專利名稱：對從固體升華的蒸氣流的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使固體材料在真空中受控升華與對所產(chǎn)生蒸氣流入一真空室的流量進行精確控制而幾乎不存在壓降的結(jié)合。其一重要應(yīng)用是將蒸氣以受控方式饋入一離子源的被抽成真空的離子化室內(nèi)以產(chǎn)生一離子束。所述離子束可用于對半導(dǎo)體襯底進行離子植入。另一重要應(yīng)用是使蒸氣以受控方式流入一真空處理室內(nèi)以便與一工件相互作用。
背景技術(shù)：
離子源的離子化室是在真空下工作并要求以非常高的精確度及可再現(xiàn)性以氣態(tài)形式饋送要被離子化的材料。
許多制造工藝也是在真空中實施。那些包含與工件進行化學(xué)反應(yīng)的制造工藝通常要求以氣態(tài)形式引入反應(yīng)劑，通過特定的化學(xué)作用使所述反應(yīng)劑相互反應(yīng)及/或與工件反應(yīng)。這些工藝可造成工件成分發(fā)生改變、在工件上沉積上薄膜、或者蝕刻或移除掉工件上的材料。例如，在半導(dǎo)體制造中，必須以非常高的精確度及可再現(xiàn)性來執(zhí)行這些工藝。
因此，對于離子源以及工件處理室而言，需要向真空室內(nèi)引入一精確且穩(wěn)定的氣體流。盡管有許多進料可從高壓氣瓶中以氣態(tài)形式獲得，然而其他進料卻只能以固體形式獲得。固體材料需要采用不同于對氣態(tài)源所用的特殊處理步驟。所涉及的固體材料有十硼烷、十八硼烷、三氯化銦、三甲基銦及三乙基銻。
所涉及的固體通常具有低的蒸氣壓力且必須首先通過在一減壓環(huán)境中升華來產(chǎn)生一定量的蒸氣。然后，必須以要在真空室中所實施的作業(yè)所要求的流量或分子數(shù)/秒將該蒸氣引入真空室內(nèi)。由于該流量要求類似于在引入常態(tài)氣體時所要求的流量，因而，一直使用標準的氣體運送設(shè)備來輸送從固體產(chǎn)生的蒸氣，但有時成功有時不成功。在通常的氣體運送中，使氣體源保持處于一明顯高于真空室入口輸送壓力PD的壓力PO。為精確地控制流入真空室內(nèi)的氣體流量，必須精確地控制PD。這通常是由一位于氣體源與真空室入口之間的市售質(zhì)量流量控制器(MFC)來實現(xiàn)。MFC是一種數(shù)控器件，其會以閉環(huán)方式改變其流導(dǎo)來使所輸送的質(zhì)量流量(以克/秒計)與所要求的質(zhì)量流量相一致。由于MFC通常與壓力相對高的氣體源一起使用，因而MFC通常構(gòu)造成在一相應(yīng)較小的流導(dǎo)范圍內(nèi)運行，此會形成相對大的壓降。對于例如氫化硼十硼烷(B10H14)或十八硼烷(B18H22)等氣化的固體材料而言，此種方法存在幾個嚴重的問題。
這些固體氫化硼的蒸氣壓力較低，因而必須將材料加熱至接近其熱點(對于十硼烷而言為100℃)，以形成一足夠高的蒸氣壓力以便能夠使用MFC。此會帶來使作為熱敏材料的氫化硼分子分解的風(fēng)險。
由于氫化硼蒸氣易于在表面上冷凝，尤其是在低于材料氣化溫度的表面上冷凝，因而相對小的MFC流導(dǎo)(小的通道)出現(xiàn)堵塞會導(dǎo)致運行不穩(wěn)定且組件提前失效。
這些問題已在很大程度上阻礙了人們構(gòu)建一種在商業(yè)上可行的用于將此種氫化硼蒸氣以受控方式輸送至離子源—其中在離子植入機中使用所產(chǎn)生的離子束來摻雜半導(dǎo)體—的蒸氣流量控制系統(tǒng)。
當蒸氣是從一固定的固體充填量得到時，會隨之發(fā)生進一步的問題。通常，為提供一大的表面積，將充填的材料以粉末形式置于氣化器中。隨著充填量的消耗，所述固定充填量的氣化面積會隨時間逐漸減少，且當如果溫度變得過高所述固體材料分子會分解時尤其如此。當其中要使用蒸氣的作業(yè)需要精確地保持蒸氣流量(通常為此種情形)時，尤其會出現(xiàn)嚴重的問題。
對固體材料蒸氣流量的控制尚未如人們所期望的一樣精確，且需要頻繁地對設(shè)備進行維護，例如將流量控制設(shè)備解體來移除會影響其運行的冷凝材料沉積物。當力圖使用十硼烷、十八硼烷及其他在受熱時不穩(wěn)定或者以其他方式呈熱敏性的化合物等所需摻雜材料時，所有這些不利條件均會防礙對半導(dǎo)體襯底的離子植入。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于向一真空室輸送一穩(wěn)定的升華蒸氣流的蒸氣輸送系統(tǒng)，其包括一固體材料氣化器、一機械節(jié)流閥及一壓力表、隨后是一通往所述真空室的蒸氣導(dǎo)管。所述蒸氣流速取決于所述氣化器的溫度及所述機械節(jié)流閥的流導(dǎo)的設(shè)定值二者。各較佳實施例具有一個或多個如下特征。所述氣化器的溫度取決于根據(jù)一設(shè)定點溫度進行的閉環(huán)控制。所述機械節(jié)流閥受到電控制，例如閥門位置受到根據(jù)所述壓力表的輸出進行的閉環(huán)控制。通過此種方式，所述蒸氣流速可大體與壓力表輸出成正比。所有暴露至自所述氣化器至所述真空室的蒸氣的表面均受到加熱來防止冷凝。一閘閥用作上游節(jié)流閥。一旋轉(zhuǎn)的蝶閥用作上游節(jié)流閥。在使用一固定的固體材料充填量時，可使所述氣化器的溫度在一很長的時間段內(nèi)保持穩(wěn)定，在所述時間段內(nèi)，隨著所述充填量的升華，所述節(jié)流閥從其工作范圍中的一較低的流導(dǎo)緩慢開啟。當達到一更大的閥門排放量時，會升高溫度來使所述閥門重新調(diào)節(jié)至其較低的流導(dǎo)設(shè)定值，以使其可重新從所述較低的流導(dǎo)設(shè)定值開始緩慢開啟。
一個特定特征是一種用于將一從一固體材料升華而成的受控蒸氣流輸送至一真空室的蒸氣輸送系統(tǒng)，其包括一可在負壓下運行的受加熱的固體材料氣化器與一從所述氣化器至所述真空室的蒸氣輸送通道的組合，所述蒸氣輸送通道包括一節(jié)流閥后隨一蒸氣導(dǎo)管、一位于所述節(jié)流閥與所述蒸氣導(dǎo)管之間的可對負壓作出響應(yīng)的壓力表，所述蒸氣輸送通道的暴露至所述升華的蒸氣的表面，包括所述節(jié)流閥、所述壓力表及所述蒸氣導(dǎo)管的此種表面，均適于保持在一高于所述固體材料的冷凝溫度的溫度，且一包含所述壓力表的閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)造成響應(yīng)于所述壓力表的輸出而改變所述節(jié)流閥的流導(dǎo)以控制所述節(jié)流閥下游所述蒸氣的負壓，流至所述真空室的蒸氣流量取決于所述節(jié)流閥與所述蒸氣導(dǎo)管之間所述通道區(qū)域中的蒸氣壓力。
具備此種特征的實施例具有一種或多種如下特征。
所述蒸氣輸送系統(tǒng)包括一適于使所述輸送通道的表面的溫度保持高于所述氣化器的溫度的溫度控制系統(tǒng)。
