TWI328244B - Controlling the flow of vapors sublimated from solids - Google Patents

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TWI328244B
TWI328244B TW93138509A TW93138509A TWI328244B TW I328244 B TWI328244 B TW I328244B TW 93138509 A TW93138509 A TW 93138509A TW 93138509 A TW93138509 A TW 93138509A TW I328244 B TWI328244 B TW I328244B
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Thomas N Horsky
Robert W Milgate
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Description

1328244 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於控制真空條件下的固體材料之昇華，以及 精確控制進入具有很小壓力下降的一真空室之產生蒸氣的 流動。一重要應用係控制進入用以產生離子束的離子源之 抽空電離室的蒸氣之供給。離子束可用於將離子植入半導 體基板中。另一重要應用係控制進入用於與工件互動的真 空處理室之蒸氣的流動。 【先前技術】 離子源之電離室可在真空條件下發揮功能，並且需要採 用較大精確性及再ϊ耳性以氣態形式供給需要電離之材料。 還可以在真空中進行許多製造程序。併入與工件的化學 反應之程序通常需要引入氣態形式的試劑，透過特定處理 化學品使該等試劑彼此反應及/或與工件反應。此類程序可 能會導致改變工件之組成、工件上的薄膜之沈積，或者自 工件蝕刻或移除材料。例如在半導體製造中，必須採用較 大的精確性及再現性而執行此類程序。 需要將準確且穩 因此，對於離子源及工件處理室而言， 定的氣體流引入真空室中。雖然許多供給材料可從加壓集 氣筒以氣態形式使用’但是其他供給材料僅可以固體形式 氣態源的處理步驟之特殊 1包括十硼烷、十八硼烷、 6 壓力而且必須首先透過加 使用。固體材料需要不同於用於 處理步驟。在重要固體材料當中 三氣化銦、三甲基銦與三乙基錦 重要固體通常具有較低的蒸氣 98258.doc 1328244 熱而在減小的壓力環境中昇華，以產生一定容積的蒸氣。 此蒸氣接著必須採用操作所需要的每秒分子之流量或數量 而引入真空室中，以在真空室中進行流導。因為此流量要 求係類似於正常氣體之引入的要求，所以已將標準氣體處 理裝備用以輸送自固體獲得但具有混合結果之蒸氣。在典 型氣體處理中，將氣體源保持在壓力p〇,其實質上高於用 於真空室的入口輸送壓力pD。為了精確地控制進入真空室 的氣體之流量，必須精確地控制pD。此通常藉由定位在氣 體源與真空室入口之間的市售質量流量控制器（mfc)加以 完成。MFC為數位控制裝置，該裝置會改變其流導以採用 =式迴路方式使輸送的質量流量（每秒克）與請求的質量流 s匹配。因為MFC係通常用於相對較高的壓力氣體源，所 、通*將MFC構造成在建立相對較大的塵力下降之相應較 小的流導之^圍内操作。對於蒸發式固體材料，例如棚氣 化物脫碳硼烧（Bl〇Hl4)或十八硼烧（Bi8H22)，&方法遇到數 個嚴重問題。 此類固體錢化物之蒸氣壓力較低，因此必須將材料加 =至接近於其㈣（對於十職而言為⑽。C)，以建立足夠 南的蒸氣I力來允許使賴Fc。此具有熱敏硼氫化物分子 進行分解的風險。 田因為硼風化物療氣可在表面（尤其係於材料得到蒸發的 X 乂下之表面）上輕易地凝結，所以相對較小MFC流導（較 小通道）之阻塞會導致不衫的操作與早期組件故障。 該等問題已在很大帛度上出現於用於控制供給至離子 98258.doc 1328244 具體貫施例中’蒸發II輸送包含適合用於操作的溫度上升 之預疋增里的參考表，並且在偵測該閥接近或達到位移數 值之後，感測與控制系統可有效地引起蒸發器溫度設定點 增加至參考表中的下一步階。 蒸氣輸送系統係構造並配置成輸送可電離蒸氣至離子 源。 蒸氣輸送系統係構造並配置成輸送可電離蒸氣至離子植 入器之離子源。 蒸氣輸送·系統係構造並配置成輸送可電離蒸氣至工件處 理真空室’或用以為半導體提供劑量的處理室。 蒸氣輸送系統係構造成輸送其蒸氣至高真空，該系統係 構造成回應節流閥之次大氣壓力下游之減小，從 發器之溫度。 蒸氣輸送系統之控㈣統包含舰迴路，其調整節流闕 位置以回應壓力計之輸出信號，從而將壓力計 力維持在設定點數值。 蒸氣輸送系統係構造成包含並且矣 八職b18h22。 4發十硼院Bl‘或十 蒸氣輸送系統係構造成包含並蒸發三氯化銦加三 甲基銦障灿]、或其他固體低溫摻雜劑供給材料。一 另-特徵為產生真空室中的離子束之方法，該產生❹ 由知用所說明的蒸氣輪送系統而進行，此時蒸氣 係調適成輸送自固體材料昇華之蒸了、’、、-電離室。 