CN107452651A - 用于固体和液体前体的蒸汽输送方法和装置 - Google Patents

用于固体和液体前体的蒸汽输送方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于固体和液体前体的蒸汽输送方法和装置。提供汽化器***，其使得能够快速改变汽化的反应物的流速，同时使得汽化的反应物和载气的总流速保持恒定。

Description

用于固体和液体前体的蒸汽输送方法和装置
技术领域
本发明涉及用于半导体处理的装置和方法，更具体地涉及用于固体和液体前体的蒸汽输送方法和装置。
背景技术
在半导体处理操作期间，一种或多种反应物(本文也称为“前体”)可以分布在半导体晶片上，以进行蚀刻、沉积、清洁或其它操作。在一些这样的半导体操作中，一种或多种反应物可以以汽化形式提供，其在流过半导体晶片之前悬浮在载气中，载气例如可能是相对于其它反应物用途是化学惰性的气体。
这里讨论的是提供这种汽化的反应物的方法和装置。
发明内容
在附图和下面的描述中阐述了本说明书中描述的主题的一个或多个实施方案的细节。根据描述、附图和权利要求，其他特征、方面和优点将变得显而易见。
在一些实施方案中，提供了一种用于向半导体处理工具的部件供应蒸汽的装置。所述装置可以包括：第一安瓿，其被配置成在所述第一安瓿的第一内部体积内接收第一量的反应物；第一载气入口，其与所述第一内部体积流体连通；第一蒸汽出口，其也与所述第一内部体积流体连通；第一声速流限流器；以及第一稀释气体入口，其与所述第一蒸汽出口流体连通。在这样的实施方案中，所述第一声速流限流器可以设置在所述第一载气入口和所述第一安瓿的下游，并且所述第一稀释气体入口可以在所述第一安瓿和所述第一声速流限流器之间的位置与所述第一蒸汽出口连接。
在一些这样的实施方案中，所述第一量的反应物可以处于固相，而在其它这样的实施方式中，所述第一量的反应物可以处于液相。
在一些另外的实施方案中，所述第一声速流限流器的尺寸可以被设定为使得在所述半导体处理工具的正常操作条件期间流过所述第一声速流限流器的载气和蒸汽经历壅塞流。
在一些另外的实施方案中，所述装置还可以包括：第一载气流量控制器，其被配置为控制流过所述第一载气入口的载气的量；第一稀释气体流量控制器，其被配置为控制流过所述第一稀释气体入口的稀释气体的量；以及控制器。所述控制器可以包括一个或多个处理器和存储器。所述一个或多个处理器可以与所述存储器、所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器通信地连接，并且所述存储器可以存储用于控制所述一个或多个处理器以使所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器维持恒定的组合流速的计算机可执行指令。
在一些另外的实施方案中，所述装置还可以包括位于所述第一安瓿和所述第一声速流限流器之间的压力传感器，并且所述存储器还存储用于控制所述一个或多个处理器的指令，以当所述压力传感器指示载气流、稀释气体流和来自所述第一量的反应物的任何汽化的反应物的组合压力低于第一阈值时，控制所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器以增大载气与稀释气体的比例，同时保持所述载气和所述稀释气体的总流量组合流速恒定，并且当所述压力传感器指示载气流、稀释气体流和来自所述第一量的反应物的任何汽化的反应物的组合压力高于第二阈值时，控制所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器以减小载气与稀释气体的所述比例，同时保持所述载气和所述稀释气体的总流量组合流速恒定。
在一些实施方案中，所述装置还可以包括在所述内部体积内的所述第一量的所述反应物。
在一些实施方案中，所述反应物可以是选自由五氯化钨和六氯化钨构成的组中的固相反应物。
在一些实施方案中，所述装置还可以包括设置在所述第一安瓿的上游、在所述第一载气入口上的第一载气入口质量流量控制器。
在一些实施方案中，所述装置还可以包括位于所述第一安瓿和所述第一声速流限流器之间的压力传感器，以及控制器，所述控制器包括存储器和一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述压力传感器、所述第一载气入口质量流量控制器和所述存储器通信地耦合，所述存储器存储用于控制所述一个或多个处理器以从所述压力传感器接收压力数据并响应于所述压力数据中的变化来调节流向所述第一安瓿的所述载气流的指令。
在一些这样的实施方案中，所述存储器可以进一步存储用于控制一个或多个处理器的指令，以：在第一时间段期间，当所述第一安瓿不含任何反应物时或当所述第一安瓿中的任何反应物都不在蒸发时，从所述压力传感器获取压力测量值，所述压力传感器与来自所述载气入口的载气、来自所述稀释气体入口的稀释气体或来自所述载气入口的载气和来自所述稀释气体入口的稀释气体的特定流动相关联；在第二时间段期间，当所述第一安瓿包所述含所述第一量的反应物时，从所述压力传感器获取压力测量值，所述压力传感器与来自所述载气入口的载气、来自所述稀释气体入口的稀释气体或来自所述载气入口的载气和来自所述稀释气体入口的稀释气体的相同的所述特定流动相关联；以及至少部分地基于在所述第一时间段期间获得的所述压力测量值和在所述第二时间段期间获得的所述压力测量值之间的差值来确定在所述第二时间段期间流过所述第一声速流限流器的汽化的反应物的量。
