用于直接电加热的流通化学反应器的方法和装置相关申请的交叉参考
本申请要求于2014年2月25日提交的美国专利申请No.14/189,649和
2014年2月14日提交的美国临时专利申请No.61/956,189的优先权，其均为本
申请的受让人所有，通过引用其原文纳入本文。
发明领域
本发明一般涉及用于化学气相沉积(CVD)和湿式晶片加工应用的装置、
系统和方法。特别地，本发明涉及将传导性组件与电源直接连接来加热传导性
组件，以使置入传导性组件中的一种或多种化学物质产生化学反应。
背景技术
在制造半导体装置时，使用多种化学品。化学物质可用于蚀刻晶片、清洁
腔室以及在半导体装置制造过程中发生的大量其他操作。
在半导体装置的制造过程中使用的许多化学物质需要加热。一个示例是过
量臭氧气体。臭氧可用于产生臭氧化去离子水，所述臭氧化去离子水可用于
晶片表面清洁、钝化、天然氧化物去除和/或光致抗蚀剂的去除。将臭氧气体释
放于环境中可能是有害的，因此需要分解过量的臭氧气体。使用热可将臭氧气
体分解为氧。通过将臭氧暴露于250℃以上的温度，臭氧气体可被分解。通过
分解臭氧气体，可避免有害化学物质向环境中的释放。
在半导体装置的制造过程中可能需要加热的其他化学物质是氟化合物，例
如CxFy、NF3、CHF3和SF6。其他气体可能也需要加热。
现有的用于在半导体制造过程中加热化学物质的方法和装置包括使用加
热元件对化学反应器加热。例如，图1是根据现有技术的用于分解臭氧的示例
性系统100的示意图。系统100包括入口110，出口115，管120，加热元件
130，冷却元件140和控制单元150。在操作中，控制单元150将加热元件130
加热至所需的温度。藉此，通过化学品入口110被导入管120的化学物质(例
如臭氧)被元件130加热。一旦被加热，化学物质流过冷却元件140，所述化
学物质在通过出口115排出系统前被所述冷却元件140冷却。
系统100的一个问题在于，管120可能需要被焊接或以其他方式处理(例
如弯曲)，导致热分散在化学物质中不均匀。另外，管120的一些部分可能存
在不期望的凝结聚集和死角，进一步导致热分散不均匀。
现有方法的加热时间也可能比所需时间更长，原因在于，例如，由于加热
元件的存在而导致的额外的耐热性。由于例如加热元件的尺寸、成本和/或重量，
现有方法和装置可能是非常昂贵、大型和/或重型的。
另一个问题在于，现有的热反应器通常不具有良好的化学耐受性和/或无
法针对广范围的化学物质运行，原因在于，例如，加热元件无法耐受具有高腐
蚀性的化学品。不良的化学耐受性可导致反应器的过早腐蚀。
现有方法中的另一个问题在于，臭氧分解中从臭氧气体变为氧的臭氧转化
率可能低于95％。
发明内容
本发明包括对置入受热导电性组件(例如导电性化学反应器)的化学混合
物进行加热。通过将化学反应器与电源直接电连接来对所述化学反应器进行加
热。当电源开启时，化学反应器作为加热元件对置入反应器的化学混合物起作
用。
本发明的一个优势在于，化学物质的加热、反应和储存能在同一结构组件
(例如导电性组件)中实现。通过对化学反应器加热来加热化学混合物能够免
去单独的加热元件。因此，本发明的另一个优势在于降低的尺寸和/或成本。
本发明的其他优势包括更均匀的热分布和更短的加热时间。这些优势通过
免去在系统中产生额外阻力的加热元件而实现。本发明的另一个优势在于，所
述系统具有得到改善的化学耐受性和/或能够针对广范围的化学物质运行，因为
仅将化学反应器暴露于化学物质，而不是将独立的加热元件暴露于化学物质。
本发明的另一个优势在于，对于分解臭氧的应用，从臭氧气体变为氧的臭氧转
换率能高于95％，原因在于热分布更均匀且加热时间更短。本发明的另一个优
势在于凝结聚集被最少化，原因是化学反应器基本被完全均匀加热且通过一种
反应器的单管设计消除了死角体积。
在一个方面中，本发明涉及促进化学反应的方法。所述方法包括将导电性
组件和电源直接连接，所述导电性组件具有内部区域，所述内部区域以基本抗
化学腐蚀的方式配置并能在其中保持化学混合物。所述方法还涉及将化学混合
物供于所述导电性组件的内部区域。所述方法还涉及通过调控施加于导电性组
件的电功率来将所述导电性组件加热至预定的温度，以使化学混合物中产生化
学反应。
在一些实施方式中，所述化学反应是臭氧分解。在一些实施方式中，所述
