CN107452653A - 具有集成蒸气浓度传感器的蒸气歧管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有集成蒸气浓度传感器的蒸气歧管。提供了用于诸如原子层沉积操作之类的半导体处理操作的蒸气积聚器储存器。这种蒸气积聚器储存器可以包括光束端口，以允许光束通过蒸气传输并允许测量储存器中的蒸气浓度。在一些实施方案中，储存器可以与真空泵送歧管集成，并且储存器和歧管可以由公共加热系统加热以防止蒸气冷凝。

Description

具有集成蒸气浓度传感器的蒸气歧管
技术领域
本发明涉及用于半导体处理的装置和方法，更具体而言，涉及一种具有集成蒸气浓度传感器的蒸气歧管。
背景技术
在半导体处理操作期间，一或多种反应物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，一种反应物或多种反应物可以以蒸气形式提供，其在流过半导体晶片之前被悬浮在载气中，例如，载气是一种相对于所使用的其它反应物可能是化学惰性的或不发生化学反应的气体。
诸如原子层沉积(ALD)或原子层蚀刻(ALE)之类的一些半导体处理操作可能涉及跨越半导体晶片以交替方式施加非常短的两种或更多种不同反应物流。在这种半导体加工操作中使用的在这里也可以称为前体的反应物在某些情况下可能表现出与半导体晶片的化学自限制反应。例如，第一反应物可以流过半导体晶片。第一反应物可以制备半导体晶片的表面，以便具有与第二种不同的反应物反应的一定的接受性。可以停止第一反应物流，并且通过使吹扫气体流过反应室而清除剩余的第一反应物，然后可以使第二反应物流过半导体晶片，其中它可与制备的表面反应，由此产生单分子厚度的沉积层或去除单分子材料层。然后可以停止第二反应物的流动，并且可以进行进一步的清洗循环以从反应室中除去第二反应物。由吹扫气流标记的多个不同反应物的这种顺序流可称为“循环”，例如ALD循环或ALE循环。典型的ALD或ALE循环可以具有约小于一秒至几秒(例如2-3秒)的总持续时间，并且可能需要执行数百或数千个这样的循环以实现期望的层厚度或蚀刻去除量，因为每个循环可能仅影响一个分子厚的亚层。
发明内容
在下面的附图和描述中阐述了本说明书中所描述的主题的一个或多个实施方案的细节。其他特征、方面和优点将从描述、附图和权利要求中变得显而易见。
在一些实施方案中，可以提供用于半导体处理工具的装置。该装置可以包括：具有蒸气积聚体积的蒸气积聚器储存器；与所述蒸气积聚体积流体连通的蒸气入口；一个或多个蒸气出口，第一光束端口和光学蒸气浓度传感器。每个蒸气出口可以与所述蒸气积聚体积流体连通。所述第一光束端口可以提供到所述蒸气积聚体积内的光路，并且所述光学蒸气浓度传感器可以被配置为引导光束穿过第一光束端口并且通过所述蒸气积聚体积。
在一些这样的实施方案中，该装置还可以包括位于所述蒸气积聚器储存器的与所述第一光束端口相对的相对侧的第二光束端口。所述光学蒸气浓度传感器可以包括定位成将所述光束投射穿过所述第一光束端口的束发射器和定位成经由所述第二光束端口接收所述光束的光电传感器。
在装置的一些实施方案中，光学蒸气浓度传感器可以被配置为产生主要由紫外光谱中的光组成的光束。
在装置的一些实施方案中，装置还可以包括与所述蒸气入口流体连通的一个或多个蒸发器和插入在所述蒸气入口和所述一个或多个蒸发器之间的声速流孔。在这样的实施方案中，声流孔可以被设定为在使用该装置执行半导体处理操作期间产生壅塞流。
在装置的一些实施方案中，该装置还可以包括被配置为与化学惰性稀释气体源连接的稀释气体入口。
在装置的一些实施方案中，装置还可以包括真空泵送歧管，其包括至少部分地包围所述蒸气积聚体积的大部分的真空泵送集气室体积。这样的装置还可以包括一个或多个真空入口端口，每个真空入口端口与所述真空泵送集气室体积流体连通，以及真空输出端口，所述真空出口端口与所述真空泵送集气室体积流体连通。
在装置的一些这样的实施方案中，真空泵送集气室体积可以至少部分地由内壁和外壁限定，并且蒸气积聚室体积可以至少部分地由内壁限定。
在装置的一些进一步的这样的实施方案中，蒸气积聚器储存器可以整体形状为圆柱形，并且真空泵送歧管可以整体形状为环形。
在该装置的一些实施方案中，可以具有形成第一组两个真空入口端口和第二组两个真空入口端口的四个真空入口端口，真空泵送歧管可具有环形隔壁，其将所述真空泵送集气室体积分成上部环形泵送集气室体积和下部环形泵送集气室体积，环形隔壁可以介于所述真空出口端口和所述真空入口端口之间，环形隔壁可以包括两组一个或多个分隔开口，每组一个或多个分隔开口可以距离所述真空出口端口等距离地设置，第一组入口真空端口中的每个真空入口端口可以距离两组一个或多个分隔开口中的一组等距离地设置，并且第二组入口真空端口中的每个真空入口端口可以距离另一组一个或多个分隔开口等距离设置。
