TWI589724B - 熱絲化學氣相沉積腔室之噴頭設計 - Google Patents

熱絲化學氣相沉積腔室之噴頭設計 Download PDF

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Description

熱絲化學氣相沉積腔室之噴頭設計
本發明係關於一種用於處理基板的設備，該基板例如半導體基板，並且更特定言之，本發明係關於一種用於在基板上分配製程流體的設備。
半導體和大面積的基板處理系統通常包括具有基座的製程腔室，該基座用以在腔室內的處理區附近支撐諸如半導體基板的基板。腔室形成的真空外圍部分界定用於在基板上進行某些製程的處理區。這些製程可以包括沉積製程，例如化學氣相沉積(CVD)，以在基板上沉積材料，或是從基板去除材料的蝕刻反應。
大部分的CVD製程需要多種製程氣體在混合裝置中被組合並形成氣體混合物。該氣體混合物可以被直接輸送到CVD腔室內基板上方的處理區，或是該氣體混合物可以移動通過靠近CVD腔室上部的噴頭或氣體分配組件內的一或多個管道和通道。噴頭或氣體分配組件通常包括具有複數個孔或通道的面板，使得氣體混合物被均勻地引入處理區，並均勻地分佈於基板的整個表面上。
當製程氣體進入處理區時加熱製程氣體可能是必要的，以控制氣體的反應性並從而控制沉積在基板表面上的薄膜之性質。當氣態混合物被注入熱能時，製程氣體之間會發生熱分解反應，而在基板的表面上產生化學氣相沉積反應。此外，製程氣體的冷卻可以有助於在釋放進入處理區之前控制不想要的反應，因為製程氣體會抑制反應發生直到製程氣體接觸到加熱的基板。
一般來說，一或多種流體和製程氣體在被輸送到基板上方之前被以熱CVD製程加熱及/或被以電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程激發成電漿。電漿增強沉積製程或非常高的熱沉積溫度(例如超過800℃或高於1100℃)通常被用來在基板上沉積薄膜，並有助於防止和去除沉積薄膜中的雜質(例如非晶碳污染物)。此外，使用加熱氣體進行吹洗或清洗可以有助於從製程腔室去除污染物。
然而，當使用電漿或高的沉積溫度時，圖案化基板表面上的現存結構極常出現損壞。此外，PECVD製程遭受各種不希望出現的限制，例如：低的製程氣體利用率(例如約3%至20%)；沉積在基板表面上的薄膜之不良均勻性；電漿在沉積膜或基板本身誘導的缺陷引入；由於電接地的要求造成的靜態沉積；由於射頻要求造成的規模擴大困難；系統成本高；沉積速率低(例如對於矽約0.5nm/s)；以及需要使用三氟化氮(NF3，一種溫室氣體)清洗沉積室。因此，需要可用於較低的處理溫度而且不使用電漿的改良化學氣相沉積處理工具。
熱絲化學氣相沉積(HWCVD)製程可能適用於矽薄膜沉積。在HWCVD製程中，藉由具有一或多條支撐在CVD製程腔室中的金屬絲或細絲可以促進製程氣體的熱分解，使得在熱CVD製程中看到的形成電漿的需求或使用高處理溫度的需求可以被免除。通常藉由使電流通過細絲而將HWCVD製程腔室內部的金屬絲或細絲加熱到所需的溫度，從而導致在HWCVD製程腔室內從製程氣體產生自由基。
然而，沒有適用於實現HWCVD薄膜沉積製程之完整潛能的健全製造工具。由HWCVD製程進行的基板處理沒有比傳統的熱或電漿增強CVD製程得到更廣泛的使用。這些問題都與一些激發製程氣體與金屬絲的反應及因而來自熱絲源(金屬細絲)的金屬污染和在基板表面上的膜雜質、定期的腔室清洗以及定期的熱絲源故障和維修相關。由於沉積在基板表面上的薄膜之均勻性係由製程氣體的流量和熱分解反應所控制，故需要在製程氣體到達熱絲之前及/或在到達基板表面上方的處理區之前將製程氣體分離。
因此，發明人相信，有需要對HWCVD腔式進行噴頭設計，以允許在低溫HWCVD薄膜沉積製程中、在沒有電漿和分開輸送各種製程氣體且在到達處理區之前無氣體共混的情況下，經由熱絲激發一部分的製程氣體混合物。
本文所述之實施例係關於製程腔室及在熱絲輔助化學氣相沉積(HWCVD)製程中用於基板處理的方法。在一些實施例中，提供一種用於在基板表面上沉積薄膜層的製程腔 室。該製程腔室可以是具有單一噴頭組件的HWCVD製程腔室，該單一噴頭組件具有面板，該面板具有兩種或更多種類型的通道，用於分離不同的流體流動。或者，該HWCVD製程腔室可以包括兩個噴頭組件，其中至少一個噴頭組件包括雙區面板(例如具有兩種或更多種類型的通道)，並且至少一個另外的噴頭組件包括雙區面板或單區面板(例如具有至少一種類型的通道)。
在一些實施例中，該製程腔室包括位於第一來源入口和基板處理區之間的HWCVD金屬細絲組件。第一來源化合物被從該第一來源入口輸送通過該金屬細絲組件，並且該第一來源化合物在該基板處理區中形成該第一來源化合物之自由基而不形成任何電漿。噴頭組件位於該金屬細絲組件和該基板處理區之間。該噴頭組件包括面板及圍繞該面板的噴頭主體，該面板例如內部形成有兩種或更多種類型的通道之雙區面板。該噴頭主體包括流體管道，該流體管道連接至第二來源入口並且該流體管道設以輸送第二來源化合物通過該噴頭主體進入該面板，而不通過該金屬細絲組件並且不形成任何電漿。
