CN102791906B - 脉冲气体传送的控制和方法 - Google Patents

Abstract

摩尔传送***和方法提供作为每一脉冲持续时间函数的已知摩尔数量的脉冲，该每一脉冲依次作为理想气体定律的函数来传送。在***的一个实施例中，所述***包括：具有已知容积并受控和已知的温度的腔室；用于测量腔室中的压力传感器；用于处理工具的排气阀；用于采用传送气体充载腔室的进气阀；以及控制***，该控制***配置和布置成控制排气阀的操作，通过控制用于处理工具的阀的计时来控制每一气体脉冲的数量。

Description

脉冲气体传送的控制和方法

向美国专利局提交的PCT申请说明

对于其可能涉及的所有人员而言：

已知居住在美国马萨诸塞州黑弗里尔的美国公民Paul M eneghini在发明″脉冲气体传送的控制和方法″中进行了一些改进，下面在说明书中结合附图对本发明进行说明，在几幅附图中的相同附图标记指示相同的部件。

相关申请

本申请要求于2010年1月19日提交的美国专利申请No.12/689,961的权益，其整个教导通过参考引用于本文。

技术领域

本公开内容总体涉及少且精确量的气体或蒸汽传送的测量和控制，并且更具体地涉及用于准确地传送经计量的气体或蒸汽脉冲以便控制在每个脉冲中所传送的气体或蒸汽的确切摩尔量的校准控制***和方法。

背景技术

如本文中所提到的，在上下文所允许的任何地方，所指的″气体″或″多个气体″分别包括″蒸汽″或″多个蒸汽″。半导体设备的制备往往需要将多达十二种或更多种的气体精细同步并精确测量地传送到处理工具，诸如处理腔室或反应器。在制造过程中使用各种制法，并且会需要很多分离的处理步骤。例如，半导体设备被要求进行清洗、抛光、氧化、掩膜、蚀刻、掺杂、金属化等。所使用的步骤、其特定的顺序以及所涉及的材料都有助于特定设备的制作。

随着设备尺寸不断缩小至低于90纳米，半导体路线图(roadmap)表明多种应用都将需要原子层沉积(ALD)工艺，仅举以下几个例子：诸如用于铜互连的阻挡物的沉积、钨核层的生成以及高导电介质的生产。在ALD工艺中，在维持于真空下的处理腔室中两种或两种以上的前驱体气体依次流过晶片表面。两种或两种以上的前驱体气体通常以一连串连续脉冲引入到一个或多个反应器内，以使得这些气体可与晶片表面上的位点或功能团反应。脉冲需要被精细地控制，以使得所传送气体的摩尔数是精确的。事实上，对于ALD工艺而言，控制通常需要非常的精确以便控制每一脉冲中所传送气体的原子或分子数量。例如，参见美国专利No.7,615,120(Shajii等)、No.6,913,031(Nowata等)和No.6,887,521(Basceri)；以及美国专 利申请公开No.2007/0022951(Spartz)和No.2006/0130755(Clark)。当所有可用位点所具有的前驱体气体之一(例如，气体A)饱和时，反应停止并且通常采用吹扫用气体将多余的前驱体分子从处理腔室中吹除。当下一前驱体气体(例如，气体B)流过晶片表面时，通常重复该过程。例如，将用于仅仅利用两种前驱体气体的简单过程的典型周期限定为：前驱体气体A的一个脉冲、吹除、前驱体气体B的一个脉冲、以及吹除。通常重复该顺序，直到达到最终的厚度。与前驱体气体的自限制表面反应的这些周期的每一个均导致每一周期一单原子层的沉积膜。

引入到工具，诸如处理腔室或反应器的前驱体气体的脉冲通常使用开/关型阀或切断式阀来控制。一个阀用作至待被充载的容器的进气阀，而第二个阀用作从容器的用于控制传送到工具的脉冲的排气阀。排气阀仅打开从存储容器传送所期望的摩尔量的前驱体气体所必需的预定时间段。目前控制脉冲流的一种方法，其在专利No.7,615,120(Shajii等)的公开内容中示例出，包括对用于充载存储容器的合适进气阀的打开和关闭计时进行控制的技术。所传送的摩尔数是基于排气阀上游的已知容积的存储容器中的压降和实时气体温度模型，以解决存储容器容积中由于来自阀操作的转换，即，打开和关闭进气阀和排气阀以用于控制气体或蒸汽流入容器或流出容器，而造成的气体温度波动。这种方法由于其取决于流经***的气体性质而需要气体的先验知识。

发明内容

仍然期望提供一种新颖和改进的***和方法，所述***和方法通过控制无关于所传送的气体的每个脉冲的持续时间来快速和重复地作为气体脉冲来将可预测和可重复数量的前驱体气体传送到诸如处理腔室或反应器的工具。

根据本发明的第一方面，提供了一种脉冲气体传送***，配置成传送精确且可重复剂量范围的气体，所述脉冲气体传送***包括：具有已知容积的腔室，所述腔室构造并布置成分别在将每一剂量气体从所述腔室传送之前和之后将所述腔室内的所述气体维持于均匀温度和压力范围内的稳定压力；进气阀，构造和布置成打开以便将气体引入到所述腔室中；排气阀， 构造和布置成在受控的时间间隔期间打开和关闭，以便在所述时间间隔期间传送所要求剂量的气体脉冲；查找表，所述查找表包括表示各种时间间隔的数据，每一时间间隔是待从所述腔室传送的所述气体的相应剂量以及所述腔室内的所述初始稳定压力的函数；以及控制器，所述控制器被配置以访问所述查找表，其中所述控制器用于控制所述排气阀的所述时间间隔，所述时间间隔仅作为所期望的气体剂量水平以及在每一脉冲传送之前的所述腔室中的所述气体的初始稳定压力的函数。

