專利名稱：氣體輸送定量分配管的制作方法
本專利申請涉及1999年5月21日遞交的、其系列號為NO.60/135358的美國臨時專利申請，并要求該申請的優(yōu)先權(quán)，該專利作為本申請的參考。
本發(fā)明涉及一種用于輸送氣體的氣體輸送定量分配(metering)管。本發(fā)明特別是涉及一種軸向?qū)R的套疊式或者同軸氣體輸送定量分配管，該定量分配管可以基本上實現(xiàn)氣體的均勻分布。
氣體輸送在許多工業(yè)中起重要的作用。例如，在半導(dǎo)體處理或者制造領(lǐng)域，氣體輸送起著至關(guān)重要的作用。一種類型的半導(dǎo)體處理方法是化學(xué)蒸汽沉淀法。當(dāng)利用熱反應(yīng)或者某些氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)的分解形成一個穩(wěn)定的組合物、然后這樣的組合物沉淀在基片的表面上?；瘜W(xué)蒸汽系統(tǒng)有多種形式。一種用于這種方法的設(shè)備包括一個機(jī)械化運(yùn)輸大氣壓力CVD(APCVD)系統(tǒng)，該系統(tǒng)描述在美國專利US4834020中，并屬于其受讓人，該專利作為本申請的參考?？梢允褂玫钠渌愋偷腃VD裝置包括等離子增強(qiáng)CVD(PECVD)系統(tǒng)和低壓CVD(LPCVD)系統(tǒng)。
半導(dǎo)體處理系統(tǒng)中的重要部件包括一個發(fā)生沉淀的沉淀室和用于將氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)輸送到所述的沉淀室內(nèi)的基片的表面上的噴射器。氣體必須分配到基片上，從而氣體可以在基片的表面上發(fā)生反應(yīng)并沉淀成一個合格的薄膜。沉淀室必須精心設(shè)計以提供一個發(fā)生沉淀的可控環(huán)境。例如，沉淀室必須具有氣體封閉裝置，但是又必須減少氣體的再循環(huán)，因為這種再循環(huán)可能導(dǎo)致氣體預(yù)反應(yīng)(pre reaction)并沉淀形成一個非均勻薄膜。該沉淀室必須具有排泄裝置，以消除過量的反應(yīng)物和反應(yīng)物副產(chǎn)品，同時又不會干擾氣體流動到基片而發(fā)生反應(yīng)。而且沉淀室的溫度和其部件必須精心控制以避免反應(yīng)物氣體凝聚、減少副產(chǎn)品灰塵的聚集和清洗系統(tǒng)。另外，沉淀室在操作過程中應(yīng)該最好具有一個機(jī)械完整性(例如象允許一定的誤差)。所有這些因素必須認(rèn)真進(jìn)行平衡考慮以提供一個正確的沉淀環(huán)境。
在這樣的一個沉淀室中噴射器的一個功能就是以可控方式將氣體分配到所需位置。氣體的可控分配大大提高了有效的、均勻的氣相反應(yīng)物形成良好的化學(xué)物類的機(jī)會，而這將在基片上形成一個高質(zhì)量的薄膜。需要可控的氣體分配來保證整個薄膜具有均勻的組成以及氣體均勻反應(yīng)，這部分地可以通過減少氣體的預(yù)混合和早期反應(yīng)來實現(xiàn)。一個完整的反應(yīng)提供了更大的機(jī)會來制造具有良好質(zhì)量的薄膜。如果氣體流動不可控，則化學(xué)反應(yīng)不會最優(yōu)化，所形成的薄膜也將不會具有均勻的組分。當(dāng)薄膜不具有均勻的組分時，就傷害了半導(dǎo)體的正確功能。因此，噴射器的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)氣體以可控方式流動是非常重要的。
氣體可能分配到沉淀室的其他部分和/或除了用噴射器外用其他部件進(jìn)行分配。例如，惰性氣體可以輸送到沉淀室內(nèi)從而以可控方式分離、或者引導(dǎo)氣體。惰性氣體或者其他氣體被輸送到沉淀室內(nèi)是作為稀釋劑或者運(yùn)載氣體。以這種方式使用氣體的一個例子就是未處理的系列號為09/185180的美國專利申請，該專利的全部內(nèi)容作為本申請的參考。
在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，由于要求裝置幾何收縮量小于0.2微米，因此增加了對薄膜沉淀厚度不均勻度小于2％的需求?，F(xiàn)有技術(shù)中的線性氣體分配系統(tǒng)還沒有成功滿足這些較高的要求。最簡單的現(xiàn)有技術(shù)是使用一個單個的管子，在該管子的表面上分布由小孔或者小口，如