在一些實施例中，該雙區面板可以包括複數個第一通道和複數個第二通道。該第一通道可被形成通過該雙區面板之上表面和下表面，並設以輸送處於自由基、流體及/或氣體的第一來源化合物進入基板處理區。該第二通道係被形成通過該雙區面板面向該基板處理區的下表面，並且該第二通道被連接到該噴頭主體之該流體管道，以將該第二來源化合 物輸入該基板處理區，而不使該第二來源化合物通過該金屬細絲組件，並且不接觸該第一通道或形成任何電漿。
在一些實施例中，該雙區面板係藉由將頂板和底板焊接在一起並且該頂板和該底板之間具有氣室所形成。該第一通道係被形成通過該頂板、該氣室及該底板，而不接觸該第二通道及/或該頂板和該底板之間的該氣室。該第二通道係從該氣室通過該底板所形成。在一些實施例中，該氣室被連接至該流體管道和該第二通道，用以輸送該第二來源化合物進入該基板處理區。
在一些實施例中，用於基板處理的製程腔室可以包括第一噴頭組件、第二噴頭組件及一或多條金屬細絲，該一或多條金屬細絲位於該第一噴頭組件和該第二噴頭組件之間。該第一噴頭組件被連接至第一來源入口，並且該第一噴頭組件被適以使第一來源化合物均勻地流過該製程腔室之該金屬細絲。該第二噴頭組件被連接至第二來源入口，並且該第二噴頭組件適以使第二來源化合物和該第一來源化合物之自由基流入基板處理區。該一或多條金屬細絲可以沿著該製程腔室內的該第一來源化合物之流動路徑位於該第一噴頭組件和該第二噴頭組件之間。
還提供了用於在製程腔室內處理基板的方法。在一些實施例中，說明性的方法包括：輸送第一來源化合物進入該製程腔室；輸送電流至一或多條該製程腔室之金屬細絲；以及使該第一來源化合物流過該一或多條金屬細絲，以產生該第一來源化合物之自由基；並使該第一來源化合物之該自 由基通過噴頭組件之面板內的複數個第一通道。輸送第二來源化合物進入該製程腔室內的該噴頭組件，並使該第二來源化合物流過該噴頭組件之該面板內的複數個第二通道，而不形成任何自由基或任何電漿。使該第二來源化合物與該第一來源化合物之該自由基在靠近該基板表面的處理區中反應，以在該基板表面上形成薄膜。
在一些實施例中，使該第二來源化合物流過該第二噴頭組件而不接觸該第一來源化合物或該第一來源化合物之自由基，直到到達該基板處理區。在另一個態樣中，該第一和第二來源化合物包含製程氣體(例如製程流體、前驅物化合物、載氣、惰性氣體等等)，用以在該基板表面上沉積薄膜層。在仍另一個態樣中，在低於熱CVD製程之溫度並且不使用電漿下，在該基板表面上由兩種或更多種來源化合物之混合物形成薄膜中，只有一部分的該混合物(例如該第一來源化合物)被輸送通過HWCVD來源之金屬細絲，而在該基板表面上與該第二來源化合物反應之前形成為自由基。
以下描述本發明之其他的和進一步的實施例。
100‧‧‧製程腔室
102‧‧‧腔室主體
104‧‧‧腔室蓋
106‧‧‧基板
108‧‧‧基板支座
109‧‧‧開口
110‧‧‧噴頭組件
111‧‧‧通道
115‧‧‧面板
116‧‧‧第一來源入口管線
118‧‧‧第一流體來源
120‧‧‧噴頭組件
121‧‧‧第一通道
122‧‧‧第二通道
124‧‧‧氣室
125‧‧‧面板
126‧‧‧管道
126A‧‧‧槽狀管道
127‧‧‧第二來源入口管線
128‧‧‧第二流體來源
129‧‧‧噴頭主體
130‧‧‧金屬細絲組件
131‧‧‧電力匯流排
132‧‧‧金屬細絲
133‧‧‧電力匯流排
134‧‧‧夾具
135‧‧‧細絲適配器
136‧‧‧電源
137‧‧‧終端連接器
138‧‧‧反射體屏蔽件
139‧‧‧襯墊
140‧‧‧基板支撐組件
152‧‧‧加熱通道
154‧‧‧冷卻通道
158‧‧‧凸緣
160‧‧‧阻隔板
162‧‧‧通孔
180‧‧‧基板處理區
600‧‧‧方法
620‧‧‧步驟
630‧‧‧步驟
640‧‧‧步驟
650‧‧‧步驟
660‧‧‧步驟
670‧‧‧步驟
D1‧‧‧直徑
T1‧‧‧厚度
為詳細瞭解上述本發明的特徵，可參照實施例而對以上簡單概述的本發明作更特定的描述，該等實施例中之一些實施例圖示在附圖中。然而應注意，附圖說明的只是本發明的典型實施例，因而不應將附圖說明視為是對本發明範圍作限制，因本發明可認可其他同樣有效的實施例。然而，可以藉由考量以下的詳細說明並結合附圖來輕易瞭解本發明之 教示。
第1圖為依據本發明之一些實施例的製程腔室之示意性側視圖。
第2圖為依據本發明之一些實施例的金屬細絲組件之示意性平面圖。
第3A圖為依據本發明之一些實施例具有單區面板的噴頭組件之平面圖。
第3B圖為第2A圖中圖示的面板之實例的示意性剖面圖。
第4A圖為依據本發明之一些實施例具有雙區面板的噴頭組件。
第4B圖為依據本發明之一些實施例具有另一種雙區面板的噴頭組件。
第4C圖為依據本發明之一些實施例的噴頭組件之雙區面板的示意圖。
第4D圖為第4C圖中圖示的雙區面板之實例的詳細視圖。
第4E圖為依據本發明之一些實施例的噴頭組件之噴頭主體的示意圖。
第4F圖為第4E圖中圖示的噴頭主體之實例的詳細視圖。
第5A圖為依據本發明之一些實施例對齊在具有雙區面板的噴頭組件之頂部上的金屬細絲組件之頂視圖。
第5B圖為依據本發明之一些實施例對齊在具有雙 區面板的噴頭組件之頂部上的另一個金屬細絲組件之頂視圖。
第6圖為依據本發明之一些實施例使用本文所述的製程腔室來處理基板的方法。
為了便於瞭解，已在可能處使用相同的元件符號來指稱對於圖式為相同的元件。亦構思到可以將一個實施例中揭示的元件有益地使用於其他實施例中而無需具體詳述。