根据本发明的第二方面，提供了一种***，包括：工具，构造和布置成利用精确量的气体执行沉积工艺以将沉积层形成在工件上；以及摩尔传送设备，所述摩尔传送设备包括：脉冲气体传送设备，配置成将精确且可重复剂量范围的气体传送到所述工具；具有固定容积的腔室，所述腔室构造和布置成分别在将每一剂量的气体从所述腔室传送之前和之后将所述腔室内的气体维持于均匀温度和压力范围内的稳定压力；进气阀，构造和布置成打开以便将气体引入到所述腔室中；排气阀，构造和布置成在受控的时间间隔期间打开和关闭以便在所述时间间隔期间传送所要求剂量的气体脉冲；查找表，所述查找表包括表示各种时间间隔的数据，每一时间间隔是待从所述腔室传送的所述气体的相应剂量以及所述腔室内的所述初始稳定压力的函数；以及控制器，所述控制器被配置以访问所述查找表，其中所述控制器用于控制所述排气阀的时间间隔，所述时间间隔仅作为所期望的气体剂量水平以及在每一脉冲传送之前的所述腔室中的所述气体的初始稳定压力的函数。

根据本发明的第三方面，提供了一种校准摩尔传送***的方法，所述摩尔传送***配置和布置成将具有已知容积的腔室中的气体维持于均匀温度和压力范围内的稳定压力，并且由控制器控制排气阀，以便传送气体脉冲，所述方法包括：通过生成并存储校准数据来校准所述***，对于待由所述摩尔传送***传送的气体的多个不同期望的剂量，所述校准数据表示用于从传送所述期望的剂量所需的所述***传送的每一气体脉冲的持续时间，所述持续时间仅作为在所述气体脉冲传送之前的所述腔室中所述气体的初始稳定压力的函数。

根据本发明的第四方面，提供了一种脉冲气体传送***，包括：具有已知容积的腔室；进气阀，配置成控制气体流入到所述腔室中；排气阀，配置成控制气体流出所述腔室；压力变换器，配置和布置成生成作为所述腔室内的压力的函数的数据；包括温度传感器的加热***，用于将所述腔室内的气体的温度维持于均匀温度；以及控制器，连接到所述进气阀和所述排气阀、所述压力传感器、以及所述加热***，并且配置成生成用于查找表的数据，所述数据表示所述排气阀需要打开的持续时间，所述持续时间仅为在所述腔室内的待传送的所期望的剂量和所述气体的初始压力的函数。

在一个实施例中，通过确保上游容器容积保持不变，以及由***传送的气体在每个脉冲的开始和结束时始终处于均匀温度，脉冲时间间隔值的表可仅取决于待传送的气体摩尔量和存储容器内的起始压力来创建。由气体来规定气体可在容器中维持的并且可预测量传送的允许压力范围，但上述只是为了确保在用于由工具执行的工艺的整个范围内使气体保持令人满意的状况。一旦该表建立了足够的数据，则即使在传送脉冲之前腔室中的气体的起始压力在整个允许的范围内发生变化，该***也能够在每个脉冲下传送精确摩尔量的气体。因此，该***控制由每一脉冲所提供的仅作为脉冲持续时间的函数的气体原子或分子数量，该脉冲持续时间作为上游腔室内的起始压力的函数来确定。该改进后的***和方法例如是特别有利于用于半导体制造工艺中，诸如ALD工艺。

此外，如果用于传送每一脉冲的阀的所有阀模式并没有都出现故障，则用于测量和传送每一种前驱体气体的改进的***和方法的其它优点和方面可用于预测和检测其中的一些。

在阅读和理解了本文中结合附图对示例性实施例进行的详细描述之后，将理解本公开内容的其它特征和优点。

附图说明

当与实质上应认为是说明性而非限制性的附图一起来阅读以下描述时，可以更充分地理解本公开内容的各个方面。附图不必按比例绘制，相反其重点落在所公开内容的原理上。在附图中：

图1是配置成传送气体脉冲的脉冲气体传送***的示例性实施例的框图，每一脉冲包含作为每一脉冲的持续时间和上游腔室中气体的起始压力的函数的规定或预测的气体摩尔量；

图2是示出校准图1的***的方法的示例性实施例的流程图；

图3是示出操作图1的***以用于传送精确摩尔量的气体或蒸汽的方法的示例性实施例的状态图；

图4是示出用于图1的示例性***的示例性查找表的视图；

图5A-5D示出采用所需数据填入查找表的处理的一个实施例的流程图；以及

图6是包括图1的两个脉冲气体传送***的原子层沉积***的示例性实施例的示意图。

虽然在附图中示出了特定实施例，然而本领域的技术人员应当理解上述所示实施例是说明性的，并且所示的这些实施例的变形以及本文所述的其它实施例可在本公开内容的范围内构思并实施。