所述蒸氣輸送系統(tǒng)具有所述蒸氣輸送通道的多個段，所述多個段適于距所述氣化器越遠而保持在逐漸越高的溫度。
所述系統(tǒng)的所述蒸氣流量適于通過所述氣化器的一溫度控制系統(tǒng)及所述節(jié)流閥的一流導(dǎo)控制系統(tǒng)二者來確定。
所述氣化器的溫度是根據(jù)一設(shè)定點溫度通過閉環(huán)控制來確定。
所述節(jié)流閥的最大N2流導(dǎo)至少為1升/秒。
當所述節(jié)流閥完全開啟時所述節(jié)流閥兩端的壓降小于100毫乇。
所述節(jié)流閥的最大流導(dǎo)至少為所述蒸氣導(dǎo)管的流導(dǎo)的5倍或10倍。
所述節(jié)流閥是一可變位置閘閥或為蝶型閥。
所述氣化器構(gòu)造成以一所述固體材料的可重新充填的固定充填量運行，所述固體材料以一種使所述固體材料的蒸氣發(fā)出區(qū)域減小的方式逐漸消耗，且所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成響應(yīng)于所述閥門以外的流量或壓力的降低而將所述節(jié)流閥的位置復(fù)位以恢復(fù)所需流量，且還不時地在所述節(jié)流閥接近其最大可用流導(dǎo)時升高所述氣化器的溫度以升高所述氣化器中的壓力并使所述閥門能夠在其較佳流導(dǎo)動態(tài)范圍內(nèi)運行。
在較佳形式中，所述氣化器輸送系統(tǒng)包括一基于節(jié)流閥的傳感及控制系統(tǒng)，所述傳感及控制系統(tǒng)能夠為一能夠使所述氣化器溫度維持在一氣化器設(shè)定點溫度值的氣化器加熱器的一調(diào)節(jié)器提供一氣化器設(shè)定點溫度值，所述傳感及控制系統(tǒng)存儲至少一個表示所述節(jié)流閥的一所需流導(dǎo)上限的預(yù)確定閥門排放量值，且一旦檢測到所述閥門接近或達到該排放量值，所述傳感及控制系統(tǒng)就構(gòu)造成升高所述調(diào)節(jié)器加熱器的所述設(shè)定點溫度值以使所述節(jié)流閥上游的蒸氣產(chǎn)生增強、蒸氣壓力升高，從而使所述節(jié)流閥的所述閉環(huán)控制使所述閥門返回至一流導(dǎo)明顯變低的位置。在此種特征的一較佳實施例中，所述氣化器輸送包括一適用于運行的預(yù)確定溫升增量參照表，且一旦檢測到所述閥門接近或達到所述排放量值，所述傳感及控制系統(tǒng)即有效地使所述氣化器溫度設(shè)定點遞增至所述參照表中的下一位階。
所述蒸氣輸送系統(tǒng)構(gòu)造及設(shè)置成向一離子源輸送可離子化的蒸氣。
所述蒸氣輸送系統(tǒng)構(gòu)造及設(shè)置成向一離子植入機的一離子源輸送離子化的蒸氣。
所述蒸氣輸送系統(tǒng)構(gòu)造及設(shè)置成向一用于對半導(dǎo)體進行劑量測定的工件處理真空室或一處理室輸送可離子化蒸氣。
所述蒸氣輸送系統(tǒng)構(gòu)造成將其蒸氣傳送至一高真空，所述系統(tǒng)構(gòu)造成響應(yīng)于所述節(jié)流閥下游負壓的降低而升高所述氣化器的溫度。
所述蒸氣輸送系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包括一伺服回路，所述伺服回路響應(yīng)于所述壓力表的輸出信號來調(diào)節(jié)所述節(jié)流閥位置，以使所述表處的蒸氣壓力保持一設(shè)定點值。
所述蒸氣輸送系統(tǒng)構(gòu)造成容納并使十硼烷(B10H14)或十八硼烷(B18H22)蒸發(fā)。
所述蒸氣輸送系統(tǒng)構(gòu)造成容納并使三氯化銦(InCl3)、三甲基銦[In(CH3)3]或其他固體低溫摻雜劑進料蒸發(fā)。
另一種特征是一種使用所述蒸氣輸送系統(tǒng)實施的在一真空室中產(chǎn)生一離子束的方法，其適于將一從一固體材料升華的受控的可離子化蒸氣流輸送至一離子化室。
另一種特征是一種使用具有一種或多種上述特征的蒸氣輸送系統(tǒng)實施的將一從一固體材料升華的受控蒸氣流輸送至一真空室的方法。
在附圖及下文說明中將闡述本發(fā)明的一個或多個實施例的細節(jié)。根據(jù)本說明及附圖以及根據(jù)權(quán)利要求書，將易知本發(fā)明的其他特征、目的及優(yōu)點。


圖1顯示一本發(fā)明蒸氣輸送系統(tǒng)的簡化的示意圖。
圖1A顯示一具有一蒸氣輸送系統(tǒng)的離子源，而圖1B顯示所述離子源的一個實施例的詳圖。
圖2繪示所計算的從氣化器出口至真空室的有效流導(dǎo)隨最大節(jié)流閥流導(dǎo)的變化。
圖3顯示一具有另一蒸氣輸送系統(tǒng)的離子源。
圖4以方塊圖形式顯示一使用控制設(shè)定點來產(chǎn)生一流入一真空室內(nèi)的從固體進料升華而成的精確受控的蒸氣流量。
圖5、6、7在形式上均類似于圖4，其顯示用于產(chǎn)生精確受控的升華蒸氣流量的系統(tǒng)。圖5顯示流至一真空摻雜過程的半導(dǎo)體摻雜劑流量；圖6顯示流入一離子源以產(chǎn)生一用于對半導(dǎo)體襯底表面進行高真空離子植入的離子束的流量；而圖7顯示流入一高真空離子植入室的離子源內(nèi)以向半導(dǎo)體襯底內(nèi)植入經(jīng)質(zhì)量分辨的植入摻雜劑離子的此種流量。
圖7A、7B及7C以示意圖形式顯示一蝶型節(jié)流閥在關(guān)閉時、及在處于一適用范圍的下限區(qū)域及上限區(qū)域中時的間隙。
圖7D顯示用于形成圖10、11及12的1.4英寸節(jié)流閥的所計算的N2流導(dǎo)。
圖7E、7F及7G顯示一閘型節(jié)流閥在關(guān)閉時、在開啟10％時及在開啟30％時的間隙。
圖8及8A為用于向一離子植入機的離子源輸入饋給蒸氣的本發(fā)明蒸氣輸送系統(tǒng)的一較佳實施例的俯視圖及側(cè)視圖。
圖9顯示圖8所示蒸氣輸送系統(tǒng)的示意圖，其指示本發(fā)明一實施方案的突出控制點。
圖10顯示在開環(huán)條件下及在固定的氣化器溫度下使用半導(dǎo)體摻雜劑固體進料十硼烷時通過圖8及9所示實施例中的節(jié)流閥從一氣化器流入一離子源內(nèi)的蒸氣流量的曲線圖。
圖11顯示在圖8及9所示的構(gòu)造中，緊位于節(jié)流閥下游的控制壓力表壓力隨蝶閥轉(zhuǎn)動角度的變化。
圖12顯示圖8及9所示蒸氣輸送系統(tǒng)的有效N2流導(dǎo)(以升/秒計)。
圖13顯示當設(shè)定點壓力變化時圖8-12所示蒸氣輸送系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。
圖14顯示蒸氣輸送系統(tǒng)的一遠程實施方案。
圖15顯示在周期性地更新氣化器溫度來適應(yīng)節(jié)流閥的動態(tài)范圍的情形中，隨著固體進料的消耗，閥門位置隨時間的變化。
各附圖中相同的參考符號代表相同的要件。
具體實施例方式
