CN101370963B - 高温原子层沉积进气歧管 - Google Patents
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Abstract
一种用于向原子层沉积(ALD)反应器分配一种或多于一种气体的系统和方法。被安装在喷头组件上的集成式进气歧管挡块包括直接安装于其上的高温(可达到200℃)额定阀门以及短的、容易被清洗的反应物管线。整体通道和金属密封件可以避免O型环及沿流动路径的附带盲区。该歧管包括内部惰性气体管道，用以清洗在挡块进气歧管内的反应物管线。
Description
本申请要求2006年1月19日提交的序列号为60/760,243、标题为“HIGH TEMPERATURE ALD INLET MANIFOLD(高温原子层沉积进气歧管)”的临时申请的优先权。上述申请的主题由此通过参考以其全部内容并入本文。
技术领域
本发明一般涉及用于原子层沉积(ALD)反应器的歧管组件。
背景技术
原子层沉积(ALD)是在半导体产业中用于在基片诸如硅片上形成材料薄膜的公知的工艺。ALD是一种蒸汽沉积，其中通过多重超薄层的沉积来建立薄膜，其薄膜厚度是由沉积层的数量决定的。在ALD工艺中，要被沉积的材料的一种或多于一种化合物(前体)的气态分子被提供给基片或晶片用以在晶片上形成此材料的薄膜。在一个脉冲中，一般不到一个单层的第一前体材料在晶片上的自限过程中可以被大体完全吸收。在随后的一个或多个反应物脉冲中，被吸收的前体材料可以被分解或反应以形成所需材料的单分子层。例如，被吸收的前体材料可以与随后的反应物脉冲中的反应物发生反应以形成一种元素或化合物的单分子层。示例包括仅从被吸收种类中剥夺配位体的反应物脉冲、用其它种类代替配位体以形成化合物的反应物以及每个周期内具有三种或多于三种反应物和/或前体脉冲的序列。通过重复生长周期产生厚的薄膜直到达到目标厚度。
在ALD工艺中，至少单面将被镀膜的一个或多于一个基片被传入到反应器或沉积室中。晶片一般被加热到所需温度，此温度高于所选气相反应物的冷凝温度但是低于其热分解温度。一种反应物能够与被吸收的在先反应物种类发生反应以在基片表面形成所需的产物。该产物可以是薄膜、衬垫或层的形式。
在ALD工艺过程中，反应物脉冲(一般均是蒸汽或气态形式)被连续地脉冲输送到在反应物脉冲之间具有移除步骤的反应器内。例如，在反应物脉冲之间提供惰性气体脉冲。惰性气体在下一个反应物脉冲之前清洗一个反应物脉冲的腔体以避免气相混合或化学气相沉积(CVD)类型的反应。ALD的显著特点是每种反应物(不管是对薄膜起作用的前体种类或仅是还原剂)都被传送到基片直到达到饱和表面条件。周期被重复以形成所需厚度的原子层。为了获得自限生长，提供每种前体的足够数量以使基片饱和。因为生长率是自限的，所以生长率与反应序列的重复率成比例，而不是像CVD那样与反应物的流量和/或温度成比例。
发明内容
本发明的系统和方法具有若干特征，没有一个单一的特征能够单独实现其必要属性。在不限制所附权利要求表达的本发明的范围的情况下，现在简要地讨论其更显著的特征。考虑这些讨论后，尤其是阅读了标题为“具体实施方式”的部分后，将会理解本文描述的特征如何比传统的ALD混合方法和系统具有若干优势。
一方面是原子层沉积装置。该装置包括具有第一通道和第二通道的歧管主体，第一通道和第二通道没有O型环。该装置进一步包括位于主体内的孔且该孔与第一通道和第二通道流动连通。该装置还包括气相沉积腔，该气相沉积腔与孔流动连通并被配置为在固定于其中的晶片上沉积薄膜。
另一方面是用于半导体处理装置的多块歧管组件。该歧管组件包括主体，该主体包括第一金属材料并具有孔，该歧管组件还包括底板，该底板包括第一金属材料并被耦合到主体上。该组件进一步包括盖子，该盖子包括第二金属材料并被焊接到底板上，该盖子被配置为在其上安装一个阀门。该组件还包括在主体的孔和盖子之间形成的内部通路。至少一部分内部通路延伸穿过主体和底板，而不在主体和底板之间的焊接界面处形成盲管段。
另一方面是原子层沉积装置，其包括被配置为分散气体的分散组件和被安装在分散组件上的进气歧管挡块，该进气歧管挡块包含孔、第一内部反应物管线和第二内部反应物管线，该第一和第二内部反应物管线与孔流动连通。该组件进一步包括第一反应物阀门和惰性气体阀门，该第一反应物阀门被安装在进气歧管挡块上并被配置为控制供给第一反应性气体到第一内部反应物管线，该惰性气体阀门被安装在进气歧管挡块上并被配置为控制供给惰性气体到第一反应性气体阀门。该组件进一步包括第二反应物阀门和第二惰性气体阀门，该第二反应物阀门被耦合到进气歧管挡块上并被配置为控制供给第二反应性气体到第二内部反应物管线，该第二惰性气体阀门被安装在进气歧管挡块上并被配置为控制供给惰性气体到第二反应性气体阀门。
还有另一方面是分配气体到具有歧管和反应器的原子层沉积装置的方法。该方法包括：通过在第一反应物阀门和歧管出口之间没有O型环的第一通道按路线传送第一反应性气体到歧管，禁止反应性气体流动，以及通过在第一通道上游的第二通道按路线传送惰性气体到歧管，其中该第二通道在第一惰性气体阀门和第一通道之间没有O型环。
附图说明
现在将通过参考几个优选实施例的附图描述本发明的这些和其它特征、方面及优势，这些实施例的目的是举例说明而非限制本发明。
图1是根据本发明的实施例示出原子层沉积(ALD)装置的示意性视图。
图2是根据本发明的实施例示出应用于装置的中间分散元件的一个示例的示意图。
图3是根据实施例示出薄膜形成步骤的一个示例的示意图。
图4是根据实施例示出被耦合到ALD反应器的歧管组件的ALD装置的截面视图。
图5是在图4中图示说明的歧管组件的透视图。
图6是根据实施例穿过图5中歧管组件的气体流动路径的示意性视图，并且示出四个惰性气体阀门，每个惰性气体阀门与分离的反应性气体阀门流动连通。
图7是图5中歧管组件的顶视图。
图8是沿着图7中的线8-8的截面视图。
图9是沿着图7中的线9-9的放大横断面视图，其示出反应物阀门、惰性气体阀门和歧管主体之间的流动通道。
图10是具有不同材料(诸如铝和不锈钢焊接在一起)的子组件的歧管组件的另一个实施例。
具体实施方式
现在将通过参考几个优选实施例的附图描述本发明的方面和优势，这些实施例的目的是举例说明而非限制本发明。歧管主体的某些实施例有一个或多于一个特征。这些特征包括内部惰性气体管道，整体式加热器，在前体路径中没有O型环或盲区，以及短的反应性气体通道。
尽管ALD因为自限反应和在没有完全一致的条件下理论上完全共形沉积而被称道，但是各种工艺参数必须被仔细地控制以确保ALD产生高质量的层。已经发现如果反应性气体没有被有效地清除，当其它前体被脉冲输送时，可能导致存在一种前体，引起CVD反应在气相中或腔室/基片表面而非ALD反应表面发生。使用O型环组装ALD装置的子组件使清洗反应性气体变得更加复杂。这些O型环中产生小的空隙，这些空隙一般指的是接近O型环密封表面的盲管段和供给前体的气体喷嘴。由于这些空隙中的存留体积而引起前体不适当的抽空将产生颗粒，因此负面影响ALD工艺。这些O型环还可能是泄漏的根源，其通过密封表面自身的裂口或通过为高温和化学相容性所选的O型环材料的渗透而引起泄漏。
重要的是维持前体气体从源(多半是装有固体前体的容器)到晶片表面的热控制。通常存在一个允许热量公差的小窗口(每个前体不同，但是其遵循相同的原则)。也就是说，通过控制固体媒介的热量方面来管理蒸汽吸收(或前体的量)。当温度低于临界设定值时，气体流动路径发生冷凝从而引起负面的工艺结果和短的维护间隔。当温度高于临界设定值时，发生媒介“分解”而且工艺处于危险中。重要的是保持所有区域尽可能的短以便维持更好的热稳定性。
如果歧管组件没有热集成或热控制，则混合气体的温度可以在歧管组件内变化并导致CVD生长。尽管对歧管组件增加热集成可以禁止不想要的CVD反应，但是其可能对歧管组件的子组件例如高速阀门产生有害影响。高速阀门在升高的温度环境中不可以被额定操作。此外，沿着流动路径的盲区可能引起反应性气体重新循环到沉积室的上游。
