БАРБОТЕР ДЛЯ ПОСТОЯННОЙ ДОСТАВКИ ПАРА ТВЕРДОГО ХИМИКАТА
BUBBLER FOR CONSTANT DELIVERY OF VAPOUR OF SOLID CHEMICAL

Данное изобретение относится к обеспечению металлоорганического пара для производства полупроводников.
2
Для роста MOCVD металлоорганические соединения являются исходными веществами для отрасли полупроводниковых соединений. Металлоорганические соединения, которые типично применяются в качестве предшественников для химического осаждения из паровой фазы, включают триметилалюминий (TMAl), триметилгаллий (TMG), триэтилгаллий (TEG), триметилсурьму (TMSb), диметилгидразин (DMHy), триметилиндий (TMIn) и циклопентадиенилмагний (CpMg).
Типично, летучее металлоорганическое соединение для осаждения из паровой фазы подают в барботер и подвергают воздействию постоянной температуры, где газ-носитель, такой как водород или азот, вводят для транспортировки соединения и доставки его в камеру осаждения из паровой фазы.
Хороший метод доставки металлоорганического предшественника обеспечивает поток газа с известным, постоянным, контролируемым количеством содержащегося металлоорганического вещества. Для жидких металлоорганических соединений этот метод является в целом простым упражнением, поскольку массопередача и кинетика испарения являются достаточно быстрыми для обеспечения концентраций, близких к насыщению при наиболее рациональных скоростях потока газа-носителя. Термин “барботер” применяют, в общем, в отрасли CVD для обозначения любого контейнера для предшественника, используемого для доставки газа-носителя, насыщаемого в вышеупомянутом предшественнике. В случае твердых металлоорганических веществ, особенно TMIn, получение последовательной доставки оказалось постоянной проблемой. В этом случае кинетика парообразования является более медленной и зависящей от таких факторов, как морфология продукта, температура, время контакта с газом и площадь поверхности. Мелко измельченный, неправильной формы материал с большой площадью поверхности будет испарять быстрее, чем однородный, плотный, более массивный материал. Массопередача является также более проблематичной. Является важным обеспечить достаточное время контакта для более медленного процесса испарения и важно удерживать газ-носитель в движении через все экспонированные поверхности при скоростях, достаточных для доставки соответствующего количества предшественника в CVD камеру. Образование каналов, например, снизит как время контакта, так и площадь, подвергающуюся воздействию текущего газа. Известно, что другие факторы, такие как изменения давления, по мере того, как газ-носитель протекает сквозь слой предшественника, вызывают переменчивые скорости доставки и изменения в степени насыщения газа-носителя.
Также очень желательным является обеспечение постоянной и устойчивой доставки пара от твердого металлоорганического предшественника при концентрации, близкой к насыщению, в производстве соединений для полупроводниковых устройств. На неустойчивые скорости доставки пара для металлоорганических предшественников оказывает воздействие ряд факторов:
- уменьшение общей площади поверхности твердого вещества происходит непрерывно вследствие истощения твердого предшественника. Небольшие, с большой площадью поверхности частицы испаряются предпочтительно, что вызывает быстрое уменьшение площади поверхности на ранней стадии периода годности слоя;
- образование каналов, которое может происходить вследствие эрозии слоя твердого предшественника;
- изменения давления внутри слоя во время работы;
- эффекты роста зерен вследствие процесса агломерации, которые происходят при испарении и сублимации твердого материала наряду с сопутствующим равновесием, при котором на поверхностях твердого предшественника происходит переосаждение. При насыщении газа переосаждение происходит при той же скорости, но морфология слоя изменяется для поддержки более низкой площади поверхности;
- газовые тракты становятся короче, и доступная площадь поверхности становится сниженной, по мере потребления твердого предшественника. Следовательно, насыщение газа-носителя паром металлоорганического предшественника становится все менее вероятным.
Идеальная конструкция барботера должна решать вышеупомянутые проблемы и осуществлять следующие задачи:
- обеспечение устойчивой, постоянной скорости доставки пара до тех пор, пока в барботере не наступит по существу полный расход твердого металлоорганического вещества;
2
2
- обеспечение концентрации насыщения или близкой к насыщению при наиболее общепринятых рациональных рабочих параметрах, таких как температура, давление, тип газа-носителя (N, H и т.д.) и скорость потока газа-носителя;
- обеспечение быстрого отклика и быстрого повторного установления устойчивой, постоянной скорости доставки пара, когда рабочие параметры изменяются.