具体实施方式

如前所述，本公开内容的实施例涉及一种***和方法，所述***和方法用于在固定温度下准确和重复地将作为从腔室传送的每一脉冲的时间间隔以及容器中的气体的起始压力的函数的精确摩尔量的气体作为脉冲，从具有固定容积的腔室或容器传送到工具。可以创建包含数据的查找表，该数据表示每一脉冲时间间隔的各种值，该每一脉冲时间间隔作为所传送摩尔量与在每一脉冲开始之前容器中的气体起始压力的函数。查找表中的数据可作为在每一脉冲间隔之前和之后的气体起始压力和最终压力的函数来生成。脉冲的时间间隔可由用于控制来自腔室气体的流动的阀来控制。由于腔室的容积是固定的，因此这将是可行的。可对上游气体腔室中的气体或蒸汽的温度进行测量，并且应该将该温度维持在恒定值，即在脉冲开始之前以及脉冲传送之后保持相同的值。如果在气体脉冲传送之前和之后腔室容积和温度相同，则理想气体定律表明：在脉冲间隔期间所传送的摩尔数将为单个变量的函数，该单个变量即为在脉冲传送之前和脉冲传送之后的腔室内的气体起始压力和最终压力之间的差值。因此，可以确定每一脉 冲的时间间隔以便在给定已知的起始压力的情况下将已知摩尔量的气体传送到工具。应当指出，脉冲传送之前和之后的起始压力和最后压力应该是稳定的，以使得气体的温度保持恒定。在时间间隔结束时，腔室中的最终压力将基于理想气体定律而变化至预测值。一旦生成数据，如果起始压力已知，则不需要为了确定在精细控制时间控制脉冲内所传送气体的预定摩尔量而测量最终压力。

由气体脉冲传送的摩尔量与在初始或起始压力下的脉冲时间间隔之间的相互关系可以本地确定。相关的数据随后可以被生成并存储在可读查找表中。

参照附图，图1示出了脉冲气体传送***或摩尔传送设备(MDD)100的示例性实施例；图2示出了校准设备100的方法200的示例性实施例；而图3示出了方法300的示例性实施例的状态图，所述方法300控制每一气体脉冲的作为所期望剂量水平和在每一脉冲传送开始时设备100腔室中的气体或蒸汽的初始或起始压力的函数的时间间隔。***100和方法200、300尤其适用于将非常少量并精确计量的处理气体快速传送到半导体处理工具。此外，该***和方法通过控制所传送的每一脉冲气体的仅作为传送***内的剂量水平和起始压力的函数而无关于所传送气体的持续时间来传送在半导体制造工艺中所使用的每种气体的精确量，提供了高度可重复的性能结果。将气体维持于作为被传送的气体或蒸汽的函数而确定的恒定均匀温度。在脉冲传送之前测量初始压力，以便基于先前所确定的相关数据来确定脉冲的时间间隔。在一个实施例中，可以在压力已经稳定之后测量随后进行的脉冲传送的最后压力，以确保所传送的气体量的准确性。气体的温度可以被监控并且在另一可替换实施例中可受控，以将其维持在期望并恒定的水平。该***和方法尤其适用于需要传送非常小剂量的***，诸如原子层沉积(ALD)***，和工艺，以使得该***和工艺更加高效。

通过将温度保持在期望并恒定的水平，并使用已知容积的腔室，持续时间仅仅取决于两个变量，即，待传送的所期望的剂量水平和***腔室中的气体或蒸汽在脉冲传送之前的初始压力。因此，可以建立查找表，以便基于待传送剂量的摩尔量和脉冲传送开始时在上游腔室内的所测量压力来提供每一脉冲的持续时间。如上所述，在温度保持恒定并且腔室容积保持 固定的状况下，理想气体定律表明在给出开始压力以及脉冲的持续时间的情况下，在腔室内每一脉冲传送之后的最终压力是完全可预测的。因此一旦建立了查找表，在脉冲传送之后的最终压力就可以被测量出以便确定控制阀是否在正常操作，但并不需要作为确定脉冲持续时间的一部分来测量。

如下面参照图2更详细描述，图1的***实施例需要收集用于表示***可提供的脉冲持续时间的查找表的数据，以便在给定脉冲传送之前的腔室内测量的起始压力的情况下在腔室中传送精确摩尔量的气体或蒸汽。可合理地用于操作该***的数据范围需要考虑待传送到工具的气体或蒸汽的规格。该规格包括用于将所传送的材料维持于气体或蒸汽状态下的可接受的温度和压力范围。对于许多应用而言，优选将待传送的材料保持于气体或蒸汽状态下的特定温度。利用理想气体定律，因此在脉冲期间所传送的摩尔数是脉冲开始时的初始压力和该脉冲的时间间隔的函数。在脉冲完成时，腔室内的压力是完全可以预测的，因此并不需要为了控制阀的操作而进行测量。这提供了优势，因为在传送气体脉冲的时间间隔期间由于腔室内的气体流动而造成压力和温度趋于波动，这使得极为难以精确地控制阀的操作。在每一压力值有机会稳定之后，就对腔室内的气体或蒸汽的初始或起始压力测量一次，以使得气体或蒸汽的温度保持在固定的温度值。结果是，用户或***可以要求在每一脉冲时所需的期望数量或摩尔量的气体，并且该***将通过控制脉冲的持续时间来传送该气体数量。

