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TWI781929B - 瀉流單元和含有瀉流單元的沉積系統以及相關方法 - Google Patents

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TWI781929B TW106113001A TW106113001A TWI781929B TW I781929 B TWI781929 B TW I781929B TW 106113001 A TW106113001 A TW 106113001A TW 106113001 A TW106113001 A TW 106113001A TW I781929 B TWI781929 B TW I781929B
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Abstract

一種瀉流單元，包括：熔罐，用來容納將被蒸發或昇華的材料；輸送管，被配置用來將蒸發或昇華的材料從所述熔罐輸送至所述瀉流單元之外並進入到室中；供給管，從所述熔罐延長，所述供給管被定位和配置來捕捉源自所述蒸發或昇華的材料的冷凝物，並將所述冷凝物送回至所述熔罐；和至少一個加熱元件，被定位和配置來加熱所述熔罐中包含的材料，從而使所述材料蒸發或昇華，所述蒸發或昇華的材料流動穿過所述輸送管並至所述瀉流單元之外。所述瀉流單元被配置為所述熔罐可填入將被蒸發或昇華的材料且無需將所述瀉流單元從進程真空室中去除。半導體基片處理系統可包括所述瀉流單元。

Description

瀉流單元和含有瀉流單元的沉積系統以及相關方法
本發明涉及一種與物理氣相沉積系統一起使用的瀉流源，特別是涉及一種含有所述瀉流源的物理氣相沉積系統，以及製備所述瀉流源和物理氣相沉積系統的方法。
物理氣相沉積是眾所周知的沉積過程，其中，將被沉積在沉積室內的基片上的元素或分子，通過蒸發或昇華過程被提供。然而物理上不同的過程中“蒸發”和“昇華”這兩個詞在此被交替使用，並取決於將被沉積的材料。沉積室是封閉的且通常在真空下。也就是說，至少一些可測量的氣體從沉積室中被移除。沉積室通常由鋼，鋁，其他金屬或玻璃形成，並且在外部區域，常規空氣，和氣體被部分移除的內部區域之間定義物理邊界。
當氣體位於絕對零度以上溫度時，氣體的各分子或原子具有定義為½ mv2 的特定動能，其中m是氣體粒子的質量（原子或分子），且v是粒子的速度。當這些高能粒子與室壁發生碰撞時會在室壁上產生力。施加於室壁上的所述力作為壓力被示出並通常以psi（pounds per square inch）的單位被說明，其他單位通常是本領域技術人員已知的pascals或torr。施加的力的大小取決於室的面積，發生的碰撞數，以及氣體的密度和動能。
當考慮一種系統，其中室外的壓力與真空室內的壓力不同，凈力作用於室壁上。當室外的壓力小於室內的壓力時，則施加力使室膨脹或甚至破裂。在這種情況下，此室被稱為壓力室。當室內的壓力小於室外的壓力，則施加凈力使室壓縮或甚至破碎。在這種情況下，此室通常被稱為真空室，必須堅固地製成以承受施加於其上的力。為了方便起見，所述“室”涉及“真空室”或“室”。
在許多應用中，如半導體，光學塗層，工具塗層，以及各種生物醫學應用，製品處理包括薄膜沉積，蝕刻，和退火，但並不局限於此。因此不僅需要將室排空，還需要將控制的已知氣體流引入至真空室。所述氣體可提供沉積，蝕刻，退火中使用的製品，或一般用於處理真空環境中所生成的製品。真空可以提供一種除了真空做不到的處理方法，例如等離子體處理，或者僅僅是提供壓力差，從而使氣體流動並由此被傳送至正在處理的製品。或者，真空可以提供一種減少不需要的背景雜質濃度以防止製品汙染或防止不良化學反應或熱反應的方法。本技術領域中的技術人員應理解，的使用真空來處理製品的多種原因，在此所提到的僅為示例且並未詳盡。
由於通常不能除去室中所有的氣體粒子，存在一些可測量的殘餘氣體，定義真空室壓力，通常相對於海平面的大氣壓力（1大氣壓相當於760 torr）被測量。當氣體被除去，壓力約為~＜760 torr至~1x10-3 torr時，真空被稱為“中真空”。當壓力進一步降低到約~1x10-3 torr 至 ~1x10-8 torr的範圍時，真空被稱為“高真空”或“高壓（HV）”，當壓力進一步降低到約~1x10-8 torr以下時，真空被稱為“超高真空”或“超高壓（UHV）”。
不管室是否為真空室，管，孔或任何其他封閉的容積，室的幾何形狀定義氣體流動穿過系統的一些關鍵特徵。因此，所有封閉的容積都簡單地被稱為“室”，當氣體處於足夠低的壓力時，粒子不會頻繁地互相碰撞。粒子互相碰撞之前移動的平均距離通常被本領域的技術人員稱為“平均自由程”（碰撞之間）。當室壁以小於平均自由程(λ)的距離被隔開時，與室壁的碰撞支配粒子間的碰撞，來決定經動量傳輸的以及來自氣體和室壁的氣流的阻力。所述氣流的模式被稱為“分子流”。
當氣體的平均自由程小於室壁的尺寸時，粒子間的碰撞支配經動量從粒子傳輸至粒子的氣流的阻力。所述氣流模式被稱為“黏性流”，並示出類似流體，其中粒子作用減緩並從室壁中散射具較小阻抗效應的其他粒子。
當氣體移動穿過真空系統時，可以從一種流動模式轉變為另一種模式。例如，氣體可在較小的管（真空室的一種形式）中被傳送，其中，其壓力和管的尺寸將其定義為黏性流模式。氣體隨後可被注入到較大的室，其中，其壓力和室的尺寸將氣體定義為分子流模式。經平均自由程與室主要尺寸的比率定義的無量綱量，對本領域的技術人員來說為已知技術，稱為“Knudson number”（“K”），定義氣體的模式。當Knudson number約大於1時，氣體傾向於分子流，且當Knudson number約小於1時，氣體趨向於黏性流。本領域的技術人員應理解，不存在明顯的界限來定義黏性流與分子流，因此，當Knudson number約為1時，通常將定義為“混流”的區域用來定義流特性的轉變。
通常情況下，真空工具的處理速度部分地取決於“氣體吞吐量”（“Q”），其涉及到分子通量J。吞吐量用於測量流動穿過系統的總質量。因此，較高的質量流相當於更多的氣態物種進入室中。在沉積系統中，較高的Q或J是可取的，從而增加沉積率，並由此處理吞吐量。本領域的技術人員應理解，吞吐量Q的常用單位為每秒torr-liters，每秒標準（大氣壓）立方cm，每秒標準升或其他單位。分子通量J的單位為原子數/(cm2 -second)或克/(cm2 -second)中的任何一個。在一些情況下，吞吐量以將被運作的室中的設定壓力被定義，且在其他情況下，其對於大氣壓（標準壓力）被定義。
室的壓力和氣體吞吐量與室的熱導C相關。室，管，或孔的熱導用來測量氣體流動的逆電阻，且通常是以升/秒(L/S)的單位被測量。因此，當為分子流狀態時，熱導僅由室的尺寸被定義，其用來限制氣流，且粒子間的碰撞對於限制氣流的影響不大。同樣地，黏性流狀態的室中的熱導取決於氣體的壓力，設定的氣體壓力決定碰撞數，以及氣流的阻抗。一般情況下，Q，C以及壓力P之間的關系為 方程式1) Q=CP, 其中，分子流時，C為常數，取決於的室的尺寸，且黏性流時，C為變量，取決於室的尺寸和壓力兩者。以下考慮到取決於熱導的壓力示出有關黏性流的更準確方程式 方程式2) Q=F(P2 up -P2 down ),
其中Pup 是上游氣流中的壓力（氣流來源）且Pdown 是氣流的下游中的壓力（真空室中或在將真空供應至室的泵中）。上游和下游壓力之間的差異往往足夠大使下游壓力可被忽略。因此，通過C=F/(2xPaverage ) ~ F/(2xPup )，方程式2）可被縮減至方程式1）。
真空需要某種形式的泵將氣體從真空室中去除來生成真空。除非真空泵連續地排出氣體，否則氣體流動進入室中會導致壓力增加。因此，每一個真空系統至少包含一個或有時更多真空泵。真空泵的性能由已知的泵速S的值示出，並且具有與室熱導相同的單位。因此，泵的泵速取決於黏性流狀態下的的壓力，並與分子流狀態下的壓力無關。
由於泵速與室熱導有相同的單位，可以通過有效熱導Ceff 更換方程式1和2中的熱導C在說明各組合效應， 方程式3) 1/ Ceff =1/C+1/S。 同樣地，當大的以及小的N個室，以及泵以一系列氣流配置被連接時，有效熱導如以下被示出 方程式4) 1/ Ceff =1/C1 +1/C2 +…1/Cn +1/S。
當具有較高泵速的泵以一系列各種尺寸的室連接時，最低的熱導室，即，具有最小特徵尺寸的一個，將決定整體熱導，並由此決定系統的吞吐量和壓力。因此，當高速泵通過小的開口（有限熱導）被連接至真空室，所述開口限制整體熱導，且吞吐量以及可達到的壓力。在此根據本發明的實施例示出此特徵的重要性，並可忽略方程式3和方程式4中的泵速 S，從而系統通量吞吐量由傳送系統的源和組合熱導的壓力決定（即在此所述的瀉流單元）。
在分子流條件下，熱導是獨立的壓力，因為氣體分子不太可能相互作用。圓形孔（具有開口的孔徑，開口的厚度基本上小於開口的直徑）具有以下熱導： 方程式5) C=11.6 πD2 /4；或 C =11.6(Cross-sectional Areaorifice )。 管的熱導為 方程式6) Ctube =11.6(D3 /L)；或 Ctube =11.6(Cross Sectional Areatube )(4D/πL)，
其中D是孔/管內徑（cm），L是管長度（cm），P是壓力（torr）。應注意此分子流的情況下，熱導C與壓力無關。
對於管的黏性流，熱導C由以下示出 方程式7) C=180(D4 /L)Paverage ；或 C=180(Cross sectional Areatube )(4D2 /πL) Paverage 。 與簡單的Q=Ceff P 相比，使黏性流狀態下的氣流特徵化的更準確的方法為： 方程式8) Q=F(P2 upstream – P2 downstream )
其中，Pupstream 為孔的上流壓力，且Pdownstream 為孔的下流壓力，F與熱導有關，C為關聯 方程式9) F=C/(2Paverage )，其中 Paverage =0.5(Pupstream +Pdownstream ).
