本申請(qǐng)要求2015年11月9日提交的的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)62/253,016的權(quán)益，其通過(guò)引用納入本文。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體加工工具。更具體的，本發(fā)明涉及從小流動(dòng)管向大流動(dòng)管移動(dòng)的氣體的低壓混合器。

發(fā)明背景

一些清潔加工或其他低真空加工需要在等離子源(PS)和晶片加工室之間混合氣體/蒸氣。例如NF₃/NH₃加工可用于從Si中移除SiO₂。在該加工中，Ar在注射入頂部等離子源之前與NF₃混合。

在PS中生產(chǎn)等離子，其除了對(duì)Ar/NF₃混合物進(jìn)行一些電離之外還生產(chǎn)具有高度反應(yīng)性的氟自由基。在PS和所述室之間使用具有相對(duì)大直徑(直徑約25mm-50mm)和相對(duì)短長(zhǎng)度(約100mm-300mm)的電導(dǎo)管，從而使氟自由基的重組最小化。

在示例性加工中，NH₃無(wú)法在PS之前與Ar/NF₃混合，這是由于NH₃的解離是不需要的。NH₃通常注射入PS至室電導(dǎo)管的一側(cè)。然而，注射入電導(dǎo)管的長(zhǎng)度/直徑比較低(約2:1-12:1)的一側(cè)無(wú)法提供有效的混合，因此會(huì)導(dǎo)致NH₃在加工的晶片上分布不均勻。穩(wěn)健和可重復(fù)加工需要NH₃在晶片上均勻分布。

示例加工中出現(xiàn)的問(wèn)題可部分歸因于：(1)擴(kuò)散時(shí)間不充分，無(wú)法確保完全混合；和(2)在所需壓強(qiáng)下保持流線。混合時(shí)間是管的長(zhǎng)度和直徑的函數(shù)，所述氣體在所述管中以給定速度粘滯性流動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)完全混合，所述管必須足夠長(zhǎng)，從而從入口至出口的粘滯流動(dòng)的時(shí)間超過(guò)沿著直徑擴(kuò)散的時(shí)間。通常，所述管長(zhǎng)度與管直徑的比值可超過(guò)20:1以實(shí)現(xiàn)完全混合。然而，鑒于直徑必須較大以保存所形成的F自由基，長(zhǎng)度與直徑之比20:1可能不可行。

流線能影響氣體混合。處于具體壓強(qiáng)時(shí)，若流動(dòng)氣體的流線保持未受干擾，則引入的氣體流可能無(wú)法合適地混合。例如，因氣體離開(kāi)PS形成的壓強(qiáng)為1-10托。這些壓強(qiáng)下，氣體流通常為層狀流。

因此，需要制造其中氣體充分混合，并且使來(lái)自等離子源的自由基/離子重組最小化的系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施方式，公開(kāi)部分地包括等離子源、錐形元件、逆流注射器和可配置孔板的裝置。錐形元件被配置接收第一方向的第一氣體，并促進(jìn)第一氣體和第二氣體的混合。逆流注射器導(dǎo)入第二方向的第二氣體，使得所述第一方向與第二方向相反。所述裝置包括安裝在所述錐形元件底部的可配置孔板，該可配置孔板限定所述第一氣體和所述第二氣體通過(guò)的開(kāi)口；從而改變所述可配置孔板的開(kāi)口尺寸會(huì)改變所述第一氣體和所述第二氣體的混合的程度。

根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施方式，公開(kāi)了一種反應(yīng)系統(tǒng)。該反應(yīng)系統(tǒng)包括：等離子源，該等離子源生成第一氣體；錐形元件，該錐形元件被配置為接收第一方向的所述第一氣體，逆流注射器，該逆流注射器引入第二方向的第二氣體，其中所述第一方向與所述第二方向相反；安裝在所述錐形元件底部的可調(diào)節(jié)孔板，該可調(diào)節(jié)孔板限定所述等離子氣體和所述第一流體通過(guò)的開(kāi)口；接收所述第一氣體和所述第二氣體的反應(yīng)室，所述反應(yīng)室包括：限定增壓室(plenum)以接收所述第一氣體和所述第二氣體的外殼；和具有多孔的噴頭，用于使所述第一氣體和所述第二氣體通過(guò)至待處理的基質(zhì)上；其中所述錐形元件促進(jìn)所述第一氣體和所述第二氣體的混合；和其中調(diào)節(jié)所述可調(diào)節(jié)孔板的開(kāi)口尺寸會(huì)改變所述第一氣體和所述第二氣體的混合的程度。

出于總結(jié)本發(fā)明和相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所取得的益處的目的，在本文中描述本發(fā)明的某些目的和益處。當(dāng)然，應(yīng)理解本發(fā)明的任意具體實(shí)施方式不必然能實(shí)現(xiàn)所有的這些目的或優(yōu)點(diǎn)。因此，例如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解可以下述方式實(shí)施或進(jìn)行本發(fā)明：取得或優(yōu)化本文所教導(dǎo)或暗示的一種或更多種優(yōu)點(diǎn)，而不必然取得本文所可能教導(dǎo)或暗示的其它目的或優(yōu)點(diǎn)。