下面进行更详细地描述，图1中所示的***100包括具有预定容积的传送腔室102、控制气体流入腔室102中的第一阀或进气阀104、以及控制气体流出腔室102的第二阀或排气阀106。在该实施例中，腔室配置成使得传送腔室的容积是已知的，并且腔室在传送脉冲之前和之后均保持于均匀且恒定的温度。此外，第一阀104和第二阀106优选包括开/关、切断型阀，并且至少第二阀或排气阀106具有相对非常快的响应时间，例如约1至5毫秒之间，尽管实际的响应时间可取决于不同的应用而变化。

所示的脉冲气体传送***100还包括用于提供腔室102内的压力测量的压力变换器108以及用于提供腔室102的壁的温度测量的温度传感器110。压力变换器108也优选具有相对非常快的响应时间，例如约1至5毫秒，尽管压力变换器的实际响应时间可取决于不同的应用而变化。

使用于本公开内容的传送***100的合适的压力变换器108的示例是可从本申请的受让人，马萨诸塞州安杜佛，MKS Instrum ents(www.mksinst.com)得到的品牌的压力变换器。也可使用具有快速响应时间的其它压力传感器。

所示的脉冲气体传送***100的输入数据设备114可接收直接来自于操作人员的输入112，或间接地通过工具的控制器，例如晶片处理计算机控制器接收输入112。输入112表示工具需要的所期望摩尔量的气体，并且将指令传递到计算机控制器或处理器(即，计算机处理单元或″CPU″)116，以建立用于传送每一脉冲中期望的气体摩尔量而需要的持续时间，该持续时间作为在取决于待传送的气体或蒸汽的初始压力范围内的优选温度水平下在腔室102中测量的初始压力的函数。计算机控制器或处理器116连接到压力变换器108、温度传感器110、阀104、106、查找表118、以及输入界面114。此外，例如可提供由控制器116控制的加热器120，以便在腔室内的压力稳定时将腔室102内的气体维持在优选的温度水平。

优选对腔室中的气体进行温度测量，但整个腔室内的温度可能变化，使得对气体进行测量即使是可能的，也是困难的。因此，采用壁温作为气体或蒸汽的最佳估计温度。只要腔室内的气体压力保持稳定，则所测量的壁温将等于气体温度。此外，整个容积需要被控制于均匀温度，尽可能地避免温度梯度。由于校准数据是理想气体定律的函数，并且许多前驱体仅仅作为高温下的气体而存在，因此重要的是气体维持在用于提供校准数据的温度。此外，当气体或蒸汽的压力由于转换事件(例如，当进气阀打开以允许气体流入腔室内，或者排气阀打开以允许气体流出腔室时)而变化时，气体温度会发生变化。出于该原因，重要的是在该转换事件之后实现气体压力稳定。如果容积将用于校准过程中的一个温度改变到不同的温度，或期望不同的操作温度，则查找表需要被重新填入。输入数据界面114也可用于输入其它处理指令，诸如传送所需的各种气体的脉冲数目和脉冲顺序，以便在整个处理过程中对于每一脉冲而言提供相应的所期望的气体摩尔量。在一些实施例中，数据界面114还可包括输出界面，该输出界面构造并布置成提供由***100传送的气体量的指示(直接来自于操作人员，或间接地通过处理工具的计算机控制器，诸如晶片处理器)。

输入/输出数据界面114可分成分离单元或组合成单个单元。输入/输出界面114可以连接到具有键盘和/或监控器的个人计算机。

根据本公开内容的一个示例性实施例，图1的脉冲气体传送***100的控制器116可分别用于执行图2和图3的校准和剂量传送方法200和300。

如图2中所示，校准过程用于创建查找表，诸如在图4中由400所示。查找表400可存储在作为控制器116一部分的合适的存储器中。在一个实施例中(如图4所示，下文进行更详细地描述)，针对查找表生成的数据是一组传送相应组的气体或蒸汽的摩尔数所必需的时间间隔，该每一气体或蒸汽的摩尔数作为在预定压力范围内的腔室102中的气体初始压力(Pi)的函数来传送。

起初，作为校准过程的一部分，将待传送的气体或蒸汽的特定规格提供给***以便生成校准表。该规格包括待传送到处理工具所需的剂量(优选摩尔)的预期范围、气体或蒸汽的操作温度(通常该气体或蒸汽的操作温度在整个过程中将保持均匀)、以及最大压力(Pmax)，该气体或蒸汽当超过该最大压力时将变得不适用于该过程。还有最低压力(Pmin)，其由排气阀可打开的最大允许的时长来确定。该最小压力是操作员限定的，且通常取决于正在执行的特定过程。最大压力和最小压力将限定用于正在创建的查找表的初始压力范围。如通过下文更为明显的，腔室102中的气体或蒸汽的初始压力(如由压力变换器108所测量的)在脉冲传送之前始终允许保持稳定。用于传送精确摩尔量气体的脉冲持续时间或脉冲间隔将取决于腔室中的气体或蒸汽的起始压力和最后压力。具体而言，利用理想气体定律，剂量的数量计算如下：

$\mathrm{\Δn}=\frac{(P_i-P_f)V}{\mathrm{RT}}---\left(1\right)$

其中：

Δn＝剂量的数量；

P_f＝最终压力； 

P_i＝初始压力； 

V＝容积；

R＝通用气体常数；以及

T＝容积温度。 

公式(1)变为：

n＝K(Pi-Pf)   (2)

