DE112015000489T5 - Dampfzufuhrsystem - Google Patents

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Abstract

Ein verbessertes ALD-System, das für flüssige und feste Precursoren mit niedrigem Dampfdruck verwendbar ist. Das ALD-System umfasst einen Precursor-Behälter und Inertgaszufuhrelemente, die dazu ausgelegt sind, den Precursor-Dampfdruck innerhalb eines Precursor-Behälters durch Einspeisen eines Inertgasimpulses in den Precursor-Behälter zu erhöhen, während ein Precursor-Impuls zur Reaktionskammer entfernt wird. Ein steuerbares Inertgasdurchflussventil und eine Durchflussdrossel sind entlang einer Inertgaseingangsleitung, die in den Precursor-Behälter unter seinem Füllpegel führt, angeordnet. Ein Dampfraum ist über dem Füllpegel vorgesehen. Ein ALD-Impulsventil ist entlang einer Precursor-Dampfleitung angeordnet, die sich zwischen dem Dampfraum und der Reaktionskammer erstreckt. Beide Ventile werden gleichzeitig gepulst, um synchron Precursor-Dampf vom Dampfraum zu entfernen und Inertgas in den Precursor-Behälter unter dem Füllpegel einzuspeisen.

Description

  • Rückverweisung auf verwandte US-Patentanmeldungen
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität unter 35 U. S. C. § 119(e) auf die vorläufige US-Patentanmeldung lfd. Nr. 61/903807 (Akten. 3521.390), eingereicht am 23. Januar 2013, die durch den Hinweis in ihrer Gesamtheit und für alle Zwecke hierin aufgenommen wird.
  • Urheberrechtsvermerk
  • Ein Teil der Offenbarung dieses Patentdokuments kann Material enthalten, das dem Urheberrechtsschutz unterliegt. Der Urheberrechtseigentümer hat keinen Einwand gegen die Faksimilereproduktion des Patentdokuments oder der Patentoffenbarung durch irgendjemanden, wie sie in den Patentdateien oder -datensätzen des Patent- und Markenamts erscheint, behält sich jedoch ansonsten alle Urheberrechte jeglicher Art vor. Die folgende Bemerkung soll für dieses Dokument gelten: Urheberrecht 2015 Ultratech Inc.
  • Hintergrund der Erfindung
  • a. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dampfzufuhrsystem, das betriebsfähig ist, um Precursor- oder Reaktantendampfimpulse in eine Reaktionskammer zuzuführen. Insbesondere ersetzt die Erfindung eine herkömmliche Massendurchfluss-Steuereinheit (Mass Flow Controller – MFC) mit einem Impulsventil.
  • b. Der Stand der Technik
  • Es ist ein typisches Problem bei Gas- und/oder Dampfphasenabscheidungssystemen, dass Dampfphasenmaterialien, die von flüssigen und festen Precursor-Materialien gesammelt werden, einen niedrigen Dampfdruck aufweisen, z. B. bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen, was in einigen Fällen die Verwendung von einigen ansonsten erwünschten flüssigen oder festen Precursor-Materialien mit niedrigem Dampfdruck verhindert hat. Eine Lösung des Standes der Technik, die verwendet wird, um den Dampfdruck von flüssigen und festen Precursor-Materialien mit niedrigem Dampfdruck zu erhöhen, besteht darin, das flüssige oder feste Precursor-Material auf eine Temperatur zu erhitzen, die seinen Dampfdruck auf brauchbare Niveaus für Dampfabscheidungszylden erhöht. Obwohl das Erhitzen von flüssigen und/oder festen Precursor-Materialien, um einen geeigneten Dampfdruck für Dampfabscheidungszyklen vorzusehen, für einige Precursor-Materialien mit niedrigem Dampfdruck geeignet ist, bestehen obere Temperaturgrenzen, über denen der Precursor-Dampf nicht mehr für Dampfabscheidungszyklen geeignet ist. Insbesondere weisen die meisten Precursor-Dampfphasenmaterialien, die von flüssigen und/oder festen Precursor-Materialien gesammelt werden, eine Abbautemperatur auf, über der der Precursor-Dampf unwirksam oder weniger wirksam für die gewünschte Gasabscheidungsreaktion gemacht wird. Bei dem speziellen Beispiel, bei dem Dampfphasen-Precursor in einer Atomschichtabscheidungs-(ALD)Reaktionskammer verwendet werden, liegen die Abbautemperaturen von vielen erwünschten Dampfphasen-Precursor-Materialien zwischen 75 und 150°C, so dass jegliche Heizschritte, die die Dampfphasen-Precursor-Materialen über 150°C erhitzen, keine brauchbare Lösung zum Erhöhen des Precursor-Dampfdrucks für ALD-Abscheidungszyklen sind.
  • Eine weitere Lösung des Standes der Technik besteht darin, eine Strömung eines Inertgases durch einen Blasenerzeuger vorzusehen, um das Inertgas durch das flüssige oder feste Precursor-Material, das innerhalb eines Behälters enthalten ist, sprudeln zu lassen. In diesem Fall ist der Behälter im Wesentlichen abgedichtet, außer dass ein Inertgas in den Behälter eingespeist werden kann und Precursor-Dampf vom Behälter unter Verwendung von steuerbaren Ventilen oder dergleichen entnommen werden kann. Insbesondere ist der Behälter teilweise mit einem flüssigen oder festen Precursor mit niedrigem Dampfdruck gefüllt und ein Dampfraum ist innerhalb des Behälters über dem Pegel des darin aufgenommenen flüssigen oder festen Precursors vorhanden. Ein Gasblasenerzeuger umfasst eine Gaseingangsleitung, die vorgesehen ist, um eine Strömung von Inertgas in den ansonsten abgedichteten Precursor-Behälter einzuspeisen, und die Gaseingangsleitung ist angeordnet, um das Inertgas von dieser unter den Pegel des Precursors im Behälter abzugeben. Folglich sprudelt Gas nach oben durch das flüssige oder feste Precursor-Material zum Dampfraum über dem Pegel des Precursors im Behälter.
  • Der Blasenerzeuger sieht zwei Vorteile vor, die sind: Durchdringen oder Verdampfen von flüssigem oder festem Precursor-Material, um Precursor-Dampf in einem Dampfraum über dem Pegel des Precursors im abgedichteten Behälter zu sammeln oder mitzureißen; Erhöhen des Gesamtgasdrucks im Behälter. Insbesondere erhöht die Erhöhung des Gesamtdrucks auch den Precursor-Dampfpartialdruck im Dampfraum über dem Pegel des flüssigen oder festen Precursors, der innerhalb des abgedichteten Behälters enthalten ist.
  • Bei vielen Blasenerzeugersystemen des Standes der Technik strömt eine kontinuierliche Strömung von Inertgas in den Precursor-Behälter und eine kontinuierliche Strömung von Dampfphasen-Precursor-Material strömt aus dem Precursor-Behälter und das Dampfphasen-Precursor-Material wird entweder in eine Reaktionskammer zur Reaktion mit einer darin abgestützten Festkörperoberfläche zugeführt oder der Precursor-Dampf wird aus dem System abgeführt. Bei Blasenerzeugersystemen mit kontinuierlicher Strömung besteht kein Bedarf, die Strömung von Inertgas, das in den Vorläufer-Behälter eingegeben wird, zu stoppen, und die einzige Steuerung am Ausgang besteht darin, die Massendurchflussrate zu modulieren und entweder den Precursor-Dampf in die Reaktionskammer zu richten oder den Precursor-Dampf umzuleiten, damit er aus dem System abgeführt wird. Blasenerzeugersysteme mit kontinuierlicher Strömung sind beispielsweise bei einigen Systemen zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) verwendbar, da CVD-Zyklen mit der Zufuhr einer kontinuierlichen Strömung von Precursor-Dampf in die Reaktionskammer während eines CVD-Beschichtungszyklus kompatibel sind. Dies ist jedoch für ALD-Beschichtungszyklen nicht der Fall.
