CN101426953B - 用于化学气相沉积的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用以产生汽化的液态前体材料的方法与设备。该方法与设备可作为化学气相沉积设备或系统的一部分。该方法与设备包括提供用来容纳液态前体(211)的容器(218)以及扩散组件(232)，其中该扩散组件的外剖面尺寸基本上等于该容器的内剖面尺寸。
Description
技术领域
本发明的实施例系大体上有关于用来汽化液体并将该已汽化的液体与载气混合的设备与方法。本发明实施例特别适合将汽化的反应物提供给化学气相沉积系统的反应室，例如为半导体器件制造设备中的反应室提供汽化反应物。
背景技术
化学气相沉积(CVD)处理广泛用来沉积半导体器件与集成电路中所使用的薄膜。此类处理涉及使数种化学物蒸汽发生反应而在基板上产生均质或不均质的沉积作用。反应速率是通过诸如温度、压力与反应物气体流速等一种或多种参数来加以控制。对于此类处理来说，使用低蒸气压的液体作为反应前体具有数项优点，也因此更广为使用的。
现有的CVD处理涉及使用起泡器(bubbler)或汽化炉(boiler)来输送低蒸汽压的气体。在这些处理中，载气会包含该液体而得以运输该液体的蒸汽。有数种液态反应物与前体可用在通过使液态反应物含于载气中来输送该液态反应物的CVD处理中。在使用液态反应物的CVD系统里，载气通常会被打成气泡并以受控的流速流经含有液态反应物的容器，使得该载气中含有饱和的液态反应物，随后将该饱和的载气输送至反应室。
也曾经试图输送固态反应物至CVD反应室中，但结果并不成功。在CVD处理中，是利用升华/发泡方法来执行固态前体的输送动作，该升华/发泡方法通常系将前体置于升华/发泡储槽中，随后将该储槽加热至该前体的升华温度以将该前体转化成气态化合物后，再以诸如氢气、氦气、氩气或氮气等载气将该气态化合物输送至CVD反应室中。然而，因为许多原因，此方法无法可靠且具再现性地将固态前体输送至反应室。此技术的主要问题在于不能稳定地以控制速率来汽化固体，而无法以再现性的流速将已汽化的固态前体输送至处理反应室中。再者，由于汽化系统中固态前体的暴露表面积是有限量的，并且缺乏能够提供最大升华作用的一致温度，故此项技术难以保证快速流动的载气气流中能够含有完全饱和的汽化固态前体。虽然固态前体升华/发泡系统以及亿态前体发泡系统均可用来输送CVD反应物，然而这些系统各自具有不同的问题与考虑。因此，用于固态升华/起泡器的系统与设备并不必然能用于液态前体发泡设备。
图1A与1B显示用来输送蒸汽并使该蒸汽通过液态前体的现有设备，该蒸气是通过产生载气气泡而形成的。图1A显示现有的汽化设备10，该汽化设备10包含安瓿或容器12，该容器12中含有液态前体材料11。气体入口导管14连接至载气源30。气体入口导管14延伸在该液体11的液面下方。加压输送载气30可提供由已汽化的液态前体与载气所组成的混合物32，随后该混合物32通过连接至CVD反应室(未绘出)的出口导管16而离开该容器12。
扩散器材料20通常为多孔性的烧结金属(sintered metal)，并可改善汽化设备10的发泡效率。显示于图1A与1B中的汽化器通过加热容器中的液态材料并以控制速率将载气引导至靠近容器底面的液态材料中，而把从液态材料转化而成的蒸汽输送至处理反应室内。当该载气气泡上升至容器顶面时，该载气会饱合地含有由液态材料所形成的蒸汽。随后，该饱和载气被输送至处理反应室中，例如输送至用于半导体制造用途的CVD反应室内。
在图1A与1B中所示的设备中，载气气泡会产生不想要的液态前体小液滴，或可称为微液滴。这些微液滴会随着载气与前体蒸汽的混合物被一同携带至出口管中，并送至处理反应室。此类微液滴可能造成完成产品中的缺陷。
因此需要一种用于液体汽化器的方法与设备，能以可用于CVD处理的流率来汽化液体，并减少或避免输送小液滴液体至处理反应室中。
发明内容
本发明实施例系有关于在反应室中执行薄膜形成处理中用以处理晶片的设备与方法。根据本发明第一实施例，化学气相沉积设备包含化学气相反应室，该反应室具有气体入口端口与液态反应物汽化器。该液态反应物汽化器具有出口端口，并且该出口端口连接至该反应器入口端口。该汽化器包含容器，该容器具有上部分、下部分、多个内侧面与底面。根据本发明第一实施例，该容器含有液态反应物，并且介于这些内侧面之间的空间则定义出容器内径。该设备更包括连接至载气源的入口端口、多孔构件以及气体输送导管，其中该多孔构件的外径基本上等于该容器的内径，以插入该容器的下部分并位于该液态反应物液面的下方，并且在该多孔构件与该容器底面之间定义出气室，以及该气体输送导管延伸穿通该气体入口端口与该多孔构件。
