TWI616555B - 應用於半導體設備之噴氣裝置 - Google Patents

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Abstract

一種應用於半導體設備之噴氣裝置，其包含容座殼體、轉動主軸及氣 體輸出分配單元。容座殼體係套接於轉動主軸之一端，且轉動主軸包含複數個磁流體封合及複數個輸氣管。磁流體封合相互間隔套設於轉動主軸上，且每兩相鄰磁流體封合與容座殼體形成一進氣腔體，而每一進氣腔體分別用以輸入一反應氣體。輸氣管係嵌設於轉動主軸中，用以傳輸反應氣體。氣體輸出分配單元係配置於轉動主軸之另一端，且氣體輸出分配單元兩端分別連接一頂棚及一承載座。其中，氣體輸出分配單元更包含複數個層板，分別依序間隔連接於轉動主軸之另一端，以形成複數個氣體輸出層，且分別用以對應輸出反應氣體其中之一。

Description

應用於半導體設備之噴氣裝置
本發明係有關一種應用於半導體設備之噴氣裝置，特別是關於一種應用於化學氣相沈積(CVD)系統之具有垂直分層氣體傳送分佈之旋轉主軸的噴氣裝置。
於目前常見半導體製程之化學氣相沈積(CVD)系統設備中，其噴氣裝置係由中心固定軸進氣而予以輸出至承載座，且承載座係另外透過驅動馬達以驅動進行轉動。
舉例而言，如第一圖所示之一般習知傳統應用於化學氣相沈積(CVD)製程設備之結構側視圖，噴氣裝置100包含中心固定軸110、承載座120、頂棚130及驅動馬達140。中心固定軸110係用以支撐固定承載座120，並且連接至頂棚130，同時亦提供輸入反應氣體114至承載座120。其中，不同反應氣體114A-114C係直接透過輸出單元112，予以同層傳送分佈至承載座120。此外，承載座120及其承載的晶圓，則是透過外部驅動單元140而以中心固定軸110為中心進行轉動。然而於此裝置中，反應氣體114A-114C不但容易於輸出單元112之出口處即相互產生混合，且此些反應氣體亦不具有溫度控制機制，另外驅動馬達140亦佔了系統設備相當大的體積空間。
因此，亟需發展出一種應用於半導體設備之噴氣裝置，使其輸出反應氣體具有垂直分布流動至承載座，並且藉由中心軸使承載座產生轉動以大幅降低系統設備統體的體積大小。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種應用於半導體製程之化學氣相沈積(CVD)系統之噴氣裝置，其主要係藉由具有氣體分層傳送功能的磁流體封合(Ferrofluid seal)，將外部的製程反應氣體予以導引至製程腔室中，並且反應氣體亦於腔室中分層噴射以進行半導體製程。
根據本發明之一實施例，一種應用於半導體設備之噴氣裝置，其包含容座殼體、轉動主軸及氣體輸出分配單元。殼體係套接於轉動主軸之一端，且轉動主軸包含複數個磁流體封合及複數個輸氣管。磁流體封合相互間隔套設於轉動主軸上，且每兩相鄰磁流體封合與容座殼體形成一進氣腔體，而每一進氣腔體分別用以輸入一反應氣體。輸氣管係嵌設於轉動主軸中，用以傳輸反應氣體。氣體輸出分配單元係配置於轉動主軸之另一端，且氣體輸出分配單元兩端分別連接一頂棚(Ceiling)及一承載座(susceptor)。其中，氣體輸出分配單元更包含複數個層板，分別依序間隔連接於轉動主軸之另一端，以形成複數個氣體輸出層，且分別用以對應輸出反應氣體其中之一。
100‧‧‧噴氣裝置
110‧‧‧中心固定軸
112‧‧‧輸出單元
114‧‧‧反應氣體
114A‧‧‧反應氣體
114B‧‧‧反應氣體
114C‧‧‧反應氣體
120‧‧‧承載座
130‧‧‧頂棚
140‧‧‧驅動馬達
200‧‧‧噴氣裝置
210‧‧‧容座殼體
220‧‧‧轉動主軸
222‧‧‧磁流體封合
224‧‧‧輸氣管
224A‧‧‧第一輸氣管
224B‧‧‧第二輸氣管
224C‧‧‧第三輸氣管
226‧‧‧凸部
229‧‧‧連接套件