札之控制可電離流動至 98258.doc Z44 另一特徵係輸送自固體材料 叶昇華之蒸氣之控制流至直介 室之方法，執行該輸送係藉由 工 才木用具有以上說明的特徵 一或多個的蒸氣輸送系統。 以:在附圖及說明中提出本發明之—或多個具體實施例 之細卽。從說明與圖式以及申請專利範圍中將明白本發明 之其他特徵、目的與優點。 【實施方式】 圖1A為離子源1〇之圖β 士 ^ ，、、，.。構之細節及其電離動作之較 模式係由Horsky等人詳細揭*，國際申請案第 PCT/US03/20197號，申古主nm 、 观甲吻日期為20叼年6月26日：「藉由硼 氫化物絲子之佈植而製造半導體之離子佈植裝置及方 法」，與由Horsky提出的美國專利申請案第i咖3,768號， 「電子撞擊離子源」’中請日期為細2年6月26日；美國專 利第6,686,595號，其分別係以引用的方式併入本文中。經 由安裝凸緣36使離子源10與離子植入器之抽空真空室接 口。因此如圖1A所不，在凸緣36右邊的離子源1〇之部分係 在高真空中（壓力< i X i 0 · 4托）。離子源係藉由高電屋電源而 維持在高電壓，並且係與高真空外殼之其餘部分電性隔
離。將氣態材料引入電離室44中，其中藉由自電子束70A 或70B的電子撞擊而電離氣體分子。電子束透過相反孔隙 71B或71A而離開電離室44，或可以由束流收集器或作為束 流收集器的電離室之壁而吸收。在一項併入單一電子搶與 束/^收集器的具體實施例中’如圖丨b所示，電子束源自電 子槍112中的陰極’由磁體13〇與磁極片ι25所產生的磁場 98258.doc 11 1328244 135所彎曲，並且透過電子入口孔隙nA或7ib進入電離室 44，以便電子束70八或7〇3平行於細長的離子擷取孔隙η而 移動》在離^離室44之後，由定位在電離室“外部的束 流收集H72阻止電子束7〇。因此將離子束建立成鄰近於離 子擷取孔隙81，其顯現為離子擷取孔隙板8〇中的槽。接著 離子係藉由定位在離子擷取孔隙板8〇前面的擷取電極（圖 中未顯示）所擷取並且形成為高能離子束，而且保持在實質 較低電壓。 再參每圖1A ’可以經由氣體導管33將氣體供給於電離室 44中。可以在蒸發器28中蒸發例如十硼燒或十八删烧並 且透過離子源組塊35内的蒸氣導管32將蒸氣供給於電離室 44中。-般而言，電離室44、離子擁取孔隙、離子源組 塊35(包含蒸氣供給導管32)與蒸發器外殼3〇係全部由鋁製 造。定位在穿孔分離阻障34A下面的固體供給材料29，係由 ?务發器外殼30之閉式迴路溫度控制而保持在均勻溫度。累 積在壓載容積31中的昇華蒸氣5〇透過導管39及節流閥 與關閥110而進行供給。藉由電容I力計㈣視節流間_ 與關閥110之間的蒸氣5〇之標稱壓力。蒸氣5〇透過定位在離 子源組塊35中的蒸氣導管32而供給於電離室44中。因此， 氣態材料與蒸發材料皆可由此離子源加以電離。 進入電離室44的蒸氣之流量係由正好在蒸氣供給導管32 前面之區域中（即在關閥11〇内）的蒸氣壓力所決定。此係由 定位在節流閥100與關閥110之間的電容壓力計60所量測。 般而〇，/爪里係與蒸氣壓力成正比。此使壓力信號可表 98258.doc 12 1328244 机里並且可用作選擇流量的設定點。為了產生進入離 子源的所需蒸氣流量，使蒸發器外殼30達到一定溫度:以 便田卽流閥100係在其完全打開位置時，所需流量會超出。 接著將節流閥刚調整成達到所需壓力輸出。為了建立隨時 間=穩定流量’採用雙PID控制器（例如E5CK數位控 制态)’實施瘵發器溫度與蒸氣壓力之獨立的閉式迴路控制 裝置控制（回授）變數為用於溫度的熱電麵輸出，及用於麼 力的壓力計輸出。 所顯示的特定離子源為電子撞擊料源，其完全受溫度 控制。並非撞擊電弧放電電漿以建立離子，此離子源藉由 '或夕個聚焦電子束之形式而注射的高能電子，採用處 里氣體之#」電子撞擊電離。「軟」電離處理保存較大的 幺子，以便形成電離簇。如圖以與⑺所示，在固體硼氫化 物材料係蒸發器中加熱，並且流經蒸氣導管至金屬室，即 =離室。定位在電離室外部的電子搶輸送高能電子之高電 ml.瑞/’α至電離至，將此電子湍流引導成粗略地平行並鄰近 於電離室前面的延長槽。藉由離子擷取電極從此槽中揭取 離子，從而形成高能離子束。在將昇華硼氫化物蒸氣傳送 至電離室期間，將所有表面保持在高於蒸發器之溫度（但是 適當地低於離解之溫度）的溫度，以防止蒸氣之凝結。在若 干小時的測試基礎上，已確認蒸氣供給及閥之表面事實上 保持清潔。 筇流閥呈現改變的流導之蒸氣路徑。圖7Ε、1?與G分別解 '兒閘閥關閉，打開第一數量及打開更大數量的第二數量， 9825S.doc -13- 1328244 從而作為高最大流導節流閥。 如圖1-般概略性地表示，將蒸氣輸送系統提供用以輸送 昇華蒸氣之穩定流至真空室130。真空室可以為具有不同於 以上說明的電離動作之電離動作的電離室，或可以為其中 蒸氣與其他材料互動的真空處理室。蒸氣輸送系統係:蒸 發器28、機械:節流閥100與塵力計馳成。決定蒸氣流量係 措由蒸發器28之溫度，及定位在蒸發器與真空室之入口導 管32之間的機械節流閥⑽之流導。由閉式迴路控制裝置^ 將蒸發器28之溫度決定為設定點溫度。機械節流閥ι〇〇係電 性控制，即閥位置係在閉式迴路控制裝置⑽下受塵力計之 輸出控制。