CN116889840A - 气体输送组件和包括该组件的反应器系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种气体输送组件和包括该气体输送组件的反应器系统。气体输送组件包括传输管和挡板，以促进可以包括活性物种的气体的期望分布。
Description
技术领域
本公开总体涉及用于向反应室提供气体的组件以及气相反应器系统。更具体地，本公开涉及适于向反应室提供活性物种的气体输送组件，以及包括气体输送组件的反应器系统。
背景技术
反应器系统经常在电子器件比如半导体器件的制造过程中使用。对于多个制造过程，可能需要形成活性物种，比如自由基，以例如允许在相对较低的温度(与没有活性物种帮助的期望反应的温度相比)下发生期望的反应。
例如，氢自由基可用于在相对较低的温度下处理反应室内的衬底表面。这种处理可以包括清洁、提供期望的表面终止和/或从衬底表面去除天然氧化物。
通常，在用活性物种进行表面处理的过程中，希望在反应室内向衬底表面提供均匀分布的活性物种，以在整个衬底表面上提供均匀处理。一种提供活性物种均匀分布的方法包括使用喷淋头装置。然而，诸如氢自由基之类的活性物种由于其低质量而具有低扩散速率，并且氢自由基在与表面(比如喷淋头装置内的表面)碰撞后倾向于重新结合。结果，对于典型的喷淋头装置，氢自由基可以容易地重新结合，导致自由基在衬底表面的不均匀分布。
因此，需要用于提供更均匀分布的活性物种的改进的组件和系统。
发明内容
本公开的各种实施例提供了用于向衬底表面提供活性物种(例如氢自由基)的改进的组件和系统。示例性方法和系统可用于从衬底表面去除含碳材料和/或含氧材料和/或还原金属氧化物，例如氧化钴等。虽然下文将更详细地讨论现有技术的各种缺点，但总的来说，本文所述的组件和系统可以在整个衬底表面上提供相对高浓度和/或均匀分布的活性物种。
根据本公开的至少一个示例性实施例，一种气体输送组件包括传输管、喷淋头组件和挡板。根据这些实施例的各方面，传输管包括具有第一端横截面尺寸的第一端和具有第二端横截面尺寸的第二端，其中第一端横截面尺寸小于第二端横截面尺寸。根据进一步的方面，喷淋头组件联接到传输管的第二端。喷淋头组件包括顶板；联接到顶板的喷淋头板；以及顶板和喷淋头板之间的增压区域。根据进一步的方面，挡板介于增压区域和第二端之间。示例性挡板包括第一区域和第一区域径向外部的第二区域，其中第二区域的流体传导率大于第一区域的流体传导率。气体输送组件还可以包括联接到第二端和顶板的第一凸缘。第一凸缘可以包括第一凸缘冷却流体通道。气体输送组件还可以包括联接到第一端的第二凸缘。第二凸缘可以包括第二凸缘冷却流体通道。传输管和挡板中的一个或多个可以包括涂层。涂层可以配置成减轻自由基的重新结合。
根据本公开的附加实施例，一种反应器系统包括远程等离子体单元、反应室和气体输送组件。气体输送组件可以如本文所述。
通过参考附图对某些实施例的以下详细描述，这些和其他实施例对于本领域技术人员来说将变得显而易见；本发明不限于所公开的任何特定实施例。
附图说明
当结合以下说明性附图考虑时，通过参考详细描述和权利要求，可以获得对本公开的实施例的更完整的理解。
图1示出了根据本公开的至少一个实施例的反应器系统。
图2示出了图1的反应器系统的一部分的放大图。
图3示出了图1的反应器系统的一部分的放大图。
图4示出了根据本公开的至少一个实施例的气体输送组件的一部分。
图5和6示出了根据本公开的至少一个实施例的图4的气体输送组件的一部分的剖视图。
图7示出了根据本公开的至少一个实施例的挡板。
应当理解，附图中的元件是为了简单和清楚而示出的，并不一定是按比例绘制的。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大，以有助于提高对本公开的所示实施例的理解。
