TWI570258B - 具有高放射率表面的氣體散佈噴頭 - Google Patents

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Description

具有高放射率表面的氣體散佈噴頭
本發明實施例大體係關於化學氣相沉積(CVD)材料於基板上的方法與設備，更特定言之，本發明實施例係關於處理腔室部件的表面處理，包括用於薄膜沉積腔室的噴頭的結構與塗層以及形成具有高放射率的表面塗層，薄膜沉積腔室係例如用於金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)及/或氫化物氣相磊晶(HVPE)的那些腔室。
化學氣相沉積(CVD)腔室係通常用來製造半導體元件。CVD腔室可適以在單一基板或晶圓上執行一或更多沉積處理、或在一批次基板或晶圓上執行一或更多沉積處理。氣體散佈噴頭輸送前驅物至鄰近一或多個基板(位於腔室中)的處理區(通常在基板上)，以在一或更多基板上沉積材料(例如，薄膜)。熱CVD沉積處理中的處理溫度影響到膜形成速率與膜性質。基板的整個表面或一批次基板的各個基板必須暴露於相同溫度(在合理公差中)以確保基板表面上的沉積均勻性。影響處理區中的溫度的一個因素為腔室硬體的放射率。
氣體散佈噴頭以及鄰近處理區的其他硬體部件(例如，腔室主體)通常係由低放射率材料所製成。當腔室硬體係新的情況下(即，未氧化或未受處理氣體化學物質的腐蝕)，放射率係已知的且通常係低的或相對反射性的。然而，腔室表面的性質會隨著時間劣化，而表面的放射率在腔室中重複處理基板的過程中有所變化，這會造成基板上、不同基板間(同時處理複數個基板的情況)與不同處理批次間(即，不同晶圓間或不同批次間)中的溫度變化。由於腔室部件表面變成由沉積材料所覆蓋及/或變成被腐蝕的(即，被氧化或另有其他化學改變)，腔室部件的放射率有所改變。由於腔室部件的放射率改變，不同處理批次(即，不同晶圓間或不同批次間)之間的基板溫度傾向於浮動。因此，腔室部件的放射率改變影響處理區的溫度並因此影響基板的溫度，這影響到基板上的膜形成與膜性質。
一實例中，一或更多基板係由基板支撐件支撐於處理區中，且基板支撐件位於熱源(例如，燈)與氣體散佈噴頭之間。由於基板支撐件的架構，基板支撐件到其他腔室部件的導熱傳送路徑有限，以提高溫度均勻性或控制基板支撐件的溫度均勻性。然而，此相同設計使得基板支撐件的直接加熱產生問題，基板支撐件的直接加熱係例如藉由嵌入式電阻加熱器的電阻加熱或支撐件嵌入式流體循環型加熱器。因此，基板支撐件間接由配置在基板支撐件下方或後方的燈所加熱，而熱量撞擊基板支撐件上與氣體散佈噴頭相反的一側。此間接熱量的一部分係由基板支撐件與一或更多基板所吸收，而此間接熱量的另一部分係輻射向氣體散佈噴頭的表面且由噴頭表面所吸收或輻射。輻射熱的數量係高度取決於噴頭表面的放射率。因此，處理區的溫度係間接為燈輸入至腔室的熱量的平衡或非平衡的函數。氣體散佈噴頭所吸收的熱量與氣體散佈噴頭的主動冷卻所移除的熱量，與氣體散佈噴頭放射的熱量，平衡的最後部分為氣體散佈噴頭的表面的變化放射率的函數。主要藉由氣體散佈噴頭的主動冷卻與燈輸入的熱來促進處理區中溫度的調節，氣體散佈噴頭的主動冷卻係用來為了自一或更多基板與基板支撐件以及其他腔室部件移除熱量。當到達一或更多基板的熱量等同於離開一或更多基板的熱量時，一或更多基板係維持在所欲溫度下。若上述兩個熱量數值中有差異的話，一或更多基板與基板支撐件的溫度便會改變。
如上所述，一或更多基板與基板支撐件的間接加熱取決於輻射加熱。輻射加熱取決於許多因素，但對到達或離開一或更多基板的熱量的一個主要貢獻因素為熱交換表面的放射率。熱交換表面的較高放射率造成更多的熱吸收與自這些表面較少的熱輻射反射。若放射率改變，用以維持設定或所欲基板溫度的所得熱平衡將有所改變。特定言之，所述系統中，由於氣體散佈噴頭的放射率的改變，可見到基板溫度的浮動。基本上，氣體散佈噴頭在處理開始時為高熱量反射元件，因此來自燈的熱量到達噴頭時傾向由噴頭所放射，而造成較高的基板溫度。然而，隨著處理發生，放射率有所改變，因此系統的熱平衡也有所改變，造成不當地降低或改變基板溫度。可藉由提高來自燈的熱能量、減少自噴頭移除的熱量、或上述兩者方式來某種程度上地減輕溫度變化，但浮動發生至必須在無法接受的頻率下手動清潔腔室的程度。再者，已經發現在清潔後，腔室無法回復新的氣體散佈噴頭所具有的熱平衡性質。
現正應用及/或已經發現用於腔室部件的許多材料。然而，由於前驅物材料附著至暴露表面、或這些暴露表面的腐蝕或氧化，所有材料均會經歷放射率改變。再者，雖然可清潔材料，但可能無法將表面放射率清潔至新表面放射率的水平，及/或清潔後表面在隨後處理過程中將經歷放射率改變。放射率改變造成處理浮動，處理浮動需要額外的監視與調整，必須基於監視的處理來改變調整以提供可重復的晶圓間與晶圓中沉積結果。
因此，需要有穩定放射率特徵的氣體散佈噴頭與其他腔室部件以降低溫度及/或處理的浮動。
本發明大體提供對用於化學氣相沉積(CVD)處理中之處理腔室部件施加表面塗層的改良方法、以及用於CVD處理中具有根據本文所述實施例之表面塗層的設備。一實施例中，提供噴頭設備。噴頭設備包括主體；複數個延伸通過主體的導管，複數個導管各自具有延伸至主體的處理表面的開孔；及塗層，塗層係配置於處理表面上，塗層係約50微米至約200微米厚，且塗層包括約0.8的放射係數、約180微英吋至約220微英吋的平均表面粗糙度及約15%或更低的孔隙度。
