TWI398540B - 具有載流氣體混合的前驅氣體輸送 - Google Patents

Description

具有載流氣體混合的前驅氣體輸送 前後參照之相關申請案

本申請案係以下美國專利申請案之部分延續案，且對其主張優先權：2004年4月12日提出的同在申請中之申請案序號第10/822,358(該“358”申請案)號(代理人案號第MKS－143號)；2004年12月17日提出的同在申請中之申請案序號第11/015,465(該“465”申請案)號(代理人案號第MKS－147號)；及2005年3月18日提出的同在申請中之申請案序號第11/083,586(該“586”申請案)號(代理人案號第MKS－156號)。

所有這些同在申請中之專利申請案係讓予本申請案之受讓人。所有這些同在申請中之專利申請案的內容係以引用的方式併入本文中，如同在此完全提出般。

本發明關於一控制被輸送至處理室的前驅物之數量的系統及方法，特別是藉由精確測量所輸送之氣體混合物的莫耳分數以控制被輸送至處理室的前驅物之數量的系統及方法。

半導體製造可能要求反應氣體至半導體處理室之小心地同步化及精確地測量輸送。因此，用於輸送高度可重複的及精密數量之氣體質量的系統及方法於若干半導體製程中可為有用的，該製程包含、但不限於原子層沈積(Atom Layer Deposition，簡稱ALD)製程。

大致上，當一前驅氣體被輸送至一處理室時，壓力可為該驅動力。用於一些前驅氣體，該飽和蒸氣壓力可為太低，以致不能允許該氣體之有效輸送。於此案例中，一對該製程化學反應為惰性之載流氣體可被導入，以人工地增加該壓力。只要該前驅氣體之分壓係在其飽和蒸氣壓力以下、及該載流氣體係與該前驅氣體均勻地混合，該前驅氣體將不冷凝。

用於輸送低蒸氣壓力前驅氣體之先前技術可包含起泡器系統之使用。於一起泡器系統中，該載流氣體可藉著使其起泡經過該液體之前驅物被導入。於此製程期間，該液態前驅物之一些分子可變得被吸入該載流氣體。獨自與該前驅物之分壓作比較，該結果之混合物可具有一遠較高之壓力，且如此可有利於輸送至一處理室。

然而，不知來自一起泡器系統的混合物中之前驅物的濃度，且可能難以正確地測量。既然不知該混合物中之前驅物的濃度，輸送至該輸送室的前驅物之數量亦可能不知。

用於這些理由，想要一方法及系統，用於正確地及可重複地輸送前驅物之精密數量，包含低蒸氣壓力之前驅物。

一氣體輸送系統可包含一輸送室、一前驅入口閥門、一載流入口閥門、一出口閥門、及一控制器。該前驅入口閥門係架構成可調節一前驅氣體之流入該輸送室。該載流入口閥門係架構成可調節一載流氣體之流入該輸送室。

該出口閥門係架構成可調節該前驅氣體及該載流氣體之混合物的流出該輸送室進入一處理室。

該控制器能被架構成可控制該前驅入口閥門及該載流入口閥門之打開及閉合，以便將想要數量之前驅氣體及載流氣體導入該輸送室，並產生一具有該前驅氣體對該載流氣體之預定比率的氣體混合物。可進一步架構該控制器，以控制該出口閥門之打開及閉合，以便由該輸送室輸送具有該預定比率之氣體混合物進入該處理室。

敘述輸送一前驅氣體之方法。該前驅氣體之一想要莫耳數被導入一輸送室。

隨後，一載流氣體之想要莫耳數被導入該輸送室。一氣體混合物係如此產生，及係由該輸送室輸送至該處理室。該氣體混合物具有該前驅氣體對該載流氣體之一預定比率。該前驅氣體之想要莫耳分數係如此輸送至該處理室。

