TWI418963B - 應用壓差測量的氣體流調控 - Google Patents

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Description

應用壓差測量的氣體流調控
本發明有關一應用壓差測量的氣體流調控。
在電子電路及顯示器製造中，例如半導體、介電材料及導體材料之材料係沉積及圖樣化於一基材上。部分的此些材料由化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)製程來進行沉積，而其他材料則由基材材料之氧化作用或氮化作用而形成。例如，在化學氣相沉積製程中，製程氣體導入反應室中，並藉由加熱或RF能激發之而沉積一膜於基材上。在物理氣相沉積中，一靶材係以製程氣體濺鍍而沉積一層靶材材料於基材上。在蝕刻製程中，一含有光阻或硬式光罩之圖樣化光罩藉由微影術形成於基材表面上，且暴露於光罩特徵結構間之基材表面部分係由激發態的製程氣體蝕刻之。此製程氣體可為單一氣體或一氣體混合物。沉積及蝕刻製程，及額外的平坦化製程依序進行以處理基材而製造電子裝置及顯示器。
基材處理反應室包含有氣體分配器，其包括多個氣體噴嘴以導入製程氣體至反應室中。在一態樣中，氣體分配器為一包含具有多個氣體噴嘴之板或密閉器的噴氣頭。另一態樣中，氣體分配器包含獨立氣體噴嘴，其通過反應室側壁以由圍繞基材周邊之側向注入至反應室。在另一態樣中，多個獨立氣體噴嘴由圍繞基材周邊垂直注入氣體至反應室。在再一態樣中，氣體分配器包含具有面對基材之氣體出口陣列的噴氣頭。
然而，傳統氣體分配器通常不能提供跨越基材表面之均一分佈的氣體流。例如，一含有不同氣體噴嘴之氣體分配器通常由不同噴嘴通過不同之氣體流速，當例如氣體噴嘴的大小在噴嘴間彼此不同時。如另一例子，一噴氣頭通常具有稍微不同直徑之出口孔，其將導致每一出口孔之不同流速。再者，在某些設計中，含有具不同直徑出口陣列之氣體噴氣頭可提供在一特定出口陣列中之不同出口的不同氣體流速。
更進一步的問題發生在當嘗試平衡多反應室處理設備之二分離反應室的氣體流以獲得在每一反應室為實質相似處理速率時。在一方法中，使用微計量閥調整通過一供應至反應室之一管的製程氣體流，例如在共同受讓之美國專利第6,843,882號描述者，將其全文併入以做為本案之參考。可調整獨立之微計量閥以平衡或蓄意不平衡二不同反應室之氣體流。然而，微計量計的人工調整為耗費人工且可造成操作人員的不精確。操作人員的物理調整微計量計一定次數，且此調整可因操作者不經意的作動而改變。再者，對每一反應室之平衡氣體流的精確等級亦通常難以決定。
亦可使用可分離輸入氣體流成為二獨立流的流量比裝置(flow ratio device)來控制氣體流至雙反應室。例如，美國麻州威明頓MKS Instruments公司之DELTATM 流量比控制器可將輸入流分成二獨立流。另一流體控制裝置，美國加州密耳比它斯Celerity公司之流量比分流器(Ratio Flow Splitter；RFS)模組係基於傳送至反應室之多個區域或獨立反應室的一特定設定點之比例而利用一閥將輸入氣體流轉向至二分支氣體流。在此些裝置中，流至每一反應室之流體係以流量計量測。雖然此裝置係為有效的，但比例之精確性受流量計的精確性強力影響，其通常為流量比例的±1%。可使用較精確的流量計以得較佳精確性，然而，此流量計為昂貴的且增加基材處理成本。
因此，需要具有一氣體分配器，其經由不同的噴嘴提供已知及可再現的流速，以提供跨越基材表面之均勻或預設的處理流速。亦需要一精確量測通過氣體分配器的不同噴嘴之氣體流速。又需要一可調整流至雙反應室之氣體流量以獲得在每一反應室中的均勻流速。
本發明係揭露一種氣體流比較器，該比較器包含：(a)一氣體控制單元，係安裝於一氣體管上，氣體控制單元包含一氣體控制回饋環路以控制通過氣體管之一氣體的一流速或壓力；(b)一主要分流器，其包含一入口埠及一對輸出埠，入口埠係用以由氣體管接受氣體；(c)一對限流器，各個限流器係連接至主要分流器的一輸出埠，且各個限流器具有一限流器出口；(d)一對輔助分流器，各個輔助分流器係連接至一限流器之一限流器出口，且各個輔助分流器包含一對的第一及第二輸出埠；(e)一壓差計，係連接至輔助分流器之第一輸出埠二者；以及(f)一對噴嘴托架，各個噴嘴托架係連接至一輔助分流器之一第二輸出埠，噴嘴托架可連接至第一及第二噴嘴，藉此，通過限流器及第一與第二噴嘴的氣體會造成壓差計呈現一與氣體通過第一與第二噴嘴的流速之差異成比例之壓差。
本發明又揭露一種氣體流控制器，其包含如上述之氣體流比較器，且其中第一及第二噴嘴各自包含流量調節閥，該些流量調節閥之一端係連接至一輔助分流器之一第二輸出埠，且另一端則連接至一基材處理反應室之一氣體入口管，氣體入口管係供給在反應室中之一氣體分配器；且其中氣體流控制器係相應於由壓差計所接收之一訊號來調節流量調節閥，以控制流經流量調節閥之氣體流量。
本發明更揭露一種基材處理設備，其包含如上述之氣體流控制器，且其中該設備包含一第一處理反應室及一第二處理反應室，而各個反應室包含一供應一氣體分配器之氣體入口管、一面向氣體分配器之基材支撐座，以及一排出埠，氣體係通過排出埠而排出。
本發明的此些特徵、態樣及優點可由後文的描述、後附的申請專利範圍、及說明本發明實施例之圖式而更佳瞭解。然而，需瞭解每一特徵可廣泛用於本發明，而非僅在於特定圖式的內容，且本發明包含此些特徵的任何組合。