有關黏性流管的C和F之間的關係通過以下被證實
Figure 02_image001
從方程式5至方程式7，當尺寸為cm，壓力為Torr時，所有的熱導以升/秒被測量，且其中對於上述各熱導方程式的前因子用於說明單位轉換。非圓形的孔徑和管具有本技術領域已知的相似表示，但並不普遍。
管和孔的開口的面積尺寸影響熱導。因此，高質量流通過方程式1）被說明，其優選是具有大直徑的管和孔，使熱導最大化。
由於本發明實施例利用一些強大的機械連接，被設計用來支持比現有熔罐和瀉流單元設計更大的機械負荷，因為這些連接（在一些情況下）可能需要被液體密封，來防止液化蒸發的材料逸出，需要一種在真空中連接厚重部分的方式且不會生成“虛漏（virtual leak）”。虛漏是通過低熱導路徑與真空連接的體積中捕捉的氣體（非液體）。所述路徑通常是較小或高度收縮的開口或類似螺紋的狹長路徑。用於避免虛漏的本技術領域的已知方法包括中心鉆孔的螺栓和螺釘，被用於盲螺紋孔以便提供另一氣體路徑或將一個接頭的內螺紋開槽，允許更直接的（更直及更短的）路徑來用於氣體逸出。但是，雖然需要將內螺紋開槽來用於使捕捉的氣體逸出，但其會使液體蒸發的材料經“毛細作用” 穿過槽從接頭中逸出。
如本技術領域已知的，MBE系統由一個或多個加熱的熔罐構成，所述熔罐被填入蒸發（或昇華）材料，配置在真空室中從而將蒸發材料引導至基片，被凝結成為固體薄膜。機械快門通常被配置在熔罐外部，從而中斷或使蒸發材料的通量沉積在基片上。熔罐通常被設計為薄壁的材料（通常約為~0.035英寸厚），一般由聚萘二酸丁醇酯(PBN)或其他合適的高純度，熱透明材料製成，或是在一些情況下，熱不透明的難熔金屬，氧化物，例如氧化鋁，氧化鈹，或石墨。總的來說，熔罐可被拆卸和更換，使其可以互換，因此，沒有特定的材料。由於優選是調整蒸發通量，來實現不同的沉積率，或是以特定的通量比率混合蒸發材料，來生成復合薄膜，在幾乎所有的情況下，由於MBE熔罐較薄，使熱質量最小化從而使改變溫度的響應時間最大化，並由此改變所需的蒸發通量。
在任何薄膜沉積系統中，特別是在MBE中，上沉積率經瀉流單元的噴濺被限制。噴濺可由加熱的熔體中的對流生成（有時錯誤地稱為“沸騰”），隨溫度升高增加，導致液體的液滴釋放至基片，並導致從金屬液滴到幹化學反應的液滴合金的缺陷，由於其的幾何特徵，在一些應用中經常被稱為“橢圓缺陷”。當一些蒸發凝結在熔罐壁上並聚集時，在較低溫度下也會發生源噴濺。由於熔體之上的熔罐壁沒有熔體本身熱，促使壁上液滴冷凝，因此當使用類似PBN的透明材料時所述聚集被加重。這些冷凝的液滴回落到熔體“噴濺”液體至單元外。上述機制中的任何一個或本技術領域已知的其他相似機制可能會導致源噴濺，導致沉積的膜產生缺陷。在中等速度沉積中，通過加熱孔來減少噴濺缺陷，或熔罐的唇狀邊緣被設計 “熱唇”，來防止材料冷凝或使用凹狀的熔罐。但這些設計熱吸收效率低，且與熔融區相比溫度差有限，與標準的開口單元設計相比，僅提供適度減少的噴濺。
“運動長度”是在系統被打開用於維護，通常材料再加載之前，MBE或PVD系統可用於生長的時間。幾乎所有的現有瀉流單元利用單一的開口設計，其中材料通過加載材料的相同開口被蒸發。因此需要將瀉流單元從系統中取出以重新填充材料。在要求高純度的工程中，如半導體材料的沉積，在約100兆半導體原子中有一個雜質便被視為“不純”，其破壞真空且隨後系統經H2 O, CO, O2 , CO2 和其他大氣中發現的汙染氣體被汙染，導致昂貴和費時的“後期維護清理”周期。通常，整個系統在高達250°C的高溫下烘烤幾天，將雜質排出至各種泵中。其被認為是MBE過程中的主要產業限制之一，是許多制造商選擇競爭技術來代替MBE的主要原因。雖然一些挑選的瀉流源中不通過蒸發材料的相同開口來加載材料，但此設計破壞真空，仍需要加載材料，導致運動長度同樣被限制。
目標基片上沉積的膜的均勻性是膜厚度的統計變差和幾何變差或是由合金組成時的原子組成，作為定位在基片上的功能。PVD系統，例如已知的用於製備高度均勻的膜的MBE系統，在一些情況下，厚度和組合物的標準偏差為1%或以下。考慮到通量分布與對瀉流單元軸的角度的對比通常根據余弦功率（功率通常小於~3），MBE系統中的高均勻性則通過將源至基片的距離增加到足夠大的距離被獲取，從而獲得近似圖1A和1B中所示的通量分布。然而，由於到達基片的通量減少約1/LSS 2 的係數，其中LSS 是基片至源的間距，因此這種常見的做法還實質上降低了沉積率。強制通風熔罐被用來提高均勻性，但是與直壁式熔罐相比其容量減少，並示出眾所周知的被稱為“損耗影響”的長期通量不穩定，其中，由於被蒸發的材料的表面積由於材料消耗而改變，因此就算在恆定溫度下，也會隨著時間改變通量。所有開放式的熔罐，不論是強制通風（錐形）或直壁式，示出由於消耗的影響一些測量的長期通量不穩定，且當外部快門被打開或關閉時傾向於短期通量不穩定。當部分熱反射快門從瀉流單元開口被移出時，這些短期外部快門通量瞬變是眾所周知的瀉流單元瞬時冷卻或加熱的結果，從而允許從瀉流單元的更多（打開快門）或更少（關閉快門）熱損失，通過驅動PID（Proportional Integral Derivative）控制系統經瞬變被補償，向電阻絲施加更多（打開快門）或更少（關閉快門）功率來回至所需的恆定溫度。
在此，離開瀉流單元的氣流包含具壓力P的蒸汽或氣體，並通過橫截面積A的足夠薄的限制性開口（孔）進入至真空，通過以下被示出： 方程式10) J=PA/(2πmkT)1/2 ,
其中，開口足夠薄，被歸類為厚度比開口寬度更薄的孔，且J=氣流，m=蒸發種類的分子質量(kG)，K=玻爾茲曼常數，T=單元中的絕對溫度，P=與溫度T相關的單元中的壓力，通過以下形式： 方程式11) P=Ye(-Ea/kT) ，
Y是蒸發材料的特徵常數，且Ea是與蒸發或昇華過程相關的活化能。
從相隔孔的距離LSS 處進入到真空中的分子的準確通量為多變量的復雜函數，但其在本領域中為已知技術。這些變量包括J，孔的尺寸，孔的形狀，以及甚至局部壓力（P是位置z函數，其中0 ≤ z ≤ LSS ），其變化的原因在於其進入真空中至基片位置點LSS 時分子束擴展或聚焦。
使用Lambert的近似法，示出由於將相隔孔的距離LSS 平方，位於相隔孔的距離LSS 處的基片上的入射通量F減少： 方程式12) F = HJ/(LSS 2 )，
其中H是比例係數。
用於生成通量的已知方法通常涉及：含有將被蒸發的材料的熔罐，將熱提供給熔罐的燈絲加熱器，以及光束阻擋機制（快門或閥）。熔罐可以通過各種各樣的材料被製成，但根據性能被選擇，不與將被蒸發的源材料化學反應，並使不良汙染氣體的排氣最小化。熔罐通常為具有開口端的容器，但在一些情況下，為具有噴嘴或孔的密封容器，設計來限制或塑造離開單元的通量。
