專利名稱：氟氣發(fā)生裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生成氟氣的裝置(下文稱為氟氣發(fā)生器)。更具體地，本發(fā)明涉及一種安置在半導體加工系統(tǒng)的供氣系統(tǒng)中的氟氣發(fā)生器。在本文中，半導體加工指的是為制造半導體器件和/或半導體器件連接結構(例如，互連、電極)而在接受處理的基底(目標基底)上，通過在例如半導體晶片或LCD基底之類的目標基底上以特定圖案形成半導體、電介質和導電層而進行的各種處理。
現(xiàn)有技術描述在半導體器件的制造過程中，在例如半導體晶片或LCD基底的目標基底上進行例如成膜、蝕刻和擴散之類的各種半導體加工。用于進行這些處理的半導體加工系統(tǒng)采用氟類氣體作為各種用途中的工藝過程氣體，例如用于蝕刻硅薄膜和氧化硅薄膜、清洗加工室內部等。作為新型蝕刻氣體和清洗氣體，氟氣一直受到注意，但是由于其安全性和可靠性的問題沒有完全解決，通常不在半導體器件制造的現(xiàn)場生產氟氣。
已知以電解池為基礎的裝置可用于在氣體生產車間生產氟氣。例如，在日本公開專利申請(PCT)第Hei 9-505853(505,853/1997)號中公開了此類氟氣發(fā)生器。在其公開的裝置中，從頂部伸入到熔融鹽中的分離裝置將電解池內部分隔為居中的陽極室和周圍的陰極室。在陽極室中安裝了兩個高度不同的探測器。這兩個探測器起到液面高度量器的作用，以實現(xiàn)對陽極和陰極之間的電流施加的開/關控制。因此，該裝置通過檢測熔融鹽液面高度的方法來控制氟氣的生成。
在圖3中用示意圖闡明了另一種現(xiàn)有技術氟氣發(fā)生器。這種裝置具有改良的結構，以控制來自電解池的氟氣的進料。在此特定裝置中，在電解池112的陽極114一側生成的氟氣通過導管120連續(xù)進入中間容器116中，并在那里暫時貯存。當容器116達到某個特定壓力時，安置在壓縮機118和容器116之間的切換閥暫時打開，一定量的氟氣被吸入壓縮機118中。反復切換閥門122，以便將第二緩沖罐124的壓力升高至一定值。
本發(fā)明要解決的問題在研究過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當圖3所示的氟氣發(fā)生器長時間運行時，會出現(xiàn)一些安全和可靠性問題(參見下文)。從實踐角度看，這些問題得不到解決，會使得自動化生產系統(tǒng)，例如半導體器件制造系統(tǒng)中很難加入并使用這種氟氣發(fā)生器。
鑒于現(xiàn)有技術的前述問題，本發(fā)明做了改進。本發(fā)明的一個目標是提供一種即使在長時間運轉過程中也能非常安全并可靠地運行的氟氣發(fā)生器。本發(fā)明的一個具體目標是提供一種能夠在現(xiàn)場按需要生產氟氣的裝置。本文所用的“現(xiàn)場”是指氟氣發(fā)生器與特定的主要加工裝置，例如半導體加工系統(tǒng)的主要加工裝置結合或組裝?！鞍葱枰笔侵?，按照主要加工裝置的需要適時提供氣體，同時控制其必要組分。
解決問題的方法本發(fā)明的第一方面包括一種氟氣發(fā)生裝置，所述裝置的特征在于配備了電解池，其在包括含氟化氫的熔融鹽的電解槽中進行氟化氫電解，并由此在陽極側的第一氣相區(qū)域生成主要成分為氟氣的產物氣體，同時在陰極側的第二氣相區(qū)域生成主要成分為氫氣的副產物氣體；將起始的氟化氫送入熔融鹽中的原料導管；從第一氣相區(qū)域抽取產物氣體的第一導管；從第二氣相區(qū)域抽取副產物氣體的第二導管；連續(xù)測量第一氣相區(qū)域中壓力的第一壓力計；連續(xù)測量第二氣相區(qū)域中壓力的第二壓力計；
安裝在第一導管中的第一流速控制閥；安裝在第二導管中的第二流速控制閥；第一控制元件，其根據(jù)第一壓力計所得的測量值調整第一流速控制閥的開啟度以便將第一氣相區(qū)域的壓力保持在第一設定值；和第二控制元件，其根據(jù)第二壓力計所得的測量值調整第二流速控制閥的開啟度以便將第二氣相區(qū)域的壓力保持在基本等于第一設定值的第二設定值。