  • Folglich sind Blasenerzeugersysteme mit kontinuierlicher Strömung nicht für ALD-Systeme geeignet. Stattdessen sind zusätzliche Gasströmungssteuerelemente erforderlich, um die Precursor-Dampf-Materialzufuhr zur Reaktionskammer zu starten und zu stoppen und den Gesamtgasdruck innerhalb des Precursor-Behälters zu managen, insbesondere wenn der Precursor-Dampf nicht aus dem Precursor-Behälter entfernt wird. Anstelle der Abführung von ungenutztem Precursor-Dampfmaterial aus dem System ist es außerdem erwünscht, das Precursor-Dampfmaterial zu bewahren, die Betriebskosten zu verringern und die Kosten der Entsorgung oder anderweitigen Neutralisation von potentiell schädlichen und/oder flüchtigen Precursor-Dampfmaterialien zu beseitigen, wenn sie lediglich aus dem System abgeführt werden.
  • Für herkömmliche ALD-Systeme wird jeder Precursor-Dampf in die Reaktionskammer durch ein separates ALD-Impulsventil gepulst. ALD-Impulsventile sind zwischen abgedichteten Precursor-Behältern und der Reaktionskammer angeordnet und können in einen Gaseingangsverteiler integriert sein, der verwendbar ist, um die Precursor-Eingabe in die Reaktionskammer zu steuern. Für jedes Impulsventil sind eine Impulsdauer und ein Partialdampfdruck innerhalb des abgedichteten Precursor-Behälters zu dem Zeitpunkt, zu dem das Impulsventil geöffnet oder gepulst wird, im Allgemeinen proportional zum Volumen an Precursor, der in die Reaktionskammer während jedes Precursor-Impulses abgegeben wird. Insbesondere weisen Precursor-Impulsventile gewöhnlich Impulsdauern im Bereich von 1–100 ms mit einer Frequenz von Impuls zu Impuls von etwa drei- bis viermal die Impulsdauer auf.
  • Blasenerzeugersysteme mit kontinuierlicher Strömung erhalten das Inertgas von einem Gaszufuhrmodul und sind mit einem Precursor-Behälter gekoppelt, um im Wesentlichen kontinuierlich eine Inertgasströmung durch den Precursor-Behälter zu leiten. Ein Inertgas wie z. B. Stickstoff wird zu einem Speiserohr von einem Druckgasbehälter oder dergleichen mit einem im Wesentlichen geregelten Gasdruck, z. B. zwischen etwa 10 und 70 Pfund pro Quadratzoll (PSI), zugeführt. Die Massendurchflussrate des Inertgases, das in den Precursor-Behälter eintritt, wird im Allgemeinen auf eine relativ niedrige Massendurchflussrate durch eine Massendurchflusssteuereinheit (MFC) moduliert, die zwischen dem Druckregler und dem abgedichteten Precursor-Behälter angeordnet ist. Typischerweise wird eine stetige Massendurchflussrate von Inertgas in den Precursor-Behälter eingespeist und eine stetige Massendurchflussrate von Precursor-Dampf wird vom Behälter in eine Reaktionskammer abgegeben oder aus dem System abgeführt.
  • Ein Beispiel-Blasenerzeugersystem mit nicht kontinuierlicher Strömung für ein ALD-Gaszufuhrsystem, das Impulse von Inertgas in den Precursor-Behälter zuführt, ist in der verwandten US-Patentanmeldung 13/162 850, Liu et al., mit dem Titel ”Method and Apparatus For Precursor Delivery”, eingereicht am 17.6.2011 und veröffentlicht als US20110311726 , beschrieben. Liu et al. offenbaren ein Impulsventil, das entlang einer Inertgaseingangsleitung zwischen einem Druckregler und einem abgedichteten Precursor-Behälter angeordnet ist, und offenbaren ferner eine Blende zum Drosseln der Inertgasströmung zum Precursor-Behälter. Die Blende ist entlang der Eingangsgasleitung zwischen dem Druckregler und dem Impulsventil angeordnet. Die Durchflussdrossel ersetzt eine herkömmliche Massendurchflusssteuereinheit (MFC), um die Gasströmung zu begrenzen, wenn das Impulsventil geöffnet wird, um Inertgas in den Precursor-Behälter einzuspeisen. Liu et al. offenbaren jedoch, dass die Eingangsleitung die Eingangsgasimpulse, die in den abgedichteten Behälter unter dem Pegel des darin enthaltenen Precursors eingespeist werden, nicht zuführt, sondern stattdessen Eingangsinertgas in den Dampfraum über dem Pegel des flüssigen und festen Precursors, der innerhalb des Precursor-Behälters enthalten ist, zuführt. Ein Problem bei dieser Konfiguration des Standes der Technik besteht darin, dass der Inertgasimpuls, der in den Precursor-Behälter eintritt, das Precursor-Material nicht durchdringt oder verdampft, um Precursor-Material zu sammeln oder mitzureißen. Außerdem offenbaren Liu et al. ein System, das zwei Impulsventile verwendet, um einen gewünschten Eingangsimpuls zu erzeugen, was die Kosten erhöht. Überdies erforderten herkömmliche Blasenerzeugersysteme des Standes der Technik Betriebssicherheitsmerkmale wie z. B. eine Bypass-Leitung, die zwischen der Eingangsseite des Precursor-Behälters und einer Vakuumpumpe oder einer Abgasabführung angeordnet ist, um überschüssiges Eingangsgas, einschließlich jeglicher Dampfphasen-Precursor-Materialien, die innerhalb des abgedichteten Precursor-Behälters enthalten sind, zu spülen, wenn ein Gesamtgasdruck innerhalb des abgedichteten Behälters einen sicheren Betriebsdruck überschreitet. Überdies kann das Dampfphasen-Precursor-Material gefährlich, entflammbar oder beides sein und muss daher in einen sicheren Bereich abgeführt werden. Obwohl dieses Sicherheitsmerkmal vorteilhaft ist, fügt es Komplexität und Kosten hinzu.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Im Gegensatz zu den Problemen, die mit Blasenerzeugersystemen mit der vorstehend beschriebenen kontinuierlichen und nicht-kontinuierlichen Gasströmung des Standes der Technik verbunden sind sieht die vorliegende Erfindung ein verbessertes ALD-System vor, das ein verbessertes Precursor-Zufuhrsystem und -verfahren umfasst. Das ALD-System der vorliegenden Erfindung umfasst eine Reaktionskammer, die mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Die Vakuumpumpe läuft kontinuierlich, um Gas aus der Reaktionskammer zu entfernen, z. B. Precursoren, die in der Reaktionskammer vorhanden sind, die mit Festkörpersubstratoberflächen reagieren, und um Inertgas zu entfernen, das in die Reaktionskammer zugeführt wird, um die Reaktionskammer von Reaktionsnebenprodukt und/oder nicht zur Reaktion gebrachtem Precursor zu spülen. Das ALD-System der vorliegenden Erfindung umfasst auch einen Precursor-Behälter, der entweder ein flüssiges oder festes Precursor-Material enthält, das auf einen Füllpegel gefüllt ist, um einen Dampfraum über dem Füllpegel vorzusehen. Der Precursor-Behälter der vorliegenden Erfindung umfasst Heizelemente, um den Precursor zu erhitzen, um den Dampfdruck zu erhöhen, ohne den Precursor über eine Precursor-Abbautemperatur zu erhitzen. Eine Inertgaseingangsleitung ist vorgesehen, um Inertgas von einer Inertgasquelle aufzunehmen und das Inertgas in den Precursor-Behälter unter dem Füllpegel zuzuführen. Eine Precursor-Dampfleitung ist zwischen dem Precursor-Dampfraum und der Reaktionskammer angeordnet. Ein steuerbares ALD-Impulsventil ist entlang der Precursor-Dampfleitung zwischen dem Precursor-Dampfraum und der Reaktionskammer angeordnet. Ein steuerbares Inertgas-Durchflussventil ist entlang der Inertgaseingangsleitung zwischen dem Precursor-Behälter und der Inertgasquelle angeordnet. Beide Ventile sind anfänglich geschlossen, und wenn beide Ventile geschlossen sind, ist der Precursor-Behälter im Wesentlichen abgedichtet und von der Reaktionskammer und der Inertgasquelle isoliert.
