CN111065760B - 紊流涡旋多区前体汽化器 - Google Patents

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Abstract

一种可用于在化学气相沉积装置的室中的半导体衬底上沉积材料的汽化器，所述汽化器包括：第一入口，其被配置为接收雾化的前体；第二入口，其被配置为接收载体气体；流动路径，其与所述第一入口和所述第二入口流体连通，且被配置为实现对所述第一入口和所述第二入口所供应的雾化的前体与载体气体流的紊流。多个加热元件包括：第一加热元件，其被配置为加热所述流动路径的第一区域；以及第二加热元件，其被配置为加热所述流动路径的第二区域。与所述流动路径流体连通的出口被配置为输送从所述雾化的前体产生的蒸气。

Description

紊流涡旋多区前体汽化器
背景技术
某些半导体制造工艺在引入前体至半导体处理室之前需要将其汽化。前体通常以液体形式提供，因此必需有汽化器对液体前体进行汽化。传统的汽化器通常通过雾化器喷嘴喷射前体并且然后在加热的载体气体中加热雾化的前体来汽化液体前体。
发明内容
本说明书中描述的主题中的一种或更多种实现方式的细节阐述于下方的附图与具体实施方式中。根据具体实施方式、附图以及权利要求，其他的特征、方面以及优点将变得显而易见。注意，除非特定指出按比例绘制，否则，以下附图的相对尺寸可不按比例绘制。
在一实施方案中，一种可用于供应蒸气至化学气相沉积装置的汽化器，在所述化学气相沉积装置中处理半导体衬底，所述汽化器包括：第一入口，其被配置为接收雾化的前体；第二入口，其被配置为接收载体气体；单一涡旋流动路径，其与所述第一入口和所述第二入口流体连通，且被配置为实现对所述第一入口和所述第二入口所供应的雾化的前体与载体气体流的紊流；多个加热元件，其包括：第一加热元件，其被配置为加热所述流动路径的第一区域；以及第二加热元件，其被配置为加热所述流动路径的第二区域；以及出口，其与所述流动路径流体连通，并且被配置为输送从所述雾化的前体产生的蒸气。所述流动路径优选沿其整个长度具有恒定的横截面流动面积。
根据上述实施方案的第一变化，所述流动路径可以延伸通过堆叠板装置，所述堆叠板装置包括：顶板，在所述顶板中具有所述第一入口和所述第二入口；第一板，在所述第一板中具有所述第一加热元件；第二板，在所述第二板中具有所述第二加热元件；第一分隔板，其介于所述第一板和所述第二板之间；以及底板，在所述底板中具有所述出口。
在所述第一变化中，延伸通过所述第一板的所述流动路径的第一部分包括：第一上涡旋通道，其在所述第一板的上表面中；第一下涡旋通道，其在所述第一板的下表面中；以及第一连接通路，其提供介于所述第一上涡旋通道与所述第一下涡旋通道之间的流体连通，所述第一板附接于所述顶板，使得所述流动路径的所述第一部分与所述第一入口和所述第二入口流体连通。
在所述第一变化中，延伸通过所述第二板的所述流动路径的第二部分包括：第二上涡旋通道，其在所述第二板的上表面中；第二下涡旋通道，其在所述第二板的一下表面中；以及第二连接通路，其提供介于所述第二上涡旋通道与所述第二下涡旋通道之间的流体连通，所述第一分隔板包括位于所述第一分隔板中的第一通路，所述第一通路将在所述第一板中的所述流动路径的所述第一部分连接至在所述第二板中的所述流动路径的所述第二部分。
在所述第一变化中，所述堆叠板装置可以包括：第三板，其具有在所述第三板中的第三加热元件；以及第二分隔板，其介于所述第二板和所述第三板之间，所述流动路径的在所述第三板中的第三部分包括：第三上涡旋通道，其在所述第三板的上表面中；第三下涡旋通道，其在所述第三板的下表面中；以及第三连接通路，其提供介于所述第三上涡旋通道与所述第三下涡旋通道之间的流体连通，所述第二分隔板包括位于所述第二分隔板中的第二通路，所述第二通路将所述流动路径的在所述第二板中的所述第二部分连接至在所述第三板中的所述流动路径的所述第三部分。
在所述第一变化中，O形环密封件位于所述堆叠板装置的相邻板之间，在所述第一分隔板中的所述第一通路位于所述第一分隔板的中心，且在所述第二分隔板中的所述第二通路位于所述第二分隔板的中心。
在所述第一变化中，所述第一加热元件可以包括第一成对的电阻加热器，其位于延伸进入所述第一板的外周边的水平孔中；所述第二加热元件可以包括第二成对的电阻加热器，其位于延伸进入所述第二板的外周边的水平孔中；所述第一板和所述第二板任选地包括温度传感器，所述温度传感器被配置为监控所述第一板和所述第二板的温度并对控制单元提供反馈，所述控制单元被配置为单独地调节所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度。
