TW201837225A - 具有氣封之化學沉積腔室 - Google Patents

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Abstract

具有形成在化學隔離腔室之內的化學沉積腔室的化學沉積設備包括氣封。化學沉積腔室包括具有面板之噴淋頭模組，該面板具有氣體入口以輸送反應器化學物質至晶圓腔體以處理半導體基板。噴淋頭模組包括主要排氣出口以自晶圓腔體移除反應氣體化學物質及惰性氣體。惰性氣體饋送器輸送密封氣體，該密封氣體徑向向內流動而至少部份地流過在噴淋頭模組的一台階與基座模組之間的間隙以形成氣封。次要排氣出口抽出流過間隙之惰性氣體的至少一部份以提供高貝克勒數。

Description

具有氣封之化學沉積腔室
本發明涉及用以執行化學沉積和用以執行電漿輔助化學沉積的設備及製程。
下列技術可將電漿處理設備用於處理半導體基板，該等技術包括：蝕刻、物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、電漿輔助化學氣相沉積（PECVD）、原子層沉積（ALD）、電漿輔助原子層沉積（PEALD）、脈衝沉積層（PDL）、電漿輔助脈衝沉積層（PEPDL）處理、及光阻移除。舉例而言，用於電漿處理之一類型的電漿處理設備包括含有上及下電極之反應或沉積腔室。施加射頻（RF）電力在這些電極之間，以將製程氣體激發成電漿，從而處理反應腔室中的半導體基板。
根據實施例，具有氣封的化學沉積腔室包含噴淋頭模組及基座模組，該基座模組係配置成將半導體基板支撐在面板下方的晶圓腔體中。面板包括配置成輸送製程氣體至晶圓腔體的複數氣體入口。噴淋頭模組包括配置成從晶圓腔體移除反應氣體化學物質及惰性氣體的主要排氣出口。噴淋頭模組包括在晶圓腔體的外周處的台階及配置成輸送惰性氣體以在台階與基座模組之間的間隙中形成氣封的惰性氣體饋送器。噴淋頭模組包括位在主要排氣出口的徑向外側的次要排氣出口，次要排氣出口配置成移除徑向向內流通過間隙的惰性氣體的至少一部份。
根據另一實施例，用以控制反應氣體化學物質以防止其自上述化學沉積腔室的晶圓腔體逸出的方法包括以下步驟：（a）將半導體晶圓支撐在基座模組上，（b）使製程氣體流通過面板的氣體入口，（c）經由主要排氣出口從晶圓腔體抽出氣體，（d）藉由使惰性氣體流通過惰性氣體饋送器來在台階與基座模組之間的間隙中維持氣封，及（e）經由次要排氣出口抽出徑向向內流通過間隙的惰性氣體的至少一部份。
在以下詳細揭露內容之中，為提供對於本文所揭露之設備及方法的瞭解，因而闡述數個示範實施例。然而，對於本領域中具有通常技術者而言顯而易見的是，可在不具這些具體細節或藉由使用替代元件或製程的情況下，予以實施這些示範實施例。在其他情況下，不再詳細敘述眾所周知的製程、程序、及/或元件，以免非必要地混淆於此所揭露之實施例的實施態樣。
根據示範實施例，於此所揭露之設備及其相關方法可用於化學沉積，例如電漿輔助化學沉積。這些設備及方法可與基於半導體製造之介電層沉積製程（其需要將多重步驟沉積製程（例如：原子層沉積（ALD）、電漿輔助原子層沉積（PEALD）、脈衝沉積層（PDL）、或電漿輔助脈衝沉積層（PEPDL）處理）中的自限性沉積步驟分開）結合使用，然而這些設備及方法並不受限於此。
如所指示般，該等實施例提供用以執行化學沉積（如電漿輔助化學氣相沉積）之設備及其相關方法。這些設備及方法尤其可應用在與基於半導體製造之介電層沉積製程（其需要將多重步驟沉積製程（例如：原子層沉積（ALD）、電漿輔助原子層沉積（PEALD）、電漿輔助化學氣相沉積（PECVD）、脈衝沉積層（PDL）、或電漿輔助脈衝沉積層（PEPDL）處理）中的自限性沉積步驟分開）結合使用，然而這些設備及方法並不受限於此。
前述製程會有一些與接受所沉積材料之晶圓或基板各處溫度不均勻有關的缺點。例如，當被動式加熱之噴淋頭（其與周圍腔室元件呈熱接觸）散失熱量至其周圍元件時，基板各處便可能形成不均勻溫度。因此，形成處理區域的上壁部之噴淋頭係較佳地與其周圍元件呈熱隔離，使得可形成等溫處理區域，從而在基板各處形成均勻溫度。基板各處的均勻溫度有助於基板的均勻處理，其中基板溫度為沉積製程提供活化能，且因此是驅動沉積反應的控制手段。
此外，通常有二種主要類型的沉積噴淋頭：吊燈式及齊平裝設式。吊燈式噴淋頭的一端具有接附至腔室頂部的桿部，且另一端具有面板，狀似一吊燈。桿部的一部份可突出腔室頂部，以能夠連接氣體管線及RF電力。齊平裝設式噴淋頭係併入腔室頂部內，而且沒有桿部。本案實施例涉及齊平裝設式噴淋頭，其中齊平裝設式噴淋頭縮小了腔室容積（腔室容積必須在處理期間藉由真空源排空）。
