TWI391599B - 複向氣體分配系統、複向氣體分配淋浴頭裝置、半導體製造複向氣體分配系統 - Google Patents

Description

複向氣體分配系統、複向氣體分配淋浴頭裝置、半導體製造複向氣體分配系統

本發明係有關於一種複向氣體分配系統，特別是有關於可同時傳遞分離氣體之一種氣體分配系統。

III/V族半導體係用以製作如微波頻率積體電路之裝置。舉例而言，微波頻率積體電路可為紅外線發光二極體、雷射二極體、太陽能電池。以砷化鎵(GaAs)之III/V族半導體為例，砷化鎵係為砷與鎵兩元素之化合物。

為了形成半導體裝置中之III/V族半導體層，含有III/V族元素之氣體係被釋放於具有一工件之一腔體之中。藉由III族元素與V族元素之間相互反應下，於工件之上便可沉積形成一對應III/V族半導體。就半導體形成方法過程中所加入腔體中之來源氣體而言，此來源氣體對於最後產生之III/V族半導體裝置之均勻性、純度與結構有相當重要的關聯性。

就用於將氣體傳遞之一腔體之習用系統中，此習用系統包括了來源氣體之預混合。然而，習用系統之缺點在於預混合之元素、預混合氣體傳遞至腔體之設備維修上問題，這是因為預混合氣體會與傳遞系統之間產生反應，並且預混合氣體會在傳遞系統中產生沉澱。再者，部分氣體係無法進行預混合、造成揮發或其它問題。

另一習用系統是採用了依序方式而將複數氣體傳遞之腔體。氣體傳遞系統供應一第一氣體，隨後再藉由氣體傳遞系統供應一第二氣體。氣體傳遞系統是可對於工件進行迴轉，並且可依需求而重覆此製程，如此便可獲得所需之薄膜厚度。此習用系統之主要缺點在於工件之不均勻性。雖然在工件之層結構中是需要一明顯濃度變化而可達到上述不均勻性的改良，但在此習用系統中之氣體轉換方法是無法取得此明顯濃度變化。

又一習用系統是採用了將一氣體傳遞至腔體中之一部分，並且將另一氣體傳遞至腔體中之另一部分。氣體傳遞系統是可對於工件進行迴轉。然而，此習用系統所產生的薄膜具有不均勻、良率降低等問題。

因此，如何能提出一種新穎的氣體分配系統而可針對上述習用技術中之問題提出解決實為重要的課題所在。

一般而言，上述習用技術中所產生的問題係可藉由可同時傳遞分離氣體之一氣體分配系統及其技術上的優點而加以克服。

於本發明中之實施例係提出了一種複向氣體分配系統。此複向氣體分配系統包括一腔體與一淋浴頭。腔體係用以容納複數氣體且排出複數氣體。淋浴頭係設置於腔體之中。淋浴頭包括具有至少兩分支管路之至少一多通道氣體傳遞管件，至少兩分支管路係用以同時將未混合之複數氣體排放進入腔體。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

以下將對於較佳實施例之製作與使用提出詳細的說明。然而，經由所列舉之一實施例可看出，此實施例所提供之許多可實施的發明概念是可在各式各樣變化之特定上下文中而予以實施。於所提出特定實施例僅利用特定方法說明了本發明之製作與使用，但並不會對於本發明之範圍造成限制。

本發明將在一特定上下文中對於所列舉實施例提出說明，亦即，在一工件上生成磊晶層之有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)系統。這些實施例可應用在其它半導體製作設備(例如：蝕刻器、熔爐、電漿反應器)及可受益於一複向氣體分配系統及/或裝置之其它類似設備。