在所述装置的一些实施方式中，所述装置还可以包括用于控制所述第一安瓿中的温度的温度控制***，并且所述存储器还存储用于控制所述一个或多个处理器的指令，以：当所述压力测量值的所述差值低于第一目标量时，控制所述温度控制***以增加所述第一安瓿中的所述温度，并且当所述压力测量值的所述差值增加到高于第二目标量时，控制所述温度控制***以降低所述第一安瓿中的所述温度。
在一些实施方案中，所述装置还可以包括载气源，所述载气源与所述第一载气入口连接并且被配置为向所述第一安瓿供应载气。
在一些实施方案中，所述装置还可以包括稀释气体源，所述稀释气体源与所述第一稀释气体入口连接并且被配置为向所述第一安瓿供应稀释气体。在一些这样的实施方案中，所述稀释气体和所述载气可以是相同的气体。在一些另外的这样的实施方案中，所述稀释气体源和所述载气源可以是相同的气体源。
在一些实施方案中，所述装置还可以包括第一真空出口，所述第一真空出口可以连接在所述第一安瓿下游并在所述第一声速流限流器上游的所述第一蒸汽出口。
在一些实施方案中，所述装置还可以包括：第二安瓿，其被配置为在所述第二安瓿的第二内部体积内接收第二量的反应物；第二载气入口，其与所述第二内部体积流体连通；第二蒸汽出口，其也与所述第二内部体积流体连通；第二声速流限流器；和第二稀释气体入口，其与所述第二蒸汽出口流体连通。在这样的实施方案中，所述第二声速流限流器可以设置在所述第二载气入口和所述第二安瓿的下游，并且所述第二稀释气体入口可以在所述第二安瓿和所述第二声速流限流器之间的位置与所述第二蒸汽出口连接。
在一些另外的这样的实施方案中，所述第一蒸汽出口和所述第二蒸汽出口可以分别连接到所述第一声速流限流器和所述第二声速流限流器的下游的公共蒸汽出口。
在一些另外的或替代的这样的实施方案中，所述第一载气入口和所述第二载气入口可以从所述第一安瓿和所述第二安瓿的上游的公共载气入口分歧。
在一些实施方案中，所述第一稀释气体入口和所述第二稀释气体入口可以从所述第一蒸汽出口和所述第二蒸汽出口的上游的公共稀释气体入口分歧。在一些进一步的这种实施方式中，所述装置还可以包括位于所述公共稀释气体入口上的稀释气体质量流量控制器。
在一些实施方案中，所述装置可以包括蒸汽积聚器储存器和多个半导体处理站。在这样的实施方案中，每个半导体处理站可以包括微体积，所述蒸汽积聚器储存器具有至少与所述半导体处理站的数量乘以微体积一样大的蒸汽积聚体积，所述蒸汽积聚器储存器可以被配置成将蒸汽从所述第一蒸汽出口供应到每个半导体处理站，所述第一蒸汽出口可以排空到(empty into)所述第一声速流限流器下游的所述蒸汽积聚器储存器中，并且所述蒸汽积聚器储存器可以位于所述第一声速流限流器的下游。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种用于向半导体处理工具的部件供应蒸汽的装置，所述装置包括：
第一安瓿，其被配置成在所述第一安瓿的第一内部体积内接收第一量的反应物；
第一载气入口，其与所述第一内部体积流体连通；
第一蒸汽出口，其也与所述第一内部体积流体连通；
第一声速流限流器；以及
第一稀释气体入口，其与所述第一蒸汽出口流体连通，其中：
所述第一声速流限流器被设置在所述第一载气入口和所述第一安瓿的下游，并且
所述第一稀释气体入口在所述第一安瓿和所述第一声速流限流器之间的位置与所述第一蒸汽出口连接。
2.根据条款1所述的装置，其中所述第一量的反应物处于固相。
3.根据条款1所述的装置，其中所述第一量的反应物处于液相。
4.根据条款1所述的装置，其中所述第一声速流限流器的尺寸设定为使得在所述半导体处理工具的正常操作条件期间流过所述第一声速流限流器的载气和蒸汽经历壅塞流。
5.根据条款1所述的装置，其还包括：
第一载气流量控制器，其被配置为控制流过所述第一载气入口的载气的量；
第一稀释气体流量控制器，其被配置为控制流过所述第一稀释气体入口的稀释气体的量；以及
控制器，所述控制器包括：
一个或多个处理器；和
存储器，其中：
所述一个或多个处理器与所述存储器、所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器通信地连接，并且
所述存储器存储用于控制所述一个或多个处理器以使所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器维持恒定的组合流速的计算机可执行指令。
6.根据条款5所述的装置，其还包括位于所述第一安瓿和所述第一声速流限流器之间的压力传感器，其中，所述存储器还存储用于控制所述一个或多个处理器的指令，以：
当所述压力传感器指示载气流、稀释气体流和来自所述第一量的反应物的任何汽化的反应物的组合压力低于第一阈值时，控制所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器以增大载气与稀释气体的比例，同时保持所述载气和所述稀释气体的总流量组合流速恒定，并且
当所述压力传感器指示载气流、稀释气体流和来自所述第一量的反应物的任何汽化的反应物的组合压力高于第二阈值时，控制所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器以减小载气与稀释气体的所述比例，同时保持所述载气和所述稀释气体的总流量组合流速恒定。