圖1所示，該管子的長度為L，直徑為D，而小口的直徑為d。氣體在管子的一端以壓力P引入，并具有初速度V0。在這種結(jié)構(gòu)中，均勻度取決于壓力。在每一個小口處，壓力和速度均降低相應(yīng)的量。假定小口的尺寸和管子的直接D相比非常小，而提供的壓力非常大，那么每個小口處壓力和速度的降低和P0、V0比就非常小。除非氣流較小的情況下，沿著管子的速度的降低通常伴隨有壓力的增加。在遠(yuǎn)離氣體供應(yīng)裝置的某個距離處，管子內(nèi)的壓力P0將會下降(用P0-Δp)表示。利用具有同樣直徑和等距間隔的小口的單個定量分配管不可能實現(xiàn)均勻氣體流動。現(xiàn)有技術(shù)中單個管子的一個具體缺陷就是當(dāng)定量分配管需要處理較大尺寸或者直徑的基片時，很難在其增加了的長度上具有良好的均勻度。對于某些壓力，給定D、d和L關(guān)系后，通過重新分布這些具有同樣直徑的小口或者這些等距間隔的小孔，定量分配管將產(chǎn)生均勻的速度向量(vi)和均勻的氣體流速。然而如果不只是在一個特定的操作條件下進(jìn)行操作，這種小口的分布就只能在較窄的操作條件下產(chǎn)生優(yōu)化的流動。而且，這種現(xiàn)有技術(shù)通常根據(jù)具體的氣體流速和壓力將產(chǎn)生較高的5～10％薄膜厚度不均勻度。此外，在較低的氣體流速和壓力下，從最靠近氣體供應(yīng)裝置流出的氣體的流速較高，如圖2所示。換句話說，如果P0為一個相對較低的值，則定量分配管中的整個壓力將按照與氣體供應(yīng)裝置的距離的函數(shù)而快速下降。在這種情況下，整個的流動均勻度非常糟糕。此外，當(dāng)氣體供應(yīng)的流速和壓力增加從這種管子中流出的氣體的流速的方向性增加(或者稱為“噴射”)。從這種管子流出的氣體的流速是不均勻的，在其整個長度上將表現(xiàn)出一個線性增量，如圖3a所示。作為另外一種形式，氣體可以在定量分配管的兩端引入，如圖3b所示。在這兩種情況下，氣體都不能均勻分配，因此在晶片上產(chǎn)生不均勻的沉淀。
另外一個現(xiàn)有技術(shù)是使用單個的多孔材料管子。氣體還是在管子的一端引入。通過這種方法就克服了帶孔定量分配管的“噴射”問題。多孔材料的孔隙度通常決定了定量分配管內(nèi)的托持壓力(backingpressure)，因此也決定了沿著定量分配管的整個長度的整個均勻度。例如，一個篩網(wǎng)可以看作為一個多孔材料。對于最好的均勻度，篩子必須對于氣體流動提供良好的阻力，以沿著定量分配管的整個長度上保持一個良好的托持壓力。通常，流動的阻力取決于定量分配管表面區(qū)域的開口面積。篩網(wǎng)的開口通常與多孔材料的厚度具有相同數(shù)量級或者更高(＞0.005英寸)。一個第二個例子是一個多孔陶材料(例如象經(jīng)常用于過濾裝置上的材料)，該多孔材料的顆粒間距為微米數(shù)量級。這樣的材料通常給氣體流動提供良好的阻力，從而建立起均勻的托持壓力，并且輸送氣體沿著輸送管線的整個長度具有良好的均勻度。
盡管多孔陶材料定量分配管輸送氣體具有良好的均勻度，但是該材料本身非常脆弱，并且很難密封到氣體供應(yīng)管線上以承受更高的溫度。
第三種現(xiàn)有技術(shù)是使得定量分配管的直徑按照距離氣體供應(yīng)裝置的距離的函數(shù)而逐漸變細(xì)。這種方法的主要缺點是一種設(shè)置為只是在某一個流速下均勻流動的設(shè)計不可能在另外一個流速下正確工作。
使用單個帶孔定量分配管或者多孔材料定量分配管的最大缺點是這些定量分配管對壓力過分敏感，因此導(dǎo)致不均勻流動作為在輸送管線上的整個長度上位置的函數(shù)而進(jìn)行變化。而且，如圖4所示，非均勻流動是氣體流速的強(qiáng)函數(shù)(strong function)，而不同的應(yīng)用和處理條件又需要不同的氣體流速，因此設(shè)計和研制能夠提供均勻薄膜沉淀的方法變得越來越復(fù)雜。圖4所示的曲線表示了氣體的流動條件的范圍和典型的CVD的幾何形狀，雷諾數(shù)100＜Re＜2000。而且，當(dāng)晶片直徑增加時，隨著氣體輸送管子的長度的增加，薄膜的不均勻度也進(jìn)一步增加。
壓力的變化通常由使用者有意操作形成，但是通常是由于氣體輸送系統(tǒng)到CVD系統(tǒng)的設(shè)備上的波動所導(dǎo)致的。因此，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，壓力的變化將影響噴射器和/或沉淀室內(nèi)的氣體輸送的均勻度，這由影響基片上的薄膜的形成和薄膜的成分。換句話說，使用現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)，氣體輸送設(shè)備只是在某一個操作條件下是有用的。因此，需要提供一個氣體輸送系統(tǒng)，該氣體輸送系統(tǒng)能夠促使氣體基本上均勻流動和/分配，特別是在沿著其整個長度不受波動的影響，并且能夠在較寬的流速范圍內(nèi)進(jìn)行操作。
本發(fā)明的一個目的就是提供一個改進(jìn)的用于輸送氣體的氣體定量分配管，特別是能夠沿著氣體輸送定量分配管的整個長度上實現(xiàn)均勻的氣體輸送，氣體從該定量分配管的一端提供，本發(fā)明的這些和其他目的通過一個氣體輸送定量分配管來實現(xiàn)。該定量分配管由套疊并軸向?qū)R的或者同軸的定量分配管組合到一起，其中，一個最內(nèi)側(cè)管子盛裝氣體并沿著最內(nèi)側(cè)管子的整個長度建立基本上均勻的托持壓力；一個最外側(cè)管子使得從氣體輸送定量分配管流動出來的氣體均勻分配。根據(jù)本發(fā)明的另外一個方面，一個氣體輸送定量分配管與至少一個噴射器裝置組合在一起，該噴射器裝置至少具有一個用于盛裝氣體輸送定量分配管的開口。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，一個氣體輸送定量分配管與一個屏蔽裝置組合在一起，該屏蔽裝置具有至少一個用于盛裝氣體輸送定量分配管的小室。該氣體輸送定量分配管特別適合應(yīng)用于半導(dǎo)體處理。
