CN115305458A - 一种气体分配件、气体输送装置及其薄膜处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体分配件、气体输送装置及其薄膜处理装置，该气体分配件包括相对设置的第一表面和第二表面，气体分配件内设置有气体扩散通道，其包括底面凸出于第二表面的凹陷部，凹陷部将第二表面下方区域分割为内部区域和外围区域，凹陷部包括环绕内部区域的第一侧壁和环绕第一侧壁的第二侧壁，第一侧壁包括第一气体通道，第二侧壁包括第二气体通道，气体扩散通道内的气体分别经第一气体通道和第二气体通道进入内部区域和外围区域。其优点是：该气体分配件通过第一气体通道和第二气体通道朝不同区域输出工艺气体，基于流动对流和扩散的原理实现工艺气体的均匀分布同时还可使工艺气体保持较高的流速，有助于提升晶圆薄膜沉积的良品率和产量。

Description

一种气体分配件、气体输送装置及其薄膜处理装置
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，具体涉及一种气体分配件、气体输送装置及其薄膜处理装置。
背景技术
在半导体器件的制造过程中，需要进行大量的微观加工，其中常用的方式为采用原子层沉积工艺（ALD）或气相沉积工艺（CVD）或等离子体处理工艺利用反应腔的原理对晶圆进行处理加工。随着半导体器件特征尺寸的日益缩小以及器件集成度的日益提高，原子层沉积和化学气相沉积等工艺的应用愈加广泛。薄膜沉积装置虽经多次更新换代，性能得到极大提升，但在薄膜沉积良品率和产量方面仍存在诸多不足，随着芯片技术的日益更新，技术节点的日趋更新，对晶圆处理质量和产量的要求越来越高。
例如在某些情况下，通过原子层沉积工艺对晶圆表面进行薄膜沉积处理。在原子层沉积工艺中，将吸附在晶圆表面上的原料气体以及与该原料气体反应的反应气体交替供给到反应腔中，反应产物的原子层沉积在晶圆表面上以形成薄膜，其中，在供应原料气体和反应气体之间还需要穿插通入吹扫气体以保证反应腔内部环境的洁净度。但是采用现有的薄膜沉积装置执行气体循环时，气体输送装置的喷淋头的中心区域和边缘区域输送的工艺气体的流量和流速通常有所差异，致使晶圆上方的工艺气体分布均匀性较差，容易造成晶圆表面沉积的薄膜厚度不均匀、组分不均匀及物理特性不均匀等不良现象，进而降低晶圆生产的良品率；另一方面，现有的气体输送装置对工艺气体的吞吐量有限，为了保证薄膜生长的质量，往往需要通入较长时间的吹扫气体对反应腔内部进行吹扫清洁，增加了晶圆薄膜生产的时间，较大程度上影响了晶圆处理的产量。因此，现有的薄膜处理装置无法满足目前的生产需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体分配件、气体输送装置及其薄膜处理装置，该气体分配件设置有气体扩散通道，所述气体扩散通道包含凹陷部，所述凹陷部包括朝不同方向/区域输出工艺气体的第一气体通道和第二气体通道，该气体分配件通过第一气体通道和第二气体通道向不同区域输送工艺气体，通过流动对流和扩散的原理实现工艺气体在较高流量下的平稳快速输送，在短时间内即可使工艺气体的分布达到良好的均匀性，有助于提升晶圆薄膜沉积的良品率和产量。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种气体分配件，所述气体分配件包括相对设置的第一表面和第二表面，所述气体分配件内设置有气体扩散通道，所述气体扩散通道包括一底面凸出于所述第二表面的凹陷部，所述凹陷部将所述第二表面下方的区域分割为内部区域和外围区域，所述凹陷部包括第一侧壁和第二侧壁，其中，所述第一侧壁环绕所述内部区域，包括若干个第一气体通道，所述第二侧壁环绕所述第一侧壁，包括若干个第二气体通道，所述气体扩散通道内的气体经所述第一气体通道进入所述内部区域，所述气体扩散通道内的气体经所述第二气体通道进入所述外围区域。
可选的，所述第一气体通道为水平方向的通孔或与水平方向有夹角的通孔。
可选的，所述第二气体通道为水平方向的通孔或与水平方向有夹角的通孔。
可选的，所述第一气体通道的高度与所述第二气体通道的高度相同或不同。
可选的，所述第二气体通道的数量与所述第一气体通道的数量相等或不相等；
和/或，所述第二气体通道的直径与所述第一气体通道的直径相等或不相等。
可选的，多个第一气体通道沿凹陷部的第一侧壁周向均匀或不均匀地设置；
和/或，多个第二气体通道沿凹陷部的第二侧壁周向均匀或不均匀地设置。
可选的，至少两个所述第一气体通道的出口端至所述第二表面的距离相同或不相同；
和/或，至少两个所述第二气体通道的出口端至所述第二表面的距离相同或不相同。
可选的，一种气体输送装置，包含：
盖板，其开设有送气通道；
具有前述特征的气体分配件，位于所述盖板下方，所述盖板的送气通道与气体扩散通道气体连通；