絕大多數的瀉流單元使用安裝在熔罐外部的機械快門，由葉片組成，配置在離開瀉流單元的通量的分子束的路徑中。這些外部安裝的快門降低傳遞的通量，但為更高壓力時，出現散射或室解吸，當在關閉位置，所述通量減少可僅約為~10的係數。所述葉片可以由W, Ta, Mo, PBN，石墨或是被充分限制與蒸發材料反應的其他材料製成，並通常不加熱，從而不斷增加快門上沉積的材料厚度。沉積的材料可能被積累，從而厚度會引起快門驅動問題（遲緩或鎖定問題）並甚至可能會接觸到包圍快門的冷表面，快門和冷表面之間形成“固化材料焊接”，阻止快門驅動。葉片通常是通過線性回縮/插入機制被驅動，或沿小於360°的圓弧路徑旋轉運動，通常為90°至180°。關閉一個打開的快門，需要快門反向橫穿其在打開周期期間所移動的路徑，此過程緩慢並往往不實用。
同樣，在一些罕見的瀉流單元中，柱塞式閥被用來堵住和打開瀉流單元熔罐的圓柱形管，從而切斷並恢復分子通量。此設計允許加熱的閥體，使材料積累最小化，並提供更主動的關閉，從而減少了閥/快門中通量”泄漏“的數量。然而，所述柱塞閥通量調制方法需要相同的路徑被反向穿越，導致類似於外部快門配置的緩慢通量調制。所述分子通量中斷的方法被設計為簡單地開啟並間或地地使光束停止，且在MBE領域眾所周知當需要快速頻繁的快門/閥時較難制作。要求快速通量調制的方法包括生長多層的薄交替組合物，被稱為超晶格或提供金屬的頻繁脈沖來增加金屬調制外延（MME）過程中發生的表面遷移，例如在題為“用於生長非相分離的Group-III 氮化物半導體合金的系統和方法”美國專利No. 9,142,413中被說明。因此，當要求快速脈沖調制的通量生長時，無論是外部安裝“刀片式”的快門和內部安裝的“柱塞式閥”都不能提供所需的驅動速度。這些快門/閥系統的時間約束隨著沉積率增加被加劇。例如，在MME的情況下，快門驅動每2秒的生長率可約為~1-2 μm /小時，但要實現約為~10-50 μm /小時的生長率時，頻率需增加至每0.1至0.2秒。
使用MBE系統的主要原因之一是保持超高真空，以盡量減少不理想的雜質摻入。大多數情況下，這些雜質是不理想的氧氣和碳氣形式，主要來自加熱的金屬，為這些不理想的汙染氣體的無限源。在維護和操作程序時要特別注意，以確保每天實現 非常低的基準壓力。例如，用來生長III氮化物材料的商業MBE系統能夠在各操作日以大約~6-8x10-11 Torr基準壓力（可以通過離子規壓力傳感器讀取下限）開始。然而，當瀉流單元或基片加熱器中的任何一個從閒置值（idle values）（約200°C）增加到其操作溫度，在系統中的基準壓力可能會從靜態值上升至10-9 Torr一樣高（且立刻甚至更高）。
MBE通過使用由電阻金屬絲加熱的瀉流單元被執行，且基片保持件通常由金屬的鉭，鎢，或鋯氧穩定的Pt被製成。所述電阻金屬絲，用於保持電阻金屬絲的陶瓷部件，和金屬的氣體捕獲輥件，被用來反射熱並使逸出瀉流單元或基片加熱器的熱量最小化，但是其可能會導致雜質被引入蒸發通量。金屬是含碳和含氧氣體的無限源並容易排出CO，CO2 和O2 氣體，以及其他不良分子，其需要被抽走或將其納入到生長膜中。此外，基片加熱器和瀉流單元以直接瞄準線至生長基片。因此，用於分散或解吸氣體的所有精致屏蔽和吸氣泵，在遇到生長基片之前對於降低氣體濃度的影響不大。
在一些實施例中，本發明公開一種瀉流單元，包括：熔罐，被配置用來容納將被蒸發或昇華的材料；輸送管，被配置用來將蒸發或昇華的材料從所述熔罐輸送至所述瀉流單元之外並進入到室中；供給管，從所述熔罐延長，所述供給管被定位和配置來捕捉源自所述蒸發或昇華的材料的冷凝物，並將所述冷凝物送回至所述熔罐；和至少一個加熱元件，被定位和配置來加熱所述熔罐中包含的材料，從而使所述材料蒸發或昇華，所述蒸發或昇華的材料流動穿過所述輸送管並至所述瀉流單元之外。其中，所述瀉流單元被配置為所述熔罐可填入將被蒸發或昇華的材料且無需將所述瀉流單元從進程真空室中去除。
在另一個實施例中，本發明公開一種含有一個或多個瀉流單元的半導體基片處理系統。
本例所示的附圖不代表任何特定的瀉流單元或半導體基片處理系統的實際視圖，其僅用於描述本公開的實施例的理想化體現。附圖之間相同的元件和特徵以相同的數字符號被示出。
本發明的示例性瀉流單元可用於已知的“分子束外延”(“MBE”)，或者更普遍的是，在一般被稱為“物理氣相沉積”(“PVD”)的薄膜和厚膜的真空沉積中，或是使用封閉的真空室來處理一個或多個基片的任何其他處理系統，或是瀉流單元被用來將蒸發提供至真空室來處理基片。因為在此說明的瀉流單元的實施例的操作壓力範圍可能高於“分子流”所定義的，相對於先前已知的瀉流單元，所述瀉流單元具有更好的靈活性，特別是在較高的蒸發或環境壓力下，因此，瀉流單元可用於除了MBE系統以外的處理系統。與現有的“外延式”瀉流單元相比，在此所述的示例性瀉流單元提供的蒸發通量可通過占空比變化和通量的快速脈沖持續時間被調整，且緩慢地響應經溫度變化產生的通量變化。因此，在本發明的實施例中可使用更厚，更強大的熔罐，不易斷裂。 當要求恆定溫度時，熔罐的溫度也可被改變來影響通量的變化，但以較慢的速率，以及較高的熱穩定性。在此所述的瀉流單元在沉積室和過程中具實用性，其中沉積在中等真空，高真空（HV）或超高真空（HV）的壓力範圍下被進行。在一般情況下，沉積系統的主要優點在於高沉積率，優秀的均勻性，較廣的操作壓力範圍，低雜質摻入，和多成分膜的組合物的良好控制性。除了上述理想的特徵，本發明具有減少液滴噴濺的性能，通過原位材料再加載性能以高沉積率提供通量的快速時間響應。此外，在此公開的瀉流單元的實施例利用獨特的“真空外”再加載設計，允許原位再加載而無需將系統暴露於大氣中，從限制系統的運動長度的因素中去除材料再加載。此外，本發明的瀉流單元的實施例，能夠相對快速地調制分子通量（例如，通量中斷機制的激活和失活），甚至在高通量速率下。在此說明的瀉流單元的實施例可減少已知瀉流單元設計所造成的出氣，且甚至通過去除設計中不必要的熱金屬加熱線，可消除有害的氣體源。
根據本發明的瀉流單元的實施方案的另一個優點是降低瀉流單元成本。具體地，已知的電阻加熱的瀉流單元包括昂貴的鉭，鉑，和其他稀有金屬以形成電阻加熱絲和加熱的熱反射鏡。耐氧化性瀉流單元採用昂貴的氧化鋯穩定的鉑或銥，以避免燈絲氧化。本發明的瀉流單元的實施例可以不使用上述昂貴，排出雜質的金屬，可由高純度，MOCVD標準和矽基半導體制造系統中廣泛使用的材料形成。本發明的瀉流單元的實施例可以不包括含有鉭，鉑或其他稀有金屬的任何電阻加熱絲或加熱的熱反射器。
