固态前体升华器的制作方法

专利名称：固态前体升华器的制作方法
技术领域：
本发 明总体涉及化学气相沉积领域，而更准确地说，涉及相变方法和在固态前体 (前驱物，precursor)材料的升华中所用的装置。更具体地说，本发明涉及用于使固态前体 材料蒸发而同时约束该固态前体材料的装置。
背景技术：
随着半导体产业的进步，需要利用新的前体材料，该新的前体材料满足严格的薄 膜需求。前体在广泛的应用中用来沉积半导体层。例如，固态前体可包括用于阻挡层、高k/ 低k介电层、金属电极层、互连层、铁电层、氮化硅层、或氧化硅层的成分。此外，固态前体可 包括起用于化合物半导体的掺杂剂作用的成分。某些新颖材料在标准温度和压力下呈固体 形式，不能直接输送到半导体薄膜沉积室以用于制造工艺。示例性的前体材料包括由铝、 钡、铋、铬、钴、铜、金、铪、铟、铱、铁、镧、铅、镁、钼、镍、铌、钼、钌、银、锶、钽、钛、钨、钇和锆构 成的那些无机和有机金属化合物。这些材料通常具有很高的熔点和低蒸汽压，且在引入沉 积室之前必须在窄的温度和压力范围内升华。已经开发出用于半导体制造工艺的固态前体材料升华的技术。固体升华器系统通 常用于生产固体蒸汽(solid vapor)供沉积用。由于各种各样的固态前体具有独立的升华 温度和压力范围，所以升华器和输送系统优选地能具有灵活的操作参数。优选地，将升华 器构造为在所期望的温度和压力下使前体蒸发，且在没有污染的情况下将前体输送到沉积室。目前，有几种类型工业用市售固体升华器。在一种应用中，将固态前体收集并随意 堆积在容器隔室内部。将隔室加热到高温，并将惰性载气引入隔室，以便将升华的气相向下 游运送用于薄膜沉积。尽管成本低，但这种应用可能造成载气不饱和或者前体蒸汽在载气 中的浓度不稳定。另外，由于运行一段时间之后固体的消耗和穿过附聚的固体颗粒形成沟 流，所以载气与固态前体之间的接触时间显著地缩短。作为补偿这个缺点的一种手段，以及 为了减少载气和固体之间的接触时间，在隔室内部安装搅拌结构，以便连续地搅拌固体。搅 拌结构设计用来防止固体在运行状况下附聚、消除沟流、并保持载气与固体的足够的接触。 然而，由于堆积在容器内部的前体固体物的消耗和/或高度，搅拌器未能充分缩短接触时 间。此外，搅拌器的活动部件降低了操作效率，增加了维修停机时间，并引起有关泄漏和安 全性的问题。在工业中的另一种常规应用包括将固态前体涂覆在不同结构的表面上。例如，固 态前体能涂覆在同心式设置在用于升华的加热的容器内部的圆柱体表面上。各表面可能经 受沿着表面不均勻分布的温度分布，并因此经受不稳定的固体的升华，而造成不稳定的前 体材料蒸汽浓度。可选地，可将涂覆表面安装在旋转轴上。该涂覆表面能局部加热，用于固 态前体的平稳升华。然而，利用这种装置的蒸发速率限于低载气流量。该载气流量对于工 业规模操作需求而言可能不可行。最近，已经实施设法将固体材料分布在容器或隔室内部流体式连接的受热表面上。在这种应用中，载气穿过许多通路流动，所述通路构造为联接受热表面之间/穿过受热 表面的气体流动路径。载气的路线是从下部的受热表面、穿过通路到达上部的层或位置。在 某些应用中，载气穿过各通路将升华的前体蒸汽从加热表面的底部表面运送到顶部表面。 然而，为了使升华效率和受热表面的表面积最大化，大量的通路可能是必不可少的。在这些 应用中，使通路直径最小化以使受热的表面积最大化。小直径通道很容易被从加热表面落 下的小颗粒或者通道中无意中沉积的前体材料堵塞。因此，在工 业中需要一种固态前体升华器，用于以短接触时间、高流量、低维修保 养来使固态前体升华，生产稳定的饱和载气。

发明内容
本文公开的是一种用于使固态前体蒸发的装置。在一实施例中，该装置包括容 器，所述容器包括可密封开口、流体入口、流体出口和内部尺寸；至少一个第一搁架，该第一 搁架具有小于容器内部尺寸的外部尺寸，以便形成外部通道，并包括具有外部尺寸的内部 支承件；至少一个第二搁架，该第二搁架包括外部支承件和开口，所述外部支承件定位在容 器内部尺寸处，所述开口大于第一搁架内部支承件的外部尺寸；以及其中第一搁架构造成 与第二搁架形成叠置的垂直堆垛(stack)，用于定位在容器中，并且穿过外部通道在第一搁 架和第二搁架之间建立流体流动路径。在另一个实施例中，一种用于在升华室中支承固态前体的装置包括第一搁架，该 第一搁架包括用于支承固态前体的顶部表面、底部表面、和垂直取向的内部支承件；第二搁 架，该第二搁架包括用于支承固态前体的顶部表面、底部表面、和垂直取向的外部支承件， 所述外部支承件周向/沿圆周设置在第二搁架上，并热耦合/联接(couple)到升华室内壁 上；内部通道，该内部通道设置在第二搁架和第一搁架内部支承件之间；外部通道，该外部 通道设置在第一搁架和第二搁架外部支承件之间；以及在第一和第二搁架之间的水平设置 的空间，该空间在升华室中内部通道和外部通道之间建立流体流动路径。