本文所述的實施例和態樣係關於一種用於輸送製程流體到製程腔室以用於在基板上沉積薄膜或其他製程的設備。在HWCVD製程腔室中將氣體分配組件(例如具有雙區面板的噴頭組件)與HWCVD金屬細絲組件整合，以在多種製程氣體通過HWCVD金屬細絲和氣體分配噴頭組件時將該等製程氣體分離。在熱絲輔助的化學氣相沉積(HWCVD)製程中，用於薄膜的一或多種製程氣體或前驅物化合物在製程腔室內的基板表面附近在高溫下被熱分解，該基板表面上將沉積所需的薄膜材料(例如矽系材料)。藉由具有一或多條支撐在製程腔室中的金屬絲或細絲可以促進該熱分解反應，使得可以在HWCVD製程腔室內在比用於傳統熱CVD或PECVD製程腔室的處理溫度範圍更低的溫度範圍下進行基板處理。通常藉由使電流通過細絲並從而在HWCVD製程腔室內產生自由基，來將製程腔室內部的金屬絲或細絲加熱到所需的溫度。
提供將HWCVD細絲源與噴頭設計和溫度控制方面 整合的基板處理系統，以能夠在比熱CVD製程更低的溫度下進行基板沉積而不需要電漿，並且分開輸送和激發不同的製程氣體而無不同類型製程氣體的共混。還描述了一種使用熱絲輔助的製程腔室來從兩種或多種來源化合物沉積薄膜並改良基板106之表面上沉積的薄膜之品質的方法。
構思的是，使用HWCVD金屬細絲來激發多種來源化合物(例如前驅物化合物、製程氣體、載氣、惰性氣體、製程流體等)的一部分或薄膜沉積所需的流體混合物之一部分，以能夠在低的製程溫度範圍下進行薄膜沉積，並在所有的製程氣體正被輸入基板處理區並均勻地分佈在基板表面上之前將激發的製程氣體與其餘的來源化合物或製程氣體結合，以確保在基板的整個表面上均勻地發生沉積反應。可以將本發明的實施例使用於薄膜元件生產的製造中，該薄膜元件例如半導體元件、太陽能電池、薄膜電池、聚合物元件、可彎曲的光電元件以及可彎曲的電子元件，並且本發明的實施例可以具有一或多個以下的優點：低的沉積溫度、不需電漿、更有效率、成本較低、高產量以及可更容易擴展規模。
第1圖為製程腔室100的一個實例之剖面側視圖，製程腔室100具有熱絲金屬細絲源及具有分區氣體輸送機制的噴頭設計，以用於處理基板。製程腔室100通常包括被耦接到基板支撐組件140的腔室主體102、被耦接到噴頭組件120的腔室蓋104以及金屬細絲組件130，以在被放在基板支撐組件140上的基板106上進行HWCVD製程。在一個實施例中，製程腔室100是HWCVD製程腔室。在一些實施例中， 製程腔室100的腔室蓋104或天花板可以沿著凸緣158被耦接到腔室主體102，凸緣158支撐腔室蓋104並且該凸緣158提供將腔室蓋104固定於腔室主體102的表面。
第2圖為金屬細絲組件130的一個實例之局部示意頂視圖。如第1圖和第2圖所示，製程腔室100的金屬細絲組件130通常包含HWCVD來源並包括一或多條由細絲適配器135支撐的金屬絲或金屬細絲132。該一或多條金屬細絲132還可以是藉由細絲適配器135來回繞過金屬絲細組件130內的內部空間的單絲。
每個金屬細絲132是由任何適當的導電材料所組成，該導電材料例如鎢、鉭、銥或類似者。金屬細絲132可以被形成為任何適合提供所需溫度的厚度，以便利製程腔室100內的基板處理。例如，在一些實施例中，在適合覆蓋基板106之長度或直徑的長度下，每個金屬細絲132可以包含約0.1mm至約3mm的直徑，或在一些實施例中，每個金屬細絲132可以包含約0.5mm的直徑。
細絲適配器135被耦接到電源136，以提供電流來加熱連接到細絲適配器135的金屬細絲132。細絲適配器135可以用來作為金屬細絲132的支撐結構。此外，細絲適配器135被耦接到製程腔室100的腔室主體102，並且該細絲適配器135可以包括一或多個連接在一起的物件，以形成圍繞金屬細絲132的單一結構，或者該細絲適配器135可以被提供作為用於金屬細絲132的複數個支撐結構。在一個配置中，細絲適配器135的一些或全部的部件被直接組裝在腔室主體 102中或腔室主體102上。替代地或組合地，細絲適配器135可被組裝在製程腔室100的一些其他部件中或上。每個金屬細絲132經由兩個設以將金屬細絲132固持在該金屬細絲132之兩端的終端連接器137(或金屬絲支座)被連接到細絲適配器135。設置每個終端連接器137或金屬絲支座，以在製程腔室100內將金屬細絲132支撐在所期望的位置和配置，並在金屬細絲132被加熱到高溫時在細絲適配器135內將每個金屬細絲132保持拉緊。因此，金屬細絲132被保護在終端連接器137內部，而被電連接到細絲適配器135內的一或多個(+)電力匯流排131和(-)電力匯流排133。電力匯流排131、133又被連接到電源136，以在基板處理過程中提供電流到製程腔室100內的每個金屬細絲132。
終端連接器137可以是拉緊或非拉緊的連接器。每個終端連接器137可包括反射體屏蔽件138和夾具134。夾具134設以將金屬細絲132固定位置，並提供到金屬細絲132的電接觸，以方便加熱金屬細絲132。
設置反射體屏蔽件138來包圍和屏蔽終端連接器137內的金屬細絲132，因為當各金屬細絲132在製程腔室100內被加熱時可能會膨脹。每個反射體屏蔽件138可以包括界定圓筒形開口的內壁，以覆蓋該反射體屏蔽件中的金屬細絲132。反射體屏蔽件138的內壁可以被拋光，以將來自金屬細絲132的熱輻射反射回金屬細絲132。圓筒形開口之直徑可以為金屬細絲132之直徑的約2至約5倍。反射體屏蔽件138從夾具134到金屬細絲132連接到電力匯流排131、133的終 端之長度可以改變，並且該長度可以是例如約5mm至約50mm，取決於使用過程中的金屬絲直徑和金屬絲溫度。在一些實施例中，反射體屏蔽件138可以是管狀物。反射體屏蔽件138可以從夾具134延伸。或者，反射體屏蔽件138可以是夾具134的一部分。