气体喷淋盘，位于所述气体分配件的下方，所述气体喷淋盘上开设有多个气体通孔；
所述气体喷淋盘的上表面与所述气体分配件下方的内部区域形成中心气体扩散区，所述气体喷淋盘的上表面与所述气体分配件下方的外围区域形成边缘气体扩散区，所述中心气体扩散区和所述边缘气体扩散区的气体分别通过下方的气体喷淋盘上的气体通孔流出。
可选的，所述气体扩散通道为开设在所述气体分配件上的环形气体扩散通道，所述环形气体扩散通道将所述第一表面分割为第一中心区域表面和第一边缘区域表面。
可选的，所述环形气体扩散通道为连续的环形通道或若干不连续的弧形段通道。
可选的，所述环形气体扩散通道的截面为正方形和/或长方形和/或“凸”形。
可选的，所述第一中心区域表面的高度低于所述第一边缘区域表面的高度。
可选的，所述第一中心区域表面的高度平于或高于所述第一边缘区域表面的高度。
可选的，所述盖板与气体喷淋盘之间包含有承载件，所述承载件用于承载所述气体分配件。
可选的，所述承载件承载的气体分配件的位置可调。
可选的，所述盖板的底面为平面结构，当所述第一中心区域表面的高度低于所述第一边缘区域表面的高度时，所述盖板的底面与所述第一边缘区域表面接触，所述盖板的底面与所述第一中心区域表面之间形成第一间隙，气体经所述送气通道在所述第一间隙内输运至所述气体扩散通道。
可选的，所述盖板的底部包含一级台阶结构，所述一级台阶结构的台阶水平面与所述第一边缘区域表面接触，所述一级台阶结构的台阶水平面与所述第一中心区域表面之间形成第一间隙，气体经所述送气通道在所述第一间隙内输运至所述气体扩散通道。
可选的，所述盖板的底部包含二级台阶结构，所述二级台阶结构的第一台阶的侧壁周长小于第二台阶的侧壁周长，所述第一台阶的水平面与所述第一边缘区域表面接触，所述第一台阶的水平面与所述第一中心区域表面之间形成第一间隙，气体经所述送气通道在所述第一间隙内输运至所述气体扩散通道。
可选的，位于外围区域的第二表面部分与所述第二台阶的水平面高度相同或不同。
可选的，所述第一间隙的距离大于1毫米。
可选的，所述凹陷部的第一侧壁距气体分配件中心轴的距离为所述气体分配件半径的10%~80%。
可选的，所述凹陷部的第一侧壁距气体分配件中心轴的距离为所述气体分配件半径的20%~70%。
可选的，所述凹陷部凸出于第二表面的底部表面与所述气体喷淋盘之间的距离大于或等于0。
可选的，所述凹陷部凸出于第二表面的底部表面与所述气体喷淋盘之间的距离大于或等于1毫米。
可选的，所述送气通道的底部为锥台开口结构，所述锥台开口结构顶部的内侧壁周长小于其底部的内侧壁周长。
可选的，所述盖板与所述气体分配件通过机械紧固装置连接；
和/或，所述气体喷淋盘与所述盖板通过机械紧固装置连接。
可选的，所述盖板和/或所述气体分配件和/或所述气体喷淋盘的制备材料包含铝。
可选的，一种薄膜处理装置，包含：
反应腔，其包含顶盖和腔体；
所述的气体输送装置，所述气体输送装置与所述顶盖连接，用于向所述反应腔的内部输送工艺气体。
可选的，所述气体输送装置用于将反应气体和吹扫气体交替循环输送至所述反应腔的内部。
可选的，所述反应气体包括第一反应气体和第二反应气体，在一个循环过程中，所述第一反应气体+吹扫气体+第二反应气体+吹扫气体所需要的时间小于或等于2s。
可选的，所述薄膜处理装置为原子层沉积工艺装置。
可选的，所述顶盖与盖板一体成型。
可选的，气体分配件与所述顶盖可拆卸地连接。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明的一种气体分配件、气体输送装置及其薄膜处理装置，该气体分配件设置有气体扩散通道，所述气体扩散通道包含凹陷部，所述凹陷部包括朝不同方向/区域输出工艺气体的第一气体通道和第二气体通道，基于流动对流和扩散的原理使得经气体分配件输送的工艺气体分布更加均匀，进而使输送到晶圆表面的工艺气体分布更为均匀，保证了晶圆薄膜沉积的质量，有助于提升晶圆生产的良品率；同时工艺气体经气体分配件传输的过程中仍可保持较高的流动速度，在保证工艺气体分布均匀性的同时还可以增大短时间内对工艺气体的吞吐量，有助于提高晶圆生产的产量。
附图说明
图1为本发明的一种薄膜处理装置示意图；
图2为本发明的一种气体输送装置立体结构剖面示意图；
图3为本发明的一种气体输送装置结构示意图；
图4为本发明的一种气体输送装置的局部放大示意图；
图5为本发明的一种气体分配件立体结构示意图；
图6为本发明的一种气体分配件正视图；
图7为本发明的一种气体分配件仰视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。