其中K是常数。

因此，摩尔数是初始压力和最终压力的函数。然而，如上所述，在温度保持恒定并且腔室容积保持固定的状况下，理想气体定律表明：在给出开始压力以及脉冲的持续时间的情况下，在每一脉冲传送之后腔室内的最终压力完全可以预测。因此，通过生成具有合适数据的查找表，脉冲传送之后的最终压力不需要作为确定脉冲持续时间的一部分来测量。因此仅采用两个变量，基于已知的Pmin到Pmax的可接受的压力范围并且将腔室102内的气体或蒸汽保持在均匀温度，就可以生成查找表。

参照图2，校准过程200的一个实施例起始于202。在步骤204，接收表示引入到腔室102中以便传送到工具的气体的特定规格的数据。气体或蒸汽的这些规格包括：用于特定过程的预期的剂量数量、操作温度以及最大压力(Pmax)。在步骤206，确定***100是否需要进一步校准。如果是的话，则在步骤208确定作为起始压力和剂量数量的函数的持续时间值(t)。该数据可在原处生成而不需要在工厂里确定。因此，可在过程运行之前校准该***。如果在步骤206，查找表已经被充分填入有用于在步骤204所提供的规格的必要数据，或者在步骤208如果为了完成查找表而生成额外的数据，则***在步骤210行进至用于执行该过程的状态机，诸如下面参照图3示出并描述的实施例。

通过感测温度传感器110的输出并控制加热器120的操作来持续监控腔室102的温度，以便将腔室内的温度维持在恒定于作为规格一部分而初始提供的指定值。

参照图3，在操作中，***接收命令以便将腔室102内所选摩尔数的气体提供至工具。随后状态机将在充载状态302下操作。因此，排气阀关闭而进气阀打开，以允许腔室中的压力上升到由初始规格限定的范围内的适当水平。随后关闭进气阀，并允许将压力稳定在状态304。当气体流入或流出腔室时，气体或蒸汽的温度将从其均匀值波动。因此，在行进至下一状 态之前允许气体或蒸汽的压力稳定在初始压力或开始压力(Pi)能够实现气体或蒸汽的温度恢复到其均匀温度。这将确保确切剂量的精确传送。

接着该***行进到状态306。采用压力变换器108测量压力Pi，并且从查找表中检索到作为待传送的气体或蒸汽的要求摩尔数的函数的Δt的值。状态机300随后将转换到状态308，其中***等待命令以传送所要求的剂量。转换到状态310，排气阀108打开由查找表提供的时间Δt。例如，参照图4，如果Pi对应于P3并且所需的摩尔数为n2，则查找表显示排气阀108需要打开的持续时间是Δt＝t32。

因此，再次参照图3，在状态310，阀打开的时间为查找表中指示的Δt，于是当Δt＝t32时，排气阀108关闭。随后***转换到状态312以允许腔室102内的压力稳定，并且允许温度稳定在所期望的操作温度下。这可通过读取压力变换器108和温度变换器110来确认。过渡到状态314，***确定当前压力(最终压力Pf)，并且摩尔数(N)被计算。随后，该***可以行进至经过状态302至314的循环，以传送下一个规定的剂量。

在可替换实施例中，在图3中的状态314之后，***可转换到状态316，以确认已传送确切剂量，并且如果需要的话更新查找表。这实现了本地校准。

在另一可替换实施例中，可以从状态314行进至状态318，以确定最终压力Pf是否小于由原始规格限定的Pmin。如果最终压力Pf不小于原规格限定的Pmin，通过行进至状态306而在下一循环中通过跳过状态302和304可实现快速传送剂量。如果Pf小于Pmin，则腔室102需要在状态302通过打开进气阀(而排气阀保持关闭)来充载，以便允许更多的气体或蒸汽进入腔室102中。随后过程可以行进至步骤304，等等。

如上所述，当生成用于查找表的数据时，可将允许的压力范围设置为图2中的校准步骤期间提供的规格的一部分。***100传送的摩尔数不会大于脉冲开始时腔室所包含的摩尔数。此外，下游状况(腔室的压力、温度以及容积)将根据工具的不同而有所不同，以及可确定流动以多快的速度离开腔室102。作为一个实际问题，当用于初始压力Pi的相应Δt对于过程而言变得过于冗长时，目标剂量和最小压力将会受到限制。最大Δt的典型示例是超过2秒的任何时长，但显然这将取决于应用和情况而会有所不 同。

参照图5，以下是利用所需数据填入查找表的一个实施例。参照图5A，校准过程500开始于步骤502，其中***接收与将使用***执行的过程相关的信息。在给定的示例中，信息包括Pmax、Δt_max与Δn_目标(目标剂量)、以及容器容积、温度和收敛公差Δn_tol。如下文将更为明显的，Δn_tol表示在对应于容器内气体的特定起始压力的实际摩尔值与利用理想气体定律确定的值之间的可容忍差值。

一旦接收到信息，校准过程行进至子程序504以便将容器充载到步骤502中所确定的最大压力Pmax。子程序504包括在步骤506打开进气阀，在步骤508监控压力，在步骤510当P＝Pmax时关闭进气阀，以及在步骤512等待P稳定到dP/dt＝0。随后***行进至利用图5B中所示的子程序514来初始化校准表。

