TWI674926B - 應用於化學氣相沈積系統的氣體噴頭 - Google Patents
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Abstract
一種應用於化學氣相沈積系統的氣體噴頭，包含一或多個氣體分流層，每個氣體分流層包含一中央區域、複數個間隔排列的氣導，以及複數個氣體通道。該中央區域用以容置一佈氣裝置。每個該氣導具有第一端、第二端以及中段，該中段位於第一端和第二端之間，該第一端接近該中央區域，該第二端接近該氣體分流層的周邊。每兩個氣導構成一個氣體通道，使通過由佈氣裝置提供的氣體。其中，每個氣導的寬度沿著第一端至中段逐漸增加，沿著中段至第二端逐漸減少。
Description
本發明相關於一種應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，特別是關於一種高分布效率的氣體噴頭。
金屬有機化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition， MOCVD)，其原理是利用承載氣體(carrier gas)攜帶氣相反應物或是前驅物，進入裝有晶圓的反應室中，晶圓下方的承載盤(susceptor)具有加熱裝置，以加熱晶圓及接近晶圓的氣體使其溫度升高，而高溫會觸發單一或是數種氣體間的化學反應，使通常為氣態的反應物被轉換為固態的生成物，並沉積在晶圓表面上。
以金屬有機化學氣相沉積形成的磊晶層，其品質受到各種因素，例如，反應室內的氣體流動穩定度與均勻度、通過晶圓表面的氣體流均勻度，及/或溫度控制的精確度等的影響。如果這些參數控制不佳，會降低磊晶層以及所形成電子元件的品質。
此外，當反應物藉由氫氣或是氮氣為承載氣體，傳送到晶圓表面被轉換成生成物，反應物會因為本身的活性不同、反應室設計，製程壓力，氣體流量，製程參數不同等因素而影響反應效率；因此，改善反應物沉積在晶圓表面上的效率，是MOCVD磊晶技術開發的重要課題。
在金屬有機化學氣相沉積系統中，通常利用一噴頭(injector)將乘載氣體與反應氣體，例如Ⅲ族氣體與Ⅴ族氣體，通入反應室中以磊晶薄膜，例如Ⅲ族-Ⅴ族化合物半導體薄膜於晶圓的表面上。圖1為側視圖，顯示習知金屬有機化學氣相沉積系統所使用的一種三重噴頭(triple injector)。參考圖1，噴頭1由上至下具有上管12A、中管12B、以及下管12C等堆疊的氣體管道。在本範例，氫氣(H2)或氮氣(N2)為三個氣體管道的承載氣體。其中，Ⅴ族氣體(例如氨氣(NH3))由上管12A與下管12C射出，Ⅲ族氣體(例如三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl))由中管12B射出，Ⅲ族氣體與Ⅴ族氣體在晶圓14上方區域相遇並產生化學反應，使沈積一Ⅲ族-Ⅴ族化合物半導體薄膜於晶圓14的表面上。
參考圖1，由於不同的氣體由不同高度水平面的氣體管道，上管12A、中管12B、以及下管12C，噴入反應室。如此，各種反應氣體除了需要經過一定時間的橫向擴散，還需要經過一定時間的縱向擴散後，才能使各個反應氣體均勻地分布於反應室並產生反應，導致製程時間的增加。
本案是關於一種化學氣相沉積系統，特別是一種應用於化學氣相沉積系統的氣體噴頭。
根據本發明一實施例，一種應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭包含一或多個氣體分流層，其中每個氣體分流層包含一中央區域、複數個間隔排列的氣導，以及複數個氣體通道。該中央區域用以容置一佈氣裝置。每個該氣導具有第一端、第二端以及中段，該中段位於第一端和第二端之間，該第一端接近該中央區域，該第二端接近該氣體分流層的周邊。每兩個該氣導構成一個該氣體通道，使通過由佈氣裝置提供的氣體。其中，每個氣導的寬度沿著第一端至中段逐漸增加，沿著中段至第二端逐漸減少。
