CN110770365A - 衬底处理装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种衬底处理装置，包括密封压力容器，诸如原子层沉积ALD装置；流体入口组件，被附接到密封压力容器的壁，该流体入口组件具有穿过壁的流体入口管；以及弹性元件，在流体入口组件中的流体入口管周围，从而将入口管耦合到壁，其中弹性元件的内部表面和外部表面中的一个表面受到在压力容器内主导的压力并且另一表面受到环境压力，以及其中流体入口管防止被携带到内部的流体与所述弹性元件接触；以及一种相关方法。

Description

衬底处理装置和方法
技术领域
本发明总体上涉及衬底处理反应器及其操作方法。更具体地但非排他地，本发明涉及原子层沉积(ALD)反应器。
背景技术
本部分说明有用的背景信息，而未认可本文中所描述的任何技术代表现有技术。
各种衬底处理装置(诸如沉积反应器)通常具有处于不同压力区域(从环境压力达到真空压力)的部件。真空部件通常适配于环境压力的大小，并且在温度和压力中的差异将会引起在非期望的位置中的变形。特别是到处于降低压力中的室(chamber)的化学物入口管通常从环境压力区域被引导或经由环境压力区域被引导，并且在多数情况下经由具有一组不同温度的区域被引导，这将会引起对化学物入口管的极大的应力，这可能是故障的关键位置。化学物入口到室中的示例在US 8,741,062 B1中被示出。
发明内容
本发明的某些实施例的目的是提供一种具有流体入口组件的改进的装置，或者至少提供一种对现有技术的备选方案。
根据本发明的第一示例方面，提供了一种衬底处理装置，包括：
密封压力容器；
流体入口组件，被附接到密封压力容器的壁，流体入口组件具有穿过壁的流体入口管，该装置还包括：
弹性元件，在流体入口组件中的流体入口管周围，从而将入口管耦合到壁，其中弹性元件的内部表面和外部表面中的一个表面受到在压力容器内主导的压力并且另一表面受到环境压力，以及其中流体入口管防止被携带到内部的流体与弹性元件接触。
在某些示例实施例中，本公开的装置提供了经压力调整的入口夹紧。在某些示例实施例中，弹性元件被配置为：由于在环境压力与压力容器的内部内主导的压力之间的压力差而压靠压力容器。
在某些示例实施例中，压力容器被密封意味着反应容器是关闭的或可关闭的室。
在某些示例实施例中，弹性元件被配置为在装置或组件的固定部件之间的位移下变形。在某些示例实施例中，弹性元件是气密的或大部分是气密的。当弹性元件仅大部分是气密的时，通过元件的气体泄漏优选地仅是小泄漏，以保持分离的压力区域。
在某些示例实施例中，密封压力容器形成包围内室的外室，该内室是密封反应室。
在某些示例实施例中，流体入口组件被附接到反应室壁。在某些示例实施例中，流体入口组件被附接到包围反应室的外室。因此，取决于实现方式，上述的密封压力容器可以指外室或指反应室(反应室具有或不具有将其包围的外室)。
在某些示例实施例中，入口管被布置为通过经由装置的内部(或反应室)向内移除入口管的至少一部分而被拆卸。
在某些示例实施例中，入口管被布置为通过将入口管的至少一部分向外移除至背离装置(或反应室)的方向而被拆卸。
在某些示例实施例中，入口管被布置为处于相对于反应室壁的固定位置。在这种实施例中，入口管可以被布置为在其他点或接头处变形或弯曲。
在某些示例实施例中，入口管被布置为处于相对于反应室壁的可旋转位置。在这种实施例中，入口管可以被布置为在其他点或接头处变形或弯曲。
在某些示例实施例中，弹性元件被配置为引起对入口管的机械压力。
在某些示例实施例中，机械压力的方向朝向反应室向内。
在某些示例实施例中，入口管由被布置为在彼此内部滑动的两个管形成。
在某些示例实施例中，反应室包括衬圈，该衬圈将入口管在其位置中锁定。
在某些示例实施例中，入口管配备有热分配元件，以沿着入口管分配热。在某些示例实施例中，热分配元件在入口管的整个纵向距离之上延伸。在某些示例实施例中，热分配元件仅在入口管的整个纵向距离的一部分之上延伸。在某些示例实施例中，热分配元件由单个部件形成。在某些示例实施例中，热分配元件由多个部件形成。在某些示例实施例中，热分配元件是有源加热器元件或包括有源加热器元件。在某些示例实施例中，热分配元件被定位在环境压力条件中。在某些示例实施例中，热分配元件被定位在(压力容器的)真空侧。
在某些示例实施例中，热分配元件在密封压力容器的壁的馈通点之上延伸。
在某些示例实施例中，入口管与反应室相接处的接触点是非永久固定点。
在某些示例实施例中，接触点是密封和/或加强的。
根据本发明的第二示例方面，提供了一种方法，包括：