  • Eine Systemsteuereinheit in elektrischer Kommunikation mit dem steuerbaren ALD-Impulsventil und dem steuerbaren Inertgasdurchflussventil ist betriebsfähig, um das steuerbare ALD-Impulsventil und das steuerbare Inertgasdurchflussventil zu pulsen. Jeder Impuls umfasst das Öffnen des Ventils für eine Impulsdauer im Bereich von 1 bis 100 ms. Während das ALD-Impulsventil offen ist, strömt Precursor-Dampf aus dem Dampfraum, durch das ALD-Impulsventil und in die Reaktionskammer. Während das steuerbare Inertgasdurchflussventil offen ist, strömt Inertgas in der Inertgaseingangsleitung durch das steuerbare Inertgasdurchflussventil und in den Precursor-Behälter und wird unter dem Füllpegel abgegeben, so dass das Inertgas durch den flüssigen oder festen Precursor in den über der Fülllinie vorgesehenen Dampfraum nach oben sprudelt. Das Sprudeln sieht zwei Vorteile vor: Durchdringen oder Verdampfen des flüssigen oder festen Precursor-Materials, um Precursor-Dampf in einem Dampfraum über dem Füllpegel zu sammeln oder mitzureißen; und Erhöhen des Gesamtgasdrucks im Behälter. Die Erhöhung des Gesamtdrucks erhöht auch den Precursor-Dampfpartialdruck im Dampfraum.
  • Diese und weitere Aspekte und Vorteile werden ersichtlich, wenn die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen gelesen wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung der Erfindung und Beispielausführungsformen davon am besten verstanden, die für die Zwecke der Erläuterung ausgewählt sind und in den zugehörigen Zeichnungen gezeigt sind, in denen:
  • 1 ein beispielhaftes schematisches Diagramm eines Atomschichtabscheidungssystems der vorliegenden Erfindung darstellt, das mit einem verbesserten Precursor-Verdampfungssystem gestaltet ist.
  • 2 ein beispielhaftes Diagramm des Gasdrucks in Torr an einer Vielzahl von Orten in einem Atomschichtabscheidungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 3 ein beispielhaftes Diagramm einer Gasdurchflussrate in Standardkubikzentimetern pro Minute (sccm) gegen den Gasdruck in Pfund pro Quadratzollmaß (psig) für eine Vielzahl von verschiedenen Blendendurchmessern, die für eine Gasdurchflussdrossel gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, darstellt.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Beispielhafte Systemarchitektur
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein einfaches und effektives Verfahren zum Integrieren eines Sprudelndes-/Durchfluss-Zufuhrsystems mit niedrigem Dampfdruck (Low Vapor Pressure Delivery – LVPD) mit Durchblasen/Durchfluss für Atomschichtabscheidungs(Atomic Layer Deposition – ALD)Systeme vor. Die Hardwarekonstruktion beseitigt den Bedarf an einer MFC und einem Schaltdurchflussventil zum Umleiten der Strömung des Trägergases unter Verwendung von manuellen Spülventilen, um ein sicheres Spülen der Precursor-Zufuhrleitungen zu ermöglichen, die sowohl für feste als auch flüssige Precursor-Materialien verwendet werden können.
  • Mit Bezug auf 1 ist ein nicht begrenzendes beispielhaftes ALD-System (1000) der vorliegenden Erfindung schematisch gezeigt. Das ALD-System (1000) umfasst eine Reaktionskammer (1010), die zu einer Abgasabführung (1015) durch eine Vakuumpumpe (1020) entgast wird. Ein einzelner Precursor-Behälter (1025) umfasst ein flüssiges oder festes Precursor-Material (1030), das auf einen Füllpegel (1035) gefüllt ist, wobei ein Dampfraum (1040) über dem Füllpegel (1035) vorgesehen ist. Ventile (1) (2) und (3) sind manuell betätigte Ventile. Das Ventil (1) ist an einer Inertgaseingangsleitung (1045) angeordnet, die in den Precursor-Behälter (1025) mit einem Ende unter der Fülllinie (1035) führt. Das Ventil (3) ist angeschlossen zwischen dem Dampfraum (1040) des einzelnen Precursor-Behälters (1025), der an einer Precursor-Dampfzufuhrleitung (1050) angeordnet ist, über eine Gasleitungsarmatur (1057), die vom einzelnen Precursor-Behälter (1025) schließlich zur Reaktionskammer (1010) führt. Obwohl hier ein einzelner Precursor-Behälter (1025) gezeigt ist, ist ein ALD-Verteiler (1055) vorgesehen, um Precursor-Dampf von einer Vielzahl von verschiedenen Precursor-Behältern (1025) aufzunehmen und einen Precursor-Dampf von einem oder mehreren ausgewählten Precursor-Behältern (1025) in die Reaktionskammer (1010) zuzuführen, wie erforderlich, um ALD-Beschichtungszyklen durchzuführen. Das Ventil (2) ist entlang einer Precursor-Behälter-Bypass-Leitung (1058) angeordnet. Die Bypass-Leitung (1058) verbindet die Inertgas-Eingangsleitung (1045) mit der Precursor-Dampf-Zufuhrleitung (1050).
  • Die manuellen Ventile (1) und (3) sind am Precursor-Behälter (1025) angebracht und sind vorgesehen, um die Inertgaseingangsleitung (1045) und die Precursor-Dampf-Zufuhrleitung (1050) manuell zu schließen, so dass der Precursor-Behälter vom ALD-System entfernt, z. B. gegen einen anderen Precursor-Behälter ausgetauscht oder nachgefüllt und ersetzt werden kann, oder um anderweitig den Precursor-Behälter vom ALD-System (1000) zu isolieren. Vorzugsweise umfasst die Inertgaseingangsleitung (1045) und die Precursor-Dampfzufuhrleitung (1050) eine Schnellverbindungs-Gasleitungsarmatur (1057) oder dergleichen, die vorgesehen ist, um den Precursor-Behälter (1025) zu lösen und erneut am ALD-System an der Schnellverbindungs-Leitungsarmatur (1057) zu befestigen.
  • Eine Zufuhr von Stickstoffgas oder einem anderen Inertgas (1060) wird in die Inertgaseingangsleitung (1045) von einem nicht gezeigten Gaszufuhrmodul zugeführt. Der Eingangsgasdruck kann zwischen 10 und 70 Pfund pro Quadratzoll (PSI) liegen. Ein Gasdruckregler (1065) ist wahlweise entlang der Inertgaseingangsleitung (1045) angeordnet, um den Inertgaseingangsdruck auf einen gewünschten Bereich zu regeln. Bei der vorliegenden nicht begrenzenden Beispielausführungsform ist der gewünschte Eingangsgasdruck, wie durch den Gasdruckregler (1065) aufrechterhalten, 40 PSI. Wahlweise ist ein manuelles Ventil (4) entlang der Inertgaseingangsleitung (1045) zwischen dem Gaszufuhrmodul und dem manuellen Ventil (1) angeordnet, um die Inertgaseingangsleitung (1045) zu schließen, wenn kein Precursor-Behälter (1025) installiert ist, und die Inertgasströmung nach Bedarf zu blockieren.
  • Ein Rückschlagventil (1070) ist wahlweise entlang der Inertgaseingangsleitung (1045) zwischen dem Gaszufuhrmodul und dem Precursor-Behälter (1025) angeordnet. Das Rückschlagventil (1070) ermöglicht nur eine Gasströmung in einer Richtung, die im vorliegenden Beispiel vom Gaszufuhrmodul in Richtung des Precursor-Behälters (1025) liegt. Das Rückschlagventil (1070) ist als Sicherheitsmerkmal enthalten, um zu verhindern, dass Precursor-Dampf aus dem Dampfraum (1040) zum manuellen Ventil (4) strömt, wo er versehentlich an die Atmosphäre abgegeben werden kann.
  • Eine Durchflussdrossel (1075) ist entlang der Inertgaseingangsleitung (1045) zwischen dem Druckregler (1065) und dem Precursor-Behälter (1025) angeordnet. Die Durchflussdrossel verringert lokal die Fläche einer Gasleitung, die durch die Inertgaseingangsleitung (1045) gebildet ist, um die Volumen- oder Massendurchflussrate von Gas, das durch die Strömungsdrossel strömen kann, im Vergleich zur Volumen- oder Massendurchflussrate von Gas, das durch die Gasleitung ohne Drosselung strömt, einzuschränken.
