CN107523806A - 蜂巢式多区域气体分配板 - Google Patents

Abstract

本文提供的实施方式一般地涉及在半导体处理腔室中用于气体递送的装置。该装置可以是气体分配板，该气体分配板具有形成于该气体分配板中的多个通孔与多个盲孔。提供工艺气体穿过该气体分配板的这些通孔至半导体处理腔室的处理空间中。这些盲孔用于使用相变化材料控制气体分配板的温度。

Description

蜂巢式多区域气体分配板

本申请是申请日为2015年8月10日、申请号为201580046101.5、发明名称为“蜂巢式多区域气体分配板”的发明专利申请的分案申请。

背景

技术领域

本文所述的实施方式一般地涉及用于改善半导体处理腔室中的气体分配的装置与方法。尤其是，本文所述的实施方式涉及气体分配板。

背景技术

半导体处理中，通常使用各种工艺形成在半导体器件中具有功能性的膜。在那些工艺中，某些类型的沉积工艺称作外延。在外延工艺中，一般将气体混合物引入含有一或多个基板的腔室中，而外延层待形成于该基板上。维持工艺条件以促使(encourage)蒸气于基板上形成高品质的材料层。

示例性外延工艺中，诸如介电材料或半导体材料的材料形成于基板的上表面上。外延工艺于基板的表面上生长薄且超纯的材料层，诸如硅或锗。通过下述方式该材料可在侧向流腔室中被沉积：将工艺气体实质上平行于定位在支撑件上的基板表面流动，且热解该工艺气体以从该气体沉积材料至基板表面上。

交叉流(cross-flow)气体递送装置将气体注射至处理腔室中，使得在基板旋转的同时，气体侧向横跨基板的表面流动。然而，交叉流递送装置已限制中心至边缘的可调性，因为所有的气体都首先跨过基板的边缘。交叉流递送装置的入口长度非常长，而引发诸如铟之类的较低温度的气体过早裂解。交叉流递送装置中横跨基板的长流动路径引发在基板表面上沉积/蚀刻期间气体副产物混合。一些情况中，可经由交叉流气体递送装置引入的前驱物物种的类型与数目受到限制。

因此，本领域中需要改善的气体递送装置。

发明内容

本文提供的实施方式一般地涉及半导体处理腔室中的气体分配的装置。该装置可以是蜂巢式气体分配板，该气体分配板具有形成于该气体分配板中的多个通孔与多个盲孔。提供多种工艺气体穿过该气体分配板的这些通孔至半导体处理腔室的处理空间中。这些盲孔可用于控制该气体分配板的温度。

一个实施方式中，公开一种气体分配板。该气体分配板包括第一表面与第二表面。该气体分配板进一步包括多个通孔与多个盲孔，该多个通孔从该第一表面延伸至该第二表面，且该多个盲孔从该第一表面部分地延伸。

另一实施方式中，公开一种处理腔室。该处理腔室包括一或多个壁以及气体分配板，这些壁界定处理区域，而该气体分配板位在该处理区域中。该气体分配板包括第一表面与第二表面。该气体分配板进一步包括多个通孔与多个盲孔，该多个通孔从该第一表面延伸至该第二表面，且该多个盲孔从该第一表面部分地延伸。该处理腔室进一步包括位在该处理区域中的基板支撑件。

另一实施方式中，一种用于控制气体分配板的温度的方法包括下述步骤：使相变化材料流进该气体分配板中所形成的多个盲孔中；以及控制这些盲孔内的压力，如此当该气体分配板的该温度到达预定等级时，该相变化材料的相产生变化。

附图说明

以上简要概述的本公开内容的上述特征可以被详细理解的方式、以及本公开内容的更特定描述，可以通过参照实施方式获得，实施方式的一些实施方式绘示于附图中。然而，应注意附图仅绘示本公开内容的典型实施方式，因而不应被视为对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可允许其他等同有效的实施方式。

图1A至图1B图示根据多种实施方式的处理腔室的示意性截面图。

图2A至图2B图示根据另一实施方式的气体分配板的截面图。

图3图示图2A与图2B的气体分配板的俯视图。

为了便于了解，尽可能地使用相同的附图标号标示各附图共通的相同元件。考虑到，一个实施方式的元件与特征在没有进一步描述下可有益地并入其它实施方式中。

具体实施方式

图1A图示根据一个实施方式的处理腔室100的示意性截面图。处理腔室100可用于处理一或多个基板，包括沉积材料于基板108的上表面116上。处理腔室100可包括腔室主体103，该腔室主体103包括下壁114、侧壁136、与上壁138。这些壁114、136、138的一或多者可界定处理区域156。上壁138可由反射性材料制成，或以反射性材料涂布。下壁114可对由热源145(诸如多盏灯)发射的热辐射有透射性(transmissive)，且可对热辐射为透明，定义透明为透射至少95％的给定波长或光谱的光。可用于下壁114的材料包括石英与蓝宝石。