子程序514包括用于确定每一剂量值Δn的子程序516。子程序516包括与进行每一测量有关的以下方面。首先将开始或初始压力Pi的值记录在表中。随后在步骤520给定Δn和Pi的值并利用理想气体定律(使用公式2)计算最终压力Pf。一旦确定，则在步骤522打开排气阀，以及在步骤524监控容器内的压力。当所监控的压力等于预定的Pf值(P＝Pf)时，在步骤526关闭排气阀。随后在步骤528记录时间间隔的实际值Δt_实际。随后***在步骤530等待容器中的压力稳定(dP/dt＝0)。一旦稳定，过程行进至步骤532。随后利用Pi和Pf的实际测量值，根据理想气体定律来计算Δn的值。

随后在步骤534，***根据测量值Δt和Δn_目标以及所计算的Δn值来插值Δt_目标的值。应该理解，在该步骤，可对阀计时执行PID控制以便本地校准。在步骤536，将Δt_目标的结果值***到校准表(行＝Pi，列＝Δn_目标)中。随后在步骤538，***检查以确定是否Δt_目标＞Δt_max。如果否，则过程返回到步骤518并重复步骤518-536。如果是，则在步骤540记录Pmin值，并且过程行进至程序550的步骤552以检查校准表。

子程序550包括第一步骤552，其中***设定CONVERGE＝YES，初始表明测量和计算的值在可容忍的限度之内。接着在步骤554，将容器充载到Pmax(重复包括步骤506-510的子程序504)。随后过程继续行进通过作 为时间间隔Δt函数的剂量测量程序556。在程序期间，***在步骤558记录开始压力Pi。在步骤560从校准表检索到Δt_目标的值。随后在步骤562，根据校准表中的Pi值和压力值来插值Δt_目标的值。在步骤564，排气阀打开，并且***在步骤566等待Δt_目标的时间值。一旦提供该值，***将关闭排气阀568。随后子程序550行进至步骤570，其中***等待容器中的压力稳定到dP/dt＝0。随后在步骤572，利用理想气体定律计算和记录Δn值。在步骤574，查询收敛是否已经实现，即是否绝对值|Δn-Δn_目标|＜Δn_tol(在过程开始时在步骤502提供的值)。如果是，则***行进至下述的步骤584。如果否，没有实现收敛，则***通过设定CONVERGE＝NO来运行起始于步骤578的子程序576。在步骤580，根据所测量的值Δt和根据所测量的Δn的Δn_目标来插值Δt_目标的值。随后***在步骤582将Δt_目标的值更新或***到校准表中。随后***行进至步骤584。

随后在步骤584，***进行检查以确定是否值Δt_目标＞Δt_max或者P＜Pmin。如果否，则过程返回并重复步骤558-574(以及如果必要的话，重复步骤578-582)。如果是，则过程行进至图5D中所示的步骤590，在该步骤590中，确定对于所有感兴趣的值是否已经设定CONVERGE＝YES，即，表中的每个值是否均已收敛。如果是，已经由数据完成了校准表的填入。如果否，则***返回到步骤552(图5C)，并重复步骤552-574(如果有必要的话重复步骤578-582)以及步骤584。

应该理解，在此可应用PID或其它标准算法以执行收敛子程序。上述的方法表示图3中的第二实施例，其中***以校准模式连续操作，除非客户触发剂量过程。

压力范围、压力步长、时间范围以及时间步长可以被预编程或由用户限定，并可以通过输入数据界面116来提供。压力范围可包括例如1-20托，其中步长为0.5托。尽管时间范围和步长显然会部分取决于应用而有所不同，然而时间范围可包括例如0.1-1.5秒，其中步长为0.1秒，。

应该理解，在图5A-5D中所述和所示的查找表校准程序是本公开的脉冲气体传送***100的一个示例性实施例。可填入查找表112的部分或全部的任何过程均在本公开内容的范围内。例如，在校准循环迭代期间压力和时间两者均可以改变。由于随着每次排放压力降低，并需要花费时间来 再次充载腔室102，控制器114可连续测试各种时间间隔，直到压力落在范围之外。查找表可以存储在任何有序或无序的数据结构中。

图6是原子层沉积***600的示例性实施例的示意图。***600包括以用于容纳半导体晶片或衬底632的ALD反应器631形式的处理工具。通常而言，晶片632驻留在支撑件(或夹头)633的顶上，并且加热器634耦合至夹头以加热夹头633和晶片632而用于膜沉积。处理气体通过位于腔室631一端处的气体分配器635而引入到腔室631中。真空泵636位于相对端，以吸引气体流过晶片表面。可设置节流阀637以调节处理腔室内的压力。

可以采用将蒸汽和气体结合的各种化学气相沉积(CVD)技术，包括采用本领域内已知的技术。虽然未示出，然而也可引入作为等离子的气体。气体分配器635接收来自一个或多个摩尔传送设备(MDD)100的气体，诸如图6中所示的MDD 100a和100b。***600还包括用于将各种处理气体和吹扫用气体引入气体分配器635和处理腔室631中的多路连接器638。

所示的多路连接器638具有用于引入气体和化学物的两个入口，以及用于引入吹扫用气体的入口。在其它实施例中，多路连接器538可具有连接不同数量气源的不同数量的入口。吹扫用气体通常是诸如氮气的惰性气体。在该示例中，示出气体A和气体B与吹扫用气体结合。气体A可以属于第一种前驱体气体，而气体B可以属于第二种前驱体气体，以用于在处理腔室631中包含的半导体晶片632上进行原子层沉积。化学选择歧管(未图示)提供对用作前驱体气体A和B的化学物进行选择。每个MDD 100的排气阀102(图6中未示出)分别将前驱体气体A和B调节引入到多路连接器638中，而控制型阀644调节吹扫用气体的流动。

