)"的美國臨時專利申請案第60/926,164號之利益，其內容特此以其全文引用的方式併入本文中。
半導體晶圓通常在維持於真空下之處理腔室中進行處理。晶圓經歷薄膜沈積及蝕刻操作，其中處理氣體經脈動通過腔室。來自處理之廢氣經由前置管線(foreline)而排出且通過一或多個真空幫浦。彼等廢氣在真空幫浦中形成沈積物之傾向已導致降低之效能且甚至導致彼等幫浦之災難性故障。
已嘗試若干方法來管理真空幫浦中之殘物累積之問題。舉例而言，在美國專利第5,443,644號中，半導體製造裝置具有自將腔室連接至真空幫浦之主要真空通道延伸之"支路通道"。諸如水、熱水、醇或其類似者之洗滌液體可經由支路通道而引入至乾式真空幫浦中以協助移除製程殘物。系統使用沖洗液體來機械地沖洗排出組件，但不將具有重要有機內容之黏著塗層作為目標。
美國專利第6,255,222號描述用於自用於矽-氧-碳沈積製程之基板處理腔室排出管線移除殘物之方法。該技術使用下游電漿裝置以在排出路徑中自蝕刻劑氣體形成電漿。
美國專利第5,158,644號揭示反應器腔室自清潔製程，其中將含有碳氟化合物之氣體注入至腔室中以形成電漿。該技術處理在處理腔室中而非在真空排出系統中積聚之沈積物。美國專利第5,785,796號揭示真空處理裝置，其中將基於ClF之清潔氣體供應至複數個真空處理腔室及一真空運輸腔室。當將清潔氣體排出時，亦自排出系統移除薄膜。
國際專利公開案WO 2004/036047描述用於在真空幫浦機構中管理沈積物之方法，其中含有F2之液體或氣體經由在自幫浦入口之下游的外殼中之埠而引入至真空幫浦中。
目前存在對改良型真空處理系統之需要，其中自有機金屬前驅物之分解在真空乾式幫浦中所形成的積聚沈積物經廉價且可靠地移除。據發明者所知，目前尚無此系統可用。
本發明包括一種用於在真空沈積處理系統中移除乾式真空幫浦上之沈積物的系統及方法。一實施例為一種用於自具有經由真空排出路徑而連接至處理腔室之入口之乾式真空幫浦移除製程殘物的系統。該系統包含：注入噴嘴，其經定位用於將流體引入至乾式真空幫浦之入口中；氫氟酸源，其連接至注入噴嘴以向噴嘴供應氫氟酸；及閥門，其定位於氫氟酸源與注入噴嘴之間以用於調節通過注入噴嘴
之氫氟酸流。
本發明之另一實施例為一種用於自操作以抽空進行有沈積製程之真空處理腔室之乾式真空幫浦之表面移除製程殘物的方法，真空處理腔室在沈積製程期間為閒置的，乾式真空幫浦經由真空排出路徑而連接至真空處理腔室。該方法包含以下步驟：當真空處理腔室為閒置時，將含水氫氟酸流引入至乾式真空幫浦之入口中，藉以將製程殘物自乾式真空幫浦之表面移除。
本發明處理移除在半導體製造製程中黏附至乾式真空幫浦機構之製程殘物塗層之問題。本發明之方法及裝置尤其適用於以下製程：其中在處理腔室中使用TDMA金屬前驅物或TEMA金屬前驅物，從而導致具有重要有機內容之黏著塗層形成於乾式真空幫浦機構中。然而，本發明不限於與彼等製程一起使用，且可用於其他金屬有機前驅物導致具有重要有機內容之類似黏著塗層之製程中。發明者已開發以下裝置及製程：藉以，藉由在半導體處理腔室為閒置時將稀釋氫氟酸注入至乾式真空幫浦之入口中來移除彼等塗層。
圖2中展示根據本發明之系統200。處理氣體210在真空下引入至處理腔室212中。半導體製造製程使用諸如金屬有機前驅物之前驅物氣體及氧化劑以在基板上沈積金屬氧化物。兩個此等製程為原子層沈積(ALD)及化學氣相沈積(CVD)。舉例而言，氧化鉿ALD薄膜使用肆二甲胺基鉿