根據本發明一實施例，一種應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭包含一或多個氣體分流層，其中每個氣體分流層包含一中央區域、複數個間隔排列的氣導，以及複數個氣體通道。該中央區域用以容置一佈氣裝置。每個該氣導具有第一端、第二端以及中段，該中段位於第一端和第二端之間，該第一端接近該中央區域，該第二端接近該氣體分流層的周邊。每兩個該氣導構成一個該氣體通道，使通過由佈氣裝置提供的氣體。其中，每個該氣導的該中段的寬度，大於該第一端以及該第二端的寬度。
根據本發明所提供應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其以單層結構進行氣體分流而將其由同一水平面側向噴出，從而可以縮短反應氣體均勻擴散所需的時間與減少氣體噴頭的體積。此外，氣體噴頭的結構設計，使得由氣體通道送出的氣體為層流，使提高磊晶均勻度、降低不良率。
本發明的一些實施例詳細描述如下。然而，除了該詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行。亦即，本發明的範圍不受已提出之實施例的限制，而以本發明提出之申請專利範圍為準。其次，當本發明之實施例圖示所示之應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭中的各種組成元件(例如氣體分流層、氣體通道)以單一元件描述說明時，不應以此作為有限定的認知，即如下之說明未特別強調數目上的限制時，本發明之精神與應用範圍可推及多數個組成元件並存的結構上。再者，在本說明書中，實施例圖示所示之應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭中的各種組成元件元件(例如氣體分流層、氣體通道)之不同部分並沒有完全依照尺寸繪圖，某些尺度與其他相關尺度相比或有被誇張或是簡化，以提供更清楚的描述以增進對本發明的理解。而本發明所沿用的現有技藝，在此僅做重點式的引用，以助本發明的闡述。
圖2為立體圖，顯示根據本發明一實施例的化學氣相沉積系統的氣體噴頭2。較佳的，化學氣相沉積系統為金屬有機化學氣相沉積系統，但不限於此。為了強調發明的特徵，氣體噴頭2的部分元件被剖開或省略未示。如圖2所示，氣體噴頭2包含一或多個氣體分流層20，每個氣體分流層20為一單層結構，可分流不同的反應氣體而將所有反應氣體由同一水平面側向噴出。在本實施例，氣體分流層20的數量為兩個，但不限於此。
如圖2所示，在同一平面上，氣體分流層20具有許多間隔排列的氣導21以及氣體通道22，其中每兩個氣導21可形成一個氣體通道22。這些氣導21與氣體通道22呈放射狀，由氣體分流層20的中心向周邊延伸。每一個氣體通道22在氣體分流層20的中心有一氣體入口，在氣體分流層20的周邊具有一氣體出口。
如圖2所示，氣體分流層20的中央區域23做為一中央供氣道，用以容置一佈氣裝置(圖中未示)以及供各種反應氣體(例如第一反應氣體、第二反應氣體、第三反應氣體等)通行。佈氣裝置可將不同的反應氣體分布並輸送至特定的氣體通道中。由於佈氣裝置與其分布方法並非本發明的重點，因此於本文中並不對其詳加說明與限定，任何可以達成氣體分流的佈氣裝置皆可以應用於本發明的氣體噴頭。在本發明的一實施例，佈氣裝置的結構如同台灣專利申請號105131760，題為「應用於半導體設備之氣體噴射裝置」所揭露的佈氣裝置相同；上述專利的說明書內容併入本文，視為本案說明書的一部分。
如圖2所示，每個氣體通道22用以供一反應氣體通行於其中，由氣體分流層102中心的氣體入口進入，而由氣體分流層102周邊的氣體出口以一放射狀噴射的方式將該反應氣體提供給反應室。此外，當各種反應氣體通入氣體噴頭2時，佈氣裝置(圖中未示)會將不同種類的反應氣體分別輸送至用於對應的氣體通道中，並依照所需要的流量，分別調整不同種類氣體通道中反應氣體的流量。在一實施例，氣體噴頭2具有頂部、中部，和底部進氣口(未圖示)，而供氣裝置(未圖示)分別透過頂部、中部，和底部進氣口以提供反應氣體給不同的氣體通道22。
