TW201346994A - 具有分離的處理氣體與淨化氣體區域之製程腔室 - Google Patents

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Jose Antonio Marin
Satheesh Kuppurao
Balasubramanian Ramachandran
Swaminathan T Srinivasan
Mehmet Tugrul Samir
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Abstract

本發明之諸實施例通常係關於腔室和處理在腔室中基材之方法。腔室通常包含分離的處理氣體和淨化氣體區域。每一處理氣體區域和淨化氣體區域具有個別的氣體入口和氣體出口。方法通常包含將基材定位於腔室內之基材支座上。基材支座之平面係限定處理氣體區域和淨化氣體區域之間的界限。淨化氣體係經由至少一淨化氣體入口被引導進入淨化氣體區域內，且使用至少一淨化氣體出口將淨化氣體自淨化氣體區域移除。處理氣體係經由至少一處理氣體入口被引導進入處理氣體區域內，且使用至少一處理氣體出口將處理氣體自處理氣體區域移除。處理氣體係被熱分解而將材料沉積至基材上。

Description

具有分離的處理氣體與淨化氣體區域之製程腔室
本發明之實施例通常係關於處理在側向流腔室內例如半導體基材之基材。
半導體基材係被處理用於各種不同廣泛的應用，包含整合裝置和微裝置之製造。處理基材的一種方法係包含在基材之上表面沉積一種諸如介電質材料或導電金屬之材料。材料可沉積在側向流腔室內，此舉係藉由將處理氣體平行於定位在支座上之基材表面而流動，且熱分解處理氣體而將來自氣體之材料沉積在基材表面上。
在沉積處理過程中，不希望處理氣體流經基材支座下方，因而無意地沉積在難以清潔或將影響處理效能之腔室元件上。為了防止此"背側"沉積，非反應性淨化氣體係自腔室之較低處，基材支座下方而提供，並且被允許環繞著基材支座往上流動。淨化氣體之向上流動係防止反應性氣體進入腔室之較低部分。然後淨化氣體自位於腔室較上部分之排氣口被排除。
淨化氣體雖然有效於減少背側沉積，但卻降低在基材上表面的沉積品質。當淨化氣體經由介於腔室壁和基材支座間之縫隙往上流動以防止處理氣體流過其中時，淨化氣體降低了處理氣體側向流動之均勻性。向上引導之淨化氣體在側向流動的處理氣體中造成了紊流。紊流則在基材表面上產生了不均勻的材料沉積，特別是接近基材邊緣處。基材上不均勻之材料沉積則降低了基材和製成裝置之品質。通常，需要額外的處理，例如化學機械研磨，來修正因不均勻沉積所導致的缺陷。
因此，有需要一種方法和設備用以處理在側向流腔室內的基材而且可減少背側沉積並加速均勻基材沉積。
本發明之實施例通常係關於腔室和處理在腔室中基材之方法。腔室通常包含分離的處理氣體和淨化氣體區域。每一處理氣體區域和淨化氣體區域具有個別的氣體入口和氣體出口。方法通常包含將基材定位於腔室內之基材支座上。基材支座之平面係限定處理氣體區域和淨化氣體區域之間的界限。淨化氣體係經由至少一淨化氣體入口被引導進入淨化氣體區域內，且使用至少一淨化氣體出口將淨化氣體自淨化氣體區域移除。處理氣體係經由至少一處理氣體入口被引導進入處理氣體區域內，且使用至少一處理氣體出口將處理氣體自處理氣體區域移除。處理氣體係被熱分解而將材料沉積至基材上。
於一實施例中，一種設備包括腔室主體和設置在該 腔室主體內之基材支座。基材支座係在裝載位置和處理位置之間可垂直地致動。處理氣體入口和處理氣體出口，當該基材支座位於該處理位置時，係設置在該基材支座之平面的上方，以及淨化氣體入口和淨化氣體出口，當基材支座位於處理位置時，係設置在基材支座之平面的下方。
於另一實施例中，一種處理位於側向流腔室之基材之方法係包含將基材定位於處理腔室內之基材支座上，處理腔室係具有淨化氣體區域和處理氣體區域。接著淨化氣體經由至少一淨化氣體入口被引導進入該淨化氣體區域，且處理氣體經由至少一處理氣體入口被引導進入該處理氣體區域。將來自該處理氣體之材料沉積在該基材上。該材料之沉積產生處理氣體副產品。接著，該淨化氣體經由至少一淨化氣體出口自淨化氣體區域被排除，且處理氣體副產品經由至少一處理氣體出口自處理氣體區域被排除。