在所述第一变化中，其中所述堆叠板装置包括第三板，所述第一加热元件可以包括第一成对的电阻加热器，其位于延伸进入所述第一板的外周边的水平孔中；所述第二加热元件可以包括第二成对的电阻加热器，其位于延伸进入所述第二板的外周边的水平孔中；所述第三加热元件可以包括第三成对的电阻加热器，其位于延伸进入所述第三板的外周边的水平孔中，所述第一板、所述第二和所述第三板包括任选的温度传感器，所述温度传感器被配置为监控所述第一板、所述第二板和所述第三板的温度并对控制单元提供反馈，所述控制单元被配置为调节所述流动路径的所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分的温度。
在上述实施方案的所述第二变化中，所述流动路径通过嵌入金属块中的涡旋管，所述金属块包括被配置为加热所述流动路径的第一部分的加热元件、以及被配置为加热所述流动路径的第二部分的第二加热元件，所述金属块包括温度传感器，所述温度传感器被配置为监控所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度并对控制单元提供反馈，所述控制单元被配置为单独地调节所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度。
在所述堆叠板装置包括第一板和第二板的第一变化中，第一板和第二板可由金属(例如不锈钢或铝合金)制成。所述第一上涡旋通道和所述第二上涡旋通道可以被加工至所述第一板和所述第二板的所述上表面中，所述第一下涡旋通道和所述第二下涡旋通道可以被加工至所述第一板和所述第二板的所述下表面中，所述第一连接通路可以在所述第一上涡旋通道的最外部和所述第一下涡旋通道的最外部之间延伸，且所述第二连接通路可以在所述第二上涡旋通道的最外部和所述第二下涡旋通道的最外部之间延伸。
在上述实施方案的第一变化和第二变化中，汽化器可以包括与所述第一入口流体连通的超声波喷嘴。
根据第二实施方案，一种化学气相沉积装置包括：室和上文所述的汽化器，其中半导体衬底能在所述室中进行处理，其中所述汽化器被配置为将汽化的前体供应至所述室中以在被支撑在所述室中的半导体衬底上沉积材料层。
在上述实施方案的第一变化中，所述化学气相沉积装置还包括控制单元和温度传感器，所述温度传感器被配置为监控所述流动路径的第一部分和第二部分的温度并对所述控制单元提供反馈，所述控制单元被配置为单独地调节所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度。
在上文所述的化学气相沉积装置的操作期间，所述雾化的前体可在所述流动路径中转换为蒸气并在2秒内供应至所述室。
根据第三实施方案，在一种将通过上文所述的汽化器产生的蒸气供应至化学气相沉积装置的室的方法中，所述方法包括：供应雾化的液体前体至所述第一入口；供应载体气体至所述第二入口；使所述雾化的液体前体和所述载体气体在所述流动路径中流动，同时加热所述流动路径的第一部分至第一温度以及加热所述流动路径的第二部分至第二温度；以及使蒸气从所述出口流至所述室的内部。
根据第三实施方案，所述雾化的液体前体可以在所述流动路径中被转换成蒸气并在沿着所述流动路径行进之后的两秒内被供应至所述室，所述流动路径包括在第一平面中从所述汽化器的中心部延伸至所述汽化器的外部的第一涡旋路径、在第二平面中从所述汽化器的外部延伸至所述汽化器的中心部的第二涡旋路径、在第三平面中从所述汽化器的中心部延伸至所述汽化器的外部的第三涡旋路径，以及在第四平面中从所述汽化器的外部延伸至所述汽化器的中心部的第四涡旋路径。
所述方法还可以包括：利用温度传感器监控所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度；向控制单元提供代表所监控到的温度的数据；以及基于所述所监控到的温度单独地控制所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度。
在上文所述的方法中，所述流动路径优选沿其整个长度具有恒定的横截面流动面积，且所述雾化的液体前体和所述载体气体在所述流动路径中经历紊流。
在优选的实施方案中，所述方法还包括：在所述室中支撑半导体衬底；激发所述蒸气为等离子体状态；以及在所述半导体衬底上沉积材料层。
附图说明
图1示出了包括汽化器的化学气相沉积装置的气体供应部。
图2示出了图1所示的汽化器的方面。
图3示出了包括室的化学气相沉积装置，在所述室中使用图1所示的汽化器处理半导体晶片。
图4示出了具有堆叠板装置的汽化器的示例。
图5示出了图4所示的汽化器的分解图。
图6示出了图4所示的汽化器的剖视图。
图7示出了可用于具有嵌入于金属主体中的管状流动路径的汽化器中的涡旋流动路径的示例。
具体实施方式
