CN1135454A - 使用超声波振动器以特定速率输送液体系统 - Google Patents

Abstract

一种能以预定流速输送液体原料而不污染原料和不阻塞输送主通道的液体输送系统，其液体输送装置有与主通道沟通的沟通通道。一弹性外管件与弹性内件之间形成沟通通道。该装置有置于外件外壁的超声振动器。振动外件产生沿外件内壁传播的表面声波。传播的波输送沟通通道内的原料。由输送率控制器调整沟通通道内原料的输送率。原料流速由流速传感器监测。改变振动器的振动来调整输送率。调整超声波振动使液体原料在主通道内输送。

Description

使用超声波振动器以特定 速率输送液体系统

本发明涉及一种液体输送系统，特别涉及一种用于以特定速率将一种液体原料传送到用于如化学蒸汽淀积(CVD)及乾蚀刻那样的半导体器件生产的一种设备中去的液体输送装置。

通常，处在环境温度下为液体的一种原料以特定的速率，用下列两种方法被传送至一CVD设备。

第一种输送方法适于如四氯化钛TiCl₄那样的具有较高蒸发压力的液体原料。在此方法中，将如惰性气体那样的载体气体喷射入贮存于使液、汽分离的一容器中的液体原料中，由此而产生了含在载体气体中的液体原料蒸汽。然后，含有原料蒸汽的载体汽体就被通过传送管道即传送通道输送至设备的反应腔即CVD腔中。

这样，液体原料就被汽、液分离，之后就被与载体气体一起传送到反应腔中。由于其简单易行，第一种输送方法已被最广泛地采用。

第二种输送方法对于如四氯二乙氨基钛(tetrakis-diethylamino-titanium)Ti[N(C₂H₅)₂]₄那样的具有低蒸发压力的液体原料有优势。因为这类原料不可能通过汽液分离技术以一所期望的流速被传送。在这种方法中，原料以液体形式用质流控制器、计量泵或类似物来计量，之后被传送至一蒸发器。传送来的液体原料在蒸发器中蒸发，并通过传送通道被输送至CVD设备的一反应腔中。

因此，液体原料不用汽液分离步骤以液体状态被计量，之后被传送至置于CVD设备的上游侧的蒸发器中。不需要载体气体。

在第二种传送方法中使用的质量流量控制器是为液体设计的，但具有通常用于气体的质流控制器相似的结构。但用于液体的控制器有一个置于主传送通道的一支管(毛细管)内的流速传感器，一个具有高速响应能力的导率可变阀，以及一个控制主通道内原料流速的电子控制系统。液体原料之流速总是由传感器监控。阀的导率根据处于反馈控制下的传感器输出讯号由控制系统加以改变，由此而使原料的流速维持一特定的传送速率。

图1展示了一个以特定速率将液体原料输至-CVD设备的传统液体输送系统，此系统采用上述的第二种传送方法。

如图1所示，此输送系统有一个能高速响应的导率可变阀35，以及一个用于检测处在环境温度下的液体原料32的流速的传感器36。

液体原料贮存于一原料容器31。为了对原料32a施加一特定的压力，将如惰性气体一类的加压气体33施加于容器31。由金属或塑料管制作的主管道即通道38被设置得使容器31与CVD设备的入口连通。

在主通道38上配设一计量泵(未示出)，用以将原料32传送至所述腔中。

导率可变阀35置于容器31和喷涂腔之间的主通道38的中间。阀35在主通道38上形成一可变的小孔。小孔35的大小，即阀35的导率在由阀致动器34反馈控制下改变。

流速传感器36也置于沉积腔与容器31之间的主通道38中部。在阀35的下游侧之主通道38处形成一个近于毛细管的支管37。传感器36配设在支路37上，并检测流过支管37之液体原料32之流速，而且将一个电讯号S传送至阀致动器34。根据收到的讯号S，致动器34驱动阀35以改变阀35之导率，由此而使液体原料32以一特定的恒流速传送至喷涂腔。

