專利名稱：蒸發(fā)液體形成薄膜的蒸發(fā)器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及蒸發(fā)前體氣體形成薄膜的蒸發(fā)器以及方法。
背景技術(shù)：
制造或生產(chǎn)半導(dǎo)體器件非常復(fù)雜，常常需要，例如，仔細(xì)同 步和精確計(jì)量地將多達(dá)十二種氣體輸送到加工室中。在制造工藝 中使用不同的配方，并且半導(dǎo)體器件需要很多離散的處理步驟， 例如清潔、拋光、氧化、掩模、刻蝕、摻雜和金屬化。所用的步 驟及其順序以及所涉及的材料都影響特定器件的制造。
隨著器件尺寸持續(xù)減小到90 nm以下，半導(dǎo)體發(fā)展方向指出， 很多應(yīng)用需要原子層沉積或ALD工藝，例如沉積用于銅互連的 阻擋層，以及形成鎢成核層。在ALD工藝中，兩種或多種前體 氣體(precursor gas)在維持于真空下的加工室內(nèi)流經(jīng)晶圓表面。 兩種或多種前體氣體以交替方式或脈沖方式流動，使氣體與晶圓 表面的部位或功能團(tuán)反應(yīng)。當(dāng)所有可用部位由一種前體氣體(例 如，氣體A)飽和時(shí)，反應(yīng)停止并且使用沖洗氣體將多余的前體 分子從加工室清除。當(dāng)下一前體氣體(即，氣體B)流經(jīng)晶圓表 面時(shí)重復(fù)上述過程。循環(huán)定義為一個(gè)前體A脈沖、沖洗、 一個(gè)前 體B脈沖、沖洗。重復(fù)此順序直到達(dá)到最終厚度。這些順序地自 限制表面反應(yīng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)循環(huán)沉積單層膜。
前體氣體進(jìn)入加工室的脈沖通常利用開/關(guān)型氣體閥控制， 其中氣體閥簡單地打開預(yù)定時(shí)間周期，將預(yù)定數(shù)量的前體氣體從
加熱保持容器輸送到加工室。另外，也可以使用氣體質(zhì)量流量控 制器在短時(shí)間間隔內(nèi)輸送可重復(fù)氣體流量，這種氣體質(zhì)量流量控 制器是由傳感器、氣體控制閥以及控制和信號處理電路組成的獨(dú) 立裝置。
在很多情況下，前體氣體是通過蒸發(fā)液體和固體形成的。目 前蒸發(fā)液體的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)是使用液體質(zhì)量流量控制器和單獨(dú)的蒸發(fā) 器裝置，或者組合的液體質(zhì)量流量控制器和蒸發(fā)器，以將蒸發(fā)的 前體氣體輸送到加熱保持容器。此液體首先由液體質(zhì)量流量控制 器從源容器計(jì)量，接著由蒸發(fā)器裝置蒸發(fā)，然后輸送到加熱保持 容器。接著，使用開/關(guān)型氣體閥或氣體質(zhì)量流量控制器將所需 數(shù)量的前體氣體從加熱保持容器輸送到加工室中。但是，此技術(shù) 的缺點(diǎn)是成本高。液體質(zhì)量流量控制器和蒸發(fā)器裝置也花費(fèi)大量
支出。另外，很多ALD前體具有相當(dāng)高的加熱需求，并且由于 冷凝而難以準(zhǔn)確地進(jìn)行流量控制，并易于在使用前以不希望的方 式分解。
ALD前體可以根據(jù)用途而有很大變化。新的前體仍在開發(fā)和 測試，以便滿足不同基體和沉積薄膜需求。三種非常常用的前體 是A1(CH3)3 (A1203沉積薄膜)、HfCl4 (Hf02沉積薄膜)和ZrCl4 (Zr02沉積薄膜)。每種這些氣體的氧前體通常是H20或02或03。 利用ALD或CVD技術(shù)可以沉積的其它薄膜類型包括Ni、 W、 Si02、 Ta205、 TaN、 Ti02、 WN、 ZnO、 Zr02、 WCN、 Ru、 Ir、 Pt、 RuTiN、 Ti、 Mo、 ZnS、 WNxCy、 HfSiO、 LaxCayMn03、 CuInS2、 In2S3、 HfN、 TiN、 Cu、 V205、禾B SiN。但是，應(yīng)該注意到，本發(fā) 明并不限于應(yīng)用于任何特殊前體或工藝。
仍然需求的還有蒸發(fā)前體材料形成薄膜的新的和改進(jìn)的蒸發(fā) 器以及方法，例如在原子層沉積(ALD)工藝中。優(yōu)選地，蒸發(fā)