100‧‧‧處理腔室
101‧‧‧腔室主體
102‧‧‧上拱頂
104‧‧‧下拱頂
105‧‧‧控制器
106‧‧‧基材支座
108‧‧‧基材
110‧‧‧升舉銷
112‧‧‧致動器
114‧‧‧開口
116‧‧‧處理氣體區域
118‧‧‧淨化氣體區域
120‧‧‧平面
122‧‧‧淨化氣體氣源
124‧‧‧氣體入口
126‧‧‧流動路徑
128‧‧‧氣體出口
130‧‧‧排氣幫浦
132‧‧‧處理氣體供應氣源
134‧‧‧氣體入口
136‧‧‧流動路徑
138‧‧‧氣體出口
140‧‧‧真空幫浦
141‧‧‧擋板
142‧‧‧燈泡
200‧‧‧處理腔室
228‧‧‧排氣出口
234‧‧‧噴頭
236‧‧‧箭頭
260‧‧‧阻流板
本發明更具體之敍述已簡單摘要如上文，使得本發明之上述特徵能夠被更詳細地理解之方式可參考諸實施例(其中某些實施例圖示於所附圖式中)。然而，該注意的是所附圖式僅係圖示本發明之典型實施例且因此不被視為用以限制本發明之範圍，因本發明承認其他等效之實施例。
第1圖係根據本發明之一實施例之處理腔室之截面示意圖；第2圖係根據本發明之另一實施例之處理腔室之截面示意圖。
為了容易了解，已使用相同的元件符號，若可能的話，標示諸圖形中相同的元件。圖形並未依比例繪製且圖形為清楚之故而有所簡化。可以設想的是一實施例中之元件和特徵可有益地結合在其它實施例中而無需進一步的復述。
本發明之實施例通常係關於腔室和處理在腔室中基材之方法。腔室通常包含分離的處理氣體和淨化氣體區域。每一處理氣體區域和淨化氣體區域具有個別的氣體入口和氣體出口。方法通常包含將基材定位於腔室內之基材支座上。基材支座之平面係限定處理氣體區域和淨化氣體區域之間的界限。淨化氣體係經由至少一淨化氣體入口被引導進入淨化氣體區域內，且使用至少一淨化氣體出口將淨化氣體自淨化氣體區域移除。處理氣體係經由至少一處理氣體入口被引導進入處理氣體區域內，且使用至少一處理氣體出口將處理氣體自處理氣體區域移除。處理氣體係被熱分解而將材料沉積至基材上。
第1圖係根據本發明之一實施例之處理腔室100之截面示意圖。處理腔室100可用來處理一片或多片基材，包含將材料沉積在基材之上表面。處理腔室100包含腔室主體101、形成自諸如例如石英之陶瓷材料或類似不銹鋼或鋁之金屬之上拱頂102及形成自諸如石英之透光材料之下拱頂104。上拱頂102及下拱頂104之使用諸如石英之陶瓷係有助於高溫測定和提高耐化學侵蝕性。適於在基材支座106上面支撐基材108之基材支座106係設置在處理腔室100內，介 於上拱頂102及下拱頂104之間。基材支座106可形成自諸如石英之透光材料以允許輻射能量從燈泡142作用至基材108上且將基材108加熱至想要的處理溫度。基材支座106係顯示在升高的處理位置，但可被致動器112垂直地致動至位於處理位置下方的裝載位置以允許升舉銷110接觸基材108並將基材108自基材支座106舉起。機械手臂(未圖示)接著可進入腔室100嚙合且從中經由例如狹縫閥之開口114移除基材108。基材支座106也適於在處理過程中由致動器112所轉動，以幫助基材108之均勻處理。
當基材支座106位於處理位置時，係將腔室100之內部體積分成處理氣體區域116和淨化氣體區域118。處理氣體區域116包含內腔室體積，當基材支座106位於處理位置時，內腔室體積係位於上拱頂102和基材支座106之平面120之間。淨化氣體區域118包含位於下拱頂10和平面120之間的內腔室體積。
供應自淨化氣體氣源122之淨化氣體經由淨化氣體入口124被引導進入淨化氣體區域118，淨化氣體入口124係形成於腔室主體101之側壁內。淨化氣體沿著流動路徑126側向地流動越過支座106之背表面，且經由淨化氣體出口128自淨化氣體區域118被排除，淨化氣體出口128係位於與淨化氣體入口124相對之處理腔室100之相反側。耦合於淨化氣體出口128之排氣幫浦130係有助於淨化氣體自淨化氣體區域118被移除。