本说明书中描述的主题中的一种或更多种实现方式的细节阐述于下方的附图与描述中。注意除非特定指出按比例绘制，否则以下附图的相对尺寸可不按比例绘制。
晶片均匀度是高质量半导体晶片的处理的重要因素。在半导体处理的某些实现方式中，液体前体在沉积于半导体晶片上之前可能需要蒸发或汽化。前体的完全蒸发可对受处理的半导体晶片的处理均匀度有大的影响。本发明的发明人已确认许多市售的汽化器表现出前体的不完全蒸发。
应当理解，如文中所用，术语“半导体晶片”可是指由半导体材料(如硅)所制成的晶片，以及由一般不认为是半导体材料但通常在半导体处理期间有半导体材料沉积于其上的材料(如环氧树脂)所制成的晶片。本公开中所述的装置与方法可用于处理多种尺寸的半导体晶片，包括直径为200mm、300mm、及450mm的半导体晶片。
本文所述的汽化器可用于在衬底上进行化学气相沉积材料期间对半导体衬底(诸如，晶片)进行处理。这种汽化器可包括雾化器喷嘴，以将液体前体喷射成细小的液滴雾，然后液滴雾通过被夹带于加热气体中部分或全部蒸发。本文所述的汽化器为紊流汽化器，其不仅可与适用于半导体处理的任何前体一起使用，还可与跟半导体制造不一定相关的液体一起使用。紊流汽化器使用单一涡旋流动通道，其可被加工成堆叠板或是作为铸造于块体中的一段管子，所述块体与恒定的载体气体紊流和超声波雾化前体耦合。紊流汽化器可定制以具有可变长度并且增加在汽化器内部的滞留时间。紊流汽化器的单一流动路径的横截面积可改变以确保前体和载体气体流速始终处于紊流状态。一个示例可以为：在保持紊流时，较小的横截面流动面积用于较低的前体流速。在紊流汽化器中，超声波雾化的前体和载体气体以紊流状态进入汽化器，使得在尽可能快地移动流体混合物通过汽化器时，对流体混合物发生高得多的传热率。因此，在最高液体流速下，使用紊流汽化器在约2秒内可以实现非常快速和稳定的蒸气产生，以获得完全稳定的蒸气流。相，传统的汽化器需要5秒或更多的时间才能在任何流速下产生完全稳定的蒸气流。紊流汽化器包括多个加热区，以确保快速控制汽化过程且使目标温度过量最小化。
传统的汽化器的作用方式通常是首将要汽化的液体雾化成雾状微小液滴，其然后在气态环境中加热，如夹带在经加热的载体气体中。这种传统汽化器的操作原理是：雾化将液体分成多个较小部分，其与雾化前的前体中存在的相比具有更大的表面积比体积的比例，且此增加的表面积比体积的比例导致剩余的液相前体在经加热的载体气体中相对快速地蒸发。
由于这种传统汽化器的工作方式，载体气体必须以相当高的速度(例如300m/s)流过汽化器。由于蒸发的程度基于经雾化的前体/载体气体在汽化器的经加热环境中的滞留时间，因此前体/载体气体的流动路径长度通常被视为所经历的汽化程度的决定因素且液体前体的挥发可能需要5秒或更多时间。这产生了问题：由于雾化的前体/载体气体混合物以高速流动因而快速地移动通过汽化器，虽然可通过延长流动路径长度而增加滞留时间，但汽化器制造商通常受限于半导体制造设备的包装外壳，即，这种制造商通常设法最小化汽化器的尺寸，以有更多空间可用于其他设施。大多数传统的汽化器被设计为使得其流动路径长度(从而经雾化的前体的滞留时间)充分长而足以在理论上汽化所有雾化的液滴(不需太久的时间)；由于上述讨论的包装限制，通常无法将这些流动路径制造得更长。
然而，在决定这种流动路径长度时，这种设计通常依赖于平均液滴尺寸。由于在实际应用中某些液滴将较大而某些液滴较小，所以较小尺寸的液滴仍将完全蒸发，但较大尺寸的液滴通常将在尚未完全蒸发前离开这种汽化器。让液滴在完全被汽化前便离开汽化器可导致晶片因传统汽化器所造成的这种不完全的前体汽化而产生不可接受的缺陷量。随着半导体制造技术的持续进步，对于残余物、未蒸发的液滴所留下的缺陷数目有更少的容忍度。
应理解，如文中所用，术语“处理流体”可以指液体、气体、或适用于衬底处理的液态或气态流体的任何组合，包括前体以及载体气体。本公开可另外基于处理流体来确定部件，所述部件被设计成使所述处理流体流动。因此，第一处理流体盖板可经设计成使第一处理流体流动。
现在参考图1，其示出了前体蒸气产生和输送系统100。系统100包括热交换器102、汽化器104、两个或更多个平行的蒸气前体输送路径106(即，至少一个冗余路径)和室108(如图3所示)。每个蒸气前体输送路径106包括过滤器110。过滤器110可包括用于温度控制的加热套。通过使用闸阀112的控制模块(下图3中所述)可选择零个、一个或多个蒸气前体输送路径106。换向器(图1未示出)允许蒸气前体被换向或提供至室108。其它阀(例如，清洗(purge)阀116和/或真空阀118)在过滤器110的清洗操作期间使用。仅举例而言，当从一种类型的前体改变为另一种类型时，可使用清洗操作。