一个实施方式中，下壁114是石英圆顶且对多盏灯的发射光谱透明。基板支撑件106可设置在上壁138与下壁114之间。下衬垫164可耦接侧壁136。下衬垫164可由石英、蓝宝石、或其它与腔室中的处理及各种工艺气体相容的材料形成。下衬垫164可包括凸耳168，该凸耳168朝基板支撑件106向内延伸。凸耳168可具有用于接收边缘环166的凹部169。该边缘环166可阻塞(block)基板支撑件106与下衬垫164之间的缝隙，以防止工艺气体进入基板支撑件106、下衬垫164、与下壁114所界定的区域158。

基板108可由基板支撑件106支撑，而基板支撑件106由中心轴132支撑。基板支撑件106可设置于处理区域156中。一或多个升降销105可在基板支撑件106下降到下方位置时将基板108从基板支撑件106升起，如此基板108可由机器人(未图示)移动进出处理腔室100。

热源145，诸如定位在灯头182中的加热灯180的阵列可设置在下壁114下方，以提供热能给基板108。本文所述的词语诸如下方、上方、上、下、顶部、与底部并非指绝对方向，而是指相对于处理腔室100的基础的方向。冷却通道可形成于灯头182中，以冷却灯180。每一盏灯可定位在灯头182中所形成的开口184中，且开口184的侧壁186可涂布有反射性材料，以聚焦和/或引导灯180发射的热辐射。

泵送环170可设置在下衬垫164上，且一或多个排出通口172可形成于泵送环170与下衬垫164之间。气体分配板128可设置在处理区域156中。气体分配板128可设置在泵送环170上，且可由任何适合的紧固装置固定至泵送环170，诸如由螺栓或夹钳。气体分配板128可由抗热与抗化学物质的材料制成，诸如石英或蓝宝石。界面板130可设置在气体分配板128上，以包围气体分配板128的多个部分，于下文中结合图2A与图2B更详细地描述该界面板130。界面板130可拴至(bolted to)气体分配板128。界面板130可具有面向气体分配板128的表面109，且表面109可涂布有反射性或吸收性涂层，诸如介电反射涂层。诸如O形环的密封件190可设置在泵送环170与上壁138之间并且在下衬垫164与下壁114之间。

操作期间，一或多种工艺气体可经由气体馈送件110引入处理腔室100中，而通过气体分配板128抵达基板108的上表面116，及经由一或多个排出通口172离开处理腔室100。为了提升中心至边缘的均匀性，通过使用气体分配板128，工艺气体可同时抵达基板108的上表面116的中心与边缘。

图1B图示根据一个实施方式的处理腔室100的示意性截面图。该处理腔室100可包括设置在侧壁136与泵送环170上的结构111，而不具有图1A所示的上壁138。结构111可包括多个隔间113，且每一隔间113可包括气体馈送件115以经由隔间113与气体分配板128将一或多种工艺气体引入处理区域156。该结构111可由反射性或吸收性材料制成。或者，结构111的面向气体分配板128的表面117可涂布有反射性或吸收性材料。单一隔间113可覆盖一或多个形成于该气体分配板128中的通孔。

图2A与图2B图示气体分配板128的截面图。如图2A所示，气体分配板128可包括第一表面201与第二表面207，该第二表面在第一表面201对面。气体分配板128可包括多个通孔202与多个盲孔204，这些通孔202从第一表面201延伸到第二表面207，而这些盲孔204从该第一表面201朝第二表面207部分地延伸。每一通孔202与每一盲孔204的开口可为圆形、六边形、或任何适合的形状。每一通孔202的开口可具有与每一盲孔204的开口相同的形状，或具有与每一盲孔204的开口不同的形状。工艺气体流过通孔202而抵达基板108(图1A和1B)。每一盲孔204可包括侧表面203与底部表面205。该底部表面205可面向基板108的上表面116。每一盲孔204的侧表面203与底部表面205可涂布有反射性或吸收性材料，以改善气体分配板128的温度控制。

操作期间，气体分配板128可由热源145(示出于图1A和1B中)所加热。流进流出盲孔204的工艺气体提供气体分配板128的温度控制。气体分配板128可由下述方式形成：于实心材料片中钻出通孔202与盲孔204，该实心材料片诸如实心石英材料片。气体分配板128可具有与基板108的形状相对应的形状。一个实施方式中，气体分配板128是圆形。气体分配板128所具有的尺寸，例如直径可大于基板108的相对应尺寸。一个实施方式中，基板是圆形且具有大约300mm的直径，而气体分配板128也是圆形且具有约400至600mm的直径。