另一實施例中，提供沉積腔室。沉積腔室包括具有內部空間的腔室主體，內部空間係容納於腔室主體的內部表面、氣體散佈噴頭的內部表面與圓蓋結構的內部表面之間；基板支撐件，基板支撐件係配置於內部空間中，且基板支撐件與氣體散佈噴頭呈相對關係；一或更多燈組件，一或更多燈組件引導光線通過圓蓋結構。氣體散佈噴頭包括主體；複數個導管，複數個導管配置於主體中，且複數個導管各自具有延伸至主體的內部表面的開孔，以輸送一或更多氣體至內部空間；及塗層，塗層係配置於氣體散佈噴頭的內部表面上。
另一實施例中，提供處理基板的方法。方法包括對主體的一或更多表面施加塗層，主體係圍繞腔室中的處理空間；傳送第一批次的一或更多基板至腔室的處理空間；提供輸入能量至腔室的處理空間以加熱第一批次的一或更多基板至設定溫度，並在一或更多基板上執行第一沉積處理；傳送一或更多基板離開處理空間；傳送第二批次的一或更多基板至腔室的處理空間；及加熱第二批次的一或更多基板至設定溫度並在一或更多基板上執行第二沉積處理，其中藉由低於約0.12%地改變輸入能量來維持設定溫度。
本發明實施例大體提供用於化學氣相沉積(CVD)處理中之腔室部件的方法與設備。一實施例中，該方法與設備可用於利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)及/或氫化物氣相磊晶(HVPE)硬體的III族-氮化物膜的沉積。一態樣中，提供適合沉積材料以形成發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)或其他元件的處理腔室。
熱CVD沉積處理中的處理溫度影響膜形成速率與膜性質。已經發現即便將所有處理變數維持一樣，由於腔室部件的放射率改變，處理批次(即，不同晶圓間或不同批次間)間的處理溫度將傾向於浮動，因此一或更多基板的溫度將浮動。由於腔室部件表面變成由沉積材料所覆蓋及/或變成被腐蝕的(即，氧化或另有其他化學改變)，腔室部件的放射率有所改變。雖然週期性清潔腔室中的部件以試圖將表面恢復到原始處理前的狀態，但本發明人已經發現清潔後的表面無法恢復到原始狀態或者表面無法重複地恢復到那個狀態。因此，部件的反射與放射率與想要的新部件的反射與放射率係不同狀態。因此，即便在清潔後，處理溫度與溫度均勻性仍不同於想要或預期的處理溫度與溫度均勻性。
本發明人已經發現改良表面特徵及/或塗覆腔室部件(明確地說，用於燈加熱CVD腔室中的金屬腔室部件)能夠在多個處理及/或清潔循環中穩定部件的放射率特徵。詞彙放射率代表在相同溫度下表面放射的輻射與黑體放射的輻射的比例。
第1圖係圖示處理系統100的一實施例的示意平面圖，處理系統100包括複數個處理腔室102，處理腔室102利用CVD處理在基板上沉積薄膜。一實施例中，一或更多的複數個處理腔室102係可用於CVD處理(諸如，MOCVD或HVPE處理)中的CVD腔室。處理系統100包括傳送腔室106；至少一處理腔室102，至少一處理腔室102係與傳送腔室106耦接；裝載鎖定腔室108，裝載鎖定腔室108係與傳送腔室106耦接；批次裝載鎖定腔室109，批次裝載鎖定腔室109用以儲存基板，且批次裝載鎖定腔室109係與傳送腔室106耦接；及裝載臺110，裝載臺110係用於裝載基板，且裝載臺110係與裝載鎖定腔室108耦接。傳送腔室106包括機器人組件(未圖示)，機器人組件係可操作用來拾取並傳送基板於裝載鎖定腔室108、批次裝載鎖定腔室109與處理腔室102之間。亦可有大於一個的處理腔室102與傳送腔室106耦接。
處理系統100中，機器人組件(未圖示)傳送裝載有基板的基板攜帶板112通過狹縫閥(未圖示)並進入單一處理腔室102以進行化學氣相沉積。本文所述實施例中，基板攜帶板112係設以如第2圖所示般的分隔關係來接收複數個基板。在已經完成某些或所有沉積步驟後，透過機器人組件自處理腔室102傳送其上帶有基板的基板攜帶板112以進一步處理。
第2圖係根據本發明實施例的處理腔室102的示意橫剖面圖。處理腔室102包括腔室主體202；化學輸送模組203，化學輸送模組203用以輸送前驅物氣體、載氣、清潔氣體及/或清除氣體；遠端電漿系統226，遠端電漿系統226具有電漿源；基板支撐構造214，基板支撐構造214用以支撐基板攜帶板112；及真空系統。在腔室主體202中提供可密封開孔211以傳送基板攜帶板112進出處理腔室102。腔室主體202封圍處理空間208，處理空間208係由氣體散佈噴頭204、腔室主體202的一部分與基板攜帶板112所界定。一實施例中，面向處理空間208的氣體散佈噴頭204的表面與腔室主體202的部分分別包括塗層291、296，塗層291、296遮蔽底部材料免於沉積副產物。
基板支撐構造214可包括複數個支撐臂，複數個支撐臂具有可在處理過程中接觸並支撐基板攜帶板112的支撐銷。某些實施例中，環狀支撐環216係用來支撐基板攜帶板112。其他實施例中，環狀支撐環216可耦接至或用於連接平板218，平板218在環狀支撐環216之間的區域中接觸基板攜帶板112的背側。基板支撐構造214係耦接至致動器288，致動器288提供基板支撐構造214的垂直及/或旋轉移動。基板支撐構造214、環狀支撐環216與基板攜帶板112可由碳化矽、石墨、石英、氧化鋁、氮化鋁與上述之組合所製成。某些實施例中，平板218包括加熱元件223(例如，電阻式加熱元件)以傳導加熱並控制基板攜帶板112與置於基板攜帶板112上的基板240的溫度。一或更多感測器(未圖示)(諸如，熱電偶或高溫計)可用於監視基板攜帶板112的溫度及/或基板240的溫度。應用環狀支撐環216的實施例中，可配置一或更多高溫計以感測基板攜帶板112的背側的溫度。應用平板218的實施例中，一或更多熱電偶可耦接至基板支撐構造214及/或平板218，以在處理過程中監視基板支撐構造214的溫度、平板218的溫度及/或基板攜帶板112的背側的溫度。