需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，为本发明的一种薄膜处理装置的示意图，该装置包含反应腔100，所述反应腔100用于处理一个或多个晶圆，包括将材料沉积在晶圆的上表面或晶圆的凹陷特征内。所述反应腔100由位于顶端的顶盖101和位于底端的底壁102以及顶盖101和底壁102之间的侧壁103围绕而成，所述底壁102和侧壁103形成该反应腔100的腔体部分。所述反应腔100内设置有基座110，所述基座110包含晶圆承载台111、基台及向下延展的延伸管112，所述晶圆承载台111顶部为用于放置晶圆的承载面。所述基座110可以在至少上下两个位置切换，以实现工艺过程和晶圆切换过程的需求。
如图1所示，所述反应腔100还设置有气体输送装置120和排气口，所述气体输送装置120位于反应腔100顶部且与所述顶盖101连接，所述气体输送装置120与气体供应装置（图中未示出）相连。所述排气口由设置于顶盖101和侧壁103之间的气体导流组件130所开设，所述气体导流组件130上开设的排气口沿周向分布，一气体抽取装置通过所述排气口将反应腔100内部的气体即反应废弃产物排至腔外。在工艺过程中（图1中的箭头方向为工艺气体流向），气体供应装置中的工艺气体经气体输送装置120传送至反应腔100内部，在晶圆上方的晶圆处理区域执行薄膜沉积工艺或进行吹扫，以保证薄膜沉积工艺的正常进行，后续工艺气体经排气口排出腔体。
可选的，工艺气体包含反应气体（如原料气体TiCl4、反应活性气体NH3等）和吹扫气体（如N2等）中的一种或多种，各类气体可交替输送到反应腔100内。在本实施例中，所述薄膜处理装置为原子层沉积工艺（ALD）装置，所述气体输送装置120用于将反应气体和吹扫气体交替循环输送至所述反应腔100的内部。示例地，对于典型的TiN生长的原子层沉积工艺，将TiCl4/N2/NH3/N2气体依序通入反应腔内以完成以下生长周期：1) TiCl4输送到晶圆上并吸附到晶圆表面位置；2) N2从气体管线、喷头和晶圆上方的工艺间隙中吹扫气态TiCl4；3)NH3流入反应腔内与晶圆表面吸附的TiCl4(s)反应形成单层TiN薄膜；4) N2清除NH3和其他气态物质，循环上述流程直到TiN薄膜生长到所需的厚度。通过上述原子层沉积工艺可生长得到高质量的TiN薄膜。可以理解的是，本发明的薄膜处理装置不仅限为上述原子层沉积工艺装置，其还可以为实施其他工艺类型的薄膜处理装置，本发明对此不加以限制。同理，所述工艺气体的类型也不仅限于上述。
需要说明的是，薄膜处理装置也可不单独设置气体导流组件，而是通过在现有构件（如侧壁103）上开设排气口的方式来实现排气，以便增加部件利用率，组件简便，不会额外占用反应腔100的空间，本发明对排气口的设置不做限制。
进一步的，该装置还包含为反应提供热能的加热装置（图中未示出），所述加热装置可设置于晶圆承载台111上或挂靠于侧壁103上。在工艺处理过程中，通过所述加热装置使晶圆达到所需的工艺温度，以便供应到晶圆表面的原料气体和反应气体发生反应进而形成薄膜沉积在晶圆的表面上。可选的，沉积的薄膜材料可以是氮化钛、砷化镓、氮化镓或氮化铝镓中的一种或多种。
由前述可知，在薄膜沉积的工艺处理过程中，工艺气体快速均匀输送至晶圆的表面至关重要，基于此，如图2至图7结合所示，本发明的气体输送装置120包含：盖板121、气体分配件122和气体喷淋盘123。其中，所述气体分配件122包括相对设置的第一表面和第二表面，所述气体分配件122内设置有气体扩散通道1221，所述气体扩散通道1221包括一底面凸出于所述第二表面的凹陷部1222，所述凹陷部1222将所述第二表面下方的区域分割为内部区域和外围区域，所述凹陷部1222包括第一侧壁1223和第二侧壁1224，其中，所述第一侧壁1223环绕所述内部区域，包括若干个第一气体通道1225，所述第二侧壁1224环绕所述第一侧壁1223，包括若干个第二气体通道1226，所述气体扩散通道1221内的气体经所述第一气体通道1225进入所述内部区域，所述气体扩散通道1221内的气体经所述第二气体通道1226进入所述外围区域。
如图2和图3结合所示，所述盖板121开设有送气通道1211，所述气体分配件122位于所述盖板121下方，所述盖板121的送气通道1211与所述气体扩散通道1221气体连通；所述气体喷淋盘123位于所述气体分配件122的下方，所述气体喷淋盘123上开设有多个气体通孔1231。所述气体分配件122与所述气体喷淋盘123之间设有间距，所述气体喷淋盘123的上表面与所述气体分配件122下方的内部区域形成中心气体扩散区124，所述气体喷淋盘123的上表面与所述气体分配件122下方的外围区域形成边缘气体扩散区125，所述中心气体扩散区124和所述边缘气体扩散区125的工艺气体分别通过下方的气体喷淋盘123上的气体通孔1231流出。
