TW202229604A - 用於形成膜之ｒｐｃｖｄ設備及方法 - Google Patents

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薩地亞納良 巴里克
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Abstract

揭示一種用於形成一膜之RPCVD設備，該RPCVD設備包括一蓮蓬頭，該蓮蓬頭具有：至少一個氣體腔室；一或多個電漿入口，用於將電漿自一或多個電漿產生器輸送至一反應腔室中；及複數個氣體入口，用於將氣體自至少一個氣體腔室輸送至該反應腔室中。該等電漿入口中之至少一者位於一位置處，該位置處於該蓮蓬頭之一中心區域與一外區域之間且相對於一旋轉軸偏離中心。該等電漿產生器在該基座之視線內產生電漿，且該等電漿入口具有比該等氣體入口之開口大的開口。該等氣體入口經組態，使得在該基座之一完整旋轉期間，來自該等氣體入口之氣體的所有空間分佈之一組合在一基座之一中心區域與一外區域之間的該基座之表面上提供一均勻之氣體密度分佈。

Description

用於形成膜之RPCVD設備及方法
相關申請案之交叉引用：本申請案主張2019年9月4日申請之澳大利亞專利申請案no. 2019903264的優先權，該專利申請案之整體內容以引用方式併入本文中。
本發明係關於用於藉由化學氣相沈積來產生膜之設備及方法。
含有金屬或準金屬之膜，諸如氮化鎵(GaN)膜，可應用於自發光二極體(LED)至紫外偵測器至晶體管裝置之一系列裝置中。
此等膜通常藉由沈積技術，包括金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)及遠端電漿增強化學氣相沈積(RPECVD或RPCVD)，形成於基板上。已採用RPCVD來在比MOCVD中使用之溫度低得多的溫度下生產高品質之膜，藉此降低製程成本，且允許使用對溫度敏感之較佳基板進行膜沈積。
RPCVD製程與習知MOCVD類似之處在於該兩種技術將金屬試劑以金屬有機(MO)分子之氣體流形式與例如載氣N 2或H 2一起輸送至反應腔室中。MO分子在幾百攝氏度以下係穩定的，因此可經由小之噴射器、噴嘴或狹縫(在本文中統稱為入口)流入反應器中，藉此可設計入口之佈置以在大區域上產生均勻之MO密度。隨後MO分子在生長表面處或附近被熱離解，以使得能夠與活性氮物質反應。
MOCVD與RPCVD不同之處在於氮物質之輸送方式。在MOCVD中，氮物質以NH 3之形式輸送。NH 3為可流過與MO源所用之噴射器類似之噴射器的穩定氣體，因此可設計簡單之入口佈置，以在生長表面處產生均勻之NH 3及MO密度。此類入口之佈置通常稱為蓮蓬頭(SH)。
RPCVD將氮物質以電漿，特別係由包含氮之氣體產生之電漿的形式輸送，因此產生氮電漿。在遠端產生氮電漿，且隨後將電漿以激發態輸送至反應器中以便與MO反應而生長膜。通常，提供單個電漿入口。為了自單個電漿入口在生長表面處提供均勻之電漿密度，已嘗試使用蓮蓬頭式電漿分配佈置或擋板在生長表面上均勻地分配電漿( 例如，如本案發明人之早期專利申請案WO2010091470A1中所提出的)。
然而，雖然在MOCVD中使用之NH 3為穩定氣體，但在RPCVD中，由於電漿之各種激發態不穩定，因此活性氮物質可能會發生自發衰變與碰撞誘發之衰變。碰撞誘發之衰變可能發生在處於氣相之兩個分子之間發生碰撞期間，或者發生在電漿物質與RPCVD設備之壁(包括蓮蓬頭或擋板之壁)之間發生碰撞期間。此等碰撞使活性氮物質淬滅，導致到達生長表面之活性物質密度降低。如此給RPCVD設備帶來了很大之設計約束，而此並非MOCVD之考慮因素。
本說明書中所包括的對檔案、法案、材料、裝置、製品等之任何討論不應因為其在每一所附請求項之優先權日期之前已經存在而被認為承認任何或所有此等內容形成先前技術基礎之一部分或者為與本揭示案相關之領域中的公知常識。
根據本揭示案之一個態樣，提供一種用於形成膜之RPCVD設備，該RPCVD設備包括： 一或多個電漿產生器，用於自包括氮氣之一氣體源產生一電漿； 一反應腔室，在該反應腔室中使一金屬有機試劑與得自該電漿之一活性氮物質反應以在一或多個基板上沈積一膜； 一蓮蓬頭，該蓮蓬頭具有： 至少一個氣體腔室； 一或多個電漿入口，用於將電漿自該一或多個電漿產生器輸送至該反應腔室中；及 複數個氣體入口，用於將氣體自該至少一個氣體腔室輸送至該反應腔室中； 一基座，用於在該反應腔室中將一或多個基板支撐於該基座之一中心區域與一外區域之間的該基座之一表面處，該基座經組態以繞著一旋轉軸相對於該蓮蓬頭旋轉； 其中該等電漿入口中之至少一者位於一位置處，該位置處於該蓮蓬頭之一中心區域與一外區域之間且相對於該旋轉軸偏離中心； 其中該等氣體入口按一圖案分佈於在該蓮蓬頭之該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之一表面處， 其中該等氣體入口各自引導在該基座之該表面處具有一各別氣體空間分佈的氣體， 其中該等電漿產生器在該基座之視線內產生電漿，且該等電漿入口具有比該等氣體入口之開口大的開口；且 其中該等氣體入口經組態，使得在該基座之一完整旋轉期間，所有該等氣體空間分佈之一組合在該基座之一中心區域與一外區域之間的該基座之該表面上提供一均勻之氣體密度分佈。
根據本揭示案之另一態樣，提供一種使用前一個態樣之RPCVD設備形成膜之方法。
根據本揭示案之另一態樣，提供一種使用RPCVD設備形成膜之方法，該方法包括： 經由該RPCVD設備之一蓮蓬頭的一或多個電漿入口將電漿輸送至一反應腔室中，該電漿藉由一或多個電漿產生器自包括氮氣之一氣體源產生； 經由該蓮蓬頭之複數個氣體入口將來自該蓮蓬頭之至少一個氣體腔室的包括一金屬有機試劑之氣體輸送至該反應腔室中，使得該金屬有機試劑與得自該反應腔室中之該電漿的活性氮物質反應； 其中一基座位於該反應腔室中，該基座在該反應腔室中將一或多個基板支撐於該基座之一中心區域與一外區域之間的該基座之一表面處，該基座繞著一旋轉軸相對於該蓮蓬頭旋轉； 其中該等電漿入口中之至少一者位於一位置處，該位置處於該蓮蓬頭之一中心區域與一外區域之間且相對於該旋轉軸偏離中心； 其中該等氣體入口按一圖案分佈於在該蓮蓬頭之該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之一表面處； 其中該等電漿產生器在該基座之視線內產生電漿，且該等電漿入口具有比該等氣體入口之開口大的開口； 其中該等氣體入口各自引導在該基座之該表面處具有一各別氣體空間分佈的氣體，且 其中該等氣體入口經組態，使得在該基座之一完整旋轉期間，所有該等氣體空間分佈之一組合在該基座之一中心區域與一外區域之間的該基座之該表面上提供一均勻之氣體密度分佈。
在本文所述之任何一或多個態樣中，該等氣體入口可按一徑向不對稱且旋轉不對稱之圖案分佈於該蓮蓬頭之表面處。該等氣體入口可例如按一或多個螺旋或擴增螺旋圖案來組態。然而，在一些實施例中，該等氣體入口可按其他圖案，諸如至少部分地或完全地均勻之圖案，分佈於該蓮蓬頭之表面處。該等氣體入口可分佈為使得其部分地或完全地環繞該等電漿入口，例如，使得一或多個或所有電漿入口被各別氣體入口環繞。
每一電漿入口之開口的最大直徑可明顯大於每一氣體入口之最大直徑。例如，每一電漿入口之最大直徑可為每一氣體入口之開口之最大直徑的至少30倍、至少50倍、至少70倍、至少90倍、至少110倍、至少130倍或更大。另外地或替代地，每一電漿入口之開口的面積可為每一氣體入口之開口之面積的至少500倍、至少1000倍、至少10,000倍、至少20,000倍或至少50,0000倍或更大。
在一些實施例中，該等氣體入口可分佈於該蓮蓬頭之表面的主要部分內。例如，該等氣體入口可分佈於大於該蓮蓬頭之該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之表面的面積之50%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%的區域內。在一些實施例中，氣體入口可實質上分佈於除了電漿入口所處之位置外的該蓮蓬頭之整個表面內。在一些實施例中，若該蓮蓬頭之表面被分成四個概念象限，則氣體入口可分佈於該等象限中之3個或全部4個象限中。另外地或替代地，若該蓮蓬頭之表面被分成在該中心區域與該外區域之間的四個等寬之同心概念圈，則氣體入口可分佈於該等圈中之3個或全部4個圈中。
該一或多個偏離中心之電漿入口可直接位於在該基座之中心區域與外區域之間的該基座之區域內。儘管如此，本案發明人已確定，有可能經由對電漿入口及氣體入口定位且包括經由利用基座之旋轉來在該基座之中心區域與外區域之間的該基座之表面上達成實質上均勻之氣體密度分佈，且在一些實施例中，達成實質上均勻之氣體密度分佈及電漿密度分佈。在該基座之完整旋轉期間，自該基座之中心區域與外區域之間的實質上均勻之氣體密度剖面可明顯看出實質上均勻之氣體密度分佈。
在一些實施例中，可藉由將氣體入口聚集於該蓮蓬頭之表面的第一區域以在該蓮蓬頭中提供空間來容納位於該蓮蓬頭之表面的第二區域處之一或多個電漿入口來達成實質上均勻之氣體密度分佈。聚集可使得在該基座之完整旋轉期間在該基座之中心區域與外區域之間的該基座之表面處保持實質上相同之氣體密度分佈，仿佛該等氣體入口均勻地分佈於該蓮蓬頭之表面的第一區域及第二區域內。聚集可使得相較於在無電漿入口或較少數量之電漿入口所處的圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭之表面處之概念圓形路徑處或附近，在電漿入口所處的圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭之表面處之概念圓形路徑處或附近，氣體入口與其各別最接近之相鄰氣體入口之間的平均距離較高。
在一些實施例中，對於在距該蓮蓬頭之中心的徑向距離與一或多個電漿入口相同的區域中及在較接近於該一或多個電漿入口之區域中的氣體入口，氣體入口之聚集可能更普遍。使氣體入口聚集為較接近於一或多個電漿入口可能係有利的，因為如此可確保支撐於該基座上之基板在暴露於來自電漿入口之電漿期間在經歷氣體中之暴露減少之後或之前即刻增加在來自氣體入口之氣體中的暴露。
該等氣體入口可包括氣體入口之至少兩個子集，例如，至少氣體入口之第一子集及氣體入口之第二子集。在一些實施例中，氣體入口之第一子集中的氣體入口可按與氣體入口之第二子集中的氣體入口不同的圖案分佈於該蓮蓬頭之表面處。例如，氣體入口之第一子集可按均勻圖案(例如，規則陣列，諸如柵格圖案、圓形陣列或其他形式)分佈，而氣體入口之第二子集可按非均勻圖案或其他形式分佈。替代地，在一些實施例中，第一子集中之氣體入口可按與氣體入口之第二子集中的氣體入口相同的圖案分佈於該蓮蓬頭之表面處。例如，氣體入口之第一子集可按均勻圖案分佈且氣體入口之第二子集可按均勻圖案分佈，或者氣體入口之第一子集可按非均勻圖案分佈且氣體入口之第二子集可按非均勻圖案分佈。