一氣流比較器20之實施例，如顯示於第1A及2圖，係經由一壓差量測以量測通過多個噴嘴之氣體的氣體參數差異。所量測之氣體參數差異可為例如氣體之流速或壓力。氣流比較器20包含一安裝於氣體管26上之氣體控制單元24，以設定氣體通過氣體管26的氣體流速率或氣體壓力。氣體管26具有一入口28及一出口32，該入口28連接至一氣體源30，且氣體係通過該出口32而自氣體管26流出。氣體源30包括一氣體供應單元34(例如一氣體加壓容器)及一用以控制氣體離開氣體供應單元的壓力之壓力調節器36。在一態樣中，氣體源30設定為在由約50至約150 psia之壓力提供一氣體，例如氮。
氣體控制單元24提供在一選定氣體流速或壓力的氣體至一設備。參考第2圖，來自氣體源(未顯示)之氣流經由一氣體聯結器31進入氣體管26。以人工操作在氣體管26上之一氣體閥33，以設定通過管26之氣流。氣流接著通過氣體過濾器35，而氣體過濾器35可為傳統氣體過濾器，如美國喬治亞州亞特蘭市McMaster Carr公司可購得者。氣體控制單元24可為例如一氣流控制單元或一氣體壓力調節器。在一態樣中，氣體控制單元24為一流量計38，例如質流控制器(MFC)或體積流量控制器。氣體控制單元24可包含一氣流控制回饋環路，以控制氣體通過氣體管26之氣體流速，其一般已知為一流體控制系質量流量計。在流量計38設定之流速為氣體流出管出口32之流速，且質量流量計38監測氣體流速，並回應量測之流速以調整一內部或外部閥而獲得一氣體之實質恆定流速。實質恆定意指流速變化低於5%。氣體控制單元24提供一實質恆定氣體流速，例如與標稱流速差異低於5%之流速。一適當的流量計38為一質流控制器(MFC)，為日本京都STE公司MFC型號4400之300 sccm氮。氣體控制單元24的另一態樣為壓力控制MFC，如美國麻州威明頓MKS Instruments公司之速率為3000 sccm的MFC。另一適當的氣體控制單元24可包括美國加州猶耳巴林達之UNIT的MFC。另一氣體控制單元24為一壓力調節器36，如美國俄亥俄州克里夫蘭Parker Hannifin公司之Veriflo分公司之VARIFLOTM 壓力調節器，或一得自美國俄亥俄州索隆Swagelok公司的壓力調節器。一壓力顯示器37在流量計38後設置以讀取供應至氣流比較器20之氣體。
將處於恆定流速及/或壓力之氣體供應至一主要分流器40，其具有一連接至氣體管26之出口32的入口埠44以接收氣體。此分流器40將接收到的氣體流分流至第一及第二輸出埠48a、b。分流器40可將氣體流分流為二獨立且相等之氣流或依預定比例而分流氣流。在一例示中，分流器40於第一及第二輸出埠48a、b間平均將所接收到的氣流進行分流。此可藉由將輸出埠48a、b定位而對稱於入口埠44來達成。在一態樣中，主要分流器40包含一T型氣體聯結器41，如顯示於第1B圖。T型氣體聯結器41包含一T型中空管42，中空管42之每一腳部43a－c具有一聯結端46a－c，其可與一氣體管形成氣密。一適當的T型聯結器為一或直徑T－配件與一VCR聯結單元，其可由美國俄亥俄州索隆Swagelok公司之分公司Cajon Pipe Fittings購得。
第一及第二限流器50、52為各自連接至第一及第二輸出埠48a、b。每一限流器50、52提供一跨越限流器的壓降(pressure drop)。由各個限流器50，52所提供的壓降基本上相同，但其亦可為不同。在一態樣中，第一限流器50具有一限流器出口54，及第二限流器52具有一限流器出口56。限流器50之實施例的橫切面如第1C圖所示，包含一具有限流器入口55及限流器出口54的中空管53，且出口54與入口55係分別位於端部51a、b中。端部51a、b係經成形而與上方氣體管53提供一氣密封。限流器50更包含一具有孔洞59的檔板58，而孔洞59具有一預定大小且位於中空管53之中央部分。中空管53亦可在一收縮段由較大直徑縮減至一較小直徑(未顯示)以提供所欲的限流作用，以替代檔板58。另一態樣中，限流器50可包含一噴嘴。適合之限流器50、52包括由美國麻州沃桑BIRD Precision公司取得之Ruby Precision Orifices。
一對輔助分流器60、62連接至限流器50、52之限流器出口54、56。第一輔助分流器60包含一入口埠63及一對第一輸出埠64a、b，而第二輔助分流器62亦具有一入口埠66及一對第二輸出埠68a、b。第二分流器60、62亦可包含前述之T型氣體聯結器41。
一壓差計70係連接跨過輔助分流器60、62之輸出埠64a、68a。在一態樣中，壓差計70適於量測至少1托耳(Torr)，或甚至至少5托耳，或甚至50托耳之壓力。壓差計70的精確度依通過氣流比較器20之氣體的壓力或流速而定。例如，一具有壓力範圍量測能力為50托耳之壓差計70所具有的精確度為至少約±0.15托耳；反之，能量測一壓力範圍為1托耳的壓差計70具有之精確度為0.005托耳。一適當的壓差計70為購自MKS Instruments公司的MKS 223B壓差傳感器。壓差計70藉由在前向或反向的膜片位移而操作，膜片位移會對應於所量測之壓差而產生正或負電壓。
第一及第二噴嘴托架80、82係連接至輔助分流器60、62之一對輸出埠64b、68b上。可連接噴嘴托架80、82以供給氣體至噴嘴106、102，而用於量測經由噴嘴之比較性流速。例如，噴嘴托架80、82可連接至第一參考噴嘴100及一用以測試相對於參考噴嘴之流速的第二測試噴嘴102；或可互相比較經由二噴嘴106、102之相對流速。