圖1A為一離子源10的圖式。其詳細構(gòu)造以及其較佳的離子化工作模式詳細地揭示于由Horsky等人在2003年6月26日提出申請且名稱為“一種離子植入裝置及一種通過植入氫化硼簇離子來制造半導(dǎo)體的方法(An ion implantation device and a method ofsemiconductor manufacturing by the implantation of boron hydride cluster ions)”的第PCT/US03/20197號國際申請案中以及由Horsky在2002年6月26日提出申請且名稱為“電子碰撞式離子源(Electron impact ion source)”的第10/183,768號美國專利申請案中，這兩個申請案均以引用方式并入本文中。離子源10制作成通過一安裝法蘭36介接至一離子植入機的已抽空的真空室。因此，圖1A中所示離子源10的處于法蘭36右側(cè)的部分處于高真空狀態(tài)(壓力＜1×10-4乇)。所述離子源通過一高電壓電源而保持處于一高電壓并與所述高真空室的其余部分電絕緣。向離子化室44內(nèi)引入氣態(tài)材料，在離子化室44中通過來自電子束70A或70B的電子碰撞將氣體分子離子化。所述電子束通過對置的孔71B或71A射出離子化室44，或者可被一個束流收集器或所述室的用作一個束流收集器的壁所吸收。在圖1B所示的包含單個電子槍及一束流收集器的實施例中，電子束自電子槍112中的一陰極發(fā)出，通過由磁鐵130及磁極件125所產(chǎn)生的磁場135變彎曲，并通過電子入口孔71A或71B進入離子化室44，以使電子束70A或70B平行于一伸長的離子提取孔81移動。在離開離子化室44后，電子束70被位于離子化室44外部的束流收集器72終止。由此，毗鄰于離子提取孔81(其看上去為離子提取孔板80中的一個槽)形成離子。然后，由一位于離子提取孔板80前面并保持處于明顯變低的電壓的提取電極(未圖示)提取所述離子并使其形成一高能離子束。
重新參見圖1A，氣體可通過一氣體導(dǎo)管33饋送入離子化室44內(nèi)。而例如十硼烷及十八硼烷等固體進料則可在氣化器28中氣化，并將蒸氣通過源塊35內(nèi)的蒸氣導(dǎo)管32饋送入離子化室44內(nèi)。通常，離子化室44、離子提取板80、源塊35(包括蒸氣導(dǎo)管32)及氣化器室30均由鋁制成。通過氣化器室30的閉環(huán)溫度控制使位于一穿孔的隔離障蔽34a下面的固體進料29保持均一的溫度。在鎮(zhèn)氣空間31中積聚的升華的蒸氣50通過導(dǎo)管39及節(jié)流閥100和截止閥110饋送。節(jié)流閥100與截止閥110之間的蒸氣50的標稱壓力是由電容式壓力計60來監(jiān)測。蒸氣50通過一位于源塊35中的蒸氣導(dǎo)管32饋送入離子化室44內(nèi)。因此，該離子源可將氣態(tài)的及氣化的兩種材料離子化。流至離子化室44的蒸氣流量取決于緊位于蒸氣饋送導(dǎo)管32前面的區(qū)域(即截止閥110內(nèi))的蒸氣壓力。這通過一位于節(jié)流閥100與截止閥110之間的電容式壓力計壓力表60來測量。一般而言，流速與蒸氣壓力成正比。這使壓力信號能夠代表流量，并用作一設(shè)定點來對流量進行選擇。為產(chǎn)生一流入離子源內(nèi)的所需蒸氣流量，使氣化器室30到達一當節(jié)流閥100處于其完全開啟位置時會超過所需流速的溫度。然后，調(diào)節(jié)節(jié)流閥100以達到所需的壓力輸出。為形成一隨時間的穩(wěn)定的流量，使用雙PID控制器(例如Omron E5CK數(shù)字控制器)來分別構(gòu)建對氣化器溫度及蒸氣壓力的閉環(huán)控制。控制(反饋)變量對于溫度而言為熱電偶的輸出、對于壓力而言為壓力表的輸出。
所示的特定離子源為一種完全受到溫度控制的電子碰撞式離子源。所述離子源并非轟擊一電弧放電等離子體來形成離子，而是借助以一個或多個聚焦電子束形式注入的高能電子對工藝氣體使用“軟”的電子碰撞離子化。此種“軟”的離子化方法會保持這些大的分子從而形成離子化的簇。如在圖1A及圖1B中所示，固體氫化硼在氣化器中受到加熱并通過蒸氣導(dǎo)管流至一金屬室，及離子化室。一位于所述離子化室外部的電子槍將一高能電子的高電流流輸送至離子化室內(nèi)，該電子流大體平行于所述室正面中的一伸長槽定向并與其毗鄰。通過一離子提取電極從該槽提取出離子從而形成一高能離子束。在將升華的氫化硼蒸氣轉(zhuǎn)運至離子化室期間，使所有表面保持于一高于氣化器溫度(但遠低于離解溫度)的溫度，以防止蒸氣冷凝。在許多個小時的測試中，我們已經(jīng)證實了蒸氣饋送口及閥門確實仍保持很干凈。
所述節(jié)流閥提供一流導(dǎo)可變的蒸氣路徑。圖7E、F及G分別顯示一關(guān)閉的、呈第一開啟度的及呈一第二更大開啟度的用作一最大高流導(dǎo)節(jié)流閥的閘閥。
如在圖1中所示意性地大體顯示，提供一蒸氣輸送系統(tǒng)來向一真空室130輸送一穩(wěn)定的升華蒸氣流。所述真空室可為一具有不同于上文所述的離子化作用的離子化室，或者可為一其中所述蒸氣與其他材料相互作用的真空處理室。所述蒸氣輸送系統(tǒng)由一氣化器28、一機械節(jié)流閥100及一壓力表60構(gòu)成。蒸氣流速取決于氣化器28的溫度和位于所述氣化器與所述真空室的入口導(dǎo)管32之間的機械節(jié)流閥100的流導(dǎo)二者。氣化器28的溫度取決于根據(jù)設(shè)定點溫度進行的閉環(huán)控制35。機械節(jié)流閥100受到電控制，即閥門位置受到根據(jù)壓力表輸出進行的閉環(huán)控制120?？墒拐魵饬魉俦３峙c壓力表輸出成正比。
所述蒸氣輸送系統(tǒng)滿足了許多個小時地向真空系統(tǒng)內(nèi)(例如向一離子源的離子化室內(nèi)或更一般而言，向在一真空室中執(zhí)行的作業(yè))輸送一受控蒸氣流量時所固有的要求。所述系統(tǒng)使得能夠遵守某些規(guī)則，這些規(guī)則提供了明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)點，尤其當使用例如十硼烷或十八硼烷等低溫材料時●使氣化器中的溫度、因而使氣化壓力最低；●使輸送鏈的蒸氣流導(dǎo)最大；●使用高導(dǎo)通的可加熱的閥門；●使最高組件溫度保持較低，例如對于氫化硼而言低于150℃；●對所有存在與蒸氣相接觸的表面的表面進行溫度控制來防止冷凝；●根據(jù)節(jié)流閥下游的壓力使回路閉合而非力圖直接測量質(zhì)量流量，從而無需使用傳統(tǒng)的MFC；●允許隨著進料的耗盡而隨時間調(diào)高氣化器溫度，從而使氣化器材料能夠完全耗盡，并通過使節(jié)流閥能夠在其流導(dǎo)動態(tài)范圍的“最佳點”上運行來使壓力伺服回路穩(wěn)定。
