TWI548773B - 氣體分佈裝置 - Google Patents

Description

氣體分佈裝置

本發明是有關於一種薄膜沉積設備用的裝置，且特別是有關於一種氣體分佈裝置。

隨著薄膜沉積技術的發展，如何將氣體均勻地噴灑到設備腔室中為一項重要的技術，因此氣體分佈模組（gas distribution module）在薄膜沉積中扮演了重要的角色。另外，現有的氣體分佈模組中多採用噴灑頭來使進入設備腔室的氣體均勻分佈。噴灑頭具有彼此相對的氣體入口端與氣體出口端，讓氣體進入噴灑頭的方向與排出噴灑頭的方向大致平行。但這種噴灑頭將氣體導入腔體後，氣體通常會快速被抽走，並在設備腔室的中央處形成局部滯流區。因此，成膜時膜厚往往無法均勻一致，經常發生中央相對較厚的情形。由此可知，噴灑頭的氣流排出方式與其內部的流道幾何結構，都是影響沉積製程的重要因素。

本發明提供一種氣體分佈裝置，可以提供均勻的氣體排出效果。

本發明的氣體分佈裝置包括一頂部以及一側壁部。頂部提供一分流結構。分流結構將來自N個上游口的氣流分支到M個下游口，N與M皆為正整數，且M大於N。頂部包括一頂板，且下游口排列於頂板周邊。側壁部連接於頂板並由頂板的周緣凸伸出來。側壁部具有多個連通道以及多個排出口，其中連通道將下游口連通至排出口，且排出口於側壁部內側沿一環型軌跡排列。

基於上述，本發明實施例的氣體分佈裝置具有分流結構以緩衝進入的氣體，提供均勻的排氣效果。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本發明一實施例的氣體分佈裝置應用於沉積設備的示意圖。在圖1中，沉積設備10具有設備腔室12，且氣體分佈裝置100與工件承載台14都設置於設備腔室12中。沉積設備10用以在工件W上形成沉積層，且工件W可以放置於工件承載台14上。氣體分佈裝置100位於工件承載台14上方，以將製程所需的氣體注入設備腔室12中。在本實施例中，氣體分佈裝置100適於將氣體由橫向方向D排出，以在設備腔室12中形成氣體層流G。沉積設備10可以包括有抽氣或是排氣模組(未繪示)，以將設備腔室12內的氣體抽出。伴隨抽氣或是排氣模組的運作，氣體層流G中的氣體可以朝向工件承載台14移動，並使得承載於工件承載台14上的工件W接觸氣體層流G中的氣體而在工件W上形成薄膜或是進行反應。在沉積設備10中，氣體在工件W上的均勻性對於薄膜的成膜品質有明顯的影響，因此以下實施例提出多種氣體分佈裝置100的設計以提供均勻分佈的氣體層流G。

圖2為本發明一實施例的氣體分佈裝置的示意圖，而圖3為圖2的氣體分佈裝置沿著I-I線剖開的示意圖。請同時參照圖2與圖3，氣體分佈裝置100A包括一頂部110A以及一側壁部120A。頂部110A提供一分流結構BR1。分流結構BR1用以將來自N個上游口BI1的氣流分支到M個下游口BO1，N與M皆為正整數，且M大於N。具體而言，本實施例是以N為1而M為3來說明，但N與M可以是其他數值的組合。另外，頂部110A包括一頂板112A、位於頂板112A上方的分流環114A以及連接於分流環114A與頂板112A之間的多個連通管116A。下游口BO1排列於頂板112A周邊並且下游口BO1可以均勻的分佈於頂板112A周邊。側壁部120A連接於頂板112A並由頂板112A的周緣凸伸出來。側壁部120A具有多個連通道CX1以及多個排出口O1，其中連通道CX1將下游口BO1連通至排出口O1，且排出口O1設置於側壁部120A內側。

由圖2與圖3可知，頂部110A中的分流結構BR1大致上由頂板112A、分流環114A以及連通管116A構成的結構。分流環114A具有多個分流環出口RO，且各連通管116A將其中一個分流環出口RO連通至其中一個下游口BO1。此外，本實施例中僅設置有一個上游口BI1且上游口BI1連通於分流環114A以藉由分流環114A將來自於上游口BI1的氣流分支到三個下游口BO1。