如圖2所示，由於氣體通道22彼此並不相互連通，所以不同的反應氣體在氣體分流層20內時並不會彼此混雜。當各種反應氣體於同一平面以放射狀方式由氣體噴頭2的周邊噴出而進入反應室，並於反應室中橫向擴散，使各反應氣體相遇產生反應形成薄膜沈積於晶圓表面上。藉此，氣體分流噴頭2以一單層結構取代傳習知三重噴頭的多層結構，各反應氣體由同一平面橫向噴出，不需要縱向擴散，只需要橫向擴散，如此可大幅縮減製程時間。
然而，實務上發現，圖2的氣體噴頭2仍有改善的空間。圖3顯示圖2的氣體噴頭2的第一種電腦模擬結果。圖中x和y座標顯示的數值為距離。其中，根據第一種製程的需要，氣體噴頭的頂部、中部，和底部進氣口的供氣流量，分別為30 slm、15 slm、15 slm (標準狀態下，升/分鐘)。如圖3中圈處所示，由兩相鄰氣體通道所噴出的氣體，在會合時會產生紊流(turbulence)。
圖4顯示圖2的氣體噴頭2的第二種電腦模擬結果。其中，根據第二種製程的需要，氣體噴頭的頂部、中部，和底部進氣口的供氣流量，分別為7 slm、9 slm、7 slm (標準狀態下，升/分鐘)。如圖4中圈處所示，由兩相鄰氣體通道所噴出的氣體，在會合時也會產生紊流。
由圖3和圖4的結果可知，不管是高氣體流量(圖3)或低氣體流量(圖4)，兩相鄰氣體通道22所噴出的氣體，在會合時皆產生紊流。根據流體力學，當雷諾數(Re)較大時，慣性力對流場的影響大於黏滯力，流體流動較不穩定，形成紊亂(turbulence)。如果反應氣體的流動狀態為紊流，可能會導致反應不完全、產生副產品(by product)，使得磊晶薄膜的缺陷增加以及均勻度降低。
為了克服上述缺點，本案申請人提出另一種應用於氣相沉積系統的氣體噴頭。圖5為立體圖，圖6為俯視圖，顯示根據本發明較佳實施例的化學氣相沉積系統的氣體噴頭3。較佳的，化學氣相沉積系統為金屬有機化學氣相沉積系統，但不限於此。為了強調發明的特徵，氣體噴頭3的部分元件被剖開或省略未示。如圖5和圖6所示，氣體噴頭3包含一或多個氣體分流層30，每個氣體分流層30為一單層結構，可分流不同的反應氣體而將所有經分流的反應氣體由同一水平面側向噴出。
如圖5和圖6所示，在同一平面上，氣體分流層30具有許多間隔排列的氣導31以及氣體通道32，其中每兩個氣導31可形成一個氣體通道32。較佳的，氣導31是等間隔排列，但不限定於此。這些氣導31與氣體通道32呈放射狀，由氣體分流層30的中心向周邊延伸。每一個氣體通道32在氣體分流層30的中心有一氣體入口，在氣體分流層30的周邊具有一氣體出口。如圖5和圖6所示，氣體分流層30的中央區域33做為一中央供氣道，用以容置一佈氣裝置(圖中未示)以及供各種反應氣體通行。
以下說明圖2的氣體分流層20和圖5-6的氣體分流層30的差別。如圖2所示，氣體分流層20的氣導21為微扇形，每個氣導21具有第一端和第二端，其中第一端靠近氣體分流層20的中心處、第二端靠近氣體分流層20的周邊。而每個氣導21最窄的地方位於第一端，最寬的地方位於第二端，氣導21的寬度由第一端至第二端逐漸增加。相較之下，圖5-6的氣體分流層30的氣導31，具有類似飛鏢或鑽石的輪廓，每個氣導31具有第一端311和第二端313以及中段312，中段312位於第一端311和第二端313之間。每個氣導31最窄的地方位於第二端313，最寬的地方位於中段312。氣導31的寬度沿著第一端311至中段312逐漸增加，接著，氣導31的寬度沿著中段312至第二端313逐漸減少。在一實施例，氣導31在第二端313的寬度為零，但不限定於此。如圖6所示，在一實施例，氣導31的第二端313與氣體分流層30的周邊具有一距離D，但不限定於此。在一實施例，每個氣導31的第一端311至中段312為類似扇形的結構，而由中段312至第二端313為倒三角形的結構，但不限定於此。
圖7顯示圖5-6的氣體噴頭3的第一種電腦模擬結果。其中，根據第一種製程的需要，氣體噴頭3的頂部、中部，和底部進氣口的供氣流量，分別為30 slm、15 slm、15 slm (標準狀態下，升/分鐘)。如圖7所示，由兩相鄰氣體通道所噴出的氣體，在會合時不會產生紊流(turbulence)，氣體的狀態為層流(Laminar flow)。
