具有氣流控制系統的晶片處理反應器及方法
2023-06-14 23:11:41 3
專利名稱：具有氣流控制系統的晶片處理反應器及方法
在先申請本申請對在1999年2月2日提出申請的臨時申請60/118,286要求優先權。
本發明的領域本發明通常涉及在半導體和集成電路的製備中所使用的晶片處理反應器或系統和方法的領域。更準確地說，本發明涉及一種反應器和氣流控制系統和用於控制化學氣相沉積(CVD)系統中的氣體流量的方法。
為正確運行該系統，並且特別是沉積所需的質量和可重複性的膜，反應器中氣體的流動是很重要的。特別地，需要在貼近襯底表面的區域，實現氣體基本上均勻流動，以便在襯底的表面能得到一定濃度的氣相化學試劑或反應物，以便沉積合適的膜。而且，這種氣體流動控制將會促進用於反應的氣體的更有效利用。
沉積膜時另一個重要的標準是膜的厚度均勻。理想的是得到在襯底的整個表面上基本上均勻厚度的膜。當襯底的直徑繼續增加時，這種努力會變得更加重要。室中反應氣體的流動對生成膜的厚度起重要的作用。因而，需要控制氣體的流量並促進反應氣體在襯底的整個表面上基本上均勻流動。
在晶片處理系統中，值得足夠注意的進一步考慮是最大程度減少反應器中生成的微粒和雜質。微粒和雜質主要是通過未反應的和副產氣相化學試劑的聚積和在反應器的表面上形成沉積物(通常稱作粉末堆積)而引起的。這種沉積物是微粒的大量來源，它們可汙染在襯底上沉積的膜。為除去這種沉積物，系統必須脫機並維修。在滯流區聚積的雜質和氣態化學試劑，除引起汙染問題以外，還加快反應器的腐蝕並能嚴重地降低系統的使用壽命。惰性和反應氣體的流動對促進或降低未反應的和副產氣態化學試劑的聚積起著重要的作用，這種情況部分地決定粉末堆積的程度。因而，最理想的是提供一種系統，該系統能促進對惰性和反應氣體流動的控制以使聚積和粉末堆積減到最少。
業已發現，可將對各種氣體排氣流量的控制用於論述上述關係。當反應器的排氣系統不能正常運行時，就會出現問題。例如，如果排氣流量太高，氣體則不能完全反應並阻礙襯底表面上的沉積。相反地，如果排氣流量太低，氣體流動是不確定的，並且在室中聚積促使在室壁上生成沉積物。因此，最理想的是提供一種控制或「測量」氣體的排氣流動的系統和方法；也就是一種在系統中達到並且維持某種所選擇的氣體流量值的系統和方法。另外，由於不發生粉末堆積，最理想的是提供一種使用精確控制氣體流動並且不隨時間的推移而退化的控制裝置的系統和方法。
美國專利5851293中所述的一種現有技術方法是，使用一種控制反應器下遊流出物流量的波動從而抑制反應器上遊的波動的系統。該系統還使用一種處理來自反應器的流出物的消除系統。因為由於粉末堆積而引起的堵塞，下遊傳感器沒有維持壓力與流量之間的恆定關係，所以這種系統似乎只有抑制壓力波動的功能，並不提供對上遊系統中氣流的有意義的處理反饋控制。而且，這種系統不提供測量各種排氣流量從而達到並維持室中惰性和反應氣流的所需值的方法。
另一方面，業已發現反應器的裝載和卸載可在反應器中引起諸如壓力擾動的瞬間幹擾。因而，需要提供一種控制並將最大限度地減少這種幹擾的系統和方法。
本發明的目的是提供一種在晶片處理系統中提供氣體流量控制的系統和方法。
更具體地是，本發明的目的是提供一種在系統中提供可重複控制和測量氣體流量的系統和方法。
本發明的另一個目的是提供一種將系統中氣體的聚積和不需要的沉積物的生成減到最少的系統和方法。
本發明的更進一步目的是提供一種促進襯底表面上基本上均勻的膜的沉積的系統和方法。
本發明的另一個目的是提供一種將系統中瞬間幹擾減到最少的系統和方法。
本發明的相關目的是提供一種減少停機檢修時間並增加系統壽命的系統。
本發明的這些和其它目的是通過用於輸送至少一種氣體的晶片處理系統來實現的。所述系統包括包括在其中形成的處理區和具有多個用於輸送惰性和反應氣體的氣體流路的室。排氣流路是為惰性氣體和來自反應氣體的反應的排氣的排出而安置的。流量控制系統與每個排氣流路和每個氣體流路耦合，分別控制所述流路以維持所選擇的每個氣體流路中的氣體的基本恆定流量。
在本發明的另一個實施方式中，提供一種向反應器輸送和從其中排出氣體的方法。該方法包括在反應器中安置至少一個氣體流路的步驟。將氣體通過氣體流路輸送，並測定該氣體的流量特性。響應於所測定的流量特性，選擇性地調整流量控制單元以維持氣體流量在所選擇的基本恆定的值上。另外，氣體可流過多個氣體流路，分別調整氣體流量以維持各個氣體流路內的所選擇的氣體流量。另外，即使氣體溫度或路徑的幾何結構隨著時間的推移發生變化，也可使氣體流量在每個氣體流路中維持在基本恆定的值以促進氣體的均勻輸送和排出。
