CN111670265A - 用于多前体的歧管阀 - Google Patents

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Abstract

多种实施方案包含将前体气体供应至处理工具的设备。在多种示例中，设备包含使用点(POU)阀歧管，POU阀歧管包含耦合至处理工具的处理室的歧管体。歧管体具有由环状部围绕的多个前体气体出口端口。歧管体的清扫气体出口端口实质上朝向环状部的内壁。针对多种前体气体中的每一种，POU阀歧管还包含耦合至歧管体的第一阀以及耦合至第一阀的转向阀。第一阀可耦合至前体气体供应部且具有在歧管体内部的独立的前体气体流动路径。转向阀在前体气体不由第一阀引导至处理室内时的时间段期间使前体气体转向。其他实施例被公开。

Description

用于多前体的歧管阀
优先权声明
本申请主张于2018年1月31日申请且名称为“Manifold Valve for MultiplePrecursors”的美国临时专利申请No.62/624,710的优先权的权利，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文所公开的主题涉及使用点(POU)阀歧管及相关的阀，以控制原子层沉积处理系统中的前体气体。
背景技术
原子层沉积(ALD)工具是专门类型的化学气相沉积(CVD)处理系统，其中ALD反应在二或更多化学物质之间发生。该二或更多化学物质被称为前体气体，且用于在衬底(例如如半导体工业中使用的硅晶片)上形成材料的薄膜沉积物。将前体气体依序引入ALD处理室中并与衬底的表面反应以在结合时形成沉积层。通常，衬底重复地与前体交互作用，以在衬底上缓慢地沉积越来越厚的一或更多材料膜。在某些应用中，多种前体气体可用于在衬底制造处理期间形成多种类型的一个或多个膜。然而，为了防止例如在用于调节前体气体流入处理系统内的处理室的阀或连接至该阀的气体管线内的过早沉积，前体气体必须保持彼此分离以防止微粒材料形成。目前，通常使用单一阀来控制多种前体气体。在没有清扫阀及该阀下游所连接的气体管线的详细方案的情况下，可能形成微粒物质，其例如可能使阀堵塞且阻碍阀的操作(例如打开及关闭)。
在该部分中描述的信息被提出以给本领域技术人员提供以下所公开的主题的背景，且不应被视为被认可的现有技术。
附图说明
图1显示基于等离子体的处理室的简化示例，其可包含衬底支撑组件及喷头电极，该衬底支撑组件包含静电卡盘(ESC)以供在等离子体处理期间支撑衬底；
图2A显示根据所公开的主题的多种实施方案的使用点(POU)阀和歧管组合的示例的横剖面图。
图2B显示图2A的使用点(POU)阀和歧管组合的示例的三维(3D)示意图，如从图2A的相反侧所示；及
图2C显示图2A和图2B的使用点(POU)阀和歧管组合的示例的三维(3D)示意图，如从图2B的底视图所示。
具体实施方式
所公开的主题现将参考如附图中的多种附图中描绘的一些总体的且具体的实施方案详细描述。在以下说明中，为了提供所公开的主题的透彻理解，说明许多具体细节。然而，对于本领域技术人员而言，显而易见，所公开的主题可以不具有这些具体细节中的某些或全部而实施。另一方面，未详细说明众所周知的处理步骤或结构，以便不使所公开的主题难以理解。
本文包含的所公开的主题描述使用点(POU)阀歧管(包含相关的阀)，其允许多种前体气体经过POU阀歧管的共同出口被递送至半导体处理室。POU阀歧管可具有：多个前体气体入口，每一个由至少一个阀控制；以及清扫气体入口。每一前体使用至少一专用POU阀并具有与其他前体气体的流动路径分开的专用流动路径，从而减少或消除任何前体气体在歧管内的流动路径内混合的可能性。
