TW201335420A - 具有熱交換通道的氣體噴淋裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種包含一主結構與一蓋板的氣體噴淋裝置。主結構包含複數個具有複數個第二氣體路徑的壁肋、複數個連接至一氣體輸送裝置並由壁肋定義的第一氣源通道、複數個熱交換通道、複數個第一氣體路徑位於第一氣源通道之下、複數個熱交換通道蓋板位於熱交換通道上及複數個第一氣源通道蓋板位於第一氣源通道上。每ㄧ第一氣源通道及定義第一氣源通道的相鄰二壁肋形成一由一主幹及複數自主幹延伸而出的支幹,且相鄰主幹的支幹則以交錯方式排列。每一熱交換通道係位於主幹之間。蓋板位於主結構上以形成一第二氣源通道。
Description
本發明有關於一種氣體噴淋裝置,特別是有關於一種具有熱交換通道的氣體噴淋裝置。
在例如在具有噴氣頭(showerhead)的反應室內進行的薄膜沉積製程或化學氣相沉積製程的半導體製程中,半導體晶圓係置於一具有加熱功能的晶圓載台,而噴氣頭則噴淋製程所需的反應氣體進入反應室內以及晶圓載台上的半導體晶圓之上。當例如含有欲沉積材料之前驅物氣體的反應氣體透過噴氣頭噴淋至半導體晶圓上,反應室內進行一化學反應,因此形成薄膜於半導體晶圓上。在化學反應過程中,反應室內必須維持高溫以進行化學反應。
噴氣頭通常具有氣體噴頭以將前驅物氣體導向反應室內供半導體晶圓進行製程的晶圓載台。在理想的情況下,前驅物氣體被導向晶圓載台使得前驅物氣體儘量接近晶圓並且儘量在半導體晶圓上分布均勻。
在許多有機金屬化學氣相沉積製程中,例如包含金屬有機物及氫化物,例如氨或砷化氫等的前驅物氣體組合透過噴氣頭導入反應室內。促進製程的載送氣體,例如惰性氣體的氬氣或氦氣亦透過噴氣頭導入反應室內。前驅物氣體於反應室內混合並反應形成一薄膜位於反應室內的半導體晶圓上。載送氣體一般有助於維持晶圓載台上的氣體層流。
不過現有噴氣頭卻有許多源自於氣體通道設計會造成干擾影響製程效率或沉積均勻度等的問題。舉例來說,現有噴氣頭的氣體噴灑可能造成反應室內一些空間缺乏來自噴氣頭噴氣口至半導體晶圓的有效氣流,導致氣體的不均勻分布。對於一些前驅物氣體及在一些製程條件之下,在前驅物到達晶圓沉積表面之前必須避免前驅物預先混合以防止前驅物提早反應以及不想要的微粒及反應產物的生成。
氣體的不均勻分布可能造成不想要的沉積或不均勻的沉積。這些不想要的沉積會消耗反應物以及降低效率而不均勻的沉積將進一步減少製程的產出率。因此許多現有系統要求反應器必須頻繁清潔,將進一步減低產能。
由於反應室內必須維持高溫以進行化學反應,均勻且有效冷卻通道設計對於維持反應器的效率、產能及生產力而言十分重要。一些現有噴氣頭也有因冷卻設計造成的操作效率或沉積均勻的問題。由於無效率的冷卻設計,噴氣頭上濃縮物的形成及氣相微粒之形成與不想要的前驅物的反應產物會對沉積在半導體晶圓上的薄膜成分產生不利的影響。在美國專利申請案US20070163440中,可分離提供二種不同氣體但無冷卻設計的氣體分離形式噴氣頭可能造成反應及不需要的沉積發生在噴氣口並形成氣流的障礙物。在美國專利US7976631中,噴氣頭的每一熱交換通道的排列僅鄰近於二相鄰氣體通道的一側,使得此種冷卻設計明顯不能提供均勻的熱交換。在美國專利申請案US20090095222中,噴氣頭的氣體混合通道及熱交換通道均為螺旋通道,其中氣體混合通道鄰近於熱交換通道。熱交換通道也僅位於兩相鄰氣體通道的一側,而此種無效率的冷卻設計將造成噴氣頭上濃縮物的形成及氣相微粒之形成。
因此,需要一種可提供均勻薄膜沉積及熱交換效能的改良沉積裝置及製程。