由圖3可知，氣體分佈裝置100A的側壁部120A可以更具有環型連通道RX1，且環型連通道RX1將位在同一個高度準位上的排出口O1連通。另外，頂板112A內部設置有連通於下游口BO1與連通道CX1之間的流道CH1。如此一來，由上游口BI1流入的氣體可以依序經過分流環114A、連通管116A、下游口BO1、流道CH1、連通道CX1以及環型連通道RX1而最終由排出口O1排出到氣體分佈裝置110A之外。由於排出口O1設置於側壁部120A內側，排出口O1可使氣體朝向氣體分佈裝置100A的內部流動。因此，氣體分佈裝置100A應用於圖1的沉積設備10時，可以在設備腔室12內形成氣體層流G。另外，在本實施例的氣體分佈裝置100A中，由單一個上游口BI1進入的氣體可以分流至三個下游口BO1，再由各個下游口BO1分流至數個排出口O1。藉此，得以緩衝氣體排出氣體分佈裝置100A時的流速與流量並使得這些排出口O1的排氣效果，例如氣體流速與氣體流量，均勻一致。

在本實施例中，排出口O1於側壁部120A內側沿一環型軌跡排列。由於圖2僅繪製了氣體分佈裝置100A的外觀，而排出口O1位於側壁部120A內側，圖2並無法觀看到環型軌跡。圖3僅繪製了側壁部120A內側的一部份，因此僅可看到部分的排出口O1的排列。不過，由圖3中的這些排出口O1的排列方式可知，排出口O1是沿著側壁部120A內側排列且位於大致相同的高度準位上。

進一步而言，圖4為氣體分佈裝置沿著圖3的II-II線的剖面的示意圖。在圖4中，排出口O1沿著側壁部120A內側所量測的間距P可以為大致相同的。氣體分佈裝置100A的側壁部120A如同圖4一般環繞成圓時，相鄰兩個排出口O1所在位置大致彼此相隔一弧角Ɵ，其中位在同一個高度準位上的排出口O1的數量為Z時，弧角Ɵ約為360/Z度。換言之，沿著環型軌跡排列的排出口O1會均勻分佈在環形軌跡上，使得氣體分佈裝置100A的排氣效果更為均勻。

圖5為本發明另一實施例的氣體分佈裝置的上視示意圖，圖6為圖5的氣體分佈裝置沿III-III線的剖面示意圖，而圖7為圖5的氣體分佈裝置沿IV-IV線的剖面示意圖。請先參照圖5與圖6，氣體分佈裝置100B包括一頂部110B以及一側壁部120B。頂部110B提供一分流結構BR2。分流結構BR2用以將來自N個上游口BI2的氣流分支到M個下游口BO2，N與M皆為正整數，且M大於N。具體而言，本實施例是以N為3而M為12來說明，但N與M可以是其他數值的組合。也就是說，本實施例的分流結構BR2可以將來自各個上游口BI2的氣流分支到4個下游口BO2。另外，頂部110B包括一頂板112B。下游口BO2排列於頂板112B周邊並且下游口BO2可以是均勻的分佈於頂板112B周邊。側壁部120B連接於頂板112B並由頂板112B的周緣凸伸出來。由圖6與圖7可知，側壁部120B具有多個連通道CX2以及多個排出口O2，其中連通道CX2將下游口BO2連通至排出口O2，且排出口O2設置於側壁部120B內側。另外，排出口O2於側壁部120B內側沿一環型軌跡排列。

由圖5與圖6可知，頂板112B中設置有多個流道CH2以將各個上游口BI2連通到數個下游口BO2。分流結構BR2大致上是設置於頂板112B內部的結構，其中設置在頂板112B上表面的開口可以為上游口BI2，設置在頂板112B內部且連接於連通道CX2的開口可以為下游口BO2，並且頂板112B內部的流道CH2即為分流結構BR2中提供分流作用的部份。此外，氣體分佈裝置100B的側壁部120B可以更具有環型連通道RX2，且環型連通道RX2將位在同一個高度準位上的排出口O2連通。如此一來，由上游口BI2流入氣體分佈裝置100B的氣體可以依序經過流道CH2、下游口BO2、連通道CX2以及環型連通道RX2而最終由排出口O2排出到氣體分佈裝置110B之外。在本實施例中，環型連通道RX2的數量可以為兩個，且分別連通不同高度準位的排出口O2以讓由上游口BI2流入的氣體由兩列排出口O2排出，但不以此為限。在其他實施例中，環型連通道RX2的數量可以隨不同的置成條件而改變。