方法还包括将所述导电性组件加热至高于200摄氏度的预定温度。在一些实施
方式中，根据化学混合物、导电性组件的类型或其任意组合来选择预定温度。
在一些实施方式中，所述方法包括对导电性组件的一部分进行冷却，以在
将化学混合物排出导电性组件时冷却化学混合物。在一些实施方式中，导电性
组件是金属管。在一些实施方式中，导电性组件是导电且导热的单一结构。
在另一个方面中，本发明涉及促进化学反应的系统。所述系统包括金属管，
所述金属管基本抗化学腐蚀并能在其内部保持化学混合物，所述金属管具有第
一段和第二段。所述系统还包括直接与所述金属管电连接的电源，配置所述电
源以加热金属管的第一段。所述系统还包括与所述电源电连接的控制器，所述
控制器控制施加于金属管的功率，从而当化学混合物流入金属管时，化学混合
物被加热以在化学混合物中产生化学反应。
在一些实施方式中，通过使一条或多条电线沿着金属管的第一段连接至金
属管的方式将电源和金属管连接。在一些实施方式中，通过直接将电力感应至
金属管内来连接所述电源和所述金属管。在一些实施方式中，配置金属管以形
成完整的次级绕组变压器。在一些实施方式中，通过涡流来实施直接感应。
在一些实施方式中，所述系统包括沿着金属管的第二段与金属管连接的冷
却部。
在一些实施方式中，金属管的第二段与形状为螺旋状且其中有冷却剂流动
的金属管相对设置，从而金属管的第二段被冷却。
在一些实施方式中，所述系统包括：与金属管的第二段连接的金属管的第
一段的被加热段与金属管的第一部分的入口流体连通，从而来自金属管的第一
段的被加热段的热对进入金属管的第一部分的化学混合物进行加热。
在一些实施方式中，所述金属管的长度不超过15米。在一些实施方式中，
所述金属管的第一段或所述金属管的第二段具有螺旋形状，或两者均具有螺旋
形状。在一些实施方式中，所述电源是变压器。在一些实施方式中，所述变压
器的次级侧的线圈匝数为10。
在一些实施方式中，所述电源是直流电源。在一些实施方式中，所述电源
是开关电源。在一些实施方式中，所述电源是受控电源。
附图说明
本发明上述优势和其他优势可通过参考下述说明结合附图来更好地理解。
所述图不一定按比例绘制，而强调一般着重于说明本发明的原理。
图1是根据现有技术的用于分解臭氧的示例性系统的示意图。
图2是根据本发明的一个说明性实施方式的用于促进化学反应的系统的
示意图。
图3是根据本发明的一个说明性实施方式的用于促进化学反应的系统的
示意图。
图4是根据本发明的一个说明性实施方式的用于促进化学反应的方法的
流程图。
图5是根据本发明的一个说明性实施方式的用于促进化学反应的系统的
示意图。
发明详述
本发明一般包括将导电性组件(例如金属管)与电源直接连接。所述导电
性组件能够将化学混合物保持在其内部。所述电源向所述导电性组件施加功
率。所述导电性组件通过施加的功率被加热。所述导电性组件具有内部区域，
化学混合物能够在所述内部区域中流通。
当化学混合物被置入导电性组件的内部区域并施加功率时，在导电性组件
中产生的热转移至化学混合物，导致化学混合物被加热。导电性组件的一部分
能够被冷却。导电性组件的被冷却的部分能够将流过导电性组件的化学混合物
冷却。在一个实施方式中，在化学混合物被加热过后，所述化学混合物能够被
冷却。
导电性组件可以是金属管。所述金属管能够被细分为第一部分和第二部
分。所述第一部分与电源直接连接。当电源开启时，其直接加热所述金属管
的第一部分。所述金属管的第二部分被冷却剂冷却。所述金属管由基本抗化学
腐蚀的材料(例如合金625)构成。
在一些实施方式中，夹具直接与金属管电连接。夹具与金属管之间的接触
表面的位置和尺寸可设置，使得过渡电阻被最小化。夹具可被冷却，从而如
果金属管被完全加热，夹具能在其特定的温度范围内操作。在一些实施方式中，
通过液体冷却(例如水、油)、空气冷却(对流冷却)或其任意组合将夹具冷
却。
图2是根据本发明的一个说明性实施方式的用于促进化学反应的系统200
的示意图。系统200包括控制器210，电源220，导电性组件230，一个或多个
电连接器240a和240b(统称为240)，温度传感器270，导电性组件的流体入
口250和导电性组件的流体出口260。
控制器210与电源220和温度传感器270连接。在一些实施方式中，所述