具体实施方式
下面提供的组件和系统的示例性实施例的描述仅仅是示例性的，并且仅是为了说明的目的；以下描述不旨在限制本公开或权利要求的范围。此外，对具有所述特征的多个实施例的叙述并不旨在排除具有附加特征的其他实施例或者结合了所述特征的不同组合的其他实施例。
如下文更详细阐述，本文描述的示例性组件和系统可用于制造电子器件，例如半导体器件。具体而言，示例性系统可用于向衬底表面提供相对高和/或均匀浓度的活性物种(例如源自氢),以用于各种应用—特别是当期望相对低的处理温度时。
可能需要降低处理温度来最小化或减少衬底上或具有衬底的其他层的退化或损坏。活性物种，例如由远程等离子体源产生的氢自由基，能够在相对低的温度下还原材料，例如低于200℃、250℃、300℃或350℃。低温处理有助于保持衬底上材料的完整性和连续性，并且能够减少否则可能发生的损坏—例如对衬底内的其他层的损坏。氢自由基可用于将金属氧化物还原成金属。氢自由基也可用于从衬底表面清除污染物，例如碳。另外或可替代地，氢自由基可用于提供期望的表面终止—例如用于后续处理。此外，氢自由基具有相对较低的动能，从而减轻处理过程中的衬底损伤。本公开的各种实施例提供了将活性物种(例如氢自由基)传输到衬底(例如用于表面处理)的组件和系统。
如本文所用，术语“衬底”可以指其上可沉积层的任何一种或多种底层材料。衬底可以包括主体材料，比如硅(例如单晶硅)或其他半导体材料，并且可以包括一层或多层，例如覆盖或位于主体材料下面的天然氧化物或其他层。此外，衬底可以包括各种拓扑结构，例如形成在衬底的层和/或主体材料的至少一部分之内或之上的凹槽、线条等。作为特定示例，衬底可以包括一种或多种材料，包括但不限于硅(Si)、锗(Ge)、锗锡(GeSn)、硅锗(SiGe)、硅锗锡(SiGeSn)、碳化硅(SiC)或III-V族半导体材料，例如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)或氮化镓(GaN)。在一些实施例中，衬底可以包括一种或多种介电材料，包括但不限于氧化物、氮化物或氮氧化物。例如，衬底可以包括氧化硅(例如SiO2)、金属氧化物(例如Al2O3)、氮化硅(例如Si3N4)或氮氧化硅。在本公开的一些实施例中，衬底可以包括工程衬底，其中表面半导体层设置在主体材料上，其间设置有中间掩埋氧化物(BOX)。图案化衬底可以包括形成在衬底表面之中或之上的特征；例如，图案化衬底可以包括部分制造的半导体器件结构，例如晶体管和/或存储元件。在一些情况下，衬底包括包含金属(例如铜、钴等)的层。
如本文所用，术语膜可以指任何连续或不连续的结构和材料，例如通过本文公开的方法沉积的材料。例如，膜可以包括2D材料或者部分或全部分子层或者部分或全部原子层或者原子和/或分子的簇。膜可以包括具有针孔的材料，但仍至少部分连续。术语膜和层可以互换使用。
在本公开中，气体可以包括在常温常压下为气体的材料、蒸发的固体和/或蒸发的液体，并且可以由单一气体或气体混合物构成，这取决于情况。
此外，在本公开中，变量的任何两个数字可以构成该变量的可行范围，并且所指示的任何范围可以包括或不包括端点。此外，所指示的变量的任何值(不管它们是否用约表示)可以指精确值或近似值，并且包括等同物，并且在一些实施例中可以指平均值、中值、代表性值、多数值等。此外，在本公开中，术语“包括”、“由…构成”、“具有”在一些实施例中可以独立地指通常或广义地包括、包含、基本由…组成或由…组成。根据本公开的各方面，术语的任何定义的含义不一定排除术语的普通和习惯含义。