前體氣體的新的和改進(jìn)的蒸發(fā)器和方法，與蒸發(fā)前體材料的現(xiàn)有 方法和裝置相比，其設(shè)計(jì)相當(dāng)簡單并且比較便宜。另外，優(yōu)選地， 用于蒸發(fā)的新的和改進(jìn)的蒸發(fā)器和方法在實(shí)際計(jì)量蒸氣時(shí)根據(jù)需 要提供蒸氣，這與使用前形成蒸氣并貯存蒸氣不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種蒸發(fā)器，包括接收液體的入口以及輸出氣體 的出口，控制氣體流到蒸發(fā)器出口的氣體閥，以及將在液體入口 與氣體閥之間流動的液體加熱的加熱裝置。所述蒸發(fā)器還包括將 液體入口與氣體閥之間流動的液體的熱傳遞速率增大并使液體入 口與氣體閥之間流動的液體產(chǎn)生壓力降的裝置，從而液體在到達(dá) 氣體閥后的壓力下降到液體的蒸氣相變壓力以下。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，引起流體入口和氣體閥之間壓力降以 及增大流體入口和氣體閥之間流動的液體的熱傳遞速率的裝置包 括連接流體入口和氣體閥的多孔塞。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，蒸發(fā)器結(jié)合在將脈沖質(zhì)量流量的前 體氣體輸入半導(dǎo)體加工室的系統(tǒng)中，其中所述系統(tǒng)實(shí)際測量流入 加工室的材料數(shù)量(質(zhì)量)并輸送高度可重復(fù)的和精確數(shù)量的氣 態(tài)物質(zhì)。
在其它方面和優(yōu)點(diǎn)中，本發(fā)明提供一種新的和改進(jìn)的蒸發(fā)器，
以及一種蒸發(fā)前體氣體形成薄膜的方法，例如原子層沉積(ALD) 工藝以及其它的化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝。此新的和改進(jìn)的蒸 發(fā)器以及蒸發(fā)前體氣體的方法在設(shè)計(jì)上相對簡單并且相對便宜。 另外，此新的和改進(jìn)的蒸發(fā)器使液體在計(jì)量時(shí)(即，僅僅當(dāng)氣體 閥打開時(shí))根據(jù)需要蒸發(fā)。從以下詳細(xì)描述中，對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員，本發(fā)明的其 它方面和優(yōu)點(diǎn)將變得相當(dāng)明顯，其中圖示和說明的本發(fā)明示意性 實(shí)施例僅是解釋性的。如同可以理解的，本發(fā)明可以具有其它的 和不同的實(shí)施例，其幾個(gè)細(xì)節(jié)可以在多個(gè)明顯方面進(jìn)行修改，所 有這些都不偏離本發(fā)明。因此，附圖和說明應(yīng)認(rèn)為其本質(zhì)上解釋 性的，而不是限制性的。


下面將參考附圖，其中具有相同附圖標(biāo)記的零件在所有附圖 中表示相同零件。在附圖中
圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的蒸發(fā)器的示意性實(shí)施
圖2示意性示出了包括圖1的蒸發(fā)器的原子層沉積系統(tǒng)的示 意性實(shí)施例；
圖3示意性示出了包括圖1的蒸發(fā)器的脈沖質(zhì)量流量輸送系 統(tǒng)的示意性實(shí)施例；
圖4是表示輸送脈沖質(zhì)量流量方法的示意性實(shí)施例的流程 圖，其中該方法可以用于操縱圖3的脈沖質(zhì)量流量輸送系統(tǒng)；
圖5是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的蒸發(fā)器的示意性實(shí)施例的側(cè)視圖6是圖5的蒸發(fā)器的端視圖7是圖5的蒸發(fā)器沿線7 — 7的剖視圖8是圖6的蒸發(fā)器沿線8 — 8的剖視圖9是圖5的蒸發(fā)器的一部分的放大剖視圖，其中示出了流 過蒸發(fā)器的入口并流入多孔塞的液體，并且示出了經(jīng)過蒸發(fā)器的
閥組件和出口流出多孔塞的氣體；以及
圖10是流過4個(gè)孔隙尺寸不同的多孔塞組件的水的壓力與多 孔塞長度的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