在本發明的另一個實施方式中，依據與周圍環境相通的開放系統中的常壓CVD反應器的裝載區和卸載區來確定兩個氣體流路。在開口沉積室的周圍的反應器相對的末端上，反應器擁有裝載區和卸載區。測定優選為壓力的每個區中的氣體流量特性，並有選擇性地調整流量控制器以維持開口室兩端的壓差基本恆定。在這種方式中，沉積室中氣體的流量維持平衡，並且由於暴露在環境中，其在系統中基本不受瞬變現象如壓力瞬變的幹擾。這個系統可稱作套筒平衡系統或瞬變壓力響應。來自沉積室的排氣流量通過保護室內的流動和壓力免受外界幹擾，也維持在所選擇的基本恆定的值上。
圖2是可在本發明中可使用的具有改進的氣體流路設計的示範化學氣相沉積系統截面示意圖。
圖3a顯示圖2的系統的一部分的放大截面圖。
圖3b是說明當各種氣體和排氣通過圖3a的CVD系統排出時的路徑的俯視圖。
圖4是本發明的排氣流量控制系統實施方式的示意圖，包括本發明的瞬間壓力響應流量控制系統。
圖5是本發明的化學氣相沉積的另一種實施方式和具有改進的氣體流路設計的排氣流量控制系統的示意圖。
圖6是說明本發明的瞬間壓力響應流量控制方法的一種實施方式的流程圖。
圖7是可在本發明中使用的另一個示範化學氣相沉積系統的一個處理室的截面示意圖。
圖8是說明當各種氣體通過具有圖7中所示類型的處理室和緩衝模塊的APCVD系統排出時的路徑的俯視圖。
本發明的詳細說明藉助於附圖，其中給相同的組件使用相同的參考代碼，現有技術的帶有排氣流量控制系統的晶片處理系統參考
圖1所示。晶片處理系統10包括反應器12和排氣流量控制系統14。該反應器包括室16和輸送來自反應器12的排氣的氣體流路18。可以使用許多類型的反應器，如各種CVD反應器和蝕刻反應器。
參看圖1，顯示出兩種氣體流路的流量控制。需明確的是控制系統14由兩個子系統14a和14b組成。每個氣體流路都有一個控制系統。第一流量控制系統14a對一個氣體流路起流量控制的作用，在這種情況下，該流路是室的排氣流路。第二控制系統14b對第二流路起流量控制作用，在這種情況下，該流路是輸入/輸出(裝載/卸載)排氣流路。在其最簡單的形式中，流量控制系統包括一個檢測所關心的氣體流路中的氣體流量特性的傳感器。控制器與傳感器耦合併接收來自傳感器的諸如孔兩端的壓差的流量特性測定。控制器與流量控制裝置耦合，並依據所收到的來自於傳感器的測量信號，控制器調整流量控制裝置以獲得一定的流量特性。系統作為反饋控制系統進行運作—控制器持續收到來自傳感器的信號並根據需要通過流量控制單元進行調整。
更具體的是，流量控制系統14a包括用於測定在氣體流路18中至少一種氣體的流量特性的傳感器20，和接收傳感器20的輸出信號的控制器22。響應於該控制器信號，控制器22有選擇性地調整流量控制裝置24。該流量裝置24進行調整以使在該氣體流路中達到和/或維持所選擇的流量。優選地，控制器22是本領域已知的計算機。可以使用任何適合的傳感器，但是，在優選的實施方式中，傳感器20由環形孔21和壓力轉換器23組成。該壓力轉換器23檢測孔兩端的壓降(ΔP)並將相應的輸出信號傳給控制器22。如在本領域已知的用於減少噪音而提供時均ΔP值的vTO ΔP信號調節器的一種信號調節器25可優選使用。同樣地，可使用任何合適的流量控制裝置24，優選MKS流量控制閥。
特別的優點是，該流量控制系統使用環形孔作為傳感器20的部件。一種合適的環形孔在美國專利5113789中作了詳盡的描述，這裡作為參考引入。環形孔是自清洗的；即可除去聚積在該孔的孔頸處的粉末堆積，由此該孔維持清潔而不由於堆積物而變窄。這種設計最大程度地減少如果這種孔堵塞所可能引起的錯誤的壓降讀數。這種自清洗的環形孔提供更精確的壓降讀數，這種更精確的壓降讀數使之與質量流量相互關聯得更好並形成更精確的和可重複的流量控制。傳感器的這種設計—即在不受粉末堆積和改變排氣管線尺寸的影響下，可正確測量汙染的排出氣流的壓力、流量或其它的特性—是改進的處理氣體流量控制所必需的至關重要的要素。
在現有技術的示範實施方式中，在流量控制傳感器20的下遊作用另一個MKS閥26。第二個MKS閥26分別受第二個控制器27控制。在管線中安置了第二壓力轉換器28用於測量傳感器20下遊的氣體流路中的壓力。基於通過該壓力轉換器提供的壓力讀數，第二控制器27根據需要指令MKS閥26開啟或關閉以維持路徑中所選擇的管線壓力，由此使傳感器20總是在恆定的壓力下運行。最後，可將諸如環形壓縮機泵的泵29安裝在氣體流路中以將氣體輸送至排氣設備中。
而且如圖1所示，可將許多單元裝在氣體流路中而不幹擾該流量控制系統。例如，在室排氣流路18中安裝了罐30。在該特別的申請中，緩衝罐30起低頻衰減器和收集排氣流中存在的粉末(即反應沉積物)的捕集器的作用。可將流量控制傳感器和流量控制器安裝在排氣流路中任何適當的位置上。
圖1表示用於控制另一氣體流路中的氣體流量的另一個流量控制系統14b，在這種情況下是輸入/輸出排氣流路。壓差轉換器23a和23b提供表示來自沉積系統12的外端的輸入和輸出區的流量的信號。轉換器23c提供一種代表混合流的信號，將其作為控制信號給控制器22g，而控制器22g啟動閥門24g去控制流向排氣流路18的惰性氣體的流量。啟動排氣閥以維持來自該系統輸入端和輸出端的惰性氣體的給定流量。