此外，襯墊139可被用來包圍細絲適配器135，以最少化細絲適配器135之內表面(例如面向金屬細絲132的表面)上不想要的沉積或污染。替代地或組合地，可以使用一或多個腔室襯墊或屏蔽件來覆蓋製程腔室100內的腔室主體102之內部體積表面。可以設置襯墊139、腔室襯墊或屏蔽件，以防止沉積材料由於在製程腔室100內部流動的來源化合物或製程氣體而造成之不欲沉積及不良集合，並使清洗腔室部件更為容易。此外，襯墊、屏蔽件以及腔室襯墊的使用可以排除或減少不良清洗氣體的使用，該不良清洗氣體例如溫室氣體NF3。襯墊139、屏蔽件以及腔室襯墊可以是可移動的、可更換的及/或可清洗的，並且襯墊139、屏蔽件以及腔室襯墊可以由具有粗糙化表面的鋁(Al)所製造，以增強沉積材料的黏附性(以防止沉積材料剝落)。在一些實施例中，為了維護和清洗，可以藉由打開製程腔室100的上部來移除金屬細絲組件130、襯墊139、任何屏蔽件以及腔室襯墊。
參照回第1圖，可以經由腔室主體102一側附近的開口109將基板106傳送(例如藉由傳輸機器人)進出製程腔室100(例如在水平方向上，如第1圖的「IN」箭頭所示)，而將基板106放置在基板支座108的基板支撐表面上。將開 口109耦接到狹縫閥以密封製程腔室100，並在製程腔室100中以所需的處理壓力處理基板106。例如，在基板處理過程中，可以將製程腔室維持在約10托或更低壓力。基板106的形狀可以是圓形的或矩形的，並且基板106可以具有可供沉積的表面積為約700平方公分至約1平方公尺或更大的主側，例如基板106可以具有可供沉積的表面積為約2平方公尺至約5.7平方公尺或更大的主側。基板106可以是矽基板、玻璃基板、聚合物基板、金屬基板或其他適當的基板。
基板支撐組件140包括基座或基板支座108，基座或基板支座108具有面向噴頭組件120之面基板側的基板支撐表面。基板支座108被耦接到致動器，該致動器適以線性地(例如垂直向上或向下)及/或相對於噴頭組件120旋轉地移動基板支座108。例如，基板支座108可設以垂直地移動(例如在向上和向下的方向「S」，如第1圖所示)，以將基板106支撐在基板支座108上處於基板傳送位置(例如垂直低於開口109之垂直位置的位置)及/或基板處理位置(例如時常垂直高於基板傳送位置的位置。在一個實例中，基板支座108可以是在金屬細絲組件130下方水平靜止的，以進行靜態HWCVD沉積。作為另一個實例，基板支座108可以被水平地移動，以藉由使基板106通過HWCVD來源(例如金屬細絲組件130)下方而進行動態的HWCVD沉積。
基板支座108通常包括加熱元件(未圖示)，例如燈或電阻加熱元件，以在基板處理過程中將基板106加熱到所需的溫度。還可以將基板支座108耦接到電源，例如直流(DC) 電源(未圖示)，以提供對基板106的靜電吸附。此外，將腔室主體102耦接到一或多個排氣通道，該一或多個排氣通道至少部分地圍繞基板支座108。排氣通道可以被耦接到真空泵，以在腔室主體102中容納的容積內提供排氣及/或負的處理壓力。
在第1圖的實例中，在噴頭組件120的面基板側和位在基板支座108(例如在該基板支座108之基板處理位置)上的基板106之間形成基板處理區180。本文所述的實施例能夠輸送兩種或更多種不同的流體，例如製程流體、製程氣體、來源化合物、前驅物化合物、載氣、惰性氣體等等，而不會混合該等流體或化合物，直到到達基板106表面附近或正上方的基板處理區180。例如，製程氣體和前驅物化合物的混合可以受到控制，使得反應主要在基板處理區180發生。可以將腔室部件上不想要的沉積及顆粒產生最少化。此舉藉由減少顆粒及最少化用於腔室清洗的停機時間而增加了產量。
在基板106的表面上從兩種或更多種的來源化合物、製程氣體、流體、載氣來進行薄膜的沉積中，構思的是將該兩種或更多種的來源化合物之流動分離。可以使用兩種或更多種的製程流體、來源化合物及前驅物化合物的示例性薄膜處理反應包括薄膜沉積反應、蝕刻反應、基板清洗反應、腔室清洗反應等等。
設置的是，只有使一部分用於薄膜處理的反應混合物通過HWCVD細絲組件來被激發形成自由基。例如，在兩種或更多種來源化合物的基板處理反應中，輸送第一來源化 合物通過熱絲金屬細絲來源，例如金屬細絲組件130，使得該第一來源化合物被激發形成自由基或激發物種。防止第二來源化合物形成自由基、防止第二來源化合物與該第一來源化合物的自由基反應、防止第二來源化合物與金屬細絲132或任何其它的腔室部件反應，直到該第二來源化合物和該第一來源化合物的自由基到達基板106表面附近的基板處理區180，以確保該兩個來源化合物完全反應，並防止腔室部件上形成污染物。在一個實例中，該第一來源化合物可以包括但不限於含氮化合物、含氫化合物、銨等等。該第二來源化合物可以包括但不限於含矽來源化合物、矽烷、二矽烷等等，用以在基板的表面上形成以矽為基礎的薄膜。