7.根据条款1所述的装置，其还包括所述第一量的所述反应物，其中所述第一量的所述反应物位于所述内部体积内。
8.根据条款7所述的装置，其中所述反应物是选自由五氯化钨和六氯化钨构成的组中的固相反应物。
9.根据条款1所述的装置，其还包括第一载气入口质量流量控制器，其中所述第一载气入口质量流量控制器设置在所述第一安瓿的上游，在所述第一载气入口上。
10.根据条款9所述的装置，其还包括：
位于所述第一安瓿和所述第一声速流限流器之间的压力传感器，以及
控制器，其包括存储器和一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述压力传感器、所述第一载气入口质量流量控制器和所述存储器通信地耦合，所述存储器存储用于控制所述一个或多个处理器以从所述压力传感器接收压力数据并响应于所述压力数据中的变化来调节流向所述第一安瓿的所述载气流的指令。
11.根据条款10所述的装置，其中所述存储器还存储用于控制所述一个或多个处理器的指令，以：
在第一时间段期间，当所述第一安瓿不含任何反应物时或当所述第一安瓿中的任何反应物都不在蒸发时，从所述压力传感器获取压力测量值，所述压力传感器与来自所述载气入口的载气、来自所述稀释气体入口的稀释气体或来自所述载气入口的载气和来自所述稀释气体入口的稀释气体的特定流动相关联，
在第二时间段期间，当所述第一安瓿包所述含所述第一量的反应物时，从所述压力传感器获取压力测量值，所述压力传感器与来自所述载气入口的载气、来自所述稀释气体入口的稀释气体或来自所述载气入口的载气和来自所述稀释气体入口的稀释气体的相同的所述特定流动相关联，以及
至少部分地基于在所述第一时间段期间获得的所述压力测量值和在所述第二时间段期间获得的所述压力测量值之间的差值来确定在所述第二时间段期间流过所述第一声速流限流器的汽化的反应物的量。
12.根据条款11所述的装置，其还包括用于控制所述第一安瓿中的温度的温度控制***，其中所述存储器还用于控制所述一个或多个处理器的指令，以：
当所述压力测量值的所述差值低于第一目标量时，控制所述温度控制***以增加所述第一安瓿中的所述温度，以及
当所述压力测量值的所述差值增加到高于第二目标量时，控制所述温度控制***以降低所述第一安瓿中的所述温度。
13.根据条款1所述的装置，其还包括载气源，其中所述载气源与所述第一载气入口连接并且被配置为向所述第一安瓿供应载气。
14.根据条款13所述的装置，其还包括稀释气体源，其中所述稀释气体源与所述第一稀释气体入口连接并且被配置为向所述第一安瓿供应稀释气体。
15.根据条款14所述的装置，其中所述稀释气体和所述载气是相同的气体。
16.根据条款15所述的装置，其中所述稀释气体源和所述载气源是相同的。
17.根据条款13所述的装置，其还包括第一真空出口，所述第一真空出口连接在所述第一安瓿下游并在所述第一声速流限流器上游的所述第一蒸汽出口。
18.根据条款1所述的装置，其还包括：
第二安瓿，其被配置为在所述第二安瓿的第二内部体积内接收第二量的反应物；
第二载气入口，其与所述第二内部体积流体连通；
第二蒸汽出口，其也与所述第二内部体积流体连通；
第二声速流限流器；和
第二稀释气体入口，其与所述第二蒸汽出口流体连通，其中：
所述第二声速流限流器设置在所述第二载气入口和所述第二安瓿的下游，并且
所述第二稀释气体入口在所述第二安瓿和所述第二声速流限流器之间的位置与所述第二蒸汽出口连接。
19.根据条款18所述的装置，其中所述第一蒸汽出口和所述第二蒸汽出口分别连接到所述第一声速流限流器和所述第二声速流限流器的下游的公共蒸汽出口。
20.根据条款18所述的装置，其中所述第一载气入口和所述第二载气入口从所述第一安瓿和所述第二安瓿的上游的公共载气入口分歧。
21.根据条款18所述的装置，其中所述第一稀释气体入口和所述第二稀释气体入口从所述第一蒸汽出口和所述第二蒸汽出口的上游的公共稀释气体入口分歧。
22.根据条款21所述的装置，其还包括位于所述公共稀释气体入口上的稀释气体质量流量控制器。
23.根据条款1所述的装置，其还包括：
蒸汽积聚器储存器；和
多个半导体处理站，其中：
每个半导体处理站包括微体积，
所述蒸汽积聚器储存器具有至少与所述半导体处理站的数量乘以所述微体积一样大的蒸汽积聚体积，
所述蒸汽积聚器储存器被配置成将蒸汽从所述第一蒸汽出口供应到每个半导体处理站，
所述第一蒸汽出口排空到所述第一声速流限流器下游的所述蒸汽积聚器储存器中，并且
所述蒸汽积聚器储存器位于所述第一声速流限流器的下游。
附图说明
附图是说明性的，并且本文讨论的构思不仅限于所描绘的实施方案。
图1描绘了固体反应物汽化器的高阶示意图。
图2描绘了包含蒸汽积聚器储存器的半导体处理工具的高阶示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对所呈现的构思的透彻理解。所呈现的构思可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践。在其他情况下，没有详细描述公知的处理操作，以免不必要地模糊所述构思。虽然将结合具体实施方式描述一些构思，但是应当理解，这些实施方式不旨在是限制性的。