第1圖係表示根據本發明之一實施例之一複向氣體分配系統100之圖式。複向氣體分配系統100包括一腔體102、一氣體輸入區域104、一控制器106、一平台112與一擋板。腔體102係可維持一真空且將工件110保持在平台112之上，並且可將氣體經由複數排氣孔114而排出。再者，一淋浴頭108係設置於腔體102之中。淋浴頭108係連接於氣體輸入區域104，藉由氣體輸入區域104以進給氣體至淋浴頭108。淋浴頭108係可經由氣體管件116而同時接收來自於氣體輸入區域104之多數氣體。淋浴頭108更包括複數多通道氣體傳遞管件122。複數機構118係可設置在適當的地方，藉由複數機構118對於複數工件110進行結構性支承、加熱與迴轉。於另一實施例中，腔體102係可用以握持複數工件110。複數箭頭120係用以表示層流。然而，雖然在第1圖中表示了流向工件110之層流120，但此層流可能會因為迴轉中之工件110或其它因素而產生擾動。

氣體輸入區域104是可以設置在複向氣體分配系統100的內部，例如：來源氣體之瓶子、備用氣體源、連接至一外部氣體分配區域之一閥系統、或其它類似物。另一方面，氣體輸入區域104是可以設置在複向氣體分配系統100的外部。不論在任何例子中，多數氣體是可同時地輸入淋浴頭108，並且在淋浴頭108的作用下係可將多數氣體同時傳遞至腔體102中之各多通道氣體傳遞管件122。

控制器106係可為任何適用的微處理器單元。控制器106包括一電腦，此電腦係可設置於複向氣體分配系統100之內部或外部。在控制器106之控制作用下，氣體係可經由連接件124而流入淋浴頭108。再者，控制器106亦可經由連接件124而對於工件110之溫度、工件110之迴轉、腔體102之真空及/或泵送、或其它類似物件進行控制。

第2A、2B圖係表示具有複數多通道氣體傳遞管件122之複數淋浴頭208、258之實施例之圖式，這些淋浴頭208、258之功能係相同於第1圖中之淋浴頭108。請先參閱第2A圖，於第2A圖中所示係為沿著相同於第1圖之剖面“a-a”下對於淋浴頭108之一實施例進行剖切下之剖面圖。淋浴頭208係為淋浴頭108之一實施例。在第2A圖所示之剖面圖係為經由第1圖中之工件110向上觀察淋浴頭108、多通道氣體傳遞管件122而得到之圖式。於本實施例中，淋浴頭208具有一十字型樣式(例如：兩通道氣體傳遞管件222之樣式)。淋浴頭208包括9組兩通道氣體傳遞管件222，這9組兩通道氣體傳遞管件222係用以做為一內分支管路分支管路234與一外分支管路分支管路236。

內分支管路分支管路234係可具有一第一氣體源，此第一氣體源係經由一氣體輸入區域所進給輸入(例如：第1圖所示之氣體輸入區域104)，並且利用內分支管路分支管路234可對於腔體(未圖示)中之第一氣體進行排放。此外，外分支管路分支管路236係可具有一第二氣體源，此第二氣體源係經由一氣體輸入區域所進給輸入，並且利用外分支管路分支管路236可對於腔體中之第二氣體進行排放。再者，內分支管路分支管路234與外分支管路分支管路236係將未混合之第一氣體、第二氣體排放至腔體之中，並且較佳的方式係為對於內分支管路氣體之流率與外分支管路氣體之流率進行個別的控制。此外，外分支管路256之直徑係約為一工件之直徑的1/5為佳，內分支管路254之直徑係約為一工件之直徑的1/10為佳。

藉由第一分支管路與第二分支管路所產生之層流係可提供了經由外分支管路236所排出一柱狀氣體，此外分支管路236所排出柱狀氣體係圍繞在經由內分支管路234所排出柱狀氣體之外側。外分支管路236之平均直徑係約介於一工件之直徑的1/10至1/100之間。內分支管路234之平均直徑係約介於外分支管路236之直徑的1/10至3/4之間。

在一備用實施例中，複數兩通道氣體傳遞管件可包括相互並置之兩通道：一第一分支管路與一第二分支管路。直到流經第一分支管路之氣體與流經第二分支管路之氣體被排放至腔體之前，流經第一分支管路之氣體與流經第二分支管路之氣體係為相互獨立且不會相互混合，並且第一分支管路之氣體流率與第二分支管路之氣體流率係採用個別方式加以控制。

