加工腔室的逆流混合器的制作方法

本申请要求2015年11月9日提交的的美国临时申请62/253,016的权益，其通过引用纳入本文。

发明领域

本发明一般涉及半导体加工工具。更具体的，本发明涉及从小流动管向大流动管移动的气体的低压混合器。

发明背景

一些清洁加工或其他低真空加工需要在等离子源(PS)和晶片加工室之间混合气体/蒸气。例如NF₃/NH₃加工可用于从Si中移除SiO₂。在该加工中，Ar在注射入顶部等离子源之前与NF₃混合。

在PS中生产等离子，其除了对Ar/NF₃混合物进行一些电离之外还生产具有高度反应性的氟自由基。在PS和所述室之间使用具有相对大直径(直径约25mm-50mm)和相对短长度(约100mm-300mm)的电导管，从而使氟自由基的重组最小化。

在示例性加工中，NH₃无法在PS之前与Ar/NF₃混合，这是由于NH₃的解离是不需要的。NH₃通常注射入PS至室电导管的一侧。然而，注射入电导管的长度/直径比较低(约2:1-12:1)的一侧无法提供有效的混合，因此会导致NH₃在加工的晶片上分布不均匀。稳健和可重复加工需要NH₃在晶片上均匀分布。

示例加工中出现的问题可部分归因于：(1)扩散时间不充分，无法确保完全混合；和(2)在所需压强下保持流线。混合时间是管的长度和直径的函数，所述气体在所述管中以给定速度粘滞性流动。为了实现完全混合，所述管必须足够长，从而从入口至出口的粘滞流动的时间超过沿着直径扩散的时间。通常，所述管长度与管直径的比值可超过20:1以实现完全混合。然而，鉴于直径必须较大以保存所形成的F自由基，长度与直径之比20:1可能不可行。

流线能影响气体混合。处于具体压强时，若流动气体的流线保持未受干扰，则引入的气体流可能无法合适地混合。例如，因气体离开PS形成的压强为1-10托。这些压强下，气体流通常为层状流。

因此，需要制造其中气体充分混合，并且使来自等离子源的自由基/离子重组最小化的系统。

技术实现要素：

根据本发明至少一个实施方式，公开部分地包括等离子源、锥形元件、逆流注射器和可配置孔板的装置。锥形元件被配置接收第一方向的第一气体，并促进第一气体和第二气体的混合。逆流注射器导入第二方向的第二气体，使得所述第一方向与第二方向相反。所述装置包括安装在所述锥形元件底部的可配置孔板，该可配置孔板限定所述第一气体和所述第二气体通过的开口；从而改变所述可配置孔板的开口尺寸会改变所述第一气体和所述第二气体的混合的程度。

根据本发明至少一个实施方式，公开了一种反应系统。该反应系统包括：等离子源，该等离子源生成第一气体；锥形元件，该锥形元件被配置为接收第一方向的所述第一气体，逆流注射器，该逆流注射器引入第二方向的第二气体，其中所述第一方向与所述第二方向相反；安装在所述锥形元件底部的可调节孔板，该可调节孔板限定所述等离子气体和所述第一流体通过的开口；接收所述第一气体和所述第二气体的反应室，所述反应室包括：限定增压室(plenum)以接收所述第一气体和所述第二气体的外壳；和具有多孔的喷头，用于使所述第一气体和所述第二气体通过至待处理的基质上；其中所述锥形元件促进所述第一气体和所述第二气体的混合；和其中调节所述可调节孔板的开口尺寸会改变所述第一气体和所述第二气体的混合的程度。

出于总结本发明和相对于现有技术所取得的益处的目的，在本文中描述本发明的某些目的和益处。当然，应理解本发明的任意具体实施方式不必然能实现所有的这些目的或优点。因此，例如本领域普通技术人员将理解可以下述方式实施或进行本发明：取得或优化本文所教导或暗示的一种或更多种优点，而不必然取得本文所可能教导或暗示的其它目的或优点。

所有这些实施方式都包括在本发明范围之内。根据以下对某些实施方式的具体描述并参考附图，这些以及其他实施方式对于本领域技术人员而言是显而易见的，但是本发明不受限于任何公开的具体实施方式。

附图简述

现结合某些实施方式的附图说明本发明公开的这些或其它特征、方面和优势，这旨在说明本发明而不是限制本发明。

图1是根据本发明的至少一个实施方式的反应系统的截面图。

图2是根据本发明的至少一个实施方式的反应系统的截面图。

图3是根据本发明的至少一个实施方式的反应系统的组件的俯视透视图。

图4是根据本发明的至少一个实施方式的反应系统的组件的俯视透视图。

图5是根据本发明的至少一个实施方式的反应系统的组件的仰视透视图。

图6是根据本发明的至少一个实施方式的反应系统的组件的透视图。

应理解为了简化和清楚起见而在附图中图示各要素，这些要素不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些要素的尺寸可以相对其它要素放大，有助于更好地理解本公开的这些说明性实施方式。

示例性实施方式的详述

尽管以下公开了某些实施方式和示例，但是本领域技术人员会理解本发明不限于具体公开的实施方式和/或本发明的应用和显而易见的修改及其等同变化。因此，本发明公开的范围不应受限于以下描述的具体公开的实施方式。

图1显示根据本发明的至少一个实施方式的反应系统100的截面图。反应系统100包括等离子源。等离子源(“PS”，图1中示为“等离子气体源”)从气态混合物产生第一气体110，使用RF能量来激发气体。例如，等离子源可接收氩气和NF₃、WF₆、或其他含氟气体的混合物。等离子源可部分离子化气体混合物，形成辉光放电等离子体并在加工中形成具有高度化学反应性的F自由基。PS的示例包括MKS仪器公司(MKS Instruments,Inc.)的Paragon和先进能源公司(Advanced Energy Industries,Inc.)的Litmas。等离子源还可针对应用而定制设计并建立。