圖2A示出根據本發明的實施例的裝配狀態下的瀉流單元，圖2B是示出圖2A的瀉流單元的分解圖。如圖2A和2B所示，瀉流單元包括射頻感應線圈(10)，加熱厚的機械堅固耐用（即，非材料可互換）的熔罐(20)。瀉流單元還包括：組合性蒸發材料供給及機械支撐管(30)，具有內偏差擋板(31)。瀉流單元還包括另一個RF感應線圈11，其加熱輸送管(40)，其配有高速360°旋轉的快門組件(50)和裝配在輸送管(40)內的可更換噴嘴(60)。導管(70)機械地支持快門組件(50)，並使其位於輸送管(40)內的中心處。厚壁的熔罐(20)從供給管(30)機械地被懸掛，其中具有擋板(31)。供給管(30)用來提供大量的傳導性溫度梯度，使蒸汽冷凝成液體。此液體被困在擋板(31)上，從而滴回至熔罐(20)內下方安裝的源儲層中。具有內擋板(31)的供給管(30)更具有第二開口端(32)，但不允許明顯的蒸汽從第二開口端(32)逃脫。供給管(30)通過螺紋連接件(81)被附於標準的雙面真空法蘭(80)至熱絕緣器(90)。通過本領域已知的方法，真空法蘭(80)可選擇性地通過冷卻水，液氮（LN2 ），或多種已知的液體冷卻劑被冷卻，來消散傳導的熱。熱絕緣器(90)可選擇性地被鉆孔，由多孔材料製成和/或加工，從而來限制熱阻，控制流動至真空法蘭(80)的熱量。此外，供給管(30)的長度可以被調整，以實現所需的熱傳導至真空法蘭(80)。以此方法，供給管(30)的頂部可以保持在適當的溫度，確保供給管(30)中的蒸汽冷凝，並返回至熔罐(20)。熱絕緣器(90)可具有圓錐狀或漏斗狀的內部形狀，從而輔助如下所述的材料再加載。
如圖3A和3B所示，整個瀉流單元可以被安裝在真空膜室內。此真空膜室可以具有各種形狀。在非限制性示例，真空膜室可以包括如圖3A所示的圓柱形室(100)（例如，管），或如圖3B所示的矩形室(101 )。雙面真空法蘭(80)在附於真空室的四個真空法蘭(102a，102b，102c，102d)中的一個和選擇性的真空閘閥(103)之間被適配。如以下圖4所示，真空閘閥(103)使瀉流單元與再加載室隔離 。選擇性的真空閘閥(104)可以使瀉流單元與注入有蒸發材料的進程室(107)隔離。當存在真空閘閥(104)時，可以通過真空法蘭(107)被連接到進程室(108)。旋轉機制的饋通(106)，其在本領域為已知技術，被連接至快門組件(50)用於其的操作。同樣，四個射頻真空饋通(105a，105b，105c，105d)被配置用來生成射頻感應線圈(10，11)供應和返回連接，來同時提供和返還電力和液體冷卻，使射頻感應線圈(10，11)保持在足夠低的溫度下，以減少不良脫氣。
真空室可以選擇性地包括氣體饋通。此氣體饋通可提供調整瀉流單元產生的局部壓力的手段，其有助於控制蒸發材料碰撞之間的平均自由程，由此，以先前已知瀉流單元中沒有被發現的方法來調整蒸發材料的方向。
真空室還可以包括各種傳感器，如溫度傳感器，壓力傳感器等，並且可以選擇性地包括附加的泵送端口，以允許源的“差異泵送”，本技術領域中已知的方法。
供應/供給管(30)可通過真空閥(103)來用於原位材料再加載，且單獨的材料負載鎖定室可被預清洗，烘烤，且在打開閥(103)之前被凈化，然後打開負載鎖定室和源加載管之間的通道。當閥(103)打開時，預脫氣的補充材料可以被加載至熱絕緣器(90)，將材料排至供給管(30)並進入至熔罐(20)中。
雖然可將瀉流單元安裝在足夠大的真空系統中，如紐約普萊恩維尤的威科儀器公司商業銷售的GEN200 MBE系統或GEN2000 MBE系統或類似其他廠商的“大端口”型號，但瀉流單元整體尺寸比先前已知的瀉流單元相對來說更大，並可被安裝用於在完全外部的位置運作，與之前通常安裝在沉積室(107)內的瀉流單元形成對比。因此，當瀉流單元被安裝在沉積室(107)外部時，絕緣閥(104)可選擇性地配置在瀉流單元和沉積室之間。
圖4示出圖2A和2B的瀉流單元的橫截面示圖。瀉流單元包括一些相互連接的厚壁管，包括熔罐(20)，機械支撐和再加載的供給管(30)，以及輸送管(40)。如圖4，和圖5A的分解圖，及圖5B和5C所示，支撐/供給管(30)內部為一些檔板(31、31a、31b、31c、31d)，使重力自流材料被排至熔罐(20)儲層，限制蒸汽流向上至管的開口端(32)。通過沿供給管(30)生成溫度梯度，蒸發的材料發生冷凝，使冷凝的液體蒸發材料回至熔罐(20)儲層。熱絕緣器(90)（圖4）具有內部漏斗形狀，以幫助材料再加載，將液體材料引至供給管(30)的開口端(32)。當於供給管(30)中時，液體材料穿過擋板(31)被排至熔罐(20)儲層。熱絕緣器可以被加工，鉆孔，或由多孔材料製成，以便在供給管(30)的頂部保持適當的溫度，從而使加載的材料保持液化。應用中通常使用的材料Ga的熔點範圍為~27°C且Al的熔點範圍為~660°C，各種過渡金屬和黑色金屬則更熱。然而，即使是材料保持不熔化，也可使用固體粉末來再加載源。在這些液體或固體的再加載方法都不適用的應用中，可以使用瀉流單元，且無需採用經適當的塞子被密封的供給管(30)的開口(32)的再加載過程。
在一些實施例中，運作期間，可在含有供給管(30)，熔罐(20)和輸送管(40)的三個區域之間生成溫度梯度。雖然這些區域的實際溫度隨蒸發和進程條件有所不同時，但輸送管(40)中的溫度可以比熔罐(20)至少熱200°C，且熔罐(20)至少比供給管(30)熱200°C。在一些實施例中，熔罐(20)可通過其各自的RF感應線圈加熱元件被加熱至約2200°C，且輸送管(40)可通過其各自的RF感應線圈加熱元件被加熱至高達2500°C或更高的溫度。
參照圖4，如上所述，瀉流單元可採用射頻感應加熱線圈。圖6A-6C進一步說明射頻感應線圈瀉流單元分離。射頻感應線圈(10，11)的半徑可能不同。如圖4和圖6A-6C所示在一些實施例中，每個射頻感應線圈可包括內繞線(10a，11a)，和外繞線(10b，11b)。換句話說，各線圈(10，11)可以包括導電材料的空心管，具有內繞線(10a，11a)，和外繞線(10b，11b)。圖6B示出內繞線(10a，11a)的螺距(P10a，P11a)，和外繞線(10b，11b)的螺距（P10b，P11b），其中，螺距由繞線中線圈相鄰部分之間的距離被定義。因此，各射頻感應線圈(10，11)可包括外螺旋繞線中的內螺旋繞線，其中內繞線(10a，11a)的螺距(P10a，P11 a)大於線圈直徑，繞線中線圈相鄰部分不相互接觸。這些螺距（P10a，P11a）可以沿線圈長度而不同，可以更密集於一個末端，從而當需要更多熱時，優先聚集更多的電磁通量。由於交流電生成穿過內繞線(10a，11a)，內繞線(10a)（由熔罐(20)和將被蒸發或昇華的材料占據）或內繞線(11a)（由輸送管(40)和內快門組件(50)以及噴嘴(60)占據）包圍的空間體積內生成波動磁場。熔罐(20)或輸送管(40)內波動磁場感應的電流，和將被蒸發或昇華的材料，以及體積內的其他材料，經其中的電流被電阻加熱。通過本領域已知的實證法或算法，內繞線(10a，11a)的直徑，線圈螺距(P10a，P11a)和繞線中的圈數可結合來生成線圈(10，11)的感應係數，並與熔罐(20)和輸送管(40)的負載阻抗相匹配。
在瀉流單元的運作期間，由於水或其他冷卻液或流體會流過線圈(10，11)，從而來冷卻線圈(10，11)並吸收從熔罐(20)和包含在其中的材料發射的熱輻射。