在另一个实施例中，一种用于使固态前体蒸发的装置包括容器，该容器包括流体 入口、流体出口和内壁；一系列堆叠的盘状件，所述盘状件包括内部盘状件和外部盘状件， 其中每个内部盘状件与容器内壁形成外部流体通道，每个外部盘状件与内部支承件形成内 部流体通道；在各个堆叠的盘状件之间的空间，用于保持固态前体；和气体流动路径，该气 体流动路径从流体入口开始、在内部流体通道和外部流体通道中围绕堆叠的盘状件、在所 述空间中越过堆叠的盘状件上方、并通到流体出口。在另一个实施例中，一种沉积薄膜的方法包括将固态前体装载到第一搁架上，其 中第一搁架包括用于保持固态前体的环形槽；将固态前体装载到第二搁架上，其中第二搁 架包括用于保持固态前体的环形槽；将第一搁架和第二搁架垂直地堆叠，在它们之间具有 一分隔空间；将堆叠的第一搁架和第二搁架安置在升华室中，该升华室具有载气入口和载 气出口 ；密封升华室；加热升华室；使载气从入口流进、穿过外部通道围绕第一搁架、穿过 分隔空间越过第一搁架及其上的固态前体的上方、穿过内部通道围绕第二搁架、越过第二 搁架及其上的固态前体的上方、并流到出口 ；将固体蒸汽饱和气体引导到沉积室；以及沉 积蒸汽中的固体。上面已经相当概括地概述了本发明的某些实施例的某些特征和技术优势，以便更好地理解后面本发明的详细说明。这些和另外的实施例、特征和潜在优势在下面详细说明中将显而易见。


为了详细说明本发明的优选实施例，现在参照附图进行，其中图1示出根据本发明的实施例的用于使固态前体升华、包括交替的环形盘状件的 升华器。图2A示出用于升华器的环形盘状件的实施例。图2B示出构造成用于在升华器内堆叠的环形盘状件的实施例。图3示出构造成用于在升华器内交替装配并堆叠的环形盘状件的实施例。图4A示出用于升华器的锥形的环形盘状件的实施例。图4B示出构造成用于在升华器内交替装配并堆叠的锥形的环形盘状件的实施 例。图5示出包括锥形的环形盘状件的用于使固态前体升华的升华器的实施例。图6A-6C示出用于使固态前体升华的升华器中的环形盘状件的前体保持装置的 各种实施例。图6D示出包括环形盘状件和前体保持装置的用于使固态前体升华的升华器的实 施例。图7示出用于包括交替环形盘状件的升华器的操作的示意流程图。图8示出包括交替环形盘状件的升华器在变化的气体流量下的操作数据。图9示出在运行期间跨越环形盘状件的温度分布。
具体实施例方式在一实施例中，说明了固态前体升华器。一般而言，升华器包括被加热的圆筒形 室，该圆筒形室构造为供气体穿过其流动。该室包括至少一个搁架或环形盘状件，该搁架或 环形盘状件设置在室中并用于支承固体材料。搁架可构造为具有环形开口，所述环形开口 在居中设置的支承件和/或室的壁之间，从而气体可穿过其中流动。另外，室构造为使气体 在搁架的顶部表面之上流动，与支承在搁架上的固体材料接触。在某些情况下，搁架可包括 构造成将固体材料物理地保持在搁架上的闭合件、盖或多孔板。闭合件构造成允许气体穿 过其中流动，并与所支承的固体材料接触。图1示出用于使固态前体升华的固态前体升华器100的实施例。固态前体包括任 何无机和/或有机化学化合物，例如铝、钡、铋、铬、钴、铜、金、铪、铟、铱、铁、镧、铅、镁、钼、 镍、铌、钼、钌、银、锶、钽、钛、钨、钇、或锆化合物。例如，铪化合物可包括四氯化铪或四二甲 基氨基铪，但不受此限制。另外，固态前体可包括该领域技术人员众所周知的任何材料，以 生产高_k薄膜、低_k薄膜、金属薄膜、半导体薄膜、中间层、介电层和掺杂剂，但不受此限 制。利用外部加热器(未示出)提供热量给升华器。外部加热器通过该领域的技术人 员众所周知的任何机构联接到升华器和/或升华器的任何内部元件上。例如，外部加热器 可为电加热条和/或带，以便提供足够的热量给容器。加热器可包括技术人员所理解的能够加热升华器和/或内部元件的任何加热器。在某些情况下，外部加热器构造为用于保持 从室温到约500°C，在某些情况下到约300°C的高温。外部加热器能提供所需的升华热以用 于扩展操作。在操作中，温度视待升华的固态前体材料而定来保持。升华器100构造为用于载气的导管或接触容器。载气保持在约0升/分钟-5升 /分钟之间的流量下；可选地，流量在约0升/分钟-2升/分钟之间。载气是任何惰性气 体，包括氮、氦、氩、氙或其它气体，但不受此限制，并视薄膜沉积工艺而定。在某些应用中， 载气是活性气体，如NO、NO2, CO、CO2以及其它气体，但不受此限制。升华器100包括容器33。容器33通常是圆筒形容器，而可选地，容器33可不受限 制地包括任何形状。容器33由诸如不锈钢、镍及其合金、石英、玻璃及其它化学上相容的材 料之类的材料构造，但不受此限制。