於實施例之更多特定的例子中，藉由淋浴頭208之操作係可產生一III/V族薄膜(例如：砷化鎵(GaAs))。氣體傳遞用之內分支管路234係可對於一氣體輸入區域(例如：第1圖中之氣體輸入區域104)所進給輸入之一III族(例如：鎵氣體源)之氣體進行傳輸，並且藉由內分支管路234係可對於腔體(未圖示)中之III族氣體進行排放。此外，外分支管路236係可對於一氣體輸入區域所進給輸入之一V族氣體(例如：砷化氫)進行傳輸，並且可藉由外分支管路236將V族氣體排放至腔體。再者，內分支管路234、外分支管路236係將未混合之V族氣體、III族氣體排放至腔體，藉此以提供一均勻砷化鎵薄膜。任何熟習此項技藝者均可了解，其它的V族氣體(例如：磷化氫)及III族氣體源中之用於提供鎵之三甲基鎵與三乙基鎵之氣體源、用於鋁之三甲基鋁與三乙基鋁之氣體源、用於銦之三甲基銦之氣體源、其它類似者均可被採用。於半導體製程設備或其它設備型態之中，其它氣體及氣體型態是可被使用於本發明之其它實施例。

請參閱第2B圖，於第2B圖中所示係為沿著相同於第1圖之剖面“a-a”下對於淋浴頭108之一實施例進行剖切下之剖面圖。淋浴頭258係為淋浴頭108之一實施例。於第2B圖中之淋浴頭258具有一星型樣式(例如：氣體傳遞管件252之樣式)。於本實施例中，淋浴頭258之氣體傳遞管件252之數目為25。複數氣體傳遞管件252係為第1圖中之多通道氣體傳遞管件122之一實施例。各氣體傳遞管件252包括一外分支管路256與一內分支管路254。如第2A圖所示，直到流經外分支管路256之氣體與流經內分支管路254之氣體被排放至腔體之前，流經外分支管路256之氣體與流經內分支管路254之氣體係為相互獨立且不會相互混合。任何氣體傳遞管件252之實際數量與尺寸均可適用於淋浴頭258，具有其它樣式之多通道氣體傳遞管件、具有其它形狀(例如：開端式錐形、開端式杯形或其它類似形動)之多通道氣體傳遞管件均可被採用。

第3A、3B圖係分別表示具有複數通道氣體傳遞管件之複數淋浴頭之實施例之圖式。

請先參閱第3A圖，於第3A圖中所示係為沿著相同於第1圖之剖面“a-a”下對於淋浴頭108之一實施例進行剖切下之剖面圖。於本實施例中，淋浴頭308包括複數四通道氣體傳遞管件322，第1圖之複數通道氣體傳遞管件包括複數四通道氣體傳遞管件322，各四通道氣體傳遞管件322係設計為一十字型樣式。四通道氣體傳遞管件322係為多通道氣體傳遞管件122被區隔為四個部分的一實施例。然而，在四通道氣體傳遞管件322中之各通道所維持的氣體容量並不相同，於這些實施例中之複數通道依照其相互間的比例關係而維持之特定的氣體容量，其中包括了等比例關係之氣體容量。於本實施例中，各通道係發出氣體係不會與其它通道所發出之氣體相互混合，藉由這些通道係可將這些氣體輸送至腔體之中。再者，上述之特定實施例中之V族、III族與載流氣體H₂ 係會同時在四通道氣體傳遞管件322中進行流動。因此，在一實施例中之一個以上的通道係可對於相同的氣體進行傳輸，或是各通道可分別對於不同的氣體進行傳輸。

