專利名稱：用于揮發性/熱敏感固體和液體化合物的蒸發器/輸送容器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種蒸發器，更具體地說，本發明涉及一種蒸發器和輸送系統，其具有多個延長井以提供增加的表面積用以蒸發液體和固體物料，例如，在離子注入和化學蒸氣沉積工藝中使用的液體和固體源試劑。
背景技術：
在制造集成電路中，發展了許多的工藝，其需要將離子束施加到半導體晶片上。這些工藝包括離子注入、離子束研磨和反應性蝕刻。
離子注入已成為一種標準接受的半導體工業中使用的技術，用于集成電路中使用的工件例如硅晶片的雜質摻雜。常規的離子注入系統包括離子源，其中摻雜元素被離子化，然后隨后被加速以形成導向注入工件表面的離子束。摻雜的源材料可以液體或固體提供，取決于其化學和物理性質。當使用固體摻雜材料時，通常置于蒸發器內被加熱，隨后形成的蒸氣輸送進入到離子源的內部進行離子化。
用于制造集成電路的典型的源材料包括硼(B)、磷(P)、鎵(Ga)、銦(In)、銻(Sb)和砷(As)。出于安全的理由非常優選固體離子源材料，但是固體的半導體摻雜劑存在嚴重的技術和操作問題。例如，在蒸發器中利用固體前體材料引起加工設備長時間的停工，產品質量變差，在蒸發器和離子源內沉積物聚集。
現有技術的蒸發器系統具有許多的缺點，包括蒸發器內冷凝物料的聚集，及由于其中缺乏均一的加熱導致的蒸發器內部“冷點”的形成。在蒸發器系統中不希望沉積物聚集的加劇，所述的系統需要用于轉動單個源材料的管式瓶和/或井的內部移動表面。在蒸發器內這樣的內部機械裝置引入了另外的“冷點”，使蒸發的物料進一步地沉積。另外，由于在內部移動機械裝置上沉積物的聚集，這些蒸發器的操作沒有效率或不可靠。現有技術蒸發器的缺點對于固體源材料特別的明顯，即對溫度敏感和蒸氣壓低。因此，很難使固體以控制的速度進行蒸發以使蒸發固體材料的可再生流被輸送到下游沉積體統中或加工設備中。
對于半導體基質的硼摻雜，癸硼烷是極其有利的源材料，由于一經離子化，該化合物可提供含有十個硼原子的分子離子。這樣的源材料特別適合于高劑量/低能量的用于形成淺結合的摻雜工藝，因為分子癸硼烷離子束可注入10倍于目前的單硼離子束每單位的硼劑量。
但是，癸硼烷的蒸氣壓低，而且熱敏感，因此在現有技術的蒸發器中不能完全成功地進行蒸發。在現有技術中的蒸發器中癸硼烷往往在“冷點”處冷凝，然后熱分解，因此引起內部移動機械裝置上沉積物的聚集和/或到達離子源室可輸送的癸硼烷蒸氣流的減少。
因此，現有技術中需要這樣一種蒸發器系統，其可高效地蒸發器固體和液體化合物源，而沒有現有技術的缺點，例如源材料的熱分解，由于蒸發器內部沉積物的聚集導致的內部移動部件或表面的不可操作性，由于蒸發器內的“冷點”引起的低蒸氣壓力化合物的冷凝，和/或到達下游沉積系統的蒸氣流的不一致。
發明內容
本發明涉及一種蒸發器系統和用于蒸發固體和液體化合物源的方法。這樣的系統和方法對于半導體加工應用中具有特定的用途。
本發明的系統和方法可在蒸發器系統內提供均一的加熱，減少低蒸氣壓蒸發的固體前體的冷凝，而且可使蒸發器內的“冷點”減少到最小，因此使蒸氣流連續流動到達下游的沉積系統中。
在一個方面，本發明涉及一種不含內部移動或旋轉表面的蒸發器，因此其可均一地加熱源材料以進行蒸發。
在另一個方面，本發明涉及一種蒸發和輸送蒸發的源材料連續流的方法，包括通過同時加熱多個延長的井以提供增加量和流動的蒸發材料。
在本發明的又一個方面，本發明涉及一種蒸發器系統，其可提供達到包括Freeman和Bernas型設備離子源的連續的蒸氣流。