氣體散佈噴頭組件204係建構成雙歧管噴頭(例如，第一處理氣體歧管204A透過第一處理氣體入口259耦接於化學輸送模組203，以輸送第一前驅物或第一處理氣體混合物至處理空間208；及第二處理氣體歧管204B，第二處理氣體歧管204B用以輸送第二前驅物或第二處理氣體混合物至處理空間208)，雙歧管噴頭可讓兩個不同氣體流由噴頭分散，而不會讓這些氣體流在噴頭中混合在一起。第一處理氣體歧管204A由阻隔板255分叉成兩個子歧管212A與212B，阻隔板255(具有複數個孔257)配置橫跨第一處理氣體歧管204A。第二處理氣體歧管204B與化學輸送模組203耦接以透過第二處理氣體入口258輸送第二前驅物或第二處理氣體混合物至處理空間208。一實施例中，化學輸送模組203係設以輸送適當含氮處理氣體(諸如，氨(NH3)或其他MOCVD或HVPE處理氣體)至第二處理氣體歧管204B。第二處理氣體歧管204B係藉由氣體散佈噴頭組件204的第一歧管壁276與第一處理氣體歧管204A分隔。
化學輸送模組203輸送化學物至處理腔室102。可由化學輸送系統透過供給管線供應反應性氣體(諸如，第一與第二前驅物氣體)、載氣、清除氣體與清潔氣體進入處理腔室102。一實施例中，透過供給管線供應氣體進入氣體混合盒，氣體在氣體混合盒中混合在一起並輸送至氣體散佈噴頭組件204。一實施例中，化學輸送模組203係設以輸送金屬有機前驅物至第一處理氣體歧管204A與第二處理氣體歧管204B。一實例中，金屬有機前驅物包括適當的鎵(Ga)前驅物(諸如，三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG))、適當的鋁前驅物(例如，三甲基鋁(TMA))、或適當的銦前驅物(例如，三甲基銦(TMIn))。可自氣體散佈噴頭組件204經由一或更多淨化氣體氣室281(僅圖示一個)透過複數個孔284將來自淨化氣體源282的淨化氣體(例如，含氮氣體)分散進入處理腔室102。替代或額外地，可藉由淨化氣體管283(僅圖示一個)將淨化氣體輸送至處理腔室102。
氣體散佈噴頭組件204進一步包括溫度控制系統，溫度控制系統用以流動熱控制流體通過氣體散佈噴頭組件204以有助於調控氣體散佈噴頭組件204的溫度(例如，與熱交換系統270耦接的溫度控制通道204C)。第二處理氣體歧管204B係藉由氣體散佈噴頭組件204的第二歧管壁277與溫度控制通道204C分隔。溫度控制通道204C可藉由氣體散佈噴頭組件204的第三歧管壁278與處理空間208分隔。
處理腔室102包括透明材料製成的下部圓蓋219，下部圓蓋219包含處理空間208的下部空間210。因此，處理空間208係包含於氣體散佈噴頭組件204與下部圓蓋219之間。排氣環220係用來引導來自處理腔室102的排放氣體至排氣埠209，排氣埠209係耦接至排氣通道、真空泵207與真空系統。可藉由複數個燈(例如，具有反射器266的內部燈221A與外部燈221B)對處理空間208提供輻射熱。
可藉由循環熱控制液體通過處理腔室102的壁中的通道(未圖示)來進一步控制處理腔室102的壁與周圍構造(例如，排氣通道)的溫度。取決於所欲效果，熱控制液體可用來加熱或冷卻腔室主體202。舉例而言，熱液體可有助於在熱沉積處理過程中維持均勻熱梯度，而冷液體可在原位電漿處理以分解清潔氣體的過程中用於自系統移除熱量或限制沉積產物形成於腔室的壁上。燈221A、221B提供的加熱以及來自熱交換系統270的熱控制流體經由氣體散佈噴頭組件204提供的加熱或冷卻及/或輸送熱控制液體至腔室主體202的壁提供的加熱或冷卻維持處理空間208的處理溫度在約500℃至約1300℃之間，更明確地，維持處理空間208的處理溫度在約700℃至約1300℃之間。一實施例中，燈221A與221B的輸入功率係約45 kW至約90 kW，以在處理腔室102的處理空間208中產生約900℃與約1,050℃之間或更高的處理溫度。一實施例中，藉由利用感測器來監視處理溫度，感測器係例如測量基板攜帶板112的背側的溫度的一或更多熱電偶(第1圖)。
氣體散佈噴頭組件204的第三歧管壁278具有面向基板支撐構造214的表面289。在處理過程中監視並控制表面289以及氣體散佈噴頭組件204的其他部分的溫度。氣體散佈噴頭組件204係由不銹鋼所製成，而表面289係放射係數約0.17的裸不銹鋼。一實施例中，氣體散佈噴頭組件204面向基板支撐構造214的表面289包括粗糙表面以提高表面289的放射率至高於0.17。可藉由噴珠來粗糙化表面289以提高初始放射率，藉此限制處理腔室102中的處理造成放射率的變化。因此，表面289的粗糙處理可降低反射率並穩定氣體散佈噴頭組件204的底部材料的熱吸收。