可將蒸氣流量保持成與壓力計輸出成正比。 所說明的蒸氣輸送系統滿足以下内在挑戰：在若干小時 ㈣送控制蒸氣流動至真空系統，例如至離子源之電離 室’或.更-般而言至於真空室中執行的操作。該系統使某 些準則得到觀察’該等準則提供優於先前技術之重要優 點’尤其係當制例如十喊或十^垸之低溫材料時： •最小化溫度’因此最小化蒸發器中的蒸氣壓力； •最大化輸送鏈之蒸氣流導； •採用高流導、可加熱閥； •保持最大組件溫度為較低，例如對於硼氫化物而言低 於150oC ; •溫度控制所有將接觸表面呈現給蒸氣以防止凝結的表 面； •關閉節流閥之壓力下游的迴路，而非嘗試直接量測質 98258.doc 1328244 s流量，從而消除對傳統MFC的需求； 隨著耗盡供給材料’允許隨時間向上調整蒸發器溫 度’以允許完全消耗蒸發器材料，並且藉由允許節流 閥在其流導動態範圍之「最有效點」操作而使壓力伺 服迴路穩定。 當然，該等準則並非完全獨立，變數係彼此相關的，然 而各準則可解決或改進在先前技術系統中所發現之截然不 同的問題，並因此應加以清楚地陳述。 預計用以採用連續抽吸方式而輸送昇華氣相材料於真空 室中之以閉式迴路控制壓力為基礎的系統之形式遵從適當 定義的規律。再參考圖i，將固體材料29蒸發成包含在儲存 庫3 1中的蒸氣50 »蒸氣透過蒸發器出口 39離開儲存庫3 i， 從而在節流（或「扼制」）閥1〇〇前面建立蒸氣壓力。在節流 閥1〇〇後面的係壓力計（或感測器）6〇，後隨相對流量限制蒸 氣導管32，其表示導入真空室的流量限制。與閉式迴路控 制器120組合的節流閥1〇〇與壓力感測器6〇，提供構件來藉 由卽流閥流導之閉式迴路控制而在節流閥1 後面（導管32 前面）控制壓力。因此藉由關閉壓力感測器輸出上的迴路而 實時主動地譟定節流閥100之打開程度（閥位置），從而將間 位置伺服至下游壓力設定點*由此下游壓力及蒸氣出口導 管32之流導而決疋進入真空室130的蒸氣之流量。導管μ 於之術s吾為流里控制糸統之「計置區段」。導管3 2將蒸氣引 入真空室13〇 ’而藉由真空幫浦135將所需數值的真空維持 在真空室130中。 98258.doc -15- 1328244 對此類系統中的流量之基本氣體動態要求係：要控制的 物質之氣相壓力在蒸氣儲存庫31中高於在真空室130中。藉 由考量控制真空系統中的流量之基本等式，在此類系統中 貫施以壓力為基礎的質量流量控制。型式的最fs〗早情況係 分子流之情況，其中氣體分子之平均自由路徑對於真空系 統之實體尺寸而言較大。分子流範圍可適合於說明進入離 子植入系統的蒸氣流，例如採用本發明之系統，其中蒸氣 路徑中任何處的壓力<<1托。對於任何此類系統而言，若已 知二個重要點之各個處的壓力P及二個點之間的流導C，則 可以計算二個點之間的質量流量。 用於計量區段32的質量流量等式係： (1) QMeteringsection _ (PpressureSensor _ PvacuumChamber)(CMeteringSection)。 (例如Q表示質量流量或為量，單位為克/秒）。 應注意若PvacuumChamber << PpressureSensor(其為即使在很低質量 流里時的情況，右 CMeteringSection << SvacuumChamber[即真空室 130 中的抽吸速度S])，則可將等式（1)簡化為 (2) QMeteringsection 〜（PpressureSensor)(CMeteringSection)。 根據氣體動力學對穩定狀態流及定義流動路徑的連續要 求，蒸氣儲存庫3 1之輸送鏈下游中任一點的Q必須在輸送鏈 中任一另一點處等於Q。因此， (3) QAcrossThrottleValve — QMeteringSection。 應注意與CMeteringSecti()n相比，從蒸氣儲存庫3 1至節流閥1 00 的流導比較大。若將Pupstream定義為自蒸發器之蒸發器出口 3 9中的壓力，則： 98258.doc • 16· 1328244 (4) QAcrossThrottlingValve _ (PlJpstream _ PpressureSensor)(CThrottlingValve) 0 以下情況也比較清楚，因為橫跨輸送鏈而保存Q， (5) QAcrossThrottlingValve — QMeteringSection — (PlJpstream ' PvacuumChamber) (CupStream-VacuumChamber) 0 對於分子流之簡單情況而言，係列流導沒有成束效應， 而且沒有散射放空損失，總體流導為： (6) l/C〇Verall = 1/C, + 1/C2 + 1/C3 ... 1/Cn 對於該情況而言，可以計算蒸發器之蒸氣出口與真空室 130之間的有效流導：
⑺1/C
Upstream-VacuumChamber — 1/CThrottlingValve + 1/CMeteringSection 重新配置項： (8) C Upstream-VacuumChamber — ((CThrottlingValve)(CMeteringSection))/ (CThrottlingValve + CMeteringSection) 圖2所繪製的此等式可用以估計節流閥之適合的最大流 導，以達到用於輸送系統的所需動態範圍。例如圖2顯示：
