液態(tài)源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)

吳得軼，楊 彬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111)

在太陽(yáng)能電池、微電子等半導(dǎo)體工藝制程中，液態(tài)源以生產(chǎn)效率高、成膜特性好、氣壓小不易泄漏等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于擴(kuò)散、氧化、化學(xué)氣相沉積等工藝。

液態(tài)源作為摻雜或化學(xué)氣相沉積（CVD）等工藝中的原料，其輸送的的穩(wěn)定性、重復(fù)性和精度直接影響到工藝的品質(zhì)，隨著對(duì)工藝品質(zhì)要求越來(lái)越高，液態(tài)源輸送的穩(wěn)定性越來(lái)越引起重視。除此之外，在現(xiàn)有的液態(tài)源輸送方案中，一部分液態(tài)源也因具有強(qiáng)腐蝕性、毒性，整個(gè)搬運(yùn)、存儲(chǔ)、使用等環(huán)節(jié)十分繁瑣，一些應(yīng)用場(chǎng)合急需提出新的液態(tài)源輸送方案，以簡(jiǎn)化使用風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)液態(tài)源輸送的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，分析了現(xiàn)有技術(shù)的特性和缺點(diǎn)，并結(jié)合未來(lái)工藝對(duì)裝備要求的趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上提出了一種新型液態(tài)源輸送系統(tǒng)，并簡(jiǎn)要介紹了其結(jié)構(gòu)組成，特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)。

1 技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 液態(tài)源輸送的技術(shù)現(xiàn)狀

目前液態(tài)源的輸送主要有鼓泡法、直接注入法、自然蒸發(fā)法等，其中以鼓泡法應(yīng)用最為廣泛。

鼓泡法是通過(guò)載氣攜帶液態(tài)源蒸汽的一種方法，該方法裝置簡(jiǎn)單，可用于常壓和真空反應(yīng)腔體當(dāng)中，適用于氣體攜帶水、甲醇、乙醇、丙酮、苯、三氯氧磷、三氯乙烷等多種液態(tài)源，目前已經(jīng)廣泛用于擴(kuò)散爐和化學(xué)氣相沉積設(shè)備（CVD）當(dāng)中。

鼓泡法液態(tài)源輸送要達(dá)到精確控制，載氣攜帶出的蒸氣必須是在設(shè)定溫度下液態(tài)源的飽和蒸氣，其次載氣的流量也必須精確控制。除此之外，必須保證載氣和液態(tài)源蒸汽混合后的管路通暢無(wú)阻、溫度適當(dāng)以確?；旌蠚獠怀霈F(xiàn)冷凝的現(xiàn)象。

圖1 是典型的液態(tài)源鼓泡輸送裝置，該裝置采用恒溫裝置控制液態(tài)源的溫度，間接實(shí)現(xiàn)控制液態(tài)源的飽和蒸汽壓，同時(shí)通過(guò)質(zhì)量流量控制器精確控制載氣流量，實(shí)現(xiàn)液態(tài)源蒸汽的穩(wěn)定輸送。

通常情況下，鼓泡裝置的蒸汽輸送管路設(shè)置有蒸汽壓監(jiān)測(cè)裝置，用以監(jiān)測(cè)蒸汽輸送的情況。為了防止液態(tài)源蒸汽在輸送過(guò)程中的冷凝，恒溫槽控制的液態(tài)源溫度一般低于環(huán)境溫度，以保證液態(tài)源飽和蒸汽在管路中的冷凝。同時(shí)，輸送管路的通徑必須不能出現(xiàn)急劇變小、或不通暢的情況，以避免蒸汽壓縮冷凝現(xiàn)象。

圖1 液態(tài)源鼓泡輸送裝置

1.2 亟待解決的主要問(wèn)題

作為目前主要的液態(tài)源輸送方式，鼓泡法液態(tài)源輸送應(yīng)用范圍雖廣，但是在實(shí)踐過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)一系列缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)如下：

（1）精度不高。在精確控制液態(tài)源溫、載氣流量的情況下，鼓泡法液態(tài)源輸送精度在2%～5%，無(wú)法滿(mǎn)足高精度的應(yīng)用；

（2）響應(yīng)慢、長(zhǎng)期穩(wěn)定性不佳。鼓泡法液態(tài)源輸送響應(yīng)時(shí)間在2～5 s，而且容易受液態(tài)源霧化空間變化、目標(biāo)腔體壓力等影響，穩(wěn)定性不佳。

（3）維護(hù)量大。受液態(tài)源恒溫裝置的體積、預(yù)留霧化空間的影響，液態(tài)源的容器一般不能做的太大，再加上預(yù)留的霧化空間，每次液態(tài)源的裝載量很有限，這導(dǎo)致了更換頻率高，增加了維護(hù)的工作量。

（4）使用成本高。鼓泡裝置需要配備成本高昂的液態(tài)源溫控制裝置和載氣質(zhì)量流量計(jì)。在大批量使用的情況下，成本高。

（5）部分應(yīng)用安全風(fēng)險(xiǎn)大。由于部分液態(tài)源具有劇毒、強(qiáng)腐蝕的特點(diǎn)，而鼓泡容器又往往是石英材質(zhì)，鼓泡容器因腔內(nèi)壓力過(guò)大、磕碰導(dǎo)致的碎裂在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中時(shí)有發(fā)生，其引起的安全問(wèn)題不容忽視。