在装置的一些实施方案中，该装置还可以包括加热套，该加热套包括：与所述蒸气积聚器储存器的上壁邻近的一个或多个部分，与所述蒸气积聚器储存器的下壁邻近的一个或多个部分，与所述真空泵送歧管的上壁邻近的一个或多个部分，与所述真空泵送歧管的下壁邻近的一个或多个部分，以及与所述真空泵送歧管的外壁邻近的一个或多个部分，其中每个部分包括被配置为向与该部分相邻的壁供应热量的一个或多个加热元件。
在一些实施方案中，该装置还可以包括第一光学通道，第一光学通道终止于第一光束端口处，延伸穿过所述真空泵送集气室体积，是所述蒸气积聚器储存器的一部分，并且与所述蒸气积聚体积流体连通。
在一些进一步的这样的实施方案中，该装置还可以包括位于所述蒸气积聚器储存器的与所述第一光束端口相对的相对侧上的第二光束端口和第二光学通道，该第二光学通道终止于第二光束端口处，延伸穿过所述真空泵送集气室体积，是所述蒸气积聚器储存器的一部分，并且与所述蒸气积聚体积流体连通。在这种实施方案中，光学蒸气浓度传感器可以包括定位成将所述光束投射穿过所述第一光束端口的束发射器和定位成经由所述第二光束端口接收所述光束的光电传感器。
在装置的一些实施方案中，装置还可以包括一个或多个半导体处理室，每个半导体处理室包括与一个蒸气出口流体连通的控制阀组件。在这种实施方案中，用于每个半导体处理室的控制阀组件可以被配置成调节从所述蒸气积聚体积经由所述蒸气出口中的一个流到所述半导体处理室中的蒸气流量。
在装置的一些实施方案中，该装置还可以包括载气源和一个或多个安瓿，每个安瓿包括固体或液体前体并与蒸气入口流体连通。在这种实施方案中，载气源可以被配置成使载气流过一个或多个安瓿中的每一个并进入蒸气入口。
在一些另外或替代的这种实施方案中，一个或多个半导体处理室中的每一个可以被配置用于原子层沉积，并且可以具有在晶片处理操作期间形成在该半导体处理室的基座和该半导体处理室的气体分布器之间的微体积。在这种实施方案中，蒸气积聚体积可以具有满足以下关系的体积Vp：
其中：n＝由所述蒸气积聚器储存器服务的半导体处理室的数量，Pc＝原子层沉积操作期间这些半导体处理室的微体积中的平均室压，Vm＝这些半导体处理室中的每一个半导体处理室的微体积的体积，q＝在单蒸气剂量期间输送到所述处理室的微体积中的一个微体积中的蒸气能充满的微体积的数量，PP＝在将蒸气剂量输送到所述微体积中的一个微体积的期间在所述蒸气积聚器储存器中的峰压。
在一些这样的实施方案中，该装置还可以包括位于所述蒸气入口上的声速流孔，其中所述声速流孔的尺寸设定成使得在所述一或多个半导体处理室中的原子层沉积操作的所有阶段期间完全壅塞流通过所述声流孔产生。
在该装置的一些实施方案中，可以存在多个半导体处理室，并且蒸气积聚体积的尺寸可以设定为使得在所述一个或多个半导体处理室中进行半导体处理操作期间向所述半导体处理室中的一个提供所述蒸气积聚体积内包含的单剂量的蒸气不影响所述蒸气积聚器储存器同时向其它半导体处理室提供单个剂量的能力，其中每个剂量表示在执行半导体处理操作期间正常传送到所述半导体处理室中的一个的蒸气量。
在一些实施方案中，该装置还可以包括与蒸气积聚体积流体连通并且被配置为与稀释气体源连接的稀释气体入口。本发明的一些方面可以具体描述如下：
1.一种用于半导体处理工具的装置，所述装置包括：
具有蒸气积聚体积的蒸气积聚器储存器；
与所述蒸气积聚体积流体连通的蒸气入口；
一个或多个蒸气出口，每个蒸气出口与所述蒸气积聚体积流体连通；
第一光束端口，所述第一光束端口提供到所述蒸气积聚体积内的光路；和
光学蒸气浓度传感器，其被配置为引导光束穿过第一光束端口并且通过所述蒸气积聚体积。
2.根据条款1所述的装置，还包括：
第二光束端口，其位于所述蒸气积聚器储存器的与所述第一光束端口相对的相对侧，其中，所述光学蒸气浓度传感器包括定位成将所述光束投射穿过所述第一光束端口的束发射器和定位成经由所述第二光束端口接收所述光束的光电传感器。
3.根据条款1或2所述的装置，其中所述光束主要由紫外光谱中的光组成。
4.根据条款1所述的装置，还包括：
与所述蒸气入口流体连通的一个或多个蒸发器；和
插入在所述蒸气入口和所述一个或多个蒸发器之间的声速流孔，其中，所述声速流孔的尺寸设定以便在使用所述装置进行半导体处理操作期间产生壅塞流。
5.根据条款1、2或4中任一项所述的装置，还包括：
稀释气体入口，所述稀释气体入口被配置为与在正常使用期间包含在所述蒸气积聚器储存器内的蒸气不化学反应的稀释气体源连接。
6.根据条款1、2或4中任一项所述的装置，还包括：
真空泵送歧管，该真空泵送歧管包括至少部分地包围所述蒸气积聚体积的大部分的真空泵送集气室体积；
一个或多个真空入口端口，每个真空入口端口与所述真空泵送集气室体积流体连通；和
真空输出端口，所述真空出口端口与所述真空泵送集气室体积流体连通。
7.根据条款6所述的装置，其中：
所述真空泵送集气室体积至少部分地由内壁和外壁限定，并且
所述蒸气积聚体积至少部分地由所述内壁限定。
8.根据条款7所述的装置，其中：
所述蒸气积聚器储存器的整体形状是圆柱形，并且
所述真空泵送歧管的整体形状是环形。
9.根据条款8所述的装置，其中：
具有形成第一组两个真空入口端口和第二组两个真空入口端口的四个真空入口端口，