如下面更详细地描述的，POU阀歧管可递送多种前体气体，其中前体气体仅在歧管的共同出口处会合。在零盲管(dead-leg)(例如POU阀歧管内没有无效空间容积)以及机载(on-board)安装任何数目的POU阀的情况下，POU阀歧管提供有效率的前体递送以及对于一或更多机载(on-board)加热组件的可能性，从而消除POU阀、歧管内的流动路径、或歧管本身内的前体气体的任何混合反应。
本文描述的POU阀歧管还提供多种前体气体的有效配料。此外，POU阀歧管可在任何既有的ALD工具或其他类型的处理工具上轻易地改装。前体气体各自由独立的POU阀(本领域技术人员也称为ALD阀)控制，并提供用于前体气体的有效配料的足够时间。
如上所述，用于前体气体的同时期的现成歧管或甚至对给定设备制造商而言是专卖的歧管仅使用所有前体气体共享的单一阀。该单一阀在多种前体气体之间切换。即使在阀的中间清扫(其减少阀的效率，因为前体气体的关键时序由于必要的清扫循环而无法被满足)的情况下，使用单一阀仍必然导致前体气体的混合。沉积物(自前体气体混合形成)通常在阀的内部本体形成。当前体气体在阀的内部容积空间内混合及反应时，沉积物可能使阀无法操作(例如阀无法完全打开和/或完全关闭)。这些阀的劣化导致阀的频繁更换，从而导致拥有成本(COO)增加并导致更换阀的工具停机时间。此外，由共同递送路径(例如经由阀的上游和下游的相同阀及配管连接)中的前体气体间的反应导致的颗粒污染，也可能不利地影响衬底上的沉积质量。
所公开的主题是POU阀歧管，其具有用于流经歧管的前体气体的独立递送路径。在一实施方案中，用于各前体气体的两个独立阀安装在定制阀块上(详述于下)，该定制阀块允许前体气体间的独立切换。所公开主题的歧管还允许前体气体在转向路径与朝向处理室的流动路径间的独立切换。通过使用所公开的POU阀歧管消除任何盲管。此外，POU阀歧管可具备带有增加的热转移和较佳的控制的主动加热。
本文描述了用于控制两种前体气体的POU阀歧管以易于理解发明的主题。然而，本领域技术人员在阅读及理解本文提供的描述时将轻易地理解针对任何数目的前体气体扩展POU阀歧管的方式。举例而言，所公开的POU阀歧管可轻易地并入四或更多种前体气体。
现参照图1，显示了基于等离子体的处理室的简化示例。如本领域中已知的，基于等离子体的处理室可用于等离子体加强或自由基加强的ALD操作。本领域技术人员还将意识到其他类型的ALD处理技术是已知的(例如基于热的ALD操作)且可结合非基于等离子体的处理室。
图1显示了包含基于等离子体的处理室101A，其中设置喷头103(其可为喷头电极)和衬底支撑组件107A。通常，衬底支撑组件107A提供实质上等温的表面，且可作为衬底105的加热组件及散热器两者。衬底支撑组件107A可包含ESC，该ESC中包含加热组件以帮助处理衬底105，如上所述。如本领域技术人员所理解的，衬底105可为包含元素半导体(例如硅或锗)的晶片、包含复合元素(例如砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN))的晶片、或本领域已知的多种其他衬底类型(包含导电性、半导电性、及非导电性衬底)。
在操作中，衬底105通过装载端口109装载至衬底支撑组件107A上。气体管线113将一或更多种处理气体(例如前体气体)供应至喷头103。接着，喷头103将一或更多种处理气体递送至基于等离子体的处理室101A中。供应一或更多种处理气体的气体源111(例如一或更多种前体气体安瓿)耦合至气体管线113。RF电源115耦合至喷头103。
在进入喷头103及气体管线113的下游之前，POU和歧管组合(未显示)控制一或更多种处理气体进入基于等离子体的处理室101A。如上所述，在用于在等离子体增强ALD(PEALD)操作中沉积薄膜的基于等离子体的处理室101A的情况下，前体气体可在喷头103内混合。然而，参照以下图2A至2C，本文更详细公开的POU和歧管组合可用于将前体气体直接递送至基于等离子体的处理室101A或本领域已知的其他类型处理室(例如热处理室)中。
