CN106906453A - 喷头组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理半导体衬底的沉积设备的喷头组件的面板，包括以不对称图案布置的气孔，所述气孔具有基本上均匀的或在整个面板上变化的孔密度。面板可以包括下壁和从下壁的外周垂直向上延伸的外壁。外壁密封到背板的外周，使得在面板和背板之间形成内集气室。面板中的气孔图案避免了对称性，对称性可能导致处理后的衬底上的缺陷。

Description

喷头组件
技术领域
本发明涉及用于处理衬底的衬底处理设备，并且可以在可操作以沉积薄膜的等离子体增强化学气相沉积处理设备中找到特定用途。
背景技术
衬底处理设备用于通过包括蚀刻、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)、脉冲沉积层(PDL)、等离子体增强脉冲沉积层(PEPDL)和抗蚀剂去除的技术处理衬底，诸如半导体、玻璃或聚合物衬底。衬底处理设备的一种类型是等离子体处理设备，其包括含有上电极和下电极的反应室，其中在电极之间施加射频(RF)功率以将处理气体激发成用于处理反应室中的衬底的等离子体。
发明内容
本文公开了一种用于处理衬底的沉积设备的喷头组件的面板。面板包括以不对称图案布置的气孔，以实现均匀的膜沉积并避免由对称的孔图案引起的颗粒缺陷。
本文还公开了包括喷头组件的沉积设备和制造面板的方法。
本文进一步公开了一种在包括喷头组件的沉积设备中的衬底的上表面上沉积材料的方法。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种在用于处理半导体衬底的沉积设备中有用的喷头的面板，所述面板具有气孔的不对称气孔图案，其中所述气孔沿着曲线间隔开，所述曲线在所述面板的中心向外处相交，所述气孔图案具有延伸穿过所述面板的非径向和非同心分布的气孔。
2.根据条款1所述的面板，其中所述气孔位于所述曲线的相交处，其中所述曲线围绕所述面板的中心沿顺时针和逆时针方向向外延伸，顺时针线在沿逆时针线的单个位置处与所述逆时针线相交。
3.根据条款1所述的面板，其中，所述面板包括容纳所述气孔的底壁、从所述底壁的外周向上延伸的侧壁、从所述侧壁的上端向内延伸的顶壁、以及从所述底壁的上表面向上延伸的可选的柱，所述柱成锥形且在所述底壁的上表面处直径较小。
4.根据条款1所述的面板，其中气孔位于所述面板的中心。
5.根据条款2所述的面板，其中(a)沿顺时针曲线定位的相邻气孔之间的距离大约等于沿逆时针曲线定位的相邻气孔之间的距离，或者(b)气孔的顺时针曲线的总数和气孔的逆时针曲线的总数是斐波那契序列的连续成员。
6.根据条款2所述的面板，其中(a)气孔的顺时针曲线的总数与气孔的逆时针曲线的总数的比接近黄金比(1.6180)或(b)气孔的逆时针曲线的总数对孔的顺时针曲线的总数的比接近黄金比率(1.6180)。
7.根据条款2所述的面板，其中(a)在所述气孔图案的外周处具有少于100个的气孔的逆时针曲线和至少140个的气孔的顺时针曲线，或者(b)在气孔图案的外周处具有少于100个的气孔的顺时针曲线和至少140个的气孔的逆时针曲线。
8.根据条款2所述的面板，其中(a)所述气孔以伏格尔模式布置或(b)每个所述气孔具有约0.04英寸的直径。
9.根据条款1所述的面板，其中(a)所述气孔的图案具有至少3000个气孔，或者(b)所述气孔的密度在所述面板上变化。
10.根据条款1所述的面板，其中所述气孔图案具有从所述面板的中心到所述气孔图案的外周的每单位面积大约相同数量的气孔。
11.根据条款1所述的面板，其中，每个所述气孔具有由极坐标rn和θn根据以下公式定义的径向位置：
θn×c1|n和
其中c1和c2是常数，且c1/2pi是无理数。
12.根据条款11所述的面板，其中c1是黄金角(2.39996弧度或137.508°)。
13.根据条款1所述的面板，其中(a)所述孔的密度(每单位面积的孔数)在所述面板上变化，使得所述孔的密度在所述面板的外部区域中比在所述面板的内部区域至少大10％或孔的密度在所述面板的内部区域中比在所述面板的外部区域大至少10％，或者(b)所述气孔图案没有对称线和所述孔均匀分布。
14.一种用于处理衬底的沉积设备，所述沉积设备包括：
真空室，其包括其中可以处理衬底的处理区；
与所述真空室流体连通的至少一个气体源，所述至少一个气体源可操作以在处理期间将工艺气体供应到所述真空室中；