由於排出口O2設置於側壁部120B內側，排出口O2可使氣體朝向氣體分佈裝置100B的內部流動，而非直接朝氣體分佈裝置100B的下方流出。因此，氣體分佈裝置100B應用於圖1的沉積設備10時，可以在設備腔室12內形成氣體層流G。另外，在本實施例的氣體分佈裝置100B中，由單一個上游口BI2進入的氣體可以分流至四個下游口BO2，再由各個下游口BO2分流至數個排出口O2。藉此，得以緩衝氣體由氣體分佈裝置100B排出時的流速與流量並使得這些排出口O2的排氣效果，例如氣體流速與氣體流量，均勻一致。

在一實施例中，分流結構BR2可以結合前述實施例的分流結構BR1。也就是說，本實施例的三個上游口BI2可以作為前述實施例的分流結構BR1的下游口BO1。如此將分流結構BR1與分流結構BR2結合可以將由單一一個進氣口(即分流結構BR1的上游口BI1)注入的氣體分散至12個下游口BO2，以更有效地緩衝氣體的流速與流量、更均勻的分配被注入的氣體並且更簡化氣體注入方式。

圖8為本發明又一實施例的氣體分佈裝置的上視示意圖，圖9為圖8的氣體分佈裝置沿V-V線的剖面示意圖。請先參照圖8與圖9，氣體分佈裝置100C包括一頂部110C以及一側壁部120C。頂部110C提供一種複合式的分流結構，此複合式的分流結構是將分流結構BR3與前述實施例的分流結構BR2同時結合於頂部110C中。分流結構BR2的結構設計可以參照前述實施例的描述，此處不另贅述。分流結構BR3用以將來自N個上游口BI3的氣流分支到M個下游口BO3，N與M皆為正整數，且M大於N。具體而言，本實施例是以上游口BI3有3個而下游口BO3有12個來說明，但N與M可以是其他數值的組合。也就是說，本實施例的分流結構BR3可以將來自各個上游口BI3的氣流分支到4個下游口BO3。另外，頂部110C包括一頂板112C。側壁部120C連接於頂板112C並由頂板112C的周緣凸伸出來。側壁部120C除了具有多個連通道CX2以及多個排出口O2，還具有多個連通道CX3以及多個排出口O3。連通道CX2將下游口BO2連通至排出口O2，且排出口O2設置於側壁部120C內側。並且，連通道CX3將下游口BO3連通至排出口O3，且排出口O3也設置於側壁部120C內側。由圖8可知，頂板112C中設置有多個流道CH3以將各個上游口BI3連通到數個下游口BO3。分流結構BR3大致上設置於頂板112C內部，其中設置在頂板112C上表面的開口可以為上游口BI3，設置在頂板112C內部且連接於連通道CX3的開口可以為下游口BO3，並且頂板112C內部的流道CH3即為分流結構BR3中提供分流作用的部份。此外，氣體分佈裝置100C的側壁部120C可以更具有環型連通道RX3，且環型連通道RX3將位在同一個高度準位上的排出口O3連通。如此一來，由上游口BI3流入氣體分佈裝置100C的氣體可以依序經過流道CH3、下游口BO3、連通道CX3以及環型連通道RX3而最終由排出口O3排出到氣體分佈裝置110C之外。

在本實施例中，分流結構BR2與分流結構BR3同時設置於頂板112C內部，並且分流結構BR2與分流結構BR3可以彼此隔離而無連通。因此，分流結構BR2與分流結構BR3可選擇連接至不同氣體源以用來傳遞不同氣體。具體而言，在圖8中，下游口BO2與BO3都排列於頂板112C周邊並且下游口BO2排列於相對內側而下游口BO3排列於相對外側。分流結構BR2的流道CH2不連通於分流結構BR3的流道CH3。同時，在圖9中，連通於分流結構BR2的排出口O2與連通於分流結構BR3的排出口O3於側壁部120C內側沿不同高度準位的環型軌跡排列。舉例而言，連通於分流結構BR2的排出口O2在第一高度準位排列成環而連通於分流結構BR3的排出口O3在第二高度準位排列成環。第一高度準位與第二高度準位的差距可以是不讓排出口O2重疊於排出口O3的大小。另外，圖9中的分流結構BR2的排出口O2與分流結構BR3的排出口O3分別只有一列，但不以此為限。在其他的實施例中，分流結構BR2的排出口O2與分流結構BR3的排出口O3分別可以有多列。此外，為了讓經由分流結構BR2排出的氣體與經由分流結構BR3排出的氣體均勻混合，兩列排出口O2之間可以插設一列排出口O3。

