CN103320768A - 化学气相沉积装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种化学气相沉积（CVD）装置，包括至少一载盘，以非水平方式置放；及至少一承载器，设于载盘的第一表面，用以承载晶圆。承载器可绕承载器轴心作旋转。供气头可设于或靠近载盘的中心。供气头可释放反应气体，往载盘的边缘作辐射状流动。承载器具有一质量中心，其偏离承载器轴心，当载盘旋转时，使得承载器可相对于载盘运动。

Description

化学气相沉积装置及系统

技术领域

本发明涉及一种化学气相沉积（CVD），特别是涉及一种具有非直立载盘（susceptor）的化学气相沉积装置。

背景技术

化学气相沉积（CVD）是一种制造薄膜的半导体工艺。传统化学气相沉积装置的反应室通常包括有水平置放的石墨载盘。位于载盘上方的供气头（showerhead）提供反应气体至承载于载盘上的一片或多片晶圆。反应气体与晶圆反应后，于晶圆上形成所需的薄膜。

载盘一般可承载相当数量的晶圆，因此每一台化学气相沉积装置会占用相当大的面积，使得半导体厂房能够容纳的化学气相沉积装置的数量受到限制。鉴于传统化学气相沉积装置的体积庞大并占用场地，因此亟需提出一种新颖的化学气相沉积装置或系统，其能够占用半导体厂房较少的面积。

发明内容

本发明提供一种化学气相沉积（CVD）装置，包括：至少一载盘，以非水平方式置放；至少一承载器，设于载盘的第一表面，用以承载一片或多片晶圆，承载器可绕承载器轴心作旋转；及一供气头，设于或靠近载盘的中心，其中供气头在操作时释放一反应气体，反应气体向载盘的边缘作辐射状流动。

本发明还提供一种化学气相沉积（CVD）装置，包括：至少一载盘，以非水平方式置放；及至少一承载器，设于载盘的第一表面，用以承载一片或多片晶圆，承载器可绕承载器轴心作旋转；其中承载器具有一质量中心，质量中心偏离承载器轴心，当载盘旋转时，使得承载器相对于载盘作运动。

本发明还提供一种化学气相沉积（CVD）系统，包括：多个化学气相沉积装置，每一个化学气相沉积装置与至少一个其他化学气相沉积装置相邻，每一个化学气相沉积装置包括：至少一载盘，以非水平方式置放；及至少一承载器，设于载盘的第一表面，用以承载一片或多片晶圆，承载器可绕一承载器轴心旋转；其中承载器具有一质量中心，其偏离承载器轴心，当载盘旋转时，使得承载器相对于该载盘运动。

本发明实施例的化学气相沉积装置较传统化学气相沉积装置占用较少的面积，使得半导体厂房可以容纳更多数量的化学气相沉积装置。在一些实施例中，化学气相沉积系统堆叠多个化学气相沉积装置，可更进一步增强场地的利用、大量生产及成本的效能。