為比較經由二噴嘴106、102之流速，噴嘴106、102係附接至噴嘴托架80、82。在噴嘴托架82中安裝噴嘴102的分解視圖係顯示於第3A圖。噴嘴102滑入一聚合物插入件121之凹陷容設部104中，以致噴嘴102之呈角度的肩部107接觸聚合物插入件121之呈角度之內表面109。一鐵氟龍墊圈108安裝於噴嘴102之後端部110以形成一密封墊片。插入件121與噴嘴102的組件接著插入環形螺帽112之配合凹部111中。此組件然後螺鎖至基部聯結器116，並以手壓合以形成一良好密合。噴嘴托架82與往外延伸之噴嘴102的組合，如顯示於第3B圖，係扣合裝配至氣流比較器20之氣體聯結器或氣體管。當以另一測試噴嘴替換噴嘴102時，噴嘴托架82之配件需以異丙醇擦拭乾淨。
在操作中，氣體供應器34及氣體控制單元24為用以提供恆定流速或恆定壓力之氣體至氣流比較器20之氣體 管26的入口28。在一態樣中，設定壓力調節器36以提供在例如約10~約150psig或甚至40psig之恆定壓力的氣體至具有16密耳(mils)直徑之噴嘴，且設定流量計38以提供約100~3000sccm之流速，及在一態樣中為300sccm。然而，當量測大量噴嘴102時，則設定之氣體流速或氣體壓力較大，例如具有數千個噴嘴之氣體分配器的扇形噴嘴102，則流速可設定至約80slm~約140slm，或甚至約100slm~約120slm。
壓差計70在每一測試階段開始時歸零。提供恆定流速或恆定壓力的氣體至主要分流器40，而分流器40將氣體導引通過具有第一及第二限流器50、52之獨立的第一及第二流體通道120、122。氣體在離開限流器50、52的出口54、56之後，則流經第一及第二噴嘴106、102，且第一及第二噴嘴106、102的至少其中之一者會經過測試。通過噴嘴106、102之任何氣體流速的差異，或是跨越噴嘴106、102之壓降會造成壓差計70呈現壓差，且該壓差係與氣體通過噴嘴106、102之流速的變化成比例。量測噴嘴性能之傳統方法為直接使用一質量流量計量測通過噴嘴的流量，且此流量量測準確度受通過噴嘴之總流量的量測精確度之限制。相反的，氣流比較器20允許經由噴嘴106、102之標稱流速的約±1.5%內的流量變化之量測。噴嘴流速係量測為通過在二噴嘴106、102及上游壓力間的壓差之噴嘴阻力的改變百分比。藉由量測在阻力的差異，氣流比較器20可產生一流量量測的精確度，其至少為一優於傳統流量測試裝置的大小等級。
氣流比較器20之操作可以參照第1D圖所示之惠斯敦電橋(Wheatstone Bridge)94電路來解釋。一惠斯敦電橋94係用於量測一未知電阻器的未知電阻值，其係藉由平衡橋電路的二接腳，其中一接腳包括一未知電阻器，並由電壓源93供電。在惠斯敦電橋94中，R x 表示未知的電阻器；及R 1 、R 2 與R 3 表示具有已知電阻值的電阻器，而R 2 的電阻為可調整的。若在第一接腳95之二己知電阻器比例(R 2 /R 1 )相等於在第二接腳96之二未知電阻器比例(R x /R 3 )，則在二中點97、98間的電壓為零且沒有電流流過中點97、98。變化R 2 直至達到此一狀況。電流方向說明R 2 為過高或過低。可完成偵測零電流至非常高的精確性。因此，若R 1 、R 2 及R 3 為已知至一高精準的值，則隨著在R x 的小改變而中斷平衡，R x 可量測至一相同精準值，且易於被偵測。當惠斯敦電橋94平衡時，其意指通過電流計99的電流(R g )等於零，在源電壓端101、103間的電路之等效電阻(R E )係將R 1 +R 2 與R 3 +R 4 做對比來決定之，如下：R E ={(R 1 +R 2 )．(R 3 +R x )}/{R 1 +R 2 +R 3 +R 4 }
亦可替換的，若R 1 、R 2 、及R 3 為己知，但R 2 為不可調整，則可利用Kirchhoff電路定律(亦稱為Kirchhoff法則)並使用流經電流計99之電壓或電流來計算R x 值。
在顯示於第1A及2圖之氣流比較器20中，限流器50、52及噴嘴106、102為表示或相當於第1D圖惠斯敦電橋94的固定電阻器、可調式電阻器，及未知電阻器。針對氣流比較器20，限流器50、52分別表示固定流阻R1 及 R2 ，其值相等，故R1 =R2 =Ru 。再者，噴嘴106、102分別表示流阻R3 及R4 ，其在值上亦應相等，故R3 =R4 =Rd =k Ru ，其中k>1。然而，若R4 相對於R3 而改變△R，則壓差為：△P=Q{△R/[2(1+k)+△R/Ru ]}
當此等式為線性，△P α△R，且因此由氣流比較器20量測之壓差與二噴嘴106、102的流阻為成比例的。
在一態樣中，亦可使用校正噴嘴之套件，以辨識氣流比較器20處於適當的操作狀態。此套件可具有不同型式噴嘴106、102，或是相同型式的多重噴嘴(意即具有相同孔徑大小)。例如，噴嘴套件可含有具有開口大小為約0.013~至約0.0210英吋之噴嘴，係以0.0005英吋增量。校正噴嘴套件亦可為日本Kyocera公司的陶瓷噴嘴，其具有一受控制之孔徑大小。套件可助於校正測試用的噴嘴以決定測試噴嘴之實際流速。