首先參考圖1和2，本發(fā)明提供一種新的和改進(jìn)的蒸發(fā)器10， 以及一種蒸發(fā)前體氣體形成薄膜的方法，例如原子層沉積(ALD) 工藝以及其它的化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝。在其它方面和優(yōu)點(diǎn) 中，根據(jù)本發(fā)明的蒸發(fā)前體氣體的新的和改進(jìn)的蒸發(fā)器以及方法 在設(shè)計(jì)上相對簡單，并且相對便宜。
如圖1和2所示，蒸發(fā)器10包括用于液體的入口 12、用于 氣體的出口 14以及控制氣體流到出口 14的氣體閥16。蒸發(fā)器10 還包括引起液體入口 12和氣體閥16之間平穩(wěn)壓力降以及增大液 體入口與氣體閥之間流動液體的熱傳遞速率的裝置18。蒸發(fā)器10 還包括加熱液體入口 12與氣體閥16之間流動的液體的裝置20， 從而在壓力降低到蒸氣曲線以下時(shí)保持溫度恒定或升高。壓力降 裝置18使進(jìn)入液體入口的液體壓力足夠充分地和快速地下降，使 液體的壓力下降到蒸氣相變壓力(vapor transition pressure)以下， 并在到達(dá)氣體閥后被蒸發(fā)。雖然未圖示，但蒸發(fā)器10也可以包括 監(jiān)測壓力降裝置18的溫度的傳感器，以及根據(jù)溫度控制加熱裝置 20的控制器電路。
蒸氣壓力是蒸氣的壓力(如果蒸氣混合其它氣體，則是分壓)。 在任何給定溫度，對于特定物質(zhì)，存在一個(gè)該物質(zhì)的蒸氣與其液 體或固體形式平衡的壓力。這就是該物質(zhì)在該溫度下的飽和蒸氣 壓力。術(shù)語蒸氣壓力常常理解成平均飽和蒸氣壓力。當(dāng)任意液體 的壓力等于其飽和蒸氣壓力時(shí)，液體部分蒸發(fā)；液體和蒸氣達(dá)到
平衡。假定溫度不變，如果壓力減小，平衡朝著物質(zhì)氣相方向變 化，液體最終全部蒸發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示意性實(shí)施例，引起壓力降以及增大熱傳 遞速率的裝置包括多孔介質(zhì)塞18。重要的是注意到閥出口的壓力 必須低于液體的蒸氣壓力。否則，液體將流出多孔介質(zhì)，氣體閥 將不能關(guān)閉。較高的熱傳遞速率是保證恒定溫度必需的，因?yàn)檎?發(fā)液體產(chǎn)生熱耗。如果多孔介質(zhì)塞18的局部溫度下降，則局部飽 和蒸氣壓力隨之下降，有時(shí)低于出口處的壓力。然后，在多孔介 質(zhì)塞18中將不會有任何蒸發(fā)。
適合的多孔介質(zhì)可以從，例如，CT， Farmington的Mott公 司(http:〃www.mottcorp.com)獲得。根據(jù)一個(gè)示意性實(shí)施例，多 孔介質(zhì)是由燒結(jié)金屬制成的。燒結(jié)金屬可以由預(yù)燒結(jié)的平均粒度 小于20微米的金屬粉末制成。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，燒結(jié)粉末的平 均粒度小于10微米，燒結(jié)金屬的密度至少為5g/cc。用于制造塞 18的金屬是從以下組中選擇的不銹鋼、鎳和鎳合金以及鈦，但 不限于此，以便滿足特殊要求，例如較高的溫度和耐蝕性。特別 是，金屬和合金包括，但不限于不銹鋼316L、 304L、 310、 347 和430， Hastelloy C-276、 C-22、 X、 N、 B禾口 B2， Inconel 600、 625和690， Nickel 200和Monel 400(70Ni-30Cu)，鈦，以及合金 20。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示意性實(shí)施例，多孔介質(zhì)塞18由不銹鋼 316L制成，并且適于在壓力30 psig (以大氣壓作為0基準(zhǔn)的計(jì) 量壓力)以10 sccm (每分鐘的標(biāo)準(zhǔn)立方厘米)流速供應(yīng)氮?dú)狻?根據(jù)另一個(gè)示意性實(shí)施例，多孔介質(zhì)塞18由不銹鋼316L制成， 并適于在30 psig以50 sccm流速供應(yīng)N2;由不銹鋼316L制成， 并適于在30 psig以250 sccm流速供應(yīng)N2;或者由Nickel 200制 成，并適于在30 psig以50 sccm流速供應(yīng)N2。根據(jù)本發(fā)明的一 個(gè)示意性實(shí)施例，多孔介質(zhì)塞18是圓柱形和細(xì)長形的，可以包括 單一的細(xì)長多孔介質(zhì)件，或者可以包括單獨(dú)的嵌件，它們堆積在 一起形成細(xì)長的多孔介質(zhì)組件。