一實施例中，噴珠處理表面289以提供平均表面粗糙度(Ra)約80微英吋(μ-inch)至約120 μ-inch的粗糙表面。表面289的粗糙處理提高表面289的初始放射率(相較於未粗糙化表面)，並降低腐蝕或氧化造成的放射率變化，這可減少處理浮動。一實施例中，#80砂礫尺寸係用來提供粗糙表面。可在已知產生所欲Ra的壓力下利用所欲的砂礫尺寸來施加噴珠處理。一態樣中，讓噴珠進入表面289中的任何開口。一態樣中，氣體散佈噴頭組件204中的任何開口的直徑大於砂礫尺寸，明確地說，大於#80砂礫尺寸的大小。可藉由將氣體散佈噴頭組件204耦接至真空泵或將氣體散佈噴頭組件204配置在真空環境中以移除且排出任何可能進入氣體散佈噴頭組件204中開口的砂礫，來清潔開口。另一態樣中，可在約80 psi壓力下輸送淨化氣體通過氣體散佈噴頭組件204中的開口，以避免任何噴珠或砂礫進入開口或讓噴珠或砂礫進入開口的情況達到最小。
另一實施例中，氣體散佈噴頭組件204面向基板支撐構造214的表面289包括塗層291。此外，處理腔室102鄰近處理空間208的其他表面(例如，腔室主體202的內部表面295)可包括塗層296。一實施例中，氣體散佈噴頭組件204與腔室主體202包括導電材料，導電材料係例如不銹鋼材料(例如，316L不鏽鋼)。塗層291、296包括的材料相容於沉積與清潔處理中應用的處理化學且相容於MOCVD與HVPE處理中所用的極端溫度應用。塗層291、296建立腔室部件的放射率，以取消或穩定表面289及/或295與其底部材料的放射率波動，用以穩定底部材料的熱吸收以促成重複性處理。一實施例中，塗層291、296的放射係數係約0.8至約0.85。
塗層291、296可包括沉積在表面289、295上的陶質材料。已經發現當應用上述塗層至金屬表面(例如，不銹鋼)時，在沉積與清潔處理之後，部件的表面的放射率顯著接近乾淨未使用部件表面的放射率。一態樣中，塗層291包括氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、釔(Y)、氧化釔(Y2O3)、氧化鉻(Cr2O3)、碳化矽(SiC)、上述之組合或衍生物。可利用熱噴塗方法(例如，電漿噴塗)將塗層291、296沉積於個別表面上。在表面289、295上形成的塗層291、296的厚度可在約50微米(μm)至約200 μm之間。塗層291、296可為多孔的。一實施例中，利用光學方法，塗層291、296的孔隙度係低於約10%，例如約0.5%至約10%，例如約8%至約10%。另一實施例中，利用Archimedes方法，塗層291、296的孔隙度係低於約15%，例如約0.5%至約15%，例如約10%至約15%。塗層291、296可為親水性或可溼性，並包括低於約90度(例如，約0度與90度之間)的接觸角。塗層291、296在電漿噴塗後可為白色，且塗層291、296即便在多次沉積及/或清潔循環後仍然實質上為白色。再者，放射率在第一次使用與清潔處理之間係實質上穩定的。舉例而言，放射率在第一次使用時可約為0.8且放射率在原位清潔前約為0.81。因此，相較於新的乾淨表面或使用過且清潔過的表面，塗層291、296的放射率Δ係在約0.8至約0.85之間。塗層291、296提供的放射率Δ提供微不足道的補償給施加至燈221A、221B的功率，一實施例中，約80,000瓦至約90,000瓦的設定功率中補償係低於約100瓦，設定功率係用來提供處理空間208中約1,000℃的溫度及/或約1,000℃的基板溫度。雖然氣體散佈噴頭組件204與塗層291、296的材料熱膨脹係數之間有差異，但塗層291、296的孔隙度降低塗層291、296中的應力。因此，藉由提供具有如上所述的孔隙度數值的塗層291、296，塗層291、296係更具彈性，這可避免塗層291、296在處理腔室102的加熱與冷卻過程中斷裂，明確地說，處理腔室102的加熱與冷卻過程係處理腔室102由室溫開始加熱，或冷卻至室溫以進行維修的時間。
在大氣壓力下於異位處執行電漿噴塗處理以形成塗層291、296。電漿噴塗處理包括表面289、295的製備以提高塗層291與296的附著性。一實施例中，噴珠處理表面289、295以產生粗糙表面來促進塗層291、296的附著。一態樣中，噴珠為#80砂礫尺寸的氧化鋁微粒，可用來形成Ra約80微英吋(μ-inch)至約120 μ-inch的粗糙表面。可在噴珠過程中輸送淨化氣體通過氣體散佈噴頭組件204以避免任何微粒進入表面289上形成的任何開口。一實施例中，在粗糙化後可將陶瓷粉末構成的電漿噴塗物沉積於表面289、295上。一實施例中，陶瓷粉末純度係99.5%。另一實施例中，陶瓷粉末係氧化鋁(Al2O3)。可在一壓力下施加電漿噴塗以利用所欲粉末尺寸產生所欲的Ra。一態樣中，將陶瓷粉末的電漿施加至表面289、295，並覆蓋或填充表面289、295中的任何開口以避免堵塞。另一態樣中，可允許陶瓷粉末的電漿至少部分地進入表面289、295中的任何開口。一實施例中，在電漿噴塗過程中以約80 psi的壓力輸送淨化氣體通過氣體散佈噴頭組件204以避免噴塗物進入表面289上形成的任何開口中。一態樣中，將電漿噴塗施加至表面289，使得將表面289中的任何開口延長，延長的量等於表面289上塗層291的厚度。另一實施例中，在一低於約80psi的壓力下輸送淨化氣體通過氣體散佈噴頭組件204，此壓力下允許一部分的噴塗物進入表面289上形成的開口中。又一實施例中，允許電漿噴塗物覆蓋開口。此實施例中，若需要，可在施加塗層後重新加工而按尺寸重開開口。