Известны общие подходы к доставке паров от твердых металлоорганических веществ:
1) Раствор TMIn: Недостатки, отмеченные в данной отрасли при использовании “раствора TMIn”, включают унос аэрозолей растворителя и непостоянные и изменяющиеся скорости доставки для общего индия при использовании TMIn/TEIn.
а) Патент США 5232869 (1993): Как практически применяется Epichem. В этом случае применяется суспендированная жидкость для преодоления кинетики и массопередачи. Твердый предшественник растворяется в растворителе по мере его расходования посредством испарения для поддержания условий равновесия и постоянных скоростей доставки.
3
b) Патент США 5502227 (1996): TMIn растворяют в RIn, таком как триэтилиндий (TEIn).
2) Еще один общий подход, улучшающий однородность потока и контакт твердое вещество-газ в барботере. Стратегии, которые использовались до настоящего времени, включают:
а) Патент США 4916828 (1990): Применение TMIn, смешанного или диспергированного при “набивке”.
b) Патент США 4734999 (1987): Применение барботера, включающего в себя погружную трубку, снабженную фриттованным распределителем на конце трубки и уменьшенным диаметром барботера на дне по сравнению с верхней частью.
с) Патент США 5019423 (1991): В данной конструкции используется газ-носитель, протекающий вверх через набивной слой твердого металлорганического материала на верхней части перегородки, содержащей множественные поры.
d) Патент США 4947790 (1990): Газ-носитель течет по направлению силы тяжести в следующей последовательности: через толстую пластину ввода газа, твердый слой порошка и тонкую пластину вывода газа.
е) Опубликованный патент РСТ WO 99/28532 (1999): применяют ультразвуковой испаритель.
f) Патент США 5603169 (1997): Описано применение барботера, содержащего откачную трубку, сжимающую пластину и пару пористых тонких пластин.
g) Опубликованная патентная заявка США 2002/0078894 А1 (2002): данный барботер содержит фильтр из плавленого металла в большей степени, чем общепринятую погружную трубку.
h) Патент США 5552395 (1996): В этом патенте описано применение барботера в форме конуса (конического).
i) Опубликованная патентная заявка Японии 2003/303772). Этот барботер представляет собой контейнер для упаковки твердого металлоорганического соединения, имеющий трубопровод переключения направления потока, пересекающий распределяющую пластину, которая вертикально разделяет контейнер.
К сожалению, ни одна из ранее описанных конструкций барботера не решает все проблемы доставки металлорганического твердого вещества. Ни одна из вышеупомянутых конструкций барботера не способна обеспечить однородную скорость доставки с максимальным подъемом материала предшественника до тех пор, пока не произойдет по существу полное расходование источника пара в широком рабочем интервале. Каждая конструкция барботера имеет ограниченный интервал параметров, в котором она работает наиболее эффективно. Прорыв ненасыщенного газа-носителя происходит преждевременно или постепенно, по мере расхода твердого субстрата. Преждевременный прорыв приводит к низкой эффективности доставки и потере ценного металлоорганического продукта вследствие раннего удаления и замены на новый барботер. Медленное падение процента насыщения газа-носителя может приводить к получению субстандартных слоев осаждения, если его не определяют во время процесса осаждения.
Настоящее изобретение решает вышеуказанные проблемы.
В своем первичном варианте осуществления настоящее изобретение включает в себя барботер для обеспечения испаренного соединения в процесс химического осаждения из паровой фазы, содержащий: (а) сборную конструкцию барботера, имеющую ввод и вывод; (b) средство для обеспечения инертного газа-носителя, соединенное с вводом; (с) средство для удаления испаренного соединения и газа-носителя из сборной конструкции камеры и передачи соединения в процесс химического осаждения из паровой фазы, соединенное с выводом, и (d) средство температурного контроля, в которое помещена сборная конструкция камеры барботера, которая вызывает испарение соединения в газ-носитель.
Сборная конструкция камеры барботера содержит одну камеру или две или более камер, соединенных в ряд, причем все камеры находятся в по существу вертикальной ориентации. Камера или камеры содержат твердый или жидкий источник соединения. Отношение между длиной камеры или объединенной длиной камер, соединенных в ряд, по отношению к направлению потока газа-носителя через камеру или камеры и средним диаметром, эквивалентным поперечному разрезу камеры или камер по отношению к направлению потока газа-носителя через камеру или камеры, составляет не менее чем приблизительно 6:1.