工艺过程中，气体供应装置的工艺气体经盖板121的送气通道1211流入气体分配件122的气体扩散通道1221内，而后分别经第一气体通道1225和第二气体通道1226流入中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125组成的容纳空间内，进而使工艺气体从该容纳空间经气体喷淋盘123的气体通孔1231输送到反应腔100内。该气体分配件122利用流动对流和扩散的原理，将工艺气体快速地从气体扩散通道1221流入中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125组成的容纳空间内，即使从送气通道1211输送的工艺气体处于较高流速状态也可实现平稳快速地输送，使得工艺气体在短时间内快速在容纳空间内扩散均匀，容纳空间内各个位置的工艺气体分布都较为均衡，从而经过气体喷淋盘123向反应腔100内输送分布均衡的工艺气体，使得晶圆表面工艺气体分布更为均匀，保证了晶圆薄膜沉积的质量，提升晶圆生产的良品率。另外所述工艺气体经所述气体分配件122和喷淋盘输送到反应腔100内，在传输过程中仍可保持较高的流动速度，在保证工艺气体分布均匀性的同时增大了短时间内工艺气体的吞吐量，有助于提升晶圆生产的产量。另一方面，所述气体分配件122与气体喷淋盘123之间设有间距，中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125内的工艺气体可相互流通，避免形成颗粒造成腔体内环境污染以及晶圆表面的污染。
本发明设置的气体分配件122，利用气体扩散通道1221将送气通道1211输送的气体在中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125之间进行分配，以保证径向方向流动阻力的均匀性，一方面可以解决现有技术中中心区域和边缘区域气体浓度分配不均匀的问题，另一方面，第一气体通道1225和第二气体通道1226同时向对应的气体扩散区供气，在使得中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125气体压力在气体快速置换过程中保持分布均匀性，以达到快速、均匀供气的目的。
在本实施例中，所述顶盖101与盖板121一体成型，减小了加工难度和装配难度，便于提升整体的装配效率。当然，根据实际需求，顶盖101和盖板121也可分开加工，再对两者进行组装装配，本发明对其组装方式不做限制。进一步的，在本实施例中，所述送气通道1211的底部为锥台开口结构，所述锥台开口结构的内侧壁周长自顶部至底部为增大趋势，即其顶部的内侧壁周长小于其底部的内侧壁周长，所述送气通道1211愈靠近气体扩散通道1221其工艺气体的扩散面越大，更便于将工艺气体输送至气体扩散通道1221，当工艺气体流速较大时也可快速扩散进入气体扩散通道1221内，保证了工艺气体的吞吐量。当然，所述送气通道1211的形状结构不仅限于上述，其还可以设置为其他结构类型，本发明对此不加以限制。
可选的，所述气体分配件122的气体扩散通道1221为开设在所述气体分配件122上的环形气体扩散通道1221，所述环形气体扩散通道1221将第一表面分割为第一中心区域表面1227和第一边缘区域表面1228（请见图2）。在本实施例中，所述气体分配件122的凹陷部1222为连续的环形凹陷结构（请见图5），对应的，所述环形气体扩散通道1221为连续的环形气体通道。优选地，所述送气通道1211处于第一中心区域表面1227的中心轴位置，由送气通道1211传来的工艺气体在环形气体扩散通道1221内快速地沿周向均匀分布。可以理解的是，在其他实施例中，该环形气体扩散通道1221为若干不连续的弧形段通道，各弧形段通道沿周向分布，以实现径向上的分区气体控制。进一步的，该环形气体扩散通道1221的凹陷部1222的第一侧壁1223和第二侧壁1224为平面结构或台阶结构等，本发明对此不加以限制。在本实施例中，所述第一侧壁1223和第二侧壁1224均为竖直向的圆筒结构，其环形气体扩散通道1221的截面为长方形结构（其他实施例中截面也可为正方形）；在另一实施例中，所述第一侧壁1223和第二侧壁1224均为台阶结构，使得环形气体扩散通道1221的截面为“凸”形结构，即该环形气体扩散通道1221的工艺气体入口范围小于其底部范围，气体分配件122的“凸”形结构的双面开孔结构/通道，在满足周向均匀性的同时，可以保证气体局部流通横截面积足够大，以保证短时间内对工艺气体的大量吞吐而不形成阻塞，提高工艺气体在环形气体扩散通道1221内的扩散效率，增大了工艺窗口。进一步保证从环形气体扩散通道1221输出的工艺气体在各个方向的分布更为均匀，进而使输送到晶圆表面的工艺气体分布更为均匀。可以理解的是，在另一实施例中，所述气体扩散通道1221通过一个或几个气孔与送气通道1211连通，以实现工艺气体的输送。