圖1A及1B係顯示根據於此所揭露之實施例之化學沉積設備100的示意圖。如圖1A及1B所示，此化學設備包括：化學隔離腔室或外罩110、沉積腔室120、噴淋頭模組130、以及移動式基座模組140；該基座模組140可相對於噴淋頭模組130而垂直升降，以使在基座模組140的上表面上之基板（或晶圓）190位置上升及下降。噴淋頭模組130亦可垂直升降。反應物材料氣體（或製程氣體）192（圖3）係經由氣體管線112並通過噴淋頭模組130的中央充氣部202（圖6）而導入次腔室（或晶圓腔體）150內。各氣體管線112可具有對應的積蓄器（未顯示），其可利用隔離閥（未顯示）而與設備100隔離。根據示範實施例，可依照所使用之反應物氣體的數目，將設備100修改成包含具有隔離閥和積蓄器的一或更多氣體管線112。此外，可在複數化學沉積設備之間或在多站系統之間共用反應物氣體輸送管線112。
根據示範實施例，可藉由連接至真空源（未顯示）的一或更多真空管線160（圖2）來排空腔室120。舉例而言，真空源可為一真空泵浦（未顯示）。在例如具有執行相同沉積製程之多數站或設備100的多站反應器中，來自另一站的真空管線160可與該真空管線160共用一共同前段管線。此外，可將設備100修改成每站或設備100皆具有一或更多真空管線160。
根據示範實施例，可將複數排氣導管170配置成與噴淋頭模組130之面板136內的一或更多排出口174呈流體連通。排出口174可配置成在沉積製程之間將製程氣體或反應器化學物質192自晶圓腔體150移除。複數排氣導管170亦與一或更多真空管線160呈流體連通。這些排氣導管170可環繞基板190而周向地間隔排列，且可均勻地間隔排列。在一些情況下，複數導管170的間距可設計成彌補真空管線160的位置。因為真空管線160通常比複數導管170更少，所以通過最靠近真空管線160的導管170之流量會比較遠離真空管線160的導管170之流量更高。為確保平滑流場形態，若導管170較遠離真空管線160，可將導管170彼此更緊密排列。包括複數導管170（其包括可變導流器）之化學沉積設備100的示範實施例可見於共同授讓之美國專利第7,993,457號，其係藉由參照整體併入於此。
於此所揭露之實施例係較佳地實現在電漿輔助化學沉積設備（例如：PECVD設備、PEALD設備、或PEPDL設備）之中。這類的設備可採取不同的形式，其中該設備可包括一或更多腔室或「反應器」110（其可包括如以上所述之多數站或沉積腔室120），其容納一或更多基板190且適用於基板處理。各腔室120可容納待處理的一或更多基板。該一或更多腔室120將基板190維持在所定義之位置或多個位置（在此位置範圍內進行或不進行運動，例如：旋轉、振動、或其他運動）。在一實施例中，於製程期間正進行沉積及處理之基板190可在設備100內從一站（例如沉積腔室120）轉移到另一站。在製程進行中，每一基板190係藉由基座模組140的基座、晶圓卡盤及/或其他晶圓固持設備而固持在適當位置。對於要將基板190進行加熱的一些操作，基座模組140可包括一加熱器（如例加熱板）。
圖2係根據示範實施例之化學沉積設備100的橫剖面圖，該設備100具有基於氣體之密封系統200。如圖2所示，化學沉積設備100包括基板基座模組140，其係配置成由基座模組140的上表面142接收及/或卸除半導體基板（或晶圓）190。在一較低位置處，將基板190放置在基座模組140的上表面142上，隨後將基座模組140朝向噴淋頭模組130垂直上升。根據示範實施例，介於基座模組140的上表面142與噴淋頭模組130的下表面132之間的距離（其形成晶圓腔體150）可為約0.2英吋（5毫米）至約0.6英吋（15毫米）。使晶圓腔體150封閉之基座模組140的向上垂直移動，在基座模組140與台階135（其圍繞著噴淋頭模組130之面板136的外側部份131（圖1A及1B））之間產生窄間隙240。
在一示範實施例中，可藉由噴淋頭模組130及/或基座模組140中的加熱機構來維持腔室120內的溫度。例如，可將基板190放置在一等溫環境之中，其中噴淋頭模組130及基座模組140係配置成將基板190維持在期望的溫度。在一示範實施例中，可將噴淋頭模組130加熱至高於250℃，及/或可將基座模組140加熱在50℃至550℃的範圍中。沉積腔室或晶圓腔體150用以容納由電容耦合電漿類型系統所產生之電漿，該系統包括與基座模組140結合運作之噴淋頭模組130。
RF源（未顯示）（例如：連接至匹配網路（未顯示）的高頻（HF）RF產生器和低頻（LF）RF產生器）係連接至噴淋頭模組130。由匹配網路所供應之電力及頻率足以自製程氣體/蒸氣產生電漿。在一實施例中，HF產生器及LF產生器皆可使用。在一典型製程中，HF產生器通常操作在約2-100 MHz的頻率；在一較佳實施例中，HF產生器係操作在13.56 MHz。LF產生器通常操作在約50 kHz至2 MHz；在一較佳實施例中，LF產生器係操作在約350至600 kHz。可基於腔室容積、基板尺寸、及其他因素來改變製程參數的大小。舉例而言，LF及HF產生器的電力輸出通常與基板的沉積表面積成正比。使用在300毫米晶圓上的電力通常將比用於200毫米晶圓的電力高至少2.25倍。同樣地，流速（如標準蒸氣壓）可例如取決於沉積腔室120的自由容積。
