TW201933483A - 液體汽化裝置及使用該液體汽化裝置的半導體處理系統 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種高效半導體成膜用液體汽化器，該液體汽化器通過將特定成膜用液體原料進行汽化，最後通超載氣將汽化後的氣體通過氣路輸出到半導體成膜的反應腔中製備薄膜。該液體汽化裝置包含一主體及一阻擋器。該主體定義一腔體，該腔體具有用於接收一或多個原料的一輸入端及用於排出氣體的一輸出端。該阻擋器設置在該主體的腔體中，並藉此將該腔體分成一第一腔體及一第二腔體，其中該第一腔體包含該輸入端而該第二腔體包含該輸出端。該阻擋器具有一或多個孔狀通道，藉此該第一腔體與該第二腔體通過所述孔狀通道相互連通。

Description

液體汽化裝置及使用該液體汽化裝置的半導體處理系統

本發明系關於半導體晶圓處理領域，尤其是涉及一種液體汽化裝置，其主要用於將液體原料汽化並提供給半導體處理系統作為反應氣體。

目前，在半導體薄膜沉積應用及製造領域，反應氣體及/或成膜氣體主要是由液體原料通過一汽化裝置而提供。液體的汽化效率的提升有助於提升原料的利用率，而充分的液體原料汽化也有助於形成滿意的半導體薄膜。因此，提高汽化裝置的汽化效率成為設計及製造的重點目標。汽化效率的提升主要與一些因素有關，包含延長液體原料的汽化時間及汽化腔體中的溫度分佈均勻性及其恒定。

中國大陸專利公告第CN103380486B號公開一種汽化裝置，其將一加熱器設置於一汽化主體的載體氣體通道中，且該加熱器具有一圓錐或角錐結構，根據記載此手段所形成的薄膜具有相對較少的波紋、微粒和碳含量。中國大陸專利公佈第CN105220129A號公開一種汽化裝置，其結構設計採用了具有較大的壁面積與橫截面流動面積比的一或多個通道，同時配有一或多個加熱裝置，藉此提升汽化效率。中國大陸專利公告第CN101529564B號公開一種汽化裝置，其以多個噴嘴吐出液體原料，每個噴嘴受到一載體氣體吐出口包圍，並以一加壓單元週期性改變液體原料流過的一腔體的容積，藉此使吐出的液滴為小且尺寸均勻。

上述公開的現有技術分別是以改良加熱器配置的手段來改善溫度的分佈，或是以改良汽化裝置的腔體的手段來延長汽化時間來提升汽化效率。然而，這些技術手段缺乏同時以延長汽化時間及維持腔體溫度均勻度為目標。因此，為了製作品質更好的半導體薄膜或完善相關處理，有必要發展一種同時考慮上述兩種因素的高效率半導體成膜汽化裝置。

本說明書中對任何先前公開 (或其衍生資訊)或任何已知事項的引用，不是也不應被視為確認或承認或任何形式的建議，即先前申請案(或其衍生資訊)或已知事物，構成本說明書所涉及領域的一般常見知識之一部分。

本發明之目的在於提供一種液體汽化裝置，經配置以自一載體氣體供給源接收載體氣體及自一液體原料供給原接收液體原料，該液體汽化裝置包含一主體及一阻擋器。該主體具有一內壁，該內壁定義一腔體，該腔體具有用於接收一或多個原料的一輸入端及用於排出氣體的一輸出端。該阻擋器設置在該主體的腔體中，並藉此將該腔體分成一第一腔體及一第二腔體，其中該第一腔體包含該輸入端而該第二腔體包含該輸出端，該阻擋器具有一或多個孔狀通道，藉此該第一腔體與該第二腔體通過所述孔狀通道相互連通。