如图2和图3结合所示，在本实施例中，所述第一中心区域表面1227的高度低于所述第一边缘区域表面1228的高度，以使工艺气体从送气通道1211流入气体扩散通道1221时保持所需的流速。当然，所述第一中心区域表面1227与所述第一边缘区域表面1228的相对位置高低不仅限于上述，所述第一中心区域表面1227的高度还可平于或高于第一边缘区域表面1228的高度，本发明对此不做限制。示例地，在另一实施例中，所述第一中心区域表面1227的高度与所述第一边缘区域表面1228的高度相同，所述送气通道1211底部的锥台开口结构的底部侧边延伸至气体扩散通道1221顶部开口处，以将工艺气体输送至气体扩散通道1221。在另一实施例中，所述第一中心区域表面1227的高度高于所述第一边缘区域表面1228的高度，在此实施例中，可以在所述第一边缘区域表面1228上方设置多个送气通道1211，以将工艺气体输送至气体扩散通道1221。
如图2和图3结合所示，在本实施例中，所述盖板121的底部包含环形的二级台阶结构，所述气体分配件122外边缘为环形结构，所述盖板121的二级台阶结构的第一台阶的侧壁周长小于第二台阶的侧壁周长，所述第一台阶的水平面与所述第一边缘区域表面1228接触，所述第一中心区域表面1227与第一台阶的水平面之间形成第一间隙，气体经所述送气通道1211在所述第一间隙内输运至所述气体扩散通道1221，所述盖板121的底面与气体喷淋盘123连接。可选的，所述第一间隙的距离大于1mm，以便实现工艺气体均匀分布的同时，保证工艺气体具有较快的流速，以提高该气体分配件122对工艺气体的吞吐量。可选的，所述反应气体包括第一反应气体和第二反应气体，在一个循环过程中，所述第一反应气体+吹扫气体+第二反应气体+吹扫气体所需要的时间小于或等于2s。当然该时间的数值范围不仅限于上述，根据工艺需求及气体流量的不同，其还可以为其他时间范围。
进一步的，在本实施例中，位于所述外围区域的第二表面与所述第二台阶的水平面高度相同，即边缘气体扩散区125的顶部表面为平面，以便第二气体通道1226输送到边缘气体扩散区125的工艺气体快速均匀分布，避免工艺气体在边缘气体扩散区125内扩散时发生小范围的紊流现象。当然，位于外围区域的第二表面与第二台阶的水平面的高度也可不同，本发明对此不加以限制。
需要说明的是，所述盖板121的形状结构不仅限于上述，且盖板121与气体分配件122的连接方式也不限于上述，本发明对此不加以限制，只要可实现工艺气体的快速均匀流动均可。示例地，在另一实施例中，所述盖板121的底面为平面结构，当所述第一中心区域表面1227的高度低于所述第一边缘区域表面1228的高度时，所述盖板121的底面与所述第一边缘区域表面1228接触，所述盖板121的底面与所述第一中心区域表面1227之间形成第一间隙，气体经所述送气通道1211在所述第一间隙内输运至所述气体扩散通道1221。进一步的，所述盖板121与气体喷淋盘123之间设置有承载件，所述承载件用于承载所述气体分配件122（承载件或喷淋盘或其他部件延伸封闭气体分配件122以限制工艺气体向边缘气体扩散区125的外侧扩散），以使所述盖板121的底面与所述第一中心区域表面1227之间形成第一间隙，为工艺气体的扩散提供空间，使工艺气体以所需的流速流入气体扩散通道1221中。可以理解的是，所述承载件的使用不受盖板121和气体分配件122的形状结构所影响，该承载件也适用于其他实施例中。进一步的，所述承载件承载的气体分配件122的位置可调，即所述盖板121底面与第一中心区域表面1227之间形成的第一间隙距离可调，使得从送气通道1211输送至气体扩散通道1221的工艺气体的流速可调，进而实现气体分配件122对工艺气体具有不同的吞吐量，以适应不同的工艺需求。可选的，在又一实施例中，所述盖板121的底部包含环形的一级台阶结构，所述气体分配件122外边缘为环形结构，所述一级台阶结构的台阶水平面与所述第一边缘区域表面1228接触，所述第一中心区域表面1227与台阶水平面之间形成第一间隙，所述盖板121的底面与气体喷淋盘123连接，以实现对工艺气体流速的调控。
可选的，所述盖板121与所述气体分配件122通过机械紧固装置连接，所述气体喷淋盘123与所述盖板121通过机械紧固装置连接。示例地，所述机械紧固装置为螺栓组件。当然，所述盖板121与气体分配件122之间或盖板121与气体喷淋盘123之间也可采用其他连接方式，本发明对此不加以限制。进一步的，在本实施例中，所述盖板121、气体分配件122和气体喷淋盘123的制备材料均包含铝。在其他实施例中，上述部件也可采用其他材料进行制备。
本发明中气体分配件122和盖板121通过可拆卸的方式进行连接，因此，在实际应用中，可以为薄膜处理装置置备若干个不同规格的气体分配件122以适应不同工艺的供气需求，例如，可以设置具有不同宽度的气体扩散通道1221的气体分配件122或者设置不同分布的第一气体通道1225和/或所述第二气体通道1226的气体分配件122等。
