鎢化學氣相淀積設備的廢氣處理改善

何秉元

（上海華虹宏力半導體制造有限公司，上海 201203）

鎢化學氣相淀積設備的廢氣處理改善

何秉元

（上海華虹宏力半導體制造有限公司，上海 201203）

鎢化學氣相淀積反應會生成大量的有害副產物，這些有害氣體通過尾氣處理器處理去除有害成分或改變化學組成。真空排氣管道和尾氣處理器常常由于粉塵堵塞需要設備停機定期清理，介紹了粉塵堆積的原因和減少粉塵的方法，通過排氣管道加熱保溫、真空泵溫度控制、廢氣處理器改善等方法大幅度延長管道清洗周期、延長真空泵壽命并延長尾氣處理器維護周期。

化學氣相沉積；加熱帶；現場廢氣處理器；

金屬鎢化學氣相淀積（WCVD）工藝常用的氣體有WF6、SiH4、B2H6、H2、O2、C2F6、NF3等。WF6是淡黃、有毒、難燃、無味，有極強的腐蝕性；SiH4是易燃氣體，與空氣接觸會引起燃燒或爆炸；B2H6與空氣形成爆炸性混合物，并且可在潮濕空氣中自燃，有劇毒；H2是易燃易爆氣體，當空氣中的體積分數為4%～75%時，遇到火源可引起爆炸；NF3氣體不可燃、但能助燃。通常在工藝中僅有少部分參與化學反應，大部分的未反應氣體和副產物需要通過真空泵抽走到現場廢氣處理器（LocalScrubber）先行處理后，經全廠的中央廢氣系統（CFS，central facility scrubber）二次處理再排入大氣中。

1 WCVD廢氣處理

WCVD工藝的副產物很容易在真空排氣管路凝結或粉塵堆積，這些凝結物影響管道通暢，容易導致氣體泄漏、真空泵壽命變短、廢氣處理器堵塞，因此管路需要定期換下清洗或疏通，現場廢氣處理器需要定期維護。同時真空管道更換和清洗不僅影響設備停機，而且更換和清洗管道時暴露的有毒物質會對作業人員和環境造成危險。排氣管內堵塞物來源可能有：

（1）反應腔生成物，在WCVD工藝的等離子清洗步驟產生的WOF4是引起管道堵塞最主要的副產物，由于WOF4較低的蒸汽壓在冷的真空管道內壁容易凝聚白色的WOF4粉塵；

（2）空氣從外面泄漏到低壓排氣管和工藝氣體反應生成物；

（3）兩種或多種副產物在排氣管道內反應；

（4）副產物低溫冷凝，WOF4熔點110℃，沸點185℃，容易堵塞在如圖1所示的真空管道B段，這些情況用加熱管道的方法最有效；

（5）副產物和廢氣處理器入口返流的水汽反應，WF6和水汽或氧氣反應生成WOF4，WOF4容易水解生成黃色生成WO2F2，WO2F2和水反應又生成藍色WO3，反應方程式為：

2 排氣管道堵塞改善

2.1 排氣管道加熱保溫

排氣管道加熱保溫用來維持半導體產業中所使用的真空管路、閥門、真空接頭、氣體管路中的溫度在一定范圍，這樣工藝產生的生成物將不易沉積或堵塞于管路中，而會流動到廢氣處理或收集器，這種管道加熱方式特別適合低蒸汽壓氣體凝結的工藝。排氣管道加熱的方法有兩種，一種是管道外裹加熱帶夾克（Heater Jackets）保溫，另外一種是管道內熱氮（Hot N2）吹掃。

圖1 WCVD廢氣排放示意圖

管道外包裹加熱帶保溫包括加熱帶、溫度控制器兩部分組成。加熱帶一般應重點考慮安全性、工作溫度、購買成本、維護成本等，常用的有硅膠發泡加熱帶和高溫布加熱帶，其中以特氟綸為材質的加熱帶擁有較優的質量與使用壽命。加熱帶溫度根據副產物的飽和蒸汽壓曲線確定，加熱帶溫度通常在100℃到200℃，WCVD工藝的主要副產物WOF4熔點110℃，加熱帶溫度通常設定在120℃。

