TW201319302A - 在直線型大面積的電漿反應器均勻處理的氣體輸送和分配系統及其處理腔室 - Google Patents

在直線型大面積的電漿反應器均勻處理的氣體輸送和分配系統及其處理腔室 Download PDF

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Abstract

一種用以導入氣體至一處理腔室之一儀器，包括一或多個氣體分配管(gas distribution tube)。氣體分配管具有數個氣體注入孔。在需要較多氣體傳導通過氣體導入管之處，氣體注入孔可以有較大的尺寸、較多的數量和/或較近的間距。具有較大氣體注入孔之一外部管可以環繞於各氣體分配管。氣體分配管可以射流地連接於一真空管前端，於製程週期結束時以促進氣體從氣體分配管中排出。

Description

在直線型大面積的電漿反應器均勻處理的氣體輸送 和分配系統及其處理腔室
本發明之實施例概括來說是關於用以提供一氣體至一處理區域之一氣體分配管。
使用於顯示器和薄膜太陽能(thin-film solar)電漿輔助化學氣相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)工具的電漿源通常是使用電容性耦合之射頻場(RF field)或超高頻場(VHF field)來離子化和分離介於板狀電極間的處理氣體的平行板反應器。下一代平板(flat-panel)PECVD腔室包括能夠藉由使兩個基板位於一個「垂直」腔室和採用介於兩個基板間的「共同」電漿及氣體源來同時處理二個基板的電漿反應器。此方法不僅增加系統的生產量，也更可以因為兩個基板一起被處理時，兩個基板可以共享氣體和射頻功率，而減少射頻硬體和處理氣體(每一個生產量)的成本。
PECVD反應器中的電漿係可藉由設置於二個基板間的一線性電漿源矩陣來產生。處理氣體可以從分佈於基板區域之多個氣體管線被傳送。氣體管線可與電漿管線共平面，而電漿管線通常放置在介於二個基板之間的中間平面。或者，氣體管線可以靠近基板放置與分佈。氣體管線可以包含一或多個匯入管。匯入管具有數個開口，氣體通過開口以導入處理區域。在這些系統中，於垂直於電漿和氣體管線之方向的電漿和氣體的均勻性是一個挑戰。這可 以藉由電漿和氣體管線的適當分配，或者修改製程技術(亦即藉由一或數個電漿/氣體管線，或者藉由兩者之組合，來掃描基板)來解決。然而，包括許多下一代的顯示器和太陽能工具，沿著管線的均勻性也是一項挑戰，而且在管線超過一公尺長的情況下，沿著管線的均勻性特別是具有關鍵性的。
一致的氣體分配的另一個挑戰是，當製程剩餘物沉積於開口附近時，氣體分配管之孔洞的阻塞。孔洞的阻塞限制了氣體流的處理量。孔洞的阻塞使氣體無法均勻地流入處理區域。儘管較大的洞口在管路中較不易阻塞，藉由使沿著氣體管線之壓力下降，較大的洞口會讓氣體匯入的一致性降低。這些使得進入處理腔室之氣體流變得不均勻。如果使用較小的洞口，較小的洞口較不會使得沿著氣體管線的壓力下降，但卻更容易被阻塞。
在最小化阻塞及最小化沿著管路之壓力下降的情況下，如何使反應氣體通過一氣體匯入管至一腔室，以均勻地穿過一基板，此為所屬技術領域之一大需求。
本發明之實施例概括來說是有關於使用在一處理腔室中之氣體分配管。
在一實施例中，提供一種氣體分配系統。氣體分配系統包括一氣體分配管，其中一來源氣體被匯入至氣體分配管之至少一部分中，且氣體分配管具有從沿氣體分配管配置之各孔洞流出之實質上相等的來源氣體流量。
在另一實施例中，提供一氣體分配系統。氣體分配系統包括一氣體分配管，其中一來源氣體被匯入至該氣體分配管之至少一部份，且其中該氣體分配管具有複數個孔洞，越靠近氣體被匯入之該氣體分配管的至少一部份的該些孔洞的彼此之間的間隔越寬。在另一實施例中，提供一氣體分配管。氣體分配管包括具有數個孔洞之一內部管，其中內部管連接至一氣體源，以及一外部管環繞於內部管，其中外部管具有數個孔洞，外部管的孔洞大於內部管的孔洞。
更另一實施例中，提供一處理腔室。處理腔室包括一氣體源、一電漿源、一真空抽泵、一基板承座和至少一氣體分配管，氣體分配管射流地耦合於氣體源，其中一氣體源被匯入至氣體分配管之至少一部份，且其中氣體分配管具有數個孔洞，越靠近該氣體匯入處之該氣體分配管之該至少一部份的該些孔洞的尺寸越小。至少一氣體分配管可以更包括一外部管，外部管環繞於氣體分配管，其中外部管具有數個孔洞，外部管之孔洞大於氣體分配管之孔洞。另一實施例中，至少一氣體分配管可以射流地連接至耦接於真空抽泵的一真空管線。
