一种用于半导体加工的固态前驱体源升华装置及方法

文档序号:128911 发布日期:2021-10-22 浏览:34次 >En<

阅读说明:本技术 一种用于半导体加工的固态前驱体源升华装置及方法 (Solid precursor source sublimation device and method for semiconductor processing ) 是由 谈益强 朱梦玉 薛剑 于 2021-09-13 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种用于半导体加工的固态前驱体源升华装置及方法,旨在解决固态前驱体源的挥发升华不稳定,固态前驱体源的利用率低的不足。该发明包括存储箱、安装在存储箱内的若干托盘、安装在托盘底部的电热温控板,托盘上密布若干用于装载固态前驱体源的储料槽,储料箱形成蛇形的通气流道,储料箱上设置载气进口、混合蒸汽出口,通气流道两端分别与载气进口、混合蒸汽出口连通。这种电热式固态前驱体源存储升华装置能为固态前驱体源的挥发升华提供均匀的稳定热能,并且杜绝了低阻通道现象的形成,对一些易板结的且具有一定蒸汽压的固态前驱体源仍然可以利用,在提供稳定浓度的固态前驱体源蒸汽同时提高了固态前驱体源的利用率。(The invention discloses a solid precursor source sublimation device and a solid precursor source sublimation method for semiconductor processing, and aims to overcome the defects that the solid precursor source is unstable in volatilization and sublimation and the solid precursor source is low in utilization rate. The device comprises a storage box, a plurality of trays arranged in the storage box and an electric heating temperature control plate arranged at the bottom of the trays, wherein a plurality of storage tanks used for loading solid precursor sources are densely distributed on the trays, the storage box forms a snake-shaped ventilation flow channel, a carrier gas inlet and a mixed steam outlet are arranged on the storage box, and two ends of the ventilation flow channel are respectively communicated with the carrier gas inlet and the mixed steam outlet. The electric heating type solid precursor source storage sublimation device can provide uniform and stable heat energy for volatilization and sublimation of the solid precursor source, avoids the formation of a low-resistance channel phenomenon, can still be used for some solid precursor sources which are easy to harden and have certain vapor pressure, provides the vapor of the solid precursor source with stable concentration, and improves the utilization rate of the solid precursor source.)

一种用于半导体加工的固态前驱体源升华装置及方法

技术领域

本发明涉及一种半导体加工技术,更具体地说,它涉及一种用于半导体加工的固态前驱体源升华装置及方法。

背景技术

前驱体是半导体薄膜沉积工艺的主要原材料。IC前驱体可以概括为:应用于半导体生产制造工艺,携有目标元素,呈气态或易挥发液态,具备化学热稳定性,同时具备相应的反应活性或物理性能的一类物质。在包括薄膜、光刻、互连、掺杂技术等的半导体制造过程中,前驱体主要应用于气相沉积(包括物理沉积PVD、化学气相沉积CVD及原子气相沉积ALD),以形成符合半导体制造要求的各类薄膜层。此外,前驱体也可用于半导体外延生长、蚀刻、离子注入掺杂以及清洗等,是半导体制造的核心材料之一。

目前,在利用固态前驱体源作为气相沉积技术关键制程材料过程中,因气相沉积系统的工作特性决定了需要将固态前驱体源材料转化为气相输送进入系统的反应器腔室,进而获取目标元素的沉积。在现已普遍实施的方法中采用将整体源瓶放置于可以输送系统设备中,并在源瓶外部给予热能,通过瓶壁将热能传递至瓶内,间接对其内部的固态前驱体源进行加热,以满足气相沉积制程所需的固态前驱体源蒸汽的使用需求。在这个过程中已经出现多种此类源瓶,其具有储存固态前驱体源的腔体,能够在外部热量传入供给及特定压力条件下逐渐产生固态前驱体源蒸汽。鉴于此类技术需求,源瓶具有对热能的需求性,固态前驱体源经加热产生挥发,在载气流动下将来自固体前驱体源的蒸汽携带转移致需求系统中。