所有這些實(shí)施方式都包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。根據(jù)以下對(duì)某些實(shí)施方式的具體描述并參考附圖，這些以及其他實(shí)施方式對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的，但是本發(fā)明不受限于任何公開(kāi)的具體實(shí)施方式。

附圖簡(jiǎn)述

現(xiàn)結(jié)合某些實(shí)施方式的附圖說(shuō)明本發(fā)明公開(kāi)的這些或其它特征、方面和優(yōu)勢(shì)，這旨在說(shuō)明本發(fā)明而不是限制本發(fā)明。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式的反應(yīng)系統(tǒng)的截面圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式的反應(yīng)系統(tǒng)的截面圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式的反應(yīng)系統(tǒng)的組件的俯視透視圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式的反應(yīng)系統(tǒng)的組件的俯視透視圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式的反應(yīng)系統(tǒng)的組件的仰視透視圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式的反應(yīng)系統(tǒng)的組件的透視圖。

應(yīng)理解為了簡(jiǎn)化和清楚起見(jiàn)而在附圖中圖示各要素，這些要素不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些要素的尺寸可以相對(duì)其它要素放大，有助于更好地理解本公開(kāi)的這些說(shuō)明性實(shí)施方式。

示例性實(shí)施方式的詳述

盡管以下公開(kāi)了某些實(shí)施方式和示例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解本發(fā)明不限于具體公開(kāi)的實(shí)施方式和/或本發(fā)明的應(yīng)用和顯而易見(jiàn)的修改及其等同變化。因此，本發(fā)明公開(kāi)的范圍不應(yīng)受限于以下描述的具體公開(kāi)的實(shí)施方式。

圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式的反應(yīng)系統(tǒng)100的截面圖。反應(yīng)系統(tǒng)100包括等離子源。等離子源(“PS”，圖1中示為“等離子氣體源”)從氣態(tài)混合物產(chǎn)生第一氣體110，使用RF能量來(lái)激發(fā)氣體。例如，等離子源可接收氬氣和NF₃、WF₆、或其他含氟氣體的混合物。等離子源可部分離子化氣體混合物，形成輝光放電等離子體并在加工中形成具有高度化學(xué)反應(yīng)性的F自由基。PS的示例包括MKS儀器公司(MKS Instruments,Inc.)的Paragon和先進(jìn)能源公司(Advanced Energy Industries,Inc.)的Litmas。等離子源還可針對(duì)應(yīng)用而定制設(shè)計(jì)并建立。

第一氣體110流動(dòng)并通過(guò)密封物120至錐形漏斗部分130。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，密封物120的直徑可為50mm。錐形漏斗部分130由合適的材料制成，例如：鋁；陽(yáng)極氧化鋁；等離子體電解氧化物(PEO)涂覆的鋁；氧化鋁；氮化鋁；碳化硅；鎳；鎳鍍的鋁；或例如鍍鎳的不銹鋼。該錐形漏斗部分130可包括其中設(shè)置了逆流注射器140的孔洞。逆流注射器140包括向上轉(zhuǎn)向而朝向PS的小注射管。逆流注射器140可由合適材料制成，例如鎳或鍍鎳的不銹鋼。可用的其他材料包括：陽(yáng)極氧化鋁基材；PEO涂覆的鋁基材；ALD Al₂O₃涂覆的鋁基材；氧化鋁陶瓷；氮化鋁陶瓷；或例如碳化硅。

逆流注射器140引入第二氣體150，其與從PS向下流動(dòng)的第一氣體110逆向流動(dòng)。通過(guò)逆流注射器140引入的流體會(huì)向上流入從PS向下流動(dòng)的氣體，直到所述第一氣體110使所述第二氣體150反向向下流回。當(dāng)所述流體轉(zhuǎn)回時(shí)，從逆流注射器140的流線未保持，并且大體上，發(fā)生注射的流體進(jìn)入等離子氣體中的混合現(xiàn)象。

第二氣體150先通過(guò)注射器氣源160生成。該注射器氣源160可提供例如氨氣(NH₃)、胺或氫氣(H₂)。例如，NH₃氣體可流過(guò)所述逆流注射器140并與氬氣和NF₃后等離子(post-plasma)混合物混合。然后第二氣體150從注射器氣源160通過(guò)閥門組170。閥門組170可為例如Swagelok公司生產(chǎn)的閥門。

逆流注射器140還不產(chǎn)生部分由密封物120限定的主管道的顯著堵塞。通過(guò)不產(chǎn)生主管道的顯著堵塞，可使氣體混合物內(nèi)和壁上的F自由基重組最小化。