在某些情况下，容器33由另外的金属或金属合金构造， 但不受此限制。在某些情况下，容器33具有从约8厘米到约55厘米的内径，以及可选地， 从约8厘米到约30厘米的内径。如该领域的技术人员所理解的，可选构型可具有不同的尺 寸。容器33包括可密封顶部15、密封件18、和垫圈20。可密封顶部15构造为从外部 环境密封容器33。可密封顶部15构造成容许进入/接近容器33。此外，可密封顶部15构 造成供进入容器33的导管通过。可选地，可密封顶部15构造成允许流体流入容器33。可 密封顶部15构造成接收并穿过包括下沉管(dip tube) 92的导管，以便保持与容器33流体 接触。具有控制阀90和配件/接头95的下沉管92构造成用于使载气流入容器33。在某 些情况下，下沉管92沿着容器33的中心轴线向下延伸。另外，可密封顶部15构造成接收 并穿过包括出口管12的导管。载气穿过出口管12从容器33去除。出口管12包括控制阀 10和配件5。在某些情况下，出口管12流体联接到气体输送歧管上，用于将载气从升华器 100导引到薄膜沉积室。容器33和可密封顶部15通过至少两个密封件18密封，可选地，通过至少约4个 密封件密封。在某些情况下，可密封顶部15通过至少约8个密封件18密封到容器33上。 如该领域的技术人员所理解的，密封件18将可密封顶部15可释放地联接到容器33上，并 用垫圈20形成防气体的密封。密封件18可包括任何该领域的技术人员众所周知的适当机 构用于密封容器33。在某些情况下，密封件18包括蝶形螺钉。如图1所示，容器33还包括至少一个设置于其中的盘状件。盘状件包括用于固体 材料的搁架或水平支承件。在某些实施例中，内部盘状件30成环状设置在容器33内，因此 盘状件30包括小于容器33的内径或圆周的外径或圆周，同时形成开口 31。可选地，外部盘 状件86沿圆周/周向设置在容器33内，因此盘状件86包括与容器33的内径相同、大致相 同、或大致重合的外径或圆周。外部盘状件86形成设置在盘状件中心处的开口 87。在另一 些实施例中，将多个盘状件设置在容器33内。在实施例中，各盘状件以交替方式堆叠，其中 内部盘状件30、34、36、44与交替的外部盘状件62、78、82、86垂直地堆叠在容器内。在实施 例中，内部盘状件30、34、36、44成环状向外延伸，而外部盘状件62、78、82、86成环状向容器 33的中心延伸。如图1的实施例所示，内部盘状件30、34、36、44与外部盘状件62、78、82、 86没有物理接触。现在参照图2A 和2B，内部盘状件136包括支承柱117、沟道110、凸形联接器115、 同心壁120、124、129和同心槽122、125、128。图2A的内部盘状件144代表构造成接触图1中容器33的底部表面58的盘状件。图2B的内部盘状件136包括凹形联接器127，并构造 成垂直地堆叠在内部盘状件144上。内部盘状件136、144可由不锈钢、镍及其合金、石英、 玻璃和其它化学上相容的材料构造；优选地，内部盘状件136、144由金属或金属合金构造。对内部盘状件136、144而言，支承柱117构造成支承垂直地相邻的内部盘状件 136。垂直地相邻的内部盘状件136通过凸形联接器115和凹形联接器117接合。内部盘 状件136、144具有小于图1所示容器33的内径的外径。内部盘状件具有至外壁120的约7 厘米至约54. 5厘米的外径以及，可选地，从约7厘米到约29. 5厘米的内径。可选地，内部 盘状件136、144的外壁120成环状设置在距容器33的壁约0. 3厘米和约5厘米之间，以形 成图 1 的开口 31、35、37、45。内部盘状件136、144包括至少一个环形槽，该环形槽构造成用于接收并保持固态 前体。在某些实施例中，内部盘状件136、144在每个盘状件上包括用于固态前体的至少两 个环形或同心的槽，以及在某些情况下有三个或更多个槽。各槽的宽度和深度可包括交替 构型，视待装载入升华器中的固态前体的量而定。在某些构型中，环形槽尺寸是宽度在约 0. 2厘米至约10厘米的范围内，以及可选地，宽度在约0. 5厘米至约3厘米的范围内。另 外，环形槽尺寸是深度在约0. 2厘米至约20厘米的范围内，以及可选地，深度在约0. 5厘米 至约4厘米的范围内。在实施例中，内部盘状件136、144通过将凸形联接器115插入凹形联接器127中 而垂直地堆叠，从而支承柱117联接在相邻的内部盘状件136之间。支承柱117是每个内 部盘状件136、144的整体部件。另外，内部盘状件136的支承柱117构造成使与相邻内部 盘状件136、144的接触最大化，以便通过联接的支承柱117热耦合相邻的内部盘状件。内 部盘状件136、144之间的联接的支承柱117可形成虚拟轴。