TW202042915A - 多段噴淋組件 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一噴淋組件，包含：一公板，具有一上表面和一下表面，其中該公板的下表面形成有一射出端，該射出端自該公板的下表面延伸以射出一第一氣體；及一主機板，具有一上表面和一下表面，其中該主機板的上表面形成有一凹穴，該凹穴連通耦接一氣體出口以引導一第二氣體自該主機板的上表面流動至該氣體出口，該凹穴配置成用於接收來自該公板的第一氣體以使該第一氣體與該第二氣體於該凹穴混合並經由該氣體出口排出。

Description

多段噴淋組件
本發明關於一種多段噴淋元件，尤其是以每一噴嘴提供至少兩種物質的混合氣體的一種多段噴淋元件。
在高整合度的半導體裝置製造中，對於各種處理的精確性需求越來越高，像是薄膜沉積處理中的厚度和均勻性控制等。
在化學氣相沉積處理（CVD）中，半導體製造設備提供噴淋元件來供應反應氣體至一基板的表面，以在基板表面形成薄膜。進階的噴淋組件具備混合氣體的供應，意即至少兩種氣體可在噴淋元件中進行混合，接著經由多個噴嘴釋放至基板的處理區域。所述混合可包含多種氣體。例如，反應氣體含有形成沉積薄膜的物質，以及不參與化學反應但用於控制反應氣體流動的惰性氣體。此外，所述混合可包含淨化氣體，其用於決定整體的流速並避免顆粒污染發生在不希望的結構處。均勻地射出淨化氣體可防止污染的發生。
已知的後混合（post-mixing）噴淋組件將多種氣體於其中混合後射出至腔體的反應區中與基板表面發生化學作用。已知的噴嘴被設計成具有多個出口。例如，單一噴嘴可具有一個主要用於釋放反應氣體的中心氣體出口，其周圍還環繞有釋放淨化氣體的出口。此配置可避免顆粒污染堆積在噴嘴的末端。在其他已知的例子中，還有將不同的氣體經由噴淋元件的不同噴嘴釋放至腔體中的供應方法。但這些設計導致噴淋元件的噴嘴會佔據相當的面積。在噴淋組件有限的尺寸中，無法達成緊湊的噴嘴設計。換言之，噴嘴的密度無法增加，因而無法提高氣體物質在反應區內的需求密度，如電漿密度。此成為精密半導體製造的限制。
因此，需要一種噴淋元件的設計能夠滿足供應高密度混合氣體的需求，突破習知半導體沉積處理的限制。
本發明目的在於提供一種噴淋元件，其具有用於提供一混合氣體的一氣體出口。該噴淋組件包含：一公板，具有一上表面和一下表面，其中該公板的下表面形成有一射出端，該射出端自該公板的下表面延伸以射出一第一氣體；及一主機板，具有一上表面和一下表面，其中該主機板的上表面形成有一凹穴，該凹穴連通耦接該氣體出口以引導一第二氣體自該主機板的上表面流動至該氣體出口，該凹穴配置成用於接收來自該公板的第一氣體以使該第一氣體與該第二氣體於該凹穴混合並經由該氣體出口排出。
在一具體實施例中，該公板的上表面和下表面的射出端之間具有一流道，用以引導自該公板的上表面進入的第一氣體至該公板的下表面的射出端。
在一具體實施例中，該流道具有一第一段及一第二段，該第二段位於該射出端且具有大於該第一段的半徑。
在一具體實施例中，該公板的下表面與該主機板的上表面定義該第二氣體的一通道，其中該凹穴為該通道的一部分。
在一具體實施例中，該氣體出口的半徑大於該流道的第二段的半徑。
在一具體實施例中，該射出端與該凹穴的壁定義一間隙，該間隙連通引導該第二氣體的通道、引導該第一氣體的流道及引導混合氣體的該氣體出口。
在一具體實施例中，該氣體出口位於該噴淋元件的中心。
本發明目的還提供一種噴淋元件，具有用於提供一混合氣體的一氣體出口。該噴淋組件包含：一公板，具有一上表面和一下表面，其中該公板的下表面形成有一射出端，該射出端自該公板的下表面延伸以射出一第一氣體；及一主機板，具有一上表面和一下表面，該主機板的上表面形成有一凹穴，該凹穴容納該公板的射出端的一部分使該凹穴的壁與該射出端定義一第二氣體的流動路徑，藉此來自該射出端的第一氣體於該凹穴中與該第二氣體一起推進至與該凹穴連通的該氣體出口。
在一具體實施例中，該板的凹穴成形為用於跟另一板的一射出端匹配。該射出端成形為用於跟另一板的一凹穴匹配。
在以下本發明的說明書以及藉由本發明原理所例示的圖式當中，將更詳細呈現本發明的這些與其他特色和優點。
底下將參考圖式更完整說明本發明，並且藉由例示顯示特定範例具體實施例。不過，本主張主題可具體實施於許多不同形式，因此所涵蓋或申請主張主題的建構並不受限於本說明書所揭示的任何範例具體實施例；範例具體實施例僅為例示。同樣，本發明在於提供合理寬闊的範疇給所申請或涵蓋之主張主題。除此之外，例如主張主題可具體實施為方法、裝置或系統。因此，具體實施例可採用例如硬體、軟體、韌體或這些的任意組合(已知並非軟體)之形式。