压力计120用于监控蒸气前体输送路径106中的压力。控制模块(如图3所示)监控压力计120的输出并产生压力差。过滤器的干净/脏污状态可基于压力差和一个或多个预定阈值来决定。因此，控制模块可用于决定特定路径106中的过滤器110何时需要置换。控制模块也可根据所供应的前体的类型使用两个或更多个不同的压力差阈值。
如果需要，通过提供多个路径可将蒸气前体的流动从一个或多个路径非常快速地改变到一个或多个其它路径，而不是关闭系统100来改变过滤器。因此，前体蒸气产生和输送系统100可以提供改善的正常运作时间。这部分由于前体蒸气产生和输送系统100将蒸气前体输送路径从具有堵塞的过滤器的路径切换到具有干净的过滤器的路径并随后继续操作的能力。此外，从汽化器经由热交换器/过滤器到室的路径由过滤器、管道和/或阀加热单元加热。更均匀的加热减少了系统100中颗粒的发生率。
现在参考图2，其示出了根据本公开的示例性汽化器250。汽化器250包括雾化器252和热交换器/过滤器256。仅举例而言，热交换器/过滤器256可以由MSP公司制造的Turbo汽化器实现，然而可使用其它合适的热交换器/过滤器。限流孔258可布置在雾化器252的入口260处。载体气体流过限流孔258并以高线性速度离开。仅举例而言，载体气体可具有大于300米/秒的线性速度，但可使用其它速度。雾化器252的一个或多个液体前体入口262经由液体流量控制器(LFC)264和阀266接收液体前体。
高速气体在液体前体上的阻力提供了雾化机制。高速载体气体将动量转移给液体前体，这导致了剪切效应。剪切效应破坏了液体前体的表面张力并产生液滴。仅举例而言，液滴可以具有1至5微米的直径，但可使用其它更大或更小的液滴尺寸。
热中断或绝缘器270可设置在雾化器252和热交换器/过滤器256之间。热中断器270解耦热交换器/过滤器256和雾化器252的热特性。热交换器/过滤器256加热液滴使得液滴汽化。仅举例而言，热交换器/过滤器256包括带式加热器272。热交换器/过滤器256的过滤器(未示出)可被布置成接收和过滤热交换器/过滤器256的输出。过滤器具有蒸气前体通过其中的一个或多个膜。过滤器的输出端可形成喷嘴274。可设置附加的加热器(未示出)以加热过滤器出口处的被汽化的前体。
热交换器/过滤器256可包括多个通道，其加热和再循环液滴以形成蒸气前体。通道中的一些可再循环回热交换器/过滤器256的入口280附近。其它通道可直接朝向过滤器。细小液滴在抵达过滤器之前被转化为蒸气。
现在参考图3，其示出了示例性CVD系统。膜的沉积优选地在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中实施。PECVD系统可采用许多不同的形式。PECVD系统包括一或多个室或“反应器”(有时包括多个站)，其容纳一个或多个晶片并且适用于晶片处理。每个室可容纳一个或多个晶片以进行处理。一个或多个室将晶片维持在限定的一或多个位置(在所述位置内移动或不移动，例如旋转、振动或其它搅动)。在处理期间，正经历沉积的晶片可在反应室内从一个工作站转移到另一个工作站。当然，膜沉积可完全在单一工作站进行，或者膜的任何部分可在任何数量的工作站上进行沉积。
在晶片处理期间，每个晶片通过基座、晶片卡盘及/或其它晶片保持装置保持在合适位置上。对于某些操作，所述装置可包括加热器(例如加热板)以加热晶片。
例如，图3中的反应器500包括处理室524，其包封反应器的其它部件并容纳等离子体。等离子体可由电容器型系统产生，该电容器型系统包括与接地加热器块520结合起作用的喷头514。高频射频产生器502(其连接于匹配网络506)和低频射频产生器504连接到喷头514。由匹配网络506提供的功率和频率足以由处理气体产生等离子体。
在反应器内，晶片基座518支撑衬底516。基座518通常包括卡盘、叉或升降销，以在沉积和/或等离子体处理反应期间和之间保持和转移衬底。卡盘可以是静电卡盘、机械卡盘或各种其它类型的卡盘。
处理气体经由入口512引入。多个气体源管线510连接到歧管508。气体可预混合或不预混合。采用适当的阀控和质量流量控制机制以确保在工艺的沉积和等离子体处理阶段期间输送正确的气体。
处理气体经由出口522离开室524。真空泵526(例如，一级或二级机械干式泵和/或涡轮分子泵)将处理气体抽出并通过封闭回路控制流量限制设备(诸如节流阀或摆动阀)在反应器内维持适当的低压。
在每次沉积和/或沉积后等离子体退火处理之后，可将晶片换位直到完成所有所需的沉积和处理，或者在将晶片换位之前可在单一工作站进行多次沉积和处理。