进一步可选的，所述凹陷部1222凸出于第二表面的底部外表面与所述气体喷淋盘123之间的距离大于或等于1mm，所述中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125之间的工艺气体可相互流动，以免在气体分配件122和气体喷淋盘123之间形成颗粒污染物，避免传送至反应腔100的工艺气体包含杂质，保证了薄膜沉积的纯度。
在另外的实施例中，可以设置气体分配件122的凹陷部1222与气体喷淋盘123的上表面之间的距离为大于或等于0，当气体分配件122的凹陷部1222与气体喷淋盘123的上表面之间的距离为等于0时，可以实现将气体喷淋盘123的供气分为中心和外围两个区域，以满足进入反应腔100内的气体有分区的需求。
如图4所示，在本实施例中，所述第一气体通道1225和所述第二气体通道1226均为水平方向的通孔，流入气体扩散通道1221的工艺气体水平地输送到中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125，以使工艺气体在中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125内快速横向扩散，进而使得工艺气体在容纳空间内的分布更加均匀，避免过度输送到任何局部区域。当然，所述第一气体通道1225和第二气体通道1226的开孔朝向不仅限于上述，示例地，在其他实施例中，第一气体通道1225和/或第二气体通道1226为与水平方向有夹角的通孔，本发明对第一气体通道1225和第二气体通道1226的开孔朝向不做限制，只要可实现对工艺气体的输送即可，可根据实际需求进行调整设置。
进一步的，所述凹陷部1222的第一侧壁1223距气体分配件122中心轴的距离为所述气体分配件122半径的10%~80%。可选的，所述凹陷部1222的第一侧壁1223距气体分配件122中心轴的距离为所述气体分配件122半径的20%~70%，第一侧壁1223距气体分配件122中心轴的距离配合气体扩散通道1221的合适宽度以实现对中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125更为均匀的气体分配。所述第一侧壁1223距气体分配件122中心轴的距离越近，送气通道1211的工艺气体越快到达凹陷部1222（气体扩散通道1221），进而使工艺气体快速经凹陷部1222的第一气体通道1225和第二气体通道1226分别进入中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125，进一步实现工艺气体快速且分布均匀地流入反应腔100，保证晶圆处理区域中工艺气体分布的均匀性，同时也保证了工艺气体较大的吞吐量，有助于提高晶圆处理效率。另一方面，当第一侧壁1223距气体分配件122中心轴的距离越近，所述中心气体扩散区124的区域范围（工艺气体容积）越小，边缘气体扩散区125的区域范围越大，优选地，所述中心气体扩散区124与边缘气体扩散区125的工艺气体容量相同，以便从送气通道1211同时进入气体分配件122的工艺气体分别经边缘气体扩散区125和中心气体扩散区124同时从气体喷淋盘123的气体通道进入反应腔100，进而避免在交替供应不同类型工艺气体时前一气体对当前气体造成干扰，进一步保证反应腔100内工艺气体的纯度和均匀性。
在本实施例中，所述第一气体通道1225的设置高度等于所述第二气体通道1226的设置高度，所述第一气体通道1225的数量等于所述第二气体通道1226的数量，所述第一气体通道1225的直径等于所述第二气体通道1226的直径，以便该气体分配件122的加工制备。优选地，该气体分配件122一体成型，以避免多部件组装时对工艺气体的输送产生影响。需要说明的是，本发明对第一气体通道1225和第二气体通道1226的高度相对位置、数量相对多少以及口径相对大小等均不作限制，两者的相对高度、数量以及直径大小可相同也可不同，在实际应用中可根据需求进行设置。由前述可知，凹陷部1222的设置位置不同，中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125的对工艺气体的容纳量可能会有所差异，进一步的，可通过对第一气体通道1225和第二气体通道1226进行调整以调节不同区域对工艺气体的吞吐速度。示例地，在某个工艺中，需要边缘气体扩散区125的工艺气体吞吐量大于中心气体扩散区124，以对晶圆边缘的薄膜沉积处理进行补偿。可使应用于此类工艺中的气体分配件122的第二气体通道1226的数量大于第一气体通道1225的数量，和/或使第二气体通道1226的直径大于第一气体通道1225的直径，以使相同时间内进入边缘气体扩散区125的工艺气体多于中心气体扩散区124。另一方面，可调整第一气体通道1225和第二气体通道1226的相对高度位置，使得中心气体扩散区124和边缘气体扩散区125对工艺气体的吞吐速度发生微小的变化，以符合工艺需求或弥补因其他因素导致的气体分布不均衡问题。
