TWI685583B - 有機金屬化學氣相沉積設備 - Google Patents

Abstract

本文揭露一種 有機金屬化學氣相沉積設備用以在晶圓基板沉積半導體薄膜，其在頂板上設置冷卻結構，縮小頂板溫差及吸收應力，降低變形或破裂的情況。沉積半導體薄膜時，蒸氣反應源(precursor)透過蒸氣注入口(gas injection)進入反應腔(reaction chamber)而沉積在加熱晶圓基板上，晶圓載台(susceptor)的支撐盤(holder)加熱與蒸氣注入口的溫差會產生熱應力而易於變形，本發明提出降低頂板溫差以及吸收應力的解決方案。

Description

有機金屬化學氣相沉積設備

本發明是有關一種有機金屬化學氣相沉積設備，特別是有關一種具有可降低反應腔溫差以及吸收熱應力的冷卻結構之有機金屬化學氣相沉積設備。

有機金屬化學氣相沉積設備是用來在晶圓基板上沉積半導體薄膜的設備。沉積半導體薄膜的方式是以氣流通過有機金屬反應源(precursor)，再將飽和有機金屬反應源的蒸氣引導到反應腔內，與其他氣體反應源混合而沉積在加熱的晶圓基板上，形成半導體薄膜。

有機金屬化學氣相沉積設備通常包含反應腔、氣體控制及混合系統、反應源以及廢氣處理系統構成。反應源包含氣體反應源及有機金屬反應源，利用氣體控制系統將氣體反應源通過有機金屬反應源而吸收其飽和蒸氣，再將飽和有機金屬蒸氣反應源，透過蒸氣注入口(gas injection)進入反應腔。

反應腔主要是腔壁(chamber wall)、晶圓載台(susceptor)以及設置於晶圓載台相對側的頂板(ceiling)構成。晶圓載台上設有晶圓托盤(holder)，晶圓基板及置放在晶圓托盤上。沉積半導體時須維持低壓(10 – 760 torr)，為了活化晶圓基板吸收蒸氣反應源，通常需透過晶圓載台(susceptor)的晶圓托盤(holder)加熱晶圓基板。蒸氣注入口與晶圓托盤的溫度差大，導致晶圓載台與相對側的頂板產生熱應力，使得反應腔體可能變形或破裂。

本發明所提出有機金屬化學氣相沉積設備的冷卻系統的結構，可吸收熱應力以及縮小溫度梯度，進而降低頂板溫差及溫度。

本發明提出一種有機金屬化學氣相沉積設備，於沉積半導體薄膜時，可降低溫度梯度以及吸收熱應力，降低頂板變形或破裂的情況。

本發明提出有機金屬化學氣相沉積設備，包含一中心軸，內部設有複數個蒸氣反應源通道；一晶圓載台，該晶圓載台之中心以可旋轉方式連接該中心軸，該晶圓載台之周圍部分具有複數個晶圓托盤用以承托一晶圓基板；一頂板，相對該晶圓載台設置與該晶圓載台之間形成一反應腔，該頂板中心設有一貫孔，其中該中心貫孔的周圍設有一上突出邊緣； 一氣體注入器，包含複數個層板，設置於該反應腔室內，與該中心軸連接，該複數層板與該晶圓載台之間以及該複數層板之間形成複數個注入口，該複數個注入口與該中心軸內之該複數個蒸氣反應源通道連通，用以將蒸氣反應源導入該反應腔中；一注入器固定板，用以固定氣體注入器；以及一上蓋板，設置於該頂板與該注入器固定板上方，用以固定該頂板與該注入器固定板，該上蓋板與該頂板具有一氣流間隙，其中該注入器固定板具有一中心盤以及一環周盤，該中心盤較厚與該氣體注入器的頂層接觸，該環周盤具有一水平突出邊緣，該水平突出邊緣的周圍設有一氣流通孔，且該水平突出邊緣與該頂板的該上突出邊緣咬合，使得該氣流通孔以及頂板與該上蓋板的該氣流間隙形成一冷卻氣流通道，而能夠以輻射方式引導一冷卻流由中心往周圍方向流動。

請參考圖1之實施例，其提出一種有機金屬化學氣相沉積設備(MOCVD)。有機金屬化學氣相沉積設備包含一中心軸100以及反應腔800。中心軸100內部設有複數個蒸氣反應源的通道(未繪示於圖中)，通過氣體注入器500引導蒸氣反應源進入反應腔800。反應腔800內設有一晶圓載台200，相對於晶圓載台200設有頂板300。中心軸100連接氣體注入器500，與蒸氣反應源通道連通，可引導蒸氣反應源進入反應腔。氣體注入器500固接於注入器固定板600上。頂板300以及與注入器固定板600上方以一定間隙固接於上蓋板400，該間隙形成冷卻氣體流通之通路，而得以輻射方式導引冷卻氣流由中心向外流動。

