专利名称：薄膜淀积系统的制作方法
这是1998年4月14日申请的美国专利申请第09/060,007号的部分继续申请，在此通过引证将其全部内容并入。
本发明的现有技术化学气相淀积(CVD)是一种在基材上形成薄膜的过程，通常是由液体或固体的母料产生蒸汽，然后把那些蒸汽输送到基材的表面，在那里这些蒸汽通过反应形成薄膜。用于化学气相淀积的系统被用于许多应用，例如，半导体制作，在那种场合CVD被用于形成半导体层、介电层和金属层的薄膜。通常有三种用于完成CVD的系统类型，其中包括基于扩散器的系统、液体质量流控制系统和直接注射液体系统。
基于扩散器的系统，即“打泡器”，基本上是让气流通过热液体母料起泡的系统。当气流通过液体母料时，来自液体母料的蒸汽被吸收到该气流中。这种气体混合物被输送到处理舱，在那里该气体在热基材表面上起反应。打泡器通常在恒定的温度下给液体母料加热。超过时间，这种恒温加热往往引起母料分解使它就CVD而言变成无用的。在试图把这种分解降低到最低限度的努力中，打泡器的温度通常保持低于那个获得液体母料的最佳蒸汽压的温度。
液体质量流控制系统试图把母料以液体状态输送到通常位于基材附近的蒸发器。母料汽化后，通常用输送它的载气把它带给热基材。液体质量流控制器是一种适合控制液体的热质流量控制器，它被用于测量和控制流向蒸发器的液体母料的流速。
液体质量流控制器存在着许多缺点。首先，液体质量流控制器对颗粒和溶解在液体母料中的气体是极为敏感的。其次，液体质量流控制器对液体母料的温度变化也是敏感。第三，液体质量流控制器通常用气体来协助液体母料的汽化，因此增大了产生固体颗粒和气溶胶和确保在该处理系统中高气体载荷的可能性。第四，大多数液体质量流控制器不能在高于40℃的温度下运行，但某些液体母料[例如五乙氧化钽(TAETO)]低于那个温度具有高粘度。由于其敏感性，这种液体流量控制器能够精确和再现到液体流量满刻度的1％。进一步说，在用TAETO润湿液体质量流控制器或许多其他母料之一暴露在空气中时，该母料通常将发生反应，产生可能破坏该液体流量控制器的固体。
基于液泵的系统把液体母料泵送到汽化位置，该位置通常在热基材附近。基于液泵的系统一般是两种主要类型之一。一种类型把液体流量计用在带高压液泵的生产线中。另一种类型使用高精度的高压计量泵。这两类都对液体中的颗粒极为敏感。基于液体流量计的系统对溶解在液体中的气体也是敏感的。液体中被溶解敏感。两者实现起来都是极为复杂的，而且两者都不能容忍高温(最高50℃)。带计量泵的系统难以使高粘度液体汽化。最后，两者都因其极为复杂和大尺寸而难以在制造环境中实现。
目前CVD设备的设计通常是针对高工作压力优化的。使用高工作压力很可能是由下述事实造成的，即迄今为止CVD的母料通常要么是在室温下蒸汽压比较高的材料，要么事实上是加压气体。实例包括硅酸四乙氧酯(TEOS)、TiCl4、硅烷和六氟化钨等。选择这些材料是因为它们具有高蒸汽压，因此可能是易于输送的。工作压力通常恰好在这些材料各自的稳定蒸汽压范围内。
本发明的概述本发明涉及在制造适合各种各样应用的材料和结构时用于化学气相淀积的系统和方法。该系统非常适合在制造用于半导体工业的器件时使用，而且能够在涉及薄膜淀积和加工的其他应用中使用。
除了制造介电层、金属化层和包括硅、锗、Ⅱ-Ⅵ和Ⅲ-Ⅴ材料的定向生长的半导体膜之外，该系统还可以用于光学薄膜的精密制造，例如，包括滤光片、钻石薄膜的消反射涂层或叠层介电结构、或用于多芯片模块或光电器件的复合结构。
与传统的CVD材料薄膜相比，未来的薄膜需要新材料，这些材料将具有低蒸汽压，并且为了实现适当的蒸汽压往往被加热到接近它们的分解温度。一些本身具有低蒸汽压和低热分解温度的母料被看成是就淀积氧化钨膜、氮化钨膜、一氮化钛膜、铜膜和铝膜而言最好的选择。
这项发明的装置包括在汽化舱内的蒸发器和位置适合把母料分配给该蒸发器的分配器。输送导管把汽化舱与处理舱(在那里化学蒸汽被淀积在基材上)连接起来。流量计放在便于测量通过输送导管的蒸汽流量的位置，而流量控制器则放在便于控制通过输送导管的蒸汽流量的位置。流量计和流量控制器两者都借助通信联络与为控制流量控制器而编程的处理器耦合，以便根据实测蒸汽流量管理通过输送导管的蒸汽流量。
在优选实施方案中，流量计包括有一对开口端的管子，该管子作为层流单元。该流量计进一步包括一对与管子开口端对接的电容测压计，以便测量横跨该层流单元的压降。在进一步的优选实施方案中，流量控制器是与流量计连通的比例控制阀。
该装置更进一步的优选实施方案包括把母料供应给分配器的储舱。分配器受处理器控制，而从分配器接受母料的蒸发器包括使母料汽化的热表面。优选的是借助通信联络与处理器耦合的压力传感器被置于汽化舱中。因此，在某项实施方案中处理器控制蒸发器产生蒸汽的速率，例如通过控制分配器把母料从储舱分配给蒸发器的速率来实施控制。
在该装置的另一个实施方案中，输送导管的出口被置于处理舱中，而喷头把处理舱分为上游部分和下游部分，其中所述出口在上游部分中；基材夹盘则在下游部分中。上游压力传感器被置于便于在上游部分中测量蒸汽压的位置，而下游压力传感器被置于便于在下游部分中测量蒸汽压的位置。上游压力传感器和下游压力传感器两者都借助通信联络与处理器耦合。在进一步的优选实施方案中，喷头是“主动的”，它使控制通过喷头的蒸汽流速成为可能。
在该装置的优选实施方案中发现的其他特点包括加热器与输送导管保持热接触、直流或交流电源被连接到基材夹盘上、以及用于升降基材夹盘的升降装置。这项发明的另一个实施方案是用于半导体加工的群集式工具，其中包括与晶片处理中心连接的上述CVD装置。
在这项发明的方法中，母料在汽化舱中汽化，测量汽化舱与处理舱之间的气体流量，并且根据实测的气体流量控制汽化舱之间与处理舱的气流速度。在这项发明的方法的另一个实施方案中，母料的蒸汽压被测定，并且根据实测的蒸汽压控制母料的汽化速率，优选的是通过控制从储舱朝蒸发器上分配母料的速率来控制母料的汽化速率。优选的是淀积的发生将借助受表面驱动的反应。尽管如此，本发明的实施方案还包括淀积的发生并非借助受表面驱动的反应的方法。
这项发明的系统和方法提供众多的效益。首先，它们允许以比采用使用载气的系统所能实现的纯度和压力或通量高得多的形式把母料输送给基材。因此，气相反应和必然形成颗粒的或然率将大大减少。由于较高的浓度将导致较高的淀积速率，所以这项发明不需要把等离子体引入处理舱。因此，该装置将得到简化，并且由等离子体引发的母料聚合也将减少或被消除。其次，对交付给处理舱的母料浓度的控制得到增强，因此改善了对薄膜厚度和均匀性的控制。第三，因为在不使用载气的情况下把低温和低压的蒸汽流直接输送到处理舱中，所以在许多应用中，与依据与载气和温度有关的回收利用率或依据热质流控制器或液体输送系统推断母料蒸汽流速的使用载气的标准系统相比，使昂贵的母料的利用率提高了10倍以上。同样，因为不用载气以及比较低的流速和比较长的驻留时间通常将导致比较高的母料利用率，所以从处理舱中排出的未反应的工艺气体可能被维持在非常低的水平。第四，由于与热蒸发器接触时间短暂，所以母料的分解受到限制。尽管在需要时将把少量的母料输送给蒸发器，但是由于它在储舱中保持在较低的温度下所以大宗母料的使用寿命得以保持。第五，借助这项发明的方法可以形成的淀积的高共形性在制造0.25微米(250纳米)以下线宽的集成电路时是有用的。
这项发明的其他优点包括该系统对杂质(诸如，母料中的溶解气体和颗粒)的敏感性比较低、由于有能力用共用的母料输送系统协调每种母料的使用所以在单一系统中多种母料之间的更换比较容易、容易接近和维护所有的子系统、该系统的低功率需求、在该系统的各个操作单元中只使用低电压、以及该系统的总尺寸小。
附图简要说明本发明的上述和其他的目的、特点和优点通过下面结合附图更具体地介绍本发明的优选实施方案将变得清楚明了。这些附图没有必要按比例绘制，而是把重点放在图解说明本发明的原理上。
图1A和图1B提供这项发明的装置的示意图。
图1C和图1D提供这项发明的装置的另一个实施方案的示意图。
图2a是这项发明的汽化子系统的剖视图。
图2b是这项发明的汽化子系统的另一个实施方案的剖视图。
图2c是这项发明的控制系统的示意图。
图3a是这项发明的气流控制子系统的图解说明。
图3b是这项发明的气流控制子系统的另一个实施方案的图解说明。
图4a是这项发明的处理子系统的局部剖视图。
图4b是这项发明的处理子系统的另一个实施方案的剖视图，其中基材夹盘处在回缩位置。
图4c是图4b所示实施方案的剖视图，其中基材夹盘被升到加工位置。
图4d是图4b所示实施方案的另一个剖视图，其中基材夹盘处在全部伸出的位置。
图5a是这项发明的喷头的图解说明。
图5b是可更换的喷头安装在环内的俯视图。
图5c是图5b所示的喷头和环的侧剖图。
图5d是借助PVD工艺在空腔中形成的典型的淀积层的图解说明。
图5e是借助传统的CVD工艺在空腔中形成的典型的淀积层的图解说明。
图5f是用这项发明的装置和方法能够形成的淀积层的图解说明。
图6a、6b和6c是这项发明的CVD装置的一个实施方案的透视图。
图7根据本发明的一个实施方案图解说明CVD装置的控制体系结构。
图8根据这项发明的一个实施方案图解说明主要工艺的例行控制程序。
图9a和图9b根据这项发明的一个实施方案图解说明蒸发器子进程的操作。
图10根据这项发明的一个实施方案图解说明蒸汽相流动控制子进程所完成的处理。
图11根据这项发明图解说明处理舱压力控制子进程。
图12a至图12d图解说明在这项发明的一个实施方案中把晶片插入处理舱的操作。
图13根据这项发明的一个实施方案图解说明清洗子进程。
图14根据这项发明的一个实施方案图解说明在CVD装置中存在的数个图示闭环的实例部分。
图15是这项发明的群集式工具实施方案的图解说明。
图16根据这项发明图解说明为了受单一的工厂自动化控制器控制而配置的多重群集式工具。
图17根据这项发明图解说明多重群集式工具，其中每套群集式工具受独立的群集式工具控制器控制，而这些独立的控制器依次受工厂自动化控制器控制。
图18根据这项发明的一个实施方案图解说明由集簇式工具完成的处理步骤的实例。
本发明的详细说明现在将参照附图更具体地介绍本发明的方法的特点和其它细节，并且在权利要求书中一一指出它们。在不止一张附图中出现的数字代表同一项目。人们将理解在此展示的本发明的特定实施方案仅仅是为了图解说明，而不是作为本发明的限制。这项发明的主要特征可以在不脱离本发明的范围的情况下在各种各样的实施方案中使用。
正象用图1A和图1B中图解说明的那样，这项发明的CVD装置10的优选实施方案包括四个综合的子系统，其中包括汽化子系统12、气流控制子系统14、处理子系统16和排气子系统18。分布式处理系统(下面予以介绍)将对这些子系统中每个子系统实施集中控制和管理。分布式处理系统和所有的子系统12、14、16和18都在一个独立的CVD模块10内(用图6a-c予以图解说明)。这个CVD模块的尺寸一般不超过1m×2m(底盘印迹)，并且优选不大于大约1.2m(长)×大约0.6m(宽)×1.8m(高)，以便与现有的晶片管理器一体化标准保持一致，从而使独立的CVD模块能够在大型群集式工具配置中安装在通常分派的底盘范围内。在进一步的优选实施方案中，该CVD模块安装在MESC规定的标准底盘范围内，这是半导体设备与材料国际性组织(SEMI)和半导体工业供应商的贸易组织为连接晶片管理器或运输模块采用的标准设计体系结构。
