用于脉冲气体输送的方法和设备与流程

用于脉冲气体输送的方法和设备
1.相关申请
2.本技术是2019年4月5日提交的美国申请no.16/376,861的继续申请。上述申请的全部教导作为参考并入本文。


背景技术：

3.半导体制造工艺(例如原子层沉积(ald)工艺)可以涉及在多个处理步骤上以各种量输送多种不同气体和气体混合物。通常，气体储存在加工设备的罐中，并且使用气体计量系统将计量的量的气体从罐输送到加工工具，例如化学气相沉积反应器、真空溅射机和等离子体蚀刻机。通常，在气体计量系统中或在从气体计量系统到加工工具的流动路径中包括诸如阀门、压力调节器、质量流控制器(mfc)和质量流比控制系统的部件。
4.已经开发了脉冲气体输送设备来将脉冲质量流的气体输送到半导体加工工具。高速工艺可以使用脉冲气体输送来制造先进的3d集成电路，其包括硅通孔(tsv)以提供管芯到管芯和晶片到水的互连。
5.传统的基于压力的脉冲气体输送设备在出口隔离阀门关闭的情况下通过入口隔离阀门将容积填充到预定压力。然后，在入口阀门关闭的情况下，打开出口阀门以将气体传送到加工工具，直到容积的压力下降到另一预定水平。根据理想气体定律，流过打开的出口阀门的气体的质量依赖于阀门打开和关闭时的压力差、气体的容积和温度。最近，质量流控制器已经适用于基于来自流传感器的反馈回路进行脉冲输送。通常，mfc包括入口端口、出口端口、质量流传感器和被调节以实现期望的质量流的比例控制阀门。使用快速关闭控制阀门，可以使流发生脉动。


技术实现要素：

6.提供了对基于压力的脉冲气体输送系统的改进。特别地，用可调节控制阀门代替了腔室下游的通常的开/关隔离阀门。可以控制控制阀门的打开程度以限制流并能够在脉冲期间控制基于压力的输送。通过适当的控制，包括通过脉冲期间的反馈回路，可以在规定的脉冲持续时间内精确地输送规定剂量的气体。
7.一种脉冲气体输送系统，所述脉冲气体输送系统包括：具有容积的腔室，压力传感器，所述压力传感器被配置成检测所述腔室内的气体压力，以及温度传感器，所述温度传感器被配置成检测指示所述腔室内的所述气体的温度的温度。上游阀门，所述上游阀门被配置成控制进入所述腔室的气体的流。下游控制阀门，所述下游控制阀门被配置成控制离开所述腔室的气体的流。控制器，所述控制器被配置成控制所述上游阀门和所述下游控制阀门，以将所述腔室填充到初始压力，并且此后基于所检测到的压力和温度在流出所述腔室的气体的气体脉冲期间控制通过所述下游控制阀门的流以控制输送的剂量和气体脉冲的周期。
8.所述控制器可以被配置成在反馈回路中控制所述下游控制阀门以基于在所述脉冲期间检测到的压力和温度来在所述脉冲期间调节流。
9.所述控制器可以还被配置成计算离开所述腔室的气体的流量，并且控制所述下游控制阀门以基于所计算的流量和目标流设定点来调节离开所述腔室的气体的流量。
10.说啥控制器可以被配置成基于压力衰减率方程计算流量q：
[0011][0012]
其中，v表示所述腔室的容积，t
stp
表示标准温度，p
stp
表示标准压力，p表示所述腔室内的所述气体的压力，并且t表示所述腔室内的所述气体的温度。
[0013]
所述控制器可以还被配置成计算输送出所述腔室的气体的剂量，并且控制所述下游控制阀门在所述气体脉冲期间输送规定剂量的气体。
[0014]
所述控制器可以被配置成基于所述腔室的容积、在所述脉冲开始时由所述压力传感器检测到的所述腔室内的气体的初始压力、在所述脉冲期间由所述压力传感器检测到的所述腔室内的气体的压力、以及在所述脉冲期间由所述温度传感器检测到的所述气体的温度来计算输送出所述腔室的气体的所述剂量。在所述脉冲期间在时间t处输送出所述腔室的气体的剂量δn(t)可以根据以下函数来计算：