圖8顯示圖5-6的氣體噴頭3的第二種電腦模擬結果。其中，根據第二種製程的需要，氣體噴頭3的頂部、中部，和底部進氣口的供氣流量，分別為7 slm、9 slm、7 slm (標準狀態下，升/分鐘)。如圖8所示，由兩相鄰氣體通道所噴出的氣體，在會合時並未產生紊流，氣體的狀態為層流。
由圖7和圖8的結果可知，不管是高氣體流量(圖7)或低氣體流量(圖8)，由氣體噴頭3的兩相鄰氣體通道所噴出的氣體，在會合時皆不會產生紊流，氣體的狀態為層流。根據流體力學，當雷諾數較小時，黏滯力對流場的影響大於慣性力，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩定，為層流。而反應室需要的氣體流動狀態為層流，可使得氣體反應完全、避免磊晶缺陷，並提升磊晶均勻度。
鑑於上述實施例，本發明提供了一種應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其以單層結構進行氣體分流而將其由同一水平面側向噴出，從而可以縮短反應氣體均勻擴散所需的時間與減少氣體噴頭的體積。此外，氣體噴頭的結構設計，使得由氣體通道送出的氣體為層流，使提高磊晶均勻度、降低不良率。
本說明書所揭露的每個/全部實施例，本領域熟悉技藝人士可據此做各種修飾、變化、結合、交換、省略、替代、相等變化，只要不會互斥者，皆屬於本發明的概念，屬於本發明的範圍。可對應或與本案所述實施例特徵相關的結構或方法，及/或發明人或受讓人任何申請中、放棄，或已核准的申請案，皆併入本文，視為本案說明書的一部分。所併入的部分，包含其對應、相關及其修飾的部分或全部，(1)可操作的及/或可建構的(2)根據熟悉本領域技藝人士修飾成可操作的及/或可建構的(3)實施/製造/使用或結合本案說明書、本案相關申請案，以及根據熟悉本領域技藝人士的常識和判斷的任何部分。
除非特別說明，一些條件句或字詞，例如「可以(can)」、「可能(could)」、「也許(might)」，或「可(may)」，通常是試圖表達本案實施例具有，但是也可以解釋成可能不需要的特徵、元件，或步驟。在其他實施例中，這些特徵、元件，或步驟可能是不需要的。
本文前述的文件，其內容皆併入本文，視為本案說明書的一部分。本發明提供的實施例，僅作為例示，不是用於限制本發明的範圍。本發明所提到的特徵或其他特徵包含方法步驟與技術，可與相關申請案所述的特徵或結構做任何結合或變更，部分的或全部的，其可視為本案不等的、分開的、不可替代的實施例。本發明所揭露的特徵與方法其對應或相關者，包含可從文中導出不互斥者，以及熟悉本領域技藝人士所做修飾者，其部分或全部，可以是(1)可操作的及/或可建構的(2)根據熟悉本領域技藝人士的知識修飾成可操作的及/或可建構的(3)實施/製造/使用或結合本案說明書的任何部分，包含(I)本發明或相關結構與方法的任何一個或更多部分，及/或(II)本發明所述任何一或多個發明概念及其部分的內容的任何變更及/或組合，包含所述任何一或多個特徵或實施例的內容的任何變更及/或組合。
1 噴頭
12A 上管
12B 中管
12C 下管
14 晶圓
2 氣體噴頭
20 氣體分流層
21 氣導
22 氣體通道
23 中央區域
3 氣體噴頭
30 氣體分流層
31 氣導
32 氣體通道
33 中央區域
311 第一端
312 中段
313 第二端
D 距離
圖1為側視圖，顯示一種應用於有機金屬化學氣相沈積系統的習知噴頭。
圖2為立體圖，顯示根據本發明一實施例應用於化學氣相沈積系統的氣體噴頭。
圖3為電腦模擬圖，顯示圖2應用於化學氣相沈積系統的氣體噴頭在高流量下的氣體流動。
圖4為電腦模擬圖，顯示圖2應用於化學氣相沈積系統的氣體噴頭在低流量下的氣體流動。
圖5為立體圖，顯示根據本發明較佳實施例應用於化學氣相沈積系統的氣體噴頭。
圖6為俯視圖，顯示根據本發明較佳實施例應用於化學氣相沈積系統的氣體噴頭。