向密封压力容器提供：流体入口组件，被附接到密封压力容器的壁，流体入口组件具有穿过壁的流体入口管；以及弹性元件，在流体入口组件中的流体入口管周围，从而将入口管耦合到壁，其中弹性元件的内部表面和外部表面中的一个表面受到在压力容器内主导的压力并且另一表面受到环境压力，以及其中流体入口管防止被携带到内部的流体与弹性元件接触，该方法还包括：
经由弹性元件的收缩而引起对入口管的机械压力，该机械压力的方向朝向压力容器的内部。
在某些示例实施例中，机械压力由在压力容器内主导的压力与环境压力之间的压力差引起。
前面已经描述了本发明的不同的非限定示例方面和实施例。上面的实施例仅仅用来解释可以用来实现本发明的所选择的方面或步骤。一些实施例仅参考本发明的一些示例方面而提出。应当理解，对应的实施例还可以应用于其他示例方面。可以形成各实施例的任何适当的组合。
附图说明
现在将参考仅作为示例的附图来描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的某些示例实施例的衬底处理装置的部件；
图2示出了图1的流体入口组件的放大截面图；
图3示出了根据本发明的另一示例实施例的流体入口组件的截面图；
图4图示了在前述实施例中公开的某些部件；
图5a和图5b示出了根据本发明的某些示例实施例的机械限制器的操作；
图6示出了根据本发明的又一示例实施例的流体入口组件的截面图；
图7示出了根据本发明的又一示例实施例的流体入口组件的截面图；
图8示出了根据本发明的又一示例实施例的流体入口组件的截面图；以及
图9示出了根据某些示例实施例的在入口管与反应室壁之间的接触点的另一截面图。
具体实施方式
在以下的描述中，原子层沉积(ALD)技术作为示例被使用。然而，本发明并不旨在限于ALD技术，而是可以被运用在应用不同的温度和/或压力范围的各种衬底处理装置中，例如，在化学气相沉积(CVD)反应器中。衬底处理装置可以是真空沉积装置。备选地，本发明可以被应用到执行非沉积处理(诸如烧结或蚀刻，例如原子层蚀刻(ALE))的装置。
ALD生长机制的基础对本领域的技术人员来说是已知的。ALD是一种特殊的化学沉积方法，其基于向至少一个衬底顺序引入至少两种反应性前体物质。然而，应被理解的是，在使用例如光子增强ALD或等离子体辅助ALD(例如PEALD)时，这些反应性前体之一可以由能量代替，从而导致单个前体ALD过程。例如，诸如金属的纯元素的沉积只需要一种前体。当该前体化学物包含要被沉积的二元材料的两种元素时，二元化合物(诸如氧化物)可以利用一种前体来生成。由ALD生长的薄膜是致密的、无孔的并且具有均匀厚度。
图1示出了根据本发明的某些示例实施例的衬底处理装置100的部件。反应空间112是在反应室内的限定体积。期望的衬底处理(即，期望的化学反应)发生在反应空间112中的衬底101的表面处。在某些示例实施例中，在处理期间，衬底101由在反应室内的衬底保持器110支撑。
反应室是由(一个或多个)反应室壁130限定的压力容器。在某些示例实施例中，如在图1中示出的，装置100包括另外的压力容器，即外室。外室包围反应室，从而关闭处于反应室壁130与外室(外)壁140之间的中间空间114。
在处理期间，在反应室内的反应空间112处于真空。在装置100是沉积反应器(例如ALD或CVD反应器)的情况下，反应室/反应空间112内的压力可以例如为1μbar至0.1bar，或更优选地为0.1至1mbar。在某些示例实施例中，中间空间114具有比在反应室中的压力更高的压力(诸如大约10mbar)。中间空间114可以包含加热器。例如，压力装置防止反应性化学物与加热器发生接触。
环境条件(温度、压力)大体上在外室壁140的外部主导。环境温度和环境压力在此主导的外室壁140的外部的空间由附图标记116来表示。
流体入口组件120被附接到外室壁140，以向反应空间112提供期望的化学物(尽管在其他实施例中、例如在缺少外室的实施例中，对应的流体入口组件也可以替代地被附接到反应室壁130)。
图2示出了流体入口组件120的放大截面图。流体入口组件120在一端被附接到流体入口管201，并且在另一端被附接到室壁140的外部表面。在实际的实施例中，流体入口组件包括在组件的第一端处的第一端部件209以及在组件的相对端处的第二端部件206。端部件206、209可以是凸缘或类似物。流体入口管201在组件120内穿透室壁140。流体入口组件120还包括弹性元件205，弹性元件205在流体入口管201周围，从而将入口管耦合到壁140。弹性元件205可以是气密的或大部分是气密的。在实际的实施例中，弹性元件205被定位在端部件206、209之间。端部件或凸缘206可以通过紧固元件(诸如螺栓207)而被附接到室壁140。端部分209可以通过例如VCR(真空耦合辐射)连接而被附接到流体入口管201。在流体入口管201周围的真空间隙穿过外室壁140延伸到组件120内的空间中，该空间由弹性元件205的内部表面划界。因此，弹性元件205的内部表面受到在中间空间114内主导的压力，并且弹性元件205的外部表面受到环境压力。在描绘的解决方案中，内部表面也在某种程度上受到反应空间112的压力。