當氣體反應並形成晶片表面的層或膜時，達到並維持所選擇的氣體流量是重要的。如上所述，氣體的流量影響沉積反應的程度和均勻性。特別的優點是，本發明提供控制相關的氣體流路中各種氣體的流量。氣體流路可以是任何定義的氣體路徑，並將隨著應用的類型和系統的機械設計而變化。對在此所示類型的晶片處理系統來說，發明人已經發現，通常優選選擇氣體的排氣流路作為用於控制一定流量的氣體流路。然而，在某些情況下，也優選選擇惰性氣體流路。就象這裡所述的一樣，本發明講授的是選擇性控制多個氣體流路中的多種氣體的流量，以使它們的流量達到和/或維持在所選的值。所選擇的值將取決於各種因素，但是其所選擇的根本是使襯底的表面均勻處理。這就考慮到氣體的「計量」。本發明提供分別地測量每個氣體流路；也就是，提供每個氣體流路中氣體的均衡的反饋控制。
圖2和3說明本發明的系統和方法可以使用的晶片處理反應器。圖2是CVD反應器30的截面示意圖。具體地說，就象在此引入作為參考的美國專利4834020和5136975所述的類型一樣，該CVD反應器30是安裝了傳送帶的常壓CVD反應器。另一方面，也展示了帶有特殊氣體流路的特殊類型的CVD反應器，對本領域的普通技術人員來說可以充分理解的是，可以用不同類型、各自具有不同定義的氣體流路的反應器來應用本發明。
通常，CVD反應器30包括套筒32，具有安置在套筒32相對兩端的裝載區33和卸載區34。套筒32包括至少一個配置了注射器40和防護屏組件41的室36。在注射器40和防護屏組件41的下面的區域形成沉積區37。處理模塊36被附近的緩衝模塊38圍繞。緩衝模塊38的作用是將處理模塊36和沉積區37與處理路徑和套筒的其餘部分隔開。安裝了傳送帶的運輸裝置39沿著套筒32延伸以通過室36輸送襯底。在專利5683516和5849088中更詳細地公開了包括套筒32、注射器40和防護屏組合41的反應器室，在此清楚地引入整個說明作為參考。圖2的示範實施方式顯示四個室36和五個緩衝模塊38，但是應當明白的是可以使用許多室和緩衝模塊，並且該數量將隨套筒和反應器的設計而變化。在示範實施方式中，該室包括注射器40，它有將氣體輸送到沉積區37的口。如圖3a中所示，將防護屏組件安裝在注射器的附近和並環繞注射器。該防護屏41將惰性氣體、優選氮氣輸送到沉積區37。這種惰性氣體流有助於隔離沉積區37，並還通過將注射器和室表面上的粉末堆積減到最少增加系統的壽命。
裝載區33安置在套筒32的一端，在其相反的一端是卸載區34。為將膜沉積在晶片的表面上，安裝裝載區33以接收用於處理的晶片或半導體電路。典型地，使用自動裝載機械(未示出)將晶片放入套筒32的裝載區33。晶片由運輸裝置39通過套筒輸送。優選地，該運輸裝置39是機動運輸帶，但是可使用任何合適的運輸裝置。晶片通過套筒32和處理晶片的沉積區37。然後晶片通過卸載區34離開套筒32。
參照圖3a更詳細地顯示出，每個處理模塊36包括注射器40，用於將化學氣體或反應劑注入到直接位於該注射器40下面的沉積區37中。導管(未示出)將氣體輸送到注射器40，該注射器優選將氣體通過分開的導管輸送到注射器通道42。儘管未示出，每個注射器通道42沿著注射器40的縱軸縱向延伸以將氣體以薄片狀流穿過沉積區37進行輸送。專利5683516中公開了一種注射器，在此引入作為參考。當運輸襯底通過沉積區37時，氣體在沉積區37中相互作用並將一層材質沉積到襯底的表面上。從沉積區37中通過室排氣孔43除去未反應的氣體和沉積廢物。將該室排氣孔與合適的排氣系統如在示範實施方式中所示的室排氣集氣室耦合。這種室處理氣體的排氣形成了氣體流路，在該示範實施方式中被稱作室排氣流路。
當氣體反應並在晶片表面形成層或膜時，達到並維持所需的氣體流量是重要的。如上所述氣體的流量影響沉積反應的程度和均勻性。特殊的優點是，本發明提供控制相關的氣體流路中的氣體流量。發明人業已發現在這種情況下，優選選擇用於控制流量的排氣流路。根據本發明，將一種排氣流路確定為室排氣流路。運行該室排氣流路以從沉積區37中排出副產物和未用過的反應氣體。根據本發明的系統和方法，這些氣體以所選擇的流量從集氣室44排出。而且，本發明通過將所選擇的流量維持在基本恆定的值上，提供對室排氣流路中的這些氣體流量的控制。這提供反應氣體的更完全的反應和晶片表面上的膜更均勻的沉積。更進一步的是，對反應氣體的這種控制或「計量」，促進更均勻厚度的膜在晶片的整個表面上沉積。