在ALD工艺过程中，抽空前体所需要的时间非常重要。ALD工艺是前体“速射(rapid fire)”和清洗气。管线越短，导通(泵浦效率)越好，则工艺时间越短。这对ALD市场极为重要。
图1根据本发明的实施例示出薄膜形成设备100的一个实施例的横断面。薄膜沉积设备100包括自动机械(未示出)，该自动机械通过闸门阀6将半导体基片15(其为要处理的工件或物体)从真空转移室(未示出)传送到反应室1。反应室1包括：上盖2、分散板3(别名“喷头板”)、排气管4、下闸室5、基片转移闸门阀6、排气端口7、基片支架8以及用于上下移动基片架8的升降机构9。
当支架8位于降低的位置8’时，基片15被加载到基片支架8上。然后基片支架8向上移动直到半导体基片15位于离分散板3合适距离的位置。支架8位于装置内部，并且被配置为在沉积工艺过程中支撑基片15或晶片。支架8还可以被提供具有内部或外部加热器(未示出)以在工艺处理之前或工艺处理期间加热基片15。在将基片15从真空转移室转移到反应室1后，薄膜沉积设备通过例如经由阀门31(a)、31(b)、31(c)和31(d)循环反应性气体以及经由阀门30(a)、30(b)、30(c)和30(d)循环惰性气体而在反应空间22中执行薄膜形成工艺。
在某些实施例中，每个反应性气体阀门31(a)-(d)与惰性气体阀门30(a)-(d)流动连通并相关。优选地，每个反应性气体管线的至少一部分被安排与相关惰性气体阀门30串行连接。用这种方法，惰性气体进入反应性气体的流动路径，该流动路径优选靠近相关反应物阀门31但在其上游，以加强清洗全部的反应性气体管线。
例如，每个反应性气体阀门31(a)-(d)可以是三端阀门。三端阀门有两个输入端口与反应性气体源和惰性气体阀门流动连通。三端阀门的输出端口与反应空间22流动连接。反应性气体阀门31(a)-(d)分别控制反应性气体和惰性气体流入反应空间22。
在某些实施例中，每个惰性气体阀门30(a)-(d)是双端阀门。双端阀门有一个输入端口与内部惰性气体管道610(图4)流动连通，还有一个输出端口与反应性气体阀门31(a)-(d)中的一个流动连通。双端阀门控制惰性气体在内部惰性气体管道610和相关反应性气体阀门31(a)-(d)中的一个之间流动。在这一示例性安排中，反应性气体阀门31(a)-(d)与相关惰性气体阀门30(a)-(d)串行连接并处于其下游。因为气体流向反应空间22，如果在基片工艺处理过程中位于第二位置的气体流向第一位置，则第一位置位于第二位置的下游。
每个惰性气体阀门30(a)-(d)控制惰性气体流向相关反应性气体阀门31(a)-(d)。反应性气体阀门31(a)-(d)控制从相关惰性气体阀门30(a)-(d)接收的惰性气体的流动以便在脉冲输送反应物后清洗反应物蒸汽管线。例如，与连接到阀门31(a)、31(b)、31(c)和31(d)的反应物蒸汽源相关的一个或多个惰性气体源被分别连接到阀门30(a)、30(b)、30(c)和30(d)。这个或这些惰性气体源可以被密封加压或不密封加压。这些惰性气体源可以是例如稀有气体源或氮气源。ALD控制系统(未示出)包括存储器和处理模块，并且被编程以控制这些阀门和其它阀门来选择性地允许或阻止各种气体到达反应空间22。例如，气体流从惰性气体阀门30流入相关反应性气体管线，并且可以继续流入反应室1并清洗反应性气体的腔室。
除了与惰性气体和反应性气体相关的阀门30、31外，ALD装置还可以包括单独的惰性气体管线54和连接惰性气体源到反应室1的阀门32。惰性气体阀门32为ALD装置提供另外的惰性气体，并且可以根据所需的基片工艺处理被连续地或定期地操作。在图示说明的实施例中，惰性气体还通过惰性气体管道补给线52流向内部惰性气体管道610(图6)。惰性气体管道补给线52可以通过惰性气体阀门32或单独的惰性气体阀门(未示出)接收惰性气体。内部惰性气体管道610与惰性气体阀门30(a)-(d)流动连通。
ALD装置100被配置为当基片15被插入反应室1时在基片15上沉积薄膜。一般来说，ALD装置通过阀门31(a)、31(b)、31(c)、31(d)中的一个或多于一个接收第一反应性气体。ALD装置100还通过其它阀门30(a)、30(b)、30(c)、30(d)中的一个或多于一个接收惰性气体。通过开关合适的阀门，停止第一反应性气体的流动，然后使用来自一个或多于一个阀门30(a)、30(b)、30(c)、30(d)的惰性气体以及来自惰性气体管道54的主清洗流一起清洗沉积室和气体管线。在反应室1和气体管线被清洗后，使用其它反应性气体中的一种或多于一种来继续沉积循环。来自交替脉冲的反应物仅仅在基片或晶片表面上互相发生反应，以在每个循环中至多形成所需产品的一个单层膜，并且其在气相不发生反应或相遇。请注意在一些运行模式中，通过牺牲均匀性可以实现超过每个循环形成一个单层膜的提高的沉积速度。
在ALD装置100的实施例中，在每个循环中，两种或多于两种反应性气体依次(通过清洗周期分开)流过ALD装置100以在晶片上形成材料。在反应空间22中吸收和反应后，反应空间中每种反应性气体的多余部分通过排气管24被随后排出。排气管24可以被连接到涡轮分子泵(TMP)50上以协助清除反应室1的气体并在反应室1中提供低压环境。此外，整个ALD装置100可以通过将ALD装置100底部的任何联轴器连接到真空泵(TMP)50或干式泵(DRY)而抽气到低压状态。
ALD装置100包括气体引入歧管组件10。歧管组件10包括主体27(图5)、内部惰性气体管道610和中心孔28。歧管组件10进一步包括一个或多于一个反应性气体阀门31(a)、31(b)、31(c)、31(d)和一个或多于一个惰性气体阀门30(a)、30(b)、30(e)、30(d)。歧管组件10被配置为通过反应物阀门31(a)、31(b)、31(c)、31(d)按路线传送反应性气体进入穿过ALD装置100和通过惰性气体阀门30(a)、30(b)、30(c)、30(d)按路线传送惰性气体进入穿过ALD装置100(见图3)。歧管组件10进一步被配置为在给定的脉冲中选择性地将通过阀门30(a)-(d)进入的惰性气体中的一种或多于一种与通过阀门31(a)-(d)进入的反应性气体中的一种混合。得到的混合物进入反应室1。在每个脉冲之后，ALD装置100通过排气管24从反应室1排出任何未反应的反应物和惰性气体，诸如通过清洗。在本文示出的阀门位置仅仅用于说明目的，阀门可以位于沿着气体管线的不同位置。优选地阀门位于接近歧管组件10的位置或本身位于歧管组件10上以减小阀门下游气体管线的长度。反应性气体阀门31(a)-(d)可以例如被设置为离进气歧管挡块大约10mm以提供短的容易清洗的管线。如下所述，本文描述的示例性实施例中的各种阀门被指定为使气体或一种或多于一种气体的混合物流入歧管组件10。然而，本发明不限于本文所公开的示例性实施例。
反应性气体循环通过ALD装置100的次序取决于所需的产物。在每种气体进入反应室1之前，为了使一种或多于一种气体之间的任何相互作用最小化，在反应性气体的脉冲之间，通过阀门30(a)-(d)进入的惰性气体被定期地循环或连续地流过ALD装置100。用这种方法，惰性气体清洗管线和反应室1。如下述解释，各种反应性气体和惰性气体系统地循环通过ALD装置100，以便在通过闸门阀6插入的晶片上形成沉积。
如图4所清楚显示，气体引入歧管组件10被安装在分散板3上。歧管组件10被耦合到管状的气体引入构件11上，该气体引入构件11延伸穿过盖2(见图1)。下面结合图1描述歧管组件10的一个实施例。构件11连接在歧管组件10的下游末端，并且接收来自歧管组件10的反应性气体和惰性气体。示例性惰性气体包括氮气和氩气。沉积工艺利用惰性气体清洗和/或与反应性气体混合。在图示说明的实施例中所示的自由基源12通过阀门16连接在歧管组件10上，其中阀门16可以是完全打开的阀门。在某些实施例中，阀门16是有双重作用的闸门阀。打开阀门16将来自各种气体的自由基引入到歧管组件10中。构件11与气体分散部分13流动连通。从构件11中流出的气体被气体分散部分13分散。远程等离子体主要被用于腔室清理，但是也可以被用于工艺处理。