介于该多孔构件与该容器底面之间的间隙定义出该气室。在某些实施例中，该多孔构件为盘状造型。根据某些实施例，该多孔盘系由诸如烧结金属熔块(sintered metal frit)等烧结金属所构成，例如不锈钢熔块。再一个或多个实施例中，该设备适合用来形成基板上的膜层。
本发明的另一实施例系有关于一种包含化学气相沉积反应室与汽化器的化学气相沉积设备。该汽化器包含封闭的实质圆桶状安瓿，该安瓿具有顶部分、底部分、底面、由多个内壁所围出的内径以及从该顶部分延伸出的入口端口与出口端口，其中该出口端口与该反应室流体连通，并且该入口端口与气体源流体连通。汽化器更包括多孔板，该多孔板具有多个边缘表面，这些边缘表面系与靠近该底面处的安瓿内壁接触，且该多孔板浸入液态反应物中，该多孔板设置成能在该多孔板与该底面之间提供间隙；以及，气体导管从该入口端口延伸出并穿过该多孔板。在某些实施例中，该多孔板与该底面之间的间隙至少约2毫米(mm)。
本发明又一实施例系有关于一种化学气相沉积方法，该方法包括使载气流经液态反应物，其中该液态反应物容纳在由多个侧壁与底面所定义出的容器中，并且该容器包含多孔构件，该多孔构件延伸在容器侧壁之间并且在该容器的该底部分中定义出气室，该多孔构件浸入该液态反应物中而造成该载气与该液态反应物流经该多孔构件而从该液态反应物产生蒸汽，并且在能转化该液态反应物以在反应室内的基板上形成膜层的条件下，将该蒸汽输送至反应室中。在一个或多个实施例中，该多孔构件包含烧结熔块，例如烧结金属熔块，比如说烧结的不锈钢熔块。
附图说明
图1A显示现有的汽化设备；
图1B显示现有的汽化设备；
图2显示根据本发明的汽化设备的实施例。
具体实施方式
在描述本发明示范性实施例之前，并需明白本发明并不仅限于以下将叙述的设备结构或处理步骤。本发明还可做出其它实施例以及不同的实施与执行方法。本发明的多个态样提供数种用于化学气相沉积的方法与设备，可用于诸如在基板上形成薄膜的用途上。
参考图2，显示了示范性化学气相沉积设备210。CVD设备210包含内含液态反应物或前体211的安瓿或容器212。该安瓿或容器212可为圆桶形或任何其它适当的造型。如图2所示，容器212是一个由多个内壁218与一个底面222所圈围出的封闭容器。该液态反应物211容纳在该容器212的底部分。液态反应物的非限制性范例包括如TEOS、硼酸三甲酯(trimethylborate)、硼酸四乙酯(tetraethyl borate)、磷酸四乙酯(tetraethyl phosphate)、膦酸四乙酯(tetraethyl phosphite)、(二乙基)四(二甲胺)钛类似物(tetrakis(dimethylamino)titanium diethyl analog)、水或来自液体大量输送槽的类似物。气体入口导管214提供入口端口，用以连接至载气230的源250。该载气可储存于加压容器中，并可利用多个现有的流量调节器及/或质量流量控制器来控制气体的流量。
扩散组件232插入该容器212中，且该扩散组件232延伸在内壁218之间并邻近底面222，其中该扩散组件232可为板状或盘状。根据本发明一个或多个实施例，介于该扩散组件232与底面222之间的距离「D」小于约2毫米。该扩散组件232的外径或其它剖面尺寸基本上等于该容器212的内径或其它剖面尺寸。如此一来，该扩散组件232可施压套入或是焊接于容器中，并置于与该容器的底面222相距一段所欲的距离，使得扩散组件232的外缘与该容器212的内侧壁相接触。介于该容器212的底面222与该扩散组件232之间的间隙或间距则定义出气室226。所输送的气体会进入这个由扩散组件232的边缘与该容器侧壁相接所局限的气室中，并且大部分的气体会从该扩散盘的孔洞中释出。
扩散组件232系由多孔材料所制成。多孔材料的范例如烧结熔块。烧结金属熔块可用来制造该扩散组件232。适当烧结金属熔块的其中范例便是不锈钢。多孔性的不锈钢烧结熔块可购自Mott股份有限公司(Farmington，CT)。在一实施例中，该扩散组件制造成直径约5.75英寸、厚约0.078英寸且孔径约40微米的盘状造型。然而，可了解到，本发明并不仅局限于具有此特定尺寸或孔径的扩散组件。
扩散组件232位于容器的下部分内，并且浸入该液态反应物211中。气体入口导管214延伸在该液态反应物211的液面下并穿过该扩散组件232。加压输送该载气230可提供由载气与已汽化液态前体所构成的混合物32，随后该混合物32通过出口导管或出口端口216而离开容器212，并且该出口导管或出口端口216连接至CVD反应室260。并了解到，可在该容器212与CVD反应室260之间连接一个或多个质量流量控制器或调节器，此外该CVD反应室可为传统的热增强式或电浆增强式化学气相沉积反应室。例如，此反应室260可为于1991年3月19日授予Adamik等人的美国专利5000113号、于1987年5月26日授予Foster等人的美国专利4668365号、于1986年4月1日授予Benzing等人的美国专利4579080号、于1985年1月29日授予Benzing等人的美国专利4496609号以及于1980年11月4日授予East等人的美国专利4232063号等专利中所叙述的反应室，在此将这些文献纳入本文中以供参考。