用于控制图1至3的系统的控制模块可包括处理器、存储器及一个人或多个界面。控制模块可用于部分地基于感测值来控制系统中的装置。仅举例而言，控制模块可以基于感测值和其他控制参数来控制阀、过滤器加热器、泵、和其他设备中的一个或多个。控制模块可以例如仅从压力计、流量计、温度传感器和/或其他传感器接收感测值。控制模块还可以用于控制在前体输送和膜的沉积期间的工艺条件。控制模块通常将包括一个或多个存储器设备以及一个或多个处理器。
控制模块可以控制前体输送系统和沉积装置的活动。控制模块可以执行计算机程序，所述计算机程序包括用于控制处理时间、输送系统温度、跨越过滤器的压差、阀位置、气体混合物、室压力、室温度、晶片温度、RF功率电平、晶片卡盘或基座位置以及特定工艺的其他参数的指令集。控制模块还可以监测压差并自动地将蒸气前体输送从一个或多个路径切换到一个或多个其他路径。在一些实施方式中可以采用存储在与控制模块相关联的存储器装置上的其他计算机程序。
通常将存在与控制模块相关联的用户界面。用户界面可以包括显示器(例如装置和/或工艺条件的显示屏和/或图形软件显示器)以及用户输入设备(诸如定点设备、键盘、触摸屏、麦克风等)。
可以用任何常规的计算机可读编程语言(例如，汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran等)来编写用于控制处理序列中的前体输送、沉积和其他处理的计算机程序。编译对象代码或脚本由处理器执行以执行程序中标识的任务。
控制模块参数涉及工艺条件，例如过滤器压差、处理气体组分和流速、温度、压力、诸如RF功率电平和低频RF频率之类的等离子体条件、冷却气体压力和室壁温度。
系统软件可以以许多不同的方式来设计或配置。例如，可以写入各种室部件子程序或控制对象以控制执行本发明的沉积工艺所必需的室部件的操作。用于此目的的程序或程序段的示例包括衬底定位代码、处理气体控制代码、压力控制代码、加热器控制代码和等离子体控制代码。
衬底定位程序可包括用于控制室部件的程序代码，室部件用于将衬底装载到基座或卡盘上，并且控制衬底和室的其它部分(诸如气体入口和/或目标)之间的间隔。处理气体控制程序可包括用于控制气体组分和流速，以及任选地用于在沉积之前将气体流入室中以便稳定室中的压力的代码。过滤器监控程序包括比较一个或多个测量的差值与一个或多个预定值的代码和/或用于切换路径的代码。压力控制程序可包括用于通过调节(例如室的排气系统中的节流阀)来控制室中的压力的代码。加热器控制程序可包括用于控制到加热单元的电流的程序代码，该加热单元用于加热前体输送系统中的部件、衬底和/或系统的其它部分。替代地，加热器控制程序可控制传热气体(诸如氦气)向晶片卡盘的输送。
在沉积期间可被监控的传感器的示例包括但不限于，质量流量控制模块、压力传感器(诸如压力计)、以及位于输送系统、基座或卡盘中的热电偶(例如温度传感器)。经适当编程的反馈和控制算法可与来自这些传感器的数据一起使用以维持期望的工艺条件。上文描述了在单室或多室半导体处理工具中的本发明的实施方案的实现方式。
图4示出了包括堆叠板装置的汽化器600的示例，该堆叠板装置包括顶板604、第一板606、第二板608、第三板610和底板612。液体前体进入前体入口614并通过超声波喷嘴616雾化。载体气体(诸如氮气或氦气)进入气体入口618并经由通过堆叠板装置延伸的单一涡旋流动路径632移动且经由蒸气出口620离开。板606、板608、板610和板612中的每一者可包括加热器622a-622d，诸如位于每个板中的成对的加热元件。例如，第一板606可包括成对的筒状加热器622a，其位于延伸到板606的外周边的平行且间隔开的孔606b之中。类似地，第二板608可包括位于延伸到板608的外周边的孔608b中的成对的加热元件622b，第三板610可包括位于延伸到板610的外周边的孔610b中的成对的加热元件622c，且底板612可包括位于延伸到板612的外周边的孔612b中的成对的加热元件622d。同样，顶板604可包括位于延伸到顶板604的外周边的孔604b中的成对的加热元件622e。
为了监控板604、板606、板608、板610和板612中的每一者的温度，温度传感器可安装在这些板上。例如，第一板606可包括在延伸到板606的外周边的孔中的温度传感器624a。类似地，第二板608可包括在延伸到板608的外周边的孔中的温度传感器624b，第三板610可包括在延伸到板610的外周边的孔中的温度传感器624c，且底板612可包括在延伸到底板612的外周边的孔中的温度传感器624d。类似地，顶板604可包括在延伸到顶板604的外周边的孔中的温度传感器。
过温开关626a-626d也可结合到堆叠板装置中以控制板的加热。在堆叠板装置中，控制单元CU可监控温度传感器624a-624d并单独地调节每个加热区中的温度。
