CN114791309A - 用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置及方法，载气钢瓶经质量流量控制器连接至有源钢瓶，有源钢瓶置于水浴槽中，有源钢瓶经质量流量计与蒸汽收集瓶连接，蒸汽收集瓶经压力控制器连接冷阱，真空泵连接冷阱。通过气体种类匹配的MFC，气流被调节为定量的载气流，有源钢瓶被置于水浴槽中，被加热恒温在某一温度范围，通过改变阀门启闭，控制载气的方向，源蒸汽和载气通过MFM后，得到实时流量数据，源蒸汽被冷却在收集瓶中；可测试所有的液态和固态前驱体，可使用同一钢瓶，比较不同纯度MO源的优劣；可使用同一MO源，测试钢瓶的结构优劣；可使用钢瓶，测试新研发的MO源的蒸汽性能；选择范围远远大于成套设备。

Description

用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置及其方法。

背景技术

目前MOCVD和ALD都是常见的半导体化学薄膜沉积技术，MOCVD(金属有机化学气相沉积)主要是通过MOCVD设备，以ⅢA族、ⅡA族元素的有机化合物和VA、ⅥA族元素的氢化物等前驱体作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固体的薄层材料。

ALD(原子层沉积)是一种适合于研制最新的和前沿性的产品的薄膜制备技术，通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种技术。当前驱体达到基片表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应，在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对原子层沉积反应器进行清洗。典型的是在各种尺寸和形状的基底上沉积高精度、无针孔、高保形的纳米薄膜，包括氧化物、氮化物、碳化物、金属、硫化物和氟化物等晶体管栅极介电层(high-k)和金属栅电极(metal gate)，被广泛应用于高端芯片制造，包括逻辑芯片、AI芯片、5G芯片、大容量存储器和云计算芯片等。

半导体MOCVD/ALD前驱体是半导体薄膜沉积工艺的核心关键原材料，能够通过相关设备制备金属/氧化物/氮化物薄膜，用于90nm-14nm甚至7nm先进技术节点的集成电路制造工艺。常见的前驱体液态源包括：三烷基镓、三烷基铝、三烷基锑、二烷基锌、二乙基碲、四氯化碳、四氯化钛、四(二甲氨基)钛、四(二甲氨基)铪、四(二甲氨基)锆、三(二甲氨基)锑、四(甲乙氨基)钛、四(甲乙氨基)铪、四(甲乙氨基)锆、三(甲乙氨基)锑等；常见的固态源包括：三甲基铟、二茂镁、二茂铁、四溴化碳、三氯化铝等。

由于前驱体的化学活性、纯度影响、利于运输等原因，被封装于各式不锈钢钢瓶中，不锈钢通常为316L材质，部分钢瓶内部还涂有惰性层。在日新月异的新时代，MOCVD和ALD技术在不断进步，与此同时，对前驱体的品质要求、混合源、钢瓶容积和结构都提出了更多、更复杂的要求，特别是固体前驱体，对其颗粒大小，颗粒堆积形态、钢瓶结构、加热稳定性有很高的要求，需要在量产前进行大量的测试。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，特点是：载气钢瓶与质量流量控制器相连，质量流量控制器分别与质量流量计以及有源钢瓶相连，有源钢瓶置于水浴槽中，有源钢瓶与质量流量计相连，质量流量计分别与压力控制器以及蒸汽收集瓶相连，蒸汽收集瓶与压力控制器相连，压力控制器与冷阱相连，冷阱连接真空泵。

进一步地，上述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其中，载气钢瓶与质量流量控制器之间的连接管路上设有阀门一，质量流量控制器与有源钢瓶之间的连接管路上设有阀门二，有源钢瓶与质量流量计之间的连接管路上设有阀门三，质量流量控制器与质量流量计之间的连接管路上设有阀门四，质量流量计与蒸汽收集瓶之间的连接管路上设有阀门五和阀门七，蒸汽收集瓶与压力控制器之间的连接管路上设有阀门八，质量流量计与压力控制器之间的连接管路上设有阀门六，压力控制器与冷阱之间的连接管路上设有阀门九，冷阱与真空泵之间的连接管路上设有阀门十。