當然，這些規(guī)則并非全不相關(guān)，而是各個變量彼此相關(guān)，然而，每一規(guī)則均解決或改善一在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中所見到的不同的問題，因而應(yīng)明確地加以指明。
旨在向真空室輸送升華的氣相材料的基于壓力的閉環(huán)控制系統(tǒng)的形式遵循明確規(guī)定的定律。重新參見圖1，固體材料29被氣化成容納于儲存室31中的蒸氣50。蒸氣通過氣化器出口39流出儲存室31，從而在一節(jié)流閥100前面形成一蒸氣壓力。在節(jié)流閥100后面是一壓力表(或傳感器)60，隨后是一引至所述真空室的流量相對有限的蒸氣導(dǎo)管32(其屬于一流量限制部位)。節(jié)流閥100及壓力傳感器60與一閉環(huán)控制器120相結(jié)合地提供通過對節(jié)流閥流導(dǎo)的閉環(huán)控制來控制節(jié)流閥100之后(導(dǎo)管32之前)的壓力的途徑。因此，通過根據(jù)壓力傳感器的輸出使所述回路閉環(huán)、從而根據(jù)一下游壓力設(shè)定點修正閥門位置，來對節(jié)流閥100的開啟程度(閥門位置)有效地進行實時設(shè)定。流入真空室130內(nèi)的蒸氣流速取決于該下游壓力及蒸氣出口導(dǎo)管32的流導(dǎo)。按照常用的命名法，將導(dǎo)管32表征為流量控制系統(tǒng)的“計量段”。導(dǎo)管32將蒸氣引入真空室130內(nèi)，同時通過真空泵135在真空室130中維持所需的真空值。
在此一系統(tǒng)中對流量的基本的氣體動力學(xué)要求是，蒸氣儲存室31中要被控制的物質(zhì)的氣相壓力要高于真空室130中所述物質(zhì)的氣相壓力。在此種系統(tǒng)中，通過考慮決定真空系統(tǒng)中的流量的基本方程式來實施基于壓力的質(zhì)量流量控制。最簡單的建模情形是分子流情形，其中氣體分子的平均自由行程相對于真空系統(tǒng)的實體尺寸而言較大。分子流動狀態(tài)適合于描述流入例如使用本發(fā)明系統(tǒng)—其中蒸氣路徑中任一處的壓力均＜＜1乇—的離子植入系統(tǒng)內(nèi)的蒸氣流。對于任一此種系統(tǒng)而言，如果已知所涉及的任兩個點中每一點處的壓力P及這兩個點之間的流導(dǎo)C，就可計算出這兩個點之間的質(zhì)量流速。
計量段32的質(zhì)量流量方程式為(1)Q計量段＝(P壓力傳感器-P真空室)(C計量段)。
(Q表示質(zhì)量流量或通量，單位為例如克/秒)。
注意，如果P真空室＜＜P壓力傳感器(如果C計量段＜＜S真空室[即真空室130中的抽吸速度S]，則甚至在極低的質(zhì)量流速下也為此種情形)，則方程式(1)簡化成(2)Q計量段～(P壓力傳感器)(C計量段)。
根據(jù)氣體動力學(xué)的連續(xù)性要求，在穩(wěn)態(tài)流量及所規(guī)定的流動路徑情況下，蒸氣儲存室31下游的輸送鏈中任一點處的Q均必須等于輸送鏈中任一其他點處的Q。因而，(3)Q流過節(jié)流閥＝Q計量段。
我們注意到，從蒸氣儲存室31至節(jié)流閥100的流導(dǎo)與C計量段相比較大。如果將P上游定義為氣化器的氣化器出口39處的壓力，則(4)Q流過節(jié)流閥＝(P上游-P壓力傳感器)(C節(jié)流閥)。
還顯而易見，由于Q在整個鏈中得到保持，因而(5)Q流過節(jié)流閥＝Q計最段＝(P上游-P真空室)(C上游-真空室)。
對于分子流、無集束效應(yīng)的串聯(lián)流導(dǎo)及無離散的射出損耗這一簡單情形而言，總的流導(dǎo)為(6)1/C總＝1/C1+1/C2+1/C3…1/Cn在本情形中，可計算出氣化器的蒸氣出口與真空室130之間的有效流導(dǎo)(7)1/C上游-真空室＝1/C節(jié)流閥+1/C計量段重新排列各項(8)C上游-真空室＝((C節(jié)流閥)(C計量段))/(C節(jié)流閥+C計量段)描繪于圖2中的該方程式可用于估計節(jié)流閥的適宜的最大流導(dǎo)以獲得所述輸送系統(tǒng)的所需動態(tài)范圍。例如，圖2顯示，如果C節(jié)流閥最大＝C計量段，則可獲得的最大總流導(dǎo)僅為計量段流導(dǎo)(即蒸氣導(dǎo)管32的流導(dǎo))的1/2。當以氣化材料運行時—其中較佳應(yīng)降低蒸氣工作壓力，(且如在本發(fā)明中一樣因此降低氣化器溫度)，則使C節(jié)流最大對C計量段之比至少約為5∶1或甚至10∶1或以上會有利地使在一既定計量段流導(dǎo)情況下的蒸氣流量動態(tài)范圍最大化。
圖3以剖面圖形式顯示一適用于在一離子植入機中形成十硼烷或十八硼烷離子的離子源。其不同于圖1A及1B之處在于，其繪示一蝶型機械節(jié)流閥100’而非使用一閘閥100作為圖1A中所示的節(jié)流閥。
在該圖中所示的蝶型節(jié)流閥100’的實例中，可移動元件是一圓形阻流盤，其尺寸與一圓柱形通道緊密配合且安裝成以所述盤的垂直于通道軸線的直徑為中心旋轉(zhuǎn)。其提供一流導(dǎo)受控的蒸氣路徑，參見圖7A、7B及7C。
圖中清晰地顯示出從氣化器至離子化室的蒸氣路徑。圖3所示的蒸氣導(dǎo)管150執(zhí)行與圖1、1A及1B所示的蒸氣導(dǎo)管(計量段)32相同的功能。在該源中，由氣化器145加熱固體氫化硼材料140(例如，舉例而言，十硼烷或十八硼烷)來升華出蒸氣165，蒸氣165穿過氣化器出口155、蝶型節(jié)流閥100’、隔離閥160、蒸氣導(dǎo)管150并進入離子化室170內(nèi)，在離子化室170中通過電子束175將蒸氣離子化。一其電位明顯不同于離子源電位的提取電極(未圖示)通過離子化室170前面板190中的一垂直槽185提取并形成一離子束180。
圖4更詳細地顯示設(shè)計成將蒸氣流提供至一真空室260內(nèi)一利用點270處的本發(fā)明的一實施例?？蓪嵤┮徽婵展に?，例如一化學(xué)蒸氣沉積(CVD)工藝或低壓CVD(LPCVD)工藝、或者其他其中在工件上沉積薄膜的工藝，例如諸如氮化硼等含硼的薄膜。通過將氣化器室210加熱至一高于室溫的溫度T，使置放于氣化器205中的固體進料200保持一明確規(guī)定的溫度。由位于一數(shù)字蒸氣饋給控制器220內(nèi)的氣化器加熱器控制器件215有效地控制包含于氣化器室210內(nèi)的電阻式加熱器。氣化器加熱器控制器件215包含一閉環(huán)PID控制器(例如，舉例而言，一Omron型E5CK-AA1-500)，所述閉環(huán)PID控制器從數(shù)字蒸氣饋給控制器220接受一設(shè)定點溫度并根據(jù)由一嵌入于氣化器室210中的熱電偶(TC)輸出225所提供的溫度反饋來使所述回路閉合，并以例如一脈寬調(diào)制加熱器電壓的形式向所述電阻式加熱器提供可變功率248。自進料200產(chǎn)生的蒸氣穿過節(jié)流閥235上游的氣化器出口230。節(jié)流閥235的用途是減小閥門下游的蒸氣流量，以使壓力表240達到一特定的設(shè)定點壓力值。