藉由氣體入口之第一子集輸送的氣體可與藉由氣體入口之第二子集輸送的氣體相同。替代地，藉由氣體入口之第一子集輸送的氣體可與藉由氣體入口之第二子集輸送的氣體不同。在一些實施例中，氣體入口之第一子集輸送金屬有機(MO)試劑氣體，且第二組氣體入口輸送氨氣(NH 3)。替代地，氣體入口之每一子集可包括輸送不同類型之氣體的氣體入口。例如，氣體入口之每一子集可包括輸送金屬有機(MO)試劑氣體之氣體入口及輸送氨氣(NH 3)之氣體入口。通常，本說明書中對MO試劑氣體或MO氣體之任何引用均意欲涵蓋氣體與蒸氣之組合，例如藉由載氣攜載之MO蒸氣。
在一些實施例中，可提供控制器，該控制器對自氣體入口子集中之每一者輸送的氣體之通量進行彼此獨立之控制。例如，根據需要，該控制器可允許對一個子集與另一子集施加不同之氣體通量。
氣體入口之每一子集分佈於其中的該蓮蓬頭之表面的區域可被視為不同之區。例如，第一區在本文中被界定為氣體入口之第一子集分佈於其中的該蓮蓬頭之表面的區域，且第二區被界定為氣體入口之第二子集分佈於其中的該蓮蓬頭之表面的區域。通常，每一區之外邊緣及外部形狀藉由各別子集內之最外氣體入口的位置所界定。
第一區與第二區可具有實質上相同之外部形狀或可具有不同之外部形狀。然而，在一些實施例中，無論第一氣體入口區與第二氣體入口區是否具有相同之形狀，第一區及第二區均可具有實質上相同之面積及/或可包括實質上相同數量之氣體入口。在提供一或多個其他氣體入口子集的情況下，例如，氣體入口之第三子集、氣體入口之第四子集等，界定對應之區，例如第三區、第四區等，該等區可共用與第一區及/或第二區對應之入口數量、大小及/或形狀等。
在一些實施例中，在基座之完整旋轉期間，自氣體入口之不同子集輸送的氣體之單獨徑向密度剖面可能並不均勻。就此而言，不同之子集/區可被視為有利於(例如，可輸送更大之氣體密度給)基座之不同區域，此視基座上之彼等區域的徑向位置而定。然而，來自氣體入口/區之不同子集的貢獻之總和可為使得在基座之完整旋轉期間最終之徑向密度剖面為實質上均勻的。
因此，在一個實施例中： 對於氣體入口之每一子集，在該基座之完整旋轉期間，來自該子集內之氣體入口的氣體之所有空間分佈的組合在該基座之中心區域與外區域之間的該基座之表面上提供非均勻之氣體密度分佈，且 該等氣體入口經組態，使得在該基座之完整旋轉期間，所有該等非均勻之氣體密度分佈之組合在該基座之中心區域與外區域之間的該基座之表面上提供均勻之氣體密度分佈。
因此，根據本揭示案之一個態樣，提供一種用於形成膜之RPCVD設備，該RPCVD設備包括： 一或多個電漿產生器，用於自包括氮氣之一氣體源產生一電漿； 一反應腔室，在該反應腔室中使一金屬有機試劑與得自該電漿之一活性氮物質反應以在一或多個基板上沈積一膜； 一蓮蓬頭，該蓮蓬頭具有： 至少一個氣體腔室； 一或多個電漿入口，用於將電漿自該一或多個電漿產生器輸送至該反應腔室中；及 複數個氣體入口，用於將氣體自該至少一個氣體腔室輸送至該反應腔室中； 一基座，用於在該反應腔室中將一或多個基板支撐於該基座之一中心區域與一外區域之間的該基座之一表面處，該基座經組態以繞著一旋轉軸相對於該蓮蓬頭旋轉； 其中該等氣體入口按一圖案分佈於在該蓮蓬頭之該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之一表面處，且包括氣體入口之兩個或更多個子集， 一控制器，該控制器對自該等氣體入口子集中之每一者輸送的氣體之通量進行彼此獨立之控制； 其中該等氣體入口各自引導在該基座之該表面處具有一各別氣體空間分佈的氣體， 其中，對於氣體入口之每一子集，在該基座之一完整旋轉期間，來自該子集內之該等氣體入口之氣體的所有空間分佈之一組合在該基座之該中心區域與該外區域之間的該基座之該表面上提供一非均勻之氣體密度分佈， 其中該等氣體入口經組態，使得在該基座之一完整旋轉期間，所有該等非均勻之氣體密度分佈之一組合在該基座之該中心區域與該外區域之間的該基座之該表面上提供一均勻之氣體密度分佈。
在一些實施例中，該氣體入口之第一子集可輸送具有自該基座之中心區域至外區域例如綫性地減小之徑向密度剖面的氣體，且該氣體入口之第二子集可輸送具有自該中心區域至該外區域例如綫性地增大之徑向密度剖面的氣體。歸因於具有實質上相反之綫性剖面，在該基座之完整旋轉期間，來自氣體入口/區之不同子集的貢獻之總和可提供均勻、平直之密度剖面。
在一些實施例中，氣體區可在圍繞蓮蓬頭之中心的旋轉方向上彼此偏離。例如，第一區可藉由蓮蓬頭之表面的第一部分(例如，該表面之第一半或象限)提供，且第二區可為蓮蓬頭之表面的第二部分(例如，該表面的非重疊之第二半或象限)。在提供第三或其他區之情況下，此等區可被提供為其他部分。為了使該等區中之每一者可單獨地輸送具有並非平直之徑向密度剖面的氣體，每一區內之氣體入口可非均勻地分佈。
然而，在一些實施例中，例如，在希望利用均勻分佈之氣體入口但確保氣體入口之不同子集有利於基座的不同之徑向內區域及外區域或其他情況的情況下，可提供該等區的不同或更複雜之組態。
例如，第一區與第二區可在徑向方向上在該蓮蓬頭之中心區域與外區域之間至少部分地重疊。因此，在該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之表面上的至少一個概念半徑可穿過該第一區及該第二區。為此，在一些實施例中，第一區可為蓮蓬頭之表面的第一圓形或環形區域(或部分圓形或部分環形區域)，且第二區可為蓮蓬頭之表面的第二環形區域(或部分環形區域)，該第二區域在徑向上在該第一區域之外。在提供第三或其他區之情況下，此等區可被提供為其他環形或部分環形區域。為了使該等區中之每一者可單獨地輸送具有並非均勻之徑向密度剖面的氣體，每一區內之氣體入口的數量可不同，或經由每一區施加之氣體通量可被選擇為例如不同的。
作為另一示例，該第一區與該第二區在該蓮蓬頭之中心區域與外區域之間的徑向方向上且在圍繞該蓮蓬頭之中心的旋轉方向上可部分地重疊。因此，在該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之表面上的至少一個概念半徑可穿過該第一區及該第二區，且圍繞該蓮蓬頭之表面的中心的至少一個概念圓形路徑可穿過該第一區及該第二區。為此，在一些實施例中，第一區與第二區可具有彼此相反之不同外部形狀(例如，彼此之負形狀及正形狀)。視氣體入口之總體分佈而定，該等相反之外部形狀結合起來可形成圓之一部分或一整個圓。在一些實施例中，勾劃該第一區及該第二區之概念邊界線可為非直線的，例如，該邊界綫之全部或一部分可為彎曲的。沿著該邊界線，該第一區及該第二區中之一者可具有至少一個部分凹形外邊緣，且該第一區及該第二區中之另一者可具有至少一個部分凸形外邊緣。在一些實施例中，該邊界線可在該蓮蓬頭之表面的中心區域與外區域之間一直延伸。在一些實施例中，該邊界綫可延伸跨越該蓮蓬頭之實質上整個直徑。就此而言，在一些實施例中，該第一區及該第二區中之每一者可具有自該蓮蓬頭之表面的中心區域至外區域延伸實質上一個完整半徑的至少一個區域。因此，儘管如上所述，不同區可有利於基座的在徑向上定位之不同區域，但該等區中之每一者均可跨越實質上整個最終徑向密度剖面對氣體密度提供一些貢獻。
經由以上組態或其他方式，在該蓮蓬頭之表面的徑向內區域處，該第一子集中之氣體入口的數量可高於該第二子集之氣體入口的數量，且在該蓮蓬頭之表面的徑向外區域處，該第二子集之氣體入口的數量可高於該第一子集之氣體入口的數量。在一些實施例中，此種佈置可藉由以下情況反映：在該蓮蓬頭之表面的徑向內區域處，該第一區比該第二區延伸至更大之範圍，且在該蓮蓬頭之表面的徑向外區域處，該第二區比該第一區延伸至更大之範圍。
如所提及，該設備可包括控制器以獨立於自氣體入口之另一子集輸送的氣體之通量來控制自氣體入口之一個子集輸送的氣體之通量。該控制器可控制或可包括：第一質量流量控制器(第一MFC)，該第一質量流量控制器可連接至氣體入口之第一子集；及第二質量流量控制器(第二MFC)，該第二質量流量控制器可連接至氣體之第二子集。若提供，則其他MFC可連接至氣體入口之第三或其他子集。
該控制可用於進行「區調整」以在輸送氣體時在基座之表面處獲得實質上均勻之氣體密度分佈。例如，對來自每一區中之氣體入口的單獨貢獻的調整可得到對密度剖面之形狀的微調。此調整可用於補償該設備(例如，反應腔室)設計中的影響徑向密度剖面的已知不均勻性及不對稱性，諸如由以下原因引起的不對稱性：在一側視情況地具有預真空鎖；或由於與電漿入口之局部接近而擾動氣體流；及/或流過電漿入口之電漿流導致氣體流之擾動；或被選擇用於輸送的氣體之不同化學/配方性質。
在一些實施例中，該設備可經進一步組態，使得： 該等電漿入口按一圖案分佈於該蓮蓬頭之中心區域與外區域之間的該蓮蓬頭之表面處； 該等電漿入口各自引導在該基座之表面處具有各別之電漿強度空間分佈的電漿；且 該一或多個電漿產生器及/或電漿入口經組態以使得在該基座之一完整旋轉期間，所有該等電漿強度空間分佈之組合在該基座之中心區域與外區域之間的該基座之表面處提供實質上均勻之電漿密度分佈。
因此，以與氣體入口類似之方式，藉由將設有多個電漿入口與基座之完整旋轉相結合，來自電漿入口之所有電漿強度空間分佈的組合可在該基座之中心區域與外區域之間的該基座之表面處提供實質上均勻之電漿密度分佈。
該等電漿入口經組態以使得每一者均在基座之視綫內，因此，在支撐於該基座上的一或多個基板之視綫內。每一電漿入口可與各別電漿產生器(例如，各別電漿管)相關聯。例如，每一電漿入口可為各別電漿管之底部開口。在一些實施例中，藉由設有複數個電漿入口，電漿可廣泛地分佈於該基座之表面上，同時在電漿入口(及電漿產生器，諸如電漿管)與基座之間具有視綫。
本設備可改善與先前技術之薄膜沈積設備相關聯的一或多個缺點或劣勢。本設備可達成實質上均勻之電漿及氣體分佈，同時允許使用相對較大之「視綫」入口來注入電漿，如此可最小化壁碰撞且最大化到達基座之活性氮物質的密度。
該設備可經組態以使得在該基座之完整旋轉期間，圍繞該旋轉軸且在該基座之中心區域與外區域之間的在該基座之表面處的概念圓形路徑暴露於總電漿強度，該電漿強度增大以增加該圓形路徑距該旋轉軸之徑向距離(r)。用於增加圓形路徑距旋轉軸的徑向距離（r）的總電漿強度的增加可能與r成正比。該蓮蓬頭中朝向該蓮蓬頭之外區域定位的電漿入口可比朝向該蓮蓬頭之中心區域定位的電漿入口多。另外地或替代地，該蓮蓬頭可具有朝向該蓮蓬頭之外區域的一或多個電漿入口，該一或多個電漿入口經組態以相較於朝向該蓮蓬頭之中心區域定位之一或多個電漿入口引導電漿強度較高之電漿。
為了達成實質上均勻之電漿分佈，該設備可經組態以使得圍繞該旋轉軸的在該基座之表面處的至少一個概念圓形路徑暴露於自該等電漿入口中之至少兩者或三者引導的重疊電漿。在一些實施例中，圍繞該旋轉軸且在該基座之中心區域與外區域之間的在該基座之表面處的所有概念圓形路徑可暴露於自該等電漿入口中之至少兩者引導的重疊電漿。
在一些實施例中，該等電漿入口可經定位，使得：圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭處之至少一個概念圓形路徑穿過該等電漿入口中之僅一者；及/或圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭處之至少一個概念圓形路徑穿過該等電漿入口中之至少兩者；及/或圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭處之至少一個概念圓形路徑穿過該等電漿入口中之至少三者。