供應自處理氣體供應氣源132之處理氣體係經由處 理氣體入口134被引導進入處理氣體區域116，處理氣體入口134係形成於腔室主體101之側壁內。處理氣體沿著流動路徑136側向地流動越過基材108之上表面。處理氣體經由處理氣體出口138流出處理氣體區域116，該處理氣體出口138係位於與處理氣體入口134相對之處理腔室100之相反側。處理氣體自處理氣體出口138之移除係由與處理氣體出口138相耦合之真空幫浦140所加速。當處理氣體從基材108上通過，複數個燈泡142係鄰近於下拱頂104且設置在下拱頂104下方而加熱基材108以加速材料沉積在基材108之上表面。燈泡142係適於將基材加熱至足夠溫度以加速處理氣體熱分解在基材108之表面上。在一範例中，沉積在基材表面上之材料可以III族材料、V族材料、矽、鍺或以上各項之組合。沉積材料可選擇性地包含諸如硼、磷、碳或其他材料之摻雜劑(dopant)。燈泡可適於以每秒約攝氏3度的升溫速率將基材加熱至大約攝氏300度到大約攝氏1300度的溫度，例如大約攝氏400度到大約攝氏950度。基材支座106和在基材支座106上之基材108在材料沉積的過程中可被旋轉以改善沉積均勻性。此外，可調整氣體入口124、134或氣體出口128、138之尺寸、寬度和/或數目以進一步地幫助在基材108上的均勻材料沉積。控制器105係耦合於腔室100以控制在腔室100中的處理，包含燈泡之加熱、基材位置和氣體流量。
第1圖係圖示處理腔室的一實施例，然而額外的實施例也被預期。在另一實施例中，可以預期的是基材支座106可形成自例如碳化矽(silicon carbide)、碳化矽塗層石墨 (silicon-carbide-coated graphite)或玻璃碳塗層石墨(glassy-carbon-coated graphite)之高發射率(high emissivity)材料。在此類實施例中，基材支座106可吸收來自燈泡142的輻射能量，利用傳導方式對基材108加熱。在又另一實施例中，可以預期的是選擇性的圓形擋板141可環繞著基材支座106而設置且耦合於腔室主體101之側壁。於此類實施例中，圓形擋板141可藉由減少介於基材支座106邊緣和腔室主體101側壁間之間距而進一步地減少氣體自一區域流至另一區域之可能性。於另一實施例中，處理氣體供應氣源132可適於供應多種處理氣體，例如，III族前驅物氣體及V族前驅物氣體。該多種處理氣體可經由相同或不同的處理氣體入口134被引導進入腔室。於另一實施例中，可以預期的是基材支座106可以是適於支撐基材108背側的多腳支架(multipin spider)。或者，基材支座106可以是適於支撐基材108外圍的邊緣環(edge ring)。
於例如圖示於第1圖中之處理腔室100之側向流腔室內進行沉積處理的過程中，處理腔室內之基材支座被致動至裝載位置以將基材接收至支座上面，且接著致動至在裝載位置垂直上方的處理位置。一旦處在處理位置，來自複數個燈泡之輻射能量被供應至基材，將基材加熱至所要的處理溫度。在基材溫度升高之後或同時，淨化氣體被提供至位於基材支座下方的淨化氣體區域。淨化氣體經由淨化氣體入口被引導進入淨化氣體區域內，且經由淨化氣體出口將淨化氣體移除。範例性的淨化氣體包含氮、氬或氦；然而可以預期的 是任何與沉積處理呈惰性反應(inert)的氣體均可被使用。要注意的是可以調整淨化氣體的引入及排除速率以提供在淨化氣體區域內想要的壓力。
在淨化氣體區域達到想要的壓力後，處理氣體經由處理氣體入口被引導進入處理氣體區域內。處理氣體係平行且接觸基材之上表面而流動。處理氣體係熱分解於基材表面將材料沉積在基材上。反應副產品和未反應氣體經由處理氣體出口自處理氣體區域移除。