控制器210是恒温器。在一些实施方式中，根据温度传感器270的测量值，控
制器210将电源220控制在温度设定点。温度传感器270可以是本领域已知
的任意温度传感器，其能测量导电性组件250的温度。在一些实施方式中，不
存在温度传感器270。
在一些实施方式中，电源220包括变压器。在一些实施方式中，变压器次
级侧的线圈匝数为10。在多种实施方式中，变压器是升压变压器、降压变压器
或中性变压器。在多种实施方式中，电源是直流电源或开关电源。
电源220通过电连接器240与导电性组件230电连接。在一些实施方式中，
导电性组件230是管。在一些实施方式中，导电性组件230是螺旋状的。在一
些实施方式中，导电性组件230长达数米。在一些实施方式中，导电性组件230
的长度取决于所需的流体流动范围和所需的出口处的臭氧浓度。
在一些实施方式中，导电性组件230的直径取决于组件的运行环境。在
一些实施方式中，导电性组件230的直径不超过2英寸。
在一些实施方式中，导电性组件230是金属的。在一些实施方式中，导电
性组件230是施加功率时能被加热的任意金属。在一些实施方式中，导电性组
件230是导热且导电的(例如，21℃时约9.8W/m*℃和约130*10-6Ohm*cm)。
在一些实施方式中，导电性组件230在不高于1000℃的温度下可维持其形状。
在一些实施方式中，导电性组件230在HF的存在下基本抗腐蚀。
在一些实施方式中，电连接器240的长度为数厘米。在一些实施方式中，
电连接器240的长度为数米。在一些实施方式中，电连接器240的电阻低于导
电性组件230的电阻。在一些实施方式中，电连接器240的电阻取决于电连接
器240的长度、直径和/或材料。在一些实施方式中，电连接器240由铜制成。
在多种实施方式中，电连接器240可由导电性高于金属管的材料(例如铝、银、
金)构成。
导电性组件250通过导电性组件250的流体入口与化学品源(未示出)流
体连通。在一些实施方式中，所述化学品源是臭氧源。在一些实施方式中，所
述化学品源提供化学混合物。在一些实施方式中，所述化学品源提供单一化学
品。
导电性组件250通过导电性组件260的流体出口与一出口(未示出)流体
连通。
在运行过程中，化学混合物被输入导电性组件250。电源220向导电性组
件250施加电压。导电性组件250被加热，使得化学混合物被加热。
在一些实施方式中，导电性组件230包括第一部分和第二部分。图3是根
据本发明的一个说明性实施方式的用于促进化学反应的系统300的示意图。系
统300包括具有第一部分310和第二部分320的导电性组件300，冷却管325，
电源335，温度传感器360，控制器345，两个电连接器350a和350b。
导电性组件300包括第一部分310，第二部分320，入口330和出口340。
第一部分310是螺旋形状的管，其能够从入口330接收化学品。第一部分
310通过两个电连接器350a和350b与电源335电连接。第一部分与温度传感
器360连接。温度传感器360和电源335均与控制器34连接。控制器345根
据温度传感器360对电源设置功率设置点。在一些实施方式中，不存在温度传
感器360。
第一部分310与第二部分320流体连通。第二部分320是螺旋形状的管，
其能够接收第一部分310的输出物。
第二部分320密封在冷却管325内。冷却管325能够在入口327接收冷却
水，从而冷却剂在第二部分320的外部周围流动。冷却水从出口329排出冷却
管325。第二部分320能够从出口340排出化学混合物。
在一些实施方式中，第一部分310被绝缘材料包围。在一些实施方式中，
绝缘体被铝包围。在一些实施方式中，第一部分310长度为1米。在一些实施
方式中，第二部分310长度为1米。
图4是根据本发明的一个说明性实施方式的用于促进化学反应的方法的
流程图400。所述方法涉及将导电性组件和电源直接电连接(步骤410)。例
如，如图2所示，导电性组件230与电源220直接连接，从而在电源220和导
电性组件230之间无其他组件。
在一些实施方式中，电源提供230V的交流电流。在一些实施方式中，电
源提供取决于导电性组件所需的温度的功率。所述方法还涉及将化学混合物供
于导电性组件的内部区域(步骤420)。例如，如图2所示，导电性组件250