該設(shè)定點壓力值是由數(shù)字蒸氣饋給控制器220提供至一閉環(huán)節(jié)流閥位置控制器件245，由該閉環(huán)統(tǒng)計法位置控制器件245將節(jié)流閥235調(diào)節(jié)至一機械位置(通過向一包含于節(jié)流閥總成內(nèi)的電動機發(fā)送一位置信號247)，在該機械位置上，表輸出250等于所述設(shè)定點值，即節(jié)流閥位置控制器件245根據(jù)表的輸出250使所述回路閉合。這兩個設(shè)定點值—加熱器設(shè)定點值及壓力設(shè)定點值—或者通過一用戶接口以手動方式或者通過會提供增加的自動功能的編碼配方提供至數(shù)字蒸氣饋給控制器220。在節(jié)流閥235包含一蝶閥(例如一Nor-Cal040411-4型)的情形中，可使用由Nor-Cal APC-200-A型所提供的節(jié)流閥位置控制。將所有與蒸氣接觸的表面加熱至氣化器溫度或略微更高的溫度。因此，節(jié)流閥235及壓力表240受到加熱，通道壁(包括計量段232的通道壁)也受到加熱。介于100℃與150℃之間的溫度即足以防止在氣化器205中通常所用的進料發(fā)生冷凝。當在圖4所示構(gòu)造中運行十硼烷時的典型氣化器溫度介于25℃至40℃范圍內(nèi)，而在運行十八硼烷時，則介于80℃與120℃之間(舉例而言)。因此，可使用一受熱的電容式壓力計(例如MKS Baratron 628B-22597或631A-25845型)作為壓力表240。此種壓力表可讀取介于數(shù)毫乇至數(shù)乇范圍內(nèi)的壓力，并適合于此種應(yīng)用。在一特定情形中，可使用由制造商配置成讀取100毫乇或500毫乇最大壓力(滿刻度讀數(shù))的壓力表。選擇這些壓力限值來為介于20毫乇與約100毫乇之間的控制表讀數(shù)提供優(yōu)異的信雜比(靠近該范圍下端的信號往往會帶有噪聲，從而潛在地使伺服回路不太穩(wěn)定)。
適合的設(shè)定點壓力值取決于在真空室260中所需的蒸氣分壓、及節(jié)流閥235與真空室260之間的蒸氣流導(dǎo)。
圖5顯示一其中蒸氣流227在一真空環(huán)境中撞擊于一半導(dǎo)體工件280上的工藝。此一工藝可以是一薄膜沉積工藝，例如制造多晶硅薄膜或硅-鍺薄膜，其中含摻雜劑的蒸氣使得能夠在薄膜生長過程中對半導(dǎo)體薄膜進行P型或N型摻雜。另一種重要應(yīng)用是等離子體摻雜(PLAD)。在PLAD中，將襯底固定于一與真空室電絕緣的壓盤上，引入摻雜劑蒸氣并毗鄰所述壓盤形成一等離子體。對所述壓盤并因而對所述襯底施加一個或多個高電壓脈沖，從而吸引等離子體的高能離子來摻雜所述襯底。
圖6顯示一系統(tǒng)，其中將蒸氣饋送入一離子源內(nèi)以便形成一離子束來實施離子植入。蒸氣穿過節(jié)流閥235、離子源285的蒸氣導(dǎo)管228并進入離子源285的離子化室287內(nèi)。離子化室287保持處于高電壓。通過一種適當?shù)募钔緩皆陔x子化室287內(nèi)將所述蒸氣離子化；一旦形成離子，處于一與所述離子化室具有明顯不同的電壓的提取光學(xué)器件290即會將離子吸引入一被抽成真空的室內(nèi)、使其加速并形成一高能離子束295。離子束被導(dǎo)向一植入室來植入一半導(dǎo)體襯底298中以便進行摻雜。所述過程可以是對大的玻璃面板上的多晶硅涂層進行離子植入來制作例如平板顯示器(FPD摻雜)。對這些系統(tǒng)所產(chǎn)生的離子束進行質(zhì)量分析，但經(jīng)常不進行質(zhì)量分析。離子源通常非常大，其離子化室的一個尺寸略微大于所制作面板的較短尺寸—其可為1米長或更大。在通常的系統(tǒng)中，從離子源提取出一靜止的“條帶”狀離子束并將其聚焦至所述平板上，同時使所述板以機械方式沿所述板的較長尺寸掃描過所述光束。在制作沿顯示面板的周邊具有CMOS驅(qū)動電路的FPD時，例如在制作基于薄膜晶體管的電視或計算機監(jiān)視器時，該過程頗為重要。
圖7顯示一適合于一存在質(zhì)量分析的傳統(tǒng)束線離子植入機情形的系統(tǒng)。在離子源295由提取光學(xué)器件290從離子源285提取出之后，所述束進入一發(fā)散雙極電磁鐵內(nèi)，由所述電磁鐵根據(jù)離子的質(zhì)量對電荷比將未經(jīng)分辨的束295分離成在空間上相分離的若干個細束，此在所屬技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知?？蓪﹄姶盆F電流及因而對引起彎曲的發(fā)散的雙極場進行調(diào)節(jié)，以使僅有一特定質(zhì)量對電荷比(或某一較佳范圍的質(zhì)量對電荷比，此視分辨孔297的寬度而定)的離子通過分辨孔297傳送至半導(dǎo)體襯底。
在將離子植入于一半導(dǎo)體晶圓(例如一硅晶體)內(nèi)時，離子化室287的容積小于約100ml且流入所述室中的升華蒸氣的最大流量處于1sccm數(shù)量級。
圖7A-7C以定性方式顯示蝶閥的大體對應(yīng)于如下的相對位置在圖7A中處于關(guān)閉位置；在圖7B中處于7.5度旋轉(zhuǎn)度數(shù)；在圖7C中則處于15度旋轉(zhuǎn)度數(shù)。旋轉(zhuǎn)位置是由一旋轉(zhuǎn)步進電動機以電方式加以控制。蝶閥的可旋轉(zhuǎn)的圓盤B的圓周與其圓柱形室H之間的間隙由C＜C′＜C″表示，其中C是在“關(guān)閉”位置上的最小間隙，為千分之幾英寸。
圖7D顯示一直徑為1.4英寸的圓形蝶閥的所計算的N2流導(dǎo)隨旋轉(zhuǎn)角度的變化。與圖7A-7C相對應(yīng)的點標記于圖7D中的曲線上，且分別近似等于～0l/s、2l/s及8l/s。
圖7E-7G以定性方式顯示一構(gòu)建為節(jié)流閥(參見圖1A及1B)的滑動閘閥的相對位置。圖中顯示在圖7E中閘閥G處于關(guān)閉位置；在圖7F中閘閥G處于10％開啟位置；在圖7G中則處于30％開啟位置。所述閘閥—其可具有從約0.5英寸至2.5英寸的各種直徑—既用作一截止閥(當關(guān)閉時進行密封)又用作一節(jié)流閥(由一步進電動機操作閥門致動器)。所述蝶閥則不是密封閥，即其在關(guān)閉時具有小的但有限的流導(dǎo)。
圖8及8A顯示一用于向一離子植入機的離子源(例如圖3所示的離子源)提供蒸氣的蒸氣輸送系統(tǒng)的一較佳實施例的兩個視圖。閥鏈的總長度得到最小化，且設(shè)計成緊密耦合至離子源。圖中顯示氣化器400、氣化器隔離閥V1410、閥門致動器415、蒸發(fā)端口420(連接至V3-未圖示)、節(jié)流閥TV1430、節(jié)流閥的電動致動器435、離子源隔離閥V2440、V2致動器445、受加熱的電容式壓力表G1450、N2排氣閥V4460。