一旦晶片632驻留在处理腔室631内，腔室环境将达到满足所期望参数的标准。例如，半导体晶片632的温度升高以便执行原子层沉积。当要执行原子层沉积时，MDD 100b的排气阀打开以允许第一前驱体被引入到处理腔室631内。在预选的时间段之后，MDD 100b的排气阀关闭，阀644打开，并且吹扫用气体将任何剩余的反应组分从处理腔室631吹除。随后，在另一预选时间之后，阀644关闭以停止吹扫用气体，以及MDD 100a的排气阀打开以将第二前驱体引入到处理腔室631中。再次在另一预选时间 之后，MDD 100a的排气阀关闭，阀644打开，并且吹扫用气体将反应组分从处理腔室631吹除。这两种化学物A和B交替引入到载体流中以执行原子层沉积循环来将膜层沉积到半导体晶片632上。

因此，利用MDD 100a和100b的各自排气阀102来控制流入到处理腔室631内的前驱体气体的脉冲，该MDD 100a和100b的各自排气阀仅打开预定的时间段以将所期望量的前驱体气体传送到处理腔室631中。每个摩尔传送设备可被校准并如结合图1-图5中先前所描述的那样来使用。

本领域技术人员应当理解，本公开内容的包括用于控制电解的控制算法/软件/信号的实施例能够以硬件、软件、固件、或这样的任何组合以及通过一个或多个网络来实施。

虽然详细地描述了本发明的实施例，但对于本领域的技术人员而言，将容易进行各种修改和改进。旨在将这样的修改和改进落入本发明的范围内。因此，上述描述仅仅是通过示例的方式来进行，而并非旨在限制。本发明仅由以下权利要求及其等同体来限定。因此，本文所述的以及在所附权利要求中要求的实施例在各方面均应理解为是对本公开内容的说明而非限制。

Claims (28)

1.一种脉冲气体传送***，配置成传送精确且可重复剂量范围的气体，所述脉冲气体传送***包括：

具有已知容积的腔室，所述腔室构造并布置成分别在将每一剂量气体从所述腔室传送之前和之后将所述腔室内的所述气体维持于均匀温度和压力范围内的稳定压力；

进气阀，构造和布置成打开以便将气体引入到所述腔室中；

排气阀，构造和布置成在受控的时间间隔期间打开和关闭，以便在所述时间间隔期间传送所要求剂量的气体脉冲；

查找表，所述查找表包括表示各种时间间隔的数据，每一时间间隔是待从所述腔室传送的所述气体的相应剂量以及所述腔室内的所述初始稳定压力的函数；以及

控制器，所述控制器被配置以访问所述查找表，其中所述控制器用于控制所述排气阀的所述时间间隔，所述时间间隔仅作为所期望的气体剂量水平以及在每一脉冲传送之前的所述腔室中的所述气体的初始稳定压力的函数。

2.根据权利要求1所述的脉冲气体传送***，其中，所述查找表采用本地生成的数据填入。

3.根据权利要求1所述的脉冲气体传送***，其中，与剂量和初始压力相对应的所述时间间隔通过根据以下关系式来测量下述时间而确定，所述时间是所述腔室中的气体从所述排气阀打开时的初始压力转换到所述排气阀关闭时的最终压力所花费的时间，所述关系式为：

n＝k(Pi-Pf)，

其中n为摩尔剂量；

k是常数；

Pi是所述腔室内的所述初始稳定压力；

Pf是所述腔室内的所述最终稳定压力。

4.根据权利要求3所述的脉冲气体传送***，还包括压力测量子***，所述压力测量子***构造和布置成测量所述腔室中气体的所述初始稳定压力和所述最终稳定压力，其中通过在所述排气阀打开以确定所述腔室内的压力何时等于Pf的持续时间期间测量所述腔室内的压力，来针对n和Pi的每个值确定每个时间间隔的值。

5.根据权利要求3所述的脉冲气体传送***，其中，所述压力测量子***构造和布置成当在所述排气阀分别打开和关闭之前和之后所述腔室中的压力稳定时，测量所述腔室中的气体的初始压力和最终压力的每一个。

6.根据权利要求1所述的脉冲气体传送***，还包括用于将所述腔室中的所述气体维持于均匀温度的温度控制子***。

7.根据权利要求6所述的脉冲气体传送***，其中，所述温度控制子***包括加热器，所述加热器构造和布置成加热所述腔室中的所述气体，以便将所述气体维持于均匀温度。

8.根据权利要求6所述的脉冲气体传送***，其中，所述控制器包括压力测量子***，所述压力测量子***用于在排气阀打开和关闭之前和之后并且压力已经稳定时测量所述腔室中气体的初始压力和最终压力，其中数据基于所要求的剂量大小和所测量的所述初始压力而生成，并且所述最终压力根据以下关系式：n＝k(Pi-Pf)来确定，其中n为摩尔的剂量，k是常数，Pi是所述初始压力以及Pf是所述最终压力。

9.根据权利要求8所述的脉冲气体传送***，其中，所述最终压力与所测量的最终压力进行比较以便确认所述排气阀的正常操作。

10.根据权利要求6所述的脉冲气体传送***，还包括压力测量子***，所述压力测量子***构造和布置成在所述排气阀分别打开之前和之后所述腔室中的气体的初始压力和最终压力已稳定后，来测量所述腔室中气体的所述初始压力和所述最终压力。

