TWI392761B - 具設在平面上之前室的氣體分佈器 - Google Patents

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Description

具設在平面上之前室的氣體分佈器
本發明係有關一種CVD或OVPD反應器之氣體分佈器，其包括兩個或多個氣室，其各連接一製程氣體之輸入管，且每一氣室與氣體分佈器底部的該複數個製程氣體流出孔連接。
EP 0 687 749 A1曾提出此種氣體分佈器。該氣體分佈器設在一CVD反應器中並構成一反應室之頂部，反應室的底部則由一基板座構成，基板座上放置一或多個基板，以進行塗佈。構成薄膜的材料被氣體分佈器輸送入反應室中。EP 0 687 749 A1之氣體分佈器具多個上下疊置的氣室，其各被輸入一製程氣體。每一氣室皆具流出通道，其通到氣體分佈器之底部。兩氣室上下疊置並延伸在氣體分佈器的整個截面上。氣室之輸入管設在邊緣，故由氣體分佈器流出的氣體不均勻。
此種氣體分佈器被用於MOCVD製程。金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)為一廣泛使用之方法，其可沉積單或多成分之氧化物隔離薄膜(介電質)、被動薄膜或導電薄膜。其使多種反應氣體與氣態前驅物混合並輸入一反應室中，而在一加熱基板上沉積出一層薄膜，然後將氣體抽出反應室。反應室具不同幾何設計，例如水平或垂直反應器。水平反應器之基板表面平行於混合前驅物與反應氣體之流動方向。垂直反應器之氣體混合物垂直於基板表面並流向基板邊緣而離開反應室。一般而言，旋轉基板可提高沉積薄膜之均勻度。
為均勻地沉積於基板上，需充分混合不同氣態前驅物及反應氣體。為此可在輸入反應室前混合氣體。此種混合適合用在氣體分佈器之溫度及壓力下為穩定的前驅物及反應氣體。
但所使用前驅物經常具高反應性，故會過早產生氣相反應導致沉積，而污染輸送至基板之元件的氣體，產生顆粒而使顆粒覆蓋基板，改變反應機構並降低成長效率。
習知多室氣體分佈器，參閱US 5871586，使不同氣體輸送至不同的室，並經複數個穿孔直接輸送至基板。混合直接發生於基板處。此種多室氣體分佈器設有穿通管，其由第一室延伸至氣體分佈器流出口並穿過至少另一室。如此使得室中的流動截面變小，而導致流動不均勻，並提高室內的壓力降。此問題在氣體分佈器直徑較大時更為嚴重，因穿通管的數目隨面積而增多。此外，氣體分佈器的製造會隨穿通管數目的增加而更複雜，因每一室有穿通管通過的壁皆須氣密。此種氣體分佈器幾乎無法設刻度，故無法用於塗佈較大的基板，例如200mm、300mm。此種氣體分佈器在製造後，幾乎無法再打開以進行維修。
有些氧化物隔離薄膜(介電質)、被動薄膜或導電薄膜使用此種混合方法無法在基板上得到均勻的薄膜。某些用途之基板表面沉積薄膜均勻度的要求例如為<＋1%。
許多氣態金屬有機前驅物只在小範圍的溫度下為穩定。金屬有機前驅物可含至少一金屬原子及/或至少一半導體/半金屬原子(例如Si、Ge)。當溫度太低時，會出現凝結，而溫度太高時，會在與其他反應氣體混合前就出現解離。故氣體分佈器需要均勻的控溫。
本發明之目的在於進一步改良此種氣體分佈器之作用方式。
本目的由申請專利範圍中所述之本發明達成，其各提出一特徵，但每一申請專利範圍之特徵亦可與其他申請專利範圍之特徵組合。
依據申請專利範圍第1項，氣體在第一平面被以徑向分配，在一其下之第二平面被以圓周方向分配，然後經氣體分佈器底部之流出孔流出。