附图说明

图1A显示本发明实施例之化学气相沉积装置的剖面图。

图1B显示本发明另一个实施例的化学气相沉积装置的剖面图。

图2显示图1A及图1B沿断线2-2的载盘平面图。

图3A至图3D显示承载器的各种实施方式。

图4显示本发明另一个实施例的化学气相沉积装置的剖面图。

图5显示本发明另一个实施例的化学气相沉积装置的剖面图。

图6显示本发明另一个实施例的化学气相沉积装置的剖面图。

图7显示图6沿断线7-7的载盘平面图。

图8显示垂直堆叠化学气相沉积系统的剖面图。

图9显示水平堆叠化学气相沉积系统的上视图。

图10显示不具有反应室壁的水平堆叠化学气相沉积系统的上视图。

图11显示另一个不具有反应室壁的水平堆叠化学气相沉积系统的上视图。

参考标记列表

2-2    断线

7-7    断线

10     载盘

10A    载盘

10B    载盘

11     供气头

12     排气板

12A    排气板

12B    排气板

13     加热器

14A    马达

14B    马达

15     反应室壁

21     供气喷嘴

21’   供气喷嘴

30     预设范围

32     轴承

100    化学气相沉积装置

100’  化学气相沉积装置

100’’化学气相沉积装置

100”’化学气相沉积装置

100””化学气相沉积装置

101    承载器

101A   承载器

101B   承载器

102    质量中心

103    区域中心

104    配重

105A   旋转筒

105B   旋转筒

106A   承载器齿轮

106B   承载器齿轮

107A   载盘滚轮

107B   载盘滚轮

108A   承载器滚轮

108B   承载器滚轮

111    气体管线

112    冷却剂管线

113    突出部

114A   固定齿轮

114B   固定齿轮

115    固定筒

116    供气入口

120A   排气孔

120B   排气孔

121    排气出口

141A   齿轮

141B   齿轮

800    化学气相沉积系统

900    化学气相沉积系统

1000   化学气相沉积系统

1100   化学气相沉积系统具体实施方式

图1A显示本发明实施例的化学气相沉积装置100的剖面图。在一个实施例中，化学气相沉积装置100包括至少一载盘10，其以非水平方式置放。例如，载盘10以大致垂直方式置放（例如，载盘的轴心大约垂直于重力方向）。在一个实施例中，如图1A所示，化学气相沉积装置100包括两个面对的载盘10A及10B。

图1B显示本发明另一个实施例的化学气相沉积装置100’的剖面图。在一个实施例中，载盘10A、10B与重力方向之间的夹角大约为45°。例如，如图1B所示，载盘10A、10B与重力方向之间的夹角大约为15°。

图2显示图1A及图1B沿断线2-2的载盘10平面图。载盘10的第一表面（例如正面）设有至少一承载器101，用以承载一片或多片晶圆（未示出）。承载器101可为石墨盘。在一个实施例中，承载器101可相对于载盘10旋转。承载器101可绕承载器轴心旋转，其大约平行于载盘轴心，且与载盘轴心分开。所述载盘轴心（或承载器轴心）可以是实体轴心，用以承载并旋转载盘（或承载器）；所述载盘轴心（或承载器轴心）也可以为虚拟（或假想）轴心，而载盘（或承载器）则绕该轴心作旋转。

在一个实施例中（例如图1A所示化学气相沉积装置100），使用一个或多个固定机构（未示出）以避免承载器101自载盘10掉落。固定机构在某些实施例中（例如图1B所示化学气相沉积装置100’）则可以省略。

在一个实施例中，如图3A所示，承载器101的质量中心102偏离区域中心103（或承载器轴心）。偏离的质量中心102使得承载器101可相对于载盘10运动。在一个实施例中，承载器101包括配重（counterweight）104（如图2所示），其使得承载器101的质量中心102偏离区域中心103。由此，当载盘10旋转时，承载器101会因重力的作用而保持直立，就如同摩天轮的座椅一般。偏离的质量中心102可以使用各种方式来实施。例如，如图3B所示，可于承载器101的边缘耦接（例如加挂）一质量30。如图3C所示，晶圆的置放偏离区域中心103。晶圆可置放于偏离区域中心103的预设范围31内。如图3D所示，可于承载器101周围设置轴承32，使得承载器101与载盘10之间作限定的相对旋转。还可附加质量33于轴承32上，以形成偏离的质量中心。在一个实施例中，轴承32包括一内轴承与一外轴承，其中内轴承固定于承载器101并附加有质量或配重，而外轴承固定于载盘10。在另一个实施例中，轴承32可包括一上轴承与一下轴承，其中上轴承固定于承载器101并附加有质量或配重，而下轴承固定于载盘10。

再参阅图1A、图1B及图2，供气头（showerhead）11可设于或靠近载盘10的中心。在一个实施例中，如图1A及图1B所示，供气头11位于且共享于两个载盘10A、10B之间。通过共享供气头11，可以实质地降低整体成本。一般来说，供气头11可共享于两个以上互相面对的载盘，其可排列为三角形、四边形或多边行。

在一个实施例中，反应气体从供气头11的供气喷嘴（nozzle）21（如图示的中空圆）释出，且依半径方向往载盘10A、10B的边缘作辐射状流动（如图2所示的箭号），以提供反应气体给承载器101所承载的一片或多片晶圆。在一个实施例中，供气头11为圆柱体状，而供气喷嘴21则形成于供气头11的圆柱体表面。供气头11可设至少一气体管线111及至少一冷却剂管线112，用以分别提供反应气体（或/及洗涤（purge）气体）及冷却剂。

在一个实施例中，排气板（exhaust outlet plate）12A及12B分别靠近载盘10A及10B的第二表面（背面），并固定于地面。排气板12A、12B上设有复数排气孔120A、120B。在一个实施例中，如图2所示，排气板12上缘处的（上）排气孔120A的孔径大于排气板12下缘处的（下）排气孔120B。由于上排气孔120A流阻(flow resistance)低于下排气孔120B，且因为反应气体会被重力往下拉引，因此上排气孔120A较下排气孔120B设有较大孔径，可以使得排放气体得以平顺且有效地排出。在一个实施例中，加热器13设于载盘10A、10B的第二表面（背面）后面，用以对支撑于承载器101A、101B的晶圆加热。

