具有氣體注射分配裝置的噴頭組件的製作方法

2023-10-05 17:23:29 2

專利名稱：具有氣體注射分配裝置的噴頭組件的製作方法
具有氣體注射分配裝置的噴頭組件發明背景發明領域本發明的實施方式一般涉及用於在基板上進行化學氣相沉積(chemical vapordeposition;CVD)的方法及裝置，並且具體而言涉及用於金屬有機化學氣相沉積(metalorganic chemical vapor deposition;MOCVD)和 / 或氫化物氣相外延(hydride vaporphase epitaxy; HVPE)的噴頭設計。相關技術的描述在如短波長發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)以及包括高功率、高頻率、高溫電晶體和集成電路的電子裝置的各種半導體裝置的開發和製造中，II1-V族薄膜的重要性日益凸顯。例如，短波長(如藍/綠至紫外線波長)LED的製造使用了 III族氮化物半導體材料氮化鎵(GaN)。觀察已經證明，與使用如I1-VI族材料的非氮化物半導體材料製造的短波長LED相比，使用GaN製造的短波長LED可提供明顯更高的效率及更長的使用壽命。已經被用於沉積如GaN的III族氮化物的一種方法是金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)。此種化學氣相沉積方法通常在環境溫度受控的反應器中進行，以確保第一前驅物氣體的穩定性，所述第一前驅物氣體含有來自III族的至少一種元素，所述元素如鎵(Ga)。如氨氣(NH3)的第二前驅物氣體提供形成III族氮化物所需的氮氣。所述兩種前驅物氣體被注射入反應器內的處理區域，在所述處理區域處，所述兩種前驅物氣體混合併移向處理區域中的受熱基板。在向基板運輸前驅物氣體時可使用載體氣體加以協助。前驅物在受熱基板表面反應，以在基板表面形成如GaN的III族氮化物層。薄膜的質量部分取決於沉積均勻性，也就取決於前驅物在基板上的均勻混合。在基板載體上可布置多個基板，且每個基板直徑可在50mm至IOOmm之間或更大。為了提高良率和產量，需要在更大基板和/或更多基板和更大沉積面積上的前驅物的均勻混合。所述因素很重要，因為所述因素直接影響生產電子裝置的成本，從而影響裝置製造商在市場中的競爭力。在形成LED或LD的反應器的處理區域中常常能發現前驅物氣體與熱硬體部件的交互作用，所述交互作用常造成前驅物分解(break-down)並在所述熱表面上沉積。通常，來自用於加熱基板的熱源的輻射形成所述熱反應器表面。當在前驅物分配部件如噴頭中或所述前驅物分配部件上發生前驅物材料在熱表面上的沉積時，所述沉積可能特別成問題。前驅物分配部件上的沉積將隨時間影響流量分配的均勻性。因此，需要一種氣體分配裝置，所述裝置能夠防止或降低MOCVD前驅物或HVPE前驅物受熱至使所述前驅物分解的溫度從而影響氣體分配裝置性能的可能性。同樣，隨著對LED、LD、電晶體和集成電路的需要增加，沉積高質量III族氮化物薄膜的效率變得越來越重要。因此，需要一種改進的沉積裝置和工藝，所述沉積裝置和工藝能夠提供在更大基板上和更大沉積面積上的一致的薄膜質量。由此，需要經過氣體分配裝置的氣體分配中的改進均勻性，從而改進隨後沉積於更大基板和更大沉積面積上的薄膜均勻性。發明概沭本發明通常提供用於使用MOCVD和/或HVPE工藝沉積III族氮化物薄膜的改進方法及裝置。一個實施方式提供一種噴頭組件，所述噴頭組件包括:噴頭，所述噴頭具有形成在所述噴頭中的第一氣體歧管；多個第一氣體導管，所述第一氣體導管穿過所述噴頭延伸且將所述第一氣體歧管流體耦接至所述噴頭的出口表面；以及多個氣體分配裝置，每個氣體分配裝置中都形成有環形孔口，所述環形孔口與所述第一氣體歧管流體連通且被配置為耦接至氣源。另一個實施方式提供一種基板處理裝置，包括腔室主體、基板支架以及噴頭組件，其中處理空間(processing volume)由所述腔室主體、所述基板支架及所述噴頭組件限定。所述噴頭組件包括:噴頭，所述噴頭具有形成在所述噴頭中的第一氣體歧管；多個第一氣體導管，所述第一氣體導管穿過所述噴頭延伸並將所述第一氣體歧管流體耦接至所述處理空間；以及多個氣體分配裝置，所述多個氣體分配裝置的每一個氣體分配裝置都有環形孔口，所述環形孔口與所述第一氣體歧管流體連通，其中所述多個氣體分配裝置被配置為耦接至單個氣源。