依據申請專利範圍第2項，每一氣室由多個前室構成，該前室位在一共同的第一平面上，且構成氣體分佈器底部之第二平面上設有複數個氣體分佈室，氣室之前室與氣體分佈室以連接通道彼此連接。所有前室較佳設在一共同的第一平面上。在本發明一實施例中，一氣室之前室與氣體分佈器中心具不同之徑向距離。亦可使一氣室之前室分佈在圓周方向上。兩不同氣室之前室可梳狀彼此嵌合。梳齒可為各前室之徑向凸緣。氣體分佈室可環繞氣體分佈器中心。一氣體分佈室連接多個前室。一前室又可與多個氣體分佈室連接。較佳的是使各室之間的連接通道在一位於第一與第二平面之間的第三平面上。本發明提出一多室氣體分佈器，含金屬或半導體之氣態前驅物及反應氣體被分開輸入氣體分佈器中。氣體分佈器具高溫均勻度，以避免凝結、解離及前驅物過早與反應氣體反應。故氣態前驅物通過氣體分佈器時之壓力降應為最小，尤其是氣體分佈器前方連接一蒸發器時。此蒸發器可將液態或固態材料蒸發成製程氣體。在一較佳實施例中氣體分佈器使用於CVD反應器。氣體分佈器基本上平行於基板座。基板座與氣體分佈器構成反應室之邊界。氣體分佈器可設在基板座之上方、下方或側面。較佳的是將氣體分佈器設在反應室上方。氣體分佈器之底部構成反應室之頂部，反應室之底部由基板座構成。基板座上可放置一或多個基板。氣體分佈器整體為蓮蓬頭狀。製程氣體由氣體分佈器底部之流出孔流出，在氣相中或基板上彼此反應，而在基板上沉積出一層薄膜。氣體質量流量可適當設定，以使氣體在氣體分佈器中的停留時間為10ms至16ms。氣室各室之總氣流為300至1200sccm。總氣流為1200sccm時，氣體通過氣體分佈器時之壓力降較佳<2.5mbar。氣流通道之溫度不均勻度較佳小於10%。氣態前驅物流出氣體分佈器流出孔時，氣室氣流分配標準偏差為0.3%至0.9%。前驅物載氣為氮、氫、氦及氬或其他稀有氣體或惰性氣體。一較佳實施例使用氣態前驅物或在室溫下為液態之金屬有機材料，其被蒸發而轉變為氣相，然後被輸送入氣體分佈器中，而進入所屬之氣室。氣流被分成多個分流而流入各前室中。製程氣體由前室經連接通道而進入環繞氣體分佈器中心之氣體分佈室。其中氣體由同一氣室之不同前室進入同一或不同氣體分佈室中。第二氣室輸入一反應氣體，例如O2 、O3 、NO2 、H2 O、NH3 或H2 。該氣室含一或數個前室。該前室同樣經連接通道與環繞氣體分佈器中心之氣體分佈室連接。連接兩氣室之氣體分佈室可在徑向上彼此交替。使用本發明裝置可在至少一基板上沉積多成分氧化物隔離薄膜、介電質、被動薄膜、半導體薄膜或導電薄膜或積層。
以下將依據附圖，詳細說明本發明。
圖10顯示一CVD，尤其是MOCVD反應器之結構圖，其具一真空密封反應腔25。該反應腔25設有一載入及取出開口26，以將一或多個基板放入反應室21中。基板被一下方可加熱之基板座22承載，該基板座被一基板座支撐桿23支撐在反應腔25中。反應腔25尚具一氣體排出口24及一氣體分佈器20。氣體分佈器20連接兩輸入管3、4以輸入製程氣體。該製程氣體可是一含金屬之第一氣體(前驅物)與一第二反應氣體。兩氣體經氣體分佈器20之輸入管3、3’輸入，氣體分佈器20平行設在基板座22上方之一水平平面上。
以下將依據圖1至8說明氣體分佈器20之細部設計。
氣體分佈器20內設有兩個彼此分離之氣室1、2。一含一金屬成分之第一製程氣體經輸入管3、3’輸入第一氣室1中。本發明設有複數個不同輸入管3、3’。第二製程氣體是一反應氣體，其經複數個輸入管4而輸入第二氣室2中。
如圖5所示，第一氣室包含複數個梳齒狀前室10，該梳齒延伸在圓形氣體分佈器之徑向上。第二氣室2之第二前室11指形凸伸部伸到前室10梳齒之間。前室11之指形凸伸部與前室10之梳齒以隔板17彼此分隔。
前室10’與前室10有一徑向距離，且同樣具徑向延伸之梳齒。前室11之一部分伸入前室10’之梳齒之間。流入前室10’之反應氣體與流入前室10之反應氣體相同，故前室10、10’同屬於氣室1。亦可使不同氣體輸入前室10、10’，但其不為較佳。