通過本發(fā)明的詳細(xì)描述和下面的權(quán)利要求書以及附圖，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將會更加清楚，這些附圖包括圖1是現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用的一個單個的定量分配管中的氣體流動的剖面圖；圖2是當(dāng)壓力較低時現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用的一個單個的定量分配管中的氣體流動的剖面圖；圖3a和3b是現(xiàn)有技術(shù)中氣體流動不均勻的示意圖；圖4是一個曲線，用于說明沿著各種類型的定量分配管(現(xiàn)有技術(shù))的整個長度上氣體流動的分布；圖5是本發(fā)明的氣體輸送定量分配管的剖面圖；圖6a和6b是根據(jù)本發(fā)明的兩個實施例的氣體輸送定量分配管的端部的剖面圖；圖7是一個CVD沉淀室的一個例子的剖面圖，用于表示一個保護(hù)性屏蔽裝置和一個噴射器，該噴射器使用本發(fā)明的一個氣體輸送定量分配管；圖8是一個噴射器例子的剖面圖，該噴射器使用本發(fā)明的氣體輸送定量分配管。
在上述的具體的優(yōu)點中，本發(fā)明提供了一個氣體分配定量分配管，該定量分配管沿著其整個長度特別是定量分配管的整個長度定量分配其氣體，使得所分配的氣體對較寬操作條件或者氣體流速范圍內(nèi)的壓力變化不敏感，并針對解決現(xiàn)有技術(shù)的問題。本發(fā)明包括一個氣體輸送定量分配管，該定量分配管具有管裝置，該管裝置包括兩個或者多個套疊并軸向?qū)R或者同軸的管子，最內(nèi)側(cè)管子最好聯(lián)接到一個氣體供應(yīng)裝置上，內(nèi)側(cè)管子和外側(cè)管子均具有一排或者多排小口，這些小口沿著最內(nèi)側(cè)管子或者最外側(cè)管子上分布。為討論的目的，一個氣體輸送定量分配管10包括兩個軸向?qū)R并套疊的圓形橫截面管子；然而也可以使用其他數(shù)量的管子，例如象三個管子或者更多的同軸管子。用于處理半導(dǎo)體基片的氣體輸送定量分配管的長度通常比基片的寬度或者直徑大幾個厘米。
本發(fā)明的一個實施例參照附圖5、6a所示。圖5是一個氣體輸送定量分配管10的一個示意圖，該定量分配管10包括一個雙管裝置，該雙管裝置具有由一個環(huán)形空間15分隔開的同軸的內(nèi)側(cè)管子12和外側(cè)管子14。每一個管子具有兩個端部。內(nèi)側(cè)管子12的一個端部13連接到氣體供應(yīng)裝置上，而另外一端帶有一個蓋子。沿著內(nèi)側(cè)管子12的基本上整個長度上分布由一排或者多排小口16，這些小口16被設(shè)置在一定位置并具有一定尺寸并沿著內(nèi)側(cè)管子12的整個長度上建立均勻的托持壓力，并從內(nèi)側(cè)管子12提供足夠的氣體流動到環(huán)形空間15內(nèi)。在外側(cè)管子14的整個長度上具有一排小口18。一排或者多排小口18設(shè)置在一定的位置并具有一定的尺寸用于在環(huán)形空間內(nèi)保持一定的托持壓力，并外側(cè)管子14提供均勻的氣體流動到外側(cè)管子14附近。外側(cè)管子14的兩端最好具有蓋子；然而，在部分的另外一個實施例，外側(cè)管子還可以盛裝一個氣體供應(yīng)裝置。內(nèi)側(cè)管子12的小口16最好與外側(cè)管子14的小口18錯開180度，如圖5和6a所示。然而，任何這些排的小口的任何旋轉(zhuǎn)對齊和線性對齊都可以。本發(fā)明的最佳實施例中內(nèi)側(cè)管子的小口與外側(cè)管子的小口錯開180度。
盡管氣體輸送定量分配管10具有兩個軸向?qū)R套疊的管子，也可以使用另外的管子。例如，氣體輸送定量分配管10可以包括三個或者多個同軸的管子。盡管使用兩個或者多個套疊的同軸管子，本發(fā)明的設(shè)備的創(chuàng)造性之處在于首先沿著內(nèi)側(cè)管子的整個長度建立均勻的托持壓力然后將具有均勻度和一致性的壓力沿著氣體輸送定量分配管10的整個長度輸送到兩個管子之間的環(huán)形空間來減少在整個流速范圍內(nèi)的對壓力的敏感長度。所形成的從外側(cè)管子流出的氣體非常均勻。本發(fā)明的有效第將在氣體輸送定量分配管的整個長度上建立壓力和流動分成了兩個步驟。