230‧‧‧氣體輸出分配單元
231‧‧‧層板
232‧‧‧上層板
233‧‧‧中層板
234‧‧‧下層板
235‧‧‧輔助溝槽
236‧‧‧滾珠
240‧‧‧氣體輸出層
240A‧‧‧第一氣體輸出層
240B‧‧‧第二氣體輸出層
240C‧‧‧第三氣體輸出層
250‧‧‧進氣腔體
250A‧‧‧第一進氣腔體
250B‧‧‧第二進氣腔體
250C‧‧‧第三進氣腔體
260‧‧‧反應氣體
260A‧‧‧第一反應氣體
260B‧‧‧第二反應氣體
260C‧‧‧第三反應氣體
270‧‧‧頂棚
272‧‧‧墊件
280‧‧‧承載座
290‧‧‧冷卻單元
292‧‧‧通道口
D1-D1‧‧‧第一剖面線
D2-D2‧‧‧第二剖面線
D3-D3‧‧‧第三剖面線
A‧‧‧局部放大圖
第一圖係繪示一般傳統應用於化學氣相沈積(CVD)製程設備之結構側視圖。
第二A圖係顯示根據本發明一實施例之一種應用於半導體設備之噴氣裝置的組合結構之剖面圖。
第二B圖係顯示第二A圖之噴氣裝置的元件分解圖。
第二C圖係繪示根據本發明另一實施例之噴氣裝置的部分元件分解圖。
第二D圖係繪示本發明之轉動主軸與輸氣管的配置示意圖。
第二E係繪示沿著第二D圖之第一剖面線D1-D1所繪示之輸氣管剖面示意圖。
第二F圖係繪示沿著第二D圖之第二剖面線D2-D2所繪示之輸氣管剖面示意圖。
第二G圖係繪示沿著第二D圖之第三剖面線D3-D3所繪示之輸氣管剖面示意圖。第二H圖係繪示本發明之輸氣管與氣體輸出層的配置示意圖。
第二I圖係繪示根據本發明一實施例的頂棚與第一輸氣管的配置示意圖。
第三圖係顯示第二A圖之局部放大圖A。
請參考第二A圖及第二B圖，其分別顯示本發明一實施例之一種應用於半導體設備之噴氣裝置的組合結構部分剖面圖及分解圖。如圖所示，一種應用於半導體設備之噴氣裝置200，其包含容座殼體210、轉動主軸220、氣體輸出分配單元230。殼體210係套接於轉動主軸220之一端，且轉動主軸220包含複數個磁流體封合(Ferrofluid seal)222及複數個輸氣管224。磁流體封合222係相互間隔套設於轉動主軸220上，且每兩相鄰磁流體封合222與容座殼體210之間存在一進氣腔體250，而每一進氣腔體250係分別用以輸入一反應氣體260。輸氣管224係 嵌設於轉動主軸220中，用以傳輸反應氣體260。氣體輸出分配單元230係配置於轉動主軸220之另一端，且氣體輸出分配單元230兩端分別連接一頂棚270(Ceiling)及一承載座280(susceptor)。其中，氣體輸出分配單元230更包含複數個層板231，分別依序間隔連接於轉動主軸220之另一端，以形成複數個氣體輸出層240，且分別用以對應輸出反應氣體260其中之一。
如第二A圖所示，於本實施例中，層板231與頂棚270係依序連接於轉動主軸220之一端，且承載座280係藉由一連接套件229套接於轉動主軸220之一端上，如此一來，乘載座280所配置的晶圓則於製成過程中係皆採正面朝上(Face-up)的配置方式。
惟本發明不以此為限，層板231、頂棚270及承載座280之間配置結構關係，其亦可根據實據製程及設計需求而予以變化。舉例而言，請參照第二C圖，其係繪示本發明另一實施例之一種應用於半導體設備之噴氣裝置的元件分離示意圖，其中頂棚270、層板231與承載座280係依序連接於轉動主軸220之一端，其中頂棚270係藉由一連接套件229套接於轉動主軸220之一端上。藉此配置結構，乘載座280所配置的晶圓則於製成過程中係皆採正面朝下(Face-down)的配置方式。
其次，於本發明之另一實施例中，噴氣裝置200係可更包含一冷卻單元290，配置於轉動主軸220之中心。冷卻單元290係用以循環傳輸一冷卻液體於轉動主軸220內，使冷卻液體從冷卻單元290底部之通道口292傳輸流動至轉動主軸220之頂部，以帶走頂棚270、層板231與承載座280區域的熱量後，再從通道口292流出散熱，從而予以提供對應有效的溫度調控機制。