圖9顯示圖8中蒸氣輸送系統(tǒng)的一示意圖，其指示突出的控制點。圖中顯示通過一操作員接口700來控制蒸氣輸送系統(tǒng)，操作員可通過所述操作員接口700來提供輸入以開啟或關(guān)閉閥門V1410(氣化器隔離閥)、V2440(離子源隔離閥)、V3441(低真空閥)、V4460(排氣閥)、及TV1430(節(jié)流閥)；所有這些閥門均向所述操作員接口提供反饋來確認閥門狀態(tài)。V3位于這兩個隔離閥V1與V2之間，且在需要將這兩個閥門之間的死空間抽空時開啟，例如在氣化器400(用V1)已被拆除以進行維護或重新裝滿及更換之后。通過相同的方式，使用V4來排空該死空間以準備移出組件，例如移出氣化器400。其他用戶可訪問的輸入包括三個溫度設(shè)定點氣化器400的溫度設(shè)定點PID1，閥門V1-V4及TV1的溫度設(shè)定點PID3，及包含圖3所示蒸氣導(dǎo)管150的離子源塊的溫度設(shè)定點。
一般而言，使蒸氣所接觸到的所有表面均保持處于一至少與氣化器一樣高的溫度。較佳使離子源設(shè)定點溫度＞PID3＞PED1。通過所述離子源塊，由此使導(dǎo)管150的表面的溫度較佳保持高于PID3的設(shè)定點。PED2為一閉環(huán)控制器，其調(diào)節(jié)節(jié)流閥TV1430的位置以使壓力表G1 450所讀取的壓力達到其設(shè)定點值。受加熱壓力表G1 450的該壓力設(shè)定點回讀至所述操作員接口。該壓力回讀信號指示節(jié)流閥TV2與接至離子源的蒸氣導(dǎo)管(圖3中的蒸氣導(dǎo)管150)之間的蒸氣壓力，從而提供控制信號來對TV1的位置進行閉環(huán)控制。由于通過蒸氣導(dǎo)管150流入離子源的離子化室170內(nèi)的蒸氣流速近似與該入口壓力成正比，因而借助PID2提供一穩(wěn)定且可再現(xiàn)的入口壓力就能在離子化室170內(nèi)實現(xiàn)一穩(wěn)定且界定分明的壓力，此又使得能從離子源中提取出一非常穩(wěn)定的離子電流。
圖10為使用圖9所示蒸氣輸送系統(tǒng)流入圖3所示離子源內(nèi)的十硼烷蒸氣流的曲線圖。在圖7A、7B、7C中所概略顯示的蝶型節(jié)流閥位置顯示于圖9中的曲線上。所述蒸氣輸送系統(tǒng)的適用的動態(tài)范圍覆蓋約10倍的范圍在氣化器溫度為30℃時從約0.1sccm(標準cc/分鐘)至1.0sccm以上，此會在節(jié)流閥上游輸送出一固定的蒸氣壓力。為獲得更高的流量，可使用一更高的氣化器溫度。通常，離子植入機的離子源所消耗的氣體流速約為2sccm或以下。因此，蒸氣輸送流導(dǎo)及壓力是根據(jù)所需的蒸氣流量及離子源入口的流導(dǎo)(如在圖2及相伴隨的文字說明中所示)來微調(diào)，并將在對圖12的論述中進一步展開。
圖11顯示在圖3及8-10所例示的系統(tǒng)中控制壓力表450對節(jié)流閥旋轉(zhuǎn)的響應(yīng)。在約40毫乇表壓(即離子源入口處的壓力)下，離子化室170內(nèi)的蒸氣壓力約為1毫乇，而節(jié)流閥上游(氣化器出口)的壓力約為65毫乇。因此，最大壓降是圖3所示離子源的蒸氣導(dǎo)管150兩端的壓降，例如其對N2的流導(dǎo)約為0.5l/s。
圖12繪示圖3及8-10中的整個蒸氣輸送鏈的有效N2流導(dǎo)隨蝶型節(jié)流閥的旋轉(zhuǎn)角度的變化。當所述節(jié)流閥開啟時，系統(tǒng)的總流導(dǎo)接近等于離子源的蒸氣導(dǎo)管150的流導(dǎo)。節(jié)流閥的流導(dǎo)動態(tài)范圍應(yīng)與系統(tǒng)的最小流導(dǎo)(在該實例中為接入離子源的導(dǎo)管150的流導(dǎo))一致。圖3中的蒸氣導(dǎo)管150例如為一直徑約為1cm、長度為25cm的圓柱孔。在離子源入口導(dǎo)管的流導(dǎo)更大或更小時，應(yīng)使用一相應(yīng)地更大或更小的節(jié)流閥(一個在其動態(tài)范圍內(nèi)具有相應(yīng)地更大或更小流導(dǎo)的節(jié)流閥)。本文所揭示的蒸氣輸送系統(tǒng)使得能夠使用不易被冷凝蒸氣阻塞的“開放式”閥門及通道結(jié)構(gòu)(高的流導(dǎo))。此外，所有閥門及連接元件均易于保持在一高于氣化器溫度的溫度。例如，現(xiàn)在參見圖9，在以十硼烷運行時，氣化器保持在30℃，V1-V4及TV1保持在50℃，表G1保持在100℃，且離子源保持在＞50℃。各順序性元件的溫度沿所述鏈的這種“分級”會防止升華的蒸氣出現(xiàn)任何顯著的冷凝。重要的是，在氣化器后面使用高流導(dǎo)元件會使為達到及維持所需流速而需要的蒸氣壓力最低并因而使氣化器溫度最低。此會延長在氣化器中所存儲的氫化硼或其他固體進料的可使用的壽命，因為已知其會因隨溫度顯著變化的反應(yīng)而在高溫下離解或聚和。
在一系列較佳的實施方案中，節(jié)流閥的最大N2氣體流導(dǎo)為至少1升/分鐘或以上，且在節(jié)流閥完全開啟時節(jié)流閥兩端的壓降小于100毫乇，在較佳情形中通常小于25毫乇。
出于解釋目的，前面的所有圖式10-12均顯示節(jié)流閥的所謂的“開環(huán)”運行，即其中將閥門位置設(shè)定為一獨立的變量。圖13顯示所述蒸氣輸送系統(tǒng)在以其正常的“閉環(huán)”模式運行時的時間標記圖?，F(xiàn)在參見圖7，在此種模式中，由數(shù)字蒸氣饋給控制器220向節(jié)流閥位置控制器件245提供一壓力設(shè)定點。所述位置控制器件調(diào)節(jié)閥門位置來使控制表輸出250與壓力設(shè)定點值之間的“誤差”最小化。這由一所謂的PID(比例積分微分)控制回路來實現(xiàn)，所述PID控制回路可編程為具有明確界定的響應(yīng)特性，例如(舉例而言)速度及穩(wěn)定時間、以及過調(diào)節(jié)度。Nor-Cal APC-200-A型即包含一耦接至一步進電動機的這種PID控制器，所述步進電動機用于使上面安裝有蝶型節(jié)流閥的圓盤的軸轉(zhuǎn)動。(此時應(yīng)指出，在本實例中所用的蝶型節(jié)流閥被其制造商設(shè)計成用于一從根本上不同的應(yīng)用—即下游壓力控制應(yīng)用，用于調(diào)節(jié)真空室處的抽吸速度，而本發(fā)明則將該硬件用于“上游”控制，用于將氣體引入一真空室內(nèi)。同樣地，使用一受到電動控制的密封的閘閥來實現(xiàn)上游節(jié)流控制也認為是一種新穎的作法。)為產(chǎn)生圖13所示的時間標記圖，以約十秒的間隔通過一圖形用戶接口向數(shù)字蒸氣饋給控制器220內(nèi)隨機地輸入三個不同的壓力設(shè)定點(20毫乇，30毫乇及40毫乇)來產(chǎn)生所述數(shù)據(jù)。圖13顯示當使用十八硼烷(B18H22)進料時該系統(tǒng)具有快的穩(wěn)定時間及優(yōu)異的可再現(xiàn)性。詳細地參見圖13，在時間＝0時，控制壓力讀數(shù)為20毫乇；在T＝10秒時，操作員向控制器220內(nèi)輸入一為30毫乇的設(shè)定點(SP1)；在T＝25秒時輸入一為20毫乇的設(shè)定點(SP2)，依此類推，一直到SP7。在圖13中所記錄的“階躍響應(yīng)”特性表明壓力的穩(wěn)定時間通常僅為數(shù)秒鐘、穩(wěn)定性極佳且過調(diào)量微乎其微。