如第1圖中所圖示，可以從第一流體來源118經由第一來源入口管線116將第一來源化合物輸送進入製程腔室100，並在到達基板處理區180之前通過金屬細絲組件130和噴頭組件120。此外，可以經由第二來源入口管線127將製程腔室100耦接到第二流體來源128，以將第二來源化合物輸送進入製程腔室內部的噴頭組件120，並且在第二來源化合物到達基板處理區180之前不通過金屬細絲組件130。在不偏離如本文所述的發明範圍之下，可以將用於輸送額外的製程氣體、前驅物化合物、載氣、流體或氣體的額外流體來源、來源入口、流體管線耦接到製程腔室100的部件。
另外，製程腔室可以包括額外的部件，以確保各種來源化合物在基板處理區180內均勻地流動和輸送，並平均地分佈於基板106的整個表面。在一個實例中，製程腔室可 以包括多孔板，例如具有複數個通孔162的阻隔板160。阻隔板160被耦接到腔室蓋104並且該阻隔板160被放置在第一來源入口管線116和金屬細絲組件130之間，以確保來自第一來源入口管線116的來源化合物和製程氣體均勻地分散進入金屬細絲組件130。
在另一個實例中，製程腔室100可以進一步包括位在第一來源入口管線116和金屬細絲組件130之間的第二噴頭組件，例如噴頭組件110。在一個配置中，製程腔室100可以包括阻隔板160和噴頭組件110兩者，其中噴頭組件110位在阻隔板160和金屬細絲組件130之間。阻隔板160和噴頭組件110可以由在電流被施加到金屬細絲132之後適以承受金屬細絲132的高溫的材料所製造或包含適以承受金屬細絲132的高溫的材料。例如，阻隔板160可以含有具有相對高熔點的含鎳材料。
噴頭組件110可被耦接到腔室蓋104，例如經由第1圖中圖示的凸緣158，並且噴頭組件110通常可以包括面板115及/或圍繞面板115的噴頭主體。噴頭組件110的面板115可以是內部具有兩種或更多種通道類型的雙區面板，或是內部具有一種通道類型(例如通孔)的單區面板，並且面板115設以輸送該第一來源化合物通過該面板115之通道，以通過金屬細絲組件130均勻地分佈該第一來源化合物。
第3A圖為噴頭組件110之單區面板的一個實例之平面圖。第3B圖為單區面板的一個實例之示意性剖面圖，例如在第3A圖中圖示的面板115。面板115通常包括複數個通孔， 例如一或多個具有直徑「D1」和厚度「T1」的通道111。
參照回第1圖，位於金屬細絲組件130和基板支撐組件140之間的噴頭組件120係由雙區面板和圍繞該雙區面板的噴頭主體所組成。在一般情況下，雙區面板包括具有兩種或更多種通道類型的面板及圍繞該面板的噴頭主體，該等通道形成進入該面板之內部。例如，製程腔室100內部的噴頭組件120通常包括噴頭主體129和雙區面板，例如面板125。
面板125可以包括兩種或更多種類型的通道，例如在該面板125中的複數個第一通道121和複數個第二通道122。在製程腔室100的實例中，面板125可以藉由焊接頂板和底板連同該頂板和該底板之間的氣室124而形成。也可以使用其他的方法來形成面板。在一個態樣中，第一通道121(或通孔)被形成為通過頂板、氣室124及底板，而不接觸第二通道122及/或該頂板和該底板之間的氣室124。第二通道122係從氣室124通過底板而形成。
噴頭主體129中可以包括管道126。如第1圖所圖示，將用於輸送第二來源化合物進入製程腔室100之噴頭組件120的第二來源入口管線127耦接至位於噴頭組件120之噴頭主體129內的管道126。在一個實例中，管道126可以延伸穿過圍繞面板125之週邊部分的噴頭主體129之一部分，並且該管道126被連接到面板125之第二通道122(例如經由氣室124)。
第4A-4B圖圖示具有雙區面板的噴頭組件之兩個實例。如第4A圖和第4B圖所圖示，當從面板125的頂板側面 向金屬細絲組件130觀看時，例如面板125的上表面，只設置了第一通道121。第4A圖和第4B圖說明性地圖示第一通道121的直徑可以改變，從而提供了一種控制第一來源化合物通過第一通道121的流動速度的方式。在一個實施例中，第一通道121的直徑大於第二通道122的直徑。
此外，噴頭組件120還可以包括一或多個冷卻通道，例如冷卻通道154，冷卻通道154被設置在噴頭主體129內(如第4A圖所圖示)或在面板內。冷卻通道154設以圍繞通道(例如第一通道121和第二通道122)並控制流入該等通道中的來源化合物之溫度。另外，噴頭組件120可以包括一或多個加熱元件或加熱通道，該加熱元件或加熱通道位在噴頭主體129或面板125中，以圍繞通道(例如第一通道121和第二通道122)並且該加熱元件或加熱通道設以控制流入該等通道的來源化合物之溫度。
另外，如第1圖所示，可以將加熱元件或加熱通道(例如加熱通道152)設置在金屬細絲組件130內。本文所提供的熱控制態樣亦能夠控制提供到基板處理區180的各種製程流體或氣體的溫度。這對製程腔室100內的製程提供了增強的控制，該製程例如沉積製程、蝕刻製程及類似者。在一個實例中，製程腔室100之基板處理區180內的基板處理被控制在70℃或更高的溫度，該溫度遠比傳統的熱CVD製程約700℃或更高的溫度更低。