此外，雖然內繞線(10a，11a)在線圈的相鄰部分之間具有明顯的縫隙或空間，來用於給定直徑和被加熱材料所需的電感，但外繞線(10b，11b)為“回歸繞線”，螺旋纏繞從而線圈的相鄰部分之間沒有間隙，從而使沿平行於線圈軸方向的外繞線(10，11)的壁造成短路。選擇性地，外繞線(10b，11b)中線圈的相鄰部分之間的電接觸可通過將線圈焊接，釬焊，銅焊或綁在一起被增強，形成堅實的外部水冷屏蔽，有助於電導過程很少。因此，線圈(10，11)可包括水冷外殼，此外殼能夠去除從熔罐(20)和其中的材料輻射的大部分熱量，防止室的任何外部加熱。這些熱屏蔽外繞線(10b，11b)形式用於真空室熱屏蔽的外部線圈。外繞線(10b，11b)可具有相當於線圈直徑的螺距(P10b，P11b)，線圈的各轉彎接觸下一個相鄰的轉彎，形成垂直沿外繞線(10b，11b)的短路。
由於大量的熱輻射可能來源於熔罐(20)和輸送管(40)增加熱損失，選擇性地，外繞線(10b，11b)可經任意數量的附加熱反射容器(10C，11C)被擴張，或是多層薄片被直接接觸，焊接，銅焊或綁至外繞線(10b，11b)，並由本領域已知的材料製成來有效地反射熱。這些材料包括鋼，Ta, Mo, Cu, Au, Ag, Ni, Al, Cr 和/或塗有各種氧化物，氟化物或氮化物的相同形式。不同於標準的瀉流單元，此熱屏蔽通過與外繞線(10b，11b)明顯接觸被保持在較低的溫度下。
如上所述，射頻感應線圈(10，11)包括經水/冷卻劑冷卻的及導電的線圈，通過射頻感應加熱來加熱熔罐(20)和包含在其中的材料。在此配置中，射頻感應線圈(10，11)有效地加熱熔罐(20)和包含在其中的材料以及輸送管(40)和其中的元件，而無需明顯加熱瀉流單元的其他元件，相比先前已知的瀉流單元，減少了不良脫氣。在限制性的示例中，包含在熔罐(20)中的材料為昇華材料（Mg, As, P等），當瀉流單元包括一種將固體材料保持在射頻感應線圈內的位置中的手段時（雖然熔罐(20)仍然可被用於防止不理想的雜散蒸發）熔罐(20)可以選擇性地被除去。由於射頻能量與蒸發的材料直接藕合並穿過高純度超致密的石墨熔罐（或其他合適的材料，如SiC, TaC, BeO, PBN, BN, AlN, Al2 O3 或通常作為熔罐材料的類似材料），因此在任何情況下，無需加熱Ta（或鎢，鋯穩定的Pt等）燈絲。這些超致密的石墨熔罐通常被用於MOCVD系統並在之後性能提高的薄熔罐MBE應用被採用，相當於或優於PBN陶瓷。然而，在此示例中，熔罐(20)由厚壁（0.036“≤T≤1”）構成來用於機械完整性，代替常規的薄壁（T≤0.035）熔罐。石墨，陶瓷，金屬，金屬碳化物，金屬氮化物，金屬硼化物或類似的熔罐可鑲有各種塗層，用於特定的應用兼容性（例如，TaC，石墨碳，氮化矽或氧環境中的Al和SiC的AlN，本領域中已知的許多其他選擇）。另外，當被視為可接受時，由於氧化物材料生長的情況下不涉及脫氣，因此，熔罐也可由Ta, Mo, W, Nb, Ti或其他高純度厚壁金屬製成。
應注意，由於需要空間，射頻加熱先前沒有在MBE系統中被使用。MBE系統通常具有狹窄的瀉流單元開口，被設計用來捕捉脫氣的雜質。因此，低溫板中的小開口被填入使用的液態氮或防凍劑混合物。當一個將射頻單元被配置在這些開口中的一個，其可能會不適配，且其被結合至低溫護罩並會完全蒸發液態氮。因此，根據本發明的瀉流單元可用於大口徑的真空沉積或MBE系統中，或用於外部安裝的配置中。這是由於新的射頻瀉流單元不會從加熱的金屬中脫氣雜質，只有加熱的材料和熔罐。
參照圖4，7A，7B，8A，8B，瀉流單元還包括輸送管(40)。輸送管的軸可對於保持蒸發材料(21)的熔罐(20)區域的軸成角度Φ被定向，並可配有射頻加熱的高速旋轉閥(50)和可拆卸的噴嘴組件(60)。圖7A和7B進一步示出輸送管(40)及相關部件。參照圖8A和8B，相對於熔罐(20)的輸送管(40)的角度Φ可以是約0°-180°之間的任何角度，但0°-135°之間的角度可能會減少瀉流單元的噴濺物。在0°-135°之間的角度的情況下，由於管沒有與熔罐(20)中所含的熔融物質對齊，熔罐(20)中“沸騰”的熔融液體源材料(21)僅噴濺較少的液滴至輸送管(40)中。圖8A示出輸送管(40)相對於熔罐(20)的角度Φ約為0°（即，輸送管(40)平行於熔罐(20)）的實施例，且圖8B示出輸送管(40)相對於熔罐(20)的角度Φ約為90°（即，輸送管(40)垂直於熔罐(20)）的實施例。由於輸送管(40)與熔罐(20)中的熔融源材料(21)不在視線中，且由於輸送管(40)設計有自己獨立的射頻感應加熱源(11)，其可被操作從而使輸送管(40)比熔罐(20)更熱，“噴濺”到輸送管(40)中的任何數量的液滴 可重新被汽化，然後通過閥(50)和噴嘴組件(60)退出管。
可使用方程式1）至9），通過定義合適的結合電導來用於任何特定的沉積系統中所需的分子通量流，來定義熔罐(20)，輸送管(40)，閥(50)和噴嘴組件(60)的可接受尺寸。因此，較短和/或較寬的輸送管(40)提供更多的通量，而更長和/或較窄的輸送管(40)限制和減少通量。同樣，根據方程式3）和4）的結合電導示出閥(50)和噴嘴(60)的管狀電導和孔狀電導的相似關系。
液體可能會溢出的一些重要連接可位於在接頭外側，以便密封接頭。例如，熔罐(20)和輸送管(40)的聯合是通過具選擇性外石墨塗層（或類似上述內塗層種類的其他材料）的螺紋連接，來形成液體密封和氣密密封。此接頭經外塗層通過螺紋連接和液體密封被機械結合。此聯合的螺紋使氣口（沿螺紋的切割）和相比內螺紋較短的外螺紋一體化，以消除沿螺紋或機械聯合的基部中被捕捉的氣體。在此描述的組件通過螺紋被機械連接，因此，可以支持較大的機械和熱負荷，但通過添加外石墨（或其他類似的）塗層針對泄漏的氣體/液體被密封。這種防漏密封在Φ等於或接近0°時特別需要，從而聯合的熔罐(20)和輸送管(40)將與熔融液體(21)接觸。
如圖4所示，輸送管的末端包含噴嘴(60)，通過熔罐(20)和輸送管(40)聯合中所述的相似螺紋連接，被安裝至輸送管(40)。圖9A和9B也示出噴嘴(60)。噴嘴(60)包含一個或多個狹窄的“開口”(61)，實際上可以是孔或管，當與閥(50)中的“開口”51A, 51B, 51C對齊時（如圖9B所示的孔，槽，或管），使分子通量流動，且非對齊時，中斷分子通量。通量中斷的速度由以下定義： 方程式13) 通量速度 = 60/(N x rpm),
在通量速度是每秒通量調制的時間，N是噴嘴中的圓形排列的孔或管的數量，與閥中的孔或管的數量相等，且rpm是每分鐘閥旋轉的轉數。在圖9的示例中N=3。
因此，對於適度的200 rpm閥旋轉，通量調制能夠以0.1秒通過僅三個噴嘴和閥開口被完成。如果需要更高的通量速度，可以使用更高的rpm或噴嘴和閥中更多的開口。閥(50)和噴嘴(60)的開口間距和數量可以改變，以便調節通量調制的速度和占空比。例如，通量可以在約0.001秒到大約幾秒鐘的範圍內被傳輸或保持開放用於恆定的通量供應。除非需要50%的占空比，否則閥(50)和噴嘴(60)無需相同數量的開口。