又一個實施方式提供一種處理基板的方法，包括:經過設置在耦接至噴頭組件的第一氣體歧管的一個或多個第一氣體入口中的一個或多個氣體分配裝置將第一氣體導入處理腔室的處理空間中，其中每個氣體分配裝置中都具有環形孔口，所述環形孔口流體耦接至第一氣體歧管。此方法進一步包括:經過耦接至噴頭組件的第二氣體歧管的第二氣體入口將第二氣體導入所述處理腔室的所述處理空間中，其中所述第一氣體歧管與所述第二氣體歧管分開，其中所述第一氣體經過多個第一氣體歧管輸送到所述處理空間中，所述第二氣體經過多個第二氣體導管輸送到所述處理空間中。此方法還包括:通過設置在所述噴頭組件中的溫度控制歧管使熱交換流體流動，以此冷卻所述噴頭組件，其中所述多個第一氣體導管及第二氣體導管穿過所述溫度控制歧管而設置。附圖簡要說明因此，為了能夠詳細理解本發明上述特徵的實現方式，可參照附圖中部分圖示的實施方式，獲得上文概述的本發明的更具體的說明。然而應知，附圖僅繪示了本發明的典型實施方式，因此不應理解為限制本發明的範圍，因為本發明允許其他同等有效的實施方式。

圖1為平面示意圖，圖示了根據本文所述實施方式用於製造化合物氮化物(compound nitride)半導體裝置的處理系統的一個實施方式。圖2為根據本發明一個實施方式用於製造化合物氮化物半導體裝置的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)腔室的截面示意圖。圖3為圖2所示細部A的放大圖。圖4為根據一個實施方式的圖2和圖3所示氣體分配裝置的俯視圖。圖5為根據一個實施方式的圖2所示噴頭組件的俯視示意圖。圖6為根據一個實施方式的噴頭的截面示意圖。圖7為根據一個實施方式的噴頭組件的俯視示意圖。為了便於理解，儘可能使用相同元件符號指示各圖共用的相同元件。應理解為，一個實施方式中的元件和特徵可以以有利方式併入其他實施方式而無需贅述。具體描沭本發明的實施方式通常提供一種可用於使用MOCVD和/或HVPE硬體沉積III族氮化物薄膜的方法及裝置。一般而言，所述裝置為包括噴頭的處理腔室，所述噴頭具有獨立入口及通道，用於輸送獨立的處理氣體到腔室的處理空間中且不會在氣體進入處理空間之前使所述氣體混合。噴頭包括設置在多個氣體入口內的多個氣體分配裝置，用於將處理氣體中的一種注射入歧管中並分配於歧管上，以便輸送到腔室的處理空間中。氣體分配裝置的每一個優選具有噴嘴，所述噴嘴被設置為均勻分配流經所述噴嘴中的處理氣體同時使歧管內處理氣體的再循環最小化。圖1為平面示意圖，圖示了根據本文所述實施方式的處理系統100的一個實施方式，處理系統100包括一個或多個MOCVD腔室102，用於製造化合物氮化物半導體裝置。在一個實施方式中，處理系統100對大氣環境關閉。處理系統100包括傳送腔室106、耦接至傳送腔室106的MOCVD腔室102、耦接至傳送腔室106的加載互鎖腔室108、耦接至傳送腔室106用於存儲基板的批量加載互鎖腔室109以及耦接至加載互鎖腔室108用於加載基板的負載站110。傳送腔室106包括機械手組件(未圖示)，所述機械手組件可操作為在加載互鎖腔室108、批量加載互鎖腔室109和MOCVD腔室102之間拾取並傳送基板。儘管圖示了單個MOCVD腔室102，然而應知，與傳送腔室106耦接的也可以是大於一個MOCVD腔室102或者另外是一個或多個MOCVD腔室102以及一個或多個氫化物氣相外延(HVPE)腔室的結合。還應知，儘管圖示了多腔集成設備(cluster tool)，本文所描述的實施方式也可使用線性軌道系統(linear track system)執行。在一個實施方式中，傳送腔室106在基板傳送過程中保持真空狀，以控制基板暴露於的汙染物如氧氣(O2)或水(H2O)。可調節傳送腔室的真空水平使之與MOCVD腔室102的真空水平匹配。例如，當從傳送腔室106向MOCVD腔室102 (反之亦然)傳送基板時，傳送腔室106與MOCVD腔室102可維持相同的真空水平。於是，當從傳送腔室106向加載互鎖腔室108 (反之亦然)或批量加載互鎖腔室109 (反之亦然)傳送基板時，可調整傳送腔室真空水平使之與加載互鎖腔室108或批量加載互鎖腔室109匹配，儘管加載互鎖腔室108或批量加載互鎖腔室109與MOCVD腔室102的真空水平可能不同。因此，傳送腔室106的真空水平可調節。在某些實施方式中，在高純度的惰性氣體環境如高純度N2環境中傳送基板。在一個實施方式中，在具有大於90%的N2環境中傳送基板。在某些實施方式中，在高純度NH3環境中傳送基板。在一個實施方式中,在具有大於90%的NH3環境中傳送基板。在某些實施方式中，在高純度H2環境中傳送基板。