如上所述，具有單個管子的現(xiàn)有技術(shù)只是具有一排小口并在一端提供氣體，這就要求在該管子的整個長度上氣體托持壓力均勻分布，以實現(xiàn)小口的均勻氣體流動。在較低流速條件下，托持壓力可能降低到很低，距離氣體供應(yīng)裝置最遠(yuǎn)的小口的氣體流動的壓力將下降，從而在管子的整個長度上形成不均勻的分配。與此相反，根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的內(nèi)側(cè)管子12具有一定的直徑尺寸，其小口16用于沿著其整個長度建立均勻的托持壓力。換句話說，管子的直徑和小口的直徑的關(guān)系是最重要的。小口16分布在內(nèi)側(cè)管子12的長度并且最好分布在內(nèi)側(cè)管子12的整個長度上，小口16的尺寸和數(shù)量設(shè)置用于保證從內(nèi)側(cè)管子流出的氣體流動具有足夠的流動阻力，以在內(nèi)側(cè)管子的整個長度上建立托持壓力。從內(nèi)側(cè)管子流出的氣體流動沿著其整個長度進(jìn)行均勻分配，并將氣體提供給內(nèi)側(cè)管子和外側(cè)管子之間的環(huán)形空間。
在Mokhtari以及其他人的文章中(“多出口流動分配管的流動均勻度和壓力變化”，參見Advancein Analytical，Experimental andComputational Techologies in Fluids，Strcture，Transients andNatural hazards，ASME，PVP-第355卷113頁，1997年)中討論了內(nèi)側(cè)管子12的內(nèi)徑(Din)、管子長度L和小口的尺寸(din)用于沿著單個的管子建立均勻流動時的一般性關(guān)系。另外在Acrivos以及其他人的文章(“集管中的流動分布”，參見Chemical Engineering Science化學(xué)工程科學(xué)第10卷112～124頁，Pergamon Press 1959)中要求L/Din＜70，而Mokhtari舉例建議L/Din＞50。此外，Mokhtari以及其他人的研究表明，Din/din≈10或者＞10能夠在管子的整個長度上提供一個具有良好均勻度的流動。Acrivos建議整個的小口的面積(Nπdin2/4)與集管的面積(πDin2/4)之比不能超過單數(shù)(unity)。
現(xiàn)有技術(shù)中還提供了一些法則用于在單個的管子內(nèi)建議一個相對較為穩(wěn)定的托持壓力。具體地，該關(guān)系可以表示如下L/D＜70，D/d≈＞10以及Naport/Atube≈1，其中N是管子上的小口的數(shù)量，而aport是每一個小口的橫截面積。這個現(xiàn)有技術(shù)只是限于單個的管子，然而，如上所述，這樣的單個管子限于其具體的應(yīng)用，無法提供具有滿意均勻度的薄膜。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，保持現(xiàn)有技術(shù)對于內(nèi)側(cè)管子12的要求可以在內(nèi)側(cè)管子12內(nèi)建立一個相對穩(wěn)定的托持壓力(P0-Δp)。另外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，保持氣體流動從內(nèi)側(cè)管子12的開口16到兩個管子之間的環(huán)形空間15的均勻流動可以在管子的整個長度上實現(xiàn)基本上均勻的氣體流動。根據(jù)本發(fā)明，在內(nèi)側(cè)管子12和外側(cè)管子14之間的環(huán)形空間內(nèi)的壓力的均勻度由環(huán)形空間的尺寸來建立，而氣體分配的均勻度則由內(nèi)側(cè)管子12上的小口16確定，但是通過增加一個外側(cè)管子14和其小口18可以改善其均勻度。因此，根據(jù)本發(fā)明，兩個同軸管子的組合沿著這些管子的整個長度在最內(nèi)側(cè)管子12與最外側(cè)管子14之間的環(huán)形空間15內(nèi)建立恒定均勻的壓力，導(dǎo)致最外側(cè)管子的氣體流動非常均勻。
本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)管子12與外側(cè)管子14之間的環(huán)形空間15的橫截面積應(yīng)該大約相等，或者位于與三個參數(shù)有關(guān)的一個系數(shù)之間的。換句話說，有效的環(huán)形空間的有效直徑Deff和最內(nèi)側(cè)管子的內(nèi)徑Din應(yīng)該位于與三個參數(shù)有關(guān)的一個系數(shù)之間，并且最好Deff≈Din。此外，一個管子的內(nèi)表面積與該管子上的所有小口的整個表面積應(yīng)該相等或者二者之比大于10，最好大于100。換句話說，表面積outer/NAouter≈10或者＞10。和現(xiàn)有技術(shù)中5～10％的不均勻度相比，本發(fā)明顯著第改善了氣體流動的不均勻度，使得不均勻度等于或者小于3％。外側(cè)管子14對于氣體流動不均勻度對于管子長度的敏感程度大大小于內(nèi)側(cè)管子12的敏感程度。
總之，本發(fā)明的創(chuàng)造性之處在于通過內(nèi)側(cè)管子的設(shè)計而沿著氣體輸送定量分配管的整個長度上建立恒定的托持壓力，然后在內(nèi)側(cè)管子和外側(cè)管子的整個幾何關(guān)系的長度內(nèi)維持恒定的壓力和均勻的分布，最后使得流過外側(cè)管子的小口的氣體的流動定量分配。