該設備可進一步包括控制器以單獨地控制自該等電漿入口中之一或多者引導的電漿強度，且在一些情況下因此控制電漿強度之空間分佈。為了執行控制，該控制器可調整自包括氮氣之氣體源至電漿入口的氣體流。另外地或替代地，該控制器可調整用於產生電漿之功率且因此調整電漿功率。
在一些實施例中，所有該等電漿入口之直徑可實質上相同。然而，替代地，該等電漿入口中之兩者或更多者可具有不同之直徑。
該等電漿入口可按非均勻之圖案分佈於該蓮蓬頭處。該等電漿入口可按非徑向對稱之圖案分佈於該蓮蓬頭處。
在一些實施例中，該等電漿入口中之一或多者可部分地或完全地被吹掃氣體入口環繞，該等吹掃氣體入口經組態以輸送吹掃氣體。吹掃氣體可為例如氮氣。該吹掃氣體可被選擇為使得其將不會促成基板上之任何沈積(及因此膜厚度)或相關聯之密度剖面，且可減少試劑氣體之非所要再循環。例如，如此可防止在蓮蓬頭上形成薄膜且可幫助獲得更好之電漿氣體分佈。
在一個態樣中，本揭示案提供一種用於RPCVD設備之蓮蓬頭，該蓮蓬頭包括： 一或多個電漿入口，用於將電漿自一或多個電漿產生器輸送至反應腔室中；及 複數個氣體入口，用於將氣體自至少一個氣體腔室輸送至該反應腔室中； 其中該等電漿入口中之至少一者位於一位置處，該位置處於該蓮蓬頭之一中心區域與一外區域之間且相對於該RPCVD設備之旋轉軸偏離中心； 其中該等電漿產生器在該基座之視線內產生電漿，且該等電漿入口大於該等氣體入口；且 其中該等氣體入口按一圖案分佈於該蓮蓬頭之中心區域與外區域之間的該蓮蓬頭之表面處。
根據本揭示案之一個態樣，提供一種RPCVD設備，該RPCVD設備包括根據前一個態樣之蓮蓬頭。
貫穿本說明書，詞語「包括」或變體諸如「包括了」或「包括有」將被理解為暗示包括所述元件、整數或步驟、或一組元件、整數或步驟，但不排除任何其他元件、整數或步驟，或另一組元件、整數或步驟。
在PCT公開No. WO2014008557及PCT公開No. WO2015106318中詳細描述了金屬氮化物膜之產生，且每一文件之全部內容以引用方式併入本文中。
術語「電漿」通常係指包含離子、電子、中性物質及輻射之混合物的(部分)電離氣體。儘管本文使用術語「電漿」來論述在至少一個電漿產生器內藉由氣體之電離形成且穿過電漿產生器之電漿管、蓮蓬頭且進入RPCVD設備之反應腔室或產生腔室中的物質，但應瞭解，在自電漿產生器之電離區域至反應腔室的此行程期間，帶電之氣體物質可能會大大減少，因此，對此等區域中之「電漿」的提及將被理解為亦指代活性氣體物質。
關於本文提供之定義，除非另有說明或在上下文中隱含，否則所定義之術語及片語包括所提供之含義。除非另有明確說明或自上下文顯而易見，否則以下術語及片語不排除熟習此項技術者所獲得的該術語或片語之含義。提供該等定義以幫助描述特定之實施例，且不意欲限制主張權利之發明。此外，除非上下文另有要求，否則單數術語應包括複數，且複數術語應包括單數。
在本文中，術語「試劑氣體」通常係指在一組給定條件下將被活化之氣體(例如變成本文中亦使用之「活性氣體」)，諸如經歷了某些化學反應之彼等氣體，如本文所描述，該等化學反應用於藉由化學氣相沈積製程來製備膜。
本揭示案可至少部分地提供一種蓮蓬頭，該蓮蓬頭包括用於注入電漿之大開口(電漿開口)且亦包括用於注入試劑氣體之孔口佈置(氣體入口)，藉此任何氣體入口之位置不會與任何電漿入口之位置重合。此外，蓮蓬頭中之氣體入口及電漿入口之佈置使得在基座之完整旋轉期間，在蓮蓬頭下方之基板(晶圓)的整個表面暴露於實質上均勻密度(每單位面積通量)的試劑氣體及電漿中之每一者。然而，應認識到，雖然在基座之完整旋轉期間，基板之整個表面暴露於實質上均勻密度的試劑氣體及電漿中之每一者中，但在基座之完整旋轉期間，可能並未發生基板在氣體及/或電漿中之實際暴露。例如，在一些實施例中，暴露可能在基座之完整旋轉之一小部分期間發生，例如，在一些實施例中在180度旋轉期間或在更少之旋轉期間。
圖1示出了根據本揭示案之一個實施例的用於藉由RPCVD製程生產膜之設備100的透視截面圖。設備100包括一或多個電漿產生器200a-d、蓮蓬頭300、經組態為支撐一或多個基板500之基座400，及反應腔室600。儘管RPCVD設備100被示出為具有四個電漿產生器200a-d，但可包括其他數量之電漿產生器且該等電漿產生器可位於各種位置。
在所示之示例中，四個電漿產生器200a-d中之每一者包括電漿管201、201a，該電漿管具有端蓋202，該端蓋具有用於向電漿管201a之內部提供至少一種氣體的電漿氣體口203。每一電漿產生器200a-d進一步包括電漿產生區域或電離區域204，以將電漿管201之一區域暴露於電磁場以產生電漿。在一些實施例中，用於產生電漿之電磁場係使用電離源(諸如射頻(RF)源或微波源)產生。在較佳實施例中，電離源為RF線圈。
參看圖1及圖2，且如自下面之討論中將變得更加清楚，電漿產生器200a-d中之每一者與蓮蓬頭300之各別電漿入口304a-d相關聯。電漿入口304a-d中之每一者經組態以將電漿輸送至反應腔室600中。電漿入口304a-d及電漿產生器200a-d可經組態以使得每一者均在基座400之視線內，且因此當該基板500被支撐於基座400上時，在一或多個基板500之視線內。如該實施例中所示，且進一步參看圖3，每一電漿入口位於蓮蓬頭300之中心區域306與外區域307之間，在相對於旋轉軸(A-A)偏離中心之位置處。
用於產生電漿之功率可為約500W至5000W，且可與例如約1000-3000 sccm之氣體流(亦即，適於產生電漿之氣體流)結合。
每一電漿產生器200a-d之電漿氣體口203連接至氣體供應源，該氣體供應源包括至少一種適合於產生電漿之氣體。在一些實施例中，所供應之氣體包括VA族元素，且所產生之電漿為VA族電漿。例如，所供應之氣體可包括氮氣(N 2)及/或氧氣(O 2)及/或氨氣(NH 3)及/或氦氣(He)及/或氬氣(Ar)或上述各者之任何混合物。在一較佳實施例中，所供應之氣體包括氮氣，因此，所產生之電漿為包括活性氮物質之氮電漿。隨後之討論將電漿稱為包括活性氮物質之氮電漿。然而，熟習此項技術者將瞭解，電漿可包括氣體混合物。
圖2示出了圖1之實施例的透視分解圖。如所見，RPCVD設備100之基座400經組態以將一或多個基板500支撐於反應腔室600中。一或多個基板500位於基座400之中心區域401與外區域402之間的基座400之表面處。設備100經組態以使得基座400能夠繞旋轉軸(A-A)相對於蓮蓬頭300旋轉。基座400經調適以使得在旋轉期間，基板500仍藉由基座400支撐於基座400之表面上。
基座(400)可支撐以任何圖案分佈之一或多個基板500。基板之直徑皆可相等。替代地，複數個基板中之至少一個基板可具有不同之直徑。基板可由具有適合於膜生長之晶體結構的材料形成。一或多個基板可適合於金屬氮化物膜之生長。一或多個基板可適合於生長含鎵之金屬氮化物膜。對於至少兩個基板，該等基板中之每一者可由相同之材料或不同之材料製成。
基座可經組態以在基座之完整旋轉期間以足以在基板之表面上生長/沈積膜之至少一個單層、膜之至少兩個單層或膜之更多個單層的速率旋轉。基座之旋轉速度可視膜之生長速率而定。在一些實施例中，基座可例如以在每分鐘30轉與90轉(rpm)之間的速度旋轉。
如圖1及圖2中所示，蓮蓬頭300設置有至少一個氣體腔室301。至少一個氣體腔室形成於蓮蓬頭上部部分302與相對之蓮蓬頭下部部分303之間。蓮蓬頭下部部分303鄰近反應腔室600。至少一個氣體腔室301包括至少一個試劑口308，用於將至少一種試劑氣體引入至少一個氣體腔室301中。
藉由至少一個試劑口308供應之試劑氣體包括至少一種氣體，該至少一種氣體能夠進行化學反應以在反應腔室600中的一或多個基板500之表面上產生、生長、沈積或以其他方式形成薄膜。至少一種試劑氣體可包括選自IIA族金屬有機試劑或IIIA族金屬有機試劑的金屬有機(MO)試劑。例如，至少一種試劑氣體可包括含鎵之金屬有機試劑，諸如三甲基鎵。藉由至少一個試劑口308供應之氣體可包括至少一種非反應性氣體及/或至少一種惰性氣體及/或至少一種載氣。
如圖1及圖2中所示，且在下面更詳細地討論，蓮蓬頭300設有複數個氣體入口305，該等氣體入口按某一圖案分佈於蓮蓬頭300之蓮蓬頭下部部分303上。氣體入口305經組態以將氣體自至少一個氣體腔室301輸送至反應腔室600中。
在較佳實施例中，得自在至少一個電漿產生器200中產生之氮電漿的活性氮物質在反應腔室600中與至少一種金屬有機物(MO)反應，以在反應腔室600內之一或多個基板500上沈積、生長或以其他方式形成膜。較佳地，該膜為含金屬或準金屬之膜，諸如氮化鎵(GaN)膜。隨後之討論將包含金屬有機(MO)試劑之氣體提及為試劑氣體或含試劑之氣體的示例。
根據本揭示案之一些實施例，可設有至少一個額外試劑口。該至少一個額外試劑口可將至少一種額外氣體引入氣體腔室中。該額外氣體可包括至少一種反應性氣體及/或至少一種非反應性氣體及/或至少一種惰性氣體及/或至少一種載氣。例如，該額外氣體可為由氨(NH 3)組成之反應性氣體。
圖3示出了蓮蓬頭300之透視圖，該蓮蓬頭包括複數個電漿入口304a-d及複數個氣體入口305，該複數個入口按某一圖案分佈於蓮蓬頭300之中心區域306與外區域307之間的蓮蓬頭之下部部分303中。氣體入口305按某一圖案分佈，使得其圍繞電漿入口304a-d之圓周的大部分(例如，圓周之至少一半或四分之三)。在該實施例中，電漿入口304b-c中之兩者完全被氣體入口305環繞。
電漿入口304a-d中之每一者經組態以將電漿自蓮蓬頭300輸送至反應腔室600中。每一電漿入口304與各別電漿產生器200相關聯。在該實施例中，電漿入口各自具有一開口，該開口之最大直徑大於每一氣體入口305之開口的最大直徑。在該實施例中，每一電漿入口之開口的最大直徑為每一氣體入口之開口的最大直徑的50倍以上。根據前面之討論，該等入口可組態有其他相對直徑(及對應面積)之開口。
每一電漿入口304引導在基座400之表面處具有各別之電漿強度空間分佈的電漿。在該實施例中，電漿入口304經組態以使得在基座(400)之完整旋轉之後，所有該等電漿強度空間分佈之組合在基座400之中心區域401與外區域402之間的基座400之表面處提供實質均勻之電漿密度( 亦即，每單位面積之電漿通量)分佈。
在該實施例中，電漿入口304按非均勻、非徑向對稱之圖案分佈於蓮蓬頭300處，但在替代實施例中，可設有按部分均勻或完全均勻之圖案或以其他方式分佈的電漿入口。
設備100可進一步包括控制器(未圖示)，以單獨地控制自電漿入口304中之一或多者引導的電漿強度，且在一些情況下因此控制電漿強度之空間分佈。例如，該控制器可調整來自至少一個電漿產生器200之氣體口203處的氣體源之氣體流。在另一示例中，另外地或替代地，該控制器可調整藉由至少一個電漿產生器200之電離區域204供應的功率，且因此，調整所產生之電漿的功率( 亦即，電漿功率)。
以此方式，在一些實施例中，該蓮蓬頭可具有朝向該蓮蓬頭之外區域的一或多個電漿入口，該一或多個電漿入口經組態以相較於朝向該蓮蓬頭之中心區域定位之一或多個電漿噴射器引導電漿強度較高之電漿。
如圖3中所示，氣體入口305按某一圖案(例如，以「陣列」之形式)分佈於在蓮蓬頭300之中心區域306與外區域307之間且在電漿入口304a-d周圍的蓮蓬頭300之表面處。在該實施例中，氣體入口305按徑向且旋轉不對稱之圖案分佈於蓮蓬頭之表面處。