在本發明的再一個方面，本發明涉及引入一種用于蒸發的源材料，而不使用機械斷裂源材料管式瓶的內部機械裝置。
根據本發明的一個方面，提供一種包括具有其中用于放置蒸氣源材料多個延長井的導熱塊的蒸發器。在導熱塊內是與多個延長井連接而連通的內部空隙。密封導熱塊以形成密閉的容器，將熱施加到其上以同時而且均一地加熱內部空隙和延長井以蒸發源材料。
在密封蒸發器內的溫度和壓力通過溫度調節裝置進行控制。蒸發的源材料在至少內部空隙中聚集，通過與下游沉積系統連接連通的出口釋放。這種沉積系統可包括但不限制于等離子體摻雜系統、離子注入系統、化學和金屬蒸氣沉積系統等。
在蒸發器系統的一個實施方式中，延長井是圓柱形的構造，并提供足夠的數量以提供接觸源材料相應的另外的表面積，以產生相應的增加量的蒸發的源材料。
在另外一個方面，本發明涉及一種蒸發源材料的方法，包括如下的步驟將源材料引入導熱塊中的多個延長井中，多個延長井與導熱塊內的空隙連接連通用于聚集蒸發的源材料；密封導熱塊以在多個井和內部空間內形成密封的蒸發器和/或真空；給導熱塊施加熱以加熱延長井而且同時蒸發其中的源材料；及將蒸發的源材料輸送到連接連通的沉積系統。
從隨后的公開和所附的權利要求書本發明的其他方面和實施方式更加完全地顯而易見。
附圖簡述
圖1、本發明一個實施方式的蒸發器的側視圖。
圖2、本發明的導熱塊中形成的多個延長井的頂視圖。
圖3、圖2導熱塊的透視圖。
圖4、本發明說明性實施方式的加熱組件和控制設備的接線圖。
本發明的詳細描述和其優選的實施方式本發明基于這樣的觀察，即在蒸發器系統中，由于蒸發器內的“冷點”引起其中蒸氣的冷凝，使用的特定源材料不能以足夠的量充分地蒸發以給下游沉積設備提供連續的蒸氣流。
根據示意于圖1中的本發明一個實施方式的蒸發器，克服了現有技術蒸發器的缺點。導熱塊14，由如下適當的導熱材料制造，例如銀、銀合金、銅、銅合金、鋁、鋁合金、鉛、復合鎳、不銹鋼、石墨和/或陶瓷材料，其中具有螺旋鉆孔的多個延長井12。將源材料16引入到延長井中用于與延長井內部側壁直接接觸。
導熱塊14還包括與延長井12連接連通的內部空隙18。通過位于傳導塊外表面上的加熱裝置20加熱導熱塊以提供足夠的熱量以保證基本上所有的延長井的內表面都被基本上同時而且均一地加熱。
蒸發的物料流通過導管24、通過關閉閥26(位于打開位置)進入沉積系統28，其中蒸發的物料可被注入在或沉積在接受基質上。優選加熱導管24和關閉閥26以保證蒸氣的連續流，而使其中蒸發物料的冷凝量或沉積量最小。另外，輸送系統使用加熱的質量流量或壓力控制器以更準確地提供適當的工藝要求的流速。
導熱塊14，形成了其中的內部頂部空間18和延長井12，由適當的傳導材料形成，優選由鋁或銅制造，因為這些金屬具有高的導熱性。除了延長井的鉆孔，內部頂部空間18也從塊中鉆出孔。優選，傳導塊的內部體積為約120cm3～約200cm3，更優選為約140cm3～約170cm3。傳導塊的內部體積被分為內部空隙和延長井，優選井的內部體積為約1/3～約1/2傳導塊的內部體積。在一個說明性的實施方式中，傳導塊的內部體積為約160cm3，延長井結合的內部體積為約60cm3。
延長井12可具有任何適當的構造，優選通常為圓柱構造，如圖2和3示意。延長井在傳導塊中要充分間隔以在井側壁之間提供足夠量的傳導材料以保證在所有的延長井中均一加熱。優選，井的內徑為約3mm～約8mm，更優選為約4mm～約6mm。多個延長井急劇地降低了與源材料接觸的表面積，因此，在每單位時間內更多的源材料可被蒸發。