如图1所述的此传统的液体传输系统具有以下问题：

首先，由于此传统系统采用导率可变阀，此传统的系统总是要求在阀35之入口与出口之间有一个液压差。为了产生这种压差，十分常见的方法是将一加压气体33供给至原料容器31，以对原料32加压。

但是，加压气体33趋向于溶入原料32，而且在主通道内，溶解的气体33趋向于在主通道38内产生汽泡，其结果之一是会使在监测流速的传感器36引起大的或严重偏差，而且主通道38和/或支路37会被堵塞。

其次是，由于阀35的可动零件或元件(例如活塞)通常是由金属或塑料制作的，故存在着这种元件产生粉屑的可能，而这些粉屑有导致污染原料32的趋向。

第三，虽然液体原料32以层流形式流过由毛细管形成的支路37，在支路37之内壁附近的材料32流速趋近为零，因而，杂质会趋向于积留在支路37的内壁上，这也会导致支路37之堵塞。

当计量泵为往复型时，以下的第四、六问题也会出现。

第四个问题是精确的流速控制是困难的，因为由于往复运动，会产生原料32流速之脉动。

第五个问题是，原料32会有由于在往复运动中的摩擦而产生的碎屑而被污染的趋向。

第六个问题是，当主通道38和/或支路37被阻塞时，有由于压力升高而产生泵的故障或损坏的可能，还有原料32着火的危险。

因此，本发明的一个目的就是提供一种能以一特定流速输送液体原料而且不污染原料、不阻塞传输通道的液体输送系统。

本发明的第二个目的是提供一种能精确地控制液体原料流速的液体输送系统。

本发明的又一个目的是提供一种能以微小流速输送液体原料之液体输送系统。

对这些目的与其它没有专门提到的目的，本领域的熟练人员经下面的描述会更加清楚地了解。

根据本发明的一个液体输送系统具有一个输送液体原料的液体输送装置。该装置有一个沟通渠道，并被置于主通道内且与此主通道沟通。

此装置还具有一个有一圆柱形内壁和外壁的弹性外管件，一个置于外(管)件内的具有一圆柱形外壁的弹性内件。在内、外件之间形成一沟通通道。

如果液体传递效果能够被确定实现的话，内、外件可由任何弹性材料制作。

此装置还有置于外件之外壁的多个超声波振动器。每个超声波振动器震动外件以便产生沿外件之内壁传递的表面声波。该传递波沿一个方向将存在于沟通通道内的原料传送。

此系统还具有一个控制液体传输装置以便调节在沟通通道内的原料之传输率的传输率控制器；一个监测在通道内的原料之流速的-流速传感器。

在传输率(流速)控制器中，原料的流速是由改变超声波振动器的振动来调整的。

在流速传感器中，传感器置于液体传输装置下游侧的主通道内。传感器将一个输出信号传送给流速控制器，由此而调整在沟通通道内的原料之流速。输出信号是根据原料流速的监测结果产生的。

通过调整超声波振动，使液体原料在主通道内以一特定的流速输送。

沟通通道的大小(即横截面积)可根据所想要的流速值选定。

就本发明的液体输送系统而言，液体输送装置有由一弹性外管件及置于外管件内的一弹性内件形成的一沟通通道。

还有，超声波振动器置于外管件之外壁，它振动外件以便产生一个沿外件之内壁传送的表面声波，由此而由此传送波将存在于沟通通道内的原料沿一个方向传送。

因此，本发明的液体输送系统能够以一特定的流速输送液体原料而不弄脏原料和阻塞输送通道。

而且，传送作用是由传送表面超声波产生的。因此，外加通过控制即调整所加的超声波振动，液体原料之流速可被精确地控制。此外，液体原料可以用微小的流速输送。

在一个推存实施例中，由一弹性杆制作液体输送装置的内件。该内件可以由其内有一孔的弹性管件制作。在这种情况下，该孔最好由一种弹性材料填充而使之在其中再无此沟通通道以外的别的沟通通道存在。