氣體入口305分佈於蓮蓬頭300之表面的大部分內，且在此示例中，在蓮蓬頭300之中心區域306與外區域307之間的蓮蓬頭之表面的面積的50%以上。如可見，當蓮蓬頭300之表面被劃分成任何四個概念象限時，例如，如圖3中之交叉虛線3001所示，在該實施例中，氣體入口分佈於所有四個象限中。此外，若蓮蓬頭之表面被劃分成在中心區域306與外區域307之間的四個等寬之同心概念圈(該等圈在圖3中未標出)，則在該實施例中，氣體入口將被視為分佈於所有四個圈中。
每一氣體入口305引導在基座600之表面處具有各別氣體空間分佈的氣體。在較佳實施例中，氣體入口之圖案或佈置使得在基座之完整旋轉期間來自氣體入口之陣列的氣體之所有空間分佈的組合在基座之中心區域與外區域之間的基座之表面上提供均勻之氣體密度( 亦即，單位面積之通量)分佈。
現在，注意力集中於如何設計使用電漿入口與MO氣體入口之蓮蓬頭以經由電漿入口及氣體入口在蓮蓬頭之表面上的特定定位同時亦利用基座之旋轉(例如，根據圖1至圖3之蓮蓬頭)來達成電漿及氣體密度的實質上均勻之分佈。
如所描述，一種蓮蓬頭包括用於注入電漿之開口(電漿入口)及用於注入試劑氣體(諸如金屬有機(MO)試劑)之孔口(氣體入口)。因此，放置有電漿入口之區域不能亦含有氣體入口。如此會在考慮如何最好地佈置入口之分佈時引起設計約束，例如，藉由限制可放置MO氣體入口之位置。此設計約束可能使通常使用之噴射器佈置(諸如實質上在整個蓮蓬頭上延伸之均勻柵格陣列或螺旋)變得不合適。
為了進行比較，圖4示出了用於MOCVD之蓮蓬頭340的底視圖。該蓮蓬頭具有氣體入口341之陣列，該陣列由佈置成具有8 mm間距之柵格的一千多個(具體而言為1101個)入口形成。圖5示出了在基座之一整次旋轉之後，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量隨著半徑而變。此模擬(本文中被稱為密度剖面)為來自如圖4中所佈置之氣體入口341的二維(2D)密度圖資料至單個徑向切片上的投影。在150 mm之半徑(蓮蓬頭之表面上的氣體入口陣列之最外孔/孔口的半徑)之內，徑向密度剖面極其均勻(平直)。此種均勻性為相對較高數量之氣體入口及其佈置的結果，使得在注入物質(噴射器矩陣)內，對於蓮蓬頭之所有部分，每單位面積之氣體入口( 亦即，孔)的密度均相等。
圖6示出了蓮蓬頭360之底視圖，該蓮蓬頭具有與圖4之實施例相同的氣體入口361之正方形陣列，但某些氣體入口被移除以放置五個較大之電漿入口362a-e。圖7示出了針對圖6之入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。如所見，該徑向密度剖面在基座之表面上為實質上非均勻的。相反，未被電漿入口( 亦即，圖4之電漿入口)之放置抑制的對應之柵格佈置在150 mm之半徑內展現出非常均勻之密度剖面。因此，簡單地移除氣體入口以為電漿入口騰出空間不適合於RPCVD。本案發明人已認識到，僅僅移除氣體入口會防止每單位面積之氣體入口密度相等，導致在基座處非常不均勻之密度剖面。
用於達成試劑氣體(諸如MO氣體)之均勻密度剖面的上述柵格佈置之常用替代方案為使用氣體入口(噴射器)之螺旋佈置。螺旋佈置的與柵格佈置區分開之關鍵特徵為不會有兩個噴射器位於同一半徑處。在此類佈置中，僅在基座之完整旋轉之後，基座之表面處的密度剖面為均勻的。此係因為為了達成該均勻性，氣體入口陣列中之每一氣體入口必定會對密度剖面有貢獻。
圖8示出了蓮蓬頭380之底視圖，該蓮蓬頭具有佈置成螺旋陣列的氣體入口381之陣列(705個氣體入口)。圖9示出了針對氣體入口381之此圖案，基座所暴露於之注入物質的對應之模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。如所見，圖8之入口佈置在距反應腔室之中心150 mm半徑之內在基座之表面上導致非常均勻之密度。請注意，該均勻性變成不均勻的，且密度朝著反應器之中心減小， 亦即，在距反應器之中心小於約30 mm的徑向距離處。此歸因於氣體入口數量減少，意謂著相對於藉由每一單獨氣體入口輸送之通量的分散，鄰近氣體入口之間的間隔變大。
本案發明人已發現，氣體入口之螺旋佈置(分佈) ( 亦即，如同圖8之示例圖案)亦不能避免為了騰出空間來在蓮蓬頭中放置電漿入口而移除氣體入口的問題。圖10示出蓮蓬頭3100，該蓮蓬頭具有氣體入口3101之示例性螺旋陣列佈置。氣體入口之陣列包括541個孔口/開口，與圖8中所示之情況相同，但該陣列中某些氣體入口被移除以便允許放置五個較大之電漿入口3102a-e。圖11示出了針對圖10之入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。類似於上述柵格陣列，此表明在基座之完整旋轉期間，氣體入口之移除在基座處得到注入物質的非常不均勻之密度剖面。
然而，如下文所闡釋，本案發明人已發現，按螺旋圖案分佈的氣體入口之陣列更適合於調整氣體入口之分佈以便補償複數個電漿入口的放置。
在氣體入口之該兩種設計佈置( 亦即，正方形(柵格)佈置或螺旋佈置)中，密度均勻性最終來自於離開單個入口之通量在其進入反應器中時分散且擴散開的事實。結果，反應腔室內之單個點可同時接收來自一個以上氣體入口之通量的貢獻。本案發明人發現，對於每單位面積較小數量之入口，密度剖面將出現波動。此係因為分散將不足以補償位於蓮蓬頭的無入口之區域下方的位置。
在氣體入口之(正方形)柵格陣列中，將有多個氣體入口位於同一半徑處。因此，經由蓮蓬頭與基座之相對旋轉，在與螺旋陣列之不同徑向位置相比時，由於沒有兩個入口將位於同一半徑處，因此與此等徑向位置相關聯的密度與與無入口之徑向位置相關聯的密度之間的差異將更大。就此而言，本案發明人已認識到，由於沒有兩個入口位於同一半徑處，螺旋陣列更有利於調整氣體入口定位以為電漿入口騰出空間。
藉由利用螺旋陣列或其他非均勻陣列之此類性質，且自隨後之討論中明顯看出，本揭示案提供一種在基座處維持均勻之密度剖面的蓮蓬頭設計，該蓮蓬頭包括複數個氣體入口及複數個電漿入口。藉由將電漿入口及氣體入口之某些分佈與基座之完整旋轉結合，來自電漿入口之電漿強度與來自氣體入口之氣體強度的所有空間分佈之組合可提供到達基座之表面的一定密度之活性物質，使得基座之完整旋轉導致在基板(例如，生長表面)處實質上均勻之生長剖面。
在以下討論中，參看圖8至圖13來描述設計根據本揭示案之一實施例的蓮蓬頭的方法，該蓮蓬頭具有分佈於蓮蓬頭之表面上的氣體入口之陣列，該表面亦包括複數個電漿入口，且該蓮蓬頭可維持來自氣體入口之均勻氣體密度剖面。
就此而言，圖8之氣體入口的分佈用作基礎( 亦即，起始點)，該等氣體入口按簡單螺旋佈置來分佈。參看圖10，移除氣體入口以為放置於(位於)蓮蓬頭之表面上的5個電漿入口902a-c騰出空間。與參看圖5及圖6討論之結果類似，在基座之完整旋轉期間，移除氣體入口導致注入物質的非常不均勻之密度剖面(參見圖11)。
本揭示案已確定，勝於簡單地移除氣體入口以為電漿入口騰出空間，替代方法為對彼等氣體入口重定位且具體而言藉由在繞著反應器之中心軸(參見圖1及圖2，為軸A-A)旋轉至未設有電漿入口之位置期間對彼等氣體入口重新定位。因此，重新定位之氣體入口可處於相同半徑，但在蓮蓬頭之不同位置處。由於將氣體入口重新定位為遠離電漿入口位置，因此可調整螺旋中之其他氣體入口( 亦即，不受電漿入口影響之彼等其他入口)的定位以在蓮蓬頭之整個表面上維持氣體入口的相對均勻之分佈。
在圖12中之蓮蓬頭3120的底視圖中示出此種解決方案之示例。與圖10之實施例類似，蓮蓬頭3120具有5個電漿入口3122a-e及氣體入口3121之陣列。然而，根據上述之旋轉移位方法，為了電漿入口之放置，已更改/調整氣體入口之分佈。
本案發明人發現，此種旋轉更改方法可達成得到注入物質之一密度剖面的氣體入口佈置，該注入物質密度剖面極類似於氣體入口之原始、未抑制、螺旋佈置的密度剖面。自圖9及圖13中所示之模擬密度剖面的比較中，可明顯看出此情況。圖13示出了針對圖12中所示之氣體入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。如圖9中所示，對於圖8之原始、未抑制、螺旋氣體入口佈置，此修改後之氣體入口分佈在基座之表面上得到實質上相同的非常均勻之密度(在該實施例中，自距反應腔室之中心約20 mm至約150 mm半徑)。
上述之氣體入口重定位方法可應用於衆多之電漿入口組態及放置位置。此藉由下文論述的在圖14至圖19中提供之示例論證。
圖14示出蓮蓬頭3140，該蓮蓬頭具有氣體入口3141的示例性修改後之分佈，以允許包括兩個電漿入口3142a、3142b，該等電漿入口大於圖12之電漿入口且位於不同半徑處。修改後之分佈係基於如圖8中所示的相同之705氣體入口佈置。對應之模擬密度剖面示出於圖15中，該模擬密度剖面極類似於原始、未抑制之氣體入口圖案的非常均勻之密度剖面，如藉由與圖9之比較證實。
圖16示出蓮蓬頭3160，該蓮蓬頭具有氣體入口3161的示例性修改後之分佈，以允許包括單個較大之電漿入口3162。在該示例中，電漿入口偏離蓮蓬頭之中心。同樣，修改後之分佈係基於如圖8中所示的相同之705氣體入口佈置。對應之模擬密度剖面示出於圖17中，該模擬密度剖面極類似於原始、未抑制之氣體入口圖案的非常均勻之密度剖面，如藉由與圖9之比較證實。
圖18示出蓮蓬頭3180，該蓮蓬頭具有氣體入口3181的示例性修改後之分佈，以允許包括三個電漿入口，亦即，單個大直徑之電漿入口3182及兩個相對較小之電漿入口3183a、3183b。同樣，修改後之分佈係基於如圖8中所示的相同之705氣體入口佈置。對應之模擬密度剖面示出於圖19中，該模擬密度剖面極類似於原始、未抑制之氣體入口圖案的非常均勻之密度剖面，如藉由與圖9之比較證實。
因此，本揭示案提供一種蓮蓬頭，儘管由於要求除了氣體入口外亦包括電漿入口而對蓮蓬頭施加設計約束，但該蓮蓬頭仍維持氣體入口之均勻密度剖面。
參看圖18，氣體入口3181可聚集於蓮蓬頭3180之區域3184處。氣體入口3181之聚集在蓮蓬頭中提供空間來容納一或多個電漿入口3182、3183a、3183b，同時在基座之完整旋轉期間，在基座之表面處保持實質上相同的氣體密度分佈，仿佛氣體入口均勻地分佈於蓮蓬頭之表面上。在一些實施例中，氣體入口可聚集於蓮蓬頭之第一區域處，且電漿入口可位於蓮蓬頭之表面的第二區域處。
在一些實施例中，相較於在無電漿入口或較少數量之電漿入口所處的圍繞旋轉軸的在該蓮蓬頭之表面處之概念圓形路徑處或附近(例如，在圖18之區域3185處)，在電漿入口所處的圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭之表面處之概念圓形路徑處或附近(例如，在圖18之區域3184處)，氣體入口與其各別最接近之相鄰氣體入口之間的平均距離較高。