(TDMAH)及臭氧或使用肆乙基甲胺基鉿(TEMAH)及臭氧而沈積於晶圓上。諸如彼等物之金屬有機ALD製程在其性質上自形成製程中所使用之金屬前驅物的部分地分解之配位體產生有機廢物。ALD沈積製程通常為兩步驟製程，其中金屬有機前驅物首先以初始氣體脈衝流過腔室，沈積薄金屬層，繼之以淨化且接著使臭氧以第二脈衝流過腔室，形成金屬氧化物。氣相反應在腔室之下游發生，且次級反應產物凝結於乾式真空幫浦中。彼等有機廢物在真空幫浦之工作表面上迅速地累積沈積物。
在用於氧化鉿沈積中之ALD製程的狀況下，咸信彼等廢物包括含有氧化鉿顆粒之非晶形有機基質。氧化鉿顆粒相對堅硬，導致極具研磨性之複合物。
圖1中示意性地展示例示性真空沈積製程100。在彼製程中，在ALD製程中藉由將處理氣體110(肆二甲胺基鉿及臭氧)引入至處理腔室中而在基板上沈積氧化鉿薄膜。在處理腔室120中，ALD製程產生自限制的連續表面化學反應，其將可具有變化組合物之保形材料薄膜沈積至基板上。因為提供鉿金屬作為金屬有機前驅物，所以來自製程之排氣130含有以蒸氣及固體形式之各種有機及金屬副產物。彼等副產物可在其通過彼機構時沈積於乾式真空幫浦之功能表面上。
圖7所示之顯微照片描繪乾式真空幫浦之功能表面上沈積物之放大部分。該圖清晰地展示沈積物具有結節性質，其中最大結節之直徑超過5微米。沈積物之結節性質表明
沈積物在氣相中或在幫浦表面上或在兩者上"生長"於基核上。額外測試亦已表明沈積物在性質上主要為有機的。
由氣相凝核所形成之粉末可積聚於乾式真空幫浦之表面上。氣相凝核由排氣之氣相組份當中的反應而產生，得到以粉末形式之固體反應產物。彼產物可積聚於其所接觸之表面上。如本文所使用，術語"沈積物"應意指歸因於任何物理機制(包括薄膜沈積、氣相凝核或其他現象)而積聚於排出路徑中之表面上的固體。
儘管沈積物已被形成，但其不利地影響真空處理系統排出路徑中乾式真空幫浦及其他器件之效能。舉例而言，乾式真空幫浦之幫浦元件上的沈積物改變幫浦元件之有效形狀，從而降級幫浦之效率及有效性。沈積物亦可導致過早磨損及故障。
返回至圖2，系統之真空排出路徑包括將處理腔室212與乾式真空幫浦230連接之前置管線215。"乾式"真空幫浦極大地減少或消除油污染及對流體、捕獲劑及過濾器之需要，其均為油密封式旋轉真空幫浦之特性。壓縮比、幫浦壽命、初始成本及雜訊之最近改良已使得乾式真空幫浦在許多應用中更有吸引力。因為存在較低維護、沒有待拋棄之所使用油、沒有待更換之過濾器或油、沒有待清除之油殘物，故乾式真空幫浦現提供較低之所有權成本。
除了真空沈積製程以外，乾式真空幫浦亦十分適合於承載腔室(loadlock chamber)、轉移腔室、度量工具(例如，晶圓檢測工具、質譜儀、電子顯微鏡)，且適合作為用於
高真空處理腔室之前置幫浦。乾式真空幫浦通常以10-2托至100托之入口壓力而操作且排出至常壓或接近常壓。
具有低所有權成本及維護需求之可靠乾式真空幫浦頻繁地用於化學氣相沈積(CVD)及原子層沈積(ALD)製程中，其中污染必須被保持為最小值。舉例而言，乾式真空幫浦用於氧化鉿ALD薄膜使用肆二甲胺基鉿(TDMAH)及臭氧之沈積中，且用於氧化鉿ALD薄膜使用肆乙基甲胺基鉿(TEMAH)及臭氧之沈積中。
