CN110158055B - 多段喷淋组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一喷淋组件，包含：一公板，具有一上表面和一下表面，其中该公板的下表面形成有一射出端，该射出端自该公板的下表面延伸以射出一第一气体；及一母板，具有一上表面和一下表面，其中该母板的上表面形成有一凹穴，该凹穴连通耦接一气体出口以引导一第二气体自该母板的上表面流动至该气体出口，该凹穴配置成用于接收来自该公板的第一气体以使该第一气体与该第二气体于该凹穴混合并经由该气体出口排出。

Description

多段喷淋组件
技术领域
本发明关于一种多段喷淋组件，等离子体尤其是以每一喷嘴提供至少两种物质的混合气体的一种多段喷淋组件。
背景技术
在高整合度的半导体装置制造中，对于各种处理的精确性需求越来越高，像是薄膜沉积处理中的厚度和均匀性控制等。
在化学气相沉积处理(CVD)中，半导体制造设备提供喷淋组件来供应反应气体至一基板的表面，以在基板表面形成薄膜。进阶的喷淋组件具备混合气体的供应，意即至少两种气体可在喷淋组件中进行混合，接着经由多个喷嘴释放至基板的处理区域。所述混合可包含多种气体。例如，反应气体含有形成沉积薄膜的物质，以及不参与化学反应但用于控制反应气体流动的惰性气体。此外，所述混合可包含净化气体，其用于决定整体的流速并避免颗粒污染发生在不希望的结构处。均匀地射出净化气体可防止污染的发生。
已知的后混合(post-mixing)喷淋组件将多种气体于其中混合后射出至腔体的反应区中与基板表面发生化学作用。已知的喷嘴被设计成具有多个出口。例如，单一喷嘴可具有一个主要用于释放反应气体的中心气体出口，其周围还环绕有释放净化气体的出口。此配置可避免颗粒污染堆积在喷嘴的末端。在其他已知的例子中，还有将不同的气体经由喷淋组件的不同喷嘴释放至腔体中的供应方法。但这些设计导致喷淋组件的喷嘴会占据相当的面积。在喷淋组件有限的尺寸中，无法达成紧凑的喷嘴设计。换言之，喷嘴的密度无法增加，因而无法提高气体物质在反应区内的需求密度，如等离子体密度。此成为精密半导体制造的限制。
因此，需要一种喷淋组件的设计能够满足供应高密度混合气体的需求，突破习知半导体沉积处理的限制。
发明内容
本发明目的在于提供一种喷淋组件，其具有用于提供一混合气体的一气体出口。该喷淋组件包含：一公板，具有一上表面和一下表面，其中该公板的下表面形成有一射出端，该射出端自该公板的下表面延伸以射出一第一气体；及一母板，具有一上表面和一下表面，其中该母板的上表面形成有一凹穴，该凹穴连通耦接该气体出口以引导一第二气体自该母板的上表面流动至该气体出口，该凹穴配置成用于接收来自该公板的第一气体以使该第一气体与该第二气体于该凹穴混合并经由该气体出口排出。
在一具体实施例中，该公板的上表面和下表面的射出端之间具有一流道，用以引导自该公板的上表面进入的第一气体至该公板的下表面的射出端。
在一具体实施例中，该流道具有一第一段及一第二段，该第二段位于该射出端且具有大于该第一段的半径。
在一具体实施例中，该公板的下表面与该母板的上表面定义该第二气体的一通道，其中该凹穴为该通道的一部分。
在一具体实施例中，该气体出口的半径大于该流道的第二段的半径。
在一具体实施例中，该射出端与该凹穴的壁定义一间隙，该间隙连通引导该第二气体的通道、引导该第一气体的流道及引导混合气体的该气体出口。
在一具体实施例中，该气体出口位于该喷淋组件的中心。
本发明目的还提供一种喷淋组件，具有用于提供一混合气体的一气体出口。该喷淋组件包含：一公板，具有一上表面和一下表面，其中该公板的下表面形成有一射出端，该射出端自该公板的下表面延伸以射出一第一气体；及一母板，具有一上表面和一下表面，该母板的上表面形成有一凹穴，该凹穴容纳该公板的射出端的一部分使该凹穴的壁与该射出端定义一第二气体的流动路径，藉此来自该射出端的第一气体于该凹穴中与该第二气体一起推进至与该凹穴连通的该气体出口。
在一具体实施例中，该板的凹穴成形为用于跟另一板的一射出端匹配。该射出端成形为用于跟另一板的一凹穴匹配。
在以下本发明的说明书以及藉由本发明原理所例示的图式当中，将更详细呈现本发明的这些与其他特色和优点。
附图说明