本發(fā)明可以有多種應(yīng)用。下面將描述兩個這樣的申請。在一個實施例中，本發(fā)明的氣體輸送定量分配管10用于一個大氣壓/低于大氣壓的化學(xué)蒸汽沉淀系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一個線性的噴射器裝置，如圖7或者8所示。該氣體輸送定量分配管10可以用于噴射器本身(如圖8所示)和/或用于屏蔽裝置內(nèi)(附圖7所示)，屏蔽裝置用于包圍噴射器的側(cè)面。
一個CVD系統(tǒng)20的一部分如圖7所示。該CVD系統(tǒng)包括一個沉淀室，該沉淀室包括一個噴射器22、保護(hù)性屏蔽裝置24和一個晶片26。該晶片26通過一個運(yùn)輸機(jī)構(gòu)例如象噴射器22和屏蔽裝置下方的一個皮帶進(jìn)行運(yùn)輸并穿過沉淀區(qū)域28。氣體從噴射器22噴射到沉淀區(qū)域28并發(fā)生反應(yīng)而在晶片20的表明上發(fā)生沉淀而形成一個薄層或者薄膜。屏蔽裝置24通常噴射惰性氣體例如象氮氣，這有助于減少在噴射器表明上形成沉淀，因此也有助于隔離沉淀區(qū)域28。在該實施例中，屏蔽裝置24包括四個部分，其中的兩個部分包圍噴射器22的側(cè)面。一個這種類型的CVD系統(tǒng)的例子還描述于美國專利US5849088和系列號為No.09/185180中的美國專利申請(代理人檔案號為A-65583-1)中。這兩個專利所公開的內(nèi)容作為本申請的參考。
由于工業(yè)上要求薄膜厚度不均勻度小于3％，因此包圍噴射器側(cè)面的屏蔽氣體流動在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定是非常重要的，相對于與噴射器另外一側(cè)的氣體流動，流動到噴射器每個側(cè)面的氣體沿著噴射器的整個長度被嚴(yán)密封閉。沉淀氣體由線性噴射器垂直輸送到晶片的表面上，并使得氣體排泄到噴射器的兩側(cè)。而且作為更為具體的方式，屏蔽裝置24的主要目的是減少無用的材料在噴射器22和排泄通路表面上沉淀。屏蔽裝置24由幾個部分組成，這些部分具有帶孔材料的起伏狀表面，形成一個小室25，通過該小室25輸送惰性氣體。惰性氣體被輸送到排泄通路內(nèi)并稀釋無用的沉淀氣體流，而且將無用的沉淀氣體從排泄通路表面移開。
為了使得效率最大化，惰性氣體必須輸送到沉淀區(qū)域的下游區(qū)域，而且惰性氣體靠近沉淀氣體時要求該惰性氣體不會干擾沉淀氣體在晶片基片上的沉淀。另外，典型的A PCVD和SACVD工具需要在基片的表面上施加熱量，以促使沉淀氣體發(fā)生反應(yīng)并重新結(jié)合形成所需的薄膜。薄膜的溫度通常為500℃或者更高，因此盡管周圍的裝置沒有受到直接加熱，但是這些設(shè)備還是處于一個較高的溫度(幾百度℃)環(huán)境下。因此，惰性氣體最好被定量分配并沿著屏蔽裝置和噴射器的整個長度均勻輸送，其均勻度類似于沉淀氣體所需的均勻度(亦即不均勻度大約＜1％)，其硬件必須能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)操作。在這些優(yōu)點中，本發(fā)明的氣體輸送定量分配管特別適合于沿著屏蔽裝置的整個長度上提供定量分配的氣體流動，而該寬度則橫跨基片的寬度或者直徑，尤其對于大的基片例如象300mm的晶片的晶片特別有利。特別如圖7所示，本發(fā)明的一個氣體輸送定量分配管10位于一個或者多個屏蔽裝置部分的小室25內(nèi)。氣體輸送定量分配管10可以定位在屏蔽裝置部分內(nèi)的任何位置，并且每一個部分內(nèi)可以放置不只一個定量分配管。
通常，用浸蝕劑例如象氫氟酸清洗時屏蔽裝置24和噴射器22需要拆除。因此，氣體輸送定量分配管10最好也能夠承受這種清洗液和/或很容易拆除，以促使屏蔽裝置可以單獨工作。
在本發(fā)明的另外一個實施例中，氣體輸送定量分配管10應(yīng)用于噴射器22本身，并且最好放置在如美國專利5683516和系列號為09/113823的美國專利申請(代理人檔案號A-59471-4)中所描述的那種類型的線性噴射器，這兩個專利所公開的內(nèi)容作為本申請的參考。通常，噴射器22由多個橫穿通道或者溝道構(gòu)成，這些橫穿通道32沿著噴射器22的長度分布，每一個橫穿通道32都利用一個窄槽形通道36連接到一個公共氣體輸送表面34，該窄槽形通道36也沿著噴射器22的長度延伸。氣體從氣體輸送表面34排出到位于晶片基片26上方的沉淀區(qū)域28(一定體積)。作為優(yōu)先的一種選擇，沉淀氣體分別提供給每一個橫穿通道32。本申請的所應(yīng)用的那些公開的專利詳細(xì)描述了幾種結(jié)構(gòu)來保證沉淀氣體沿著噴射器22的整個長度均勻分布。在各種優(yōu)點中，本發(fā)明的氣體輸送定量分配管10特別適合于那些需要插入到噴射器22的一個或者多個小室32內(nèi)以提供所需的均勻和/或定量分配氣體流動的氣體輸送裝置。
通常，使用現(xiàn)有技術(shù)形成的薄膜厚度的不均勻度接近于2％，但是根據(jù)所使用的化學(xué)方法和CVD條件，該不均勻度可能達(dá)到4％到5％。本發(fā)明通過進(jìn)一步改進(jìn)氣體分布的均勻度來進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，從而使得所形成的薄膜的不均勻度等于或者小于2％，這是對現(xiàn)有技術(shù)中的一大改進(jìn)。