如第3B圖所示，於第3B圖中所示係為沿著相同於第1圖之剖面“a-a”下對於淋浴頭108之一實施例進行剖切下之剖面圖。淋浴頭358包括了複數五通道氣體傳遞管件352。各五通道氣體傳遞管件352係被區隔為一內分支管路353與一外分支管路354。內分支管路353係被區隔為四個通道(例如：第3A圖所示之四通道氣體傳遞管件322)。在所採用之複數五通道氣體傳遞管件352，五通道中之各通道之間係為相互獨立的，並且藉由各通道可將未混合之不同的氣體傳輸至腔體(未圖示)之中。因此，一第一氣體係可對於流經複數五通道氣體傳遞管件352之四種不同氣體進行圍繞。第一氣體係為一載流氣體，並且當四種不同氣體經由五通道氣體傳遞管件352而發出時，藉由載流氣體係可對於這四種不同氣體進行圍繞。

於所述之特定實施例中，載流氣體H₂ 係流入外分支管路354，並且藉由內分支管路353對於V族氣體、III族氣體進行輸送。因此，一、二、三、四或五種氣體係可同時發出而進入腔體，並且五種氣體中之各氣體之流率係可獨立地進行控制，或是可對於相同氣體同時進行控制。

第4圖係表示根據本發明之一實施例中之內含於淋浴頭之氣體互連器與入口之圖式。淋浴頭400包括複數兩通道氣體傳遞管件422(例如：第1圖中之多通道氣體傳遞管件122，僅針對說明之目的而列舉)。氣體互連管件401、402係與次氣體管件403之間相互連接，次氣體管件403係依序經由氣體入口438、439而連接至兩通道氣體傳遞管件422。

第5圖係表示具有室擋板550之一複向氣體分配系統500之一實施例之圖式。複向氣體分配系統500係類似於第1圖中之複向氣體分配系統100。複向氣體分配系統500包括一淋浴頭508，此淋浴頭508係為第1圖中之淋浴頭108之一實施例。淋浴頭508包括複數多通道氣體傳遞管件522，此多通道氣體傳遞管件522係為第1圖中之多通道氣體傳遞管件122之一實施例。多通道氣體傳遞管件522包括了用於傳遞三種不同氣體(例如：分別位於分支管路501、502、503之中的氣體1、2、3)之複數通道。值得注意的是，分支管路501、502、503可具有不同的長度，也就是連接至工件510是具有不同的距離(例如：距離d1、d2)。藉由一控制器(例如：第1圖中之控制器106)係可對於由多通道氣體傳遞管件522所得之距離進行可調整及/或可程式之控制。由一多通道氣體傳遞管件至另一多通道氣體傳遞管件之連接至工件510的距離是可改變而通過淋浴頭508。

在複向氣體分配系統500中亦顯示出複數室擋板550，藉由複數室擋板550除了可將氣體導向於工件510與複數排氣孔114而進行流動，並且藉由複數室擋板550更可阻止氣體流入上腔體552與防止氣體再流入淋浴頭508，如此便可防止氣體與氣體副產物對於淋浴頭508與上腔體552造成污染。複數室擋板550係以鄰接於各通道氣體傳遞管件522而進行定位。

第6圖係表示一複向氣體分配系統之一實施例之圖式，其中，一淋浴頭包括一氣體傳遞管件。一上腔體602包括一淋浴頭608，此淋浴頭608係為單一多通道氣體傳遞管件之一實施例。各通道係可對於一不同氣體進行傳輸，或是利用多個通道對於相同的氣體進行傳輸。如所示之實施例中，氣體傳遞管件包括一五通道氣體傳遞管件622，此五通道氣體傳遞管件係經由複數分支管路而發出相互獨立之三種氣體。一擋板655係將氣體導向於排氣系統且將複數氣體進行洩氣，如此以避免這些氣體填入於腔體602之上方或回流至淋浴頭608之中。

第7A、7B圖係表示具有一同心圓淋浴頭708與複數同心圓擋板755之一複向氣體分配系統之一實施例之圖式。請先參閱第7A圖中之淋浴頭708，多通道氣體傳遞管件722包括複數獨立同心圓分支管路710。複數獨立同心圓分支管路710係可用以做為複數外分支管路。一內分支管路711包括了具有四通道之一分支管路。複數獨立同心圓分支管路710a、710b、710c係可將不同的氣體輸送至腔體702。位於複數獨立同心圓分支管路710具有複數小孔洞，這些小孔洞係位在複數環狀管件之工件側，氣體係可藉由這些小孔洞而流入複數同心圓擋板755之中(請參閱以下相關擋板之敘述)。