包括如条款1所述的面板和背板的喷头组件，所述背板包括与所述至少一个气体源流体连通的至少一个气体入口，所述面板中的所述气孔在处理期间将所述工艺气体分配到所述真空室中；和
衬底基座组件，其被配置为当在所述沉积设备中处理衬底时将所述衬底支撑在其上表面上。
15.根据条款14所述的沉积设备，其中
所述喷头组件还包括杆，其中所述背板从所述杆的下端横向向外延伸，所述杆具有至少一个垂直延伸穿过其中的气体通道，所述气体通道与所述至少一个气体源流体连通。
16.根据条款14所述的沉积设备，其中，内集气室位于所述背板的下表面、所述面板的上表面和所述面板的外壁的下内表面之间。
17.一种在条款14所述的沉积设备中在衬底的上表面上沉积材料的方法，所述方法包括：
将所述衬底支撑在设置在沉积设备的真空室中的所述衬底基座组件的上表面上；
通过所述面板中的气孔从至少一个气体源供应至少一种气体；
将所述至少一种气体激发成等离子体；和
在所述衬底的上表面上均匀地沉积材料。
18.一种制造如条款1所述的面板的方法，包括：
钻出所述气孔使得每个孔与径向相邻的气孔之间的角度为约137.5°。
19.根据条款18所述的方法，其中所述面板是金属板。
20.根据条款19所述的方法，其中所述金属板包括铝合金板，并且用数控钻孔机钻出所述气孔。
附图说明
图1示出了根据本文公开的一个实施方式示出的沉积设备的概观的示意图。
图2A示出了如本文公开的沉积设备的喷头组件的一个实施方式。
图2B示出了本文公开的沉积设备的喷头组件的一个实施方式。
图3A示出了本文公开的沉积设备的喷头组件的一个实施方式。
图3B示出了图3A的细节A。
图4示出了本文所公开的沉积设备的喷头组件的一个实施方式。
图5A和5B示出了边缘集气孔图案。
图6示出了根据一个优选实施方式的气孔图案。
图7A示出了在气孔图案的中心区域中具有较大密度的孔的气孔图案，并且图7B示出了在气孔图案的外部区域中具有较大密度的孔的气孔图案。
图8示出了根据伏格尔方程的孔图案。
图9是具有不对称气孔图案的面板的底视图，并且图10示出了根据细节A的图9中的面板的一部分。
图11示出了图9所示的面板的俯视图，并且图12A是沿图11中的线B-B的面板的横截面图，以及图12B是图12A中的细节C的放大图。
具体实施方式
在下面的详细公开中，阐述了示例性实施方式以便提供对本文公开的设备和方法的理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或通过使用替代的元件或过程来实践示例性实施方式。在其他情况下，不详细描述公知的处理、过程、和/或组件，以免不必要地模糊本文公开的实施方式的方面。图中相似的数字表示相似的元件。本文所用的术语“约”是指±10％。
本文公开了一种喷头组件，其可操作以将工艺气体输送到真空室中并在半导体衬底上形成均匀的膜。如本文所用的气体包括一种或多种气体或蒸气，和/或气体/蒸汽混合物。喷头组件包括与可操作以供应处理气体、调谐气体、净化气体和/或其组合的至少一个气体源流体连通的内集气室。优选地，气体源可操作以供应气体(例如，气体或蒸气混合物)，该气体可在沉积设备的真空室中被激发成等离子体，使得可在衬底的上表面上执行等离子体沉积工艺。
本文公开的实施方式优选地在诸如等离子体增强化学沉积设备(即PECVD设备、PEALD设备或PEPDL设备)的沉积设备中实施，然而，它们不限于此。图1提供了描绘被布置用于实现如本文所公开的实施方式的各种衬底等离子体处理设备部件的简单框图。如图所示，衬底等离子体处理设备300包括用于在处理区域中容纳等离子体的真空室324，其由包括喷头组件314的电容器型系统产生，喷头组件314可选地在其中具有上部RF电极(未示出)，所述上部RF电极与其中具有下部RF电极(未示出)的衬底基座组件320协同工作。至少一个RF发生器可操作以将RF能量供应到真空室324中的衬底316的上表面上方的处理区域中，以将供应到真空室324的处理区域中的气体激励为等离子体，使得等离子体沉积工艺在真空室324中执行。例如，高频RF发生器302和低频RF发生器304可以各自连接到匹配网络306，匹配网络306连接到喷头组件314的上部RF电极，从而可以将RF能量供应到真空室324中的衬底316上方的处理区域。