进一步地，上述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其中，用于读取瞬时流量和累积流量以及对质量流量控制器进行设置的PLC系统一与质量流量控制器电控连接。

进一步地，上述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其中，用于读取瞬时流量和累积流量以及对质量流量控制器进行设置的PLC系统二与质量流量计电控连接。

进一步地，上述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其中，PLC系统三与压力控制器电控连接。

进一步地，上述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其中，蒸汽收集瓶的体积是有源钢瓶体积的1.5倍，其外部配装有液氮的杜瓦，有源钢瓶吹出蒸汽，蒸汽和载气通过质量流量计后得到实时流量数据，蒸汽被冷却至蒸汽收集瓶中。

进一步地，上述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其中，蒸汽收集瓶和冷阱均置于液氮冷却系统中。

进一步地，上述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其中，蒸汽收集瓶连接吹出源收集槽。

本发明用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试方法，特点是：测试载气初始值，载气从载气钢瓶流出，经过阀门一减压，经由PLC系统一控制的质量流量控制器调整，然后依次通过阀门四、由PLC系统二控制的质量流量计、阀门六、由PLC系统三控制的压力控制器、阀门九、阀门十，最后由真空泵抽走；由质量流量计得到一组稳定的流量数据；

测试有源钢瓶，载气从载气钢瓶流出，经过阀门一减压，经由PLC系统一控制的质量流量控制器调整，然后依次通过阀门二、阀门三、由PLC系统二控制的质量流量计、阀门五、阀门七、阀门八、由PLC系统三控制的压力控制器、阀门九、阀门十，最后由真空泵抽走，源蒸汽被收集至蒸汽收集瓶内，由质量流量计得到一组稳定的流量数据，通过减去载气初始值，得到源蒸汽的流量数值。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①本发明测试装置结构设计简洁，采用灵活搭配的模式，适应市面上大量各类种类气源钢瓶，通过气体种类匹配的MFC，气流被调节为定量的载气流，有源钢瓶被置于水浴槽中，被加热恒温在某一温度范围，通过改变阀门启闭，控制载气的方向，源蒸汽和载气通过MFM后，得到实时流量数据，源蒸汽被冷却在收集瓶中；

②测试线基本上可以测试所有的液态和固态前驱体，可使用同一钢瓶，比较不同纯度MO源的优劣；可使用同一MO源，测试钢瓶的结构优劣；可使用钢瓶，测试新研发的MO源的蒸汽性能；选择范围远远大于成套设备；

③本发明测试装置易于拆卸，成本低，投入小，不受场地控制，可移植性强。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，载气钢瓶1与质量流量控制器3相连，质量流量控制器3分别与质量流量计6以及有源钢瓶4相连，有源钢瓶4置于水浴槽5中，有源钢瓶4与质量流量计6相连，质量流量计6分别与压力控制器10以及蒸汽收集瓶8相连，蒸汽收集瓶8与压力控制器10相连，压力控制器10与冷阱12相连，冷阱12连接真空泵13。

载气钢瓶1与质量流量控制器3之间的连接管路上设有阀门一21，质量流量控制器3与有源钢瓶4之间的连接管路上设有阀门二22，有源钢瓶4与质量流量计6之间的连接管路上设有阀门三23，质量流量控制器3与质量流量计6之间的连接管路上设有阀门四24，质量流量计6与蒸汽收集瓶8之间的连接管路上设有阀门五25和阀门七27，蒸汽收集瓶8与压力控制器10之间的连接管路上设有阀门八28，质量流量计6与压力控制器10之间的连接管路上设有阀门六26，压力控制器10与冷阱12之间的连接管路上设有阀门九29，冷阱12与真空泵13之间的连接管路上设有阀门十20。

用于读取瞬时流量和累积流量以及对质量流量控制器3进行设置的PLC系统一2与质量流量控制器3电性连接。用于读取瞬时流量和累积流量以及对质量流量控制器3进行设置的PLC系统二7与质量流量计6电性连接。PLC系统三11与压力控制器10电性连接。