敘述一系統及方法，用於藉著精確地測量所輸送之氣體混合物的莫耳分數控制被輸送至該處理室的前驅物之數量。下文所敘述之技術於以下之應用中係有用的，該等應用包含、但不限於：1)具有極低蒸氣壓力之前驅物的輸送；及2)具有較大準確性之極小數量前驅物的輸送。

圖1係按照本揭示內容之一具體實施例所製成的氣體輸送系統100之概要圖。該氣體輸送系統100係架構成可使一前驅物蒸發成一習知之體積，且接著將該前驅物輸送進入一輸出室。該輸出室可譬如為半導體處理室。該氣體輸送系統100施行以模型為基礎之演算法，以便正確地測量及控制輸送至該處理室的前驅氣體之分子數目。

概觀該氣體輸送系統100包含：一輸送室110；一前驅入口閥門120；一載流入口閥門130；一出口閥門140；一控制器150；一壓力感測器160；一溫度感測器170；一蒸發器180；一真空入口閥門190；及一真空泵195。該輸送室110提供一用於待輸送氣體之校準裝盛容量。該前驅入口閥門120係架構成可調節一或多種前驅氣體之流入該輸送室110。於所示具體實施例中，該蒸發器180使一可藉著液態前驅物來源(未示出)所供給之液態前驅物蒸發，以產生該前驅蒸氣。

該載流入口閥門130係架構成可調節一或多種載流氣體之流入該輸送室110。該出口閥門140係架構成可調節該前驅氣體及該載流氣體的一混合物之流出該輸送室110及進入該處理室(未示出)。所輸送之氣體混合物具有該前驅氣體對該載流氣體之一習知、預定比率。該壓力感測器160係架構成可測量該輸送室110內之壓力，且該溫度感測器170係架構成可測量該輸送室110中之溫度。

程式設計該控制器150，以控制該前驅入口閥門120、該載流入口閥門130、及該出口閥門140之打開及閉合，以便將該氣體混合物由該輸送室110輸送進入該處理室，該氣體混合物等具有該前驅氣體對該載流氣體之一精確、習知之莫耳分數。

該控制器150可使用電腦軟體施行本揭示內容中所敘述之方法、系統、及演算法。本揭示內容中之方法及系統尚未參考任何特定之程式設計語言作敘述。應了解可使用各種程式設計語言以施行本揭示內容之教導。該控制器150能藉著一儲存於該電腦中之電腦程式選擇性地架構及/或作動。

該控制器150首先控制該前驅入口閥門120之打開及閉合，以便將想要數量之前驅氣體導入該輸送室110。隨後，該控制器150控制該載流入口閥門130之打開及閉合，以將一精確、想要數量之載流氣體導入該輸送室110。最後，該控制器150控制該出口閥門140之打開及閉合，以便藉由該輸送室110中之擴散造成該氣體混合物(具有該前驅氣體之習知莫耳分數)形成，並使該氣體混合物由該輸送室110輸送至該處理室。

該控制器150係架構成可計算離開該輸送室110而排出至該處理室的前驅氣體之莫耳數。特別地是，程式設計該控制器150，以藉著該壓力感測器160監視該壓力量測及藉著該溫度感測器170監視該溫度量測，並使用該理想氣體定律以取得該想要之莫耳數。

該輸送系統100典型係一脈動式輸送系統，其架構成可於輸送脈動之一順序中輸送該前驅氣體。概要之，該輸送系統100於不連續的脈動中根據以下之循環輸送該前驅物：1.裝滿：打開該前驅入口閥門120，及使該前驅物蒸發成該輸送室體積，將其裝滿至一目標壓力。等候一短時期，用於使該壓力變穩定。

2.輸送：打開連接至該處理室之出口閥門140。測量所輸送之前驅物的數量，及當正確數量之前驅物已離開該輸送室110時，關閉該出口閥門140。

3.等候該壓力變穩定。

4.進行至下一循環，其中重複上述之步驟1、2及3。

該氣體輸送系統100之控制器150使用以模型為基礎之演算法，以於上面步驟1中測量及控制被蒸發成該輸送室110之裝盛容量的前驅物之莫耳數。該控制器150使用這些演算法，以測量及控制隨後加至由該輸送室110所提供之裝盛容量的載流氣體之莫耳數。