在前述實施例中，氣體入口按擴增螺旋圖案分佈以便容納電漿入口，同時維持均勻之氣體密度剖面。然而，在獲得本揭示案之一個或多個優點的同時，可利用氣體入口之其他擴增圖案。參看圖31，例如，在一些實施例中，氣體入口3281可基於增強均勻圖案，諸如通常提供均勻之氣體密度剖面的圓形陣列圖案，來分佈。鑒於相對較大之電漿入口3282a-d的位置，並非所有氣體入口3281皆可按圓形陣列圖案定位，此等氣體入口3281a在圖31中示出為有陰影的。與前述實施例類似，此等氣體入口3281a已按增強圖案重新定位，但維持於相同半徑處以確保維持均勻之氣體密度剖面。重新定位通常引起氣體入口3281、3281a之聚集。每一重新定位之氣體入口3281a維持為非常接近於相關聯之電漿入口(導致重新定位)且較佳在某位置，該位置確保重新定位之氣體入口在電漿自該相關聯之電漿入口被引導至基座之後即刻將氣體引導至基座。因此，基座上之基板可儘可能快地接收其被分配之氣體，而不必等待基座之實質旋轉。在上文參看圖18討論之實施例中，採取了與氣體入口之重新定位類似的方法。
在一些實施例中，氣體入口之陣列可至少包括氣體入口之第一子集及氣體入口之第二子集。藉由氣體入口之第一子集輸送的氣體可與藉由氣體入口之第二子集輸送的氣體相同。藉由氣體入口之第一子集輸送的氣體可與藉由氣體入口之第二子集輸送的氣體不同。在一個實施例中，氣體入口之第一子集輸送金屬有機(MO)試劑氣體，且第二組氣體入口輸送氨氣(NH 3)。替代地，氣體入口之每一子集可包括輸送金屬有機(MO)試劑氣體之氣體入口及輸送氨氣(NH 3)之氣體入口。如下文進一步討論，氣體入口之子集可組態於不同區中。
本揭示案論證了藉由孔重定位對氣體入口之分佈進行的修改，該修改使得能夠放置電漿入口，同時在基座之表面處維持氣體的實質上均勻之密度剖面。該方法可允許包括一或多個電漿入口之各種佈置(包括數量及大小)。然而，該等電漿產生器及入口應較佳地經組態，使得在該基座之完整旋轉期間，所有該等電漿強度空間分佈之組合在該基座之中心區域與外區域之間的該基座之表面處提供實質上均勻之電漿密度分佈。
熟習此項技術者將瞭解，至少一個電漿入口之直徑可與另一個電漿入口實質上相同。在一些示例中，該等電漿入口中之兩者或更多者具有不同之直徑。
在一些實施方案中，該蓮蓬頭中朝向該蓮蓬頭之外區域定位的電漿入口可比朝向該蓮蓬頭之中心區域定位的電漿入口多。替代地，該蓮蓬頭中朝向該蓮蓬頭之外區域定位的電漿入口可比朝向該蓮蓬頭之中心區域定位的電漿入口多。
根據本揭示案，對於圍繞該旋轉軸且在該基座之中心區域與外區域之間的在該基座之表面上的概念圓形路徑，在基座之完整旋轉期間，基座之表面暴露於總電漿強度。該總電漿強度可增大以增加圓形路徑距旋轉軸之徑向距離(r)。例如，用於增加圓形路徑距旋轉軸之徑向距離(r)的總電漿強度之增加可能與r成比例。
參看圖12，電漿入口可定位於蓮蓬頭中，使得圍繞旋轉軸3124的在蓮蓬頭處之至少一個概念圓形路徑3123穿過電漿入口中之僅一者(路徑3123a)、電漿入口中之至少兩者(3123c)或電漿入口中之至少三者(3123b)。
根據本揭示案之一些實施例，電漿入口可經定位，使得圍繞該旋轉軸的在基座之表面處的至少一個概念圓形路徑暴露於自該複數個電漿入口中之僅一者引導的電漿。在一些示例中，電漿入口可經定位，使得圍繞該旋轉軸的在基座之表面處的至少一個概念圓形路徑暴露於自該等電漿入口中之至少兩者引導的重疊電漿。在其他示例中，基座之表面處的至少一個概念圓形路徑暴露於自該等電漿入口中之至少三者引導的重疊電漿。
在一些實施例中，電漿入口經定位，使得圍繞該旋轉軸且在基座之中心區域與外區域之間的在基座之表面處的所有概念圓形路徑暴露於自該等電漿入口中之至少兩者引導的重疊電漿。
電漿入口周圍之區域中的氣體動力學將對電漿氣體流之變化敏感。因此，即便電漿入口及氣體入口之定位可被設計為在給定條件下產生均勻之電漿及試劑氣體密度，但在調整過程參數時，密度剖面可能會改變。
如所示，與氣體入口不同，電漿入口通常必須較大，因此，蓮蓬頭中可使用的離散電漿入口之數量可明顯少於離散氣體入口之數量。結果，實際之限制可能使電漿入口之理想放置相對較難(例如，與氣體入口之放置相比)。在一些情況下，可能無完美之解決方案，藉此，可簡單地經由複數個電漿入口之幾何位置來達成均勻之密度剖面。
為了在以電漿入口的最佳但非完美之集合佈置開始時改良密度剖面，本揭示案認識到，可利用控制、調整或以其它方式選擇各種電漿參數(該等電漿參數控制藉由每一電漿入口產生之活性氮的密度)來校正可存在之電漿密度剖面中的任何不均勻性。例如，電漿參數可包括用於在電漿產生器中產生電漿之源氣體的流速及/或電漿功率。
現在，注意力轉向電漿入口之組合放置及控制，以便在基座之完整旋轉期間在基座之表面處產生均勻之電漿密度剖面。
圖20示出了包括五個電漿入口3200之蓮蓬頭。在該示例中，已有意地選擇電漿入口之位置，以在幾何及製造限制內最大化密度剖面之均勻性。圖21示出了針對圖20中所示之電漿入口佈置，基座所暴露於之模擬總電漿通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。可藉由計算基板可處於的反應器之子區域(基座之中心區域與外區域之間的區域)內的方差來量化密度剖面均勻性。在該示例中，在使用相同之電漿參數來驅動每一噴射器時，五種電漿入口組態之方差被計算為0.04。
如所討論的，可藉由調整例如電漿流及電漿功率之參數來獨立地控制來自每一電漿入口之有效電漿密度。可為每一電漿入口獨立地進行調整。因此，可藉由改變該等參數來修改電漿密度剖面。圖22及圖23論證了在使用不同之電漿參數驅動時且在基座之完整旋轉期間，對於與圖20中所示相同之五個電漿入口3200佈置，電漿密度剖面之變化。在該示例中，藉由調整來自每一電漿入口之有效電漿密度，電漿入口組態的在反應器之子區域內的所計算出之方差自0.04減小為0.0155 (參見圖23)。
表1示出場景1 (圖20及圖21)及場景2 (圖22及圖23)的用於每一單獨電漿噴射器之相對電漿密度。 表 1 - 為了改良密度均勻性而調整的五電漿噴射器佈置之電漿位置及單獨電漿入口密度
相對電漿入口 位置 [ x, y] 相對電漿密度 (%)
場景 1 場景 2
[-61.69, -50.94] 100 72.6
[17.84, -114.62] 100 96.8
[13.88, -48.83] 100 104.8
[61.91, -114.31] 100 153.2
[87.78, -47.9] 100 72.6
在一些實施例中，與電漿密度剖面類似，在不要求修改反應器/設備設計之情況下，亦可針對給定之氣體入口分佈來調整氣體密度剖面。
用於藉由更改來自每一電漿入口之單獨電漿密度來調整電漿密度剖面的技術可能不易於應用於氣體入口。此種情況可能係歸因於氣體入口之孔口的相對較小之尺寸，及陣列中大量之氣體入口。例如，自系統控制角度來看且亦自氣體電路角度來看，獨立地控制數百個小氣體入口可能係不切實際的。然而，本揭示案認識到，可經由本文中描述為「區調整」之操作來達成對氣體入口之密度剖面的該調整。
藉由將噴射器(氣體入口)分組為氣體入口之不同子集來實現區調整，該等氣體入口分佈在蓮蓬頭之表面處的不同區中，其中通過每一區之氣體的通量係獨立可調的。每一區促成了所注入物質之不同密度剖面。通常，每一區之外邊緣及外部形狀藉由各別子集內之最外氣體入口的位置所界定。在基座之完整旋轉期間，來自所有區之貢獻的總和產生最終之密度剖面。因此，對來自每一區之單獨貢獻的小調整可得到對密度剖面之形狀的微調。此調整可用於補償該設備(例如，反應腔室)設計中的影響密度剖面的不均勻性及不對稱性，諸如由以下原因引起的不對稱性：在一側視情況地具有預真空鎖；或由於與電漿管之局部接近而擾動氣體流；及/或來自電漿管之電漿流導致氣體流之擾動；及/或被選擇用於輸送的氣體之不同化學/配方性質。
根據本揭示案，氣體入口可被分組以形成至少兩個區。熟習此項技術者將瞭解，蓮蓬頭可包括2個以上區。至少2個區中之每一者中的氣體入口之分佈可按相同或不同之孔(噴射器)圖案來分佈。在一些實施例中，多區蓮蓬頭之氣體入口按已為了放置電漿入口而修改/調整之圖案來分佈。
舉例而言，參看圖24及圖26，在一個實施例中，氣體入口被分組以形成2個區，因此形成「2區蓮蓬頭」。圖24及圖26示出了被分別分組到具有四個電漿入口3242a-d之2區蓮蓬頭3240的區1 3241及區2 3261中的氣體入口。為了進行比較，圖28示出了2區蓮蓬頭3240之兩個區3241、3261。每一區中之氣體入口具有其自己(亦即，不同)之氣體入口佈置以容納位於各別區內的位置不同之電漿入口。獨立之氣體入口圖案可允許氣體入口之每一區分組有利於反應腔室之不同區域，例如，反應腔室之徑向外區域對徑向內區域。
圖24示出了區1 3241占據了蓮蓬頭3240之第一部分(大致為第一半)。如圖25所示，區1有利於蓮蓬頭之內區域，使得其產生自蓮蓬頭之中心區域至外區域綫性地衰減的密度剖面。相反，圖26示出了上述示例性2區SH 3240之區2 3261。如圖28中最清楚地看到，與區1 3241相反，區2 3261占據蓮蓬頭3240之第二部分(大致為第二半)。區2 3261有利於蓮蓬頭之外區域，使得其產生自蓮蓬頭之中心區域至外區域綫性地增大的密度剖面，如藉由圖27中所示的噴射器物質之模擬密度剖面所示。
2區蓮蓬頭3240之區中的每一者含有相同數量之氣體入口(在該實施例中各自為191個入口)。以此方式，當每一區以試劑及/或氣體流之相同通量來運作時，在基座之完整旋轉期間，每一區對基座之表面處之總密度剖面的貢獻(隨基座上之半徑而變)在理論上應相等。因此，如圖29所示，該圖示出在基座之表面處的噴射器物質之最終密度剖面，在基座之完整旋轉期間，在兩個區(區1及區2)相同地( 亦即，具有相同之操作參數，諸如試劑(例如，MO)通量及載氣流)運作時，將產生所注入物質的實質上均勻、平直之密度剖面。
然而，實際上，總密度剖面可能並非係完全均勻/平直的。然而，本文所揭示之區調整允許藉由獨立地控制例如通過多區蓮蓬頭之每一區的通量來操縱總密度剖面，使得不同區之通量剖面在並非平直時可彼此相反且將組合以在基座之完整旋轉期間產生平直之剖面。圖30A-D示出了在2區蓮蓬頭之每一區使用不同之操作參數來操作時可達成的所注入物質之模擬密度剖面。此表明調整通過每一區之相對通量將在基座之完整旋轉期間使基座所暴露於的注入物質之模擬總通量(密度剖面)隨著半徑而改變。因此，本揭示案示出所注入物質之總密度對氣體入口之操作條件的依賴性。
控制通過每一區之通量可用於調整、修改或以其他方式操縱非均勻之生長剖面，而無需單獨地控制每一氣體入口(例如，每一孔口)。此外，在基座之完整旋轉期間對基座之表面處的所注入物質之總密度的已論證之可調性使使用者能夠操縱生長剖面，而無需修改該設備之反應腔室、蓮蓬頭或其他結構特徵。此外，當已知過程條件之修改會影響密度剖面時，可調整非均勻之生長剖面以針對各種過程條件變得更均勻。
作為示例，密度剖面可受電漿參數影響，且可相應地應用調整。圖38A-C示出了在2區蓮蓬頭中針對3種不同之過程條件在沈積了500nm GaN之後在4”晶圓上之厚度綫剖面。亦示出整個4”晶圓上之厚度的標準差。圖38A示出了相對平直之剖面，其中厚度之標準差較小，僅為0.35%，且在向每一MO區提供相等之MO通量的情況下達成。圖38B示出了在應用與圖38A相同之區及相同之每區相等MO通量但在生長過程期間電漿參數被修改時的綫。視層之目標組成而定，可能需要對電漿參數進行此類修改。例如，在生長具有不同組成之多個層的裝置結構時，對於每一層，電漿參數可能需要為不同的。修改後之電漿參數導致厚度之不均勻性的增加，其中標準差增加為1.6%。圖38C示出了在層係使用與圖38B相同之電漿參數來生長但MO區「被調整」以修改區之間的相對MO通量以便補償由電漿參數之變化而引入的不均勻性時的綫。此導致厚度不均勻性之降低及導致厚度標準差減小為0.94%。