在沉積腔室120內，基座模組140支撐其上可沉積材料之基板190。基座模組140通常包括卡盤、叉子、或升降銷以便在沉積及/或電漿處理反應期間和在沉積及/或電漿處理反應之間固持及轉移基板。基座模組140可包括靜電卡盤、機械卡盤、或各種如可供工業及/或學術研究使用之其他類型的卡盤。基座模組140可與用以將基板190加熱至期望溫度的加熱器耦合。一般而言，依照欲沉積之材料而將基板190維持在約25℃至500℃的溫度。
根據示範實施例，基於氣體之密封系統200可配置成在製程材料或沖洗氣體的流動期間幫助控制並調節自晶圓腔體150離開的流量。根據示範實施例，使用惰性或沖洗氣體（未顯示）以排空或沖洗晶圓腔體150，惰性或沖洗氣體係通過噴淋頭模組130而饋送進入晶圓腔體150內。根據示範實施例，一或更多導管170可經由環形排氣通道176而連接至真空管線160，環形排氣通道176係配置成將惰性密封氣體182（圖2）自基座模組140下方的區域移除。
根據示範實施例，噴淋頭模組130係配置成將反應器化學物質輸送到晶圓腔體(或反應腔室)150。噴淋頭模組130可包括面板136及背板139，且面板136具有複數入口或通孔138。根據示範實施例，面板136可為具有複數入口或通孔138及台階135之單板，且台階135延伸圍繞在面板136的外周137。或者，台階135可為一分隔環133，其固定在面板136之外側部份131的下表面。例如，可利用螺釘143將台階135固定在面板136的外側部份131。用以分佈製程氣體並包括面板136（其具有同心排出口174）之噴淋頭模組130的示範實施例可見於共同受讓之美國專利第5,614,026號，其係藉由參照整體併入於此。例如，根據示範實施例，排出口174圍繞著入口138。
根據示範實施例，晶圓腔體150係形成在噴淋頭模組130之面板136的下表面132與基板基座模組140的上表面142之間。在噴淋頭模組130之面板136內的複數同心排氣導管或排出口174可與複數導管170其中之一或多者呈流體連接，以在沉積製程之間將製程氣體或反應器化學物質192自晶圓腔體150移除。
如圖2所示，設備100亦包括惰性氣體或密封氣體182之來源180，惰性氣體或密封氣體182係通過一或更多導管184而饋送至基於氣體之密封系統200的外側充氣部204。根據示範實施例，惰性或密封氣體182可為氮氣或氬氣。根據示範實施例，惰性氣體源180係配置成將惰性密封氣體182經由一或更多導管184饋送而徑向向內流動通過窄間隙240，窄間隙240係自晶圓腔體150向外延伸且係形成在台階135（其圍繞在面板136的外周137）的下表面134與基座模組140的上表面142之間。根據示範實施例，在處理期間，惰性密封氣體182與來自晶圓腔體150的製程氣體或反應器化學物質192（圖3）在窄間隙240內連通，從而形成氣封。如圖3及4所示，惰性密封氣體182僅部份進入窄間隙240，這在窄間隙內的反應器化學物質192與惰性氣體182之間形成氣封。或者，如圖5及6所示，惰性氣體182可流到晶圓腔體150的外緣，然後經由噴淋頭模組130內之一或更多排出口174而自晶圓腔體150移除。
根據示範實施例，環形排氣通道176係流體連接至複數排氣導管170其中之一或多者。根據示範實施例，環形排氣通道176具有一或更多出口（未顯示），並且係配置成自圍繞基板190的周圍的區域移除惰性氣體182以及移除徑向向內通過或流過窄間隙240之惰性氣體182。排氣通道176係形成在基板基座140的外側部份144內。環形排氣通道176亦可配置成自基板基座140下方移除惰性氣體182。具有類似排氣通道176之多數導管的進一步實施例能有助於抽出更多惰性氣體182，並且能使更高流量的惰性氣體流入排出通道178及基座模組140下方的部份。排出通道178亦能有助於使密封氣體產生更高壓降，並使進入晶圓腔體150的密封氣體的擴散降低。
圖3係根據示範實施例之具有基於氣體之密封系統200的化學沉積設備100之沉積腔室120一部份的橫剖面圖。如圖3所示，外側充氣部204可形成在面板136的外側部份131。外側充氣部204可包括一或更多導管220，其係配置成接收來自惰性氣體源180之惰性氣體182。惰性氣體182流過外側充氣部204，並經由一或更多導管220而流到下側出口228。下側出口228係與窄間隙240呈流體連通。根據示範實施例，從晶圓腔體150的外緣152到與外側充氣部204連通之面板136的外緣141的距離係受到有限度控制之距離。舉例而言，從腔體150的外緣152到與外側充氣部204連通的面板136的外緣141的距離（或寬度）可從約5.0毫米至25.0毫米。
根據示範實施例，外側充氣部204可為外側環形凹部222。外側環形凹部222係配置成經由一或更多導管220而在晶圓腔體150的外緣上與窄間隙240呈流體連通。外側環形凹部222可配置成具有上環形凹部224及下環形凹部226，其中上環形凹部224具有比下環形凹部226更大之寬度。根據示範實施例，下側出口228係位於下環形凹部226的下側部份之環形出口，其與窄間隙240呈流體連通。