圖7為電腦模擬圖，顯示圖5-6應用於化學氣相沈積系統的氣體噴頭在高流量下的氣體流動。
圖8為電腦模擬圖，顯示圖5-6應用於化學氣相沈積系統的氣體噴頭在低流量下的氣體流動。
Claims (13)
- 一種應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，包含：一或多個氣體分流層，每個該氣體分流層將不同的氣體由同一水平面側向噴出並包含：一中央區域用以容置一佈氣裝置並供氣體通行；複數個間隔排列的氣導，每個該氣導具有一第一端、一第二端以及一中段，該中段位於該第一端和該第二端之間，該第一端接近該中央區域，該第二端接近該氣體分流層的周邊；以及複數個氣體通道，其中每兩個該氣導構成一個該複數個氣體通道的其中之一，使通過由該佈氣裝置提供的氣體；其中，每個該氣導的寬度沿著該第一端至該中段逐漸增加，沿著該中段至該第二端逐漸減少，以及，每個該氣導的該第二端與該氣體分流層的周邊具有一距離。
- 根據申請專利範圍第1項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每兩個相鄰氣體通道所輸送出的氣體的混合的流體狀態為層流。
- 根據申請專利範圍第1項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每個該氣導具有一飛鏢形的輪廓。
- 根據申請專利範圍第1項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每個該氣導的該第二端的寬度為零。
- 根據申請專利範圍第1項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每個該氣導的該第一端至該中段為一個扇形結構。
- 根據申請專利範圍第5項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每個該氣導的該中段至該第二端為一個倒三角形結構。
- 一種應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，包含：一或多個氣體分流層，每個該氣體分流層將不同的氣體由同一水平面側向噴出並包含：一中央區域用以容置一佈氣裝置並供氣體通行；複數個間隔排列的氣導，每個該氣導具有一第一端、一第二端以及一中段，該中段位於該第一端和該第二端之間，該第一端接近該中央區域，該第二端接近該氣體分流層的周邊；以及複數個氣體通道，其中每兩個該氣導構成一個該複數個氣體通道的其中之一，使通過由該佈氣裝置提供的氣體；其中，每個該氣導的該中段的寬度大於該第一端以及該第二端的寬度，每個該氣導的該第二端與該氣體分流層的周邊具有一距離。
- 根據申請專利範圍第7項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每個該氣導的寬度沿著該第一端至該中段逐漸增加，沿著該中段至該第二端逐漸減少。
- 根據申請專利範圍第7項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每兩個相鄰氣體通道所輸送出的氣體的混合的流體狀態為層流。
- 根據申請專利範圍第7項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每個該氣導具有一飛鏢形的輪廓。
- 根據申請專利範圍第7項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每個該氣導的該第二端的寬度為零。
- 根據申請專利範圍第7項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每個該氣導的該第一端至該中段為一個扇形結構。
- 根據申請專利範圍第12項所述的應用於化學氣相沈積裝置的氣體噴頭，其中每個該氣導的該中段至該第二端為一個倒三角形結構。
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