請繼續參照第二A圖，於此實施例中，進氣腔體250所輸入之反應氣體260係彼此皆不相同。舉例而言，反應氣體260可以分別為有機金屬分子(Mo source)及承載氣體(carrier gas)所組成的製程反應氣體與V族分子(Hydride source)及承載氣體的製程反應氣體等等，並藉由不同的進氣腔體250予以各自獨立地進入至轉動主軸220中，其中當轉動主軸220進行轉動時，磁流體封合222係可用以提供氣體封合之功效作用，進而避免防止製程反應氣體互漏預混，接著之後再透過氣體輸出分配單元230及具垂直分布的氣體輸出層240，從而進行分層噴射輸入至製程腔室中。
再者，於此實施例中，轉動主軸220可具有複數個相互間隔之凸部226，而每一磁流體封合222對應套設於每一凸部226，且輸氣管224係嵌設於凸部226中。更具體地說，每兩相鄰凸部226與容座殼體210的內側壁之間形成獨立封閉的環狀進氣腔體250。另外，輸氣管224係以硬焊(Braze)方式嵌設於固定凸部224中，進而有效避免不同進氣腔體250中之反應氣體250，相互外洩混合。
於本實施例中，轉動主軸220係具有四個磁流體封合222，且磁流體封合222係分別間隔排列而與容210座殼體形成第一進氣腔體250A、第二進氣腔體250B及第三進氣腔體250C，以分別輸入第一反應氣體260A、第二反應氣體260B及第三反應氣體260C。另一方面，如第三圖顯示之第二A圖之局部放大圖A所示，氣體輸出分配單元230中的層板231則可包含一上層板232、一中層板233及一下層板234，用以形成複數個相互垂直堆疊的氣體輸出層240，其可依序形成一第一氣體輸出層240A、一第二氣體輸出層240B及一第三氣體輸出層240C。
再者，請繼續同步參照第二D圖至第二H圖，其中第二D圖繪示本發明轉動主軸與輸氣管的配置示意圖，第二E圖至第二G圖係繪示分別沿著第二 D圖之第一剖面線D1-D1、第二剖面線D2-D2及第三剖面線D3-D3所繪示之輸氣管剖面示意圖，而第二H圖係繪示本發明輸氣管與氣體輸出層的配置示意圖。其中，輸氣管224可包含複數個第一輸氣管224A、複數個第二輸氣管224B及複數個第三輸氣管224C。每一第一輸氣管224A之入口與出口係分別設置於第一進氣腔體250A及第一氣體輸出層240A，用以將第一反應氣體260A自第一進氣腔體250A導引傳輸至第一氣體輸出層240A，予以進行噴射輸出。每一第二輸氣管224B之入口與出口係分別設置於第二進氣腔體250B及第二氣體輸出層240B，用以將第二反應氣體260B自第二進氣腔體250B導引傳輸至第二氣體輸出層240B，予以進行噴射輸出。相同地，每一第三輸氣管224C之入口與出口係分別設置於第三進氣腔體250C及第三氣體輸出層240C，用以將第三反應氣體260C自第三進氣腔體250C導引傳輸至第三氣體輸出層240C，予以進行噴射輸出。
然而，於本發明之一較佳實施例中，第一輸氣管224A、第二輸氣管224B及第三輸氣管224C的數量皆為N個，且N為大於2的正整數。舉例而言，如第二D圖所示，第一輸氣管224A、第二輸氣管224B及第三輸氣管224C的數量皆為6個。再者，第一輸氣管224A之入口與出口係分別均勻分布設置於第一進氣腔體250A及第一氣體輸出層240A，第二輸氣管224B之入口與出口係分別均勻分布設置於第二進氣腔體250B及第二氣體輸出層240B，且第三輸氣管224C之入口與出口係分別均勻分布設置於第三進氣腔體250C及第三氣體輸出層240C。
另外，請參照第三圖顯示之第二A圖之局部放大圖A，於本發明之實施例中，下層板234係可依實際製程需求而鎖固於乘載座280上，且下層板234之底部可更具有一輔助溝槽235，其中該第一輔助溝槽235中設置複數顆滾珠236，用以當該轉動主軸進行轉動旋轉時提供支撐。再者，於此實施例中，滾珠 236之材質與外觀分別為陶瓷材質與球體外觀，惟本發明不以此為限，其他適切之材質外觀亦可適用之。