如图4和图5结合所示，在本实施例中，第一侧壁1223上开设有一层第一气体通道1225，第二侧壁1224上开设有一层第二气体通道1226，各个第一气体通道1225的出口端至所述第二表面的距离相同，且各个第二气体通道1226的出口端至所述第二表面的距离相同。可以理解的是，本发明对气体通道开设的层数不做限制，可根据实际需求进行设置，例如在其他实施例中，第一侧壁1223上开设至少两层第一气体通道1225，和/或第二侧壁1224上开设至少两层第二气体通道1226，即至少两个第一气体通道1225的出口端至所述第二表面的距离不相同，和/或至少两个第二气体通道1226的出口端至所述第二表面的距离不相同。
进一步的，在本实施例中，多个第一气体通道1225沿凹陷部1222的第一侧壁1223周向均匀设置，且多个第二气体通道1226沿凹陷部1222的第二侧壁1224周向均匀设置。气体扩散通道1221内的工艺气体通过第一气体通道1225或第二气体通道1226在中心气体扩散区124或边缘气体扩散区125内沿周向横向扩散，以便快速填充中心气体扩散区124或边缘气体扩散区125。当然，多个第一气体通道1225也可沿凹陷部1222的第一侧壁1223周向不均匀地设置，同理，多个第二气体通道1226也可沿凹陷部1222的第二侧壁1224周向不均匀地设置，以满足反应腔100内不同区域对工艺气体输入量的不同需求，本发明对此不加以限制。
综上所述，本发明的一种气体分配件122和气体输送装置120及其薄膜处理装置中，该气体分配件122设置有气体扩散通道1221，所述气体扩散通道1221包含凹陷部1222，所述凹陷部1222包括朝不同方向/区域输送工艺气体的第一气体通道1225和第二气体通道1226，基于流动对流和扩散的原理使得经气体分配件122输送的工艺气体分布更加均匀，进而使输送到晶圆表面的工艺气体分布更为均匀，保证了晶圆薄膜沉积的质量，有助于提升晶圆生产的良品率。同时工艺气体经气体分配件122传输的过程中仍可保持较高的流动速度，在保证工艺气体分布均匀性的同时还可以增大短时间内对工艺气体的吞吐量，有助于提高晶圆生产的产量。
本发明技术方案解决了现有的气体输送装置对工艺气体的吞吐量有限、均匀性不足的问题，可以有效保证薄膜的台阶覆盖率，同时满足生产速率的要求。
在一种利用ALD工艺具体生长TiN薄膜的工艺中，本发明公开的气体输送装置可以在小于1s的时间内大量均匀的向工艺腔体输送例如反应气体如TiCl4、NH3和吹扫气体N2等工艺气体，并实现不同气体的快速切换，利用本发明公开的气体输送装置可以在短时间例如小于0.25s的时间内让某种工艺气体快速均匀充满反应腔100，最大气体流量可达25000sccm。在气体分布均匀性和吞吐量方面可同时满足日益严苛的工艺制程要求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (33)

1.一种气体分配件，其特征在于，所述气体分配件包括相对设置的第一表面和第二表面，所述气体分配件内设置有气体扩散通道，所述气体扩散通道包括一底面凸出于所述第二表面的凹陷部，所述凹陷部将所述第二表面下方的区域分割为内部区域和外围区域，所述凹陷部包括第一侧壁和第二侧壁，其中，所述第一侧壁环绕所述内部区域，包括若干个第一气体通道，所述第二侧壁环绕所述第一侧壁，包括若干个第二气体通道，所述气体扩散通道内的气体经所述第一气体通道进入所述内部区域，所述气体扩散通道内的气体经所述第二气体通道进入所述外围区域。
2.如权利要求1所述的气体分配件，其特征在于，
所述第一气体通道为水平方向的通孔或与水平方向有夹角的通孔。
3.如权利要求1所述的气体分配件，其特征在于，
所述第二气体通道为水平方向的通孔或与水平方向有夹角的通孔。
4.如权利要求1所述的气体分配件，其特征在于，
所述第一气体通道的高度与所述第二气体通道的高度相同或不同。
5.如权利要求1所述的气体分配件，其特征在于，
所述第二气体通道的数量与所述第一气体通道的数量相等或不相等；
和/或，所述第二气体通道的直径与所述第一气体通道的直径相等或不相等。
6.如权利要求1所述的气体分配件，其特征在于，
多个第一气体通道沿凹陷部的第一侧壁周向均匀或不均匀地设置；
和/或，多个第二气体通道沿凹陷部的第二侧壁周向均匀或不均匀地设置。
7.如权利要求1所述的气体分配件，其特征在于，
至少两个所述第一气体通道的出口端至所述第二表面的距离相同或不相同；
和/或，至少两个所述第二气体通道的出口端至所述第二表面的距离相同或不相同。
8.一种气体输送装置，其特征在于，包含：
盖板，其开设有送气通道；
如权利要求1~7任一项所述的气体分配件，位于所述盖板下方，所述盖板的送气通道与气体扩散通道气体连通；
