TW201622003A - 蜂巢式多區塊氣體分配板 - Google Patents

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葉祉淵
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Abstract

本文提供之實施例大體上關於在半導體處理腔室中進行氣體遞送的設備。該設備可以是氣體分配板，該氣體分配板具有形成於該氣體分配板中的複數個貫穿孔洞與複數個盲孔。提供處理氣體穿過該氣體分配板的該等貫穿孔洞至半導體處理腔室之處理空間中。該等盲孔用於使用相變化材料控制氣體分配板的溫度。

Description

蜂巢式多區塊氣體分配板
本文所述之實施例大體上關於用於改善半導體處理腔室中之氣體分配的設備與方法。更詳言之，本文所述之實施例關於氣體分配板。
半導體處理中，通常使用各種製程形成在半導體元件中有功能性的膜。在那些製程中，某些類型的沉積製程稱作磊晶。在磊晶製程中，一般將氣體混合物引入含有一或多個基板的腔室中，而磊晶層待形成於該基板上。維持製程條件以促使(encourage)蒸氣於基板上形成高品質的材料層。
示範性磊晶製程中，諸如介電材料或半導體材料之材料形成於基板之上表面上。磊晶製程於基板之表面上生長薄且超純的材料層，諸如矽或錯。該材料可在側向流腔室中沉積，這是透過下述方式達成：將處理氣體實質上平行定位在支座上的基板之表面流動，且熱解該處理氣體以從該氣體沉積材料至基板表面上。
交叉流(cross-flow)氣體遞送設備將氣體注射至處理腔室中，使得在基板旋轉的同時，氣體側向橫跨基板之表面流動。然而，交叉流遞送設備已限制中心至邊緣的可調性，因為所有的氣體都首先跨過基板之邊緣。 交叉流遞送設備之入口長度非常長，而引發諸如銦之較低溫度的氣體過早裂解。交叉流遞送設備中橫跨基板的長流徑引發在基板表面上沉積/蝕刻期間氣體副產物混合。一些情況中，可經由交叉流氣體遞送設備引入的前驅物物種的類型與數目受到限制。
因此，此技術中需要改善的氣體遞送設備。
本文提供的實施例大體上關於半導體處理腔室中的氣體分配的設備。該設備可以是蜂巢式氣體分配板，該氣體分配板具有形成於該氣體分配板中的複數個貫穿孔洞與複數個盲孔。提供多種處理氣體穿過該氣體分配板的該等貫穿孔洞至半導體處理腔室之處理空間中。該等盲孔可用於控制該氣體分配板的溫度。
一個實施例中，揭露一種氣體分配板。該氣體分配板包括第一表面與第二表面。該氣體分配板進一步包括複數個貫穿孔洞與複數個盲孔，該複數個貫穿孔洞從該第一表面延伸至該第二表面，且該複數個盲孔從該第一表面部分延伸。
另一實施例中，揭露一種處理腔室。該處理腔室包括一或多個壁以及氣體分配板，該等壁界定處理區域，而該氣體分配板位在該處理區域中。該氣體分配板包括第一表面與第二表面。該氣體分配板進一步包括複數個貫穿孔洞與複數個盲孔，該複數個貫穿孔洞從該第一表面延伸至該第二表面，且該複數個盲孔從該第一表面部分延 伸。該處理腔室進一步包括位在該處理區域中的基板支座。
另一實施例中，一種用於控制氣體分配板的溫度的方法包括下述步驟：使相變化材料流進該氣體分配板中所形成的複數個盲孔中；以及控制該等盲孔內的壓力，如此當該氣體分配板的該溫度到達預定水準時，該相變化材料之相產生變化。
100‧‧‧處理腔室
103‧‧‧腔室主體
105‧‧‧升舉銷
106‧‧‧基板支座
108‧‧‧基板
109‧‧‧表面
110‧‧‧氣體饋送件
111‧‧‧結構
113‧‧‧隔間
114‧‧‧下壁
115‧‧‧氣體饋送件
116‧‧‧上表面
117‧‧‧表面
128‧‧‧氣體分配板
130‧‧‧界面板
132‧‧‧中心軸桿
136‧‧‧側壁
138‧‧‧上壁
145‧‧‧熱源
156‧‧‧處理區域
158‧‧‧區域
164‧‧‧下襯墊
166‧‧‧邊緣環
168‧‧‧凸耳
169‧‧‧凹部
170‧‧‧泵送環
172‧‧‧排出通口