此外，氣體輸出分配單元230中之層板231，例如上層板232、中層板233及下層板234，其與頂棚270及承載座280係可根據實際製程需求，而相互拆卸分解及重複組接拼裝，以提高使用操作上的便利性。
於本發明之一實施例中，層板231中的上層板232、中層板233及下層板234之至少其中之一可以為水平配置，而另一層板231則可為歪斜配置，如此藉由層板之間的配置變化，將可改變氣體輸出層240之氣體輸出口大小，從而可用以調整反應氣體260從氣體輸出層240輸出的流速及分布。於本發明之另一實施例中，層板231其中之一的中心區域厚度則係可大於外圍區域厚度，或/且層板231其中之一的中心區域厚度係可小於外圍區域厚度，如此透過層板231相互間的厚薄度差異，以對應改變氣體輸出層240之氣體輸出口大小，從而調整輸出氣體260的流速及分布。
接著，請繼續參照第二I圖，其繪示根據本發明之一實施例的頂棚與第一輸氣管的配置示意圖。如圖所示，頂棚270可更包含一墊件272，其設置頂棚270之中心處，當頂棚設置於層板231上方時，墊件272係可用以配置連接於層板231上。另外，墊件272亦可具有複數個凹口，其可分別對應設置第一輸氣管224A之出口，使第一反應氣體260A可對應集中地往第一氣體輸出層240A之出口予以傳送輸出。惟本發明不以此為限，層板231，例如上層板232或中層板233亦可依需求設計而具有墊件及其凹口，以有效集中反應氣體260之輸出方向。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
200‧‧‧噴氣裝置
220‧‧‧轉動主軸
222‧‧‧磁流體封合
224‧‧‧輸氣管
226‧‧‧凸部
230‧‧‧氣體輸出分配單元
234‧‧‧下層板
250‧‧‧進氣腔體
250A‧‧‧第一進氣腔體
250B‧‧‧第二進氣腔體
250C‧‧‧第三進氣腔體
260‧‧‧反應氣體
260A‧‧‧第一反應氣體
260B‧‧‧第二反應氣體
260C‧‧‧第三反應氣體
270‧‧‧頂棚
280‧‧‧承載座
290‧‧‧冷卻單元
292‧‧‧通道口
A‧‧‧局部放大圖

Claims (17)

  1. 一種應用於半導體設備之噴氣裝置，包含：一容座殼體；一轉動主軸，其中該殼體套接於該轉動主軸之一端，且該轉動主軸包含：複數個的磁流體封合(Ferrofluid seal)，相互間隔套設於該轉動主軸上，且每兩相鄰該些磁流體封合與該容座殼體之間存在一進氣腔體，而每一該進氣腔體分別用以輸入一反應氣體；及複數個輸氣管，嵌設於該轉動主軸中，用以傳輸該些反應氣體；及一氣體輸出分配單元，配置於該轉動主軸之另一端，且該氣體輸出分配單元兩端分別連接一頂棚(Ceiling)及一承載座(susceptor)，其中該氣體輸出單元包含：複數個層板，分別依序間隔連接於該轉動主軸之另一端，以形成複數個氣體輸出層，且分別用以對應輸出該些反應氣體其中之一。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該些層板與該頂棚(Ceiling)係依序連接於該轉動主軸之一端，且該承載座(susceptor)係藉由一連接套件套接於該轉動主軸之一端上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該頂棚(Ceiling)、該些層板與該承載座(susceptor)係依序連接於該轉動主軸之一端，且該頂棚(Ceiling)係藉由一連接套件套接於該轉動主軸之一端上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該些進氣腔體所輸入之該些反應氣體皆不相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中轉動主軸具有複數個相互間隔之凸部，而每一該磁流體封合對應套設於每一該凸部，且該些輸氣管係嵌設於該些凸部中。