由匹配网络306提供到真空室324的内部的RF能量的功率和频率足以从气体产生等离子体。在一个实施方式中，使用高频RF发生器302和低频RF发生器304，在一个替代实施方式中，仅使用高频RF发生器302。在一个工艺中，高频RF发生器302可以在约2-100MHz的频率下操作；在一个优选实施方式中为13.56MHz或27MHz。低频RF发生器304可以在大约50kHz至2MHz操作；在一个优选实施方式中为约350至600kHz。可以基于室体积、衬底尺寸和其他因素来缩放工艺参数。类似地，气体的流速可以取决于真空室或处理区的自由体积。
衬底基座组件320的上表面在真空室324内的处理期间支撑衬底316。衬底基座组件320可以包括卡盘，其保持衬底和/或提升销以在沉积和/或等离子体处理工艺之前、期间和/或之后升高和降低所述衬底。在一替代实施方式中，衬底基座组件320可以包括在沉积和/或等离子体处理工艺之前、期间和/或之后升高和降低衬底的载体环。卡盘可以是静电卡盘、机械卡盘或可用于工业和/或研究中的各种其它类型的卡盘。用于包括静电卡盘的衬底基座组件的提升销组件的细节可以在共同转让的美国专利No.8,840,754中找到，该专利的全部内容通过引用并入本文。用于衬底基座组件的载体环的细节可以在共同转让的美国专利No.6,860,965中找到，该专利的全部内容通过引用并入本文。背侧气体供应器341可操作以在处理期间通过衬底基座组件320将传热气体或净化气体供应到衬底的下表面下方的区域。衬底基座组件320可以包括其中的下部RF电极，其中下部RF电极优选在处理期间接地，然而在一替代实施方式中，下部RF电极可以在处理期间被供应RF能量。
为了在衬底等离子体处理设备300的真空室324中处理衬底，气体从气源362通过入口312和喷头组件314引入真空室324，其中气体用RF能量形成等离子体，使得膜可以沉积到衬底的上表面上。在一个实施方式中，气体源362可以包括连接到加热歧管308的多个气体管线310。气体可以预混合或单独供应到室。采用适当的阀门和质量流量控制机构以确保在衬底处理期间通过喷头组件314输送正确的气体。在处理期间，可选地将背侧传热气体或净化气体供应到支撑在衬底基座组件320上的衬底的下表面下方的区域。优选地，所述处理是化学气相沉积处理、等离子体增强化学气相沉积处理、原子层沉积处理、等离子体增强原子层沉积处理、脉冲沉积层处理或等离子体增强脉冲沉积层处理中的至少一种。
在某些实施方式中，采用系统控制器162来控制在沉积、沉积后处理和/或其他工艺操作期间的工艺条件。控制器162通常将包括一个或多个存储器装置和一个或多个处理器。处理器可以包括CPU或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进电机控制板等。
在某些实施方式中，控制器162控制设备的所有活动。系统控制器162执行系统控制软件，所述软件包括用于控制工艺操作的定时、低频RF发生器304和高频RF发生器302的操作的频率和功率、前体和惰性气体及其相对混合的流速和温度、支撑在衬底基座组件320的上表面上的衬底316和喷头组件314的等离子体暴露表面的温度、真空室324的压力、以及特定工艺的其他参数的指令组。在一些实施方式中可以采用存储在与控制器相关联的存储器设备上的其他计算机程序。
通常，将存在与控制器162相关联的用户界面。用户界面可以包括显示屏、设备的图形软件显示和/或工艺条件，以及诸如定点设备、键盘、触摸屏、麦克风等的用户输入设备。
非暂时性计算机机器可读介质可以包括用于控制设备的程序指令。用于控制工艺操作的计算机程序代码可以以任何常规的计算机可读编程语言编写：例如汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其他。编译的目标代码或脚本由处理器执行以执行程序中标识的任务。
控制器参数涉及工艺条件，例如工艺步骤的定时、前体和惰性气体的流速和温度、衬底的温度、室的压力和特定工艺的其它参数。这些参数以配方的形式提供给用户，并且可以使用用户界面输入。
用于监视工艺的信号可以由系统控制器的模拟和/或数字输入连接提供。用于控制工艺的信号在设备的模拟和数字输出连接上输出。
系统软件可以以许多不同的方式设计或配置。例如，可以写入各种腔室部件子程序或控制对象以控制执行沉积工艺所需的腔室部件的操作。用于该目的的程序或程序段的示例包括处理步骤代码的衬底定时、前体和惰性气体代码的流速和温度、以及用于真空室324的压力的代码。