當增加基材沉積之均勻性時，分離的處理氣體區域與淨化氣體區域之使用防止了背側沉積，因為每個處理氣體區域與淨化氣體區域具有個別的氣體入口和氣體出口。個別的氣體入口和氣體出口減少了自一區域流至另一區域的氣體數量，因此增加了處理均勻性。例如，因為淨化氣體係被提供至淨化氣體區域也自淨化氣體區域被移除，故淨化氣體無法流至處理氣體區域而被移除。因為淨化氣體無法流入處理氣體區域，處理氣體的流量不會被淨化氣體影響，因此允許處理氣體在處理氣體區域的均勻流動，且因此可獲得在基板上材料的均勻沉積。此外，因為處理氣體沒有流入淨化氣體區域，或者流入量被最小化，故可減少不想要的材料背側沉積。
要注意的是對於每個區域而言，分離的氣體入口和氣體出口係允許在每個區域內具有獨立的氣體壓力和氣體流量控制。每個區域內約略相等的氣體壓力係減少氣體從一區域到另一區域的強制對流。於一實施例中，每個區域在互相 的界面處(例如，環繞在第1圖中基材支座106和擋板141間的基材支座106周邊)之壓力係被保持約略相同。在一範例中，淨化氣體區域內之壓力係高於處理氣體區域內之壓力大約百分之十或少些，例如大致相等。此外，在每個區域內之壓力可被維持在彼此間大致相等，即使通過各區域之體積流率可能不同。當在各區域內維持大致相等的壓力時，使用不同的氣體流率係進一步有助於減少背側沉積。例如，當在各區域使用分離的氣體入口和氣體出口，將處理氣體區域內之壓力與淨化氣體區域內之壓力維持成大致相等時，淨化氣體流率可以是處理氣體流率之大約1倍至大約20倍之間。在如此的範例中，任何擴散到淨化氣體區域內之處理氣體係藉由相對較高的淨化氣體流率而從淨化氣體區域被快速地移除。藉此，可減少擴散氣體沉積在處理腔室內不想要的位置之可能性。
第2圖係根據本發明之另一實施例之處理腔室200之截面示意圖。處理腔室200係類似於處理腔室100；然而處理腔室200係非側向流腔室。反而，處理氣體係經由噴頭(showerhead)234而被引導進入處理腔室200，如箭頭236所示横向地流過基材108，且經由排氣出口228自處理腔室200被排除。淨化氣體係自腔室之較低部被引導進入淨化氣體區域118，例如，經由鄰近基材支座106桿身之埠口(port)。淨化氣體流經淨化氣體區域，且經由排氣出口228被排除。一個或多個真空幫浦140可耦合至排氣出口228以加速氣體自處理腔室200移除。
在圖示於第2圖之實施例中，淨化氣體和處理氣體二者係經由單一排氣出口228自處理腔室200而移除。排氣出口228係限制基材支座106且包含一個或多個形成在排氣出口228內部之孔口，以將氣體自處理腔室200排除。使用單一排氣出口228係減少腔室設計之複雜性及建造材料，且因此減少了處理腔室200的製造成本。阻流板260被包含在排氣出口228以減少在排氣出口228內或附近的氣體紊流。此外，阻流板260將排氣出口228分隔成適於收回處理氣體之上部和適於收回淨化氣體之下部。不同的真空幫浦可被耦合至每個上部和下部以控制流經其中之不同流率。阻流板260可徑向地向內延伸至基材支座106以減少阻流板260與基材支座106之間的縫隙，因此具有類似擋板141之功用。可以預期的是處理氣體和淨化氣體被引導進入腔室之氣體流率可被調整以減輕上述之問題。在備選實施例中，可以預期的是分離的氣體出口可使用於每個淨化氣體和處理氣體，類似如第1圖所圖示的。
本發明之優點包含減少的背側沉積和基材上較均勻的沉積。減少之背側沉積和增加之沉積均勻性係藉助於使用分離的處理氣體和淨化氣體區域。每個分離的處理氣體和淨化氣體區域具有個別的氣體入口和氣體出口，允許各個區域內之壓力和氣體流率被獨立地控制。
當以上所述係指向本發明之諸實施例時，本發明之其他或進一步之實施例可在不背離本發明之基本範圍內而被推導出來，且本發明之範圍係由以下專利請求項所決定。
100‧‧‧處理腔室
101‧‧‧腔室主體
102‧‧‧上拱頂
104‧‧‧下拱頂
105‧‧‧控制器
106‧‧‧基材支座
108‧‧‧基材
110‧‧‧升舉銷
112‧‧‧致動器
114‧‧‧開口
116‧‧‧處理氣體區域
118‧‧‧淨化氣體區域
120‧‧‧平面
122‧‧‧淨化氣體氣源
124‧‧‧氣體入口
