DE10046052A1 - Zuführung von flüssigen Vorläufern zu Halbleiterbearbeitungsreaktoren - Google Patents

Zuführung von flüssigen Vorläufern zu Halbleiterbearbeitungsreaktoren

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtung zur Zuführung von flüssigen Vorläufen zu einer Halbleiterbearbeitungsvorrichtung. Das Zuführungssystem für flüssige Vorläufer (10) umfaßt eine Quelle (11), ein Einlaßrohr (12), ein Zweiwegeventil (13), eine Pumpenanordnung (14) ein Auslaßrohr (15), ein Absperrventil (16) sowie einen Entspannungsverdampfer (17). Die Pumpenanordnung (14) besitzt die Form einer Spritze oder einer Pumpe mit variablem Volumen und wird gesteuert durch eine Kombination eines Schrittmotors (27) sowie eines Linearcodierers (30). Die Anordnung ist derart, daß unbenutzter flüssiger Vorläufer zur Quelle zurückgeführt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtung zur Zufüh­ rung flüssiger Vorläufer zu Halbleiterbearbeitungsreaktoren.
Es findet sich eine ausführliche Diskussion verschiedener herkömmlicher Vor­ schläge zur Zuführung derartiger Vorläufer in der Präambel der US-PS 5 620 524, auf welche hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Im allgemeinen ist ein flüssiger Vorläufer ein Gas bei niedrigen Drücken, welche typischerweise in einem Reaktor vorliegen (z. B. 1 Torr), aber bei atmosphärischem Druck (15 Torr) be­ finden sie sich in ihrem flüssigen Zustand. Dies gibt Anlaß zu praktischen Zufüh­ rungs- und Messungsproblemen, die verstärkt werden durch die hohe reaktive Natur von manchen dieser Vorläufer, wodurch die Wahl der Konstruktionsmateria­ lien, die eingesetzt werden können, begrenzt ist. Die meisten flüssigen Vorläufer­ zuführungssysteme, die bei der Scheibenbearbeitung zum Einsatz kommen, sind einer der folgenden drei Typen:
  • 1. Die Flüssigkeit wird verdampft, und es wird eine Gasmassenflußsteuerung eingesetzt.
  • 2. Es wird eine Flüssigkeitsmassenflußsteuerung eingesetzt.
  • 3. Ein Trägergas wird durch eine Flüssigkeit in einem "Rührwerk" hindurch­ geführt, um einen Teil der Flüssigkeit in den Trägergasblasen zu verdamp­ fen.
Obwohl Gasmassenströmungsmeßinstrumente in großem Rahmen zum Einsatz kommen, führen sie zu Problemen, wenn die Flüssigkeit für die Massenstrommes­ sung verdampft werden muß. Ein großes Reservoir von verdampfter Flüssigkeit ist erforderlich, wodurch die Verweilzeit in der verdampften Flüssigkeit bei erhöhter Temperatur ansteigt. Für Peroxid, bei welchem es sich um einen geeigneten Vor­ läufer handelt, kann die Zersetzung einsetzen, bevor die Verfahrenskammer er­ reicht ist. Flüssigkeitsmassenstromsteuerungen sind in der Lage, eine gute Strö­ mungssteuerung zu ergeben, neigen aber zu Instabilitäten, was wohl an den Bla­ sen liegt, die sich in der Massenstromsteuerung bilden, während sie sich im ersten Leerlaufstatus befindet, und die kalte Flüssigkeit, die die Steuerung abkühlt, kann Kalibrierungsabweichungen verursachen. Rührwerke erfordern ein Trägergas, und je niedriger der Dampfdruck ist, um so weniger Flüssigkeit wird als Dampf durch die Blasen aufgenommen. Dementsprechend ist für Flüssigkeit mit niedrigem Dampfdruck eine hohe Strömung des Trägergases erforderlich, welches mit dem Verfahren inkompatibel sein kann.
Als Alternative zu diesen Vorgehensweisen wurde eine Anordnung versucht, die ähnlich derjenigen ist, wie sie in der US-PS 5 620 524 beschrieben ist, mit einer positiven Verdrängungspumpe in Kombination mit einem engbohrigen Auslaßrohr, aber es traten Schwierigkeiten auf bei der Auswahl geeigneter Materialien für sol­ che Pumpen und andere Teile, und es wurden Strömungsveränderungen festge­ stellt aufgrund von Veränderungen des Innendurchmessers des engbohrigen Roh­ res, notwendig für die Pufferung der Niedrigdruckkammer von der Pumpe. Derarti­ ge Anordnungen sind anfällig für Variationen, da die Strömungsrestriktion des engbohrigen Rohres dominiert, da die Pumpe im wesentlichen eine Unterdruck­ setzungsvorrichtung ist. Die Ergebnisse dieses Verfahrens sind als "Standard" in Fig. 3 wiedergegeben.