图5示出了图4所示的汽化器600的分解图。如图所示，超声波喷嘴616可通过夹具628安装到顶板604的上延伸部604a，其中顶板604和夹具628之间具有O形环密封件630。第一板606可具有加工到板606的上表面中的上涡旋通道632a和加工到板606的下表面中的下涡旋通道(未示出)，涡旋通道通过直通通路(未示出)连接以形成通过板606的流动路径。第一板606可通过分隔板634与第二板608分开，在分隔板634中具有通路634a以将第一板606中的流动路径连接至第二板608中的流动路径。第二板608可通过另一个分隔板636与第三板610分开，分隔板636具有将第二板608中的流动路径连接至第三板610中的流动路径的通路636a。利用堆叠板装置，进入入口618的载体气体与由超声波喷嘴616提供的雾化前体液体混合，且混合物流过由涡旋通道和连接通路形成的流动路径632，使得混合物被加热并形成经由蒸气出口620离开的蒸气。例如，流动路径632包括在第一平面中从汽化器的中心部延伸到汽化器的外部的第一涡旋路径632a，在第二平面中从汽化器的外部延伸到汽化器的中心部的第二涡旋路径632b，在第三平面中从汽化器的中心部延伸到汽化器的外部的第三涡旋路径632d，以及在第四平面中从汽化器的外部延伸到汽化器的中心部的第四涡旋路径632e。当流经汽化器时，可在独立受控的加热区中加热混合物。例如，混合物可在包括第一涡旋流动路径和第二涡旋流动路径的第一加热区中加热到第一温度，并在包括第三涡旋流动路径和第四涡旋流动路径的第二加热区中加热到第二温度。第一温度和第二温度可以是相同或不同的温度，并且加热区中的温度可单独控制。
图6示出了图4所示的汽化器600的剖视图。如图所示，由超声波喷嘴616供应的雾化液体前体进入混合室638，其中其与由入口618供应的载体气体混合，混合物进入混合室638的锥形部分638a并进入堆叠板装置的流动路径632。
流动路径632包括加工到第一板606的上表面中的上涡旋通道632a，加工到第一板606的下表面中的下涡旋通道632b，以及在第一板606中在上涡旋通道632a的外端和下涡旋通道632b的外端之间竖直延伸的连接通道632c。下涡旋通道632b的内端连接到分隔板634中的中心通路634a。
流动路径632包括加工到第二板608的上表面中的上涡旋通道632d，加工到第二板608的下表面中的下涡旋通道632e，以及在第二板608中在上涡旋通道632d的外端和下涡旋通道632e的外端之间竖直延伸的连接通道632f。下涡旋通道632e的内端连接到分隔板636中的中心通路636a。
流动路径632包括加工到第三板610的上表面中的上涡旋通道632g，加工到第三板610的下表面中的下涡旋通道632h，以及在第三板610中在上涡旋通道632g的外端和下涡旋通道632h的外端之间竖直延伸的连接通路632i。下涡旋通道632h的内端连接到底板612中的中心通路612a。
板604、板606、板608、板610和板612可以任何合适的方式保持在一起。例如，这些板可使用合适的紧固件(诸如螺栓637)夹紧在一起，其中O形环639位于相邻板的外周边附近的相对凹槽中，以将这些板密封在一起。替代地，板的外周边可边缘焊接以将这些板密封在一起。在板的中心不需要添加用于中心开口的密封件，这简化了堆叠板装置的制造。
图7示出了流动路径640的细节，该流动路径640通过可嵌入主体(诸如具有沿着流动路径640的长度而设置的加热区的金属主体644)中的涡旋管642形成。类似于堆叠板装置的实施方案，流动路径为单一流动路径，其中流动路径的不同部分可通过多个加热器加热，多个加热器单独受控以在流动路径的各个区域中提供期望的温度。举例而言，流动路径可由铸造在铝块中的不锈钢管提供。这种布置与堆叠板装置相比，涉及更少的密封件和更少的加工零件。考虑到用于产生输送到化学气相沉积室的蒸气的特定雾化液体前体和载体气体，可选择管的直径和长度以获得期望的蒸气流的紊流。可设计涡旋管的形状以提供多个加热区，例如通过将涡旋管的一个或多个环布置成更靠近在一起。如图7所示，环可被布置成提供三个加热区646a-646c，其中每个加热区具有涡旋管642的两个环。在将涡旋管642铸造在铝块644中之后，成对的筒状加热器(未示出)可放置在位于每个加热区646a-646c的孔中。如在堆叠板装置中，每个加热区可包括温度传感器，且控制单元可监控温度传感器，并且单独调节每个加热区中的温度。
在某些实现方式中，汽化器的材料可具有高导热率，诸如高于100W/(m*K)的导热率。合适的第一材料的示例包括碳化硅(诸如化学气相沉积(CVD)碳化硅)、铝、铜、钼、镍、铂、钨。在其它实现方式中，堆叠板装置可由一种材料制成，其中第二材料的涂层衬套于流动路径。在上述的实现方式中，汽化器外部上的材料可不与用于汽化器中的任何工艺流体起化学反应。堆叠板装置的板可通过任何合适的方式(诸如夹具、螺钉或其它附接机构)附接在一起。在一个示例中，堆叠板可由焊接或螺栓连接在一起的不锈钢或铝板制成。在汽化器的操作期间，加热区可以将流动路径加热到合适的温度范围，诸如约150℃至约200℃。