在实施例中，支承柱117包括 从约0. 25厘米到约5厘米的外径，以及可选地，从约0. 5厘米至约3厘米的外径。在另外 的实施例中，支承柱117将垂直地相邻的内部盘状件136、144隔开一垂直距离，该距离在约 0. 2厘米至约25厘米之间，可选地，在约0. 4厘米至约5厘米之间。此外，凸形联接器115和凹形联接器127对准相邻内部盘状件136、144的支承柱 117，并因此对准沟道110。对准的沟道110构造成保持下沉管92，如图1所示。另外，底部 内部盘状件144可不具有凹形联接器127。在某些情况下，底部内部盘状件144包括至少一 个气体窗口 140，以便将下沉管92中的载气排放至容器33。在某些情况下，底部内部盘状 件144包括至少两个气体窗口 140，且优选地在大约两个气体窗口 140和大约8个气体窗口 140之间。可选地，凹形联接器127可被构造成气体窗口。参见图3，外部盘状件262包括由圆形壁221、222、225和内壁220形成的环形槽 240、242、244。与前面为内部盘状件136、144所说明的环形槽类似，外部盘状件262的环形 槽240、242、244构造成用于接收和保持固态前体。环形槽尺寸为宽度在约0. 2厘米至约10 厘米的范围内，可选地，宽度在约0. 5厘米至约3厘米的范围内。另外，环形槽尺寸是深度 在约0. 2厘米至约20厘米的范围内，可选地，深度在约0. 5厘米至约4厘米的范围内。各 槽的宽度和深度可包括交替构型，视待装载到升华器内的固态前体的量而定。外部盘状件 262可由不锈钢、镍及其合金、石英、玻璃及其它化学上相容的材料构造；优选地，外部盘状 件262由金属或金属合金构造。下壁250垂直地向下延伸，以便支承外部盘状件262。在垂直相邻的外部盘状件262中，下壁250支承在外壁225上，以便堆叠外部盘状件262。下壁250将外部盘状件262 隔开一垂直距离，该垂直距离在约0. 2厘米至约25厘米之间，可选地，在约0. 4厘米至约5 厘米之间。另外，外部盘状件262的外壁225和下壁250具有与图1所示的容器33的内径 大约相同的外径。在某些情况下，外部盘状件262的外径为约8厘米至约55厘米，可选地， 外径为约8厘米至约30厘米。在某些实施例中，外壁225和下壁250与容器33有物理接 触。外壁225和下壁250构造成使外部盘状件262和容器33之间的接触最大化，用以增强 热耦合。外部盘状件262的内壁220构造成具有大于支承柱117的外径的内径。在实施例 中，内壁220包括从约0. 3厘米至约6厘米的内径，可选地，从约0. 6厘米至约4厘米的内 径。在某些情况下，内壁220具有比支承柱117的外径大约0. 3厘米至约2厘米的内径，以 形成图1的开口 56、79、83、87。为了组装，将如图2所示的支承柱117部分地装配到由如图 3所示的内壁220所形成的开口中。再次参照图1，组装好的升华器100包括内部盘状件30、34、36、44(包括对准和联 接的支承柱50，内部通道51，同心壁40、41、42，以及同心槽47、48、49)。内部盘状件30、34、 36,44垂直地堆叠，并围绕下沉管92成环状地取向。此外，升华器包括外部盘状件62、78、 82、86。如图1所示，外部盘状件62、78、82、86应紧密配合到容器33中以形成良好接触，用 以将热量从容器33传导到盘状件62、78、82、86。在这些实施例中，外部盘状件62、78、82、 86联接到容器33的内壁上，或者与容器33的内壁物理接触。如图所示，外部盘状件62、78、 82,86和内部盘状件30、34、36、44在容器33的内部堆叠。当在容器33中组装以形成升华 器100时，内部盘状件30、34、36、44在组装好的外部盘状件62、78、82、86之间形成外部气 体通道31、35、37、45。另外，外部盘状件62、78、82、86与内部盘状件30、34、36、44的支承柱 形成内部气体通道56、79、83、87。内部盘状件30、34、36、44的壁40、41、42形成用于保持固 态前体的沟状槽。外部盘状件62、78、82、86包括用于保持固态前体的壁68、69、70。在组 装期间，将固态前体装载到内部盘状件30、34、36、44的环形槽47、48、49和外部盘状件62、 78、82、86 的环形槽 64、65、66 中。将尺寸小于约1厘米、可选地小于约0. 5厘米、及可选地小于约0. 1厘米的固体粉 末和/或粒状颗粒装载到内部盘状件30、34、36、44的环形槽47、48、49和外部盘状件62、 78、82、86的环形槽64、65、66中。固态前体通过任何适合于将固体均勻分布在环形槽中的 方法装载入每个盘状件的环形槽中。