Eine einfachere Version dieses Systems kann zum Einsatz kommen, wenn eine vorbestimmte oder feste Strömung akzeptabel ist. Das System hängt dann insge­ samt von der Wirkung des Umgebungsdruckes auf die Flüssigkeit ab, um den Ein­ satz der Pumpe und des Rohres für die Strömungsrestriktion zur Strömungssteue­ rung zu ersetzen. Dieses System macht sich die Tatsache zunutze, daß saubere Räume druckgesteuerte Umgebungen sind, etwas oberhalb des atmosphärischen Druckes. Das System hängt jedoch nach wie vor davon ab, daß der innere Boh­ rungsdurchmesser des Rohres akkurat ist und geeignete kompatible Materialien zum Einsatz kommen, welches häufig nicht der Fall ist. Es kann dementsprechend spezielle Systemkalibrierung erforderlich werden, und unterschiedliche Rohrlän­ gen können erforderlich sein in Abhängigkeit von dem aktuellen Bohrungsdurch­ messer. Die Ergebnisse dieses Verfahrens sind als "fixierte Strömung" in Fig. 3 wiedergegeben.
Die US-PS 5 620 524 beschreibt eine Alternative unter Einsatz von phasenver­ schobenen Pumpen, aber das System hängt davon ab, ob man die verschiedenen Charakteristika des Vorläufers kennt und die Temperatur und den Druck des Vor­ läufers überwacht, um eine angestrebte Menge des Vorläufers zuzuführen.
Die US-PS 5 098 741 beschreibt den Einsatz einer positiven Verdrängerpumpe zur Beschickung eines flüssigen Vorläufers zu einer CVD-Kammer, aber das Sy­ stem erfordert den Einsatz eines Druckmessers, der ein Ventil mit variabler Öff­ nung steuert, um das Problem der gelösten Gase zu überwinden.
Unter einem Aspekt besteht die Erfindung in einer Vorrichtung zur Zuführung ei­ nes flüssigen Vorläufers zu einem Halbleiterbearbeitungsreaktor mit einer Quelle eines flüssigen Vorläufers, einer volumengeeichten positiven Verdrängerpumpe, die den flüssigen Vorläufer aus der Quelle über einen Eingangsdurchlaß abzieht und dem Reaktor ein bekanntes Volumen des flüssigen Vorläufers zuführt, entlang eines Ausgangsdurchlasses (vorzugsweise ohne jegliche Drucksteuerung und/oder Pulsieren). Entweder unmittelbar vor dem Reaktor oder innerhalb des Reaktors kann der flüssige Vorläufer verdampft werden, beispielsweise durch ei­ nen Entspannungsverdampfer.
Die Vorrichtung kann darüber hinaus ein Ventil umfassen, um die Pumpe an den Eingangsdurchlaß oder den Ausgangsdurchlaß anzuschließen. Die Vorrichtung kann darüber hinaus eine Steuereinrichtung umfassen für die Steuerung der Pum­ pe und des Ventils, wodurch die Pumpe Flüssigkeit einzieht, während der Reaktor ohne diesen Vorläufer arbeitet. Zusätzlich oder alternativ kann die Vorrichtung au­ ßerdem eine Steuervorrichtung einschließen zur Steuerung der Pumpe und des Ventils, wodurch die Pumpe den nicht zugeführten Vorläufer zur Quelle zurück­ führt. Dieses Zurückführen reduziert signifikant, insbesondere in Kombination, bei welcher die Pumpe nur aufgeladen wird wenn erforderlich, die Anwesenheit von gelösten Gasen.
Die Pumpe kann in der Form einer Spritzenpumpe vorliegen.
Die Quelle kann auch ein anderes Reservoir von flüssigem Vorläufer umfassen, und vorzugsweise kann die Quelle mindestens zwei Flaschen oder Reservoirs einschließen und Maßnahmen zum automatischen Anschließen einer Flasche oder eines Reservoirs an den Eingangsdurchlaß, wenn die bzw. das andere leer wird.