已知的众多种类的固态前驱体源的蒸汽压是普遍较低的,在现有实施的固态前驱体源蒸汽获取方法中,普遍是通过调整载气通量及外部热量给予强度来提供较为稳定的气相沉积制程所需的固态前驱体源蒸汽。这种方式所提供的固态前驱体源蒸汽浓度具有伴随时间的较强波动性,同样的具有伴随源瓶内固态前驱体源量的减少而降低蒸汽浓度的特性,这种不稳定性对于气相沉积制程是不利的。当源瓶内的固态前驱体源具有易板结的特性时,这种固态前驱体源蒸汽浓度的不稳定性会更为突出,同样的当源瓶内的固态前驱体源堆积层被载气流击穿后将会出现低阻力气流通道,大量载气选择低阻力气流通道逃逸,这将会导致固态前驱体源蒸汽浓度急剧降低,随着载气通量的增大,这种现象会越发严重。板结、低阻通道会严重影响源瓶内固态前驱体源的利用率,增加了设备停机的频次,这对气相沉积是很不利的。

发明内容

为了克服上述不足,本发明提供了一种用于半导体加工的固态前驱体源升华装置及方法,它能为固态前驱体源的挥发升华提供均匀的稳定热能,并且杜绝了低阻通道现象的形成,对一些易板结的且具有一定蒸汽压的固态前驱体源仍然可以利用,在提供稳定浓度的固态前驱体源蒸汽同时提高了固态前驱体源的利用率,减少了设备停机频次。

为了解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:一种用于半导体加工的固态前驱体源升华装置,包括存储箱、安装在存储箱内的托盘、安装在托盘底部的电热温控板,托盘上密布若干用于装载固态前驱体源的储料槽,存储箱内设置若干个上下间隔布置的托盘,上下相邻两托盘之间的间隙形成通气腔,最上方的托盘和存储箱顶部之间形成通气腔,托盘一侧设有通气槽;上下相邻两托盘上的通气槽一个在托盘左侧,另一个在另一托盘的右侧,通气槽将所有通气腔连通在一起形成蛇形的通气流道;储料箱上设置载气进口、混合蒸汽出口,通气流道两端分别与载气进口、混合蒸汽出口连通;托盘呈上端开口的盒状结构,托盘内设有若干横向挡板和若干纵向挡板,若干横向挡板和若干纵向挡板交叉形成若干储料槽;横向挡板长度方向沿着通气腔气流的流动方向布设,纵向挡板上边缘高于横向挡板上边缘和托盘上边缘。

固态前驱体源均匀装载在托盘上的储料槽中,挥发面积相对稳定,多个储料槽、电热温控板、固态前驱体源形成的固态前驱体源蒸汽发生装置所产生的固态前驱体源蒸汽的浓度是稳定的,形成的固态前驱体源蒸汽与载气充分混合形成浓度稳定的混合蒸汽,混合蒸汽通过混合蒸汽出口接入气相沉积系统反应腔室实现固态前驱体源的稳定供给。固态前驱体源均匀装在不同的储料槽中,不易产生板结,与将所有固态前驱体源堆积在一起相比,有利于提高挥发效率,提高固态前驱体源的利用率。电热温控板对托盘加热,为储料槽内的固态前驱体源的挥发升华提供均匀的稳定热能。若干个储料槽是独立的腔体,用于均匀地装填固态前驱体源,这对于固态前驱体源特别是具有易板结特性的固态前驱体源的稳定挥发是有益的,不仅杜绝了传统气相沉积所采用的载气上穿固体前驱体源堆积层的易出现低阻通道形成,而且提供了相对稳定的固态前驱体挥发面积。精准控温、稳定的固态前驱体源发挥面积为蒸汽浓度的稳定性提供帮助。与传统固态前驱体源挥发装置相比,本发明具有控温精准、供热均匀、升温快速、固态前驱体源蒸汽浓度稳定、固态前驱体源利用率高、使用种类更广等优点,极大的提供了固态前驱体的使用周期,降低停机换瓶频次,为气相沉积制程的高效顺利进行提供助力。

通气槽将上下相邻两通气腔连通,相邻两托盘上的通气槽远离设置,引导气流在通气腔内沿最远路径流动,为载气与固态前驱体源的接触时长得到充分保障。横向挡板和纵向挡板将储料槽隔离开来,形成若干个独立的腔体,用于均匀地装填固态前驱体源。纵向挡板上边缘向上凸出,对通过的载气进行阻挡降速,为载气与固态前驱体源延长接触时长创造有利条件。