第4C圖為第4A圖的雙區面板之實例從虛線「H」切穿的示意性剖面圖。第4D圖為第4C圖圖示的雙區面板之 一部分的詳細視圖。在第4C圖中，流經金屬細絲組件130的第一來源化合物被輸送通過第一通道121，第一通道121係通過噴頭組件120的面板125所形成，而第二來源化合物被從第二來源入口管線127輸送通過噴頭主體129內的管道126並圍繞面板125。此外，在管道126內流動的第二來源化合物被進一步輸入面板125內的氣室124，而經由第二通道122通過面板125，第二通道122被設置在噴頭組件120之面板125的一側；例如在底板的底表面側或面向基板支撐組件140及/或基板處理區180的一側。
在一個實施例中，面板125通常具有厚度「T2」，其中每個第一通道121具有相同的厚度「T2」。此外，每個第一通道121具有直徑「D2」，直徑「D2」大於第二通道122的直徑。通道直徑的差異可以有助於基板處理區內的製程反應，使得有更多第一來源化合物的激發自由基通過第一通道121，而與輸送自第二通道122的第二來源化合物反應。在另一個實施例中，第一通道121的直徑可以等於或小於第二通道122的直徑，以允許第一和第二來源化合物及被輸送通過第一和第二通道的各種製程氣體之最適化反應。
在另一個實施例中，每個第一通道121係位在兩個或更多個第二通道122之間。例如，在第4C圖和第4D圖中，每個第一通道121被4個第二通道122包圍。構思的是，面板125內的第一通道121和第二通道122之位置和分佈係設以增強第一來源化合物的自由基與第二來源化合物在噴頭組件120之面板125面向基板處理區180和基板支撐組件140 的下表面上、在基板處理區180內平均地並均勻地發生反應的機會。
第4E圖為噴頭組件之噴頭主體(例如噴頭主體129)的一個實例，並且第4F圖為第4E圖圖示的噴頭主體129之實例的詳細視圖。如第4E圖所圖示，使輸送自第二來源入口管線127的第二來源化合物在噴頭主體129內的管道126內流動，以通入氣室124和面板125的第二通道122。在一個實例中，管道126包括一或多個槽狀管道，該等槽狀管道延伸通過部分噴頭主體129(例如內部)並圍繞面板125的周邊部分一或多圈。例如，在第4E圖中，管道126徑向向內延伸一個半的圓圈。
在一個配置中，管道126可以被形成為複數個連接到面板125之氣室124的通道或槽狀管道126A。該複數個槽狀管道126A可以被平均地配置在噴頭主體129之內週部分內，以包圍面板125的周邊部分，並引導在管道126內輸送的第二來源化合物之流動通過槽狀管道126A，及確保面板125之氣室124內有多個流動平均分佈通過，此舉接著導致第二來源化合物均勻分佈於全部的該複數個第二通道122。
因此，使第二通道122形成通過雙區面板面向基板處理區180的下表面，而且將第二來源化合物從噴頭主體129的管道126和複數個槽狀管道126A輸送通過氣室124和面板125的第二通道122而進入基板處理區180，而不將第二來源化合物輸送通過金屬細絲組件130或形成任何電漿。
參照回第1圖，只有將部分的反應來源化合物、製 程氣體及載氣(例如第一來源化合物的流動)輸送通過金屬細絲組件130並激發形成自由基。將形成的第一來源化合物之自由基引導通過複數個第一通道121而到達基板處理區180，並在基板106的表面上與其餘的反應來源化合物反應。為了確保流過金屬細絲組件130之金屬細絲132的所有第一來源化合物被完全激發以及被激發的物種均勻分佈通過噴頭組件120的第一通道121，構思的是金屬細絲132的位置和製程腔室100內第一通道121的位置可以被調整並以最適化的配置對齊。
在一個架構中，可以藉由輸送自第一流體來源118的第一來源化合物之量和流動，沿著製程腔室100內的第一來源化合物之流動路徑控制進入基板處理區180的第一來源化合物的激發物種之量，包括阻隔板160之通孔162的厚度和配置和分佈、噴頭組件110之通道111的厚度「T1」和配置和分佈、其中配置的金屬細絲132之厚度和數量、噴頭組件120之第一通道121的厚度「T2」和配置和分佈、以及金屬細絲132與第一通道121的分佈之對齊。
第5A圖和第5B圖圖示從金屬細絲組件觀看控制HWCVD中金屬細絲組件在具有雙區面板的噴頭組件之頂部上的對齊之兩個實例。如所陳述的，可以調整使用的金屬細絲132之數量及設置在製程腔室100內的金屬細絲132之位置，使得金屬細絲132可以被配置成與或不與該等第一通道對齊。
在第5A圖的實例中，金屬細絲132的每根金屬絲 不與位在面板125之上表面上的第一通道121之孔對齊，以確保第一來源化合物在通過第一通道121進入基板處理區180之前完全被該等金屬細絲激發。例如，可將每個金屬細絲132配置成對齊每一列的第二通道122。
作為另一個實例，對於使用不同來源製程氣體的不同沉積製程，可以將金屬細絲132的每根金屬絲配置成與第一通道121的孔對齊，以使第一來源化合物的自由基在進入基板處理區180之前以較短的路徑更快地流動和輸送通過第一通道121。在一個實例中，如第5B圖所示，可以將金屬細絲132的每根金屬絲配置成每間隔第一通道中的一列才與第一通道121之孔對齊，以平衡更快流動和輸送通過第一通道121的第一來源化合物自由基及第一來源化合物的完全激發。