本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，板180可置于逆流注射器140之上以增加第二氣體150的放射狀擴(kuò)散。如圖3所示，板180可由三個(gè)細(xì)徑向臂190支持以使流動(dòng)破壞最小化。板180還保護(hù)逆流注射器140以遮蔽氟自由基，否則其可發(fā)生重組并使逆流注射器140升溫超出部件的最大可允許溫度。板180和徑向臂190可由耐高溫并具有高導(dǎo)熱性的材料制成，例如氮化鋁或碳化硅。這允許使用更易于制造的材料例如不銹鋼和鋁來(lái)制造逆流注射器140，其不具有充分的耐熱性來(lái)耐受表面的氟重組。

然后，氣體混合物前進(jìn)通過(guò)可配置多孔板200。通過(guò)改變孔的尺寸可配置多孔板200可改變氣體混合物的混合時(shí)間?？膳渲枚嗫装?00的較大孔徑相比較小的孔徑可允許氣體混合物向下流動(dòng)的更慢。還可對(duì)孔進(jìn)行改變以影響孔上方的停留時(shí)間，從而控制氣相反應(yīng)的完整性。在密封物120直徑為50mm的實(shí)施方式中，可配置多孔板180的直徑為9mm。

更快速移動(dòng)意味著氣體混合物在錐形漏斗部分130中的停留時(shí)間更短，因此，注射的流體可能無(wú)法像在錐形漏斗部分130中的停留時(shí)間更長(zhǎng)的氣體混合物那樣得到良好混合。然而，增加停留時(shí)間可能潛在引起問(wèn)題，因?yàn)槠湓试S所產(chǎn)生的自由基發(fā)生重組。因此，可配置多孔板200的尺寸可能需要因此進(jìn)行調(diào)整。

在通過(guò)可配置多孔板200后，氣體混合物會(huì)移動(dòng)進(jìn)入較低的管210，然后其在這里進(jìn)入具有限定的增壓室230的反應(yīng)系統(tǒng)220。

在增壓室230內(nèi)，氣體混合物可沿著噴頭板240擴(kuò)散開(kāi)。噴頭板240的目的在于沿著基質(zhì)(未圖示)均勻分配氣體混合物。噴頭板240包括多個(gè)注射孔250。

圖2提供圖1的上部放大視圖。按照本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式，第一氣體110的流動(dòng)與第二氣體150相反。第二氣體150可能夠擴(kuò)散通過(guò)密封物120限定的空間，從而允許注射的流體與第一氣體110的充分混合。然后組合的氣體混合物會(huì)以箭頭260限定的方向流入可配置多孔板200和較低的管210。

圖4-5顯示了根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施方式的錐形漏斗部分130和逆流注射器140的頂視圖和底視圖。錐形漏斗部分130可包括安裝至等離子源的部分上的頂部部分270。錐形漏斗部分130還可包括與可配置多孔板200界面連接的底部部分280。與逆流注射器140連接的是閥門組170的部分。

圖6是根據(jù)本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施方式的可配置多孔板200的透視圖?？膳渲枚嗫装?00限定了開(kāi)口290，氣體混合物允許通過(guò)該開(kāi)口至較低的管210。開(kāi)口290的尺寸可通過(guò)切換至不同可配置多孔板200而進(jìn)行調(diào)整，其然后可影響氣體混合物260的流速以及氣體混合物260的停留時(shí)間。若開(kāi)口290的尺寸較大，氣體混合物的較低流速可能造成較高的停留時(shí)間，以及引入的流體150向等離子氣體110更多的混合。另一方面，若開(kāi)口290的尺寸較小，氣體混合物260的較低流速可能造成較小的停留時(shí)間，以及引入的流體150向等離子氣體110更少的混合。

所示和所述的具體實(shí)施方式用于說(shuō)明本發(fā)明及其最佳模式，并不旨在以任何方式限制本發(fā)明的各方面的范圍和實(shí)施方式。當(dāng)然，為了簡(jiǎn)潔，可能并不詳細(xì)描述該系統(tǒng)的常規(guī)制造、連接、準(zhǔn)備和其他功能性方面。此外，各種圖片中所示的連接線旨在表示各種元素之間的示例性功能關(guān)系和/或物理結(jié)合。在實(shí)際系統(tǒng)中可存在很多替換或附加功能關(guān)系或物理連接，以及/或者它們也可能并不存在于一些實(shí)施方式中。

應(yīng)理解本文描述的配置和/或方法本質(zhì)上是示例性的，且并不認(rèn)為這些具體實(shí)施方式或?qū)嵤├窍拗菩缘模驗(yàn)楹芏嘧兓绞揭彩强尚械?。本文描述的具體途徑和方法可代表一種或任意數(shù)量的處理策略。因此，多種方式可按照說(shuō)明的順序或其他順序?qū)嵤蛟谝恍┣闆r下被省略。

本公開(kāi)的主題包括本文公開(kāi)的多種工藝、系統(tǒng)、配置、其他特征、功能、方式和/或性質(zhì)的所有新型的、非顯而易見(jiàn)的組合及子組合，及其任意及全部等同組合。