本發(fā)明的第二方面包括第一方面的裝置，其特征在于第一和第二設定值為760-820托。
本發(fā)明的第三方面包括根據(jù)第一或第二方面的裝置，其特征在于還配備有第一抽吸裝置，其安裝在第一導管中第一流速控制閥的下游，并可抽吸第一導管。
本發(fā)明的第四方面包括第三方面的裝置，其特征在于安裝第二導管，以便將第二流速控制閥下游與能夠抽吸第二導管的第二抽吸裝置連接。
本發(fā)明的第五方面包括根據(jù)第一到第四任一方面的裝置，其中所述裝置的特征在于還配備了安裝在原料導管中的切換閥；電流積分器，它將輸送到電解池陽極側的電極和電解池陰極側的電極之間的電流進行積；和控制元件，其根據(jù)電流積分器獲得的測量結果操作切換閥以控制氟化氫送入熔融鹽中的進料。
本發(fā)明的第六方面包括第五方面的裝置，其特征在于通過原料導管導入的氟化氫為氣態(tài)。
本發(fā)明的第七方面包括第六方面的裝置，其特征在于原料導管安裝得可以將氟化氫氣體導入電解池陰極側的熔融鹽中，還在于將能夠把氮氣導入原料導管中的導管連接到前述切換閥的下游，并將氟化氫氣體與氮氣混合送入熔融鹽中。
本發(fā)明的第八方面包括一種氟氣發(fā)生裝置，其特征在于配備了
電解池，其在包括含氟化氫的熔融鹽的電解池中進行氟化氫電解，并由此在陽極側的第一氣相區(qū)域中生成主要成分為氟氣的產物氣體，同時在陰極側的第二氣相區(qū)域中生成主要成分為氫氣的副產物氣體；將起始氟化氫送入熔融鹽中的原料導管；從第一氣相區(qū)域抽取產物氣體的第一導管；從第二氣相區(qū)域抽取副產物氣體的第二導管；安裝在原料導管中的切換閥；電流積分器，它對輸送到電解池陽極側的電極和在電解池陰極側的電極之間的電流進行積分；和控制元件，其根據(jù)電流積分器生成的測量結果操作切換閥以控制氟化氫送入熔融鹽中的進料。
本發(fā)明的第九方面包括第八方面的裝置，其特征在于，通過原料導管導入的氟化氫為氣態(tài)。
本發(fā)明的第十方面包括第九方面的裝置，其特征在于原料導管安裝得可以將氟化氫氣體導入電解池陰極側的熔融鹽中，還在于將能夠把氮氣導入原料導管中的導管連接到前述切換閥的下游，并將與氮氣混合的氟化氫氣體送入熔融鹽中。
此外，本發(fā)明的實施方案探索了本發(fā)明的各種實施情況，可以通過多種已公開的組件的適當組合獲得本發(fā)明的各種實施方案。例如，如果從用于該實施方案的全套組件中省略一些組件，由此獲得本發(fā)明的一個實施方案，在該衍生的發(fā)明實施方案的實際操作中，可以適宜地通過傳統(tǒng)的公知技術實現(xiàn)這些省略組件的功能。
發(fā)明的實施方案在開發(fā)本發(fā)明期間，發(fā)明人研究了與參照圖3所述的現(xiàn)有技術氟氣發(fā)生器有關的安全性和可靠性問題。作為研究結果，發(fā)明人獲得了如下認識。
在圖3所述裝置的操作中，容器116中的壓力到達上限時，閥門122開啟，在此壓力到達下限時，閥門122關閉。這樣在氟氣導管120中產生大的壓力變化。由于這些大的壓力變化產生的熔鹽霧聚積在通向導管120的入口處，這將使導管120被堵塞。此外，由于頻繁地開關閥門122，閥門122的底座非常容易被固體熔融鹽顆粒的機械作用和氟氣的化學作用損壞。
關于與圖3所示裝置有關的另一問題，人們注意到，在陰極側產生的氫氣通過排氣系統(tǒng)的導管121，并在稀釋到低至常規(guī)限制值的最小值后從系統(tǒng)中排出?？梢灶A料，排氣系統(tǒng)中的壓力將作為設備環(huán)境的函數(shù)變化。例如，當排氣系統(tǒng)具有高抽吸能力時，陰極側的壓力將自動地變成負壓，與之相關，陰極側熔融鹽的水平面將上升。在這種情況下，液面高度將發(fā)生較大變化，這將使熔融鹽被吸入氫氣導管121，并因而阻塞導管121。