CxhrottlingValveMaximum CMeteringSection J 則最大可獲得的總體流 導僅為計量長度流導（即蒸氣導管32之流導）的1/2。當有利 於減小作業蒸氣壓力之情形下（且本發明中的蒸發器溫度 因而減小）採用蒸發材料操作時，則一至少約5 :1或甚至1 0:1 或更问的CThrottlingValveMax與CMeteringLength之比將有助於以最大 化用於給定計量長度流導之蒸氣流動態範圍。
圖3以斷面圖形式顯示可適合於建立離子植入器中的十 硼烷或十八硼烷之離子源。其不同於圖1A及1B在於描述蝶 型機械節流閥100'，而非採用閘閥100作為節流閥，如圖1A 98258.doc 1328244 所示。 在圖中所示的蝶型節流閥100,之範例中，可移動元件為 圓形流動阻礙碟片，其大小接近適合於圓筒型通道，並且 安裝成圍繞垂直於通道軸線之碟片直徑而旋轉。其呈現控 制流導之蒸氣路徑，參見圖7A、7B與7C。 已清楚地顯示從蒸發器至電離室的蒸氣路徑。圖3之蒸氣 導管150執行與圖1、1八與1；b之蒸氣導管（計量區段）32相同 的功能。在此離子源中，固體硼氫化物材料14〇(例如十硼 烷或十八硼烷）係由蒸發器145加熱成昇華蒸氣165，其穿過 蒸發器出口埠155、蝶型節流閥100，、隔離閥16〇、導管15〇， 並且進入電離室17〇，其中由,電子束175對蒸氣進行電離。 在很大程度上不同於離子源之電極之電位處的擷取電極 (圖中未顯示），透過電離室17〇之端板19〇中的垂直槽185擷 取並形成離子束180。 圖4更詳細地解說本發明之一項具體實施例，其係設計成 提供進入真空室260中的蒸氣流給一利用點27〇。可以進行 真空處理，例如化學氣相沈積（CVD)處理或低壓力cvd (LPCVD)處理’或其他處理，其中將薄膜沈積在工件⑽如 含硼薄膜（例如硼氮化物））上。藉由將蒸發器外殼2丨〇加熱至 室溫以上的溫度Τ，將駐存在蒸發器2〇5中的固體供給 2〇〇保持在適當定義的溫度。由數位蒸氣供給控制/器22〇内 的蒸發器加熱器控制器215主動地控制祕器外殼2°1〇内的 電阻加熱器。蒸發器加熱器控制器215併入閉式迴路pm控 制器（例如-顺型式E5CK_AA1··)，其接受自數位蒸氣 98258.doc 1328244 供給控制器220的設定點溫度，並且關閉由嵌入蒸發器外過 210中的熱電耦（TC)輸出225所提供之溫度回讀上的迴路， ’ 而且（例如）以脈衝寬度調變加熱器電壓的形式提供可變功 率248給電阻加熱器。從供給材料2〇〇產生的蒸氣穿過節流 閥235之蒸發器出口 230上游。節流閥235之目的係減小閥之 蒸氣流下游，以便壓力計240達到特定設定點壓力數值。此 設定點壓力數值係由數位蒸氣供給控制器22〇提供給閉式 迴路節流閥位置控制器245，其伺服節流閥235至機械位置 (藉由傳送位置信號247至併入於節流閥裝配件中的馬達），# 其中壓力計輸出250等於設定點數值，即節流閥位置控制器 245關閉壓力計輸出25〇上的迴路。二個設定點數值，即加 熱器設寒點數值與壓力設定點數值，係提供給數位蒸氣供 給控制器220,該提供係藉由手動式透過使用者介面或藉 由提供增加的自動功能之編碼譯碼。在節流閥包括蝶閥（例 如Nor-Cal型式040411-4)的情況下，可以使用節流閥位置控 制器，例如N〇r-Cal型式APC-200-Ao將與蒸氣接觸的所有 表面至夕加熱至蒸發器溫度，或務微較高。因此，對節流 _ 閥235與壓力計240，以及通道壁（包含計量區段232之壁）進 行加熱。100。(：與15〇。(：之間的溫度足以防止通常用於蒸發 器205的供給材料之凝結。當在圖4所示的組態中運行十硼 院時’典型的蒸發器溫度係在25〇Ci4〇〇c的範圍内，而對 於十Λ硼烷而言，該溫度係在（例如）8〇。(：與丨2〇。(：之間。因 - 此’可以將加熱式電容壓力計（例如MKS Baratron型式 628B-22597或631A-25845)用作壓力計240。此類壓力計可 98258.doc •19- 1328244 讀取幾毫托至幾托之範圍内的壓力，並且適合於此申請 案。在特定情況下，可以將自製造者配置的壓力計用以^ 取100毫托或500毫托之最大壓力（全量程讀取）。選擇此類壓 力限制以提供優良的信號雜訊比，用於2〇毫托與約1〇〇毫托 之間的控制壓力計讀數（範圍之低部附近的信號趨向於雜 訊’從而可能使伺服迴路不穩定）。 決定適當的設定點壓力數值係藉由真空室26〇中的蒸氣 之所需的部分壓力，以及節流閥235與真空室26〇之間的 氣流導。 圖5顯示真空環境中的程序，其中蒸氣流227在半導體工 件280上撞擊。此類程序可以為薄膜沈積程序，例如多晶石夕 膜或石夕錯膜之產生，其中含摻_的蒸氣料♦膜生長期 間進行半導體薄膜之P型或N型摻雜。另—重要應用為電浆 摻雜（PLAD)。在PLAD中’將基板保持在與真空室電性隔離 的壓盤上’引人摻雜劑蒸氣並且將電漿形成為鄰近於壓 盤。將-或多個高電壓壓盤施加於壓盤，並因此施加於基 板，從而引起電毁之高能離子得到附著以摻雜基板。