Die Vorrichtung schließt vorzugsweise einen durch einen linearen Codierer ge­ steuerten Schrittmotor ein, zum Antrieb der Pumpe, um das bekannte Volumen zuzuführen.
Unter einem anderen Gesichtspunkt besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Zuführen eines flüssigen Vorläufers zu einem Halbleiterbearbeitungsreaktor mit:
  • 1. Dem Zuführen eines flüssigen Vorläufers entlang eines Eingangsdurchlas­ ses in eine volumenkalibrierte positive Verdrängerpumpe von einer Quelle des flüssigen Vorläufers und
  • 2. dem Zuführen entlang eines Ausgangsdurchlasses einer bekannten Menge eines flüssigen Vorläufers zum Reaktor, vorzugsweise ohne Drucksteue­ rung und/oder Pulsieren.
Der flüssige Vorläufer kann verdampft werden, entweder unmittelbar bevor er den Reaktor erreicht, oder innerhalb des Reaktors.
Dies kann weiterhin einschließen, daß dauerhaft die Pumpe an den Eingangs­ durchlaß oder den Ausgangsdurchlaß angeschlossen ist. Zusätzlich oder alterna­ tiv kann die Pumpe nach jeder Volumenzuführung die verbleibende Flüssigkeit zur Quelle zurückführen, bevor eine frische Ladung angezogen wird.
Obwohl die Erfindung oben definiert wurde, leuchtet ein, daß sie auch jegliche er­ finderische Kombination der Merkmale einschließt, die weiter oben in der nachfol­ genden Beschreibung angegeben werden.
Die Erfindung kann auf unterschiedlichen Wegen durchgeführt werden, und spezi­ elle Ausführungsformen sollen nun beschrieben werden, beispielhaft unter Bezug­ nahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zuführungssystems für flüssi­ gen Vorläufer,
Fig. 2 eine graphische Darstellung, die das Strömungsausmaß von dem System anzeigt, und
Fig. 3 eine weitere graphische Darstellung, die Variationen des Deposi­ tionsausmaßes anzeigt, unter Einsatz unterschiedlicher Zuführungs­ systeme für flüssige Vorläufer.
Ein Zuführungssystem für flüssigen Vorläufer ist allgemein in Fig. 1 mit der Be­ zugsziffer 10 identifiziert. Das System 10 umfaßt eine Vorläuferquelle, die allge­ mein mit 11 bezeichnet ist, ein Einlaßrohr 12, ein Zweiwegeventil 13, eine Pum­ penanordnung, die allgemein mit der Bezugsziffer 14 versehen ist, ein Auslaßrohr 15, ein Absperrventil 16 sowie einen Entspannungsverdampfer 17.
Die Quelle 11 für den flüssigen Vorläufer umfaßt ein Paar Flaschen 18, 19, die in einer temperaturgesteuerten Kammer 20 angeordnet sind, sowie Niveausensoren, die schematisch mit der Bezugsziffer 21 bezeichnet sind, um das Niveau der Flüs­ sigkeit in den jeweiligen Flaschen 18 und 19 zu erfassen. Die Flaschen 18 und 19 sind mit einem Ventil 22 verbunden und anschließend an das Einlaßrohr 12 ange­ schlossen. Das Ventil 22 kann die eine oder die andere der Flaschen 18 bzw. 19 an das Rohr 12 anschließen.
Die Pumpenanordnung 14 ist von dem Typ, der allgemein als Spritze oder Pumpe mit variablem Volumen bekannt ist, wie sie beispielsweise hergestellt wird von Lee Products in ihren LPV-Serien. Derartige Pumpen besitzen eine Spritze 24 mit ei­ nem Rohr 25 und einem Kolben 26. Der Kolben ist an einen Schrittmotor 27 ange­ schlossen, und es sind allgemeine Vorrichtungen vorgesehen zur Erfassung der Linearbewegung des Kolbens, um das Volumen der Flüssigkeit zu bestimmen, das von der Spritze abgegeben wird.