所述真空泵送歧管具有环形隔壁，其将所述真空泵送集气室体积分成上部环形泵送集气室体积和下部环形泵送集气室体积，
所述环形隔壁介于所述真空出口端口和所述真空入口端口之间，
所述环形隔壁包括两组一个或多个分隔开口，
每组一个或多个分隔开口距离所述真空出口端口等距离地设置，
所述第一组入口真空端口中的每个真空入口端口距离所述两组一个或多个分隔开口中的一组等距离地设置，以及
所述第二组入口真空端口中的每个真空入口端口距离另一组一个或多个分隔开口等距离设置。
10.根据条款6所述的装置，还包括：
加热套，该加热套包括：
与所述蒸气积聚器储存器的上壁邻近的一个或多个部分，
与所述蒸气积聚器储存器的下壁邻近的一个或多个部分，
与所述真空泵送歧管的上壁邻近的一个或多个部分，
与所述真空泵送歧管的下壁邻近的一个或多个部分，以及
与所述真空泵送歧管的外壁邻近的一个或多个部分，
其中每个部分包括被配置为向与该部分相邻的壁供应热量的一个或多个加热元件。
11.根据条款7所述的装置，还包括第一光学通道，其中所述第一光学通道终止于所述第一光束端口，延伸穿过所述真空泵送集气室体积，是所述蒸气积聚器储存器的一部分，并且与所述蒸气积聚体积流体连通。
12.根据条款11所述的装置，还包括：
第二光束端口，位于所述蒸气积聚器储存器的与所述第一光束端口相对的相对侧上；和
第二光学通道，其中所述第二光学通道终止于所述第二光束端口，延伸穿过所述真空泵送集气室体积，是所述蒸气积聚器储存器的一部分，并且与所述蒸气积聚体积流体连通，其中所述光学蒸气浓度传感器包括定位成将所述光束投射穿过所述第一光束端口的束发射器和定位成经由所述第二光束端口接收所述光束的光电传感器。
13.根据条款1、2或4中任一项所述的装置，还包括：
一个或多个半导体处理室，每个半导体处理室包括与所述蒸气出口中的一个流体连通的控制阀组件，其中每个半导体处理室的控制阀组件被配置成调节从所述蒸气积聚体积经由所述蒸气出口中的一个到所述半导体处理室中的蒸气流量。
14.根据条款13所述的装置，还包括：
载气源；和
一个或多个安瓿，每个安瓿包括固体或液体前体并与所述蒸气入口流体连通，其中所述载气源构造成使载气流过所述一个或多个安瓿中的每一个并进入所述蒸气入口。
15.根据条款13所述的装置，其中：
所述一个或多个半导体处理室中的每一个被配置用于原子层沉积，并且具有微体积，所述微体积在晶片处理操作期间形成在所述半导体处理室的基座和所述半导体处理室的气体分布器之间；并且
所述蒸气积聚体积具有满足以下关系的体积Vp：
其中：n＝由所述蒸气积聚器储存器服务的半导体处理室的数量，Pc＝原子层沉积操作期间这些半导体处理室的微体积中的平均室压，Vm＝这些半导体处理室中的每一个半导体处理室的微体积的体积，q＝在单蒸气剂量期间输送到所述处理室的微体积中的一个微体积中的蒸气能充满的微体积的数量，PP＝在将蒸气剂量输送到所述微体积中的一个微体积的期间在所述蒸气积聚器储存器中的峰压。
16.根据条款15所述的装置，还包括位于所述蒸气入口上的声速流孔，其中所述声速流孔的尺寸设定成使得在所述一或多个半导体处理室中的所述一个或多个原子层沉积操作的所有阶段期间完全壅塞流通过所述声流孔产生。
17.根据条款13所述的装置，其中存在多个半导体处理室，并且所述蒸气积聚体积的尺寸设定为，使得在所述一个或多个半导体处理室中进行半导体处理操作期间向所述半导体处理室中的一个提供所述蒸气积聚体积内包含的单剂量的蒸气不影响所述蒸气积聚器储存器同时向其它半导体处理室提供单个剂量的能力，其中每个剂量表示在执行半导体处理操作期间正常传送到所述半导体处理室中的一个的蒸气量。
18.根据条款1、2或4中任一项所述的装置，还包括：
稀释气体入口，其中所述稀释气体入口与所述蒸气积聚体积流体连通并且被配置为与稀释气体源连接。
附图说明
附图是说明性的，并且本文讨论的概念不仅限于所描绘的实现方案。
图1描绘了包含蒸气积聚器储存器的半导体处理工具的高阶示意图。
图2描绘了本文所讨论的蒸气积聚器储存器的示例。
图3描绘了图2的当其可被定位在半导体处理工具时的蒸气积聚器储存器，但绝大多数加热套和各种其它部件都不存在。
图4描绘了图2的装置的另一视图。
图5描绘了图2的装置的剖视图。
图6示出了图2的装置的另一剖视图。
图7描绘了图2的装置的另外的剖视图。
图2至7在每个图中按比例缩放，尽管这些图可能彼此不按比例缩放。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了许多具体细节，以提供对所呈现的概念的透彻理解。所呈现的概念可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下被实践。在其他情况下，未详细描述公知的处理操作，以免不必要地模糊所述概念。虽然将结合具体实施方式描述一些概念，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，或并不是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的方面或实施方案，也不限于这些方面和/或实施方案的任何单一的组合和/或排列。此外，本公开的每个方面和/或其实施方案可以单独使用或与其它方面和/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。