11.根据权利要求10所述的脉冲气体传送***，其中，在所述脉冲的持续时间之后测量所述腔室中气体的所述最终压力，以确保所述排气阀的精度。

12.根据权利要求1所述的脉冲气体传送***，其中，在每一剂量的气体从所述腔室传送之后采用气体重新填充所述腔室。

13.根据权利要求1所述的脉冲气体传送***，其中，在多个剂量的气体从所述腔室传送之后采用气体重新填充所述腔室。

14.根据权利要求1所述的脉冲气体传送***，其中，当所述腔室内的压力下降到预设水平以下时采用气体重新填充所述腔室。

15.根据权利要求1所述的脉冲气体传送***，其中，所述进气阀构造和布置成打开以便只要所述排气阀关闭就采用气体填充所述腔室，以及将所述进气阀构造和布置成关闭以便维持所述腔室中的所述气体，以使得一个或多个剂量可顺序地从所述腔室中传送。

16.根据权利要求15所述的脉冲气体传送***，其中，控制器操作所述进气阀，以便当所述腔室中的气体的压力下降到预设水平以下时填充所述腔室。

17.一种***，包括：

工具，构造和布置成利用精确量的气体执行沉积工艺以将沉积层形成在工件上；以及

摩尔传送设备，所述摩尔传送设备包括：

脉冲气体传送设备，配置成将精确且可重复剂量范围的气体传送到所述工具；

具有固定容积的腔室，所述腔室构造和布置成分别在将每一剂量的气体从所述腔室传送之前和之后将所述腔室内的气体维持于均匀温度和压力范围内的稳定压力；

进气阀，构造和布置成打开以便将气体引入到所述腔室中；

排气阀，构造和布置成在受控的时间间隔期间打开和关闭以便在所述时间间隔期间传送所要求剂量的气体脉冲；

查找表，所述查找表包括表示各种时间间隔的数据，每一时间间隔是待从所述腔室传送的所述气体的相应剂量以及所述腔室内的所述初始稳定压力的函数；以及

控制器，所述控制器被配置以访问所述查找表，其中所述控制器用于控制所述排气阀的时间间隔，所述时间间隔仅作为所期望的气体剂量水平以及在每一脉冲传送之前的所述腔室中的所述气体的初始稳定压力的函数。

18.根据权利要求17所述的***，其中，所述***是原子层沉积***。

19.根据权利要求18所述的***，还包括至少两个摩尔传送设备，每一摩尔传送设备配置成交替地传送两种前驱体气体的计量数量的脉冲。

20.根据权利要求17所述的***，其中，所述查找表采用本地生成的数据填入。

21.根据权利要求17所述的***，其中，与剂量和初始压力相对应的所述时间间隔通过根据以下关系式来测量下述时间而确定，所述时间是所述腔室中的所述气体从所述排气阀打开时的初始压力转换到所述排气阀关闭时的最终压力所花费的时间，所述关系式为：

n＝k(Pi-Pf)，

其中n为摩尔剂量；

k是常数；

Pi是所述腔室内的所述初始稳定压力；

Pf是所述腔室内的所述最终稳定压力。

22.根据权利要求17所述的***，其中，在每一剂量的气体从所述腔室传送之后采用气体重新填充所述腔室。

23.根据权利要求17所述的***，其中，在多个剂量的气体从所述腔室传送之后采用气体重新填充所述腔室。

24.根据权利要求17所述的***，其中，当所述腔室内的压力下降到预设水平以下时采用气体重新填充所述腔室。

25.根据权利要求17所述的***，其中，所述进气阀构造和布置成打开以便只要所述排气阀关闭就采用气体填充所述腔室，以及将所述进气阀构造和布置成关闭以便维持所述腔室中的所述气体，以使得一个或多个剂量可顺序地从所述腔室传送。

26.根据权利要求25所述的***，其中，控制器操作所述进气阀，以便当所述腔室中的所述气体的压力下降到预设水平以下时填充所述腔室。

27.一种校准摩尔传送***的方法，所述摩尔传送***配置和布置成将具有已知容积的腔室中的气体维持于均匀温度和压力范围内的稳定压力，并且由控制器控制排气阀，以便传送气体脉冲，所述方法包括：

通过生成并存储校准数据来校准所述***，对于待由所述摩尔传送***传送的气体的多个不同期望的剂量中的每一个，所述校准数据表示用于从传送所述期望的剂量所需的所述***传送的每一气体脉冲的持续时间，所述持续时间仅作为在所述气体脉冲传送之前的所述腔室中所述气体的初始稳定压力的函数。

28.一种脉冲气体传送***，包括：

具有已知容积的腔室；

进气阀，配置成控制气体流入到所述腔室中；

排气阀，配置成控制气体流出所述腔室；

压力变换器，配置和布置成生成作为所述腔室内的压力的函数的数据；

包括温度传感器的加热***，用于将所述腔室内的气体的温度维持于均匀温度；以及

控制器，连接到所述进气阀和所述排气阀、所述压力传感器、以及所述加热***，并且配置成生成用于查找表的数据，所述数据表示所述排气阀需要打开的持续时间，所述持续时间仅为在所述腔室内的待传送的所期望的剂量和所述气体的初始压力的函数。