通孔202与盲孔204的图案可经构造以使得工艺气体均等地分配至基板108的上表面116，且基板108的上表面116上形成的层是均匀的。一个实施方式中，通孔202与盲孔204沿着直线方向交替，如图2A所示。一个实施方式中，通孔202形成多个同心环，盲孔204形成多个同心环，且这些通孔202的环与这些盲孔204的环交替。一或多个温度传感器，诸如高温计(未图示)可放置在这些盲孔204的一或多者内侧。

图2B图示具有界面板130的气体分配板128，该界面板130设置在该气体分配板128中。界面板130可设置在邻近气体分配板128的第一表面201处，且可由紧固装置222(诸如螺栓)紧固至气体分配板128，如图2B所示。界面板130可具有多个通孔211，且每一通孔211对准气体分配板128的通孔202。两个或更多个开口212a、212b可形成于界面板130中而邻近每一盲孔204。相变化材料可经由入口214与第一开口212a流进每一盲孔204，且经由第二开口212b与出口216流出每一盲孔204。这些盲孔204可彼此之间由形成于界面板130上的通道(未图示)流体连通，或由形成在气体分配板128中于通孔202周围的通道流体连通。可运用压力控制系统(未图示)控制盲孔204内的压力。压力控制系统可改变每一盲孔204内相变化材料的沸点，以得以控制气体分配板128的温度。例如，盲孔204内侧的压力可经控制而使得盲孔204内侧的相变化材料将会在预定温度转变相。

当气体分配板128抵达预定温度，盲孔204内侧的相变化材料转变相，诸如从液体到蒸气，此举吸收热而不增加气体分配板128的温度。此构造方式中，可通过调整相变化材料的压力而达成气体分配板128的温度的多重设定点，且能在气体分配板128内实现敏捷的热暂态(thermal transient)。

或者，可经由盲孔204使冷却流体循环通过气体分配板128。诸如水或氦气之类的冷却流体可经由第一开口212a与入口214流进盲孔204，且经由第二开口212b与出口216流出盲孔204。形成于界面板130中的开口212a、212b可用于盲孔204之间的流体连通。另一实施方式中，盲孔204彼此经由形成在气体分配板128中的通道(未图示)流体连通。该通道可连接形成于侧表面203和/或底部表面205中的一或多个开口(未图示)。密封件220，诸如O形环可设置在气体分配板128与界面板130之间，该密封件220环绕每一盲孔204。

图3是根据一个实施方式的气体分配板128的俯视图。该气体分配板128包括多个通孔202与多个盲孔204。如图3所示，通孔202与盲孔204的每一开口具有圆形的形状。通孔202与盲孔204的开口可具有其它适合的形状，诸如六边形，或圆形与六边形的混合。

通孔202与盲孔204可以任何适合的排列方式形成于气体分配板128中。一个实施方式中，如图3所示，孔202、204具有六边形铺设(hexagonal tiling)排列方式。孔202、204的数目可通过使用孔202、204的最紧密装填(packing)的排列方式而最大化。达成最紧密装填的特殊排列方式取决于孔202、204的形状与尺寸。如图3所示，对于类似尺寸的圆形孔而言，据信六边形铺设的排列方式达成最紧密装填的排列方式。通孔202的总面积对盲孔204的总面积的比值可从约0.5至约3.0，诸如约0.8至约2.0之间，例如约1.0，这取决于特定实施方式所需的热控制能力。

孔202、204可具有任何预定尺寸与间距。图3所示的实施方式中，孔202、204为圆形，而直径为约0.5mm至约10mm，使得孔202具有与孔204相同的尺寸。可通过使壁厚减至最小而使孔202、204的数目最大化。一个实施方式中，分开两个相邻孔202、204的壁厚为约0.5mm或更大。孔202、204尺寸为1cm且间距为约0.5mm时，用于处理300mm晶片的气体分配板128可依孔的尺寸与间距而具有少于50个至约300个的孔，且这些孔中的50％至80％可为通孔202，而这些孔中的20％至50％可为盲孔204。应注意，第一多个孔202、204可具有第一间距，而第二多个孔202、204可具有与第一间距不同的第二间距。通孔202与盲孔204可错开(staggered)，即相同类型的孔不彼此相邻，以防止因为上方的径向气体分布和/或与通孔202的同心环相关的径向的辐射效应，而在旋转基板上形成图案，诸如跑道图案。