本文公开了用于将蒸发的前体输送到一个或多个半导体处理室的方法、技术、系统和装置。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阶段半导体处理操作，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系统(例如，控制器，气体分配系统，真空泵送系统等)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阶段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。
本发明人认识到，例如诸如用于执行ALD操作的半导体处理系统之类的现有的半导体处理系统可能在某些方面提供不期望的性能。例如，许多ALD系统利用质量流量控制器(MFC)来控制通向正在进行ALD处理的半导体晶片的前体的流速。然而，如上所述，ALD前体投配循环实际上相当短，例如约短于一秒或通常不超过2-3秒。相比之下，MFC具有非常慢的反应时间，例如比前体投配时间长。因此，使用MFC来调节前体投配的ALD系统通常将包括在MFC下游的转向或分流阀——前体流由此可以被输送到处理室，在该处理室中流过半导体晶片，或者转入到排放系统中。通过MFC的前体的流速可以保持在相对稳定的状态，而与最终传送前体到哪个目的地无关。在这样的系统中，有时通过基于由MFC提供的质量流速来启动转向阀(其具有比MFC快得多的反应时间)以控制输送到处理室的前体的量。然而，该解决方案是非常浪费的，因为前体必须连续地流过MFC，并且因此没有传递到半导体晶片的前体必须被转向到排放系统中，在该排放系统中其被浪费。MFC也是昂贵的部件，在多站式半导体处理工具中，每个站都需要自己的MFC和转向阀以用于这些目的。
本发明人涉及多站式ALD工具的开发，该工具对于在工具中正处理的半导体晶片使用低蒸气压前体的脉冲沉积。例如，这种工具可以利用诸如五氯化钨或六氯化钨之类的前体，该前体可以在惰性载气或其它非反应性载气中以蒸发形式悬浮。本发明人认识到，不利用常规的MFC/转向阀方法，而是将蒸发的前体供应到相对大的蒸气积聚器储存器，然后根据需要计量控制(metering out)到一个或多个处理室的少量蒸发的前体将是有益的。这种蒸气积聚器储存器可以经由蒸气入口从一个或多个蒸发器供应蒸发的前体，并通过相应的蒸气出口连接到一个或多个处理室。应当理解，本文讨论的蒸气积聚器储存器不应与蒸发器本身的工作容积(即固相或液相的蒸发实际上发生的地方)相混淆(固相转化为气相在技术上被称为升华(sublimation)，但是为了本申请的目的，术语“蒸发”等将被理解为指固相或液相材料转化为气相)。如本文所用的术语，蒸气积聚器储存器是指接收已经夹带在载气中但本身不含有待蒸发的固相或液相物质的蒸气的储存器。例如，液体或固体前体可以容纳在具有体积的安瓿中；可能导致前体在该安瓿体积内蒸发，从而产生蒸气——该蒸气然后可以通过管、管道或其它相对小的横截面流动区域导管(与安瓿本身的横截面流动面积相比较)输送到蒸气积聚器储存器的下游——安瓿瓶本身不会被认为是蒸气积聚器储存器，因为它包含待蒸发的固体或液相反应物。可在本文讨论的实施方式中使用的一些蒸发器的实例可以在2016年5月20日提交的并且通过引用将其全部内容并入本文的美国临时专利申请No.62/339,696中找到。
气化前体从蒸气积聚器储存器到每个单独的处理室的流动可以由相应的阀调节，该阀可以被致动以输送非常短的脉冲(例如几秒、500毫秒或更短、50毫秒或更短等的脉冲宽度)的气化前体到该处理室。蒸气积聚器储存器的体积的尺寸可以设定为使得其含有足够的前体，以致从蒸气积聚器储存器提供单前体剂量至其可连接的任何一个处理室而不会对蒸气积聚器储存器同时向其连接的其他处理室提供准确的剂量的能力产生负面影响(但在处理期间，这样的剂量也可以异步传送)。