180‧‧‧加熱燈
182‧‧‧燈頭
184‧‧‧開口
186‧‧‧側壁
190‧‧‧密封件
201‧‧‧第一表面
202‧‧‧貫穿孔洞
203‧‧‧側表面
204‧‧‧盲孔
205‧‧‧底部表面
207‧‧‧第二表面
211‧‧‧孔洞
212a、212b‧‧‧開口
214‧‧‧入口
216‧‧‧出口
220‧‧‧密封件
222‧‧‧緊固裝置
透過參考其中一些繪示於附圖中的實施例，可得到上文簡要總結的本案揭露內容之更詳細之敘述，如此可得到詳細地瞭解本案揭露內容之上述特徵的方式。然而，應注意附圖僅繪示本案揭露內容之典型實施例，因此不應被視為限制本案揭露內容之範疇，因為本案揭露內容可容許其他等效實施例。
第1A圖至第1B圖繪示根據多種實施例的處理腔室之概略剖面視圖。
第2A圖至第2B圖繪示根據另一實施例的氣體分配板之剖面視圖。
第3圖繪示第2A圖與第2B圖的氣體分配板的頂視圖。
為了助於瞭解，如可能則已使用相同的元件符號指定各圖共通的相同元件。應考量一個實施例的元件與特徵可有利地併入其他實施例中而無需贅述。
第1A圖繪示根據一個實施例的處理腔室100的概略剖面視圖。處理腔室100可用於處理一或多個基板，包括沉積材料於基板108之上表面116上。處理腔室100可包括腔室主體103，該腔室主體103包括下壁114、側壁136、與上壁138。該等壁114、136、138之一或多者可界定處理區域156。上壁138可由反射性材料製成，或以反射性材料塗佈。下壁114可對由熱源145(諸如複數盞燈)發射之熱輻射有透射性(transmissive)，且可對熱輻射為透明，界定為透射至少95%的給定波長或光譜的光。可用於下壁114之材料包括石英與藍寶石。
一個實施例中，下壁114是石英圓頂且對複數盞燈之發射光譜透明。基板支座106可配置在上壁138與下壁114之間。下襯墊164可耦接側壁136。下襯墊164可由石英、藍寶石、或其他與腔室中之處理及各種處理氣體相容的材料形成。下襯墊164可包括凸耳168，該凸耳168朝基板支座106向內延伸。凸耳168可具有用於接收邊緣環166之凹部169。該邊緣環166可封閉基板支座106與下襯墊164之間的隙縫，以防止處理氣體進入基板支座106、下襯墊164、與下壁114所界定之區域158。
基板108可由基板支座106支撐，而基板支座106由中心軸桿132支撐。基板支座106可配置於處理區域156中。一或多個升舉銷105可在基板支座106降下到 下方位置時將基板108從基板支座106升舉，如此基板108可由機器人(圖中未示)移動進出處理腔室100。
熱源145(諸如定位在燈頭182中的加熱燈180之陣列)可配置在下壁114下方，以提供熱能給基板108。諸如本文所述之下方、上方、上、下、頂部、與底部並非指絕對方向，而是指相對於處理腔室100之基礎的方向。冷卻通道可形成於燈頭182中，以冷卻燈180。每一盞燈可定位在燈頭182中所形成的開口184中，且開口184之側壁186可塗佈有反射性材料，以聚焦及/或引導燈180發射的熱輻射。
泵送環170可配置在下襯墊164上，且一或多個排出通口172可形成於泵送環170與下襯墊164之間。氣體分配板128可配置在處理區域156中。氣體分配板128可配置在泵送環170上，且可藉由任何適合的緊固裝置(諸如螺栓或夾鉗)固定至泵送環170。氣體分配板128可由抗熱與抗化學物質之材料製成，諸如石英或藍寶石。界面板130可配置在氣體分配板128上，以包圍氣體分配板128的多個部分，於下文中連同第2A圖與第2B圖將更詳細地描述該界面板130。界面板130可拴至(bolted to)氣體分配板128。界面板130可具有面向氣體分配板128的表面109，且表面109可塗佈有反射性或吸收性塗層，諸如介電反射塗層。諸如O形環的密封件190可配置在泵送環170與上壁138之間以及下襯墊164與下壁114之間。