在這些特別的優(yōu)點中，本發(fā)明提供一種裝置來定量分配氣體流動，以保證氣體流動沿著氣體輸送系統(tǒng)的整個長度上均勻分布。在屏蔽裝置的應(yīng)用中，單個管子的氣體流速通常為幾個標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的數(shù)量級到30slm；而在噴射器的應(yīng)用中，氣體流速最好為幾個slm到大約20slm。在屏蔽裝置的應(yīng)用中，惰性氣體被輸送到屏蔽網(wǎng)后方的相對不受限制的空間內(nèi)，而在噴射器的應(yīng)用中，小室和通道溝槽的橫穿靠近距離有助于調(diào)節(jié)氣體分布和引導(dǎo)氣體流動。
線性噴射器、屏蔽裝置和基片的結(jié)構(gòu)的幾何形狀要求氣體必須從氣體輸送定量分配管的一端引入。用于線性氣體分布系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)包括幾個方法，但是這些方法沒有成功應(yīng)用于APCVD系統(tǒng)，特別是不適合于寬于200mm的基片。最簡單的設(shè)計是一個單個管子，在該單個管子的表面分布有小口，如圖1、2所示。
當(dāng)本發(fā)明的氣體輸送定量分配管應(yīng)用于屏蔽裝置時，氣體流動不需要從惰性氣體輸送裝置“噴出”，而是應(yīng)當(dāng)沿著一定的方位角從管子排出。位于這種情況，根據(jù)本發(fā)明的另外一種形式的實施例，外側(cè)管子上的小口分布可以為沿著管子的整個長度并分布在一定的方位角內(nèi)的幾排小孔的形式(圖6b)。
對于附圖8中所述的噴射器應(yīng)用，噴射器橫穿通道或者開口本身在本發(fā)明的具有創(chuàng)造性的裝置周圍形成了一個邊界，并在氣體穿過溝槽到達(dá)混合室之前調(diào)節(jié)氣體的流動的方向。因此，決定噴射器的外側(cè)管子上小口分布形式的定律沒有決定屏蔽裝置的外側(cè)管子上小口分布形式的定律那么嚴(yán)格。使用本發(fā)明的氣體輸送定量分配管使得屏蔽裝置和噴射器中的氣體流動更加均勻。盡管上面套管了兩個具體的例子，膽汁應(yīng)該能夠理解，本發(fā)明的氣體輸送定量分配管可以單獨使用或者適合于多種需要均勻氣體輸送的應(yīng)用(例如象所有CVD應(yīng)用、半導(dǎo)體設(shè)備或者類似物)中。
(例子)下面提供的幾個例子只是為了說明本發(fā)明，不能認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。各種參數(shù)如表1所示
表1
(說明性的例子)例1下面演示表1中的方案A中的設(shè)計參數(shù)的可行性，這些參數(shù)用于保護(hù)性的屏蔽裝置內(nèi)的定量分配管，所述的屏蔽裝置類似于圖7所示中的屏蔽裝置。
托持壓力大約為200托(毫米汞柱)氣體流動單管5～30升/分鐘內(nèi)側(cè)管子長度(第一孔到最后一孔長度)≈9.26英寸外側(cè)管子長度(第一孔到最后一孔長度)≈9.7英寸內(nèi)側(cè)管子的尺寸入表1所示(內(nèi)徑ID＝0.114英寸，而外徑OD＝0.134英寸)，而外側(cè)管子的尺寸為內(nèi)徑ID＝0.186英寸，外徑OD＝0.250英寸。
確定內(nèi)側(cè)管子和外側(cè)管子之間的環(huán)形空間的有效直徑Deff的公式為Aouter-Ainner=π(Deff2)2---(1)]]>式中，Aouter為外側(cè)管子的橫截面積，Ainter為內(nèi)側(cè)管子的橫截面積，外側(cè)管子內(nèi)徑為IDoutet而內(nèi)側(cè)管子外徑為ODinner，而Deff為內(nèi)側(cè)管子和外側(cè)管子之間的環(huán)形空間的有效直徑。因此求解方程3可以得到2(Aouter-Ainnerπ)1/2=Deff----(2)]]>2(Router2-Rinner2)1/2=Deff----(3)]]>從而可以求解＝2×[(.186/2)2-(.134/2)2]1/2＝0.129inch＝Deff我們關(guān)心的是管子橫截面積與管子的小口的橫截面積的和的對比關(guān)系。對于內(nèi)側(cè)管子，橫截面積為π(IDinner/2)2＝π(.114/2)2＝0.00325π，而每一個小口的橫截面積為π(.007)2＝0.000049π。
對于內(nèi)側(cè)管子設(shè)計，我們感興趣的是Mohktari和Acrivos的現(xiàn)有技術(shù)中所述的三個條件。這三個條件是(a)管子長度與直徑的比值；(b)管子直徑與小口直徑的比值；以及小口的面積之和與管子的橫截面積之比。具體地L/D＜70 (4a)D/d≈＞10 (4b)NAport/Atube≈≤1 (4c)對于表1中的方案1中的內(nèi)側(cè)管子計算如下(a)內(nèi)側(cè)管子L/D＝9.26/0.114＝81(b)內(nèi)側(cè)管子D/d＝0.114/0.014＝8.1(c)內(nèi)側(cè)管子的小口的面積之和與內(nèi)側(cè)管子橫截面積之比為39×(0.000049)π/(0.00325π)＝0.6將所提出的該設(shè)計的計算值與現(xiàn)有技術(shù)(公式4a，4b，4c)指南進(jìn)行對比表明，方案A的內(nèi)側(cè)管子的設(shè)計大致上滿足均勻流動條件，并且能夠注意到，該設(shè)計方案實際上位于條件4a的高側(cè)(high side)。
