CN115863214A - 喷淋头及使用该喷淋头的衬底处理设备 - Google Patents

Abstract

一种用于供应气体的喷淋头，包括：喷淋头主体，具有上表面和与上表面相对的下表面；以及多个通孔，形成在喷淋头主体中，使得气体从上表面向下表面通过，其中下表面中的多个通孔中的每个通孔的横截面积的尺寸是相同的，而上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘增加。

Description

喷淋头及使用该喷淋头的衬底处理设备

技术领域

本公开涉及衬底处理设备，更具体地，涉及喷射反应气体以在安装在反应室中特定位置的衬底的表面上沉积薄膜的喷淋头，以及使用该喷淋头的衬底处理设备。

背景技术

半导体器件或显示器件是通过在衬底上堆叠多个导电薄膜和/或多个绝缘薄膜并在其间构成所需电子电路而制造的电子器件。此时，在衬底表面上沉积薄膜的过程中，为了提高与后续过程的一致性和上述电子器件的产量，应当通过气体供应设备以均匀的量供应源气体、反应气体等，因此应当沉积均匀的薄膜。作为用于在衬底表面上均匀供应反应气体的气体供应设备，喷淋头已经被普遍开发和使用。通常，多个竖直通孔形成在喷淋头中，并且通孔具有从喷淋头的中心区域到边缘区域具有均匀尺寸的横截面积，使得均匀量的气体可以供应到整个衬底上，并且均匀的薄膜可以沉积在衬底上。

然而，在衬底表面上沉积薄膜的过程中，由于各种过程变量的影响，例如反应器中的衬底处理温度、衬底处理时间、衬底温度、反应空间中的压力、反应气体的供应量、反应气体的温度、反应气体的类型、反应后气体的排放方向等，在使用上述传统喷淋头在衬底上沉积薄膜的情况下，在提高沉积薄膜的厚度均匀性和薄膜的生长速率方面存在限制。

发明内容

本公开提供了一种喷淋头，以提高沉积在衬底上的薄膜的厚度均匀性以及待沉积薄膜的生长速率。

此外，本公开提供了一种设置有根据本公开一些实施例的喷淋头的衬底处理设备，以提高沉积在衬底上的薄膜的厚度均匀性以及待沉积的薄膜的生长速率。

附加方面将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显而易见，或者可以通过实践本公开的所呈现的实施例来了解。

根据本发明构思的一方面，提供了一种用于供应气体的喷淋头，包括：喷淋头主体，具有上表面和与上表面相对的下表面；以及形成在喷淋头主体中的多个通孔，使得气体从上表面向下表面通过，其中下表面中的多个通孔中的每个通孔的横截面积的尺寸彼此相同，而上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘增加。

在一些实施例中，上表面中的多个通孔中的每个通孔的横截面积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘线性增加。

在一些实施例中，喷淋头分为中心区域和至少一个外部区域，中心区域具有包括形成有多个通孔的喷淋头的中心的预定半径，并且至少一个外部区域从形成有多个通孔的中心区域的外部沿径向方向连续地布置成环形，并且其中外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸大于中心区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸。

在一些实施例中，中心区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸彼此相同，并且外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸也彼此相同。在一些实施例中，中心区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘增加，并且外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸也从喷淋头的中心向其边缘增加。

在一些实施例中，外部区域包括围绕中心区域的外围的第一外部区域和围绕第一外部区域的外围的第二外部区域，并且第二外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸大于第一外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸。在一些实施例中，外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸大于外部区域中的下表面中的每个通孔的横截面积的尺寸。

在一些实施例中，中心区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸至少与中心区域中的下表面中的每个通孔的横截面积的尺寸相同。在一些实施例中，外部区域中的每个通孔的横截面积的尺寸从其上表面到下表面线性减小。

在一些实施例中，在外部区域中，每个通孔的横截面积的尺寸逐步减小，包括从上表面朝向下表面的至少一个台阶。在一些实施例中，在外部区域中，每个通孔的横截面积的尺寸从喷淋头主体的上表面到预定深度是恒定的，并且此后从预定深度到其下表面线性减小。

根据本发明构思的一方面，提供了一种用于供应气体的喷淋头，包括：喷淋头主体，具有上表面和与上表面相对的下表面；以及形成在喷淋头主体中的多个通孔，使得气体从上表面向下表面通过，其中下表面中的多个通孔中的每个通孔的横截面积的尺寸彼此相同，并且多个通孔中的每个通孔内部的体积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘增加。

在一些实施例中，多个通孔中的每个通孔内部的体积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘线性增加。

在一些实施例中，喷淋头分为中心区域和至少一个外部区域，中心区域具有包括喷淋头的中心的预定半径，并且其中形成有多个通孔，并且至少一个外部区域从形成有多个通孔的中心区域的外侧沿径向方向连续地布置成环形，并且其中外部区域中的每个通孔内部的体积的尺寸大于中心区域中的每个通孔内部的体积的尺寸。

在一些实施例中，外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸大于中心区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸。在一些实施例中，中心区域中的每个通孔内部的体积的尺寸彼此相同，并且外部区域中的每个通孔内部的体积的尺寸也彼此相同。

在一些实施例中，外部区域包括围绕中心区域的外围的第一外部区域和围绕第一外部区域的外围的第二外部区域，并且第二外部区域中的每个通孔内部的体积的尺寸大于第一外部区域中的每个通孔内部的体积的尺寸。在一些实施例中，外部区域包括围绕中心区域的外围的第一外部区域和围绕第一外部区域的外围的第二外部区域，并且第二外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸大于第一外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸。