图2A和2B示出了如本文所公开的边缘集气喷头组件(喷头组件)314的实施方式的横截面。参考图2A和2B，喷头组件314包括面板240和背板230。背板230具有第一气体入口278和第二气体入口279，相应的第一和第二气体可以通过第一气体入口278和第二气体入口279供应到喷头组件314。面板240具有下(底)壁241和从下壁241的外周垂直向上延伸的外(侧)壁242。外壁242可密封到背板230的外周232，使得在面板240和背板230之间形成内集气室250和边缘集气室255。背板230的外周232优选地冶金结合(即焊接、铜焊、扩散结合等)到面板240的外壁242。外壁242可以冶金地结合(即焊接、铜焊、扩散结合等)到下壁241，或可替换地，面板240可以制成单件。
面板240包括第一气体输送区域214和第二气体输送区域215，所述第一气体输送区域214经由内集气室250与第一气体入口278流体连通，使得在衬底的处理期间可以供应第一气体通过其中，并且第二气体输送区域215通过边缘集气室255与第二气体入口279流体连通，使得在衬底的处理期间可以供应第二气体通过其中。在一个实施方式中，如图2A所示，第一和第二气体输送区域214、215形成在面板240的下壁241中，其中下壁241由金属材料、半导体材料或陶瓷材料制成，使得供应到与下壁241流体连通的相应内部和边缘集气室的第一和第二气体可以通过其供应。在一个实施方式中，下壁241可以由冶金地结合到外壁242的铝材料形成。
如图2B所示，第一气体输送区域214可以包括延伸穿过下壁241的上表面245和下表面254的第一组气体注入孔243，并且第二气体输送区域215可以包括延伸穿过外壁242的上表面和下壁241的下表面254的第二组气体注入孔244。背板230的第一气体入口278通过内集气室250与第一组气体注入孔243流体连通，并且第二气体入口279经由边缘集气室255与第二组气体注入孔244流体连通。内集气室250和边缘集气室255不彼此流体连通，并且第一组气体注入孔243和第二组气体注入孔244不是空间交错的。
在一个实施方式中，如图2A所示，第二气体入口279可以位于背板230的外周232中，使得第二气体可以供应到边缘集气室255。在一个实施方式中，第二气体可以通过两个或更多个第二气体入口279供应到边缘集气室255。在一个替代实施方式中，如图2B所示，第二气体入口279可以位于背板230的外周232的横向内侧，其中，背板230包括至少一个横向延伸的气体通道231，其与第二气体入口279和边缘集气室255流体连通。优选地，在该实施方式中，第二气体入口279经由扩散器270与至少四个横向延伸的气体通道231流体连通，所述扩散器270可操作以在气体经由第二气体入口279供应到其中时，减小流经背板230的每个横向延伸的气体通道231的气体之间的压力差。
在一个实施方式中，如图2A所示，面板240的外壁242可以在其上表面中包括环形通道285，其中边缘集气室255形成在环形通道285的表面和背板230的外部下表面233之间。在一个替代实施方式中，如图2B所示，面板240的外壁242可以在其上表面中包括环形通道285，并且背板230可以在其外部下表面233中包括相对的环形通道295，其中边缘集气室255包括在相对的环形通道285、295的表面之间的环形空间。
图3A、3B和4示出了如本文所公开的边缘集气喷头组件(喷头组件)314的实施方式的横截面，其中边缘集气喷头组件314包括杆220。喷头组件314的杆220具有垂直延伸穿过其中的第一气体通道221，该第一气体通道221与背板230的第一气体入口278流体连通。在一个实施方式中，杆220还可包括垂直延伸穿过其中的第二气体通道222，该第二气体通道222与背板230的第二气体入口279流体连通。当喷头组件314安装在沉积设备的真空室中时，第一气体通道221与第一气体源362a流体连通，使得第一气体可以通过喷头组件314供应到真空室，并且第二气体通道222与第二气体源362b流体连通，使得第二气体可以通过喷头组件314供应到真空室。
背板230从杆220的下端横向向外延伸。在一个实施方式中，背板230和杆220可以形成为整体件，或者可替代地，背板230可以冶金地结合(即焊接、钎焊或扩散结合)到杆220的下端，其中背板230可包括与杆220的第一气体通道221流体连通的第一气体入口278。背板230包括至少一个横向延伸的气体通道231，该气体通道231通过第二气体入口279与杆的第二气体通道222流体连通。优选地，背板230包括至少四个横向延伸的气体通道231、至少六个横向延伸的气体通道231、至少八个横向延伸的气体通道或至少十个横向延伸的气体通道231。优选地，横向延伸的气体通道231围绕背板230等距离地间隔开。