若需要，亦可移除塗層291、296，以便翻新表面289與295的底部材料。可自處理腔室102移除腔室部件。可藉由噴珠或利用化學物腐蝕塗層291、296與表面289與295間之介面以破壞各自塗層與底部材料間的鍵結來移除腔室部件上的塗層291、296。在清潔表面289、295後，可根據上述的塗層處理將塗層291、296重新施加至清潔後的表面289與295，並重新設置腔室部件於處理腔室102中。
第3圖係第2圖中細節A的放大圖，第3圖進一步圖示氣體散佈噴頭組件204上塗層291的分佈。氣體散佈噴頭組件204包括主體300，主體300具有第一主要側邊305A與第二主要側邊305B。參照第2圖與第3圖，一實施例中，將第一前驅物或第一處理氣體混合物(例如，金屬有機前驅物)自第一處理氣體歧管204A藉由複數個內部氣體導管246輸送通過第二處理氣體歧管204B與溫度控制通道204C而進入處理空間208。內部氣體導 管246可為不銹鋼製成的圓柱管並位於對齊孔中，對齊孔係配置通過氣體散佈噴頭組件204的第一歧管壁276、第二歧管壁277與第三歧管壁278。各個內部氣體導管246包括第二主要側邊305B中的開孔310A。各個開孔310A係形成通過表面289以沿著流動路徑A3輸送第一前驅物至處理空間208。一實施例中，藉由適當手段(例如，銅焊)將內部氣體導管246各自附著至氣體散佈噴頭組件204的第一歧管壁276。
一實施例中，將第二前驅物或第二處理氣體混合物(例如，氮前驅物)自第二處理氣體歧管204B透過複數個外部氣體導管245輸送通過溫度控制通道204C而進入處理空間208。外部氣體導管245可為不銹鋼製成的圓柱管。可同心圍繞各自的內部氣體導管246來配置各個外部氣體導管245。各個外部氣體導管245包括第二主要側邊305B中的開孔310B。各個開孔310B係形成通過表面289以沿著流動路徑A2輸送第二前驅物至處理空間208。外部氣體導管245係位於對齊孔中，對齊孔係配置通過氣體散佈噴頭組件204的第二歧管壁277與第三歧管壁278。一實施例中，藉由適當手段(例如，銅焊)將外部氣體導管245各自附著至氣體散佈噴頭組件204的第二歧管壁277。將自輸入管線輸送至遠端電漿系統226中的前驅物產生的電漿物種流動通過導管204D。在流動路徑A1中將電漿物種分散通過氣體散佈噴頭組件204而至處理空間208。電漿物種流動通過開孔310C，開孔310C 係形成通過氣體散佈噴頭組件204的表面289。
一實施例中，各個開口310A-310C包括一直徑(例如，內徑D1-D3)，並以延長開口310A-310C而不降低直徑D1-D3的方式將塗層291施加至表面289。一實施例中，內徑D1-D3係約0.6毫米。一態樣中，開口310A-310C的延長量等於塗層291的厚度，且並不降低直徑D1-D3。另一實施例中，允許塗層291至少部分地覆蓋一部分的開口310A-310C並進入內徑D1-D3(圖示為內部塗層315)。此實施例中，在電漿噴塗之前並無覆蓋或填充開口310A-310C。因此，允許塗層291降低開口310A-310C的尺寸。一實施例中，表面289與內徑D1-D3上的塗層的厚度292係約50微米至約200微米。一態樣中，選擇厚度292以對應各個開孔310A-310C的開放區域百分比數量。一實例中，選擇塗層291的厚度292以覆蓋一部分的各個開孔310A-310C，而留下至少約大於80%的開孔直徑D1-D3。一實施例中，允許塗層291進入開口310A-310C到達離表面289約50微米至約200微米的深度。第3圖並未圖示開孔284(第2圖)，但可參照開口310A-310C所述般藉由塗層291至少部分地覆蓋開孔284。
一實施例中，來自燈221A與221B的初級熱量320係由基板攜帶板112與基板240所吸收。來自基板攜帶板112與基板240的次級熱量325係輻射進入處理空間208。一部分的次級熱量325係由氣體散佈噴頭組件204 的下部主體330所吸收，下部主體330中的塗層291顯著地降低表面289的反射。大部分的次級熱量325係由塗層291的表面293所吸收，塗層291係用以隔絕氣體散佈噴頭組件204與次級熱量325。在處理過程中，塗層291並不明顯劣化或變色，這提供實質均勻的輻射能量335自氣體散佈噴頭組件204的下部主體330放射進入處理空間208。雖然未圖示，但來自基板攜帶板112與基板240的次級或輻射熱量325係由腔室主體202(第2圖)所吸收，而藉由腔室主體202的內部表面295上的塗層296來促進來自腔室主體202進入處理空間208的輻射能量335實質均勻。
某些實施例中，可將塗層291施加至暴露至前驅物氣體的氣體散佈噴頭組件204的內部表面，以避免或降低前驅物吸附在這些表面上。舉例而言，參照第2圖，在前驅物傳導路徑中的某些或所有表面可具有向其施加的塗層291，某些或所有表面係諸如導管204D、第一處理氣體入口259、第二處理氣體入口258、第一處理氣體歧管204A、第二處理氣體歧管204B、阻隔板255與孔257的內部表面以及內部氣體導管246的內部表面。塗層291避免或顯著降低前驅物吸附或黏附於氣體散佈噴頭組件204的內部表面上，前驅物吸附或黏附於氣體散佈噴頭組件204的內部表面上會造成非均勻的處理與膜生成。舉例而言，諸如三甲基銦(TMIn)與雙(環戊二烯)鎂(Cp2Mg)的前驅物容易傾向於吸附至金屬腔室表面上。因 此，處理批次中，一部分的前驅物材料會吸附至氣體散佈噴頭組件204的內部表面而未到達基板240，這會造成未充分地輸送前驅物至基板而導致非均勻的沉積及/或非均勻的膜生成。多個處理批次中，吸附在氣體散佈噴頭組件204的內部表面上的前驅物會產生「記憶效應」，其中吸附的前驅物材料在意外的時間間隔中無意地自表面脫落及/或由其他前驅物氣體攜帶至基板240。前驅物的意外脫落會有害地影響膜品質，上述影響係藉由在所欲時間間隔外將脫落的前驅物引導至基板240、藉由引導脫落的前驅物成為額外或過量的反應性氣體、及/或藉由引導脫落的前驅物成為膜中的微粒。施加至暴露於前驅物氣體的氣體散佈噴頭組件204的內部表面的塗層291的實施例藉由讓前驅物附著至金屬表面達到最小來避免或降低記憶效應。因此，減少前驅物吸附於氣體散佈噴頭組件204的表面上可維持有效率的氣體輸送並提供較大的流量控制與較銳利的開/關轉換’這造成膜品質的改良、所欲多重量子井的形成、及改善接合處摻雜區中的銳利度。