在某些实施例中，构件11具有中间分散机构43。图2是显示中间分散元件43的一个示例的示意图。如图2所示，图示说明的中间分散元件43是圆柱形，并且其可以被附连在构件11的下游末端或顶端(见图1)。在某些实施例中，在元件43的壁上的一个或多于一个孔或狭缝44为从构件11进入的气体提供扩散流出路径。孔44可以如此布置以便从元件43中沿径向均匀地排出气体。除了孔44之外或替代孔44，一个或多于一个孔45可以延伸穿过元件43的底面，以便沿垂直方向向着分散板3排出气体。优选地，为了更好地在板3上分配气体，一个或多于一个孔45不与分散板3上的孔排成一行。
在图1中图示说明的气体分散部分13的横断面具有喇叭状。为了适应排气流在短时间内流过反应室1的改变，气体分散部分13的内部容积最好非常小。在某些实施例中，气体分散部分13具有平坦截锥形，该截锥相对气体分散部分13的水平下表面的角度大约为3-30度。实施例可以包括5度、10度、15度、20度、25度角和在这些角度之间的角度，但是优选大约为5-15度，以便更均匀地分配被分散的气体。
在某些实施例中，在气体分散部分13的下表面和气体分散板3之间的距离大约为2-10mm，包括3mm、5mm、7mm及这些数值之间的数值。使分散部分13更靠近分散板3可以更均匀地分配气体穿过板3。在某些实施例中，气体分散部分13的内壁形状可以是平滑的以便促进平滑气流。
在某些实施例中，在分散部分13内壁上提供加热器42。加热器42加热进入分散部分13的气体。在分散板3上可以提供第二加热器26，尤其在外围边缘，以便调节薄膜形成。
在气体分散部分13的顶端和分散板3之间形成狭缝排气端口17。该狭缝具有围绕分散部分13的外部顶端延伸的圆环形(如圆形)形状。可以利用排气端口的各种形状，但是优选如此选择以便使气体流动在流体动力学方面被扰乱的区域最小化。例如，排气端口的形状可以具有多个圆弧形狭缝、多个圆孔等。穿过狭缝或孔17的开口宽度可以与气体分散部分13的下表面和气体分散板3之间的距离相同，或大约在2mm到5mm之间。
排气狭缝17与上部空间18连通性连接。上部空间18由分散部分13的上部外壁和上盖2的下表面形成。上部空间18与位于气体分散部分13的下表面和气体分散板3之间的喷头集气室14连通性连接。在某些实施例中，分散部分13的上部外壁和上盖2的下表面之间的距离与气体分散部分13的下表面和气体分散板3之间的距离大约相同。
排气凸缘19连接在上盖2上，并且接收从上部空间18和喷头集气室14排出的气体。打开或关闭喷头排气阀门20允许或阻止气体从上部空间18和喷头集气室14排出。
由于当气体经由狭缝17穿过上部空间18时气压下降，这可能使在反应物脉冲之间的短时间内排出气体变得更困难。因此，在某些实施例中，具有延伸穿过狭缝17并且与排气凸缘19连接的管道可能是有利的。已经发现与带有上部空间18的实施例相比，圆环形管道可以增加流向排气凸缘19的气流。这是因为与气体接触的管道内表面面积小于当气体从上部空间18流出时与气体接触的表面面积。然而，因为排气凸缘19相对圆环形管道有偏移，所以与使用上部空间18的实施例相比，圆环形管道不是均匀地排气。例如，在使用上部空间18的实施例中，排气凸缘19可能位于接近上部空间18中心的位置，并且均匀地接收排出的气体。
气体穿过气体分散部分13并到达喷头集气室14。气体进一步前行穿过分散板3中的气体排出端口21。穿过气体排出端口21的气体到达反应空间22，反应空间22位于基片支架8和分散板或喷头板3之间。然后气体可以继续前行并到达基片15的表面。然后气体可以继续穿过在排气管道4中形成的环形狭缝23，并且被从与狭缝23传输连接的排气管24中排出。在某些实施例中，气体从分散板3流出和流入反应空间22的速率大约是2-3升/秒。
通过从电极25向分散板3馈送射频功率，可以在分散板3和基片支架8之间产生等离子体。例如，在分散板3和基片支架8之间生成现场等离子体以用于等离子体增强原子层沉积(PEALD)工艺处理。远程等离子体生成被用于执行PEALD的某些工艺和在基片15的工艺处理之间(例如每批晶片之间)定期清理反应室1。使用被解释为远程自由基或受激种类源12的非现场等离子体产生器生成远程等离子体。例如，产生器可以以例如400kHz的频率运转，并且其可以从位于马萨诸塞州的威尔明顿的MKS仪器公司获得。产生器可以被安装在歧管组件10的顶部或更上游。阀门16将远程等离子体产生器与歧管组件10分开。自由基在远程等离子体产生器中生成，这些自由基或者用于腔室清理，或者用于沉积。自由基被允许流动/漂移/分散到整个分散部分13并达到基片15的表面。优选自由基源12被安装在靠近腔室1的位置，并且阀门16开大以使受激种类存活和清理效率最大化。
例如，现场直接等离子体生成的射频产生器可以以例如13.56MHz的频率运转。这一射频产生器和匹配网络可以从位于加利福尼亚州的弗里蒙特的ADTEC公司获得。匹配网络可以被安装在反应室1的顶端。传输线被连接在匹配网络的输出和分散板3之间。分散板3(图1)、分散部分13(图1)和上盖环113(图4)是射频加热的。定义反应空间22的其余传导性元件(尤其基片支架8)是在地面上。仅仅在分散板3和基片支架8之间生成直接等离子体。
一旦工艺处理完成，基片支架8下降，基片15可以通过同一闸门阀6从沉积室中移出。
控制系统(未示出)被配置为在基片15的工艺处理过程中控制设备。例如，控制系统可以包括计算机控制系统和电控制阀门，以控制反应性气体和惰性气体流入和流出装置以及控制射频功率的应用。控制系统可以包括诸如软件或硬件组件模块，诸如执行某些任务的可编程逻辑器件(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。模块可以有利地被配置为位于计算机控制系统的可寻址存储介质中，并且被配置为执行一个或多于一个处理器。
图3显示向反应室1引入气体的代表性顺序。在图3所示的步骤1中，喷头排气阀门20是关闭的。反应性气体阀门31(a)被打开以允许气体A进入歧管组件10的中心孔28。在这个示例中，气体A继续进入气体分散部分13，穿过分散板3，并且被供给进入反应空间22。气体A穿过排气狭缝23被从反应空间22排出到排气管24。
在气体A被供给一段给定时间后，在步骤2中，气体A的反应性气体阀门31(a)被配置为阻止气体A进入歧管组件10的中心孔28，并且允许惰性气体从惰性气体阀门30(a)流入歧管组件10的中心孔28。此时，根据所涉及的具体工艺或化学特性，喷头排气阀门20可以被完全打开。残留气体A被惰性气体清除。惰性气体被从惰性气体阀门30(a)引入到用于在反应性气体阀门31(a)上游某处的气体A的反应性气体管线。用这种方法，惰性气体流过反应性气体阀门31(a)，冲刷或清洗反应性气体管线以防止反应物在随后的步骤中扩散。内部惰性气体管道610(见图4)提供惰性气体进入惰性气体阀门30(a)。在某些实施例中，内部惰性气体管道610位于歧管组件10内。
在步骤3中，反应性气体阀门31(a)被配置为阻止反应性气体A和惰性气体进入歧管组件10的中心孔28。图3中的惰性气体阀门30(a)在步骤3中是关闭的，但是实际不一定是这样。在图示说明的实施例中，在希望使惰性气体停止穿过此管道时，三通反应性气体阀门31(a)阻止惰性气体进入歧管组件10的中心孔28，而不管惰性气体阀门30(a)的配置如何。
气体B通过打开反应性气体阀门31(b)而被引入到歧管组件10的中心孔28。在这种情况下，气体B被从气体引入部分11(图1)引入到气体分散部分13内。然后，气体B继续穿过分散板3，并且被供给到基片表面15上。当穿过基片表面15时，气体B脉冲使基片表面15饱和。在先前脉冲离开后，气体B和基片表面之间发生吸附或反应。
在穿过反应空间22后并且在径向上，气体B流向排气管24并且穿过排气狭缝23。排气管24被配置为在气体使晶片饱和后收集多余的气体和任何副产物。在一个实施例中，排气管24内的区域处于比反应室1内的压强更低的压强。负压源或真空可以与排气管24和/或排气狭缝23流动连通以从反应室1中抽取气体。气体B被从排气狭缝23排出到排气管24。