不像氣體輸送系統，其中導入該載流氣體而不知該前驅氣體及該載流氣體之個別數量，藉由該控制器150所施行之演算法，當它們被混合時，允許計數每一種類之莫耳數。因此，於上面之氣體輸送系統100中，在該輸送室110排出進入該處理室之前，將得知該輸送室110中之合成的混合物中的每一種類(前驅物或載流)之莫耳分數。

於每一循環期間，現在將會同圖2更詳細地敘述該輸送過程。圖2係藉著圖1所說明之氣體輸送系統於單一輸送循環期間，該輸送室110內之壓力的曲線圖，其為時間之函數。如在圖2所說明，於本揭示內容之一具體實施例中，單一輸送循環200可包含階段210、220、230、240、250及260。每一階段佔有一段包括該總循環時間200之個別分數的時間間隔，如圖2所顯示。

於階段210期間，該控制器150打開該前驅入口閥門120，以便將該前驅氣體導入該輸送室110。該前驅氣體係接著很快蒸發及裝滿至第一目標壓力，在圖2中指示為P1。該控制器150接著測量進入該輸送室110之裝盛容量的前驅氣體之數量，且當一目標之莫耳數係於該裝盛容量中時，關閉該前驅入口閥門120。於此階段期間輸送至該輸送室110之莫耳數係藉著下式所給與：

於上面方程式(1)中，該△n指示輸送進入該輸送室110之莫耳數，V指示該輸送室110之體積，R指示該萬用氣體常數(具有8.3144焦耳/莫耳/絕對溫度之值)，且△(P/T)係由該循環200之開始至該循環200之結束的壓力除以氣體溫度中之變化。藉著監視P及T之值，如藉由該壓力感測器160及該溫度感測器170在想要之時間點所測量，方程式(1)顯示可監視於任何給定時段期間輸送進入該輸送室110之莫耳數。該輸送室110內之溫度動力學係譬如敘述於該’358申請案中，其內容係以引用的方式全部併入本文中。

於階段220期間，在該氣體輸送室110內抵達該目標壓力P1之後，該控制器150造成該系統100短暫地等候，用於使該壓力變穩定。

於下一階段230期間，一載流氣體被導入，且該結果之混合物係圖2所示裝滿至第二目標壓力，如P2。特別地是，該控制器150打開至該輸送室110之載流入口閥門130，以讓該載流氣體流入，接著測量進入該輸送室110之裝盛容量的載流氣體之莫耳數。當獲得該第二目標壓力P2時，該控制器150關閉該載流入口閥門130。

於階段240期間，該系統100等候該混合物達平衡。特別地是，該控制器150造成該系統100等候一時期，並充分造成該前驅氣體及該載流氣體藉著擴散而混合，及造成該氣體混合物達平衡。在該階段240之末端，該平衡之氣體混合物具有該前驅氣體之想要莫耳分數。

在階段240之末端，該輸送室110中之結果的氣體混合物係在一使用者之指定壓力P2的前驅氣體/載流氣體混合物。當每一物質被輸送進入該輸送室110之裝盛容量時，因為測量每一物質之莫耳數，已知該輸送室110中之每一氣體種類(前驅物或載流)之莫耳分數。當作一簡單之範例，如果已藉著該控制器150計數10微莫耳之前驅氣體及90微莫耳之載流氣體，接著該輸送室110中之氣體混合物具有用於該前驅氣體之1/10的莫耳分數，及用於該載流氣體之9/10的莫耳分數。在此時，該前驅物之分壓係仍然低於該前驅物在該操作溫度之蒸氣壓力。於該輸送室110及該處理室之間亦有足夠之壓力梯度，以確保快速之輸送。