喷头组件314包括面板240，其包括下壁241和从下壁241的外周垂直向上延伸的外壁242，其中外壁包括内表面247。外壁242的轴向厚度(即，高度)大于外壁242内侧的下壁241的轴向厚度。优选地，外壁242的轴向厚度比外壁242向内的下壁241的轴向厚度大至少两倍。下壁241优选地在外壁242的内部具有均匀的轴向厚度。外壁242密封到背板230的外周232，使得内集气室250和边缘集气室255形成在面板240和背板230之间。优选地，外壁242冶金结合到背板230的外周232。面板240包括第一组气体注入孔243和第二组气体注入孔244，第一组气体注入孔243延伸穿过下壁241的下表面254和上表面245，且第二组气体注入孔244延伸穿过外壁242的上表面和下壁241的下表面254。杆220的第一气体通道221经由内集气室250与第一组气体注入孔243流体连通，并且至少一个横向延伸的气体通道231经由边缘集气室255与第二组气体注入孔244流体连通。内集气室250不与边缘集气室255流体连通。
内集气室250位于背板230的外下表面233、面板240的下壁241的上表面245和面板240的外壁242的内表面247的下内表面246之间。参考图3B，外壁242可以在其上表面中包括环形通道285，其中边缘集气室255形成在环形通道285的表面和背板230的外下表面233之间。在一替代实施方式中，背板230可包括在其外下表面233中的相对的环形通道286，其中边缘集气室255包括在相对的环形通道285、286的表面之间的环形空间。
在另一实施方式中，如图4所示，外壁242的内表面247可以包括上垂直表面298、下垂直表面246a和在它们之间延伸的水平表面297。边缘集气室255形成在背板295的外表面、盖板296的下表面、水平表面297和上垂直表面298之间。在一个实施方式中，外壁242的下内表面246可以在下垂直表面246a横向向外，以便形成与背板230的下部234匹配并且可以冶金地结合(例如，焊接)到背板230的下部234的凸缘247a。盖板260可以被密封到外壁242的上端248和背板230的外周232的上部235。优选地，盖板260冶金地结合(例如，焊接)到外壁242的上端248以及背板230的外周232的上部235。
回来参考图3A、图3B和图4，第二组气体注入孔244的每个气体注入孔的上部249a具有比相应的下部249b大的直径。在一个实施方式中，第二组气体注入孔244的每个气体注入孔的相应下部249b的长度可以至少与第一组气体注入孔243的每个气体注入孔的长度相同。在一个实施方式中，第二组气体注入孔244的每个气体注入孔的相应下部249b中的每一个的直径可以至少与第一组气体注入孔243的相应气体注入孔的每一个的直径相同。
如图12A所示，面板240优选地包括在内集气室250中的多个柱291，所述多个柱291从下壁241垂直向上延伸，其中柱291的上端焊接在所述柱291所在的背板230的相应的开口292(见图4)中。图12B是图12A中的细节C的放大图，其中可以看出，柱在面板240的底壁的上表面处直径较小。柱291加强了喷头组件并提供了用于从面板到背板的热传导。这有助于确保均匀的面板温度，这对于工艺均匀性是有利的。在一些实施方式中，柱可以是锥形的(在面板侧较小，在背板侧较大)，以装配在紧密间隔的面板孔之间，同时仍然提供大的有效横截面面积以促进热传导。为了处理300mm晶片，柱291的数量可以在2至30个的范围，优选10至20个，周向间隔在位于面板的中心和外周之间的一个或多个环形区域中。挡板280优选地设置在喷头组件314的内集气室250中。挡板280可操作以均匀地分配供应到喷头组件314的气体通过内集气室250。面板240、背板230和杆220优选地由诸如4047、6061-T6的铝合金或其它合适的材料形成。
现在参考图4，背板230可包括冶金地结合(例如，焊接)在其外部下表面233中的凹部中的扩散器270。扩散器270与杆220的第二气体通道222和背板230的横向延伸的气体通道231流体连通。扩散器270可操作以将来自杆220的第二气体通道222的气体均匀地供应到横向延伸的气体通道231，以便当气体从杆220的第二气体通道222供应到其中时，减小流过背板230的每个横向延伸的气体通道231的气体之间的压力差。