在一段给定时间后，反应性气体阀门31(b)被关闭并且气体B的供给被切断。在与步骤2中所示相似的情况中，除了用惰性气体流过气体B通道代替气体A通道外，剩余的气体B被从阀门20中排出。通过重复供给反应气体A和供给反应气体B作为这四个步骤中的一部分，每个循环沉积不到一个分子单层。本领域技术人员将认识到大块前体的位阻易于阻塞反应活性部位，并且将生长率减少到每个循环形成不到一个单层。
即使使用三种或多于三种反应性气体，薄膜的形成也可以容易地通过重复供给三种或多于三种反应性气体的步骤和清洗相应气体的步骤来实现。
在某些实施例中，可能通过打开或关闭喷头排气阀门20容易地清洗分散板3的内部区域。此外，因为阀门20打开或关闭的度数可以改变，所以不需要完全关闭。
同时，在某些实施例中，根据化学特性，一种或多于一种反应物管线(A、B、C、D)可以在工艺过程中始终打开。这可以在例如当反应性气体源作为脉冲步骤中传送的前体的还原剂时发生，该反应性气体仅当应用射频功率时才发生反应。
当应用射频功率到气体分散板3时，反应气体也可以被供给作为直接等离子体气体。通过在气体分散部分13中提供加热器42(图1)，可能升高分散部分13内部的温度。因此，当使用具有低蒸汽压且易于凝聚的有机金属材料时，不用凝聚而将它们排出变得可能。
图4是详细示出ALD装置100的一个实施例的截面视图。该图未示出基片支架或承受器及所有气体阀门。气体A反应性气体通过阀门31(a)被引入到歧管组件10中。然后气体A通过中间分散元件43中的狭缝44被引入到分散部分13的第一隔间82。第一隔间82被部分地通过具有狭缝的底板定义。气体A反应性气体穿过狭缝并且流入第二隔间81，第二隔间81位于具有多个孔(未示出)的分散板3的上表面之上。第一隔间82和第二隔间81构成喷头集气室。
在某些实施例中，第一隔间82没有底板并且在第一隔间82和第二隔间81之间没有清楚的分界线。气体A通过在分散板3中形成的孔被排出到反应室1的反应空间22。反应空间22位于基片支架8(图1)之上。在上述工艺过程中，反应空间22使用通过环形狭缝23的排气管道4不断地被排气，其中气体被沿径向朝着反应空间22的外围周边被抽取。环形狭缝23位于基片支架8的外围周边。气体分散部分13通过上盖环113被固定在分散板3上，其中在上盖环113之上放置隔离板150。
气体分散部分13和分散板3相互之间不直接接触，并且沿着气体分散部分13的外围周边形成环形缝隙83。此环形缝隙83通过上盖板113与排气凸缘19(见图1)连通。
当清洗第一隔间82和第二隔间81时，清洗气体通过阀门30(a)-(d)中的一个、相关反应性气体阀门31(a)-(d)中的一个、歧管组件10以及中间分散元件13被引入到那里。主要的清洗从惰性气体管线54流出并且穿过歧管组件10。来自反应性气体阀门31(a)-(d)和惰性气体阀门30(a)-(d)的惰性气体冲刷或清洗反应性气体阀门和中心孔28之间的管线。同时，第一隔间82和第二隔间81使用穿过环形缝隙83的排气凸缘19被抽空。反应物空间22通过狭缝23和排气管道4被不断抽空。
如图5所清楚显示，在这个示例中，歧管组件10包括四个反应性气体阀门31(a)-(d)、惰性管道补给管线52以及惰性混合器补给管线54。每个反应物阀门31(a)-(d)与惰性气体阀门30(a)-(d)配对。反应物阀门31(a)与惰性阀门30(a)相匹配。反应物阀门31(b)与惰性阀门30(b)相匹配。反应物阀门31(c)与惰性阀门30(c)相匹配。反应物阀门31(d)与惰性阀门30(d)相匹配。ALD装置100根据其自身的配置可以包括更多的或更少的反应物阀门和惰性阀门。此外，每个反应物管线可以与也可以不与一个惰性气体阀门配对。例如，一个或多于一个反应物管线可以与惰性气体阀门配对，而另一个反应物管线不与惰性气体阀门配对。不与阀门配对的反应物管线可以通过其它方法清洗。
联轴器190(a)将反应性气体阀门31(a)耦合到反应物源A620(图6)。联轴器190(b)将反应性气体阀门31(b)耦合到反应物源B626(图6)。联轴器190(c)将反应性气体阀门31(c)耦合到反应物源C632(图6)。联轴器190(d)将反应性气体阀门31(d)耦合到反应物源D638(图6)。
联轴器190(f)将内部惰性气体管道610(参看图6)耦合到惰性或清洗气体源644(图6)。联轴器190(e)将中心孔28或歧管组件10的内部耦合到与内部惰性气体管道610分离的惰性气体源644。
在图5图示说明的实施例中，惰性管道补给管线52和联轴器190(a)-(d)提供流向阀门和歧管组件10内部的流动路径。惰性管道补给管线52连接在内部惰性气体管道610。在图示说明的实施例中，每个惰性气体阀门30(a)-(d)均位于内部惰性气体管道610的下游。管线54提供通向歧管组件10内部的路径而不穿过阀门。
在图5所示的实施例中，联轴器190(a)-(d)使反应性气体流向歧管组件10。惰性气体管线54提供通道以使惰性气体直接流入中心孔28。得到的混合物(一种反应物与一种惰性气体)向下流向反应室1。当安装在ALD装置时，隔热板56邻近隔离板150(图4)。
歧管组件10包括一个或多于一个加热器模组180，该加热器模组被配置为控制壁的温度。穿过歧管组件10的反应性气体通过歧管和加热器模组180加热。当反应性气体流过歧管组件10时，控制反应性气体的温度来降低气体的冷凝或热分解发生的可能性。在某些实施例中，每个反应性气体阀门31(a)-(d)通过一个或多于一个加热器模组180分别加热。在图示说明的实施例中，两个反应物阀门具有加热器以便于使用具有低蒸汽压的前体(如标准条件下的液体或固体，诸如ZrCl2、HfCl2、TMA和其它有机金属)，而两个反应物阀门不具有加热器。例如，第一组一个或多于一个加热器模组180可以位于歧管组件10的内部并且接近承载反应性气体A的管线。第二组一个或多于一个加热器模组180可以位于歧管组件10的内部并且接近承载反应性气体B的管线。第一组和第二组加热器模组180可以被分别控制以便将气体A加热到与气体B不同的温度。在某些实施例中，加热器模组180将歧管组件10的内壁温度维持在200℃以上。一个或多于一个热控开关可以被用来监视歧管组件10的温度。应了解系统包括其它温度传感器和控制机构来使系统的各种组件维持在所需的温度。
此外，系统可以根据所需的工艺处理使第一对阀门30、31维持在不同温度，并且使第二组阀门30、31维持在第二温度。尽管图示说明的实施例打算通过一个或多个温度传感器驱动的加热器模组为整体ALD进气歧管的温度控制限定单一区域，但图示说明的实施例还可以被调整以适应ALD歧管内的每个前体的分离区域控制。例如，在图示说明的四个前体具有分离的歧管路径的情况下，可以为每个前体的流动路径的分离热控制提供五个区域：中心轮轴和四个前体管线(包括阀门)的每一个作为单独的区域。为了便于区域的热分离，轮轴可以被制造为带有热空气开关，热空气开关将例如主体27和底板606(见图10)之间的机械连接和热连接限定在前体气体进气孔周围的小突起点上。可以使用另外的加热器和热电偶来监视热控制。有利地，混合点(如中心孔)上游的流动路径的温度可以针对每种反应物单独调谐以使管道的涂层最小，不管通过冷凝、反应或吸附，并因此使阻塞和/或下游污染最小化。
图6是图5图示说明的通过歧管组件10的气体流动路径的示意图，并且显示四个反应性气体阀门31(a)-(d)，每个与单独的惰性气体阀门30(a)-(d)流动连通。歧管组件10包括与四个惰性气体阀门30(a)-(d)流动连通的内部惰性气体管道610。图6进一步图示说明每种反应物和惰性气体的源。根据反应物是否是标准条件下的固体、液体或气体，反应物源可以代表气体容器、起泡器或其它汽化器。与反应物和惰性气体源相关的另外的阀门(未示出)可以位于歧管组件10的外面。
气体A从它的源620流出，并且在到达反应物阀门31(a)前通过管线622。反应性气体阀门31(a)可以被配置为根据所需的工艺处理步骤允许或阻止气体A流动通过管线624并且进入歧管组件10的中心孔28。气体B从它的源626流出，并且在到达反应物阀门31(b)前通过管线628。反应性气体阀门31(b)可以被配置为根据所需的工艺处理步骤允许或阻止气体B流动通过管线630并且进入歧管组件10的中心孔28。