气体喷淋盘，位于所述气体分配件的下方，所述气体喷淋盘上开设有多个气体通孔；
所述气体喷淋盘的上表面与所述气体分配件下方的内部区域形成中心气体扩散区，所述气体喷淋盘的上表面与所述气体分配件下方的外围区域形成边缘气体扩散区，所述中心气体扩散区和所述边缘气体扩散区的气体分别通过下方的气体喷淋盘上的气体通孔流出。
9.如权利要求8所述的气体输送装置，其特征在于，
所述气体扩散通道为开设在所述气体分配件上的环形气体扩散通道，所述环形气体扩散通道将所述第一表面分割为第一中心区域表面和第一边缘区域表面。
10.如权利要求9所述的气体输送装置，其特征在于，
所述环形气体扩散通道为连续的环形通道或若干不连续的弧形段通道。
11.如权利要求9所述的气体输送装置，其特征在于，
所述环形气体扩散通道的截面为正方形和/或长方形和/或“凸”形。
12.如权利要求9所述的气体输送装置，其特征在于，
所述第一中心区域表面的高度低于所述第一边缘区域表面的高度。
13.如权利要求9所述的气体输送装置，其特征在于，
所述第一中心区域表面的高度平于或高于所述第一边缘区域表面的高度。
14.如权利要求8所述的气体输送装置，其特征在于，
所述盖板与气体喷淋盘之间包含有承载件，所述承载件用于承载所述气体分配件。
15.如权利要求14所述的气体输送装置，其特征在于，
所述承载件承载的气体分配件的位置可调。
16.如权利要求9所述的气体输送装置，其特征在于，
所述盖板的底面为平面结构，当所述第一中心区域表面的高度低于所述第一边缘区域表面的高度时，所述盖板的底面与所述第一边缘区域表面接触，所述盖板的底面与所述第一中心区域表面之间形成第一间隙，气体经所述送气通道在所述第一间隙内输运至所述气体扩散通道。
17.如权利要求9所述的气体输送装置，其特征在于，
所述盖板的底部包含一级台阶结构，所述一级台阶结构的台阶水平面与所述第一边缘区域表面接触，所述一级台阶结构的台阶水平面与所述第一中心区域表面之间形成第一间隙，气体经所述送气通道在所述第一间隙内输运至所述气体扩散通道。
18.如权利要求9所述的气体输送装置，其特征在于，
所述盖板的底部包含二级台阶结构，所述二级台阶结构的第一台阶的侧壁周长小于第二台阶的侧壁周长，所述第一台阶的水平面与所述第一边缘区域表面接触，所述第一台阶的水平面与所述第一中心区域表面之间形成第一间隙，气体经所述送气通道在所述第一间隙内输运至所述气体扩散通道。
19.如权利要求18所述的气体输送装置，其特征在于，
位于外围区域的第二表面部分与所述第二台阶的水平面高度相同或不同。
20.如权利要求16或17或18所述的气体输送装置，其特征在于，
所述第一间隙的距离大于1毫米。
21.如权利要求8所述的气体输送装置，其特征在于，
所述凹陷部的第一侧壁距气体分配件中心轴的距离为所述气体分配件半径的10%~80%。
22.如权利要求8所述的气体输送装置，其特征在于，
所述凹陷部的第一侧壁距气体分配件中心轴的距离为所述气体分配件半径的20%~70%。
23.如权利要求8所述的气体输送装置，其特征在于，
所述凹陷部凸出于第二表面的底部表面与所述气体喷淋盘之间的距离大于或等于0。
24.如权利要求8所述的气体输送装置，其特征在于，
所述凹陷部凸出于第二表面的底部表面与所述气体喷淋盘之间的距离大于或等于1毫米。
25.如权利要求8所述的气体输送装置，其特征在于，
所述送气通道的底部为锥台开口结构，所述锥台开口结构顶部的内侧壁周长小于其底部的内侧壁周长。
26.如权利要求8所述的气体输送装置，其特征在于，
所述盖板与所述气体分配件通过机械紧固装置连接；
和/或，所述气体喷淋盘与所述盖板通过机械紧固装置连接。
27.如权利要求8所述的气体输送装置，其特征在于，
所述盖板和/或所述气体分配件和/或所述气体喷淋盘的制备材料包含铝。
28.一种薄膜处理装置，其特征在于，包含：
反应腔，其包含顶盖和腔体；
如权利要求8~27任一项所述的气体输送装置，所述气体输送装置与所述顶盖连接，用于向所述反应腔的内部输送工艺气体。
29.如权利要求28所述的薄膜处理装置，其特征在于，
所述气体输送装置用于将反应气体和吹扫气体交替循环输送至所述反应腔的内部。
30.如权利要求29所述的薄膜处理装置，其特征在于，
所述反应气体包括第一反应气体和第二反应气体，在一个循环过程中，所述第一反应气体+吹扫气体+第二反应气体+吹扫气体所需要的时间小于或等于2s。
31.如权利要求28所述的薄膜处理装置，其特征在于，
所述薄膜处理装置为原子层沉积工艺装置。
32.如权利要求28所述的薄膜处理装置，其特征在于，
所述顶盖与盖板一体成型。
33.如权利要求28所述的薄膜处理装置，其特征在于，
气体分配件与所述顶盖可拆卸地连接。
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