現在參看圖32至圖33D來討論2區蓮蓬頭3300之另一示例性實施例。在該實施例中，氣體入口之陣列按均勻之柵格圖案來設置，該柵格圖案在由綫3320指示的蓮蓬頭之實質圓形區域內延伸。為簡單起見，在圖32中未單獨地繪示氣體入口。此外，未繪示電漿入口。儘管根據前面之討論，可包括電漿入口且適當地對氣體入口進行重新定位，但亦認識到，不管蓮蓬頭中之電漿入口的定位及佈置如何，區調整之概念均為有利的。
由於在該實施例中氣體入口係以均勻之柵格圖案來設置，因此假如待界定之區具有圓形區域3320的相等尺寸之部分且具有相同數量之氣體入口，則該等區將不會傾向於有利於反應腔室之內區域及外區域中之任一者或另一者，因此不適合於以上述方式進行區調整。鑒於此，在該實施例中，第一區3340及第二區3360改為經組態而具有更複雜之形狀。例如，與基於圓之部分的區不同，第一區3340與第二區3360在蓮蓬頭之中心區域與外區域之間的徑向方向上且在圍繞該蓮蓬頭之中心的旋轉方向上部分地重疊。因此，在中心區域與外區域之間的該蓮蓬頭之表面上的至少一個概念半徑A 1穿過第一區3340及第二區3360，且圍繞該蓮蓬頭之表面的中心的至少一個概念圓形路徑B 1穿過第一區3340及第二區3360。
明確而言，第一區域3340與第二區域3360具有彼此為相反形狀的不同外部形狀。第一區之外部形狀與第二區之外部形狀結合起來形成具有半徑R之一整個圓3320。第一區3340之形狀為各自具有半徑R/2之兩個相鄰非重疊圓形，且第二區3360之形狀與圓形區域3320內之該兩個圓形相反(或為負形)。明顯地，由於具有半徑R/2之每一圓形將具有與圓形區域3360之一象限相同的面積，因此第一區3340及第二區3360之面積必定相等且因此包括實質上相同數量之氣體入口。通常，雖然並非必需，但若每一區具有相同面積(且因此具有相同數量之氣體入口)以使得更易於使通過每一區之氣體通量保持相同，則係有利的。
概念邊界綫3330勾劃出第一區3340及第二區3360，邊界綫3330為非直綫的且更具體而言為曲綫。沿著邊界線3330，區3340具有許多凸形外邊緣，且第二區3360具有許多凹形外邊緣。該邊界線在該表面之中心區域與外區域之間一直延伸且實際上延伸跨越該蓮蓬頭之實質上整個直徑。因此，每一區3340、3360將跨越實質上整個最終徑向密度剖面對氣體密度提供一些貢獻。然而，歸因於其不同之形狀，在蓮蓬頭之表面的徑向內區域處，第一區3340中之氣體入口的數量高於第二區3360中之氣體入口的數量，且在該蓮蓬頭之表面的徑向外區域處，第二區3360中之氣體入口的數量高於第一區3340中之氣體的數量。因此，第一區3340可被視為有利於反應腔室之內區域，且第二區3360可被視為有利於反應腔室之外區域。
圖33A至33C示出了與前述實施例之密度剖面類型類似的且在僅自第一區(圖33A)、僅自第二區(圖33B)且同時自第一區與第二區(圖33C)輸送相等通量之氣體時的密度剖面。
當自第一區3340輸送氣體時，密度剖面偏向為內區域較深，且當自第二區3360輸送氣體時，密度剖面偏向為外區域較深。當兩個區均輸送氣體時，達成實質上均勻之總氣體密度剖面。倘若希望調整氣體密度剖面以考慮可能意謂著總氣體密度剖面並不均勻(例如，仍偏向於外區域及內區域中之一者或另一者)的擾動，則可控制該兩個不同之區以不同參數來操作。圖33D示出了在第二區3360以第一區3340之通量的80%來運作時的調整後之總氣體密度剖面。
現在參看圖34至圖35C來討論2區蓮蓬頭3400之又一個實施例。在該實施例中，氣體入口3401之陣列同樣按均勻之柵格圖案來設置，但該柵格圖案僅在大體上由綫3420指示的蓮蓬頭之實質半圓形區域內延伸。在該實施例中，每一第二氣體入口3401可被佈置為輸送不同之氣體，例如，MO或NH 3。在該實施例中，在蓮蓬頭3400中設有五個電漿入口3402a-e，該等電漿入口位於蓮蓬頭的相反之半圓形區域3404中且被吹掃氣體入口3403環繞。電漿入口3402a-e以與上文參看圖20討論之方式類似的方式來組態。吹掃氣體入口3403經組態以在電漿入口周圍的缺少氣體入口3401之死區中輸送吹掃氣體。該吹掃氣體(例如，N 2)被選擇為使得其將不會促成基板上之任何沈積(及因此膜厚度)或相關聯之密度剖面，且可減少試劑氣體之非所要再循環。例如，如此可防止在蓮蓬頭上形成薄膜且可幫助獲得更好之電漿氣體分佈。
同樣，第一區域3440與第二區域3460具有彼此為相反形狀的不同外部形狀。第一區3440之外部形狀與第二區3460之外部形狀結合起來形成具有半徑R之半圓形區域3420。第一區3440之形狀為各自具有半徑R/2之兩個相鄰非重疊半圓形，且第二區3460與半圓形區域3420內之該兩個半圓形相反(或為負形)。明顯地，由於具有半徑R/2之每一半圓形將具有與半圓形區域3420之一象限(亦即，一半)相同的面積，因此第一區3440及第二區3460之面積必定相等且因此包括實質上相同數量之氣體入口3401。通常，雖然並非必需，但若每一區具有相同面積(且因此具有相同數量之氣體入口)以使得更易於使通過每一區之氣體通量保持相同，則係有利的。
概念邊界綫3430勾劃出第一區3440及第二區3460，邊界綫3430為非直綫的且更具體而言大體上為曲綫。沿著邊界線3430，區3440具有兩個凸形外邊緣，且第二區3460具有兩個凹形外邊緣。邊界線3430在該表面之中心區域與外區域之間一直延伸且實際上延伸跨越蓮蓬頭3400之實質上整個直徑。因此，每一區3440、3460將跨越實質上整個最終徑向密度剖面對氣體密度提供一些貢獻。然而，歸因於其不同之形狀，在蓮蓬頭之表面的徑向內區域處，第一區3440中之氣體入口3401的數量高於第二區3460中之氣體入口的數量，且在蓮蓬頭3400之表面的徑向外區域處，第二區3460中之氣體入口3401的數量高於第一區3440中之氣體的數量。因此，第一區3440可被視為有利於反應腔室之內區域，且第二區3460可被視為有利於反應腔室之外區域。
圖35A至35C示出了在僅自第一區(圖35A)、僅自第二區(圖35B)且同時自第一區與第二區(圖35C)輸送相等通量之氣體時與前述實施例之密度剖面類型類似的密度剖面。
當自第一區3440輸送氣體時，密度剖面偏向為內區域較深，且當自第二區3460輸送氣體時，密度剖面偏向為外區域較深。當兩個區均輸送氣體時，達成實質上均勻之總氣體密度剖面。同樣，藉由獨立地控制通過第一區3440及第二區3460之氣體通量，可調整氣體密度剖面。
在該實施例中，雖然在基座之完整旋轉期間，基座上之基板的整個表面可暴露於實質上均勻密度的試劑氣體及電漿中之每一者中，但將認識到，在基座僅大致旋轉半圈期間，基板實際上暴露於氣體及/或電漿中。
現在參看圖36來討論2區蓮蓬頭3600之又一個實施例。在該實施例中，氣體入口之陣列按均勻圖案(例如，柵格或圓形陣列圖案)來設置，該柵格圖案在由綫3620指示的蓮蓬頭之實質圓形區域內延伸。為簡單起見，在圖36中未單獨地繪示氣體入口。對於圖32之實施例，未繪示電漿入口，但可包括電漿入口。
在該實施例中，與基於圓之部分的區不同，設有在蓮蓬頭之中心區域與外區域之間的徑向方向上完全重疊的第一區3640及第二區3660。因此，在中心區域與外區域之間的該蓮蓬頭之表面上的至少一個概念半徑A 1穿過第一區3640及第二區3660。
明確而言，第一區3640在蓮蓬頭之內、中心區域處具有圓形形狀，且第二區3660具有與第一區3640之外徑向側完全對應的環形形狀。第一區之外部形狀與第二區之外部形狀結合起來形成具有半徑R之一整個圓3620。第一區之邊界，亦即，3640a具有半徑R/√2，因此，每一區3640、3660具有實質上相等之面積且包括實質上相同數量之氣體入口。
在該實施例中，區3640、3660中之每一者同樣可用於輸送氣體通量，該氣體通量為獨立可調的且因此可在反應腔室之徑向內區域及外區域處以不同方式進行控制。該調整可用於直接補償由設備中之不均勻性導致的自該區輸送之氣體之剖面的變化。作為一個示例，不均勻性可由位於該區中(或至少與該區對應之徑向位置)之一或多個電漿管引起，且取決於該等電漿管之確切位置及/或為該等電漿管選擇之運作條件(例如，電漿通量、功率、綫圈高度等)。同樣可進行調整以在基座之完整旋轉期間在基座之表面處達成總體上實質上均勻之氣體密度分佈。
在圖37A及圖37B中示出可如何對包括電漿入口且根據上文討論之蓮蓬頭3240、3280組態的蓮蓬頭應用此類環形分區的示例，該等區由在半徑R/√2處之邊界綫3830a、3830b粗略地勾劃出，使得每一區具有相等之面積。實際上，取決於電漿入口之位置或其他情況，邊界綫可能會稍有偏差或彎曲。例如，在一些實施例中，可能希望區(例如，環形區)在其邊界附近彼此互相貫穿，例如，以防止區之間的「硬邊緣」。因此，在一些實施例中，區之間的邊界綫可具有齒狀或星形組態。結果可能是，在邊界綫處，來自不同之大體上環形區的一些氣體入口例如處於同一半徑處，或更深入地定位到主要被另一個區占據的大體上環形區中。
倘若希望兩個以上區(亦即，總共N個區)在總半徑R之區域內具有相等面積，則第n個區將具有半徑r n，其中r n=R*√(n/N)。然而，每一區不必具有相等面積或不必具有相同數量之氣體入口。
熟習此項技術者將瞭解，在不脫離本揭示案之廣泛一般範疇之情況下，可對上述實施例進行多種改變及/或修改。因此，本實施例在所有方面皆被認為係說明性的而非限制性的。
100:RPCVD設備 200a-d:電漿產生器 201,201a:電漿管 202:端蓋 203:電漿氣體口 204:電漿產生區域或電離區域 300,340,360,380,3100,3120,3160,3180,3240,3280,3300,3400,3600:蓮蓬頭 301:氣體腔室 302:蓮蓬頭上部部分 303:蓮蓬頭下部部分 304,304a-d,362a-e,3102a-e,3122a-e,3142a-b,3162,3182,3183a-b,3200,3242a-d,3282a-d,3402a-e:電漿入口 305,341,361,381,3101,3121,3141,3161,3181,3281,3281a,3401:氣體入口 306,401:中心區域 307,402:外區域 308:試劑口 400:基座 500:基板 600:反應腔室 3123,3123a-c:概念圓形路徑 3124:旋轉軸 3184,3185:區域 3241:區1 3261:區2 3320:圓形區域 3330,3430:概念邊界綫 3340,3440,3640,3660:第一區 3360,3460:第二區 3403:吹掃氣體入口 3404,3420:半圓形區域 3620:綫 3640a:第一區之邊界 3830a,3830b:邊界綫