操作期間，一或多種處理氣體可經由氣體饋送件110引入處理腔室100中，而通過氣體分配板128抵達基板108之上表面116，及經由一或多個排出通口172離開處理腔室100。為了促進中心至邊緣的均勻度，透過使用氣體分配板128，處理氣體可同時抵達基板108之上表面116的中心與邊緣。
第1B圖繪示根據一個實施例的處理腔室100的概略剖面視圖。該處理腔室100可包括配置在側壁136與泵送環170上的結構111，而不具有第1A圖所示之上壁138。結構111可包括複數個隔間113，且每一隔間113可包括氣體饋送件115以經由隔間113與氣體分配板128將一或多種處理氣體引入處理區域156。該結構111可由反射性或吸收性材料製成。或者，結構111之面向氣體分配板128的表面117可塗佈有反射性或吸收性材料。單一隔間113可覆蓋一或多個形成於該氣體分配板128中的貫穿孔洞。
第2A圖與第2B圖繪示氣體分配板128之剖面視圖。如第2A圖所示，氣體分配板128可包括第一表面201與第二表面207，該第二表面在第一表面201對面。氣體分配板128可包括複數個貫穿孔洞202與複數個盲孔204，該等貫穿孔洞202從第一表面201延伸到第二表面207，而該等盲孔204從該第一表面201朝第二表面207部分地延伸。每一貫穿孔洞202與每一盲孔204之開口可為圓形、六邊形、或任何適合的形狀。每一貫穿孔洞 202之開口可具有與每一盲孔204之開口相同的形狀，或具有與每一盲孔204之開口不同的形狀。處理氣體流過貫穿孔洞202而抵達基板108(第1圖)。每一盲孔204可包括側表面203與底部表面205。該底部表面205可面向基板108之上表面116。每一盲孔204之側表面203與底部表面205可塗佈有反射性或吸收性材料，以改善氣體分配板128之溫度控制。
操作期間，氣體分配板128可由熱源145(顯示在第1圖中)所加熱。流進流出盲孔204的處理氣體提供氣體分配板128之溫度控制。氣體分配板128可藉由下述方式形成：於實心材料片中鑽出貫穿孔洞202與盲孔204，該實心材料片諸如實心石英材料片。氣體分配板128可具有與基板108之形狀相對應的形狀。一個實施例中，氣體分配板128是圓形。氣體分配板128所具有之尺寸(例如直徑)可大於基板108之相對應尺寸。一個實施例中，基板是圓形且具有大約300mm的直徑，而氣體分配板128也是圓形且具有約400至600mm的直徑。
貫穿孔洞202與盲孔204之圖案可裝設成使得處理氣體均等地分配至基板108之上表面116，且基板108之上表面116上形成的層是均勻的。一個實施例中，貫穿孔洞202與盲孔204沿著直線方向交替，如第2A圖所示。一個實施例中，貫穿孔洞202形成複數個同心環，盲孔204形成複數個同心環，且該等貫穿孔洞202之環與 該等盲孔204之環交替。一或多個溫度感測器(諸如高溫計，圖中未示)可放置在該等盲孔204之一或多者內側。
第2B圖顯示具有界面板130的氣體分配板128，該界面板130配置在該氣體分配板128中。界面板130可配置在鄰近氣體分配板128之第一表面201處，且可藉由緊固裝置222(諸如螺栓)緊固至氣體分配板128，如第2B圖所示。界面板130可具有複數個貫穿孔洞211，且每一貫穿孔洞211對準氣體分配板128的貫穿孔洞202。兩個或更多個開口212a、212b可形成於界面板130中而鄰近每一盲孔204。相變化材料可經由入口214與第一開口212a流進每一盲孔204，且經由第二開口212b與出口216流出每一盲孔204。該等盲孔204可彼此之間藉由形成於界面板130上的通道(圖中未示)流體連通，或藉由形成在氣體分配板128中於貫穿孔洞202周圍的通道流體連通。可運用壓力控制系統(圖中未示)控制盲孔204內的壓力。壓力控制系統可改變每一盲孔204內相變化材料的沸點，以控制氣體分配板128之溫度。例如，盲孔204內側的壓力可經控制而使得盲孔204內側的相變化材料將會在預定溫度變化相。