一旦熔融鹽在導管120和121中固化，必須將設備停止，并進行維修操作，這也導致與該設備相連的整個系統(tǒng)進入停工期。除此之外，氟氣導管120或氫氣導管121的阻塞也會破壞電解池122中的壓力平衡。電解池122中的壓力平衡受到嚴重破壞，會導致電解池112中的氟氣與氫氣接觸，這會造成爆炸的危險。
本發(fā)明具有一種基于上述認識的結構。在下文中，參照


本發(fā)明的實施方案。在以下的說明中，給那些具有大致相同結構和功能的組件指定了共同的參照符號，僅在必要時才重復對它們的解釋。
圖1包括了圖示含有氟氣發(fā)生器的半導體加工系統(tǒng)的示意圖，該發(fā)生器是本發(fā)明的一個實施方案。該半導體加工系統(tǒng)包含在例如半導體晶片或LCD基底等目標基底上進行成膜、蝕刻或擴散等處理的半導體加工裝置10。
半導體加工裝置10配備了將目標基底固定、并在其中進行半導體加工的加工室12。安裝在加工室12中的是既可以用作低電極，又可以用作安裝目標基底用的平臺的裝配平臺14(支撐元件)。上電極16也安裝在加工室12中，其正對著裝配平臺14。為了將處理氣體轉變?yōu)榈入x子體，可以由RF能量源在兩個電極14和16之間施加RF(高頻)能量，以便在加工室12中產生射頻電場。將排氣系統(tǒng)18連接到加工室12的較低區(qū)域，以便抽空加工室內部，并在其中產生真空。將供氣系統(tǒng)20連接到加工室12的較高區(qū)域，以便供給處理氣體。
圖2包括了圖示能夠與圖1所示的供氣系統(tǒng)20結合使用的半導體加工裝置的改良實施例10x的示意圖。半導體加工裝置10x配備了固定目標基底、并在其中進行半導體加工的加工室12。為了固定目標基底，在加工室12中安裝了裝配平臺14(支撐元件)。將排氣系統(tǒng)18連接到加工室12的較低區(qū)域，以便抽空加工室內部，并在其中產生真空。將遠距離等離子體室13連接到加工室的較高區(qū)域，以便生成等離子體。該遠距離等離子體室13的外圍纏繞著天線線圈17。由RF能量源15向天線線圈17施加RF(高頻)能量，使遠距離等離子體室13中形成了感應場，以便將處理氣體轉化為等離子體。將供氣系統(tǒng)20連接到遠距離等離子體室13的較高區(qū)域以便供給處理氣體。
包含本發(fā)明實施方案的氟氣發(fā)生器也可以與不使用等離子體的半導體加工設備一起使用，例如，用于向熱化學氣相淀積裝置提供清洗氣體。
再次參照圖1，在供氣系統(tǒng)20中安裝了流動管理部分22；此流動管理部分22可以將任何指定的氣體，例如，進行半導體加工的處理氣體，或用于清洗加工室12內部的處理氣體，以指定的流速送入加工室12中，并能夠有選擇性地切換。將氣體貯存部分24連接到流動管理部分22上。此氣體貯存部分24包括多個氣體源，并貯存各種活性和/或惰性氣體。同樣連接到流動管理部分22上的還有能夠通過反應過程生產氟氣類處理氣體的氣體生成部分26。
包含本發(fā)明實施方案的氟氣發(fā)生器30可拆卸地連接到流動管理部分22和氣體生成部分26上。更具體地，該發(fā)生器30直接向流動管理部分22供給氟氣，或者用于向氣體生成部分26提供起始氟氣(未顯示切換閥)。氣體生成部分26可以例如通過起始氟氣與氯氣之類的另一種鹵素氣體反應來生產鹵間氟化合物氣體。
發(fā)生器30包含氣密電解池32，電解池32容有包含含氟化氫的熔融鹽的電解槽。此熔融鹽含有氟化鉀(KF)和氟化氫(HF)的混合物(KF/2HF)、或氟化氫和弗里米鹽(Fremy’s salt)的混合物。通過從頂部伸入熔融鹽中的隔板35將電解池32分隔成陽極隔室34和陰極隔室36。將炭精電極(陽極)42浸沒在陽極隔室34中的熔融鹽里，而將鎳電極(陰極)44浸沒在陰極隔室36中的熔融鹽里。將能夠在陽極42和陰極44之間供給電流的電源38及將供給的電流積分的電流積分器40連接到電解池32上。