在另一態樣中，氣流比較器20適於連接至氣體分配器126之噴嘴102，其中氣體分配器126係用於分佈製程氣體至基材處理反應室。氣體分配器126，一態樣為顯示於第4圖，包含多個間隔設置之噴嘴102，例如噴嘴102可共計約100至約10,000個，或甚至約1000至約6000個。第5圖顯示一適用於測試氣體分配器126之獨立噴嘴102流速的組態。在此組態中，噴嘴托架80包含一用於取樣氣體分配器126之每一獨立噴嘴102流速的取樣探針130。在一型式的取樣操作中，取樣探針130為置於一特定噴嘴102之上方以量測一獨立噴嘴相對於參考噴嘴100的相對流速。噴嘴托架82為連接至參考噴嘴100，其可為一固定大小噴嘴，或是可調式噴嘴(其開口大小可利用可調式針閥132做調整)，如顯示於第5圖。在後者的例子中，針閥132係設定以配合在氣體分配器126上單一選定噴嘴102所量測的傳導率，且然後探針130於噴嘴之間移動以檢查流經每一噴嘴的流速。此方法允許確認通過氣體分配器126之噴嘴102的氣體流速均一性。在此組態中，氣體控制單元24包含一流量計38，其包括一設定以提供流速為1000 sccm之氮氣的質量流量控制器。在氣體流通道120、122之限流器50、52分別為具有孔徑為約0.35 mm(0.014 in)之噴嘴。壓差計70具有1托耳之壓差量測範圍。
在一態樣中，取樣探針130包含具有第一直徑的第一管129，第一管129係連接至具有第二直徑之第二管131，其中第二直徑小於第一直徑。例如，第一管129可具有約6.4 mm(0.25英吋)之第一直徑，且容設一具有第二較小直徑3.2 mm(0.125英吋)之第二管131。管129、131可為塑膠管。一O型環密封件134裝設於取樣探針130之第二管131的開口周圍以形成密封，且O型環密封件134可為例如具有直徑為約3.2 mm(0.125英吋)之內孔及外部尺寸為約6.4 mm(0.125英吋)或更大的的矽膠環。在一態樣中，矽膠環具有約20之硬度量測值(Durometer hardness measurement)。矽膠環例如為購自美國喬治亞州亞特蘭大McMaster－Carr公司之20硬度超軟矽膠。在另一態樣中，取樣探針130包含一VCO配件，其適於與平坦表面形成一氣密封，並具有一含溝槽的平坦端，且一O型環墊圈係容設於溝槽內。一適當的O型環可具有約3.2 mm(0.125英吋)直徑。供應至氣流比較器20之氣體可為氮。
在另一量測方法中，使用氣流比較器20以量測安裝在密閉器138中之單一氣體分配器126的噴嘴102之二或多個陣列128a、b的相對氣體流傳導性，如顯示於第6圖，該密閉器138可為基材處理設備140之真空反應室或製程反應室。在此組態中，一噴嘴托架80係適於使氣體通過單一噴嘴102，或通過氣體分配器126(例如顯示於第4圖)的噴嘴102之一選定陣列128a、b並同時密封住氣體分配器126之其他剩餘孔。密閉器138具有一壓力計142以量測反應室中之壓力，其為例如購自前述之MKS Instruments公司之BARATRON壓力計，其具有一膜片且可量測高達100托耳之壓力。密閉器138亦具有一真空幫浦144，如一機械位移真空幫浦，例如購自英國Edwards BOC公司之QDP－80。噴嘴托架80、82係藉由在二扇形周圍形成氣密以適於量測二陣列128a、b之相對傳導性，其中二陣列128a、b包含一氣體分配器126的一扇形噴嘴102。亦可使用一夾具(未顯示)以封合其他不會經過量測的氣體分配器126之噴嘴102，以允許僅量測通過開啟噴嘴102之氣體流速。夾具為一簡單的密封裝置以覆蓋噴嘴102。藉由量測通過在氣體分配器126的噴嘴102之獨立陣列128a、b的平均流速，可比較通過不同扇形或區域的流速。此可用於做為一定性測試以除去具有不均勻之噴嘴102的陣列128a、b之氣體分配器126，而此不均勻陣列128a、b係歸因於不良機器製成或其他製造之噴嘴。
可與氣流比較器20使用之另一量測方法包含量測二氣體分配器126a、b之噴嘴的氣體流傳導率，各個氣體分配器126a、b包含含有一輸入氣體歧管154a、b的一面板109a、b，該面板109a、b分別面向具有大量噴嘴106、102之阻擋板135a、b，且將氣體排放至一無塵室環境，如顯示於第7圖。通過各自安裝之板126a、b之噴嘴106、102(或如第6圖所示之單一板126的噴嘴102)的流體的總流量及均一性應相同，不然的話，在使用該些氣體分配器的基材處理期間會產生不均勻的操作。一適於比較通過二板126a、b之總流速的組態包含安裝氣流比較器20，以使每一噴嘴托架80、82與噴嘴102(第5圖)、或氣體分配器126a、b(第6圖)之噴嘴102的陣列128a、b連接。氣流比較器20藉由量測氣體分配器126a、b的二面板109a、b的背側孔105a、b與氣體源30之上游或輸入氣體壓力之間的壓差以量測流動阻力或流動傳導性的差異百分比。藉由量測流動阻力的差異，此氣流比較器20可用以獲得精確的流速以及流量資料的一致，其可用於改進雙反應室138a、b之氣體分配器126a、b的配合。
一適於比較通過二板126a、b之總流速的組態包含安裝氣流比較器20，以使每一噴嘴托架80、82與每一反應室138a、b之輸入氣體歧管154a、b連接，而歧管154a、b係供應各自的氣體分配器126a、b。在此組態中，氣流比較器20藉由量測二歧管154a、b及氣體源30之上游或輸入氣體壓力之間的壓差以量測流動阻力或流動傳導性的差異百分比。藉由量測流動阻力的差異，此氣流比較器20
