[发明专利]固态前体升华器

说明书

技术领域

本发明总体涉及化学气相沉积领域，而更准确地说，涉及相变方法和在固态前体(前驱物，precursor)材料的升华中所用的装置。更具体地说，本发明涉及用于使固态前体材料蒸发而同时约束该固态前体材料的装置。

背景技术

随着半导体产业的进步，需要利用新的前体材料，该新的前体材料满足严格的薄膜需求。前体在广泛的应用中用来沉积半导体层。例如，固态前体可包括用于阻挡层、高k/低k介电层、金属电极层、互连层、铁电层、氮化硅层、或氧化硅层的成分。此外，固态前体可包括起用于化合物半导体的掺杂剂作用的成分。某些新颖材料在标准温度和压力下呈固体形式，不能直接输送到半导体薄膜沉积室以用于制造工艺。示例性的前体材料包括由铝、钡、铋、铬、钴、铜、金、铪、铟、铱、铁、镧、铅、镁、钼、镍、铌、铂、钌、银、锶、钽、钛、钨、钇和锆构成的那些无机和有机金属化合物。这些材料通常具有很高的熔点和低蒸汽压，且在引入沉积室之前必须在窄的温度和压力范围内升华。

已经开发出用于半导体制造工艺的固态前体材料升华的技术。固体升华器系统通常用于生产固体蒸汽(solid vapor)供沉积用。由于各种各样的固态前体具有独立的升华温度和压力范围，所以升华器和输送系统优选地能具有灵活的操作参数。优选地，将升华器构造为在所期望的温度和压力下使前体蒸发，且在没有污染的情况下将前体输送到沉积室。

目前，有几种类型工业用市售固体升华器。在一种应用中，将固态前体收集并随意堆积在容器隔室内部。将隔室加热到高温，并将惰性载气引入隔室，以便将升华的气相向下游运送用于薄膜沉积。尽管成本低，但这种应用可能造成载气不饱和或者前体蒸汽在载气中的浓度不稳定。另外，由于运行一段时间之后固体的消耗和穿过附聚的固体颗粒形成沟流，所以载气与固态前体之间的接触时间显著地缩短。作为补偿这个缺点的一种手段，以及为了减少载气和固体之间的接触时间，在隔室内部安装搅拌结构，以便连续地搅拌固体。搅拌结构设计用来防止固体在运行状况下附聚、消除沟流、并保持载气与固体的足够的接触。然而，由于堆积在容器内部的前体固体物的消耗和/或高度，搅拌器未能充分缩短接触时间。此外，搅拌器的活动部件降低了操作效率，增加了维修停机时间，并引起有关泄漏和安全性的问题。

在工业中的另一种常规应用包括将固态前体涂覆在不同结构的表面上。例如，固态前体能涂覆在同心式设置在用于升华的加热的容器内部的圆柱体表面上。各表面可能经受沿着表面不均匀分布的温度分布，并因此经受不稳定的固体的升华，而造成不稳定的前体材料蒸汽浓度。可选地，可将涂覆表面安装在旋转轴上。该涂覆表面能局部加热，用于固态前体的平稳升华。然而，利用这种装置的蒸发速率限于低载气流量。该载气流量对于工业规模操作需求而言可能不可行。

最近，已经实施设法将固体材料分布在容器或隔室内部流体式连接的受热表面上。在这种应用中，载气穿过许多通路流动，所述通路构造为联接受热表面之间/穿过受热表面的气体流动路径。载气的路线是从下部的受热表面、穿过通路到达上部的层或位置。在某些应用中，载气穿过各通路将升华的前体蒸汽从加热表面的底部表面运送到顶部表面。然而，为了使升华效率和受热表面的表面积最大化，大量的通路可能是必不可少的。在这些应用中，使通路直径最小化以使受热的表面积最大化。小直径通道很容易被从加热表面落下的小颗粒或者通道中无意中沉积的前体材料堵塞。

因此，在工业中需要一种固态前体升华器，用于以短接触时间、高流量、低维修保养来使固态前体升华，生产稳定的饱和载气。

发明内容

本文公开的是一种用于使固态前体蒸发的装置。在一实施例中，该装置包括：容器，所述容器包括可密封开口、流体入口、流体出口和内部尺寸；至少一个第一搁架，该第一搁架具有小于容器内部尺寸的外部尺寸，以便形成外部通道，并包括具有外部尺寸的内部支承件；至少一个第二搁架，该第二搁架包括外部支承件和开口，所述外部支承件定位在容器内部尺寸处，所述开口大于第一搁架内部支承件的外部尺寸；以及其中第一搁架构造成与第二搁架形成叠置的垂直堆垛(stack)，用于定位在容器中，并且穿过外部通道在第一搁架和第二搁架之间建立流体流动路径。