若干乾式真空幫浦組態可用於產生及維持高真空。羅茨(Roots)真空幫浦及鉤爪式真空幫浦包括在相反方向上以相等速度而旋轉之兩個精密加工轉子，其在殼體之排出部分中捕獲氣體且將氣體迫使至排出埠。羅茨及鉤爪式真空幫浦用作初級真空幫浦且用作後援幫浦(backing pump)。其他種類之乾式真空幫浦包括渦捲幫浦(scroll pump)，其中螺旋狀路徑中之氣體藉由軌道運行轉子及螺旋幫浦而前進通過幫浦，其中一或多個螺旋狀轉子經旋轉以使氣體前進通過幫浦。
儘管油密封式幫浦以油來改良密封有效性，但油不可用於密封乾式真空幫浦之腔室。實情為，乾式真空幫浦設計依靠在移動組件之間維持相對較小間隙。乾式真空幫浦之特性使得其更易受黏著製程廢物沈積之影響，其可導致快速磨損及甚至過早之災難性故障。
乾式真空幫浦入口可直接與處理腔室連通或可經由前置管線215而與處理腔室212連通，如圖2所示。前置管線可
(例如)為直徑為1.5吋至6吋且高達約60呎長之管道。真空處理系統排出路徑一般包括用於回收、移除或中和排氣之各種組份的減量系統。
在用於ALD處理之爐應用中，前置管線之直徑為約6吋，且可為5呎至60呎長。前置管線關閉閥門229能夠在下文所描述之幫浦清潔製程期間自前置管線215密封真空處理腔室212。
氫氟酸源213經由氫氟酸供應管線220而向前置管線215提供液體酸。閥門214或液體流動控制器控制進入前置管線之氫氟酸流。
在所展示之較佳實施例中，供應管線220終止於噴嘴216中，噴嘴216經定向於與前置管線215中之流平行的方向上。噴嘴包括具有在約100微米至1000微米之範圍內之直徑的孔口。在當前較佳實施例中，噴嘴孔口之直徑為225微米。閥門或液體流動控制器214可自噴嘴216為外部的，如圖2所示，或閥門與噴嘴可為整體的。
自噴嘴216出射之稀釋液體氫氟酸直接衝擊於乾式真空幫浦230之熱表面上且汽化。經汽化氫氟酸溶解或另外在乾式真空幫浦之內表面上與有機及其他沈積物相互作用或反應以移除彼等沈積物。所移除沈積物經由減量設備250而排出至氣氛。
發明者已發現，稀釋含水氫氟酸在移除在ALD製程期間形成於乾式真空幫浦中之結節沈積物時為尤其有效的。咸信圖7之電子顯微照片所示的沈積物之相當大的表面區域
使得其易受特定蝕刻劑之影響。
用於本發明中之含水氫氟酸在成本上比其他離子氟源顯著地低。另外，用於本發明中之向乾式真空幫浦遞送氫氟酸的設備之成本比遞送替代氟離子源時所使用的設備(諸如，用於產生電漿之設備)之成本顯著地少。
為了在與前置管線215平行之方向上引導噴嘴216，且藉此在乾式真空幫浦之熱表面上輸送液體，管線220可具有90°彎曲物222，如圖2所示。可移除式凸緣或線軸件221使管線220相對於前置管線215而穩定，且提供諸如O型環密封件之真空密封件。在一較佳實施例中，凸緣可自前置管線中之埠移除。埠可經密封用於在沒有氫氟酸供應管線及噴嘴之情況下操作。
用於引入含水氫氟酸之幫浦入口的使用消除對特別構造之在幫浦外殼中具有用於遞送流體之埠之幫浦的需要。發明者已發現，藉由將氫氟酸注入至幫浦之上游的前置管線中或直接注入至幫浦入口中來完全地清潔幫浦之內部組件。
為了防止冰晶體形成於來自噴嘴216之液體氫氟酸的快速擴張流中，可將來自氮氣源219之氮氣注入至噴嘴216之上游或下游的前置管線215中以增加壓力。舉例而言，在具有為大約0.005托之製程操作壓力的前置管線中，可注入氮氣，從而將壓力增加至介於0.1托與50托之間，且較佳增加至約40托。氫氟酸之注入可另外將壓力提昇至(例如)約44托。