在電解過程中，通過附接的加熱器33將電解池32加熱到80-90℃并保持此溫度。電解池中的氟化氫電解導致在陽極隔室34的氣相區(qū)域生成主要成分為氟氣(F2)的產物氣體，在陰極隔室36的氣相區(qū)域生成主要成分為氫氣的副產物氣體。根據(jù)氟化氫氣體在起始熔融鹽中的蒸氣壓分壓，在產物氣體和副產物氣體中均混有氟化氫氣體(例如，5％)。在陽極隔室34上安裝第一壓力計46，并在陰極隔室36上安裝第二壓力計48，以便連續(xù)檢測各氣相區(qū)域的壓力。
將第一導管52與陽極隔室連接以便抽取產物氣體，并將該產物氣體輸送到供氣系統(tǒng)20的流動管理部分22和氣體生成部分26。從上游一側起按照給定次序安裝在第一導管52中的部件為第一流速控制閥54、吸附筒56、小型緩沖罐58、壓縮機(抽吸裝置)62和主緩沖罐64。采用壓縮機62通過第一導管52的抽吸，將陽極隔室34中生成的產物氣體從陽極隔室34中強行抽出，并貯存在主要緩沖罐64中。圖1中的參考號66表示線路過濾器。
如上所述，產物氣體中會混有幾個百分點(例如，5％)的氟化氫。當產物氣體通過吸附筒56時，氟化氫被除去。因此，該吸附筒56應裝有能夠以吸附方式俘獲氟化氫的吸附劑。出于對處理及壓力損失方面的考慮，吸附劑應當由大量填充在吸附筒56中的小球組成。吸附劑可以由例如氟化鈉(NaF)之類吸附能力作為溫度的函數(shù)而變化的吸附劑構成。在吸附筒56周圍安裝有溫度調節(jié)夾套(加熱器)57以調節(jié)吸附筒56的溫度。
通過安裝在主緩沖罐64上的壓力計65不斷測量罐64中的壓力。測量結果被傳送到與電源38相聯(lián)的控制元件39?？刂圃?9根據(jù)傳送的測量結果，通過接通和斷開電源38控制輸送到電解池32的電流。因此，當罐64中的壓力下降至某個壓力值時，電源38接通，開始生產氟氣。當罐64中的壓力升高到某個壓力值時，電源38斷開，氟氣生產停止。這樣就可以停止電解而不會形成電解池32中陽極隔室34和陰極隔室36之間的熔融鹽液面高度的差別。舉例來說，將罐64中的壓力可設定為大氣壓到大氣壓+0.18MPa。
將第二導管72與陰極隔室連接以便抽取副產物氣體。第二導管72可拆卸地與例如半導體制造設備的排氣系統(tǒng)(抽吸裝置)78的導管相聯(lián)。在第二導管72中安裝有第二流速控制閥74和解毒器76。通過排氣系統(tǒng)78引起的第二導管的抽吸作用強行將陰極隔室36中產生的副產物氣體從陰極隔室36中抽出，并經過解毒器76轉移到排氣系統(tǒng)78中。
如上所述，在電解過程中，陽極隔室34和陰極隔室36之間的壓力平衡會因多種原因被破壞，其結果是電解池32中的液面易于發(fā)生變化。在緊接著氣體切換操作之后，例如在用氮氣吹掃電解池32內部、或在起始氟化氫氣體進料結束后用氮氣吹掃處理之后，電解池32中的液面高度通常也易于變化。這些液面高度變化會對氟氣發(fā)生器的安全性和可靠性帶來不利影響。
在如圖1闡述的氟氣發(fā)生器中，通過第一壓力計46連續(xù)測量陽極隔室34中氣相區(qū)域的壓力，并通過第二壓力計48連續(xù)測量陰極隔室36中氣相區(qū)域的壓力。這些測量結果被傳送到分別與第一和第二流速控制閥54和74相連的第一和第二控制元件55和75。根據(jù)傳送的測量結果，第一和第二控制元件調節(jié)第一和第二流速控制閥的開啟度，以便使陽極隔室34的氣相區(qū)域中的壓力和陰極隔室36的氣相區(qū)域中的壓力分別保持為彼此基本相等的第一和第二設定值。
由于陽極隔室34和陰極隔室36中的壓力是各自連續(xù)并獨立地進行測量和控制的，因此陽極隔室34和陰極隔室36中熔融鹽的液面高度保持在一致的狀態(tài)。換而言之，這種結構可以保護電解池32免受氟生產條件、第一和第二導管52和72中的條件、半導體制造設備的排氣系統(tǒng)78和壓縮機62的運行條件以及其它情況的變化帶來的不利影響。這樣就可以防止例如陽極效應對昂貴電極的損壞，可以安全地完成加工過程，并且電解不會突然停止。此外，由于在通往第一和第二導管52和72的入口處不會發(fā)生由熔融鹽的固化引起的堵塞，因而頻繁的養(yǎng)護不再是必需的。