第一气体110流动并通过密封物120至锥形漏斗部分130。在本发明的一个实施方式中，密封物120的直径可为50mm。锥形漏斗部分130由合适的材料制成，例如：铝；阳极氧化铝；等离子体电解氧化物(PEO)涂覆的铝；氧化铝；氮化铝；碳化硅；镍；镍镀的铝；或例如镀镍的不锈钢。该锥形漏斗部分130可包括其中设置了逆流注射器140的孔洞。逆流注射器140包括向上转向而朝向PS的小注射管。逆流注射器140可由合适材料制成，例如镍或镀镍的不锈钢。可用的其他材料包括：阳极氧化铝基材；PEO涂覆的铝基材；ALD Al₂O₃涂覆的铝基材；氧化铝陶瓷；氮化铝陶瓷；或例如碳化硅。

逆流注射器140引入第二气体150，其与从PS向下流动的第一气体110逆向流动。通过逆流注射器140引入的流体会向上流入从PS向下流动的气体，直到所述第一气体110使所述第二气体150反向向下流回。当所述流体转回时，从逆流注射器140的流线未保持，并且大体上，发生注射的流体进入等离子气体中的混合现象。

第二气体150先通过注射器气源160生成。该注射器气源160可提供例如氨气(NH₃)、胺或氢气(H₂)。例如，NH₃气体可流过所述逆流注射器140并与氩气和NF₃后等离子(post-plasma)混合物混合。然后第二气体150从注射器气源160通过阀门组170。阀门组170可为例如Swagelok公司生产的阀门。

逆流注射器140还不产生部分由密封物120限定的主管道的显著堵塞。通过不产生主管道的显著堵塞，可使气体混合物内和壁上的F自由基重组最小化。

本发明的另一实施方式中，板180可置于逆流注射器140之上以增加第二气体150的放射状扩散。如图3所示，板180可由三个细径向臂190支持以使流动破坏最小化。板180还保护逆流注射器140以遮蔽氟自由基，否则其可发生重组并使逆流注射器140升温超出部件的最大可允许温度。板180和径向臂190可由耐高温并具有高导热性的材料制成，例如氮化铝或碳化硅。这允许使用更易于制造的材料例如不锈钢和铝来制造逆流注射器140，其不具有充分的耐热性来耐受表面的氟重组。

然后，气体混合物前进通过可配置多孔板200。通过改变孔的尺寸可配置多孔板200可改变气体混合物的混合时间。可配置多孔板200的较大孔径相比较小的孔径可允许气体混合物向下流动的更慢。还可对孔进行改变以影响孔上方的停留时间，从而控制气相反应的完整性。在密封物120直径为50mm的实施方式中，可配置多孔板180的直径为9mm。

更快速移动意味着气体混合物在锥形漏斗部分130中的停留时间更短，因此，注射的流体可能无法像在锥形漏斗部分130中的停留时间更长的气体混合物那样得到良好混合。然而，增加停留时间可能潜在引起问题，因为其允许所产生的自由基发生重组。因此，可配置多孔板200的尺寸可能需要因此进行调整。

在通过可配置多孔板200后，气体混合物会移动进入较低的管210，然后其在这里进入具有限定的增压室230的反应系统220。

在增压室230内，气体混合物可沿着喷头板240扩散开。喷头板240的目的在于沿着基质(未图示)均匀分配气体混合物。喷头板240包括多个注射孔250。

图2提供图1的上部放大视图。按照本发明的至少一个实施方式，第一气体110的流动与第二气体150相反。第二气体150可能够扩散通过密封物120限定的空间，从而允许注射的流体与第一气体110的充分混合。然后组合的气体混合物会以箭头260限定的方向流入可配置多孔板200和较低的管210。

图4-5显示了根据本发明至少一个实施方式的锥形漏斗部分130和逆流注射器140的顶视图和底视图。锥形漏斗部分130可包括安装至等离子源的部分上的顶部部分270。锥形漏斗部分130还可包括与可配置多孔板200界面连接的底部部分280。与逆流注射器140连接的是阀门组170的部分。

图6是根据本发明至少一个实施方式的可配置多孔板200的透视图。可配置多孔板200限定了开口290，气体混合物允许通过该开口至较低的管210。开口290的尺寸可通过切换至不同可配置多孔板200而进行调整，其然后可影响气体混合物260的流速以及气体混合物260的停留时间。若开口290的尺寸较大，气体混合物的较低流速可能造成较高的停留时间，以及引入的流体150向等离子气体110更多的混合。另一方面，若开口290的尺寸较小，气体混合物260的较低流速可能造成较小的停留时间，以及引入的流体150向等离子气体110更少的混合。

所示和所述的具体实施方式用于说明本发明及其最佳模式，并不旨在以任何方式限制本发明的各方面的范围和实施方式。当然，为了简洁，可能并不详细描述该系统的常规制造、连接、准备和其他功能性方面。此外，各种图片中所示的连接线旨在表示各种元素之间的示例性功能关系和/或物理结合。在实际系统中可存在很多替换或附加功能关系或物理连接，以及/或者它们也可能并不存在于一些实施方式中。

应理解本文描述的配置和/或方法本质上是示例性的，且并不认为这些具体实施方式或实施例是限制性的，因为很多变化方式也是可行的。本文描述的具体途径和方法可代表一种或任意数量的处理策略。因此，多种方式可按照说明的顺序或其他顺序实施，或在一些情况下被省略。

本公开的主题包括本文公开的多种工艺、系统、配置、其他特征、功能、方式和/或性质的所有新型的、非显而易见的组合及子组合，及其任意及全部等同组合。