这里描述并示出了许多构思和实施方案。尽管已经描述并示出了本文讨论的实施方案的某些特征、属性和优点，但是应当理解，根据描述和附图，许多其它特征、属性和优点以及本公开的不同和/或相似的实施方案、特征、属性和优点是显而易见的。因此，以下实施方案仅仅是示例性的。它们并不是穷尽性的，或将公开内容限制为所公开的精确形式、技术、材料和/或配置。根据本公开，许多修改和变化是可能的。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施方案并且可以进行操作改变。因此，本公开的范围不仅仅限于下面的描述，因为为了说明和描述的目的已经呈现了以下实施方案的描述。
本公开既不限于任何单个方面或实施方案，也不限于这些方面和/或实施方案的任何单一组合和/或排列。此外，本公开的每个方面和/或其实施方案方式可以单独使用或与其他方面和/或其实施方案中的一个或多个组合使用。为了简洁起见，这些排列和组合中的许多不会在本文中单独讨论和/或示出。
本公开涉及汽化器***和技术，并且可能使用术语“下游”和“上游”来指部件相对于在***的正常操作期间与这些部件相关联的气流的方向的相对定位。例如，当在正常操作期间气体流过两个部件时，“上游”部件将在“下游”部件之前接收该气体，反之亦然。
本文公开了用于产生用于输送到一个或多个半导体处理室的汽化的前体或反应物的方法和装置。本文公开的构思可以特别适用于诸如ALD或ALE工艺之类的循环的多相半导体处理操作，并且还可以非常适合用于多站半导体处理工具，即其中多个半导体晶片可以在相同的室中同时处理或在共享一个或多个工具子***(例如，控制器，气体分配***，真空泵送***等)的分开的室中同时处理。若需要，本文公开的构思也可以在其中不涉及循环的多相半导体处理操作的方案中实现和/或在单站半导体处理工具中实现。
作为本发明人开发新的半导体处理工具的工作的一部分，本发明人开发了一种新型的汽化器***。在这种汽化器***中，固体反应物或前体可以放置在室或容器(这里称为“安瓿”)中。安瓿可以由与汽化的反应物化学相容的任何合适的材料制成，例如不锈钢安瓿可与五氯化钨或六氯化钨一起使用。可以将安瓿加热至期望的温度，并且在该温度下可以使载气流过安瓿，以便保持来自汽化器的所需蒸汽流速。因此，汽化的反应物可能被夹带在载气流中并流出安瓿。除了安瓿之外，本发明人还确定在安瓿下游添加两个部件—声速流限流器(sonic flow restrictor)和稀释气体入口(但是在从汽化器***输送蒸汽/载气混合物之前)是有益的。稀释气体入口设置在声速流限流器的上游。
应当理解，虽然相对于固体反应物或前体讨论了本文所述的汽化器构思，但是也可以实施相同的汽化器构思以与液相反应物或前体一起使用。在这种实施方案中，载气可以从安瓿的浸没在液相反应物或前体中的一个或多个端口引入，使得载气向上冒泡通过液体反应物或前体。这提供了载气和反应物之间较大的表面积接触，从而增加了液相反应物或前体的蒸发速率。在固体反应物汽化器***中，固体反应物可以以多个小块的形式提供，其被支撑在安瓿内的托盘或架上，以增加与载气接触的表面积的量；载气可以流过托盘/架以及位于这样的托盘/架上的固体反应物。还应当理解，为了简单和可读性，本文中使用的术语“汽化”或“蒸发”是指从液态到气态的转变以及从固态到气态的转变(这在技术上可以称为“升华”)。例如，如果物质处于固相状态，则将提到的物质的“蒸汽压”理解为等于该物质的“升华压力”。
声速流限流器的尺寸可以被设置为使得在正常操作使用期间汽化器***预期的所有流速(即在要使用蒸汽的半导体处理操作期间发生的流速)下，通过声速流限流器的流动是壅塞流(choked flow)，即声速流(sonic flow)。在一些实施方案中，声速流限流器的尺寸实际上可能大于如上所述的尺寸，即，使得在正常操作使用期间汽化器***预期的所有流速下，通过声速流限流器的流动可能不是壅塞流，但是可以是马赫数低至0.7的流动，其在某些情况下可能仍然提供与下游压力波动的充分隔离。这将汽化器***与声速流限流器下游的潜在压力波动隔离。例如，在其中间歇地提供蒸汽/载气流的半导体处理工具中，基于蒸汽/载气正被提供给半导体处理室(导致在声速流限流器的下游的压力降低)或没有正被提供给任何半导体处理室(导致声速流限流器的下游压力增加)，可能存在时变的压力增加和减少。通过在安瓿下游设置声速流限流器，可以防止可能在声速流限流器下游发生的压力波动影响安瓿中的压力环境。稀释气体入口可以用于将附加的载气添加到来自安瓿的载气/蒸汽流中，从而提供一种机制，由此通过声速流限流器的总流量和安瓿压力两者都可以保持恒定，从而确保来自汽化器***的汽化的前体的恒定流速。稀释气体源和载气源提供相同类型的气体，并且在一些实施方案中，实际上可以由相同的公共气体源(例如设备气体源)提供。载体和稀释气体可以例如是任何合适的化学惰性气体，例如氩气、氮气、氖气或氦气。
图1描绘了根据本文讨论的构思的汽化器***的示例。汽化器***100可以包括安瓿102，安瓿102具有包含固相反应物104(例如六氯化钨、五氯化碳或各种其它固体反应物中的任何一种)的内部体积。可以使用例如加热套或其他热源(未示出)将安瓿102加热至所需温度，例如150℃。来自载气源106的载气(例如相对于至少反应物在化学上惰性的气体)可以流过载气入口108。载气源106可以例如是将这种载气提供给多个汽化器以及半导体处理设备的多个其他部件的设备气体源。载气通过载气入口108的流动可以例如通过质量流量控制器(MFC)128或其它合适的流量控制装置来调节。