为了将前体保持在蒸气状态，允许精确投配，并且与处理室中的压强相容，蒸气积聚器储存器可以保持在相对较低的压强，例如中等真空，诸如在10-15托(Torr)范围内(相比之下，处理室可以例如保持在约5托的压强下)。因此，驻留在蒸气积聚器储存器中的气体(气化前体和载气两者)的量可以是在体积上相当稀释的。本发明人认识到，在蒸气积聚器储存器内的前体的浓度可以通过在蒸气积聚器储存器中包括一个或多个光束端口并且使用光学蒸气浓度传感器来有效地测量，该光学蒸气浓度传感器包括光束发射器和光电传感器以将光束投射到蒸气储存器中。在由光电传感器接收之前，光束可以在蒸气积聚器储存器中穿过气化前体一次或多次。然后可以使用由光电传感器测量的光束的衰减量来确定存在于蒸气积聚器储存器中的气化前体的浓度。可以选择光束光谱，使得光束被前体或反应物蒸气吸收，但不被载气吸收(或被载气远远较小程度地吸收)。在六氯化钨或五氯化钨蒸气系统中，例如，光束可以主要包括紫外线，因为紫外线波长容易被六氯化钨或五氯化钨吸收，但不被可用作载气的氩吸收。如果使用其它反应物或前体，则光束可以被配置为具有不同的光谱，例如由红外波长和/或可见光波长主导的光谱。由于蒸气积聚器储存器中的低操作性压强，蒸气和载气通常可以相当快地扩散，导致蒸气积聚器储存器内压力(并且因此蒸气浓度)的非常均匀的分布。一旦蒸气积聚器储存器中的蒸气浓度是已知的，则通过打开在蒸气出口上的阀门持续适当的时间段，精确量的蒸气可被输送到单独的处理室。这样的计量可以通过在从蒸气积聚器储存器到处理室的流动路径中包括适当尺寸的计量孔口而被进一步辅助，例如，孔口的尺寸使得在输送气化前体到处理室期间在该孔上产生音速流或完全壅塞流。
包含蒸气浓度传感器也可以允许对蒸气积聚器储存器内的蒸气浓度进行微调，例如通过向蒸气积聚器储存器中添加额外的载气以进一步降低蒸气浓度来进行微调——可以在添加附加载气时实时监测实际浓度，并且当达到期望浓度时可停止添加附加的载气。这在如下情况下特别有用：其中气化反应物是从在所输送的蒸气的浓度方面具有很小的灵活性的蒸发器提供。
本发明人确定使用蒸气积聚器储存器还可以使得更容易使用光学蒸气浓度传感器。如上所述，光学蒸气浓度传感器通过将光束(或光线束)投射通过气体介质来操作。该光束所经历的衰减量与通过气体介质的光束的路径长度以及气态介质中蒸气(和载气)的浓度成比例。由于非常低的压力环境，例如在蒸气积聚器储存器中的中等真空环境导致非常低的气体浓度，穿过蒸气的每单位长度的光束中的衰减量可能相当低——如此低可能难以在较小长度的光束路径处获得令人满意的蒸气浓度读数，例如，较小长度的光束路径诸如会在没有大的蒸气积聚器储存器的系统中存在。然而，如果使用蒸气积聚器储存器，则蒸气积聚器储存器可以提供通过蒸气的相对长的、无阻碍的光路，这可能允许由于蒸气而在光束中的衰减量增加。这又使得所得到的蒸气浓度测量更准确。
在处理操作期间被引入半导体处理室的工艺气体通常通过可以与一个或多个真空泵连接的一个或多个真空前级管线(foreline)从处理室中排出。本发明人认识到，将蒸气积聚器储存器与用于提供这种排放功能的真空泵送歧管整合也会是有利的。例如，气化的反应物或前体(诸如六氯化钨或五氯化钨)会沉积在处理室表面或形成膜，如果它们被夹带的气体的温度降至某一阈值以下的话；这对于在储气罐内，处理室内和排气系统内的这些反应物是适用的。为了防止或减轻这种冷凝或沉积的可能性，可以用一个或多个加热夹套来加热蒸气积聚器储存器和/或让蒸气可以行进穿过往来于蒸气积聚器储存器的气体供应管线，加热夹套如，具有嵌入其中的电阻加热元件的模制或柔性加热器。本发明人认识到，通过将真空泵送系统的一个或多个部分(诸如真空泵送歧管)集成到与蒸气积聚器储存器相同的结构中，蒸气积聚器储存器和真空泵送系统的一个或多个部分两者可以通过相同的一个加热套或多个加热套加热，从而使用共同的加热系统来防止或减轻在两个完全不同的阶段中的反应物流(即在处理室的上游和下游的反应物)的冷凝或沉积的可能性。
以下参考各种附图更详细地描述上述构思；尽管这些附图可能仅详细描述了一个或两个特定实现方案，但是应当理解，本文公开的构思不限于这些所示的实现方案。
图1描绘了包含蒸气积聚器储存器的半导体处理工具的高阶示意图。图1的半导体处理工具是多站式ALD型工具。在图1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”)150——每个处理室150可以包括在半导体处理操作中支撑半导体晶片153的基座151。基座151可以在多个竖直高度之间移动，以便于加载/卸载或处理半导体晶片153；最右侧处理室150中的基座151处于降低的位置，而最左侧处理室150中的基座151处于升高的位置。
每个处理室150可以包括室盖139，其可以包括多个在半导体晶片153上分配工艺气体的气体分配通道。在该示例中，每个室盖139包括两组单独的气体分配通道，每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，如在使两种前体通过相同通道的情况下将会发生的——这种混合可能导致化学反应发生在半导体晶片153以外的位置，这可能是在不可取的。在一些实施方案中，气体分配通道可以是与室盖139分隔开的结构；应当理解，本文所述的构思可以与任一类型的室盖139或气体分配器一起使用。