扩散器270包括上表面，该上表面具有与杆220的第二气体通道222流体连通的一组内部气体开口272和与背板230的相应横向延伸的气体通道231流体连通的一组外部气体开口273。所述一组内部气体开口272通过从扩散器的上表面垂直向上延伸的壁274与所述一组外部气体开口273分开。该组内部气体开口272通过位于其上表面下方的扩散器270的通道275与该组外部气体开口273流体连通。该组内部气体开口272和该组外部气体开口273被配置为当气体从杆220的第二气体通道222向其供应气体时，减小流过背板230的每个横向延伸的气体通道231的气体之间的压力差。
在一个实施方式中，扩散器270可以是C形环。C形环的相对端之间的空间布置成围绕背板230的包括温度探针的部分。优选地，背板230的包括温度探针的部分形成插座290，插座290包括焊接在其中的柱291的上部。温度探针与柱291的上部热连通，使得可以测量下壁241的温度。在一个实施方式中，设置在内集气室250中的挡板280可以包括围绕背板230的插座290的切口(carve out)294。
在一个实施方式中，面板240的下壁241中的第一组气体注入孔243可以以不对称图案的孔排列，其中孔以非径向和非同心图案排列，以避免对称孔图案(例如六边形、径向或同心孔图案)可能出现的颗粒缺陷问题。因此，不是如图5A-B所示的同心圆、径向线或六边形图案的孔，面板240的下壁241中的第一组气体注入孔243可以布置成不对称图案的孔，其中所述孔沿着在面板中心向外的位置相交的曲线间隔开，如图6所示。
第二组气体喷射孔244可以布置成一个或多个同心行。在一替代实施方式中，如图5B所示，第二组气体注入孔244可以以六边形图案布置。第一组气体注入孔243和第二组气体注入孔244的气体注入孔图案、气体注入孔面密度和气体注入孔尺寸可以针对要执行的规定工艺而预先确定。在一个实施方式中，第一组气体注入孔243包括大约3,000-20,000或更多个气体注入孔，且第二组气体注入孔244包括大约100至大约2,000或更多个气体注入孔。
本文进一步公开了一种在沉积设备中在衬底的上表面上沉积材料的方法。该方法包括将衬底支撑在设置在沉积设备的真空室中的衬底基座组件的上表面上。第一气体从第一气体源通过喷头组件供应到位于衬底的上表面上方的真空室的内部处理区域。第一气体经由喷头组件的内集气室供应到处理区域。内集气室与延伸穿过喷头组件的面板的下壁的上表面和下表面的第一组气体注入孔流体连通，使得第一气体可以供应到衬底的上表面上方的内部处理区域。
第二气体从第二气体源通过喷头组件同时供应到在衬底的上表面上方的真空室的处理区域。第二气体经由喷头组件的边缘集气室供应到外部处理区域。边缘集气室与第二组气体注入孔流体连通，该第二组气体注入孔延伸穿过外壁的上表面，该外壁从下壁的外周和喷头组件的面板的下壁的下表面垂直向上延伸，使得第二气体可以供应到在衬底的上表面上方的外部处理区域的外部区域。第一气体或第一和第二气体被激发成等离子体，其中从第一气体产生的等离子体被第二气体的供应局部改性，并且材料均匀地沉积在衬底的上表面上。使用第二气体的供应局部地改变在外部处理区域中由第一气体产生的等离子体优选地包括，通过将一种或多种惰性气体供应到外部处理区域或将惰性调谐气体供应到外部处理区域，来提高或抑制在外部处理区域中产生的等离子体。
本文还公开了一种在沉积设备中在衬底的上表面上沉积材料的方法。该方法包括将衬底支撑在设置在沉积设备的真空室中的衬底基座组件的上表面上。将第一气体供应到真空室的内部区域。第一气体被激发成等离子体。将第二气体供应到真空室的边缘区域，以调节正被处理的衬底的边缘区域附近的等离子体，从而改变材料在衬底的边缘区域上的沉积速率。优选地，等离子体的调节的大部分效果发生在衬底的横向范围的外部25％内。更优选地，等离子体在衬底的横向范围的外部20％之上被调节。等离子体的调节包括改变等离子体和/或离子、中性粒子、辐射或其组分的离子通量、能量或种类。
使用具有六边形孔图案的喷头处理的晶片易于具有沿着孔图案的对称线的颗粒缺陷。缺陷问题似乎是由于工艺气体具有由六边形孔图案引起的不均匀流动。为了最小化或避免该缺陷问题，孔图案可以被设计为(a)避免沿着径向线的对称线，(b)以不均匀图案布置且在孔之间没有大间隙，和/或(c)孔可以布置成不太靠近以产生热坝/屏障。