在一個實施方式中，在具有大於90%的H2環境中傳送基板。在處理系統100中，機械手組件(未圖示)將載有基板的基板載板112傳送到單個MOCVD腔室102中以進行沉積。舉例而言，基板載板112的直徑可在約200mm至約750mm之間。基板載板112可由各種材料形成，所述材料包含SiC或鍍有SiC的石墨。基板載板112的表面積可為約1，OOOcm2或更大，優選為約2，OOOcm2或更大，更優為約4，OOOcm2或更大。當部分或全部沉積步驟完成時，經由傳送機械手將基板載板112從MOCVD腔室102傳送回加載互鎖腔室108。接著基板載板112可傳送到負載站110。基板載板112在進入MOCVD腔室102進行進一步處理之前可存儲於加載互鎖腔室108或批量加載互鎖腔室109。
系統控制器160控制處理系統100的活動和工作參數。系統控制器160包括計算機處理器和耦接至處理器的計算機可讀存儲器。處理器執行系統控制軟體，如存儲器中存儲的電腦程式。圖2為根據本發明一個實施方式的MOCVD腔室102的截面示意圖。MOCVD腔室102包括:腔室主體202 ;用於輸送前驅物氣體、載體氣體、清潔氣體和/或淨化氣體的化學物輸送模塊203 ;含等離子體源的遠程等離子體系統226 ;基座或基板支架214及真空系統212。腔室主體202圍合成處理空間208。噴頭組件201設置在處理空間208的一端，而基板載板112設置在處理空間208的另一端。基板載板112可設置在基板支架214上。致動器組件能夠沿朝向或遠離噴頭組件201的垂直方向移動基板支架214，如箭頭215所示。致動器組件可能夠旋轉基板支架214。處理期間從噴頭組件201靠近處理空間208的表面到基板載板112的距離優選在約4mm至約41mm之間。在某些實施方式中，基板支架214包括加熱元件(如電阻加熱元件(未圖示))，用於控制基板支架214的溫度，繼而控制基板載板112和置於基板載板112和基板支架214上的基板240的溫度。噴頭組件201包括噴頭204。在一個實施方式中，噴頭204包括多個板，所述板被機械加工和安裝使得在所述板中形成多個歧管和孔隙，所述安裝例如通過銅焊或焊接。噴頭204具有第一處理氣體歧管204A，所述第一處理氣體歧管204A經由多個第一處理氣體入口 259耦接至化學物輸送模塊203，以便將第一前驅物或第一處理氣體混合物輸送到處理空間208。第一處理氣體歧管204A可通過從頂壁275表面機械加工一定體積的材料以在所述表面中形成井穴(well)，並將頂壁275例如通過銅焊或焊接安裝到第一水平壁276而形成。在一個實施方式中，化學物輸送模塊203被設置為將金屬有機前驅物輸送到第一處理氣體歧管204A。在一個實例中，金屬有機前驅物包含適當鎵(Ga)前驅物(例如三甲基鎵(〃TMG〃)、三乙基鎵(TEG))、適當鋁前驅物(例如三甲基鋁(〃TMA〃))或適當銦前驅物(例如三甲基銦(〃TMI〃))。在一個實施方式中，氣體分配裝置255設置在各個第一處理氣體入口 259中。氣體分配裝置255被耦接至化學物輸送模塊203，且氣體分配裝置255被配置為將接收自化學物輸送模塊203的氣體均勻分配到第一處理氣體歧管204Α中。氣體分配裝置255 —般被構造為經由所述氣體分配裝置255中提供均勻氣體分配，同時通過所述氣體分配裝置255的出口孔口形狀的設置和通過控制氣流及壓力來防止第一處理氣體歧管204Α中氣體的再循環。在一個實施方式中，多個第一氣體入口 259及相應氣體分配裝置255繞中心導管204D同心放置。在其他實施方式中，多個第一處理氣體入口 259及相應氣體分配裝置255以其他結構放置，從而最大化有關第一處理氣體歧管204Α的均勻氣體分配。噴頭組件201可包括約四到約十二個之間的氣體分配裝置255。在一個實施方式中，噴頭組件201包括約六到約八個氣體分配裝置255。噴頭204可具有耦接至化學物輸送模塊203的第二處理氣體歧管204Β，用於經由第二處理氣體入口 258將第二前驅物或第二處理氣體混合物輸送到處理空間208。在一個實施方式中，化學物輸送模塊203被配置為將適當含氮處理氣體如氨氣(NH3)或其他MOCVD或HVPE處理氣體輸送到第二處理氣體歧管204Β。第二處理氣體歧管204Β通過噴頭204的第一水平壁276與第一處理氣體歧管204Α分開。第二處理氣體歧管204Β可通過從第一水平壁276表面機械加工一定體積的材料以在所述表面中形成井穴，並將第一水平壁276例如通過銅焊或焊接安裝到第二水平壁277而形成。