第4圖係根據本發明一實施例與來自第2圖的噴頭組件204的部分示意仰視圖。如圖所示，同心管構造包括外部氣體導管245與內部氣體導管246且配置成更緊密與更均勻的圖案，外部氣體導管245輸送來自第二處理氣體歧管204B的第二氣體而內部氣體導管246輸送來自第一處理氣體歧管204A的第一氣體。一實施例中，同心 管係設置成六角形緊密封裝配置。因此，將自第一處理氣體歧管204A與第二處理氣體歧管204B輸送的各個第一與第二處理氣體更均勻地輸送橫跨位於處理空間208中的基板240上，而造成顯著更佳的沉積均勻性。
綜上所述，本發明實施例包括具有同心管組件的氣體散佈噴頭組件204，同心管組件用以分別地輸送處理氣體進入處理腔室102的處理空間208。氣體散佈噴頭組件204以及處理腔室102的其他部分可包括配置於其上方的高放射率塗層291、296，以降低鄰近處理空間208的部件的放射率變化。塗層291、296提供較低的放射率△或處理中或批次之間的放射率變化(相較於新的部件表面及/或清潔過的部件表面)，這促進處理空間208中穩定的熱輻射。因此，根據本文所述實施例的加熱處理空間208的設定功率值更加穩定。這改善晶圓間重覆性，而無需調整處理參數及/或執行頻繁的腔室部件清潔。
相較於更傳統的處理腔室設計，已經發現藉由利用塗層291可更容易地維持對LED處理腔室(例如，處理腔室102)的處理空間208施加的熱量與自LED處理腔室(例如，處理腔室102)的處理空間208移除的熱量。塗覆的腔室部件(造成放射率變化的減少)通常導致晶圓間與晶圓中溫度的均勻性結果的改善，並因此導致改良的LED元件性能重複性。藉由利用本文所述的氣體散佈噴頭組件204，已經發現輸入能量停留在相當小的範圍中 以維持所欲的設定溫度，輸入能量係例如基板加熱源提供至基板的熱能，用以維持所欲的基板處理溫度，例如來自加熱元件223的傳導熱量或來自燈221A、221B的輻射熱量，輸入能量停留在相當小的範圍係例如施加至加熱源的功率變化約低於約0.5%，例如約0.5%至低於約0.2%之間，例如低於約0.12%。舉例而言，為了維持約1,000℃的設定溫度，施加至基板加熱源(例如，燈221A、221B)的功率變化低於100瓦。透過熱交換系統270的流體移除的熱量維持穩定的一實例中，為了維持約1,000℃的設定溫度，由基板加熱源提供至基板的熱能變化低於100瓦，熱能係用於達成基板處理溫度。另一實例中，為了維持約80,000瓦的設定功率，由基板加熱源提供至基板的熱能變化低於100瓦，80,000瓦的設定功率係用來達成約1,000℃的基板處理溫度。根據本文所述實施例，可大幅降低施加至燈221A、221B的功率變化及/或熱控制流體的溫度或流率變化，施加至燈221A、221B的功率變化及/或熱控制流體的溫度或流率變化係用以補償放射率浮動。
一實施例中，處理過程中應用的基板攜帶板112(第1圖)的表面積係約95,000平方毫米至約103,000平方毫米(例如，約100,000平方毫米)，並可基於此面積來改變輸入至燈221A與221B的功率以達成設定處理溫度。一實施例中，輸入至燈221A與221B的功率係約45kW以達成約900℃的處理溫度，處理溫度係測量於基板攜帶板 112的背側。另一實施例中，輸入至燈221A與221B的功率係約90kW以達成約1,050℃的處理溫度，處理溫度係測量於基板攜帶板112的背側。因此，基於基板攜帶板112的表面積，輸入至燈221A與221B的功率的功率密度可約為0.45瓦/平方毫米至約0.9瓦/平方毫米。
另一實施例中，處理過程中應用的氣體散佈噴頭組件204的表面積(即，表面289的面積)係約100,000平方毫米至約250,000平方毫米(例如，約200,000平方毫米)，並可基於此面積來改變輸入至燈221A與221B的功率以達成設定處理溫度。一實施例中，輸入至燈221A與221B的功率係約45kW以達成約900℃的處理溫度，處理溫度係測量於基板攜帶板112的背側。另一實施例中，輸入至燈221A與221B的功率係約90kW以達成約1,050℃的處理溫度，處理溫度係測量於基板攜帶板112的背側。因此，基於氣體散佈噴頭組件204的表面積，輸入至燈221A與221B的功率的功率密度可約為0.225瓦/平方毫米至約0.45瓦/平方毫米。