液体输送装置的内件由弹性杆制作的方案比内件由其内有通孔的弹性杆件制作的方案更好。其原因在于，在前一方案中可获得比后一方案更高的输送速率。

在另一推荐实施例中，外件的内壁用粗糙化工艺加以粗糙化，在此情况下，由于在该内壁与内壁内盛放的液体的原料之间有更大的摩擦作用发生，故此液体输送装置的原料输送率会增加。

外件的内壁可以是光滑的，不用对之使用糙化处理。

在另一个实施例中，超声波振动器中的一个用作振动源，其余的用作振动传输接收器。在此情况下，其优点是表面声波之传送可以保持使之只沿着一个方向进行。

推荐的作法是，对一个超声波振动器所加的电压之相位与其余的振动器的不同，其额外的优点是易于获得作为振动源与振动传输接收器的功能。

本发明的液体输送系统可被使用于任何技术领域。但推荐将其使用于如CVD，乾蚀刻及类似种类的半导体器件的制造方面。

在本发明中，词语＂一种液体原料＂系指在环境温度下为液体形式的一种原料。

为了使本发明可易于被实施，将结合附图对其说明。对附图简要说明如下：

图1是用于以一特定速率将一液体原料输送至一CVD设备的传统的一液体输送系统的示意图。

图2是本发明第一实施例的以一特定速率将一液体原料输送至CVD设备的液体原料输送系统的示意图，

图3是在第一实施例的液体输送系统中的液体输送装置的放大的局部剖视图。

图4是按第一实施例的液体输送系统的液体输装置的、展示其输送原理的放大了的示意图。

图5是液体输送系统的一CVD设备的示意图。它采用了按本发明的第一实施例的液体输送系统。

图6是第一实施例中的液体输送系统中的流速传感器及比例控制线路的局部示意图。

图7是第二实施例的液体输送系统中的液体输送装置的局部放大剖视图。

图8是第三实施例的液体输送系统中的液体输送装置的局部放大剖视图。

下面结合附图2-8介绍本发明的推荐实施例。

在图2和3中，本发明第一实施例的液体输送系统用于以一特定速率输送一种液体原料其结构特适于用上述的第二种输送方法。

如图2所示，液体输送装置1是为输送液体原料5而配置的。采用比例控制线路2来控制装置1，使之能保持原料5以一特定的恒速率流动。一流速传感器3用来监测原料5之流速，并以此来控制流速。

液体原料5贮存于原料容器4中。置于上游侧的主管道即主通道10之一端容器4，而另一端连接于液体输送装置1的相应端。另一主通道或称主通道13的一端连接于装置的另一端，主通道13之另外一端连接于原料5被传送入内的设备的一入口。主通道10，13通常由金属或塑料管制作。

一输出阀6置于容器4与液体输送装置1之间的主通道10的中部之内。只有阀6被打开时，容器4中贮存的原料5才能被通过阀6输送至装置1。如果阀6被关闭，原料5就不能被输送。

在第一实施例的液体输送系统中，容器4通常不需要加压气体，故它与图1所示的传统的液体输送系统不同。即使任何压力需要被施加于贮存的原料5，那末由重力产生的压力，即由贮存的原料5之静重产生的压力也足以满足贮存原料5的这种要求了。

液体输送装置的详细结构展示于图3，4之中。装置1具有一实心圆柱形状的弹性内件8及一空心圆柱形的弹性外管件9，内件8具有圆柱形外壁8a，外件9具有圆柱形内、外壁9c及9d。

由金属杆制作的内件8通过隔垫14a、14b固定于由金属管制作的外件9内，从而使之与外管件9同轴心。隔垫14a、14b固定于外件9之内壁9c上，并在其各端支承内件8。每个隔垫14a，14b各具有允许液体原料5流过的隔垫14a、14b之通孔。

内壁9c之直径大于内件8之外壁8a之直径。换言之，内壁9c与外壁8a在全长范围内是分隔开的。因此，在外件9中的内壁9c与外壁8a之间形成一个间隙G，间隙G具有圆环形截面。由于内件8具有相近于外件9一相似的长度，间隙G从外件9之一端延伸到另一端。