126‧‧‧流動路徑
128‧‧‧氣體出口
130‧‧‧排氣幫浦
132‧‧‧處理氣體供應氣源
134‧‧‧氣體入口
136‧‧‧流動路徑
138‧‧‧氣體出口
140‧‧‧真空幫浦
141‧‧‧擋板
142‧‧‧燈泡

Claims (17)

  1. 一種設備，包含：一腔室主體；設置在該腔室主體內之一基材支座，該基材支座係在一裝載位置和一處理位置之間可垂直地致動；一處理氣體入口和一處理氣體出口，當該基材支座位於該處理位置時，該處理氣體入口和出口係設置在該基材支座之一平面的上方；以及一淨化氣體入口和一淨化氣體出口，當該基材支座位於該處理位置時，該淨化氣體入口和出口係設置在該基材支座之該平面的下方。
  2. 如請求項1所述之設備，進一步包含耦合於該處理氣體出口之一第一排氣幫浦和耦合於該淨化氣體出口之一第二排氣幫浦。
  3. 如請求項1所述之設備，進一步包含一擋板，該擋板係環繞該基材支座之圓周而設置且耦合至該腔室主體。
  4. 如請求項1所述之設備，其中該處理氣體入口係適於引導一處理氣體側向地覆蓋設置在該基材支座上之一基材。
  5. 如請求項1所述之設備，其中該處理氣體入口和該淨化氣體入口係位於與該處理氣體出口和該淨化氣體出口相對的 該腔室主體之一側。
  6. 一種處理位於一側向流腔室之一基材之方法，包含以下步驟：將一基材定位於一處理腔室內之一基材支座上，該處理腔室係具有一淨化氣體區域和一處理氣體區域；引導一淨化氣體經由一淨化氣體入口進入該淨化氣體區域；引導一處理氣體經由一處理氣體入口進入該處理氣體區域；將來自該處理氣體之一材料沉積在該基材上，沉積一材料係產生處理氣體副產品；經由一淨化氣體出口，將該淨化氣體自該淨化氣體區域排除；經由一處理氣體出口，將該處理氣體副產品自該處理氣體區域排除。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該處理氣體出口係位於該處理氣體區域內，且該淨化氣體出口係位於該淨化氣體區域內。
  8. 如請求項6所述之方法，其中該處理氣體和該淨化氣體係平行於該基材之該上表面而流動。
  9. 如請求項6所述之方法，其中該處理氣體入口和該淨化氣體入口係位於與該處理氣體出口和該淨化氣體出口相對之該腔室之一相反側。
  10. 如請求項6所述之方法，其中該淨化氣體流率係該處理氣體流率之大約1倍至大約20倍之間。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該處理氣體區域內之壓力係大約等於該淨化氣體區域內之壓力。
  12. 如請求項6所述之方法，其中沉積一材料之步驟係包含以下步驟：使用複數個燈泡將該基材的溫度提升至一預定溫度。
  13. 如請求項12所述之方法，其中沉積一材料之步驟係包含以下步驟：熱分解該處理氣體。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該材料係一III族或V族化合物。
  15. 一種設備，包含：一腔室主體；設置在該腔室主體內之一基材支座，該基材支座係在一裝載位置和一處理位置之間可垂直地致動； 一處理氣體入口和一處理氣體出口，當該基材支座位於該處理位置時，該處理氣體入口和出口係設置在該基材支座之一平面的上方，其中該處理氣體入口係適於引導一處理氣體側向地覆蓋設置在該基材支座上之一基材：以及一淨化氣體入口和一淨化氣體出口，當該基材支座位於該處理位置時，該淨化氣體入口和出口係設置在該基材支座之該平面的下方，其中該處理氣體入口和該淨化氣體入口係位於與該處理氣體出口和該淨化氣體出口相對的該腔室主體之一側。
  16. 如請求項15所述之設備，進一步包含耦合於該處理氣體出口之一第一排氣幫浦和耦合於該淨化氣體出口之一第二排氣幫浦。
  17. 如請求項16所述之設備，進一步包含一擋板，該擋板係環繞該基材支座之圓周而設置且耦合至該腔室主體。
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