陽極隔室34中氣相區(qū)域的第一設定值和陰極隔室中氣相區(qū)域的第二設定值優(yōu)選為大氣壓至820托，更優(yōu)選為大氣壓至770托。為了穩(wěn)定陽極隔室34和陰極隔室36中的壓力，第一和第二流速控制閥54和74的開啟度必須是可以以高響應方式連續(xù)調整的。出于此考慮，優(yōu)選使用壓電閥作為第一和第二流速控制閥54和74。
再次回到圖1，在電解池32的陰極隔室36中安裝有原料導管82，以便將氟化氫氣體(供消耗的原料)導入熔融鹽中；將原料導管82浸入熔融鹽中。氟化氫源84和氮氣源94可拆卸地通過導管83和93與原料導管82相聯(lián)。
將切換閥96安裝在用于氮氣源94的導管93中，以便使導管93在開啟和關閉狀態(tài)之間切換。切換閥96在氟氣發(fā)生器30的運行過程中總是開啟的，而且，在氟氣發(fā)生器30的運行過程中，總是將氮氣注入電解池32的熔融鹽中。當氟化氫氣體流速為1到50升/分鐘時，氮氣的流速設置在0.2至50升/分鐘之間，優(yōu)選為2至10升/分鐘之間。氮氣在熔融鹽中幾乎完全不溶，流過陰極側的熔融鹽并被排出。
將切換閥86安裝在用于氟化氫源84的導管83中，以便使導管83在開啟和關閉狀態(tài)之間切換。在連接到其上的控制元件87的控制下開啟和關閉切換閥86。通過電流積分器40對電解過程中輸送到陽極42和陰極44之間的電流進行積分，并將該值傳送到控制元件87。根據(jù)傳送到那里的測量值，控制元件操縱切換閥86以便調節(jié)氟化氫氣體(氟化氫氣體在氮氣中的混合物)進入熔融鹽中的進料。確定控制元件87的設定值，以便例如將熔融鹽中的氟化氫濃度保持在39至41％之間。
氟化氫(HF)氣體加入電解池32中的進料是根據(jù)下述理論，通過所供電流的積分控制的。例如，根據(jù)法拉第定律，通過電解制得的氟氣(F2)的量與電量成正比。無論電解條件(溫度、濃度、電極類型)如何，該定律均適用。在所述實施方案中，按照電流效率關系，用等式(1)可以大致確定通過電解池32生產的氟氣。
Z＝6.8X (1)其中Z＝氟氣生產流速(毫升/分鐘)，X＝電量(在本方案中的電解電流值(A))熔融鹽中的起始氟化氫濃度設定為例如41％。然后，在熔融鹽中的氟氣濃度從起始的41％濃度下降之后，并在達到例如39％的濃度下限之前，定時供給起始氟化氫氣體。當氟化氫濃度降低到低于濃度下限時熔融鹽熔點的升高在最壞的情況下會導致熔融鹽固化，并使電解無法進行。如果氟化氫濃度超過起始濃度，由此產生的熔融鹽中氟化氫的高蒸氣壓同樣會提高混合在氟中的氟化氫濃度。這會在吸附筒56處對以吸附方式俘獲氟化氫的吸收劑(例如，氟化鈉(NaF))造成很高的負荷。因此，必須將氟化氫濃度保持在前述的范圍內，例如，在39到41％之間。等式(2)表示氟氣生產和氟化氫氣體消耗之間的關系。這里，生產1摩爾氟氣需要2摩爾氟化氫。
(2Z+0.05Z+0.05Z)t/1000＝T (2)其中2Z＝生產1摩爾氟氣所需的氟化氫流速(毫升/分鐘)第一個0.05Z＝1摩爾氟氣中夾帶的氟化氫流速(毫升/分鐘)第二個0.05Z＝1摩爾氫氣中夾帶的氟化氫流速(毫升/分鐘)t＝生產時間(分鐘)T＝氟化氫的消耗量(升)根據(jù)等式(1)，用6.8X取代等式(2)中的Z，得到等式(3)。
0.01428X×t＝T (3)其中X＝電量(安培)t＝生產時間(分鐘)T＝氟化氫的消耗量(升)可消耗的氟化氫的量取決于加入到電解池32中的熔融鹽的量。假定電解開始前熔融鹽中氟化氫的濃度為41％，則電解池32中氟化氫的量為0.41C，這里C為熔融鹽的量。當電解池32中氟化氫的濃度在39-41％的范圍內時，等式(4)給出了熔融鹽中的氟化氫濃度與氟化氫消耗量之間的關系。等式(5)給出了可消耗的氟化氫的最大的量。