乾式真空幫浦可具有在感應到增加之負載或增加之壓力後即減小幫浦速度之過載保護系統。過載保護系統可感應由氮氣及氫氟酸之注入而產生的增加之壓力，且可大體上減小幫浦速度，從而進一步將幫浦及前置管線中之壓力增加至100托，且可能高達400托。在彼狀況下，清潔在低幫浦速度及增加之壓力下進行。
在替代實施例中，調整經汽化氫氟酸之質量流動速率，使得至乾式真空幫浦之入口壓力在操作期間在0.1托至50托之範圍內。
在本發明之另一實施例中，藉由在液體進入噴嘴之前將其汽化來最小化酸流中之冰形成。圖3展示根據彼實施例之系統，其中來自圖2之相應元件具有經遞增100之元件編號。汽化器323置放於供應管線320中以在來自供應源313之氫氟酸進入前置管線315之前將其汽化。較佳在汽化器323中使用加熱元件(未圖示)來汽化氫氟酸。經汽化氫氟酸可經由噴嘴或簡單孔口(未圖示)或其他構件而引入至前置管線中。
或者，液體氫氟酸可在其被引入至前置管線中時藉由噴嘴本身而霧化。
可使用圖4所示之行動車400來手動地或自動地實施本發明之方法。車較佳為可購自Edwards Chemical Management Division of Chanhassen,MN之SmartcartTM高純度化學轉移系統。車400包括氫氟酸容器430。酸可處於待在製程中使用之濃度，其為約0.1體積%至20體積%。或者，容器430
中之酸可處於如市售之較高濃度。在彼狀況下，將水添加至氫氟酸以將酸稀釋至適當濃度以供本方法使用。容器430可為可購自ATMI Packaging,Inc.of Minneapolis,MN之NowPAK®化學供應容器。
車400亦包括用於控制氫氟酸流之閥箱420。連接至閥箱的為圖5中詳細地展示之耦接器500。閥箱中之閥門510連接至雙包封配件520、雙包封管路525、包括用於連接至前置管線且與其密封之O型環(未圖示)的密封凸緣530，及噴嘴540。點535處之管路中的90°彎曲物(未圖示)可在垂直於凸緣之方向上引導噴嘴540以如圖2所示來定向噴嘴，與前置管線平行。
雙包封管路525可為可撓性的且可在未使用時儲存於線軸430上。車400可貫穿製造設施而自工具至工具移動以在複數個乾式真空幫浦上執行本發明之方法。
控制器225(圖2)可併入本發明中以在製程中對事件適當地進行定序。控制器225與處理腔室212連通或與獨立處理腔室控制器(未圖示)連通。控制器亦可與閥門214連通且與氮氣供應源219連通。控制器225可存取含有指令之電腦可讀媒體，指令在被執行時執行如圖6之方法600所示之一系列步驟。控制器在起始乾式真空幫浦清潔步驟之前確定處理腔室為閒置的或腔室中之處理已終止(步驟610)。接著可關閉前置管線關閉閥門229(步驟615)以防止氫氟酸污染處理腔室。接著可將氮氣流引入至前置管線中(步驟620)。在一實施例中，在氫氟酸流進入噴嘴之前將其汽化(步驟
630)。接著藉由打開閥門214(圖2)而將氫氟酸流引入至乾式真空幫浦之入口中(步驟640)。
氫氟酸源213、閥門214、供應管線220及圖2所示之其他關聯設備可用於具有多個處理腔室、前置管線及乾式真空幫浦之設施中。氫氟酸源可為設施中之中央的永久安裝之器件，其具有延伸至許多前置管線中之每一者的供應管線。彼組態允許使用單一酸源來向複數個工具以相對較低成本供應氫氟酸。類似於控制器225之中央控制器可控制用於乾式真空幫浦中之每一者的清潔循環，其操作類似於用於每一供應管線之閥門214的閥門。