在操作中，基于等离子体的处理室101A由真空泵117抽空。RF功率在喷头103与包含在衬底支撑组件107A内或在衬底支撑组件107A上的下电极(未明确显示)之间电容式耦合。衬底支撑组件107A通常提供二或更多个RF频率。举例而言，在多种实施方案中，RF频率可根据需要选自在约1MHz、2MHz、13.56MHz、27MHz、60MHz和其他频率下的至少一频率。然而，本领域技术人员在阅读和理解本文所提供的公开内容时，将意识到可根据需要设计阻挡或部分阻挡特定RF频率所需的线圈。因此，本文讨论的特定频率仅是为了易于理解而提供。RF功率用于在衬底105与喷头103间的空间中将一或更多种处理气体激励成等离子体。如在相关领域中已知的，等离子体可帮助在衬底105上沉积多种层(未显示)。在其他应用中，等离子体可用于将组件特征蚀刻至衬底105上的多种层中。如上所述，衬底支撑组件107A可具有结合在其中的加热器(未显示)。本领域技术人员将认识到，虽然基于等离子体的处理室101A的详细设计可能有所不同，但RF功率通过至少衬底支撑组件107A而耦合。
现参照图2A，显示了根据所公开主题的多种实施方案的使用点(POU)阀和歧管组合200的示例的横剖面图。图2A显示了包含歧管块201，两个阀耦合至该歧管块201上。第一POU阀211A耦合至来自第一连接器203A的第一入口流动路径205(图2A的左侧)以及在图2A左侧上的第一出口流动路径207。第二POU阀211B耦合至来自第二连接器203B的第二入口流动路径205(图2A的右侧)以及在图2A右侧上的第二出口流动路径207。图2A中的箭头标示经过使用点(POU)阀和歧管组合200的气体流动的方向。
歧管块201可由例如不锈钢(例如：316L合金)、铝(Al)、氧化铝(Al2O3)或本领域中已知的若干其他材料形成。一或更多种其他类型的材料也可用于形成歧管块201，只要该一或更多种材料与ALD处理中使用的前体气体相容。举例而言，当将铝氧化物介电层沉积至衬底上(例如使用三甲基铝(TMA)作为前体气体中的一者)时，由于歧管块201与前体气体的热膨胀系数(CTE)几乎相同，歧管块201可由铝氧化物形成。因此，如果A12O3的任何颗粒在歧管块201的流动路径内形成，由于两种材料的CTE实质上相同，从而防止一材料膨胀或收缩而不使另一材料膨胀或收缩实质上相同的量，所以颗粒将不脱落。
第一POU阀211A和第二POU阀211B在业界是已知的，但可为例如
Figure BDA0002611359840000051
在线控制器阀(由
Figure BDA0002611359840000052
of America,Fremont,California,USA市售)。其他阀对于本领域技术人员而言是已知的。
在特定示例实施方案中，第一POU阀211A和第二POU阀211B是四通阀，每一个具有两个输入连接件及两个输出连接件。在该实施方案中，四通阀的两个输入连接件可耦合至例如前体气体安瓿(参照图1描述于上)和超纯清扫气体供应部(例如：氩(Ar)或氮(N2))。举例而言，第一连接器203A可耦合至通往四通阀的两个输入连接件中的一个。四通阀的两个输出连接件例如耦合至出口流动路径207中的相应者(将前体气体递送至喷头和/或处理室)或耦合至第二阀(未显示在图2A中，但参照图2B描述于下)。第二阀是用于将前体气体重新导向至远离处理室(处理室的外部)的流动路径(未显示)的转向阀。
第一连接器203A和第二连接器203B可为业界中对于本领域技术人员已知的各种类型的连接器，其可用于将POU阀和歧管组合200连接至前体气体供应部(未显示)。举例而言，第一连接器203A和第二连接器203B可为
Figure BDA0002611359840000061