多孔介質(zhì)塞18也可以由共軸線地接收在外套中的內(nèi)圓柱組 裝成，并且內(nèi)圓柱和外套可以包括不同的多孔介質(zhì)。這種組件將 提供平行流的蒸氣。
多孔介質(zhì)塞18的孔隙度或孔隙尺寸控制壓力降。根據(jù)一個(gè)示 意性實(shí)施例，多孔介質(zhì)塞18包括單件的嵌件，通過將兩個(gè)不同尺 寸燒料燒結(jié)成單件制品而被制成。每種燒料尺寸將對應(yīng)于不同孔 隙尺寸或孔隙度。
多孔介質(zhì)塞18可以包括金屬以外的材料，例如石英、陶瓷(藍(lán) 寶石、氧化鋁、氮化鋁等)，以及聚合材料，包括Teflon、 PFA、 PTFA等。
引起壓力降和增大熱傳遞速率的裝置18可選地可具有其它
形式，例如，但不限于長、細(xì)、直毛細(xì)管，長、細(xì)、螺旋毛細(xì) 管， 一束細(xì)毛細(xì)管，或?qū)恿骷?br> 如圖2所示，圖1的蒸發(fā)器10可以用于為加工室60提供蒸 發(fā)的氣體前體以便形成薄膜，例如在原子層沉積(ALD)工藝或 其它化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝中。包括圖1所示蒸發(fā)器10的 原子層沉積系統(tǒng)11的一個(gè)示意性實(shí)施例表示在圖2中，并且還包 括液體前體源30、輸送室40以及將輸送室40連接到加工室60 的氣體閥50。如圖所示，蒸發(fā)器10的入口 12連接到液體源30， 而蒸發(fā)器的出口 14連接到輸送室40。蒸發(fā)器IO用于蒸發(fā)來自液 體源30的液體前體并且將蒸發(fā)的液體，或者前體氣體輸送到輸送 室40。雖然未圖示，輸送室40也可以加熱。接著，打開并關(guān)閉 氣體閥50，以將前體氣體從輸送室40輸送到加工室60，根據(jù)需 要在加工室內(nèi)形成薄膜。
參看圖3，表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的質(zhì)量流量輸送系統(tǒng)100的 一個(gè)示意性實(shí)施例，并且包括圖1的蒸發(fā)器10。圖4示出了輸送 質(zhì)量流量的方法200的一個(gè)示意性實(shí)施例，其中該方法用于操作 圖3的脈沖質(zhì)量流量輸送系統(tǒng)。系統(tǒng)100和方法200特別用于將 無污染的、數(shù)量精確計(jì)量的加工氣體輸送到半導(dǎo)體加工室，例如 ALD或CVD裝置的加工室。質(zhì)量流量輸送系統(tǒng)100和方法200 實(shí)際上測量流入加工室的材料數(shù)量(質(zhì)量)。另外，系統(tǒng)100和方 法200提供高度可重復(fù)的和精確數(shù)量的氣態(tài)物質(zhì)，以便應(yīng)用于半 導(dǎo)體制造工藝，例如ALD或CVD工藝。
參看圖3，質(zhì)量流量輸送系統(tǒng)100包括連接到蒸發(fā)器10的保 持空間140，以及控制流出保持空間140的質(zhì)量流量的閥150。根 據(jù)本發(fā)明一個(gè)示意性實(shí)施例，陶150包括具有大約l至5毫秒極 快響應(yīng)時(shí)間的開/關(guān)型閥。質(zhì)量流量輸送系統(tǒng)IOO還具有壓力傳 感器104，以便測量保持空間140內(nèi)的壓力，以及溫度傳感器106， 用于測量保持空間140上或保持空間140內(nèi)的溫度。壓力傳感器 104還具有大約1至5毫秒的相當(dāng)快的響應(yīng)時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)示意性實(shí)施例，溫度傳感器106接觸保持空間140的壁，并 提供對其的溫度測量。適合應(yīng)用于本發(fā)明輸送系統(tǒng)IOO的壓力傳 感器104的例子包括可以從本發(fā)明申請人購得的Bamtron⑧牌壓力 傳感器，MA ，Wilmington 的 MKS Instruments 公司