的流体入口能够接收化学混合物。在一些实施方式中，化学混合物是臭氧、HF
或其任意组合。
所述方法还涉及决定导电性组件的预定温度(步骤430)。在一些实施方
式中，预定温度取决于所需的化学反应。例如，对于分解臭氧所需的化学反应，
预定温度约为350℃。在多种实施方式中，预定温度取决于化学混合物、化学
混合物的体积、导电性组件的材料类型、导电性组件的尺寸、导电性组件的形
状或其任意组合(例如，更短的管需要更高的温度)。
所述方法还涉及决定导电性组件应当被加热的时长(步骤440)。所述时
长可取决于化学混合物、化学混合物的体积、导电性组件的材料类型、导电性
组件的尺寸、导电性组件的形状、流速或其任意组合。例如，在低流速情况下，
加热时间和非加热时间的关系可以是50:50。流速的增加能导致加热时间的增
加。流速的降低能使加热时间减少。
所述方法还涉及在加热时长内将导电性组件加热至预定温度(步骤450)。
例如，如图2所示，电源220与导电性组件230直接电连接，两者间没有加热
元件。电源220将电力传递至导电性组件230，所述电力足以将导电性组件230
加热至所需温度。导电性组件230保持化学混合物，以向化学混合物提供化学
反应器，并向化学混合物提供热。不需要在电源和化学反应器之间设置单独的
加热元件来加热化学混合物。
在一些实施方式中，所述方法还涉及将导电性组件的一部分冷却(步骤
460)，从而化学混合物被冷却。化学混合物能被冷却至所需的温度。化学混
合物的所需的温度可取决于化学混合物、化学混合物的体积、导电性组件的材
料类型、导电性组件的尺寸、导电性组件的形状或其任意组合。在一些实施方
式中，所需温度的下限取决于能够避免导电性组件内的凝集的化学混合物的露
点。在一些实施方式中，所需温度的上限取决于废气系统所要排出的废气的可
接受的温度水平。
在一些实施方式中，导电性组件的一部分通过水冷被冷却。在多种实施方
式中，通过空气冷却、液体冷却(例如用油)、热交换器或其任意组合将导电
性组件的一部分冷却。
图5是根据本发明的一个说明性实施方式的用于促进化学反应的系统500
的示意图。系统500包括温度控制器591，温度传感器590，交流电源510，电
连接器550，变压器芯540，具有流体入口561和流体出口562的导电性组件
563，电连接器570。
电源510与电连接器550和温度控制器591连接。电连接器550卷绕变压
器芯540，以形成完整的初级变压器绕组。导电性组件563卷绕变压器芯540，
以形成完整的次级变压器绕组。
温度控制器591与交流电源510和温度传感器590连接。在一些实施方式
中，温度控制器591是恒温器。在一些实施方式中，根据温度传感器590的测
量值，温度控制器591将交流电源510控制在温度设定点。温度传感器590可
以是本领域已知的任意温度传感器，其能测量导电性组件563的温度。在一
些实施方式中，不存在温度传感器590。
在运行过程中，化学混合物被输入导电性组件563。交流电源510向电连
接器550提供平均电压(例如208伏)，以向变压器芯540的初级变压器绕组
提供功率。电连接器550在变压器芯540内产生磁通量580。磁通量580在导
电性组件563中感应而产生电流(例如50安培)，所述组件563也作为变压
器次级绕组运行。导电性组件563能作为低导电性电路运行。对本领域普通
技术人员而言显而易见的是，初级绕组与次级绕组之比可被调整以在导电性组
件563中感应产生所需的电流。
电连接器570使导电性组件563短路。因此，进入流体入口561的未加热
的化学混合物在导电性组件563中被加热，并通过流体出口562排出导电性组
件563。在一些实施方式中，流体出口562是未加热化学混合物的入口，流体
入口561是加热后的化学混合物的出口。
在一些实施方式中，交流电源510提供的平均电压取决于导电性组件563
所需的温度和/或导电性，和变压器的初级变压器绕组、电连接器550、次级变
压器绕组、导电性组件563之间的转换率。例如，对臭氧分解而言，导电性组
件内所需的温度约为350℃。
虽然参照具体实施方式对本发明进行了具体展示和描述，但本领域技术人
员应理解，可在不背离所附权利要求定义的本发明精神和范围的情况下对形式
和细节作出各种改变。