每个方框103,105,107,109,111,113,115,117和115代表一个独立的控制区。每个控制区都单独用独立的筒式加热器121加热。进一步说，每个控制区的温度和该装置的其他受热零部件的温度都借助电阻式温度检测器或电阻温度计(RTD)131予以监视。该RTD优选用氮化硅涂层包覆，因为氮化硅的导热性好、热质量低。另外，热电偶或其他温度敏感元件都可以用于代替RTD。
用图2a图解说明的汽化子系统12是为了提供用于淀积的受控的母料蒸汽供应而设计的。最初呈液体或固体形式的母料被储存在用Inconel或Inconel的合金[例如，Incoloy850(购自Inco合金国际有限公司Huntington,WV)]制造的储舱20中。另外，储舱20可以由316L不锈钢制成。在储舱20的底部提供一个漏斗22，在漏斗22的收口处提供一个用于分配来自储舱20的母料的分配阀式的分配器24。在使用液体母料的场合，分配阀24是轴向位移的脉冲阀。在使用固体母料的场合，分配阀24是回转阀。储舱20是与汽化舱26热绝缘的(下面讨论)，并且被维持在母料将承受充分分解的分解温度以下。非必选的是提供多重储舱20，每个储舱填充不同的母料并且每个储舱分别把母料喂入汽化舱26。在需要某种母料时，可以利用相应的储舱20。另外，多重储舱20中每个储舱都可以把母料喂入它们自己的汽化舱。
用来管理为具有一个以上汽化舱26的群集式工具120供应各种的母料的系统用2c予以图解说明。群集式工具控制器802是受可编程的主计算机或数据处理器804控制的，以便为了分别淀积不同的材料(例如一氮化钛、铜和铝)而调整母料806、808、810的输送。群集式工具控制器802将借助主计算机进一步编程，以便调整一对用于退火/扩散的模块812、814以及用于预热和预清洗的独立模块816。每个模块806,808,810,812,814和816与群集式工具控制器802之间的通信是借助总线结构得到简化的，例如该总线结构包括与以太网/Epics数据总线820协同的ProfiBus数据总线818。与以太网/Epics数据总线820连接的是群集式工具120，因此允许群集式工具控制器802同样管理由模块806、808、810传送母料的群集式工具120的操作。该系统进一步包括监视系统操作的控制台822和用于系统维修的控制台824。两个控制台822和824都与群集式工具控制器802连接。
在操作时，受主机804控制的群集式工具控制器802能够比较快地按顺序从模块808,810和812中挑选各种母料以便输送给一个或多个汽化舱26(图2a)。这种能力允许在单一系统中为各种原料排序，借此允许在群集式工具120的处理模块中的基材上迅速地连续淀积不同的膜层。与图2c所示的替代实施方案的各种零部件有关的补充细节及其使用方法下面将更详细地介绍。
那个表面积随着离开分配阀24的距离增加而不断增大的蒸发器28被用于使母料汽化。蒸发器28还起到使分子膜下落的作用，其中液体母料产生顺着蒸发器28的表面往下流的波前。蒸发器28的温度被设定以便使母料在蒸发器28的表面上行进时汽化。污染物随着汽化温度升高通常将顺着蒸发器28的表面往下流并落下，但不汽化。
优选的是，蒸发器28采用倒圆锥形式并且使其位置适合接收来自分配阀24的母料。蒸发器28是用导热材料制成的，并且在必要时可以添加涂层或镀层，以便与母料有最好的化学兼容性。在优选实施方案中，蒸发器28包括带氨基璜酸镍涂层的化学镀镍的OFHC基材，该氨基璜酸镍涂层依次非必选地用耐腐蚀性和惰性都非常高的镀铑层覆盖。用图1A和图1B图解说明的蒸发器28是为使液体母料汽化设计的。另外，多阶梯形圆锥是供固体母料使用的，其中圆锥上隆起的地方是为收集从储舱20运来的固体准备的。蒸发器28的一个适当的实施方案包括一个高4.20英寸、底面直径3.70英寸的圆锥。蒸发器28和储舱20是可以拆卸的，因此它们在定期维修期间可以被清洗干净和更换。在使用时，把蒸发器28加热到足以使母料汽化但不使它遭受热分解的温度。
蒸发器28包括许多孔29。加热器90(例如，购自Dalton ElectricHeating CoIncIpswich,MA的Watt-Flex筒式加热器)被插在这些孔当中的四个孔中。在一个实例中，加热器是3.0英寸长和0.25英寸直径。加热器提供在24-25VAC下提供50瓦功率并且能够被加热到1000℃。通常，加热器是在200℃附近工作的。铂电阻温度计插在中心孔31中。
蒸发器28不倾向于作为“闪烁蒸发器(flash vaporizer)”使用；而是倾向于使母料散布在蒸发器28的表面上，而蒸汽则从该表面冉冉升起。蒸发器28提供这样的优点，即它对悬浮在半导体工业使用的标准等级的液体CVD母料中的小颗粒是不敏感的。在这个实施方案中，蒸发器28上的悬浮颗粒被留在后面。
汽化舱26在蒸发器28周围，并且是用OFHC铜制成的，其表面化学镀镍和氨基璜酸镍，如果使用活性非常高且不稳定的母料还要镀铑。汽化舱26包括主体圆筒30和蒸汽出口32。汽化舱26的基本作用是作为蒸发器28所产生的气体的膨胀空间和储舱。
压力传感器34优选被置于蒸汽出口32处，以便测量汽化舱26中的蒸汽压力。另外，压力传感器34可以被置于主体圆筒30中。压力传感器34在运行期间被加热到与蒸发器28大体相同的温度，以防止汽化的母料凝聚。压力传感器34通过受处理器驱动的控制环分配器24耦合，以便在汽化舱26中获得相当恒定的压力。当汽化舱26中压力下降时，分配器24将收到要求分配更多母料的信号。因此，压力传感器34和分配器24协同使汽化舱内的压力维持在处理舱70的压力(下面予以讨论)与母料在蒸发器温度下的标准蒸汽压之间的范围内。在这个系统中，用来重建所需蒸汽压的响应时间通常是大约10秒。优选的是压力传感器34是满量程为1000托的电容测压计或者其他类似的测量仪表。
图2b图解说明汽化子系统的另一个实施方案，其中颈状物23的底部21包括一个环行槽，在这种情况下底部被掏空以防止母料顺着棒33流到汽化舱26时发生热降解。来自蒸发器28的热量通过汽化舱26的舱壁传递到颈部23。由于把颈状物23掏空，内壁25在空间上远离顺着棒33往下流的母料流。被掏空的部分向上延伸到颈状物21的中部。它以成角度的表面27结束，在该表面上方颈状物的内径被缩小。向上流入被掏空部分的蒸汽倾向于在成角度的表面27上凝聚，该表面将引导凝聚的蒸汽朝棒33返回。
整个系统的蒸汽压力都被维持在比较低的水平上。该系统在低压力水平下操作的一个理由是所有的子系统都靠得很近。所以，蒸汽从汽化到淀积只需要行进非常短的距离。因为气体的蒸汽压力和速度都低，在整个系统中颗粒的运输与压力更高的系统(例如，那些使用载气的系统)被大大减少。
图3a图解说明气流控制子系统14。气流控制子系统14中的全部项目都用热的导热外壳(优选铝外壳)封闭起来，这些外壳将这些项目加热到与蒸发器28大致相同的温度。导热外壳具有3英寸乘3英寸的正方形横截面并且在中心有直径恰好超过1英寸的孔，以便与输送导管40相适应。进一步说，导热外壳包括允许导热外壳与气流子系统的外部形状保持一致的压力传感器48、50和其他装置的铸件。导热外壳还包括插加热器(例如Watt-Flex筒式加热器)和温度传感器的孔。输送导管40把汽化舱26与处理舱70连接起来。优选的是，无论是输送导管40的长度还是汽化舱26和处理舱70之间的距离都不超过25厘米。一系列阀门控制蒸汽在汽化舱26与处理舱70之间的流动。隔离阀42使汽化舱26与输送导管40密封隔离。在一个实施方案中，隔离阀42是为在高温下操作改进的HPS Lopro阀门。在诸如隔离阀门42之类的必须耐得住高温的部件中，所有的弹性体密封件都是特殊的耐高温材料，例如DuPont Kalrez 8101、Sahara或Dry。为耐得住高温设计的比例控制阀44(例如，MKS Instruments,Andover,MA制造的那些)提供高流导和与图2a图解说明的湿母料的化学兼容性。另外，正象用图1A图解说明的那样，许多并联的阀门44’可以被用于代替比例控制阀44。相比例控制阀44位于隔离阀42的下游且位于由一对压力传感器48、50和层流单元54构成的流量计46的上游。在图示的实施方案中，层流单元是一根穿过另一个阻断通过输送导管40的流动的实心块56上的小孔中的末端开口的管子54。在一个实施方案中，管子54具有8英寸的长度、0.375英寸的外径和0.280英寸的内径。管子54与输送导管40同心并且在该输送导管内。在这项发明的方法的一个实施方案中，当蒸汽流流过输送导管40时，跨管子54的压降大约是0.1托。
输送导管40的内径ID大于在现有的CVD系统中通常用于输送母料蒸汽的管子的内径。优选的是输送导管40的内径介于12毫米和40毫米之间。更优选的是输送导管40的内径大约为25毫米。把这种比较粗的导管用于在汽化舱26与处理舱70之间输送蒸汽(见图4a-d)允许为其中的蒸汽流提供更高的流导，从而允许在低压下适当地输送蒸汽流。汽化的母料以不多于50％的稀释度通过输送导管40交付给处理舱70。在优选实施方案中，汽化的母料以基本不稀释的状态(即稀释度不足10％)交付给处理舱70。在进一步优选的实施方案中，汽化的母料以本质上纯净的形式被输送。另外，为了把来自其它蒸发器的汽化母料交付给处理舱70可以提供补充导管141。
每一对压力传感器48,50(优选电容测压计)分别对准管子54的开口端57/59。因此，由两个压力传感器48、50测量的压力差将反映在管子54上的压降，借此可以计算通过管子54的气体流速。电容测压计是在输送导管40中直接测量压力的电子量具。在使用电容测压计的地方，每个测压计优选具有相同的满刻度范围(通常是10托)。适当的电容测压计包括Baratron 121型绝对压力传感器(可以向MKS Instrutnents定购)和Barocel 622型耐高温的真空/压力传感器(可以从Edwards High Vacuum International,Wilmington,MA购买)。这种Baratron传感器是特制的并且专门为了在200℃下运行进行校准，而标准的Baratron传感器通常被局限在150℃。
改进传感器上为了消除所有不必要的质量和有利于在传感器上形成均匀的温度分布。因此，作为第一步就是除去传感器的盖子或外壳。为了这样去做，首先拆除附着在Baratron传感器上的电缆，再拆除传感器外壳并将它废弃，然后缩短电缆并重新安装。外壳的支撑环也被拆除后废弃。接下来，拆除传感器的口，用机器切割它的长度，然后再将它安装上去。然后，重新校准该传感器的电子器件以便与修改后的传感器的改变了的电容量相匹配。尽管Barocel传感器与Baratron传感器一样可以除去外壳在200℃下使用，但要拆除Barocel的机壳并拆除和更换。
在图3b图解说明的替代实施方案中，环绕着层流单元54实心块56朝层流单元54的两端延伸。通过延长实心块56，减少层流单元54周围的开放空间的体积。这个开放空间通常被认为是“死区”。这个死区的减小被认定是为通过输送导管40提供了更直接有效的流动路径。在进一步的优选实施方案中，所有的或几乎所有的死区将由于实心块56和层流单元54本质上形成单一的管状零件使通过导管40流动的蒸汽冲击电容测压计48旁边的壁面并且被引导通过在那个壁面上作为层流单元54起作用的孔而被除去。那样，那个的范围内行动的我用墙壁围住的口径被指导。