上述實施方式及附圖應被理解為在每一方面均為說明性及例示性的，而非限制性的，且如根據由專利法許可之完整範圍所解釋，本文所揭示之本發明的範疇不應自本發明之實施方式來判定，而是自申請專利範圍來判定。舉例而言，儘管關於自真空乾式真空幫浦移除ALD及CVD製程之有機及金屬有機副產物的沈積物而描述系統，但可類似地使用系統來移除其他製程中所產生之類似副產物。應理解，本文所展示及描述之實施例僅說明本發明之原理，且熟習此項技術者可在不脫離本發明之範疇及精神的情況下實施各種修改。
100‧‧‧真空沈積製程
110‧‧‧處理氣體
120‧‧‧處理腔室
130‧‧‧排氣
200‧‧‧系統
210‧‧‧處理氣體
212‧‧‧處理腔室
213‧‧‧氫氟酸源
214‧‧‧閥門
215‧‧‧前置管線
216‧‧‧噴嘴
219‧‧‧氮氣源
220‧‧‧供應管線
221‧‧‧凸緣或線軸件
222‧‧‧90°彎曲物
225‧‧‧控制器
229‧‧‧前置管線關閉閥門
230‧‧‧乾式真空幫浦
250‧‧‧減量設備
313‧‧‧供應源
315‧‧‧前置管線
320‧‧‧供應管線
323‧‧‧汽化器
400‧‧‧行動車
420‧‧‧閥箱
430‧‧‧容器/線軸
500‧‧‧耦接器
510‧‧‧閥門
520‧‧‧雙包封配件
525‧‧‧雙包封管路
530‧‧‧密封凸緣
535‧‧‧點
540‧‧‧噴嘴
圖1為真空半導體製造製程之圖形表示。
圖2為根據本發明之一實施例之系統的示意性表示。
圖3為根據本發明之另一實施例之系統的示意性表示。
圖4為用以實踐本發明之一實施例之裝置的正視圖。
圖5為根據本發明之一實施例之耦接器的示意圖。
圖6為描繪根據本發明之一實施例之方法的流程圖。
圖7為展示乾式真空幫浦工作表面上之沈積物的電子顯微鏡圖。
200‧‧‧系統
210‧‧‧處理氣體
212‧‧‧處理腔室
213‧‧‧氫氟酸源
214‧‧‧閥門
215‧‧‧前置管線
216‧‧‧噴嘴
219‧‧‧氮氣源
220‧‧‧供應管線
221‧‧‧凸緣或線軸件
222‧‧‧90°彎曲物
225‧‧‧控制器
229‧‧‧前置管線關閉閥門
230‧‧‧乾式真空幫浦
250‧‧‧減量設備
Claims (25)
- 一種用於自一具有一經由一真空排出路徑而連接至一處理腔室之入口之乾式真空幫浦移除製程殘物的系統，該系統包含：一注入噴嘴，其經定位用於將一流體引入至該乾式真空幫浦之該入口中；一含水氫氟酸源，其連接至該注入噴嘴以經過該注入噴嘴將含水氫氟酸直接供應至一前置管線，而不需穿過置於該含水氫氟酸源與該前置管線中間的一汽化器；及一閥門，其定位於該含水氫氟酸源與該注入噴嘴之間以用於調節通過該注入噴嘴之一氫氟酸流；一中性氣體源，其經連接用於將一中性氣體引入至該真空排出路徑中；其中該乾式真空幫浦進一步包含一過載控制系統，且其中該中性氣體及該含水氫氟酸之引入導致該過載控制系統減少該乾式真空幫浦之一速度。
- 如請求項1之系統，其進一步包含：一控制器，其用於控制至少該閥門及該處理腔室，該控制器僅在該處理腔室為閒置時打開該閥門。
- 如請求項1之系統，其中該注入噴嘴經定向以朝向該乾式真空幫浦引導一噴霧。
- 如請求項1之系統，其中該前置管線係為一伸長前置管線，且該注入噴嘴經定向以沿該伸長前置管線之一縱向軸線引導一噴霧。
- 如請求項1之系統，其中該含水氫氟酸源供應在0.1體積%至20體積%之範圍內經稀釋的酸。
- 如請求項1之系統，其中該含水氫氟酸源供應該酸以自該噴嘴形成經汽化氫氟酸之一質量流動速率以將該乾式真空幫浦之該入口維持於一介於0.1托至50托之間的壓力下。