圖6顯示以下系統：其中將蒸氣供給於離子源中以形成離 了束，從而執行離子痺入。蒸氣穿過節流閥235、離子源 之蒸氣導管228’並且進入離子源285之電離室287中。將電 離請7保持在高電壓。藉由適當的通電構件在電離室-内對蒸氣進行電離，—旦建立離子，則藉㈣取光學MO =子擷取於抽空室中、加速並形成為高能離子束295,其 貫貝上係在不同於雷離言夕帝阿、 J A电離至之電壓的電壓。將離子束引導至 98258.doc 1328244 植入至中，以植入半導體基板298進行摻雜。程序可以為將 離子植入於較大玻璃面板上的多晶梦·塗層中，以製造⑽如） 平面板顯不器（FPD摻雜）。可對由此類系統所產生的離子束 進订質量分析’但是通常沒有質量分析。離子源通常相當 大，其電離室具有稍微大於所植入的面板之較短尺寸之一 維，其可以為1米長或更長。在典型系統中，從電離室中擷 取固定「帶狀」離子束，並且將其聚焦於平面板上，而沿 面板之較長尺寸橫跨離子束而機械地掃描面板。此程序在 以下方面比較重要：製造具有沿顯示器面板之周邊的cm〇s 驅動器電路之FPD，例如製造以薄膜電晶體為基礎的電視 或電腦監視器。 圖7顯示以下系統：其係調適為具有質量分析的傳統束線 離子植入器之情況。在藉由擷取光學29〇從離子源285擷取 離子束295之後’離子束穿過分散雙極電磁體，其將未分解 離子束295分離成小離子束，其依據離子之質量填料比而在 空間中分離，如熟習此項技術者所瞭解。可以調整電磁體 電流，並因此可以調整彎曲、分散雙極場，以便藉由分解 孔隙297而將僅特定質量填料比（或某較佳範圍的質量填料 比，取決於分解孔隙297之寬度）之離子傳遞給半導體基板。 為了將離子植入於半導體晶圓中，電離室287具有小於約 100 ml的容積’而進入電離室的昇華蒸氣之最大流量為約1 seem ° 圖7A至7C以定性方式解說粗略地對應以下情況的蝶閱 之相對位置：圖7A中：關閉位置；圖7B中：7.5度旋轉；圖 98258.doc -21- 1328244 7C中：15度旋轉。由旋轉式步進馬達而電性控制旋轉位置。 蝶閥之可旋轉圓形板Β之周邊與其圓筒型外殼11之間的間 隙係由C<C，<C”指示，其中C為「關閉」位置中的最小間隙， 為幾千分之一英寸。圖7D顯示計算^流導，其與用於" 英寸直徑之圓形蝶_旋轉角度成函數關係。對應於圖Μ 至7C的點係標記在圖7〇之曲線上，並且分別接近等於 〜01/s 、 21/s與 81/s » 圖7E至7G以定性方式解說實施為節流閥的滑動閘閥之 相對位置，參見圖_1Ββ所顯示的係：_ :間間叹 於關閉位置’·圖7F:間閥G為1〇%的開度；圖％: 3〇%的開 度。在從約G.5英寸至約2.5英寸之各直徑中可用的閘閥可作 為關閥（關閉時會密封）與節流閥（具有對閥驅動器進行操作 的步進馬達）。蝶閥並非密封閥，即其在關閉時具有小而有 限的流導。 圖8及8Α顯示用以提供蒸氣給離子植入器之離子源（例如 圖3之離子源）的蒸氣輸送系統之較佳具體實施例之二圖。 已最小化閥鏈之㈣長度，並將其設計成與離子源緊密耗 令。所顯示的係蒸發器400、蒸發器隔離閥νι 41〇、閥驅動 器4 i 5、抽空埠42〇(連接至V3，未圖示) ' 節流閥m 43〇、 節流閥電動驅動器435、離子源隔離閥V2 44〇、v2驅動器 445、加熱式電容計⑴45〇、n2排氣閥v4 46〇。 圖9顯示圖8之蒸氣輸送系統之示意圖，其指示顯著控制 點。將I氣輸送系統描述成透過操作者介面7〇〇而加以控 制’透過該介面操作者可以提供輸入以打開或關閉閥％ 98258.doc -22- 1328244 41〇(蒸發器隔離閥）、¥2 440(離子源隔離閥）、¥3 441(粗略 真空閥）、V4 460(排放閥）與TV1 430(節流閥），所有該等閱 提供回讀給操作者介面以確認閥狀態。將V3定位在二個隔 離閥V1與V2之間’並且在需要時打開該閥以抽空該等二個 閥之間的靜止容積，例如在蒸發器400已因服務而加以移除 (採用v 1)或再填充並取代之後。以相同的方式，將V4用以 排放此靜止容積以製備組件移除，例如移除蒸發器4〇〇。其 他使用者可存取輸入包含三個溫度設定點：ΡΙΕ> 1用於蒸發 器400, PID 3用於閥¥1至¥4及TV1，而一溫度設定點用於 包含圖3之蒸氣導管150的離子源組塊。一般而言，將與蒸 氣接觸的所有表面維持在與蒸發器之溫度至少一樣高的溫 度。較佳維持離子源之設定點溫度> ΡΙΕ) 3 > piD 1。因此 經由離子源組塊，較佳將導管150之表面維持在大於piD 3 之設定點的溫度。PID 2為閉式迴路控制器，其調整節流閥 TV1 430以使由壓力計G1 45〇所讀取的壓力達到其設定點 數值。用於加熱式壓力計G1 45〇的此壓力設定點回讀至操 作者介面。此壓力回讀信號指示節流閥TV2與進入離子源 (圖3之蒸氣導管150)的蒸氣導管之間的蒸氣壓力，從而提供 用於TV1位置之閉式迴路控制裝置的控制信號。因為透過 洛氣導管150進入離子源之電離室17〇的蒸氣之流量係接近 與此入口壓力成正比，所以依靠piD2提供穩定且可重複的 入口壓力致動電離室170内穩定且適當定義的壓力，其依次 使很穩定的離子電流能從離子源得到擷取。 