参照下列图式与说明，可更进一步理解本发明。非限制性与非穷举性实例系参照下列图式而描述。在图式中的构件并非必须为实际尺寸；重点在于说明结构及原理。
图1为使用本发明喷淋组件的半导体处理腔。
图2为本发明喷淋组件的实施例局部剖面图。
图3为本发明喷淋组件的实施例局部剖面图的另一视角。
图4为本发明喷淋组件的另一实施例。
图中符号标记：
100 腔体 210 通道
101 气体源 211 凹穴
102 排气系统 400 喷淋组件
103 喷淋组件 401 板
104 支撑座 408 射出端
201 公板 409 流道
202 母板 410 第一通道
203 气体出口 411 凹穴
204 上表面 420 第二通道
205 下表面 A 第一气体
206 上表面 B 第二气体
207 下表面 G 间隙
208 射出端
209 流道
2091 第一漏斗段
2092 第一段
2093 第二漏斗段
2094 第二段
具体实施方式
以下将参考图式更完整说明本发明，并且藉由例示显示特定范例具体实施例。不过，本主张主题可具体实施于许多不同形式，因此所涵盖或申请主张主题的建构并不受限于本说明书所揭示的任何范例具体实施例；范例具体实施例仅为例示。同样，本发明在于提供合理宽阔的范畴给所申请或涵盖之主张主题。除此之外，例如主张主题可具体实施为方法、装置或系统。因此，具体实施例可采用例如硬件、软件、韧体或这些的任意组合(已知并非软件)之形式。
本说明书内使用的词汇「在一实施例」并不必要参照相同具体实施例，且本说明书内使用的「在其他(一些/某些)实施例」并不必要参照不同的具体实施例。其目的在于例如主张的主题包括全部或部分范例具体实施例的组合。
图1显示使用本发明喷淋组件的半导体处理腔示意图，尤其是一种专用于沉积薄膜的CVD处理腔，当然也可包含其他的处理，像是薄膜蚀刻和腔体清洁等，连续地在通同一半导体处理腔执行。图1的半导体处理腔包含由封闭结构定义的一腔体100，其接收来自一或多个气体源101的处理气体并与一排气系统102连接以实现腔内真空。腔体100的顶部提供有气体供应组件。图中仅显示气体供应组件中的一喷淋组件103，其接收来自气体源101的一或多种气体，如反应气体或堕性气体。喷淋组件103将所述气体释放至腔体100中的一处理区以进行薄膜沉积。腔体100的底部提供有一基板或晶圆支撑座104，用以将基板支撑于所述处理区中获得薄膜沉积。喷淋组件103为气体供应组件中射出处理气体的末端且与基板相对。虽然未显示，但熟知该领域技术者应了解，更多的组件和装置亦可包含于腔体中，像是加热器、抽气通道和传感器等。以下仅针对喷淋组件103的更多细节说明。此外，在等离子体化学沉积(PECVD)的应用中，喷淋组件103及支撑座104还包含与射频电路和匹配合连接的电极。
图2显示图1喷淋组件103实施例的进一步细节。喷淋组件103包含一公板201和一母板202。可利用螺丝或结合件将公板201固定于母板202上方。母板202为喷淋组件103的最底端，其与图1的支撑座104及腔体100侧壁定义所述反应区。母板202包含一或多个气体出口，用以释放处理气体至支撑座104上的基板。图2仅显示喷淋组件103的单一个气体出口203，意即单一个喷嘴。公板201具有一上表面204和一下表面205，母板202具有一上表面206和一下表面207。公板201的下表面205与母板202的上表面206相对且相互平行。公板201的上方为跟图1气体源101相通的一气室(未显示)，其供应气体至喷淋组件103。
与气体出口203共轴处，公板201的下表面205形成有一射出端208，其自公板201的下表面205延伸以射出一第一气体(A)。第一气体(A)可由公板201上方的所述气室供应。公板201具有一流道209，其自公板201上表面204延伸至下表面205的射出端208。因此，所述流道209的总长度大于公板201的一厚度。射出端208朝母板202的上表面206延伸但不接触母板202。图示射出端208为柱状体，但在其他实施例中，可以是锥状或其他与母板202匹配的形状。流道209用以引导第一气体(A)通过公板201。流道209由不同半径的段所定义。如图示，流道209从上游至下游端包含一第一漏斗段2091、一第一段2092、一第二漏斗段2093及一第二段2094，其中第一段2092的半径大于第二段2094的半径，而第二段2094的半径小于或等于气体出口203。在其他实施例中，流道209以更多或更少的段定义。