有利的是，延長井是固定的，不置于任何移動表面或其他轉變的表面上，因此使每一個延長井整個長度與導熱塊直接接觸。同樣重要的是，蒸發器內“冷點”的減少(相對現有技術的蒸發器)，因為蒸發器的整個內部體積被同時加熱。蒸發器內“冷點”的減少可基本上消除同時駐留在蒸發器內蒸氣物料的沉積或冷凝。另外，本發明的蒸發器使用簡單的設備，不包括現有技術蒸發器中產生問題沉積表面的轉動或注入機械裝置。
源材料16被引入到延長井中，之后用密封蓋22密封蒸發器。可有利的是本發明描述的蒸發器系統可使用固體和液體源材料。優選，源材料是這種一種固體，包括例如癸硼烷、硼、鎵、銦、銻、磷、砷、鋰、四氟硼酸鈉等的固體鹽，及其混合物。
作為源材料使用的固體通過加熱傳導塊壁實現的生華方法進行蒸發。升華方法使固體例如癸硼烷從固態轉變為蒸氣狀態，而不經過中間的液態。本發明可有效用于任何適當的固體源材料例如這樣的固體材料，特征在于升華溫度為約20℃～約150℃，蒸氣壓力為約10-2乇～約103乇。
通過任何的熱調節系統可控制蒸發器內的溫度，包括單不限制于構造和布置用于控制溫度操作的電熱絲式加熱器、輻射加熱器、循環流體加熱器、電阻加熱系統、感應加熱系統等。
在一個優選的實施方式中，至少一個電阻器20，優選至少四個電阻器(電阻加熱組件)布置于傳導塊的垂直外表面上以提供足夠的熱量以蒸發封閉的物料，并在傳導塊整個體積內提供一致的溫度。
而且，電阻器可位于關閉閥26上以保證導管24和關閉閥保持在一定的溫度，所述的溫度可減少蒸發器和沉積系統28之間閥或流動管線中蒸氣的沉積。本領域的普通技術人員能夠調節蒸發器的溫度以實現對于每一種具體源材料最好的結果。
傳導塊內的溫度通過熱電偶30或電熱調節器或其他適合的用于接觸導熱塊表面的溫度感應接頭或設備進行測量。因此，系統可布置為如圖所示，包括控制溫度的設備，用于通過熱電偶30得到來自傳導塊的輸入溫度和輸出給電阻器20的控制信號，這樣加熱傳導塊并保持在適當的溫度，與圖4中的接線圖一致。
在另外的實施方式中，傳導塊包括一個設置的窗口以確定蒸發器中的內容物。適當的材料包括透明的具有足夠導熱性的材料以使窗口上的冷凝和沉積減少到最小的材料，例如金剛石、藍寶石、碳化硅、透明的陶瓷材料等。
本發明的使用蒸發器系統的方法包括將源材料16引入到導熱塊14中的延長井12中。密封蓋22和關閉閥26優選制造為一個片，位于傳導塊的頂部，優選地密封到其上，例如通過O形環組件和機械緊固件例如螺絲釘23。使用電阻器20，內部溫度升高到可蒸發封閉源材料足夠的溫度。打開閥26以將蒸發的物料輸送到沉積裝置28，所述的閥具有約2mm～約10mm直徑的開孔。
參考如下具體非限制性實施例進一步說明本發明。
實施例1將癸硼烷引入到本發明構造的蒸發器中。將蒸發器加熱到不同的溫度，關閉閥內使用不同的開孔尺寸以確定優化的可持續的癸硼烷流速到達下游的沉積或注入系統中。最大可實現的流速列于表1中(在表中列出的溫度是蒸發器的溫度)表1
上述結果表明根據本發明的教導蒸發的癸硼烷可提供隨開孔尺寸增加持續而且連續的流動。多個延長井提供了與有效的源材料接觸增加的表面積，產生了相應增加量的蒸發的源材料到達下游沉積或注入系統中。
盡管參考說明性的實施例和特征以各種方式公開了本發明，但應理解本發明描述的實施方式和特征并非意欲限制本發明，對于本領域的普通技術人員而言已經暗示它們具有其他的變化、修飾和其他的實施方式。因此本發明應從廣義上進行解釋，與以下描述的權利要求一致。
權利要求