圖10為採用圖9之蒸氣輪送系統進入圖3之離子源的十棚 98258.doc -23- 1328244 用，其不易被凝結蒸氣所阻塞。此外，可將所有闕及連接 元件保持在大於蒸發器溫度之溫度。例如參考圖9，對於採 用十硼炫的操作而言，將蒸發器保持在3〇〇CHV^tvi 係在聊，壓力計G1係在100〇c，並且將離子源保持在 >資。沿輸送鏈.的連續元件之溫度之此「級化」可防止昇 華蒸氣之任何重要凝結。重要的係隨蒸發器之後的高流導 疋件之使用可最小化蒸氣星力，並因此最小化達到並維持 所需流量需要的某發器_ …赞盗咖度。此可增加儲存在蒸發器中的 硼氫化物或其他固體材料之有用壽命，因為已瞭解其可以 在高溫情況下採用為溫度之強函數的反應而離解或聚合。 在實施方案之所需範圍内’節流閥之最大n2氣體流導為 至少每秒1升或更大，當闕係完全打開時橫跨節流閥的壓力 下降小於100毫托，在較佳情況下通常小於25毫托。 為了說明之目的’所有先前圖式至12顯示節流閥之所 謂的「開式迴路」操作’即其中將闊位置設定為獨立的變 數。圖13顯示當在其正常「閉式迴路」模式中操作時，蒸 氣輸送系統之時間信號。在此模式中，現在參考圖7,藉由 數位蒸氣供給控制器22〇將壓力設定點提供給節流間位置 工制器245 ]立置控制器可調整閥位置以最小化控制壓力計 輸出250與壓力設定點數值之間的「誤差」。此係由所謂的 PID(比例整合差動）控制迴路所完成，該迴路可排程為具有 適田定義的回應特徵，例如速率與沈降時間以及過沖之程 度Nor-Cal型式APC_2〇〇_A併人此類piD控制器，其係與步 進馬達耦合，該馬達將軸轉動至安裝蝶型節流閥之圓形板 98258.doc •25- 1328244 的供給材料係隨時間而消耗，此可用表面積會穩定地減 小，從而導致節流閥前面的蒸氣壓力之減小，直至蒸氣之 排空速率無法支援所需蒸氣流量。此係瞭解為「排空速率 限制」操作。因此，在蒸發器中的給定供給材料之新填料 的情況下’例如25。(：的蒸發器溫度可能會在其動態範圍之 低端情況下支援處於標稱節流闕位置之需要的蒸氣流量， 例如由圖10之曲線上指示的點7B所表示的流量。在時間通 道之後（例如在消耗20%的供給材料之後），接著可能需要與 圖10之曲線上所指示的點7(：相稱的間位置來維持相同所需 流量。系統之狀態現在係如此，以便節流闕接近於直動熊 範圍之高位移限制。藉由合適的提供，由蒸氣供給控制： 220感測此位移。其例如藉由圖14之信號傳送新的較高 加熱器設定點溫度至蒸發器加熱器控制器(調節器如。： 氣供給控制器擁有駐存的查找表資訊，其決定將產生蒸^ 產生之所需增加的下一增加溫度變化，以及在節流閥前面 的壓力增加。例如，對於標稱3〇°C操作而言，下一增量可 以為Μ’從而變為32°C。選擇增量以便—旦蒸發㈣度沈 降至其新數值，則將標稱節流閥梯作點恢復至圖此化， 接近料動態範圍之低位移端。因此，數位控制器220❹ 6又疋點_愚力中的短時間量程變化及蒸發器溫度中的長 ，間量程變化之能力’使供給材料填料之壽命 量之控制很有力。 …w 已說明本發明之許多具體實施例。然而應明白可以 各種修改而不脫離本發明之精神與㈣。因此，其他具體 98258.doc -27- 1328244 實施例係在以下申請專利範圍之範疇内。 【圖式簡單說明】 圖1顯示本發明之蒸氣輸送系統之簡化示意圖。 圖1A顯不具有蒸氣輸送系統的-離子源，而圖1B顯示該 離子源之一項具體實施例的細節。 圖2繪製與最大節流閥流導成函數關係之從蒸發器出口 至真空室的計算出的有效流導。 圖3顯不具有另一蒸氣輸送系統之離子源。 圖4以方塊圖的形式顯示使用控制設定點之系統其用以 產生進入真空室的自固體供給材料昇華之蒸氣之精確控制 流動。 分別類似於圖4的圖5、6及7顯示用以產生昇華蒸氣之精 確控制流動的系統。圖5顯示進入真空摻雜程序之半導體換 雜劑的流程式；圖6顯示進入產生離子束，以將高真空離子 植入於半導體基板之表面中的離子源之流程；而圖7顯示進 入高真空離子植人室之離子源，以將質量分解植入摻雜劑 離子植入於半導體基板之表面中的此類流程。 圖7A、7B與7C以概略形式解說當關閉以及在有用範圍之 下區域及上區域時，蝶型節流閥的間隙。 圖7D顯不用以產生圖1()、UA12^ 4英寸節流閥之計算 出的N2流導。 圖7E、7F與7G解說當關閉、〗〇%的開度及3〇%的開度時， 閘型節流閥之間隙。 圖8及8A為用以輸送供給蒸氣至離子植入器之離子源的 98258.doc •28- 1328244 本發明之蒸氣輸送系統之較佳具體實施例的俯視圖及侧視 圖。 圖9顯示圖8之蒸氣輸送系統之示意圖，其指示用於本發 明之實施方案的顯著控制點。 圖1〇為曲線圖’其說明在開式迴路條件下並且在固定的 蒸發器溫度情況下，採用半導體摻雜劑固體供給材料十硼 烷透過圖8及9之節流閥從蒸發器進入離子源的蒸氣之流 量。 圖11顯示正好在節流閥下游的控制壓力計壓力，其與用 於圖8及9之組態的蝶形旋轉角成函數關係。 圖12顯不圖8及9之蒸氣輸送系統之有效乂流導（每秒 升）。 圖13顯示隨著改變設定點壓力，圖8至12之蒸氣輸送系統 之步階回應。 圖14解說蒸氣輸送系統之遠端實施方案。 