噴頭204可進一步包括耦接至熱交換系統270的溫度控制歧管204C，用於使熱交換流體流經噴頭204，以助調節噴頭204的溫度。適當熱交換流體包括(但不限於)水、水基乙二醇混合物、全氟聚醚(例如Galdenφ流體)、油基熱傳送流體或類似流體。第二處理氣體歧管204Β通過噴頭204的第二水平壁277與溫度控制歧管204C分開。溫度控制歧管204C可通過噴頭204的第三水平壁278與處理空間208分開。溫度控制歧管204C可通過從第二水平壁277表面機械加工一定體積材料以在所述表面中形成井穴，並將第二水平壁277例如通過銅焊或焊接安裝到第三水平壁278而形成。圖3為圖2所示細部A的放大視圖，圖4為圖3所示氣體分配裝置255的俯視圖。參見圖2、圖3及圖4，在一個實施方式中，經由多個氣體分配裝置255，第一前驅物或第一處理氣體混合物(如金屬有機前驅物)通過多個第一處理氣體入口 259從化學物輸送模塊203輸送到第一處理氣體歧管204Α中，所述多個第一處理氣體入口 259穿過噴頭204的頂壁275而設置。每一個氣體分配裝置255 —般包括圓柱形主體部302和安裝到圓柱形主體部302的中心部304。中心部304可包括氣體接收部306和氣體分配部316，以及延伸於所述氣體接收部306和氣體分配部316之間的截頭圓錐部(frustoconical portion) 310。氣體接收部306 —般為倒轉的截頭圓錐形狀，且氣體接收部306的周邊安裝到在第一組相對側邊307上的圓柱形主體部302 (圖4)，而氣體接收部306的周邊在相對側邊308上被截斷，從而使得在氣體接收部306與圓柱形主體部302之間形成上部氣體通道309。截頭圓錐部310從氣體接收部306向下延伸到第一處理氣體歧管204A中。圓柱形主體部302的內表面303大致模仿截頭圓錐部310表面311的形狀，使得圓柱形主體部302與截頭圓錐部310之間形成環形氣體通道312。氣體分配部316為普通圓盤的形狀，且位於截頭圓錐部310在第一處理氣體歧管204A中的下端，從而在氣體分配部316的上表面317與圓柱形主體部302的下表面301之間形成環形孔口 318。截頭圓錐部310與氣體分配部316的彼此之間相對放置使得截頭圓錐部310表面311與氣體分配部316上表面317之間形成角度B。角度B可以在約45度至約75度之間。在一個實例中，角度B為約60度。在操作中，第一前驅物或第一處理氣體混合物從化學物輸送模塊203輸送到氣體分配裝置255。氣體流過氣體接收部306並經過上部氣體通道309進入截頭圓錐部310與主體部302之間的環形氣體通道312。氣體接著流經環形氣體通道312、經過氣體分配部316與主體部302之間的環形孔口 318，並進入第一處理氣體歧管204A中。由於氣體分配裝置255各部的形狀和位置，處理氣體被均勻輸送經過氣體分配裝置255並進入第一處理氣體歧管204A，而不會在第一處理氣體歧管204A中的注射點處發生氣體的再循環。此外，如前所述，多個氣體分配裝置255的數量和位置提供了從化學物輸送模塊203進入第一處理氣體歧管204A的均勻氣體分配。第一前驅物或第一處理氣體混合物(如金屬有機前驅物)可經由多個內部氣體導管246，從第一處理氣體歧管204A經過第二處理氣體歧管204B和溫度控制歧管204C輸送到處理空間208中。內部氣體導管246可以是位於對齊孔穴內的圓柱形管道，所述孔穴穿過噴頭204的第一水平壁276、第二水平壁277和第三水平壁278而設置。在一個實施方式中，內部氣體導管246通過適當方式如銅焊安裝到噴頭204的第一水平壁276。在處理期間，可通過使用氣體分配裝置255陣列在第一處理氣體歧管204A中均勻分配第一前驅物氣體(如金屬有機前驅物)，將第一前驅物氣體均勻輸送到處理空間208中。在一個實例中，如圖5所示，氣體分配裝置255陣列包括徑向放置的六個氣體分配裝置255，所述氣體分配裝置255繞噴頭組件201的中心同心放置。每一個氣體分配裝置255通過多個氣體導管256流體互連，所述氣體導管256全部連接到化學物輸送模塊203。圖5為圖2所示根據一個實施方式的噴頭組件201的俯視圖。化學物輸送模塊203中的前驅物氣流控制裝置(未圖示)被設置為向每一個氣體分配裝置255提供均勻分配的前驅物氣流。氣流控制裝置可包括數個獨立的流量控制器，所述流量控制器的每一個流量控制器都能夠調節輸送到每一個氣體分配裝置255的前驅物氣體的氣流和/或氣壓。在一個配置中，前驅物氣流控制裝置包括一個或多個質量流量控制器(未圖示)。