本說明書內使用的詞彙「在一實施例」並不必要參照相同具體實施例，且本說明書內使用的「在其他（一些/某些）實施例」並不必要參照不同的具體實施例。其目的在於例如主張的主題包括全部或部分範例具體實施例的組合。
第一圖顯示使用本發明噴淋元件的半導體處理腔示意圖，尤其是一種專用於沉積薄膜的CVD處理腔，當然也可包含其他的處理，像是薄膜蝕刻和腔體清潔等，連續地在通同一半導體處理腔執行。第一圖的半導體處理腔包含由封閉結構定義的一腔體（100），其接收來自一或多個氣體源（101）的處理氣體並與一排氣系統（102）連接以實現腔內真空。腔體（100）的頂部提供有氣體供應元件。圖中僅顯示氣體供應元件中的一噴淋元件（103），其接收來自氣體源（101）的一或多種氣體，如反應氣體或墮性氣體。噴淋組件（103）將所述氣體釋放至腔體（100）中的一處理區以進行薄膜沉積。腔體（100）的底部提供有一基板或晶圓支撐座（104），用以將基板支撐於所述處理區中獲得薄膜沉積。噴淋元件（103）為氣體供應組件中射出處理氣體的末端且與基板相對。雖然未顯示，但熟知該領域技術者應瞭解，更多的元件和裝置亦可包含於腔體中，像是加熱器、抽氣通道和感測器等。以下僅針對噴淋元件（103）的更多細節說明。此外，在電漿化學沉積（PECVD）的應用中，噴淋組件（103）及支撐座（104）還包含與射頻電路和匹配合連接的電極。
第二圖顯示第一圖噴淋元件（103）實施例的進一步細節。噴淋組件（103）包含一公板（201）和一主機板（202）。可利用螺絲或結合件將公板（201）固定於主機板（202）上方。主機板（202）為噴淋組件（103）的最底端，其與第一圖的支撐座（104）及腔體（100）側壁定義所述反應區。主機板（202）包含一或多個氣體出口，用以釋放處理氣體至支撐座（104）上的基板。第二圖僅顯示噴淋元件（103）的單一個氣體出口（203），意即單一個噴嘴。公板（201）具有一上表面（204）和一下表面（205），主機板（202）具有一上表面（206）和一下表面（207）。公板（201）的下表面（205）與主機板（202）的上表面（206）相對且相互平行。公板（201）的上方為跟第一圖氣體源（101）相通的一氣室（未顯示），其供應氣體至噴淋組件（103）。
與氣體出口（203）共軸處，公板（201）的下表面（205）形成有一射出端（208），其自公板（201）的下表面（205）延伸以射出一第一氣體（A）。第一氣體（A）可由公板（201）上方的所述氣室供應。公板（201）具有一流道（209），其自公板（201）上表面（204）延伸至下表面（205）的射出端（208）。因此，所述流道（209）的總長度大於公板（201）的一厚度。射出端（208）朝主機板（202）的上表面（206）延伸但不接觸主機板（202）。圖示射出端（208）為柱狀體，但在其他實施例中，可以是錐狀或其他與主機板（202）匹配的形狀。流道（209）用以引導第一氣體（A）通過公板（201）。流道（209）由不同半徑的段所定義。如圖示，流道（209）從上游至下游端包含一第一漏斗段（2091）、一第一段（2092）、一第二漏斗段（2093）及一第二段（2094），其中第一段（2092）的半徑大於第二段（2094）的半徑，而第二段（2094）的半徑小於或等於氣體出口（203）。在其他實施例中，流道（209）以更多或更少的段定義。
公板（201）與主機板（202）配置成保持一距離，使公板（201）下表面（205）與主機板（202）上表面定義供應一第二氣體（B）的通道（210），其與第二氣體（B）的一氣體源（未顯示）連通。因此，第二氣體（B）進入噴淋元件後停留於公板（201）和主機板（202）之間並穿透主機板（202）至所述處理區。與氣體出口（203）共軸處，主機板（202）上表面形成有一凹穴（211），其連通耦接氣體出口（203）以引導一第二氣體自主機板（202）上表面流動至氣體出口（203）。凹穴（211）自主機板（202）上表面向下延伸但不穿透主機板（202）。凹穴（211）可視為載有第二氣體的通道（210）的一部分。凹穴（211）配置成用於接收來自公板（201）的第一氣體（A）以使第一氣體（A）與該第二氣體（B）於凹穴（211）混合並經由氣體出口（203）排出。