(http:〃www.mksinst.com)。適合的閥150是，例如，用于原子層 沉積的隔膜閥，可以從Ohio, Solon的Swagelok公司獲得
(www.swagelok.com )。
質(zhì)量流量輸送系統(tǒng)100的輸入/輸出裝置108接收所需的質(zhì)
量流量(直接從操作員，或者間接通過晶圓加工計(jì)算機(jī)控制器)，
并且計(jì)算機(jī)控制器(即，計(jì)算機(jī)處理單元或"CPU") 102連接至 壓力傳感器104、溫度傳感器106、出口閥150和輸入/輸出裝置 108。輸入/輸出裝置108也可以用于輸入其它處理指令，并可以 用于提供系統(tǒng)100輸送的質(zhì)量指示(直接輸出到操作員，或者間 接通過晶圓加工計(jì)算機(jī)控制器)。例如，輸入/輸出裝置108可以 包括具有鍵盤、鼠標(biāo)和監(jiān)視器的個(gè)人計(jì)算機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示意性實(shí)施例，圖3的質(zhì)量流量輸送系統(tǒng) 100的控制器102執(zhí)行圖4的方法200。參看圖3和4,控制器102 被編程以通過輸入/輸出裝置108接收所需的質(zhì)量流量(即，設(shè) 定點(diǎn))，如圖4的202所示，關(guān)閉出口閥150，如圖4的204所示， 打開蒸發(fā)器10的闊16，如圖4的206所示，使用壓力傳感器104 測量保持空間140內(nèi)的壓力，如圖4的208所示，以及當(dāng)保持空 間140內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)定水平時(shí)關(guān)閉入口閥16，如圖4的210所 示。預(yù)定水平的壓力是用戶定義的，并可以通過輸入/輸出裝置 108提供。例如，預(yù)定水平的壓力可以包括200 torr。
在預(yù)定等待時(shí)間之后，此時(shí)保持空間140內(nèi)的氣體能達(dá)到平 衡狀態(tài)，打開出口閥150，從保持空間140排出一定量的氣體， 如圖4的212所示。預(yù)定等待時(shí)間是用戶定義的，可以通過輸出 /輸出裝置108提供。例如，預(yù)定等待時(shí)間可以包括3秒。當(dāng)排 出的氣體的量等于用戶定義的所需質(zhì)量流量時(shí)關(guān)閉出口闊150， 如圖4的214所示。出口閥150打開僅僅很短時(shí)間(例如，100 到500毫秒)。然后控制器102將排出的氣體的量提供到輸入/輸 出裝置108。
其它操作方式也是可以的。例如，在一些情況下，可以希望 將保持空間140填充到給定壓力，從而在再次填充保持空間之前，
可以通過出口閥輸送保持空間內(nèi)的多劑量的氣體。在其它情況下， 可以需要在一段很長時(shí)間周期內(nèi)輸送一定量氣體，其中長時(shí)間打
開出口閥(例如，0.5到30秒)。另外，通過在入口或出口使用
多個(gè)閥可以延長閥的使用壽命。在某一時(shí)刻兩個(gè)閥中僅有一個(gè)是 脈沖操作的，并且在第一閥失效時(shí)可以使用第二閥。為了在打開
或關(guān)閉模式中允許閥失效，就需要4個(gè)閥兩個(gè)串聯(lián)，這兩對并
聯(lián)。2004年12月17日提交的美國專利申請No. 11 / 015465，其 標(biāo)題為"Pulsed Mass Flow Deliver System and Method"并轉(zhuǎn)讓給 本發(fā)明的申請人，披露了這種結(jié)構(gòu)，并且該專利公開文獻(xiàn)全文結(jié) 合在此引作參考。
對高壓應(yīng)用，系統(tǒng)100的保持空間140內(nèi)的氣體溫度可以用 溫度探針(temperature probe) 106檢測。但是對于低壓應(yīng)用以及 快速溫度瞬變，使用探針測量溫度可能對于準(zhǔn)確讀數(shù)不是足夠快。 在低壓應(yīng)用和快速溫度瞬變的情況下，使用估計(jì)氣體溫度的實(shí)時(shí) 物理模型，這將在下面描述。
對于一些前體材料，簡單地通過將其加熱可能難以實(shí)現(xiàn)材料 的足夠蒸氣壓力。例如， 一些材料可以在加熱時(shí)過度分解達(dá)到用 于輸送的足夠蒸氣壓力，減小沉積過程的效率。在其它情況下， 可能足夠蒸發(fā)所需的溫度不希望那么高。在這些情況下，前體材 料可以溶解在適當(dāng)溶劑中，然后蒸發(fā)。溶劑的例子包括各種醇、 醚、丙酮和油。根據(jù)特定的應(yīng)用可以適當(dāng)?shù)厥褂糜袡C(jī)或無機(jī)溶劑。 超臨界C02可以作為各種材料的有效溶劑。