现在转到附图，图1示出了根据本公开的示例性实施例的反应器系统100。图2和3示出了反应器系统100的一部分的放大图。反应器系统100包括反应器102，其包括反应室104；气体输送组件108；以及远程等离子体单元(RPU)116。反应器系统100以及本文所述的气体输送组件可以为反应器系统和/或其部件内的活性物种(例如氢自由基)提供延长的寿命，和/或可以提供活性物种更均匀的分布和/或期望的分布。
反应器102可以是或包括任何合适的气相反应器。举例来说，反应器102可以是或包括处理反应器。如图所示，反应器102可以包括衬底支撑件114，以在处理过程中支撑衬底。
反应室104至少部分地限定在其中处理衬底的空间。反应室104的下部或表面可以至少部分由衬底支撑件114限定。
气体输送组件108包括喷淋头组件106、传输管120和挡板122。气体输送组件108配置为从远程等离子体单元116向反应室104提供活性物种，同时减轻远程等离子体单元内形成的自由基的重新结合。此外，气体输送组件108可以提供活性物种，同时减轻远程等离子体单元116和反应室104之间的任何压降。
喷淋头组件106包括顶板110、联接到顶板110的喷淋头板112以及顶板110和喷淋头板112之间的增压区域118。顶板110可以由任何合适的材料形成，例如金属。举例来说，顶板110可以由铝形成—例如各种铝等级(例如6000系列或5000系列)或铝合金，其中任何一种都可以包括不同的表面涂层。类似地，喷淋头板112可以由任何合适的金属形成，例如具有不同表面涂层的各种铝等级(例如6000系列或5000系列)或铝合金。顶板110还可以包括顶板导管304和其中的加热器306。加热器306可以是例如柔性电阻加热器。热电偶308也可以至少部分嵌入顶板110中。
喷淋头板112包括多个孔202，以促进气体从增压区域118到反应室104的期望流动。
传输管120配置为将远程等离子体单元116中形成的活性物种传输到喷淋头组件106的增压区域118，同时减轻自由基的重新结合。传输管120可以由任何合适的材料形成，比如铝—例如6000或50000系列铝等级或铝合金—具有不同的表面涂层。传输管120的内表面524可以涂覆有管涂层，例如氧化铝、化学镀镍磷、氧化钇等，以进一步减轻自由基的重新结合。
参考图1和4-6，在所示的示例中，传输管120包括具有第一端横截面尺寸(例如第一直径)404的第一端402和具有第二端横截面尺寸(例如第二直径)504的第二端502，其中第一端横截面尺寸404小于第二端横截面尺寸504。大于第一端横截面尺寸404的第二端横截面尺寸504有助于活性物种流向反应室104，同时减轻重新结合。第二端502可以联接到喷淋头组件106。
如进一步所示，传输管120包括第一部分406和相邻的第二部分408。第一部分406可以是基本笔直中空的圆柱形。第二部分408可以是锥形或基本截头圆锥形。第一部分406和第二部分408可以形成为一件式主体。可替代地，第一部分406和第二部分408可以密封地联接在一起。
气体输送组件108还可以包括第一凸缘410。第一凸缘410可用于将传输管120的第二端502联接至顶板110。如图5和6所示，第一凸缘410包括内表面506，其接触传输管120的外表面508，以在传输管120和第一凸缘410之间形成密封。在一些情况下，第一凸缘410(例如内表面506)焊接到第二端502(例如外表面508)。
第一凸缘410还包括在顶板110和第一凸缘410之间形成密封的底面512。可以使用任何合适的方法形成密封。例如，如图2所示，顶板110可以包括凹槽208、210和密封构件204、206(例如O形环等)以在顶板110和第一凸缘410之间形成密封。
第一凸缘410还可以包括第一凸缘冷却流体通道516。第一凸缘冷却流体通道516可以配置成接收冷却流体管518，其具有流通从中通过的冷却流体，和/或冷却流体通道516可以配置成直接接收冷却流体。气体输送组件108还可以包括一个或多个紧固件，比如一个或多个夹子414，以将冷却流体管518保持在第一凸缘冷却流体通道516内。