根据本发明构思的一方面，提供了一种衬底处理设备，包括：反应室；位于反应室中的衬底支撑件；以及喷淋头，其位于衬底支撑件上方，用于向形成在衬底支撑件和喷淋头之间的反应空间供应气体，其中喷淋头包括喷淋头主体，喷淋头主体具有上表面和与上表面相对的下表面；以及形成在喷淋头主体中的多个通孔，使得气体从上表面向下表面通过，其中下表面中的多个通孔中的每个通孔的横截面积的尺寸彼此相同，而上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘增加。

在一些实施例中，多个通孔中的每个通孔内部的体积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘增加。

附图说明

从以下结合附图的描述中，本公开的某些实施例的上述及其他方面、特征和优点将变得更加明显，其中：

图1是示意性示出根据本公开的示例实施例的衬底处理设备的图；

图2A是示意性示出根据本公开的示例实施例的喷淋头的平面图；

图2B是图2A的喷淋头的示意性概念图，以解释根据本公开的示例实施例的喷淋头的构造；

图3是用于与根据本公开的示例实施例的喷淋头进行比较的传统喷淋头的示意性竖直截面图；

图4是根据本公开的示例实施例的喷淋头的示意性竖直截面图；

图5是根据本公开的另一示例实施例的喷淋头的示意性竖直截面图；

图6是根据本公开的另一示例实施例的喷淋头的示意性竖直截面图；

图7是比较传统喷淋头和根据本公开的示例实施例的喷淋头的沉积薄膜的厚度和厚度均匀性的图；以及

图8是相对比较传统喷淋头和根据本公开的示例实施例的喷淋头在不同位置形成在衬底上的薄膜厚度的曲线图。

具体实施方式

现在将详细参考实施例，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。在这点上，本实施例可以具有不同的形式，并且不应被解释为限于这里阐述的描述。因此，下面仅通过参考附图来描述实施例，以解释本说明书的各个方面。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。当在元素列表之前时，诸如“至少一个”的表述修改整个元素列表，而不修改列表的单个元素。

在下文中，将参照附图详细描述本公开的实施例。

提供本公开的实施例是为了向本领域普通技术人员进一步解释本公开，并且下面的实施例可以具有不同的形式，并且本公开的范围不应被解释为限于这里阐述的描述。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将本公开的范围完全传达给本领域普通技术人员。

这里使用的术语用于描述特定的实施例，并不意图限制本公开。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还应当理解，这里使用的术语“包括”、“包含”指定存在所陈述的特征、整数、步骤、过程、构件、部件和/或其组，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、过程、构件、部件和/或其组。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。

应当理解，尽管术语第一、第二等可以在这里用来描述各种构件、部件、区域、层和/或部分，但这些构件、部件、区域、层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语不表示任何特定的顺序、高低或重要性，而是仅用于将各个构件、区域、层和/或部分区分开。因此，在不脱离实施例的教导的情况下，下面讨论的第一构件、部件、区域、层或部分可被称为第二构件、部件、区域、层或部分。

下文将参照附图描述本公开的实施例，在附图中示意性地示出了本公开的实施例。在附图中，由于例如制造技术和/或公差，可以预期与所示形状的变化。因此，本公开的实施例不应被解释为限于本文所示的区域的特定形状，而是可以包括例如由制造过程导致的形状偏差。

图1是示意性示出根据本公开的示例实施例的衬底处理设备的图。

参照图1，根据本公开的示例实施例的衬底处理设备1可以包括反应器壁2和设置在反应器壁2的上侧的气体供应单元。气体供应单元可以包括气体引入单元3和气体注射单元15，气体注射单元15在此被称为喷淋头15。气体供应单元可以与反应器壁2一起构成具有特定空间的反应室，同时覆盖反应器壁2的上侧。反应室的大致中心部分可以设置有作为衬底支撑件的加热块4，并且加热块4可以由支撑在反应器壁2的底表面2b上的加热块支撑单元5支撑，其中加热块支撑单元5可以在竖直方向上升高和降低加热块4，在水平方向上移动加热块4，或者以特定倾角倾斜加热块4。加热块4可以包括其在水平方向上延伸的水平延伸部分4a，因此水平延伸部分4a可以用作用于将待处理的衬底19安装在其上的衬底支撑件。下部空间10可以形成在加热块4下方的反应器壁2和加热块4之间。

另一方面，反应器壁2可以包括其突出部分2a，该突出部分2a从反应器壁2的中间部分向反应室内部并沿着圆周方向突出，并且当加热块4处于升高位置或者加热块4处于处理衬底19的位置时，突出部分2a可以与加热块4的水平延伸部分4a相邻，同时围绕水平延伸部分4a。可以在反应器壁2的突出部分2a的端部附近形成台阶部分，并且第一气流控制环9和第二气流控制环8可以安装在台阶部分上。如图1所示，例如，第一气流控制环9可以围绕加热块4的水平延伸部分4a的形式安装在突出部分2a的上表面上，并且第二气流控制环8也以围绕加热块4的水平延伸部分4a的形式安装在第一气流控制环9的上表面上。因此，加热块4的水平延伸部分4a的外表面和第二气流控制环8的内表面可以一定间隔彼此隔开。这样的间隔可以便于加热块4的升高和降低。