在一个实施例中，如图1A及图1B所示，载盘10A、10B的第二表面（背面）延伸有旋转筒（rotating shell）105A、105B。马达14A、14B可经由齿轮141A、141B以驱动旋转该旋转筒105A、105B，因而得以旋转载盘10A、10B。

图4显示本发明另一个实施例的化学气相沉积装置100’’的剖面图。图4所示化学气相沉积装置100’’类似于图1A所示的化学气相沉积装置100，不同的地方在于化学气相沉积装置100’’包括延伸自供气头11的突出部（flange）113，其表面设有供气喷嘴21’。从突出部113的供气喷嘴21’所释放的反应气体，以辐射的流向垂直于供气头11的供气喷嘴21。

图5显示本发明另一个实施例的化学气相沉积装置100’’’的剖面图。图5所示化学气相沉积装置100’’’类似于图1A所示的化学气相沉积装置100，不同的地方在于化学气相沉积装置100’’’不需使用配重104（图2）。如图5所示，承载器齿轮（holder gear）106A、106B分别附接于承载器101A、101B的边缘，用以取代配重。在一个实施例中，固定齿轮（fixed gear）114A、114B附接于延伸自供气头11的固定筒（fixedshell）115。当载盘10A、10B旋转时，承载器101A、101B通过承载器齿轮106A、106B与固定齿轮114A、114B之间的啮合，而得以相对于载盘10A、10B旋转。

第六图图6显示本发明另一个实施例之的化学气相沉积装置100’’’’的剖面图，第七图图7显示第六图图6沿断线7-7的载盘10正视图平面图。化学气相沉积装置100’’’’类似于第五图图5所示的化学气相沉积装置100’’’，不同的地方在于化学气相沉积装置100’’’’使用一个或多个载盘滚轮（susceptor roller）107A、107B以及一个或多个承载器滚轮（holder roller）108A、108B，以取代承载器齿轮106A、106B与固定齿轮114A、114B。在于一个实施例中，载盘滚轮107A、107B支撑及旋转载盘10A、10B，且承载器滚轮108A、108B支撑及旋转承载器101A、101B。如前所述，承载器101A、101B的旋转也可以使用实体轴心，例如插销（未显示出），用以支撑及旋转承载器。

虽然上述实施例系以单一化学气相沉积装置作为例示，然而也可以堆叠叠多个化学气相沉积装置，以形成一个化学气相沉积系统。例如，多个化学气相沉积装置可于一个化学气相沉积系统中彼此（水平或垂直）相邻置放。第八图图8显示垂直堆叠化学气相沉积系统800的剖面图。该化学气相沉积系统800包括多个垂直堆叠的化学气相沉积装置100。在一个实施例中，供气头11设于化学气相沉积系统800的顶端，用以提供反应气体。排气出口（exhaust outlet）121设于化学气相沉积系统800的底端，用以将排放气体自化学气相沉积系统800排出。在本实施例中，供气头11共享于所有化学气相沉积装置100之间，因而可以降低整体成本。

图9显示水平堆叠化学气相沉积系统900的上视图。该化学气相沉积系统900包括多个彼此相连或相邻的水平或垂直堆叠的化学气相沉积装置100。在一个实施例中，相邻化学气相沉积装置100以反应室壁15互相分隔。由此，每一个化学气相沉积装置100可独立操作以执行其化学气相沉积工艺。

图10显示不具有反应室壁的水平堆叠化学气相沉积系统1000的上视图。由此，所有化学气相沉积装置100可同时操作，以便于大量制造。在一个实施例中，每一个化学气相沉积装置100分别通过各自的供气头11以提供反应气体。图11显示另一个不具有反应室壁的水平堆叠化学气相沉积系统1100的上视图。在本实施例中，所有化学气相沉积装置100通过一个共同供气入口（gas inlet）116而连接到所有供气头11，用以提供反应气体。

如前所述，载盘10可采用垂直或接近垂直的置放方式。在这些实施例中，载盘10呈大约垂直角度。然而，在另一些实施例中，如图1B所例示，载盘10可倾斜一定角度，足以使承载于承载器101的晶圆不需锁定也不至于掉落。

本发明并不限定于上述的实施例，而可作适当的改变。说明书中的描述仅用以阐述特定实施例，并非用以限定本发明。在本说明书中，单数冠词“一”或“该”可用以表示多个物件，除非有特别的说明限定。例如，“一装置”可包括两个或更多的装置；“一反应气体”可包含混合的多种反应气体。