在一個實例中,在處理期間,流速在約5sccm/l至約15sccm/l之間的TMG前驅物經由內部氣體導管246經過噴頭組件201被輸送到壓力維持於約IOOTorr至約500Torr之間的處理空間208中。噴頭組件201可包括約4700至約6700個內部氣體導管246，每個內部氣體導管246的直徑在約0.4mm至約0.8mm之間。在此實例中，通過將TMG前驅物氣流輸送到每一個氣體分配裝置255 (圖5)且由後者將TMG前驅物均勻輸送到第一處理氣體歧管204A和內部氣體導管246中，從而實現TMG前驅物進入內部氣體歧管246的均勻分配氣流。由於形成在氣體分配裝置255中的通道的尺寸和形狀的緣故，因此可以均勻輸送和控制前驅物氣流。在一個實施方式中，第一處理氣體歧管204A的高度331 (圖3)為約0.15英寸(in)至約0.25英寸之間，環形孔口 318的寬度332 (圖3)為約Imm至約3mm之間，環形氣體通道312的寬度333為約Imm至約3mm之間。第二前驅物或第二處理氣體混合物(如氮氣前驅物)可經由多個外部氣體導管245從第二處理氣體歧管204B經過溫度控制歧管204C輸送到處理空間208中。外部氣體導管245可為繞各內部氣體導管246同心放置的圓柱形管道。外部氣體導管245位於穿過噴頭204第二水平壁277和第三水平壁278而設置的對齊孔穴中。在一個實施方式中，各外部氣體導管245通過適當方式如銅焊安裝到噴頭204的第二水平壁277。如前所述，MOCVD腔室102可用於沉積III族氮化物薄膜。一般而言，III族氮化物薄膜在超過約550°C的溫度下沉積。在處理期間，經過溫度控制歧管204C循環冷卻液體，從而冷卻噴頭204，且尤其用以冷卻經內部氣體導管246輸送的金屬有機前驅物(穿過溫度控制歧管204C)，從而防止金屬有機前驅物在被導入處理空間208之前沉積。此外應知，繞金屬有機前驅物流經每個內部氣體導管246的含氮氣流經過第二處理氣體歧管204B和每個外部氣體導管245，提供附加冷卻效果和與處理空間208中高處理溫度的隔離，從而防止金屬有機前驅物在被導入處理空間208之前沉積。此外，由於第一處理氣體歧管204A中的均勻氣體分配(如上所述)，因此金屬有機前驅物可更均勻地分配到腔室102的處理空間208中，從而使基板240上的III族氮化物薄膜的沉積更加均勻。返回參見圖2，下部圓頂219設置在下部空間210的一端，基板載板112設置在下部空間210的另一端。基板載板112圖示為抬高的處理位置，但也可移到較低位置，例如可加載或卸載基板240的位置。可繞基板載板112的周邊設置排氣環220，用於協助防止下部空間210中發生沉積，也可協助將廢氣從腔室102導至排氣口 209。下部圓頂219可由透明材料如高純度石英製成，以允許光線穿過從而便於基板240的輻射加熱。輻射加熱可由多個設置在下部圓頂219下方的內部燈221A和外部燈221B提供。可使用反射器266協助控制腔室102暴露到由內部燈和外部燈221A、221B提供的輻射能量。也可使用附加燈環(未圖示)更精細地控制基板240的溫度。在本發明的某些實施方式中，淨化氣體(如含氮氣體)從噴頭204經過一個或多個耦接至淨化氣源282的淨化氣體通道281輸送到腔室102中。在此實施方式中，通過多個圍繞噴頭204周邊的孔口 284分配淨化氣體。所述多個孔口 284可配置為圍繞噴頭204周邊的圓形樣型，且放置為繞基板載板112周邊分配淨化氣體以防止基板載板112、噴頭204和腔室102的其他部件邊緣的不良沉積，所述不良沉積會導致粒子的形成從而最終導致基板240的汙染。淨化氣流向下流入多個繞環形排氣通道205設置的排氣口 209。排氣導管206將環形排氣通道205連接到真空系統212，後者包括真空泵207。腔室102的壓力可用閥系統加以控制，所述閥系統控制排出氣體從環形排氣通道205抽出的速率。在其他實施方式中，淨化氣體管道283設置在腔室主體202底部附近。在此配置中，淨化氣體進入腔室102的下部空間210並向上流經基板載板112和排氣環220並進入多個排氣口 209。如上所述，化學物輸送模塊203向MOCVD腔室102提供化學物。反應性氣體(如第一和第二前驅物氣體)、載體氣體、淨化氣體和清潔氣體可從化學物輸送系統通過供應管線供應到腔室102中。氣體可通過供應管線供應並進入氣體混合箱，在那裡它們被相互混合併輸送到噴頭組件201。一般而言，每一種氣體的供應管線包括可用來自動或手動關閉進入相關管線氣流的截止閥，以及測量通過供應管線氣體或液體流量的質量流量控制器或其他類型控制器。