氣體分配器126之不同噴嘴102之間，或是不同氣體分配器126a、b之間會發生的絕對流速變化，如使用傳統流量量測設備量測者為顯示於第8圖。通過二不同氣體分配器126a、b之特定噴嘴102所獲得之流體氣導率為提供於圖上。第一板126a具有大小為0.6 mm(0.024英吋)的噴嘴102及第二板126b具有大小為0.7 mm(0.028英吋)的噴嘴。雖然通過噴嘴之流速在各個板係相當不同，在第一板126a係由120至125 sccm間變化，而第二板126b為在156至167 sccm間變化，當關閉在二板126a、b中特定的噴嘴102之少於1%，板126a、b提供平衡的流速。比較包含板126a、b之扇形噴嘴之二對等陣列128亦導致在扇形間的流速比1%更接近的一致性。然而，通過不同噴嘴102之不同流速可在基材上產生顯著不同的沉積或蝕刻速率。因此，此說明氣體分配器板126之獨立噴嘴102的流量測量對量測係為重要且可實質地改變。在此實施例中，流量量測裝置為美國亞歷桑納州坦帕市DH Instruments公司之MOLBLOC。
一經由氣體分配器板126之獨立噴嘴102取樣的流速之相對差異變化圖，藉壓差計70量測而以伏特表示之，為顯示於第9圖。在此圖中，係顯示氣體分配器126之不同噴嘴，＋0.43 V相當於通過噴嘴之261 sccm流速，而－0.80 V相當於267 sccm。對特定噴嘴102量測之差異流速的範圍以製成一流量等高圖(flow contour map)，其與在基材160上處理之材料的厚度或其他表面特性的均質性圖表相關。藉由使用流量計以進行相對於絕對流量量測之壓差量測，可在流速量測上獲得較高的精確度。在一實施例中，當壓差計70的解析度為1 mV時，流經具有阻擋器(blocker)之氣體分配器126的140 slm N2 會造成每一阻擋孔8 mV的變化。即使因流量變化，此可提供在板126中由多於一千個噴嘴覆蓋的單一孔的偵測能力。因而在一傳統質量流量計提供精確度僅至約0.5%之絕對流量量測；本發明方法可輕易的獲得相較於參考噴嘴102之優於0.1%的流量精確度。
在一製程反應室中使用矽烷氣體而沉積於基材160上之氧化矽薄膜的厚度可量測及顯示於第10圖之等高圖。薄膜厚度全面差異在約52，平均值為291，且範圍為由約266至約318。亦發現沉積厚度隨著反應室中氣體分配器126之轉動而變化。然後使用氣流比較器20以量測用於處理基材之氣體分配器126的流量均一性等高圖，如顯示於第11圖。流量等高圖與基材厚度沉積圖有關，因二圖呈現匹配之瀑布式圖樣，其中由氣體分配器之較高流量提供對應之較高的沉積厚度。在此實施例中，其確定使用鑽孔方法以產生小噴嘴孔的變化導致噴嘴102在遍及氣體分配器126上具有不同直徑，該鑽孔方法為使用多個鑽頭並在鑽孔步驟中180°轉動板，或是使用一單一鑽頭，且此鑽頭在鑽了大量的孔後會逐漸磨耗。
在另一量測組態中，可使用自動流量均量製圖裝置以量測氣體分配器126之不同噴嘴102的流量均一性。例如，此裝置包括一氣流比較器及X－Y－Z作動台，以移動取樣探針130橫跨板126至不同噴嘴以測試每一噴嘴102。此測此裝置包括一氣流比較器及X-Y-Z作動台，以移動取樣探針130橫跨板126至不同噴嘴以測試每一噴嘴102。此測試裝置允許針對各個新的氣體分配器126之完全流量等高圖的量測。
一基材處理設備140亦可包含一氣體控制單元24以控制通過噴嘴102之多個氣體流速以導入製程氣體至多個基材處理反應室138a、b中。在一態樣中，氣體控制單元24包含一氣流比較器20，且用以自動調整製程氣體至反應室138a、b的流速。製程氣體可由一遠端電漿源激發，如由美國加州爾灣市Astron公司製造之RPS源。每一反應室138a、b包含一輸入氣體管線150a、b以供給製程氣體至氣體歧管154a、b，其接著將氣體供應至一氣體分配器126a、b。在操作中，製程氣體通過氣流比較器20之第一及第二限流器50、52及噴嘴托架80、82，且噴嘴托架80、82連接至供應反應室138a、b中的氣體分配器126a、b之輸入氣體管線150a、b，此造成氣流比較器20之壓差計70指示一與流經噴嘴102之氣體流速中的變化呈比例的壓差。
在操作中，一壓差訊號由壓差計70送至一控制器148，其相應於訊號而調整連接至基材製程反應室138a、b之輸入氣體管線150a、b之流量調節閥158a、b，以形成一密閉迴路控制系統。流量調節閥158a、b之一端各自分別連接至輔助分流器60、62之輸出埠64b、68b，而另一端則連接至反應室138a、b之輸入氣體管線150a、b，並供應反應室138a、b中之氣體分配器126a、b。流量調節的態樣中，壓差計70置於流量調節閥158a、b之前。因為壓差計70具有一高流量阻抗，故壓差計70在製程氣體通過流量調節閥158a、b及氣體管線150a、b的流速上具有最小的影響。因此，壓差計亦可置於沿著氣體供應通道的其他位置。
反應室138a、b亦可用於做為真空測試設備以測試經板126a、b的流量差之密閉器138。壓差計測量施用至輸入管的氣體壓差，而輸入管係供應製程氣體至每一反應室138a、b。