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該些輸氣管係以硬焊(Braze)方式嵌設於固定該些凸部中。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該轉動主軸具有四個磁流體封合，而與該容座殼體形成第一進氣腔體、第二進氣腔體及第三進氣腔體，以分別輸入第一反應氣體、第二反應氣體及第三反應氣體。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該些層板包含一上層板、一中層板及一下層板，用以依序形成一第一氣體輸出層、一第二氣體輸出層及一第三氣體輸出層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該些輸氣管包含：複數個第一輸氣管，其中每一該第一輸氣管之入口與出口係分別設置於該第一進氣腔體及該第一氣體輸出層，用以將該第一反應氣體自該第一進氣腔體導引傳輸至該第一氣體輸出層，進行噴射輸出；複數個第二輸氣管，其中每一該第二輸氣管之入口與出口係分別設置於該第二進氣腔體及該第二氣體輸出層，用以將該第二反應氣體自該第二進氣腔體導引傳輸至該第二氣體輸出層，進行噴射輸出；及 複數個第三輸氣管，其中每一該第三輸氣管之入口與出口係分別設置於該第三進氣腔體及該第三氣體輸出層，用以將該第三反應氣體自該第三進氣腔體導引傳輸至該第三氣體輸出層，進行噴射輸出。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該些第一輸氣管、該些第二輸氣管及該些第三輸氣管的數量皆為N個，且N為大於2的正整數。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該些第一輸氣管之入口與出口係分別均勻分布設置於該第一進氣腔體及該第一氣體輸出層，該些第二輸氣管之入口與出口係分別均勻分布設置於該第二進氣腔體及該第二氣體輸出層，且該些第三輸氣管之入口與出口係分別均勻分布設置於該第三進氣腔體及該第三氣體輸出層。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該下層板係鎖固於該乘載座之一端上，且該下層板之底部具有一輔助溝槽，其中該輔助溝槽中設置複數顆滾珠，用以當該轉動主軸進行轉動旋轉時提供支撐。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該些滾珠之材質為陶瓷。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該氣體輸出分配單元中之該些層板與該頂棚(Ceiling)及該承載座(susceptor)係可相互拆卸分解及組接拼裝。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該些層板其中之一為水平配置，或/且該些層板其中之一為歪斜配置。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中該些層板其中之一的中心區域厚度係大於外圍區域厚度，或/且該些層板其中之一的中心區域厚度係小於外圍區域厚度。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之應用於半導體設備之噴氣裝置，其中更包含一冷卻單元，配置於該轉動主軸之中心，用以循環傳輸一冷卻液體於該轉動主軸內。
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