另一方面，排气单元6可以安装在反应器壁2的突出部分2a上。排气单元6可以具有底部敞开的圆柱形横截面形状，沿着反应器壁2的内表面在圆周方向上延伸。因此，可以形成由排气单元6、第一气流控制环9和第二气流控制环8包围的排气空间7。可以在排气单元6的面向第二气流控制环8的下端部分和第二气流控制环8之间形成并保持间隙，使得在反应室中处理的废气可以通过该间隙进入排气空间7，该下端部分没有附接到反应器壁2的内表面。将要进入排气空间7的废气可以通过形成在排气单元6一侧的排气端口18排出到外部。

如上所述，气体供应单元可以设置在反应室的上侧。气体供应单元可以包括气体引入单元3和喷淋头15。气体引入单元3可以设置有气体入口12，诸如源气体、反应气体和吹扫气体的处理气体可以流过该气体入口12。多个通孔17可以形成在气体注射单元15的盘状喷淋头主体16中，例如，喷淋头15且因此通过气体入口12引入的处理气体可以通过多个通孔17供应到位于加热块4上的衬底19上。喷淋头15的外边缘可以安装在排气单元6或反应器壁2的上侧，以封闭反应室。由喷淋头15的下表面、加热块4的上表面和排气单元6的内表面包围的空间可以形成反应空间11。

观察处理气体13的流动，通过气体入口12引入到反应室中的处理气体13可以通过形成在喷淋头15中的多个通孔17引入到反应空间11中，然后包括处理气体及其与衬底19化学反应后的副产物的废气可以通过排气空间7和排气端口18排放到外部。另一方面，填充气体14可被供应到加热块4下方的下部空间10中以填充内部，并且填充在下部空间10内的填充气体14可以防止从反应空间11排放到排气空间7的处理气体13或废气通过加热块4和第二气流控制环8之间的间隙渗透到下部空间10中。

图2A是示意性示出根据本公开的示例实施例的喷淋头15的平面图。图2B是图2A的喷淋头的示意性概念图，以解释根据本公开的示例实施例的喷淋头的构造。结合图1参考图2A和2B，喷淋头15可以包括通孔区域和外延伸区域，在通孔区域中，多个通孔17形成在喷淋头15的中心区域上，外延伸区域沿圆周方向延伸并围绕没有形成通孔的通孔区域，其中，外延伸区域安装在反应器壁2或排气单元6的上侧，以覆盖反应室的上侧。

如图2A所示，在根据本公开的示例实施例的喷淋头中，每个都具有环形形状的子通孔组可以从喷淋头15的中心径向向外顺序布置。如本文所用，术语“子通孔组”可被定义为在喷淋头主体16中形成的多个通孔的组，这些通孔沿着圆周方向连续布置，从喷淋头15的中心具有基本相等的半径。因此，多个通孔可以形成在一个子通孔组中，并且包括在每个子通孔组中的通孔的数量没有特别限制。具体地，如图2A所示，例如，9个子通孔组可以从喷淋头15的中心朝向其边缘形成在喷淋头15的中心区域A中。每个子通孔组中包括的通孔17的数量可以彼此不同，并且当一个子通孔组中相邻通孔17之间的间隔对于所有子通孔组恒定时，每个子通孔组中包括的通孔的数量可以从喷淋头15的中心向其边缘增加。

另一方面，术语“超级通孔组”可以通过对从喷淋头15的中心径向向外布置的多个子通孔组进行分组来定义。如本文所用，超级通孔组可以指其中彼此径向相邻的多个子通孔组中的一些被分组的组。也就是说，多个子通孔组可以包括在一个超级通孔组中。例如，如图2A所示，9个子通孔组可以布置在中心区域A中，并且包括在中心区域A中的所有通孔可以分组在一个超级通孔组内。此外，包括在第一外部区域B(换句话说，中间区域B)中的所有通孔可被分组在另一超级通孔组内。此外，包括在第二外部区域C(换句话说，边缘区域C)中的所有通孔可被分组在另一超级通孔组内。

另一方面，子通孔组可以布置成在径向方向上保持相邻子通孔组之间的相同间隔，但本公开不限于此，子通孔组可以在径向方向上以相邻子通孔组之间的不同间隔顺序布置。同时，每个超级通孔组中的多个子通孔组可以布置成在径向方向上保持相邻子通孔组之间的相同间隔，但一个超级通孔组中的径向相邻子通孔组之间的间隔可以不同于另一超级通孔组中的径向相邻子通孔组之间的间隔。同时，每个子通孔组中的通孔17可以沿圆周方向以规则的间隔布置在相邻的通孔17之间，或者可以不同的间隔布置。

图3是用于与根据本公开的示例实施例的喷淋头进行比较的传统喷淋头15a的示意性竖直截面图。参考图3以及图2B，示出了在每个中心区域A中形成在喷淋头主体16中的多个通孔17中的代表性通孔17的竖直截面图，并且为了便于比较，喷淋头15a的第一外部区域B和第二外部区域C被相邻地示出。箭头50表示气体的流动方向，通过气体引入单元3引入的气体可以通过通孔17从喷淋头15a的上表面20到下表面30供应到反应空间11中。