一實例中，取得十六次沉積處理循環的數據，且在十六次沉積與清潔循環上輸送至燈221A、221B的功率保持實質穩定。此實例中，在約80,000瓦的燈輸出功率下，其上具有塗層291的氣體散佈噴頭組件204經歷100瓦浮動，相較之下，未塗覆的氣體散佈噴頭組件的燈功率在相同燈輸出功率下具有8,000瓦浮動。因此，在十六次沉積處理循環上，其上具有塗層291的氣體散佈噴頭 組件204提供基板所在處理環境的熱控制的80X改善。此實例中，在沉積與清潔處理過程中監視輸送通過熱交換系統270與溫度控制通道204C的熱控制流體的溫度，以測定自氣體散佈噴頭組件204取走熱量的變化。在沉積過程中透過塗層291自氣體散佈噴頭組件204移除的能量係約15.3kW。已經發現且本領域技藝人士可理解若在處理批次之間一或更多基板處理溫度浮動超過數度(例如，+/-2.5℃)的話，LED元件良率將顯著改變。LED元件良率問題至少部分起因於處理批次之間膜厚度與形成的LED元件產生的光輸出中的變化。因此，本文所述實施例避免或最小化批次之間基板處理溫度變化或浮動，使其處於可接受範圍(即，低於+/-2.5℃)中，以重覆地產生具有實質相同膜厚度與光輸出的LED元件。已經發現藉由利用本文所述的塗層291，在800℃與1,300℃之間的所欲設定處理溫度(例如，約1,000℃)下的批次之間平均基板處理溫度範圍係低於約+/-2℃。因此，本文所述的塗層291的應用最小化處理批次之間的膜厚度變化與晶圓中的膜厚度變化，以產生具有實質相同光輸出特徵的LED元件。
其上具有塗層291的氣體散佈噴頭組件204的試驗顯示：膜厚度浮動出規格之前的清潔間之間隔的提高與處理批次數目的提高。舉例而言，其上具有塗層291的氣體散佈噴頭組件204用於80個處理批次同時保持膜厚度依循規格。這係相較於不具塗層的氣體散佈噴頭，不具 塗層的氣體散佈噴頭中的膜厚度在10個處理批次後浮動離開規格。因此，一態樣中，相較於約10次利用不具塗層的噴頭，如本文所述般其上具有塗層291的氣體散佈噴頭組件204提高原位清潔之前的處理批次數目至約80個。某些沉積處理中，已經發現可提高需要原位清潔之前的處理批次的數目至約300個。因此，本文所述的氣體散佈噴頭組件204藉由最小化腔室的停工時間來提高產量。其上具有塗層291的氣體散佈噴頭組件204的試驗亦顯示：鄰近處理空間208的表面中的溫度減少(例如，基板支撐構造214的表面的溫度減少)係約40℃。咸信基板支撐構造的溫度減少係因為塗層291的表面的較高放射率，因此塗層291改善自基板支撐構造214與基板至氣體散佈噴頭組件204的輻射熱傳送。因此，至基板支撐構造214的熱損失造成利用輸入至燈221A、221B的相同功率的氣體散佈噴頭組件204的溫度減少。
此外，配置於氣體散佈噴頭組件204上的塗層291傾向於隔離主體300與自燈221A、221B輸送的熱量。如上所述，由於塗層291的放射率增加，氣體散佈噴頭組件204將比未塗覆的噴頭組件吸收更多熱能。因此，相較於執行相同處理的未塗覆噴頭，由於塗層291的高放射率與絕緣性質，塗層291鄰近處理空間208的表面293將比未塗覆的金屬噴頭具有較大的表面溫度，這使得處理批次之間的原位清潔處理更具效率與效力。
雖然上述係針對本發明之實施例，但可在不悖離本發 明之基本範圍下設計出本發明之其他與更多實施例，本發明之基本範圍係由下方的申請專利範圍所決定。
A1、A2、A3‧‧‧流動路徑
D1、D2、D3‧‧‧內徑
100‧‧‧處理系統
102‧‧‧處理腔室
106‧‧‧傳送腔室
108‧‧‧裝載鎖定腔室
109‧‧‧批次裝載鎖定腔室
110‧‧‧裝載臺
112‧‧‧基板攜帶板
202‧‧‧腔室主體
203‧‧‧化學輸送模組
204A‧‧‧第一處理氣體歧管
204B‧‧‧第二處理氣體歧管
204C‧‧‧溫度控制通道
204D‧‧‧導管
204‧‧‧氣體散佈噴頭
205‧‧‧環狀排氣通道
206‧‧‧排氣導管
207‧‧‧真空泵
208‧‧‧處理空間
209‧‧‧排氣埠
210‧‧‧下部空間
211‧‧‧可密封開孔
212A、212B‧‧‧子歧管
214‧‧‧基板支撐構造
215‧‧‧箭頭
216‧‧‧環狀支撐環
218‧‧‧平板
219‧‧‧下部圓蓋
220‧‧‧排氣環
221A‧‧‧內部燈
221B‧‧‧外部燈
223‧‧‧加熱元件
226‧‧‧遠端電漿系統
240‧‧‧基板
245‧‧‧外部氣體導管
246‧‧‧內部氣體導管
255‧‧‧阻隔板
257、284‧‧‧孔
258‧‧‧第二處理氣體入口
259‧‧‧第一處理氣體入口
266‧‧‧反射器
270‧‧‧熱交換系統
276‧‧‧第一歧管壁
277‧‧‧第二歧管壁
278‧‧‧第三歧管壁
281‧‧‧淨化氣體氣室
282‧‧‧淨化氣體源
283‧‧‧淨化氣體管
288‧‧‧致動器
289、293‧‧‧表面
291、296‧‧‧塗層
292‧‧‧厚度
295‧‧‧內部表面
300‧‧‧主體
305A‧‧‧第一主要側邊
305B‧‧‧第二主要側邊
310A、310B、310C‧‧‧開孔
315‧‧‧內部塗層
320‧‧‧初級熱量
325‧‧‧次級熱量
330‧‧‧下部主體
335‧‧‧輻射能量
可參照實施例(某些實施例圖示於附圖中)與簡短概述於【發明說明】的本發明更明確描述來詳細理解本發明之上述特徵結構。然而，需注意附圖僅圖示本發明之典型實施例而因此不被視為本發明之範圍的限制因素，因為本發明可允許其他等效實施例。
第1圖係圖示根據本文所述實施例用以製造半導體元件的處理系統的一實施例的示意平面圖。
第2圖係根據本文的一實施例用以製造半導體元件的化學氣相沉積(CVD)腔室的示意橫剖面圖。
第3圖係第2圖所示細節A的放大圖。
第4圖係第2圖與根據本發明一實施例的噴頭組件的部分示意仰視圖。
為了促進理解，可盡可能應用相同的元件符號來標示圖式中相同的元件。預期一實施例之元件與特徵結構可有利地併入其他實施例而不需特別詳述。