在诸如ALD或ALE处理工具之类的系统中，在半导体处理操作期间可以在处理室内形成“微体积”152。当基座151处于晶片处理所需的位置时，微体积152形成在基座151和室盖139或气体分配器之间；室盖139或气体分配器也可以具有围绕基座151的外周向下延伸的环形壁，从而限定微体积的圆周边界。微体积的体积小于处理室150的总体积，从而允许使用较少量的前体——这允许更快的剂量递送、更快的清洗、更少的反应物浪费和各种其它益处。微体积152可以被认为是在让气体穿过以在半导体晶片153上进行分配的表面和基座151之间的连续体积，并且可以在越过半导体晶片153被支撑的地方的第一主要流限制件(major flow restriction)处终止(其中第一主要流限制件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件)。
工艺气体可以通过真空前级管线140从处理室150排出。真空前级管线140可以通过独立的真空入口端口与真空泵送集气室105流体连通。在所示的实施方案中，真空泵送集气室105包围蒸气积聚体积103。
每个室盖139可以分别供应含有来自蒸气积聚体积103的蒸气的第一工艺气体。第一工艺气体可以通过对应的蒸气出口107从蒸气积聚体积103供应到每个处理室150。通过每个蒸气出口107的第一工艺气体的流动可以由对应的第一工艺气体剂量阀154(或控制阀组件)控制，其也可以包括限流器，如前所述，使得通过该蒸气出口107的流体流被限制为在节流器上是完全壅塞流或声速流。或者，限流器可以位于蒸气出口107上的其他位置。
如前所述，蒸气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气，而不影响蒸气积聚器储存器向其它处理室提供单一剂量的能力。在一些实施方案中，体积蒸气积聚体积可以被定义为满足以下关系：
其中n＝由蒸气积聚器储存器维护的半导体处理室的数量，Pc＝原子层沉积操作期间这些半导体处理室的微体积中的平均压强，Vm＝每个半导体处理室的微体积的体积(假设所有半导体处理室都是类似的设计)，q＝在单剂量期间输送到处理室的微体积中的一个微体积中的蒸气能充满的微体积的数量，Pp＝脉冲输送到半导体处理室期间的蒸气积聚器储存器中的峰值压强。这些参数中的许多可以根据蒸气积聚器储存器旨在支持的半导体制造工艺的细节而变化，并且蒸气积聚储存器因此可以根据这些参数而变化大小。
室盖也可以分别从第二工艺气体源169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，但可以使用与用于第二工艺气体的系统类似的系统输送)。第二工艺气体流入到每个室盖139内的流可由对应的第二工艺气体剂量阀155控制。
可以看出，蒸气积聚体积103可以具有由束发射器119发射的光束120。光束120可以转移蒸气积聚体积103并被光电传感器121接收，从而形成蒸气浓度传感器，其可以测量由于蒸气积聚体积103中的蒸气浓度导致的在光束120的衰减量，从而允许确定蒸气积聚体积103中的蒸气浓度。
在一些实施方案中并如前所述的，蒸气积聚体积可以与稀释气体入口113流体连通，该稀释气体入口113与储存器稀释气体源168连接。通过例如储存器稀释气体阀170或其他合适的控制装置，可以控制稀释气体通过稀释气体入口113的流动。如果需要，可以根据所进行的具体半导体处理的要求和使用蒸气浓度传感器获得的蒸气浓度读数来添加稀释气体，以降低蒸气积聚体积103中的蒸气浓度。
可以用一个或多个蒸发器156(例如蒸发器156a、156b、156c、156d)供应的蒸气来连续地补充蒸气积聚体积103。蒸发器156a、156b、156c、156d可各自包括可包含反应物167的安瓿157；来自载气源159的载气可以通过对应的载气流量控制器160选择性地提供给每个安瓿157，其可以控制载气是否被供应到相应的安瓿157以及(如果是的话)以什么流速。当载气流过可以保持在特定压强和温度下的安瓿之一时，反应物167可以蒸发成载气，并被从安瓿朝向限流器162载运。在达到限制器162之前，可以通过从安瓿稀释气体源163供应的附加的载气来增加反应物蒸气和载气混合物；每个安瓿157的附加载气流可以由对应的安瓿稀释气体流量控制器171调节。然后，载气和蒸气的这种组合流可以通过限流器162，限流器162的尺寸可以设定为在与半导体加工操作有关的正常工作条件下在载气/蒸气流中引入声速流。这样的声速流可以用作不受压强波动影响的缓冲器，即使在蒸气积聚器储存器中相对微不足道(例如大约1至5托)，但这影响了安瓿157的压力环境。应当理解，其它类型的蒸发器也可以与蒸气积聚器储存器一起使用——由蒸气积聚器储存器提供的功能不依赖于所使用的蒸发器的类型。还可以使用具有较少安瓿稀释气体流量控制器171的其它方案，例如，可以使用一个安瓿稀释气体流量控制器171来控制稀释气体流到多个安瓿157。