适当的方法包括直接倾倒、使用铲子、使用漏斗、自动 化测量输送及加压输送，但不受此限制。视固态前体材料的化学特性而定，装载可在密封环 境中进行。此外，对于那些有毒的、挥发性的、可氧化的、和/或对空气敏感的固体，可实施 惰性气体气氛和/或在密封箱中加压。各个盘状件可在将该盘状件放置在容器33中之后 装载。更优选的程序是在将盘状件放置到容器33中之前装载固体。装载到升华器中的固 态前体的总重量可通过在装载过程之前和之后对升华器称重来记录。另外，所消耗的固态 前体可通过在蒸发和沉积过程之后对升华器称重来进行计算。具有控制阀90和配件95的下沉管92定位在内部盘状件30、34、36、44的对准和 联接的支承柱的中心通道51中。因此，下沉管92垂直地穿过内部通道51朝向容器33的 底部58。下沉管端部55设置在气体窗口 52处/或上方的容器底部58近侧。气体窗口 52 设置在底部内部盘状件44中。气体窗口 52构造成容许载气流出下沉管92。在组装好的升华器100中，气体通路59由容器33的底部表面58和底部内部盘状件44形成。在某些情 况下，气体通路59构造成加热载气。在运行中，载气在经由下沉管92引入容器33之前预热。可选地，载气能在流经气 体通路59的同时通过底部表面58被加热。底部表面58通过符合本文教导的外部加热器 热耦合和/或加热。载气然后通过由内部盘状件44的外壁42和外部盘状件62的外壁61 形成的气体通路45。气体通路45通向内部盘状件44的顶部。载气连续地在装载到环形槽 47,48和49的固态前体的顶部上方流动。来自环形槽47、48、49的升华的固体蒸汽与载气 混合，并穿过容器33垂直向上流动。然后，载气和固体蒸汽的混合物流经由外部盘状件62的内壁70和内部盘状件44 的支承柱形成的气体通路56。然后混合物在外部盘状件62的顶部上方流动，以便运送更 多的升华的固体蒸汽。当载气在内部盘状件30、34、36、44的环形槽47、48、49和外部盘状 件62、78、82、86的环形槽64、65、66的上方流动时，载气将与升华的固体蒸汽混合直至饱 和。载气穿过容器33持续地向上流动至出口管12。由交替的内部盘状件30、34、36、44和 外部盘状件62、78、82、86以及交替的内部通道或开口 56、79、83、87和外部通道或开口 31、 35、37、45所形成的气体流动路径是一曲折路径，提供了载气从位于盘状件上的固态前体拾 取固体蒸汽的许多机会。因此，在气体出口 12处，载气将完全饱和有固体蒸汽。气体穿过 出口管12流到控制阀10和配件5，然后流到设置在升华器和薄膜沉积室之间的气体输送歧 管。在可选的实施例中，如图4A和4B中所示，可以设想内部盘状件350和外部盘状件 358可构造成锥形形状。在实施例中，内部盘状件350构造成朝着它们的外边缘和容器的内 壁向下倾斜。另外，外部盘状件358构造成平行于内部盘状件350倾斜。在另外的实施例 中，内部盘状件350和外部盘状件358的角度可以相反/颠倒，这意味着盘状件可以朝着它 们的外边缘和容器的内壁向上倾斜。将锥形盘状件进行组装，以便形成可选的升华器400， 如图5所示。在某些情况下，利用内部隔离件354来提供内部盘状件350在气体窗口 356 上方的正确间距。另外，利用外部隔离件352来提供外部盘状件358在内部盘状件350上 方的正确间距。在某些情况下，倾斜的内部盘状件350和外部盘状件358可改变穿过升华 器400的气体流量。可选地，倾斜的内部盘状件350和外部盘状件358改善了升华器400 的性能，例如接触时间、流量及稳定的饱和载气的生产。如同上述实施例那样，交替的内部 盘状件350和外部盘状件358这样定位，以使它们形成用于穿过升华室的曲折迂回的流体 流动路径的外部和内部开口或通道。外部通道在内部盘状件350和内部容器壁和/或外部 盘状件358支承件之间形成，而内部通道在外部盘状件358和盘状件350的内部支承件之 间形成。盘状件350内部支承件对准并联接，以形成接收下沉管的沟道。内部通道和外部 通道在盘状件350、358之间和之中形成垂直流体连通路径，而盘状件350、358之间的水平 间隔容许气体的横向运动，以使全部饱和的蒸汽流到出口。盘状件350、358还包括从盘状 件向上延伸的同心壁，如图5所示，以帮助载气的固体蒸汽饱和。图6A-6C示出构造成将固态前体保持在上文公开的盘状件实施例上的前体保持 装置或多孔板的实施例。该板构造成施加到如图6D中所示的可选升华器650内、包括环形 凹槽的盘状件的顶部表面上。该板的直径基本上等于内部盘状件的直径。在某些情况下， 多孔板的直径基本上等于外部盘状件的直径，和/或容器的内径。多孔板构造成用于联接到盘状件上。可选地，多孔板通过升华器650中垂直相邻的盘状件保持就位/保持在合适 位置。