  • Bei der vorliegenden nicht begrenzenden Beispielausführungsform weist die Durchflussdrossel (1075) eine Blende auf, die entlang der Inertgaseingangsleitung (1045) angeordnet ist. Die Blende kann kreisförmig, oval, quadratisch oder irgendeine andere Form haben. Alternativ kann die Durchflussdrossel (1075) irgendein Element aufweisen, das die Durchflussfläche der Leitung verringert, die durch die Inertgaseingangsleitung (1045) gebildet ist, wie z. B. ein Siebgitter, eine Quetschung, die in den Außenwänden der Inertgaseingangsleitung (1045) ausgebildet ist, ein poröses Material, das im Strömungsweg angeordnet ist, oder dergleichen.
  • Ein steuerbares Inertgasdurchflussventil (1080) ist entlang der Inertgaseingangsleitung (1045) zwischen dem Precursor-Behälter (1025) und der Durchflussdrossel (1075) angeordnet. Das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) ist betriebsfähig, um es in Reaktion auf ein elektronisches Signal, das durch eine Systemsteuereinheit (1085) erzeugt wird, zu öffnen und zu schließen. Ein Kommunikationskanal (1090) verbindet das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) mit der Systemsteuereinheit (1085), um elektrische Kommunikationssingale dazwischen auszutauschen. Das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) sieht eine Gasströmungsleitung vor, die durch dieses entlang der Achse der Inertgaseingangsleitung (1045) verläuft, so dass, wenn das steuerbare Inertgasdurchflussventil offen ist, Inertgas durch das steuerbare Inertgasdurchflussventil zum Precursor-Behälter (1025) strömt. Das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) umfasst ein durch einen Elektromagneten betätigtes, nicht gezeigtes bewegliches Tor, das beweglich ist, um die Gasströmung durch das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) zu blockieren, um dadurch eine Gasströmung durch die Inertgaseingangsleitung (1045) zu verhindern, wenn sich das durch einen Elektromagneten betätigte Tor in einer geschlossenen Position befindet.
  • Das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) arbeitet als Impulsventil. Das durch einen Elektromagneten betätigte Tor befindet sich standardmäßig anfänglich in der geschlossenen Position, z. B. federbelastet, um geschlossen zu bleiben. Das durch einen Elektromagneten betätigte Tor des steuerbaren Inertgasdurchflussventils (1080) wird in Reaktion auf einen Impulsbefehl, der von der Systemsteuereinheit (1085) empfangen wird, in eine offene Position bewegt. Der Impulsbefehl bewirkt, dass sich das durch einen Elektromagneten betätigte Tor kurz in die offene Position bewegt und dann schnell in die geschlossene Position zurückkehrt, z. B. indem es durch eine Federkraft zurückgeführt wird. Die Impulsdauer ist als Zeitperiode definiert, während der das durch einen Elektromagneten betätigte bewegliche Tor offen ist, z. B. sich von dann erstreckt, wenn das bewegliche Tor beginnt, sich in Richtung einer vollständig offenen Position zu bewegen, bis das bewegliche Tor in seine geschlossene Position zurückkehrt. Bei der vorliegenden nicht begrenzenden Beispielausführungsform ist das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) für einen Impulsdauerbereich von 1 bis 100 ms konfiguriert.
  • Während der Impulsdauer strömt ein Volumen von Inertgas durch das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) und tritt in den Precursor-Behälter (1025) durch die Inertgaseingangsleitung (1045) ein. Das Volumen von Inertgas, das durch das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) während jeder Impulsdauer strömt, wird ”Impulsvolumen” genannt. Das Impulsvolumen hängt teilweise von der Einstellung des Druckreglers (1065) oder allgemeiner dem Inertgaseingangsdruck, der Gasdurchflussfläche der Strömungsdrossel (1075), der Impulsdauer und dem Gesamtgasdruck innerhalb des Precursor-Behälters (1025) ab.
  • Bei einem nicht begrenzenden Betriebsmodus sind eines oder beide des steuerbaren Inertgasdurchflussventils (1080) und der Systemsteuereinheit (1085) betriebsfähig, um die Impulsdauer als Mittel zum Verändern des Impulsvolumens nach Bedarf zu verändern, um die Inertgaszufuhr in den Precursor-Behälter (1025) zu optimieren, um den Precursor-Dampfdruck zu erhöhen. Bei verschiedenen Beispielausführungsformen kann die Impulsdauer durch mechanisches Einstellen eines Elements des steuerbaren Inertgasdurchflussventils (1080), z. B. während eines Kalibrierungsschritts, verändert werden. Bei dieser Beispielausführungsform wird die Impulsdauer des steuerbaren Inertgasdurchflussventils (1080) einmal oder periodisch eingestellt, um die Leistung zu optimieren. Alternativ kann die Impulsdauer durch Verändern des durch die Systemsteuereinheit (1085) erzeugten Impulsbefehls verändert werden. Bei dieser Beispielausführungsform kann die Impulsdauer elektronisch verändert werden, um selektiv die Impulsdauer zu verändern, um das Impulsvolumen für verschiedene Precursor-Materialien und/oder für Abscheidungszyklustypen zu erhöhen oder zu verringern. Bei einer nicht begrenzenden Beispielausführungsform wird der Impulsbefehl, der verwendet wird, um zu bewirken, dass das durch einen Elektromagneten betätigte Tor sich öffnet, verändert, um das durch einen Elektromagneten betätigte Tor für längere oder kürzere Impulsdauern zu öffnen, als Mittel zum Erhöhen oder Verringern des Impulsvolumens.
  • Bei einem anderen nicht begrenzenden Betriebsmodusbeispiel kann das Impulsvolumen des steuerbaren Inertgasdurchflussventils (1080) durch Verändern des Eingangsgasdrucks verändert werden, wie z. B. durch manuelles oder elektronisches Einstellen eines Betriebspunkts des Gasdruckreglers (1065). Bei einem anderen nicht begrenzenden Betriebsmodusbeispiel kann die Gasdurchflussfläche der Durchflussdrossel (1075) verändert werden, um das Impulsvolumen zu verändern, entweder durch manuelles oder elektronisches Austauschen der Gasdurchflussdrossel (1075) gegen eine andere Blendengröße oder durch manuelles oder elektronisches Verändern der Gasdurchflussfläche durch Bewegung von mechanischen Elementen, z. B. wenn ein mechanisches Element bewegt wird, um eine Gasdurchflussfläche zu vergrößern oder zu verkleinern, wie es z. B. der Fall sein kann, wenn die Durchflussdrossel (1075) ein einstellbares Nadelventil oder dergleichen ist. Bei einem anderen nicht begrenzenden Betriebsmodusbeispiel ist jedes Impulsvolumen im Wesentlichen gleich, die Systemsteuereinheit (1085) wird jedoch betrieben, um das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) mehrere Male zu pulsen, als Mittel zum Erhöhen des Gesamtvolumens von Inertgas, das zum Precursor-Behälter (1025) zugeführt wird.
  • Ein ALD-Impulsventil (1095) ist entlang der Precursor-Dampfzufuhrleitung (1050) zwischen dem Precursor-Behälter (1025) und der Reaktionskammer (1010) angeordnet. Das ALD-Impulsventil (1095) ist betriebsfähig, um sich in Reaktion auf ein elektronisches Signal, das durch die Systemsteuereinheit (1085) erzeugt wird, zu öffnen und zu schließen. Der Kommunikationskanal (1090) verbindet das ALD-Impulsventil (1095) mit der Systemsteuereinheit (1085), um elektrische Kommunikationssignale dazwischen auszutauschen. Das ALD-Impulsventil (1095) sieht eine Gasströmungsleitung vor, die durch dieses entlang der Achse der Precursor-Dampfzufuhrleitung (1050) verläuft, so dass, wenn das ALD-Impulsventil (1095) offen ist, Precursor-Dampf durch das ALD-Impulsventil (1095) zur Reaktionskammer (1010) strömt, nachdem es durch den ALD-Verteiler (1055) strömt.