僅舉例而言，現在參看附圖來描述實施例，在附圖中： [圖1]示出了根據本揭示案之一實施例之RPCVD設備的透視截面圖。 [圖2]示出了圖1之設備的分解透視截面圖。 [圖3]示出了圖1之設備的蓮蓬頭的透視底視圖。 為了進行比較，[圖4]示出了蓮蓬頭之底視圖，該蓮蓬頭具有佈置成正方形陣列之氣體入口陣列。 [圖5]示出了針對圖4之入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 為了進行比較，[圖6]示出了蓮蓬頭之底視圖，該蓮蓬頭具有與圖4相同的氣體入口之正方形陣列，但該陣列之某些氣體入口被移除以放置較大之電漿入口。 [圖7]示出了針對圖6之入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度分佈)隨著反應腔室內之半徑而變。 為了進行比較，[圖8]示出了蓮蓬頭之底視圖，該蓮蓬頭具有佈置成螺旋陣列之氣體入口陣列。 [圖9]示出了針對圖8之入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 為了進行比較，[圖10]示出了蓮蓬頭之底視圖，其中該陣列之某些氣體入口被移除以放置較大之電漿入口。 [圖11]示出了針對圖10之氣體入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖12]示出了根據本揭示案之一實施例的蓮蓬頭之底視圖，該蓮蓬頭具有氣體入口及電漿入口之一分佈。 [圖13]示出了針對圖12中所示之氣體入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖14]示出了根據本揭示案之一實施例的蓮蓬頭之底視圖，該蓮蓬頭具有氣體入口及電漿入口之一分佈。 [圖15]示出了針對圖14中所示之入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖16]示出了根據本揭示案之一實施例的蓮蓬頭之底視圖，該蓮蓬頭具有氣體入口及電漿入口之一分佈。 [圖17]示出了針對圖16中所示之入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖18]示出了根據本揭示案之一實施例的蓮蓬頭之底視圖，該蓮蓬頭具有氣體入口及電漿入口之一分佈。 [圖19]示出了針對圖18中所示之入口佈置，基座所暴露於之注入物質的模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖20]示出了根據本揭示案之一實施例的蓮蓬頭之電漿強度剖面的底視圖。 [圖21]示出了針對圖20中所示之電漿入口佈置，基座所暴露於之模擬總電漿通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖22]示出了根據本揭示案之一實施例的蓮蓬頭之電漿強度剖面的底視圖。 [圖23]示出了針對圖22中所示之電漿入口佈置，基座所暴露於之模擬總電漿通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖24]示出了根據本揭示案之一實施例的2區蓮蓬頭之區1的底視圖，該蓮蓬頭具有氣體入口及電漿入口之一分佈。 [圖25]示出了針對圖24中所示之入口佈置，基座所暴露於之模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖26]示出了根據本揭示案之一實施例的2區蓮蓬頭之區2的底視圖，該蓮蓬頭具有氣體入口及電漿入口之一分佈。 [圖27]示出了針對圖26中所示之入口佈置，基座所暴露於之模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖28]示出了具有根據圖24及圖26之入口佈置的2區蓮蓬頭之區1與區2的底視圖。 [圖29]示出了針對圖28中所示之入口佈置，基座所暴露於之模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖30]A-D示出了針對根據本揭示案之一實施例之2區蓮蓬頭，基座所暴露於之模擬總通量(密度剖面)的示例隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖31]示出了根據本揭示案之一實施例的蓮蓬頭之底視圖，該蓮蓬頭具有氣體入口及電漿入口之一分佈。 [圖32]示出了根據本揭示案之一實施例之2區蓮蓬頭的底視圖，該蓮蓬頭具有氣體入口之一分佈。 [圖33]A-D示出了當一個或另一個或兩個區將氣體輸送至基座時，針對圖32中所示之入口佈置，基座所暴露於之模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖34]示出了根據本揭示案之一實施例的蓮蓬頭之底視圖，該蓮蓬頭具有氣體入口及電漿入口之一分佈。 [圖35]A-C示出了當一個或另一個或兩個區將氣體輸送至基座時，針對圖34中所示之入口佈置，基座所暴露於之模擬總通量(密度剖面)隨著反應腔室內之半徑而變。 [圖36]示出了根據本揭示案之一實施例之2區蓮蓬頭的底視圖，該蓮蓬頭具有氣體入口之一分佈。 [圖37]A及圖37B分別示出了根據圖28及圖31之蓮蓬頭的底視圖，其中根據本揭示案之實施例來應用氣體入口之2區分佈。 [圖38A]-C示出了使用根據本揭示案之一實施例的設備針對不同之電漿及區調整條件在晶圓上沈積之層之厚度變化的圖。

Claims (59)

  1. 一種用於形成一膜之RPCVD設備，該RPCVD設備包括： 一或多個電漿產生器，用於自包括氮之一源產生一電漿； 一反應腔室，在該反應腔室中使一金屬有機試劑與得自氮電漿之一反應性氮物質反應以在一或多個基板上沈積一膜； 一蓮蓬頭，該蓮蓬頭具有： 至少一個氣體腔室； 一或多個電漿入口，用於將電漿自該一或多個電漿產生器輸送至該反應腔室中；及 複數個氣體入口，用於將氣體自該至少一個氣體腔室輸送至該反應腔室中； 一基座，用於在該反應腔室中將一或多個基板支撐於該基座之一中心區域與一外區域之間的該基座之一表面處，該基座經組態以繞著一旋轉軸相對於該蓮蓬頭旋轉； 其中該等電漿入口中之至少一者位於一位置處，該位置處於該蓮蓬頭之一中心區域與一外區域之間且相對於該旋轉軸偏離中心； 其中該等氣體入口按一圖案分佈於在該蓮蓬頭之該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之一表面處； 其中該等氣體入口各自引導在該基座之該表面處具有一各別氣體空間分佈的氣體； 其中該等電漿產生器在該基座之視線內產生電漿，且該等電漿入口具有比該等氣體入口之開口大的開口；且 其中該等氣體入口經組態，使得在該基座之一完整旋轉期間，所有該等氣體空間分佈之一組合在該基座之一中心區域與一外區域之間的該基座之該表面上提供一均勻之氣體密度分佈。
  2. 如請求項1之RPCVD設備，其中該等氣體入口按一徑向不對稱且旋轉不對稱之圖案分佈於該表面處。
  3. 如請求項1或2之RPCVD設備，其中該等氣體入口聚集在該蓮蓬頭之該表面的第一區域處，且該等電漿入口位於該蓮蓬頭之該表面的第二區域處。
  4. 如請求項3之RPCVD設備，其中該等氣體入口之聚集在該蓮蓬頭中提供空間以容納在該蓮蓬頭之該表面的該等第二區域處的該一或多個電漿入口，同時在該基座之一完整旋轉期間在該基座之該中心區域與該外區域之間的該基座之該表面處保持實質上相同之氣體密度分佈，仿佛該等氣體入口均勻地分佈於該蓮蓬頭之該表面的該等第一區域及該等第二區域內。
  5. 如請求項3或4之RPCVD設備，其中對於在距該蓮蓬頭之中心的徑向距離與一或多個電漿入口相同的區域中及在較接近於該等電漿入口之區域中的氣體入口，氣體入口之聚集更普遍。
  6. 如請求項3、4或5之RPCVD設備，其中相較於在無電漿入口或較少數量之電漿入口所處的圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭之該表面處之概念圓形路徑處或附近，在電漿入口所處的圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭之該表面處之概念圓形路徑處或附近，該等氣體入口與其最接近之相鄰氣體入口之間的平均距離較高。
  7. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等氣體入口按一或多個螺旋圖案或擴增螺旋圖案來組態。
  8. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中每一電漿入口之該開口的一最大直徑為每一氣體入口之該開口之最大直徑的至少30倍、至少50倍、至少70倍、至少90倍、至少100倍或至少130倍。
  9. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中每一電漿入口之該開口的一面積為每一氣體入口之該開口之面積的至少500倍、至少1000倍、至少10,000倍、至少20,000倍或至少50,000倍。
  10. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等氣體入口被分佈成使得該等氣體入口環繞該等電漿入口中之一或多者。
  11. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等氣體入口分佈於大於該蓮蓬頭之該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之該表面之面積的50%的一區域內。
  12. 如請求項11之RPCVD設備，其中該等氣體入口分佈於大於該蓮蓬頭之該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之該表面之該面積的75%的一區域內。
  13. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該蓮蓬頭之該表面具有四個概念象限，且該等氣體入口分佈於該等象限中之3個或全部4個象限中。
  14. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該複數個氣體入口至少包括氣體入口之一第一子集及氣體入口之一第二子集。
  15. 如請求項14之RPCVD設備，該RPCVD設備包括一控制器，該控制器對自該等氣體入口子集中之每一者輸送的氣體之通量進行彼此獨立之控制。
  16. 如請求項14或15之RPCVD設備，其中一單獨之質量流量控制器(MFC)與氣體入口之每一子集相關聯。
  17. 如請求項14至16中任一項之RPCVD設備，其中氣體入口之每一子集具有數量實質上相同之氣體入口。
  18. 如請求項14至17中任一項之RPCVD設備，其中，對於氣體入口之每一子集，在該基座之一完整旋轉期間，來自該子集內之該等氣體入口之氣體的所有空間分佈之一組合在該基座之該中心區域與該外區域之間的該基座之該表面上提供一非均勻之氣體密度分佈，且 其中該等氣體入口經組態，使得在該基座之一完整旋轉期間，所有該等非均勻之氣體密度分佈之一組合在該基座之該中心區域與該外區域之間的該基座之該表面上提供一均勻之氣體密度分佈。