蒸汽收集瓶8连接吹出源收集槽9。蒸汽收集瓶8和冷阱12均置于液氮冷却系统中。蒸汽收集瓶8的体积是有源钢瓶4体积的1.5倍，其外部配装有液氮的杜瓦，有源钢瓶4吹出蒸汽，蒸汽和载气通过质量流量计6后得到实时流量数据，蒸汽被冷却至蒸汽收集瓶8中。

洁净气源为氮气、氩气、氦气或氢气，通过高效过滤器变为洁净气源。质量流量控制器3(MFC，Mass Flow Controller)的使用介质为氮气、氩气、氦气或氢气，其流量单位为sccm或sLm，可以通过PLC系统一2进行读取瞬时流量和累积流量，同时可对MFC进行设置。水浴槽5为有源钢瓶4提供恒温环境，避免由于温度的变化而引起测试线内蒸汽的波动。质量流量计6(MFM，Mass Flow Meter)的使用介质为氮气、氩气、氦气或氢气，其流量单位为sccm或sLm，可以通过PLC系统二7进行读取瞬时流量和累积流量，同时可以对MFM进行设置。压力控制器10(PC，Pressure Controller)用于对真空系统进行调节，满足不同源蒸汽挥发速度的控制。真空系统可提供100至1500torr的真空度，由液氮冷却的冷阱12采用304不锈钢材质制作，用于保护真空泵不被源蒸汽所腐蚀。采用加热和保温的不锈钢管，直径为3/8或1/2英寸，加热系统通过热电阻反馈，由PLC系统控制加热电压，稳定在恒温状态，保温系统是用保温材料对测试线进行保温，减少和大气环境的热交换，保证测试线的热稳定性。

测试载气初始值时，载气从载气钢瓶1流出，经过阀门一(减压阀)21减压至0.2MPa，经过由PLC系统一2控制的质量流量控制器3调整为X sccm，然后依次通过阀门四24、由PLC系统二7控制的质量流量计6、阀门六26、由PLC系统三11控制的压力控制器10、阀门九29、阀门十20，最后由真空泵13抽走；由质量流量计6得到一组稳定的流量数据。

测试有源钢瓶时，载气从载气钢瓶1流出，经过阀门一(减压阀)21减压至0.2MPa，经过由PLC系统一2控制的质量流量控制器3调整为Xsccm，然后依次通过阀门二22、阀门三23、由PLC系统二7控制的质量流量计6、阀门五25、阀门七27、阀门八28、由PLC系统三11控制的压力控制器10、阀门九29、阀门十20，最后由真空泵13抽走，源蒸汽被收集到蒸汽收集瓶8内，由质量流量计6得到一组稳定的流量数据，通过减去载气初始值，得到源蒸汽的流量数值。

实施例1

如图1所示，测试三甲基镓钢瓶钢瓶蒸汽的稳定性。1000mL标准钢瓶，内装有500g6N纯度的三甲基镓用于测试。载气选用6N纯度氩气，通过气体减压阀被减压到0.2MPa，再通过HORIBA公司型号为S600的氩气MFC控制载气流为1000sccm，水浴锅温度恒定在5±0.1℃，用液氮冷却的收集瓶和冷阱，通过压力控制器(PC，Pressure Controller)，控制系统真空度为800torr。通过三甲基镓的蒸气压方程：lg P(mmHg)＝8.07-1703/T(K)，在5℃时，其蒸气压P＝10^{(8.07-1703/278)}＝10^1.944＝87.9(mmHg)＝11.69KPa，再根据理想气体状态方程PV＝nRT，可以得到理论上通气时间120分钟吹出的三甲基镓的量的范围，同时在MFM上显示出实时曲线，三甲基镓吹出浓度平稳。