在图3b中还展示了与输送导管40和母料输送系统的其他组成部分热接触的热铝外壳55。
比例控制阀44在受处理器驱动控制环中与流量计46耦合以便调整通过输送导管40的蒸汽流量。因此，流量计46提供关于输送导管40中的压差反馈信息，这个反馈信息被用于指导比例控制阀44增加或减少流量，这将依次增加或减少输送导管40中的压差，就象用流量计46测量的那样。比例控制阀门44的这种敏感的调节将一直持续到流量计46实测的压力差与以在处理舱70中进行反应所需的速率供应母料所需要的压差相符为止。
另外，一个测量层流单元两端之间的压降的压差传感器电容测压计可以与一个测量绝对压力的传感器一起使用借此代替那对电容测压计。另一种用来诱发可预测的压降的替代手段包括用壅塞流单元或分子流单元代替层流单元。
该气流控制子系统14进一步包括位于流量计46下游的第二隔离阀58(例如，经过改造适应高温的HPS Lopro阀)。
与汽化子系统12和气流控制子系统14平行的是工艺气体子系统150，该子系统把附加的反应物、吹扫气体和其它工艺气体供应给处理舱70。图示的子系统150包括氩气152、氦气154和一氧化二氮(N2O)的气源156。来自每个气源的气体流量都用质量流控制器165/166/167通过众多阀门162/164/169和161/163/168进行调节。
来自气源156的一氧化二氮经过阀门157从出口阀143流入处理舱70，以便与通过输送导管40移交的汽化母料反应。淀积后，来自气源152的氩气通过阀门157流入处理舱70以便吹洗该处理舱70。通过打开与阀门155、158或159中至少一个阀门结合的阀门160，CVD装置10的某些特定的子系统或部分可以被单独隔离，然后抽空或再充气。附加反应物的来源和等离子体可以与一氧化二氮并联，以便输送到处理舱70。
来自气源154的氦气通过阀门157被输送到处理舱70，在那里它通过导管被引导到基材夹盘74和使蒸汽淀积的基材88之间释放以便改善基材夹盘74和基材88之间的热转移。
处理子系统16是为了使母料蒸汽在反应后实际淀积到基材上而设计的。用图4a图解说明的处理子系统16包括处理舱70、喷头72和基材夹盘74。
处理舱70通常是由化学镀镍和氨基磺酸镍的6061铝制成的并且适合在50℃至300℃之间运行。处理舱70包括出入口123，该出入口可以与晶片管理器或群集式工具连接，以便将晶片送入处理舱70或从处理舱70取出。闸阀125安装在该出入口123上以便控制通过那里的出入。处理舱70进一步包括位于处理舱70的上游部分78的进气口76和位于处理舱70的下游部分80的排气口82，通过这两个口蒸汽流动受到管理。输送导管40的出口通过进气口76投入处理舱70，而排气口80与排气子系统18连接。压力传感器51(例如，电容测压计)被放在适当位置以便测量上游部分78中的蒸汽压力。至少一个其他的压力传感器53(例如，电容测压计)被放在适当的位置以便测量下游部分82的蒸汽压力。
喷头72把处理舱70分成为上游部分78和下游部分82。在一个实施方案中，喷头72是由化学镀镍和氨基磺酸镍的6061铝材制成的并且呈扁平的圆盘形，在该圆盘上有气流通道84。喷头72既可以是被动的(象用图4a图解说明的那样)，也可以是主动的。“主动的”的喷头是为了改变气流通过它的速率而经受变化的喷头。在优选实施方案中，主动喷头包括代替用图5a图解说明的小孔84的相变共晶体微型阀阵列。这些购自TiNi Alloy Company(钛镍合金公司，San Leandro,CA)的阀门是用热相变材料制成的，包括经过微切削加工的镍钛合金。在一个实施方案中，这些直径大约为0.1英寸的阀门可以在喷头板上就地整体成形。加电流时这些阀门打开。这些阀门的反应时间是毫秒级的，所以它们能被实时地使用。另外，它们还能用于影响阀门动作的动态效果，例如，扫掠、脉动、定点等。
在替代实施方案中，喷头72是直径接近晶片88直径的比较小的板。这个实施方案用图5b展示其俯视图并且用侧视5c展示其剖面。如图所示，喷头72可更换地安装在更大的环73上，但不比下边将介绍的被限定的处理空间大。因此，各种喷头可以在比较大的环中交换以便与不同尺寸的晶片和不同的处理条件一起使用。使用比较小的喷头将降低成本、在处理时提供更大灵活性并且把工艺气体的流动排他地集中在基材88正上方的空间里。
位于下游部分82的基材夹盘74由化学镀镍的OFHC铜制成，带电镀氨基磺酸镍的过渡层并且非必选地带火焰喷涂的氧化铝或类似的绝缘陶瓷保护层。基材夹盘74是为夹持基材88而设计的，母料将在所述基材上发生反应。基材夹盘74包括许多向外辐射并深入基材夹盘74的孔75。铂电阻温度计通过这些孔75之一插入，以便测量基材夹盘74的温度。基材夹盘的74借助插在其余的孔75中的Watt-Flex筒式加热器(购自“道尔顿电子加热有限公司”，Dalton Electric Heating CoIncIpswich,MA)加热。在这个实施方案中，加热器具有3.0英寸的长度和0.25英寸的直径。加热器在24-25VAC下提供50瓦的功率并且能够被加热到1000℃以上。但是，这些加热器通常在最高温度为650℃下运行，更经常在300至500℃附近运行。这些温度大大低于通常在常规的CVD热处理中晶片被加热所达到的温度(即800至1300℃)。在这项发明的系统中基材可以在比较低的温度下运行的原因是由于不使用载气、输送路径比较短和多个的流导比较高致使可以在晶片旁边以比较高的浓度提供汽化母料。
作为上述方法的变换或增补方案，基材可以用激光、离子束、电子束和/或光子辅助能源来加热。无论如何，基材都被加热到比处理舱的壁面温度高的温度。
在一个实施方案中，借助电压源79把DC或AC的偏压提供给基材夹盘74。另外，可以通过给升降装置的轴加偏压来实现给基材加偏压的目的。通过偏压产生的电磁场可能影响薄膜在该基材上生长时的晶体结构。业已证明换一种方式均匀一致的薄膜(例如，晶格取向为<100>)可能被诱导在不同的晶体结构(例如，<111>)中成长。在某些情况下，通过相对处理舱的其余部分加直流或交流偏压将诱导薄膜倾斜(in a gradient)生长，从一种结构(例如，<100>)成长为另一种结构(例如，<111>)。为了获得这个偏压，陶瓷环被用于保持基材夹盘74与接地的处理舱70和处理舱70内的其它零部件的电绝缘。一种更通用的替代方法是用厚度足以使夹盘和膜盒与处理舱绝缘的氧化铝涂覆处理舱的下半部18。
基材88(例如，硅半导体晶片78)安装在基材夹盘74上，并且承受所产生的DC或AC偏压。掩膜(或夹板)94从喷头72向下延伸并且在基材88的外面形成一个0.5至3.5毫米或更大(但更典型的是1.5至2.0毫米)的屏蔽圈。掩膜94还覆盖基材88的边缘并且防止在基材88的边缘或下侧发生CVD。掩膜94是由导热系数非常低的材料制成的，以使其对于任何区域(不包括暴露在未反应的工艺气体中的基材)的热损失减少到最小。优选的是掩膜是由Incoloy850、Elgiloy(购自Elgiloy Ltd.Partnership,Elgin,IL)或钼制成的并且非必选地包括氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或其它类似的电介质的涂层。另外，掩膜94可以是由陶瓷制成的。
当基材夹盘74被降低时，掩膜94悬在基材88上方。
流动盾牌77从喷头72向下伸展，形成一个环，基材88就在这个环内。流动盾牌77引导反应物气流通过喷头72流到基材88的暴露面上。
基材夹盘74安装在升降装置96上，借助该升降装置使基材夹盘74上升或下降。升降装置96是电绝缘的。升降装置96借助步进电机97提供动力，并且借助驱动轴99传递动力。升降装置的96位置可以连续调节，从全部收起到全部展开提供大约70毫米的工作行程。基材夹盘的74的位置变化是用线性的差动变压器101测量的，该差动变压器测量升降装置的高度可以精确到亚微米。通过升降基材夹盘74，可以改变蒸汽反应物在基材88上方的流动特性。因此，基材夹盘74在借助升降装置96升降时可以作为节流阀门用于控制通过喷头72的流速。另外，可以改变夹盘74的垂直位置以便修改淀积薄膜的微观结构和性质。
进一步说，喷头72、掩膜94、可更换的吸气环89、流动盾牌77和基材88都被置于适当位置，以便共同定义一个有限的处理空间，蒸汽母料和必不可少的反应物气体将被输送到这个处理空间，淀积也将在这个处理空间中发生。这个空间的直径(即掩膜94定义所直径)优选不超过基材直径的大约120％。这个空间的高度(或深度)是控制基材88高度的升降装置的位置的函数。这个处理空间比常规的CVD反应器的容积小得多，因此提高了基材上的淀积效率。
在这项发明的方法中，当工艺气体与热基材88接触并发生反应形成固体的时候，发生淀积。在基材表面的淀积速率将受母料输送速率或表面反应速率的限制。在典型的CVD和等离子体增强的、等离子体辅助的或等离子体促进的蒸汽淀积(PECVD、PACVD、PPCVD)工艺中，限制因素是母料运输速率。因此，表面反应速率将不是最理想的，而汽化的或游离的母料将倾向于以视线方式在它首先接触的灼热表面上反应和淀积。此外，使用等离子体引起蒸汽相反应，这些反应对表面上的共形覆盖层也有所缓和。因此，如图5e所示，在基材上的蚀刻洞194的口上形成的淀积层192的生长速度将比洞194中远离洞口的区域的生长速度快得多。
为了进一步比较，图5d图解说明经物理气相淀积(PVD)形成的典型的淀积层192。淀积结构192具有类似的洞口夹紧的形状在洞194中更深的区域形成非常少的淀积。这种不平衡起源于PVD特有的定向视线淀积的结果。反之，图5f图解说明按照这项发明的方法采用文中介绍的装置所形成的共形沉积192的近似结构。在这个实施方案中，因为表面上的淀积过程是受反应动力学的限制而不是受母料运输速率的限制，所以在洞194的洞口夹紧效果被显著缩小，其最终的倾向是在基材所有的暴露表面上同时发生均匀的淀积。
许多销钉(优选至少三个)通过基材夹盘贯74上的孔插在基材夹盘74上。这些销钉是圆柱形的圆头销钉。一个这样的销钉74a用图4a予以图解说明。在这个实施方案中，销钉安装在处理舱70的下游部分82的底部。另一方面，当升降装置96下降时，基材夹盘74顺着销钉向下游部分82的底部滑落。当基材夹盘74下降到最低位置时，销钉穿过基材夹盘74的顶面向上延伸，以便把基材88脱离夹盘74。在基材88被托离夹盘74之后，可以借助机械手将它从处理舱70中取出。图12a-d图解说明为了把晶片放到基材上所完成的类似的过程。
在图4b图解说明的另一个实施方案中，每个自定位的销钉74a都通过膜盒81安装在基材夹盘74上。因为膜盒81的净空高度大于安装它的洞的深度，所以膜盒81提供类似于弹簧的支撑。当夹盘74下降到最低位置(如图4b所示)时，销钉74a被迫穿过夹盘74，把基材88脱离夹盘74的表面。当升降装置96被用于使夹盘74朝喷头72升起时，销钉74a“回落”到它原来被膜盒81就地保持的位置，在夹盘74内并且在夹盘顶面以下。
图4b还图解说明用于遮蔽夹盘74的侧面避免淀积的可更换的吸气环89。全都变热的夹盘74通常遭受来自在基材88上未反应的母料的沉积物的聚集。沉积物在可更换的吸气环89上形成之后，环89可以被简单地更换，对夹盘74没有任何损害而且不需要更换夹盘74。因此，使用可更换的吸气环89能大大延长夹盘74的使用期。