如在上面提到的，在衬底处理装置100的操作期间，在中间空间114内的压力与环境压力不同。该压力差造成弹性元件205收缩(即，变形)，从而引起入口管201将自身推向反应室。
当体积112和114被加压至环境压力(例如，在维护阶段期间)，这引起弹性元件205重获其原本的长度，其具有将入口管201向外缩回的效果。这也减少了弹性元件205的刚度，从而使弹性元件205能够以任何方向或角度移动，以便在需要时便于从装置移除一个或多个部件。
在某些示例实施例中，诸如在图2中示出的，流体入口管201由两个管形成：管201及直径更大的管202。流体入口管201进入直径更大的管202的内部，在直径更大的管内行进一定(短)距离并且然后中断。因此，管201和202重叠一定距离。直径更大的管从中断处延伸至反应室壁130。如在图2中由双箭头图示的，在管201与202之间的适配是紧密适配，从而当入口装置120由于压力变化而收缩或伸长时，允许管201以水平方向恰好在直径更大的管202内滑动。直径更大的管202具有径向延伸部211，径向延伸部211锁定管202的位置。直径更大的管202可以从反应室的方向被推动到径向延伸部接触反应室壁130、并且防止管202的进一步水平移动的位置。衬圈212可以在径向延伸部的另一侧被降低，防止管202向后移动，从而将管202在其水平位置中锁定。在维护期间，管202可以经由反应室被拉出。
在某些示例实施例中，入口装置120包括一个或多个机械限制器208，其限制入口装置120的水平移动、特别是弹性元件205的水平移动。机械限制器208可以实现为不必具有旋转对称性的独立的杆元件。(一个或多个)限制器可以被附接在端部件206与209之间。
在某些示例实施例中，入口装置120包括在管201周围的管状热导体204。在某些示例实施例中，入口装置120包括在管202周围的另外的管状热导体203。热导体203和204可以从一个或多个加热器接收热，或者它们本身可以是有源加热器。在某些示例实施例中，在入口管201和/或202周围的加热器元件的顶部上存在热分配元件。在某些示例实施例中，(一个或多个)热导体用以平衡温度差并且生成优选的热梯度。入口管的加热增加了进入流体在其到达衬底101之前的温度。在某些示例实施例中，被连接到管201的化学物源是经加热的源。在这些实施例中，从经加热的源到衬底的整条路径都应被加热以避免冷斑的生成。
所描述的流体入口组件120提供了经压力调整的入口夹紧。例如，弹性元件205可以由具有褶皱形式的管(诸如波纹管)来实现，或者在某些示例实施例中由弹簧来实现。如所提到的，由于在环境压力与在压力容器内主导的压力之间的压力差，入口组件120被配置为压靠反应室或另一压力容器。然而，应当注意，流体入口组件120或弹性元件205的所描述的变形(收缩或伸长动作)在其他示例实施例中可以由其他部件(诸如，由机械致动器)被致动。在这些实施例中，例如，(一个或多个)电动机或形状记忆合金可以用于实现该致动。
取决于实现方式，流体入口组件120创建入口管抵靠配对件(counterpart)的机械紧密连接，配对件可以例如为反应室壁130、衬圈212和/或直径更大的管202。在某些示例实施例中，弹性元件205允许入口管201、202相对于反应室壁130的移动。在某些示例实施例中，该移动由通过压力、温度或者装置的其他结构(例如，盖子)引入的应力引起。在实践中，该移动可以以任何方向和角度进行。在某些示例实施例中，一个或多个另外的部件(诸如脉冲阀)被定位为从入口管悬挂，而不限制弹性元件205的移动。弹性元件205不与被引导至入口管201中的(一个或多个)化学物接触。因此，通过元件205的潜在材料泄漏不影响在反应空间112内的化学反应。
图3示出了根据本发明的某些示例实施例的流体入口组件120的截面图。所示的实施例对应于在图1和图2中示出的实施例，除了在前述实施例中被定位在压力区域114内的热导体204已经被定位在环境压力区域116中。与此同时，端部件209接合流体入口管201的附接点已经被朝向反应室转移。热导体204可以备选地是有源加热器。
图4图示了流体入口管201和202的接合点。管201被允许在直径更大的管202内滑动。图4还示出了由管202包括的径向延伸部。图4进一步图示了衬圈212。衬圈具有开口，其足够紧密以允许管202适配地穿过，但防止延伸部211适配地穿过，因此提供了针对管202的锁定效果。