管线接头(由Swagelok Company,Solon,Ohio,USA市售)、Parker Hannifin管线接头(由Parker Hannifin Corporation,Fluid System Connectors Division Otsego,Michigan,USA市售)、或本领域技术人员已知的其他类型的连接器。
经由第一出口流动路径207(左侧)和第二出口流动路径207(右侧)递送的前体气体经由左侧出口端口217A和右侧出口端口217B离开。左侧出口端口217A和右侧出口端口217B设置在半导体工业中通常称为Klein Flansche(KF)真空凸缘出口209(也称为快速凸缘(QF))的特殊凸缘内。KF名称是由ISO、DIN及其他标准制定组织在国际上所认可的。KF真空凸缘出口209经常连接至陶瓷三通管(未显示，但在业界已知)，其又将在陶瓷三通管的第一侧上的KF真空凸缘出口209连接至陶瓷三通管的第二侧上的喷头103(见图1)。如本领域技术人员已知的，陶瓷三通管也可连接至陶瓷三通管的第三侧上的清扫气体管线以清扫喷头103。
在一些实施方案中，KF真空凸缘出口209可永久地附接至歧管块201。在其他实施方案中，KF真空凸缘出口209可单独地附接至歧管块201，作为通过例如从KF真空凸缘出口209至歧管块201的螺纹连接件或螺栓连接件附接的可更换的组件。KF真空凸缘出口209的内部部分和左侧出口端口217A和右侧出口端口217B的周缘形成环状部210(参照图2C更详细地显示及描述于下)。
使用点(POU)阀和歧管组合200包含清扫连接入口213以耦合至高纯度清扫气体供应部(未显示)并从其接收清扫气体(例如Ar或N2)。清扫气体经由清扫气体出口端口215离开(仅一端口可见，但本领域技术人员将认识到可使用多个出口端口)。清扫气体出口端口215用于清扫环状部210。如参照图2C在下文更详细地显示和描述的，清扫气体出口端口215实质上朝向环状部210的内壁，以更有效率地清扫环状部210。环状部210是使用点(POU)阀和歧管组合200外部的第一部分，前体气体可在该处结合。清扫气体出口端口215有助于减少或消除一旦前体气体经由左侧出口端口217A和右侧出口端口217B离开而可能发生的前体气体的任何可能的混合及随后的沉积。因此，清扫气体出口端口215减少或消除沉积的层脱落的机会，否则可能需要更换使用点(POU)阀和歧管组合200。
现在参照图2B，图2A的使用点(POU)阀和歧管组合200的示例的三维(3D)示意图230是从图2A的相反侧显示。3D示意图230包含第一转向阀219A和第二转向阀219B。第一转向阀219A是在内部(例如在歧管块201内)耦合至第一转向连接端口203D。第二转向阀219B是在内部(例如在歧管块201内)耦合至第一转向连接端口203C。
在特定的示例实施方案中，第一转向阀219A和第二转向阀219B可为如本领域技术人员已知且参照图2A描述于上文的各种双向阀中的任一者。第一转向连接端口203D和第二转向连接端口203C可包含本领域技术人员已知的各种连接器中的任一者，例如参照图2A于上文描述的
Figure BDA0002611359840000071
或Parker-Hannifin连接器。
第一转向连接端口203D和第二转向连接端口203C可耦合至例如设备真空(降低)或泵，以将前体气体重新导向远离处理室。举例而言，在ALD处理室的操作期间，第一POU阀211A和第二POU阀211B通常设置至转向位置，直到处理室内需要前体气体。转向位置将来自第一POU阀211A和第二POU阀211B的前体气体分别耦合至第一转向阀219A和第二转向阀219B，以将前体气体排放至泵或设备真空，直到在ALD操作期间，在处理室中按顺序需要前体气体。因此，如本领域技术人员已知的，由于使前体气体流入处理室所需的关键时序(例如低至纳秒的小数秒(fractional seconds))，所以前体气体应一直流动。由于前体气体安瓿(见例如图1的气体源111)通常位于距处理室一定距离(例如三米或以上)处，仅打开和关闭第一POU阀211A和第二POU阀211B将无法提供足够快的操作时间以将前体气体提供至处理室中。