圖14顯示圖4-7中蒸氣輸送系統(tǒng)的一遠程構(gòu)建方案，例如使氣化器、節(jié)流閥及其他流量控制元件位于一離子植入機的氣體分配箱中，從而要求使用一最長達1米的連接管來連接至離子源的入口。通過使用大直徑的管(直徑至少為1英寸)，蒸氣輸送鏈的總的流導(dǎo)不會明顯減小，且根據(jù)圖2，仍取決于離子源的蒸氣入口流導(dǎo)。
圖15顯示所述蒸氣輸送系統(tǒng)的又一重要特征。已知進料的氣化速率隨其開口表面積、且尤其隨固體-真空界面處的可用表面積而變化。隨著氣化器內(nèi)的粉末形式的進料隨時間被消耗，該可用表面積會穩(wěn)定地減小，從而造成節(jié)流閥之前的蒸氣壓力降低直至蒸氣的散發(fā)速率不能支持所需的蒸氣流速為止。這稱作“散發(fā)速率有限”運行。因此，通過在氣化器中新充填一既定的進料量，比如25℃的氣化器溫度就可能會在標稱節(jié)流閥位置處于其動態(tài)范圍的下端(例如圖10中曲線上所示的點7B所表示)時支持所需的蒸氣流量。在經(jīng)過一定時間之后(例如在消耗掉20％的進料之后)，就可能需要閥門處于一與圖10中曲線上所示的點7C相當?shù)奈恢靡跃S持相同的所需流量。此時，系統(tǒng)的狀態(tài)使節(jié)流閥接近其動態(tài)范圍的高排放量極限。通過適當?shù)臉?gòu)造，由蒸氣饋給控制器220來感測該排放量。其例如通過圖14中的信號246向氣化器加熱器控制器件(或調(diào)節(jié)器)215發(fā)送一新的更高的設(shè)定點溫度。所述蒸氣饋給控制器處理常駐查找表信息，所述常駐查找表信息決定將會產(chǎn)生一所需的蒸氣產(chǎn)生增加量及節(jié)流閥之前的壓力增加量的下一溫度變化增量。例如，在標稱30℃運行情況下，下一增量可為2℃，從而變化至32℃。該增量被選擇成一旦氣化器溫度穩(wěn)定至其新的值，即使標稱節(jié)流閥工作點重新變至圖10中的7B-接近其動態(tài)范圍的低排放量端。因此，數(shù)字控制器220既能適應(yīng)設(shè)定點蒸氣壓力的短時間變化又能適應(yīng)氣化器溫度的長時間變化的能力使在所充填進料的壽命內(nèi)對蒸氣流量的控制非常魯棒。
以上闡述了本發(fā)明的多個實施例。然而應(yīng)了解，可對這些實施例作出各種修改，此并不背離本發(fā)明的精神及范疇。
因此，其他實施例也歸屬于下文權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于向一真空室(130；258；260)輸送一從一固體材料(29；140；200)升華的受控蒸氣流的蒸氣輸送系統(tǒng)，其包括一可在負壓下運作的用于所述固體材料的受加熱氣化器(28；145；205；400)及一從所述氣化器至所述真空室的蒸氣輸送通道(37；237)的組合，所述蒸氣輸送通道包括一后隨一蒸氣導(dǎo)管(32；150；228)的節(jié)流閥(100；100’；235；430)，一位于所述節(jié)流閥與所述蒸氣導(dǎo)管之間可響應(yīng)于負壓的壓力表(60；240；450)，所述蒸氣輸送通道的暴露至所述升華的蒸氣的表面，包括所述節(jié)流閥、所述壓力表及所述蒸氣導(dǎo)管的此種表面，均適于保持在一高于所述固體材料的冷凝溫度的溫度，且一包含所述壓力表的閉環(huán)控制系統(tǒng)(60；120；240，250，245；PID2)構(gòu)造成響應(yīng)于所述壓力表的輸出而改變所述節(jié)流閥的流導(dǎo)以控制所述節(jié)流閥下游所述蒸氣的所述負壓，流至所述真空室的蒸氣流量取決于所述節(jié)流閥與所述蒸氣導(dǎo)管(32；150；228)之間所述通道區(qū)域中所述蒸氣的壓力。
2.如權(quán)利要求1所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其包括一適于使所述輸送通道(37；237)的所述表面的溫度保持高于所述氣化器的溫度的溫度控制系統(tǒng)(35)。
3.如權(quán)利要求2所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其具有所述蒸氣輸送通道的多個段，所述多個段適于距所述氣化器越遠而保持在逐漸越高的溫度。
4.如權(quán)利要求1，2或3所述的系統(tǒng)，其中所述蒸氣流速適于通過所述氣化器的一溫度控制系統(tǒng)(35；225，215，248；PID1)及所述節(jié)流閥的所述流導(dǎo)控制系統(tǒng)(60，120；240；250；245；PID2)二者來確定。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述氣化器的溫度是通過閉環(huán)控制來確定為一設(shè)定點溫度。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述節(jié)流閥的最大N2流導(dǎo)至少為1升/秒。
7.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中當所述節(jié)流閥以工作方式完全開啟時所述閥兩端的壓降小于100毫乇。
8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述節(jié)流閥(100；100’；235；430)的最大流導(dǎo)至少為所述蒸氣導(dǎo)管(32；150；228)的流導(dǎo)的5倍。
9.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述節(jié)流閥的所述最大流導(dǎo)至少為所述蒸氣導(dǎo)管的所述流導(dǎo)的10倍。
10.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述節(jié)流閥是一可變位置閘閥。
11.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述節(jié)流閥是一蝶型閥。