替代性的实施方式中，孔202、204可具有不同的尺寸。例如，提供大的盲孔204可实现更稳固的气体分配板128的热控制。此外，若期望的话，通孔202可具有不同的尺寸以影响气体分配板128的不同区域中的气流。同样，若期望的话，盲孔204可具有不同的尺寸以提供气体分配板128的不同区域中的更多或更少的热控制。因此，第一多个通孔202可具有第一尺寸，而第二多个通孔202具有第二尺寸。类似地，第一多个盲孔204可具有第三尺寸，而第二多个盲孔204可具有第四尺寸。此实施方式中，第一尺寸、第二尺寸、第三尺寸、与第四尺寸在任何期望的组合中可为相同或不同。

虽然前述针对本公开内容的实施方式，但不脱离本公开内容的基本范围的条件下可设计其它的与进一步的实施方式，且本公开内容的范围由随附的权利要求书所确定。

Claims (20)

1.一种气体分配板，包括：

第一表面；

第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对；

多个通孔，所述多个通孔从所述第一表面延伸至所述第二表面，以及

多个盲孔，所述多个盲孔形成于所述气体分配板中以用于控制所述气体分配板的温度，其中所述气体分配板由石英制造。

2.如权利要求1所述的气体分配板，其中所述通孔与所述盲孔排列成六边形图案。

3.如权利要求1所述的气体分配板，其中所述通孔与所述盲孔沿着直线方向交替。

4.如权利要求1所述的气体分配板，其中所述多个盲孔的每一盲孔包括侧表面与底部表面，其中所述侧表面与所述底部表面涂布有反射性涂层或吸收性涂层。

5.如权利要求1所述的气体分配板，进一步包括界面板，所述界面板设置在所述气体分配板上。

6.如权利要求5所述的气体分配板，其中所述界面板包括多个通孔，其中所述界面板的所述多个通孔的每一通孔对准所述气体分配板中的所述多个通孔的一通孔。

7.如权利要求6所述的气体分配板，其中所述界面板包括两个或更多个开口，所述开口邻近所述气体分配板中的每一盲孔处。

8.一种处理腔室，包括：

上壁；

侧壁；

下壁，其中所述上壁、所述侧壁与所述下壁界定处理区域；

加热源，所述加热源设置于所述下壁下方；

气体分配板，所述气体分配板位在所述处理区域中，所述气体分配板包括：

第一表面；

第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；

多个通孔，所述多个通孔从所述第一表面延伸至所述第二表面；和

多个盲孔，所述多个盲孔形成于所述气体分配板；以及

基板支撑件，所述基板支撑件位在所述处理区域中。

9.如权利要求8所述的处理腔室，进一步包括界面板，所述界面板设置在所述气体分配板上。

10.如权利要求9所述的处理腔室，其中所述界面板拴至所述气体分配板。

11.如权利要求9所述的处理腔室，其中所述界面板具有面向所述气体分配板的表面，并且所述表面涂布有反射性涂层或吸收性涂层。

12.如权利要求9所述的处理腔室，其中所述界面板包括多个通孔，其中所述界面板的所述多个通孔的每一通孔对准所述气体分配板中的所述多个通孔的一通孔。

13.如权利要求9所述的处理腔室，其中所述界面板包括两个或更多个开口，所述开口邻近所述气体分配板中的每一盲孔处。

14.权利要求8所述的处理腔室，其中所述基板支撑件设置在所述上壁与所述下壁之间。

15.一种处理腔室，包括：

侧壁；

结构，所述结构设置于所述侧壁上；

下壁，其中所述结构、所述侧壁与所述下壁界定处理区域；

加热源，所述加热源设置于所述下壁下方；

气体分配板，所述气体分配板位在所述处理区域中，所述气体分配板包括：

第一表面；

第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；

多个通孔，所述多个通孔从所述第一表面延伸至所述第二表面；和

多个盲孔，所述多个盲孔形成于所述气体分配板；以及

基板支撑件，所述基板支撑件位在所述处理区域中。

16.如权利要求15所述的处理腔室，其中所述结构包括多个隔间，且其中所述多个隔间的每一隔间包括气体馈送件。

17.如权利要求15所述的处理腔室，其中所述结构是由反射性材料或吸收性材料制成。

18.如权利要求15所述的处理腔室，其中所述结构具有面向所述气体分配板的表面，并且所述表面涂布有反射性涂层或吸收性涂层。

19.如权利要求15所述的处理腔室，进一步包括界面板，所述界面板设置在所述气体分配板上。

20.如权利要求19所述的处理腔室，其中所述界面板包括多个通孔，其中所述界面板的所述多个通孔的每一通孔对准所述气体分配板中的所述多个通孔的一通孔。