[0015]
δn(t)＝v
×
(p
t0
‑
p
t
)/(r
×
t
t
),
[0016]
其中，v表示所述腔室的容积，p
t0
表示在所述脉冲开始时所述腔室内的气体的压力，p
t
表示在所述脉冲期间在时间t处所述腔室内的气体的压力，并且t
t
表示在所述脉冲期间在时间t处所述气体的温度。
[0017]
所述控制器可以被配置成在所述脉冲期间调节所述流量以实现规定的脉冲形状。所述控制器可以被配置成调节所述下游控制阀门以在所述脉冲期间实现基本恒定的流量。
[0018]
在脉冲气体输送方法中，打开上游阀门的同时关闭下游控制阀门以用气体将腔室填充至初始压力。当达到所述初始压力时关闭所述上游阀门。在达到该初始压力并且在所述上游阀门关闭时，打开所述下游控制阀门以开始流出所述腔室的气体的脉冲。在流出所述腔室的气体的脉冲期间控制所述下游控制阀门以在所述脉冲的规定时段内输送规定剂量。
[0019]
一种输送流体脉冲的方法可以包括：利用入口阀门控制进入腔室的流体的流；利用压力传感器检测所述腔室内的气体压力；利用温度传感器检测指示所述腔室内的气体温度的温度；以及在流体脉冲期间控制通过下游控制阀门的流体的流。
[0020]
可以检测所述腔室内的气体的压力和温度，并且基于检测到的压力和温度来控制下游控制阀门。当达到规定的剂量或规定的脉冲时段时，可以关闭下游控制阀门。该方法的步骤可以在专用控制器的控制下在规定数量的脉冲内重复。
[0021]
可以测量气体流出腔室的流量，并且在脉冲期间，可以控制下游控制阀门以将所测量的流量调节到流设定点。而且，可以计算在脉冲期间输送出腔室的气体的剂量，并且可以控制下游控制阀门以在规定的脉冲时间期间输送规定剂量的气体。
[0022]
在脉冲期间，可以调节流量以实现规定的脉冲形状。可以在脉冲期间调节下游控制阀门，以在脉冲期间获得基本恒定的流量。
[0023]
可以基于来自在脉冲期间检测到的压力和温度的反馈来控制通过下游控制阀门的流体的流。可以计算气体流出腔室的流量，并且可以控制下游控制阀门以基于所计算的流量和目标流设定点来调节气体流出腔室的流量。
[0024]
该方法可以包括计算输送出腔室的气体的剂量并且控制下游控制阀门以在气体脉冲期间输送规定剂量的气体。
附图说明
[0025]
如附图所示，通过以下对示例性实施方式的更具体的描述，上述内容将变得明显，在附图中，相同的附图标记在不同的视图中表示相同的部件。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施方式上。
[0026]
图1例示了现有技术的基于压力的脉冲输送系统。
[0027]
图2例示了图1的基于压力的脉冲气体输送系统的操作。
[0028]
图3例示了使用热传感器的现有技术脉冲质量流控制器。
[0029]
图4例示了使用基于压力的流传感器的现有脉冲质量流控制器。
[0030]
图5例示了实现本发明的脉冲输送系统。
[0031]
图6例示了图5的系统的操作。
[0032]
图7是例示图5的脉冲气体输送系统的操作的流程图。
[0033]
图8是例示图5的系统的脉冲输送过程的流程图。
具体实施方式
[0034]
下面是示例实施方式的描述。
[0035]
提供用于脉冲输送特定质量的气体的气体控制系统，气体例如半导体制造工艺或化学工艺中的工艺气体。
[0036]
气体的质量可以被指定为在被输送到处理腔室的流体的脉冲期间要被输送的流体的期望摩尔数。“摩尔”是具有单位符号mol的国际单位制(si)中的物质的量的测量单位。“摩尔”定义为含有与12克碳
‑
12(12c)中存在的原子一样多的组成粒子(例如，原子、分子、离子、电子或光子)的物质的量或样品，所述碳
‑