当销钉74a处于收藏位置时，可更换的吸气环89还对基材88起支撑作用。因此，从而基材88与基材夹盘74没有实际的接触。而是在在基材88和夹盘74之间存在大约0.015英寸(0.38毫米)的间隙。正如所提到的，这个间隙被在夹盘74和基材88之间转移热量的氦气填满了。掩膜94在基材88边缘将该间隙密封，借此容纳氦气。基材88和夹盘74之间的氦气压力是受控的，因此氦气的流动也受到监视和/或控制。
图4c图解说明图4b的装置，其中夹盘在适合处理晶片的位置上。图4d也展示同一装置展，这回升降装置的轴是充分伸展的。在这个位置，夹盘74被托出处理舱70，从而可以接近夹盘以便于维护/维修。
为了在处理舱70中测量厚度或淀积膜的化学结构或环境条件在处理舱70中非必选地提供传感器87，例如，包括切线入射激光的光学厚度传感器。
最后一个子系统即排气子系统部分地是为维持喷头72两侧的压力差而设计的。排气子系统18包括与处理舱70的下游部分82连接的排气导管110、捕集阱85和真空泵112(购自“爱德华高真空国际公司”，Edwards High Vacuum International,Wilmington,MA.的IQDP 80或类似的型号)，该真空泵在处理舱70对面接在排气导管110上，借此通过排气导管110从处理舱70中用泵抽蒸汽。另外，可以使用一台以上真空泵112。节流阀83被安排在排气管线110中，以便调节从处理舱70用泵抽出的蒸汽量，从而维持处理舱70中所需要的蒸汽压力。在这个实施方案中，捕集阱85安排在真空泵112和节流阀83之间。捕集阱85的作用是在未反应的母料蒸汽到达真空泵112之前捕集其中的主要成分。捕集阱85包括一些表面，这些表面将使母料发生反应或者以其它方式使母料由于化学或热分解或夹带过程而被保持在该表面上。
在用图1C-D图解说明的另一个优选实施方案中，用涤气器85’代替捕集阱85。涤气器85’在气流离开处理子系统之前主动清除气流中的有害污染物，借此使离开该系统的流出物是洁净的。在处理子系统16的机柜内还提供小型、干燥、低功率的动态变速泵95。泵95的优选实施方案是由发否式真空公司(Pfeiffer Vacuum,Nashua,New Hampshire,USA)公司制造的，这些泵以高达50m3/hr的速率泵抽。为了控制通过该系统吸入的蒸汽流经闭环处理系统的速率，泵95通过ProfiBus数据总线与控制系统结合成一个整体，从而使泵95的泵抽速度受到控制。通过这样控制泵抽速度，在泵95上游的节流阀83可以省略。
每个子系统12、14、15、18、150都被封闭在容纳该系统渗漏的任何有害气体的密封容器内。汽化子系统12和气流控制子系统14两者都被安装在第一密封容器180中。排气管线182被连接到第一密封容器180上，以便控制从该系统选出的气体的排放和清除。同样包括排气管线186的第二密封容器184封闭工艺气体子系统150。
将文中介绍的各种子系统合并的CVD模块10用图6a-c中的三种不同的视图予以图解说明。图6a图解说明CVD模块10的后视图(来自连接晶片管理器的要害部位)。图6b图解说明同一CVD模块的侧面图。最后，图6c图解说明CVD模块10的正视图。全部被包括在该模块内的零部件包括处理模块控制器205、汽化子系统12、电力输入模块142、气流控制子系统14、处理子系统16、升降装置96、涤气器85’和闸阀125。
图7图解说明用于控制单一的CVD装置10及其相关的子系统的一般的控制体系方框图200。对CVD装置10的控制是通过在软件控制下运行的处理模块控制器205以分布式的方式单独控制温度控制模块210、压力控制模块215、流动控制模块220和升降装置控制模块225变得容易的。尽管该优选实施方案是作为分布式系统图解说明的，但是在这项发明的范围内提出的全面的化学气相淀积概念和技术不必按分布式的风格予以实现。反之，它们可能优选采用线性方式，用一个主控制器执行所有的处理步骤并且仍然解决现有技术系统中的许多问题。但是，优选实施方案的分布性质提供一些优于线性操作系统的意义深远的优点，下面将予以解释。
模块210至模块225代表CVD装置10的主要处理任务，并且可以有未展示的其它控制模块，那些模块可以用于完成在这份说明书中随时被注意到的其他特定的任务。前面介绍的子系统(包括汽化子系统12、气流控制子系统14、处理子系统16和排气子系统18)中每个子系统都包括由图7展示的总控制体系结构中的模块210、215、220和/或225操作的某些组成部分。
例如，在图2a和2b中，汽化子系统12在其他任务中涉及控制储舱201的温度、控制分配阀24的位置并因此控制来自该分配阀的母料流量、控制蒸发器28的温度和监视汽化舱26内的压力。这些任务中每项任务通常都是借助在处理模块控制器205中运行的软件进行协调的，并且实际上都是由模块210至225中的一个或多个模块完成的。
通过各种系统组成部分的分布性质，处理模块控制器205能够为各个CVD装置10管理需要多重同时事件的晶片处理。如果用于单一的CVD装置10的晶片处理不是太复杂，可能是这样一种情况，即本发明的替代实施方案可以使用单一的处理模块控制器监视和控制一台以上CVD装置。换言之，两个实际的CVD系统10可能是受一个处理模块控制器的205控制的，而且不会使处理模块控制器205的处理能力过载。不过在优选实施方案中每个CVD装置10单独使用一个处理模块控制器205。通过采用分布式处理，在晶片处理的最程序中某些步骤可能是互相平行地执行的，这将导致更有效的晶片生产并且允许对气相淀积实施实时管理。
实际的过程控制是通过在每个子系统中为每个独立操作的组成部分(即阀门、监视温度的装置和加热装置、电机等)提供单独的控制模块210至225得以完成的。这些模块都可以通过编程来完成与那个子系统的功能性的特定部分有关的特定任务。在给定某项任务时，每个控制模块都向处理模块控制器205报告该任务的完成时间、它的状态和/或该任务是否未能完成。
例如，所有的温度控制处理都按分布式风格进行，以致高级的处理模块控制器205可以仅仅指令一个或多个特定的温度控制模块210设定并维持特定的温度。然后，处理模块控制器205可以继续进行晶片处理例行程序中下一项主要任务。实现和维持设定点的温度可以由独立的温度控制模块210按闭环方式去完成。
控制模块的实例是智能型模块No.S7-353或S7-355，两者都是由西门子股份有限公司制造的。这样的模块可以用于密集的闭环型控制任务，而智能型模块No.S7-331(也是西门子股份有限公司制造的)可以用于精密信号调节型任务，例如导致调节流量控制的来自电容测压计的电压测量结果。
这些特定的控制模块不仅在这个优选实施方案中而且在该系统的大多数其他的电控组成部分中常常是在低电压(例如，24伏AC或DC)下操作的，以便防止在短路事件中受损和防止对蒸汽淀积的干扰。低电压操作也允许本发明的系统在120伏或240伏的电源电压下运行或者在其它国际电力系统的不同电压下运行。
因此，以汽化子系统12为起点、以处理子系统16为终点的方方面面的控制都是受一些模块管理的，这些模块可以被单独地被激活，然后可以处理与它们有关的给定任务。
不过有这样的情况，即为了维持某些处理设定模块能够通过提供信息或直接与其它模块通信在模块之间建立适当的关系。在这样的情况下，这些模块能够适应它们的任务，而不需要来自处理模块控制器205的进一步的指令或任务。换言之，两个或多个模块可以建立类似于主/从关系或客户/服务器关系的那种类型的关系，并且可以调整自己，或者从该任务中退出，或者带着任务快速前进，取决于卷入适应关系的其它相关模块的反馈。
例如，压力控制模块215可以用于监视检测汽化舱26的压力输出的压力传感器34。压力控制模块215可以直接把反馈提供给操作隔离阀42的独立的流量控制模块220。如果处理模块控制器205最初通过流量控制模块220指令隔离阀42维持某种蒸汽气体流量，那么流量控制模块220可以从控制压力传感器34的压力控制模块215获得压力数据。这个数据可以被用来确定在输送导管中是否有足够压力输送所请求的流量。如果该压力太低或者太高，压力控制模块215可以根据配置向处理模块控制器205发信号表示该任务由于压力不足不能完成，或者可以借助已经确立的适应关系实时地把信号直接发送给汽化舱压力控制模块以便升高或降低汽化舱的压力。
换句话说，尽管化学气相淀积的全面处理在CVD装置中受包含主控例行程序的处理模块控制器205的控制，但是某些控制模块环可以包括来自其它模块的数据，以便在不需要与处理模块控制器205通信的情况下适应或检测其他系统部件中的变化。在一个模块的输出直接影响另一个模块的性能或操作的场合，这是最经常做的。
模块210至225和处理模块控制器205之间的通信可以通过许多途径来实现。如图7所示，直接存储器存取(DMA)可以用于在储器230范围内对通常可访问的存储器位置直接读写数据。通常以12兆赫运行并且使用DB-9连接器与诸模块接口的数据总线(在图8中未示出)，例如ProfiBus数据总线，可以建立模块210-225彼此之间的相互连接以及与处理模块控制器205之间的相互连接，以便允许数据通信和信息共享。人们将理解互联网和数据通信中的各种处理和原则都在考虑之中，因为在这项发明中可将它们应用于装置、模块和零部件之间的通信。
另外，在这项发明中还考虑到下述情况，即故障可能在模块和组件(componentry)中发生，所以这项发明可能使用冗余的或容忍故障的模块、零部件和处理器并且可能为每个模块210至225和处理模块控制器205提供可交换的专用处理器。通过提供可交换的组件，某些部分可以被替换，而不需关闭整个系统。这是有利的，例如，在昂贵的母料已经被预热并且如果返回到比较低的温度可能被损坏的时候。举例说如果故障发生在升降装置的控制模块215里，这个模块可以用另一个可以接管故障模块失去的功能性的冗余模块代替或停用。交换技术或冗余备件(redundant failover)可以在不必停止晶片淀积工艺的情况下完成，这将节约晶片、减少母料浪费和减少系统的停机时间。
图8图解说明由来自图7的处理模块控制器205所完成的主要处理任务的流程图。在优选实施方案中，步骤300至305是用软件或固件实现的并且是在启动CVD装置10处理晶片时被完成的。在这个正在介绍的优选实施方案中，主要过程的控制步骤300至305就其性质而言是以晶片为中心的。换言之，这些步骤主要集中于晶片管理和实施某种工作程序，以完成有关特定晶片的CVD操作。一般地说，例行主程序设定待完成的任务、设定有关那些任务和系统操作的变量并且指令专用模块完成那些任务。一套正在同时执行的用于完成其他任务的例行程序将与这个将予以解释的主要过程的例行程序平行地运行。就成功地完成图8所示的主要过程的顺序(即步骤300至305)而言，各种子进程(sub-processes)是必不可少的。这些子进程示于图9a、图9b、图10和图11，它们分别是蒸发器子进程、气相流动控制器子进程和处理舱压力控制子进程。其它子进程也可以存在，例如，清洗过程、车间管理过程、安全联锁过程和其它过程，这些过程在本文中将予以解释。
在图8所示的主要过程控制子程序的步骤300中，CVD装置10预先准备接受晶片。举例说，这个步骤包括将母料在蒸发器20上预热到所需的温度和调用将由CVD装置10执行的用于晶片处理的工作程序。把用于该工作程序的各种参数从外部来源(例如待解释的群集式工具控制器)装入存储器230。这些工作程序参数控制各种各样的设定，例如温度、压力、以及哪些蒸汽和气体将与晶片88一起处理。