每一種氣體的供應管線也可包括濃度監控器，用於監控濃度和提供實時反饋。可包括背壓調節器以控制前驅物氣體濃度。閥切換控制器可用於快速準確的閥切換性能。氣體管線中的溼度傳感器測量水位，且可向系統軟體提供反饋，從而系統軟體又可向操作者提供警告/警示。也可加熱氣體管線以阻止前驅物和清潔氣體在供應管線中變濃。根據使用的工藝不同，某些物料源可為液體而非氣體。當使用液體源時，化學物輸送模塊包括液體注射系統或其他適當的機械裝置(如起泡器)用以汽化液體。接著一般將來自液體的蒸汽與載體氣體混合，如本領域技術人員所了解。遠程等離子體系統226可產生等離子體以用於所選應用，如腔室清潔或處理基板上的剩餘物蝕刻。來自前驅物經由輸入管線供應的遠程等離子體系統226中產生的等離子體物種經由中心導管204D發送，以便於經噴頭204發送到MOCVD腔室102。用於清潔應用的前驅物氣體可包含含氯氣體、含氟氣體、含碘氣體、含溴氣體、含氮氣體和/或其他反應性元素。遠程等離子體系統226也可調適為沉積CVD層，在層沉積處理期間將適當沉積前驅物氣體流入遠程等離子體系統226。在一個實施方式中，遠程等離子體系統226用於輸送反應性氯氣物種到處理空間208以便清潔MOCVD腔室102的內部。可進一步通過使熱交換流體穿過腔室102壁中的通道(未圖示)循環，控制MOCVD腔室102的壁和周圍結構的溫度,所述周圍結構諸如是排氣通路(exhaust passageway)。熱交換流體可用來根據預期的效果而加熱或冷卻腔室主體202。例如，熱的液體可有助於在熱沉積工藝期間維持均勻的熱梯度，而冷卻液體可用於在原位等離子體工藝期間去除系統熱量或限制腔室壁上沉積產物的形成。此加熱(用「熱交換」代指加熱)將有利地減少或消除沒用的反應物產物的濃度，並改進對處理氣體易揮發性產物和其他汙染物的消除，所述易揮發性產物和其他汙染物若在冷卻真空通道壁上變濃會汙染工藝且在沒有氣流期間返回到處理腔室中。在一個實施方式中，在處理期間，第一前驅物氣體從噴頭204中的第一處理氣體歧管204A、第二前驅物氣體從形成於噴頭204中的第二處理氣體歧管204B流向基板240表面。如上所述，第一前驅物氣體和/或第二前驅物氣體可包含一種或多種前驅物氣體或處理氣體以及可與前驅物氣體混合的載體氣體和摻雜劑氣體。排氣口 209的抽取可影響氣流，從而使處理氣流基本呈切線流向基板240且可以層流方式放射狀均勻分配於基板沉積表面上。在一個實施方式中，處理空間208在約760Torr下至約80Torr的壓力下可被汙染。圖6為根據另一個實施方式的噴頭204的截面示意圖。圖6所示實施方式的許多特徵與圖2和圖3所示所述的相同因此此處不作進一步論述。如圖6所示，與單個第一處理氣體歧管204A不同，噴頭204有第一內部處理氣體歧管601A和第一外部處理氣體歧管601B，所述第一外部處理氣體歧管601B外接第一內部處理氣體歧管601A且通過環形壁602與第一內部處理氣體歧管60IA分開。第一內部處理氣體歧管60IA經由設置在第一內部氣體入口 603A中的氣體分配裝置255耦接至化學物輸送模塊203。第一外部處理氣體歧管60IB經由設置在第一外部氣體入口 603B中的氣體分配裝置255耦接至化學物輸送模塊203。化學物輸送模塊203可配置為將相同或不同氣體混合物輸送到第一內部處理氣體歧管601A和第一外部處理氣體歧管601B。在一個實施方式中，將相同處理氣體以不同流率和/或壓力輸送到第一內部處理氣體歧管601A和第一外部處理氣體歧管601B。圖6所示的噴頭204進一步包括第二內部處理氣體歧管604A和第二外部處理氣體歧管604B，第二外部處理氣體歧管604B外接第二內部處理氣體歧管604A且通過環形壁605與第二內部處理氣體歧管604A分開。第二內部處理氣體歧管604A經由內部氣體入口606A耦接至化學物輸送模塊203。第二外部處理氣體歧管604B經由外部氣體入口 606B耦接至化學物輸送模塊203。化學物輸送模塊203可配置為將相同或不同氣體混合物輸送到第二內部處理氣體歧管604A和第二外部處理氣體歧管604B。在一個實施方式中，將相同處理氣體以不同流率和/或壓力輸送到第二內部處理氣體歧管604A和第二外部處理氣體歧管 604B。在處理期間，可通過使用氣體分配裝置255陣列向第一內部處理氣體歧管601A中均勻輸送第一處理氣體混合物(如金屬有機前驅物)。在一個實例中，如圖7所示，氣體分配裝置255陣列包括三個徑向放置的氣體分配裝置255，所述氣體分配裝置255繞噴頭組件201的中心同心放置。