在一態樣中，流量調節閥158a、b係經機械化以允許相應於壓差計70之壓差訊號而進行流量調整自動化。例如，流量調節閥158a、b可電力驅動或人工驅動。在一實施例中，二流量調節閥158a、b係經調整直至達到所欲設定點為止，而此設定點係為對應於得自壓差計70之0托耳的量測壓差之訊號。相似地，例如當需要不對等之流速至各氣體分配器126a、b時，則所欲的設定點為－2托耳，閥158a、b可依此調節。此容許在不同製程配方(process recipe)中設定壓差，且在設備140操作期間自動執行此壓差。事實上，零壓差不能提供最好的結果，但可造成在二氣體管線150a、b間的平均分流。小、至0.1毫托耳之背壓差(differential backpressure)的差異可有利地用於解析低至總流速之0.1%的流量差，或甚至流速之0.01%的流量差，其與傳統流量控制計相反，傳統流量控制計只能提供總流速之約1%的流量差之解析能力，此代表10倍佳的流量解析能力。
設備140可為例如得自美國加州Applied Materials公司之具有雙反應室138a、b的ProducerTM 。此雙處理反應室138a、b彼此上下設置，且每一反應室提供處理一或多個基材160的能力。反應室138a、b之多個可能應用中之一者為，用於以矽烷氣體沉積氧化矽薄膜於基材160(包括矽晶圓)上，晶圓尺寸為300 mm。在一實施例中，反應室138a、b包括一致的元件以進行相同的半導體製程操作，或是相同的製程操作組。相同的組態可使反應室138a、b同時進行相同的化學氣相沉積操作，其中絕緣或傳導材料係沉積於放置在各反應室138a、b的晶圓上。在另一實施例中，相同的半導體製程反應室138a、b為用以蝕刻基材160，如矽晶圓，一般係經由在晶圓表面上的光阻或其他型式遮罩層之開口。當然，在反應室138a、b中可進行任何合宜之半導體操作，如電漿氣相沉積、磊晶層沉積，或甚至蝕刻製程如PAS蝕刻、回蝕(etch back)、或間隙壁蝕刻製程。如下文將描述，此操作的選擇在本文描述的系統背景中為可隨意的。
基材160a、b例如矽晶圓或其他型式的半導體晶圓，係運送至各反應室138a、b以放置於一基材支撐座162a、b上。每一基材支撐座162a、b可包括一温度控制單元164a、b，其含有一加熱器以加熱基材160a、b。若僅要使通過反應室138a、b之氣體流均等，則不需要使薄膜沉積速率均等或是在反應室138a、b中產生相同製程結果。例如，仍會因為其他因素而使薄膜厚度具有變化，例如温度差異及在氣體分配器126a、b與基材160a、b間的間隔。如，仍會因為其他因素而使薄膜厚度具有變化，例如温度差異及在氣體分配器126a、b與基材160a、b間的間隔。晶圓温度係藉由使用温度控制單元164a、b來改變基材支撐座162a、b的温度而調整之。並利用連接至基材支撐座162a、b之間隔控制單元163a、b來調整上述間隔。
每一反應室138a、b具有一排放埠165a、b，其連接至各自的排放管線166a、b，而排放管線166a、b係接合以形成一共同排放管線168，其導引至一真空幫浦170。在操作中，反應室138a、b可使用一幫浦以抽吸至低壓力，如真空幫浦，且例如一粗抽幫浦、渦輪分子幫浦及其他幫浦的組合，以在反應室138a、b中提供所欲的壓力。在排放管線166a、b中設置有下游節流閥以控制反應室138a、b中的氣體壓力。
當用於電漿輔助製程時，反應室138a、b亦可具有氣體激發器180a、b。氣體激發器180a、b可為在反應室138a、b內的電極、反應室外側的感應線圈、或遠端電漿源(如一微波或RF源)。氣體激發器180a、b可用以設定施用以產生及維持在反應室138a、b內的電漿或激發氣體物種的能量。
前文已提供本發明之不同實施例的描述以用於瞭解本發明。說明部分並非用以徹底詳盡說明或限制本發明至描述的較佳態樣。例如，本發明之實施例可用於配合至少三反應室。再者，在多個反應室系統之至少一反應室可建構為同時處理至少一晶圓。據此，在前述示中的多種潤飾及變化為可行的。
20．．．氣流比較器
24．．．氣體控制單元
26．．．(氣體)管
28．．．入口
30．．．氣體源
31．．．氣體聯結器
32．．．出口
33．．．氣體閥
34．．．氣體供應器
35．．．氣體過濾器
36．．．壓力調節器
37．．．壓力顯示器
38．．．流量計
40．．．分流器
41．．．氣體聯結器
42．．．中空管
43 a－c．．．腳部
44．．．入口埠
46a－c．．．聯結端
48a．．．第一輸出埠
48b．．．第二輸出埠
50．．．(第一)限流器
51a、b．．．端部
52．．．(第二)限流器
53．．．中空管
54、56．．．出口
55．．．入口
58．．．檔板
53‧‧‧中空管
54、56‧‧‧出口
55‧‧‧入口
58‧‧‧檔板
59‧‧‧孔洞
60、62‧‧‧第二分流器
63‧‧‧入口埠
64a、b‧‧‧(第一)輸出埠
66‧‧‧入口埠
68a、b‧‧‧(第二)輸出埠
70‧‧‧壓差計
80‧‧‧托架
82‧‧‧托架
93‧‧‧電壓源
94‧‧‧惠斯敦電橋
95‧‧‧接腳
96‧‧‧接腳
97、98‧‧‧中點
99‧‧‧電流計
100、102、106‧‧‧噴嘴
101、103‧‧‧源電壓端
104‧‧‧容設部
105a、b‧‧‧背側孔
121‧‧‧插入件
107‧‧‧肩部
108‧‧‧墊圈
109‧‧‧內表面
109a、b‧‧‧面板
110‧‧‧後端部
112‧‧‧環形螺帽
111‧‧‧凹部
116‧‧‧聯結器
120、122‧‧‧通道
126‧‧‧氣體分配器/板
126a、b‧‧‧氣體分配器/板
128a、b‧‧‧陣列
129‧‧‧(第一)管
130‧‧‧探針
131‧‧‧(第二)管
132‧‧‧針閥
134‧‧‧密封件
135a、b‧‧‧阻擋板
138‧‧‧密閉器