公板201与母板202配置成保持一距离，使公板201下表面205与母板202上表面定义供应一第二气体(B)的通道210，其与第二气体(B)的一气体源(未显示)连通。因此，第二气体(B)进入喷淋组件后停留于公板201和母板202之间并穿透母板202至所述处理区。与气体出口203共轴处，母板202上表面形成有一凹穴211，其连通耦接气体出口203以引导一第二气体自母板202上表面流动至气体出口203。凹穴211自母板202上表面向下延伸但不穿透母板202。凹穴211可视为载有第二气体的通道210的一部分。凹穴211配置成用于接收来自公板201的第一气体(A)以使第一气体(A)与该第二气体(B)于凹穴211混合并经由气体出口203排出。
凹穴211的形状与射出端208相似且具有比射出端208略大的径向尺寸。公板201和母板202以所述距离配置，使固定于母板202上方的公板201的射出端208的一部分能够延伸至凹穴211，且射出端208与凹穴211的壁之间保持一间隙(G)，意即射出端208不接触母板202。藉此，间隙(G)具有类似「U」的一形状。第二气体(B)经由间隙(G)流至气体出口203。射出端208的流道209将第一气体(A)引导至凹穴211的底部间隙(G)。因此，第一气体(A)与第二气体(B)在母板202的凹穴211中会合。较佳地，第一气体(A)与第二气体(B)在凹穴211靠近底部的间隙(G)会合，缩短气体一起进入气体出口203的距离。在一实施例中，第一气体(A)为惰性气体或净化气体，第二气体为反应气体。混合后的第一气体(A)与第二气体(B)仅经由单一的气体出口203释放至处理区。
图3显示喷淋组件103的另一剖面图。该视图显示，凹穴211在一方向上具有相对较大的半径，使射出端208距离凹穴211壁之间的间隙(G)比图2来得大。此欲说明，所述凹穴211并非必然是具有相同的半径。虽然未显示，但凹穴211的横截面形状可以是圆形、椭圆形或矩形。非圆形的凹穴211为具有解决问题的设计。在PECVD的例子中，喷淋组件可包含RF电极板又承载已加热的气体，这些因子会提升喷淋组件的温度，导致公板201和母板202的热膨胀。为了避免射出端208因横向热膨胀阻塞凹穴211，其可设计为非圆形，意即凹穴211的一方向具有大于另一方向的半径。此确保足够的间隙(G)供气体流至气体出口203。在可能的实施例中，改变射出端208的形状亦为可行的作法。
图4显示本发明喷淋组件400的另一实施例，其可适用于更多气体的混合。此处仅显示针对喷淋组件400的单一气体出口203的局部剖面。喷淋组件400的周围可以具有如图1显示的固定结构，其使多个板相互堆栈并使喷淋组件400定位于腔体的顶部。与前述实施不同的是，图4喷淋组件400包含更多的堆栈。一板401被置于前述公板201和母板202之间，且板401具有公板201和母板202的特征。板401具有一上表面和一下表面(未标号)。板401的上表面与公板201的下表面定义一第一通道410，板401的下表面和母板202的上表面定义一第二通道420。与气体出口203共轴处，板401的上表面形成有一凹穴411，板401的下表面形成有一射出端408。其中，凹穴411和射出端408具有类似的配置以和上方公板201的射出端208及下方母板202的凹穴211匹配，并仍保有所述间隙(G)。
一第一气体经由公板201的流道209进入凹穴411，一第二气体经由第一通道410进入凹穴411。因此，第一气体和第二气体于凹穴411中会合并进入于凹穴411和射出端408之间延伸的一流道409。公板201的流道209的下游口径可略小于板401的流道409的上游端的口径。如此，第一气体和第二气体顺利进入板401并混合在一起。第一气体和第二气体的混合经由板401的流道409进入母板202的凹穴211，一第三气体经由第二通道420进入凹穴211。因此，第一气体和第二气体的混合与第三气体于凹穴211会合。这三种气体的混合最终经由母板202的单一个气体出口203释放。