根據示範實施例，如圖3所示，在晶圓腔體150的外緣間隔有限度受控距離之處，將惰性氣體182饋送通過外側充氣部204。惰性氣體182流過外側充氣部204之流速可為使貝克勒數（Peclet number）高於約1.0之流速，從而將反應器氣體化學物質192控制在晶圓腔體150內，如圖3所示。例如，若貝克勒數高於1.0，則惰性氣體182及反應器氣體化學物質192可在窄間隙240的內側部份242內建立一平衡狀態。結果是，這防止反應器化學物質192流到基板基座模組140下方而污染晶圓腔體150外部之沉積腔室120部份。
根據示範實施例，若該製程係一固定壓力製程，則單一（或固定）流量的惰性氣體182結合來自基座模組140下方的壓力便足可確保晶圓腔體150內的反應器氣體化學物質192與徑向向內流過窄間隙240的惰性氣體182之間的惰性氣封。例如，根據示範實施例，基於氣體之密封系統200可與ALD Si氧化物一起使用，其通常可運作在相對固定壓力模式下。此外，舉例來說，在ALD氮化物製程期間，藉由改變惰性氣體182的流速、或基座模組140下方的壓力、及/或兩者之組合，基於氣體之密封系統200可作為控制沉積腔室120及晶圓腔體150內橫跨不同製程和壓力狀態之氣封的裝置。
根據示範實施例，如所揭露之密封氣體系統200（其單獨或結合與排出導管174、176相關之壓力）可幫助防止反應器化學物質192於處理期間自晶圓腔體150流出及/或擴散出去。此外，系統200（單獨地或結合排出導管174、176和與排出導管174、176相關之壓力）亦可防止惰性氣體182的集流 流入晶圓腔體150進而流到基板190上。流入窄間隙240以使晶圓腔體150隔離之惰性氣體182的流速可基於排出口174所產生之壓力而進行調整。例如，根據示範實施例，惰性氣體或密封氣體182可以約100立方公分/分鐘至約每分鐘5.0標準公升（slm）的速率饋送通過外側充氣部204，此可用以隔離晶圓腔體150。
根據示範實施例，一或更多排氣腔體250可設置在基座模組140的外側部份，其圍繞晶圓腔體150。一或更多排氣腔體250可與窄間隙240及下側出口228呈流體連通，其可增加由晶圓腔體150至惰性氣體源180的壓降。一或更多排氣腔體250（或環形通道）亦可提供一額外控制機構，以能例如在ALD氮化物處理期間允許橫跨各種製程和壓力狀態的氣封操作。根據示範實施例，一或更多排氣腔體250可等距間隔排列在沉積腔室120周圍。在一示範實施例中，一或更多排氣腔體250可為一環形通道，其為同心且寬度比下側出口228更大。
圖4係具有基於氣體之密封系統200的化學沉積設備100之沉積腔室120一部份的橫剖面圖。如圖4所示，若反應器化學物質192的流速高於或約等於惰性氣體182的流速，則反應器化學物質192的流量可能擴展到晶圓腔體150外部，但這不是所期望的。
如圖4所示，除了在面板136中的主要排氣通道174，環形排氣通道176亦提供次要排氣通道。環形排氣通道176係配置成自基板基座140下方及自圍繞基板190的周圍的區域移除惰性氣體182。根據示範實施例，環形排氣通道176具有一或更多出口（未顯示），並且係配置成自圍繞基板190的周圍的區域移除惰性氣體182以及移除徑向向內流過或擴散通過窄間隙240的惰性氣體182。
圖5係根據示範實施例之具有基於氣體的密封系統200之化學沉積設備100之沉積腔室120一部份的橫剖面圖。來自晶圓腔體150外部之惰性氣體182的流量可藉由降低反應器化學物質192的流速及/或提高惰性氣體182的流速而產生。根據示範實施例，來自外側充氣部204之惰性氣體182將流入晶圓腔體150，且可經由噴淋頭模組130內之一或更多排出口174而移除。
圖6係根據示範實施例之具有基於氣體之密封系統300的化學沉積設備100之沉積腔室120的部份橫剖面圖。根據示範實施例，噴淋頭模組130的中央充氣部202包括複數入口或通孔138，通孔138將反應器化學物質192輸送至晶圓腔體150。晶圓腔體150亦包括同心導管或排出口174，排出口174將反應器化學物質192及惰性氣體182自晶圓腔體150移除。同心導管或排出口174可與在背板139及上板310之間的中間充氣部208呈流體連通。中間充氣部208係與複數排氣導管170其中之一或多者呈流體連通。
噴淋頭模組130亦可包括垂直氣體通道370，其係配置成圍繞面板136的外周137輸送惰性氣體182。根據示範實施例，外側充氣部206可形成在面板136的外周137與隔離環214的內周或內緣212之間。
如圖6所示，系統300包括垂直氣體通道370，其形成在上板310內的內通道360與背板139的外側部份320之內。垂直氣體通道370包括一或更多導管312、322，其係配置成自惰性氣體源或饋送器180接收惰性氣體182。根據示範實施例，惰性氣體182經由一或更多導管312、322通過上板310與背板139的外側部份320而流至一或更多凹部及/或通道330、340、350，而流至晶圓腔體150的外緣。