根據(jù)理想氣體定律，保持空間140中的總質(zhì)量m為
<formula>formula see original document page 16</formula> (1)
式中，P為密度，V為體積，P是絕對壓力，T是絕對溫度， R是氣體常數(shù)。
在保持空間140內(nèi)的密度動態(tài)變化為
dp/dt:-(QoutpsTp/V) (2)
式中，Q。m是從保持空間140流出的流量，psTP是標(biāo)準(zhǔn)溫度 和壓力(STP)條件下的氣體密度。
保持空間140內(nèi)的溫度動態(tài)變化為
dT/dt="TP// V)Q0Ut(" 1 )T+(]W/)(AW/VC vp)(Tw-T) (3)
式中，y是比熱之比，Nu是Nusslets數(shù)，/c是氣體的導(dǎo)熱率， "是恒體積比熱，/是輸送室的特征長度，Tw是溫度探針106提 供的保持空間140的壁溫度。
出口流量Q。ut可以按下式估計(jì)
Qout;(V/化TP)[(l/RT)(cWdt)-(P/RT2)(dT/dt)] (4)
為了計(jì)算從保持空間140輸出的總質(zhì)量Am，式(4)代入式 (3)的Q。ut計(jì)算保持空間140內(nèi)時(shí)間4時(shí)的氣體溫度T(t)，與圖 3中使用溫度探針106相對。壓力傳感器104提供保持空間140 內(nèi)時(shí)間4時(shí)的壓力P(t)。
在時(shí)間tQ和時(shí)間1*之間從保持空間140輸出的總質(zhì)量Am為
△m=m(t0)-m(t*)=V/R[(P(t0)/T(t0))-(P(t*)/T(t*))] (5)
在其它方面和優(yōu)點(diǎn)中，本發(fā)明的質(zhì)量流量輸送系統(tǒng)和方法， 例如圖3和4的示意性實(shí)施例，實(shí)際測量流入加工室的材料(質(zhì) 量)的量。另外，系統(tǒng)和方法提供高度可重復(fù)和精確數(shù)量的氣態(tài) 物質(zhì)，應(yīng)用于半導(dǎo)體制造工藝，例如原子層沉積(ALD)工藝。
圖5至9示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的蒸發(fā)器300的另一個(gè)示意 性實(shí)施例，其中蒸發(fā)器300包括含有多孔塞組件318的閥體350。 蒸發(fā)器300類似于圖1的蒸發(fā)器10，從而將相同的零件用相同附 圖標(biāo)記前面加"3"表示。
圖5至9的蒸發(fā)器300利用隔膜閥316進(jìn)行原子層沉積。適 合于原子層沉積的隔膜閥316，包括閥體350，例如，可以從Ohio， Solon的Swagelok公司獲得(www.swagelok.com)。
在圖5至9所示的示意性實(shí)施例中，閥體350包括入口 312 和出口314的陰連接器。如圖7至9更好地表示，閥體350限定 閥座352，從入口 312延伸到閥座352的入口通道354，以及從閥 座352延伸到出口 314的出口通道356。如圖7更好地表示，閥 體350還限定接收加熱器320的孔360。如圖8至9更好地表示， 閥體350還限定了接收溫度監(jiān)測器321的孔370。
多孔塞組件318位于閥體350的入口通道354內(nèi)。在圖示的 示意性實(shí)施例中，多孔塞組件318是圓柱形和細(xì)長的，并包括接 收在固體金屬套內(nèi)的單個(gè)細(xì)長的多孔介質(zhì)件。可選地，多孔塞組 件可以包括單獨(dú)的嵌件，它們堆積在一起形成細(xì)長組件，并且嵌 件可以包括不同的多孔介質(zhì)(即，在不同壓力提供不同流速)。
圖10是假想液體在恒定溫度流經(jīng)不同孔隙尺寸Kl和K2的 四個(gè)多孔塞組件時(shí)壓力與多孔塞長度的關(guān)系曲線。在圖示例子中， 組件的總長為大約0.014 m，組件還具有孔隙尺寸為Kl的第一部 分，以及孔隙尺寸為K2的第二部分。 一個(gè)多孔塞組件包括 Kl=K2=2.8e-13m2 。 另 一 個(gè)組件包括 Kl=5.6e-14m2和 K2=5.5e-13m2。附加的組件包括Kl=3.0e-14m2和K2=2.8e-12m2。 又一個(gè)組件包括K^5.6e-14m2和K2=l.4e-12m2。曲線表示出，每 個(gè)多孔塞組件使液體在流經(jīng)組件之前蒸發(fā)。