Другие варианты осуществления изобретения охватывают детали, включающие длину, диаметр и ориентацию камер, композицию соединения и газа-носителя, все из которых подробно описаны далее в данном документе.
На чертежах представлено:
Фигура 1А - основная идея течения газа-носителя через длинную узкую колонну, набитую твердым материалом, подвергаемым воздействию.
Фигура 1В - диаграмма потока газа для двух камер в ряду.
Фигура 1С - диаграмма потока газа для четырех камер в ряду.
Фигура 2 - конструкция барботера с тремя камерами с различными размерами диаметров и формами: две камеры ввода и вывода меньшего диаметра и одна камера в виде U-трубки с большим диаметром. Все камеры соединены в ряд через понижающие трубки.
о
Фигура 3 - барботер с тремя 180 возвратно-изогнутыми радиусными коленами.
о
Фигура 4 - многокамерный барботер с тремя 90 угловыми коленами.
Фигура 5 - барботер с тремя камерами с трубками одного диаметра: две камеры с прямым вводом и выводом через трубки и одна камера в виде U-трубки. Все камеры соединены в ряд через понижающие трубки.
Фигура 6 - четырехкамерный барботер с прокладкой на дне каждой камеры.
Фигура 7 - четырехкамерный барботер с газораспределительной трубкой на дне каждой камеры.
Фигура 8 - спиральный цилиндр, в котором газ проходит вниз через одну сторону спирали, соединяется со второй стороной спирали на дне барботера и перемещается вверх к выходу. Эффективная длина спирали равна или больше чем в 6 раз среднего поперечного разреза одной из спиральных камер.
Фигура 9 - профиль Эписона, связанный с примером 1.
Фигура 10 - профиль Эписона, связанный с примером 2.
Фигура 11 - профиль Эписона, связанный с примером 3.
Подробное описание изобретения
Было обнаружено, что прохождение газа-носителя через барботер, как в обобщенном виде описано выше, загруженный триметилиндием (TMIn), обеспечивает устойчивый поток газа, который насыщают паром TMIn до тех пор, пока не израсходуется большая часть TMIn, загруженного в колонну (см. фиг.1А). На основании данного наблюдения настоящее изобретение предоставляет улучшенное устройство доставки для системы с твердым источником (MOCVD).
Концепция конструкции барботера включает конструкцию узкого, длинного уникального цилиндра, которая обеспечивает концентрацию насыщения или близкую к насыщению пара предшественника в газе-носителе. Эта конструкция узкого, длинного цилиндра позволяет решить ранее описанные проблемы тепло- и массопередачи, поскольку она обеспечивает максимальный контакт газа-носителя с твердым веществом посредством минимизации образования каналов газа через соединение и способствует максимальной теплопередаче через стенку камеры к соединению. Следовательно, барботер может применяться при более низких давлениях и более высоких скоростях потока газа-носителя по сравнению с общепринятыми барботерами.
Давление пара химиката непосредственно связано с температурой. Для поддержания постоянного давления паров используемые барботеры либо погружают в ванну с постоянной температурой (термостат) или оборудуют рубашкой изготовленного на заказ внешнего теплообменника. Большинство установок MOCVD оборудовано первым вариантом. Конфигурации таких барботеров ограничены размерами термостата. Следовательно, вместо использования единственной длинной прямой трубки барботер может быть изготовлен с единственной или множественными гнутыми трубками, или с пучком труб, соединенных вместе в ряд, или с концентрическими трубками.
Конструкция барботера настоящего изобретения предоставляет непрерывные, устойчивые скорости доставки материала твердого источника до расходования большей части материала источника. Такие барботеры могут включать некоторые или все признаки, описанные ниже.
- Конструкционный материал: любой подходящий материал, такой как стекло, пластик или металл, который является инертным по отношению к твердому источнику, содержащемуся в нем. Нержавеющая сталь является предпочтительной, поскольку входит в стандартную спецификацию в отрасли MOCVD.
- Барботер имеет отверстие ввода для впуска газа-носителя, выпускное отверстие вывода для выхода газа-носителя, насыщенного паром после контакта с твердым источником, и одно или более отверстий заполнения для загрузки источника соединения.
- Отверстия ввода и вывода барботера могут быть установлены либо с прокладкой или без нее.
- Барботер может содержать либо единственную камеру или множество камер.
- Внутренние диаметры камер могут быть одинаковыми или различными по всей их длине.