晶圓載台200上設有晶圓托盤210，用來放置晶圓基板。晶圓載台200通常是圓盤狀，而晶圓托盤210以星盤分布在晶圓載台200。沉積半導體薄膜時，為了活化晶圓基板表面，通常需要透過晶圓托盤210加熱晶圓基板。蒸氣反應源是利用氣體通過有機金屬反應源(metal-organic precursor)，而成為飽和蒸汽反應源(metal-organic precursor)以及其他氣態反應源(gas precursor)，通過中心軸內的氣體通道，通過氣體注入器500進入反應腔800。氣體注入器500靠近中心軸100的部分的溫度相對低，而晶圓托盤210附近因加熱而溫度高，反應腔800的溫度不平均。

另外，上蓋板400與頂板300間存在縫隙作為冷卻氣流的通道，冷卻氣流通過縫隙時，頂板300的內外也存在溫差。因此，頂板300受到反應腔800內溫度不平均以及外部冷卻氣流的作用，導致頂板300受熱應力影響大，而容易變形或可能發生破裂的情況。本發明提供解決方案及在解決此問題，設計頂板結構，可快速降低溫差的情況以及吸收應變，降低變形及破裂的機率。

首先，利用注入器固定板600固定氣體注入器500，頂板300設有中心貫孔310，作為安置注入器固定板600的安置空間。注入器固定板600設置在頂板300的中心貫孔310內，並連接中心軸100，氣體注入器500固定於注入器固定板600上，注入器固定板600再固定於上蓋板400。如圖1之實施例，氣體注入器500是由多層板構成，層板之間對應於中心軸100內部通道的出口形成氣流之通路，用以引導蒸氣反應源進入反應腔800。特別說明，為了提高半導體薄膜沉積的效能，氣體注入器500的層板以及頂板300可以設計成具有凹凸平面，以輻射方式排列，導引反應蒸氣源的流動。

請參考圖2所示實施例。注入器固定板600區分為具有一中心盤630以及一環周盤610。中心盤630與環周盤610可為一體成形或兩片結構。中心盤630連接氣體注入器500，通常設計時比環周盤610厚且具有較佳的導熱效果，可吸收較大的應力以及快速導熱。注入器固定板600與頂板300是分離設計。注入器固定板600與頂板300間的間距以及注入器固定板600的中心盤630與環周盤610間的間距可作為緩衝區，吸收應力以降低變形的疑慮。

注入器固定板600的環周盤610較薄形成一個水平凸緣，水平凸緣的周圍設有通孔620，可作為冷卻氣流的出口。頂板300鑲進注入器固定板600的水平凸緣內，在頂板300的中心貫孔310的邊緣設有垂直凸緣320，頂住頂板的環周盤610的水平凸緣，形成咬合結構，用以限制冷卻流流動方向。上蓋板400以一定間隙設置於注入頂板300上方，該間隙與注入器固定板600的環周盤610的水平凸緣上的通孔620形成通道。

冷卻流體從中心軸100內的起體通路進入注入器固定板600中心盤的上方，通過注入器固定板600的環周盤610上方，經過環周盤水平凸緣的通孔620，受注入器固定板600與頂板300咬合結構之限制，繼續流入頂板300上方並繼續往外圍流動，最後排出，形成輻射狀氣流。排出冷卻流流體時，可連接控制器，以調整到最佳流速。

頂板以及注入器固定板的材質通常是石英(quartz)、石墨(graphite)、碳化矽( silicon carbide)或不鏽鋼製成。特別要說明的是，注入器固定板的中心盤與環周盤採分離設計，而中心盤採用導熱性質佳的材料，及導熱係數大的材質，而環周盤的導熱係數小。例如，中心盤為石墨，環周盤為石英。

注入器固定板的中心盤與環周盤半徑隨晶圓托盤之設計有不同，依據徑向的溫度分布而設計，令其具有最佳化應力吸收之能力。環周盤突出緣上的通孔形狀及數量不拘，具有良好的導流功能，迅速將低反應腔的溫度梯度。

要強調的是，本文舉例說明有機金屬化學氣相沉積設備的冷卻系統結構，因沉積設備的徑向以及內外存在溫度梯度以及輻射式冷卻氣流之特性，提出注入固定板以及頂板的結構，在徑向上具有分離結構而能夠吸收應力，不同構件彼此咬合導引氣流，迅速降低溫度梯度，進而迅速降低熱應力。