图2描绘了如本文所讨论的蒸气积聚器储存器的示例。如图2所示，蒸气积聚器储存器可以是装置201的一部分，其可以具有一个或多个蒸气出口207、蒸气入口206、蒸气压力端口210和转向端口212，其全部与蒸气积聚器储存器的蒸气积聚体积流体连通(这些端口/入口/出口中的一些可以是可选的，例如蒸气压力端口，真空压力端口等——尽管这样接口可以使监测传感器或其它功能增强装置能够被用于更好地控制储存器运行)。在该特定实施方案中，该装置还包括具有与真空出口端口208以及真空压力端口211流体连通的真空泵送集气室体积的真空泵送歧管。在图2中，蒸气积聚器储存器和真空泵送歧管不直接可见，因为加热套224包围蒸气积聚器储存器和真空泵送歧管。加热套224可以具有一个或多个加热套部分225，其可组装到加热套224中；每个加热套部分可以邻近于装置的壁。
图3描绘了图2的蒸气积聚器储存器，此时其可以定位在半导体处理工具中，但绝大多数加热套和各种其他部件都不存在。所描绘的半导体处理工具238未全部示出——例如，未示出处理室，但是示出了室盖239。在该特定示例中，半导体处理工具238包括四个处理室，但在这种工具中可以包括更少或更多数量的处理室并由相同的蒸气积聚器储存器维护。
如图3所示，装置201位于室盖239的上方。在该实施方式中，装置201包括蒸气积聚器储存器202和真空泵送歧管204。真空泵送歧管204可具有真空泵送集气室体积，其通过连接到室盖239的真空前级管线240与每个处理室流体连通。真空泵送歧管204可以与真空出口端口(在该视图中不可见)流体连通，该真空出口端口可以与真空阀217连接；真空阀217可以是允许调节真空流量的流量阀，例如节流阀。
可以通过蒸气入口206将蒸气供应到蒸气积聚器储存器202，然后经由蒸气出口207供应到每个室盖239。如前所述，蒸气积聚器储存器202中的蒸气可以通过加入稀释气体进行稀释，该稀释气体与承载来自蒸发器的蒸气的载气可以是相同的气体类型。这样的稀释气体可以直接引入蒸气积聚器储存器中，或者如图所示，可以从进入蒸气入口206的稀释气体入口213提供(后一选择可以促进稀释气体和蒸气更好混合)。如前所述，蒸气入口206可以从一个或多个蒸发器(未示出)供应气体。
蒸气压力端口210和真空压力端口211可以连接到压力传感器，例如压力传感器214(真空压力端口211也可以连接到类似的传感器，这里未示出)，以使蒸气积聚器储存器202和真空泵送歧管204内的压力条件能够被监测。
在一些实施方案中，蒸气积聚器储存器202可以配备有可以连接到转向阀216的转向端口212，该转向阀可用于将来自蒸气积聚器储存器202的过量蒸气转移到真空泵送歧管204中或作为半导体处理工具238的排气系统的一部分的其它位置。
图4描绘了装置201的另一视图。在图4中，蒸气积聚器储存器202和真空泵送歧管204是可见的。第一光束端口222和第二光束端口223也是可见的，第一光束端口222和第二光束端口223可以包括由石英或其他透明材料制成的窗口，其允许先前提到的光束通过蒸气积聚器储存器被投射。
如图所示，真空泵送歧管204可以具有整体环形形状并且可以与真空出口208流体连通。如图所示，蒸气积聚器储存器202可以是基本圆形的形状。应当理解，也可以使用蒸气积聚器储存器202和真空泵送歧管204(如果包括的话)的其它形状和构造。
图5示出了装置201的剖视图。可以看出，蒸气积聚器储存器202可以包括蒸气积聚体积203，其至少部分地由对应的上壁229、下壁230和外壁231限定。类似地，真空泵送歧管204可以包括至少部分地由对应的上壁232、下壁233、外壁234和内壁235限定的真空泵送集气室205。在该实施方案中，其中真空泵送歧管204的形状基本上是环形的，真空泵送歧管204的内壁235和蒸气积聚器储存器202的外壁231可以由相同的结构/壁提供，上面讨论的其他壁一样也可以如此，例如上下壁。
可以看出，蒸气积聚器储存器202可以可选地包括第一光学通道227，该第一光学通道227穿过真空泵送集气室体积205并终止于第一光束端口222处。在蒸气积聚器储存器202中支撑柱226也是可见的，其在该实施方案中由具有多个切口的圆形管提供，以允许蒸气自由流动通过支撑柱，以及允许光束穿过支撑柱226。还可以包括传感器215和蒸气压力端口210以监测蒸气积聚体积内的温度和压力。通过使用光学传感器来确定蒸气积聚体积内气化反应物的密度，并且使用压力和温度传感器来确定蒸气积聚体积内的气体(包括蒸气和载气)总量，可以确定和监测载气与蒸气的比率。
真空泵送集气室205还可以包括隔壁236，其将真空泵送集气室体积分成上部分205a和下部分205b；在某些方面，隔壁可以被认为是挡板的一种形式。
图6示出了装置201的另一剖视图。在图6中，可以清楚地看到真空泵送集气室体积205的环形特性。还示出了光束220，当光束220从第一光束端口222转向到第二光束端口223时穿过蒸气积聚体积203、穿过第一光学通道227和第二光学通道228；光学通道用于进一步增加光束在通过蒸气积聚体积时可能经过的路径长度(在这种情况下，与其中光束端口222/223位于蒸气积聚器储存器202的外壁231处而不是在光学通道227/228的端部处的实现方式相比，光学通道将光束传输长度增加大约25％)。在一些实施方案中，反射器可以位于蒸气积聚体积内与第一光束端口222相对，使得光束220可以通过第一光束端口222反射回；在这种实现方案中，光束发射器可以与光电传感器并置，以便检测反射的光束220。这可以允许光束220在到达光电传感器之前经过真空泵送集气室205两次，从而进一步提高光学蒸气浓度传感器的灵敏度。在一些这样的实施方案中，也可以包括第二光束端口223，反射器位于第二光束端口223后面的蒸气积聚体积203的外部。