圖2所示為未安裝加熱帶僅僅使用一個月真空管道的堵塞情況，白色晶體粉末WOF4幾乎把整個管道堵死，真空管道拆開后白色的WOF4在空氣中很快就變成黃色的WO2F2和藍色的WO3，嚴重影響設備利用率和維護成本。平均一個月需要更換一次有毒的真空管道，更換、運輸和清洗過程對人和周圍環境都造成危害。

圖3為泵和廢氣處理系統之間的真空管道安裝加熱帶后使用五年拆開檢查發現反應生成物大副減少，加熱帶溫度設定120℃，使用五年還不需要清潔真空管道。

圖2 沒有加熱帶的排氣管道，白色物為WOF4

圖3 真空管道安裝加熱帶后堆積物大副減少

需要注意的是WCVD容易堵塞的位置是真空泵排氣口到現場廢氣處理器之間的真空管道，反應腔到真空泵的真空管道不需要安裝加熱帶。

也有工廠用加熱的氮氣注入到真空排氣管道內壁，熱氮不僅加熱管道而且高壓氮氣可以以特定的或預定的時間間隔噴入真空管道得到內壁沖洗效應，可有效地減少粉塵沉積，同時保持管道內部的干燥并去除濕氣，氣體可以是連續或脈沖通入。

2.2 冷阱

真空泵后端也可以安裝冷阱（Cold Trap）來收集粉塵，冷阱的原理和管道加熱相反，通過冷阱內的低溫冷凝副產物。冷阱中的生成物需要定期清掃，在WCVD排氣處理效果不好，可以不使用。

2.3 真空泵溫度控制

要延長真空泵的使用壽命，首先應保持系統的清潔度，盡量避免大量冷凝、固態粉末引入真空泵內，另外要根據工藝特性選擇合適的真空泵和合適的泵體溫度控制。真空泵廠家通常針對潔凈工藝、中等清潔工藝和非常苛刻工藝有不同型號的真空泵，泵體溫度控制也需要根據工藝需求優化。

不同于在LPCVD氮化硅、無摻雜硅玻璃（USG）、硼磷硅玻璃（BPSG）、CVD TiN等工藝真空泵溫度控制在90～110℃高溫防止反應副產物凝結，在鎢WCVD中真空泵溫度最好控制到80℃以下阻止反應的發生，這是因為鎢化學氣相淀積工藝中WF6氣體在高溫和一定壓力下很容易和H2、SiH4、B2H6還原反應生成固態的鎢，而固態的鎢在真空泵體內將會卡死轉子，導致真空泵失效。溫度控制方法有降低真空泵轉子速度和常通冷卻水降溫，特別是排氣端的溫度。

2.4 廢氣處理器改善

WCVD工藝的現場廢氣處理器可以選擇：（1）燃燒/水洗 （Burning/Wet）；（2）電加熱反應/水洗（Thermal/Wet）；（3）吸附式（Absorber）；（4）等離子分解。選擇現場廢氣處理器時一般應考慮重點包含設置成本、使用維護成本、維護頻率與難易度、安全性及處理效率等。燃燒/水洗式處理有毒氣體效率高，但必須使用燃料，會產生很小的顆粒，有火焰使用時需注意安全，溫度控制困難。電加熱/水洗式無需燃料，無火焰，反應溫度容易控制，適合氣體使用量大的CVD工藝。

燃燒/水洗型的廢氣處理器所產生的火災風險太高，WCVD最好使用電加熱/水洗式，通常在750～950℃高溫下熱活化反應把氣體分解成安全的成分，再外加濕式水洗進一步溶解可溶氣體和除去處理過的氣體中的微粒，剩下的氣體排放到動力酸排氣處理系統的洗滌塔集中處理。WCVD也有工廠使用吸附式，WCVD氣體使用量大、吸附式要定期更換吸附桶，維護方便但成本比較高。