这种用于半导体加工的固态前驱体源升华装置能为固态前驱体源的挥发升华提供均匀的稳定热能,并且杜绝了低阻通道现象的形成,对一些易板结的且具有一定蒸汽压的固态前驱体源仍然可以利用,在提供稳定浓度的固态前驱体源蒸汽同时提高了固态前驱体源的利用率,减少了设备停机频次。

作为优选,电热温控板内安装电热丝和温度传感器。这种结构设置的电热温控板便于掌控加热温度。

作为优选,电热温控板上和通气槽对应设有连通槽,连通槽和通气槽贯通。

作为优选,存储箱内设有进气腔和挥发腔,托盘安装在挥发腔内,通气流道一端通过进气腔与载气进口连通,通气流道另一端与混合蒸汽出口连通。

载气通过载气进口送入进气腔内,经过挥发腔内的蛇形的通气流道,与固态前驱体源蒸汽充分混合,最后从混合蒸汽出口排出并送入气相沉积系统中。

作为优选,托盘底部设有插槽,电热温控板与插槽适配插装在一起。插槽的设置方便了电热温控板与托盘的连接安装。

作为优选,纵向挡板上部设有调节板,调节板可转动设置,存储箱内安装推拉杆,调节板均与推拉杆连接,推拉杆移动带动调节板转动,调节板一侧和储料槽一一对应安装有若干根拨杆,拨杆下端置于储料槽内,存储箱外安装活塞缸,活塞缸伸缩杆上安装磁性块,存储箱内安装能和磁性块相互吸引的滑块,滑动可在储存箱内滑动,推拉杆与滑块连接。

通过调节板的转动调整调节板上端与托盘之间的间距,对调节板阻挡气流的有效面积进行调整,进而调整气流的流速。当调节板处于竖直位置时,调节板上端与托盘之间的间距最小。当气流的流速太快时,活塞缸伸缩杆移动带动磁性块移动,滑块随磁性块一起移动,与滑块连接的推拉杆跟着移动并带动调节板转动,减小调节板上端与托盘之间的间距,增加对气流的阻挡面积,降低气流的流速,为载气与固态前驱体源延长接触时长创造有利条件。当气流的流速太慢时,活塞缸伸缩杆反向移动,带动调节板反向转动,增大调节板上端与托盘之间的间距,加快气流的流速。调节板转动的同时,与调节板连接的拨杆对储料槽内的固态前驱体源进行拨动,避免固态前驱体源板结,增加固态前驱体源的挥发效率,提高固态前驱体源的利用率。

一种电热式固态前驱体源存储升华方法,利用用于半导体加工的固态前驱体源升华装置进行操作,包括以下步骤:a、在托盘上的储料槽中装入固态前驱体源,并将电热温控板安装到托盘底部;b、将托盘和电热温控板一起装入存储箱内,封闭存储箱;c、将载气进口和混合蒸汽出口连接到气相沉积系统的管路中,载气进口通入载气;d、电热温控板通电加热,电热温控板对储料槽内的固态前驱体源进行加热,使通气腔内产生稳定浓度的固态前驱体源蒸汽,通过载气将固态前驱体源蒸汽带入气相沉积系统中。

固态前驱体源均与装入独立的储料槽中,挥发面积相对稳定,多个储料槽、电热温控板、固态前驱体源形成的固态前驱体源蒸汽发生装置所产生的固态前驱体源蒸汽的浓度是稳定的,形成的固态前驱体源蒸汽与载气充分混合形成浓度稳定的混合蒸汽。电热温控板通电加热,便于掌控温度,形成稳定浓度的固态前驱体蒸汽。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:(1)用于半导体加工的固态前驱体源升华装置能为固态前驱体源的挥发升华提供均匀的稳定热能,并且杜绝了低阻通道现象的形成,对一些易板结的且具有一定蒸汽压的固态前驱体源仍然可以利用,在提供稳定浓度的固态前驱体源蒸汽同时提高了固态前驱体源的利用率,减少了设备停机频次;(2)存储箱内气流的流速能够调节,调节的同时拨动固态前驱体源,使载气与固态前驱体源蒸汽充分混合,给气相沉积系统提供稳定浓度的固态前驱体源蒸汽。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图;

图2是本发明的爆炸图;

图3是本发明的实施例1的剖视图;

图4是本发明的实施例2的剖视图;

图5是本发明的图4的局部放大示意图;