间隙G用作液体原料5之一个沟通通道，因而，输送至液体输送装置1之上游侧的原料5可以经过间隙G流至装置1之下游侧，通过由基于下面将要解释的原理的超声波振动器产生的一种表面声波，将流过间隙G之原材料5向前输送。

外件9还具有置于其各端的突缘9a及9b。突缘9a，9b具有置放O型圈11，12的凹陷部份。主通道10在其邻接液体输装置1的端部有一个突缘10a。主通道13在具邻接液体输送装置1的端部也有一突缘缘13a。突缘10a，13a均有在其内各设置有O型圈11或12的凹陷部份。

例如，外件9可由一种镍合金圆柱管制作，内件8由一种镍合金圆柱杆制作。外件8及9均有同样的总长度12厘米。

内件8有直径为5毫米的外壁8d。外件9有直径为5.1毫米的内壁9c。因此，间隙即沟通通道G具有宽度为0.05毫米的一个圆环形截面。与液体原料5接触的内件8之外壁8d，及外件9之内壁9c被用电抛光工艺处理或光滑的。

相对的突缘10a，9a紧密地连接在一起。相对的突缘10b，13a也紧密地连接在一起。这样，装置就被固定于主通道10和13。

O型环11，12放于各自的环形空间内，每个空间均由两个相对的凹陷部份组成，O型环11，12提供对液体原料5之密封作用。

液体输送装置1还有两个分开固定于外件9之外壁9d的两个超声波振动器7a，7b。从振动器7a之中心至突缘9a外端面间的距离为L₁。从振动器7b中心至突缘9b外端之间距为L₂。每个振动器7a，7b均是圆环形的。

每个振动器7a，7b通过振动，于外件9之内壁9c上产生一种表面声波(SAW)。该波沿壁9c或沟通通道G传递。在通道G内之原料5内传递波沿内壁9c从沟通通道G之一端向其另一端传送。

每个振动器7a，7b均是一种典型的兰杰文转换器，距离L₁和L₂均等于表面声波波长λ的1/4，即(1/4)λ。采用这样的布置是由于外件9对主通道10，13的连接点应该是波的连结点，而且在这些点上，该波之振幅应该为零。

在本实施例中，驱动电压V₁，V₂是50KHz，因此，波长λ大约为6厘米，因而距离L₁，L₂约为1.5厘米。为了产生传递波，电压V₁、V₂间的相位差约为180°。

虽然，在本实施例中配置有两个超声波振动器7a、7b，如果需要，三个或三个以上的超声波振动器也可以配设之。在这种方案中，如果任何位相差给予驱动振动器的各驱动电压，传递波之振幅均衡性可以得到改善，这会导致更稳定的输送作用。

如图2所示，置于液体输送装置1之下游侧的流速传感器3，监测流过主通道13的液体原料5之流速。根据监测结果，传感器3发出一输出讯号电压Vout并将之传送至比例控制线路2。输出讯号电压是与监测的流速值成比例的。

从另一方面看，一基准讯号电压Vref被施加于控制线路2。基准电压Vref相应于所期望的流速值。

控制线路2接收讯号电压Vref及Vout，并根据电压Vref及Vout值将驱动电压V₁及V₂分别供给到振动器7a及7b。每一个讯号电压Vref及Vout均随Vref与Vout之间的差值而改变，从而调整原料5之流速，使流速值为特定值。

下面对使在沟通通道G中的原料5被传送的原理结合附图4进行解释。

在图4中，在由振动器7a，7b将超声波振动施加于装置1的外件9时，振动就通过振动器与外壁9d之接触点传递至外件9。由于这种振动，就出现一个从接触点沿壁9c传送的表面声波。

振动器7a和7b施加一种其振动方向垂直于外壁9d的振动。在内壁9c上的、并不直接被施加振动并与接触点分隔的p点，被所施加的超声波振动而振动。其结果是，p点将沿一隋圆轨道运动，其情况如图4所示。在壁9c上的其余各点也沿与之同样的轨道运动。