  19. 如請求項18之RPCVD設備，其中： 在該基座之一完整旋轉期間，藉由該氣體入口之第一子集輸送的氣體在該基座之該中心區域與該外區域之間具有一第一徑向密度剖面，該第一徑向密度剖面自該基座之該中心區域至該外區域減小；且 在該基座之一完整旋轉期間，藉由該氣體入口之第二子集輸送的氣體在該基座之該中心區域與該外區域之間具有一第二徑向密度剖面，該第二徑向密度剖面自該基座之該中心區域至該外區域增大；且 在該基座之一完整旋轉期間，藉由該氣體入口之第一子集及該氣體入口之第二子集輸送之氣體的組合在該基座之該中心區域與該外區域之間具有一總徑向密度剖面，該總徑向密度剖面為實質上平直的。
  20. 如請求項19之RPCVD設備，該RPCVD設備包括一控制器，該控制器對自該等氣體入口子集中之每一者輸送的氣體之通量進行彼此獨立之控制，且其中該控制器可操作以調整該第一徑向密度剖面及/或該第二徑向密度剖面，使得該總徑向密度剖面為實質上平直的。
  21. 如請求項14至20中任一項之RPCVD設備，其中在該蓮蓬頭之該表面的徑向內區域處，該第一子集中之氣體入口的數量高於該第二子集之氣體入口的數量，且在該蓮蓬頭之該表面的徑向外區域處，該第二子集之氣體入口的該數量高於該第一子集之氣體入口的該數量。
  22. 如請求項14至21中任一項之RPCVD設備，其中該氣體入口之第一子集的該等氣體入口分佈於該蓮蓬頭之該表面的一第一區內，且該氣體入口之第二子集之該等氣體入口分佈於該蓮蓬頭之該表面的一第二區內。
  23. 如請求項22之RPCVD設備，其中該第一區與該第二區具有實質上相同之面積但具有不同之外部形狀。
  24. 如請求項22或23之RPCVD設備，其中該第一區與該第二區在該蓮蓬頭之該中心區域與該外區域之間的一徑向方向上部分地重疊。
  25. 如請求項22、23或24之RPCVD設備，其中在該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之該表面上的至少一個概念半徑穿過該第一氣體區及該第二氣體區。
  26. 如請求項22或23之RPCVD設備，其中該第一區與該第二區在該蓮蓬頭之該中心區域與該外區域之間的一徑向方向上部分地重疊，且該第一氣體區與該第二氣體區在圍繞該蓮蓬頭之該中心的一旋轉方向上部分地重疊。
  27. 如請求項22、23或26之RPCVD設備，其中在該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之該表面上的至少一個概念半徑穿過該第一區及該第二區，且圍繞該蓮蓬頭之該表面的該中心的至少一個概念圓形路徑穿過該第一區及該第二區。
  28. 如請求項22至27中任一項之RPCVD設備，其中該第一區與該第二區具有彼此為反形狀的不同外部形狀。
  29. 如請求項22至28中任一項之RPCVD設備，其中，該第一區之該外部形狀與該第二區之該外部形狀結合起來形成一圓之一部分或一整個圓。
  30. 如請求項22至29中任一項之RPCVD設備，其中勾劃該第一區及該第二區之一概念邊界線為非直線的。
  31. 如請求項30之RPCVD設備，其中該邊界線之全部或一部分為彎曲的。
  32. 如請求項30或31之RPCVD設備，其中，沿著該邊界線，該第一區及該第二區中之一者具有至少一個部分凹形外邊緣，且該第一區及該第二區中之另一者具有至少一個部分凸形外邊緣。
  33. 如請求項30、31或32之RPCVD設備，其中該邊界線在該蓮蓬頭之該表面的該中心區域與該外區域之間一直延伸或延伸跨越該蓮蓬頭之實質上整個直徑。
  34. 如請求項14至33中任一項之RPCVD設備，其中每一子集中之該等氣體入口按相同圖案或一不同圖案分佈於該蓮蓬頭處。
  35. 如請求項14至34中任一項之RPCVD設備，其中該氣體入口之第一子集分佈於該蓮蓬頭之一第一半內，且該氣體入口之第二子集分佈於該蓮蓬頭之一第二半內。
  36. 如請求項14至35中任一項之RPCVD設備，其中藉由該氣體入口之第一子集輸送的氣體與藉由該氣體入口之第二子集輸送的氣體相同或不同。
  37. 如請求項36之RPCVD設備，其中該氣體入口之第一子集輸送金屬有機試劑氣體，且該第二組氣體入口輸送NH 3氣體；或其中該氣體入口之第一子集輸送金屬有機試劑氣體與NH 3氣體，且該第二組氣體入口輸送金屬有機試劑氣體與NH 3氣體。
  38. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等電漿入口各自引導在該基座之該表面處具有一各別之電漿強度空間分佈的電漿，且其中該一或多個電漿產生器及/或電漿入口經組態以使得在該基座之一完整旋轉期間，所有該等電漿強度空間分佈之一組合在該基座之該中心區域與該外區域之間的該基座之該表面處提供一實質上均勻之電漿密度分佈。
  39. 如請求項38之RPCVD設備，該RPCVD設備經組態以使得在該基座之一完整旋轉期間，圍繞該旋轉軸且在該基座之該中心區域與該外區域之間的在該基座之該表面處的一概念圓形路徑暴露於一總電漿強度，該總電漿強度增大以增加該圓形路徑距該旋轉軸之徑向距離(r)。
  40. 如請求項39之RPCVD設備，該RPCVD設備經組態以使得用於增加該圓形路徑距該旋轉軸之徑向距離(r)的該總電漿密度增加與r成比例。
  41. 如請求項38至40中任一項之RPCVD設備，其中該蓮蓬頭中朝向該蓮蓬頭之該外區域定位的電漿入口比朝向該蓮蓬頭之該中心區域定位的電漿入口多。
  42. 如請求項38至41中任一項之RPCVD設備，其中該蓮蓬頭具有朝向該蓮蓬頭之該外區域的一或多個電漿入口，該一或多個電漿入口經組態以相較於朝向該蓮蓬頭之該中心區域定位之一或多個電漿入口引導電漿強度較高之電漿。
  43. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，該RPCVD設備經組態以使得圍繞該旋轉軸的在該基座之該表面處的至少一個概念圓形路徑暴露於自以下各者引導之重疊電漿： 該等電漿入口中之至少兩者；或 該等電漿入口中之至少三者。
  44. 如請求項1至42中任一項之RPCVD設備，該RPCVD設備經組態以使得圍繞該旋轉軸且在該基座之該中心區域與該外區域之間的在該基座之該表面處的所有概念圓形路徑暴露於自該等電漿入口中之至少兩者引導的重疊電漿。
  45. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等電漿入口在該蓮蓬頭中定位，使得圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭處之至少一個概念圓形路徑穿過該等電漿入口中之僅一者。
  46. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等電漿入口在該蓮蓬頭中定位，使得圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭處之至少一個概念圓形路徑穿過該等電漿入口中之至少兩者。
  47. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等電漿入口在該蓮蓬頭中定位，使得圍繞該旋轉軸的在該蓮蓬頭處之至少一個概念圓形路徑穿過該等電漿入口中之至少三者。
  48. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，該RPCVD設備進一步包括一控制器以單獨地控制自該等電漿入口中之一或多者引導的電漿強度。
  49. 如請求項48之RPCVD設備，其中該控制器調整該電漿入口處的來自該氮源之一氣體流。
  50. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中所有該等電漿入口之直徑為實質上相同的。
  51. 如請求項1至49中任一項之RPCVD設備，其中該等電漿入口中之兩者或更多者具有不同之直徑。
  52. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等電漿入口按一非均勻圖案分佈於該蓮蓬頭處。
  53. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等電漿入口按一非徑向對稱之圖案分佈於該蓮蓬頭處。
  54. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等電漿入口位於該蓮蓬頭之一表面處，且該設備經組態以使得在該蓮蓬頭之一中心區域與一外區域之間延伸的電漿強度至少部分地隨著該基座之該表面與該蓮蓬頭之該表面之間的距離而變。
  55. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中每一電漿入口與該等電漿產生器中之一各別者相關聯。
  56. 如前述請求項中任一項之RPCVD設備，其中該等電漿入口中之一或多者部分地或完全地被吹掃氣體入口環繞，該等吹掃氣體入口經組態以輸送吹掃氣體。
  57. 如請求項56之RPCVD設備，其中該吹掃氣體為氮氣。
  58. 如請求項1之RPCVD設備，其中： 每一電漿入口之該開口的一最大直徑至少為每一氣體入口之該開口的最大直徑之50倍， 該蓮蓬頭之該表面具有四個概念象限，且該等氣體入口分佈於該等象限中之3個或全部4個象限中， 該複數個氣體入口至少包括氣體入口之一第一子集及氣體入口之一第二子集，且該設備包括一控制器，該控制器可操作以對自該等氣體入口子集中之每一者輸送的氣體之通量進行彼此獨立之控制； 其中該氣體入口之第一子集的該等氣體入口分佈於該蓮蓬頭之該表面的一第一區內，且該氣體入口之第二子集的該等氣體入口分佈於該蓮蓬頭之該表面的一第二區內，其中該第一區與該第二區具有實質上相同之面積但具有不同之外部形狀； 其中在該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之該表面上的至少一個概念半徑穿過該第一氣體區及該第二氣體區。
  59. 一種使用一RPCVD設備形成一膜之方法，該方法包括： 經由該RPCVD設備之一蓮蓬頭的一或多個電漿入口將電漿輸送至一反應腔室中，該電漿藉由一或多個電漿產生器自包括氮氣之一氣體源產生； 經由該蓮蓬頭之複數個氣體入口將來自該蓮蓬頭之至少一個氣體腔室的包括一金屬有機試劑之氣體輸送至該反應腔室中，使得該金屬有機試劑與得自該反應腔室中之該電漿的活性氮物質反應； 其中一基座位於該反應腔室中，該基座在該反應腔室中將一或多個基板支撐於該基座之一中心區域與一外區域之間的該基座之一表面處，該基座繞著一旋轉軸相對於該蓮蓬頭旋轉； 其中該等電漿入口中之至少一者位於一位置處，該位置處於該蓮蓬頭之一中心區域與一外區域之間且相對於該旋轉軸偏離中心； 其中該等氣體入口按一圖案分佈於在該蓮蓬頭之該中心區域與該外區域之間的該蓮蓬頭之一表面處， 其中該等氣體入口各自引導在該基座之該表面處具有一各別氣體空間分佈的氣體； 其中該等電漿產生器在該基座之視線內產生電漿，且該等電漿入口比該等氣體入口大，且 其中該等氣體入口經組態，使得在該基座之一完整旋轉期間，所有該等氣體空間分佈之一組合在該基座之一中心區域與一外區域之間的該基座之該表面上提供一均勻之氣體密度分佈。
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