當氣體分配板128抵達預定溫度，盲孔204內側的相變化材料變化相(諸如從液體到蒸氣)，此舉吸收熱而不增加氣體分配板128的溫度。此裝設方式中，可藉由調整相變化材料的壓力而達成氣體分配板128的溫度 的多重設定點，且能在氣體分配板128內實現敏捷的熱暫態(thermal transient)。
或者，可經由盲孔204使冷卻流體循環通過氣體分配板128。諸如水或氦氣之冷卻流體可經由第一開口212a與入口214流進盲孔204，且經由第二開口212b與出口216流出盲孔204。形成於界面板130中的開口212a、212b可用於盲孔204之間的流體連通。另一實施例中，盲孔204彼此經由形成在氣體分配板128中的通道(圖中未示)流體連通。該通道可連接形成於側表面203及/或底部表面205中的一或多個開口(圖中未示)。密封件220(諸如O形環)可配置在氣體分配板128與界面板130之間且環繞每一盲孔204。
第3圖是根據一個實施例的氣體分配板128之頂視圖。該氣體分配板128包括複數個貫穿孔洞202與複數個盲孔204。如第3圖所示，貫穿孔洞202與盲孔204之每一開口具有圓形之形狀。貫穿孔洞202與盲孔204之開口可具有其他適合的形狀，諸如六邊形，或圓形與六邊形之混合。
貫穿孔洞202與盲孔204可以任何適合的排列方式形成於氣體分配板128中。一個實施例中，如第3圖所示，孔洞202、204具有六邊形鑲嵌(hexagonal tiling)排列方式。孔洞202、204之數目可透過使用孔洞202、204的最緊密裝填的排列方式而最大化。達成最緊密裝填的特殊排列方式取決於孔洞202、204之形狀與 尺寸。對於類似尺寸之圓形孔洞(如第3圖所示)而言，相信六邊形鑲嵌的排列方式達成最緊密裝填的排列方式。貫穿孔洞202的總面積對盲孔204之總面積的比值可從約0.5至約3.0，諸如約0.8至約2.0之間，例如約1.0，這取決於特定實施例所需的熱控制能力。
孔洞202、204可具有任何預定尺寸與間距。第3圖所示之實施例中，孔洞202、204為圓形，而直徑為約0.5mm至約10mm，使得孔洞202具有與孔洞204相同的尺寸。可藉由使壁厚減至最小而使孔洞202、204的數目最大化。一個實施例中，分開兩個相鄰孔洞202、204的壁厚為約0.5mm或更大。孔洞202、204尺寸為1cm且間距為0.5mm時，用於處理300mm晶圓的氣體分配板128可具有少於50個至約300個孔洞(取決於孔洞之尺寸與間距)，且該等孔洞中的50%至80%可為貫穿孔洞202，而該等孔洞中的20%至50%可為盲孔204。應注意，第一複數個孔洞202、204可具有第一間距，而第二複數個孔洞202、204可具有與第一間距不同的第二間距。貫穿孔洞202與盲孔204可錯開(staggered)，即相同類型的孔洞不彼此相鄰，以防止因為上方的徑向氣體分佈及/或徑向的輻射效應(與貫穿孔洞202的同心環相關)，而在旋轉基板上形成圖案(諸如跑道圖案)。
替換的實施例中，貫穿孔洞202、204可具有不同的尺寸。例如，提供較大的盲孔204可實現更穩固的氣體分配板128之熱控制。此外，貫穿孔洞202可具有不 同的尺寸以影響氣體分配板128之不同區域中的氣流(若期望的話)。同樣，盲孔204可具有不同的尺寸以提供氣體分配板128之不同區域中的更多或更少的熱控制(若期望的話)。因此，第一複數個貫穿孔洞202可具有第一尺寸，而第二複數個貫穿孔洞202具有第二尺寸。類似地，第一複數個盲孔204可具有第三尺寸，而第二複數個盲孔204可具有第四尺寸。此實施例中，第一尺寸、第二尺寸、第三尺寸、與第四尺寸在任何期望的組合中可為相同或不同。
雖然前述內容涉及本案揭露內容之實施例，但可不背離本案揭露內容之基本範疇設計其他與進一步之實施例，且本案揭露內容之範疇由隨後的申請專利範圍決定。
100‧‧‧處理腔室
103‧‧‧腔室主體
105‧‧‧升舉銷
106‧‧‧基板支座
108‧‧‧基板
111‧‧‧結構
113‧‧‧隔間
114‧‧‧下壁