根據示範實施例，一或更多導管312可包括上環形凹部314及下外側環形凹部316。根據示範實施例，上凹部314比下凹部316具有較大寬度。此外，一或更多導管322可位在上板310與背板139的外側部份320之內。一或更多導管322可形成環形凹部，該環形凹部具有入口326及出口328，入口326與上板310上的出口318呈流體連通，而出口328與窄間隙240呈流體連通。根據示範實施例，外側部份320內的出口328可與一或更多凹部及/或通道330、340、350呈流體連通，該一或更多凹部及/或通道330、340、350將環繞在噴淋頭模組130之面板136外周的惰性氣體182流量引導至窄間隙240的外緣243。
根據示範實施例，將惰性氣體182經由垂直氣體通道370饋送到外側充氣部206，並且徑向向內至少部分地經過窄間隙240而通往晶圓腔體150。惰性氣體182流過一或凹部及/或通道330、340、350的流速可使貝克勒數高於1.0，因而將反應氣體化學物質192控制在晶圓腔體150內。根據示範實施例，若貝克勒數高於1.0，則惰性氣體182及反應氣體化學物質192在窄間隙240的內側部份242內建立起一平衡狀態，這防止反應氣體化學物質192流到基座模組140下方而污染晶圓腔體150外部之沉積腔室120的部分。根據示範實施例，藉由將反應氣體化學物質192的流量侷限在晶圓腔體150，則系統200可降低製程氣體192的使用。此外，系統200亦可降低於處理期間將製程氣體192填入晶圓腔體150的時間。
圖7係根據示範實施例之基於氣體之密封系統40的示意圖。如圖7所示，系統40包括惰性或密封氣體源180及製程氣體源19，其係分別配置成將惰性或密封氣體182及製程氣體192輸送至晶圓腔體150。系統40亦可包括晶圓腔體或腔體壓力閥41及下側腔室壓力閥42，其分別控制晶圓腔體或腔體壓力44及下側腔室壓力46。
圖8係顯示根據示範實施例之基於氣體之密封系統40的壓力及閥角度對於時間之圖表。根據如圖8所示之示範實施例，將製程氣體192（以氦的形式）以0至約20 SLM（每分鐘標準公升）的流速供給至晶圓腔體150。將惰性或密封氣體182（以氮氣（N2 ）的形式）以約2 SLM提供到腔體。根據示範實施例，腔體腔室壓力44及下側腔室壓力46為約10托。如圖8所示，在高達約20 SLM的氦氣192及2 SLM的氮氣182之操作條件下，由殘留氣體分析儀（Residual Gas Analyzer，RGA）量測證實氦氣192並未經由清理通道而洩漏。
於此亦揭露一種在處理設備之中處理半導體基板的方法。該方法包含自製程氣體源供給製程氣體至沉積腔室內，以及處理在電漿處理腔室中之半導體基板。該方法較佳地包含電漿處理基板，其中利用RF產生器將RF能量施加至製程氣體，從而在沉積腔室中產生電漿。
根據實施例，貝克勒數可在沿著半導體基板的外周處高於100。較佳的是，將前驅物氣體由中央注入具有最小入口容積及軸對稱流動的反應器腔體內，同時將密封氣體周向圍繞反應器腔體的外周而注射。將前驅物氣體加以反應以在半導體基板上沉積膜，且副產物氣體徑向向外地朝圍繞反應器腔體的外周而周向分佈之排出口流動。與此同時，密封氣體徑向向內地流經過圍繞反應器腔體的外周而周向分佈之入口。為了獲得高貝克勒數，氣體壓力係根據以下方程式控制：
C2 (Pvs -Pwc ) = ṁwc ＞＞ 0 ‒› Pvs ＞＞ Pwc
圖9說明一實施例，其中噴淋頭模組400包括具有氣體排出口的面板402、具有中央氣體通道408的背板406、及具有密封氣體通道412的隔離環410，該密封氣體通道412係環繞反應腔體而周向地分佈，以將通過氣體通道412供給之氣體提供給惰性氣封。製程氣體係經由主要排出通道414抽出，該排出通道414係環繞面板402的外側部份而周向地分佈。在圖9及以下方程式中，ṁ2 及 ṁvs 代表質量流速（單位為公斤/秒），C2 、C3 及C4 代表氣導（單位為公升/秒），且 Seff 代表有效泵抽速率（單位為公升/秒）。為了獲得高貝克勒數，期望的是　ṁwc 不應太大以至於蓋過有效泵抽速率、ṁvs 應該為大的、C2 應該超過C3 、Seff 應該為大的、且Pch 可為大的（但產生關於稀釋的問題）如以下所示：
C2 /C3 (C3 Pch + ṁvs ) - ṁwc /Seff ＞＞ 0 其中 Seff = SC4 /S+C4
在晶圓處理期間，反應器腔體及主腔室中的壓力受到調變，但密封氣體流速保持恆定。若反應器腔體壓力相較於主腔室壓力維持在±1 托，則有可能將前驅物氣體侷限在反應器腔體內。利用虛擬氣封配置，有可能使用惰性氣封來在反應器腔體中維持期望的壓力。
