钨化学气相淀积设备的废气处理改善

何秉元

（上海华虹宏力半导体制造有限公司，上海 201203）

钨化学气相淀积设备的废气处理改善

何秉元

（上海华虹宏力半导体制造有限公司，上海 201203）

钨化学气相淀积反应会生成大量的有害副产物，这些有害气体通过尾气处理器处理去除有害成分或改变化学组成。真空排气管道和尾气处理器常常由于粉尘堵塞需要设备停机定期清理，介绍了粉尘堆积的原因和减少粉尘的方法，通过排气管道加热保温、真空泵温度控制、废气处理器改善等方法大幅度延长管道清洗周期、延长真空泵寿命并延长尾气处理器维护周期。

化学气相沉积；加热带；现场废气处理器；

金属钨化学气相淀积（WCVD）工艺常用的气体有WF6、SiH4、B2H6、H2、O2、C2F6、NF3等。WF6是淡黄、有毒、难燃、无味，有极强的腐蚀性；SiH4是易燃气体，与空气接触会引起燃烧或爆炸；B2H6与空气形成爆炸性混合物，并且可在潮湿空气中自燃，有剧毒；H2是易燃易爆气体，当空气中的体积分数为4%～75%时，遇到火源可引起爆炸；NF3气体不可燃、但能助燃。通常在工艺中仅有少部分参与化学反应，大部分的未反应气体和副产物需要通过真空泵抽走到现场废气处理器（LocalScrubber）先行处理后，经全厂的中央废气系统（CFS，central facility scrubber）二次处理再排入大气中。

1 WCVD废气处理

WCVD工艺的副产物很容易在真空排气管路凝结或粉尘堆积，这些凝结物影响管道通畅，容易导致气体泄漏、真空泵寿命变短、废气处理器堵塞，因此管路需要定期换下清洗或疏通，现场废气处理器需要定期维护。同时真空管道更换和清洗不仅影响设备停机，而且更换和清洗管道时暴露的有毒物质会对作业人员和环境造成危险。排气管内堵塞物来源可能有：

（1）反应腔生成物，在WCVD工艺的等离子清洗步骤产生的WOF4是引起管道堵塞最主要的副产物，由于WOF4较低的蒸汽压在冷的真空管道内壁容易凝聚白色的WOF4粉尘；

（2）空气从外面泄漏到低压排气管和工艺气体反应生成物；

（3）两种或多种副产物在排气管道内反应；

（4）副产物低温冷凝，WOF4熔点110℃，沸点185℃，容易堵塞在如图1所示的真空管道B段，这些情况用加热管道的方法最有效；

（5）副产物和废气处理器入口返流的水汽反应，WF6和水汽或氧气反应生成WOF4，WOF4容易水解生成黄色生成WO2F2，WO2F2和水反应又生成蓝色WO3，反应方程式为：

2 排气管道堵塞改善

2.1 排气管道加热保温

排气管道加热保温用来维持半导体产业中所使用的真空管路、阀门、真空接头、气体管路中的温度在一定范围，这样工艺产生的生成物将不易沉积或堵塞于管路中，而会流动到废气处理或收集器，这种管道加热方式特别适合低蒸汽压气体凝结的工艺。排气管道加热的方法有两种，一种是管道外裹加热带夹克（Heater Jackets）保温，另外一种是管道内热氮（Hot N2）吹扫。

图1 WCVD废气排放示意图

管道外包裹加热带保温包括加热带、温度控制器两部分组成。加热带一般应重点考虑安全性、工作温度、购买成本、维护成本等，常用的有硅胶发泡加热带和高温布加热带，其中以特氟纶为材质的加热带拥有较优的质量与使用寿命。加热带温度根据副产物的饱和蒸汽压曲线确定，加热带温度通常在100℃到200℃，WCVD工艺的主要副产物WOF4熔点110℃，加热带温度通常设定在120℃。

图2所示为未安装加热带仅仅使用一个月真空管道的堵塞情况，白色晶体粉末WOF4几乎把整个管道堵死，真空管道拆开后白色的WOF4在空气中很快就变成黄色的WO2F2和蓝色的WO3，严重影响设备利用率和维护成本。平均一个月需要更换一次有毒的真空管道，更换、运输和清洗过程对人和周围环境都造成危害。

图3为泵和废气处理系统之间的真空管道安装加热带后使用五年拆开检查发现反应生成物大副减少，加热带温度设定120℃，使用五年还不需要清洁真空管道。

图2 没有加热带的排气管道，白色物为WOF4

图3 真空管道安装加热带后堆积物大副减少

需要注意的是WCVD容易堵塞的位置是真空泵排气口到现场废气处理器之间的真空管道，反应腔到真空泵的真空管道不需要安装加热带。

也有工厂用加热的氮气注入到真空排气管道内壁，热氮不仅加热管道而且高压氮气可以以特定的或预定的时间间隔喷入真空管道得到内壁冲洗效应，可有效地减少粉尘沉积，同时保持管道内部的干燥并去除湿气，气体可以是连续或脉冲通入。

2.2 冷阱

真空泵后端也可以安装冷阱（Cold Trap）来收集粉尘，冷阱的原理和管道加热相反，通过冷阱内的低温冷凝副产物。冷阱中的生成物需要定期清扫，在WCVD排气处理效果不好，可以不使用。