气体C从它的源632流出，并且在到达反应物阀门31(c)前通过管线634。反应性气体阀门31(c)可以被配置为根据所需的工艺处理步骤允许或阻止气体C流动通过管线636并且进入歧管组件10的中心孔28。气体D从它的源638流出，并且在到达反应物阀门31(d)前通过管线640。反应性气体阀门31(d)可以被配置为根据所需的工艺处理步骤允许或阻止气体D流动通过管线642并且进入歧管组件10的中心孔28。图示说明的四个反应物阀门的实施例是示例性的并且可以使用更多或更少的反应物阀门。
惰性气体从气体源644(其可以包括多个气体容器)流出，并且在到达内部惰性气体管道610前通过惰性管道补给管线52。内部惰性气体管道610优选位于歧管组件10的内部。通过使惰性气体管道610包括在歧管组件10内部，维修熟练程度被提高。有利地，歧管组件10可以在重新装配到反应器上之前在工作台上接受测试。通过使惰性气体管道610包括在歧管组件10内，由于惰性气体和前体气体是通过相同的热介质或歧管组件10馈送的，惰性气体的热控制与前体气体更一致。
当惰性气体管道位于歧管之外和反应器顶部之内时，腔室中需要额外的O型环。这些额外的O型环可以影响反应器的真空完整性。由于整个反应器被分解以接通位于反应器内部的惰性气体管道，清理也可能会更复杂。
内部惰性气体管道610进一步与一个或多于一个惰性气体阀门30(a)-(d)流动连通。在图6图示说明的示例性实施例中，内部惰性气体管道610与四个惰性气体阀门30(a)-(d)流动连通。
惰性气体从内部惰性气体管道610流出，并且在到达惰性气体阀门30(a)前通过管线646。在某些实施例中，惰性气体阀门30(a)是双端阀门。双端阀门控制惰性气体在内部惰性气体管道610和反应性气体阀门31(a)之间的流动。双端阀门具有一个输入端口与内部惰性气体管道610流动连通，还具有一个输出口通过管线648与反应性气体阀门31(a)流动连通。用这种方法，惰性气体阀门30(a)可以被配置为允许或阻止惰性气体在管线646和管线648之间的流动。
反应性气体阀门31(a)与管线648流动连通。除了上述允许或阻止反应性气体A从管线622到达歧管组件10的中心孔28外，反应性气体阀门31(a)进一步被配置为允许或阻止惰性气体流动穿过管线624并进入歧管组件10的中心孔28。因此，反应性气体阀门31(a)可以被配置为单独地允许或阻止惰性气体和反应性气体A进入管线624。
在优选实施例中，反应性气体阀门31(a)是三端阀门。反应性气体阀门31(a)的第一端口与管线622流动连通并接收反应性气体A。反应性气体阀门31(a)的第二端口与管线648流动连通并接收惰性气体。反应性气体阀门31(a)的第三端口或出口通过管线624与歧管组件10的中心孔28流动连通。
惰性气体从内部惰性气体管道610流出，并且在到达惰性气体阀门30(b)前通过管线650。在某些实施例中，惰性气体阀门30(b)是双端阀门。该双端阀门控制惰性气体在内部惰性气体管道610和反应性气体阀门31(b)之间的流动。该双端阀门具有一个输入端口与内部惰性气体管道610流动连通，还具有一个输出端口通过管线652与反应性气体阀门31(b)流动连通。用这种方法，惰性气体阀门30(b)可以被配置为允许或阻止惰性气体在管线650和管线652之间的流动。
反应性气体阀门31(b)与管线652流动连通。除了上述允许或阻止反应性气体B从管线628到达歧管组件10的中心孔28外，反应性气体阀门31(b)进一步被配置为允许或阻止惰性气体流动穿过管线630并进入歧管组件10的中心孔28。因此，反应性气体阀门31(b)可以被配置为单独地允许或阻止惰性气体和反应性气体B进入管线630。
在优选实施例中，反应性气体阀门31(b)是三端阀门。反应性气体阀门31(b)的第一端口与管线628流动连通并接收反应性气体B。反应性气体阀门31(b)的第二端口与管线652流动连通并接收惰性气体。反应性气体阀门31(b)的第三端口或出口通过管线630与歧管组件10的中心孔28流动连通。
惰性气体从内部惰性气体管道610流出，并且在到达惰性气体阀门30(c)前通过管线654。在某些实施例中，惰性气体阀门30(c)是双端阀门。该双端阀门控制惰性气体在内部惰性气体管道610和反应性气体阀门31(c)之间的流动。该双端阀门具有一个输入口与内部惰性气体管道610流动连通，还具有一个输出口通过管线656与反应性气体阀门31(c)流动连通。用这种方法，惰性气体阀门30(c)可以被配置为允许或阻止惰性气体在管线654和管线656之间的流动。
反应性气体阀门31(c)与管线656流动连通。除了上述允许或阻止反应性气体C从管线634到达歧管组件10的中心孔28外，反应性气体阀门31(c)进一步被配置为允许或阻止惰性气体流动穿过管线636并且进入歧管组件10的中心孔28。因此，反应性气体阀门31(c)可以被配置为单独地允许或阻止惰性气体和反应性气体C进入管线636。
在优选实施例中，反应性气体阀门31(c)是三端阀门。反应性气体阀门31(c)的第一端口与管线634流动连通并接收反应性气体C。反应性气体阀门31(c)的第二端口与管线656流动连通并接收惰性气体。反应性气体阀门31(c)的第三端口或出口通过管线636与歧管组件10的中心孔28流动连通。
惰性气体从内部惰性气体管道610流出，并且在到达惰性气体阀门30(d)前通过管线658。在某些实施例中，惰性气体阀门30(d)是双端阀门。该双端阀门控制惰性气体在内部惰性气体管道610和反应性气体阀门31(d)之间的流动。该双端阀门具有一个输入口与内部惰性气体管道610流动连通，还具有一个输出口通过管线660与反应性气体阀门31(d)流动连通。用这种方法，惰性气体阀门30(d)可以被配置为允许或阻止惰性气体在管线658和管线660之间的流动。
反应性气体阀门31(d)与管线660流动连通。除了上述允许或阻止反应性气体D从管线640到达歧管组件10的中心孔28外，反应性气体阀门31(d)进一步被配置为允许或阻止惰性气体流动穿过管线642并进入歧管组件10的中心孔28。因此，反应性气体阀门31(d)可以被配置为单独地允许或阻止惰性气体和反应性气体D进入管线642。
在优选实施例中，反应性气体阀门31(d)是三端阀门。反应性气体阀门31(d)的第一端口与管线640流动连通并接收反应性气体D。反应性气体阀门31(d)的第二端口与管线660流动连通并接收惰性气体。反应性气体阀门31(d)的第三端口或出口通过管线642与歧管组件10的中心孔28流动连通。
术语“阻止”和“允许”是相对的术语，并且不限于密封气体流动或允许完全流动。例如，反应性气体阀门31(a)被配置为当流过阀门的反应性气体增多时允许反应性气体流动。类似地，反应性气体阀门31(a)被配置为当流过阀门的反应性气体减少时阻止反应性气体流动。此外，在图6中图示说明的管线长度是为了易于识别，并且其根据所需配置可更短或更长。在某些实施例中，可以优选缩短一个或多于一个管道来减少要从歧管组件10清洗出的未反应的反应物量。实际上，图6中歧管组件10内的“管线”全都是中心块和/或附加板内的机械加工通道，从而阀门和反应室之间的距离是最小的，用以减少清洗时间，这可以从图4-5和7-10了解到。
惰性混合器补给管线54将中心孔28或歧管组件10的内部耦合到与内部惰性气体管道610分离的惰性气体源644上。管线54提供通向中心孔28而不穿过阀门的路径。在某些实施例中，阀门662控制惰性气体从管线54流进歧管组件10。
图7是图5中歧管组件10的顶视图，其图示说明耦合在歧管组件10的中心主体27上的反应性气体阀门31(a)-(d)和惰性气体阀门30(a)-(d)。歧管组件10被配置为通过联轴器190(a)-(d)使反应性气体按路线进入歧管组件10的中心孔28，并且通过联轴器190(e)使惰性气体按路线进入歧管组件10的中心孔28。联轴器190(a)通过管线622与反应性气体阀门31(a)流动连通。联轴器190(b)通过管线628与反应性气体阀门31(b)流动连通。联轴器190(c)通过管线634与反应性气体阀门31(c)流动连通。联轴器190(d)通过管线640与反应性气体阀门31(d)流动连通。联轴器190(e)通过管线54与歧管组件10的中心孔28流动连通。