A1、A2、A3．．．流動路徑
D1、D2、D3．．．內徑
112．．．基板攜帶板
204A．．．第一處理氣體歧管
204B．．．第二處理氣體歧管
204C．．．溫度控制通道
204D．．．導管
204．．．氣體散佈噴頭
208．．．處理空間
221A．．．內部燈
221B．．．外部燈
240．．．基板
245．．．外部氣體導管
246．．．內部氣體導管
255．．．阻隔板
259．．．第一處理氣體入口
276．．．第一歧管壁
277．．．第二歧管壁
278．．．第三歧管壁
289、293．．．表面
291．．．塗層
292．．．厚度
300．．．主體
305A．．．第一主要側邊
305B．．．第二主要側邊
310A、310B、310C．．．開孔
315．．．內部塗層
320．．．初級熱量
325．．．次級熱量
330．．．下部主體
335．．．輻射能量

Claims (22)

  1. 一種噴頭，該噴頭包括：一主體，該主體具有流體連通於一形成於該主體中之第一氣體通道的複數個第一氣體導管，以及流體連通於一第二氣體通道的複數個第二氣體導管，該些第二氣體導管各自流體隔離於該複數個第一氣體導管，該複數個第一與第二氣體導管各自延伸通過該主體至一終止於該主體的一主要表面的開孔；一多孔阻隔板，該多孔阻隔板配置於該第一氣體通道中；一塗層，該塗層係配置於該主要表面上，且該塗層係約50微米至約200微米厚，且該塗層包括：一至少約0.8的放射係數；一約180微英吋至約220微英吋的平均表面粗糙度；及一約15%或更低的孔隙度。
  2. 如請求項1之噴頭，其中該塗層係白色。
  3. 如請求項1之噴頭，其中該塗層係親水性。
  4. 如請求項3之噴頭，其中該塗層包括一在約0度與約90度之間的接觸角。
  5. 如請求項1之噴頭，其中該主體包括一金屬材料，該金屬材料具有一約80微英吋至約120微英吋的平均表面粗糙度。
  6. 如請求項5之噴頭，其中該金屬材料包括不銹鋼。
  7. 如請求項1之噴頭，其中該主要表面包括一約80微英吋至約120微英吋的平均表面粗糙度。
  8. 一種沉積腔室，該沉積腔室包括：一腔室主體，該腔室主體具有一內部空間，該內部空間係容納於該腔室主體的數個內部表面、一氣體散佈噴頭的數個內部表面與一圓蓋結構的數個內部表面之間；一基板支撐構造，該基板支撐構造係配置於該內部空間中，且該基板支撐構造與該氣體散佈噴頭呈一相對關係；及一或更多燈組件，該一或更多燈組件引導光線通過該圓蓋結構朝向相對於該氣體散佈噴頭之該基板支撐構造的一表面，其中該氣體散佈噴頭包括：一主體，該主體具有複數個氣體通道形成於主體中；一多孔阻隔板，該多孔阻隔板配置於該複數個氣體通道的一者中； 複數個導管，該複數個導管配置於該主體中，該複數個導管的至少一部分流體耦接至該複數個氣體通道的一者，且該複數個導管具有一開孔，該開孔延伸至該主體的該內部表面，以輸送一或更多氣體至該內部空間；及一塗層，該塗層係配置於該氣體散佈噴頭的該些內部表面上。
  9. 如請求項8之腔室，其中該腔室主體的該些內部表面包括一陶瓷塗層。
  10. 如請求項8之腔室，其中該塗層具有一至少約0.8的放射係數。
  11. 如請求項8之腔室，其中該塗層具有一約180微英吋至約220微英吋的平均表面粗糙度。
  12. 如請求項8之腔室，其中該塗層包括一陶瓷材料。
  13. 如請求項8之腔室，其中該主體包括一金屬材料，該金屬材料具有一約80微英吋至約120微英吋的平均表面粗糙度。
  14. 如請求項13之腔室，其中該金屬材料包括不銹鋼。
  15. 如請求項8之腔室，其中該塗層包括一約50微米至約200微米的厚度。
  16. 一種噴頭設備，該噴頭設備包括：一主體，該主體包括一傳導材料，該主體具有一第一主要側與一第二主要側；一溫度控制通道，該溫度控制通道配置於該第一主要側與該第二主要側之間；一第一氣體通道，該第一氣體通道配置於該第一主要側與該第二主要側之間；一阻隔板，該阻隔板配置於該第一氣體通道中並將該第一氣體通道分隔成兩個次歧管；一第二氣體通道，該第二氣體通道配置於該第一主要側與該第二主要側之間，其中該第一氣體通道流體隔離於該第二氣體通道；複數個第一氣體導管，該複數個第一氣體導管延伸通過該溫度控制通道，該複數個第一氣體導管適以自該第一氣體通道輸送一第一氣體通過該主體之該第二主要側中的數個開孔；複數個第二氣體導管，該複數個第二氣體導管延伸通過該溫度控制通道，該複數個第二氣體導管適以自該第二氣體通道輸送一第二氣體通過該主體之該第二主要側中的數個開孔；及 一塗層，該塗層係配置於該主體之該第二主要側上，該塗層具有的數個孔，該數個孔對齊於該主體之該第二主要側中的數個開孔。
  17. 如請求項16之設備，其中該塗層具有一約0.8的放射係數。
  18. 如請求項16之設備，其中該塗層具有一約180微英吋至約220微英吋的平均表面粗糙度。
  19. 如請求項16之設備，其中該塗層包括一陶瓷材料。
  20. 如請求項19之設備，其中該塗層包括一約50微米至約200微米的厚度。
  21. 如請求項16之設備’其中該些第一氣體導管的至少一者同心配置於該些第二氣體導管的至少一者中。
  22. 如請求項16之設備，其中該第二氣體通道配置於該第一氣體通道與該溫度控制通道之間。
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