138a、b‧‧‧反應室
140‧‧‧(基材處理)設備
141‧‧‧氣體流控制器
142‧‧‧壓力計
144‧‧‧真空幫浦
148‧‧‧控制器
150a、b‧‧‧氣體管線
154a、b‧‧‧歧管
158a、b‧‧‧流量調節閥
160a、b‧‧‧基材
162a、b‧‧‧基材支撐座
163a、b‧‧‧間隔控制單元
164a、b‧‧‧温度控制單元
165a、b‧‧‧排放埠
166a、b‧‧‧排放管線
168‧‧‧共同排放管線
170‧‧‧真空幫浦
180a、b‧‧‧氣體激發器
為讓本發明之上述特徵更明顯易懂，可配合參考實施例說明，其部分乃繪示如附圖式。須注意的是，雖然所附圖式揭露本發明特定實施例，但其並非用以限定本發明之精神與範圍，任何熟習此技藝者，當可作各種之更動與潤飾而得等效實施例。
第1A圖為氣流比較器之實施例的示意剖面圖；第1B圖為包含T型氣體聯結器之分流器的實施例之示意剖面圖；第1C圖為限流器之實施例的示意剖面圖；第1D圖為惠斯敦電橋電路的圖式；第2圖為氣流比較器實施例之透視圖；第3A圖為氣流比較器之噴嘴托架的實施例之分解視圖；第3B圖為第3A圖的組合噴嘴托架之透視圖；第4圖為氣體分配器之實施例的概要底視圖；第5圖為顯示用以測試氣體分配器之獨立噴嘴的相對流速之具有一取樣探針及一可調式針閥噴嘴之氣體流比較器組態之示意圖；第6圖為顯示用以測試裝設在一密閉器(真空反應室)中的氣體分配器之噴嘴陣列的比較流速之氣流比較器組態之示意圖；第7圖為顯示用以測試包含一面板及一阻擋板的氣體分配器之噴嘴流速的氣流比較器組態之示意圖；第8圖為使用絕對量測流量計而獲得通過二氣體分配器之特定噴嘴的流動傳導性之二柱狀圖；第9圖為顯示藉壓力計於電壓量測之相對差異的數值圖，其係對應於通過氣體分配器之不同噴嘴所量測的流速；第10圖為一沉積在基材上的氧化矽薄膜的膜厚度變化之等高圖；第11圖為流經用於第10圖之沉積製程的氣體分配器之不同噴嘴之氣體流的等高圖；以及第12圖為一具有二反應室及一用於控制通過各反應室之氣體分配器的製程氣體流速之氣流比較器組態的基材處理設備之示意圖。
20．．．氣流比較器
24．．．氣體控制單元
26．．．(氣體)管
28．．．入口
30．．．氣體源
32．．．出口
34．．．氣體供應器
36．．．壓力調節器
40．．．分流器
44．．．入口埠
48a．．．第一輸出埠
48b．．．第二輸出埠
50．．．(第一)限流器
52．．．(第二)限流器
54、56．．．出口
60、62．．．分流器
63．．．入口埠
64a、b．．．(第一)輸出埠
66．．．入口埠
68a、b．．．(第二)輸出埠
70．．．壓差計
80．．．噴嘴托架
82．．．噴嘴托架
100、102．．．噴嘴
120、122．．．通道

Claims (28)

  1. 一種氣體流比較器，包含：(a)一氣體控制單元，係安裝於一氣體管上，該氣體控制單元包含一氣體控制回饋環路以控制通過該氣體管之一氣體的一流速或壓力；(b)一主要分流器，其包含一入口埠及一對輸出埠，該入口埠係用以由該氣體管接受該氣體；(c)一對限流器，各個該些限流器係連接至該主要分流器的一輸出埠，且各個該些限流器具有一限流器出口；(d)一對輔助分流器，各個該些輔助分流器係連接至一限流器之一限流器出口，且各個該些輔助分流器包含一對的第一及第二輸出埠；(e)一壓差計，係連接至該些輔助分流器之該第一輸出埠二者；以及(f)一對噴嘴托架，各個該些噴嘴托架係連接至一輔助分流器之一第二輸出埠，該些噴嘴托架可連接至第一及第二噴嘴，藉此，通過該些限流器及該些第一與第二噴嘴的氣體會造成該壓差計呈現一與該氣體通過該些第一與第二噴嘴的流速之差異成比例之壓差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流比較器，其中該壓差計係適於：(i)量測至少約1托耳(Torr)之一壓力範圍；或 (ii)具有為至少約0.001托耳的一精確度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流比較器，其中該主要分流器及該些輔助分流器各自包含一T型氣體聯結器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流比較器，其各個該些限流器包含一檔板。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流比較器，其中該些噴嘴托架係適於可連接至在一製程室中的一氣體分配器之一輸入管，該氣體分配器包含複數個間隔設置之噴嘴。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之氣體流比較器，其包含一適於密封於該氣體分配器之至少一扇形的該些噴嘴周圍之夾具(jig)，藉以允許量測通過該扇形之一氣體流速。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流比較器，其包含一取樣探針以取樣具有複數個孔之一氣體分配器的一獨立孔之流速。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之氣體流比較器，其中該取樣探針包含一連接至一第二管的第一管，該第一管具有一第一直徑，且該第二管具有一小於該第一直徑之第二直徑，且一O型環密封件係安裝於該第二管的開口周圍。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之氣體流比較器，其中該O型環密封件包含一矽膠環。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流比較器，其更包含一校正噴嘴套件。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流比較器，其中該第一噴嘴包含一測試噴嘴，且該第二噴嘴包含一可調式針閥。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流比較器，其中該對限流器的每一者更包含具有固定尺寸的一孔洞。