氣體分配裝置255通過多個氣體導管256流體互連，所述氣體導管256全部連接到化學物輸送模塊203。可通過使用氣體分配裝置255的陣列將相同或不同的第一處理氣體混合物均勻輸送到第一外部處理氣體歧管601B中。在圖7所示的實例中，氣體分配裝置255陣列包括繞噴頭組件201中心同心地三個徑向放置的氣體分配裝置255。氣體分配裝置255經由多個氣體導管456和環形歧管457流體互連至化學物輸送模塊203。化學物輸送模塊203中的前驅物氣流控制裝置(未圖示)被配置為通過氣體分配裝置255向第一內部歧管601A及第一外部歧管601B提供相同或不同氣流。流量控制裝置可包括獨立的流量控制器，所述流量控制器的每一個流量控制器都能夠調節輸送到內部歧管601A及外部歧管601B的前驅物氣體的流量和/或壓力。在一個配置中，前驅物氣流控制裝置包含至少兩個質量流量控制器(未圖示)。第一處理氣體混合物可經由多個第一內部氣體導管646A從第一內部處理氣體歧管601A通過第二內部處理氣體歧管604A和溫度控制歧管204C輸送到處理空間208中。相同氣體混合物可經由多個第二內部氣體導管646B以不同流率和/或壓力從第一外部處理氣體歧管601B通過第二外部氣體歧管604B和溫度控制歧管204C輸送到處理空間中。第一內部氣體導管646A和第二內部氣體導管646B可以是位於對齊孔穴內的圓柱形管道，所述孔穴穿過噴頭204的第一水平壁276、第二水平壁277和第三水平壁278而設置。第一內部氣體導管645A和第二內部氣體導管645B可通過適當方式如銅焊安裝到噴頭204的第一水平壁276。第二處理氣體混合物(如氮氣前驅物)可經由多個第一外部氣體導管645A從第二內部處理氣體歧管604A經過溫度控制歧管204C輸送到處理空間208中。相同氣體混合物可經由多個第二外部氣體導管645B以不同流率和/或壓力從第二外部處理氣體歧管604B通過溫度控制歧管204C輸送到處理空間208中。第一外部導管645A可以是繞各自第一內部氣體導管646A同心放置的圓柱形管道，第二外部氣體導管645B可以是繞各自第二內部氣體導管646B同心放置的圓柱形管道。第一外部氣體導管645A和第二外部氣體導管645B位於對齊孔穴內，所述孔穴穿過噴頭204的第二水平壁277和第三水平壁278而設置。第一外部氣體導管646A和第二外部氣體導管646B可通過適當方式如銅焊安裝到噴頭204的第二水平壁277。概述之，本發明的實施方式包括一種噴頭組件，所述噴頭組件具有獨立入口和歧管，用於將獨立的處理氣體輸送到腔室的處理空間中且不會在氣體進入處理空間前混合氣體。噴頭包括設置在多個氣體入口內的多個氣體分配裝置，用於將所述處理氣體中的一種氣體注射入歧管並分配於所述歧管上，以便均勻輸送至腔室的處理空間中。氣體分配裝置中的每一個優選具有噴嘴，噴嘴被配置為均勻分配流經所述噴嘴中的處理氣體同時使歧管內處理氣體的再循環最小化。由此，可在放置於處理腔室的處理空間中的多個基板上得到改進的沉積均勻性。儘管前文針對本發明的實施方式，然而在不脫離本發明的基本範圍的前提下，可設想本發明的其他和進一步的實施方式，且本發明的範圍由隨附的權利要求書所決定。例如，噴頭組件201的某些實施方式沒有歧管240B和/或歧管204C。
權利要求
1.一種噴頭組件，包括: 噴頭，所述噴頭具有設置在所述噴頭中的第一氣體歧管； 多個第一氣體導管，所述第一氣體導管穿過所述噴頭延伸且將所述第一氣體歧管流體耦接至所述噴頭的出口表面；以及 多個氣體分配裝置，每個所述氣體分配裝置中都形成有環形孔口，所述環形孔口與所述第一氣體歧管流體連通且被配置為耦接至氣源。
2.按權利要求1所述的組件，進一步包括穿過所述噴頭設置的中心導管，且其中所述多個氣體分配裝置繞所述中心導管同心放置。
3.按權利要求1所述的組件，其中每個氣體分配裝置包括圓柱形主體部，所述圓柱形主體部安裝到中心部，從而穿過所述氣體分配裝置形成環形氣體通道且所述環形氣體通道耦接至所述環形孔口。
4.按權利要求3所述的組件，其中所述中心部包括伸入所述第一處理氣體歧管的截頭圓錐部和延伸自所述第一處理氣體歧管內的截頭圓錐部的分配部。
5.按權利要求4所述的組件，其中所述分配部為圓盤狀部件，且所述分配部與所述圓柱形主體部的相對放置使得流經所述環形氣體通道的氣體穿過所述環形孔口均勻分配。