可选的载气入口限流器126可以放置在MFC 128和安瓿102之间，载气入口限流器126的尺寸可以设置成使得在所有的通常在使用汽化器***100进行正常的半导体处理操作期间经历的载气流条件期间在载气入口限流器处存在壅塞流或声速流。载气入口限流器126处的壅塞流可以用于防止来自安瓿102的汽化的反应物进入MFC 128或载气源106，其中汽化的反应物可能损坏这些组件。如果气体/蒸汽混合物的温度降低到低于蒸汽在汽化器内的局部压力条件下的冷凝温度，则汽化的反应物和与其混合的载气可冷凝；此外，在汽化器的下游，汽化的反应物/载气混合物的压力可能会降低，这可能导致混合物的冷凝温度也降低。因此，可以加热载气入口108以防止迁移到安瓿102上游的任何汽化的反应物的冷凝。载气入口限流器126可以用作反应物迁移屏障，有效地防止汽化的反应物经过载气入口限流器126回流。这可以使得载气入口108能够在载气入口限流器126的上游保持不加热，因为在这些区域中没有反应物冷凝的危险。
引入到安瓿102中的载气可以从固体反应物104接收汽化的反应物。可以保持来自载气源106的载气的流速和压力，使得有利于存在于安瓿中的固体反应物104(在安瓿温度下)汽化的压力，即，使得在存在于安瓿102中的局部温度条件下汽化的反应物的分压保持在反应物的蒸汽压下。例如，如果目标气体摩尔比为98.5％载气/1.5％汽化的反应物，并且汽化的反应物的蒸汽压约为1托，则安瓿中载气/汽化的反应物混合物的总压强可保持在大约66托下，以将汽化的反应物的分压保持在蒸汽压下。载气/蒸汽混合物然后可以经由蒸汽出口130离开安瓿102，蒸汽出口130可以与安瓿102下游的声速流限流器110连接。T形接头112或其它入口可以使得能够从稀释载气源114将附加的载气引入载气/蒸汽流中，从而进一步稀释汽化的反应物。
如前所述，声速流限流器110可以用作气压隔离器，即，其尺寸可被设定为在汽化器***100的所有正常操作条件期间保持壅塞流或声速流，使得声速流限流器110下游的压力波动不影响声速流限流器110上游的压力。例如，对于观察到在大约165℃的温度下的大约200标准立方厘米每分钟(sccm)的总载气流速的汽化器，这种声速流限流器110可以具有直径为大约0.03英寸(例如0.033英寸)的最小孔口。在这种条件下，安瓿压力通常与通过声速流限流器110的载气和蒸汽的总流量成比例。然而，随着安瓿压力的上升，固体反应物的汽化速率降低，结果是无论载气流速如何，蒸汽的净流速保持相对恒定，使得蒸汽流速的调节非常困难。
本发明人认识到，通过包括稀释气体引入点或入口(例如T形接头112)可以使得附加的载气能够被引入到在安瓿102下游并且在声速流限流器110上游的蒸汽流动路径中，可以通过大范围的蒸汽流速容易且快速地调节蒸汽的流速。通过在安瓿下游设置稀释气体引入点，汽化器***100允许载气的总流量在两个流之间分配，一个通过安瓿102，另一个绕过安瓿102。可以例如使用载气MFC 128和稀释气体MFC 116来调节两种载气的流速，以确保两种载气流总体上保持恒定的组合载气流速。如将会看到的，这允许蒸汽输送速率在可操作的蒸汽输送速率的范围内快速设定到任何期望值，同时在安瓿102中保持恒定的压力和温度，从而确保稳定的汽化速率。
在一些实施方案中，压力传感器134可以被配置为监测在声速流限流器110和安瓿102之间的管线内的压力。来自载气源106的载气和来自稀释气体源114的稀释气体可以以(例如由MFC 128和116设定的)不同的特定总流量流过声速流限流器110，并且可以作为校准操作的一部分对每个特定流动条件进行压力测量。在利用安瓿102中的实际前体的随后操作期间(在校准期间，前体将不存在)，可以监测压力传感器134处的压力，并且通过在给定流动条件下加入蒸发的前体而引起的任何压力增加可以通过参考当前压力并将其与相同载体和稀释气体流条件的校准压力进行比较来确定。超过校准压力的压力增加的量与载体/稀释气体流中蒸发的前体的量成正比。因此，来自压力传感器134的压力可用于监测流过声速流限流器110的前体的量。诸如以下进一步描述的控制器可以被配置为监测压力传感器的输出，并且在正常使用期间便于这种校准过程以及载气/稀释气体/前体气体流的原位压力监测。
在一些实施方案中，控制器还可以与被配置为监测安瓿温度的温度传感器通信地连接，并且控制器还可能导致来自稀释气体源114和载气源106的流动被改变，同时保持通过声速流限流器110的相同的总的组合气流，以补偿安瓿温度或前体蒸发速率的变化(如下所述，即使压力/温度条件保持恒定，前体蒸发速率也可能改变)。在一些这样的实施方案中，可以不监测安瓿的温度，并且可以通过改变载气/稀释气体流量比来补偿由于温度变化引起的前体流动的变化，以维持恒定的前体流速(从而允许温度补偿，而无需直接测量安瓿温度)。在一些实施方案中，控制器还可以被配置为例如通过控制被配置成调节安瓿102的温度的加热器或其他温度控制***来使得安瓿温度改变，以控制压力，使得前体浓度保持恒定。例如，如果流过声速流限流器110的气体中存在的前体的量开始增加超过期望的目标量或流速，则可以降低安瓿102的温度以向下调节蒸发速率并保持所需的前体流速。相反，如果流过声速流限流器110的气体中存在的前体的量开始降低到期望目标量或流速以下，则可以升高安瓿102的温度以向上调节蒸发速率并保持所需的前体流速。一般而言，与改变安瓿温度相比，可以非常快地调节载气和稀释气体的质量流量，因此在某些情况下可能优选控制压力以改变前体流速的量。