在一具體實施例中，該主體還具有用於接收載體氣體的一第一通道及用於接收液體原料的一第二通道，該第一通道及該第二通道連通至該腔體的輸入端。

在一具體實施例中，該第二通道包含自該腔體的輸入端向上傾斜延伸的一區段。

在一具體實施例中，該主體包含一第一部分（上主體）及一第二部分（下主體），該主體的第一部分與第二部分經由一連接手段而結合在一起。

在一具體實施例中，該阻擋器具有一上表面及一下表面，該阻擋器的孔狀通道延伸於該上表面及該下表面之間。

在一具體實施例中，該阻擋器具有一上表面及一下表面，其中該阻擋器的上表面與該主體的第一部分的一內壁形成該第一腔體，而該阻擋器的下表面與該主體的第二部分的一內壁形成該第二腔體。

在一具體實施例中，該第一腔體自該輸入端至該阻擋器的上表面是以發散方式延伸。

在一具體實施例中，該第二腔體自該阻擋器的下表面至該輸出端是以收斂方式延伸。

在一具體實施例中，該阻擋器具有一上表面、一下表面及於該上表面和下表面之間延伸的一側部，該阻擋器的上表面具有一頂點，且該頂點相對該側部凸出。

在一具體實施例中，本發明液體汽化裝置更包含與該主體的第二通道連接的一流量控制手段，用以控制該第二通道的液體原料流量。

在一具體實施例中，本發明液體汽化裝置更包含一固定手段，用以將該阻擋器固定在該主體的腔體中。該固定手段包含自該阻擋器的側部延伸的一凸出部及自該主體的內壁向內延伸的一凹陷部，通過該凸出部與該凹陷部的匹配使該阻擋器定位在該腔體中。

在一具體實施例中，本發明液體汽化裝置更包含一加熱手段，設置於該主體的一週邊，用以將熱導引至該主體。

在一具體實施例中，本發明液體汽化裝置更包含一絕緣套，用於將所述汽化裝置與周圍環境隔絕。

本發明再一目的在於提供一種半導體處理系統，包含一反應腔體及一液體汽化裝置。該反應腔體具有用於提供反應氣體的一噴淋裝置。該液體汽化裝置包含一主體及一阻擋器。該主體具有一內壁，該內壁定義一腔體，該腔體具有用於接收一或多個原料的一輸入端及用於排出氣體的一輸出端，該輸出端連通耦接至該反應腔體的噴淋裝置。該阻擋器設置在該主體的腔體中，並藉此將該腔體分成一第一腔體及一第二腔體，其中該第一腔體包含該輸入端而該第二腔體包含該輸出端，該阻擋器具有一或多個孔狀通道，藉此該第一腔體與該第二腔體通過所述孔狀通道相互連通。

本發明液體汽化裝置從提高汽化時間、保證汽化腔體內的溫度分部均勻且恒定兩方面著手。通過這樣的結構設計，提高汽化裝置的儲熱能力，增加儲熱量，進而提升汽化裝置對於溫度波動的敏感性，保證了溫度恒定。同時，在汽化腔體中設置有阻擋器，其增加汽化裝置的加熱面積，保證汽化裝置腔體內的溫度分佈均勻。此外，阻擋器中所形成的孔狀通道使得混合氣體（包含未充分汽化的液體原料、載體氣體及原料氣體）有序排出，相對地提高汽化時間。本發明液體汽化裝置還可包含下列特點：1. 結構精巧且製造成本相對低；2. 利於氣體排出的垂直式配置；3. 液體原料的輸入采傾斜路徑；4. 汽化裝置可拆卸進行維護。

應瞭解，本發明的廣泛形式及其各自特徵可以結合使用、可互換及/或獨立使用，並且不用於限制參考單獨的廣泛形式。

在本說明書和以下申請專利範圍中，除非上下文另有要求，否則文字「包括」以及諸如「包括」或「包含」之類的變體將被理解為暗示包括所述整數群組或步驟，但不排除任何其他整數或整數群組。