在一实施例中，喷淋组件具有多个气体出口，且每一个气体出口均由上述公板和母板的设计而能供应混合气体。在其他实施例中，喷淋组件具有单一个位于中心的气体出口，均匀地释放混合气体至反应区。相较于习知的配置，发明混合气体的气体出口相对占据较小的面积，使喷淋组件上的喷嘴密度提高的设计变成可能。射出端的径向尺寸可适当地缩小可容许高密度的设计。在可能的实施例中，同一板中的所有流道可以是内部连通的，以平衡各位置的气体压力。
虽然为了清楚了解已经用某些细节来描述前述本发明，吾人将了解在申请专利范围内可实施特定变更与修改。因此，以上实施例仅用于说明，并不设限，并且本发明并不受限于此处说明的细节，但是可在附加之申请专利范围的领域及等同者下进行修改。

Claims (17)

1.一种喷淋组件，其特征在于：具有用于提供一混合气体的一气体出口，该喷淋组件包含：
一公板，具有一上表面和一下表面，其中该公板的下表面形成有一射出端，该射出端自该公板的下表面延伸以射出一第一气体，且该射出端与该气体出口共轴；及
一母板，具有一上表面和一下表面，该公板的该射出端不接触该母板，其中该母板的上表面形成有与该气体出口共轴的一凹穴，该凹穴连通耦接该气体出口以引导一第二气体自该母板的上表面流动至该气体出口，该凹穴容纳该公板的射出端使该第一气体与该第二气体于该凹穴的底部混合并经由该气体出口排出。
2.如权利要求1所述的喷淋组件，其特征在于：其中该公板的上表面和下表面的射出端之间具有一流道，用以引导自该公板的上表面进入的第一气体至该公板的下表面的射出端。
3.如权利要求2所述的喷淋组件，其特征在于：其中该流道具有一第一段及一第二段，该第二段位于该射出端且具有小于该第一段的半径。
4.如权利要求1所述的喷淋组件，其特征在于：其中该公板的下表面与该母板的上表面定义该第二气体的一通道，其中该凹穴为该通道的一部分。
5.如权利要求3所述的喷淋组件，其特征在于：其中，该第二段的半径小于或等于该气体出口。
6.如权利要求4所述的喷淋组件，其特征在于：其中该射出端与该凹穴的壁定义一间隙，该间隙连通引导该第二气体的通道、引导该第一气体的流道及引导混合气体的该气体出口。
7.如权利要求1所述的喷淋组件，其特征在于：其中该气体出口位于该喷淋组件的中心。
8.如权利要求1所述的喷淋组件，其特征在于：其中该公板与其射出端为一体的结构。
9.一种喷淋组件，其特征在于：具有用于提供一混合气体的一气体出口，该喷淋组件包含：
一公板，具有一上表面和一下表面，其中该公板的下表面形成有一射出端，该射出端自该公板的下表面延伸以射出一第一气体且该射出端与该气体出口共轴；及
一母板，具有一上表面和一下表面，该公板的该射出端不接触该母板，该母板的上表面形成有与该气体出口共轴的一凹穴，该凹穴容纳该公板的射出端的一部分使该凹穴的壁与该射出端定义一第二气体的流动路径，藉此来自该射出端的第一气体于该凹穴中与该第二气体一起推进至与该凹穴连通的该气体出口。
10.如权利要求9所述的喷淋组件，其特征在于：其中该公板的上表面和下表面的射出端之间具有一流道，用以引导自该公板的上表面进入的第一气体至该公板的下表面的射出端。
11.如权利要求10所述的喷淋组件，其特征在于：其中该流道具有一第一段及一第二段，该第二段位于该射出端且具有小于该第一段的半径，该第二段的半径小于或等于该气体出口。
12.如权利要求9所述的喷淋组件，其特征在于：其中该公板的下表面与该母板的上表面定义该第二气体的一通道，其中该凹穴为该通道的一部分。
13.如权利要求9所述的喷淋组件，其特征在于：其中该公板与其射出端为一体的结构。
14.一种喷淋组件，其特征在于：具有用于提供一混合气体的一气体出口，该喷淋组件包含：
一板，具有一上表面和一下表面，其中该上表面形成有供一第一气体和一第二气体会合的一凹穴，而该下表面形成有与该凹穴共轴的一射出端，该凹穴与该射出端之间延伸有一流道以将混合的该第一气体和该第二气体从该凹穴引导致该射出端，其中该气体出口与该凹穴和该射出端共轴且配置成排出来自该射出端的第一气体和第二气体。
15.如权利要求14所述的喷淋组件，其特征在于：其中该板的凹穴成形为用于跟另一板的一射出端匹配。
16.如权利要求14所述的喷淋组件，其特征在于：其中该射出端成形为用于跟另一板的一凹穴匹配。
17.如权利要求14所述的喷淋组件，其特征在于：其中该板与其射出端为一体的结构。
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