这种压力调节控制可以是有用的，因为安瓿102中的前体被用尽，例如固体前体的暴露的表面积在固体前体蒸发时收缩。当固体前体的暴露的表面积收缩时，蒸发的前体的量也会减少(假设压力和温度保持恒定)。因此，为了保持通过声速流限流器110的相同的前体浓度，控制器可能导致温度或载气流速改变以补偿改变的固体前体的表面积。例如，如果前体在声速流限流器110处的量低于通过声速流限流器110的给定流速所需的值时，则可以增加载气流的量，以便增加气流中前体的量，而同时使稀释气体流的量减少对应于增加的载气流的量。如果在声速流限流器110处的前体的量高于通过声速流限流器的给定流速所需的前体量，则可以降低载气流的量，以减少气流中的前体的量(对应增加稀释气体流的量，以便保持通过声速流限流器110的相同的载气+稀释气体流的总量)。如果由压力传感器134测量的压力与载气和稀释气体的组合流速的校准压力加上额外量的压力相匹配，则控制器可以确定正在发生前体气体流的正确的量，所述额外量的压力与当将所需量或所需流量的前体气体与已知量的载体/稀释气体混合时可预期的压力增加相匹配。
蒸汽输送或流速可以根据以下等式确定：
其中flowvapor＝流出蒸汽出口的汽化的反应物的流速，pvapor＝固体反应物的蒸汽压(在给定的安瓿温度下)，pampoule＝安瓿内的压力，flowcarrier＝载体通过安瓿的流速。因此，如果安瓿压力和温度保持恒定，则蒸汽流速与载气的流速成正比。通过将流过声速流限流器110的总载气流在安瓿102和稀释气体入口/T形接头112之间分开，流过安瓿的载气的量可以调节为在零和流过声速流限流器110的最大总载气流量之间的任何值。稀释气体流量可以构成最大总载气流量的剩余部分，即，从介于最大总载气流量(当安瓿不接收载气流量时)和零(当安瓿接收到最大可允许的载气流量时)之间的任何值的范围内变动。因为流过声速流限流器的载气和蒸汽的总量可以这样保持恒定，所以安瓿中的压力也可以保持在恒定的水平，从而使得蒸汽流直接依赖于流过安瓿102的载气和流过T形接头112的载气的比。可以通过使用质量流量控制器(例如稀释气体MFC 116和载气MFC 128)或其它合适的针对每个气流的气流控制器来控制这种载气和稀释气体流量比。气体流量控制器可以由例如具有一个或多个处理器和存储器的控制器来控制；存储器可以存储用于控制气体流量控制器的计算机可执行指令，使得在蒸汽输送期间分别通过载气入口和稀释气体入口的载气和稀释气体的总组合流量保持恒定。
可以可选地添加到汽化器***101的另外的子***是包括通过排放管线120(也在本文中称为真空出口)连接到蒸汽出口130的真空泵124(或合适的真空源)的排放***。排放管线120可以通过三通阀118与蒸汽出口130连接，该三通阀118可以打开以允许蒸汽出口130中的蒸汽/载气混合物被吸入排放管线120。排放***可用于从安瓿中除去不需要的蒸汽，或者清除其他不需要的气体。在一些实施方案中，排放***可以用作转向或分流***，以允许汽化器在稳定状态下继续运行，而不通过声速流限流器110将汽化的反应物或载气提供给处理室；这样的蒸汽/载气混合物将替代地通过三通阀118转移到排放管线120并从***排出。排放管线120可以可选地包括排气声速流限流器，其用于匹配由声速流限流器110提供的流量限制。这使得能够将通过蒸汽出口130/声速流限流器110和排放管线120/排气声速流限流器122的流量阻抗保持相同，从而减少在两个流动路径之间切换时的稳定时间。
上述汽化器***可以以包括多个并列布置的汽化器***的组合配置来实现。用于每个汽化器***的载气入口管线可以单独提供有载气，或者可以共同地从公共管线或公共载气入口提供。每个汽化器***的载气入口可以由载气MFC(与可选的载气入口限流器，例如载气入口限流器126)或通过单个公共MFC分开控制。在其中单个MFC控制流向多个安瓿的载气流的后一种情况下，通向载气入口的载气管线(或载气入口本身)可各自配备有相同的流动限制或其他孔口，以确保均匀地将计量的载气流从MFC分配到每个安瓿。相应地，用于每个汽化器***的稀释气体可以由公共的稀释气体源或分开的稀释气体源提供，由位于行进到汽化器***的每个稀释气体管线上的稀释气体MFC控制，或者在一些实施方案中由位于所有汽化器***的上游(例如，在后来分支到每个离散的稀释气体入口的公共的稀释气体入口上)的一个稀释气体MFC控制。类似地，这样的汽化器***的蒸汽出口也可以在将汽化的反应物输送到最终目的地之前(例如在输送到处理室或蒸汽积聚器或输送到可将蒸汽分配到多个处理室或站的歧管之前)在它们各自的声速流限流器下游例如在公共蒸气出口中连接在一起。这种组合配置不仅可以例如大大增加与仅一个这样的汽化器相比可以实现的蒸汽流速的潜在范围，而且可以允许保持一个或多个汽化器***处于备用。当活动汽化器***必须离线(例如用于修复或前体/反应物再填充)时，可以使备用汽化器***在线，从而允许进行这种维护而不会影响汽化器***提供用于正在半导体处理工具上进行的处理的蒸汽的能力。这避免了半导体处理工具的潜在停机时间。