氣體分佈器之中心由前室11構成，故前室10’截面略呈V形。前室10之形狀為具三梳齒之梳形，其梳齒徑向向內延伸。分開前室10、10’各部份之空間屬於前室11，其為星形。
各前室10、10’、11在氣體分佈器圓周方向上互相交替，並以隔板17使前室10、11彼此隔離。隔板18則隔離前室10’、11。前室10在輸入管開口3處上具一導流板19。
氣體分佈器由上下疊置的多塊板構成。最上方的板構成一蓋板，其覆蓋前室10、10’、11。前室10、10’、11由蓋板下方的板構成，其例如由該板銑出。
前室10、10’、11底部位在一共同的平面上，並具朝向下之穿孔而構成連接通道14、15，該連接通道14、15連接10、10’、11之平面8與氣體分佈室12、13所在的平面9、9’。
前室10、10’經垂直方向上的連接通道14與複數個環繞氣體分佈器中心的氣體分佈室12連接。氣體分佈室12為環形通道，其位在平面9’上，該平面由另一板構成。環形氣體分佈室12可由該板銑出。
環繞中心之環形氣體分佈室12的底部設有複數個流出孔6，其位在氣體分佈器底板5上，第一製程氣體可由該流出孔流出。
前室11底部之連接通道15連接前室11與複數個同樣環繞氣體分佈器中心之氣體分佈室13，該氣體分佈室位在平面9下方的平面9’上，故氣體分佈室12與氣體分佈室13在不同的平面上。
氣體分佈室13底部亦具流出孔7，第二製程氣體可由該流出孔流出。
第一製程氣體之環形氣體分佈室12與第二製程氣體之環形氣體分佈室13在徑向上彼此交替。
如上所述，氣體分佈器可由一適當金屬製成，且較佳為多層結構。氣體分佈器可被控溫且包圍設有氣流通道之構件的壁由導熱物質構成，而可達到溫度均勻，故氣體分佈器的氣流通道具高溫均勻度。
由上可知，在一第一分配平面上，第一與第二製程氣體被徑向分配，在另一平面上，兩反應氣體被以圓周方向分配，且反應氣體彼此分開由流出孔6、7流出。兩反應氣體圓周方向的分配可在兩不同平面上進行。
氣體經複數個輸入管3、3’、4輸入各前室10、10’、11中。
除了上述MOCVD製程外，氣體分佈器尤其係用於將氣體分配到反應室中，以在該反應室中產生凝結而沉積於基板上，尤其是在半導體、導電或絕緣基板上沉積氧化物隔離薄膜(介電質)、被動薄膜或導電薄膜。
進行該製程時，基板座22被一旋轉軸23旋轉。反應室21可經一構成載入及取出開口26的凸緣而被放入基板。氣態前驅物及反應氣體經分開之輸入管3、4而被輸入氣體分佈器20中。未被使用的製程氣體則由氣體排出口24被抽出。氣體分佈器20的作用在於使製程氣體均勻地由下側的流出孔6、7流出。氣體在反應室21中彼此混合。
氣流範圍為300至1200sccm時，氣體在氣體分佈器中的停留時間為10ms至60ms。氣流為1.21/min時，氣態前驅物通過氣體分佈器之總壓力降<2.5mbar。許多製程皆要求通過氣體分佈器直徑之氣流通道的溫度不均勻度需小於氣體分佈器溫度的10%。輸入之氣流為450sccm之前驅物載氣氬及300sccm之反應氣體氧，反應室21中的壓力為2mbar，可得到下述結果：氣態前驅物流出氣體分佈器20流出孔6時，氣室10之氣流分配標準偏差為0.3%，前室10’則為0.9%。反應氣體由氣體分佈器流出孔7流出時，前室11反應氣體的標準偏差為0.4%。惰性載氣除了氮、氫、氦外，亦可為氬。
所有揭示特徵本身皆具有發明性質。本發明揭示之特徵完全包含於本案之申請專利範圍中。
1．．．氣室
2．．．氣室
3、3’．．．輸入管
4．．．輸入管
5．．．底部
6．．．流出孔
7．．．流出孔
8．．．第一平面
9、9’．．．第二平面
10．．．前室
10’．．．前室
11．．．前室
12．．．氣體分佈室
13．．．氣體分佈室
14．．．連接通道
15．．．連接通道