115‧‧‧氣體饋送件
116‧‧‧上表面
117‧‧‧表面
128‧‧‧氣體分配板
130‧‧‧界面板
132‧‧‧中心軸桿
136‧‧‧側壁
145‧‧‧熱源
156‧‧‧處理區域
158‧‧‧區域
164‧‧‧下襯墊
166‧‧‧邊緣環
168‧‧‧凸耳
169‧‧‧凹部
170‧‧‧泵送環
172‧‧‧排出通口
180‧‧‧加熱燈
182‧‧‧燈頭
184‧‧‧開口
186‧‧‧側壁
190‧‧‧密封件

Claims (20)

  1. 一種氣體分配板，包括：一第一表面；以及一第二表面，其中複數個貫穿孔洞從該第一表面延伸至該第二表面，且複數個盲孔從該第一表面朝該第二表面部分地延伸。
  2. 如請求項1所述之氣體分配板，其中該等貫穿孔洞與該等盲孔具有一六邊形鑲嵌(hexagonal tiling)排列方式。
  3. 如請求項2所述之氣體分配板，其中該等貫穿孔洞與該等盲孔錯開(staggered)。
  4. 如請求項1所述之氣體分配板，進一步包括一界面板，該界面板配置在該氣體分配板上。
  5. 如請求項4所述之氣體分配板，其中該界面板具有一表面，該表面面向該氣體分配板，且該表面塗佈有一反射性塗層或一吸收性塗層。
  6. 如請求項4所述之氣體分配板，其中該界面板包括複數個貫穿孔洞，其中該界面板的該複數個貫穿孔洞的每一貫穿孔洞對準該氣體分配板中的該複數個貫穿孔洞的一貫穿孔洞。
  7. 如請求項4所述之氣體分配板，其中該界面板包括兩個或更多個開口，該等開口位在鄰近該氣體 分配板中之每一盲孔處。
  8. 一種處理腔室，包括：一或多個壁，界定一處理區域；一氣體分配板，位在該處理區域中，該氣體分配板包括：一第一表面；以及一第二表面，其中複數個貫穿孔洞從該第一表面延伸至該第二表面，且複數個盲孔從該第一表面朝該第二表面部分地延伸；以及一基板支座，位在該處理區域中。
  9. 如請求項8所述之處理腔室，進一步包括一界面板，該界面板配置在該氣體分配板上。
  10. 如請求項9所述之處理腔室，其中該界面板栓至(bolted to)該氣體分配板。
  11. 如請求項9所述之處理腔室，其中該界面板具有一表面，該表面面向該氣體分配板，且該表面塗佈有一反射性塗層或一吸收性塗層。
  12. 如請求項9所述之處理腔室，其中該界面板包括複數個貫穿孔洞，其中該界面板的該複數個貫穿孔洞的每一貫穿孔洞對準該氣體分配板中的該複數個貫穿孔洞的一貫穿孔洞。
  13. 如請求項9所述之處理腔室，其中該界面 板包括兩個或更多個開口，該等開口位在鄰近該氣體分配板中之每一盲孔處。
  14. 如請求項8所述之處理腔室，其中該一或多個壁包括一上壁、一下壁、與一側壁，其中該基板支座配置在該上壁與該下壁之間。
  15. 請求項8所述之處理腔室，其中該一或多個壁包括一側壁與一下壁，且該處理腔室進一步包括一結構，該結構配置在該側壁上，其中該結構包括複數個隔間，且其中該複數個隔間的每一隔間包括一氣體饋送件。
  16. 如請求項15所述之處理腔室，其中該結構是由一反射性材料或一吸收性材料製成。
  17. 如請求項15所述之處理腔室，其中該結構包括一表面，該表面面向該氣體分配板，且該表面塗佈有一反射性材料或一吸收性材料。
  18. 一種用於控制一氣體分配板的一溫度的方法，包括下述步驟：使一相變化材料流進該氣體分配板中所形成的複數個盲孔中；以及控制該等盲孔內的一壓力，以當該氣體分配板的該溫度到達一預定水準時，該相變化材料的相產生變化。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該氣體分配板包括複數個貫穿孔洞。
  20. 如請求項18所述之方法，其中一界面板配置於該氣體分配板上，該界面板具有兩個或更多個開口，該等開口位在鄰近該氣體分配板中的每一盲孔處。
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