根据一个优选的实施方式，根据伏格尔法(Vogel’s method)布置孔图案以在喷头的面板上均匀地分布孔。伏格尔提出了一个用于向日葵盘元件的模型，遵循2个方程：和θn＝n*137.508°。通过使用该方法，喷头上的孔可以均匀地分布在完全没有对称线(不对称)的不对称孔图案中。示例性孔图案在图6中示出，其中孔以不对称图案布置，其中孔243沿着顺时针和逆时针方向向外延伸的曲线间隔开。例如，虚线C示出顺时针曲线，且虚线CC示出逆时针曲线。在一个实施方式中，孔图案具有多个顺时针曲线(螺旋)和多个逆时针曲线(螺旋)，其中顺时针螺旋的数量和逆时针螺旋的数量是斐波纳契数或斐波纳契数的倍数。例如，顺时针螺旋的数量和逆时针螺旋的数量作为一对(m，n)可以是(3，5)，(5，8)，(8，13)，(13，21)，(21，34)，(34，55)，(55，89)，(89，144)或这些对的倍数。在另一个实施方式中，顺时针螺旋的数量和逆时针螺旋的数量是收敛于黄金比率的比率中的任何数，其中黄金比率等于一加上五的平方根的总和除以二(1+√5)/2，其近似等于1.6180339887(或约1.6180)。在一个特定实施方式中，顺时针螺旋与逆时针螺旋的比率近似等于黄金比率。伏格尔模型是“斐波纳契螺旋”型，或者螺旋形，其中连续点之间的发散角是接近黄金角的固定斐波那契角，其等于137.508°。关于伏格尔法的讨论可以在Vogel，H(1979)“A betterway to construct the sunflower head”，Mathematical Biosciences，44(44)：179-189.Doi.10.1016/0025-5564(79)90080-4中找到。此外，美国公开申请No.2013/0260656包括关于磨料制品的孔图案的斐波纳契和伏格尔方程的讨论。
该方法的另一个优点是，它可以容易地适于提供可变的孔密度，同时在方位角上均匀地分布孔。在这种情况下，方程变为：并且θ＝n*137.508°，其中ρ(rn)是作为半径的函数的孔密度。图7A示出了应用于在中心具有2X密度的孔图案的该方法，图7B示出了外侧密度为2X的孔图案。应当理解，这些示例仅用于说明，并且可以使用其它可变密度孔图案。
在具有六边形孔图案的喷头中，如上所述，其六个径向对称线可导致缺陷图案。第二个缺点是孔不是均匀分布的-在每个六边形的中心具有大的空区域而没有任何孔。最后，第三个缺点是它不能容易地适于允许可变的孔密度。在具有同心孔图案的喷头中，虽然可以设计图案以避免径向对称线，但一个缺点是孔不是均匀间隔开的。通常，径向间距和方位角间距是不同的。第二个缺点是如果方位角间隔太紧，则可以形成热障(或阻挡)。当这种情况发生时，热导率降低并且喷头的温度径向变化。
本文公开的不对称孔图案可以解决上述问题。首先，不对称孔图案避免了径向对称线。在一优选实施方式中，任何孔与其后续孔之间的角度为约137.5°。数字137.5°是黄金角；即 无理黄金比例近似为1.618。这个数字最难以接近连续分数；因此孔分散良好，没有对称线。通过反例，可以表明，如果使用有理数(i/k)而不是则结果将是具有k个径向辐线的孔图案。该孔图案具有作为半径的函数的恒定密度，因为每个孔的径向坐标rn和θn遵循以下等式：θn＝c1|n和其中c1和c2是常数并且c1/2pi是无理数。因此，每个部分覆盖相等面积的环。换句话说，等面积的每个环具有(在极限中)相同数量的孔。不对称的孔图案也可以避免热坝的问题。从用于构造孔图案的方程可以看出，没有两个孔在完全相同的半径处。为此，不对称孔图案避免在相同半径处具有方位上紧密间隔的孔，这产生热坝。最后，不对称孔图案可以解决需要提供用现有的六边形孔图案不能实现的可变孔密度的问题。使用θn＝n*137.508°来产生孔，可以应用如上面的等式所示的任何任意的孔密度ρ(r)。
实现非对称孔图案的优选方式是使用黄金角(大约137.5度)作为根据上述等式确定的连续孔位置之间的角度。角度222.5°是等效的。可以使用360°的无理分数的其他角度来产生这种类型的不对称孔图案，但是通过绘制孔位置可以看出结果不如黄金角度137.5°那样均匀。图8示出了10个孔位置(n1，n2，n3，n4，n5，n6，n7，n8，n9，n10)，其中连续孔之间的角度为黄金角。从距离中心点一定距离的孔n1开始，连接孔的线变得更长，并且逆时针延伸到下一个孔，使得形成不对称图案的孔。在制造面板时，孔图案的极坐标可以存储在数控钻孔机中，该钻孔机将钻具平移到每个孔的极坐标并且连续地钻孔。