為沉積高質量的膜，在反應器中除反應氣體外，還需要包括惰性氣流。惰性氣體可用於幫助限制反應氣體到沉積區。而且，惰性氣體可用於將沉積區與該系統的其它部分隔離。典型地，將惰性氣體通過室的側面和/或底部注入室中。如在圖3a中所示，將惰性氣體經防護組件41注入沉積區37。在示範實施方式中提供緩衝模塊38，以除去惰性氣體而又能隔離沉積區37。該緩衝模塊38安置在室36的附近，在各室36的每一側配有一個緩衝模塊38。延長緩衝模塊38並將其沿著室36的長度延伸橫跨反應器。該緩衝模塊38的作用是接收來自室36的如圖3b中箭頭70所示的過量的惰性氣體，並從通過如箭頭72所示的旁路排氣管49所確定的分開的氣體流路排出氣體。如上所述，將反應氣體從室排氣流路排出。以這種方式分開的氣體流路考慮到氣體流量的調整，以在晶片表面和沉積區中創造所需的氣體流動環境。
圖3a更詳細地展示了緩衝模塊38。在該實施方式中，緩衝模塊由延伸跨過套筒32的加長的旁管45組成。該旁管模塊包括安置在該管較低的位置上的兩個加長的隔板46和隔板46上部的大空腔47。這兩個隔板46安置在彼此附近，並間隔分開以在其間形成通道48。將通道48延長並延伸至旁管45的長度。來自室36和套筒32其它部分的惰性氣體流入緩衝模塊並經旁管45除去。為排空緩衝模塊38，將旁管45與兩個沿著套筒32的側面的旁路排氣管49耦合。一路旁路排氣管49安置在旁管45的各端。旁管45的空腔部分47在管45的各端是開口的，並因此形成進入旁路排氣管49的通道。氣體從該空腔流入安置在旁管45各端的旁路排氣管49。因而，將另一種氣體流路確定為所述的旁路排氣流路。通過緩衝模塊38和旁路排氣管49形成該旁路排氣流路。確定旁路排氣流路，考慮到室中的氣體流路分開，並分別控制旁路排氣流路和室排氣流路中的氣體。可以選擇在室排氣流路和旁路排氣流路中的流量，以使反應氣體基本上從室排氣流路排出，並使惰性氣體基本上從旁路排氣流路排出。這種有目的的控制室36中的氣流，促進反應氣體在沉積區37中保留。這種保留提高了沉積在晶片上的膜的均勻性，並減少了在注射器周圍和室表面上的粉末堆積。
晶片處理系統典型地包括用於接收和卸載晶片的裝載和卸載口。當將晶片裝入系統和從系統移去時，系統受到外部環境的影響。與外部環境接觸通常會將雜質引入系統中。因此，晶片處理系統可以在裝載和卸載區使用惰性氣體入口，以清洗通過裝載口和卸載口進入系統的雜質區。這種系統的一個實例如圖2和3所示。反應器30包括安置在套筒32的相反端的裝載區33和卸載區34。裝載區33和卸載區34各使用多個用於將惰性氣體注入該區的氣體入口或簾幕50。優選地，簾幕50注入薄的、細長的幕狀流動的惰性氣體。這些簾幕如所示的內部50A、中心50B和外部50C簾幕，但是可以使用任何適當數量的簾幕。這種幕狀流動的惰性氣體在晶片下面經過，清掃整個晶片的表面，並且「清洗」該晶片表面。該幕狀流動的惰性氣體還起的作用是將室36和旁管45與外部環境隔開。
在示範實施方式中，裝載區33和卸載區34是各自經排氣口51和52分別地排放。裝載排氣口和卸載排氣口51和52的作用是從各區排出大部分惰性氣體。優選地，裝載排氣口51和卸載排氣口52大約分別安置在裝載區和卸載區的中間位置。排氣口可以由任何合適的氣體出口組成，並在優選的實施方式中，它們分別包括兩級集氣室53(僅在裝載區示出，卸載區與之相同)。具體地，集氣室53包括兩個延長的送氣階段—下部集氣室54和上部集氣室55。下部集氣室54包括在下部集氣室54的側面形成的槽56。上部集氣室55包括一排在該上部集氣室55底面上形成的孔(未示出)。將來自各區的惰性氣體通過下部集氣室54中的槽56導入，並且然後通過孔輸入到上部集氣室55，接著將氣體通過排氣孔51從上部集氣室55輸出。因而，確定兩個另外的氣體流路是所述的裝載和卸載排氣流路。裝載和卸載排氣流路分別由集氣室50和裝載及卸載排氣口51和52形成的。
分開的裝載和卸載排氣流路的確定，考慮到套筒中氣體流路的分開及裝載和卸載區氣體的分別控制。可以各自選擇並選擇性地控制裝載和卸載排氣流路中的氣體流量。在將晶片裝入系統或從系統中取出時，這種對裝載區和卸載區中的氣流有目的的控制，促進對晶片表面的清洗。另外，控制氣流有助於將室36與套筒的其它部分以及外部環境隔開，並且促進將反應氣體保留在沉積區37。例如，可以選擇裝載和/或卸載區中氣體流量，以使在這些區中的惰性氣體分別從裝載和/或卸載口充分排出，但是該流量不能大到將反應氣體從沉積區37抽出並進入排氣口51和/或52。另外，可以選擇裝載和/或卸載排氣流路中的氣體流量，以將最外面的緩衝模塊中的部分惰性氣體抽入裝載和/或卸載排氣流路。裝載和/或卸載排氣流路中的氣體流量也可選擇，以補償外部壓力或流量不平衡，因此也可典型地將開放式APCVD系統安裝在潔淨加壓室環境中。換句話說，根據本發明可以選擇氣體流路，以通過各種方式導引系統中的氣體流動。參看圖3b，箭頭示意性地說明主要的惰性氣體的氣體流路。