上述實施例是為了說明本發明之特徵，包含但不應被解釋為本發明的限制。本發明的專利範圍應由申請身專利範圍定義，並應以最廣義之方式解釋申請專利範圍之內容。

100‧‧‧中心軸

200‧‧‧晶圓載台

210‧‧‧晶圓托盤

300‧‧‧頂板

310‧‧‧中心貫孔

320‧‧‧垂直突出部

400‧‧‧上蓋板

500‧‧‧氣體注入器

600‧‧‧注入器固定板

610‧‧‧環周盤

620‧‧‧通孔

630‧‧‧中心盤

640‧‧‧接合部

700‧‧‧冷卻氣流通道

800‧‧‧反應腔室

圖式是為了說明之目的，並非用來限制本發明之範圍，圖式並非發明之全部，也不是表示圖式的某一元件或某一步驟是本發明所必要的特徵。在特殊環境下，可依據本發明的精神，可修改本發明之部份而可達到本發明的功能，亦應包含在本發明之範圍內，更確切的說本發明之範圍應由請求項界定。

圖1 繪示本發明一實施例的有機金屬化學氣相沉積設備反應腔結構。

圖2繪示圖1實施例中有機金屬化學氣相沉積設備反應腔結構，用以說明頂板、氣體注入器 以及注入器固定板間的連接關係。

無

100‧‧‧中心軸

200‧‧‧晶圓載台

210‧‧‧晶圓托盤

300‧‧‧頂板

310‧‧‧中心貫孔

320‧‧‧垂直突出部

400‧‧‧上蓋板

500‧‧‧氣體注入器

600‧‧‧注入器固定板

610‧‧‧環周盤

620‧‧‧通孔

630‧‧‧中心盤

640‧‧‧接合部

700‧‧‧冷卻氣流通道

800‧‧‧反應腔室

Claims (7)

1. 一種有機金屬化學氣相沉積設備，包括: 一中心軸，內部設有複數個蒸氣反應源通道； 一晶圓載台，該晶圓載台之中心以可旋轉方式連接該中心軸，該晶圓載台之周圍部分具有複數個晶圓托盤用以承托一晶圓基板； 一頂板，相對該晶圓載台設置與該晶圓載台之間形成一反應腔，該頂板中心設有一貫孔，其中該中心貫孔的周圍設有一上突出邊緣； 一氣體注入器，包含複數個層板，設置於該反應腔室內，與該中心軸連接，該複數層板與該晶圓載台之間以及該複數層板之間形成複數個注入口，該複數個注入口與該中心軸內之該複數個蒸氣反應源通道連通，用以將蒸氣反應源導入該反應腔中； 一注入器固定板，用以固定氣體注入器；以及 一上蓋板，設置於該頂板與該注入器固定板上方，用以固定該頂板與該注入器固定板，該上蓋板與該頂板具有一氣流間隙，其中該注入器固定板具有一中心盤以及一環周盤，該中心盤較厚與該氣體注入器的頂層接觸，該環周盤具有一水平突出邊緣，該水平突出邊緣的周圍設有一氣流通孔，且該水平突出邊緣與該頂板的該上突出邊緣咬合，使得該氣流通孔以及頂板與該上蓋板的該氣流間隙形成一冷卻氣流通道，而能夠以輻射方式引導一冷卻流由中心往周圍方向流動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之有機金屬化學氣相沉積設備，其中該注入器固定板之該中心盤之材料為石墨，該注入器固定板之該環周盤之材料為石墨。
3. 如申請專利範圍第1項所述之有機金屬化學氣相沉積設備，其中該注入器固定板之該中心盤之材料為石英，該注入器固定板之該環周盤之材料為石英。
4. 如申請專利範圍第1項所述之有機金屬化學氣相沉積設備，其中該注入器固定板之該中心盤相較於該注入器固定板之該環周盤，具有較大的導熱率。
5. 如申請專利範圍第1項所述之有機金屬化學氣相沉積設備，其中該注入器固定板之該中心盤之材料為石墨，該注入器固定板之該環周盤之材料為石英。
6. 如申請專利範圍第1項所述之有機金屬化學氣相沉積設備，其中該頂板之內表面具有一凹凸表面，以輻射狀分布。
7. 如申請專利範圍第6項所述之有機金屬化學氣相沉積設備，其中該氣體注入器之該複數個板之任一具有凹凸表面，以輻射狀分布，並與該頂板之內表面相對應，以形成反應蒸氣源之通道。

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