本發明的ㄧ實施例提出一種包含一主結構與一蓋板的氣體噴淋裝置。主結構包含複數個具有複數個第二氣體路徑的壁肋、複數個連接至一氣體輸送裝置並由壁肋定義的第一氣源通道、複數個熱交換通道、複數個第一氣體路徑位於第一氣源通道之下、複數個熱交換通道蓋板位於熱交換通道上及複數個第一氣源通道蓋板位於第一氣源通道上。每ㄧ第一氣源通道及定義第一氣源通道的壁肋形成一由一主幹及複數自主幹延伸而出的支幹構成的組合,且相鄰主幹的支幹則以交錯方式排列。每ㄧ熱交換通道係位於主幹之間。蓋板位於主結構上以形成一第二氣源通道,其中第二氣源通道連接第二氣體路徑與氣體輸送裝置。 【00010】 本發明的另ㄧ實施例提出一種沉積系統,此沉積系統包含一包圍一製程空間的反應室、一氣體輸送裝置及一種氣體噴淋裝置。氣體噴淋裝置包含一主結構及一蓋板位於主結構上以形成一第二氣源通道。主結構包含複數個具有複數個第二氣體路徑的壁肋、複數個連接至一氣體輸送裝置並由壁肋定義的第一氣源通道、複數個熱交換通道、複數個第一氣體路徑位於第一氣源通道之下、複數個熱交換通道蓋板位於熱交換通道上及複數個第一氣源通道蓋板位於第一氣源通道上。其中每ㄧ第一氣源通道及定義第一氣源通道的壁肋形成一由一主幹及複數自主幹延伸而出的支幹構成的組合,且相鄰主幹的支幹則以交錯方式排列。每ㄧ熱交換通道係位於主幹之間。第二氣體路徑連接第二氣源通道與製程空間,第二氣源通道連接第二氣體路徑與氣體輸送裝置。 【00011】 本發明的又ㄧ實施例提出一種形成氣體噴淋裝置的方法,此方法包含以下步驟。首先提供一單件材料。接著加工單件材料以形成一主結構。主結構包含複數個具有複數個第二氣體路徑的壁肋、複數個連接至一氣體輸送裝置並由壁肋定義的第一氣源通道、複數個熱交換通道,其中每ㄧ熱交換通道係位於主幹之間及複數個第一氣體路徑位於第一氣源通道之下,其中每ㄧ第一氣源通道及定義第一氣源通道的壁肋形成一由一主幹及複數自主幹延伸而出的支幹構成的組合,且相鄰主幹的支幹則以交錯方式排列。然後固定複數個熱交換通道蓋板位於熱交換通道上以及複數個第一氣源通道蓋板位於第一氣源通道上。最後固定一蓋板位於主結構上以形成一第二氣源通道,其中第二氣體路徑連接第二氣源通道。
【00014】 以下將完成針對本發明的特定實施例參考內容。本發明的一些實施例將詳細描述如下。這些實施例的範例係伴隨著圖式以進行說明。然而,除了如下描述外,本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行,且本發明的範圍並不受實施例之限定。相反地,本發明的範圍實包含符合本發明實施例的替換、修改及等效實施例並以之後的本發明的申請專利範圍為準。在以下的說明敘述中,提出的許多特定細節以使本發明能更被透徹了解。但本發明仍可在沒有部分或全部特定細節的情況下實施。此外習知的製程步驟及元件在此並不詳細描述以避免不必要混淆本發明焦點。 【00015】 本發明提供一種具有熱交換通道的氣體噴淋裝置。於本發明之一實施例中,具有熱交換通道的氣體噴淋裝置係應用於一沉積系統,例如一有機金屬化學氣相沉積系統,但不限於一有機金屬化學氣相沉積系統。一典型沉積系統通常包含一包圍一製程空間的反應室、一氣體輸送裝置及氣體噴淋裝置。氣體噴淋裝置係設置於製程空間之上,而一基板載台則設置於製程空間之下。基板載台係用於承載至少一置於其上以進行製程的基板。典型載入沉積系統以進行製程的基板包含矽晶圓、藍寶石基板、碳化矽基板或氮化鎵或三五族半導體基板等。必須了解的是其他種類的基板,例如玻璃基板亦可載入沉積系統以進行製程。必須了解的是任何包圍一製程空間的反應室及氣體輸送裝置的設計均可用於沉積系統,因此在此處將不會特別描述兩者之特定的實例。沉積系統可進一步包含其他對於本領域具一般技藝者而言係顯而易見的所需的元件。