圖10說明一實施例，其中噴淋頭模組500包括具有氣體排出口的面板502、具有中央氣體通道508的背板506、及具有密封氣體通道512的隔離環510，該密封氣體通道512係環繞反應腔體而周向地分佈，以將通過氣體通道512供給之氣體提供給惰性氣封。製程氣體係經由主要排出氣體通道514及次要排出氣體通道抽出，該主要排出氣體通道514係環繞面板502的外側部份而周向地分佈，該次要排出氣體通道係在氣體通道512及主要排出通道514之間的一位置處環繞隔離環510而周向地分佈。次要排出通道516通過由氣導C5 及C6 代表之流動路徑來移除氣體，且次要排出氣體路徑C5可根據以下方程式提供貝克勒數的進一步增加：
C2 /C3 (C3 Pch + ṁvs ) + ṁwc (C1 C4 + C4 C5 /C1 C5 + C1 C4 +C4 C5 ) ＞＞ 0 其中 Seff = SC6 /S+C6
如圖10所示，密封氣體從通道512注入至在位置Pvs 處之基座模組（未顯示）與噴淋頭模組之間的小間隙內，密封氣體沿著路徑C2 徑向向內流動以及沿著路徑C3 徑向向外流動。經反應的前驅物氣體及向內流動的密封氣體通過位於C4 的主要排出路徑來泵抽出反應器腔體150。此外，一些密封氣體係通過在C5 處的次要排出路徑（排出通道516）來泵抽出。密封氣體的質量流速係由下列者表示：ṁvs （流至窄間隙內的密封氣體）、ṁ2 （徑向向內朝反應器腔體150流動的密封氣體）、ṁ3 （徑向向外流動且藉由連接至主腔室之真空源的真空壓力Pch 來移除的密封氣體）、ṁ1 （從次要排出口徑向向內流動的密封氣體）、及ṁ4 （從主要排出口泵抽出的密封氣體及製程氣體）。藉由將C5 維持在恆定以及高數值，可使得貝克勒數高於單級虛擬氣封。次要排出氣體通道（次要排出）位於密封氣體進入點與反應器腔體之間，以提供造成大Seff 及大C5 的條件。次要排出路徑係較佳地連接壓力控制節流閥的下游，以確保恆定的排出以及提供使C5 恆定的條件。圖11說明製程氣體PG如何徑向向外流動、密封氣體SG如何徑向向內流動、密封氣體SG的一部份如何流出次要排出氣體通道、以及惰性密封氣體與製程氣體的一部份如何流出主要排出氣體通道。
圖12說明噴淋頭模組600的切開圖，該噴淋頭模組包括具有氣體入口604的面板602、具有中央氣體通道608的背板606、具有內環612及外環614的隔離環610。內環612及外環614裝配在一起，使得環繞內環612的下部份的密封件613提供在內環與外環的相對表面之間的環形充氣部。內環612包括密封氣體入口616、水平通道620、垂直通道622、及密封氣體出口624，該入口616係環繞內表面618的上部件而周向地分佈，該水平通道620係從入口616徑向向外延伸，該垂直通道622係從水平通道620向下延伸，該密封氣體出口624係環繞內環612的下表面626而周向地分佈。
內環612包括主要排出口627及次要排出口628，該主要排出口627包含環繞內表面618的下部份而周向地分佈之徑向延伸的槽縫，該次要排出口628係環繞下表面626而周向地分佈。主要排氣出口627係連接至垂直通道630及向內延伸之水平通道，該垂直通道630係從主要排氣出口627向上延伸，該水平通道具有在密封氣體入口616下方一位置處之環繞內表面618而周向地分佈的主要排氣出口632。次要排氣出口628係連接至垂直通道（未顯示）及水平通道，該水平通道具有環繞內環612的外表面619而周向地分佈的次要排氣出口629。密封氣體出口624輸送密封氣體以在隔離環610下方建立氣封，且在半導體基板於晶圓腔體150中處理的期間，密封氣體的一部份係通過次要排氣出口628抽出。
圖13說明內環612如何環繞面板602及背板（氣體分佈板或GDP）606的外周而裝配，使得密封氣體可從在GDP 606的外側部份中的密封氣體供給充氣部650供給至徑向延伸的密封氣體通道652。密封氣體通道652通向位於上氣封654與下氣封656之間的環形充氣部658。環形充氣部658係與在內環612的內表面618中的密封氣體入口616呈流體連通，以將密封氣體輸送通過在內環612的下表面626中的密封氣體出口624。
GDP 606包括主要排氣充氣部680，該主要排氣充氣部680係連接至在GDP 606的外周中徑向延伸的主要排出口682。出口682開通至在下氣封656與環形密封件686之間的環形排出充氣部684。環形排出充氣部684與在內環612的內表面618上的主要排氣出口632連通。主要排氣出口632與垂直通道630及槽縫627連接，以容許從晶圓腔體150排出主要氣體。
外環614圍繞內環612，一充氣部在內環612的外表面619與外環614的內表面615之間。次要排出口628提供次要排出氣體通過次要排氣出口629抽出至內環612與外環614之間的充氣部中。GDP在上表面中包括至少一開口670，以容許抽出次要排出氣體而繞過連接至主要排氣充氣部680的節流閥泵抽配置。較佳的是，為了氣體流的方位角均勻性而在GDP中提供兩個相反的開口670。
圖14說明為了次要排出氣體移除而連接至兩個開口670的兩個氣封連接件631、633（其係在GDP 606的上表面上）。氣體連接件631、633係附接至兩個各別的管道片段634、636，該等管道片段634、636係連接至與排出泵浦呈流體連通的單一管道638，從而繞過連接至主要排出口的節流閥。因此，建立氣封的密封氣體的一部份可獨立於主要排出氣體而抽出。