在这些情况中，多孔板包括一厚度，该厚度约为从图1中所示的槽分隔壁如壁40、41 和42的顶部表面到垂直相邻的盘状件的底部表面的距离。图6A示出第一实施例，其包括网状物610。在实施例中，网状物610是材料的线性 绞合线或丝(线，wire)615的纺织组件。可选地，网状物是丝615的粘合组件。丝615可包 括金属材料，如不锈钢、碳钢和/或金属合金，但不受此限制。另外，丝615包括聚合物材料， 如Teflon 、聚乙烯、聚丙烯和/或其它塑料，但不受此限制。丝615可包括纤维材料，如 线(thread)、碳纤维、或类似物，但不受此限制。在某些情况下，丝615包括用金属、聚合物 和/或纤维材料的组合所制造的复合网状物。由细丝615制成的网状物610形成开口 616， 以使气体和蒸汽穿过其中。开口 616的尺寸设计成使得固态前体颗粒被约束在盘状件上， 或者在盘状件上保持就位。开口 616横跨约10微米至约1000微米，而在某些实施例中，横 跨约50微米至约500微米。在板的中心有切割开口 618，以容许如图2所示的小型盘状件 136和144的支承柱117穿过以用于组装。图6B示出另一板620，该板620具有与图6A中的板610类似的功能。可选地，如 图6B所示，板620是具有孔625的穿孔盘状件。载气和升华的固体蒸汽能容易地流过孔 625。板620构造成具有一厚度，该厚度小于大约从如图1中所示槽分隔壁如壁40、41、42 的顶部表面到垂直相邻的盘状件的底部表面的距离。在某些情况下，在板上构造支承件、隆 起、楔形件或诸如此类(但不受此限制)，以用于联锁配件并在垂直相邻的盘状件之间保持 一定距离间距。可选地，板620包括变薄的横截面，以在板620的顶部表面和垂直相邻的盘 状件的底部表面之间形成一小间隙。在图6C中示出另一示例性的板630。板630由呈随机(随意)平面矩阵的纤维 635形成。板630包括开口 636的矩阵。开口通过随机取向和分散的纤维635形成，并能使 气体和蒸汽穿过其流动。纤维635可包括上文所讨论的任何材料，例如但不限于不锈钢、碳 钢和/或金属合金、Teflon 、聚乙烯、聚丙烯和/或另外的塑料、线和碳纤维。在某些情 况下，纤维636包括用金属材料、聚合物材料和/或纤维材料的组合所制成的复合网状物。图6D示出各多孔板660在升华器650中的相对位置。如上所述，多孔板660构造 成将固态前体颗粒保持在盘状件上。在某些情况下，多孔板660可通过联锁配件、干涉配件 联接到盘状件上，或者可选地，多孔板660可通过垂直相邻的板保持就位。在某些实施例 中，在组装升华器650期间，多孔板660放置在盘状件堆垛中，而没有约束或联接。在任何 构型中，多孔板660构造成防止颗粒、微粒、细粒、固体、分子和/或其它非气相固态前体运 动到气体出口，同时饱和的载气穿过内部和外部通道围绕交替的内部和外部盘状件流动， 并穿过盘状件之间的水平空间在盘状件上方流动。图7是按照本文提出的原理的固态前体升华器710的操作系统示意图。升华器710 构造成将蒸汽前体供应到用于薄膜沉积的反应或沉积室770。如本文所述，并例如在图1中 所示的升华器710安装在输送或沉积系统中。外部加热器720通过耦合装置(COUpling)715 提供热能给升华器710。如本文所述，加热器720可包括任何该领域的技术人员众所周知 的加热器，例如，电热套加热器、感应加热器或循环的加热油，但不受此限制。安装在升华器 710上的温度传感器、监测器或控制器监测升华器内的温度，并通过通信耦合装置725将信 号传送回加热器系统720。通信耦合装置725构造成用于维持升华器710内的温度或温度范围。当开始运行时，将如本文所述的载气例如氮气、氦气、氩、或任何其它惰性气体供应到 升华器710。载气源740通过导管730、745和歧管750与升华器710流体连通。导管745 和歧管750还包括一系列控制阀、调节器、净化器、质量流量控制器、及任何其它用于调节 载气流的部件。在某些情况下，载气在被引入升华器710之前，用可选的加热器装置(如在 歧管中的加热带)预热。在升华器中升华的前体蒸汽使流过升华器710的载气饱和。载气 通过在容纳于升华器710中盘状件上的经加热固态前体上方流动而饱和。经加热的固态前 体产生用于沉积的固态前体蒸汽。饱和的蒸汽穿过气体出口 /导管735流出升华器710。 气体出口 /导管735与歧管750的至少一部分流体连通。歧管750将来自载气源740、以 及来自气体出口 /导管735的载气流分开。来自升华器710和气体出口 /导管735的饱和 蒸汽通过导管755和756流向至少一个膜沉积室770。气体出口 /导管735和歧管750保 持在高温下，或有伴热(heat traced) 0在某些情况下，导管755和756也有伴热。