  • Das ALD-Impulsventil (1095) umfasst ein durch einen Elektromagneten betätigtes, nicht gezeigtes bewegliches Tor. Das durch einen Elektromagneten betätigte bewegliche Tor ist beweglich, um die Gasströmung durch das ALD-Impulsventil (1095) zu blockieren, um dadurch zu verhindern, dass der Precursor-Dampf durch die Precursor-Dampfzufuhrleitung (1050) strömt, wenn sich das durch einen Elektromagneten betätigte bewegliche Tor des ALD-Impulsventils (1095) in einer geschlossenen Position befindet. Das durch einen Elektromagneten betätigte bewegliche Tor des ALD-Impulsventils (1095) befindet sich standardmäßig anfänglich in einer geschlossenen Position, z. B. ist das bewegliche Tor federbelastet, um geschlossen zu bleiben. Das durch einen Elektromagneten betätigte bewegliche Tor des ALD-Impulsventils (1095) wird in Reaktion auf einen ALD-Impulsbefehl, der von der Systemsteuereinheit (1085) empfangen wird, in eine offene Position bewegt. Der ALD-Impulsbefehl bewirkt, dass das durch einen Elektromagneten betätigte bewegliche Tor des ALD-Impulsventils (1095) sich kurz in eine offene Position bewegt und die Federbelastung bewirkt, dass das bewegliche Tor schnell in seine geschlossene Position zurückkehrt. Die ALD-Impulsdauer ist die Zeitperiode, während der das bewegliche Tor des ALD-Impulsventils (1095) offen ist. Die ALD-Impulsdauer erstreckt sich vom Zeitpunkt, wenn das bewegliche Tor beginnt, sich von seiner geschlossenen Position in Richtung einer vollständig offenen Position zu bewegen, bis das bewegliche Tor in seine geschlossene Position zurückkehrt. Bei der vorliegenden nicht begrenzenden Beispielausführungsform ist das ALD-Impulsventil (1095) für einen Impulsdauerbereich von 1 bis 100 ms ausgelegt.
  • Das ALD-Impulsventil (1095) umfasst wahlweise einen Inertgaseingangsanschluss (1100). Eine Inertgasleitung, die sich von einem nicht gezeigten Gaszufuhrmodul erstreckt, ist mit dem Inertgasanschluss (1100) verbunden und führt eine Strömung von Inertgas (1105) zum Inertgasanschluss (1100) zu. Die Strömung von Inertgas (1105) wird vorzugsweise auf etwa 40 PSI druckgeregelt. Die Strömung von Inertgas (1105) strömt durch den Inertgaseingangsanschluss (1100) und tritt in die Precursor-Dampfzufuhrleitung (1050) durch das ALD-Impulsventil (1095) ein und strömt in nur einer Richtung in Richtung der Reaktionskammer (1010) durch den ALD-Verteiler (1055).
  • Bei einer ersten nicht begrenzenden Beispielausführungsform strömt das Inertgas (1105) kontinuierlich durch das ALD-Impulsventil (1095), das eine im Wesentlichen konstante Massendurchflussrate von Inertgas in die Reaktionskammer (1010) durch den ALD-Verteiler (1055) zuführt. Bei einer zweiten nicht begrenzenden Beispielausführungsform moduliert das ALD-Impulsventil (1095) das Inertgas (1105), das durch das ALD-Impulsventil (1095) strömt, unter Verwendung desselben durch einen Elektromagneten betätigten beweglichen Tors des ALD-Impulsventils (1095), das verwendet wird, um die Precursor-Dampfströmung zur Reaktionskammer zu modulieren. Insbesondere wenn das einzelne durch einen Elektromagneten betätigte bewegliche Tor des ALD-Impulsventils (1095) geschlossen ist, kann weder der Precursor-Dampf im Precursor-Behälter noch das Inertgas (1105), das durch den Anschluss (1105) empfangen wird, durch das ALD-Impulsventil (1095) strömen. Wenn jedoch das einzelne durch einen Elektromagneten betätigte bewegliche Tor des ALD-Impulsventils (1095) geöffnet ist, können sowohl der Precursor-Dampf als auch die Inertgasströmung durch das ALD-Impulsventil (1095) während der Impulsdauer strömen. Bei einer dritten nicht begrenzenden Beispielausführungsform ist das ALD-Impulsventil (1095) dazu ausgelegt, Inertgas (1105) und Precursor-Dampf, der durch das ALD-Impulsventil (1095) strömt, separat zu modulieren. Dies wird unter Verwendung der zwei durch einen Elektromagneten betätigten beweglichen Tore durchgeführt, wobei ein erstes bewegliches Tor betriebsfähig ist, um die Precursor-Dampfströmung zur Reaktionskammer zu modulieren, und ein zweites bewegliches Tor betriebsfähig ist, um die Inertgasströmung zu modulieren. Folglich wird eines der zwei durch einen Elektromagneten betätigten beweglichen Tore des ALD-Impulsventils (1095) geöffnet und geschlossen, um die Precursor-Dampfströmung zur Reaktionskammer (1010) zu modulieren, und das andere der zwei durch einen Elektromagneten betätigten beweglichen Tor des ALD-Impulsventils (1095) wird geöffnet und geschlossen, um die Precursor-Strömung zur Reaktionskammer (1010) zu modulieren. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform wird Inertgas (1105) nicht in das ALD-Impulsventil (1095) eingeführt, sondern wird stattdessen in Elemente des ALD-Verteilers (1055) zugeführt, die dazu ausgelegt sind, Inertgas in die Reaktionskammer (1055) zuzuführen und/oder das Inertgas mit Precursor-Dampf innerhalb des ALD-Verteilers (1055) zu mischen. Folglich ist ein ALD-Impulsventil (1095) mit zwei Anschlüssen wie das Durchfluss-Inertgas-Durchflussventil (1080) ohne Abweichung von der vorliegenden Erfindung verwendbar.
  • Während des normalen Betriebs sind die manuellen Ventile (1), (3) und (4) offen und das manuelle Ventil (2) ist geschlossen. Das ALD-Impulsventil (1095) und das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) sind anfänglich geschlossen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform strömt eine stetige Strömung von Inertgas (1105) durch das ALD-Impulsventil (1095) zur Reaktionskammer (1010) durch den ALD-Verteiler (1055). Wie vorstehend angegeben, enthält der Precursor-Behälter (1025) ein flüssiges oder festes Precursor-Material (1030) mit niedrigem Dampfdruck, das teilweise bis auf einen Füllpegel (1035) gefüllt ist, und die Inertgaseingangsleitung (1045) ist dazu ausgelegt, Inertgas in den Precursor-Behälter (1025) unterhalb des Füllpegels (1035) einzuspeisen, so dass das in den Precursor-Behälter (1025) eingespeiste Inertgas die Mitnahme von flüssigem oder festem Precursor in der Inertgasströmung fördert, wenn das Inertgas durch den flüssigen oder festen Precursor (1030) zum Dampfraum (1040) sprudelt.
  • Bei einem nicht begrenzenden beispielhaften Betriebsmodus sind sowohl das ALD-Impulsventil (1095) als auch das Durchflussventil (1080) jeweils mit derselben Impulsdauer gleichzeitig geöffnet. Folglich speist das Inertgasdurchflussventil (1080) ein Impulsvolumen von Inertgas in den Precursor-Behälter (1025) synchron mit der Freisetzung eines Impulsvolumens von Precursor-Dampf vom Precursor-Behälter (1025) in die Reaktionskammer durch das ALD-Impulsventil (1095) ein. Bei anderen Betriebsmodi kann das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) eine längere Impulsdauer als die Impulsdauer des ALD-Impulsventils (1095) haben. Bei einer Beispielbetriebsmodus-Ausführungsform wird folglich das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) zum Öffnen betätigt, bevor das ALD-Impulsventil (1095) geöffnet wird, und zum Schließen betätigt, nachdem sich das ALD-Impulsventil geschlossen hat, mit dem Ergebnis, dass Inertgas durch den flüssigen oder festen Precursor während der ganzen Dauer jedes Impulses des ALD-Impulsventils (1095) geblasen wird. Wie auch vorstehend beschrieben, kann eine Vielzahl von Precursor-Impulsvolumina in den Precursor-Behälter für jedes Precursor-Dampfimpulsvolumen, das in die Reaktionskammer eingespeist wird, durch Pulsen des steuerbaren Inertgasdurchflussventils (1080) mehrere Male für jeden Impuls des ALD-Impulsventils (1095) eingespeist werden.