本文所述的來源化合物之流動描述旨在提出廣泛的雙區面板描述，並且不應被解釋或解讀為限制本文所述的噴頭態樣。雖然以下的描述是以介電材料的沉積進行說明，但發明人構思的是，此設備及方法亦可被用於沉積金屬及其他材料。據信，本文所述的雙區氣體噴頭允許單獨引入製程氣體到製程腔室及使用金屬細絲形成自由基，以避免在進入基板處理區之前的任何不良氣體反應和混合。雙區噴頭經由獨立的氣體引入及在中心和在噴頭邊緣的控制來提供更佳的均勻氣體分佈。可以使用的製程腔室100之實例包括PRODUCER®化學氣相沉積(CVD)系統以及其他的CVD系統，包括AKT® CVD系統，所有這些系統都可以向美國加州聖克拉拉的應用材料公司(Applied Materials,Inc.,of Santa Clara,California)取得。
第6圖為依據本發明的一個實施例使用本文所述的製程腔室處理基板的方法600之一個實例。在步驟610中，將第一來源化合物輸入製程腔室。例如，可從第一流體源118輸送第一來源化合物經過第一來源入口管線116進入金屬細絲組件130，並且該第一來源化合物可在製程腔室100內部被激發成自由基。在沉積含矽薄膜的製程中，其中被輸送通過HWCVD金屬細絲組件的第一來源化合物可以包括氮氣、氫氣、惰性氣體及上述氣體之組合。
方法600可以進一步包括在使第一來源化合物流過HWCVD製程腔室之金屬細絲組件的一或多條金屬細絲之前，輸送該第一來源化合物通過噴頭組件。該噴頭組件可以包括單區面板、雙區面板或其他類型的面板。
在步驟620中，電流被輸送到製程腔室內部的金屬細絲組件之一或多條金屬細絲。在步驟630中，使第一來源化合物流過該一或多條金屬細絲，以在HWCVD製程腔室內產生第一來源化合物的自由基。
在步驟640中，使第一來源化合物的自由基通過設置在金屬細絲組件和基板處理區之間的噴頭組件，以在基板處理區內獲得均勻分佈的、激發的第一來源化合物之自由基，從而使自由基均勻分佈於基板的整個表面。噴頭組件通常在該噴頭組件之面板內包括兩種或更多種類型的通道，而且第一來源化合物的自由基可以被輸送通過噴頭組件之面板內的複數個第一通道。
在步驟650中，將第二來源化合物輸入製程腔室內部的噴頭組件而不通過金屬細絲組件。例如，第二來源化合物可以被輸送通過噴頭組件之面板內的複數個第二通道。在一個實例中，在沉積含矽薄膜的製程中，其中防止第二來源化合物通過HWCVD金屬細絲組件，該第二來源化合物可以包括矽烷、二矽烷及上述化合物之組合。
因此，在步驟660中，將第二來源化合物輸送通過噴頭組件之面板內的複數個第二通道，而不形成任何的自由基或任何電漿而且不接觸第一來源化合物的自由基。接著，在步驟670中，將輸送通過第二通道的第二來源化合物之流動與輸送通過第一通道的第一來源化合物之自由基在靠近基板表面的基板處理區中混合及反應。然後，在基板表面上從第二來源化合物和第一來源化合物之自由基的混合物形成薄膜。使用了製程腔室內部的HWCVD來源，可以將製程腔室內部的溫度控制在低的溫度範圍，例如介於約50℃和約500℃之間的溫度範圍，甚至不需使用電漿。如此低的沉積溫度係遠低於通常要求1000℃或更高溫的傳統熱CVD製程。
因此，有了HWCVD腔室的噴頭設計內的製程氣體分離，許多在先前的設計中所看到的問題都得到了解決。例如，減少了在到達處理區域之前的瓦解(break down)、分解(decomposition)，或其他方式的製程氣體混合物反應。可以避免氣體混合裝置內的製程氣體污染、沉積在氣體混合裝置上或蝕刻氣體混合裝置、管道、通道、噴頭及其他的腔室部件或氣體分配組件之面板的孔和通道內部。此外，大量減少 了反應副產物、不想要的顆粒、膜中的雜質及污染物。最重要的是，本文所述的HWCVD沉積室大大改良了沉積在基板表面上的薄膜之品質及膜均勻性。
雖然前述係針對本發明之實施例，但在不偏離本發明之基本範圍的情況下，亦可設計出本發明之其他與深一層的實施例。
100‧‧‧製程腔室
102‧‧‧腔室主體
104‧‧‧腔室蓋
106‧‧‧基板
108‧‧‧基板支座
109‧‧‧開口
110‧‧‧噴頭組件
111‧‧‧通道
115‧‧‧面板
116‧‧‧第一來源入口管線
118‧‧‧第一流體來源
120‧‧‧噴頭組件
121‧‧‧第一通道
122‧‧‧第二通道
124‧‧‧氣室
125‧‧‧面板
126‧‧‧管道
127‧‧‧第二來源入口管線
128‧‧‧第二流體來源
129‧‧‧噴頭主體
130‧‧‧金屬細絲組件
132‧‧‧金屬細絲
134‧‧‧夾具
135‧‧‧細絲適配器
136‧‧‧電源
138‧‧‧反射體屏蔽件
139‧‧‧襯墊
140‧‧‧基板支撐組件
152‧‧‧加熱通道
154‧‧‧冷卻通道
158‧‧‧凸緣
160‧‧‧阻隔板
162‧‧‧通孔
180‧‧‧基板處理區

Claims (20)

  1. 一種用於處理一基板的製程腔室，包含：一基板支撐組件，位於一基板處理區下方，以將一基板支撐在上面；一腔室蓋，對向於該基板支撐組件且位於該基板處理區上方，該腔室蓋具有一第一來源入口，該第一來源入口設以輸送一第一來源化合物至該基板處理區；一金屬細絲組件，耦接至該腔室蓋並設置在該基板支撐組件與該第一來源入口之間，該金屬細絲組件包含：一細絲適配器，具有一內部空間並支撐該內部空間內的一或多條金屬細絲；以及一加熱通道，設置在該金屬細絲組件內且設置在該內部空間附近；以及一噴頭組件，位於該金屬細絲組件和該基板支撐組件之間，該噴頭組件包含：一雙區面板，具有複數個第一通道和第二通道；其中該第一來源化合物被從該第一來源入口輸送通過該金屬細絲組件和該等第一通道，並且該第一來源化合物在該基板處理區中形成該第一來源化合物之自由基而不形成任何電漿；及一噴頭主體，包含一流體管道，該流體管道圍繞該雙區面板，以使一第二來源化合物在該流體管道中流動，並將該第二來源化合物從該噴頭主體輸送進入該雙區面板，其中該第二來源化合物可以通過該雙區面板之 該等第二通道而不與該等第一通道接觸，並且不會形成任何自由基或電漿，而且該第二來源化合物被輸入該基板處理區，以在該基板之一表面上與該第一來源化合物之該自由基反應。