由于内壁9c与液体原料5之间的摩擦力，原料5也沿椭圆轨道运动。但是，这种运动发生于整个内壁9c，因而，原料5整体地沿箭头A所示方向运动。在另一方面，产生于内壁9c上的表面声波在其波形中有一个沿箭头方向的运动波峰，与此波峰接触的原料5随着波峰的运动也沿同一方向被一起输送。

原料5的输送率可以通过改变振动器7a、7b之驱动力源加以调整。

在本实施例中，振动器7a、7b中之一个用作振动源，另一个用作振动传送接收器，用以保持波的单一传送方向。驱动电压V₁和V₂定至：

        V₁＝E  cosωt，V₂＝E  sinωt。

图5展示使用第一实施例的液体输送系统的整个CVD系统。在图5中，一阀16固定于蒸发器17与流速传感器3之间的主通道13中。液体原料5被输送至置于CVD腔21附近的蒸发器17。一喷啉头20及一接受器19固定于腔21内，半导体基片即晶片23由接受器19将之夹持于其底面。

作为一种载体气体的氮气(N₂)被喷入蒸发器17以使在蒸发器17中的原料5蒸发。蒸发3的原料5即原料5之蒸汽被供应至喷淋头20，并且接着被从喷淋头20之孔朝晶片23喷放。

CVD腔21由一真空泵18通过排放管即导管28抽吸。一晶片排放/装入锁定件22被配置得与腔21形成一整体。

图6展示均衡控制线路2及波速传感器3的详细结构。

如图6所示，传感器3有与用于普通质量流速控制器的传感器同样的结构。而且，一支路(未示出)和毛细管25配设在主通道13中。液体原料流经支路及毛细管25。两个加热器29a，29b彼此分隔地绕在毛细管25上。加热器29a，29b用于检测两绕缠点处之T₁和T₂温度。

在没有液体流过毛细管25时，T₁＝T₂，如果有液体流过毛细管25，T₁≠T₂，这是由于由液体产生了热传递的缘故。之后，这种温度差就由桥电路24检测，桥电路24就产生一个与检测到的流速成比例的输出讯号电压Vout，并将之传送到控制线路2内的比较器26。

基准电压Vref与电压Vout一起施加于比较器26。比较器26将Vref与Vout之值加以比较，根据比较结果将一个讯号输送至驱动超声波振动器7a、7b之一动力源27。

这样，施加于振动器7a、7b之电压V₁、V₂即动力电被反馈控制而将液体原料5之流速维持在特定值。

根据第一实施例的液体输送系统，液体输送装置1有一个由弹性外管件9及置于外管件9内之一弹性内件8形成的沟通通道G。

放置于外件9之外壁9d处之超声波振动器7a，7b也振动外件9，以产生一种沿外件9之内壁9c传递的表面声波，由此而使沟通通道G中的流体原料沿此传递波沿一个方向将之输送。

因此，第一实施例之液体输送系统能够以一特定流速输送液体原料5，而且不会污染原料5及阻塞输送通道10，13。

而且，表面声波也产生输送作用。因而通过附加地控制即调整所应用的超声波振动，还可以精确地控制液体原料5之流速。因而，原料5还可以一种微小的流速被输送。

此外，为了证实本发明的效果或优点，发明人还进行过一些试验。Ti[N(C₂H₅)₂]₄作为一种液体原料被用第一实施例的此液体输送系统输送过。其结果是，流速恒定地在0.0001～0.01微升/分之间变化，这对于由热CVD技术在6英寸硅晶片上进行TiN膜喷涂处理是最佳范围。

图7展示了第二实施例的一种液体输送系统1′，除了内件8′是由其内有一通孔H的金属管制作的，它具有与第一实施例的一样的结构，而且该孔内充满弹性材料8e。

虽然，在第一实施管中使用实体金属管作为内件8，其内孔中填充弹性材料8e的那种金属管也可以用于此发明。

在第二实施例中，可以获得与第一实施例同样的效果和优点。但是，由于有通孔H存在，而其输送率要小于第一实施例。

图8展示了第三实施例的一液体输送系统，除了外件9′有糙化了的内壁9c′外，其结构与第一实施例的一样。

在第二实施例中，也可以获得与第一实施例相同的效果即优点。

而且，由于内壁9c′被糙化，故它与原料5之摩擦力变得大于具有光滑内壁9c的第一、二实施例。结果是，与第一、二实施例相比，其输送率可被增大。

在上述各实施例中，液体输送系统均被应用于一CVD设备。然而，本发明的应用领域不仅局限于CVD设备。本发明还可被应于半导体器件生产的其它设备以及半导体器件生产之外的其它领域。