图中:1、存储箱,2、托盘,3、电热温控板,4、储料槽,5、载气进口,6、混合蒸汽出口,7、横向挡板,8、纵向挡板,9、通气槽,10、连通槽,11、进气腔,12、挥发腔,13、端盖,14、通气窗口,15、控制阀门,16、调节板,17、推拉杆,18、拨杆,19、活塞缸,20、磁性块,21、滑块。

具体实施方式

下面通过具体实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步的具体描述:

实施例1:一种用于半导体加工的固态前驱体源升华装置(参见附图1至附图3),包括存储箱1、安装在存储箱内的托盘2、安装在托盘底部的电热温控板3,托盘上密布若干用于装载固态前驱体源的储料槽4,存储箱内设置若干个上下间隔布置的托盘,上下相邻两托盘之间的间隙形成通气腔,最上方的托盘和存储箱顶部之间形成通气腔,托盘一侧设有通气槽9;上下相邻两托盘上的通气槽一个在托盘左侧,另一个在另一托盘的右侧,通气槽将所有通气腔连通在一起形成蛇形的通气流道。电热温控板上和通气槽对应设有连通槽10,连通槽和通气槽贯通。储料箱上设置载气进口5、混合蒸汽出口6,通气流道两端分别与载气进口、混合蒸汽出口连通。

托盘呈上端开口的盒状结构,托盘内设有若干横向挡板7和若干纵向挡板8,若干横向挡板和若干纵向挡板交叉形成若干储料槽。横向挡板长度方向沿着通气腔气流的流动方向布设,纵向挡板上边缘高于横向挡板上边缘和托盘上边缘。电热温控板内安装电热丝和温度传感器。

存储箱内设有进气腔11和挥发腔12,托盘安装在挥发腔内,通气流道一端通过进气腔与载气进口连通,通气流道另一端与混合蒸汽出口连通。托盘底部设有插槽,电热温控板与插槽适配插装在一起。

存储箱一侧设置开口,开口位置紧密连接端盖13,电热温控板集成在端盖上,托盘通过底部的插槽与电热温控板安装在一起。端盖通过螺栓与存储箱连接。

端盖采用EP级316L不锈钢,其内侧与电热温控板垂直相交,采用焊接的固定形式将端盖与电热温控板组合成一整体,各层电热温控板的间距应满足托盘的安装高度,并且满足托盘上纵向挡板与电热温控板间垂直轴向间留有一个可以满足气体通过的距离,组件暴露的所有表面均进行喷涂、电解、化学钝化等防护处理,杜绝对固态前驱体源产生污染;端盖外侧设置电源线、温度信号线的接线端口,并用接线封堵进行覆盖密封。端盖表面进行机械抛光至Ra<0.25μm。

电热温控板上的连通槽和托盘上的通气槽对应且完全重合或部分重合,便于载气通过。存储箱内的进气腔与端盖相对布设,进气腔下部和挥发腔之间设置通气窗口14,通气窗口位置安装通气格栅,最下方托盘上的通气槽设置在托盘侧壁上,该托盘侧壁上的通气槽与通气窗口对应连通。其它托盘上的通气槽设置在托盘底面上。设置进气腔用于改变气体流动形态,降低气体在存储箱内部的流速,同时将进气腔与挥发腔通过下部的通气窗口连通,通气窗口面积略小于托盘侧壁上的长方形通气槽,促使气体由进气腔流入挥发腔时能够尽可能保持水平方向上的均匀分布。

载气进口、混合蒸汽出口设置在存储箱上部,载气进口、混合蒸汽出口上均连接有控制阀门15,控制阀门可以是手动阀门、气动阀门、电磁阀门,优选气动阀门。混合蒸汽出口连接的气相沉积系统物料输送管路在近反应腔室处设置有流量计,可以监控混合蒸汽流速,以实现定量控制满足制程需求的固态前驱体源输送量调整需求。

托盘优选采用EP级316L不锈钢制作,内外表面根据所承装固态前驱体源的化学性质进行喷涂、电解、化学钝化等防护处理,以保护承装物不被污染。

存储箱及其配套的连接管路均为EP级316L不锈钢材质,表面经过喷涂、电解、化学钝化等一种或者几种防护处理。

电热温控板内的电热丝及温度传感器外均包裹耐热、绝缘材料,电热丝均匀排布于电热温控板的各个位置。更优的采用将一定数量的外表绝缘性能良好的电加热棒嵌入具有良好导热性能的金属块内部,例如铝块,形成均匀供热模块;外部优选采用EP级316L不锈钢进行密封包裹,表面进行喷涂、电解、化学钝化等防护处理,从而形成电热温控板,杜绝对升华器所承装的固态前驱体源产生污染。