歧管组件10在给定的脉冲期间可以将单种气体或多种气体同时按路线传送到歧管组件10的中心孔28。优选地，在ALD模式中，一种反应性气体在孔28中与惰性气体混合。所得的混合物进入沉积室1(图1)。在每个脉冲之后，ALD通过排气管24将任何未反应的反应物和惰性气体从沉积室排出，以及通过喷头排气阀门20(图1)将其从喷头组件中排出，诸如通过清洗。
在工艺处理、暂停或仅仅在清洗操作期间，惰性气体可以通过管线54连续地流向歧管组件10的中心孔28。如上所述，惰性气体还可以通过歧管组件10内的惰性管道补给管线52(图6)流向内部惰性气体管道610。内部惰性气体管道610与惰性气体阀门30(a)-(d)流动连通。
惰性气体阀门30(a)-(d)直接附连在歧管组件10的主体27上。参看图8和图9，每个反应性气体阀门31(a)-(d)可以使用附连在主体27上的间隔块700(a)-(d)而被安装在主体27上。间隔块700(a)-(d)被提供具有开口和与反应性气体阀门31(a)-(d)匹配的螺丝钉。间隔块700(a)-(d)使歧管组件10的制造变得容易。间隔块700(a)与反应性气体阀门31(a)相关联并且在歧管组件10的主体27和反应性气体阀门31(a)之间提供流动路径。间隔块700(b)与反应性气体阀门31(b)相关联并且在歧管组件10的主体27和反应性气体阀门31(b)之间提供流动路径。间隔块700(c)与反应性气体阀门31(c)相关联并且在歧管组件10的主体27和反应性气体阀门31(c)之间提供流动路径。间隔块700(d)与反应性气体阀门31(d)相关联并且在歧管组件10的主体27和反应性气体阀门31(d)之间提供流动路径。
图8是沿着图7中的线8-8的截面视图，而图9是沿着图7中的线9-9的截面视图。每个间隔块700(a)-(d)提供到达和来自相关反应性气体阀门31(a)-(d)的部分气体路由路径。图8和图9中图示说明的气体路由路径相当于图6中描述的管线。图6中描述的整体管线可以代表歧管组件10的单个部件中的整体通道或歧管组件10的多个部件中的部分通道。例如，图6和图8中图示说明的管线652相当于在歧管组件10的主体27和间隔块700(b)中的至少部分通道。图6和图8中图示说明的管线660相当于在歧管组件10的主体27和间隔块700(d)中的至少部分通道。
图示说明的实施例中的主体27是带有中心孔28的管状。主体27包括入口612和出口614。中心孔28有上下两部分，其下面部分是圆柱形，其上面部分是圆锥形。入口612区域的截面面积优选比出口614的截面面积大。在一些实施例中，中心孔28的截面流动面积随着混合物向出口614移动而逐渐减小，从而形成锥形或漏斗形的通路。
在某些实施例中，主体27的至少部分内表面是圆锥形，其随着混合物流向出口614而减小主体27的开口横截面积。主体27进一步包括下游的附连孔或用于将歧管组件10连接到反应室1的喷头板上的底面。
在图示说明的实施例中，每个间隔块700(a)-(d)有三个不同的通道，这些通道连接到相关反应性气体阀门31(a)-(d)的两个输入口和单一输出口上。例如，间隔块700(b)和歧管组件10的主体27中的第一通道或管线652将惰性气体阀门30(b)的输出端口连接到反应性气体阀门31(b)的两个输入端口中的一个上。第二通道或管线628将联轴器190(b)连接到反应性气体阀门31(b)的另一个输入端口上。第三通道或管线630将反应性气体阀门31(b)的输出端口连接到歧管组件10的中心孔28上。关于反应性气体阀门31(d)，间隔块700(d)和歧管组件10的主体27中的第一通道或管线660将惰性气体阀门30(d)的输出端口连接到反应性气体阀门31(d)的两个输入口中的一个上。第二通道或管线640将联轴器190(d)连接到反应性气体阀门31(d)的另一个输入端口上。第三通道或管线642将反应性气体阀门31(d)的输出口连接到歧管组件10的中心孔28上。在图7中，惰性气体阀门30(a)-(d)的视图部分被反应性气体阀门31(a)-(d)的视图阻挡。
图9是沿着图7中的线9-9的放大截面视图，其显示连接在歧管组件10的主体27上的反应物阀门31(a)、31(c)和惰性气体阀门30(a)、30(c)。参考图7和图9，间隔块700(a)与反应性气体阀门31(a)相关联并在歧管组件10的主体27和反应性气体阀门31(a)之间提供流动路径。间隔块700(c)与反应性气体阀门31(c)相关联并在歧管组件10的主体和反应性气体阀门31(c)之间提供流动路径。间隔块700(a)和歧管组件10的主体27中的第一通道或管线648将惰性气体阀门30(a)的输出端口连接到反应性气体阀门31(a)的两个输入端口中的一个上。第二通道或管线622将联轴器190(a)连接到反应性气体阀门31(a)的另一个输入端口上。第三通道或管线624将反应性气体阀门31(a)的输出端口连接到歧管组件10的中心孔28上。关于反应性气体阀门31(c)，间隔块700(c)和歧管组件10的主体27中的第一通道或管线656将惰性气体阀门30(c)的输出端口连接到反应性气体阀门31(c)的两个输入端口中的一个上。第二通道或管线634将联轴器190(c)连接到反应性气体阀门31(c)的另一个输入端口上。第三通道或管线636将反应性气体阀门31(c)的输出端口连接到歧管组件10的中心孔28上。
通道或管线654将惰性气体阀门30(c)的输入端口连接到内部惰性气体管道610上。通道或管线646将惰性气体阀门30(a)的输入端口连接到内部惰性气体管道610上。
参考图8和图9，反应性气体通过管线624、630、636、642进入歧管组件10的中心孔28，优选偏离中心线702以便使中心孔28内的气体形成漩涡以增强混合。漩涡气体可以根据所需产物促进反应性气体与惰性气体和/或其它反应性气体的混合。随着混合物向沉积室1移动，气体混合物在管状主体的内部环绕。
在某些实施例中，一个或多于一个主体27、间隔块700(a)-(d)和阀门30(a)-(d)、31(a)-(d)组件是不锈钢的或其它金属材料。使用不锈钢，歧管组件10不需要包括O型环，不会产生盲区。有利的是，管线或通道被整体形成于耐化学腐蚀金属块或主体27内。在某些实施例中，惰性阀门和反应物阀门30、31是不锈钢的，并且可以从俄亥俄州的Salon的接头套管(Swagelok)公司购买到。在优选实施例中，Swagelok公司的双端惰性气体阀门30(a)-(d)标识有零件号码6LVV-MSM-ALD3T-W2-P-CS，三端反应性气体阀门31(a)-(d)标识有零件号码6LVV-MSM-ALD3T-W3-P-CS。每个金属阀门30、31可以用金属密封，并且优选歧管的不锈钢间隔块700和主体27用金属密封。在某些其它实施例中，歧管组件10的一个或多于一个元件用陶瓷材料制成。
图9进一步图示说明位于匹配组件表面之间的各种金属密封件。当然，根据例如与匹配组件相关的材料、公差、工作压力以及气体可以使用更多的或更少的金属密封件。此外，在某些实施例中，一个或多于一个组件可以被结合成单一组件，从而在结合的组件之间不需要提供任何密封件。例如，间隔块700(a)-(d)和相关反应性气体阀门31(a)-(d)可以被结合成单一组件，从而在结合的元件之间避免需要密封件。此外，与反应性气体阀门相关联的间隔块700(a)-(d)可以延伸超出反应性气体阀门一侧以便为相邻惰性气体阀门(见图10)形成一个间隔。作为替代，反应性气体阀门和与其相关联的惰性气体阀门可以具有分开的间隔。用聚合材料制成的传统密封件900(诸如O型环)也被用来把歧管组件10与喷头组件密封在一起。