参考图3，喷淋头15a的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在下表面30中可以分别为“a”、“b”和“c”，在上表面20中可以分别为“a1”、“b1”和“c1”。这里，a＝b＝c，并且a1＝b1＝c1，并且每个通孔17可以具有圆柱形形状，使得喷淋头15a的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面积的尺寸可以相同。此外，每个通孔17可以具有从上表面20到下表面30具有相同直径的圆柱形形状，使得形成在喷淋头15a的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的每个通孔17内的体积的尺寸也可以相同(即Va1＝Vb1＝Vc1)。因此，对于每个通孔17，穿过形成在喷淋头15a的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的气体的流量可以相同。

另一方面，参考图3和图2A，在传统的喷淋头15a中，在超级通孔组内形成的每个子通孔组中形成的每个通孔17，例如喷淋头15a的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C，对于每个通孔17可以具有相同的横截面直径，使得下表面30和上表面20中的每个通孔17的横截面积的尺寸也可以分别彼此相同，并且每个通孔17内的体积的大小也可以彼此相同。

图4是根据本公开的示例实施例的喷淋头的示意性竖直截面图。

参考图4，喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在下表面30中可以分别为“a”、“b”和“c”，在上表面20中可以分别为“a2”、“b2”和“c2”。这里，形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在下表面30中可以彼此相同(即a＝b＝c)。如图1所示，当RF功率被供应到喷淋头15以在衬底19上方的反应空间11中对衬底19执行等离子体处理时，并且当喷淋头15的下表面30中的通孔17的尺寸较大时，在通孔17周围可能发生放电，并且在通孔17的边缘附近也可能发生拱起，使得下表面30中的通孔17的横截面尺寸优选相对较小，并且在喷淋头15的下表面30上是均匀的。

这里，形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在上表面20中可以彼此不同。图4表明，形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以从喷淋头15b的中心向其边缘线性增加(即a2<b2<c2)。

如本文所用，短语“横截面直径线性增加”可以表示代表性地形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C的每个中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以从喷淋头15b的中心向其边缘线性增加，换句话说，这可能意味着形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的上表面20处的代表性通孔17的横截面直径可以超级通孔组为单位线性增加(这里，喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中包括的多个通孔17的横截面直径可以彼此相同)。此外，如关于图2所述，短语“横截面直径线性增加”可进一步表示在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C的每个超级通孔内的径向相邻子通孔组之间的通孔17的上表面20处的横截面直径可以从喷淋头15b的中心向其边缘线性增加(这里，在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个内的径向相邻子通孔组之间的多个通孔17的横截面直径彼此不同)。换句话说，形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的多个通孔17的横截面直径在中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个内可以彼此相同，但通孔17的上表面20处的横截面直径可以从喷淋头15b的中心向其边缘在中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C的径向相邻超级通孔组之间增加。在一些实施例中，多个通孔17的横截面直径可以彼此不同，并且可以在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个内从喷淋头15b的中心向其边缘增加。

在本公开的另一实施例中，形成在第一外部区域B中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以与形成在第二外部区域C中的通孔17的上表面20处的横截面直径相同。因此，形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以从喷淋头15b的中心向其边缘增加(即a2<b2＝c2)。

另一方面，形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的下表面30处的横截面直径可以彼此相同(即a＝b＝c)，形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以从喷淋头15b的中心向其边缘线性增加(即a2<b2<c2或a2<b2＝c2)，并且形成在第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以大于下表面30处的相应通孔17的横截面直径(即b<b2，c<c2)。在一些实施例中，中心区域A中的通孔17的上表面20处的横截面直径a2可以至少与相应通孔17的下表面30处的横截面直径a相同(即a≤a2)。

同时，在上述描述中，假设上表面20和下表面30处的每个通孔17的横截面形状是圆形，上表面20和下表面30处的通孔17的横截面积的尺寸基于圆形通孔17的横截面直径相互比较(见公式S＝πR²，其中S是圆的横截面积，R是圆的半径)，上表面20和下表面30处的每个通孔17的横截面形状不限于圆形，并且可以形成为各种形状，比如椭圆形或多边形。

另一方面，形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在下表面30处可以彼此相同，但在上表面20处的各个区域之间可以彼此不同，特别是如上所述，可以从喷淋头15b的中心向其边缘增加。此外，第一外部区域B和第二外部区域C中的每个通孔17的竖直形状可以是倒截锥形，其中每个通孔17的横截面积的尺寸可以从喷淋头15b的上表面20朝向下表面30线性减小，并且通孔17的横截面直径也可以从喷淋头15b的中心朝向其边缘线性增加，使得每个通孔17内部的体积的尺寸也从喷淋头15b的中心向其边缘线性增加(即Va2<Vb2<Vc2)。根据截头圆锥体的体积公式，V＝1/3πh(r²+rR+R²)(其中，V是截头圆锥体的体积，h是截头圆锥体的高度，r是截头圆锥体的上表面处的半径，即图4中的1/2a或1/2b或1/2c，因为其第一外部区域B和第二外部区域C中的喷淋头主体中的通孔示出为倒截头圆锥体，并且R是截头圆锥体的下表面处的半径，即图4中的1/2a2或1/2b2或1/2c2，因为其第一外部区域B和第二外部区域C中的喷淋头主体中的通孔示出倒截头圆锥体)，当截头圆锥体的高度h和截头圆锥体的上表面处的半径r恒定时，截头圆锥体的体积V可以随着截头圆锥体的下表面处的半径R的增加而增加。也就是说，例如，基于图4的第一外部区域B，当通孔17的竖直高度h和通孔17的下表面30处的半径1/2b恒定时，通孔17内部的体积可以随着通孔17的上表面20处的半径1/2b2增加而增加。另一方面，如上所述，中心区域A中的通孔17的上表面20处的横截面积可以至少与通孔17的下表面30处的横截面积相同，并且外部区域(即第一外部区域B和第二外部区域C)中的通孔17的上表面20处的横截面积可以从喷淋头15的中心向其边缘增加，使得通孔17内部的体积的尺寸可以从喷淋头15的中心向其边缘线性增加(即Va2<Vb2<Vc2)。