根據(jù)本發(fā)明，對于外側(cè)管子的設(shè)計準(zhǔn)則是Deff≈Din(或者兩者至少位于一個系數(shù)3范圍內(nèi)) (5a)表面積outer/NAouter≈10或者更大 (5b)式中，Din為最內(nèi)側(cè)管子的內(nèi)徑，表面積outer為最外側(cè)管子的表面積，而NAouter為最外側(cè)管子上的所有小口的橫截面積之和。
表1中的方案A的計算值如下(a)Deff＝0.129≈0.114＝Din
(b)表面積與小口橫截面積之和之比＝(9.7)π(.186)/(156×5×.0072π)＝47，均滿足設(shè)計準(zhǔn)則。
例子2下面演示表1中的方案D的設(shè)計參數(shù)的可行性，這些參數(shù)用于一個噴射器裝置(如圖7所示)內(nèi)的定量分配管。
托持壓力大約為200托(毫米汞柱)氣體流動單管2～20升/分鐘內(nèi)側(cè)管子長度(第一孔到最后一孔長度)≈9.27英寸內(nèi)側(cè)管子和外側(cè)管子的內(nèi)徑和外徑的關(guān)系如表1所示。各種關(guān)鍵的設(shè)計值可以利用例子1中所述的公式進(jìn)行計算。具體地內(nèi)側(cè)管子和外側(cè)管子之間的環(huán)形空間的面積Deff＝2×[(261/2)2-(.156/2)2]1/2＝0.209inch＝Deff內(nèi)側(cè)管子的橫截面積＝π(.136/2)2＝0.00462π內(nèi)側(cè)管子和外側(cè)管子的小口的橫截面積＝π￡.0048)2＝0.000023π利用這些數(shù)據(jù)，方案D的內(nèi)側(cè)管子如公式4a、4b、4c所示的關(guān)系可以計算如下L/Din＝9.27/1.36＝68Din/d＝.136/.0095＝14.3Naport/Atube＝39π(.0048)2/.00462π＝0.19將該設(shè)計的計算值與現(xiàn)有技術(shù)中的指南相比，方案D大致上滿足均勻流動的條件。
方案D的外側(cè)管子也必須用公式5a和5b進(jìn)行驗證。位于方案D，第一個關(guān)系滿足這就是說Deff/Din＝.129/.136＝1.54，位于系數(shù)3范圍之內(nèi)。方案D中的外側(cè)管子包括77個直徑為0.0138英寸的小口。因此對于9.7英寸長的外側(cè)管子，公式5b的計算值為9.7π(.261)/(77×0.00692π＝690。
例子3表1中的方案E使用與例子D中同樣的內(nèi)徑，但是在外側(cè)管子上具有3排小口而不是線性的一排小口。對于根據(jù)本發(fā)明的具有這樣的小口的外側(cè)管子Deff/Din＝.209/.136≈1.54，與前面一樣表面積與小口的橫截面積之比＝
(9.7)π(.261)/(3×3.360×.005)＝173也外側(cè)管子也滿足設(shè)計準(zhǔn)則。
最內(nèi)側(cè)管子和最外側(cè)管子之間的環(huán)形空間是一個有效的環(huán)形空間。換句話說，環(huán)形空間的面積為最內(nèi)側(cè)管子和最外側(cè)管子之間的面積減去管子的形狀的面積的面積，因為管子(除了具有圓柱形形狀外還)可以具有多種形狀。
如上所述和本發(fā)明的試驗的演示，本發(fā)明通過創(chuàng)造一個可以建立恒定托持壓力的裝置(托持壓力的建立與沿著管子整個長度上均勻流動的建立是互相分開的)，其氣體輸送定量分配管能夠沿著給定的長度提供均勻的氣體流動，而與管子的直徑和長度無關(guān)。如上所述，對于實現(xiàn)所需的流速和均勻度來說環(huán)形空間的橫截面積是重要的。在本發(fā)明的優(yōu)點中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，只要給定了縱橫(亦即孔-壁厚度)比≥1，管子的尺寸對于實現(xiàn)所需結(jié)果不是重要的；只要供應(yīng)的氣體不會限制氣體的流動，這氣體的供應(yīng)也不是重要的。
另外，軸向?qū)R、套疊的管子可以為各種形狀。例如，與附圖中所示的圓柱形管子相比，套疊的管子可以包括兩個軸向?qū)R的矩形截面的管子。而且本發(fā)明的氣體輸送定量分配管可以設(shè)置為在需要時“噴射”氣流或者設(shè)置為不噴射氣流。
在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員閱讀了本發(fā)明后其他的特點和優(yōu)點是顯而易見的。本發(fā)明的上述的具體的實施例和例子的描述只是說明性的和描述性的。盡管本發(fā)明已經(jīng)參照前面的某些例子進(jìn)行了描述，不能認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。這些例子不是窮舉的，本發(fā)明不是限制于這些公開的精確的形式，顯而易見，根據(jù)上述的提示，各種修改、實施例、變化都是可能的。應(yīng)該能夠理解，本發(fā)明的范圍包括這里所公開的內(nèi)容、所附的權(quán)利要求書公開的內(nèi)容亦即其等同物。