气体出 口 /导管735，歧管750，和导管755、756保持在至少与升华器710相同的温度下。在某些 情况下，温度升高适合于避免在线路中的任何固态前体蒸汽沉积。可选择地，保持温度高约 5°C至约10°C。浓度传感器760构造成监测固态前体蒸汽的浓度。浓度传感器可为包括傅 立叶转换红外(FTIR)仪、质谱仪、气相色谱仪的传感器，或其它传感器诸如用于在线检测 的热导率检测器，但不受此限制。在该系统中，浓度传感器760安装在导管755、756处或其 附近。可选择地，传感器线路757可构造成用于分批取样固态前体蒸汽流。示例 1作为示例，将固体四氯化铪粉末装载到图1所示的升华器中。然后将装载好的升 华器安装到如图7所示的固态前体升华系统中。将升华器加热到温度为150°C，并维持在该 温度下。利用压缩氮气作为载气。从气瓶中输送的载气流经歧管。流动路线包括流量控制 阀、调节器、用于去除微量杂质如氧和水的净化器，并加热。载气用电热带加热到150°C的温 度。在引入升华器之前，使经加热的氮气绕过升华器，并排出。利用热导率检测器来监测前 体蒸汽的浓度。热导率传感器监测初始氮气排气，以建立基线蒸汽浓度水平。在升华器温 度稳定在150°C之后，将氮(载)气引入升华器。使经加热的载气穿过升华器，用于将四氯 化铪蒸汽运送到沉积室。蒸汽浓度通过热导率传感器连续地监测。数据是针对载气流量获 得，并以每分钟标准立方厘米(sccm)量度。载气以约500sccm、1000sccm和1500sccm的速 量流过升华器，并记录热导率传感器数据。图8中用曲线图表示的数据示出本发明的升华 器在不同的载气流量下产生稳定浓度的前体蒸汽。示例 2以图5中所示的升华器试验横过环形盘状件的温度分布图。温度分布图在有或没 有不同流量的氮气流横过内部(小的)和外部(大的)盘状件的情况下测定。将外部电热 套加热器包覆在容器的外壁上。图9示出在运行期间所述板于122°C温度下的平顺的温度 分布。
权利要求
一种用于使固态前体蒸发的装置，该装置包括容器，该容器包括可密封的开口、流体入口、流体出口和内部尺寸；至少一个第一搁架，该第一搁架具有小于容器内部尺寸的外部尺寸，以形成外部通道，并包括具有外部尺寸的内部支承件；至少一个第二搁架，该第二搁架包括外部支承件和开口，所述外部支承件定位于容器内部尺寸处，所述开口大于第一搁架内部支承件的外部尺寸；以及其中，第一搁架构造成与第二搁架形成重叠的垂直堆垛，以定位在容器内，并且通过外部通道在第一搁架和第二搁架之间建立流体流动路径。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，第二搁架开口和第一搁架内部支承件形 成与所述流体流动路径连通的内部通道。
3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，第一搁架和第二搁架之间的水平空间使 所述流体流动路径在外部通道和内部通道之间延伸。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于，所述流体流动路径与流体入口和流体出 □连通。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个第一搁架构造成堆叠在至 少一个垂直相邻的第一搁架的内部支承件上，以形成包括内部沟道的轴和与该轴相对的另 一个外部通道，并且所述至少一个第二搁架构造成堆叠在至少一个垂直相邻的第二搁架的 外部支承件上。
6.按照权利要求5所述的装置，还包括每个第一搁架和第二搁架之间的水平空间；第二搁架和轴之间的内部通道；以及其中，在容器中的流体入口和流体出口之间，内部通道和外部通道使流体流动路径围 绕第一搁架和第二搁架延伸，且所述水平空间使液体流动路径在第一搁架和第二搁架上方 延伸。
7.按照权利要求5所述的装置，其特征在于，所述内部沟道接纳下沉管。
8.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个第二搁架开口构造成接纳 并通过所述至少一个第一搁架的内部支承件。
9.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个第一搁架和所述至少一个 第二搁架在它们之间包括水平分隔空间，以使所述流体流动路径穿过外部通道围绕所述至 少一个第一搁架和穿过所述水平分隔空间在所述至少一个第一搁架上方延伸。
10.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个第一搁架包括至少一个环 形槽以便支承固态前体。