此外，當用語「大致」、「相對」、及「實質」與幾何形狀一起使用時，其意圖不必為精準的幾何形狀，但形狀上的自由度則在本揭露內容的範圍內。當與幾何用語一起使用時，意圖使用語「大致」、「相對」、及「實質」不僅包含符合嚴格定義的特徵部，而且也包含相當近似嚴格定義的特徵部。
雖然已參考特定實施例來詳細敘述包括等溫沉積腔室之電漿處理設備，但在不離開隨附申請專利範圍的情況下，對於本領域中具有通常技術者而言，可實施各種變化和修改、以及採用各種等效者是顯而易見的。
19‧‧‧製程氣體源
40‧‧‧系統
41‧‧‧壓力閥
42‧‧‧下側腔室壓力閥
44‧‧‧腔體壓力
46‧‧‧下側腔室壓力
100‧‧‧設備
110‧‧‧腔室
112‧‧‧氣體管線
120‧‧‧沉積腔室
130‧‧‧噴淋頭模組
131‧‧‧外側部份
132‧‧‧下表面
133‧‧‧分隔環
134‧‧‧下表面
135‧‧‧台階
136‧‧‧面板
137‧‧‧外周
138‧‧‧通孔（入口）
139‧‧‧背板
140‧‧‧基座模組
141‧‧‧外緣
142‧‧‧上表面
143‧‧‧螺釘
144‧‧‧外側部份
150‧‧‧晶圓腔體
152‧‧‧外緣
160‧‧‧真空管線
170‧‧‧排氣導管
174‧‧‧排出口/排氣通道
176‧‧‧排氣通道
178‧‧‧排出通道
180‧‧‧惰性氣體源
182‧‧‧密封氣體
184‧‧‧導管
190‧‧‧基板
192‧‧‧化學物質（製程氣體）
200‧‧‧系統
202‧‧‧中央充氣部
204‧‧‧外側充氣部
206‧‧‧外側充氣部
208‧‧‧中間充氣部
212‧‧‧內緣
214‧‧‧隔離環
220‧‧‧導管
222‧‧‧外側環形凹部
224‧‧‧上環形凹部
226‧‧‧下環形凹部
228‧‧‧下側出口
240‧‧‧窄間隙
242‧‧‧內側部份
243‧‧‧外緣
250‧‧‧排氣腔體
300‧‧‧系統
310‧‧‧上板
312‧‧‧導管
314‧‧‧上凹部
316‧‧‧下凹部
318‧‧‧出口
320‧‧‧外側部份
322‧‧‧導管
326‧‧‧入口
328‧‧‧出口
330‧‧‧通道
340‧‧‧通道
350‧‧‧通道
360‧‧‧內通道
370‧‧‧垂直氣體通道
400‧‧‧噴淋頭模組
402‧‧‧面板
406‧‧‧背板
408‧‧‧中央氣體通道
410‧‧‧隔離環
412‧‧‧氣體通道
414‧‧‧排出通道
500‧‧‧噴淋頭模組
502‧‧‧面板
506‧‧‧背板
508‧‧‧中央氣體通道
510‧‧‧隔離環
512‧‧‧氣體通道
514‧‧‧主要氣體通道
516‧‧‧次要氣體通道
600‧‧‧噴淋頭模組
602‧‧‧面板
604‧‧‧入口
606‧‧‧背板/GDP
608‧‧‧中央氣體通道
610‧‧‧隔離環
612‧‧‧內環
613‧‧‧密封件
614‧‧‧外環
615‧‧‧內表面
616‧‧‧入口
618‧‧‧內表面
619‧‧‧外表面
620‧‧‧水平通道
622‧‧‧垂直通道
624‧‧‧出口
626‧‧‧下表面
627‧‧‧主要排出口
628‧‧‧次要排出口
629‧‧‧次要排氣出口
630‧‧‧垂直通道
631‧‧‧連接件
632‧‧‧主要排氣出口
633‧‧‧連接件
634‧‧‧管道片段
636‧‧‧管道片段
638‧‧‧管道
650‧‧‧密封氣體供給充氣部
652‧‧‧密封氣體通道
654‧‧‧上氣封
656‧‧‧下氣封
658‧‧‧環形充氣部
670‧‧‧開口
680‧‧‧主要排氣充氣部
682‧‧‧主要排出口
684‧‧‧環形排出充氣部
686‧‧‧環形密封件
圖1A係顯示根據示範實施例之具有基座的化學沉積設備的示意圖。
圖1B係顯示根據示範實施例之不具有基座的化學沉積設備的示意圖。
圖2係顯示根據示範實施例之基於氣體之密封系統的橫剖面圖。
圖3係顯示根據示範實施例之基於氣體之密封系統的橫剖面圖。
圖4係顯示根據示範實施例之基於氣體之密封系統的橫剖面圖。
圖5係顯示根據示範實施例之基於氣體之密封系統的橫剖面圖。
圖6係顯示根據示範實施例之基於氣體之密封系統的橫剖面圖。
圖7係顯示根據示範實施例之基於氣體之密封系統的示意圖。
圖8係顯示根據示範實施例之基於氣體之密封系統的壓力及閥角度對於時間之圖表。
圖9說明在具有密封氣體配置及環繞面板的外周的主排氣出口之噴淋頭模組中的氣體流。
圖10說明在噴淋頭模組中的氣體流，該噴淋頭模組具有氣封配置、環繞面板的外周的主排氣出口、及於主排氣出口外側且於密封氣體入口內側的次要排氣出口。
圖11說明具有主排氣出口及次要排氣出口的噴淋頭模組之氣體流。
圖12說明具有兩件式隔離環的噴淋頭模組，該隔離環具有在內環的下表面中的密封氣體出口以及在內環的內表面中的次要排氣出口。
圖13顯示內環如何環繞噴淋頭模組的面板及背板而裝配。
圖14顯示氣體連接件，該氣體連接件連接至在噴淋頭模組的頂板中的次要排出通道。

Claims (20)