如第7B圖所示，腔體702係用以收納同心圓淋浴頭708。同心圓淋浴頭708係用以將氣體分配至複數同心圓擋板755之中，此複數同心圓擋板755係由同心圓淋浴頭708而向下延伸至工件751。在對於同心圓擋板755之工件側進行巧妙的設計作用下，藉由此同心圓擋板755之工件側的導引更可使得複數氣體均勻地繞著工件751而進行流動。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．複向氣體分配系統

102、702．．．腔體

104．．．氣體輸入區域

106．．．控制器

108、208、258、308、358、400、508、608．．．淋浴頭

110、510、751．．．工件

112．．．平台

114．．．排氣孔

116．．．氣體管件

118．．．機構

120．．．箭頭

122．．．多通道氣體傳遞管件

124、126．．．連接件

222．．．兩通道氣體傳遞管件

234、254、353．．．內分支管路

236、256、354．．．外分支管路

252．．．氣體傳遞管件

322．．．四通道氣體傳遞管件

352．．．五通道氣體傳遞管件

401、402．．．氣體互連管件

403．．．次氣體管件

422．．．兩通道氣體傳遞管件

438、439．．．氣體入口

500．．．複向氣體分配系統

501、502、503．．．分支管路

522．．．多通道氣體傳遞管件

550．．．室擋板

552、602．．．上腔體

622．．．五通道氣體傳遞管件

655．．．擋板

708．．．同心圓淋浴頭

710a、710b、710c．．．同心圓分支管路

711．．．內分支管路

755．．．同心圓擋板

a-a．．．剖面

d1、d2．．．距離

第1圖係表示根據本發明之一實施例之一複向氣體分配系統之圖式；

第2A、2B圖係表示具有兩通道氣體傳遞管件之複數淋浴頭之實施例之圖式；

第3A、3B圖係分別表示具有四通道氣體傳遞管件與五通道氣體傳遞管件之複數淋浴頭之實施例之圖式；

第4圖係表示內含於淋浴頭之氣體互連器與入口之圖式；

第5圖係表示具有室擋板之一複向氣體分配系統之一實施例之圖式；

第6圖係表示一複向氣體分配系統之一實施例之圖式，其中，一淋浴頭包括一氣體傳遞管件，一腔體包括一擋板；以及

第7A、7B圖係表示具有一同心圓淋浴頭與複數同心圓擋板之一複向氣體分配系統之一實施例之圖式。

100．．．複向氣體分配系統

102．．．腔體

104．．．氣體輸入區域

106．．．控制器

108．．．淋浴頭

110．．．工件

112．．．平台

114．．．排氣孔

116．．．氣體管件

118．．．機構

120．．．箭頭

122．．．多通道氣體傳遞管件

124．．．連接件

126．．．連接件

a-a．．．剖面

Claims (17)