  • Jedes Mal, wenn sich das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) öffnet, überwindet Inertgas, das in der Inertgaseingangsleitung (1045) vorhanden ist, die einen im Wesentlichen festen Inertgasdruck aufweist, den Schwellendruck des Rückschlagventils (1070) und strömt durch die Durchflussdrossel (1070) und durch das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) in den Precursor-Behälter (1025). Da das ALD-Impulsventil (1095) und das steuerbare Inertgasdurchflussventil (1080) beide für zumindest einen Teil der Impulsdauer des ALD-Impulsventils (1095) offen sind, strömt der Precursor-Dampf vom Dampfraum (1040) ununterbrochen in die Reaktionskammer (1010) während der ganzen ALD-Impulsdauer und Inertgas von der Inertgaseingangsleitung (1045) strömt ununterbrochen in den Precursor-Behälter (1025) unter dem Füllpegel (1035) während der ganzen Durchflussventilimpulsdauer. Da das Eingangsgas (1060) auf einem im Wesentlichen festen Gasdruck liegt und seine Massendurchflussrate im Wesentlichen durch die Durchflussdrossel (1075) begrenzt wird, wird überdies ein im Wesentlichen gleichmäßiges Volumen von Inertgas gleich dem Inertgasimpulsvolumen in den Precursor-Behälter (1025) während jeder Impulsdauer des steuerbaren Inertgasdurchflussventils (1080) zugeführt. Nach der Impulsdauer des ALD-Impulsventils (1095) und der entsprechenden Impulsdauer des steuerbaren Inertgasdurchflussventils (1080) werden beide Ventile geschlossen und das Rückschlagventil (1070) schließt sich auch, wobei ein Volumen von Inertgas in der Eingangsleitung (1045) zwischen dem Rückschlagventil (1070) und dem steuerbaren Inertgasdurchflussventil (1080) eingeschlossen wird. Da die Vakuumkammer auf einem Vakuumdruck liegt und der Inertgaseingang auf 40 PSI liegt, besteht eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass irgendein Precursor-Dampf aus dem Precursor-Behälter durch die Eingangsleitung entweicht, solange die Vakuumpumpe arbeitet.
  • Mit Bezug auf 2 stellt ein Diagramm (2000) des Gasdrucks als Funktion des Systemorts den Gasdruck in Torr an verschiedenen Orten des ALD-Systems (1000), das in 1 gezeigt ist, dar. Ausgehend vom Inertgaseingang (1060) wird eine Inertgaszufuhr von einem Gaszufuhrmodul mit etwa 40 psig oder etwa 2070 Torr zugeführt. In der Reaktionskammer (1010) arbeitet die Vakuumpumpe (1020) kontinuierlich, um die Reaktionskammer bis auf 1 Torr oder weniger abzupumpen (2005).
  • Der Gasdruckregler (1065) wird eingestellt, um den Eingangsgasdruck auf 1000 Torr (2010) zu regeln, der in 2 mit Trägergas bezeichnet ist. Der Druck von 1000 Torr (2010) ist im Wesentlichen konstant entlang der Inertgaseingangsleitung (1045) bis zur Position der Durchflussdrossel (1075), was in 2 mit Blendenverstärkungsventil bezeichnet ist. Die Durchflussdrossel (1075) verursacht einen Druckgradienten (2015), der den Gasdruck von 1000 Torr auf 10 Torr senkt. Folglich ist der Gesamtgasdruck innerhalb des Precursor-Behälters (1025), der mit Zufuhrbehälter in 2 bezeichnet ist, und in der Precursor-Dampfleitung (1050), die bis zum ALD-Impulsventil (1095) führt, etwa 10 Torr (2020). Der Druckgradient über dem ALD-Impulsventil (2025) senkt den Gasdruck von 10 Torr auf 1 Torr oder weniger.
  • Die in 2 dargestellten Druckwerte sind keine konstanten Druckwerte, sondern stellen lediglich ein nicht begrenzendes Beispiel eines bevorzugten Druckmodells dar, das mittlere Druckwerte über die Zeit für einen speziellen Eingangsgasdruck von 1000 Torr und für einen speziellen Reaktionskammergasdruck zeigt. Es wird angemerkt, dass, wenn das ALD-Impulsventil (1095) geschlossen ist, die Vakuumpumpe (1020) arbeitet, um den Gasdruck innerhalb der Reaktionskammer (1010) auf etwa 0,3 bis 0,5 Torr zu verringern, aber niedrigere Drücke liegen nicht außerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung. Es wird erkannt, dass der Gasdruck innerhalb der Vakuumkammer (1010) in Reaktion auf jedes Precursor-Impulsvolumen zunimmt, das in die Reaktionskammer durch eine ALD-Impulsdauer eingespeist wird, und dass zunehmende Impulsvolumina weiter den Gasdruck innerhalb der Reaktionskammer erhöhen. Ebenso schwankt der Gasdruck innerhalb des Precursor-Behälters (1025) in Reaktion auf jedes Precursor-Impulsvolumen, das dem Dampfraum (1040) entzogen wird, und jeden Inertgasimpuls, der in den Precursor-Behälter (1025) durch einen Inertgas-Durchflussventilimpuls eingespeist wird. Es wird auch erkannt, dass der mittlere Gasdruck innerhalb der Reaktionskammer (1010) weiter durch die Inertgasströmung (1105) beeinflusst wird, die in den ALD-Ventileingangsanschluss (1100) eintritt. Wenn die Gasströmung (1105) kontinuierlich ist, kann der mittlere Gasdruck in der Reaktionskammer erhöht werden und die Massendurchflussrate der Inertgasströmung (1105) kann eingestellt werden, um den mittleren Gasdruck in der Reaktionskammer nach Bedarf zu verändern. Es wird ferner angemerkt, dass, obwohl nur ein Precursor-Behälter (1025) hierin beschrieben ist, das ALD-System (1000) mindestens zwei Precursor für jeden ALD-Zyklus verwendet und ein nicht gezeigtes, zweites Precursor-Zufuhrsystem im ALD-System (1000) enthalten ist, und es wird erkannt, dass der Betrieb des zweiten Precursor-Zufuhrsystems sich auch auf den mittleren Gasdruck in der Reaktionskammer auswirkt.
  • Ein zweites Precursor-Zufuhrsystem umfasst einen zweiten Precursor-Behälter, der mit dem ALD-Verteiler (1055) gekoppelt ist und arbeitet, um einen zweiten Precursor in die Reaktionskammer (1010) unabhängig vom ersten Precursor zuzuführen, der vom Precursor-Behälter (1025) zugeführt wird. Obwohl in einigen Ausführungsformen das zweite Precursor-Zufuhrsystem zu den Elementen der Precursor-Zufuhrelemente, die hierin beschrieben sind und in 1 gezeigt sind, im Wesentlichen identisch sein kann, sind verschiedene andere zweite Precursor-Zufuhrmechanismen verwendbar. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind überdies mehr als zwei Precursor-Zufuhrsysteme mit dem ALD-Verteiler (1055) gekoppelt und werden durch die Systemsteuereinheit (1085) gesteuert, so dass das ALD-System (1000) betriebsfähig ist, um verschiedene Precursor-Kombinationen nach Bedarf auszuwählen, um verschiedene ALD-Beschichtungszyklustypen durchzuführen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend weitere Aspekte der Inertgasmassendurchflussrate in den Precursor-Behälter (1025) beschrieben. Bei einem Aspekt ist ein großer Druckgradient über der Durchflussdrossel (1075), als (2015) in 2 gezeigt, erwünscht, um eine Rückströmung vom Precursor-Behälter (1025) in Richtung des Inertgaseingangs (1060) zu verhindern. Bei einem zweiten Aspekt sind zwei verschiedene erwünschte Massendurchflussratenbeispiele für zwei verschiedene Blendengrößen der Durchflussdrossel (1075) vorgesehen.