如圖10A及10B中所示，在噴嘴(60)上的各孔(61、61A、61B、61C)的形狀一般是外側的強制通風，具有相對於輸送管(40)軸約25-45°角的孔(61)。每個孔的具體形狀和錐度可以調整，以生成相比本技術領域中已知的更直接或漫射的分子通量。如圖9所示，噴嘴還包括旋轉輪轂，位於可以旋轉的閥(50)上。此輪轂可以是相對於內側上的噴嘴的錐形曲線和/或噴嘴(60)包含的選擇性圓柱形桿(52)。最後，合適的耐磨性和蒸發材料兼容的塗層，如高密度石墨，TaC，碳化矽，氮化鋁，或其他材料，選擇性地施加至閥(50)和噴嘴(60)的接觸面。
源包含獨立可控及射頻感應的線圈(10，11)，從而相比含有蒸發材料的熔罐(20)溫度，允許獨立控制的輸送管(40)，噴嘴(60)和閥組件(50)的溫度。其允許輸送管(40)，閥組件(50)和噴嘴(60)在高溫下操作，以防止冷凝和由此產生的噴濺和/或堵塞。閥組件(50)可以具有附設的閥軸，並且可以安裝在長閥軸管(70)上。長閥軸管(70)擰入熔罐(20)壁，形成如前面所述的防漏連接。雖然輸送管(40)內閥(50)至閥軸管(70)開口不防漏，但通過方程式1）-9）中說明的方法，閥(50)軸和長閥軸管(70)的緊密間隙和較長的長度形成電導限制，其形成電導限制來防止蒸汽從閥(50)軸與閥軸管(70)的間隙中被泄漏。閥軸管(70)還可具有位於輸送管(40)內的機械定心支架(71)，用來將閥組件(50)與噴嘴(60)對齊。可以利用任何數量N的噴嘴開口(61)，但噴嘴開口大於12時，會造成較大的源輸送管(40)尺寸或通量減少，這是由於噴嘴開口(61)直徑使方程式1）-9）的電導下降。在實踐中，任何尺寸的源輸送管(40)直徑是允許的，但優選是尺寸小於或等於將配置的區域。此外，雖然在此示出的例子是圓柱形性質，但可以是不失一般性的任何幾何形狀。特別是，瀉流單元可具有平坦的輸送管(40)，不圓同心或多種尺寸，形狀和位置的噴嘴開口(61)，以便更好地塑造分子通量屬性，或使輸送管(40)源於單一熔罐(20)或源於多個獨立控制的熔罐(20)多樣化。此外，可使用多個溫度傳感器，熱電偶，電阻溫度裝置或類似的傳感器，來監測熔罐，輸送管和熱絕緣器溫度，可納入在其他位置之間。
最後，真空膜室主體上的選擇性注入氣口可以被用來增加蒸發材料的局部壓力，並提供“氣簾”，其中蒸發物質被活性或非活性性質的氣束包圍。非活性氣體可以用來從室中的其他反應氣體中分離蒸發材料，或通過降低碰撞之間的平均自由程（λ）來降低分子束的方向性。活性氣簾可以在蒸發材料接觸沉積基片之前產生理想的氣相預反應，或是可以作為雙組分沉積的反應氣體，在基片上反應。
以下提出本公開的附加非限制性實施例：
實施例1：一種瀉流單元，包括：熔罐，被配置用來容納所述瀉流單元內將被蒸發或昇華的材料；輸送管，被配置用來將蒸發或昇華的材料從所述熔罐輸送至所述瀉流單元之外並進入到室中；至少一個射頻(RF)加熱元件，被定位和配置來加熱所述熔罐中包含的材料，從而使所述材料在所述熔罐中蒸發或昇華，所述蒸發或昇華的材料流動穿過所述輸送管並至所述瀉流單元之外。
實施例2：實施例1的瀉流單元，其中，所述熔罐包括一個或多個壁，所述一個或多個壁的每個壁具有大於或等於0.036英寸（0.091cm）的平均壁厚。
實施例3：實施例2的瀉流單元，其中，所述一個或多個壁的每個壁具有大於或等於0.25英寸（0.635cm）的平均壁厚。
實施例4：實施例3的瀉流單元，其中，所述一個或多個壁的每個壁具有大於或等於0.50英寸（1.27cm）的平均壁厚。
實施例5：實施例1-4中任何一個的瀉流單元，其中，所述瀉流單元被配置為所述熔罐可填入將被蒸發或昇華的材料且無需將所述瀉流單元從進程真空室中去除。
實施例6：實施例5的瀉流單元，其中，所述瀉流單元被配置為所述熔罐填入將被蒸發或昇華的材料，且無需中斷使用所述瀉流單元實施的處理操作，並無需中斷所述室中的真空釋放且所述蒸發或昇華的材料從所述熔罐通過所述輸送管被輸送至所述瀉流單元之外。
實施例7：實施例1-6中任何一個的瀉流單元，其中，所述熔罐包含材料，所述材料從由石墨，陶瓷，金屬，金屬碳化物，金屬氮化物和金屬硼化物構成的組中被選出。
實施例8：實施例1-7中任何一個的瀉流單元，其中，所述熔罐具有包含材料的內層，所述材料從由碳化鉭（TaC），石墨碳，碳化矽，氮化矽，碳化硼和氮化鋁構成的組中被選出。
實施例9：實施例1-8中任何一個的瀉流單元，其中，所述瀉流單元不包括任何鉭或鉑電阻絲。
實施例10：實施例1-9中任何一個的瀉流單元，其中，所述輸送管的軸以相對於所述熔罐的垂直軸成角度地被定向。
實施例11：實施例10的瀉流單元，其中，所述輸送管的軸以相對於所述熔罐的軸成0° -135°角度被定向。
實施例12：實施例11的瀉流單元，其中，所述輸送管的軸以相對於所述熔罐的軸成90°角度被定向。
實施例13：實施例1-12中任何一個的瀉流單元，還包括: 快門組件，與所述輸送管操作性地連接，所述快門組件被配置為選擇性地中斷蒸發或昇華的材料流動至所述輸送管之外。
實施例14：實施例13的瀉流單元，其中，所述快門組件被配置為選擇性地打開和關閉一個或多個通道，使蒸發或昇華的材料流動穿過所述輸送管。
實施例15：實施例13或實施例14的瀉流單元，其中，所述快門組件被配置為選擇性地打開和關閉所述輸送管內的一個或多個通道，且不改變所述快門組件的運動方向。
實施例16：實施例13-15中任何一個的瀉流單元，其中，所述快門組件包括旋轉的快門組件。
實施例17：實施例16的瀉流單元，其中，所述旋轉的快門組件包括：旋轉閥和固定噴嘴。
實施例18：實施例17的瀉流單元，其中，所述旋轉閥包括：多個第一開口，所述噴嘴包括多個第二開口，且其中，所述旋轉閥在轉動相對於所述固定噴嘴的所述旋轉閥的軸附近以單一旋轉方向連續旋轉，從而循序和重復地使所述多個第一開口與所述多個第二開口對準及非對準，從而循序和重復地打開和關閉所述輸送管內的所述一個或多個通道。
實施例19：實施例18的瀉流單元，其中，所述驅動機制以一定的旋轉速度來驅動所述旋轉閥的旋轉，足夠使所述輸送管內的所述一個或多個通道在小於或等於0.1秒的時間內被打開或關閉。
實施例20：實施例13-19中任何一個的瀉流單元，其中，所述快門組件至少部分地被設置在所述輸送管內。
實施例21：實施例1-20中任何一個的瀉流單元，其中，至少一個射頻(RF)加熱元件包括圍繞所述熔罐的射頻線圈。
實施例22：實施例1-21中任何一個的瀉流單元，還包括：至少一個附加的射頻(RF)加熱元件，被定位和配置用來加熱所述輸送管中包含的材料，從而阻礙所述蒸發或昇華的材料的冷凝物流動穿過所述輸送管和至所述瀉流單元之外。
實施例23：實施例1-22中任何一個的瀉流單元，其中，所述瀉流單元不包括電阻加熱元件。
實施例24：實施例1-23中任何一個的瀉流單元，還包括：供給管，從所述熔罐延長，所述供給管被定位和配置來捕捉源自所述蒸發或昇華的材料的冷凝物，並將所述冷凝物送回至所述熔罐。
實施例25：實施例24的瀉流單元，其中，所述供給管具有與所述熔罐藕合的末端。