不過與氣體噴淋裝置相關的元件將於以下的敘述中提及。 【00016】 第一圖顯示本發明一實施例之具有熱交換通道的氣體噴淋裝置的截面圖。氣體噴淋裝置100包含一蓋板102及一主結構104。蓋板102固定於主結構104上以形成一第二氣源通道140。主結構104包含複數個第一氣源通道120、第一氣體路徑190、具有第二氣體路徑200的壁肋106及熱交換通道150。主結構104更包含一第一氣體供應通道210、一外部熱交換流體通道220及一位於主結構104周邊部分環繞第一氣源通道120、第一氣體路徑190、第二氣體路徑200及熱交換通道150的清潔氣體供應通道180。在一實施例中,外部熱交換流體通道220係位於第一氣體供應通道210與清潔氣體供應通道180之間。主結構104亦包含分別固定於熱交換通道150及第一氣源通道120的熱交換通道蓋板160與第一氣源通道蓋板170。 【00017】 第一氣體供應通道210、清潔氣體供應通道180及第二氣源通道140連接至氣體輸送裝置。氣體輸送裝置包含多種取決所進行的製程所需的氣源。各種氣體,例如前驅氣體、載送氣體或其他可自氣體輸送裝置經各個供應管線供應至氣體噴淋裝置之第一氣體供應通道210、清潔氣體供應通道180及第二氣源通道140。供應管線可包含控制閥與流量控制器或其他種類控制器以監控並調節或關閉每一管線內的氣流。 【00018】 第一氣體供應通道210連接第一氣源通道120及第一氣體路徑190使得來自氣體輸送裝置的氣體可流過並經由氣體噴淋裝置噴淋散布。第一氣體路徑190形成於主結構104底部並位於第一氣源通道120之下。第一噴氣出口110係位於每一連接位於氣體噴淋裝置之下的製程空間的第一氣體路徑190的底部。在一實施例中,第一噴氣出口110包含鑽孔(drilled hole)。複數個第一氣源通道蓋板170固定於第一氣源通道120之上以隔開第一氣源通道120與第二氣源通道140。 【00019】 第二氣源通道140連接第二氣體路徑200使得來自氣體輸送裝置的氣體可可流過並經由氣體噴淋裝置噴淋散布。第二噴氣出口130係位於每一連接位於氣體噴淋裝置之下的製程空間的第二氣體路徑200的底部。第二噴氣出口130包含鑽孔。 【00020】 外部熱交換流體通道220係位於第一氣體供應通道210及清潔氣體供應通道180之間並連接熱交換通道150。熱交換流體例如水可流經外部熱交換流體通道220至熱交換通道150以調節控制氣體噴淋裝置的溫度。熱交換流體可循環通過一熱交換器以根據需求控制熱交換流體的溫度並維持氣體噴淋裝置的溫度在一所需的溫度範圍之內。複數個熱交換通道蓋板160固定在熱交換通道150上以將熱交換流體或水限制在熱交換通道150內並隔離熱交換通道150與第二氣源通道140。 【00021】 清潔氣體供應通道180連接複數個清潔氣體通道182使來自氣體輸送裝置的清潔氣體能流動通過氣體噴淋裝置。清潔氣體包含惰性氣體。來自氣體輸送裝置的清潔氣體流入清潔氣體供應通道180並向下朝位於氣體噴淋裝置下方的製程空間中的基板流動。 【00022】 第一A圖為第一圖所示本發明一實施例之氣體噴淋裝置的細部截面圖。第一與第二氣體自氣體輸送裝置流至第一氣源通道120與第二氣源通道140接著分別進入第一氣體路徑190及第二氣體路徑200。第一與第二氣體分別透過第一噴氣出口110及第二噴氣出口130噴淋進入位於氣體噴淋裝置下方的製程空間。第一噴氣出口110與第二噴氣出口130的尺寸與形狀取決於通過的氣體而定。第一氣源通道120與熱交換通道150係藉由壁肋106隔開,而第二氣體路徑200則穿過壁肋106。壁肋106的厚度則根據需求例如冷卻的需求而定。