  • Mit Bezug auf 3 zeigt ein Diagramm (3000) die Inertgasdurchflussrate in Standardzentimetern pro Minute (sccm) als Funktion des Eingangsgasdrucks in Pfund pro Quadratzollmaß (psig) für vier verschiedene Durchflussblendendurchmesser in Mikrometer (μm). In diesem Fall ist der Gasdruck der Gasdruck, der durch den Druckregler (1065) stromaufwärts der Durchflussdrossel (1075) eingestellt wird, die in 1 gezeigt ist. Wie in der Kurve (3005), die einer Blende mit einem Durchmesser von 20 μm zugeordnet ist, für einen Gasdruckbereich von 5 bis 60 psig zu sehen ist, liefert die Blende mit einem Durchmesser von 20 μm Gasdurchflussraten über der Blende im Bereich von 5 bis 18 sccm. Die Kurven (3010), (3015) und (3020), die einer Blende mit einem Durchmesser von 25 μm, einer Blende mit einem Durchmesser von 30 μm und einer Blende mit einem Durchmesser von 40 μm zugeordnet sind, zeigen jeweils jeweilige Ergebnisse der Gasdurchflussraten als Funktion des Gasdrucks.
  • Mit Bezug nun auf TABELLE 1 ist der Gasdruck an verschiedenen Orten im ALD-System (1000) für den Fall gezeigt, in dem die Durchflussdrossel (1075) von 1 einen Blendendurchmesser von 50 μm aufweist und wobei der in 1 gezeigte Druckregler (1065) auf 15 psig in einem ersten Fall und –10 in Hg in einem zweiten Fall eingestellt ist. Ein Faktor bei der Auswahl von Systembetriebsparametern ist der Wunsch, einen genügend großen Druckgradienten über die Durchflussdrossel (1075) und das Inertgasdurchflussventil (1080) vorzusehen, um eine Precursor-Dampfrückströmung in die Inertgaseingangsleitung (1045) zu verhindern und das Risiko, dass Luft in die Inertgaseingangsleitung (1045) einsickert, zu vermeiden.
  • Die TABELLE 1 listet verschiedene Orte des ALD-Systems (1000) auf und zeigt den Gasdruck, den Druckgradienten und Massendurchflussraten an den verschiedenen Orten für zwei verschiedene Gasreglerdruckeinstellungen. Wie vorstehend ausführlich erläutert, wird der Gasdruck in der Reaktionskammer (1010), im ALD-Verteiler (1055) weitgehend durch den Betrieb der Vakuumpumpe und etwas unabhängig von der Gasdruckdynamik der Inertgaseingangsleitung (1045) beeinflusst. Ebenso wird das Volumen zwischen dem steuerbaren Inertgasdurchflussventil (1080) und dem ALD-Impulsventil (1095), das den Precursor-Behälter (1025) umfasst, etwas von der Gasdynamik in der Inertgaseingangsleitung (1045) isoliert und etwas von der Gasdynamik im ALD-Verteiler und in der Reaktionskammer isoliert, außer wenn beide Ventile während Impulsdauern geöffnet sind. Da jedoch die Impulsdauern geringer sind als 100 ms und die Durchflussdrossel (1075) die Massendurchflussrate in den Precursor-Behälter (1025) einschränkt, bewahrt die vorliegende Erfindung effektiv einen im Wesentlichen konstanten oder annehmbar variablen Gasdruck im Precursor-Behälter (1025) durch Isolieren des Precursor-Behälters von der Eingangsgasströmung und Gasentnahme von der Reaktionskammer, während gleichzeitig gesteuerte Impulse von Inertgas in den Precursor-Behälter eingespeist werden, wenn der Precursor-Dampfimpuls entfernt wird.
  • Wie in TABELLE 1 gezeigt, sieht die Kombination einer Blende mit einem Durchmesser von 50 μm in der Durchflussdrossel (1075) mit einem Eingangsgasdruck von 1535 Torr (15 psig), der durch den Druckregler (1065) eingestellt wird, einen Druckgradienten über die Durchflussdrossel und das Inertgasdurchflussventil (1080) von 1430 Torr vor, wenn das Ventil (1080) offen ist, d. h. während der Impulsdauern. Gleichzeitig ist die Massendurchflussrate durch das offene Ventil (1080) etwa 55 sccm. Die Anmelder haben festgestellt, dass ein Druckgradient von > 760 Torr erwünscht ist, um eine Precursor-Dampfrückströmung in die Inertgaseingangsleitung (1045) zu verhindern und das Risiko, dass Luft in die Inertgaseingangsleitung (1045) leckt, zu vermeiden.
  • Unterdessen zeigt die TABELLE 1 auch die Kombination einer Blende mit einem Durchmesser von 50 μm in der Durchflussdrossel (1075) mit einem Eingangsgasdruck von 500 Torr (15 psig), der durch den Druckregler (1065) eingestellt wird, was einen Druckgradienten über der Durchflussdrossel und dem Inertgasdurchflussventil (1080) von 450 Torr vorsieht, wenn das Ventil (1080) offen ist, d. h. während der Impulsdauern. Gleichzeitig ist die Massendurchflussrate durch das offene Ventil (1080) etwa 20 sccm.
  • Auf der Basis des bevorzugten Betriebsmodus, bei dem der Eingangsgasdruck 1535 Torr (15 psig) ist und die Massendurchflussrate durch das offene Ventil (1080) 55 sccm ist und die Impulsdauer des Inertgasdurchflussventils (1080) 100 ms ist, ist das erzeugte Impulsvolumen 0,092 Kubikzentimeter.
  • Um die Precursor-Behälter (1025) auszutauschen oder anderweitig den Dampfraum (1040) und die Inertgaseingangsleitung (1045) zu spülen, wird das Ventil (1) geschlossen, das Ventil (2) wird geöffnet und das Ventil (3) bleibt offen, während das ALD-Impulsventil (1095) entweder mehrere Male gepulst wird oder lang genug geöffnet wird, um den Precursor-Dampfraum (1040) und die Inertgaseingangsleitung (1045) zu spülen. Danach wird das Ventil (4) geschlossen und das Ventil (30) wird geschlossen und der Precursor-Behälter (1025) wird durch Trennen an den Schnellverbindungsarmaturen (1057) entfernt.
  • Bei weiteren Ausfühnmgsformen kann die Inertgaseingangsleitung (1045) in den Precursor-Behälter (1025) durch irgendeine Oberfläche, Oberseite, Unterseite oder Seiten eintreten, solange das Inertgas unter der Fülllinie (1035) eingespeist wird. Es wird erkannt, dass die Fülllinie (1035) sich bewegt, wenn die Precursor-Zufuhr ergänzt und anschließend ersetzt wird. Jedes der manuellen Ventile (1, 2, 3, 4) kann steuerbare Aktuatorventile aufweisen, die durch die elektronische Steuereinheit (1085) gesteuert werden. Der Gasdruckregler (1065) kann manuell auf einen gewünschten Druck durch eine Bedienperson oder während einer Kalibrierung eingestellt werden oder eine steuerbare Vorrichtung aufweisen, die durch die elektronische Steuereinheit (1085) gesteuert wird.
  • Das System (1000) kann einen oder mehrere Gasdrucksensoren (1115) in Kommunikation mit der Systemsteuereinheit (1085) umfassen, um den Gasdruck in einem oder mehreren Bereichen des ALD-Systems (1000) zu erfassen, wie z. B. dazwischen, wie es vorteilhaft sein kann, um ALD-Abscheidungszyklen zu betreiben und/oder auszuwerten.