該系統100接著移動至該輸送階段250，於該階段250期間，該達平衡之氣體混合物係輸送至該處理室。該控制器150打開該出口閥門140，並導通至該處理室。該控制器150測量該氣體混合物離開該輸送室110之數量，且當該正確之想要數量的前驅氣體已離開該輸送室110時，關閉該出口閥門140。只要該氣體係一連續體，該混合物之莫耳分數於輸送期間保持不變。

於下一及最後階段260期間，該控制器150打開該真空入口閥門190，及在該輸送室110上抽真空，直至該輸送室110內之壓力係在該操作溫度下寬裕地低於該前驅物之蒸氣壓力。

一旦完成整個輸送循環200，該控制器150造成該系統100返回至階段210，並重複該整個輸送循環達一想要之次數。對於每一輸送循環，該系統100使用上述之技術直接地將該前驅氣體及該載流氣體混合至一特定之莫耳分數。在階段260之末端，任何留在該輸送室110中之剩餘混合物具有相同之莫耳分數。因此，輸送至該處理室的前驅物之總莫耳數係藉著下式所給與：

在此應用與上面方程式(1)相同之定義，且ω指示該莫耳前驅氣體之分數。

總之，已敘述一系統及方法，其允許一氣體輸送系統(諸如該MDD)以高精確度輸送低蒸氣壓力前驅物。這是藉著直接測量及控制該氣體混合物之莫耳分數而變得可能。

雖然已敘述用於脈動式沈積監視及控制之設備及方法的某些具體實施例，將了解隱含於該等具體實施例中之觀念可同樣被使用於其他具體實施例中。此應用之保護性係僅只受限於現在跟在之後的申請專利範圍。

於這些申請專利範圍中，對該單一元件之參考係不欲意指“一個及僅只一個”，除非特別地如此陳述，但反之為“一或多個”。對於遍及此揭示內容所敘述之各種具體實施例的元件，普通熟諳此技藝者所已知或稍後將得知之所有結構及機能的均等物係明確地以引用的方式併入本文中，且係意欲藉由該等申請專利範圍所涵括。再者，在此未揭示者係意欲獻給大眾，而不管此揭示內容是否已明確地詳述於該等申請專利範圍中。除非申請專利範圍之元件係明確地使用“用於…之裝置”用語敘述，或於一方法申請專利範圍之情況，該元件係使用“用於…之步驟”用語敘述，否則沒有申請專利範圍之元件將被依35 U.S.C.§112、第六節的條款解讀。

100．．．氣體輸送系統

110．．．輸送室

120．．．前驅入口閥門

130．．．載流入口閥門

140．．．出口閥門

150．．．控制器

160．．．壓力感測器

170．．．溫度感測器

180．．．蒸發器

190．．．真空入口閥門

195．．．真空泵

200．．．總循環時間

210．．．快速蒸發前驅物

220．．．等候

230．．．加入載流氣體

240．．．使擴散混合

250．．．輸送至處理室

260．．．在輸送室中抽成高度真空

圖1係按照本揭示內容之一具體實施例所製成的氣體輸送系統之概要圖。

圖2係於圖1所說明之氣體輸送系統的一輸送循環期間，一氣體裝盛輸送室內之壓力的曲線圖。

100．．．氣體輸送系統

110．．．輸送室

120．．．前驅入口閥門

130．．．載流入口閥門

140．．．出口閥門

150．．．控制器

160．．．壓力感測器

170．．．溫度感測器

180．．．蒸發器

190．．．真空入口閥門

195．．．真空泵

Claims (22)