第一圖顯示本發明半導體處理系統的一實施例（100）。該系統（100）包含一反應腔體（110）、一汽化裝置（120）及一排氣系統（130）。一般而言，典型的反應腔體（110）主要具有用於支撐晶圓的一支撐結構（111），用於提供反應氣體的一噴淋裝置（112）及用於排出處理廢氣的至少一排氣通道（未顯示）。反應腔體（110）大致上呈筒狀，支撐結構（111）具有水準承載晶圓的一基座及支撐基座的支撐部件。所述基座可埋入用於加熱基座和晶圓的一加熱器，其一般經由連接至所述加熱器的一電源提供電力，藉此調整基座的溫度。噴淋裝置（112）設置於反應腔體（110）的頂部，並經配置以接收來自汽化裝置（120）的氣體並供應至反應腔體（110）中。排氣系統（130）具有多個管路、控制閥門及泵浦，這些組件協同運作以控制反應腔體（110）中的氣壓。

汽化裝置（120）經由個別的管路與一載體氣體供應源（121）和一液體原料供應源（122）連通耦接，使得載體氣體及液體原料可同步或不同步向汽化裝置（120）傳遞。所述管路可具有用於控制氣體或液體流量的專用閥，尤其這些閥可由一控制器（123）的訊號控制。所述控制器（123）亦可經配置以控制汽化裝置（120）至反應腔體（110）之間管路的其他閥。

在習知的汽化裝置中，液體原料有時部分並未完全被汽化，而是以微粒的形式隨著管路進入反應腔體的噴淋裝置，使得噴淋裝置噴出不純淨的反應氣體，造成不滿意的沉積薄膜品質。本發明提供之液體汽化裝置旨在避免液體原料汽化不完全，其主要從延長汽化時間及溫度分佈均勻性著手，使液體原料輸出汽化裝置前受到充分汽化。

第二圖至第三圖顯示本發明液體汽化裝置的一實施例（200），其中第二圖顯示裝置的外觀，第三圖為第二圖的縱向剖面，其顯示該汽化裝置（200）的內部配置。根據該實施例，汽化裝置為垂直配置，意即載體氣體及液體原料在該汽化裝置中大致上由上往下流動。

參第二圖，汽化裝置（200）具有用於熱絕緣的一絕緣套（210），其呈圓柱體。在該實施例中，絕緣套（210）是由多個元件組裝而成。如第三圖所示，絕緣套（210）具有一頂部（211）、一或多個側壁（212）及一地板（213），這些部件可經由已知手段組裝而構成絕緣套。在其他實施例中，絕緣套可呈其他形狀。在絕緣套（210）的頂部（211）附近提供有一第一管路（220）及一流量控制手段（221）。在絕緣套（210）的側壁（212）的附近提供有一第二管路（222）。在絕緣套（210）的地板（213）附近提供有一第三管路（223）。

第一管路（220）自絕緣套（210）內穿越頂部（211），作為接收來自一載體氣體源的載體氣體的管路。第二管路（222）自絕緣套（210）內穿越側壁（212），作為接收來自一液體原料源的液體原料的管路。第三管路（223）自絕緣套（210）內部穿越地板（213），作為汽化器體的輸出管路。前述管路可包含用於連接外部管路的一連接手段，像是VCR連接器。流量控制手段（221）經由配置以控制由第二管路（222）進入汽化裝置的液體原料流量。流量控制手段（221）可採用已知的手段，像是以一閥元件與第二管路（222）配合。

參第三圖所示，該實施例的汽化裝置還包含一主體（230），其被包覆在絕緣套（210）中。主體（230）具有與頂部（211）相對的一上表面（231）、與地板（213）相對的一下表面（232）及與側壁（212）相對的一外表面（233）。第一管路（220）自主體（230）的上表面（231）向上延伸，第二管路（222）自主體（230）的外表面（233）橫向延伸，第三管路（223）自主體（230）的下表面（232）向下延伸。該等管路可與主體（230）一體成型。經適當安排，主體（230）與絕緣套（210）的側壁（212）的一內表面之間存在一間隙，其具有足夠的空間以提供一加熱手段（242）。該加熱手段可設置於主體（230）的一週邊，用以將熱注入主體（230）。在一實施例中，所述加熱手段為電阻絲加熱，例如設置加熱線圈於主體（230）的週邊表面。