图2C显示了图2A和图2B的使用点(POU)阀和歧管组合的示例的三维(3D)示意图250，如从图2B的底视图所示。图2C的3D示意图250表示KF真空凸缘出口209、环状部210以及左侧出口端口217A和右侧出口端口217B的更详细的视图。3D示意图250表示清扫气体出口端口215如何用于通过供应来自清扫连接入口213(见图2A及2B)的清扫气体清扫环状部210，以减少或消除来自环状部210、从左侧出口端口217A和右侧出口端口217B供应的任何前体气体。
总的来说，所公开的主题具有优于用于将前体气体递送至处理室中的同时期的现成POU阀和歧管的若干优点。如本文所述，所公开的主题使用一或更多独立的阀和针对前体气体中的每一者的独立流动路径，从而减少或消除在阀或歧管的体内处的沉积物(由前体气体混合所形成)。
因此，以上描述的所公开的主题包含体现所公开的主题的说明性示例、装置、系统及方法。在描述中，为了解释的目的，为了提供所公开的主题的多种实施方案的理解，说明了许多具体细节。然而，对于本领域技术人员而言，显而易见的是，主题的多种实施方案可以在不具有这些具体细节的情况下实施。此外，未详细显示众所周知的结构、材料及技术，以便不使各种说明的实施方案难以理解。
如本文所使用的，术语“或”可理解成包括性或排除性的意义。此外，其他实施方案将由本领域技术人员在阅读和了解所提供的公开内容时理解。此外，在阅读及理解本文所提供的公开内容时，本领域技术人员将轻易地理解本文所提供的技术和示例的多种组合皆可在多种组合中应用。
虽然多种实施方案是分开讨论，但并非意图将这些单独的实施方案视为独立的技术或设计。如上所指示，多个部分中的每个部分可以是互相关联的，且各自可单独地或结合本文讨论的其他POU阀歧管实施方案使用。
因此对于本领域技术人员而言，在阅读和理解本文所提供的公开内容时将显而易见的是，可做出许多修改及变化。除了本文列举的之外，从先前描述，本公开内容的范围内的功能上的等同方法及装置对本领域技术人员而言将显而易见。一些实施方案的部分及特征可被包含在其他实施方案的部分及特征中、或取代其他实施方案的部分及特征。这样的修改和变化意在落入所附权利要求的范围内。因此，本公开内容仅由所附权利要求的术语及这些权利要求所赋予的等同方案的全部范围所限制。还理解本文使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的且非意图为限制性的。
提供本公开内容的摘要以允许读者快速确定技术公开内容的本质。摘要是在其不用于解释或限制申请专利范围的情况下提出的。此外，在先前的具体实施方式中，可看出为了简化本公开内容的目的，可在单一实施方案中将多种特征组合在一起。公开内容的该方法不应解释为限制权利要求。因此，以下权利要求在此纳入具体实施方式中，其中每项权利要求独立作为单独的实施方案。

Claims (20)

1.一种使用点(POU)阀歧管，其用于控制一种或多种前体气体进入处理工具内，所述POU阀歧管包含：
歧管体，其具有真空凸缘以耦合至所述处理工具的处理室，所述真空凸缘具有由环状部围绕的多个前体气体出口端口；以及
清扫气体出口端口，其耦合至所述歧管体，所述清扫气体出口端口实质上朝向所述环状部的内壁；
针对所述一种或多种前体气体中的每一种，所述POU阀歧管还包含：
气体阀，其耦合至所述歧管体并配置成耦合至前体气体供应部，所述气体阀具有在所述歧管体内部的独立的前体气体流动路径；以及
转向阀，其耦合至所述气体阀，以在所述前体气体不由所述气体阀引导至所述处理室内时使所述前体气体转向。
2.根据权利要求1所述的POU阀歧管，其还包含：
清扫连接入口，其耦合至所述歧管体；以及
独立的清扫气体流动路径，其在所述歧管体内部、耦合在所述清扫连接入口与所述清扫气体出口端口之间。