圓15解說隨著消耗固體供給材料之隨時間的閥位置，在 此情況下週期性地更新蒸發器溫度以適應節流閥之動態範 圍。 各圖式中相同的參考符號指示相同的元件。 【主要元件符號說明】 10 離子源 28 蒸發器 29 固體供給材料 30 蒸發器外殼 98258.doc • 29· 1328244 31 儲存庫/壓載容積 32 蒸氣導管 33 氣體導管 34A 穿孔分離阻障 3 5 離子源組塊 36 凸緣 37 蒸氣輸送通道 39 導管 44 電離室 50 昇華蒸氣 60 電容壓力計 70 電子束 70A 電子束 70B 電子束 71 A 電子入口孔隙 7 1 B 電子入口孔隙 72 束流收集器 80 孔隙板 81 孔隙 100 節流閥 100' 蝶型機械節流閥 110 關閥 120 閉式迴路控制器/控制系統 125 磁極片 98258.doc -30- 1301328244 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 200 205 210 215 220 225 227 228 230 232 235 磁體/真空室 磁場 固體删氛化物材料 蒸發器 導管 出口埠 隔離閥 蒸氣 電離室 電子束 離子束 垂直槽 端板 固體供給材料 蒸發器 蒸發器外殼 蒸發器加熱器控制器 數位蒸氣供給控制器 熱電耦輸出 蒸氣流 蒸氣導管 蒸發器出口 計量區段 節流閥 98258.doc -31 - 2401328244 245 246 247 248 250 260 270 280 285 287 290 295 297 298 400 410 415 420 430 435 440 445 450 壓力計 節流閥位置控制器 信號 位置信號 可變功率 壓力計輸出 真空室 利用點 半導體工件 離子源 電離室 擷取光學 高能離子束 分解孔隙 半導體基板 蒸發器 蒸發器隔離閥 閥驅動器 抽空埠 節流閥 節流閥電動驅動器 離子源隔離閥 驅動器 加熱式電容計/壓力計 98258.doc •32· 1328244 460 排放閥 700 操作者介面 B 可旋轉圓形板 G 閘閥 Η 圓筒外殼 MFC 質量流量控制器 P〇 壓力 PD 入口輸送壓力 T 溫度 98258.doc •33·

Claims (1)

1328244
第093138509號專利申請案 中文申請專利範圍替換本("年4月） 十、申請專利範圍： 一種蒸氣輪送系統，其用以輸送自固體材料（29 ; 14〇 ; 200)昇華之蒸氣之一控制流至一真空室（130 ; 258 ; 260) ’其包括用於可在次大氣壓力情況下操作的該固體 材料之一加熱式蒸發器（28 ; 145 ; 205 ; 400)與從該蒸 發器至該真空室的一蒸氣輸送通道（37 ; 237)之該組 合，該洛氣輸送通道包含：其後接著一蒸氣導管（32 ; 150 ; 228)的—節流閥（100 ; 100, ； 235 ; 430);回應次 大氣壓力的一壓力計（60 ; 24〇 ; 45〇)，其係定位在該節 流閥與該蒸氣導管之間；曝露於該昇華蒸氣的該蒸氣輸 送通道之表面，其包含該節流閥、該壓力計與該蒸氣導 官之此類表面，係調適成保持在該固體材料之該凝結溫 度以上的溫度；以及併入該壓力計的一閉式迴路控制系 統（60 ; 120 ; 240、250、245 ; PID2) ’ 其係構造成改變 該節流閥之該流導，以控制該節流閥之該蒸氣下游之該 次大氣壓力，從而回應該壓力計之該輸出，進入該真空 室的療氣之流量因此係由該節流閥與該蒸氣導管（32 ; 150 ; 228)之間的該通道之該區域中的該蒸氣之壓力決 定。 2. 3. 如請求項1之蒸氣輸送系統，其包含一溫度控制系統 (35) ’該溫度控制系統係調適成將該輸送通道（37 ; Μ?) 之該等表面之„玄等酿度保持在該蒸發器之該溫度以上。 如請求項2之蒸氣輸送系統，其具有該蒸氣輪送通道之 多個級，該等多個級係調適成隨著遠離蒸發ϋ之距離而 98258-990427.doc 嗶4月4修正替換頁 保持在逐步升高的溫度。 4·如請求項1之蒸氣輸送系統，其中該蒸氣流量係調適成 由用於該蒸發器之該溫度的一控制系統（3 5 ; 225、2 1 5、 248 ; Pidi)，以及用於該節流閥之該流導的該控制系統 (6〇、120 ; 240 ; 250 ; 245 ; PID2)決定。 5·如請求項丨之蒸氣輸送系統，其中該蒸發器之該溫度係 由閉式迴路控制裝置決定為一設定點溫度。 6. 如請求項1之蒸氣輸送系統，其中該節流閥之該最大N2 流導係至少每秒1升。 7. 如請求項1之蒸氣輸送系統，其中當該節流閥係完全打 開操作時橫跨該節流閥的該壓力下降係小於100毫托。 8. 如睛求項1之蒸氣輸送系統，其中該節流閥（1 00 ; 1 〇〇，； 235 ; 430)之該最大流導係該蒸氣導管（32 ; 15〇 ; 228) 之該流導的五倍。 9. 如請求項1之蒸氣輸送系統，其中該節流閥之該最大流 導係該蒸氣導管之該流導的至少丨〇倍。 10. 如凊求項1之蒸氣輸送系統，其中該節流閥為一可變位 置閘閥。 U·如請求項1之蒸氣輸送系統，其中該節流闊為一蝶型閥。 12.