16．．．第三平面
17．．．隔板
18．．．隔板
19．．．導流板
20．．．氣體分佈器
21．．．反應室
22．．．基板座
23．．．旋轉軸
24．．．氣體排出口
25．．．反應腔
26．．．載入及取出開口
圖1係本發明氣體分佈器之俯視圖。
圖2係本發明氣體分佈室之側視圖。
圖3係圖1線III－III之截面圖。
圖4係圖1線IV－IV之截面圖。
圖5係圖2線V－V之截面圖，其只顯示該截面平面下方之結構。
圖6係圖2線VI－VI之截面圖，其只顯示該截面平面下方之結構。
圖7係圖2線VII－VII之截面圖，其只顯示該截面平面下方之結構。
圖8係圖2線VIII－VIII之截面圖，其只顯示該截面平面下方之結構。
圖9係圖2線IX－IX之截面圖，其只顯示該截面平面下方之結構。
圖10係具本發明氣體分佈器之CVD反應器截面示意圖。
6．．．流出孔
7．．．流出孔
11．．．前室
12．．．氣體分佈室
13．．．氣體分佈室
15．．．連接通道

Claims (10)

  1. 一種CVD或OVPD反應器之氣體分佈器，其具有兩個或多個氣室(1、2)，各自連接通出一製程氣體用之輸入管(3、4)；每一氣室(1、2)與氣體分佈器底部(5)之複數個製程氣體流出孔(6、7)連接；諸製程氣體各自先在第一平面以徑向被分配，然後在鄰接於底部(5)的第二平面(9’)以圓周方向被分配，且流動通過位於第一平面(8)與第二平面(9’)之間的第三平面(16)上的連接通道(14、15)；第二平面(9’)上設有複數個氣體分佈室(12、13)，而此等氣體分佈室係各自地聯結於該等氣室(1、2)，且連接至該等流出孔(6、7)，其特徵在於：兩個氣室(1、2)具有位在一共同的第一平面(8)上的多個前室(10、10’、11)；諸前室(10、10’、11)形成為梳齒狀連續體，延伸在徑向上，且以梳狀彼此嵌合；以及該等梳齒狀連續體以圓周方向彼此相鄰，而以隔板(17)彼此隔離。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣體分佈器，其中，聯結於其中一個氣室(1、2)的該等前室(10、10’、11)係與此氣體分佈器之中心呈不同的徑向距離。
  3. 如申請專利範圍第1項之氣體分佈器，其中，第一氣室(1)之諸不同的前室(10)係在圓周方向上互相交替隔開。
  4. 如申請專利範圍第1項之氣體分佈器，其中，每一前 室(10、10’、11)係由一個以上的輸入管(3、3’、4)所饋接。
  5. 如申請專利範圍第1項之氣體分佈器，其中，第一氣室(1)係用於輸入氣體，尤其是，含金屬或含半導體材料者，而且，第二氣室(2)係用於輸入化學反應氣體，尤其是，氧、氮或氫化合物。
  6. 如申請專利範圍第1項之氣體分佈器，其中，該等氣體分佈室(12、13)係同心地環繞此氣體分佈器之中心。
  7. 如申請專利範圍第1項之氣體分佈器，其中，其中一個氣體分佈室(12、13)被連接至多個前室(10、10’、11)和該等連接通道(14、15)，或者，其中一個前室(10、10’、11)被連接至該等氣體分佈室(12、13)和該等連接通道(14、15)。
  8. 如申請專利範圍第1項之氣體分佈器，其中，此氣體分佈器被控溫。
  9. 如申請專利範圍第1項之氣體分佈器，其中，此氣體分佈器係由實心金屬件製成，其形成為導熱物質而使溫度均勻。
  10. 如申請專利範圍第1項之氣體分佈器，其中，此氣體分佈器係由上下疊置的多塊板所構成，而該等前室(10、10’、11)、氣體分佈室(12、13)、連接通道(14、15)、及流出孔(6、7)係設在其上。
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