实施例2

如图1所示，测试三甲基铟标准钢瓶与改进钢瓶对三甲基铟蒸汽的影响，三甲基铟是一种常用的MO源，常温下为白色固体，由于固体MO源的蒸汽浓度与多种因素有关，比如固体的颗粒度大小、颗粒堆积形态、载气的通过路径、温度的高低、颗粒的板结情况有关，导致固态源的原料浓度难以控制稳定；一旦原料浓度下降，会使制备出的芯片的化合物半导体层出现微结构不一致的情况，最终会产生很多的不良品，所以其灌装容器一直在改进中。500mL标准钢瓶和500mL改进钢瓶，内都装有300g 6N纯度的三甲基铟用于测试。载气选用6N纯度氮气，通过气体减压阀被减压到0.2MPa，再通过HORIBA公司型号为S600的氮气MFC控制载气流为800sccm，水浴锅温度恒定在30℃±0.1℃，用液氮冷却的收集瓶和冷阱，同时，MFC后段的所有管路，包括与收集瓶和冷阱连接的管路都需要进行加热，加热温度为45～50℃，通过PC，控制系统真空度为800torr。通过三甲基铟的蒸气压方程：log P(mmHg)＝10.52-3014/T(K)，当30℃时，其蒸气压P＝10^{(10.52-3014/303)}＝10^0.573＝3.74(mmHg)＝0.497KPa，再根据理想气体状态方程PV＝nRT，可以得到理论上通气时间120分钟吹出的三甲基铟的量的范围。MFM表明，用改进钢瓶填装的三甲基铟，其吹出的蒸汽更加平稳，钢瓶使用寿命更长，利于下游客户的使用，达到改进的目的。

实施例3

如图1所示，用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试线，测试一种新二茂镁钢瓶的最佳结构，二茂镁与三甲基铟一样，常温下为固体，且其蒸气压比三甲基铟更低。二茂镁通常作为GaN层的P型掺杂剂，使用时，其蒸汽在载气中的载流子浓度为2*e¹⁸个/立方厘米，一瓶产品的使用周期通常在6个月时开始出现载流子浓度下降，接近使用12个月时，达到其使用寿命，如果能延长二茂镁的使用周期，会对使用单位节约大量的时间和人力，降低安全风险。为使用一种可以使载气沿着最长路径流通，和二茂镁有最大接触的容器是一种解决二茂镁蒸汽量不足的办法。一改进钢瓶，内部含有4或6个独立托盘，二茂镁总填装量为300g，平均分装到托盘上，通过该测试线，研究选用4层结构还是6层结构。载气选用6N纯度氮气，通过气体减压阀被减压到0.2MPa，再通过HORIBA公司型号为S600的氮气MFC控制载气流为1000sccm，水浴锅温度恒定在30±0.1℃，用液氮冷却收集瓶和冷阱，同时，MFC后段的所有管路，包括与收集瓶和冷阱连接的管路都需要进行加热，加热温度为45℃，通过PC，控制系统真空度为400torr。通过二茂镁的蒸气压方程：logP(mmHg)＝10.0-3372/T(K)，当30℃时，其蒸气压P＝10^{(10-3372/303)}＝10^-1.13＝0.074(mmHg)＝9.86Pa，再根据理想气体状态方程PV＝nRT，可以得到理论上通气时间300分钟吹出的二茂镁的量的范围。实际检测中，用4层结构钢瓶和用6层结构钢瓶吹出的二茂镁量相当。为了验证钢瓶效果，使二茂镁晶体板结更接近实际情况，实验周期为24个月，钢瓶持续恒温加热，每个月25日进行一次吹气实验，MFM表明，用两种结构填装的二茂镁，其吹出的蒸汽曲线基本一致，说明两种结构的钢瓶对二茂镁的贡献基本一致，考虑到加工成本和分装工作量，最终选用4层结构的钢瓶用于填装二茂镁。

综上，本发明测试装置结构设计简洁，采用灵活搭配的模式，适应市面上大量各类种类气源钢瓶，通过气体种类匹配的MFC，气流被调节为定量的载气流，有源钢瓶被置于水浴槽中，被加热恒温在某一温度范围，通过改变阀门启闭，控制载气的方向，源蒸汽和载气通过MFM后，得到实时流量数据，源蒸汽被冷却在收集瓶中。