上述紊流汽化器可比传统的汽化器更快地提供稳定的蒸气流。此外，多个温度控制区域可提供对蒸气温度的更好控制并避免过热问题。另一个优点是紊流汽化器不需要用来将蒸气从汽化器排出的蒸气过滤器。相反，PECVD装置通常包括汽化器下游的过滤器以确保没有液滴被输送到处理室。
还应理解，除非特定描述的实现方式中的任一种的特征明确地标识为彼此不相容，或者周围的上下文意味着其相互排斥且不可轻易地以互补性及/或支持性的观念而结合，否则本公开的总体考虑并预期这些互补性实现方式的具体特征可进行选择性地组合，以提供一个或更多个广泛的、但稍微不同的技术解决方案。因此应进一步理解，上述说明已仅以示例方式给出，并且可在本公开的范围内做出细节修改。

Claims (20)

1.一种汽化器，其用于供应蒸气至化学气相沉积装置，在所述化学气相沉积装置中处理半导体衬底，所述汽化器包括：第一入口，其被配置为接收雾化的前体；第二入口，其被配置为接收载体气体；单一涡旋流动路径，其与所述第一入口和所述第二入口流体连通，且被配置为实现对所述第一入口和所述第二入口所供应的雾化的前体与载体气体流的紊流；多个加热元件，其包括：第一加热元件，其被配置为加热所述流动路径的第一区域；以及第二加热元件，其被配置为加热所述流动路径的第二区域；以及出口，其与所述流动路径流体连通，并且被配置为输送从所述雾化的前体产生的蒸气；
其中所述流动路径延伸通过堆叠板装置，其中所述流动路径的延伸包括通过连接通道在所述堆叠板装置中竖直延伸。
2.根据权利要求1所述的汽化器，其中所述堆叠板装置包括：顶板，在所述顶板中具有所述第一入口和所述第二入口；第一板，在所述第一板中具有所述第一加热元件；第二板，在所述第二板中具有所述第二加热元件；第一分隔板，其介于所述第一板和所述第二板之间；以及底板，在所述底板中具有所述出口。
3.根据权利要求2所述的汽化器，其中延伸通过所述第一板的所述流动路径的第一部分包括：第一上涡旋通道，其在所述第一板的上表面中；第一下涡旋通道，其在所述第一板的下表面中；以及第一连接通路，其提供介于所述第一上涡旋通道与所述第一下涡旋通道之间的流体连通，所述第一板附接于所述顶板，使得所述流动路径的所述第一部分与所述第一入口和所述第二入口流体连通。
4.根据权利要求3所述的汽化器，其中延伸通过所述第二板的所述流动路径的第二部分包括：第二上涡旋通道，其在所述第二板的上表面中；第二下涡旋通道，其在所述第二板的一下表面中；以及第二连接通路，其提供介于所述第二上涡旋通道与所述第二下涡旋通道之间的流体连通，所述第一分隔板包括位于所述第一分隔板中的第一通路，所述第一通路将在所述第一板中的所述流动路径的所述第一部分连接至在所述第二板中的所述流动路径的所述第二部分。
5.根据权利要求4所述的汽化器，其还包括：第三板，其具有在所述第三板中的第三加热元件；以及第二分隔板，其介于所述第二板和所述第三板之间：所述流动路径的在所述第三板中的第三部分包括：第三上涡旋通道，其在所述第三板的上表面中；第三下涡旋通道，其在所述第三板的下表面中；以及第三连接通路，其提供介于所述第三上涡旋通道与所述第三下涡旋通道之间的流体连通，所述第二分隔板包括位于所述第二分隔板中的第二通路，所述第二通路将在所述第二板中的所述流动路径的所述第二部分连接至在所述第三板中的所述流动路径的所述第三部分。
6.根据权利要求5所述的汽化器，其中O形环密封件位于所述堆叠板装置的相邻板之间，在所述第一分隔板中的所述第一通路位于所述第一分隔板的中心，且在所述第二分隔板中的所述第二通路位于所述第二分隔板的中心。
7.根据权利要求4所述的汽化器，其中所述第一加热元件包括第一成对的电阻加热器，其位于延伸进入所述第一板的外周边的水平孔中；所述第二加热元件包括第二成对的电阻加热器，其位于延伸进入所述第二板的外周边的水平孔中；所述第一板和所述第二板包括温度传感器，所述温度传感器被配置为监控所述第一板和所述第二板的温度并对控制单元提供反馈，所述控制单元被配置为单独地调节所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度。
8.根据权利要求5所述的汽化器，所述第一加热元件包括第一成对的电阻加热器，其位于延伸进入所述第一板的外周边的水平孔中；所述第二加热元件包括第二成对的电阻加热器，其位于延伸进入所述第二板的外周边的水平孔中；所述第三加热元件包括第三成对的电阻加热器，其位于延伸进入所述第三板的外周边的水平孔中，所述第一板、所述第二板和所述第三板包括温度传感器，所述温度传感器被配置为监控所述第一板、所述第二板和所述第三板的温度并对控制单元提供反馈，所述控制单元被配置为单独地调节所述流动路径的所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分的温度。