1.一種蒸發器，包括導熱塊，所述的導熱塊具有其中形成的多個非移動延長井，用于放置蒸氣源材料，所述的多個延長井與導熱塊內部空間連接連通用于蒸氣的聚集；一種裝置，用于將熱施加到導熱塊內的多個延長井；一種裝置，用于密封導熱塊；及出口，用于排出蒸發器中形成的蒸氣。
2.如權利要求1的蒸發器，還包括控制機械裝置，用于控制由于施加熱產生的溫度。
3.如權利要求1的蒸發器，含有液體源材料。
4.如權利要求1的蒸發器，含有固體源材料。
5.如權利要求1的蒸發器，含有癸硼烷。
6.如權利要求1的蒸發器，其中在導熱塊中形成至少四個延長井。
7.如權利要求1的蒸發器，其中用于給導熱塊加熱的裝置包括至少一個電阻加熱組件。
8.如權利要求1的蒸發器，其中導熱塊的每一個壁具有至少一個連接到其上的電阻加熱組件。
9.如權利要求1的蒸發器，其中控制溫度的裝置包括熱電偶。
10.如權利要求6的蒸發器，其中這樣布置控制溫度的裝置以使塊保持在足夠的溫度以蒸發源材料。
11.如權利要求1的蒸發器，其中導熱塊由鋁或鋁合金制造。
12.如權利要求6的蒸發器，其中導熱塊的內部體積為約160cm3。
13.如權利要求12的蒸發器，其中多個延長井構成的內部體積為約60cm3。
14.如權利要求1的蒸發器，其中導熱塊被均一地加熱，因此減少了延長井和內部空間內的冷點。
15.一種蒸發源材料的方法，包括如下步驟將源材料引入到導熱塊中形成的多個延長井中，多個延長井與導熱塊內的內部空間連接連通用于聚集蒸發的源材料；密封導熱塊以在多個井和內部空間內形成真空；給導熱塊施加熱以同時加熱延長井并蒸發其中的源材料以形成源材料蒸氣；及將源材料蒸氣輸送到沉積系統中。
16.如權利要求15的方法，其中沉積系統包括選自離子注入裝置、化學蒸氣沉積裝置和金屬有機化學蒸氣沉積裝置的工藝裝置。
17.如權利要求15的方法，還包括控制通過施加熱的步驟產生的溫度。
18.如權利要求15的方法，其中源材料是液體或固體。
19.如權利要求15的方法，其中源材料含有癸硼烷。
20.如權利要求15的方法，其中在導熱塊中形成至少四個延長井。
21.如權利要求15的方法，其中施加熱的步驟包括電阻方式加熱導熱塊。
22.如權利要求15的方法，其中將導熱塊內的溫度保持在足夠的溫度以蒸發源材料。
23.如權利要求15的方法，其中導熱塊由鋁或鋁合金制造。
24.如權利要求15的方法，其中導熱塊被均一地加熱，因此減少了延長井和內部空間內的冷點。
25.一種蒸發和沉積系統，包括蒸發器，包括導熱塊，所述的導熱塊具有其中形成的多個固定的延長井用于放置蒸氣源材料，所述的多個延長井與導熱塊內的內部空間連接連通用于蒸氣的聚集；給導熱塊施加熱以蒸發源材料的裝置；用于密封導熱塊的裝置；用于從蒸發器排出蒸發的源材料的出口；及與出口以蒸氣流動連通結合的沉積系統。
26.如權利要求25的系統，其中源材料直接與延長井內表面接觸。
全文摘要
一種在蒸發器系統內均一加熱條件下，用于蒸發固體和/或液體化學源材料的蒸發器系統，在蒸發器內減少蒸發源材料的冷凝，而且使“冷點”最小化，以提供基本上連續的蒸氣流到達下游注入或沉積(如MOCVD)系統。蒸發器包括導熱塊，所述的導熱塊具有其中形成的多個延長井以持留蒸氣源材料。在導熱塊內是與延長井連通的內部體積。密封所述的導熱塊以形成封閉的容器，向其中加熱以同時均一地加熱所有延長井并蒸發其中的源材料。
文檔編號H01L21/02GK1606632SQ02825485
公開日2005年4月13日 申請日期2002年11月21日 優先權日2001年12月18日
發明者馬修·B·多納圖奇, 王錄平, 詹姆斯·邁爾 申請人:高級技術材料公司