3.根据权利要求2所述的POU阀歧管，其中所述清扫连接入口被配置成耦合至高纯度清扫气体供应部。
4.根据权利要求1所述的POU阀歧管，其中所述气体阀中的每一个耦合至其相应的前体气体流动路径，以使得不具有任何无效空间容积。
5.根据权利要求1所述的POU阀歧管，其还包含耦合至所述歧管体的一个或多个机载加热组件。
6.根据权利要求1所述的POU阀歧管，其中所述真空凸缘遵守至少一国际标准制定组织。
7.根据权利要求1所述的POU阀歧管，其中所述转向阀各自耦合至独立的转向连接端口，以将所述前体气体引导至所述ALD处理工具的外部。
8.根据权利要求1所述的POU阀歧管，其中每个气体阀和耦合的气体阀包含双向阀。
9.一种用于处理工具内的使用点(POU)阀歧管，所述POU阀歧管包含：
歧管体，其耦合至所述处理工具的处理室，所述歧管体具有用于多种前体气体中的每一种的独立前体气体出口端口；
环状部，其用于至少部分地围绕所述前体气体出口端口中的每一个；以及
多个气体阀，其耦合至所述歧管体，所述多个气体阀中的每一个配置成分别耦合至多个前体气体供应部中的一个，所述多个气体阀中的每一个耦合至与其他前体气体流动路径分开的前体气体流动路径，其中所述前体气体流动路径中的每一个是在所述歧管体内部。
10.根据权利要求9所述的POU阀歧管，其还包含耦合至所述歧管体的清扫气体出口端口，所述清扫气体出口端口实质上朝向所述环状部的内壁。
11.根据权利要求9所述的POU阀歧管，其还包含多个转向阀，所述多个转向阀中的每一个分别耦合至所述多个气体阀中的一个，以在所述前体气体不由所述气体阀引导至所述处理室内的时间段期间使所述前体气体转向。
12.根据权利要求9所述的POU阀歧管，其中所述多个气体阀中的每一个是四通阀，所述四通阀具有两个输入连接件和两个输出连接件。
13.根据权利要求12所述的POU阀歧管，其中所述两个输入连接件被配置成分别耦合至所述多个前体气体供应部和清扫气体供应部中的一个。
14.根据权利要求12所述的POU阀歧管，其中所述两个输出连接件被配置成分别耦合至所述前体气体流动路径和被引导远离所述处理室的流动路径中的一个。
15.一种控制流至处理室的气体的使用点(POU)阀歧管，所述POU阀歧管包含：
多个前体气体入口和相应数目的前体气体出口，其中每一相应的成对的所述前体气体入口和所述前体气体出口耦合至与其他前体气体流动路径分开的前体气体流动路径，所述多个前体气体入口中的每一个将由至少一个阀单独地控制；
清扫气体入口和清扫气体出口，其中清扫气体流动路径耦合在所述清扫气体入口与所述清扫气体出口之间，所述清扫气体流动路径与所述前体气体流动路径中的任一者分开；以及
用于所述前体气体出口和所述清扫气体出口的共同出口，所述共同出口至少部分地由所述POU阀歧管上的环状部围绕。
16.根据权利要求15所述的POU阀歧管，其中所述前体气体流动路径中的每一个是在所述歧管体的内部，使得所述前体气体流动路径内的前体气体仅能在所述POU阀歧管的所述共同出口处会合。
17.根据权利要求15所述的POU阀歧管，其还包含多个转向阀，所述多个转向阀中的每一个分别耦合至所述多个气体阀中的一个，以在所述前体气体不由所述气体阀引导至所述处理室内时的时间段期间使所述前体气体转向。
18.根据权利要求15所述的POU阀歧管，其还包含所述前体气体中的每一种在转向路径与朝向所述处理室的流动路径之间的独立切换。
19.根据权利要求15所述的POU阀歧管，其中所述清扫气体出口端口实质上朝向所述环状部的内壁。
20.根据权利要求15所述的POU阀歧管，其还包含多个转向阀，所述多个转向阀中的每一个分别耦合至所述多个气体阀中的一个，以在所述前体气体不由所述气体阀引导至所述处理室内时的时间段期间使所述前体气体转向。
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