液态源可控蒸发输送系统

吴得轶，杨 彬

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111)

在太阳能电池、微电子等半导体工艺制程中，液态源以生产效率高、成膜特性好、气压小不易泄漏等优点，广泛应用于扩散、氧化、化学气相沉积等工艺。

液态源作为掺杂或化学气相沉积（CVD）等工艺中的原料，其输送的的稳定性、重复性和精度直接影响到工艺的品质，随着对工艺品质要求越来越高，液态源输送的稳定性越来越引起重视。除此之外，在现有的液态源输送方案中，一部分液态源也因具有强腐蚀性、毒性，整个搬运、存储、使用等环节十分繁琐，一些应用场合急需提出新的液态源输送方案，以简化使用风险。

本文对液态源输送的技术现状进行阐述，分析了现有技术的特性和缺点，并结合未来工艺对装备要求的趋势，在此基础上提出了一种新型液态源输送系统，并简要介绍了其结构组成，特点及实现。

1 技术现状分析

1.1 液态源输送的技术现状

目前液态源的输送主要有鼓泡法、直接注入法、自然蒸发法等，其中以鼓泡法应用最为广泛。

鼓泡法是通过载气携带液态源蒸汽的一种方法，该方法装置简单，可用于常压和真空反应腔体当中，适用于气体携带水、甲醇、乙醇、丙酮、苯、三氯氧磷、三氯乙烷等多种液态源，目前已经广泛用于扩散炉和化学气相沉积设备（CVD）当中。

鼓泡法液态源输送要达到精确控制，载气携带出的蒸气必须是在设定温度下液态源的饱和蒸气，其次载气的流量也必须精确控制。除此之外，必须保证载气和液态源蒸汽混合后的管路通畅无阻、温度适当以确保混合气不出现冷凝的现象。

图1 是典型的液态源鼓泡输送装置，该装置采用恒温装置控制液态源的温度，间接实现控制液态源的饱和蒸汽压，同时通过质量流量控制器精确控制载气流量，实现液态源蒸汽的稳定输送。

通常情况下，鼓泡装置的蒸汽输送管路设置有蒸汽压监测装置，用以监测蒸汽输送的情况。为了防止液态源蒸汽在输送过程中的冷凝，恒温槽控制的液态源温度一般低于环境温度，以保证液态源饱和蒸汽在管路中的冷凝。同时，输送管路的通径必须不能出现急剧变小、或不通畅的情况，以避免蒸汽压缩冷凝现象。

图1 液态源鼓泡输送装置

1.2 亟待解决的主要问题

作为目前主要的液态源输送方式，鼓泡法液态源输送应用范围虽广，但是在实践过程中，也发现一系列缺点，主要体现如下：

（1）精度不高。在精确控制液态源温、载气流量的情况下，鼓泡法液态源输送精度在2%～5%，无法满足高精度的应用；

（2）响应慢、长期稳定性不佳。鼓泡法液态源输送响应时间在2～5 s，而且容易受液态源雾化空间变化、目标腔体压力等影响，稳定性不佳。

（3）维护量大。受液态源恒温装置的体积、预留雾化空间的影响，液态源的容器一般不能做的太大，再加上预留的雾化空间，每次液态源的装载量很有限，这导致了更换频率高，增加了维护的工作量。

（4）使用成本高。鼓泡装置需要配备成本高昂的液态源温控制装置和载气质量流量计。在大批量使用的情况下，成本高。

（5）部分应用安全风险大。由于部分液态源具有剧毒、强腐蚀的特点，而鼓泡容器又往往是石英材质，鼓泡容器因腔内压力过大、磕碰导致的碎裂在实际应用过程中时有发生，其引起的安全问题不容忽视。

2 技术发展趋势

目前，太阳能电池、微电子等半导体装备正朝着精度更高、自动化程度更好、资源节约、环境友好等方向发展，这对设备的子系统应用提出了更高的要求。新一代液态源输送系统为了满足扩散、氧化、各种化学气相沉积等工艺装备技术发展的需要，将具有如下技术特征[1]：