舉例來說,較薄的壁肋可提供比較厚壁肋較佳的冷卻效率。 【00023】 第一B圖為第一圖所示本發明一實施例之氣體噴淋裝置的底部細部截面圖。如第一B圖所示,第一氣源通道120及定義或圍繞第一氣源通道120的壁肋106形成一由主幹及複數自主幹延伸而出的支幹構成的組合。相鄰主幹的支幹則以交錯方式排列。如第一B圖所示,熱交換通道150呈現曲折形態。在一實施例中,熱交換通道150 包含複數個交替且連續ㄇ與ㄩ字形狀的通道,而第一氣源通道120具有複數個十字型連續相連的通道。壁肋106的轉角則經圓弧化處理以使熱交換流體的流動更順暢。熱交換通道150及第一氣源通道120則透過具有第二氣體路徑200的壁肋106形成及隔開。此外第一氣體路徑190與第二氣體路徑200則以一對一的形式排列,使得每ㄧ第一氣體路徑190均對應於ㄧ個第二氣體路徑200。 【00024】 第一C圖為氣體流動及熱交換流體流動的示意圖。第一氣體流A係來自氣體輸送裝置並流過位於氣體噴淋裝置外圍環狀部分的第一氣體供應通道210。第一氣體接著流經第一氣體路徑190並經由第一噴氣出口110噴淋進入氣體噴淋裝置下方的製程空間。來自氣體輸送裝置第二氣體流C流過第二氣源通道140,且第二氣體流經壁肋106內的第二氣體路徑200並經由第二噴氣出口130噴淋進入氣體噴淋裝置下方的製程空間。熱交換流體流B係來自一管線並流經外部熱交換流體通道220至熱交換通道150以橫越通過整個氣體噴淋裝置以控制氣體噴淋裝置的溫度。 【00025】 熱交換流體或水的流速亦可調整以協助控制氣體噴淋裝置100的溫度。此外壁肋106的厚度亦可設計為有益於氣體噴淋裝置100的溫度控制。較薄的壁肋106可增加通過壁肋的熱傳導率因此增加氣體噴淋裝置100的的冷卻率。 【00026】 第一D圖為第一圖中沿D-D線的截面圖。如第一D圖所示,第一氣源通道120及壁肋106形成一由主幹及複數自主幹延伸而出的支幹構成的組合。在此實施例中,相鄰主幹的支幹則以交錯方式排列以形成包含複數個交替且連續的ㄇ與ㄩ字型的通道的熱交換通道150。清潔氣體通道182係位於氣體噴淋裝置100則位於氣體噴淋裝置100的外圍環狀部分。 【00027】 第二圖為本發明一實施例之氣體噴淋裝置的部份剖面側視圖。圖中可見主結構104內的第一氣體供應通道210、外部熱交換流體通道220及清潔氣體供應通道180。第二圖同時顯示,熱交換通道蓋板160及第一氣源通道蓋板170分別固定在熱交換通道150與第一氣源通道120上。熱交換通道蓋板160及第一氣源通道蓋板170可藉由可修復的雷射銲接分別固定在熱交換通道150與第一氣源通道120上。雷射銲接的優點包含高良率以及易於施工。主結構104可藉由加工單件材料一體成型,因此可避免任何熱交換流體或水的洩漏問題。具有熱交換通道150、第一氣源通道120或壁肋106的主結構104可利用加工中心機加工而成。 【00028】 再參考第一D圖所示,第一氣體路徑190、第二氣體路徑200及清潔氣體通道182可利用放電加工機(electrical discharge machining)在單一製程中完成。而第一氣體路徑190、第二氣體路徑200及清潔氣體通道182的數量可視需求儘可能增加。 【00029】 第三圖本發明一實施例之氣體噴淋裝置的側視圖。第三圖中可見多個視口(viewports)184。視口184形成於並穿透氣體噴淋裝置100以供沉積系統之操作者觀察沉積製程之用。 【00030】 本發明經由對照所屬實施例進行說明與敘述,但上述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點,其目的在使熟悉此技藝之人士能了解本發明之內容並據以實施,不應據以限定本發明之專利範圍,即凡其他未脫離本發明所揭示精神所完成之各種等效改變或修飾都涵蓋在本發明所揭露的範圍內,均應包含在以下之申請專利範圍內。