實施例26：實施例24或實施例25的瀉流單元，還包括：配置在所述供給管內的一個或多個擋板。
實施例27：實施例24-26中任何一個的瀉流單元，其中，所述供給管和所述供給管開口中的至少一個被冷卻。
實施例28：一種瀉流單元，包括：熔罐，被配置用來容納所述瀉流單元內將被蒸發或昇華的材料；輸送管，被配置用來將蒸發或昇華的材料從所述熔罐輸送至所述瀉流單元之外並進入到室中；供給管，從所述熔罐延長，所述供給管被定位和配置來捕捉源自所述蒸發或昇華的材料的冷凝物，並將所述冷凝物送回至所述熔罐；和至少一個加熱元件，被定位和配置來加熱所述熔罐中包含的材料，從而使所述材料在所述熔罐中蒸發或昇華，所述蒸發或昇華的材料流動穿過所述輸送管並至所述瀉流單元之外；其中，所述瀉流單元被配置為所述熔罐可填入將被蒸發或昇華的材料且無需將所述瀉流單元從進程真空室中去除。
實施例29：實施例28的瀉流單元，其中，所述瀉流單元被配置為所述熔罐填入將被蒸發或昇華的材料，且無需中斷實施所述室中的真空釋放且所述蒸發或昇華的材料從所述熔罐通過所述輸送管被輸送至所述瀉流單元之外的處理操作。
實施例30：實施例28或實施例29的瀉流單元，其中，所述至少一個加熱元件包括射頻(RF)加熱元件。
實施例31：實施例28-30中任何一個的瀉流單元，其中，所述熔罐包括一個或多個壁，所述一個或多個壁的每個壁具有大於或等於0.036英寸（0.091cm）的平均壁厚。
實施例32：實施例31的瀉流單元，其中，所述一個或多個壁的每個壁具有大於或等於0.25英寸（0.635cm）的平均壁厚。
實施例33：實施例32的瀉流單元，其中，所述一個或多個壁的每個壁具有大於或等於0.50英寸（1.27cm）的平均壁厚。
實施例34：實施例28-33中任何一個的瀉流單元，其中，所述瀉流單元被配置為所述熔罐填入將被蒸發或昇華的材料，且無需中斷實施所述室中的真空釋放且所述蒸發或昇華的材料從所述熔罐通過所述輸送管被輸送至所述瀉流單元之外的處理操作。
實施例35：實施例28-34中任何一個的瀉流單元，其中，所述熔罐包含材料，所述材料從由石墨，陶瓷，金屬，金屬碳化物，金屬氮化物和金屬硼化物構成的組中被選出。
實施例36：實施例28-35中任何一個的瀉流單元，其中，所述熔罐具有包含材料的內層，所述材料從由TaC，石墨碳，碳化矽，氮化矽，碳化硼和氮化鋁構成的組中被選出。
實施例37：實施例28-36中任何一個的瀉流單元，其中，所述瀉流單元不包括任何鉭或鉑電阻絲。
實施例38：實施例28-37中任何一個的瀉流單元，其中，所述輸送管的軸以相對於所述熔罐的垂直軸成角度地被定向。
實施例39：實施例38的瀉流單元，其中，所述輸送管的軸以相對於所述熔罐的軸成0° -135°角度被定向。
實施例40：實施例39的瀉流單元，其中，所述輸送管的軸以相對於所述熔罐的軸成90°角度被定向。
實施例41：實施例28-40中任何一個的瀉流單元，還包括：快門組件，與所述輸送管操作性地連接，所述快門組件被配置為選擇性地中斷蒸發或昇華的材料流動至所述輸送管之外。
實施例42：實施例41的瀉流單元，其中，所述快門組件被配置為選擇性地打開和關閉一個或多個通道，使蒸發或昇華的材料流動穿過所述輸送管。
實施例43：實施例41或實施例42的瀉流單元，其中，所述快門組件被配置為選擇性地打開和關閉所述輸送管內的一個或多個通道，且不改變所述快門組件的運動方向。
實施例44：實施例41-43中任何一個的瀉流單元，其中，所述快門組件包括旋轉的快門組件。
實施例45：實施例44的瀉流單元，其中，所述旋轉的快門組件包括：旋轉閥和固定噴嘴。
實施例46：實施例45的瀉流單元，其中，所述旋轉閥包括：多個第一開口，所述噴嘴包括多個第二開口，且其中，所述旋轉閥在轉動相對於所述固定噴嘴的所述旋轉閥的軸附近以單一旋轉方向連續旋轉，從而循序和重復地使所述多個第一開口與所述多個第二開口對準及非對準，從而循序和重復地打開和關閉所述輸送管內的所述一個或多個通道。
實施例47：實施例46的瀉流單元，其中，所述驅動機制以一定的旋轉速度來驅動所述旋轉閥的旋轉，足夠使所述輸送管內的所述一個或多個通道在小於或等於0.1秒的時間內被打開或關閉。
實施例48：實施例41-47中任何一個的瀉流單元，其中，所述快門組件至少部分地被設置在所述輸送管內。
實施例49：實施例28-48中任何一個的瀉流單元，其中，所述至少一個加熱元件包括圍繞所述熔罐的射頻線圈。
實施例50：實施例28-49中任何一個的瀉流單元，還包括：至少一個附加的加熱元件，被定位和配置用來加熱所述輸送管中包含的材料，從而阻礙所述蒸發或昇華的材料的冷凝物流動穿過所述輸送管和至所述瀉流單元之外。
實施例51：實施例28-50中任何一個的瀉流單元，其中，所述瀉流單元不包括電阻加熱元件。
實施例52：實施例28-51中任何一個的瀉流單元，其中，所述供給管具有與所述熔罐藕合的末端。
實施例53：實施例28-52中任何一個的瀉流單元，還包括：配置在所述供給管內的一個或多個擋板。
實施例54：實施例28-53中任何一個的瀉流單元，其中，所述供給管和所述供給管開口中的至少一個被冷卻。
實施例55：一種半導體基片處理系統，包括：室；至少一個真空泵，被配置用來從所述室排出氣體以在其中形成真空；以及實施例1-54中任何一個所述的至少一個瀉流單元，與所述室操作性地連接，並配置用來選擇性地將蒸發或昇華的材料從所述至少一個瀉流單元引入到所述室中。
實施例56：實施例55的半導體基片處理系統，其中，所述半導體基片處理系統包括物理氣相沉積系統。
實施例57：實施例56的半導體基片處理系統，其中，所述物理氣相沉積系統包括分子束外延(MBE)系統。
實施例58：一種包括製備實施例1-54中任何一個所述的瀉流單元的方法。
實施例59：一種處理半導體基片的方法，包括：使用實施例1-54中任何一個所述的瀉流單元，將蒸發或昇華的材料引入至真空室中。
雖然本發明在此通過示例性實施例被說明，但本技術領域中的普通技術人員應理解本發明的實施例並不僅局限於在此示出的實施例。相反，在不脫離本發明聲明的思想範圍的前提下，可對說明的實施例進行添加、刪除、及修改，包括其等價物。此外，一個實施例中的特徵可與另一個實施例的特徵相結合，且仍被包含在公開的範圍內。
10、11‧‧‧射頻感應線圈10a、11a‧‧‧內繞線10b、11b‧‧‧外繞線10C、11C‧‧‧熱反射容器20‧‧‧熔罐21‧‧‧材料30‧‧‧供給管31、31a、31b、31c、31d‧‧‧擋板32‧‧‧第二開口端40‧‧‧輸送管50‧‧‧組件51A、51B、51C‧‧‧開口52‧‧‧圓柱形桿60‧‧‧噴嘴61、61A、61B、61C‧‧‧孔70‧‧‧導管71‧‧‧支架80、102a、102b、102c、102d‧‧‧真空法蘭81‧‧‧螺紋連接件90‧‧‧熱絕緣器100‧‧‧圓柱形室101‧‧‧矩形室103、104‧‧‧真空閘閥105a、105b、105c、105d、106‧‧‧饋通107‧‧‧沉積室108‧‧‧進程室P10a、P10b、P11a、P11b‧‧‧螺距Φ‧‧‧角度