图10示意性地图示说明歧管组件10的另一个实施例，其中间隔块包括不同材料如铝和不锈钢的子组件，这些子组件被焊接在反应性气体阀门31(a)及其相关惰性气体阀门30(a)与歧管组件10的主体27之间。在这个实施例中，反应性气体阀门31(a)和惰性气体阀门30(a)被图示说明，而未反应性气体阀门31(b)-(d)和惰性气体阀门30(b)-(d)则未被图示说明。然而，以下描述同样适用于其它三对反应性气体阀门及其相关惰性气体阀门30(b)、31(b)；30(c)、31(c)；30(d)、31(d)。
在此优选实施例中，阀门31(a)、30(a)是用不锈钢制成的，例如316不锈钢(SS)。与较低强度金属相比，不锈钢有利于增强阀门的耐久性。歧管组件10的主体27是用铝或相似的材料制成的，并且提供高热导率。有利地，与不锈钢相比，铝是相对的轻金属并提供增强的热分布。作为替代，主体27可以用316不锈钢制成。当然其它材料也可以被用于主体27。
如图6所示，歧管组件10内的许多内部通道在组件之间是共享的。在不同部分连接通道之间的接口一般使用匹配表面中的凹槽来容纳O型环或其它密封装置900(图9)。凹槽及其相关密封件提高了在接口处形成盲区的可能性。有利的是具有更少的凹陷密封件或嵌入密封件、O型环以及任何其它组件，这些组件导致沿着歧管组件10的中心孔28和反应性气体阀门及惰性气体阀门之间的流动路径的盲区。这些盲区可能提供禁止完全清洗流动通道的缝隙或空隙。在空隙位置或沿着第一反应性气体可以扩散的流动路径的位置，未完全被清洗的第一反应性气体可能与第二反应性气体发生不希望的反应。
已经发现，通过减少位于主体27和阀门30、31之间的中间接口的数量，能够形成盲区的密封件数量和敏感性可以被降低。在必须有接口的地方，可以利用先进的加工技术来将接口处的盲区形成降到最低。这些加工技术包括电子束焊接、使用金属密封件技术、爆炸焊接等等。可以使用这些技术的一种或多于一种来制造歧管组件10。
在此优选实施例中，一个或多于一个构件被插入在主体27和阀门31(a)、30(a)之间。在图示说明的实施例中，铝底板606和不锈钢盖子608将主体27连接到阀门30(a)、31(a)上。底板606和盖子608进一步互相连接。优选地，底板606和盖子608在被连接到主体207上之前互相连接。在某些实施例中，底板606和盖子608使用本领域所知的爆炸焊接技术附连在一起。爆炸焊接融合底板606和盖子608的不同材料以在其间提供一个无密封件的接口。
优选地，底板606与主体27用相同的材料制成以简化它们之间的相互联接。在这一示例性实施例中，它们都是用铝制成的。在将底板606和盖子608的组件附连到主体27上之前，内部惰性气体管道610在主体27内被机械加工。底板606的表面形成内部惰性气体管道610的外表面。图示说明的内部惰性气体管道610的形状和尺寸仅仅是示例性的，而且其可以有不同的形状和尺寸。此外，内部惰性气体管道610的位置仅仅是示例性的，而且其可以从主体27内图示说明的位置移开。
爆炸焊接的底板606和盖子608被附连到主体27的外表面上。可以使用能量束焊接方法将底板606附连到主体27上。例如，激光束或电子束可以被使用并提供高聚焦能量束以将材料焊接在一起。在某些实施例中，底板606是用电子束焊接在主体27上的。
然后阀门被连接到盖子608上。在某些实施例中，金属密封件被使用以在阀门30、31和盖子608之间形成密封。与聚合物O型环不同的是，金属密封件具有提高的耐化学性。在某些实施例中，W形金属密封件被用在阀门30、31和盖子608之间的接口处。与聚合物O型环相比，金属密封件还因为其能够经得起高负荷而没有过度变形而有优势。金属密封件可以被镀膜或不被镀膜
一旦被装配，惰性气体从内部惰性气体管道610流出，并且在到达惰性气体阀门30(a)前通过管线646。有利地，主体27和底板606之间的焊接是没有分离密封件的电子束焊接。底板606和盖子608之间的焊接是没有分离密封件的爆炸焊接。在阀门30(a)、31(a)和盖子608之间使用可拆金属密封件，以允许移开阀门30(a)、31(a)以便检查、清理和维修。
惰性气体阀门30(a)的输出端口通过管线648与反应性气体阀门31(a)流动连通。管线648优选不在内部惰性气体管道610的组件之间共享，并且除了在管线648的入口和出口外不需要密封件。优选地，密封管线646的出口、管线648的入口、管线648的出口、管线622的出口以及管线624的入口的密封件是金属。有利的是，使用金属密封件可以提高密封件的寿命，使其寿命比传统的聚合物密封件长，并且因为其高耐化学性而增强排污效果。
反应性气体阀门31(a)与管线648流动连通。除了允许或阻止反应性气体A从管线622到达歧管组件10的中心孔28外，反应性气体阀门31(a)进一步被配置为允许或阻止惰性气体流动通过管线624并进入歧管组件10的中心孔28。因此，反应性气体阀门31(a)可以被配置为分别允许或阻止惰性气体和反应性气体A进入管线624。
在优选实施例中，反应性气体阀门31(a)是三端阀门。反应性气体阀门31(a)的第一端口与管线622流动连通并接收反应性气体A。反应性气体阀门31(a)的第二端口与管线648流动连通并接收惰性气体。反应性气体阀门31(a)的第三端口或出口通过管线624与歧管组件10的中心孔28流动连通。
控制底板606和盖子608的机械加工公差可以帮助对准接口第一侧的管线的第一部分与相同接口第二侧的相同管线的第二部分，从而降低歧管组件10内的再循环或空隙。控制歧管组件10的子组件匹配表面上的表面加工和表面光滑度可以帮助密封相邻的子组件。在某些实施例中，在密封面上保持16-32微米的加工表面。
控制系统控制一个或多于一个阀门30、31以选择性允许或阻止一种或多于一种气体到达歧管组件10的中心孔28。有利的是，歧管组件10的实施例降低了在歧管组件10的元件之间的接口处对传统密封件的需要。减少传统密封件的数量降低了形成盲管段或盲区的机会。对于ALD操作，减少盲管段就减少了所需清洗的持续时间，以避免反应物在反应空间上游的相互作用。此相互作用可能导致基片沉积的污染或不均匀性。在必须有接口的地方，可以使用先进的加工技术来将形成的盲区减到最少。这些加工技术包括电子束焊接、使用金属密封件技术、爆炸焊接等等。歧管组件10进一步使用离散的加热器180来分别控制进入歧管组件10的中心孔28的各种气体的温度。
虽然本发明依照优选实施例进行了描述，但是对本领域的普通技术人员来说显而易见的是其它实施例也在本发明的范围内。因此，可以在不偏离本发明思想和范围的情况下，做出各种变化和修改。例如，各种组件可以重新安排在需要的位置。此外，实践本发明时，不是必需具备所有的特征、方面和优势。
Claims (35)
1.一种原子层沉积ALD装置，包括：
歧管主体(27)，其具有置于其中的惰性气体管道(610)、第一通道(624)和第二通道(630)，所述第一通道(624)和所述第二通道(630)没有O型环；
孔(28)，其位于所述主体(27)内并与所述第一通道(624)和所述第二通道(630)流动连通；
第一反应物阀门(31(a))，其被安装在所述主体(27)上并被配置为控制供给第一反应性气体通过所述第一通道(624)到所述孔(28)；
第一惰性气体阀门(30(a))，其被安装在所述主体(27)上并具有与所述惰性气体管道(610)流动连通的输入端口以及与所述第一反应物阀门(31(a))的输入端口流动连通的输出端口，所述第一惰性气体阀门(30(a))被配置为控制从所述惰性气体管道(610)供给惰性气体到所述第一反应物阀门(31(a))；以及
蒸汽沉积室，其与所述孔(28)流动连通并被配置为在其中容纳基片。
2.根据权利要求1所述的ALD装置，进一步包括：
第二反应物阀门(31(b))，其被安装在所述主体(27)上并被配置为控制供给第二反应性气体通过所述第二通道(630)到所述孔(28)；以及
第二惰性气体阀门(30(b))，其被安装在所述主体(27)上并与所述惰性气体管道(610)流动连通，所述第二惰性气体阀门(30(b))被配置为控制从所述惰性气体管道(610)供给所述惰性气体到所述第二反应物阀门(31(b))。
3.根据权利要求2所述的ALD装置，进一步包括：