- Диаметры или средний диаметр, эквивалентные камерам, находятся в интервале от приблизительно 1,3 см до приблизительно 7,6 см.
- Камеры не ограничены круговой формой в их поперечных разрезах. Они могут быть округлыми, овальными, прямоугольными, спиральными или какими-либо другими, известными специалисту в данной области.
- Камеры могут быть оборудованы внутренними перегородками или рифлениями для увеличения эффективной длины пути.
- Камеры соединены в ряд и находятся по существу в вертикальном положении, но предпочтительно расположены под углом, равным, по меньшей мере, приблизительно 45°С от горизонтали. Однако они также могут быть соединены по схеме зигзага под углом, равным, по меньшей мере, приблизительно 45°С от горизонтали.
- Камеры могут сообщаться с использованием узлов соединения, которые имеют одинаковые или меньшие диаметры в поперечном разрезе, чем диаметры камер.
- Сборная конструкция барботера может содержать две или более камер в ряду с узлами соединения между камерами в примыкающей последовательности, содержащей трубки, находящиеся в по существу горизонтальной ориентации, имеющие средние диаметры от приблизительно 1,3 см до приблизительно 7,6 см, соединенные по каждому концу с камерами в примыкающей последовательности, соединение между камерами примыкающей последовательности и трубками узлов соединения может представлять собой угловые или округлые фитинги.
- Камеры могут быть соединены таким образом, что указанный газ-носитель проходит из одной трубки к следующей по ряду для поддержания условий насыщения газа-носителя в месте вывода сборной конструкции трубок барботера в течение настолько долгого времени, насколько возможно, в то время как металлоорганическое соединение находится в сборной конструкции барботера. Например, как иллюстрировано в примере 1, барботер в соответствии с изобретением, набитый триметилиндием с контролируемой температурой, равной 17°С, достигает подачи насыщенного газа-носителя в течение 95% времени нахождения триметилиндия в барботере.
- Барботер может быть снабжен газораспределительным устройством на дне каждой камеры или не иметь его. Газораспределительное устройство может представлять собой пористый элемент, такой как фритта, имеющая контролируемую пористость (см. фиг.6), или газораспределительную трубку (см. фиг.7).
- Общая длина камеры или соединенных камер должна быть достаточной для газа-носителя, чтобы быть насыщенным на >90% соединением на выводе сборной конструкции камеры барботера.
- Сборная конструкция камеры барботера может содержать две или более камеры в ряду с узлами соединения между камерами в примыкающей последовательности, содержащей трубки, находящиеся в по существу горизонтальной ориентации, имеющие средние диаметры от приблизительно 1,3 см до приблизительно 7,6 см, соединенные по концу с камерами в примыкающей последовательности, причем соединение между камерами примыкающей последовательности и трубками узлов соединения может представлять собой угловые или округлые фитинги.
- Камеры могут быть соединены таким образом, что указанный газ-носитель проходит из одной трубки к следующей по ряду для поддержания условий насыщения газа-носителя на выводе сборной конструкции трубок барботера настолько долго, насколько возможно, в то время как металлоорганическое соединение находится в сборной конструкции барботера. Например, как иллюстрировано в примере 1, барботер изобретения, набитый триметилиндием, с контролируемой температурой 17°С достигает подачи насыщенного газа-носителя в течение 95% времени нахождения триметилиндия в барботере.
- Барботер может быть снабжен или не снабжен газораспределительным устройством на дне каждой камеры. Газораспределительное устройство может представлять собой пористый элемент, такой как фритта, имеющая контролируемую пористость (см. фиг.6), или газораспределительную трубку (см. фиг.7).
- Общая длина камеры или соединенных камер должна быть достаточной, чтобы газ-носитель был насыщен >90% соединением на выводе сборной конструкции барботера.
- Сборная конструкция барботера может содержать две или более камеры, соединенные в ряд с, по меньшей мере, одной из камер, содержащей кольцевое пространство из концентрических камер.
- К барботеру может быть присоединен наружный контейнер, оборудованный отверстиями ввода и вывода для циркуляции текучей среды с постоянной температурой.
- Индивидуальные камеры барботера могут быть снабжены рубашкой теплообменника.