100...氣體噴淋裝置
102...蓋板
104...主結構
106...壁肋
110...第一噴氣出口
120...第一氣源通道
130...第二噴氣出口
140...第二氣源通道
150...熱交換通道
160...熱交換通道蓋板
170...第一氣源通道蓋板
180...清潔氣體供應通道
182...清潔氣體通道
190...第一氣體路徑
200...第二氣體路徑
210...第一氣體供應通道
220...外部熱交換流體通道
【00012】 本發明上述的特徵可藉由更詳細的描述、前述的簡單說明以及參照實施例說明而得到更深入的了解,實施例均伴隨所附圖式。值得注意的是,儘管所附圖式僅顯示本發明代表性的實施例,但並不限制本發明的範圍,而本發明包含其他等效實施例。本發明上述的特徵及優點將可因施例詳細的描述及所附圖式更易於了解。 【00013】 第一圖顯示本發明一實施例之具有熱交換通道的氣體噴淋裝置的截面圖。 第一A圖為第一圖所示本發明一實施例之氣體噴淋裝置的細部截面圖。 第一B圖為第一圖所示本發明一實施例之氣體噴淋裝置的底部細部截面圖。 第一C圖為氣體流動及熱交換流體流動的示意圖。 第一D圖為第一圖中沿D-D線的截面圖。 第二圖為本發明一實施例之氣體噴淋裝置的部份剖面側視圖。 第三圖本發明一實施例之氣體噴淋裝置的側視圖。
100...氣體噴淋裝置
102...蓋板
104...主結構
106...壁肋
110...第一噴氣出口
120...第一氣源通道
130...第二噴氣出口
140...第二氣源通道
150...熱交換通道
160...熱交換通道蓋板
170...第一氣源通道蓋板
180...清潔氣體供應通道
182...清潔氣體通道
184...視口
190...第一氣體路徑
200...第二氣體路徑
210...第一氣體供應通道
220...外部熱交換流體通道
Claims (22)
- 一種氣體噴淋裝置,包含 一主結構包含 複數個具有複數個第二氣體路徑的壁肋; 複數個連接至一氣體輸送裝置並由該壁肋定義的第一氣源通道,其中每ㄧ該第一氣源通道及定義該第一氣源通道的該壁肋形成一由一主幹及複數自該主幹延伸而出的支幹構成的組合,且相鄰該主幹的該支幹則以交錯方式排列; 複數個熱交換通道,其中每ㄧ該熱交換通道係位於該主幹之間; 複數個第一氣體路徑位於該第一氣源通道之下; 複數個熱交換通道蓋板位於該熱交換通道上;及 複數個第一氣源通道蓋板位於該第一氣源通道上;及 一蓋板位於該主結構上以形成一第二氣源通道,其中該第二氣源通道連接該第二氣體路徑與該氣體輸送裝置。
- 根據申請專利範圍第1項所述之氣體噴淋裝置,其中該主結構更包含一第一氣體供應通道、一外部熱交換流體通道及一位於主結構周邊部分環繞該第一氣源通道、該第一氣體路徑、該第二氣體路徑及該熱交換通道的清潔氣體供應通道,其中該第一氣體供應通道連接該第一氣源通道與該氣體輸送裝置。
- 根據申請專利範圍第2項所述之氣體噴淋裝置,其中該外部熱交換流體通道係位於該第一氣體供應通道與該清潔氣體供應通道之間。
- 根據申請專利範圍第2項所述之氣體噴淋裝置,其中該主結構更包含複數個位於該清潔氣體供應通道之下的清潔氣體通道。
- 根據申請專利範圍第1項所述之氣體噴淋裝置,其中該熱交換通道包含複數個交替且連續ㄇ與ㄩ字形狀的通道,每ㄧ該第一氣源通道具有複數個連續十字形狀的通道。
- 根據申請專利範圍第1項所述之氣體噴淋裝置,其中該第一氣體路徑與該第二氣體路徑係以一對一的形式排列,使得每ㄧ該第一氣體路徑均對應於ㄧ該第二氣體路徑。