第三通道(636)，其在所述主体(27)内没有O型环并与所述孔(28)流动连通；
第三反应物阀门(31(c))，其被安装在所述主体上并被配置为控制供给第三反应性气体通过所述第三通道(636)到所述孔；以及
第三惰性气体阀门(30(c))，其被安装在所述主体(27)上并与所述惰性气体管道(610)流动连通，所述第三惰性气体阀门(30(c))被配置为控制从所述惰性气体管道(610)供给所述惰性气体到所述第三反应物阀门(31(c))。
4.根据权利要求2所述的ALD装置，进一步包括置于所述第一反应物阀门和所述主体之间的第一间隔块和置于所述第二反应物阀门和所述主体之间的第二间隔块。
5.根据权利要求4所述的ALD装置，其中所述第一反应物阀门、所述第一惰性气体阀门、所述第一间隔块、所述第二反应物阀门、所述第二惰性气体阀门、所述第二间隔块和所述歧管主体包括316等级不锈钢。
6.根据权利要求4所述的ALD装置，其中所述第一间隔块包括底板和盖子，所述底板被耦合到所述主体和所述盖子上，并且所述盖子被耦合到所述第一反应物阀门上。
7.根据权利要求6所述的ALD装置，其中所述盖子和所述底板通过爆炸焊接而被耦合。
8.根据权利要求6所述的ALD装置，其中所述底板包括铝。
9.根据权利要求6所述的ALD装置，其中所述盖子包括不锈钢。
10.根据权利要求6所述的ALD装置，其中所述主体包括铝。
11.根据权利要求6所述的ALD装置，其中所述第一反应物阀门包括不锈钢，并且所述第一反应物阀门和所述盖子之间的联轴器使用金属密封件。
12.根据权利要求6所述的ALD装置，其中所述第一反应物阀门和所述盖子之间不用O型环耦合。
13.根据权利要求6所述的ALD装置，进一步包括第一加热器以加热所述第一反应性气体。
14.根据权利要求13所述的ALD装置，进一步包括第二加热器以加热第二反应性气体，所述第二加热器独立于所述第一加热器而被控制。
15.根据权利要求1所述的ALD装置，其中所述惰性气体管道(610)被配置为选择性地在第一时间段内通过所述第一通道(624)并在第二时间段内通过所述第二通道(630)与所述孔(28)连通。
16.一种用于半导体处理装置的多块歧管组件，所述歧管组件包括：
主体(27)，其包括第一金属材料并且具有孔(28)和置于所述主体(27)内的惰性气体管道(610)；
惰性气体阀门(30(a))，其被安装在所述主体(27)上并与所述惰性气体管道(610)流动连通；
底板(606)，其包括所述第一金属材料并被耦合到所述主体(27)上；
盖子(608)，其包括第二金属材料并被焊接到所述底板(606)上；
反应物阀门(31(a))，其被安装在所述盖子(608)上；以及
内部通路(624)，其形成在所述主体(27)的所述孔(28)和所述盖子(608)之间，至少部分所述内部通路(624)延伸穿过所述主体(27)和所述底板(606)，而不在所述主体(27)和底板(606)之间的焊接界面处形成盲管段；
其中所述惰性气体阀门(30(a))具有与所述惰性气体管道(610)流动连通的输入端口以及与所述反应物阀门(31(a))的输入端口流动连通的输出端口，其中所述惰性气体阀门(30(a))被配置为控制从所述惰性气体管道(610)供给惰性气体到所述反应物阀门(31(a))。
17.根据权利要求16所述的多块歧管组件，其中所述第一金属材料是铝，且所述第二金属材料是不锈钢。
18.一种原子层沉积ALD装置，包括：
分散组件，其被配置为分散气体；
进气歧管挡块，其被安装在所述分散组件上并具有孔(28)、内部惰性气体管道(610)、第一内部反应物通道(624)和第二内部反应物通道(630)，所述第一和第二内部反应物通道(624)、(630)与所述孔(28)流动连通；
第一反应物阀门(31(a))，其被安装在所述进气歧管挡块上并被配置为控制供给第一反应性气体到所述第一内部反应物通道(624)；
第一惰性气体阀门(30(a))，其被安装在所述进气歧管挡块上并具有与所述惰性气体管道(610)流动连通的输入端口以及与所述第一反应物阀门(31(a))的输入端口流动连通的输出端口，所述第一惰性气体阀门(30(a))被配置为控制从所述内部惰性气体管道(610)供给惰性气体到所述第一反应物阀门(31(a))；
第二反应物阀门(31(b))，其被耦合到所述进气歧管挡块上并被配置为控制供给第二反应性气体到所述第二内部反应物通道(630)；以及
第二惰性气体阀门(30(b))，其被安装在所述进气歧管挡块上并具有与所述惰性气体管道(610)流动连通的输入端口以及与所述第二反应物阀门(31(b))的输入端口流动连通的输出端口，所述第二惰性气体阀门(30(b))被配置为控制从所述内部惰性气体管道(610)供给所述惰性气体到所述第二反应物阀门(31(b))。
19.根据权利要求18所述的ALD装置，进一步包括控制器，所述控制器被配置为控制所述第一反应物阀门和所述第二反应物阀门。
20.根据权利要求18所述的ALD装置，其中所述控制器交替供给所述第一反应性气体和所述第二反应性气体到所述孔。
21.根据权利要求18所述的ALD装置，其中所述分散组件包括具有排气通路的喷头组件。
22.根据权利要求18所述的ALD装置，进一步包括间隔块，所述间隔块被置于所述第一反应物阀门和所述进气歧管挡块之间。
23.根据权利要求18所述的ALD装置，进一步包括间隔块，所述间隔块被置于所述第一惰性气体阀门和所述进气歧管挡块之间。
24.根据权利要求22所述的ALD装置，其中所述间隔块包括底板和盖子。
25.根据权利要求18所述的ALD装置，其中所述第一反应物阀门和所述进气歧管挡块之间的距离大约是10mm。
26.根据权利要求18所述的ALD装置，其中至少部分所述孔具有圆锥形。
27.根据权利要求25所述的ALD装置，其中所述第一内部反应物通道相对穿过所述圆锥形孔的中心线成一定角度，以便促进所述第一反应性气体在所述孔中的旋流。
28.根据权利要求18所述的ALD装置，其中所述第一内部反应物通道在所述第一反应物阀门和所述进气歧管挡块之间没有O型环。
29.根据权利要求18所述的ALD装置，其中所述第一和第二反应物阀门以及所述第一和第二惰性气体阀门是额定的，用以在至少为200℃的温度下操作。
30.一种向具有歧管主体(27)和反应器的原子层沉积装置分配气体的方法，所述歧管主体(27)内具有孔(28)，所述方法包括：
通过在第一反应物阀门(31(a))和所述孔(28)之间没有O型环的第一通道(624)，按路线向所述孔(28)传送第一反应性气体；
禁止所述第一反应性气体流动；以及
通过在所述第一通道上游的管线(648)，按路线从第一惰性气体阀门(30(a))向所述第一反应物阀门(31(a))传送惰性气体，至少一部分所述管线(648)处于所述歧管主体(27)内部，所述管线(648)在所述第一惰性气体阀门(30(a))和所述第一通道(624)之间没有O型环。
31.根据权利要求30所述的方法，进一步包括加热处于所述第一反应物阀门和所述歧管出口之间的位置的所述第一反应性气体。
32.根据权利要求30所述的方法，进一步包括旋流所述歧管内的所述第一反应性气体。
33.根据权利要求30所述的方法，进一步包括：
通过在第二反应物阀门(31(b))和所述孔之间没有O型环的第二通道(630)，按路线向所述孔(28)传送第二反应性气体；
禁止所述第二反应性气体流动；以及
通过在所述第二通道(630)上游的管线(652)，按路线向所述孔(28)传送所述惰性气体，至少一部分所述管线(652)处于所述歧管主体(27)中，所述管线(652)在第二惰性气体阀门(30(b))和所述第二通道(630)之间没有O型环。
34.根据权利要求33所述的方法，进一步包括交替供给所述第一反应性气体和所述第二反应性气体到所述孔(28)。
35.根据权利要求33所述的方法，进一步包括至少在所述第一反应性气体被按路线传送到所述孔(28)和所述第二反应性气体被按路线传送到所述孔(28)之间的时间内，排空所述反应器。
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