在該實施例中，主體（230）包含一第一部分（230a）及一第二部分（230b），即一上主體和一下主體。主體（230）的第一部分（230a）與第二部分（230b）經由一連接手段而結合在一起，像是以複數個螺釘（240）將兩者固定。例如，上主體和下主體的接觸面可提供有對應的螺孔讓螺釘穿越插入。上主體（230a）在相對於上表面（231）的一側呈凹陷結構，而下主體（230b）在相對於下表面（232）的一側呈凸出結構，所述凹陷結構與凸出結構相互匹配，形成上下主體的一接觸介面。可提供一氣密手段以密封所述接觸介面，例如提供一或多個O型環（241）在上主體（230a）和下主體（230b）的接觸面之間。

上主體（230a）提供有用於接收載體氣體的一第一通道（234）及用於接收液體原料的一第二通道（235）。第一通道（234）沿著第一管路（220）以收斂的方式向下延伸。第二通道（235）與第一通道（234）連通連接，並自第一通道（234）傾斜地向上延伸。第二通道（235）通過所述流量控制手段（221），如一針型閥，與第二管路（222）連通耦接。在一實施例中，第二管路（222）為水準管路，而第二通道（235）相對第二管路（222）傾斜十五度。這樣的設計是避免液體原料通過第二通道（235）逆流。在第一通道（234）的末端靠近第二通道（235）處具有一匯流區段，此處載體氣體與液體原料交會。此外，下主體（230b）提供有一第三通道（236），其沿著第三管路（223）延伸。

主體（230）具有一內壁（237）。根據可分離的上主體（230a）及下主體（230b），內壁（237）分成第一內壁（237a）及第二內壁（237b）。結合時，主體（230）的內壁（237）定義一腔體（未編號），該腔體具有用於接收一或多個原料的一輸入端（238a）及用於排出氣體的一輸出端（238b）。腔體的輸入端（238a）位於上主體並與第一通道（234）連通以接收包含載體氣體及液體原料的混合原料。腔體的輸出端（238b）位於下主體並與第三通道（236）連通以排出充分汽化後的混合氣體。混合後的載體氣體和液體原料從腔體的輸入端（238a）進入後，開始多階段的汽化過程，其中所述階段是由結構所導致。

參閱第三圖至第五圖，本發明液體汽化裝置（200）還包含一阻擋器（250），設置在主體（230）的腔體中，並藉此將腔體分成一第一腔體（239a）及一第二腔體（239b）。第一腔體（239a）包含所述輸入端（238a），第二腔體（239b）包含所述輸出端（238b）。阻擋器（250）具有一或多個孔狀通道（251），如第四圖及第五圖所示，藉此第一腔體（239a）與第二腔體（239b）僅能通過所述孔狀通道（251）相互連通。根據此安排，混合的載體氣體和液體原料依序通過第一腔體（239a）、阻擋器（250）、第二腔體（239b）及第三通道（236）。具體而言，通過第三通道的為載氣以及液態源氣化後的氣體。上主體（230a）、下主體（230b）及阻擋器（250）可由相同材質製成，比如鋁合金。

第四圖顯示該實施例的阻擋器（250）的縱向剖面。阻擋器（250）呈一圓盤，其具有一上表面（252）、一下表面（253）及一側部（254）。孔狀通道（251）則在上表面（252）及下表面（253）之間延伸。因此，並參第三圖，所述第一腔體（239a）是由上主體（230a）的第一內壁（237a）及阻擋器（250）的上表面（252）定義，而所述第二腔體（239b）是由下主體（230b）的第二內壁（237b）及阻擋器（250）的下表面（253）定義。該實施例的內壁（237）還特別配置，使得第一腔體（239a）是從輸入端（238a）以發散的方式延伸至阻擋器（250）的上表面，而第二腔體（239b）是從阻擋器（250）的下表面以收斂的方式延伸至輸出端（238b）。