一种电热式固态前驱体源存储升华方法,利用用于半导体加工的固态前驱体源升华装置进行操作,包括以下步骤:a、在托盘上的储料槽中装入固态前驱体源,并将电热温控板安装到托盘底部;b、将托盘和电热温控板一起装入存储箱内,封闭存储箱;c、将载气进口和混合蒸汽出口连接到气相沉积系统的管路中,载气进口通入载气;d、电热温控板通电加热,电热温控板对储料槽内的固态前驱体源进行加热,使通气腔内产生稳定浓度的固态前驱体源蒸汽,通过载气将固态前驱体源蒸汽带入气相沉积系统中。经气相沉积后形成符合半导体制造要求的各类薄膜层。

这种电热式固态前驱体源存储升华方法可应用与一种或者几种固态前驱体源的气相沉积领域,固态前驱体源包括具有通过气相沉积或者离子注入方法获取一种或者几种目标元素的单质、化合物、混合物的一种或者几种,且不限于此。

以PDMAT(五(二甲胺基)钽),将一定量的PDMAT在惰性气环境下均匀的填充至各托盘的各个储料槽内,将各托盘组装固定在各层电热温控板上,将端盖、电热温控板、托盘、固态前驱体源组合件送入存储箱的挥发腔内,使用螺栓将端盖与存储箱紧密封;当需要提供PDMAT到气相沉积系统反应腔室时,载气进口接入气相沉积系统载气管路,混合蒸汽出口接入气相沉积系统物料输送管路,将电源线、温度信号线连接外设配套的温度控制器,通入目标流速的载气,控制器设定目标温度后并开启加热,在PDMAT被快速加热至目标温度并精准控温后在承装PDMAT各个储料槽内源源不断的产生PDMAT蒸汽,这些蒸汽与载气进行充分混合后形成稳定浓度的混合蒸汽,在压力差的作用下将混合蒸汽从混合蒸汽出口流出并通过气相沉积系统物料输送管路送入目标反应腔室完成目标元素的获取。

实施例2:一种用于半导体加工的固态前驱体源升华装置(参见附图4、附图5),其结构与实施例1相似,主要不同点在于本实施例中纵向挡板上部设有调节板16,调节板可转动设置,存储箱内安装推拉杆17,调节板均与推拉杆连接,推拉杆移动带动调节板转动,调节板一侧和储料槽一一对应安装有若干根拨杆18,拨杆下端置于储料槽内,存储箱外安装活塞缸19,活塞缸伸缩杆上安装磁性块20,存储箱内安装能和磁性块相互吸引的滑块21,滑动可在储存箱内滑动,推拉杆与滑块连接。调节板下端铰接在纵向挡板上端,调节板上和推拉杆对应设有安装槽,安装槽呈长条形,推拉杆活动穿过安装槽,推拉杆上安装槽两侧均连接定位块,调节板置于两定位块之间。每个托盘上的纵向挡板上均连接调节板,每个托盘对应设置一根推拉杆,上下两推拉杆之间通过连杆连接,连杆穿过通气槽。所有推拉杆通过连杆连接在一起呈蛇形结构。其它结构与实施例1相同。

通过调节板的转动调整调节板上端与托盘之间的间距,对调节板阻挡气流的有效面积进行调整,进而调整气流的流速。当调节板处于竖直位置时,调节板上端与托盘之间的间距最小。当气流的流速太快时,活塞缸伸缩杆移动带动磁性块移动,滑块随磁性块一起移动,与滑块连接的推拉杆跟着移动并带动调节板转动,减小调节板上端与托盘之间的间距,增加对气流的阻挡面积,降低气流的流速,为载气与固态前驱体源延长接触时长创造有利条件。当气流的流速太慢时,活塞缸伸缩杆反向移动,带动调节板反向转动,增大调节板上端与托盘之间的间距,加快气流的流速。调节板转动的同时,与调节板连接的拨杆对储料槽内的固态前驱体源进行拨动,避免固态前驱体源板结,增加固态前驱体源的挥发效率,提高固态前驱体源的利用率。

以上所述的实施例只是本发明较佳的方案,并非对本发明作任何形式上的限制,在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

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