1. 一種氣體輸送系統，包含：一輸送室；一前驅入口閥門，其架構成可調節一前驅氣體之流入該輸送室；一載流入口閥門，其架構成可調節一載流氣體之流入該輸送室；一出口閥門，其架構成可調節該前驅氣體及該載流氣體之流出該輸送室進入一輸出室；及一控制器，其架構成可控制該前驅入口閥門、該載流入口閥門、及該出口閥門之打開及閉合，以便將想要數量之前驅氣體及載流氣體導入該輸送室，測量該輸送室中該前驅氣體對該載流氣體的比率，產生一具有該前驅氣體對該載流氣體之預定比率的氣體混合物，並由該輸送室輸送具有該預定比率之氣體混合物進入該輸出室。
2. 如申請專利範圍第1項之氣體輸送系統，更包含：一壓力傳感器，其架構成可測量該輸送室內之壓力；及一溫度感測器，其架構成可測量該前驅氣體、該載流氣體、及該氣體混合物之溫度。
3. 如申請專利範圍第2項之氣體輸送系統，其中該預定比率包含一於該氣體混合物中之前驅 氣體的莫耳數、及該氣體混合物中之載流氣體的莫耳數間之比率；及其中該氣體混合物具有該前驅氣體之一想要莫耳分數及該載流氣體之一想要莫耳分數。
4. 如申請專利範圍第3項之氣體輸送系統，其中藉著監視該壓力傳感器之壓力量測及該溫度感測器之溫度量測，該控制器係進一步架構成可測量該前驅氣體於一時段期間流入該輸送室之莫耳數；及其中於該時段期間輸送進入該輸送室及佔有該輸送室之一體積V的前驅氣體之莫耳數係藉著下式所給與： 在此△n指示於該時段期間輸送進入該輸送室的前驅氣體之莫耳數；ω指示該前驅氣體之莫耳分數；R指示一萬用之氣體常數，其係波茲曼常數及亞佛加厥數之乘積及具有大約8.3144(焦耳)/(莫耳)(絕對溫度)之值，P指示佔有該體積V的前驅氣體之壓力，T指示佔有該體積V的前驅氣體之溫度，及△(P/T)指示於該時段的開始及結束之間的P與T間之比率中的變化。
5. 如申請專利範圍第4項之氣體輸送系統，其中該控制器進一步架構成可： 打開該前驅入口閥門，以允許該前驅氣體流入該輸送室；藉著監視該壓力傳感器之壓力量測及該溫度感測器之溫度量測，測量經過該前驅入口閥門流入該輸送室的該前驅氣體之莫耳數；及當該前驅氣體之一想要莫耳數已進入該輸送室時，關閉該前驅入口閥門。
6. 如申請專利範圍第5項之氣體輸送系統，其中該控制器進一步架構成可：在關閉該前驅入口閥門之後打開該載流入口閥門，以便在該前驅氣體之想要莫耳數已進入該輸送室之後造成該載流氣體流入該輸送室；藉著監視該壓力傳感器之壓力量測及該溫度感測器之溫度量測，測量經過該載流入口閥門流入該輸送室的載流氣體之莫耳數；及當該等壓力量測及該等溫度量測指示該載流氣體之一想要莫耳數已進入該輸送室時，關閉該載流入口閥門。
7. 如申請專利範圍第6項之氣體輸送系統，其中該控制器進一步架構成可：在關閉該載流入口閥門之後及打開該出口閥門之前，等待達一段時期，該時期充分造成該前驅氣體及該載流氣體藉著擴散而混合、及產生具有該前驅氣體對該載流氣體之預定比率的氣體混合物，並使該氣 體混合物達平衡；其中該平衡之氣體混合物包含該前驅氣體之想要莫耳分數。
8. 如申請專利範圍第7項之氣體輸送系統，其中該控制器係進一步架構成可在該氣體混合物已達平衡之後打開該出口閥門，以造成該平衡之氣體混合物流出該輸送室及進入該輸出室；測量離開該輸送室之氣體混合物的莫耳數；及當該氣體混合物之想要莫耳數已離開該輸送室及已被輸送進入該輸出室時，關閉該出口閥門。