在优选实施方案中，可以有多达10个以上的步骤构成用于晶片处理的工作程序。每个步骤都允许处理晶片的用户选择参数，例如，“步骤编号”、“步骤持续时间”(以秒为单位)、“目标处理压力”(以毫托为单位)、“母料流速”(以milli-sccm为单位)和“晶片温度”(℃)。这些参数组成用于晶片的工作程序并且管理CVD装置10的一般温度、流量、压力和操作。例如，最后一个参数“晶片温度”是基材夹盘温度的函数，因为这将取决于在处理期间晶片与基材夹盘接触时间的长短，下面将进一步解释。所以，晶片温度是一个通常不因晶片更换变化太大的参数并且可能仅仅是为了供处理工作程序参照而提供的。
步骤301准备接受晶片并且向外部的晶片供应机构(例如，晶片管理中心的机械手134，下面将详细解释)发信号，表明CVD装置10已准备好接受晶片。然后，步骤302协调晶片进入处理舱70和把晶片放在基材夹盘74上的运动。
图12a至图12d用插解说明晶片进入处理舱70的运动(步骤302)的协调过程。这些图中每一张图都包括处理舱70区域和机械手134的俯视图和侧视图。在图12a中，基材夹盘74包括销钉74a-c，在CVD操作之前基材即晶片88就被架在这些销钉上。在进入处理舱70之前，晶片88搁置在位于处理舱70外面的机械手134的末端操纵装置上。如图12b所示，当机械手伸展并进入处理舱70时，在机械手134的末端上携带的晶片88在基材夹盘74和销钉74a-c的上面通过并且在接受晶片的过程中不在用的喷头72下面通过。图12c图解说明晶片88在机械手134缩回之前被完全插入处理舱70。如图12d所示，在机械手134轻微地下降并缩回之后，晶片88被搁置在销钉74a-c上。
回到图8所示的主要过程的例行程序，步骤303运行当前的处理工作程序，该工作程序已通过编程装入CVD装置10。该工作程序(即那组参数)在晶片之间可以改变，但是一旦在步骤303中该工作程序已被启动，为进行处理预加载的参数就不为当前的晶片88改变。正象周图9a、9b、10和11解释的那样，在步骤303中运行的工作程序包括温度控制(步骤303a)，压力控制(步骤303b)和流程控制(步骤303c)的方方面面。在图9a、9b、10和11中的子进程提供关于本发明这些方面的操作细节。
在本发明的一个实施方案中，被装入处理模块控制器205的工作程序按照诸如“步骤持续时间”之类的参数管理各种各样的晶片处理步骤。换句话说，这个实施方案可以受用来确定诸如特定的蒸汽在晶片上淀积多长时间的各种参数所设定的定时程序的管理。
在另一个实施方案中，传感器子系统19(图1B)可以用于计算、测量或确定有关晶片本身的淀积活动。这种信息可以用于确定工作程序中的下一个步骤在什么时候完成。例如，如果工作程序中的某个步骤要求利用铜蒸汽在晶片上沉积100埃的铜，那么传感器子系统可以通过监视淀积活动指出这个步骤在什么时候已被完成。这样一来，在这个实施方案中工作程序中的各个步骤就不再受定时程序驾驭而是受处理步骤的实际完成时间的驾驭。
正象用图1A和1B图解说明的那样，在图7用控制体系结构图解说明的传感器模块227被用于把来自晶片子系统19的反馈提供给处理模块控制器205。例如，晶片子系统19中的晶片检测设备87可以包括能够在CVD操作期间测量淀积在晶片88上的任何材料的膜层厚度的激光测量系统。这个膜层厚度信息可以用传感器模块227监视，并且在检测任务(例如检测100埃的铜膜)被完成时，传感器模块227可以向处理模块控制器205表明该任务已被完成。用来检查CVD进展情况的其他晶片检测设备可以包括检测晶片表面反射的反射率传感器。在有更多的材料淀积到晶片上时，该表面的反射可能有多有少，所以可以指示淀积的进展情况。另一种检测设备可能是被用于测定晶片表面构成并因此指示淀积进展情况的X-射线衍射系统。熟悉这项技术的人现在将容易理解，为了检测和指示工作程序中步骤的完成情况可以在传感器子系统19范围内根据任务使用其他通用的实时测量和检测硬件。
在工作程序完成后，晶片88已经在处理舱70中用蒸汽和气体做了处理。然后，图8中的步骤304是取出晶片，这个过程通常是与图12a至12d图解说明的那个过程相反的。机械手134返回，从基材夹盘销钉74a-c上拾起晶片88，并且把晶片88运出处理舱70。然后，步骤305完成清洗CVD装置10的任务，下面将更详细地介绍。
图10图解说明蒸发器子进程的各个步骤，该子进程在主控处理步骤象参照图8解释的那样被执行期间被继续完成。蒸发器子进程的各个步骤330至334通常控制储舱20中母料的汽化和维持处理舱70进气口76的压力。另外，蒸发器子进程还负有利用处理晶片的空闲在待机模式期间清洗蒸发器28的责任。
图9a所示的蒸发器子进程主要是受参数“蒸发器温度”驾驭的，该参数是在工作程序的编程期间被装入存储器230的。这个变量控制着除了晶片夹盘74和漏斗之外所有温度受控的其他表面的温度设定的，(晶片夹盘的温度是借助“基材夹盘温度”设定值设定的，漏斗温度是借助“漏斗温度”设定值设定的)。象前面介绍的那样，蒸发器的压力在很大程度上依赖压力控制模块215，该模块操作和监视遍布整个系统的电容测压计34、48、50、51和53。
在步骤330中，压力传感器34的压力必须高于压力传感器48的压力。在步骤331中，压力传感器48的压力必须高于压力传感器50的压力。在步骤332中，压力传感器50的压力必须高于压力传感器51的压力。最后，在步骤333中，压力传感器51的压力必须(在这个实施方案中)比压力传感器51的压力高出1.5倍(或更多)。如果这些步骤330至333中任何一个步骤失败，步骤334将把反馈提供给蒸发器子系统12，在这个时刻各个子系统中相应的模块都被调节以便维持晶片处的最佳压力，该压力是用压力传感器51和53之间的压力差度量的。
工作程序参数“处理压力”被称为“目标压力”，因为这是系统将维持的晶片88处的压力，并且是通过蒸发器子进程(图10)、蒸汽相流量控制器子进程(图10)和处理舱压力控制子进程(图11)之间的合作获得的。
所以，正象前面解释的那样，在晶片处理期间，储舱20把少量的母料放到灼热的蒸发器28上。每批少量的母料通常顺着蒸发器28的倒圆锥结构慢慢地往下流的少量母料都在汽化期间在该圆锥上形成薄膜并且驻留一段时间。在这样的汽化作用发生时，压力向上攀升是用电容测压计34测量的。用压力传感器34测量的蒸汽压力的上限是蒸发器28(和系统的其余部分)以及作为母料使用的材料的温度的函数。因此，温度太高可能引起母料在它暴露于晶片88之前过早地化学分解，而温度太低可能导致低蒸汽压力、低流速和低处理压力并最终导致低化学气相淀积速度。
图9a和9b中的蒸发器子进程既可以处于处理状态，也可以处于待机状态。处理状态象前面参照图9a解释的那样是在接受晶片之后使用的。待机状态管理清洗过程并且被示于图9b，下面将结合图1A至图1D予以介绍。
在蒸发器子进程的清洗期间，在步骤340中，没有母料被引入汽化舱26。在步骤341中，隔离阀42使整个汽化子系统12与其他的子系统隔离。然后，步骤342把阀门160完全打开。接下来，在步骤343中，通过阀门161和162和质量流控制器165提供的氩气被引入汽化舱26，直到压力传感器34的实测压力大约为50托为止。然后，步骤343通过打开阀门170、关闭阀门161和162抽空汽化舱26的压力并且通过操作排气子系统118以便把氩气吸出。然后，步骤344检测真空压力。然后，步骤345把步骤343和344重复N次，其中N(举例说)或许是1、2或更大的数字。这个重复次数N可以变化，取决于所用物质的性质。财产，也许被改变。然后，步骤346把汽化舱26抽空，而步骤347在真空条件下保持汽化舱26的真空度，直到汽化子进程得到指令着手处理晶片为止。
第二个子进程是蒸汽相流量控制器子进程，它是用图11中的处理步骤图解说明的。在晶片处理期间，这个子进程保证气流控制子系统维持蒸汽在晶片处理期间稳定地流动到处理舱70，并且象前面解释过的那样与系统中各个关键点发生的压力变化保持一致。这个子进程的主要目的是维持蒸汽流往晶片88的目标质量流量和总累积质量流量。不同于传统的质量流量控制器(其中在通往晶片入口的压力通常为20psig或更高并且在晶片处或晶片下流动进入真空)，本发明用这个子进程控制上游部分78中的蒸汽流量，在这种场合压力只有1至5托并且“处理压力”以大约800至1000毫托被作为目标。
为了完成这项任务，这个子进程使用比例控制阀44(在图1A中是44’，在图1C里是44)来维持适当的流量和目标压降，这是由压力传感器34到压力传感器48测量的。图10中的步骤360监视这个压力差。然后，步骤361确定自适的流量控制是否是可供使用的。如果是这样，执行步骤362，计算希望应用于晶片的蒸汽流量(＂Q＂)，并且在步骤363中调整处理时间系统变量以补偿在正常设定的处理时间期间目标压力所经历的任何变化。换言之，步骤363这样延长或缩短每次测定系统压力之间的校验时间，以致该压力将具有根据目前用于蒸汽流的母料材料待定的校正时间。
在步骤361中，如果自适的流量控制当前未被使用，步骤364确定比例控制阀44(在图1A中为44’，在图1C中为44)两端的压力差是否足以获得目标流速，如果是，步骤365检测这个流速并且把信号发送给气体两个子进程，以便通过改变适当的设定获得所需的流速。
图10中的蒸汽相流量控制器子进程还对借助步骤366设定氧化反应物的流速的模块负有控制责任。换言之，例如，来自阀门168和169的一氧化二氮可能在控制来自汽化舱26的蒸汽流量期间作为反应气体与母料蒸汽一起提供给处理舱中。步骤366借助在工作程序中提供的参数“反应物流速”确定任何反应气体的流速。通常，反应物流速被表示成与来自汽化舱26的蒸汽流速之比。
例如，目标压力或许通常设定为1.5至2.0∶1。由于蒸汽的流速可能稍有变化(象前面解释的那样)，所以来自一个或多个质量流量控制器165、166或167的反应物流速也必须随着母料蒸汽的流速变化而变化。请注意，在这些图所示的实施方案中，该系统得到充分的缓冲，以致那些变化在目标压力或流速的±10％的数量级上，并且取决于所使用的大量的母料(例如来自不同的供应商的母料)的变化。换句话说，在一批母料范围内振荡性的摆动也许不被注意，但是根据化学批量(chemical lots)微妙的漂移可以被观察到。图10中的子进程有助于消除这些漂移。
如果在用独立步骤367表示的待机状态中，蒸汽相流量控制子进程独立地校验任何或许已经在压力传感器48和压力传感器50之间发生的输出偏移，并且能够在随后处于激活模式的计算期间利用这个算出的偏移调整压力传感器的视在输出。步骤367还能够在待机模式中对照压力传感器34、51和53交叉校验传感器48和50的压力测量结果。
图11图解说明第三个子进程，该子进程与维持晶片88附近的压力相关联，被称为处理舱压力控制子进程。在步骤380中，测量电容测压计53附近的压力，该压力是在处理舱70中位于喷头72下边的晶片旁边的压力。然后，步骤381指导节流阀随着步骤380中的测量结果升高或降低压力，以便把该压力保持在参数“处理压力”定义的压力下。