9.根据权利要求1所述的汽化器，其中所述流动路径沿其整个长度具有恒定的横截面流动面积。
10.根据权利要求4所述的汽化器，其中所述第一上涡旋通道和所述第二上涡旋通道被加工至所述第一板和所述第二板的所述上表面中，所述第一下涡旋通道和所述第二下涡旋通道被加工至所述第一板和所述第二板的所述下表面中，所述第一连接通路在所述第一上涡旋通道的最外部和所述第一下涡旋通道的最外部之间延伸，且所述第二连接通路在所述第二上涡旋通道的最外部和所述第二下涡旋通道的最外部之间延伸。
11.根据权利要求1所述的汽化器，其还包括与所述第一入口流体连通的超声波喷嘴。
12.一种汽化器，其用于供应蒸气至化学气相沉积装置，在所述化学气相沉积装置中处理半导体衬底，所述汽化器包括：第一入口，其被配置为接收雾化的前体；第二入口，其被配置为接收载体气体；单一涡旋流动路径，其与所述第一入口和所述第二入口流体连通，且被配置为实现对所述第一入口和所述第二入口所供应的雾化的前体与载体气体流的紊流；多个加热元件，其包括：第一加热元件，其被配置为加热所述流动路径的第一区域；以及第二加热元件，其被配置为加热所述流动路径的第二区域；以及出口，其与所述流动路径流体连通，并且被配置为输送从所述雾化的前体产生的蒸气；
其中所述流动路径通过嵌入金属块中的涡旋管，所述金属块包括被配置为加热所述流动路径的第一部分的加热元件、以及被配置为加热所述流动路径的第二部分的第二加热元件，所述金属块包括温度传感器，所述温度传感器被配置为监控所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度并对控制单元提供反馈，所述控制单元被配置为单独地调节所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度。
13.一种化学气相沉积装置，其包括：室和根据权利要求11所述的汽化器，其中半导体衬底能在所述室中进行处理，所述汽化器被配置为将汽化的前体供应至所述室中以在被支撑在所述室中的半导体衬底上沉积材料层。
14.根据权利要求13所述的化学气相沉积装置，其还包括控制单元和温度传感器，所述温度传感器被配置为监控所述流动路径的第一部分和第二部分的温度并对所述控制单元提供反馈，所述控制单元被配置为单独地调节所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度。
15.根据权利要求14所述的化学气相沉积装置，其中所述雾化的前体可在所述流动路径中转换为蒸气并在2秒内供应至所述室。
16.一种将通过权利要求1所述的汽化器产生的蒸气供应至化学气相沉积装置的室的方法，所述方法包括：供应雾化的液体前体至所述第一入口；供应载体气体至所述第二入口；使所述雾化的液体前体和所述载体气体在所述流动路径中流动，同时加热所述流动路径的第一部分至第一温度以及加热所述流动路径的第二部分至第二温度；以及使蒸气从所述出口流至所述室的内部。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述雾化的液体前体和所述载体气体在所述流动路径中被转换成蒸气并在沿着所述流动路径行进之后的两秒内被供应至所述室，所述流动路径包括在第一平面中从所述汽化器的中心部延伸至所述汽化器的外部的第一涡旋路径、在第二平面中从所述汽化器的外部延伸至所述汽化器的中心部的第二涡旋路径、在第三平面中从所述汽化器的中心部延伸至所述汽化器的外部的第三涡旋路径，以及在第四平面中从所述汽化器的外部延伸至所述汽化器的中心部的第四涡旋路径。
18.根据权利要求17所述的方法，其还包括：利用温度传感器监控所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度；向控制单元提供代表所监控到的温度的数据；以及基于所述所监控到的温度单独地控制所述流动路径的所述第一部分和所述第二部分的温度。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述流动路径沿其整个长度具有恒定的横截面流动面积，且所述雾化的液体前体和所述载体气体在所述流动路径中经历紊流。
20.根据权利要求16所述的方法，其还包括：在所述室中支撑半导体衬底；激发所述蒸气为等离子体状态；以及在所述半导体衬底上沉积材料层。
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