(0.41C-HFc)/(C-HFc)＝0.39 (4)HFc＝0.033C(5)其中，在等式(4)和(5)中C＝熔融鹽的重量HFc＝氟化氫的消耗量通過用等式(3)中的T取代等式(5)中的HFc，得到等式(6)，隨后得到等式(7)。
0.01428X×t＝0.033C(6)X×t＝2.3C (7)其中，在等式(6)和(7)中X＝電量(安培)T＝生產時間(分鐘)C＝熔融鹽的重量由此，如果預先加入電解池32中的熔融鹽(KF/2HF)的重量C是已知的，那么對于所用的39-41％的氟化氫濃度來說，就可以確定電量X與氟氣生產時間t之間的關系。在這個例子中，可以通過電量積分提供的值在時間軸上確定氟化氫氣體進料的時間選擇(所用范圍的下限)，因此不必固定電量X。
現(xiàn)在將論述上文所述的本發(fā)明實施方案的優(yōu)點。
日本公開專利申請(PCT)第Hei 9-505853號(下文稱為853公開)公開了一種氟氣槽，其含有探測電解池中電解液高度的控制傳感器裝置，及響應來自控制傳感器裝置的信號、并響應該信號開始或停止供給電流的電流供給裝置。在這種情況下，在液面高度下降達到預定的位置前持續(xù)進行氟氣生產。在該預定位置，信號發(fā)出。由于響應該信號，電解控制裝置停止對電解池供電，電解停止，電解液液面高度的下降也停止。
總而言之，該申請公開的技術有意利用液面高度的變化實現(xiàn)對電流的開/關控制，而沒有考慮對此變化進行抑制。但是，在電解過程中必須將液面高度的變化降至最低，以便在保持穩(wěn)定狀態(tài)的同時連續(xù)生產氟氣。
853公開還指出，電解池中的陽極隔室將起到貯氟器的作用。但是，由于氟氣生產難以滿足要求，在實用程度上用于半導體加工的氟氣發(fā)生器需要有壓縮機和具有一定尺寸的容器。在所述公開中公開的技術不能適應此類外部條件的變化。
因此，符合853出版物的工業(yè)用氟氣發(fā)生系統(tǒng)配備了風箱型壓縮機和容量為數(shù)升的容器。這種系統(tǒng)通過開/關切換閥的動作間歇地將氟氣儲存在其緩沖罐中。采用這種方法，能夠不停頓地生成氟氣，且氟氣生產不會中斷。但是，盡管在這種情況下能夠穩(wěn)定地制得氟氣，實際經驗仍然表明，在討論的這種情況下進行長期生產的過程中會出現(xiàn)下述問題。
被氟氣夾帶的熔融鹽細霧滲入導管中，或滲入在壓縮機和電解池之間的容器中。由于這種霧的熔點在80℃左右，因而它會以固體形式存在于導管中。隨著這種霧的積累，會導致如下問題(1)導管堵塞和(2)損壞開/關閥的閥座。
前一問題導致電解立即中斷，并需要進行操作以除去阻塞導管的鹽。由于導管中還存在反應性氟氣，因而這種去除操作是危險的，并且需要極為小心。后一問題也會由于在閥門處的滲漏要求停止電解。此外，頻繁重復開/關操作會導致閥門過早磨損。
此外，由于所討論的控制方法不能避免陽極隔室中液面高度發(fā)生某種程度的變化，因此在液體和電極表面之間的接觸面積也不斷發(fā)生改變。這樣產生的電解過程中電流效率的變化使得氟氣生產量很難保持穩(wěn)定。這里產生的另一個問題是陽極效應致使(3)電極必須被更換(常用碳作陽極)。
當如853公開中所述通過響應控制傳感器開合、關閉電源對氟氣生產量進行控制的時候，其也無法適應周圍條件(在討論的例子中與壓縮機相連)的變化。而且在用于半導體加工的情況下，在電解池處使用壓縮機需要進行最后的分析。另一方面，必要的是，氟氣的生成不會受到電解池后下游側的影響。由此觀點看來，853公開中的控制方法是不可采用的，因此不能實際用于半導體加工。
前述本發(fā)明實施方案的一個重要特征在于，其不受池后條件變化的影響，能夠連續(xù)穩(wěn)定地生成氟氣。這種氟氣供應裝置是專門設計用于半導體加工操作的，也就是說，其基本前提是使用如壓縮機之類的抽吸裝置。