  2. 如請求項1所述之製程腔室，進一步包含：一阻隔板，位於該金屬細絲組件和該第一來源入口之間。
  3. 如請求項2所述之製程腔室，進一步包含：一第二噴頭組件，位於該金屬細絲組件和該第一來源入口之間。
  4. 如請求項1所述之製程腔室，進一步包含：一第二噴頭組件，位於該金屬細絲組件和該第一來源入口之間。
  5. 如請求項4所述之製程腔室，其中該第二噴頭組件包含一面板，該面板係選自於由一單區面板、一雙區面板及該單區面板和該雙區面板之組合所組成之群組。
  6. 如請求項1所述之製程腔室，其中該金屬細絲組件被連接至一電源，以輸送一電流通過該一或多條金屬細絲，並在該製程腔室內形成該第一來源化合物之該自由基。
  7. 如請求項1所述之製程腔室，其中該等第一通道係被形成通過該雙區面板之一上表面和一下表面，以將處於流體、氣體及/或自由基的該第一來源化合物輸入該基板處理區。
  8. 如請求項7所述之製程腔室，其中該等第二通道係被形成於該雙區面板面向該基板處理區的該下表面上，並且該等第二通道被連接至該噴頭主體之該流體管道，以將該第二來源化合物輸入該基板處理區，而不使該第二來源化合物通過該金屬細絲組件或形成任何電漿。
  9. 如請求項1所述之製程腔室，其中該等第一通道之直徑大於該等第二通道之直徑。
  10. 如請求項1所述之製程腔室，其中每個第一通道係位於兩個或更多個第二通道之間，該等第二通道位在該噴頭組件之該雙區面板的一下表面上，並且每個第一通道係設以提高該第一來源化合物之該自由基與該第二來源化合物反應的機會。
  11. 如請求項1所述之製程腔室，其中該噴頭主體之該流體管道係連接至一第二來源入口，以將該第二來源化合物輸入該製程腔室。
  12. 如請求項1所述之製程腔室，其中該噴頭組件進一步包 含以下中之至少一者：一或多個冷卻通道；或一或多個加熱元件或加熱通道。
  13. 如請求項1所述之製程腔室，其中該噴頭組件之該雙區面板係藉由將一頂板和一底板焊接在一起並且該頂板和該底板之間具有一氣室所形成，其中該氣室連接至該流體管道和該等第二通道，以輸送該第二來源化合物。
  14. 如請求項13所述之製程腔室，其中該等第一通道係被形成通過該頂板、該氣室及該底板，而不接觸該等第二通道或該頂板和該底板之間的該氣室，以及其中該等第二通道係從該氣室通過該底板所形成。
  15. 一種用於處理一基板的製程腔室，包含：一基板支撐組件，上面支撐一基板並位於一基板處理區附近；一腔室蓋，對向於該基板支撐組件且位於該基板處理區上方，該腔室蓋具有一第一來源入口，該第一來源入口設以輸送一第一來源化合物至該基板處理區；一金屬細絲組件，耦接至該腔室蓋並設置在該基板支撐組件與該第一來源入口之間，該金屬細絲組件包含：一細絲適配器，具有一內部空間並支撐該內部空間內的一或多條金屬細絲；以及 一加熱通道，設置在該金屬細絲組件內且設置在該內部空間附近；一第一噴頭組件，位於該第一來源入口和該金屬細絲組件之間並具有複數個孔，以允許該第一來源化合物的流動通過；以及一第二噴頭組件，位於該金屬細絲組件和該基板支撐組件之間，該第二噴頭組件包含：一雙區面板，具有複數個第一通道和第二通道；其中該第一來源化合物被從該第一來源入口輸送通過該金屬細絲組件和該等第一通道，並且該第一來源化合物在該基板處理區中形成該第一來源化合物之自由基而不形成任何電漿；及一噴頭主體，該噴頭主體包含一流體管道，該流體管道連接至一第二來源入口，以將一第二來源化合物輸入該製程腔室，該流體管道圍繞該雙區面板，以使該第二來源化合物在該流體管道中流動，並且從該噴頭主體輸送該第二來源化合物進入該雙區面板，其中該第二來源化合物可以通過該雙區面板之該等第二通道而不與該等第一通道接觸，並且不會形成任何自由基或電漿，而且該第二來源化合物被輸入該基板處理區，以在該基板之一表面上與該第一來源化合物之該自由基反應。
  16. 如請求項15所述之製程腔室，進一步包含：一阻隔板，位於該第一噴頭組件和該第一來源入口之間。
  17. 如請求項1所述之製程腔室，其中該一或多條金屬細絲的每個進一步包含：兩個終端連接器，其中每個終端連接器將該一或多條金屬細絲的一對應端耦接至該細絲適配器並提供該金屬細絲與該細絲適配器之間的一電連接。
  18. 如請求項1所述之製程腔室，其中該等第一通道與該一或多條金屬細絲對齊。
  19. 如請求項1所述之製程腔室，其中該等第一通道不與該一或多條金屬細絲對齊，且其中該等第二通道與該一或多條金屬細絲對齊。
  20. 如請求項1所述之製程腔室，其中該等第一通道被排列為複數個平行列，其中該一或多條金屬細絲被排列為複數個平行列，且其中該一或多條金屬細絲與該等第一通道僅在每間隔該等第一通道中的一列時對齊。
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