圖10為本發明又一實施例的氣體分佈裝置的示意圖。請參照圖10，氣體分佈裝置100D中相似於前述實施例的構件將以相同的元件符號標示，且這些構件的具體結構與功能可以參照前述記載。氣體分佈裝置100D包括分流環114A、多個連通管116A、頂板112C、側壁部120C以及進氣模組130。多個連通管116A連接於分流環114A與頂板112C之間以構成分流結構BR1。分流結構BR1流體連通於位在頂板112C內部的分流結構BR2。另外，頂板112C內還設有分流結構BR3。分流結構BR1、BR2與BR3的具體結構可以參照前述記載內容。進氣模組130用來提供氣體給分流結構BR1。

圖11為圖10的進氣模組130剖開後的立體示意圖。請參照圖11，進氣模組130包括一加熱腔132以及位於加熱腔132中的非直線進氣管134，且非直線進氣管134連通至分流結構BR1以將氣體注入給上游口BI1。在本實施例中，加熱腔132可以由腔壁136圍設出來並且加熱腔132內可以填充有高溫氣體或是流體。此處所謂的高溫可以依照製程需求而有所調整。位於加熱腔132內的非直線進氣管134的一端134A連接氣體供應源(未繪示)，且另一端134B連接上游口BI1。非直線進氣管134為螺旋狀進氣管，因此非直線進氣管134內的氣體在加熱腔132內的時間可以延長，以使氣體被充分加熱。

氣體分佈裝置100D應用於圖1的沉積設備10時，可用來提供兩種不同的氣體，且由進氣模組130進入的氣體可以被預先加熱，藉此提高氣體的反應速率以增進沉積效率。另外，在本實施例中，進氣模組130可以利用由沉積設備10的設備腔室12回收而來的氣體作為加熱腔132內的高溫氣體，以將廢熱回收利用。

由前述實施例可知，氣體分佈裝置100D中的分流結構BR1、BR2與BR3有助於緩衝氣體流出氣體分佈裝置100D的流速與流量。因此，氣體分佈裝置100D應用於圖1的沉積設備10時，由於氣體排出的速率與流量獲得調整，可使氣體滯留在設備腔室12內的時間延長，藉此提高沉積製程的沉積效率，不至於在氣體尚未反應完全之後即被移除。

此外，前述實施例的分流結構BR1、BR2與BR3的設計僅是舉例說明。在其他的實施例中，由單一一個上游口分流至下游口的數量可以依照製程需求以及實際裝置尺寸而定。舉例而言，單一一個上游口分流至數量過多的下游口的設計可能使得下游口的氣體流量與流速太弱，而無法達成理想的氣體排出效果。另外，單一一個上游口分流至數量過少的下游口的設計可能使得緩衝不足而也無法達到均勻的氣體排出流速與流量。

綜上所述，本發明實施例的氣體分佈裝置具有橫向氣體排出功能而可以形成氣體層流，因此本發明實施例的氣體分佈裝置應用於沉積設備中有助於提高製程氣體在設備腔室中滯留的時間，而提高氣體反應效率。另外，本實施例的氣體分佈裝置具有分流結構可以將注入的氣體分流，以緩衝氣體的流速與流量。藉由本發明實施例的分流結構可以使得氣體分佈裝置的排出口具有大致均勻的氣體排出效果。換言之，氣體分佈裝置的排出口的排出氣體流量與流速可以大致相同或是接近，藉此可以提供均勻的氣體層流而在應用於沉積設備時有助於提高沉積層的均勻性。此外，本發明實施例的氣體分佈裝置可選擇性地具有可加熱氣體的進氣模組，以讓氣體進入分流結構前預先備加熱，而提高氣體的反應速率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧沉積設備
12‧‧‧設備腔室
100、100A、100B、100C、100D‧‧‧氣體分佈裝置
110A、110B、110C‧‧‧頂部
112A、112B、112C‧‧‧頂板
114A‧‧‧分流環
116A‧‧‧連通管
120A、120B、120C‧‧‧側壁部
130‧‧‧進氣模組
132‧‧‧加熱腔
134、134B‧‧‧非直線進氣管
134A‧‧‧端
136‧‧‧腔壁
BI1、BI2、BI3‧‧‧上游口
BO1、BO2、BO3‧‧‧下游口
BR1、BR2、BR3‧‧‧分流結構
CH1、CH2、CH3‧‧‧流道
CX1、CX2、CX3‧‧‧連通道
G‧‧‧氣體層流
O1、O2、O3‧‧‧排出口
P‧‧‧間距
RO‧‧‧分流環出口
RX1、RX2、RX3‧‧‧環形連通道
Ɵ‧‧‧弧角