連接到壓縮機下游緩沖罐上的壓力計與電源相連。當壓力下降至某個值時，電源被打開，生成氟氣。當壓力升高至某個點時，電源關閉。采用這種方法，無需象853公開中所述那樣精心制造不同的液面高度即可停止電解。
853公開指出，由于安全原因，優(yōu)選總是在陰極側出口處的壓力為大氣壓(或略高于大氣壓的壓力)時進行操作。但是，在實際的半導體設備中幾乎不可能保持這一點，因為在陰極側導管中會發(fā)生巨大的壓力變化。此外，853公開僅僅關注陽極隔室中的壓力變化，并且將此建立在陰極隔室中的壓力總是為大氣壓的前提上。
通過前述本發(fā)明實施方案的獨立控制流速的方法保持壓力，可以使電解池的兩個電極隔室中的壓力一直保持恒定。但是，在實踐中不能由壓力確定液面高度，因此，為了提高安全性，可將液面高度傳感器以優(yōu)選的方式在陽極或陰極側、優(yōu)選在陰極側插入。
起始無水氟化氫(AHF)通常為氣體，并通過鼓泡注入電解池的熔融鹽中(優(yōu)選在陰極側)。AHF非常快地被吸收到熔融鹽中，結果，當AHF以緩慢速率供應時，陰極隔室會在瞬間呈現(xiàn)負壓。當這種情況發(fā)生時，熔融鹽在AHF進料導管中上升，在最壞的情況下會以固化告終，并無法繼續(xù)進料。因此，AHF進料速率優(yōu)選為快速，但是對可以實際使用的AHF流速是有限制的。
因此，在前述本發(fā)明實施方案中，在AHF進料期間，將AHF混入氮氣中，以便在AHF進料過程中提高整體流速。由于氮氣在熔融鹽中幾乎完全不溶，其流過陰極側的熔融鹽，并被排出。無論電解是否實際正在進行，始終使氮氣流入陰極隔室中。這會稀釋電解過程中陰極側生成的氫氣，而且即使由于液面高度發(fā)生突然和出乎意料的變化使氟氣引入陰極側時，也可以使條件保持在爆炸極限以外。氮氣流速可根據(jù)電解池尺寸任意調整。
氟氣發(fā)生器30可拆卸地并入上述實施例方案的半導體加工系統(tǒng)中，但是該發(fā)生器也可以永久安裝在該系統(tǒng)內。此外，安裝在半導體加工設備自身中的組件可用作數(shù)個分配給氟氣發(fā)生器30的組件，例如壓縮機62、主緩沖罐64、解毒器76等等?；蛘邔⒎鷼饧尤肓鲃庸芾聿糠?2或氣體生產部分26，或可以與其它處理氣體分離直接加入加工室12中。也可以配備氣體生產部分26以生產鹵間氟化合物以外的其它氟系處理氣體。
本領域技術人員可以設計出在本發(fā)明理念的技術范圍內的各種修改和變動，應該了解的是，這些修改和變動也落在本發(fā)明的保護范圍內。
如上所述，本發(fā)明提供了一種即使在長期運行過程中也能夠非常安全而且高度可靠地運行的氟氣生成器。
附圖的簡要說明圖1包含圖示含有氟氣發(fā)生器的半導體加工系統(tǒng)的示意圖，該發(fā)生器是本發(fā)明的一個實施方案。
圖2包含圖示能夠與圖1所示的供氣系統(tǒng)20結合使用的半導體加工系統(tǒng)的改良實施例的示意圖。
圖3包含圖示現(xiàn)有技術氟氣生成器的示意圖。
參考符號10，10x……半導體加工裝置12 ……加工室18 ……排氣系統(tǒng)20 ……供氣系統(tǒng)22 ……流動管理部分
24……氣體貯存部分26……氣體生產部分30……氣體發(fā)生器32……電解池34……陽極隔室36……陰極隔室38……電源40……電流積分器42……陽極44……陰極46，48……壓力計52，72……導管54，74……流速控制閥55，75……控制元件56……吸附筒58……容器62……壓縮機64……緩沖罐76……解毒機78……排氣系統(tǒng)82……原料導管84……氟化氫源86……切換閥87……控制元件94……氮氣源96……切換閥
權利要求