图5a和图5b为示出了(一个或多个)机械限制器208的操作的截面图。图5a示出了弹性元件205的外部表面受到与其内部表面相同压力的情况；而图5b示出了压力在弹性元件205的内部表面侧更低的情况。
在图5a和图5b中示出的机械限制器208的示例由两个连接的杆208’和208”形成。杆208’被附接到端部件206，并且部件208”被附接到端部件209。杆208’包括两个端停止件，并且杆208”包括被允许在端停止件之间移动的凸起部件，因此设置了针对弹性元件205的纵向移动的端点。
在图5a的情况中，弹性元件205处于其正常长度，并且突出部件靠近于更靠近端部件209的端停止件。在图5b的情况中，弹性元件205趋于在其纵向方向中收缩，并且突出部分与另一个端停止件(更靠近端部件206)一起设置最大收缩限制。虽然限制器在此描绘为限制在水平方向中的运动，但应当理解，取决于实现方式，可以实现限制在任何方向上的移动的延伸。
图6示出了根据本发明的又一示例实施例的流体入口组件120的截面图。所示出的实施例大体上对应于在图1和图2中示出的实施例。然而，在该实施例中，流体入口管201一路延伸至反应室壁130，并且管201包括径向延伸部211。直径更大的管202被省略。
图7示出了根据本发明的又一示例实施例的流体入口组件120的截面图。所示出的实施例大体上对应于在图6中示出的实施例。然而，在该实施例中，径向延伸部211被定位在反应室壁130的入口组件侧上，而在图6中示出的实施例中，径向延伸部211被定位在反应室壁130的反应室侧上。弹性元件205的收缩将流体入口管201压向反应室壁130和/或压靠反应室壁130。径向延伸部211用作针对管201的纵向移动的限制器。(一个或多个)加热器203或(一个或多个)热导体204可以实现为彼此共线或彼此堆叠的分离元件。或者，元件203和204可以被实现为单个元件。另外，除了被定位在真空侧内，加热器204也可以被定位在环境压力区域中(例如，通过将加热器204定位到凹槽中，该凹槽与例如图3所示类似地从环境侧沿着入口管201的表面延伸、或者完全环形地包围入口管201的表面)。在维护期间，入口管201与组件120一起可以从(壁140的)外部被拉出。
图8示出了根据本发明的又一示例实施例的流体入口组件120的截面图。所示出的实施例大体上对应于在图7中示出的实施例。然而，在图8中，在入口管与反应室或壁130相接处的接触点的密封或加强已经更详细地被描述。根据图8，流体入口组件可以在管201与反应室130之间包含密封件801(诸如o形圈)，以减少到中间空间114中的化学物泄漏。接触点可以以各种方式被实现。代替或附加于在图7中示出的阶梯状连接和在图8中示出的密封实现方式，可以实现锥型连接、球形或半球形连接、在室壁130中具有合适的对应形状的任何表面连接。例如，接触点可以由阶梯接头、圆形接头、球形接头加强或者由分离的圆柱体加强。
图9示出了一种实现方式，其中在入口管201与反应室壁130之间的接触点(或接合点)901被可选择地布置。入口管201包括弯折的或球形的端，并且反应室或室壁130包括凹进的对应表面。当需要时，入口管201被允许在所形成的接头或接头点处旋转移动。在某些示例实施例中，在接合点处穿过壁130的馈通开口可以具有大于入口管201的内径的直径。在某些示例实施例中，接头被实现在反应室壁130的内部侧中。
在又一备选实施例中，弹性元件205不是分离的元件，而是被制造为室140的整体部分的元件。此外，所公开的实施例不旨在限制弹性元件205的位置，而是限制其机械功能以允许弹性元件205连接的一个或多个部件的移动。在某些示例实施例中，压力装置防止反应性化学物与弹性元件205接触，在该压力装置中，中间空间114中的压力高于反应室中的压力。
在某些备选实施例中，中间空间114具有的压力高于在环境区域116中的压力。在这种状况下，针对入口组件120的机械压力可以从密封压力容器或反应室的内部朝向外部被生成。
在某些示例实施例中，放置在元件120上的机械压力可以由机械致动器或由弹簧载荷来加强、位移或完全生成。
在另外的某些备选实施例中，衬底处理装置包括多于两个壁，并且入口组件在各个壁中的每个壁之上操作。
与任何特定的前述实施例相关的描述都可直接适用于其他公开的实施例。这关于所公开装置的结构和操作两者适用。
在不限制专利权利要求的范围和释义的情况下，下面列出了本文中公开的示例实施例中的一个或多个示例实施例的某些技术效果。一种技术效果是提供了减少在化学物入口管和相关结构中的非期望应力。另一种技术效果是入口管夹紧，该入口管夹紧通过压力或其他方式可调整。另一种技术效果是避免了冷斑并且改善了室馈通处的热分配。另一种技术效果是改进的可维护性。