  • Die vorliegende Erfindung beseitigt den Bedarf an einem Trägergas-(Bypass-)Strömungspfad, um Eingangsgas aus dem System zu leiten, wenn das Durchflussventil geschlossen ist.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht die genaue Steuerung der Trägergasdurchflussrate (sccm) unter Verwendung eines gesteuerten Drucks und einer Durchflussdrosselanordnung. TABELLE 1
    Ort Druckregler auf 30 psig eingestellt Druckregler auf 10 psig eingestellt Kommentar
    Druck am Eingang in den Druckregler 2069 Torr (40 psig) 2069 Torr (40 psig) Eingangsdruck bei (1060) Fig. 1
    Druck am Ausgang vom Druckregler 1535 Torr (15 psig) 500 Torr (–10 in Hg) Druckeinstellung von (1065) Fig. 1
    Massendurchflussrate über die Durchflussdrossel (1075) Fig. 1 55 sccm 20 sccm Blende mit 50 μm
    Druck am Ausgang des Rückschlagventils (1070) Fig. 1 1480 Torr 450 Torr Auf der Basis von 1 psi Öffnungsdruck
    Druckgradient über die Durchflussdrossel (1070) Fig. 1 1403 Torr 400 Torr vorzugsweise > 760 Torr (15 psig), um Rückströmung zu vermeiden
    Dampfdruck innerhalb des Precursor-Behälters (1025) Fig. 1 < 10 Torr < 10 Torr < 1 Torr für Precursoren mit sehr niedrigem Dampfdruck
    Druck am ALD-Verteiler (1055) Fig. 1 2–6 Torr 2–6 Torr
    Druck an der Reaktionskammer (1010) Fig. 1 0,3–0,5 Torr 1,3–0,5 Torr

Claims (17)

  1. Ein ALD-System, das aufweist: eine Reaktionskammer, die mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, die betriebsfähig ist, um Gas aus der Reaktionskammer zu entfernen; einen Precursor-Behälter, der ein flüssiges oder ein festes Precursor-Material enthält, das auf einen Füllpegel gefüllt ist, wobei ein Dampfraum über dem Füllpegel gebildet ist; eine Inertgaseingangsleitung, die vorgesehen ist, um Inertgas von einer Inertgasquelle aufzunehmen und um das Inertgas in den Precursor-Behälter unter dem Füllpegel zuzuführen; eine Precursor-Dampfleitung, die zwischen dem Precursor-Dampfraum und der Reaktionskammer angeordnet ist; ein steuerbares ALD-Impulsventil, das entlang der Precursor-Dampfleitung zwischen dem Precursor-Dampfraum und der Reaktionskammer angeordnet ist; ein steuerbares Inertgasdurchflussventil, das entlang der Inertgaseingangsleitung zwischen dem Precursor-Behälter und der Inertgasquelle angeordnet ist; Systemsteuereinheit in elektrischer Kommunikation mit sowohl dem steuerbaren ALD-Impulsventil als auch dem steuerbaren Inertgasdurchflussventil, die betriebsfähig ist, um sowohl das steuerbare ALD-Impulsventil als auch das steuerbare Inertgasdurchflussventil in eine offene Position zu pulsen, um dadurch gleichzeitig ein Impulsvolumen von Inertgas in den Precursor-Behälter unter dem Füllpegel einzuspeisen und um ein Impulsvolumen des Precursor-Dampfs in die Reaktionskammer einzuspeisen, wobei das Impulsvolumen des Precursor-Dampfs vom Dampfraum zugeführt wird.
  2. Das Dampfzufuhrsystem nach Anspruch 1, das ferner eine Durchflussdrossel aufweist, die entlang der Inertgaseingangsleitung zwischen dem steuerbaren Inertgasdurchflussventil und der Inertgasquelle angeordnet ist.
  3. Das Dampfzufuhrsystem nach Anspruch 2, das ferner einen Gasdruckregler aufweist, der entlang der Inertgaseingangsleitung zwischen der Durchflussdrossel und der Inertgasquelle angeordnet ist.
  4. Das Dampfzufuhrsystem nach Anspruch 3, das ferner ein Rückschlagventil aufweist, das entlang der Inertgaseingangsleitung zwischen der Durchflussdrossel und der Inertgasquelle angeordnet ist, wobei das Rückschlagventil verhindert, dass Gas durch das Rückschlagventil in Richtung der Inertgasquelle strömt.
  5. Das Dampfzufuhrsystem nach Anspruch 3, wobei der Gasdruckregler eingestellt wird, um den Gasdruck in der Inertgaseingangsleitung zu regeln, wobei das Gas auf einen Druck im Bereich von 1 bis 60 psig geregelt wird, und wobei die Durchflussdrossel eine kreisförmige Blende mit einem Durchmesser im Bereich von 20 bis 100 μm aufweist.
  6. Das Dampfzufuhrsystem nach Anspruch 1, wobei sowohl das steuerbare ALD-Impulsventil als auch das steuerbare Inertgasdurchflussventil betriebsfähig ist, um sich im Impuls mit einem Impulsdauerbereich von 1 bis 100 ms zu öffnen und zu schließen.
  7. Das Dampfzufuhrsystem nach Anspruch 1, wobei während der ALD-Zyklen ein mittlerer Gasdruck in der Reaktionskammer auf weniger als 1 Torr gehalten wird, ein mittlerer Gasdruck im Precursor-Behälter auf mehr als dem mittleren Gasdruck in der Reaktionskammer in einem Bereich von weniger als 1 Torr bis 10 Torr gehalten wird.
  8. Das Dampfzufuhrsystem nach Anspruch 5, wobei während der ALD-Zyklen ein mittlerer Gasdruck in der Reaktionskammer auf weniger als 1 Torr gehalten wird, ein mittlerer Gasdruck im Precursor-Behälter auf mehr als dem mittleren Gasdruck in der Reaktionskammer und weniger als 1 Torr gehalten wird und der Gasdruckregler eingestellt wird, um einen mittleren Eingangsgasdruck im Bereich von 500 bis 2000 Torr vorzusehen.
  9. Das Dampfdruckzufuhrsystem nach Anspruch 2, wobei die Durchflussdrossel dazu ausgelegt ist, einen Druckgradienten von mindestens 760 Torr zwischen der Inertgaszufuhr und dem Precursor-Behälter vorzusehen.
  10. Das Dampfzufuhrsystem nach Anspruch 2, wobei die Durchflussdrossel dazu ausgelegt ist, eine Massendurchflussrate von Inertgas, das durch diese strömt, im Bereich von 20 bis 100 sccm während der Impulsdauern des steuerbaren Inertgasdurchflussventils vorzusehen.
  11. Das Dampfzufuhrsystem nach Anspruch 1, wobei das ALD-Impulsventil einen Inertgasanschluss zum Aufnehmen von Inertgas von einer Inertgaszufuhr umfasst, die das darin aufgenommene Inertgas in die Reaktionskammer durch die Precursor-Dampfleitung zuführt.
  12. Ein Verfahren, das aufweist: Entfernen von Gas aus einer Reaktionskammer mit einer arbeitenden Vakuumpumpe; Vorsehen eines Precursor-Behälters, der ein flüssiges oder ein festes Precursor-Material enthält, das auf einen Füllpegel gefüllt ist, wobei ein Dampfraum über dem Füllpegel gebildet ist; Aufnehmen von Inertgas in einer Inertgaseingangsleitung von einer Inertgasquelle und Zuführen des Inertgases in den Precursor-Behälter unter dem Füllpegel; Vorsehen einer Precursor-Dampfleitung, die zwischen dem Precursor-Dampfraum und der Reaktionskammer angeordnet ist; Betätigen eines steuerbaren ALD-Impulsventils, das entlang der Precursor-Dampfleitung zwischen dem Precursor-Dampfraum und der Reaktionskammer angeordnet ist; Betätigen eines steuerbaren Inertgasdurchflussventils, das entlang der Inertgaseingangsleitung zwischen dem Precursor-Behälter und der Inertgasquelle angeordnet ist; Betreiben einer Systemsteuereinheit in elektrischer Kommunikation mit sowohl dem steuerbaren ALD-Impulsventil als auch dem steuerbaren Inertgasdurchflussventil, um das steuerbare ALD-Impulsventil für eine ALD-Impulsdauer zu öffnen und um das steuerbare Inertgasdurchflussventil für eine Durchflussimpulsdauer zu öffnen, wobei zumindest ein Teil der ALD-Impulsdauer und der Durchflussimpulsdauer überlappen.
  13. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die ALD-Impulsdauer und die Durchflussimpulsdauer gleichzeitig starten und enden.
  14. Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die ALD-Impulsdauer und die Durchflussimpulsdauer einen Zeitbereich von 1 bis 100 ms haben.
  15. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die ALD-Impulsdauer kürzer ist als die Durchflussimpulsdauer.
  16. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die ALD-Impulsdauer länger ist als die Durchflussimpulsdauer.
  17. Das Verfahren nach Anspruch 12, das ferner aufweist: Vorsehen einer Durchflussdrossel, die entlang der Inertgaseingangsleitung zwischen der Inertgasquelle und dem steuerbaren Inertgasdurchflussventil angeordnet ist; Vorsehen eines Gasdruckreglers, der entlang der Inertgaseingangsleitung zwischen der Inertgasquelle und der Durchflussdrossel angeordnet ist; wobei der Gasdruckregler und die Durchflussdrossel dazu ausgelegt sind, einen Druckgradienten von mindestens 760 Torr zwischen der Inertgaszufuhr und dem Precursor-Behälter vorzusehen.
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