6.按權利要求1所述的組件，進一步包括: 第二氣體歧管和溫度控制歧管，所述第二氣體歧管設置在所述噴頭中且與所述第一氣體歧管分開，而所述溫度控制歧管形成於所述噴頭中且與所述第一氣體歧管和第二氣體歧管分開；以及 多個第二氣體導管，所述第二氣體導管穿過所述溫度控制歧管延伸且將所述第二氣體歧管流體耦接至所述噴頭的所述出口表面，其中所述第一氣體導管穿過所述溫度控制歧管延伸。
7.按權利要求6所述的組件，進一步包括: 設置在所述噴頭中的第三氣體歧管，所述第三氣體歧管繞所述第一氣體歧管同心且與第二多個氣體分配裝置流體連通； 多個第三氣體導管，所述第三氣體導管穿過所述溫度控制歧管延伸且將所述第三氣體歧管流體耦接至所述噴頭的所述出口表面； 設置在所述噴頭中的第四氣體歧管，所述第四氣體歧管繞所述第二氣體歧管同心；以及 多個第四氣體導管，所述第四氣體導管穿過所述溫度控制歧管延伸且將所述第四氣體歧管流體耦接至所述噴頭的所述出口表面。
8.一種基板處理裝置，包括: 腔室主體； 基板支架；以及 噴頭組件，其中處理空間由所述腔室主體、所述基板支架及所述噴頭組件限定，且其中所述噴頭組件包括: 噴頭，所述噴頭具有形成在所述噴頭中的第一氣體歧管； 多個第一氣體導管，所述第一氣體導管穿過所述噴頭延伸且將所述第一氣體歧管流體耦接至所述處理空間；以及多個氣體分配裝置，每個所述氣體分配裝置都具有環形孔口，所述環形孔口與所述第一氣體歧管流體連通，其中所述多個氣體分配裝置被配置為耦接至單個氣源。
9.按權利要求8所述的裝置，其中所述噴頭組件進一步包括中心導管，所述中心導管穿過所述噴頭而設置且穿過所述第一氣體歧管延伸，且其中所述多個氣體分配裝置繞所述中心導管同心放置。
10.按權利要求9所述的裝置，進一步包括: 設置在所述裝置中且與所述第一氣體歧管分開的第二氣體歧管； 多個第二氣體導管，所述第二氣體導管將所述第二氣體歧管流體耦接至所述處理空間，其中所述多個第一氣體導管穿過所述第二氣體歧管延伸。
11.按權利要求10所述的裝置，進一步包括: 設置在所述噴頭中的第三氣體歧管，所述第三氣體歧管繞所述第一氣體歧管同心且與第二多個氣體分配裝置流體連通； 多個第三氣體導管，所述第三氣體導管穿過所述溫度控制歧管延伸且將所述第三氣體歧管流體耦接至所述噴頭的所述出口表面； 設置在所述噴頭中的第四氣體歧管，所述第四氣體歧管繞所述第二氣體歧管同心；以及 多個第四氣體導管，所述第四氣體導管穿過所述溫度控制歧管延伸且將所述第四氣體歧管流體耦接至所述噴頭的所述出口表面。
12.一種處理基板的方法,包 括: 通過多個氣體分配裝置將第一氣體導入處理腔室的處理空間中，所述多個氣體分配裝置的每一個氣體分配裝置都具有環形孔口，所述環形孔口流體耦接至形成於噴頭中的第一氣體歧管，其中所述第一氣體從所述第一氣體歧管經過多個第一氣體導管輸送到所述處理空間中； 通過形成於所述噴頭中的第二氣體歧管將第二氣體導入所述處理腔室的所述處理空間中，其中所述第二氣體從所述第二氣體歧管經過多個第二氣體導管輸送到所述處理空間中，且其中所述第一氣體歧管與所述第二氣體歧管分開；以及 通過設置在所述噴頭組件中的溫度控制歧管使熱交換流體流動來冷卻所述噴頭組件，其中所述多個第一氣體導管及第二氣體導管穿過所述溫度控制歧管而設置。
13.按權利要求12所述的方法，其中每個氣體分配裝置包括圓柱形主體部，所述圓柱形主體部安裝到中心部，從而穿過所述氣體分配裝置形成環形氣體通道且所述環形氣體通道耦接至所述環形孔口。
14.按權利要求13所述的方法，其中所述中心部包括伸入所述第一處理氣體歧管的截頭圓錐部和延伸自所述第一處理氣體歧管內的截頭圓錐部的分配部。
15.按權利要求12所述的方法，其中所述第一氣體為金屬有機前驅物而所述第二氣體為含氮氣體。
全文摘要
本發明提供一種可應用於化學氣相沉積和/或氫化物氣相外延(HVPE)沉積的方法及裝置。所述裝置包括噴頭組件，所述噴頭組件具有獨立入口和歧管，用於將獨立的處理氣體輸送到腔室的處理空間中且不會在氣體進入處理空間前混合氣體。噴頭包括設置在多個氣體入口內的多個氣體分配裝置，用於將所述處理氣體中的一種氣體注射入歧管並分配於所述歧管上，以便均勻輸送至腔室的處理空間中。氣體分配裝置中的每一個氣體分配裝置優選具有噴嘴，噴嘴被配置為均勻分配流經所述噴嘴中的處理氣體同時使歧管內處理氣體的再循環最小化。由此，可在放置在處理腔室的處理空間中的多個基板上得到改進的沉積均勻性。
文檔編號H01L21/205GK103098175SQ201180043641
公開日2013年5月8日 申請日期2011年7月11日 優先權日2010年8月16日
發明者亞歷山大·塔姆, 常安忠, 桑姆特·阿查利雅, 唐納德·J·K·奧爾加多 申請人:應用材料公司