如上所述，通過給出各種氣體流路的定義，本發明提供很大的靈活性。因而，可以確定許多氣體流路，並適應具體的應用和系統。當然，在本發明中可以定義並使用許多不同的氣體流路，詳細的實施例僅為說明目的而提供，而不以任何方式限制本發明所講授的內容。
為提供在所定義的氣體流路中氣體的流量控制，使用流量控制系統14。圖1表示現有技術中使用的流量控制系統14a和14b。圖4和5表示根據本發明的兩個實施方式的流量控制系統。該流量系統包括如圖1所示和如上所述的流量控制。運行該流量控制系統以選擇性地控制氣體流路中氣體的流量，以使在晶片處理過程中達到所需的流量，並可使其維持在基本恆定的值上。特定的流量值將隨許多因素而改變，所述因素包括如何定義氣體流路，系統的機械設計類型和性質、應用和所使用的氣相化學試劑的類型。
特別的優點是，本發明提供許多所定義的氣體流路的分開的流量控制。在圖4中描述了具有改進的排氣流路設計和四個流量控制系統14a-14d的本發明的實施方式。與現有技術的區別主要是通過在化學氣相沉積系統中通過設計布置多路排氣流路和單獨控制每個排氣流路，以使開放式APCVD系統的室與任何外部流體的侵入相隔離，並使室外部流動不平衡的任何瞬間壓力或靜壓力可以通過排氣流動控制系統來均衡。旁路集氣室的有效排氣，允許多餘的室流量從系統中抽出而不引起圍繞不同室的不均勻的流動條件。這種在惰性氣體簾幕之間的系統內部的裝載和卸載排氣的布置，使排氣流量控制系統能有效地維持所需的橫穿暴露於變化的外部環境條件下的、開放式APCVD系統中的室的壓差(接近零)。除兩個另外的氣體流路(裝載和卸載氣體流路的組合和旁路排氣流路)併入室排氣流路之外，第一流量控制系統14a與圖1中所示相似。根據本發明，可將氣體流路組合併控制組合的氣體流路達到和/或維持選擇的氣體流量。另外，可將所述路徑組合，並且可以在組合之前和/之後對單個路徑的流量進行控制。
在這個實施方式中，裝載和卸載排氣路徑分別由流量控制系統14b和14c控制。具體地，用流量控制系統14b控制該系統的裝載區33中的惰性氣體的流動。如上所述，達到一定的所需的氣體流量，和/或維持在基本恆定的流量下的氣體流動有助於系統中氣流的平衡，並導致改進的膜在晶片的表面上沉積。另外，對裝載區中氣體的分開控制可將系統內的氣體導向所需的氣體流路。也就是說，如上所述，可將流入裝載區附近的緩衝模塊，尤其是最外面的靠近裝載區的緩衝模塊的氣體，引入裝載區並經裝載排氣流路排出。這是通過將旁路排氣流路中的氣體流量維持在比旁管(由流量控制系統14d控制)中氣體的輸入流量低的速率來完成的。再藉助於圖4，通過流量控制系統14b來控制裝載排氣流路，該流量控制系統包括由壓力轉換器60和孔61、控制器62和流量控制單元4組成的傳感器。為控制裝載排氣流路中的氣體流動，傳感器60測量該路徑中氣體的流量特性，諸如路徑內橫穿孔61的壓降。傳感器20將表示測量值的信號傳送給控制器62。控制器62將該測量值與儲存在控制器存儲器裡的所選擇的值比較。然後控制器62響應這個測量值將指令發送給流量控制器64，指揮該控制器64開啟或關閉，以使氣體的流量在該氣體流路中維持恆定。該控制器可以是任何合適類型的控制器。附加的傳感器(未示出)如用於測量該氣體流路中的溫度的傳感器，還可以發送信號給控制器62，以使對流量控制單元64的指令來均衡溫度的變化，以維持基本上恆定的質量流量。
同樣地，可以通過流量控制系統14c來控制卸載區34中的氣體流動。流量控制系統14c還包括由壓力轉換器66和孔67、控制器68和流量控制器70組成的傳感器單元。為控制裝載排氣流路中的氣體流動，該傳感器測量該路徑中氣體的流量特性，諸如橫穿路徑中孔67的壓降。該傳感器發送表示測量值的信號給控制器68，並且控制器68將該測量值與儲存在控制器存儲器裡的所選擇的值比較。然後控制器68響應這個測量值，發送指令給流量控制器70，指揮控制器70開啟或關閉，以使該路徑中氣體的流量維持恆定。
流量控制系統14d控制旁路排氣流路中氣體的流量。將氣體通過反應器每側的兩個旁路排氣管49輸送。優選地，氣體在每個排氣管49的一端排出，並且兩股氣流混合。用壓力轉換器72測量該混合氣流橫穿孔73的壓力。同樣在另一個流量控制系統中，將壓力測量值傳送到控制器74，並且控制器74響應地調整流量控制單元76以維持一定的流量。
當優選用於惰性氣體的自動反饋流量控制系統時，應當注意的是可以採用人工系統來控制一個或多個氣體流路，其中排氣流是乾淨的，並且不受由於長時間地生成沉積副產物而造成的幾何結構改變的影響。參看圖5，示出流量控制系統14b、14c和14d，其中控制器已經主要由操作員代替。為達到和/或維持氣體流路中基本恆定的流量，操作員調整諸如常規手動球閥的人工流量控制單元78，80或82。通過手動調節該閥，操作員可以選擇諸如壓力或流量的穩定的流量特性。對於每個處理或在反應器中實施的配方條件，操作員將典型地選擇穩定的流量特性。當輸入新處理條件時，將典型地需要調整該閥以達到新的穩定的流量特性。