如本文所用，短语“体积的尺寸线性增加”可以用作与短语“横截面直径线性增加”相同或相似的概念。也就是说，如图4所示，短语“体积的尺寸线性增加”可以表示代表性地形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17内部的体积可以从喷淋头15b的中心向其边缘线性增加(这里，包括在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的多个通孔17的体积在同一超级通孔组内是相同的)。此外，如关于图2所述，短语“体积的尺寸线性增加”还可以意味着在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C的每个超级通孔内的径向相邻子通孔组之间的通孔17内部的体积可以从喷淋头15b的中心向其边缘线性增加(这里，喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个内的径向相邻子通孔组之间的多个通孔17内部的体积彼此不同)(即Va2<Vb2<Vc2)。

在本公开的另一实施例中，形成在第一外部区域B中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以与形成在第二外部区域C中的通孔17的上表面20处的横截面直径相同，此时，形成在喷淋头15b的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的通孔17内的体积可以从喷淋头15b的中心向其边缘增加(即a2<b2＝c2且Va2<Vb2＝Vc2)。

因此，穿过形成在喷淋头15a的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的气体的流量可以从喷淋头15b的中心向其边缘增加。这意味着供应到反应空间11的边缘区域的气体的流量可以大于供应到其中心区域的气体的流量。

通常，在现有技术中，当通过例如原子层沉积(ALD)方法在反应空间中的衬底上沉积薄膜时，由于源气体、反应气体或吹扫气体的流量的波动，反应空间中的过程压力可能经常随时间变化，并且由于各种过程变量比如不对称的排气方向，沉积在衬底上的薄膜的厚度在衬底的边缘区域可能大于其中心区域。这些问题可能降低整个衬底上薄膜的厚度均匀性，这导致后续过程不顺利，因为后续过程是在具有不均匀膜厚度的膜上进行的，并且电子器件的可靠性也可能降低。

然而，根据本公开的一些实施例，供应到反应空间11的边缘区域的源气体、反应气体或吹扫气体的流量可以大于反应空间11的中心区域，结果，如稍后详细描述，沉积在衬底19上的薄膜的厚度均匀性可以在整个衬底19上大大增加，使得后续过程(例如在其上的另一薄膜沉积)可以是平稳的，并且电子器件的可靠性也可以增加。此外，如下所述，可以提高被沉积的薄膜的生长速率，从而减少处理时间。根据本公开的优点将在后面更详细描述。

图5是根据本公开的另一示例实施例的喷淋头15c的示意性竖直截面图。将尽可能省略与根据图4的实施例的喷淋头15b的描述重叠的描述。

参照图5，与通孔17的竖直形状是倒截锥形的图4的喷淋头15b相比，图5的喷淋头15c与喷淋头15b的不同之处在于，通孔17的竖直形状是不同直径的圆柱体组合而成的形式，并且在竖直相邻的圆柱体之间形成台阶。在图5的喷淋头15c中，形成在中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在下表面30中可以分别为“a”、“b”和“b”，在上表面20中可以分别为“a3”、“b3”和“c3”。这里，形成在喷淋头15c的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在下表面30中可以彼此相同(即a＝b＝c)。

另一方面，形成在喷淋头15c的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以彼此不同，并且可以从喷淋头15c的中心向其边缘线性增加(即a3<b3<c3)。另一方面，如上所述，短语“横截面直径线性增加”可以表示当比较代表性地形成在喷淋头15c的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的每个通孔17时，通孔17的上表面20处的横截面直径可以从喷淋头15c的中心向其边缘线性增加。此外，不排除当比较中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C的每个超级通孔组内的径向相邻子通孔组之间的通孔17时，通孔17的上表面20处的横截面直径可以从喷淋头15c的中心向其边缘线性增加。

在本公开的另一实施例中，形成在第一外部区域B中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以与第二外部区域C中的相同(即b3＝c3)。另一方面，形成在喷淋头15c的第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在上表面20处可以大于在下表面30处(即b<b3，c<c3)。另一方面，中心区域A中的通孔17的上表面20处的横截面直径a3可以等于或大于相应通孔17的下表面30处的横截面直径a(即a＝a3，或a<a3)。另外，假设上表面20和下表面30处的每个通孔17的横截面形状是圆形，上表面20和下表面30处的通孔17的横截面积的尺寸基于圆形通孔17的横截面直径相互比较，但每个通孔17的横截面形状可以形成为各种形状，比如椭圆形或多边形。

另一方面，第一外部区域B和第二外部区域C中的通孔17的竖直形状可以是具有不同尺寸的通孔17的横截面积的圆柱体组合的形式。也就是说，如图5所示，例如，第一外部区域B中的通孔17可以具有在通孔17的上侧形成的具有直径b3和高度h1的上圆柱体和在通孔17的下侧形成的具有直径b和高度h2的下圆柱体的组合形状。因此，当与图4所示的通孔17相比时，其中图4的通孔17的直径从上表面20朝向下表面30逐渐减小，图5的通孔17的直径可以随着在上表面20和下表面30之间的中间部分中包括至少一个台阶部分而减小。图5示出了通孔17是组合两个圆柱体的形式，但本公开不限于此，本公开的通孔17可以具有组合三个或更多个圆柱体的形式，从而进一步形成它们相应的台阶部分。