测试线基本上可以测试所有的液态和固态前驱体，可使用同一钢瓶，比较不同纯度MO源的优劣；可使用同一MO源，测试钢瓶的结构优劣；可使用钢瓶，测试新研发的MO源的蒸汽性能；选择范围远远大于成套设备。

本发明测试装置易于拆卸，成本低，投入小，不受场地控制，可移植性强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其特征在于：载气钢瓶(1)与质量流量控制器(3)相连，质量流量控制器(3)分别与质量流量计(6)以及有源钢瓶(4)相连，有源钢瓶(4)置于水浴槽(5)中，有源钢瓶(4)与质量流量计(6)相连，质量流量计(6)分别与压力控制器(10)以及蒸汽收集瓶(8)相连，蒸汽收集瓶(8)与压力控制器(10)相连，压力控制器(10)与冷阱(12)相连，冷阱(12)连接真空泵(13)。

2.根据权利要求1所述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其特征在于：载气钢瓶(1)与质量流量控制器(3)之间的连接管路上设有阀门一(21)，质量流量控制器(3)与有源钢瓶(4)之间的连接管路上设有阀门二(22)，有源钢瓶(4)与质量流量计(6)之间的连接管路上设有阀门三(23)，质量流量控制器(3)与质量流量计(6)之间的连接管路上设有阀门四(24)，质量流量计(6)与蒸汽收集瓶(8)之间的连接管路上设有阀门五(25)和阀门七(27)，蒸汽收集瓶(8)与压力控制器(10)之间的连接管路上设有阀门八(28)，质量流量计(6)与压力控制器(10)之间的连接管路上设有阀门六(26)，压力控制器(10)与冷阱(12)之间的连接管路上设有阀门九(29)，冷阱(12)与真空泵(13)之间的连接管路上设有阀门十(20)。

3.根据权利要求1所述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其特征在于：用于读取瞬时流量和累积流量以及对质量流量控制器(3)进行设置的PLC系统一(2)与质量流量控制器(3)电控连接。

4.根据权利要求1所述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其特征在于：用于读取瞬时流量和累积流量以及对质量流量控制器(3)进行设置的PLC系统二(7)与质量流量计(6)电控连接。

5.根据权利要求1所述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其特征在于：PLC系统三(11)与压力控制器(10)电控连接。

6.根据权利要求1或2所述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其特征在于：蒸汽收集瓶(8)的体积是有源钢瓶(4)体积的1.5倍，其外部配装有液氮的杜瓦，有源钢瓶(4)吹出蒸汽，蒸汽和载气通过质量流量计(6)后得到实时流量数据，蒸汽被冷却至蒸汽收集瓶(8)中。

7.根据权利要求1或2所述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其特征在于：蒸汽收集瓶(8)和冷阱(12)均置于液氮冷却系统中。

8.根据权利要求1所述的用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试装置，其特征在于：蒸汽收集瓶(8)连接吹出源收集槽(9)。

9.权利要求1所述的装置实现用于测试有源钢瓶蒸汽稳定性的测试方法，其特征在于：测试载气初始值，载气从载气钢瓶(1)流出，经过阀门一(21)减压，经由PLC系统一(2)控制的质量流量控制器(3)调整，然后依次通过阀门四(24)、由PLC系统二(7)控制的质量流量计(6)、阀门六(26)、由PLC系统三(11)控制的压力控制器(10)、阀门九(29)、阀门十(20)，最后由真空泵(13)抽走；由质量流量计(6)得到一组稳定的流量数据；

测试有源钢瓶，载气从载气钢瓶(1)流出，经过阀门一(21)减压，经由PLC系统一(2)控制的质量流量控制器(3)调整，然后依次通过阀门二(22)、阀门三(23)、由PLC系统二(7)控制的质量流量计(6)、阀门五(25)、阀门七(27)、阀门八(28)、由PLC系统三(11)控制的压力控制器(10)、阀门九(29)、阀门十(20)，最后由真空泵(13)抽走，源蒸汽被收集至蒸汽收集瓶(8)内，由质量流量计(6)得到一组稳定的流量数据，通过减去载气初始值，得到源蒸汽的流量数值。

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