對系統中氣體流量的控制，可以帶來許多好處。一個最重要的過程是如上所述沉積出質量好的膜。在本發明的另一個實施方式中，採用流量控制的方法來控制系統中的瞬變現象或幹擾。在晶片處理系統的運行過程中，在系統的外部環境與內部環境之間典型地存在壓差。裝載和卸載晶片的活動，使該系統受到這種外部環境的影響，並在系統中引起瞬變壓力幹擾。甚至當該系統是APCVD反應器時，與外部環境相比，仍典型地存在壓差。特別是對APCVD反應器來說，外部環境中的任何幹擾，諸如開門進入該設備周圍的加壓的絕對無塵室區域，可通過進入該反應器的開口路徑而直接地影響沉積室的環境。瞬變壓力幹擾影響系統中氣體的流動。再參看圖4，根據本發明的另一個實施方式示出瞬變流量控制系統14e。為使瞬變幹擾減到最少，本發明通過調整套筒的裝載區33或卸載區34中的氣體流量，使橫穿系統中室的壓力平衡。將該系統稱作套筒平衡過程，或瞬變壓力響應過程。優選地，本發明的系統和方法使裝載區33和卸載區34之間維持基本為零的壓差(即ΔP≈0)。這在圖4中的流量控制系統14e中進行了說明。流量控制系統14e包括壓力轉換器84，該轉換器與套筒的裝載和卸載區耦合。壓力轉換器84測量套筒32的裝載區33和卸載區34之間的壓差，並將該信息作為信號傳送到控制器62。在這種情況下，控制器62與在裝載排氣流量控制系統14b中使用的相同，但是，可使用另外的控制器。通過控制器62接收信號，並且該控制器輸出信號以調整分別與裝載區或卸載區耦合的一個流量控制閥64或70。通過控制器62來選擇性地調整流量控制閥64或70，以使通過增加或減少來自裝載或卸載區的排氣流量，來保持套筒的裝載區和卸載區之間的壓差近似為零。通過維持零壓差，可使沉積室中的氣體流量維持在基本恆定的速率，並且基本上不隨影響套筒裝載端和卸載端的氣流的瞬變壓力幹擾而變化。
除由於裝載和卸載晶片而產生的瞬變壓力幹擾之外，系統中的熱量不平衡也會引起從套筒的一端到另一端的壓差。時常地，由於在該區存在所需更高的能量輸入以加熱晶片和處理用的運輸裝置，所以在套筒32的裝載區33的熱負荷更大。有利地是，在這種情況下瞬變控制系統14e也提供用於維持橫穿沉積室所希望的最小壓差的系統和方法。
通過圖6中的流程圖100來示意說明瞬變流量控制方法。首先，用於反應器的處理條件在步驟102中確立。該處理條件包括將特殊類型的膜沉積到晶片表面上所需的關於各種反應性和惰性氣體的氣流。例如，該處理條件可以包括注射器口中氣體的輸入流量。基於得到晶片上所希望的均勻氣流，來選擇這些流量值。還可確定通過防護屏的惰性氣體的流量。可選擇室處理排氣的流量以保留化學試劑。可以確定旁路排氣流量，並選擇套筒裝載區和卸載區中的氣體流量。
其次，在步驟104中測量最外面的裝載區和最外面的卸載區之間的壓差(ΔP1)。可經與流量控制路徑耦合的流量控制單元，對許多流量控制路徑進行調整，以使在步驟106中ΔP1維持近似等於零。具體地，開啟或關閉流量控制單元，可以增加或降低流量控制路徑中的流量，以使維持ΔP1的值大約等於零。可以調整下列氣體流路的任何一個或其組合裝載排氣流路、卸載排氣流路、裝載外部和中心簾幕、和卸載外部和中心簾幕。如在該圖中所示，氣體流路可以包括諸如裝載和卸載外部或中心簾幕的氣體入口，並且不限於排氣路徑。
由於套筒裝載區和卸載區的長度可以相對較長，優選還分別測量裝載區和卸載區最裡面位置的壓力。因此，在步驟108中測量最裡面的裝載區和最裡面的卸載區之間的壓差(ΔP2)。可經耦合的流量控制單元來對許多流量控制路徑調整流量，以使在步驟110中維持ΔP2大約等於零。可以調整下列氣體流路的任何一個或其組合裝載中心和內部簾幕、卸載中心和內部簾幕以及旁路排氣流路。
在步驟112中重新測量ΔP1，並且按需要根據步驟106，可將流量調整到維持ΔP1≈0。最後，使系統在步驟114中維持穩定，並將產生的ΔP值作為給定值輸入控制器，以通過反饋控制來調整一個裝載或卸載排氣閥或N2簾幕來自動地維持。對於新的處理條件在步驟102中重新執行該程序。
在圖7中示出本發明的另一個實施方式。圖7是用於另一個CVD系統的兩個處理室36和它們之間的緩衝模塊38的示意圖，特別是顯示處理室模塊36的放大圖。使用注射器組合300和屏蔽組合302。該屏蔽組合302在作為參考在此引入的美國專利US5849088中進一步公開。在旁管45中緩衝模塊結合氮氣室簾幕304，使在沉積區中保留化學試劑的同時，反應室排氣率小於1.0。另外的氮氣幕狀氣流將補充室排氣和旁路排氣，因此室旁路流出物將除去雜質，諸如可從旁管逸出的鉻(Cr)汽化物。可以使室間和路徑間的裝載/卸載的Cr峰值雜質減到最少。優選地，用如圖3a所示的三個氮氣簾幕50a、50b和50c分別清洗罩筒的裝載和卸載區。特別的優點是，根據本發明可以沉積出含有非常少的Cr雜質的膜。系統中的氣流和圖7的罩筒在圖8中示出。