2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，太陽(yáng)能電池、微電子等半導(dǎo)體裝備正朝著精度更高、自動(dòng)化程度更好、資源節(jié)約、環(huán)境友好等方向發(fā)展，這對(duì)設(shè)備的子系統(tǒng)應(yīng)用提出了更高的要求。新一代液態(tài)源輸送系統(tǒng)為了滿(mǎn)足擴(kuò)散、氧化、各種化學(xué)氣相沉積等工藝裝備技術(shù)發(fā)展的需要，將具有如下技術(shù)特征[1]：

（1）精度高。隨著太陽(yáng)能電池、微電子等半導(dǎo)體工藝制程的不斷升級(jí)，相關(guān)的擴(kuò)散、氧化、各種化學(xué)氣相沉積等工藝制程對(duì)新一代液態(tài)源輸送系統(tǒng)的精度要求也越來(lái)越高。

（2）自動(dòng)化程度好。自動(dòng)化程度高不僅可以減少使用、維護(hù)的負(fù)擔(dān)，而且可以減少操作人員與液態(tài)源的接觸，減少安全事件的發(fā)生概率。

（3）資源節(jié)約、環(huán)境友好。微電子、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)裝備要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，不僅要在精度、自動(dòng)化等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)取得優(yōu)勢(shì)，而且要在使用、維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)符合資源節(jié)約、環(huán)境友好的特性[2]。

3 液態(tài)源輸送系統(tǒng)的提出

根據(jù)新一代液態(tài)源輸送系統(tǒng)的技術(shù)特征，提出一種液態(tài)源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)組成

液態(tài)源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)如圖2 所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由氣體質(zhì)量流量控制器、液體質(zhì)量流量控制器、混合閥、蒸發(fā)器、控制器組成。

氣體質(zhì)量流量控制器用于測(cè)量和控制載氣的流量，載氣的流量取決于具體的應(yīng)用制程和液態(tài)源的類(lèi)型。液體質(zhì)量流量控制器用于測(cè)量和控制液源的流量?；旌祥y與蒸發(fā)器，用于液體源和載氣的混合和汽化?？刂破饔糜诹髁坑?jì)、混合閥、蒸發(fā)器的控制，控制器配置有通訊端口，用于與上位機(jī)的通訊。

工作過(guò)程中，液態(tài)源通過(guò)液體質(zhì)量流量控制器定量送入混合閥，同時(shí)，載氣也通過(guò)氣體質(zhì)量流量控制器定量送入混合閥，混合后的氣液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器通過(guò)控制溫度完成氣液混合物的完全汽化并通入反應(yīng)室。

整個(gè)工作過(guò)程響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.5 s，精度可達(dá)1%，這大大提高了液態(tài)源的輸送性能，能滿(mǎn)足目前前沿的液態(tài)源工藝制程，包括化學(xué)氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)等。

該系統(tǒng)應(yīng)用面廣，可應(yīng)用于常壓、真空、高壓反應(yīng)腔體。而且由于整個(gè)工作過(guò)程無(wú)需使用價(jià)格昂貴的恒溫裝置，節(jié)省了大量的成本。

相比老式的液態(tài)源鼓泡法輸送系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)由于可以采用集中供液，徹底取消了鼓泡法輸送系統(tǒng)頻繁加液的操作，減少了操作人員的使用風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 液態(tài)源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.2 特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)

液態(tài)源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)具有以下特征：

（1）精度高?；跉怏w和液體質(zhì)量流量控制器的控制，相比傳統(tǒng)的液態(tài)源鼓泡法輸送系統(tǒng)，精度可提高80%。

（2）響應(yīng)快。液態(tài)源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)，由于采用了氣液混合后直接汽化，整個(gè)過(guò)程響應(yīng)快，相當(dāng)于氣體輸送的響應(yīng)速度。這對(duì)一些對(duì)響應(yīng)速度要求高的工藝制程意義非常大，如原子層沉積系統(tǒng)（ALD）。

（3）應(yīng)用范圍廣。該系統(tǒng)應(yīng)用面廣，可應(yīng)用于常壓、真空、高壓反應(yīng)腔體。

（4）液態(tài)源可采用集中供液。液態(tài)源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)的載氣和液態(tài)源均可以集中供應(yīng)，尤其是液態(tài)源的集中供給，由于避免了危險(xiǎn)液態(tài)源的分散儲(chǔ)存、頻繁加液等問(wèn)題，具有良好的應(yīng)用前景。

（5）安全性高。液態(tài)源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)整個(gè)輸送管路采用雙層耐腐蝕耐壓管，可靠性高，無(wú)需石英鼓泡裝置，安全性能好。

4 結(jié) 論

液態(tài)源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)符合精度更高、自動(dòng)化程度更好、資源節(jié)約、環(huán)境友好的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。相比傳統(tǒng)的液態(tài)源輸送技術(shù)，液態(tài)源可控蒸發(fā)輸送系統(tǒng)精度可提高80%，響應(yīng)時(shí)間可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)由于其可采用集中供液系統(tǒng)并且安全性高的特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 劉仁杰，周大良. 適應(yīng)光伏電池生產(chǎn)的數(shù)字化車(chē)間智能制造系統(tǒng)[J]. 電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備. 2013，3.1-4.

[2] 曹騫，趙加寶，禹慶榮. 基于CAN 總線(xiàn)的光伏設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化.2013，3.148-151.