該實施例的液體汽化裝置還包含一固定手段，用以將阻擋器（250）固定在主體（230）的腔體中。並參第三圖及第四圖，阻擋器（250）的側部（254）在與上表面（252）同一側延伸有一凸出部（255），而主體（230）的上主體（230a）的一內壁向內延伸有一凹陷部（未標示），其經配置與所述凸出部（255）對應。通過所述凸出部與凹陷部的匹配使阻擋器（250）穩定容置在腔體中。在本發明的其他實施例中，關於所述凸出部與凹陷部的修改對於本領域技術者來說是可行的。

阻擋器（250）的上下表面分別呈一隆起，其具有一頂點（256），而該頂點（256）可相對該側部（254）或凸出部（256）凸出。在一實施例中，如根據第四圖剖面，上表面（252）及/或下表面（253）以頂點（256）為中心的兩側傾斜面大致上具有一百五十度的夾角。這樣的設計可增加混合氣體與阻擋器（250）的接觸面積，無論是在第一腔體（239a）或第二腔體（239b），藉此提升汽化效率。

第五圖為第四圖的俯視圖，其顯示複數個孔狀通道（251）以對稱的方式環繞頂點（256），且每一孔狀通道為圓柱延伸。在其他實施例中，孔狀通道可為矩形延伸。凸出部（256）為上表面上的一凸環，但在其他實施例中，凸出部（255）可包含多個分離的部件。

基於本發明液體汽化器，載體氣體首先將進入第一通道（234）匯流區段的液體原料吹掃至第一腔體（239a）並在其中進行第一次汽化。接著，混合氣體（包含上未完全汽化的液體原料）到達阻擋器（250）的上表面（252）然後流入孔狀通道（251）進行第二次汽化。最後，混合氣體進入第二腔體（239b）進行第三次汽化。過程中，本發明阻擋器增加了氣體流動路徑的長度，即相對的延長了汽化的時間，確保液體原料獲得充分汽化。在一些可能性中，通過適當配置，一或多個阻擋器的實施也是可行的。本發明液體汽化裝置的結構還提升了儲熱能力，熱量可被局限在腔體的周圍，使溫度的分部均勻，有助於汽化效率。充分汽化的混合氣體成為反應氣體，其通過第三通道（236）運送至如第一圖描述的反應腔體的作為薄膜處理的使用。

此外，本發明液體汽化裝置還具有組裝上的優點。首先，可將上主體（230a）倒置，並將O型環連同阻擋器（250）根據所述固定手段放置在上主體（230a）的適當位置。利用所述螺釘手段將下主體（230b）對應結合至上主體（230a）。完成主體的組裝後，將該主體旋轉擺正，使上主體（230a）朝上。將所述流量控制手段插入上主體（230a）預設的一安裝孔中。接著，依序安裝加熱手段及所述絕緣絕緣套。最後，分別安裝一連接器，如VCR接頭，至所述管路。至此，本發明液體汽化裝置大致上完成組裝。關於拆卸，可根據上述順序逆向操作。