- 根據申請專利範圍第1項所述之氣體噴淋裝置,更包含至少一個視口以供觀察沉積製程之用。
- 根據申請專利範圍第1項所述之氣體噴淋裝置,其中該壁肋具有圓弧化轉角。
- 一種沉積系統,包含: 一包圍一製程空間的反應室; 一氣體輸送裝置;及 一種氣體噴淋裝置,包含 一主結構包含 複數個具有複數個第二氣體路徑的壁肋; 複數個連接至一氣體輸送裝置並由該壁肋定義的第一氣源通道,其中每ㄧ該第一氣源通道及定義該第一氣源通道的該壁肋形成一由一主幹及複數自該主幹延伸而出的支幹構成的組合,且相鄰該主幹的該支幹則以交錯方式排列; 複數個熱交換通道,其中每ㄧ該熱交換通道係位於該主幹之間; 複數個第一氣體路徑位於該第一氣源通道之下; 複數個熱交換通道蓋板位於該熱交換通道上;及 複數個第一氣源通道蓋板位於該第一氣源通道上;及 一蓋板位於該主結構上以形成一第二氣源通道,其中該第二氣體路徑連接該第二氣源通道與該製程空間,該第二氣源通道連接該第二氣體路徑與該氣體輸送裝置。
- 根據申請專利範圍第9項所述之沉積系統,其中該沉積系統包含一有機金屬化學氣相沉積系統。
- 根據申請專利範圍第9項所述之沉積系統,更包含一位於該製程空間一側的基板載台。
- 根據申請專利範圍第9項所述之沉積系統,其中該主結構更包含複數個第一噴氣出口,其中每ㄧ該第一噴氣出口係位於每一該第一氣體路徑的底部。
- 根據申請專利範圍第9項所述之沉積系統,其中該主結構更包含複數個第二噴氣出口,其中每ㄧ該第二噴氣出口係位於每一該第二氣體路徑的底部。
- 根據申請專利範圍第9項所述之沉積系統,其中該主結構更包含一第一氣體供應通道、一外部熱交換流體通道及一位於該主結構周邊部分環繞該第一氣源通道、該壁肋及該熱交換通道的清潔氣體供應通道。
- 根據申請專利範圍第14項所述之沉積系統,其中該外部熱交換流體通道係位於該第一氣體供應通道與該清潔氣體供應通道之間。
- 根據申請專利範圍第9項所述之沉積系統,其中該主結構更包含複數個清潔氣體通道。
- 根據申請專利範圍第9項所述之沉積系統,其中該熱交換通道包含複數個交替且連續的ㄇ與ㄩ字型的通道,每一該第一氣源通道具有複數個十字型連續相連的通道。
- 根據申請專利範圍第9項所述之沉積系統,其中該第一氣體路徑與該第二氣體路徑係以一對一的形式排列,使得每ㄧ該第一氣體路徑均對應於ㄧ個該第二氣體路徑。
- 一種形成氣體噴淋裝置的方法,包含: 提供一單件材料; 加工該單件材料以形成一主結構,該一主結構包含 複數個具有複數個第二氣體路徑的壁肋; 複數個連接至一氣體輸送裝置並由該壁肋定義的第一氣源通道,其中每ㄧ該第一氣源通道及定義該第一氣源通道的該壁肋形成一由一主幹及複數自該主幹延伸而出的支幹構成的組合,且相鄰該主幹的該支幹則以交錯方式排列; 複數個熱交換通道,其中每ㄧ該熱交換通道係位於該主幹之間;及 複數個第一氣體路徑位於該第一氣源通道之下; 固定複數個熱交換通道蓋板位於該熱交換通道上以及複數個第一氣源通道蓋板位於該第一氣源通道上;及 固定一蓋板位於該主結構上以形成一第二氣源通道,其中該第二氣體路徑連接該第二氣源通道。
- 根據申請專利範圍第19項所述之方法,其中該單件材料係以該加工中心機進行加工。
- 根據申請專利範圍第19項所述之方法,其中該熱交換通道蓋板及該第一氣源通道蓋板係以雷射銲接分別固定於該熱交換通道及該第一氣源通道上。
- 根據申請專利範圍第19項所述之方法,其中該第一氣體路徑與該第二氣體路徑係以一放電加工機於單一製程中完成。
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