使用时，方才所述的这些CVD反应室可用来在诸如半导体基板等基板上形成膜层。因此，化学气相沉积方法包括使载气从气体供应源透过入口导管或管子214而流经该液态反应物211。流经液态反应物的载气气流会造成该载气与该液态反应物流过该多孔构件，而从该液态反应物产生蒸汽，并且在能转化该液态反应物以在反应室260内的基板上形成膜层的条件下，将该蒸汽输送至该反应室260中。
根据本发明多个实施例，使用延伸在容器212的整个剖面中的多孔构件，能够产生让形成且混入载气与液态前体蒸汽所组成的混合气流中的微液滴数量几可忽略的结果。并通过利用该熔块盘分配液体而能使用任何剩余的液态前体体积，而允许更有效地消耗该液态反应物。此多孔构件设置在液体中，并且使该多孔构件的底面与该容器或安瓿底面之间具有固定为2毫米的间隙或气室。
虽然已参考数个特定实施例来描述本发明，但需明白的是，这些实施例仅用来示范说明本发明原理与用途。熟悉该项技艺者了解可在不偏离本发明精神与范围下对本发明方法做出各种修饰与变化。因此，本发明亦涵盖这些落入后附权利要求中的修饰与变化态样及均等物。
Claims (10)
1.一种化学气相沉积设备，包含：
化学气相沉积反应室，该化学气相沉积反应室具有反应室气体入口端口；以及液态反应物汽化器，该汽化器具有出口端口与容器，其中该出口端口连接至该反应室气体入口端口，且该容器包含上部分、下部分、多个内侧面与一个底面，该容器包含液态反应物，并且介于这些内侧面之间的空间定义出容器内径；容器入口端口，该容器入口端口连接至载气源；多孔盘状烧结金属熔块，该多孔盘状烧结金属熔块的外径等于该容器的内径，被插入该容器的下部分中直至低于该液态反应物的液面，并且在该多孔盘状烧结金属熔块与该容器的底面之间定义出气室；以及气体输送导管，该气体输送导管延伸穿过该反应室气体入口端口与该多孔盘状烧结金属熔块。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该气室是由介于该多孔盘状烧结金属熔块与该容器的底面之间的小于2毫米的间隙所定义而成。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该多孔盘状烧结金属熔块包括不锈钢。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备适用于在基板上形成膜层。
5.一种化学气相沉积设备，包括：
化学气相沉积反应室；
汽化器，该汽化器包含密闭的圆桶状的安瓿，该安瓿具有顶部分、底部分、底面、由多个内壁所围出的内径以及从该顶部分延伸出的入口端口与出口端口，其中该出口端口与该反应室流体连通，并且该入口端口与气体源流体连通；
多孔盘状烧结金属熔块，该多孔盘状烧结金属熔块具有多个边缘表面，这些边缘表面与邻近该底面处的安瓿内壁相接触且被浸入液态反应物中，该多孔盘状烧结金属熔块被设置成能在该多孔盘状烧结金属熔块与该底面之间提供间隙；以及
气体导管，该气体导管从该入口端口延伸出去并通过该多孔盘状烧结金属熔块。
6.如权利要求5所述的化学气相沉积设备，其特征在于，介于该多孔盘状烧结金属熔块与该底面之间的间隙小于2毫米。
7.如权利要求6所述的化学气相沉积设备，其特征在于，该多孔盘状烧结金属熔块是由不锈钢所制成。
8.一种化学气相沉积方法，该方法包括：
使载气流过液态反应物，该液态反应物被容纳在由多个侧壁与一个底面所定义出的容器内，该容器包含多孔盘状烧结金属熔块，该多孔盘状烧结金属熔块延伸在该容器的这些侧壁之间并在该容器的底部分中定义出气室，该多孔盘状烧结金属熔块被浸入该液态反应物中，从而造成该载气与该液态反应物流经该多孔盘状烧结金属熔块以便从该液态反应物产生蒸汽，并且将该蒸汽输送至反应室中，该反应室处在一些条件下以使该液态反应物在所述反应室内所包含的基板上形成膜层。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该多孔盘状烧结金属熔块包括不锈钢。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该多孔盘状烧结金属熔块与该容器的底面间隔开不到2毫米的距离。
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