图13图解说明在清洗子进程中完成的的处理步骤，该子进程连续运行并且对于该系统中的其他子进程是透明的。在CVD装置启动时，在没有信号表明晶片正在进入的情况下，该清洗子进程是默认的过程。清洗子进程在步骤390中允许机械式电路断电器在电力高峰事件中隔离电力系统的组成部分。在步骤391中把所有的加热区都维持在系统设定点。参数“蒸发器温度”被用作所有加热区温度设定点，但是储舱20和漏斗22的温度以及晶片夹盘74的温度除外。这个步骤还检测加热丝的断路或短路。步骤392通过检验真空泵控制保证处理模块有适当的真空度。步骤393监视在CVD装置10周围的门和舱盖的状态。步骤394和395监视系统的动力和压力并且寻找在正常操作状态之外执行的情况。步骤396跟踪测量仪表的状态，能够察觉仪表的问题，并且能够交叉校准系统中的仪表。步骤397启动并校准质量流量控制器165、166和167。步骤398交叉校验系统中的压力传感器，而步骤399把系统参数初始化到默认状态。
图14图解说明这项发明的CVD装置的体系结构，包括在作为闭环图解说明的图8至图13中的每个以前介绍过的子进程600至604。处理模块控制器205借助数据总线605与系统中其他硬件组成部分接口，该数据总线把串行的模拟指令和数字指令传送到各个组成部分。每个控制模块210至227为了与处理模块控制器205通信都与数据总线605接口，并且在某些实例中彼此直接还存在着自适应关系。另外，处理模块控制器205还被接到Profibus数据总线607上，借助该数据总线提供与任何群集式工具控制器、运输模块控制器或者另一个处理模块控制器的确定性通信。在更高的通信水平(在图14中未示出)，通信通常是经由非确定性的以太网。
在蒸发器循环600中，压力控制模块215按照前面解释的处理方法监视来自电容测压计34、48、50、51和53的压力，并且能够把数据提供给控制蒸发器的加热单元29的温度调节模块210，以便把适量的蒸汽提供给待操作的系统。闭环自适关系的一个实例是压力控制模块215和温度调节模块210之间的接口606，因为温度是根据来自压力控制模块215的反馈进行控制的。
在系统中负责维持适当的蒸汽流量的流量控制环601中，压力控制模块215监视来自每个压力传感器34、48和50的压力，以便把反馈数据提供给流量控制模块220，该模块操纵比例溢流阀44以及阀门161至164、168、169和170，以便以适当的流速提供蒸汽和反应气体。
处理舱压力控制环602用压力控制模块215来检测在处理舱70内压力传感器51和53处的压力。这个压力信息在压力传感器和受流量控制模块220操作的节流阀83之间的自适关系中被使用。这个闭环602通过使用节流溢流阀83维持连续的流动保证处理舱中的压力在晶片处理期间正确的。
升降装置控制环603图解说明在受升降装置控制模块225操纵的升降装置96和用传感器设备87来检测在晶片上已淀积了多少材料的传感器控制模块227之间的自适关系。在这个当工作程序要求控制传感器时使用的闭环中，当传感器设备83检测到在晶片上有足够的材料时，可以降低升降装置96。因此，在升降装置控制模块225和传感器控制模块227之间提供直接通信。
另外，升降装置控制环603与传感器环604有关，当传感器设备96察觉到在晶片上有足够的淀积材料时，传感器控制模块227通知流量控制模块220激活节流阀83以便把排气泵开到最大功率。这将把有任何剩余蒸汽的处理舱70抽空，以便直接停止淀积过程。因此，传感器环604是自适环的另一个实例，而且其作用非常象单向触发器，因为传感器设备96在淀积完成时使节流阀83打开。
在上述的每一个循环600至604中，处理控制模块205只能把适当的任务提供给每个控制模块210至227。这些控制模块将执行有关它们自己的给定任务。通过允许前面解释的自适关系，形成了这些用于适合CVD装置有效运行需要的基本的基础子进程的闭环。处理模块控制器205借助每个控制模块提供的状态数据监视每个闭环的进展情况。因此，处理模块控制器205将全面了解正在发生的特定的CVD处理进展到什么程度。因此，处理模块控制器205可以向更高级的处理(例如，在群集式工具控制器207内发生的主进程)报告。
由低级的闭环和控制模块、在处理模块控制器205上执行的中级处理模块控制器例行程序、和在群集式工具控制器120上执行的群集式工具控制器主例行程序组成的“分层结构”允许在对用于CVD处理其它方面的程序或处理有一点儿或没有不良影响的一级修改处理程序。此外，对CVD处理的一个方面所作的任何可能偶尔影响其它闭环处理的修改(例如，在流量控制环中)将由于控制模块之间的自适关系和信息反馈而被酌情考虑。这种体系结构还提供容易的代码维护和结构环境，在这种环境中可以把各种特点添加到CVD处理的一个区域而不必对其它区域二次加工或重新编码。
在一个实施方案中，CVD装置被用于在一片晶片上淀积许多层前缘膜。这个实施方案是为了在低压(0.001至10.0托)下运行而设计的而且目的在于淀积几何尺寸为0.25微米或更小的薄膜。仅仅在温度和流量控制部分作些变化，同样的实施方案将被用在大量的不同工艺中以便限制成本和维修要求。
可以借助这个系统淀积的薄膜包括但不限于下述膜层由氢氧化二甲铝(DMAH)淀积的铝膜、由CuI(hfac)(tmvs、tevs、teovs)母料之一淀积的铜膜、由固体母料(如TaBr4)淀积的氮化钽膜、由液体母料(如四个二乙氨基钛(TDEAT)、四个二甲氨基钛(TDMAT)或TiBr4)淀积的一氮化钛膜、由六硅倍半氧丙环(HSQ)或氟化原硅酸四乙酯(TEOS)淀积的低介电常数绝缘膜，以及由五乙氧基钽(TAETO)和臭氧或N2O淀积的氧化钽膜。
作为按照这项发明完成的处理的一个实例，用液体TAETO作为母料和用气态N2O作为氧化剂淀积氧化钽膜。用TAETO填充储舱20，既可以在系统中就地填充储舱20，也可以临时将储舱20拆除以便填充。在储舱20中时，TAETO是在高于它的熔点但低于它的分解温度的温度下储存的。在这个实施方案中，TAETO是在接近室温的温度下储存的。为了产生对于往处理舱70输送切实可行的蒸汽压力，来自储舱20的TAETO通过轴向位移的脉冲阀以刚好足以产生可输送到处理舱70的蒸汽压力的量被输送到蒸发器28。蒸发器28的温度在一个实施方案中被严格地控制在180℃，以使TAETO在蒸发器28的表面上流动时被汽化而且不引起TAETO热分解。
在汽化舱26中产生的TAETO的蒸汽压力是蒸发器28的温度的函数。就TAETO而言，蒸汽压力的对数可以用下式计算LogP=11.693-(4987.12/T)其中P压力，11.693是汽化的估算系数，而T是开氏绝对温度。TAETO的蒸汽压力(以托为计量单位)在下面的表1中提供，其中温度范围从100℃到220℃。
LogP T(K) T(℃)系数 P(托)-1.7132437210011.6930.0194-1.5772937310111.5930.0210-1.6445537410211.6330.0226-1.6052037510311.6930.0248-1.5706237610411.6930.0268-1.5364437710511.8930.0291-1.5004437810611.5930.0316-1.4652337910711.5530.0342-1.4310038010811.5630.0371-1.3965538110911.5930.0401-1.3622538211011.5930.0434-1.3282038311111.5930.0470-1.2942938411211.5930.0508-1.2505838511311.5930.0548-1.2270038611411.5930.0593-1.1938138711511.6930.0840-1.1604038811611.5930.0891-1.1273838911711.8930.0746-1.0944939011811.2930.0804-1.0617539111911.8930.0557-1.0292439212011.5930.0935-0.9988739312111.69301007-0.9646639412211.3930.1086-0.9326239512311.5930.1168-0.9007439612411.6930.1257-0.8690239712511.5930.1352-0.8374539812511.5930.1454-0.8060539912711.5930.1953-0.7748040012511.8930.1850-0.7437140112911.6930.1304-0.7127740213011.5930.1937-0.6019940313111.6930.2080-0.6513640413211.6930.2232-0.6208840513311.5930.2394-0.5905540613411.6830.2667-0.5603740713511.5930.2752-0.5303340813611.6930.2948-0.5004540913711.8930.3159-0.4707141013811.5930.3383-0.4411141113911.5930.3621-0.4116841214011.5930.3675-0.3823541314111.5930.4145-0.3531341414211.5930.4434-0.3241541514311.6530.4741-0.2952741614411.6930.5067-0.2555241714511.5930.5414-0.2378141814611.8930.5752-0.2094341914711.8930.6174-0.1811042014811.6630.5590-0.1528942114911.5930.7032-0.1248242215011.5930.7302-0.0968842315111.5930.6001-0.0690842415211.5930.8530-0.0414042515311.5830.9001-0.0135542615411.5930.95060.01366 42715511.6931.03170.04085 42815611.8931.09860.05001 42915711.6831.1035表1
续表1
当蒸发器28的温度为180℃时，在汽化舱26中产生4.57托的压力而且TAETO没有明显的分解。在输送导管40的入口有这样的压力时，在处理舱70中压力将保持在800至900毫托。在这样的压力差下，大约1.0sccm的TAETO与1.5sccm的N2O一起被输送给加热到大约385℃的晶片。在这些条件下，氧化钽膜将以大约每分钟75至80埃的速度生长。晶片在预热模块中或者不大符合要求地在处理舱70中被预热到分解温度附近或高于分解温度。在晶片与基材夹盘74之间的热量转移主要是靠在基材夹盘74与晶片下表面之间流动的氦气。
在一个实施方案中，100埃的目标薄膜厚度是这样实现的，即以降低的反应物流量处理10秒钟，把五氧化二钽的晶种播种在晶片上。然后，以全流量处理处理75秒钟，以形成所需的薄膜厚度。
淀积速率既可以降低也可以略微提高。提高淀积速率可能需要提高蒸发器28的温度。但是，蒸发器28的温度就TAETO而言通常应该限制在190℃以下，因为存在因TAETO降解而使淀积膜质量受损的风险。