如吻求項丨丨之蒸氣輸送系統，其中該蝶型閥於最低及最 高傳導間可用動態範圍為一約為1〇之因數。 如請求们之蒸發器輸送系統，其係構造成採用固體材 料此！ 40 ; 200)之一可再填充固體填料操作，該固體 材枓係以-方式逐步消耗以減小該固體材料之該蒸氣 98258-990427.doc 1328244 發射面積，並且構造成回應該節流閥（100; 100，； 235 ; 430)後面的壓力之—減少，以重置該節流閥之該位置來 恢復該所需流量，而且不斷隨該 流導來提高該蒸發器(28;145;205;_)之=用 以提而該蒸發器中的該壓力並且使該節流閥能在其較 佳流導動態範圍内操作。 14.如請求項13之蒸發器輸送系統，其與一以節流閥為美 =感測與控制系I組合，該感測與控制系统能夠提^ 一 蒸發器設定點溫度數值給一蒸發器加#器之—調節 器’遠加熱H能夠維持該蒸發器溫度在該設定點，該感 測與2制系統儲存至少-個職閥位移數值，其表示用 於違郎流閥的-所需流導上限’該感測與控制系統係構 造成監視該節流閥之該位置’並且在偵測該閥接近或達 =位移數值之後，該感測與控❹統係構造成提高該 設定點溫度數值至該調節器加熱器（例如藉由輸入 246)，以引起該節流閥增加蒸氣產生與蒸氣壓力上游， 從而使該節流閥之該閉式迴路控制裝置能引起該闊返 回至一實質較低的流導位置。 .如請求項14之蒸發器輸送系統，其包含適合於操作的溫 度上升之預定增量之-參考表，並且在偵測該閱接近或 達到該位移數值之後，該感測.與控制系統可有效地引起 該蒸發器溫度設定點增加至該參考表中的該下一步階。 16.如請求们之蒸氣輸送系統，其係構造並配置成輸送可 電離蒸氣至一離子源。 98258-990427.doc 1328244
如印求項16之蒸氣輸送系統，其係構造並配置成輪送可 電離4氣至一離子植入器之該離子源。 =味求項1之蒸氣輸送系統，其係構造並配置成輸送蒸 氣至一工件處理真空室。 如明求項1 8之蒸氣輸送系統，其係構造並配置成輸送可 電離蒸氣至用以為半導體提供劑量的一處理室。 .=叫求項1之蒸氣輸送系統，其係構造輸送其蒸氣至— 同真二，該系統係構造成回應該節流閥（100; 100,; 235; )之-欠大氣壓力下游之減小，以增加該蒸發器（28 ; 145 ; 205 ; 400)之該溫度。 •如β求項1之蒸氣輸送系統，其中用於該節流閥的該控 制系統包含一伺服迴路，其調整該節流閥（100 ; 100,； 235 ’ 43 0)之該位置’以回應該壓力計（6〇 ; 24〇 ; 45〇) 之該輪出仏號，從而將該壓力計中的該下游蒸氣壓力維 持在一設定點數值。 22.如晴求項1之蒸氣輸送系統，其中該蒸發器係構造成包 含並蒸發十硼烷b1qHi4。 23·如凊求項1之蒸氣輸送系統，其中該蒸發器係構造成包 含並蒸發十八硼烷B18H22。 24·如凊求項1之瘵氣輸送系統，其中該蒸發器係構造成包 含並蒸發三氣化銦inCl3。 、月长項1之蒸氣輸送系統，其中該蒸發器係構造成包 含並蒸發三甲基銦In(CH3)3。 月求項1之蒸氣輪送系統，其令該蒸發器係構造成包 98258-990427.doc 厂«嘐此瞀換頁 含並蒸發三乙基銻Sb'CCaHa。 2人-種將自―固體材料昇華之蒸氣之—控帝 =室之方法，其係藉由採用如前列請：項；： 洛氣輸送系統來進行該輸送。 28·::ΐπ中產生一離子束之方法，其係藉由採用 ”項17之热讀送系統傳導，用於將自一固體材 29. 昇華之蒸氣之一控制可電離流輸送至一電離室。 一種控制系統’其用以控制如請求们之蒸氣輸送系 統’该系統係構造成採用固體材料（29;丨化之— 可再填充固體填料操作，該固體材料係以— 耗以減小該固體材料之嗲蒗負.射而社 ^ 忒又虱七射面積，並且構造成回 應該節流閥（跳100，；235;43〇)後面的壓力之一減少， 以重置該節流閥之該位置來恢復該所需流量，而且不斷 隨該節流閥接近其最大有用流導來提高該蒸發器(28 ; 145 ; 2〇5 ;侧）之該溫度，以提高該蒸發器中的該壓力 並且使該節流閥能在其較佳流導動態範圍内操作。 3 〇 _如晴求項2 9之控制系統，其與一以節流閥為基礎的感測 與控制系統組合，該感測與控制系統能夠提供一蒸發器 =點溫度數值給—蒸發器加熱器之—調節器，該加熱 β能夠維持該蒸發器溫度在該設定點’該感測與控制系 r存至 個預疋閥位移數值，其表示用於該節流閥 =一所需流導上限，該❹彳與控㈣統係構造成監視該 即μ閥之該位置，並且在偵測該閥接近或達到該位移數 值之後’該感測與控制系統係構造成提高該設定點溫度 98258-990427.doc dip厶吁呼 正鞠I 數值至該調r。。 。〜-—」 咏 碉即益加熱器（例如藉由輸入246)，以引起該 P &㈣;{τσ 4氣產生與蒸氣遷力上游’從而使該節流闊 的^導路控制裝置能引起該間返回至一實質較低 儿如請求項30之控制系統，其包含適合於操作的溫度 之預定增量之一參考表，邗Η卢& 並且在偵測該閥接近或達到該 位移數值之後，該感測與控制系α 1 + _ . 糸統可有效地引起該蒸發 态溫度設定點增加至該參考 參 1衣甲的該下一步階。 98258-990427.doc
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