12(12c)为根据定义具有标准原子量i2的碳的同位素。该数值由阿佛加德罗常数表示，其值约为6.022140857
×
10^23mol
‑
1。摩尔数广泛用作表示化学反应的反应物和产物的量的方便方式。摩尔体积(符号vm)是在给定温度和压力下被一摩尔物质占据的体积。其等于摩尔质量(m)除以质量密度(ρ)。
[0037]
图1例示了使用基于压力的脉冲气体输送的现有脉冲气体输送设备102，例如在2009年12月8日授权给shajii等人的美国专利7,628,860中所呈现的，其全部内容通过引用并入本文。基于压力的摩尔测量技术利用引入已知容积的气体的压力(p)对时间(t)的响应，如图1所例示。设备102包括具有已知容积(v)的腔室104，位于腔室104上游的入口阀门106(“vin”)和位于腔室104下游的出口阀门107(“vout”)。还提供了位于腔室104处的压力传感器108和测量腔室的壁的温度以提供腔室内的气体温度的指示的温度传感器110。
[0038]
最初，通过打开上游阀门106，同时关闭下游阀门107，允许气流(q
i
)以在一段时间内(“填充”时间段δt＝(t1‑
t0)，图2)进入设备以填充腔室或容积104并发生压力变化，可以从气源105对设备102填充至预定压力。在时间t1和压力p1，关闭上游阀门106(“vin关闭”)。该过程然后包括时段(t2‑
t1)，其中允许室104中的气体稳定到设定点。在此时段期间，通过压力传感器108和温度传感器110获得压力和温度测量结果。当下游阀门107打开时(图2中时间t2处的“vout打开”)，气流(q
o
)离开设备102，直到在预定压力p2下阀门107再次被关闭
(时间t3处的“vout关闭”)，从设备向加工工具111输送气体脉冲。
[0039]
图2所例示的脉冲气体输送可以通过设备102的专用控制器112上的程序来实现，该程序执行从主控制器114命令的输送配方。脉冲输送由触发信号启动，例如来自主控制器114的控制信号。输送气体的摩尔数可以基于理想气体定律的原理来估计，δn＝(δp*v)/(r*t)。
[0040]
在2016年5月24日授权给ding等人的美国专利no.9,348,339中描述了采用基于输送腔室内的压降确定的流量的多通道脉冲气体输送，其全部内容通过引用并入本文。
[0041]
图1和图2所例示的方法具有很多限制。充气压力必须严格控制。脉冲输送的准确性和可重复性依赖于下游截止阀门的速度和可靠性。需要一种具有快速响应时间的截止阀门。然而，如果阀门是老化的，则会需要实施自适应调节，这增加了复杂性，或者可能需要更换阀门，这通常要求工艺的中断。经常，脉冲形状(例如，脉冲宽度)不是所期望的，或者脉冲与所期望的方波不充分匹配。此外，用一定体积的气体填充腔室104的需要要求时间。在各个脉冲之前的气体填充时间和稳定时间限制了快速气体输送循环时间。
[0042]
然而，基于压力的摩尔测量技术的优点在于它们可以在不知道被测量的特定气体或气体混合物的情况下应用。由腔室容积上的质量平衡和理想气体定律的应用得到的气体输送量是气体无关的，其依赖于压力(p)、温度(t)和容积(v)的三个状态变量来表征被测量气体的行为。
[0043]
图3例示了基于质量流控制器的现有脉冲输送系统。在通常的质量流控制器中，比例控制阀门304被打开到由流传感器306感测的流的预定设定流点。流传感器306例如可以是基于热的流传感器。使用通过专用控制器308的反馈来控制比例控制阀门304的开度以满足设定点。在脉冲输送系统中，使用能够快速打开和关闭的阀门304。主控制器114向专用控制器308发送期望的设定点和脉冲开时间。其还可以发送由来自主控制器的触发启动的脉冲序列的脉冲开和关时间。
[0044]