凹穴（211）的形狀與射出端（208）相似且具有比射出端（208）略大的徑向尺寸。公板（201）和主機板（202）以所述距離配置，使固定於主機板（202）上方的公板（201）的射出端（208）的一部分能夠延伸至凹穴（211），且射出端（208）與凹穴（211）的壁之間保持一間隙（G），意即射出端（208）不接觸主機板（202）。藉此，間隙（G）具有類似「U」的一形狀。第二氣體（B）經由間隙（G）流至氣體出口（203）。射出端（208）的流道（209）將第一氣體（A）引導至凹穴（211）的底部間隙（G）。因此，第一氣體（A）與第二氣體（B）在主機板（202）的凹穴（211）中會合。較佳地，第一氣體（A）與第二氣體（B）在凹穴（211）靠近底部的間隙（G）會合，縮短氣體一起進入氣體出口（203）的距離。在一實施例中，第一氣體（A）為惰性氣體或淨化氣體，第二氣體為反應氣體。混合後的第一氣體（A）與第二氣體（B）僅經由單一的氣體出口（203）釋放至處理區。
第三圖顯示噴淋元件（103）的另一剖面圖。該視圖顯示，凹穴（211）在一方向上具有相對較大的半徑，使射出端（208）距離凹穴（211）壁之間的間隙（G）比第二圖來得大。此欲說明，所述凹穴（211）並非必然是具有相同的半徑。雖然未顯示，但凹穴（211）的橫截面形狀可以是圓形、橢圓形或矩形。非圓形的凹穴（211）為具有解決問題的設計。在PECVD的例子中，噴淋組件可包含RF電極板又承載已加熱的氣體，這些因數會提升噴淋元件的溫度，導致公板（201）和主機板（202）的熱膨脹。為了避免射出端（208）因橫向熱膨脹阻塞凹穴（211），其可設計為非圓形，意即凹穴（211）的一方向具有大於另一方向的半徑。此確保足夠的間隙（G）供氣體流至氣體出口（203）。在可能的實施例中，改變射出端（208）的形狀亦為可行的作法。
第四圖顯示本發明噴淋元件（400）的另一實施例，其可適用於更多氣體的混合。此處僅顯示針對噴淋元件（400）的單一氣體出口（203）的局部剖面。噴淋元件（400）的周圍可以具有如第一圖顯示的固定結構，其使多個板相互堆疊並使噴淋元件（400）定位於腔體的頂部。與前述實施不同的是，第四圖噴淋組件（400）包含更多的堆疊。一板（401）被置於前述公板（201）和主機板（202）之間，且板（401）具有公板（201）和主機板（202）的特徵。板（401）具有一上表面和一下表面（未標號）。板（401）的上表面與公板（201）的下表面定義一第一通道（410），板（401）的下表面和主機板（202）的上表面定義一第二通道（420）。與氣體出口（203）共軸處，板（401）的上表面形成有一凹穴（411），板（401）的下表面形成有一射出端（408）。其中，凹穴（411）和射出端（408）具有類似的配置以和上方公板（201）的射出端（208）及下方主機板（202）的凹穴（211）匹配，並仍保有所述間隙（G）。
一第一氣體經由公板（201）的流道（209）進入凹穴（411），一第二氣體經由第一通道（410）進入凹穴（411）。因此，第一氣體和第二氣體於凹穴（411）中會合並進入於凹穴（411）和射出端（408）之間延伸的一流道（409）。公板（201）的流道（209）的下游口徑可略小於板（401）的流道（409）的上游端的口徑。如此，第一氣體和第二氣體順利進入板（401） 並混合在一起。第一氣體和第二氣體的混合經由板（401）的流道（409）進入主機板（202）的凹穴（211），一第三氣體經由第二通道（420）進入凹穴（211）。因此，第一氣體和第二氣體的混合與第三氣體於凹穴（211）會合。這三種氣體的混合最終經由主機板（202）的單一個氣體出口（203）釋放。
在一實施例中，噴淋元件具有多個氣體出口，且每一個氣體出口均由上述公板和主機板的設計而能供應混合氣體。在其他實施例中，噴淋元件具有單一個位於中心的氣體出口，均勻地釋放混合氣體至反應區。相較于習知的配置，發明混合氣體的氣體出口相對佔據較小的面積，使噴淋元件上的噴嘴密度提高的設計變成可能。射出端的徑向尺寸可適當地縮小可容許高密度的設計。在可能的實施例中，同一板中的所有流道可以是內部連通的，以平衡各位置的氣體壓力。
雖然為了清楚瞭解已經用某些細節來描述前述本發明，吾人將瞭解在申請專利範圍內可實施特定變更與修改。因此，以上實施例僅用於說明，並不設限，並且本發明並不受限於此處說明的細節，但是可在附加之申請專利範圍的領域及等同者下進行修改。
100:腔體 210:通道 101:氣體源 211:凹穴 102:排氣系統 400:噴淋組件 103:噴淋組件 401:板 104:支撐座 408:射出端 201:公板 409:流道 202:主機板 410:第一通道 203:氣體出口 411:凹穴 204:上表面 420:第二通道 205:下表面 A:第一氣體 206:上表面 B:第二氣體 207:下表面 G:間隙 208:射出端 209:流道 2091:第一漏斗段 2092:第一段 2093:第二漏斗段 2094:第二段