上述汽化器***可以用于各种不同的半导体处理工具，包括例如原子层沉积工具。在原子层沉积中，短时间，例如在持续时间为1秒或更短的量级上，反应物的脉冲被一连串地输送到半导体晶片。这种脉冲通常将引起用于提供这种反应物的汽化器中的上游压力扰动—然而上述***中的声速流限流器可以防止这种扰动到达汽化器***。这样的工具还可以包括多个处理站，其可以在不同时间具有不同数量的加载在其中的晶片，从而在不同时间需要不同的汽化的反应物的总量(如果加载4个晶片而不是2个晶片，则需要两倍的汽化的反应物流)。可能快速被导致改变输送的蒸汽总量的上述汽化器***可能理想地适用于这种情况，因为它们使得能够仅通过改变载气流量与稀释气体流量的比例来容易且快速地改变蒸汽输送速率—为了实现这种蒸汽流变化，在汽化器***中不需要温度或压力变化(这两者都是耗时的)。
图2描绘了一种半导体处理工具的高阶示意图，该工具包括如上所述的汽化器***的组合集合。图2的半导体处理工具是多站ALD型工具。在图2中，示出了两个半导体处理室(在本文中也可能称为“反应器”、“反应室”或“处理室”)250，可以表示不同处理站的每个处理室250可以包括在半导体处理操作期间支撑半导体晶片253的基座251。基座251可以在多个垂直高度之间移动，以便于加载/卸载或处理半导体晶片253；最右处理室250中的基座251处于降低位置，而最左处理室250中的基座251处于升高位置。
每个处理室250可以包括室盖239，室盖239可以包括跨半导体晶片253分配工艺气体的多个气体分配通道。在该示例中，每个室盖239包括两组单独的气体分配通道，每一组用于分配不同的前体气体。这可以防止一种前体与另一种前体的残余物混合(如果两个前体都要流过相同的通道则会发生)，这种混合可能导致化学反应发生在半导体晶片253以外的位置，这可能是不期望的。在一些实施方案中，气体分配通道可以是与室盖239分开的结构；应当理解，本文所述的构思可以与室盖239或气体分配器中的任何一种一起使用。
在诸如ALD或ALE处理工具之类的***中，在半导体处理操作期间可以在处理室内形成“微体积”252。当基座251处于晶片处理所需的位置时，微体积252形成在基座251和室盖239/气体分配器之间；室盖239或气体分配器也可以具有围绕基座251的外周向下延伸的环形壁，从而限定微体积的圆周边界。微体积在体积上小于处理室250的总体积，从而允许使用较少量的前体，这允许较快的剂量输送、较快的清洗、较少的反应物浪费和各种其它益处。微体积252可以被认为是气体通过其分布在整个半导体晶片253和基座251上的表面之间的连续体积，并且可以在超过支撑半导体晶片253的地方在第一主流限制下终止(其中第一主流限制是指足够大以防止工艺气体在正常半导体处理操作期间回流到微体积中的流限制)。
工艺气体可以通过真空前级管线240从处理室250排出。真空前级管线240可以经由分开的真空入口端口与真空泵送气室体积205流体连通。在所示的实施方案中，真空泵送气室体积205环绕蒸汽积聚体积203。
室盖239可以各自被供应含有来自蒸汽积聚体积203的蒸汽的第一工艺气体。第一工艺气体可以通过相应的蒸汽出口207从蒸汽积聚体积203供应到每个处理室250。通过每个蒸汽出口207的第一工艺气体的流动可以由也可以包括如前所述的限流器的相应的第一工艺气体剂量阀254(或控制阀组件)来控制，使得通过蒸汽出口207的流体流被限制为横跨节流器的完全壅塞流或声速流。或者，限流器可以位于蒸汽出口207上的其他位置。
蒸汽积聚体积可以具有足够大的体积，以允许每个处理室被供给单一剂量的蒸汽，而不影响蒸汽积聚器储存器向其它处理室提供单一剂量的能力。例如，蒸汽积聚体积可以至少大于处理站的所有微体积的总体积。
室盖也可以各自从第二工艺气体源269提供第二工艺气体，例如氢气以及其它气体(例如化学惰性的吹扫气体)(未示出，尽管可以使用类似于用于第二工艺气体的***来输送)。第二工艺气体流入每个室盖239的流量可以由相应的第二工艺气体剂量阀255控制。
可以看出，蒸汽积聚体积203可以具有由光束发射器219发射的光束220。光束220可以经过(transit)蒸汽积聚体积203并由光电传感器221接收，从而形成蒸汽浓度传感器，蒸汽浓度传感器可以测量由于蒸汽积聚体积203中的蒸汽浓度导致的光束220中的衰减量，从而允许确定蒸汽积聚体积203中的蒸汽浓度。
在一些实施方式中并且如前所述，蒸汽积聚体可以与稀释气体入口213流体连通，稀释气体入口213与储存器稀释气体源268(这是稀释气体***，其除了在上述汽化器***的安瓿和声速流限流器之间提供的稀释气体)连接。通过稀释气体入口213的稀释气体的流动可以例如通过储存器稀释气体阀270或其它合适的控制装置来控制。根据正在进行的特定半导体处理的要求和使用蒸汽浓度传感器获得的蒸汽浓度读数，如果需要，可以加入稀释气体以减少蒸汽积聚体积203中的蒸汽浓度。