真空管道外裹加熱帶后管道維護減少了，但是電加熱/水洗式現場廢氣處理器的入口處還是經常堵塞需要維護，大約一周左右維護一次。現場廢氣處理器入口堵塞主要原因是WOF4、WO2F2和現場廢氣處理器入口潮濕氣氛反應三氧化鎢WO3。入口堵塞問題需要定期地維護以保持入口不會出現固體的積累，也可以改進廢氣處理系統的入口設計、增加氮氣吹掃、適當增大入口直徑等方法。我們對韓國MAT公司MAT507和美國美呈公司CDO863兩種廢氣處理設備進行了改進，應用在美國泛林半導體（Lam）公司200 mm（8英寸）的Altus工藝腔，廢氣處理設備維護周期從一周至兩周延長到一個月左右。

3 推廣應用

本文提到的排氣管外部包裹加熱帶夾克、排氣管內通入加熱的氮氣、排氣管道上安裝冷阱、選擇合適的真空泵型號并控制溫度這四種方法也常用在半導體制造的LPCVD氮化硅 （Si3N4）、正硅酸乙酯（TEOS）熱解淀積SiO2、PECVD氮化硅、鋁干法刻蝕等工藝的排氣管理。這些工藝通常從真空泵到尾氣處理器都需要安裝加熱帶防止低蒸汽壓氣體凝結，在真空泵前或后安裝冷阱捕集，真空泵的溫度控制在90～110℃，并選用適合苛刻條件的真空泵。

LPCVD氮化硅工藝通常是在700℃至750℃下用二氯甲硅烷（SiCl2H2，也稱DCS）和氨氣NH3化學反應，主要的反應副產物氯化銨（NH4Cl）會凝固堵塞真空閥門、真空管道、真空泵，解決辦法是加熱真空管道到150℃防止NH4Cl凝固，或者在真空泵前用冷阱捕集NH4Cl。

TEOS CVD工藝真空管路的主閥門和慢抽閥門加熱，在真空排氣管路上安裝冷阱和加熱帶包裹，溫度100℃到150℃。最好在蝶閥上也要安裝加熱帶。

鋁刻蝕工藝通常加熱真空管道到110℃以上來防止AlCl3凝固，或者在真空泵前用冷阱捕集AlCl3。

4 結 論

本文分析了WCVD工藝廢氣排放處理中涉及的管道堵塞、廢氣處理器改善、真空泵溫度控制的實際問題。認為通過真空管道外壁包裹加熱帶或熱氮吹掃來維持真空管道中的溫度在110℃以上防止WOF4、WO2F2、WO3這些副產物堵塞真空管道和廢氣處理器的進氣口，可以不再需要對真空管道的頻繁清理，選擇適合WCVD工藝的真空泵和溫度控制可以延長真空泵的使用壽命，再配合尾氣處理器的進氣口優化設計可以防止粉塵在進氣口處堆積，延長尾氣處理設備維護周期。本文的方法也適用在真空排氣管道易堵塞的工藝，如LPCVD氮化硅工藝、鋁干法刻蝕等工藝，減少管道的堵塞、延長維護頻率就能提高設備利用率、減少安全隱患。

［1］Leon M.Han.Prevention of clogging in CVD apparatus ［P］.美國專利：6090208，2000-07-18.

［2］Youfan Gu.Fluid cooled trap［P］.美國專利：5820641，1998-10-13.

［3］陳玉峰，楊驥.半導體制程廢氣處理技術實踐［J］.半導體技術，2008，33（9）：752-755.

Improvement of Effluent Management in the Tungsten Chemical Vapor Deposition

HE Bingyuan
（Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Co.，Ltd，Shanghai 201203，China）

Substantive harmful by-products in tungsten chemical vapor deposition tools are effluent to reduce the hazard or change the chemical composition by gas abatement system.The downstream exhaust lines and gas abatement system need be cleaned periodically due to clogged exhaust lines and frequent scrubber maintenance.This paper presents the cause of power buildup and the method of reducing powder buildup.With the combination of heated exhaust line，temperature controlled pump and optimized local scrubber inlet，we can significantly improve uptime and lengthen preventative maintenance intervals of the pump lines，pumps and local scrubber.

Chemical vapor deposition；Heating jacket；Local scrubber

TN304.05

B

1004-4507（2015）12-0004-04

何秉元（1978-），男，云南玉溪人，中級職稱，碩士研究生，從事半導體工廠薄膜設備管理。

2015-11-12