圖1A是由瀉流單元提供的光通量分布的示圖，作為瀉流單元和基底之間徑向距離的函數，用於瀉流單元和基片之間的第一間隔距離。 圖1B是示出由瀉流單元提供的通量分布的示圖，作為瀉流單元和基片之間徑向距離的函數，用於瀉流單元和基片之間的第二間隔距離。 圖2A是示出本發明的瀉流單元的一個實施例的示圖，與採用所述瀉流單元的系統分離的組裝狀態，且沒有外部真空膜室。 圖2B是圖2A所示的瀉流單元的分解透視圖。 圖3A是圖2A和2B的瀉流單元的側視圖。可採用與真空室連接的外部真空膜室。 圖3B是圖2A和2B的瀉流單元的另一個實施例的側面視圖。具有與真空室連接的外部真空膜室。 圖4是組裝狀態下的圖2A和2B的瀉流單元的橫截面視圖。 圖5A是圖2A，2B和圖4的瀉流單元的供給管和多個擋板（可配置在供給管內） 分解透視圖。 圖5B是圖5A所示的擋板中的一個的俯視圖。 圖5C是圖5A所示的擋板中的一各的仰視圖。 圖6A是圖2A，2B和圖4的瀉流單元的射頻線圈組件的透視圖。 圖6B是圖6A所示的射頻線圈組件的放大的部分俯視圖。 圖6C是圖6A和6B所示的射頻線圈組件下部的部分側視圖。 圖7A是示出圖2A，2B和圖4的瀉流單元的輸送管及相關部件的示圖，與圖2A，2B和圖4的瀉流單元的熔罐(20)連接，其中省略瀉流單元的其他組件。 圖7B是示出圖7A所示的瀉流單元的各種組成的分解圖。 圖8A是簡單及示意性地說明可在本發明的瀉流單元的實施例中被採用的一種配置的熔罐和輸送管的橫截面側視圖。 圖8B是簡單及示意性地說明可在本發明的瀉流單元的實施例中被採用的另一種配置的熔罐和輸送管的橫截面側視圖。 圖9A是示出圖2A，2B和圖4的瀉流單元的輸送管及相關部件的示圖，與瀉流單元的其他組成分離。 第9B是示出圖9A的瀉流單元的各種組成的分解視圖。 圖10A是示出圖2A，2B和圖4的瀉流單元的快門組件，導管，和噴嘴的示圖。 圖10B是示出圖10A所示的快門組件，導管和噴嘴的局部放大圖。 圖10C是從不同於圖10B的角度示出圖10A的快門組件，導管和噴嘴的局部放大圖。 圖11A是示出圖2A，2B和圖4的瀉流單元的快門組件和噴嘴的分解圖。 圖11B是示出組裝狀態下的圖11A的快門組件和噴嘴的示圖。 圖11C是從不同於11A 的角度示出圖11A的快門組件和噴嘴的另一分解圖。
10、11‧‧‧射頻感應線圈
20‧‧‧熔罐
30‧‧‧供給管
32‧‧‧第二開口端
50‧‧‧組件
70‧‧‧導管
80‧‧‧真空法蘭
81‧‧‧螺紋連接件
90‧‧‧熱絕緣器

Claims (20)

  1. 一種瀉流單元，包括：一熔罐，被配置用來容納所述瀉流單元內一被蒸發或昇華的材料；一輸送管，被配置用來將所述蒸發或昇華的材料從所述熔罐輸送至所述瀉流單元之外並進入到一室中；一供給管，所述供給管的一第一端自所述熔罐延伸並與所述熔罐物理性耦合，所述供給管被定位和配置來捕捉源自所述蒸發或昇華的材料的冷凝物，並將所述冷凝物送回至所述熔罐；至少一個加熱元件，被定位和配置來加熱所述熔罐中包含的材料，從而使所述材料在所述熔罐中蒸發或昇華，所述蒸發或昇華的材料流動穿過所述輸送管並至所述瀉流單元之外；一負載鎖定室，包含有一真空閥；以及一熱絕緣器，位於所述負載鎖定室以及所述供給管之間；其中，所述瀉流單元被配置為所述供給管及所述熔罐填入將所述被蒸發或昇華的材料且無需將所述瀉流單元從進程真空室中去除；其中，所述瀉流單元係被一真空膜室封閉；其中相反於所述供給管的所述第一端的一第二端通過所述真空膜室與所述熱絕緣器相連通。
  2. 如請求項1所述之瀉流單元，其中，所述瀉流單元被配置為所述熔罐填入將被蒸發或昇華的所述材料，且無需中斷實施所述室中的真空釋放且所述蒸發或昇華的材料從所述熔罐通過所述輸送管被輸送至所述瀉流單元之外的處理操作。
  3. 如請求項1所述之瀉流單元，其中，所述至少一個加熱元件包括一射頻(RF)加熱元件。
  4. 如請求項1所述之瀉流單元，其中，所述熔罐包括一個或多個壁，所述一個或多個壁的每個壁具有大於或等於0.036英寸(0.091cm)的平均壁厚。
  5. 如請求項4所述之瀉流單元，其中，所述一個或多個壁的每個壁具有大於或等於0.25英寸(0.635cm)的平均壁厚。
  6. 如請求項5所述之瀉流單元，其中，所述一個或多個壁的每個壁具有大於或等於0.50英寸(1.27cm)的平均壁厚。
  7. 如請求項1所述之瀉流單元，其中，所述熔罐具有包含材料的內層，所述材料從由碳化鉭(TaC)、石墨碳、碳化矽、氮化矽、碳化硼和氮化鋁構成的組中被選出。
  8. 如請求項1所述之瀉流單元，其中，所述輸送管的軸以相對於所述熔罐的垂直軸成角度地被定向。
  9. 如請求項8所述之瀉流單元，其中，所述輸送管的軸以相對於所述熔罐的所述軸成90°角度被定向。
  10. 如請求項1所述之瀉流單元，還包括：快門組件，與所述輸送管操作性地連接，所述快門組件被配置為選擇性地中斷蒸發或昇華的材料流動至所述輸送管之外。
  11. 如請求項10所述之瀉流單元，其中，所述快門組件被配置為選擇性地打開和關閉所述輸送管內的一個或多個通道，且不改變所述快門組件的運動方向。
  12. 如請求項11所述之瀉流單元，其中，所述快門組件包括一旋轉的快門組件。
  13. 如請求項12所述之瀉流單元，其中，所述旋轉的快門組件包括：旋轉閥和固定噴嘴。
  14. 如請求項13所述之瀉流單元，其中，所述旋轉閥包括：多個第一開口，所述噴嘴包括多個第二開口，其中，所述旋轉閥在轉動相對於所述固定噴嘴的所述旋轉閥的軸附近以單一旋轉方向連續旋轉，從而循序和重復地使所述多個第一開口與所述多個第二開口對準及非對準，從而循序和重復地打開和關閉所述輸送管內的所述一個或多個通道。
  15. 如請求項14所述之瀉流單元，更包括一驅動機制以一定的旋轉速度來驅動所述旋轉閥的旋轉，足夠使所述輸送管內的所述一個或多個通道在小於或等於0.1秒的時間內被打開或關閉。
  16. 如請求項10所述之瀉流單元，其中，所述快門組件至少部分地被設置在所述輸送管內。
  17. 如請求項1所述之瀉流單元，還包括：至少一個附加的加熱元件，被定位和配置用來加熱所述輸送管中包含的材料，從而阻礙所述蒸發或昇華的材料的冷凝物流動穿過所述輸送管和至所述瀉流單元之外。
  18. 如請求項1所述之瀉流單元，還包括：配置在所述供給管內的一個或多個擋板。
  19. 如請求項1所述之瀉流單元，其中，所述供給管和所述供給管開口中的至少一個被冷卻。
  20. 一種半導體基片處理系統，包括： 一室；至少一個真空泵，被配置用來從所述室排出氣體以在其中形成真空；以及至少一個如請求項1所述的瀉流單元，與所述室操作性地連接，並配置用來選擇性地將蒸發或昇華的材料從所述至少一個瀉流單元引入到所述室中。
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