本說明書中描述的示意性實(shí)施例是作為示意給出的，而不限 制性的，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明在其寬廣方面以及 如同權(quán)利要求書中給出的精神或范圍的情況下，可以做出不同的 改型、組合和替代。
權(quán)利要求
1.一種蒸發(fā)器，包括液體入口；氣體出口；控制氣體流到氣體出口的氣體閥；將在液體入口與氣體閥之間流動的液體加熱的加熱裝置；以及使液體入口與氣體閥之間流動的液體產(chǎn)生壓力降并將液體入口與氣體閥之間流動的液體的熱傳遞速率增大的裝置，從而在到達(dá)氣體閥時(shí)，液體的壓力下降到液體的蒸氣相變壓力以下。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述用于產(chǎn) 生壓力降并增大熱傳遞速率的裝置包括多孔介質(zhì)塞。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的蒸發(fā)器，其特征在于，多孔介質(zhì)包 括燒結(jié)金屬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，其特征在于，燒結(jié)金屬是 由預(yù)燒結(jié)平均粒度小于20微米的金屬粉制成的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的蒸發(fā)器，其特征在于，燒結(jié)件的平均粒度小于io微米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，其特征在于，燒結(jié)金屬的 密度至少是5 g/cc。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述金屬選 自不銹鋼、鎳和鎳合金以及鈦。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，其特征在于，多孔介質(zhì)塞 包括具有第一孔隙尺寸的第一部分以及具有第二孔隙尺寸的第二 部分，其中第一部分與第二部分是串聯(lián)的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，其特征在于，多孔介質(zhì)塞是圓柱形和細(xì)長的，并包括單個(gè)細(xì)長的多孔介質(zhì)件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，其特征在于，多孔介質(zhì) 塞包括單獨(dú)的嵌件，它們堆積在一起形成多孔介質(zhì)的細(xì)長組件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，其特征在于，多孔介質(zhì) 塞是圓柱形和細(xì)長的，并包括共軸線地接收在外套中的內(nèi)圓柱， 并且內(nèi)圓柱和外套包括不同多孔介質(zhì)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述閥包 括閥體，所述閥體包含閥座，從蒸發(fā)器的入口延伸到閥座的入口 通道，以及從閥座延伸到蒸發(fā)器出口的出口通道；并且所述多孔 介質(zhì)塞位于所述入口通道中。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述加熱 裝置包括電加熱線圈，并且所述蒸發(fā)器還包括溫度傳感器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述閥包 括隔膜閥。
15. —種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器的原子層沉積系 統(tǒng)，并且所述系統(tǒng)還包括保持空間，其中蒸發(fā)器的入口適于連接至液體前體的源，而 蒸發(fā)器的出口連接到保持空間；以及氣體閥，用于將保持空間連接至加工室。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括通過 氣體閥連接到保持空間的加工室。