  13. 一種氣體流控制器，其包含如申請專利範圍第1項所述之該氣體流比較器，且其中該些第一及第二噴嘴各自包含流量調節閥，該些流量調節閥之一端係連接至一輔助分流器之一第二輸出埠，且另一端則連接至一基材處理反應室之一氣體入口管，該氣體入口管係供給在該反應室中之一氣體分配器；且其中該氣體流控制器係相應於由該壓差計所接收之一訊號來調節流量調節閥，以控制流經該些流量調節閥之氣體流量。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之氣體流控制器，其中該些流量調節閥包含質量流量控制器。
  15. 一種基材處理設備，其包含如申請專利範圍第13項所述之該氣體流控制器，且其中該設備包含一第一處理反應室及一第二處理反應室，而各個該些反應室包含一供應一氣體分配器之氣體入口管、一面向該氣體分配器之基材支撐座，以及一排出埠，氣體係通過該排出埠而排出。
  16. 一種用於具有雙反應室的一基材處理設備的氣體分配器，該氣體分配器包含：(a)一面板，具有能夠與一壓差計連接的一輸入氣體歧管及一背側孔；以及(b)一阻擋板，該阻擋板面對該面板，該阻擋板包含複數個噴嘴。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之氣體分配器，其中該面板及該阻擋板定義出一氣體密閉器。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之氣體分配器，更包含連接於該面板的該背側孔的一壓差計。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之氣體分配器，其中該壓差計係量測經由該背側孔而連通的一壓差，該壓差係與流經該阻擋板的該些噴嘴與至少另一噴嘴的氣體的一流速差異，或跨越該阻擋板的該些噴嘴與至少另一噴嘴的一壓降成比例。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之氣體分配器，更包含一氣流控制器，該氣流控制器包含連接至該輸入氣體歧管的一氣流比較器。
  21. 一種基材處理設備，其包含如申請專利範圍第20項之氣體分配器，且其中該設備包含第一與第二製程反應室，每個反應室包含一氣體分配器，一面向該氣體分配器之基材支撐座，以及一排出埠，氣體係通過該排出埠而排出。
  22. 一種用於一基材處理設備的氣體流控制系統，該基材處理設備具有第一與第二處理室，該系統包含：(a)一第一氣體分配器，包含一第一輸入氣體歧管，第一背側孔，及用來將氣體引入該第一處理室的一第一噴嘴陣列；(b)一第二氣體分配器，包含一第二輸入氣體歧管，第二背側孔，及用來將氣體引入該第二處理室的一第二噴嘴陣列；以及(c)一壓差計，係連接至該第一與該第二背側孔，用以量測該第一氣體分配器的該第一噴嘴陣列與該第二氣體分配器的該第二噴嘴陣列之間的一氣壓差。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之系統，其中每個氣體分配器包含一面板，該面板具有該輸入氣體歧管及該背側孔，以及一阻擋板，該阻擋板包含該噴嘴陣列。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之系統，更包含一氣流控制器，該氣流控制器包含一氣流比較器，該氣流控制器適以自動地將送至該第一與第二處理室之每一者的該處理氣體的該流速調整成與該量測到的氣壓差有關。
  25. 一種基材處理設備，其包含如申請專利範圍第24項之氣體流控制系統，且其中該設備包含第一與第二製程反應室，每個反應室包含一氣體分配器，一面向該氣體分配器之基材支撐座，以及一排出埠，氣體係通過該排出埠而排出。
  26. 一種控制一製程氣體流向一第一處理室的一第一氣體分配器與一第二處理室的一第二氣體分配器的方法，該方法包含下列步驟：(a)將一製程氣體流入該第一氣體分配器；(b)將一製程氣體流入該第二氣體分配器；(c)量測該第一與該第二氣體分配器中的該製程氣體的一壓差；以及(d)將流入該第一與該第二氣體分配器中的該些製程氣體的該些流速調整成與該量測到的壓差有關。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之方法，包含將一製程氣體流入包含一第一噴嘴陣列的一第一氣體分配器中的步驟，以及將一製程氣體流入包含一第二噴嘴陣列的一第二氣體分配器中的步驟。
  28. 如申請專利範圍第26項所述之方法，包含經由在該第一與第二氣體分配器的背側孔來量測一壓差的步驟。
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