第一凸缘410还可以包括多个孔416，以接收紧固件212，例如螺栓或螺钉。紧固件212可用于将第一凸缘410联接到顶板110。
气体输送组件108还可以包括第二凸缘412。第二凸缘412可用于将传输管120的第一端402联接至远程等离子体单元116。
第二凸缘412包括内表面602，其接触传输管120的外表面604，以在传输管120和第二凸缘412之间形成密封。在一些情况下，第二凸缘412(例如内表面602)可以焊接到第一端402(例如外表面604)。
第二凸缘412还包括可在远程等离子体单元116和第二凸缘412之间形成密封的顶面606。可以使用任何合适的方法形成密封。例如，如图2和3所示，密封构件214(例如O形环等)可用于在第二凸缘412和远程等离子体单元116之间形成密封。
第二凸缘412可以包括第二凸缘冷却流体通道520。第二凸缘冷却流体通道520可以配置成接收冷却流体管522，其可以具有流通从中通过的冷却流体和/或可以配置成直接接收冷却流体。气体输送组件108还可以包括一个或多个紧固件，例如一个或多个夹子418，以将冷却流体管522保持在第二凸缘冷却流体通道520内。
第二凸缘412还可以包括多个孔608，以接收紧固件302，例如螺栓或螺钉。紧固件302可用于将第二凸缘412联接至远程等离子体单元116，使得传输管120的第一端402流体联接至远程等离子体单元116的出口。
挡板122可配置成将远程等离子体单元116中产生的活性物种分配到增压区域118。因此，挡板122可以适当地置于增压区域118和第二端502之间。挡板122可以密封地联接到第一凸缘410。例如，挡板122可以焊接到第一凸缘410。
图7更详细地示出了示例性挡板122。在图示的示例中，挡板122包括第一区域702和第二区域704，第二区域704设置在第一区域702的径向外部。为了获得活性物种的期望流动模式，第二区域704的流体传导率可以大于第一区域702的流体传导率。
第一区域702可以包括基本圆柱形部分706，该部分具有穿过其中的多个孔708。第一区域702可以配置为允许活性物种流向反应室104内的衬底中心，而不允许所有活性物种直接流向衬底的中心。孔708的数量范围可以从例如约10个到约50个或者约20个到约100个。每个孔708的尺寸可以在约1至约7mm的范围内。相邻孔708的周向间距(cp)可以径向变化，例如，相对于远离中心712的孔708的间距，靠近挡板122的中心712的孔708更靠近在一起。在一些情况下，孔708的径向间距(rp)可以相对恒定。
第二区域704可以包括基本中空的圆柱体形状。在图示的示例中，第二区域704包括多个弓形或基本弓形区域710。弓形区域的数量范围可以从例如约2个到约4个或者约4个到约8个。
挡板122可以由任何合适的材料形成，例如金属或陶瓷(例如蓝宝石、石英、熔融氧化硅等)。示例性金属包括各种等级的铝，例如这里提到的那些、铝合金、难熔金属等。在一些情况下，挡板122包括挡板表面上的挡板涂层。挡板涂层可以是或包括例如氧化铝、化学镀镍磷、氧化钇等。
再次参考图1，基座或衬底支撑件114可以是固定的，并且可以配置为接收升降销(未示出)。基座114可以包括一个或多个加热器和/或一个或多个冷却流体导管。
远程等离子体单元116从一种或多种源气体(例如含氢气体，比如H2)产生活性物种(例如自由基)。产生的自由基然后通过传输管120进入反应室104。远程等离子体单元116可以包括：由不同RF频率驱动的环形ICP(电感耦合等离子体)和/或CCP(电容耦合等离子体)源或线圈型ICP源，例如100kHz、400kHz、2MHz、13.56MHz、60MHz、160MHz和/或2.45GHz微波源。