  1. 一種化學沉積腔室，其具有一氣封，該化學沉積腔室包含： 一噴淋頭模組及一基座模組，該基座模組係配置成將一半導體基板支撐在一面板下方的一晶圓腔體中； 在該面板中的氣體入口，其係配置成輸送製程氣體至該晶圓腔體； 主要排氣出口，其係配置成從該晶圓腔體移除反應氣體化學物質及惰性氣體； 在該晶圓腔體的外周處的一環形台階，以及一惰性氣體饋送器，該惰性氣體饋送器係配置成輸送一惰性密封氣體以在該環形台階與該基座模組之間的一間隙中形成一氣封；及 位在該主要排氣出口的徑向外側的次要排氣出口，該次要排氣出口係配置成移除徑向向內流通過該間隙的該惰性氣體的至少一部份。
  2. 如申請專利範圍第1項之化學沉積腔室，其中該氣體入口係位在該面板的一內側部份中，且該主要排氣出口係位在該面板的一外側部份中。
  3. 如申請專利範圍第1項之化學沉積腔室，其中該主要排氣出口及該次要排氣出口係位在該環形台階的一下表面中。
  4. 如申請專利範圍第1項之化學沉積腔室，更包含圍繞該面板的一隔離環，該環形台階包含該隔離環的一下側部份。
  5. 如申請專利範圍第1項之化學沉積腔室，其中該主要排氣出口係與連接至一真空壓力來源的一壓力控制節流閥呈流體連通。
  6. 如申請專利範圍第5項之化學沉積腔室，其中該次要排氣出口係與恆定的一真空壓力來源呈流體連通。
  7. 如申請專利範圍第1項之化學沉積腔室，其中該間隙具有從該晶圓腔體的外緣至該環形台階的外緣之約5.0 毫米至25.0毫米的寬度。
  8. 如申請專利範圍第1項之化學沉積腔室，其中該主要排氣出口係在圍繞該面板的一隔離環中，該隔離環包括與一環形充氣部連通的主要排氣通道，該環形充氣部係在該隔離環與該噴淋頭模組的一背板的外周之間。
  9. 如申請專利範圍第1項之化學沉積腔室，其中該次要排氣出口係在圍繞該面板的一隔離環中，該隔離環包括內環及外環，該次要排出口與一環形充氣部連通，該環形充氣部係在該內環的一外表面與該外環的一內表面之間。
  10. 如申請專利範圍第1項之化學沉積腔室，其中該惰性氣體饋送器包含在該噴淋頭模組的一背板中的一環形充氣部，該背板包括從該環形充氣部徑向向外延伸並與在該背板的外周上之密封氣體出口呈流體連通的密封氣體通道。
  11. 如申請專利範圍第1項之化學沉積腔室，其中該基座模組係可垂直向上移動以置放該半導體基板於該晶圓腔體中，且可向下移動至一位置以裝載及卸載該半導體基板於該基座模組上。
  12. 如申請專利範圍第11項之化學沉積腔室，其中至少一排出通道係位在該基座模組中，該至少一排出通道係位於該晶圓腔體的徑向外側且配置成移除饋送進入該間隙之該惰性氣體的至少一部份。
  13. 如申請專利範圍第12項之化學沉積腔室，其中該至少一排出通道包含一環形通道。
  14. 如申請專利範圍第4項之化學沉積腔室，其中（a）該隔離環包括在該隔離環的一內表面中的惰性氣體饋送入口、從該惰性氣體饋送入口徑向向外延伸的惰性氣體饋送通道，且該惰性氣體饋送通道垂直向下延伸至該台階的該下表面，（b）該主要排氣出口係位在該隔離環的該內表面的一下側部份中，主要排氣通道從該主要排氣出口向上延伸，且該主要排氣通道水平延伸至在該內表面中位在該惰性氣體饋送入口下方位置處的開口，及（c）該次要排氣出口係位在該隔離環的一下表面中，次要排氣通道從該次要排氣出口向上延伸至在該隔離環的一外表面中的開口。
  15. 一種用以控制反應氣體化學物質的方法，用以防止該反應氣體化學物質自一化學沉積腔室的一晶圓腔體逸出，該方法包含： （a）將一半導體晶圓支撐在一基座模組上； （b）使製程氣體流通過一噴淋頭模組的一面板的氣體入口； （c）經由主要排氣出口從該晶圓腔體抽出氣體； （d）藉由使惰性氣體流通過在該噴淋頭模組中的一台階的一下表面中的密封氣體出口來在該台階與該基座模組之間的一間隙中維持一氣封；及 （e）經由次要排氣出口抽出徑向向內流通過該間隙的該惰性氣體的至少一部份。
  16. 如申請專利範圍第15項之用以控制反應氣體化學物質的方法，其中該主要排氣出口係與一壓力控制節流閥呈流體連通，且該次要排氣出口係與該壓力控制節流閥下游的一真空源呈流體連通。
  17. 如申請專利範圍第16項之用以控制反應氣體化學物質的方法，其中該惰性氣體係在恆定流速下供給至該間隙。
  18. 如申請專利範圍第15項之用以控制反應氣體化學物質的方法，包含： 在高於約100的貝克勒數下使該惰性密封氣體流入該間隙中。
  19. 如申請專利範圍第15項之用以控制反應氣體化學物質的方法，包含： 經由下列製程的至少一者來在該半導體基板上沉積一層： 化學氣相沉積、電漿輔助化學氣相沉積、原子層沉積、電漿輔助原子層沉積、脈衝層沉積、及/或電漿輔助脈衝沉積。
  20. 如申請專利範圍第15項之用以控制反應氣體化學物質的方法，包含： 以約100 立方公分/分鐘至約5.0 slm（每分鐘標準公升）饋送該惰性密封氣體至該間隙。
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