1. 一種複向氣體分配系統，包括：一腔體，用以容納複數氣體且排出該等氣體；一淋浴頭，設置於該腔體之中，該淋浴頭包括至少兩多通道氣體傳遞管件；至少兩分支管路，設置於各該多通道氣體傳遞管件之中，該至少兩分支管路係用以同時將未混合之該等氣體排放進入該腔體；以及至少一室擋板，鄰接該兩多通道氣體傳遞管件，且夾於該兩多通道氣體傳遞管件之間，以防止該等氣體再流入該淋浴頭。
2. 如申請專利範圍第1項所述之複向氣體分配系統，其中，該至少兩分支管路包括一內分支管路與一外分支管路，該內分支管路係由該外分支管路所圍繞，該內分支管路係隔離於該外分支管路。
3. 如申請專利範圍第2項所述之複向氣體分配系統，其中，該內分支管路包括了一結構，該結構係用以將該內分支管路之一內部區分為複數容積，該等容積之各該容積係與該等容積之各其它該等容積是相互隔離的。
4. 如申請專利範圍第3項所述之複向氣體分配系統，其中，該內分支管路係由n個外分支管路所圍繞，該n為一整數。
5. 如申請專利範圍第2項所述之複向氣體分配系統，其中，該內分支管路係由n個外分支管路所圍繞， 該n為一整數。
6. 如申請專利範圍第1項所述之複向氣體分配系統，更包括一控制器，該控制器係用以對於一或多個平台溫度、一平台迴轉、一室壓力與一氣體輸入區域進行控制。
7. 如申請專利範圍第6項所述之複向氣體分配系統，更包括一平台，該平台與該至少兩多通道氣體傳遞管件之間的一距離係為可變的，該距離係由該控制器所控制。
8. 如申請專利範圍第7項所述之複向氣體分配系統，其中，該至少兩多通道氣體傳遞管件之一直徑係約小於該平台之一直徑的1/5。
9. 如申請專利範圍第7項所述之複向氣體分配系統，其中，該至少兩多通道氣體傳遞管件包括一出口孔，該出口孔之一直徑係約小於該平台之一直徑的1/10。
10. 如申請專利範圍第7項所述之複向氣體分配系統，其中，該平台係用以握持複數工件。
11. 如申請專利範圍第7項所述之複向氣體分配系統，其中，一距離d1係為一第一分支管路與該平台之間的距離，一距離d2係為一第二分支管路與該平台之間的距離，該距離d1係不等於該距離d2。
12. 一種複向氣體分配淋浴頭裝置，包括：一氣體輸入區域，用以同時輸入複數氣體；至少兩多通道氣體傳遞管件，各該多通道氣體傳遞管件包括複數分支管路，藉由該等多通道氣體傳遞管件 之該等分支管路維持該等氣體之未混合；以及至少一室擋板，鄰接該兩多通道氣體傳遞管件，且夾於該兩多通道氣體傳遞管件之間。
13. 如申請專利範圍第12項所述之複向氣體分配淋浴頭裝置，其中，該多通道氣體傳遞管件包括一內分支管路與一外分支管路，該內分支管路係由該外分支管路所圍繞，該等氣體之各氣體係被限制僅能經由該內分支管路或該外分支管路進行流動。
14. 如申請專利範圍第13項所述之複向氣體分配淋浴頭裝置，其中，該內分支管路包括了一結構，該結構係用以將該內分支管路之一內部區分為複數容積，該等氣體之各氣體係於無拘束下而獨立地流動通過該內分支管路之該等容積之一容積。
15. 如申請專利範圍第12項所述之複向氣體分配淋浴頭裝置，更包括了一結構，該結構係用以將該多通道氣體傳遞管件之一內部區分為複數容積，該等氣體之各氣體係於無拘束下而獨立地流動通過該多通道氣體傳遞管件之該等容積之一容積。
16. 如申請專利範圍第12項所述之複向氣體分配淋浴頭裝置，其中，該複向氣體分配淋浴頭裝置包括一第一分支管路與一第二分支管路，該第一分支管路係由該第二分支管路所圍繞，該第二分支管路係由一n分支管路所圍繞，該等氣體之各氣體係被限制僅能經由該第一分支管路、該第二分支管路與該n分支管路中之一者進行流動，該n為一整數。
17. 一種半導體製造複向氣體分配系統，包括：一控制器；一氣體輸入區域，其中，該控制器係用以獨立地對於該氣體輸入區域所流出之複數氣體中之各氣體的一氣流進行控制；一腔體，用以排出該等氣體；一淋浴頭，設置於該腔體之中以用以收容該等氣體，該淋浴頭包括至少兩多通道氣體傳遞管件，各該多通道氣體傳遞管件包括複數分支管路，藉由該等多通道氣體傳遞管件之該等分支管路維持該等氣體之未混合且使該等氣體同時被傳遞至該腔體中之至少一工件；至少一室擋板，鄰接該兩多通道氣體傳遞管件，且夾於該兩多通道氣體傳遞管件之間；以及一平台，用以握持該至少一工件。