虽然本发明的推荐形式已被介绍。但应清楚：本领域的熟练人员会明白，可有不背离本发明实施例的各种变型，故本发明的实质仅由权利要求确定。

Claims (11)

1.一种以一种特定速率在主通道内输送一种液体原料用的液体输送系统，系统具有：

(a)一输送液体原料用的液体输送装置，本装置内有一沟通通道；

该装置置于主通道内，从而使沟通通道与主通道沟通；

该装置具有一个有一圆柱形内、外壁的弹性外管件，以及一个在外管件内的、具有一圆柱形外壁的弹性内件；

所述的内，外件于两者之间构成上述的沟通通道；

该装置还具有设置于外件之外壁的多个超声波振动器；

每个超声波振动器振动外件而产生一种沿外件之内壁传播的表面声波；

所述传播波使在沟通通道内的液体原料沿一个方向输送；

(b)一用于控制液体输送装置以调整在沟通通道内的原料之输送率的输送率控制器；

原料的输送率是通过变化超声波振动器的振动来加以调整的；以及

(c)一个用于监测主通道内流动的原料之流速的流速传感器；

传感器置于液体输送装置的主通道下游侧；

传感器将一输出信号输送至输送率控制器，由此而调整在沟通通道内的原材料之输送率；

输出信号是根据原料流速的监测结果产生的；

其中，液体原料是通过调整超声波振动而以一特定流速在主通道内被输送的。

2.如权利要求1所述液体输送系统，其特征在于，液体输送装置之内件是由一弹性杆制作的。

3.如权利要求1所述液体输送系统，其特征在于，液体输送装置之内件是由其内有一通孔的一弹性管件制作的；其特征还在于，该通孔内填充了弹性材料。

4.如权利要求1所述液体输送系统，其特征在于，外件之内壁是光滑的，而且该内壁未经粗糙化处理。

5.如权利要求1所述液体输送系统，其特征在于，液体输送装置之内件是由一弹性杆制作的，该装置除了所述沟通通道外不再有别的沟通通道；

其特征还在于，外件之内壁是光滑的，该内壁未经糙化处理。

6.如权利要求1所述液体输送系统，其特征在于，输送装置之内件是由一其内有通孔的弹性管件制作的，通孔内填充有弹性材料；

其特征还在于，外件内壁是光滑的，不对之施加粗糙化处理。

7.如权利要求1所述液体输送系统，其特征在于，外件的内壁由一种糙化工艺进行糙化处理；

其特征还在于，由液体输装置输送的原料输送率由于此糙化了的内壁而增加。

8.如权利要求1所述液体输送系统，其特征在于，液体输送装置的内件是由一弹性杆制作的；

其特征还在于，外件之内壁是由糙化工艺加以糙化的；

其特征还在于，由输送装置输送的原料之输送率是由于该糙化了的内壁而增大。

9.如权利要求5所述液体输送系统，其特征在于，输送装置之内件是由其内有一通孔的弹性管件制作的，内填充弹性材料；

其特征还在于，外件之内壁是由一种糙化工艺加以糙化的；

其特征还在于，由液体输送装置输送的原料之输送率由于该糙化了的内壁而增大。

10.如权利要求1所述液体输送系统，其特征在于，超声波振动器中之一个用作振动源，其另一个作为振动传播接收器；

其特征还在于，该表面声波之传播方向维持在一个方向上。

11.如权利要求1所述液体输送系统，其特征在于，施加于一个超声波振动器之电压的相位与加之于另外的振动器之电压相位不同。

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