精通技術人士將瞭解，許多變化和修改將變得顯而易見。精通技術人士應瞭解的所有這些變化和修改，都應落在上述本發明中廣泛的精神和範疇內。

100‧‧‧半導體處理系統

110‧‧‧反應腔體

111‧‧‧支撐結構

112‧‧‧噴淋裝置

120‧‧‧汽化裝置

121‧‧‧載體氣體供應源

122‧‧‧液體原料供應源

123‧‧‧控制器

130‧‧‧排氣系統

200‧‧‧汽化裝置

210‧‧‧絕緣套

211‧‧‧絕緣套的頂部

212‧‧‧絕緣套的側壁

213‧‧‧絕緣套的地板

220‧‧‧第一管路

221‧‧‧流量控制手段

222‧‧‧第二管路

223‧‧‧第三管路

230‧‧‧主體

230a‧‧‧上主體

230b‧‧‧下主體

231‧‧‧上主體的上表面

232‧‧‧下主體的下表面

233‧‧‧主體的外表面

234‧‧‧第一通道

235‧‧‧第二通道

236‧‧‧第三通道

237‧‧‧主體的內壁

237a‧‧‧第一內壁

237b‧‧‧第二內壁

238a‧‧‧輸入端

238b‧‧‧輸出端

239a‧‧‧第一腔體

239b‧‧‧第二腔體

240‧‧‧螺釘

241‧‧‧O型環

242‧‧‧加熱手段

250‧‧‧阻擋器

251‧‧‧孔狀通道

252‧‧‧上表面

253‧‧‧下表面

254‧‧‧側部

255‧‧‧凸出部

256‧‧‧頂點

第一圖為一方塊示意圖，其例示使用本發明液體汽化裝置的半導體處理系統。

第二圖為立體圖，其例示本發明液體汽化裝置的外觀。

第三圖為立體圖，其顯示第二圖液體汽化裝置的剖面。

第四圖為剖面圖，其例示本發明液體汽化裝置的阻擋器的結構。

第五圖為俯視圖，其顯示第四圖阻擋器的上表面結構。

Claims (15)

1. 一種液體汽化裝置，經配置以自一載體氣體供給源接收載體氣體及自一液體原料供給原接收液體原料，該液體汽化裝置包含： 一主體，具有一內壁，該內壁定義一腔體，該腔體具有用於接收一或多個原料的一輸入端及用於排出氣體的一輸出端；及 一阻擋器，設置在該主體的腔體中，並藉此將該腔體分成一第一腔體及一第二腔體，其中該第一腔體包含該輸入端而該第二腔體包含該輸出端，該阻擋器具有一或多個孔狀通道，藉此該第一腔體與該第二腔體通過所述孔狀通道相互連通。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該主體還具有用於接收載體氣體的一第一通道及用於接收液體原料的一第二通道，該第一通道及該第二通道連通至該腔體的輸入端。
3. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該第二通道包含自該腔體的輸入端向上傾斜延伸的一區段。
4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該主體包含一第一部分及一第二部分，該主體的第一部分與第二部分經由一連接手段而結合在一起。
5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，該阻擋器具有一上表面及一下表面，該阻擋器的孔狀通道延伸於該上表面及該下表面之間。
6. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該阻擋器具有一上表面及一下表面，其中該阻擋器的上表面與該主體的第一部分的一內壁形成該第一腔體，而該阻擋器的下表面與該主體的第二部分的一內壁形成該第二腔體。
7. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中該第一腔體自該輸入端至該阻擋器的上表面是以發散方式延伸。
8. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中該自二腔體自該阻擋器的下表面至該輸出端是以收斂方式延伸。
9. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該阻擋器具有一上表面、一下表面及於該上表面和下表面之間延伸的一側部，該阻擋器的上表面具有一頂點，且該頂點相對該側部凸出。
10. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含與該主體的第二通道連接的一流量控制手段，用以控制該第二通道的液體原料流量。
11. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含一固定手段，用以將該阻擋器固定在該主體的腔體中。
12. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，該固定手段包含自該阻擋器的側部延伸的一凸出部及自該主體的內壁向內延伸的一凹陷部，通過該凸出部與該凹陷部的配合使該阻擋器定位在該腔體中。
13. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含一加熱手段，設置於該主體的一週邊，用以將熱導引至該主體。
14. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含用於將所述汽化裝置與周圍環境隔絕的一絕緣套。
15. 一種半導體處理系統，包含： 一反應腔體，具有用於提供反應氣體的一噴淋裝置；及 一液體汽化裝置，包含： 一主體，具有一內壁，該內壁定義一腔體，該腔體具有用於接收一或多個原料的一輸入端及用於排出氣體的一輸出端，該輸出端連通耦接至該反應腔體的噴淋裝置；及 一阻擋器，設置在該主體的腔體中，並藉此將該腔體分成一第一腔體及一第二腔體，其中該第一腔體包含該輸入端而該第二腔體包含該輸出端，該阻擋器具有一或多個孔狀通道，藉此該第一腔體與該第二腔體通過所述孔狀通道相互連通。