- 如請求項1之系統，其中該中性氣體源為一氮氣源。
- 如請求項1之系統，其中該注入噴嘴定位於該前置管線中在該乾式真空幫浦之該入口之上游的一點處。
- 如請求項1之系統，其中該注入噴嘴定位於該乾式真空幫浦之該入口處。
- 如請求項1之系統，其中該含水氫氟酸源連接至用於將流體引入至複數個乾式真空幫浦中之複數個注入噴嘴。
- 如請求項1之系統，其進一步包含：一在該真空排出路徑中之埠；及一支撐該注入噴嘴之凸緣，該凸緣可移除式地連接至該埠。
- 一種用於自一操作以抽空內有沈積製程進行之一真空處理腔室之乾式真空幫浦之表面移除製程殘物的方法，該真空處理腔室在沈積製程之間為閒置的，該乾式真空幫浦經由一真空排出路徑而連接至該真空處理腔室，該方法包含以下步驟：當該真空處理腔室為閒置時，將一含水氫氟酸流引入至該乾式真空幫浦之一入口中，藉以將製程殘物自該乾 式真空幫浦之表面移除；將一中性氣體流引入至該真空排出路徑中；其中該乾式真空幫浦進一步包含一過載控制系統，且其中該中性氣體及該含水氫氟酸之引入導致該過載控制系統減少該乾式真空幫浦之一速度。
- 如請求項12之方法，其中該中性氣體流係為一氮氣流。
- 如請求項13之方法，其中該氮氣流將該乾式真空幫浦之該入口處的一壓力增加至介於0.1托與50托之間，且其中該方法進一步包含以下步驟：減少該乾式真空幫浦之一操作速度以將該乾式真空幫浦之該入口處的該壓力進一步增加至介於100托與400托之間。
- 如請求項12之方法，其中將該氫氟酸流引入至該乾式真空幫浦之一入口中的該步驟進一步包含：將液體氫氟酸引入至該幫浦入口之上游的該真空排出路徑中。
- 如請求項15之方法，其中該液體氫氟酸經由一噴嘴而引入至該真空排出路徑中，該噴嘴經引導以將該液體氫氟酸輸送於該乾式真空幫浦之內部組件上。
- 如請求項12之方法，其進一步包含以下步驟：藉由添加熱來汽化一液體氫氟酸流；及將該經汽化氫氟酸引入至該乾式真空幫浦入口之上游的一噴嘴中。
- 如請求項12之方法，其中將一氫氟酸流引入至該乾式真空幫浦之一入口中的該步驟進一步包含：控制一閥門以計量一氫氟酸流。
- 如請求項12之方法，其中將一氫氟酸流引入至該乾式真空幫浦之一入口中的該步驟進一步包含引入經稀釋為在0.1體積%至20體積%之範圍內的氫氟酸。
- 如請求項12之方法，其中將一氫氟酸流引入至該乾式真空幫浦之一入口中的該步驟進一步包含引入經汽化氫氟酸以自一噴嘴形成經汽化氫氟酸之一質量流動速率以將該乾式真空幫浦之該入口維持於一介於0.1托至50托之間的壓力下。
- 如請求項12之方法，其中將一氫氟酸流引入至該乾式真空幫浦之一入口中的該步驟進一步包含將該氫氟酸引入至該乾式真空幫浦之該入口之上游的該真空排出路徑中。
- 如請求項12之方法，其中將一氫氟酸流引入至該乾式真空幫浦之一入口中的該步驟進一步包含在該乾式真空幫浦之該入口處引入該氫氟酸。
- 如請求項12之方法，其中將一氫氟酸流引入至該乾式真空幫浦之一入口中的該步驟進一步包含將該流引入至複數個乾式真空幫浦之入口中。
- 如請求項12之方法，其中該沈積製程包含使用肆二甲胺基鉿(TDMAH)及臭氧之氧化鉿ALD薄膜沈積。
- 如請求項12之方法，其中該沈積製程包含使用肆乙基甲胺基鉿(TEMAH)及臭氧之氧化鉿ALD薄膜沈積。
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