總之，改進的晶片處理反應器結合旁路排氣集氣室，由此將來自沉積室內部或來自室間緩衝區的過剩惰性氣體，從該反應器中可控制地除去。本發明提供了改進的彼此隔離的處理室、改進的室間平衡，並除去可能以另外的方式引入處理室的處理區的雜質。對裝載和卸載惰性幕狀排氣的控制，在裝載和卸載晶片過程中可能發生的熱負荷波動和內部壓力波動，和如開門時可能發生的外部幹擾的情況下，提供橫穿該反應器的壓力平衡。該晶片處理反應器包括多路排氣流量控制，以在室沉積區中維持穩定的壓力和流量。
如上所述很顯然的是，本發明提供改進的流量控制系統和方法。本發明的系統和方法可以和晶片處理系統一起使用，以在沉積區中獲得改進的均勻的反應物，並對系統中的氣體流動提供更強的控制和導引，由此提高所沉積的膜的質量。本發明的上述具體實施方式
，已經顯示出說明的目的。它們不意味著是徹底的或是限制本發明為所公開的明確的形式，很顯然，根據上述教導可能進行許多改進和變化。為了最好地解釋本發明的原理和它的實際應用，選擇並公開實施方式，由此使本領域其它技術人員能夠最好地使用本發明和帶有適於所考慮的特殊用途的各種改進的各種實施方式。這裡的意圖是通過在此所附的權利要求和它們的等同物來確定本發明的範圍。
權利要求
1.一種化學氣相沉積處理系統，用於輸送至少一種反應氣體和惰性氣體以處理晶片或其它襯底，該系統包括至少一個處理室，該室包括在其中形成的處理區，並且該室具有至少一個將所述至少一種反應氣體輸送到所述處理區的氣體流路，和另一個將所述惰性氣體輸送到所述晶片處理區的氣體流路，單個排氣流路，用於將一個所述路徑中全部所述反應氣體和部分所述惰性氣體一起除去，和另一個所述路徑，用於僅將過剩的惰性氣體從所述處理室除去，和排氣流量控制系統，用於分別控制來自各個所述排氣流路的氣體流量來限制反應區，以使只有在所述處理室內部輸送的所述反應性和惰性氣體從所述處理區排出。
2.權利要求1的系統，其中配置用於至少一種反應氣體排氣流路的排氣流量控制系統，以從所述處理區中按基本恆定的選擇流量排出反應氣體和部分所述惰性氣體。
3.權利要求1或2的系統，其中所述另一個氣體流路包括鄰近所述處理室的惰性氣體緩衝模塊，用於輸送和/或接收惰性氣體以進一步隔離 處理區，和旁路排氣集氣室，用於排出供給到反應器室和惰性氣體緩衝模塊的過剩的惰性氣體。
4.權利要求1、2或3的系統，包括在所述處理系統的晶片裝載區和卸載區的至少一個惰性氣體流路，各所述區中的排氣流路，和用於控制從各所述區中排出惰性氣體以使橫穿所述處理區的壓差基本上減到最小的裝置，儘管所述處理系統存在由於溫度、室壓、室氣流或其它這種差異而引起的橫穿它的不平衡壓力梯度。
5.權利要求1、2、3或4的系統，其中所述另一個氣體流路包括旁路排氣流路，該旁路排氣流路是由所述至少一個處理室每側上延長了的緩衝模塊構成的，該處理室具有彼此鄰近安置的兩個延長的擋板，他們構成橫跨系統整個寬度的延長的槽，和在所述槽之上的開口空腔，用於接收所述至少一種氣體，和配置在用於排出所述氣體的所述空腔的每一端的旁路集氣室。
6.權利要求4或5的系統，其中至少一種惰性氣體流路包括裝載排氣流路，用於排出所述至少一種氣體，所述路徑是由安置在所述處理室一側的裝載區構成的並具有集氣室，該集氣室帶有在底面有槽的下部集氣室，用於接收所述至少一種氣體，和在底面帶有一排孔的上部集氣室，用於接收來自所述下部集氣室的所述至少一種氣體，和與所述上部集氣室耦合的裝載出口，用於從所述裝載區排出所述氣體；和卸載排氣流路，用於排出所述至少一種氣體，所述路徑是由安置在所述處理室另一側的卸載區構成的並具有集氣室，該集氣室帶有在底面有槽的下部集氣室，用於接收所述至少一種氣體，和在底面帶有一排孔的上部集氣室，用於接收來自所述下部集氣室的所述至少一種氣體，和與所述上部集氣室耦合的卸載出口，用於從所述卸載區排出所述氣體。
7.權利要求1、2、3、4、5或6的系統，其中所述流量控制系統各自進一步包括與每個所述氣體流路耦合的傳感器，用於測量該流路中的氣體的流量特性；用於接收來自與每個所述氣體流路耦合的傳感器的信號的控制器；和在每個氣體流路中的選擇性可調的流量控制單元，用於控制對所述控制器作出響應的所述路徑中的氣體流量，以按照所選的值來維持氣體流路中的氣體流量。
8.一種化學氣相沉積處理系統，用於輸送至少一種反應氣體和惰性氣體以處理晶片或其它襯底，該系統包括至少一個處理室，包括其中形成的處理區，並具有至少一個氣體流路，用於將所述至少一種反應氣體輸送到所述處理區，和另一個氣體流路，用於將所述惰性氣體輸送到所述晶片處理系統，至少一個排氣流路，用於從所述處理室中除去所述反應氣體和惰性氣體，和流量控制系統，用於分別控制來自所述排氣流路的氣體流量，在所述處理區的裝載和卸載端的所述處理系統中的晶片裝載和卸載區，各自具有將惰性氣體輸送到所述裝載和卸載區的至少一個氣體流路，通入所述惰性氣體流動區域內部的裝載排氣流路和卸載排氣流路，與所述裝載排氣流路耦合的第一傳感器，用於測量所述裝載排氣流路中的所述氣體的流量特性；與所述卸載排氣流路耦合的第二傳感器，用於測量所述卸載排氣流路中的所述氣體的流量特性；用於接收來自所述第一和第二傳感器的信號的控制器；和在每個所述裝載和卸載排氣流路中的流量控制單元，選擇性地調整所述流量控制單元，以控制在對所述控制器作出響應的每個所述裝載和卸載流路中的氣體流量。