圖1為本發明一實施例的氣體分佈裝置應用於沉積設備的示意圖。 圖2為本發明一實施例的氣體分佈裝置的示意圖。 圖3為圖2的氣體分佈裝置沿著I-I線剖開的示意圖。 圖4為氣體分佈裝置沿著圖3的II-II線的剖面的示意圖。 圖5為本發明另一實施例的氣體分佈裝置的上視示意圖。 圖6為圖5的氣體分佈裝置沿III-III線的剖面示意圖。 圖7為圖5的氣體分佈裝置沿IV-IV線的剖面示意圖。 圖8為本發明又一實施例的氣體分佈裝置的上視示意圖。 圖9為圖8的氣體分佈裝置沿V-V線的剖面示意圖。 圖10為本發明又一實施例的氣體分佈裝置的示意圖。 圖11為圖10的進氣模組130剖開後的立體示意圖。

100D‧‧‧氣體分佈裝置

112C‧‧‧頂板

114A‧‧‧分流環

116A‧‧‧連通管

120C‧‧‧側壁部

130‧‧‧進氣模組

BR1、BR2、BR3‧‧‧分流結構

Claims (12)

1. 一種氣體分佈裝置，包括：一頂部，提供一分流結構，該分流結構將來自N個上游口的氣流分支到M個下游口，N與M皆為正整數，且M大於N，其中該頂部包括一頂板，該些下游口排列於該頂板周邊；以及一側壁部，連接於該頂板並由該頂板的周緣凸伸出來，其中該側壁部具有多個連通道以及多個排出口，該些連通道將該些下游口連通至該些排出口，且該些排出口於該側壁部內側沿一環型軌跡排列。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氣體分佈裝置，其中該環型軌跡大致平行於該頂板。
3. 如申請專利範圍第1項所述的氣體分佈裝置，其中該頂部更包括位於該頂板上方的分流環以及連接於該分流環與該頂板之間的多個連通管，該分流環具有多個分流環出口，各該連通管將其中一個分流環出口連通至其中一個下游口，且其中一個上游口連通於該分流環以藉由該分流環將來自該其中一個上游口的氣流分支到至少部分該些下游口。
4. 如申請專利範圍第1項所述的氣體分佈裝置，其中該分流結構包括至少一分流流道，該至少一分流流道的每一個將其中一個上游口連通到至少兩個下游口。
5. 如申請專利範圍第4項所述的氣體分佈裝置，其中該至少一分流流道設置於該頂板內部。
6. 如申請專利範圍第4項所述的氣體分佈裝置，其中該至少一分流流道的數量為多個。
7. 如申請專利範圍第4項所述的氣體分佈裝置，其中該多個分流流道的一第一部分連接一第一氣體源，該多個分流流道的一第二部分連接一第二氣體源，且該第一氣體源與該第二氣體源供應不同氣體。
8. 如申請專利範圍第7項所述的氣體分佈裝置，其中連通該多個分流流道的該第一部分的部分排出口包括多個第一排出口，連通該多個分流流道的該第二部分的另一部分排出口包括多個第二排出口，該些第一排出口隔離該些第二排出口。
9. 如申請專利範圍第8項所述的氣.體分佈裝置，其中該些第一排出口在一第一高度準位排列成環，該些第二排出口在一第二高度準位排列成環。
10. 如申請專利範圍第1項所述的氣體分佈裝置，其中該些排出口的數量多於該些下游口的數量。
11. 如申請專利範圍第1項所述的氣體分佈裝置，更包括一進氣模組，該進氣模組包括一加熱腔以及位於該加熱腔中的非直線進氣管，該非直線進氣管連通至該分流結構以將氣體注入給其中一個上游口。
12. 如申請專利範圍第11項所述的氣體分佈裝置，其中該非直線進氣管為一螺旋狀進氣管。