9. 如申請專利範圍第7項之氣體輸送系統，其中在該氣體混合物已達平衡之後，該輸送室及該輸出室間之一壓力梯度係充分允許該氣體混合物之由該輸送室相當快速地輸送進入該輸出室。
10. 如申請專利範圍第7項之氣體輸送系統，其中在該氣體輸送系統之一操作溫度，該前驅氣體在一前驅蒸氣壓力下抵達氣相平衡，及其中該前驅氣體之一想要分壓係低於該前驅蒸氣壓力。
11. 如申請專利範圍第7項之氣體輸送系統，其中該前驅氣體之想要莫耳分數係使用者指定的。
12. 如申請專利範圍第9項之氣體輸送系統，更包含一將該輸送室連接至一真空次系統之真空入口閥門，該真空次系統架構成可在該輸送室中抽真空。
13. 如申請專利範圍第12項之氣體輸送系統，其中該控制器係進一步架構成可：在關閉該出口閥門之後打開該真空入口閥門，使該真空次系統在該輸送室中抽真空；及當該輸送室中之壓力抵達一實質上低於該前驅蒸氣壓力之值時，關閉該真空入口閥門。
14. 如申請專利範圍第13項之氣體輸送系統，更包含一蒸發器，其架構成可使一液態前驅物蒸發，以產生該前驅氣體。
15. 如申請專利範圍第14項之氣體輸送系統，其中該控制器係進一步架構成可：打開該前驅入口閥門，以允許該液態前驅物流入該輸送室；作動該蒸發器，以便使該液態前驅物蒸發及產生該前驅氣體；保持該前驅入口閥門開著，以致該液態前驅物持續流入該輸送室，直至該蒸發之前驅物的壓力抵達該想要之前驅壓力，且該輸送室中之前驅氣體的數量抵達該想要之莫耳數；及當已抵達該前驅氣體之想要莫耳數時，關閉該前驅入口閥門。
16. 如申請專利範圍第14項之氣體輸送系統，更包含一液態前驅物來源，其架構成可經過該入口閥門提供該液態前驅物至該輸送室。
17. 如申請專利範圍第1項之氣體輸送系統，其中該輸出室包含一半導體處理室。
18. 如申請專利範圍第1項之氣體輸送系統，其中於複數輸送循環之每一循環期間，該控制器係進一步架構成可重複控制該前驅入口閥門、該載流入口閥門、及該出口閥門之打開及閉合的動作，以便將該前驅氣體及該載流氣體之一想要數量導入該輸送室、產生一具有該前驅氣體對該載流氣體之一預定比率的氣體混合物、及由該輸送室將具有該預定比率之氣體混合物輸送進入該半導體處理室。
19. 一種輸送前驅氣體之方法，該方法包含：將該前驅氣體之想要莫耳數導入一輸送室；在該前驅氣體之想要莫耳數已進入該輸送室之後，將一載流氣體之想要莫耳數導入該輸送室，且測量該輸送室中該前驅氣體對該載流氣體的比率，以產生一具有該前驅氣體對該載流氣體之一預定比率的氣體混合物；及由該輸送室輸送該氣體混合物至一輸出室，該氣體混合物具有該前驅氣體之一想要莫耳分數。
20. 如申請專利範圍第19項之輸送前驅氣體的方法，其中導入該前驅氣體之想要莫耳數的動作包含：打開一前驅入口閥門，其調節該前驅氣體之流入該輸送室；及當該前驅入口閥門係打開時，藉著一壓力傳感器 監視壓力量測，以測量經過該前驅入口閥門被輸送進入該輸送室的前驅氣體之莫耳數。
21. 如申請專利範圍第20項之輸送前驅氣體的方法，其中導入該載流氣體之想要莫耳數的動作包含：打開一載流入口閥門，其調節該載流氣體之流入該輸送室；及當該載流入口閥門係打開時，藉著一壓力傳感器監視壓力量測，以測量經過該載流入口閥門被輸送進入該輸送室的載流氣體之莫耳數。
22. 如申請專利範圍第19項之輸送前驅氣體的方法，更包含使一液態前驅物蒸發之動作，以便產生該前驅氣體。