图5的通孔17内部的体积的尺寸可以是上圆柱体和下圆柱体内部的体积之和。根据圆柱体的体积公式V＝πr²h(其中V是圆柱体的体积，h是圆柱体的高度，r是圆柱体的半径)，当圆柱体的高度h恒定时，圆柱体的体积V可能随着圆柱体半径r的增加而增加。如图5所示，当比较第一外部区域B和第二外部区域C中的通孔17内部的体积时，下表面30处的通孔17的直径彼此相同(即b＝c)，从而其下圆柱体的体积彼此相同，但第二外部区域C中的通孔17的上表面20处的直径c3可以大于第一外部区域B中的直径b3(即b3<c3)，使得第二外部区域C中的上圆柱体的体积可以大于第一外部区域B中的上圆柱体的体积，因此，第二外部区域C中的整个圆柱体的体积可以大于第一外部区域B中的整个圆柱体的体积。另外，由于中心区域A中的通孔17的上表面20处的直径a3等于或大于下表面30处的直径a(a＝a3，或a<a3)，通孔17内部的体积可以从喷淋头15c的中心向其边缘线性增加(即Va3<Vb3<Vc3)。

另一方面，短语“体积线性增加”可以表示当比较代表性地形成在喷淋头15c的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的每个通孔17时，通孔17内部的体积可以从喷淋头15c的中心向其边缘线性增加。另外，当比较中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C的每个超级通孔组内的径向相邻子通孔组之间的通孔17时，通孔17内部的体积可以从喷淋头15c的中心向其边缘线性增加。

在本公开的另一实施例中，形成在第一外部区域B中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以与第二外部区域C中的相同，此时，形成在喷淋头15c的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17内部的体积可以从喷淋头15c的中心向其边缘增加(即a3<b3＝c3，Va3<Vb3＝Vc3)。

总之，穿过形成在喷淋头15c的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的气体的流量可以从喷淋头15c的中心向其边缘增加。这意味着供应到反应空间11的边缘区域的气体的流量可以大于供应到其中心区域的气体的流量。

因此，根据本发明的实施例，如上所述，供应到反应空间11的边缘区域的气体的流量可以大于供应到其中心区域的气体的流量，使得沉积在衬底19上的薄膜的厚度均匀性大大提高，并且沉积的薄膜的生长速率可以增加。

图6为根据本发明的另一示例实施例的喷淋头15d的示意性竖直截面图。将尽可能省略与根据图4和图5的实施例的喷淋头15b和15c的描述重复的描述。

参照图6，通孔17的竖直形状可以是图4的倒截锥形和图5的圆柱形相结合的形式。在图6的喷淋头15d中，形成在中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在下表面30中可以分别为“a”、“b”和“c”，在上表面20中可以分别为“a4”、“b4”和“c4”。这里，形成在喷淋头15c的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在下表面30中可以彼此相同(即a＝b＝c)。

另一方面，形成在喷淋头15d的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以从喷淋头15d的中心向其边缘线性增加(即a4<b4<c4)。另一方面，如上所述，短语“横截面直径线性增加”可以表示与图4和5的实施例的描述中相同的意思。

在本公开的另一实施例中，形成在第一外部区域B中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以与第二外部区域C中的相同(即a4<b4＝c4)。另一方面，形成在喷淋头15d的第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的横截面直径在上表面20处可以大于在下表面30处(即b<b4，c<c4)。另一方面，中心区域A中的通孔17的上表面20处的横截面直径a4可以等于或大于相应通孔17的下表面30处的横截面直径A(即a＝a4，或a<a4)。另外，假设上表面20和下表面30处的每个通孔17的横截面形状是圆形，上表面20和下表面30处的通孔17的横截面积的尺寸基于圆形通孔17的横截面直径相互比较，但每个通孔17的横截面形状可以形成为各种形状，比如椭圆形或多边形。

另一方面，喷淋头15d的第一外部区域B和第二外部区域C中的通孔17的竖直形状可以是上圆柱体和下倒截头圆锥体竖直组合的形式。也就是说，如图6所示，例如，第一外部区域B中的通孔17可以具有形成在通孔17的上侧的具有直径b4和高度h3的上圆柱体和形成在通孔17的下侧的具有直径b和高度h4的下截头圆锥体的组合形状。因此，图6所示的通孔17的直径从上表面20朝向下表面30的高度h3可以是恒定的，但此后可以向下表面30线性减小。

图6的通孔17内部的体积的尺寸可以是上圆柱体和下倒截头圆锥体内部的体积之和。基于截头圆锥体和圆柱体的体积公式，当比较第一外部区域B和第二外部区域C中的通孔17内部的体积时，由于在上圆柱体和下截头圆锥体相交的点处，上圆柱体的直径和下倒截头圆锥体的直径在第二外部区域C中可能大于在第一外部区域B中，第二外部区域C中的通孔17内部的体积可以大于第一外部区域B中的体积。另外，由于中心区域A中的通孔17的上表面20处的直径a4等于或大于下表面30处的直径a(a＝a4，或a<a4)，通孔17内部的体积可以从喷淋头15d的中心向其边缘线性增加(即Va4<Vb4<Vc4)。同时，如上所述，短语“体积线性增加”可以表示通孔17内部的体积可以从喷淋头15d的中心向其边缘、在超级通孔组之间或者在任何一个超级通孔组内的径向相邻子通孔组之间线性增加。