9.權利要求8的系統，其中調整控制單元以使在裝載和卸載排氣流路中的氣體流量維持在基本恆定的所選的值上。
10.權利要求8的系統，其中調整控制單元以使在裝載和卸載排氣流路中的氣體流量保持在所述系統的裝載和卸載端之間基本上為零的壓差。
11.一種權利要求8的化學氣相沉積處理系統，其中所述裝載區具有集氣室，該集氣室帶有在底面有槽的下部集氣室，用於接收惰性氣體，和在底面帶有一排孔的上部集氣室，用於接收來自所述下部集氣室的惰性氣體，和與所述上部集氣室耦合的裝載出口，用於從所述裝載區排出所述氣體；和所述卸載區具有集氣室，該集氣室帶有在底面有槽的下部集氣室，用於接收所述至少一種氣體，和在底面帶有一排孔的上部集氣室，用於接收來自所述下部集氣室的所述至少一種氣體，和與所述上部集氣室耦合的卸載出口，用於從所述卸載區排出所述氣體。
12.權利要求8的化學氣相沉積處理系統，其中處理室與環境相通，以使沉積工藝在常壓或接近常壓的條件下進行。
13.權利要求12的系統，其中調整流量控制單元，以使在裝載和卸載排氣流路中的氣體流量維持在基本上恆定的所選的各值上。
14.權利要求12的系統，其中調整流量控制單元，以分別地並選擇性地調整裝載和卸載排氣流路中的所述惰性氣體的流量以在一個所述排氣流路中維持基本上恆定的所選流量，和甚至當裝載或卸載晶片時，或當外部常壓或流量發生變化時，在另一個所述氣體流路中改變流量，以控制橫穿所述開口室的壓差到近乎為零的基本恆定的值。
15.權利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13或14的系統，其中所述排氣流量控制系統包括自清洗孔，測量橫穿該孔的壓差以確定通過該孔的氣體流量。
16.權利要求8的系統，其中將所述惰性氣體用於裝載清洗簾幕和卸載清洗簾幕，並且甚至當裝載或卸載晶片時，或當外部常壓或流量發生變化時，選擇性地調整流量控制單元以維持橫穿開口室的壓差在基本上恆定的近乎為零的值。
17.權利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13或14的方法，其中通過與排氣流路耦合的傳感器來測量流量特性的步驟，包括安置在所述排氣流路中的孔。
18.權利要求17的系統，其中排氣流量控制系統進一步包括，用於測量孔處的氣體溫度以相對於氣體的溫度來修正壓差和流量之間的相互關係的裝置。
19.操作權利要求4、5、6或7的化學氣相沉積處理系統的方法，該方法包括分別控制來自裝載和卸載區的惰性排氣的流量，以使一個流路中的流量基本上恆定，並改變另一個流路中的流量，以當裝載或卸載晶片時，或當外部常壓、溫度或流量發生變化時，保持橫穿所述至少一個處理室的壓差基本恆定近乎為零。
20.權利要求19的化學氣相沉積處理系統，其中處理室與環境相通，以使沉積工藝在常壓或近乎為常壓的條件下進行。
21.權利要求4、5、6或7的系統，其中將所述惰性氣體用於裝載清洗簾幕和卸載清洗簾幕，並且甚至當裝載或卸載晶片時，或當外部常壓或流量發生變化時，選擇性地調整流量控制單元，以維持橫穿開口室的壓差在基本上恆定的近乎為零的值。
22.權利要求21的化學氣相沉積處理系統，其中處理室與環境相通，以使沉積處理在常壓或近乎為常壓的條件下進行。
全文摘要
一種晶片處理系統,用於將處理氣體和惰性氣體輸送到室中,該室包括將所述氣體輸送到室並將它們從室排出的多個氣體流路的CVD處理區。將流量控制系統與每個排氣流路耦合,並且分別控制每個處理氣排氣流路,以在各氣體流路中維持恆定流量,而不受沉積副產品聚積的影響。利用自清洗孔,允許測量處理排氣管線中的壓差以測量流量。該晶片處理系統具有裝載區和卸載區,它們在室周圍,並且各自都有另外的惰性氣體排氣流路,測量這些區域的每一個區域的氣體的流動特性,優選橫穿孔的壓差並且有選擇性地調整流量控制單元以維持各個區域基本恆定的排氣流量,以彌補室兩邊的、由可能破壞APCVD系統性能的內部(熱負荷)或外部(環境)的不均衡引起的任何壓力不平衡。
文檔編號B01J19/00GK1342212SQ00804644
公開日2002年3月27日 申請日期2000年2月1日 優先權日1999年2月2日
發明者L·D·巴索羅米夫, R·J·柏利, R·A·艾瓦爾德, J·T·伯蘭德 申請人:矽谷集團熱系統責任有限公司