如果蒸发器28的温度降低到170℃，在TAETO淀积速率方面的净效应则将降低。在通往气流控制子系统14的入口可利用的最高压力将被减少到大约2.57托。这种减少将使可能的流速几乎减半并且将导致大约为450毫托的处理压力。降低的处理压力将产生每分钟大约22至25埃的淀积速率。
当TAETO汽化时，它将在汽化舱26的主气缸30和蒸汽出口32范围内膨胀。在汽化舱26和输送导管40范围内包括阀门和压力传感器的所有零部件都被维持在蒸发器28的温度下，以便防止TABTO凝结。当汽化舱26中的压力由于蒸汽通过输送导管40流入处理舱70而消失时，汽化舱26中的压力可以通过把更多的TAETO从储舱20分配到的灼热的蒸发器28上得以重建。尽管汽化子系统12能够连续运行在汽化舱26中维持TAETO的增压供应，但是在处理器发出指令信号之前将优选在处理舱26内维持低蒸汽压力。在没有指令信号被发出时，将清除汽化舱26中的TAETO并抽真空。
这个循环过程是为了适应母料(在这个案例中是TAETO)的热敏度而建立的。如果母料在升高的温度下保存一段时间，那么在它将在被送入处理舱70之前分解。
进一步说，在仔细选择母料的情况下，这项发明的装置和方法允许在不移动晶片的情况下用同一舱室按顺序淀积不同但互补的材料。因此，可以在不移动晶片且不进行相应的抽真空、吹洗、放空到大气压和晶片升温诸循环的情况下完成多重淀积步骤。
迄今为止被识别的互补工艺包括先用TiBr4或TDEAT和氨淀积一氮化钛(TiN)，然后用DMAH淀积铝；先用TaBr4和氨淀积氮化钽(TaN)，然后用CuI(hfac)(tmvs)淀积铜；以及先用TiBr4或TDEAT和氨淀积一氮化钛(TiN)，然后用DMAH淀积铝，最后用CuI(hfac)(tmvs)淀积0.5原子浓度的铜。
另外，CVD装置10还适合淀积钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铋锶和其它类似的淀积物。
这项发明的装置和方法以及上述的许多工艺对于半导体加工过程是特别适当的。更具体地说，这项发明的装置和方法非常适合在晶片上淀积先进的电介体和互连金属。
适合半导体加工的群集式工具120用图15予以图解说明。被图解说明的群集式工具120包括许多安装在运输模块122周围并且与中心控制系统接口的处理模块。另外，群集式工具120可以有相对运输模块122处理模块成行排列而不是呈辐射状的布局。这些处理模块中至少一个处理模块包括这项发明的CVD装置10。除了这项发明的CVD装置10之外，群集式工具120包括入口加载锁126、出口加载锁128、预热模块130、冷却模块132和运输模块122。在图示的实施方案中，为了提高产量提供三台平行操作的CVD装置10。另外，可以提供各种其他的处理模块，例如与蚀刻模块结合的CVD装置10。这些模块可以串联地或并联地按顺序被操作。群集式工具120是按照MESC设计的，(MESC是一种被半导体设备和材料国际组织(SEMI)、半导体工业的贸易组织采用的标准设计体系结构)，因此，在需要时可以轻易地把用于不同的淀积和蚀刻工艺的处理模块集成到群集式工具120中。
群集式工具120中的每个处理模块通常都是为一次处理一个晶片设计的。典型的生产要求是工具120每小时处理60个晶片。这个速度是通过用群集在运输模块122周围的独立的处理模块实现不同的处理步骤兑现的。用图15图解说明的工具120是为－被指定为300mm氧化钽处理系统设计的，该系统通常用8个侧送式运输模块122把3台氧化钽CVD装置10连接起来。另外，该工具或许还非必选地接纳快速加温退火(RTA)模块。在替代实施方案中，许多群集式工具120通过接口连接在一起，以致晶片可以按顺序在各个工具120之间通过，完成一系列的处理，甚至不需要把晶片从在各个群集式工具120范围内建立的真空中取出。
群集式工具120的操作与在入口加载锁126中正被装入输入盒136的晶片交流。运输模块122里的机械手134(购自Brooks自动公司，Brooks Automation)一次从输入盒136中取出一个晶片并且把每个晶片移动到校准台138。在校准台138，每个晶片上的标准刻痕都在进一步处理之前被精确校准，以消除处理模块内的晶片取向效应和帮助统一工艺。一旦被校准，机械手134把晶片移到预热模块130，在那里晶片被存放大约30秒，同时被加热到300至500℃。当CVD装置10变得可以利用时，晶片被移动到那个淀积氧化钽的CVD装置10的处理舱。发生淀积的时间周期大约为120秒。沉积后，晶片被移动到冷却模块132，在那里晶片驻留30秒并且得到充分冷却，以便在出口加载锁128中把它放到输出盒140里。
为了在预热的晶片上淀积0.01微米厚的膜，在晶片上淀积氧化钽的处理时间大约为120秒的数量级上。晶片从输入盒136移动到校准台138、再移动到CVD取向10然后返回输出盒140将大约消耗另一个10秒。带3个氧化钽CVD装置10的群集式工具120把上下跳动排除在外将具有每45秒一个晶片的生产能力。按这种配置的工具120最多每小时能处理75个晶片。
在这段文章里，淀积过程被用来在晶片上形成集成电路。简单地说，集成电路是通过金属线连接在一起的大量的晶体管、电阻和电容。一般目的是使组成部分尽可能最大限度地小型化。
图16图解说明本发明的配置，其中为了彼此协同处理晶片安排了多重群集式工具120a和120b。晶片传送机构(wafer handoffmechanism)701能把晶片从群集式工具控制器120a中的运输模块122a传送到整个第二群集式工具控制器120b。例如，晶片传送机构701可以是传送带装置，它把晶片88从机械手134a运送到运输模块122b的第二机械手134b。另外，晶片传送机构701可以通过把个体晶片88按照自然规律从机械手134a移交给机械手134b来实现。
图16中的CVD装置10a-c可以被被用于晶片的某种处理，并且在完成时可以通过晶片传送机构701把晶片输送到CVD装置10d-f和第二运输模块122b的第二配置，以便进行第二种类型的处理。在用图16中的配置全面处理晶片期间，晶片可以被保持在真空下并且可以被维持在比较恒定的温度下。由于群集式工具120a和120b是全密闭系统，所以晶片在处理期间暴露在污染和外部气氛中的机会比较少。
用图16图解说明的大规模的晶片处理在本文中被称为工厂自动化晶片处理系统。按照这项发明中的工厂自动化处理的一个方面，整套CVD装置10a-f、运输模块122a和122b以及群集式工具120a和120b全都可以受单一的工厂自动化控制器702的控制，该控制器自始至终全面管理晶片处理的调度。工厂自动化控制器702包含管理每个群集式工具120a和120b操作的总调度中央处理单元。数据总线703把每个CVD装置10a-f与工厂自动化控制器702互相连接起来。
图17图解说明供工厂自动化的CVD处理系统使用的另一种配置。在图17中，每个群集式工具120a和120b的各个组成部分(即CVD装置10、预热模块130、冷却模块132、运输模块122)都受独立的群集式工具控制器705a和705b的控制。工厂自动化控制器702控制每个群集式工具控制器705a和705b，并且能够控制晶片传送机构701。
在又一个实施方案中，群集式工具控制器之一(例如120a)能够控制晶片传送机构701并且能够向已经完成控制1台能off机制，能向它完成其晶片处理任务的和晶片在经过晶片传送机构701的路线上并且应该用机械手134b接受的另一个群集式工具120b发信号。
这些安排中的每一个都仅仅是为了举例说明的目的，本发明不局限于图16和图17所示的工厂自动化配置中的两种群集式工具。反之，存在着许多按照不同路数安排的群集式工具，每个群集式工具都有一个受一个或多个工厂自动化主控制器控制的群集式工具控制器。通过用这些实例说明的分布式处理，实时的晶片处理可以自始至终更高效、更洁净、更及时地被完成。
图18图解说明在借助图17图解说明的群集式工具控制器705a控制一台群集式工具120a时涉及的典型步骤。在步骤710中，机械手134a从安装在入口加载锁126a上的输入盒136a接受晶片。然后，在步骤711中机械手134在它自己的框架上把晶片排成直线。晶片在机械手134上排队是在校准台138上完成的，这时晶片边上的刻痕参照指示器被机械排成一条直线。
一旦晶片正确地取向，在非必选的步骤712中晶片在预热模块130中被预热。加热使晶片温度升高到将接受该晶片的第一CVD装置的操作温度或基材夹盘温度，或接近所述温度。接下来，在步骤713中机械手134把晶片放进当前受群集式工具控制器120a控制的CVD装置10a-c之一中以便在步骤714中如同象前面解释的那样进行CVD处理。尽管在图16中图解说明的是3个CVD装置9a至10c，但是本发明不受3个的限制，可能有一个、两个、三个或更多个这样的系统能用一个机械手134存取晶片。在步骤714中晶片完成了在CVD装置9a中的CVD处理之后，在步骤715中机械手取出晶片。接下来，该晶片或者移动到下一个CVD装置(即返回步骤713)或者通过在冷却模块132中冷却和借助输出盒140退出群集式工具12a结束处理(步骤716)，或者该晶片借助晶片传送机构701被送交另一个群集式工具120b(步骤717)。一般地说，晶片处理将重复执行，直到由在控制群集式工具120a的群集式工具控制器705a中执行的晶片处理程序控制的加热、CVD处理和冷却的正确顺序完成为止。
新一代半导体处理试图利用最新的技术和设备建造这种结构，以便制作尽可能最小的特征。因此，它倾向于晶体管、导线、电容器和电阻在晶片表面占据尽可能小的空间，以便在限制成本的同时在每个晶片上提供更多的器件。随着特征尺寸的减小，往往需要用新材料来保持更细的导线的适当的传导率和面积更小的电容器的电容值。
这项发明的装置特别倾向于淀积金属薄膜、作为衬层供这些金属使用低k夹层的介电层、低介电常数夹层的介电层和适合0.25微米线宽处理要求的电容器电介质(被表示成高k)。这些进程可能被用于形成具有400MHz或更快的时钟速度和256Mbit或更大容量的DRAM的集成电路。
能用包括这项发明的CVD装置10的群集式工具120完成的半导体淀积过程包括淀积高k的电容器电介体(如氧化钽)；淀积起壁垒和粘接促进剂作用的衬层(如一氮化钛、用于铝和一氮化钽的衬层、铜衬层)；以及淀积用于相互连接的金属铜。
进一步说，这项发明的方法和装置适合淀积叠栅电介质，这种电介质包括两种不同电介质的极薄的淀积膜层(每个膜层都在15埃的数量级上)，以使栅电容最小。叠层介电门通常被用在几何尺寸小于15微米的器件和速度需要增加到400兆赫以上几何尺寸不超过0.25微米的器件中。
再进一步说，这项发明的装置和方法在通常要求依次淀积两种不同电介体的场合在处理叠层电介质时提供一些优点。按照这项发明，母料输送系统允许两种材料在同一处理舱中淀积。因此，晶片将不容易受可能破坏门电路的随机氧化的影响。再者，因为晶片不需要移动，所以人们期望该系统具有本质上高于现有系统的生产能力。
适合用这项发明的装置和方法在半导体晶片上淀积的其他材料包括铝、铝/铜(一种降低衬层要求的合金)、钛酸钡(一种潜在的高k电介质膜)、钛酸锶钡(另一种高k电介质膜)。
其他适合这项发明的CVD装置和方法的应用包括处理平面显示器和带涂层的钻点。更进一步说，这项发明的装置和方法能够用于淀积光学电介质涂层、消反射涂层和减少摩擦和磨损的涂层。