在本公开的另一实施例中，形成在第一外部区域B中的通孔17的上表面20处的横截面直径可以与第二外部区域C中的相同，此时，形成在喷淋头15d的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17内部的体积可以从喷淋头15d的中心向其边缘增加(即a4<b4＝c4，Va4<Vb4＝Vc4)。

总之，穿过形成在喷淋头15d的中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C中的每个中的通孔17的气体的流量可以从喷淋头15d的中心向其边缘增加。这意味着供应到反应空间11的边缘区域的气体的流量可以大于供应到其中心区域的气体的流量。

因此，根据本发明的实施例，如上所述，供应到反应空间11的边缘区域的气体的流量可以大于供应到其中心区域的气体的流量，使得待沉积在衬底19上的薄膜的厚度均匀性大大提高，并且待沉积的薄膜的生长速率可以增加。

实施例

在下文中，分别进行通过使用根据本公开的实施例的喷淋头及示例1至示例4和传统喷淋头在衬底上沉积薄膜的实验，并且每个过程条件如下。

使用等离子体原子层沉积方法在衬底上沉积SiO₂薄膜，并且在沉积过程中，在每个喷淋头的中心区域A、第一外部区域B(或中间区域)和第二外部区域C(或边缘区域)中的通孔的横截面直径是不同的，但其他过程条件比如原子层沉积循环、源气体、反应气体和吹扫气体的类型和流量、过程温度、过程时间和等离子体条件等是相同的。

应用于每个实施例的喷淋头的通孔的横截面尺寸在下面的表1中示出。通孔的横截面尺寸表示为圆形的横截面直径。这里，在通孔的横截面尺寸中，直径a设定为1mm。

[表1]

图7是比较通过使用传统喷淋头和根据本公开的示例实施例的喷淋头沉积的薄膜的厚度和厚度均匀性的图。

参考图7，对于传统和示例1至4的实施例中的每个，上图表示在上表面处的通孔的横截面尺寸通过对比度的差异来区分，从而可以相对于中心区域A、第一外部区域B和第二外部区域C来比较横截面尺寸，其中每个区域A、B和C中的颜色越深可以表示通孔的横截面尺寸越大，中间的图表示在整个衬底上沉积的薄膜的厚度均匀性。图的右上角所示的圆形表示排气端口所在的位置，其中排气端口不对称地布置在喷淋头的排气单元的一侧。下图表示沉积在衬底上的薄膜的厚度及其厚度均匀性。

在传统喷淋头的情况下，沉积薄膜的厚度为

而示例1为

示例2为

示例3为

示例4为

在传统喷淋头的情况下，沉积薄膜的厚度均匀性为2.6％，而示例1为1.98％，示例2为1.0％，示例3为1.6％，示例4为1.7％。从图7的结果可以看出，在本公开的实施例中，沉积的薄膜的厚度从传统喷淋头中的

增加到示例3中的

其中通孔的横截面尺寸在喷淋头的边缘区域中大于其中心区域，并且沉积的薄膜的厚度均匀性也从传统喷淋头中的2.6％提高到本公开的示例2中的1.0％。因此，根据本公开，沉积在衬底上的薄膜的每个循环的膜生长速率和薄膜的膜均匀性可以大大提高。

图8是相对比较在对于传统喷淋头和根据本公开的示例实施例的喷淋头的在衬底中的相应位置处形成在衬底上的薄膜厚度的图。图8示出了反应室中薄膜沉积过程的结果，其中用于在过程进行之后将废气从反应空间排放到外部的排气端口不对称地安装在排气空间的一个侧壁上，从而在其中形成不对称的废气流。在图的右下角示出的圆圈表示衬底，圆圈中的数字表示衬底中直径方向上的位置1至7，其中位置4表示衬底的大致中心部分，位置1和7表示衬底的边缘部分。

图8的曲线图基于位置3处的薄膜厚度，将每个位置1至7处的薄膜的相对厚度差示出为厚度的增加/减少值。在通过使用传统喷淋头沉积薄膜的情况下，衬底的中心区域、中间区域和边缘区域之间的增大/减小值的波动非常大，然而，在通过使用根据本公开实施例的喷淋头沉积薄膜的情况下，增大/减小值的波动在衬底的中心区域、中间区域和边缘区域显著减小，使得薄膜的厚度均匀性大大提高。

根据图7和图8的结果，通过从喷淋头的中心向其边缘增加喷淋头中的上表面处的通孔的横截面尺寸，或者相应地通过从喷淋头的中心向其边缘增加喷淋头中的通孔内部的体积，供应到反应空间的气体的流量可以从反应空间的中心区域向其边缘区域增加。这样，供应到反应空间的边缘区域的相对大量的气体可以具有一种限制效应，将供应到反应空间的中心区域的源气体和反应气体限制在反应空间内，从而可以提高沉积在衬底上的薄膜的生长速率及其厚度均匀性。此外，在原子层沉积过程中吹扫过量的源气体或反应气体的吹扫步骤中，更多的吹扫气体可被供应到反应空间的边缘区域而不是中心区域，使得沉积在衬底的边缘区域中的薄膜的厚度可被降低，从而可以改善衬底上的厚度均匀性。