图9示出了具有不对称孔图案的面板240。图10示出了图9的细节A。从图9和图10可以看出，气孔沿着在面板的中心向外的位置处相交的曲线设置，气孔图案具有延伸穿过面板的非径向和非同心分布的气孔。如图9所示，气孔位于曲线的交点处，其中曲线围绕面板的中心沿顺时针和逆时针方向向外延伸，顺时针线沿逆时针线在单个位置与逆时针线相交。沿着顺时针曲线的相邻气孔之间的距离大约等于沿着逆时针曲线定位的相邻气孔之间的距离，以及气孔的顺时针曲线的总数与孔的逆时针曲线的总数的比率是约1.6。在气孔图案的外周处具有少于100个的气孔的逆时针曲线和至少140个的气孔的顺时针曲线。在一优选实施方式中，气孔以伏格尔模式布置，且每个气孔具有约0.04英寸的直径。对于处理300mm直径的半导体晶片，气孔图案可具有至少3000个气孔，例如3000至5000个气孔。
图11示出了面板240的俯视图，图12A示出了沿图11中的线B-B的面板的横截面视图。在该实施例中，省略了边缘集气室，并且在单个集气室中供应气体。面板240包括如前所述的附接到背板和杆的底壁、侧壁和顶壁。
优选地，气孔密度从面板的中心到气孔图案的外周大致相同。例如，孔密度可以是每平方英寸约20至50个孔。期望以均匀(均匀间隔，因此孔之间没有大间隙)但不对称(意味着没有径向或方位角对称线)的图案布置孔。均匀性确保膜被均匀地施加-没有局部区域被施加更多或更少的膜。优选地避免对称，因为径向(和可能的方位角)对称线建立对称流体流动图案，其可以导致颗粒也位于对称图案中。
在一替代实施方式中，气孔密度可以在面板上变化。例如，孔密度可以在面板上变化，使得(a)孔的密度在面板的外部区域比在面板的内部区域大至少10％，或者(b)孔的密度在面板的内部区域比在面板的外部区域大至少10％。然而，面板可以具有从中心区域到外部区域的孔的密度的逐渐变化。
已经参考优选实施方式描述了本文公开的实施例。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神的情况下，可以以除了上述之外的特定形式实施本发明。优选实施方式是说明性的，并且不应以任何方式被认为是限制性的。

Claims (10)

1.一种在用于处理半导体衬底的沉积设备中有用的喷头的面板，所述面板具有气孔的不对称气孔图案，其中所述气孔沿着曲线间隔开，所述曲线在所述面板的中心向外处相交，所述气孔图案具有延伸穿过所述面板的非径向和非同心分布的气孔。
2.根据权利要求1所述的面板，其中所述气孔位于所述曲线的相交处，其中所述曲线围绕所述面板的中心沿顺时针和逆时针方向向外延伸，顺时针线在沿逆时针线的单个位置处与所述逆时针线相交。
3.根据权利要求1所述的面板，其中，所述面板包括容纳所述气孔的底壁、从所述底壁的外周向上延伸的侧壁、从所述侧壁的上端向内延伸的顶壁、以及从所述底壁的上表面向上延伸的可选的柱，所述柱成锥形且在所述底壁的上表面处直径较小。
4.根据权利要求1所述的面板，其中气孔位于所述面板的中心。
5.根据权利要求2所述的面板，其中(a)沿顺时针曲线定位的相邻气孔之间的距离大约等于沿逆时针曲线定位的相邻气孔之间的距离，或者(b)气孔的顺时针曲线的总数和气孔的逆时针曲线的总数是斐波那契序列的连续成员。
6.根据权利要求2所述的面板，其中(a)气孔的顺时针曲线的总数与气孔的逆时针曲线的总数的比接近黄金比(1.6180)或(b)气孔的逆时针曲线的总数对孔的顺时针曲线的总数的比接近黄金比率(1.6180)。
7.根据权利要求2所述的面板，其中(a)在所述气孔图案的外周处具有少于100个的气孔的逆时针曲线和至少140个的气孔的顺时针曲线，或者(b)在气孔图案的外周处具有少于100个的气孔的顺时针曲线和至少140个的气孔的逆时针曲线。
8.根据权利要求2所述的面板，其中(a)所述气孔以伏格尔模式布置或(b)每个所述气孔具有约0.04英寸的直径。
9.一种用于处理衬底的沉积设备，所述沉积设备包括：
真空室，其包括其中可以处理衬底的处理区；
与所述真空室流体连通的至少一个气体源，所述至少一个气体源可操作以在处理期间将工艺气体供应到所述真空室中；
包括如权利要求1所述的面板和背板的喷头组件，所述背板包括与所述至少一个气体源流体连通的至少一个气体入口，所述面板中的所述气孔在处理期间将所述工艺气体分配到所述真空室中；和
衬底基座组件，其被配置为当在所述沉积设备中处理衬底时将所述衬底支撑在其上表面上。
10.根据权利要求9所述的沉积设备，其中
所述喷头组件还包括杆，其中所述背板从所述杆的下端横向向外延伸，所述杆具有至少一个垂直延伸穿过其中的气体通道，所述气体通道与所述至少一个气体源流体连通。
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