2.3 真空泵温度控制

要延长真空泵的使用寿命，首先应保持系统的清洁度，尽量避免大量冷凝、固态粉末引入真空泵内，另外要根据工艺特性选择合适的真空泵和合适的泵体温度控制。真空泵厂家通常针对洁净工艺、中等清洁工艺和非常苛刻工艺有不同型号的真空泵，泵体温度控制也需要根据工艺需求优化。

不同于在LPCVD氮化硅、无掺杂硅玻璃（USG）、硼磷硅玻璃（BPSG）、CVD TiN等工艺真空泵温度控制在90～110℃高温防止反应副产物凝结，在钨WCVD中真空泵温度最好控制到80℃以下阻止反应的发生，这是因为钨化学气相淀积工艺中WF6气体在高温和一定压力下很容易和H2、SiH4、B2H6还原反应生成固态的钨，而固态的钨在真空泵体内将会卡死转子，导致真空泵失效。温度控制方法有降低真空泵转子速度和常通冷却水降温，特别是排气端的温度。

2.4 废气处理器改善

WCVD工艺的现场废气处理器可以选择：（1）燃烧/水洗 （Burning/Wet）；（2）电加热反应/水洗（Thermal/Wet）；（3）吸附式（Absorber）；（4）等离子分解。选择现场废气处理器时一般应考虑重点包含设置成本、使用维护成本、维护频率与难易度、安全性及处理效率等。燃烧/水洗式处理有毒气体效率高，但必须使用燃料，会产生很小的颗粒，有火焰使用时需注意安全，温度控制困难。电加热/水洗式无需燃料，无火焰，反应温度容易控制，适合气体使用量大的CVD工艺。

燃烧/水洗型的废气处理器所产生的火灾风险太高，WCVD最好使用电加热/水洗式，通常在750～950℃高温下热活化反应把气体分解成安全的成分，再外加湿式水洗进一步溶解可溶气体和除去处理过的气体中的微粒，剩下的气体排放到动力酸排气处理系统的洗涤塔集中处理。WCVD也有工厂使用吸附式，WCVD气体使用量大、吸附式要定期更换吸附桶，维护方便但成本比较高。

真空管道外裹加热带后管道维护减少了，但是电加热/水洗式现场废气处理器的入口处还是经常堵塞需要维护，大约一周左右维护一次。现场废气处理器入口堵塞主要原因是WOF4、WO2F2和现场废气处理器入口潮湿气氛反应三氧化钨WO3。入口堵塞问题需要定期地维护以保持入口不会出现固体的积累，也可以改进废气处理系统的入口设计、增加氮气吹扫、适当增大入口直径等方法。我们对韩国MAT公司MAT507和美国美呈公司CDO863两种废气处理设备进行了改进，应用在美国泛林半导体（Lam）公司200 mm（8英寸）的Altus工艺腔，废气处理设备维护周期从一周至两周延长到一个月左右。

3 推广应用

本文提到的排气管外部包裹加热带夹克、排气管内通入加热的氮气、排气管道上安装冷阱、选择合适的真空泵型号并控制温度这四种方法也常用在半导体制造的LPCVD氮化硅 （Si3N4）、正硅酸乙酯（TEOS）热解淀积SiO2、PECVD氮化硅、铝干法刻蚀等工艺的排气管理。这些工艺通常从真空泵到尾气处理器都需要安装加热带防止低蒸汽压气体凝结，在真空泵前或后安装冷阱捕集，真空泵的温度控制在90～110℃，并选用适合苛刻条件的真空泵。

LPCVD氮化硅工艺通常是在700℃至750℃下用二氯甲硅烷（SiCl2H2，也称DCS）和氨气NH3化学反应，主要的反应副产物氯化铵（NH4Cl）会凝固堵塞真空阀门、真空管道、真空泵，解决办法是加热真空管道到150℃防止NH4Cl凝固，或者在真空泵前用冷阱捕集NH4Cl。

TEOS CVD工艺真空管路的主阀门和慢抽阀门加热，在真空排气管路上安装冷阱和加热带包裹，温度100℃到150℃。最好在蝶阀上也要安装加热带。

铝刻蚀工艺通常加热真空管道到110℃以上来防止AlCl3凝固，或者在真空泵前用冷阱捕集AlCl3。

4 结 论

本文分析了WCVD工艺废气排放处理中涉及的管道堵塞、废气处理器改善、真空泵温度控制的实际问题。认为通过真空管道外壁包裹加热带或热氮吹扫来维持真空管道中的温度在110℃以上防止WOF4、WO2F2、WO3这些副产物堵塞真空管道和废气处理器的进气口，可以不再需要对真空管道的频繁清理，选择适合WCVD工艺的真空泵和温度控制可以延长真空泵的使用寿命，再配合尾气处理器的进气口优化设计可以防止粉尘在进气口处堆积，延长尾气处理设备维护周期。本文的方法也适用在真空排气管道易堵塞的工艺，如LPCVD氮化硅工艺、铝干法刻蚀等工艺，减少管道的堵塞、延长维护频率就能提高设备利用率、减少安全隐患。

［1］Leon M.Han.Prevention of clogging in CVD apparatus ［P］.美国专利：6090208，2000-07-18.

［2］Youfan Gu.Fluid cooled trap［P］.美国专利：5820641，1998-10-13.

［3］陈玉峰，杨骥.半导体制程废气处理技术实践［J］.半导体技术，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，中级职称，硕士研究生，从事半导体工厂薄膜设备管理。

2015-11-12