如图3所例示的基于热的脉冲mfc的缺点在于它们受到来自高温操作的限制并且可能具有长期漂移问题。
[0045]
图4例示了用于脉冲输送气体的现有的基于压力的mfc 402系统。主控制器114与mfc 402通信，例如，以向专用控制器404提供关于所期望的脉冲输送信息的信息，例如脉冲摩尔设定点、脉冲开时段、脉冲关时段和重复脉冲数。为了启动脉冲传送循环，主控制器114向专用控制器404发送触发信号。mfc 402包括控制阀门406(例如，比例控制阀门)以控制流体从气体源流入流通道408。mfc 402的控制器404被配置成控制通过控制阀门406的流体流，以控制在流体脉冲期间输送到处理腔室的流体。控制器404基于来自流传感器410的反馈来控制通过控制阀门406的流体的流，流传感器410被提供用于测量流通道中的流量(q)。流传感器410包括位于流通道410内的限流器412以及分别在上游压力传感器414和下游压力传感器416。控制阀门406位于限流器410和压力传感器的上游。流控制也可以响应于温度传感器418。
[0046]
图3和图4中的设备的脉冲气体输送量可以通过以下算式计算：
[0047][0048]
其中，δn是输送的气体的摩尔数，q是由流传感器测量到的流量，t1是脉冲的开始
时间，t2是脉冲的结束时间。
[0049]
脉冲mfc气体输送在junhua ding等人的题为“system for and method of fast pulse gas delivery”的国际专利公开号wo2012/116281a1中进一步描述，其全部内容通过引用并入本文。
[0050]
在2018年2月2日提交的未决美国专利申请15/887,447和2019年1月28日提交的相应pct申请pct/us2019/015356中提出了对图4的基于压力的mfc的改进。在该系统中，在mfc的输出处设置了隔离阀门，以比仅使用比例控制阀门快地启动和终止脉冲。该控制器可以被配置成基于估算的所输送的流体的摩尔数来控制通过该控制阀门的流以及该隔离阀门的切换。
[0051]
图5例示了对根据本发明的基于压力衰减率脉冲气体输送系统的改进。腔室504具有已知的容积v。腔室504内的流体压力由压力传感器506检测，气体温度由温度传感器508检测。感测到的压力和感测到的温度都被馈送到与主控制器114通信的专用控制器514。控制器514控制上游阀门510和下游阀门512的操作。上游阀门510可以是用于填充容积504的传统的开/关型隔离阀门，但其也可以是控制阀门。重要的是，下游阀门512不是通常的开/关型隔离阀门，而是可调节的控制阀门，其开度可以响应于控制信号来控制，例如通常用于质量流控制器中的比例控制阀门。
[0052]
图5的脉冲气体输送系统的操作在图6中例示，控制流程图在图7和图8中示出。图6例示了在前一脉冲604之后的受控流脉冲602的形成。
[0053]
在702，主控制器发送参数以配置控制器514。这里呈现了两种可选配置。在“基于时间的输送”中，主控制器向系统发送以下参数：流设定点(qsp)、脉冲开时间(ton)、脉冲关时间(toff)和/或脉冲数(n)。在“基于摩尔的输送”中，主控制器向系统发送以下参数：脉冲输送摩尔剂量设定点(msp)、脉冲开时间(ton)、脉冲断开时间(toff)和/或重复脉冲数(n)。在这种基于摩尔的输送中，假定脉冲形状是矩形的，目标流量设定点qsp可以根据摩尔剂量设定点(msp)计算为：
[0054]
qsp＝k1*msp/ton
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0055]
其中，k1是转换常数。
[0056]