应当注意，前面讨论的功能或方法步骤中的一些功能或方法步骤可以不同的顺序执行和/或彼此同时执行。此外，上述功能或方法步骤中的一个或多个功能或方法步骤可以是可选的或者可以进行组合。
通过本发明的特定实施方式和实施例的非限制性示例的方式，前面的描述提供了本发明人目前构想的用于实施本发明的最佳模式的全面和翔实的描述。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，本发明不限于上面呈现的实施例的细节，而是在不偏离本发明的特性的情况下可以使用等效方式在其他实施例中实施。
此外，上面公开的本发明实施例的特征中的一些特征可以有利地在没有对应地使用其他特征的情况下使用。因此，前面的描述应视为仅是对本发明的原理的说明，而非对本发明的原理的限制。因此，本发明的范围仅受随附专利权利要求的限制。

Claims (17)

1.一种衬底处理装置，包括：
密封压力容器；
流体入口组件，被附接到所述密封压力容器的壁，所述流体入口组件具有穿过所述壁的流体入口管，所述装置还包括：
弹性元件，在所述流体入口组件中的所述流体入口管周围，从而将所述入口管耦合到所述壁，其中所述弹性元件的内部表面和外部表面中的一个表面受到在所述压力容器内主导的压力并且另一表面受到环境压力，以及其中所述流体入口管防止被携带到内部的流体与所述弹性元件接触。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述弹性元件被配置为在装置或组件的固定部件之间的位移下变形。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述密封压力容器形成包围内室的外室，所述内室是密封反应室。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述弹性元件被配置为引起对所述入口管的机械压力。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述机械压力的方向朝向所述反应室向内。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述入口管由被布置为在彼此内部滑动的两个管形成。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述反应室包括衬圈，所述衬圈将所述入口管在其位置中锁定。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述入口管被布置为通过经由所述装置的内部向内移除所述入口管的至少一部分而被拆卸。
9.根据前述权利要求1至7中的任一项所述的装置，其中所述入口管被布置为通过将所述入口管的至少一部分向外移除至背离所述装置的方向而被拆卸。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述入口管被布置为处于相对于反应室壁的固定位置。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述入口管被布置为处于相对于反应室壁的可旋转位置。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述入口管配备有热分配元件，以沿着所述入口管分配热。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述热分配元件在所述密封压力容器的所述壁的馈通点之上延伸。
14.根据权利要求3所述的装置，其中在所述入口管与所述反应室相接处的接触点是非永久固定点。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述接触点是密封和/或加强的。
16.一种在衬底处理装置中的方法，包括：
向密封压力容器提供：流体入口组件，被附接到所述密封压力容器的壁，所述流体入口组件具有穿过所述壁的流体入口管；以及弹性元件，在所述流体入口组件中的所述流体入口管周围，从而将所述入口管耦合到所述壁，其中所述弹性元件的内部表面和外部表面中的一个表面受到在所述压力容器内主导的压力并且另一表面受到环境压力，以及其中所述流体入口管防止被携带到内部的流体与所述弹性元件接触，所述方法还包括：
经由所述弹性元件的收缩而引起对所述入口管的机械压力，所述机械压力的方向朝向所述压力容器的内部。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述机械压力由在所述压力容器内主导的所述压力与所述环境压力之间的压力差引起。
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