因此，根据本发明，例如，即使在排气端口不对称安装以形成不对称废气流的反应室中，通过根据喷淋头中通孔的位置精确控制喷淋头中上表面处的通孔的横截面尺寸，或者根据喷淋头中的通孔的位置精确控制通孔内部的体积的尺寸，可以提高薄膜的沉积速率和沉积在衬底上的薄膜的厚度均匀性。

应该理解，这里描述的实施例应被认为仅仅是描述性的，而不是限制性的。每个实施例中的特征或方面的描述通常应被认为可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。虽然已经参照附图描述了一个或多个实施例，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (20)

1.一种用于供应气体的喷淋头，包括：

具有上表面和与上表面相对的下表面的喷淋头主体；以及

形成在喷淋头主体中的多个通孔，使得气体从上表面向下表面通过，其中，

下表面中的多个通孔中的每个通孔的横截面积的尺寸彼此相同，而上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘增加。

2.根据权利要求1所述的喷淋头，其中，所述上表面中的多个通孔中的每个通孔的横截面积的尺寸从所述喷淋头的中心向其边缘线性增加。

3.根据权利要求1所述的喷淋头，其中，所述喷淋头分为中心区域和至少一个外部区域，所述中心区域具有包括形成有所述多个通孔的喷淋头的中心的预定半径，并且所述至少一个外部区域从形成有所述多个通孔的中心区域的外侧沿径向方向连续地布置成环形，并且其中，所述外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸大于所述中心区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸。

4.根据权利要求3所述的喷淋头，其中，所述中心区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸彼此相同，并且所述外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸也彼此相同。

5.根据权利要求3所述的喷淋头，其中，所述中心区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸从所述喷淋头的中心向其边缘增加，并且所述外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸也从所述喷淋头的中心向其边缘增加。

6.根据权利要求3所述的喷淋头，其中，所述外部区域包括围绕所述中心区域的外围的第一外部区域和围绕第一外部区域的外围的第二外部区域，并且第二外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸大于第一外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸。

7.根据权利要求3所述的喷淋头，其中，所述外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸大于所述外部区域中的下表面中的每个通孔的横截面积的尺寸。

8.根据权利要求7所述的喷淋头，其中，所述中心区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸至少与所述中心区域中的下表面中的每个通孔的横截面积的尺寸相同。

9.根据权利要求7所述的喷淋头，其中，所述外部区域中的每个通孔的横截面积的尺寸从其上表面到下表面线性减小。

10.根据权利要求7所述的喷淋头，其中，在所述外部区域中，每个通孔的横截面积的尺寸逐步减小，包括从所述上表面朝向所述下表面的至少一个台阶。

11.根据权利要求7所述的喷淋头，其中，在所述外部区域中，每个通孔的横截面积的尺寸从所述喷淋头主体的上表面到预定深度是恒定的，并且此后从预定深度到所述喷淋头主体的下表面线性减小。

12.一种用于供应气体的喷淋头，包括：

具有上表面和与上表面相对的下表面的喷淋头主体；以及

形成在喷淋头主体中的多个通孔，使得气体从上表面向下表面通过，其中，

下表面中的多个通孔中的每个通孔的横截面积的尺寸彼此相同，并且多个通孔中的每个通孔内部的体积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘增加。

13.根据权利要求12所述的喷淋头，其中，所述多个通孔中的每个通孔内的体积的尺寸从所述喷淋头的中心向其边缘线性增加。

14.根据权利要求12所述的喷淋头，其中，所述喷淋头分为中心区域和至少一个外部区域，所述中心区域具有包括形成有所述多个通孔的喷淋头的中心的预定半径，并且所述至少一个外部区域从形成有所述多个通孔的中心区域的外侧沿径向方向连续地布置成环形，并且其中，所述外部区域中的每个通孔内部的体积的尺寸大于所述中心区域中的每个通孔内部的体积的尺寸。

15.根据权利要求14所述的喷淋头，其中，所述外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸大于所述中心区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸。

16.根据权利要求14所述的喷淋头，其中，所述中心区域中的每个通孔内部的体积的尺寸彼此相同，并且所述外部区域中的每个通孔内部的体积的尺寸也彼此相同。

17.根据权利要求14所述的喷淋头，其中，所述外部区域包括围绕所述中心区域的外围的第一外部区域和围绕第一外部区域的外围的第二外部区域，并且第二外部区域中的每个通孔内部的体积的尺寸大于第一外部区域中的每个通孔内部的体积的尺寸。

18.根据权利要求14所述的喷淋头，其中，所述外部区域包括围绕所述中心区域的外围的第一外部区域和围绕第一外部区域的外围的第二外部区域，并且第二外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸大于第一外部区域中的上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸。

19.一种衬底处理设备，包括：

反应室；

位于反应室中的衬底支撑件；以及

喷淋头，其位于衬底支撑件上方，用于向在衬底支撑件和喷淋头之间形成的反应空间供应气体，

其中，喷淋头包括：

具有上表面和与上表面相对的下表面的喷淋头主体；以及

形成在喷淋头主体中的多个通孔，使得气体从上表面向下表面通过，其中，

下表面中的多个通孔中的每个通孔的横截面积的尺寸彼此相同，而上表面中的每个通孔的横截面积的尺寸从喷淋头的中心向其边缘增加。

20.根据权利要求19所述的衬底处理设备，其中，所述多个通孔中的每个通孔内部的体积的尺寸从所述喷淋头的中心向其边缘增加。

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