在已经参照优选实施方案具体地展示和介绍了这项发明的时候，熟悉这项技术的人将可以理解的是，在不脱离由权利要求书定义的这项发明的范围时，可以就其中的形式和细节作各种各样的变化。
权利要求
1．一种化学处理装置，其中包括一个包括蒸发器的汽化舱；一个与汽化舱流体连通的处理舱；以及一个流量控制器，它在处理舱中控制蒸汽从蒸发器至热基材的流动，其中所述热基材具有这样的反应表面以致薄膜将在该表面上形成。
2．根据权利要求1的装置进一步包括分配器，该分配器的位置适合把母料分配给蒸发器；输送导管，该输送导管把汽化舱与处理舱连接起来；流量计，它测定通过输送导管的蒸汽流量；以及借助通信联络与流量计和流量控制器耦合的处理器，该处理器是编程的以便控制根据实测蒸汽流量支配通过输送导管的蒸汽流量的流量控制器。
3．根据权利要求2的装置，其中所述流量计包括至少一个压力传感器。
4．根据权利要求2的装置，其中所述流量计包括层流单元。
5．根据权利要求4的装置，其中所述层流单元是有一对开口端的管。
6．根据权利要求2的装置，其中所述流量计包括一对压力传感器，所述每个压力传感器与层流单元的开口端一一对准。
7．根据权利要求2的装置，其中所述压力传感器是电容测压计。
8．根据权利要求1的装置，其中流量控制器是借助通信联络与所述流量计耦合的比例控制阀。
9．根据权利要求1的装置，进一步包括向分配器供应母料的储舱，所述蒸发器包括一个使来自该储舱的母料一经分配就汽化的热表面。
10．根据权利要求2的装置，其中所述分配器受所述处理器控制。
11．根据权利要求1的装置，进一步包括至少一个置于处理舱中的压力传感器，所述压力传感器借助通信联络与所述处理器耦合。
12．根据权利要求2的装置，其中所述输送导管包括被置于处理舱中的出口，并且所述装置进一步包括定位在处理舱中的基材夹盘；把处理舱分为上游部分和下游部分的喷头，所述出口在上游部分，而所述的基材夹盘在下游部分；为测量上游部分的蒸汽压力而定位的上游压力传感器；以及为测量下游部分的蒸汽压力而定位的下游压力传感器。
13．根据权利要求1的装置，其中所述舱室包括舱室外壳和舱室外壳内的处理空间，基材的温度高于舱室外壳的内表面温度。
14．根据权利要求12的装置，其中上游压力传感器和下游压力传感器两者都借助通信联络与处理器耦合。
15．根据权利要求12的装置，其中所述喷头是主动的。
16．根据权利要求10的装置，进一步包括至少一个定位在汽化舱中的压力传感器，在汽化舱中的压力传感器借助通信联络与所述的处理器耦合。
17．根据权利要求1的装置，进一步包括与输送导管有热接触的加热器。
18．根据权利要求1的装置，其中位于处理舱中的基材夹盘被连接到直流或交流电源上。
19．根据权利要求1的装置，进一步包括位于处理舱中的基材夹盘和升降装置，该升降装置受处理器控制，而基材夹盘可以借助该升降装置升高和下降。
20．根据权利要求1的装置，其中所述处理器与压力传感器相连并且被编程以便控制实测蒸汽压力的函数和蒸发器产生蒸汽的速率。
21．一种用于半导体加工的群集式工具，其中包括晶片处理中心；与晶片处理中心结合的处理舱；汽化舱；在汽化舱内定位的蒸发器；连接汽化舱和处理舱的输送导管；流量计，该流量计的位置适合测量从汽化舱进入处理舱的气体流量；以及借助通信联络与所述流量计耦合的处理器，所述处理器是编程的，以便作为来自蒸发器的实测气体流量的函数实施控制。
22．一种用于在处理舱中控制化学气相淀积的系统，该系统包括有蒸发器位于其中的汽化舱、连接所述汽化舱和所述处理舱的输送导管、位置适合测量从汽化舱流入处理舱的气体流量的流量计，以及位置适合控制来自汽化舱的气体流量的流量控制器，该系统包括处理模块控制器；许多温度控制模块，这些模块按照处理模块控制器的指令维持系统各组成部分的温度；许多压力控制模块，这些模块按照处理模块控制器的指令监测蒸汽压力；许多流量控制模块，这些模块按照处理模块控制器的指令控制蒸汽流量；升降装置控制模块，该模块按照处理模块控制器的指令控制升降装置在处理舱内的升降。
23．根据权利要求22的系统，其中处理模块控制器执行主控程序，该程序准备晶片加工的处理舱、准备接收至少一个用于加工的晶片、在处理舱中接收晶片、对所述晶片实施加工、打开阀门以允许从处理舱中取出所述晶片，以及在取出晶片后完成各种清洗功能。
24．根据权利要求23的系统，进一步包括在处理模块控制器上执行的蒸发器子进程，该蒸发器子进程检测横跨诸压力控制模块的压降并且反馈给蒸发器以便升高汽化舱中的压力。
25．根据权利要求23的系统，进一步包括在处理模块控制器上执行的蒸汽相流量控制子进程，该蒸汽相流量控制子进程监视至少两个压力控制模块之间的压力差，并且确定被监视的压力是否足以适合处理舱的操作，如果被监视的压力太低，则向至少一个流量控制模块发信号以提高流量控制，如果被监视的压力太高，则向至少一个流量控制模块发信号以降低流量控制。
26．根据权利要求25的系统，其中蒸汽相流量控制子进程进一步设置反应物的气体流速，以便维持进入处理舱的蒸汽流量。
27．根据权利要求23的系统，进一步包括在处理模块控制器上执行的处理舱压力控制子进程，该处理舱压力控制子进程测量处理舱内的压力，并且控制节流阀以便把处理压力维持在某个设定压力下。
28．一种群集式加工装置，包括从晶片源接受晶片的第一运输模块；第一组处理系统，每个被耦合的处理系统都从第一运输模块接收晶片、然后处理收到的晶片，并且在完成处理时把晶片送回第一运输模块。
29．根据权利要求28的群集式加工装置，进一步包括第二运输模块，它接收来自第一个运输模块的晶片；第二组处理系统，每个被耦合的处理系统都从第二运输模块接收晶片、然后处理收到的晶片，并且在完成处理时把晶片送回第二运输模块。
30．根据权利要求28的群集式加工装置，其中第一组处理系统和第一运输模块是受第一群集式加工控制器控制的。
31．根据权利要求29的群集式加工装置，其中第一组处理系统和第一运输模块是受第一群集式加工控制器控制的，第二组处理系统和第二运输模块是受第二群集式加工控制器控制的，而第一和第二群集式加工控制器是受工厂自动化控制器控制的。
32．一种在半导体基材上淀积薄膜的方法，该方法包括下述步骤测量母料的蒸汽压；根据实测的蒸汽压控制母料的汽化速率；把汽化的母料输送到处理舱中，并且使汽化的母料发生反应，以便在半导体基材的表面上生成反应产物。
33．根据权利要求32的方法，其中母料以作为实测压力的函数设定的速率从储舱分配到蒸发器上。
34．根据权利要求33的方法，其中汽化舱与处理舱之间的蒸汽流量是借助位于层流单元对置端的一对电容测压计测量的。
35．根据权利要求32的方法，进一步包括测量处理舱中的蒸汽压力的步骤。
36．根据权利要求32的方法，其中处理舱中的蒸汽压力是在喷头相对侧测定的。
37．根据权利要求36的方法，进一步包括通过调整位于喷头通道旁边的阀门的开度来控制通过这些通道的蒸汽流量的步骤。
38．根据权利要求33的方法，其中母料的蒸汽压是在汽化舱中测定的。
39．根据权利要求33的方法，其中蒸发器所产生的蒸汽通过处理舱时本质上不被稀释。
40．根据权利要求32的方法，其中进一步包括在半导体基材的表面上制作集成电路。
41．根据权利要求1的装置，其中输送导管的内径在12mm和40mm之间。
42．根据权利要求1的装置，其中输送导管内径大约为25mm。
43．根据权利要求1的装置，进一步包括一个与处理舱流体连通的泵送速度可动态变化的真空泵。
44．根据权利要求1的装置，进一步包括在处理舱中的喷头；在处理舱中的基材夹盘；以及附着在喷头上并且与喷头和基材夹盘协同定义有限的处理空间的流动盾牌，其中所述处理空间具有由所述流动盾牌定义的不大于基材夹盘直径的120％的直径。
45．根据权利要求44的装置，其中有限的处理空间的直径不大于基材夹盘直径的110％。
46．根据权利要求44的装置，其中喷头具有不大于有限的处理空间的直径。
47．根据权利要求44的装置，进一步包括围绕着基材夹盘一侧安装的可更换的吸气环。
48．根据权利要求44的装置，进一步包括用于在有限的处理空间范围内升降基材夹盘的升降装置。
49．根据权利要求48的装置，其中所述升降装置能把基材夹盘举出处理舱。
50．根据权利要求48的装置，进一步包括测定升降装置的高度的线性转换器。
51．根据权利要求1的装置，其中所述的汽化舱、处理舱和输送导管全被包括在单一的淀积模块内。
52．根据权利要求51的装置，其中所述的淀积模块进一步包括与处理舱耦合的真空泵和涤气器。
53．根据权利要求52的装置，其中所述淀积模块进一步包括处理器。
54．根据权利要求53的装置，其中所述淀积模块具有不大于大约1.2米的长度。
55．根据权利要求54的装置，其中CVD模块具有不大于大约0.6米的宽度。
56．根据权利要求55的装置，其中CVD模块具有不大于大约1.8米的高度。
57．根据权利要求51的装置，其中所示的汽化舱和处理舱彼此相距在25厘米范围内。
58．根据权利要求51的装置，其中CVD模块是用于半导体加工的群集式工具的一部分。
59．一种在基材上形成薄膜的方法，该方法包括下述步骤使母料汽化；调整汽化母料进入处理舱的流量；在处理舱中给基材加热；以及让母料在基材表面上反应以便在该表面上形成某种材料的薄膜。
60．根据权利要求59的方法，进一步包括如下步骤，即通过在基材表面上淀积母料提供基材表面的共形覆盖层，其中淀积速率受基材表面反应速率的限制。
61．根据权利要求59的方法，进一步包括如下步骤，即升降基材夹盘以便调整通过处理舱的蒸汽流。
62．根据权利要求59的方法，进一步包括根据实测的气体流量控制汽化舱和处理舱之间的气流速率，以便在基材上形成薄膜。
63．根据权利要求59的方法，进一步包括在处理舱中诱导被汽化的母料发生反应，并且使母料或母料的组成部分淀积在基材上的步骤。
64．根据权利要求63的方法，进一步包括把来自储舱的母料分配到蒸发器上。
65．根据权利要求64的方法，进一步包括用一对位于层流单元对置端的电容测压计测量汽化舱与处理舱之间的气体流量。
66．根据权利要求64的方法，进一步包括测量处理舱内的压力的步骤。
67．根据权利要求64的方法，进一步包括在喷头对置的两侧测量处理舱内的压力。
68．根据权利要求67的方法，进一步包括通过调整位于喷头通道旁边的阀门的开度，控制通过该喷头通道的气体流量的步骤。
69．根据权利要求64的方法，进一步包括测量汽化舱中压力以及把母料分配到蒸发器上，以使分配步骤作为实测的汽化舱压力的函数受到控制。
70．根据权利要求64的方法，进一步包括给输送导管加热。
71．根据权利要求64的方法，进一步包括在位于处理舱中的基材夹盘中产生电磁场。
72．根据权利要求64的方法，其中蒸发器所产生的蒸汽在通过处理舱时本质上不被稀释。
全文摘要
一种化学气相淀积装置,该装置包括用来把母料分配给位于汽化舱内的蒸发器的分配器。输送导管与处理舱一起参与蒸发。流量计位于输送导管内,以便测定通过输送导管的母料流量。另外,流量控制器也位于输送导管内,以便根据实测流速控制母料的流量。
文档编号H01L21/67GK1300328SQ99805938
公开日2001年6月20日 申请日期1999年4月14日 优先权日1998年4月14日
发明者詹姆斯·F·洛恩, 杰克·P·萨勒诺 申请人:Cvd系统公司