權(quán)利要求
1.一種用于輸送氣體的氣體輸送定量分配管，包括至少軸向?qū)R并套疊的一個最內(nèi)側(cè)管子和一個最外側(cè)管子，在所述至少一個最內(nèi)側(cè)管子和套疊的最外側(cè)管子之間具有一個有效環(huán)形空間；一排或者多排小口，所述的小口沿著所述各管子的基本長度而形成在所述的至少一個最內(nèi)側(cè)管子和一個最外側(cè)套疊管子上；其特征在于，在所述的最內(nèi)側(cè)管子內(nèi)并沿著最內(nèi)側(cè)管子的基本上整個長度形成一個基本上均勻的托持壓力，因此促使氣體沿著最外側(cè)管子的大致整個長度并從該最外側(cè)管子的小口向外大致均勻輸送。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體輸送定量分配管，其特征在于，有效環(huán)形空間具有一個有效直徑Deff，而最內(nèi)側(cè)管子具有一個內(nèi)徑Din，Deff和Din關(guān)系位于一個系數(shù)3的關(guān)系范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體輸送定量分配管，其特征在于，最內(nèi)側(cè)管子具有下列性質(zhì)L/D＜70D/d≈＞10Naport/Atube≈≤1式中，L是最內(nèi)側(cè)管子的長度，D是最內(nèi)側(cè)管子的直徑，d是在所述的最內(nèi)側(cè)管子上的所述的小口排上的一個小口的直徑，N是最內(nèi)側(cè)管子上的小口的數(shù)量，Aport是所述的各小口的橫截面積，而Atube是所述的最內(nèi)側(cè)管子的面積；并且最外側(cè)管子具有下列性質(zhì)Deff和Din關(guān)系位于一個系數(shù)3的關(guān)系范圍內(nèi)表面積outer/NAouter≈10或者更大其中，Deff是有效環(huán)形空間，表面積outer是最外側(cè)管子的表面積，而NAouter是最外側(cè)管子上的所有小口的橫截面積之和。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的氣體輸送定量分配管，其特征在于Deff約等于Din。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體輸送定量分配管，其特征在于，最外側(cè)管子的表面積與在所述的最外側(cè)管子上形成的小口的橫截面積之和的比率等于或者大于大約10。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體輸送定量分配管，其特征在于，所述的比率大于100。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的氣體輸送定量分配管，其特征在于，所述的定量分配管用于化學(xué)蒸汽沉淀系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體輸送定量分配管，其特征在于，最內(nèi)側(cè)管子具有一個長度和直徑，其長度與直徑的比率在小于大約70的范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的氣體輸送定量分配管，其特征在于，套疊的管子是圓柱形的或者矩形形狀。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的氣體輸送定量分配管與至少一個噴射器裝置的組合，所述的噴射器裝置具有一個用于盛裝所述的氣體輸送定量分配管的開口。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的氣體輸送定量分配管與至少一個屏蔽裝置的組合，所述的屏蔽裝置具有一個用于盛裝所述的氣體輸送定量分配管的壓力通風(fēng)系統(tǒng)(plenum)。
全文摘要
本發(fā)明提供一個氣體輸送定量分配管。該氣體輸送定量分配管包括多個軸向?qū)R并且套疊的管子,其中,最內(nèi)側(cè)管子容納一種氣體并沿著最內(nèi)側(cè)管子的整個長度建立均勻的托持壓力;最外側(cè)管子使得從氣體輸送定量分配管流出的氣體均勻分布。
文檔編號C23C16/455GK1274823SQ0010858
公開日2000年11月29日 申請日期2000年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月21日
發(fā)明者尼廷·英格爾, D·尼爾·斯托達(dá)德, 姚智杰, 肖恩·漢密爾頓, 莉迪亞·J·揚(yáng), 安東尼·德薩, 弗拉基米爾·庫德里亞夫采夫, 克里斯托弗·皮博迪 申請人:硅谷集團(tuán)熱系統(tǒng)責(zé)任有限公司