參照下列圖式與說明，可更進一步理解本發明。非限制性與非窮舉性實例系參照下列圖式而描述。在圖式中的構件並非必須為實際尺寸；重點在於說明結構及原理。
第一圖顯示使用本發明噴淋元件的半導體處理腔。
第二圖顯示本發明噴淋元件的實施例局部剖面圖。
第三圖顯示本發明噴淋元件的實施例局部剖面圖的另一視角。
第四圖顯示本發明噴淋元件的另一實施例。
103:噴淋組件
201:公板
202:主機板
203:氣體出口
204:上表面
205:下表面
206:上表面
207:下表面
208:射出端
209:流道
2091:第一漏斗段
2092:第一段
2093:第二漏斗段
2094:第二段
210:通道
211:凹穴
A:第一氣體
B:第二氣體
G:間隙

Claims (14)

  1. 一種噴淋元件，具有用於提供一混合氣體的一氣體出口，該噴淋組件包含： 一公板，具有一上表面和一下表面，其中該公板的下表面形成有一射出端，該射出端自該公板的下表面延伸以射出一第一氣體；及 一主機板，具有一上表面和一下表面，其中該主機板的上表面形成有一凹穴，該凹穴連通耦接該氣體出口以引導一第二氣體自該主機板的上表面流動至該氣體出口，該凹穴配置成用於接收來自該公板的第一氣體以使該第一氣體與該第二氣體於該凹穴混合並經由該氣體出口排出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之噴淋元件，其中該公板的上表面和下表面的射出端之間具有一流道，用以引導自該公板的上表面進入的第一氣體至該公板的下表面的射出端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之噴淋組件，其中該流道具有一第一段及一第二段，該第二段位於該射出端且具有大於該第一段的半徑。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之噴淋元件，其中該公板的下表面與該主機板的上表面定義該第二氣體的一通道，其中該凹穴為該通道的一部分。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之噴淋組件，其中該氣體出口的半徑大於該流道的第二段的半徑。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之噴淋組件，其中該射出端與該凹穴的壁定義一間隙，該間隙連通引導該第二氣體的通道、引導該第一氣體的流道及引導混合氣體的該氣體出口。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之噴淋組件，其中該氣體出口位於該噴淋元件的中心。
  8. 一種噴淋元件，具有用於提供一混合氣體的一氣體出口，該噴淋組件包含： 一公板，具有一上表面和一下表面，其中該公板的下表面形成有一射出端，該射出端自該公板的下表面延伸以射出一第一氣體；及 一主機板，具有一上表面和一下表面，該主機板的上表面形成有一凹穴，該凹穴容納該公板的射出端的一部分使該凹穴的壁與該射出端定義一第二氣體的流動路徑，藉此來自該射出端的第一氣體於該凹穴中與該第二氣體一起推進至與該凹穴連通的該氣體出口。
  9. 如申請專利範圍8所述之噴淋元件，其中該公板的上表面和下表面的射出端之間具有一流道，用以引導自該公板的上表面進入的第一氣體至該公板的下表面的射出端。
  10. 如申請專利範圍8所述之噴淋組件，其中該流道具有一第一段及一第二段，該第二段位於該射出端且具有大於該第一段的半徑。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之噴淋元件，其中該公板的下表面與該主機板的上表面定義該第二氣體的一通道，其中該凹穴為該通道的一部分。
  12. 一種噴淋元件，具有用於提供一混合氣體的一氣體出口，該噴淋組件包含： 一板，具有一上表面和一下表面，其中該上表面形成有供一第一氣體和一第二氣體會合的一凹穴，而該下表面形成有一射出端，該凹穴與該射出端之間延伸有一流道以將該第一氣體和該第二氣體從該凹穴引導致該射出端，其中該氣體出口配置成排出來自該射出端的第一氣體和第二氣體。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之噴淋組件，其中該板的凹穴成形為用於跟另一板的一射出端匹配。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之噴淋組件，其中該射出端成形為用於跟另一板的一凹穴匹配。
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