Bei der dargestellten Anordnung treibt der Schrittmotor 27 eine Führungsschraube 28, welche wiederum linear einen Käfig 29 bewegt, der an das freie Ende des Kol­ bens 26 angeschlossen ist. Die Linearposition des Käfigs 29 wird erfaßt durch ei­ nen Linearcodierer 30. Da die Position des Käfigs 29 sehr präzise durch den Line­ arcodierer 30 wiedergegeben wird, kann die Position des Kolbens 26, und dem­ entsprechend das Volumen der verdrängten Flüssigkeit, sehr eng gesteuert wer­ den, ohne daß die Pumpe über einen präzise eingestellten Zeitraum betrieben wird. Darüber hinaus ermöglicht es die gesamte Anordnung, Flüssigkeit mit einem hohen Druck abzugeben.
Die Pumpe 14 und die Ventile 13, 16 und 22 stehen alle unter der Steuerung einer Steuerschaltung 31, welche wiederum auf den Linearcodierer 30 anspricht, wie auch die Niveausensoren 21 und andere Verfahrensinformationen von dem zuge­ ordneten Reaktor.
Beim Betrieb zieht der Schrittmotor 27 eingangs den Käfig 29 in abwärtiger Rich­ tung, wodurch der Kolben sich in einem Einsaugsinn innerhalb des Rohres 25 be­ wegt. Wenn das Ventil 13 eingestellt ist, um die Pumpe 24 mit der Flüssigkeits­ quelle 11 zu verbinden, kann der flüssige Vorläufer von der einen oder der ande­ ren Flasche 18 bzw. 19 abgezogen werden in Abhängigkeit von der Position des Ventils 22. Nachdem die Pumpe 24 beladen ist, hält der Schrittmotor 27 ein. Das Ventil 13 wird dann umgeschaltet, um die Spritzenpumpe 24 an das Auslaßrohr 15 anzuschließen, und im richtigen Augenblick bezüglich der Bearbeitung wird das Absperrventil 16 geöffnet, und der Schrittmotor kehrt die Bewegung um, um den Kolben 26 innerhalb des Rohres 25 zurückzuführen, wobei dadurch der flüssige Vorläufer in den Entspannungsverdampfer 17 abgeführt wird. Das Volumen der abgegebenen Flüssigkeit steht in direkter Beziehung zum Weg des Kolbens 26 und dementsprechend des Käfigs 29. Dieses kann überwacht werden durch die Steuerschaltung 31 über den Linearcodierer 30, und so bald das angestrebte Vo­ lumen erreicht ist, wird der Schrittmotor 27 abgeschaltet. Somit wird deutlich, daß sehr präzise Volumina des flüssigen Vorläufers zugeführt werden können bei ei­ nem hohen Druck in den Verdampfer ohne die Probleme, die bei anderen Syste­ men auftreten.
Vorzugsweise wird die Spritze mit mehr als dem erforderlichen Volumen aufgefüllt, um jede zu geringe Zuführung zu vermeiden. Praktischerweise kann dann die nicht abgegebene Flüssigkeit zurück zu den Flaschen 18 bzw. 19 geführt werden über ein Ventil 13, das Rohr 12 sowie das Ventil 23 derart, daß der flüssige Vor­ läufer in den bestmöglichen Konditionen gehalten werden kann.
Die Anordnung von zwei Flaschen macht es möglich, daß von einer Flasche zur anderen umgeschaltet werden kann, wenn sie leer wird, ohne daß eine Unterbre­ chung des Verfahrens erforderlich ist.
Es leuchtet somit ein, daß Scheiben oder Gruppen von Scheiben in die Reaktor­ kammer eingeführt werden können, worauf ein präzises Volumen des flüssigen Vorläufers in die Kammer eingeführt wird über den Entspannungsverdampfer 17, worauf die Pumpe geleert und wieder aufgeladen werden kann, bereit für die nächste Scheibe oder die nächste Scheibengruppe.
Die Fig. 2 zeigt die Linearität des Strömungsausmaßes, das erzielt werden kann mit dem erfindungsgemäßen System, und dementsprechend die Genauigkeit der Volumenzuführung.
Die Fig. 3 zeigt die sich ergebenden Vorteile in Begriffen der Reproduzierbarkeit des Depositionsausmaßes. Es zeigt sich, daß die Spritze zu einem sehr reprodu­ zierbaren Niveau der Deposition führt, unter Einsatz eines Wasserstoffperoxidsy­ stems, verglichen mit früheren Zuführungsvorschlägen.
Das System besitzt eine Anzahl von Vorteilen:
  • 1. Es kann selbstschärfend sein, am Beginn eines Laufes und dementspre­ chend alle Leitungen säubern hinsichtlich abgebauten Wasserstoffperoxids und Blasen aus der Leitung und der Spritze entfernen.