在图6中隔壁236也是可见的，其可以包括两个分隔开口237；分隔开口可以各自例如是单个开口，或者可以各自包括聚集在一起的多个开口，例如多个小开口的圆形阵列。因此，每个分隔开口位置可以包括成组的一个或多个分隔开口237。每组的一个或多个分隔开口237可以与真空出口端口208等距定位，使得每组的一个或多个分隔件开口237和真空出口端口208之间的流动阻力通常是均衡的。
图7示出了装置201的另外的剖视图。从该切口可以看出，真空泵送集气室体积205的下部可以包括真空入口端口209，每个真空入口端口可以与真空前级管线240中的一个流体连通。真空入口端口209可以成对布置，每对中的真空入口端口209与成组的一个或多个分隔开口237中的一组等距离地间隔开。因此，每个真空入口端口209和真空出口端口208通常可以具有相同的长度并且具有相似的流动阻力。
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”的意义来解释。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。例如，“基本上平行”是指范围在0°和90°之间的角度的+/-5％。

Claims (10)

1.一种用于半导体处理工具的装置，所述装置包括：
具有蒸气积聚体积的蒸气积聚器储存器；
与所述蒸气积聚体积流体连通的蒸气入口；
一个或多个蒸气出口，每个蒸气出口与所述蒸气积聚体积流体连通；
第一光束端口，所述第一光束端口提供到所述蒸气积聚体积内的光路；和
光学蒸气浓度传感器，其被配置为引导光束穿过第一光束端口并且通过所述蒸气积聚体积。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
第二光束端口，其位于所述蒸气积聚器储存器的与所述第一光束端口相对的相对侧，其中，所述光学蒸气浓度传感器包括定位成将所述光束投射穿过所述第一光束端口的束发射器和定位成经由所述第二光束端口接收所述光束的光电传感器。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述光束主要由紫外光谱中的光组成。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括：
与所述蒸气入口流体连通的一个或多个蒸发器；和
插入在所述蒸气入口和所述一个或多个蒸发器之间的声速流孔，其中，所述声速流孔的尺寸设定以便在使用所述装置进行半导体处理操作期间产生壅塞流。
5.根据权利要求1、2或4中任一项所述的装置，还包括：
稀释气体入口，所述稀释气体入口被配置为与在正常使用期间包含在所述蒸气积聚器储存器内的蒸气不化学反应的稀释气体源连接。
6.根据权利要求1、2或4中任一项所述的装置，还包括：
真空泵送歧管，该真空泵送歧管包括至少部分地包围所述蒸气积聚体积的大部分的真空泵送集气室体积；
一个或多个真空入口端口，每个真空入口端口与所述真空泵送集气室体积流体连通；和
真空输出端口，所述真空出口端口与所述真空泵送集气室体积流体连通。
7.根据权利要求6所述的装置，其中：
所述真空泵送集气室体积至少部分地由内壁和外壁限定，并且
所述蒸气积聚体积至少部分地由所述内壁限定。
8.根据权利要求7所述的装置，其中：
所述蒸气积聚器储存器的整体形状是圆柱形，并且
所述真空泵送歧管的整体形状是环形。
9.根据权利要求8所述的装置，其中：
具有形成第一组两个真空入口端口和第二组两个真空入口端口的四个真空入口端口，
所述真空泵送歧管具有环形隔壁，其将所述真空泵送集气室体积分成上部环形泵送集气室体积和下部环形泵送集气室体积，
所述环形隔壁介于所述真空出口端口和所述真空入口端口之间，
所述环形隔壁包括两组一个或多个分隔开口，
每组一个或多个分隔开口距离所述真空出口端口等距离地设置，
所述第一组入口真空端口中的每个真空入口端口距离所述两组一个或多个分隔开口中的一组等距离地设置，以及
所述第二组入口真空端口中的每个真空入口端口距离另一组一个或多个分隔开口等距离设置。
10.根据权利要求6所述的装置，还包括：
加热套，该加热套包括：
与所述蒸气积聚器储存器的上壁邻近的一个或多个部分，
与所述蒸气积聚器储存器的下壁邻近的一个或多个部分，
与所述真空泵送歧管的上壁邻近的一个或多个部分，
与所述真空泵送歧管的下壁邻近的一个或多个部分，以及
与所述真空泵送歧管的外壁邻近的一个或多个部分，
其中每个部分包括被配置为向与该部分相邻的壁供应热量的一个或多个加热元件。
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