尽管本文阐述了本公开的示例性实施例，但应当理解，本公开不限于此。例如，尽管结合氢自由基描述了系统和组件，但是该系统和组件不必限于使用这样的自由基。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本文阐述的系统和方法进行各种修改、变化和增强。
Claims (20)
1.一种气体输送组件，包括：
传输管，包括：
具有第一端横截面尺寸的第一端，和
具有第二端横截面尺寸的第二端，
其中第一端横截面尺寸小于第二端横截面尺寸；
联接到第二端的喷淋头组件，该喷淋头组件包括：
顶板；
联接到顶板的喷淋头板；和
顶板和喷淋头板之间的增压区域；以及
介于增压区域和第二端之间的挡板，该挡板包括：
第一区域；和
第一区域径向外部的第二区域，
其中第二区域的流体传导率大于第一区域的流体传导率。
2.根据权利要求1所述的气体输送组件，还包括联接到所述第二端和所述顶板的第一凸缘。
3.根据权利要求2所述的气体输送组件，其中，所述第一凸缘焊接到所述第二端。
4.根据权利要求2所述的气体输送组件，其中，所述挡板焊接到所述第一凸缘。
5.根据权利要求2所述的气体输送组件，其中，所述第一凸缘包括第一凸缘冷却流体通道。
6.根据权利要求1所述的气体输送组件，还包括联接到所述第一端的第二凸缘。
7.根据权利要求6所述的气体输送组件，其中，所述第二凸缘包括第二凸缘冷却流体通道。
8.根据权利要求1所述的气体输送组件，其中，所述第一区域包括基本圆柱形部分，该部分具有穿过其中的多个孔。
9.根据权利要求1所述的气体输送组件，其中，所述第二区域包括多个弓形区域。
10.根据权利要求1所述的气体输送组件，其中，所述顶板包括顶板导管和其中的加热器。
11.根据权利要求1所述的气体输送组件，其中，所述传输管还包括在传输管的内表面上的管涂层。
12.根据权利要求11所述的气体输送组件，其中，所述管涂层包括选自以下的材料：氧化铝、化学镀镍磷和氧化钇。
13.根据权利要求1所述的气体输送组件，其中，所述挡板还包括在挡板的表面上的挡板涂层。
14.根据权利要求13所述的气体输送组件，其中，所述挡板涂层包括选自以下的材料：氧化铝、化学镀镍磷和氧化钇。
15.根据权利要求1所述的气体输送组件，其中，所述传输管包括第一基本笔直部分和相邻的第二锥形部分。
16.一种反应器系统，包括：
远程等离子体单元；
传输管，其流体联接到远程等离子体单元的出口，该传输管包括：
具有第一端横截面尺寸的第一端，和
具有第二端横截面尺寸的第二端，
其中第一端横截面尺寸小于第二端横截面尺寸；
联接到第二端的喷淋头组件，该喷淋头组件包括：
顶板；
联接到顶板的喷淋头板；和
顶板和喷淋头板之间的增压区域；
介于增压区域和第二端之间的挡板，该挡板包括：
第一区域；和
第一区域径向外部的第二区域，
其中第二区域的流体传导率大于第一区域的流体传导率；以及
邻近喷淋头板的反应室。
17.根据权利要求16所述的反应器系统，其中，所述传输管涂覆有选自以下的材料：氧化铝、化学镀镍磷和氧化钇。
18.一种气体输送组件，包括：
传输管，包括：
具有第一端横截面尺寸的第一端，和
具有第二端横截面尺寸的第二端，
其中第一端横截面尺寸小于第二端横截面尺寸；
联接到第二端的喷淋头组件，该喷淋头组件包括：
顶板；
联接到顶板的喷淋头板；和
顶板和喷淋头板之间的增压区域；以及
介于增压区域和第二端之间的挡板。
19.根据权利要求18所述的气体输送组件，包括第一凸缘，其包括第一凸缘冷却流体通道。
20.根据权利要求18所述的气体输送组件，包括第二凸缘，其包括第二凸缘冷却流体通道。
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