12.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其構(gòu)造成以一可重新充填的固定的固體材料(29；140；200)充填量運行，所述固體材料(29；140；200)充填量以一種使所述固體材料的蒸氣發(fā)出區(qū)域減小的方式逐漸消耗，且構(gòu)造成響應(yīng)于所述節(jié)流閥(100；100’；235；430)以外的壓力的一降低而將所述節(jié)流閥的位置復(fù)位以恢復(fù)所需流量，且還不時地在所述節(jié)流閥接近其最大可用流導(dǎo)時升高所述氣化器(28；145；205；400)的溫度以升高所述氣化器中的壓力并使所述節(jié)流閥能夠在其較佳流導(dǎo)動態(tài)范圍內(nèi)運行。
13.如權(quán)利要求12所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其與一基于節(jié)流閥的傳感及控制系統(tǒng)相結(jié)合，能夠為一氣化器加熱器的一調(diào)節(jié)器提供一氣化器設(shè)定點溫度值，所述調(diào)節(jié)器能夠使所述氣化器溫度維持在所述設(shè)定點，所述傳感及控制系統(tǒng)存儲至少一個表示所述節(jié)流閥的一所需流導(dǎo)上限的預(yù)確定閥門排放量值，所述傳感及控制系統(tǒng)構(gòu)造成監(jiān)測所述節(jié)流閥的所述位置，且一旦檢測到所述閥門接近或達到所述排放量值，所述傳感及控制系統(tǒng)就構(gòu)造成升高所述調(diào)節(jié)器加熱器的所述設(shè)定點溫度值(如通過輸入246)以使蒸氣產(chǎn)生增強、所述節(jié)流閥上游的蒸氣壓力升高，從而使所述節(jié)流閥的所述閉環(huán)控制能使所述閥門返回至一流導(dǎo)明顯變低的位置。
14.如權(quán)利要求13所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其包括一適用于運行的預(yù)確定溫升增量的參照表，且一旦檢測到所述閥門接近或達到所述排放量值，所述傳感及控制系統(tǒng)即有效地使所述氣化器溫度設(shè)定點遞增至所述參照表中的下一位階。
15.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其構(gòu)造及設(shè)置成向一離子源輸送可離子化的蒸氣。
16.如權(quán)利要求15所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其構(gòu)造及設(shè)置成向一離子植入機的所述離子源輸送可離子化的蒸氣。
17.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其構(gòu)造及設(shè)置成向一工件處理真空室輸送蒸氣。
18.如權(quán)利要求17所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其構(gòu)造及設(shè)置成向一用于對半導(dǎo)體進行劑量測定的處理室輸送可離子化蒸氣。
19.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其構(gòu)造成將其蒸氣傳送至一高真空，所述系統(tǒng)構(gòu)造成響應(yīng)于所述節(jié)流閥(100；100’；235；430)下游負壓的降低而升高所述氣化器(28；145；205；400)的溫度。
20.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述節(jié)流閥的所述控制系統(tǒng)包括一伺服回路，所述伺服回路響應(yīng)于所述壓力表(60；240；450)的所述輸出信號來調(diào)節(jié)所述節(jié)流閥(100；100’；235；430)的位置，以使所述表處的所述下游蒸氣壓力保持至一設(shè)定點值。
21.如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述氣化器構(gòu)造成容納并使十硼烷(B10H14)蒸發(fā)。
22.如前述權(quán)利要求1-20中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述氣化器構(gòu)造成容納并使十八硼烷(B18H22)蒸發(fā)。
23.如前述權(quán)利要求1-20中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述氣化器構(gòu)造成容納并使三氯化銦(InCl3)蒸發(fā)。
24.如前述權(quán)利要求1-20中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述氣化器構(gòu)造成容納并使三甲基銦[In(CH3)3]蒸發(fā)。
25.如前述權(quán)利要求1-20中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)，其中所述氣化器構(gòu)造成容納并使三乙基銻Sb(C2H5)3]蒸發(fā)。
26.一種將一從一固體材料升華的受控蒸氣流輸送至一真空室的方法，其借助如前述權(quán)利要求中任一項所述的蒸氣輸送系統(tǒng)來實施。
27.一種在一真空室中產(chǎn)生一離子束的方法，其借助如權(quán)利要求15或16所述的蒸氣輸送系統(tǒng)來實施，以將一從一固體材料升華的受控的可離子化流輸送至一離子化室。
全文摘要
一種用于向一真空室輸送一穩(wěn)定的升華蒸氣流的蒸氣輸送系統(tǒng)，其包括一固體材料氣化器、一機械節(jié)流閥及一壓力表、隨后是一通往所述真空室的蒸氣導(dǎo)管。所述蒸氣流速取決于所述氣化器的溫度及位于所述氣化器與所述真空室之間的機械節(jié)流閥的流導(dǎo)的設(shè)定值二者。所述氣化器的溫度取決于根據(jù)一設(shè)定點溫度進行的閉環(huán)控制。所述機械節(jié)流閥受到電控制，例如閥門位置受到根據(jù)所述壓力表的輸出進行的閉環(huán)控制。通過此種方式，所述蒸氣流速可大體與壓力表輸出成正比。所有暴露至自所述氣化器至所述真空室的蒸氣的表面均受到加熱來防止冷凝。圖中顯示一閘閥及一旋轉(zhuǎn)的蝶閥用作上游節(jié)流閥。在使用一固定的固體材料充填量時，可使所述氣化器的溫度在一很長的時間段內(nèi)保持穩(wěn)定，在所述時間段內(nèi)，隨著所述充填量的升華，所述節(jié)流閥從其工作范圍中的一較低的流導(dǎo)緩慢開啟。當達到一更大的閥門排放量時，升高溫度，以使所述閥門重新調(diào)節(jié)至其較低的流導(dǎo)設(shè)定值，以使其可重新隨著所述充填量的進一步消耗而緩慢開啟。
文檔編號C23C16/52GK1964620SQ200480037062
公開日2007年5月16日 申請日期2004年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者托馬斯·N·霍爾斯基, 羅伯特·W·米爾加特三世 申請人:山米奎普公司