本领域技术人员可根据本说明书以得到本发明相关特征的其他修饰或替代实施例。因此，本说明书仅作为阐释之用，用以教导本领域技术人员以执行本发明。前述关于本发明的描述系为目前已知的较佳实施例。本领域技术人员通过本说明书的描述当知，所述元件或材质可作适当的替换，所述物件或工艺的顺序可作改变，且本发明的部分特征也可单独使用。其它未脱离发明所揭示之精神下所完成之等效改变或修饰，均应包含在本申请专利保护范围内。

Claims (16)

1.一种化学气相沉积装置，包括：

至少一载盘，该载盘以非水平方式置放；

至少一承载器，该承载器设于所述载盘的第一表面，用以承载一片或多片晶圆，所述承载器可绕一承载器轴心旋转；以及

一供气头，该供气头设于或靠近所述载盘的中心，其中所述供气头在操作时释放一反应气体，该反应气体往所述载盘的边缘作辐射状流动。

2.根据权利要求1所述的化学气相沉积装置，其中所述承载器具有一质量中心，该质量中心偏离所述承载器轴心，当所述载盘旋转时，使得所述承载器可相对于所述载盘运动。

3.一种化学气相沉积装置，包括：

至少一载盘，该载盘以非水平方式置放；以及

至少一承载器，该承载器设于所述载盘的第一表面，用以承载一片或多片晶圆，所述承载器可绕一承载器轴心旋转；

其中所述承载器具有一质量中心，该质量中心偏离所述承载器轴心，当所述载盘旋转时，使得所述承载器可相对于所述载盘运动。

4.根据权利要求3所述的化学气相沉积装置，还包括一供气头，该供气头设于或靠近所述载盘的中心。

5.根据权利要求2或3所述的化学气相沉积装置，其中所述承载器包括一配重，该配重耦接于所述承载器的边缘，使得所述承载器的所述质量中心偏离所述承载器轴心。

6.根据权利要求2或3所述的化学气相沉积装置，其中所述晶圆置放于偏离所述承载器轴心的预设范围内。

7.根据权利要求2或3所述的化学气相沉积装置，还包括一轴承，该轴承设于所述承载器的周围，使得所述承载器与所述载盘之间作限定的相对旋转，且附加一质量于所述轴承上，以形成一偏离的质量中心。

8.根据权利要求7所述的化学气相沉积装置，其中所述轴承包括一内轴承以及一外轴承，该内轴承固定于所述承载器并附加有所述质量，该外轴承固定于所述载盘。

9.根据权利要求7所述的化学气相沉积装置，其中所述轴承包括一上轴承以及一下轴承，该上轴承固定于所述承载器并附加有所述质量，该下轴承固定于所述载盘。

10.根据权利要求1或4所述的化学气相沉积装置，其中所述供气头位于至少两个互相面对的所述载盘之间。

11.根据权利要求1或3所述的化学气相沉积装置，还包括一排气板，该排气板上设有多个排气孔，所述排气板靠近所述载盘的第二表面，该第二表面与所述第一表面相对，且所述排气板固定于地面，且所述排气板上缘处的排气孔的孔径大于所述排气板下缘处的排气孔的孔径。

12.根据权利要求1或3所述的化学气相沉积装置，还包括一加热器，该加热器设于所述载盘的第二表面附近，该第二表面与所述第一表面相对，所述加热器用以对支撑于所述承载器的所述晶圆加热。

13.根据权利要求1或4所述的化学气相沉积装置，还包括一突出部，该突出部延伸自所述供气头，所述突出部的表面设有一供气喷嘴，该供气喷嘴面对所述晶圆。

14.根据权利要求1或4所述的化学气相沉积装置，还包括一承载器齿轮以及一固定齿轮，该承载器齿轮附接于所述承载器的边缘，该固定齿轮附接于延伸自所述供气头的一固定筒；当所述载盘旋转时，所述承载器通过所述承载器齿轮与所述固定齿轮之间的啮合，而得以相对于所述载盘旋转。

15.根据权利要求1或3所述的化学气相沉积装置，还包括至少一载盘滚轮以及至少一承载器滚轮，该载盘滚轮用以支撑及旋转所述载盘，该承载器滚轮用以支撑及旋转所述承载器。

16.根据权利要求1或3所述的化学气相沉积装置，多个化学气相沉积装置彼此垂直堆叠或水平堆叠，还包括至少一反应室壁，该反应室壁位于至少两个相邻的所述化学气相沉积装置之间。

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