11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于，所述至少一个环形槽包括至少两个环 形壁。
12.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，容器联接到加热器上。
13.一种用于在升华室中支承固态前体的装置，包括第一搁架，所述第一搁架包括用于支承固态前体的顶部表面、底部表面、和垂直取向的 内部支承件；第二搁架，所述第二搁架包括用于支承固态前体的顶部表面、底部表面和垂直取向的外部支承件，所述外部支承件周向设置在第二搁架上，并热耦合到升华室内壁上；内部通道，该内部通道设置在第二搁架和第一搁架内部支承件之间；外部通道，该外部通道设置在第一搁架和第二搁架外部支承件之间；以及位于第一搁架和第二搁架之间的水平设置的空间，该空间在升华室中的内部通道和外 部通道之间建立流体流动路径。
14.按照权利要求13所述的装置，其特征在于，第一搁架内部支承件包括联接器，该联 接器构造成垂直地堆叠至少一个另外的第一搁架。
15.按照权利要求13所述的装置，其特征在于，第二搁架底部表面包括居中设置的开 口，该开口构造成接纳和穿过第一搁架内部支承件。
16.按照权利要求14所述的装置，其特征在于，第二搁架外部支承件构造成垂直地堆 叠至少一个另外的第二搁架，以形成第一搁架和第二搁架的重叠的垂直堆垛，并且其中多 个所述内部通道、外部通道和水平空间使流体流动路径在升华室中围绕堆叠的搁架曲折迂 回。
17.按照权利要求13所述的装置，其特征在于，第一搁架包括同心的环形壁，所述环形 壁从顶部表面延伸并形成至少一个用于支承固态前体的环形槽。
18.按照权利要求17所述的装置，其特征在于，所述环形壁延伸入所述水平空间中，且 不接触相邻的第二搁架的底部表面。
19.按照权利要求13所述的装置，其特征在于，第二搁架包括至少一个环形槽，该环形 槽设置在顶部表面上用于支承固态前体。
20.按照权利要求13所述的装置，还包括至少一个保持板，该保持板安装到第一搁架的顶部表面上，并构造成用于将固态前体 保持于其上。
21.按照权利要求20所述的装置，其特征在于，至少两个环形壁从第一搁架顶部表面 延伸到所述至少一个保持板上。
22.按照权利要求21所述的装置，其特征在于，所述环形壁形成至少一个环形槽，以便 在保持板下方支承固态前体。
23.按照权利要求20所述的装置，其特征在于，所述至少一个保持板包括多孔材料，以 便保持固态前体和通过饱和的蒸汽。
24.一种用于使固态前体蒸发的装置，包括容器，该容器包括流体入口、流体出口和内壁；一系列堆叠的盘状件，所述盘状件包括内部盘状件和外部盘状件，其中每个内部盘状 件与容器内壁形成外部流体通道，每个外部盘状件与内部支承件形成内部流体通道；位于每个堆叠的盘状件之间的空间，该空间用于保持固态前体；以及气体流动路径，该气体流动路径从流体入口开始、在内部和外部流体通道中围绕堆叠 的盘状件、在所述空间中越过堆叠的盘状件上方、并且到达流体出口。
25.按照权利要求24所述的装置，其特征在于，所述盘状件包括从盘状件延伸的环形 壁，以便保持固态前体。
26.按照权利要求25所述的装置，还包括保持板，所述保持板设置在环形壁上方并在 所述空间中以便保持固态前体。
27. 一种沉积薄膜的方法，包括将固态前体装载到第一搁架上，其中第一搁架包括用于保持固态前体的环形槽；将固态前体装载到第二搁架上，其中第二搁架包括用于保持固态前体的环形槽；垂直地堆叠第一搁架和第二搁架，在它们之间具有分隔空间；将堆叠的第一搁架和第二搁架安置在升华室中，该升华室具有载气入口和载气出口 ；密封升华室；加热升华室；使载气从入口流进、经由外部通道绕过第一搁架、经由分隔空间越过第一搁架及其上 的固态前体、经由内部通道绕过第二搁架、越过第二搁架及其上的固态前体、并进入出口 ； 将固体蒸汽饱和气体导向沉积室；以及 从蒸汽中沉积固体。
全文摘要
一种用于在升华器中保持固态前体的装置和方法，以使固态前体能蒸发用于使载气饱和。该装置可包括形成内部通道和外部通道的交替的盘状件或搁架，以及用于流体联接所述通道的在各盘状件之间的空间，以便形成穿过升华器的曲折迂回的流体流动路径，用来优化固体蒸汽饱和作用。该方法可包括将载气引导入升华室，在外部通道中绕过第一搁架，在所述空间中越过第一搁架上方，在内部通道中绕过第二搁架，并退出升华室。
文档编号C23C16/448GK101960044SQ200980107399
公开日2011年1月26日 申请日期2009年1月12日 优先权日2008年1月10日
发明者T·肖贝, 许敏第 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司