（1）精度高。随着太阳能电池、微电子等半导体工艺制程的不断升级，相关的扩散、氧化、各种化学气相沉积等工艺制程对新一代液态源输送系统的精度要求也越来越高。

（2）自动化程度好。自动化程度高不仅可以减少使用、维护的负担，而且可以减少操作人员与液态源的接触，减少安全事件的发生概率。

（3）资源节约、环境友好。微电子、半导体产业装备要在激烈的市场竞争中脱颖而出，不仅要在精度、自动化等关键技术指标取得优势，而且要在使用、维护等各个环节符合资源节约、环境友好的特性[2]。

3 液态源输送系统的提出

根据新一代液态源输送系统的技术特征，提出一种液态源可控蒸发输送系统。

3.1 系统组成

液态源可控蒸发输送系统如图2 所示，整个系统主要由气体质量流量控制器、液体质量流量控制器、混合阀、蒸发器、控制器组成。

气体质量流量控制器用于测量和控制载气的流量，载气的流量取决于具体的应用制程和液态源的类型。液体质量流量控制器用于测量和控制液源的流量。混合阀与蒸发器，用于液体源和载气的混合和汽化。控制器用于流量计、混合阀、蒸发器的控制，控制器配置有通讯端口，用于与上位机的通讯。

工作过程中，液态源通过液体质量流量控制器定量送入混合阀，同时，载气也通过气体质量流量控制器定量送入混合阀，混合后的气液混合物进入蒸发器，蒸发器通过控制温度完成气液混合物的完全汽化并通入反应室。

整个工作过程响应时间可达0.5 s，精度可达1%，这大大提高了液态源的输送性能，能满足目前前沿的液态源工艺制程，包括化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）、金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)等。

该系统应用面广，可应用于常压、真空、高压反应腔体。而且由于整个工作过程无需使用价格昂贵的恒温装置，节省了大量的成本。

相比老式的液态源鼓泡法输送系统相比，该系统由于可以采用集中供液，彻底取消了鼓泡法输送系统频繁加液的操作，减少了操作人员的使用风险。

图2 液态源可控蒸发输送系统简图

3.2 特点及实现

液态源可控蒸发输送系统具有以下特征：

（1）精度高。基于气体和液体质量流量控制器的控制，相比传统的液态源鼓泡法输送系统，精度可提高80%。

（2）响应快。液态源可控蒸发输送系统，由于采用了气液混合后直接汽化，整个过程响应快，相当于气体输送的响应速度。这对一些对响应速度要求高的工艺制程意义非常大，如原子层沉积系统（ALD）。

（3）应用范围广。该系统应用面广，可应用于常压、真空、高压反应腔体。

（4）液态源可采用集中供液。液态源可控蒸发输送系统的载气和液态源均可以集中供应，尤其是液态源的集中供给，由于避免了危险液态源的分散储存、频繁加液等问题，具有良好的应用前景。

（5）安全性高。液态源可控蒸发输送系统整个输送管路采用双层耐腐蚀耐压管，可靠性高，无需石英鼓泡装置，安全性能好。

4 结 论

液态源可控蒸发输送系统符合精度更高、自动化程度更好、资源节约、环境友好的技术发展趋势。相比传统的液态源输送技术，液态源可控蒸发输送系统精度可提高80%，响应时间可提高一个数量级，同时由于其可采用集中供液系统并且安全性高的特点，具有很好的应用前景。

[1] 刘仁杰，周大良. 适应光伏电池生产的数字化车间智能制造系统[J]. 电子工业专用设备. 2013，3.1-4.

[2] 曹骞，赵加宝，禹庆荣. 基于CAN 总线的光伏设备智能监控系统的研究与设计[J].计算机与现代化.2013，3.148-151.