  • 2. Die Spritze muß nur gefüllt werden unmittelbar vor dem Verfahren, so daß ein Abbau des flüssigen Vorläufers vermieden wird.
  • 3. Das Zuführungsausmaß kann vollständig programmierbar sein.
  • 4. Das Zuführungsausmaß kann vollständig überwacht werden durch den Li­ nearcodierer.
  • 5. Jeglicher Überschuß an flüssigem Vorläufer wird zur Quelle zurückgeführt am Ende des Verfahrens.
  • 6. Ein kontinuierlicher Betrieb kann durch das automatische Umschalten der Flaschen leicht erreicht werden. Diese Vorteile sind besonders hervorzuheben im Hinblick auf Vorläufer, wie Wasserstoffperoxid, die dazu neigen zu zerfallen, wenn sie nicht unter geeigneten Bedingungen gehalten werden. Das Zuführsystem ar­ beitet auch sehr gut, wobei Wasserstoffperoxid akkurat ist bis unterhalb 1 Gramm pro Minute. Das Strömungsmaß kann leicht geändert werden ohne jeden signifi­ kanten Verlust an Genauigkeit, einfach durch Veränderung des Pumpenrohres und des entsprechenden Kolbens.
Experimente, über die in der schwebenden britischen Patentanmeldung 0001179.1 berichtet wird, mit dem Titel "Methode an Apparatus for forming a film on a substrate", unter Einsatz herkömmlicher Systeme und dank einer Spritzen­ pumpe zur Zuführung von Cyclohexyldimethoxymethylsilan, zeigen, daß bei min­ destens einigen Vorläufern und Verfahren akzeptable Ergebnisse nur erhalten werden, wenn eine Spritzenpumpenanordnung, wie sie beschrieben wird, zum Einsatz kommt. Auf diese Veröffentlichung wird hiermit ausdrücklich Bezug ge­ nommen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Zuführen eines flüssigen Vorläufers zu einem Halbleiter­ bearbeitungsreaktor mit einer Quelle (11) für den flüssigen Vorläufer, einer volumengeeichten, positiven Verdrängerpumpe (14) zum Abziehen des flüs­ sigen Vorläufers von der Quelle über einen Einlaßweg (12) und zum Zufüh­ ren über einen Auslaßweg (15) mit einem bekannten Volumen des flüssigen Vorläufers zum Reaktor.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, darüber hinaus mit einem Ventil (13) zum Anschluß der Pumpe an den Einlaßweg (12) oder den Auslaßweg (15).
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, darüber hinaus mit einer Steuereinrichtung (30, 31) zur Steuerung der Pumpe (14) und des Ventils (13), wobei die Pumpe Flüssigkeit einzieht, während der Reaktor nicht mit diesem Vorläufer arbeitet.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, darüber hinaus mit einer Steuereinrichtung (30, 31) zur Steuerung der Pumpe (14) und des Ventils, wobei die Pumpe einen Teil oder die Gesamtmenge des nicht zugeführten Vorläufers zur Quelle zurückführt.
5. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Pum­ pe eine Spritzenpumpe (24) ist.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Quelle (18, 19) eine Flasche oder ein Reservoir des flüssigen Vorläufers ein­ schließt.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Quelle mindestens zwei Fla­ schen oder Reservoirs einschließt, sowie eine Einrichtung (22) zum auto­ matischen Anschließen einer Flasche (18, 19) oder eines Reservoirs an den Einlaßweg (12), wenn die/das andere leer wird.
8. Verfahren zum Zuführen eines flüssigen Vorläufers zu einem Halbleiterbe­ arbeitungsreaktor mit:
  • A) dem Abziehen eines flüssigen Vorläufers entlang eines Eingangswe­ ges in eine volumengeeichte positive Verdrängerpumpe von einer Quelle des flüssigen Vorläufers und
  • B) Zuführung eines bekannten Volumens des flüssigen Vorläufers ent­ lang eines Ausgangsweges.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, mit einem alternierenden Anschließen der Pumpe an den Eingangsweg und den Ausgangsweg.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei nach jeder Volumen­ zuführung die Pumpe einen Teil oder die Gesamtmenge der verbleibenden Flüssigkeit zur Quelle zurückführt, bevor eine neue Ladung eingezogen wird.
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