可以用从一个或多个汽化器256(例如汽化器256a/b/c/d)供应的蒸汽连续地补充蒸汽积聚体积203。可以各自为如上所述的汽化器***的汽化器256a/b/c/d可各自包括可包含固体反应物267的安瓿257；来自载气源259的载气可以通过相应的载气流量控制器260选择性地提供给每个安瓿257，载气流量控制器260可以控制载气是否被供应到相应的安瓿257以及如果是的话以什么流速供应。当载气流过可以保持在特定压力和温度的安瓿之一时，反应物267可以蒸发到载气中，并被朝向限流器262带出安瓿。在到达限制器262之前，可以通过从安瓿稀释气体源263供应的附加的载气增加反应物蒸汽和载气混合物；每个安瓿257的附加的载气流可以由相应的安瓿稀释气体流控制器271调节。然后，载气和蒸汽的这种组合流可以通过限流器262，限流器262的尺寸可以设置成在与半导体处理操作有关的正常工作条件下在载气/蒸汽流中导致声速流。如上所述，可以控制载气和稀释气体的流动，使得通过限流器262的这些气体的组合总流量保持恒定。这样的声速流可以用作缓冲器，该缓冲器防止蒸汽积聚器储存器中的压力波动影响安瓿257中的压力环境。
除非本公开的上下文清楚地要求，否则在整个说明书和实施方式中，词语“包括”、“包含”等将以包容性的意义来解释，而不是排斥或穷尽的意义；也就是说，以“包括但不限于”的意义。使用单数或复数的单词也通常分别包括复数或单数。此外，“本文”、“在下文”、“上面”、“下面”和类似含义的词语涉及作为整体的本申请而不是本申请的任何特定部分。当将“或”一词用于提及两个或多个项目的列表时，该单词涵盖单词的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中的项目的任何组合。术语“实施方案”是指本文描述的技术和方法的实施方案，以及体现结构和/或包含本文描述的技术和/或方法的物理对象。除非另有说明，否则术语“基本上”是指与所示值相差+/-5％内。

Claims (10)

1.一种用于向半导体处理工具的部件供应蒸汽的装置，所述装置包括：
第一安瓿，其被配置成在所述第一安瓿的第一内部体积内接收第一量的反应物；
第一载气入口，其与所述第一内部体积流体连通；
第一蒸汽出口，其也与所述第一内部体积流体连通；
第一声速流限流器；以及
第一稀释气体入口，其与所述第一蒸汽出口流体连通，其中：
所述第一声速流限流器被设置在所述第一载气入口和所述第一安瓿的下游，并且
所述第一稀释气体入口在所述第一安瓿和所述第一声速流限流器之间的位置与所述第一蒸汽出口连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一量的反应物处于固相。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一量的反应物处于液相。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一声速流限流器的尺寸设定为使得在所述半导体处理工具的正常操作条件期间流过所述第一声速流限流器的载气和蒸汽经历壅塞流。
5.根据权利要求1所述的装置，其还包括：
第一载气流量控制器，其被配置为控制流过所述第一载气入口的载气的量；
第一稀释气体流量控制器，其被配置为控制流过所述第一稀释气体入口的稀释气体的量；以及
控制器，所述控制器包括：
一个或多个处理器；和
存储器，其中：
所述一个或多个处理器与所述存储器、所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器通信地连接，并且
所述存储器存储用于控制所述一个或多个处理器以使所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器维持恒定的组合流速的计算机可执行指令。
6.根据权利要求5所述的装置，其还包括位于所述第一安瓿和所述第一声速流限流器之间的压力传感器，其中，所述存储器还存储用于控制所述一个或多个处理器的指令，以：
当所述压力传感器指示载气流、稀释气体流和来自所述第一量的反应物的任何汽化的反应物的组合压力低于第一阈值时，控制所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器以增大载气与稀释气体的比例，同时保持所述载气和所述稀释气体的总流量组合流速恒定，并且
当所述压力传感器指示载气流、稀释气体流和来自所述第一量的反应物的任何汽化的反应物的组合压力高于第二阈值时，控制所述第一载气流量控制器和所述第一稀释气体流量控制器以减小载气与稀释气体的所述比例，同时保持所述载气和所述稀释气体的总流量组合流速恒定。
7.根据权利要求1所述的装置，其还包括所述第一量的所述反应物，其中所述第一量的所述反应物位于所述内部体积内。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述反应物是选自由五氯化钨和六氯化钨构成的组中的固相反应物。
9.根据权利要求1所述的装置，其还包括第一载气入口质量流量控制器，其中所述第一载气入口质量流量控制器设置在所述第一安瓿的上游，在所述第一载气入口上。
10.根据权利要求9所述的装置，其还包括：
位于所述第一安瓿和所述第一声速流限流器之间的压力传感器，以及
控制器，其包括存储器和一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述压力传感器、所述第一载气入口质量流量控制器和所述存储器通信地耦合，所述存储器存储用于控制所述一个或多个处理器以从所述压力传感器接收压力数据并响应于所述压力数据中的变化来调节流向所述第一安瓿的所述载气流的指令。
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