1.氟氣發(fā)生裝置，其特征在于配備了電解池，其在含有含氟化氫的熔融鹽的電解池中進行氟化氫電解，并由此在陽極側的第一氣相區(qū)域生成主要成分為氟氣的產物氣體，同時在陰極側的第二氣相區(qū)域生成主要成分為氫氣的副產物氣體；將起始氟化氫送入熔融鹽中的原料導管，；從第一氣相區(qū)域移出產物氣體的第一導管；從第二氣相區(qū)域移出副產物氣體的第二導管；連續(xù)測量第一氣相區(qū)域中壓力的第一壓力計；連續(xù)測量第二氣相區(qū)域中壓力的第二壓力計；安裝在第一導管中的第一流速控制閥；安裝在第二導管中的第二流速控制閥；第一控制元件，其根據(jù)第一壓力計所得的測量值調整第一流速控制閥的開啟度以便將第一氣相區(qū)域的壓力保持在第一設定值；和第二控制元件，其根據(jù)第二壓力計所得的測量值調整第二流速控制閥的開啟度以便將第二氣相區(qū)域的壓力保持在基本等于第一設定值的第二設定值。
2.根據(jù)權利要求1的氟氣發(fā)生裝置，其特征在于第一和第二設定值為760至820托。
3.根據(jù)權利要求1或2的氟氣發(fā)生裝置，其特征在于還配備有第一抽吸裝置，其安裝在第一導管中第一流速控制閥的下游，并可抽吸第一導管。
4.根據(jù)權利要求3的氟氣發(fā)生裝置，其特征在于第二導管的安裝使其得以將第二流速控制閥的下游與能夠抽吸第二導管的第二抽吸裝置連接。
5.根據(jù)權利要求1至4任一項的氟氣發(fā)生裝置，其特征在于還配備了安裝在原料導管中的切換閥；電流積分器，它將輸送到電解池前述陽極側的電極和電解池前述陰極側的電極之間的電流進行積分；和控制元件，其根據(jù)電流積分器生成的測量結果操作切換閥以控制氟化氫進入熔融鹽中的進料。
6.根據(jù)權利要求5的氟氣發(fā)生裝置，其特征在于通過原料導管導入的氟化氫為氣體。
7.根據(jù)權利要求6的氟氣發(fā)生裝置，其特征在于原料導管安裝得可以將氟化氫氣體導入電解池陰極側的熔融鹽中，其特征還在于把能夠將氮氣導入原料導管中的導管連接到前述切換閥的下游，并將氟化氫氣體與氮氣混合送入熔融鹽中。
8.氟氣發(fā)生裝置，其特征在于配備了電解池，其在含有含氟化氫的熔融鹽的電解池中進行氟化氫電解，由此在陽極側的第一氣相區(qū)域中生成主要成分為氟氣的產物氣體，同時在陰極側的第二氣相區(qū)域中生成主要成分為氫氣的副產物氣體；將起始氟化氫送入熔融鹽中的原料導管；從第一氣相區(qū)域移出產物氣體的第一導管；從第二氣相區(qū)域移出副產物氣體的第二導管；安裝在原料導管中的切換閥；電流積分器，它對輸送到電解池前述陽極側的電極和電解池前述陰極側的電極之間的電流進行積分；和控制元件，其根據(jù)電流積分器生成的測量結果操作切換閥以控制氟化氫進入熔融鹽中的進料。
9.根據(jù)權利要求8的氟氣發(fā)生裝置，其特征在于通過原料導管導入的氟化氫為氣體。
10.根據(jù)權利要求9的氟氣發(fā)生裝置，其特征在于原料導管安裝得可以將氟化氫氣體導入電解池陰極側的熔融鹽中，其特征還在于把能夠將氮氣導入原料導管中的導管連接到前述切換閥的下游，并將氟化氫氣體與氮氣混合送入熔融鹽中。
全文摘要
提供了一種氟氣發(fā)生裝置，其即使在長期運行過程中也能夠非常安全而且高度可靠地運行。氟氣發(fā)生裝置(30)配備了一個在陽極側的第一氣相區(qū)域生成主要成分為氟氣的產物氣體、同時在陰極側的第二氣相區(qū)域生成主要成分為氫氣的副產物氣體的電解池(32)。配備了第一和第二壓力計(46)和(48)以測量第一和第二氣相區(qū)域中的壓力。配備了第一和第二導管(52)和(72)以抽取產物氣體和副產物氣體。在第一和第二導管(52)和(72)中安裝了第一和第二流速控制閥。根據(jù)第一和第二壓力計(46)和(48)所得的測量值調整第一和第二流速控制閥的開啟度，以便將第一和第二氣相區(qū)域的壓力保持在基本相等的第一和第二設定值。
文檔編號C25B9/00GK1668779SQ03816530
公開日2005年9月14日 申請日期2003年6月30日 優(yōu)先權日2002年7月11日
發(fā)明者園部淳, 豬野實, 福岡崇行, 木村孝子 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司