随后进行如下任一方法。在704处，关闭下游阀门512，并且在706处，打开上游阀门以将腔室504填充到在708处测量的预定压力。然后在710处关闭上游阀门。在712，主控制器向专用控制器514发送触发信号以触发图8的脉冲气体输送过程。
[0057]
在802，控制器514中的脉冲开定时器被复位。在804处，图6中的时间t0在脉冲604开始时，打开下游阀门512，并且使用反馈控制回路来控制下游阀门的开度，以基于脉冲剂量设定点和脉冲开时段来将流调节到目标流设定点(qsp)，使得脉冲输送满足规定的剂量设定点和脉冲开时段。基于对输送腔室容积的衰减率方法计算测量的流量，如下
[0058][0059]
其中，q是通过阀门512的气体流，v是腔室504的容积，t
stp
是标准温度常数，p
stp
是标准压力常数，p是由传感器506测量的压力，t是由温度传感器508测量的气体温度。
[0060]
在基于时间的输送方法中，当达到脉冲开时间(ton)时，控制器514在704关闭下游
阀门512以完成单个脉冲的输送。
[0061]
在基于摩尔的输送方法中，在804提供附加的反馈控制回路。可以使用以下算式来计算输送脉冲期间的气体输送量：
[0062][0063]
其中，δn(t)是随时间通过阀门512的气体的摩尔数，p
t0
是当下游阀门第一次打开时的初始填充压力，p
t
是当下游阀门在t1关闭时的最终压力，t是气体温度，r是理想气体常数。
[0064]
当达到脉冲开时段时，系统可以估计以摩尔为单位的待输送气体的总量。
[0065]
如果这个估算值不满足摩尔设定点msp，则该系统可以调节流设定点qsp。换言之，使用第二反馈回路来调节流设定点qsp。对于基于时间的输送和基于摩尔的输送，第一反馈控制回路总是用于将流量控制到流设定点。在基于摩尔的输送中，在脉冲输送期间，控制器514基于计算出的在脉冲期间输送的摩尔数的反馈来自动调节流设定点qsp，并因此自动调节控制阀门512，以针对各个脉冲在目标脉冲开时段内精确地输送期望的摩尔数。在基于摩尔的输送中，两个反馈控制回路可以满足摩尔设定点(msp)要求和脉冲开时间(ton)要求两者。
[0066]
控制器还可以基于先前脉冲输送的反馈来调节控制阀门512的开度。
[0067]
在806并且时间t1，当脉冲开时段过去或达到剂量时，关闭下游控制阀门512。在任一方法中，在808，脉冲关定时器被复位。在810并且在时间t1，打开上游阀门以将腔室的容积填充到预定压力。虽然图6例示了一旦关闭下游阀门就打开上游阀门，但是可以设置适当的延迟。在812，当在t2达到规定压力时，关闭上游阀门。在814处，随着腔室中的气体稳定，系统等待脉冲关时段。由于由控制阀门512提供的控制，在稳定动作之后的初始压力p
t0
在的衰减率选项中不是关键的。结果，脉冲关时间可以相对较短。在816，如果输送脉冲数量小于脉冲设定点数量，则重复先前的步骤802至814。
[0068]
所公开的系统提供了很多优点。其通过在脉冲输送期间控制流量来提供精确的摩尔输送量。可以控制脉冲形状。允许高温操作。通过完全打开上游阀门可以实现快速填充。流量和输送量与气体无关；因此，可以使用理想气体方程，虽然也可以使用非理想气体方程。因为输送摩尔剂量是在脉冲期间计算的并且流可以被控制，所以初始压力p
t0
可以不太精确。该系统可以用于例如ald/ale和tsv工艺这样的许多快速脉冲输送应用。
[0069]
虽然已经具体示出和描述了示例性实施方式，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求所涵盖的实施方式的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。