17. —種包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器的、用于輸送所 需質(zhì)量氣體的系統(tǒng)，并且所述系統(tǒng)還包括-連接至蒸發(fā)器出口的保持空間；控制氣體流出保持空間的出口閥；領(lǐng)J量保持空間內(nèi)的壓力的壓力傳感器；提供從系統(tǒng)中輸送的所需質(zhì)量氣體的輸入裝置；控制器，所述控制器連接至閥、壓力傳感器和輸入裝置，并 且被編程執(zhí)行以下步驟經(jīng)由輸入裝置接收所需質(zhì)量的氣體；關(guān)閉出口閥；打開蒸發(fā)器的閥；從壓力傳感器接收對保持空間的壓力測量值； 當(dāng)保持空間內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)關(guān)閉蒸發(fā)器的閥； 等待預(yù)定的等待時(shí)間，使保持空間內(nèi)的氣體達(dá)到平衡狀態(tài)； 在時(shí)間-to打開出口閥；以及當(dāng)排出的氣體的質(zhì)量等于所需的質(zhì)量時(shí)在時(shí)間=1*關(guān)閉出口閥。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，預(yù)定等待時(shí) 間包括3秒。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，t*=100至 500毫秒。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，t*=0.5至 30秒。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，保持空間內(nèi) 的壓力預(yù)定值允許在保持空間需要重新填充之前，將保持空間內(nèi) 預(yù)定數(shù)量的氣體量輸送經(jīng)過出口閥。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，液體在輸送 到蒸發(fā)器入口之前溶解在合適的溶劑中。
23. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括經(jīng)過 出口閥連接至保持空間的加工室。
24. —種蒸發(fā)液體的方法，包括 通過入口接收液體； 將氣體閥連接至入口；將在液體入口與氣體閥之間流動的液體加熱，以使得甚至當(dāng) 液體壓力下降時(shí)防止液體的溫度下降； 增加液體入口與氣體閥之間流動的液體的熱傳遞速率；以及使液體入口與氣體閥之間流動的液體產(chǎn)生壓力降，從而在達(dá) 到氣體閥時(shí)，液體的壓力下降到液體的蒸氣相變壓力以下。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，使用多孔介 質(zhì)塞對液體入口與氣體閥之間流動的液體產(chǎn)生壓力降，并增加液 體的熱傳遞速率。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，液體在經(jīng)過 入口被接收之前溶解在合適的溶劑中。
全文摘要
一種蒸發(fā)器(10)，包括液體的入口(12)以及氣體的出口(14)，控制氣體流到蒸發(fā)器(10)出口(14)的氣體閥(16)，以及將在液體入口(12)與氣體閥(16)之間流動的液體加熱的裝置。所述蒸發(fā)器(10)還包括將液體入口與氣體閥之間流動的液體的熱傳遞速率增加并使液體產(chǎn)生壓力降的裝置(18)，從而液體在到達(dá)氣體閥后壓力下降到液體的蒸氣相變壓力以下。在等溫的狀態(tài)下出現(xiàn)壓降，并且僅在閥(16)打開時(shí)根據(jù)需要蒸發(fā)液體。增加熱傳遞速率和產(chǎn)生壓力降的裝置(18)可以是多孔介質(zhì)塞。
文檔編號C23C16/448GK101171368SQ200680015728
公開日2008年4月30日 申請日期2006年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月18日
發(fā)明者A·沙吉, D·史密斯, P·梅內(nèi)吉尼, W·克拉克 申請人:Mks儀器公司