2
4
4
- Барботер можно использовать с любым соединением, жидким или твердым, металлоорганическим или неметаллоорганическим, постольку, поскольку соединение способно к испарению в практических условиях. Возможные соединения включают вышеупомянутые металлоорганические соединения, а также неметаллоорганические соединения, включающие одно или более из: триметилалюминия (TMAl), триметилгаллия (TMG), триэтилгаллия (TEG), триметилсурьмы (TMSb), диметилгидразина (DMHy), триметилиндия (TMIn) и циклопентадиенилмагния (CpMg), тетрабромида углерода (CBr), тетрахлорида гафния (HfCl).
- Когда соединение представляет собой жидкость, поток газа-носителя будет направлен только вверх через камеру или камеры.
- Когда соединение представляет собой твердое вещество, оно может содержать частицы любого размера и формы, поскольку частицы могут быть загружены общепринятым способом и набиты в камеру или камеры барботера через отверстия, предоставленные для этого.
- Газ-носитель может быть выбран из группы газов, состоящей из водорода, азота и инертных газов (примерами являются: аргон, гелий). Водород является предпочтительным газом-носителем.
- Внутренние стенки указанных камеры или камер могут быть рифлеными или содержат перегородки, причем рифления или перегородки по существу выровнены перпендикулярно направлению потока указанного газа-носителя.
- Соединение, подлежащее испарению, содержит частицы твердого вещества, смешанного с набивкой. Набивка может содержать по существу сферические частицы или другие формы, инертные к указанным соединению и газу-носителю. Набивка может содержать шарики из нержавеющей стали и/или стекла или другие формы.
Следующие примеры приводятся для иллюстрации изобретения.
Пример 1
3
Триметилиндий (320 г) загружают в барботер (фиг.2), и в качестве газа-носителя используют водород. Условия данного эксперимента составляют: скорость потока водорода 300 см/мин, контролируемое нисходящее давление 225 Торр и постоянная температура 17°С. Для регистрации концентраций TMIn в водороде применяют инструмент Эписона. Как показано на профиле Эписона (фиг.9), скорость доставки TMIn является постоянной до, по меньшей мере, 95% расхода загрузки TMIn.
Детали эксперимента
Барботер (фиг.2)
Масса заполнения: 320 г TMIn
Длина к эквивалентному диаметру: 20
Общее число камер: 3
Условия тестирования:
Р=225 Торр (300 мбар)
Т=17°С
2
3
Поток H=300 см/мин
Пример 2
3
Триметилиндий (320 г) загружают в барботер (фиг.2), и в качестве газа-носителя используют водород. Условия для данного ряда экспериментов составляют: скорость потока водорода 600, 700 и 100 см/мин, контролируемое нисходящее давление 180 Торр и постоянная температура 17°С. Для регистрации концентраций TMIn в водороде применяют инструмент Эписона. Как показано на профиле Эписона (фиг.10), скорость доставки TMIn является постоянной до, по меньшей мере, 92% расхода загрузки TMIn.
Детали эксперимента
Барботер (фиг.2)
Масса заполнения: 320 г TMIn
Длина к эквивалентному диаметру: 20
Общее число камер: 3
Условия тестирования:
Р=180 Торр (240 мбар)
Т=17°С
2
3
Поток H=600, 750, 1000 см/мин
Пример 3
3
Триметилиндий (100 г) загружают в барботер с единственной камерой и в качестве газа-носителя используют азот. Условия данного эксперимента составляют: скорость потока азота 250 см/мин, контролируемое нисходящее давление 360 Торр и постоянная температура 25°С. Для регистрации концентраций TMIn в азоте применяют инструмент Эписона. Как показано на профиле Эписона (фиг.11), скорость доставки TMIn падает значительно при расходе, равном приблизительно 30% загрузки TMIn.
Детали эксперимента
Барботер (фиг.11) (Общепринятый цилиндр)
Масса заполнения: 100 г TMIn
Длина к эквивалентному диаметру: 2,125
Общее число камер: 1
Условия тестирования:
Р=360 Торр (480 мбар)
Т=25°С
2
3
Поток N=250 см/мин
Вышеприведенные эксперименты убедительно иллюстрируют, что барботер, имеющий отношение между длиной камеры или объединенной длиной камер, соединенных в ряд, по отношению к направлению потока газа-носителя через камеру или камеры и средним диаметром, эквивалентным поперечному разрезу камеры или камер по отношению к направлению потока газа-носителя через камеру или камеры, не менее чем приблизительно 6:1, достигает скорости доставки испаренного соединения, которая является постоянной в той степени, которая невозможна, когда данное отношение составляет менее чем приблизительно 6:1.