本發明之數個實施例概括來說是關於一氣體分配管，用以提供一氣體至一處理區，包含一氣體分配管之幾何形狀及沿著管路的氣體注入孔分配。如此一來，反應的氣體可以沿著管路長度均勻地被匯入於氣體分配管與基 板間之區域中。所述之數個實施例可提供實質上等量之氣流，例如每十二英吋之氣體分配管長度，流量不超過百分之二十之差異，在更進一步之數個實施例中，每六英吋之氣體分配管長度，流量不超過百分之十之差異。
在一實施例中，設置在數個電漿管線和一基板之間的數個氣體分配管可具有一小的剖面以使電漿遮蔽降至最少。在另外數個實施例中，沿著氣體分配管的氣體注入孔之間距可以在需要較少氣體流出(和較少壓力下降)的管路之部分(例如在氣體匯入之管路之部分的鄰近區域)較大。氣體注入孔之間距可以在需要大量氣體流出的管路之部分(例如朝向氣體分配管之中心處)變窄。在另一實施例，氣體分配管之洞口之尺寸可以在需要少量氣體流出的管路之部分(例如氣體匯入之管路之部分)變小，而在需要大量氣體流出的管路之部分(例如朝著氣體分配管之中心處)變大。同樣地，氣體分配管之洞口數量可以在需要少量氣體流出的管路之部分減少和在需要大量氣體流出的管路之部分增加。在一實施例中，氣體分配系統可以包含具有數個洞口之一內部氣體分配管，內部氣體分配管可以設置於具有數個洞口之一外部氣體分配管內，外部氣體分配管之洞口通常較大，並且外部氣體分配管之洞口之間距比內部氣體分配管之洞口的間距較寬。內部氣體分配管可以耦接至一或多個氣體源。在各個氣體分配管上的洞口之設置、間距及數量可以用以維持氣體分配之均勻性，同時將洞口阻塞降至最低。
本文描述的實施例處理了與腔室(例如使用線性電漿 源技術之大面積的PECVD腔室)中氣體分配相關的非均勻沉積之問題，特別是在軸心方向(亦即平行於管線之方向)的非均勻性。雖然本文一些實施例係為了一微波動力電漿反應器所提出，所提出的解決方法可以用於(一)使用於線性電漿源技術的任何電漿反應器，例如微波、電容性、電感性電漿反應器；(二)任何型態之化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)系統、垂直雙極、單一基板腔室或水平單一基板腔室；(三)使用任何的沉積模式、靜態或動態模式的腔室中；和(四)其他電漿技術或運用，例如蝕刻、光阻剝除或反應式物理氣相沉積反應(Physical Vapor Deposition,PVD)。
第1圖繪示一處理系統，處理系統可以與所述之氣體分配管之多個實施例一起使用。第1圖繪示一垂直、線性的CVD系統100。線性的CVD系統100的尺寸可設計成可以處理具有大於約90,000平方公分(cm2)之表面積的基板，且可當沉積一2,000埃(Angstrom)厚度之氮化矽薄膜時，每小時能處理超過90個基板。線性的CVD系統100可以包含二個分開之生產線114A、114B，藉由同一控制系統平台112來耦接在一起，以形成一成對生產線結構/工具。成對生產線114A、114B可以使用一共同電源供應器(例如一交流電供應器)、共同和/或共享抽泵和排氣元件與一共同氣體控制板。各生產線114A、114B可以每小時處理超過45個基板，對於一個系統而言可以每小時處理合計超過90個基板。雖然第1圖揭示了二個生產線114A及114B，系統亦可設置成使用單一生產線或二個以上之生 產線。
各個生產線114A、114B包含一基板堆疊模組102A、102B，未加工的基板(亦即尚未在線性的化學氣相沉積系統100中處理過之基板)從基板堆疊模組102A、102B被取出，且處理過後的基板被儲存於基板堆疊模組102A、102B中。大氣機器手臂104A、104B從基板堆疊模組102A、102B取出基板並放置基板至一雙重基板裝載中心106A、106B內。可被理解的是，雖然基板堆疊模組102A、102B係顯示成基板在一水平方向堆疊，設置在基板堆疊模組102A、102B中之基板可以維持於一垂直方向，相似於基板在雙重基板裝載中心106A、106B中被承載的方式。接著，未加工的基板被移動至一雙重基板承載鎖定腔室108A、108B，再到一雙重基板處理腔室101A、101B。此時，被處理後之基板接著通過雙重基板承載鎖定腔室108A、108B其中之一返回至雙重基板裝載中心106A、106B其中之一。在雙重基板裝載中心106A、106B二者之一中，基板係藉由大氣機器手臂104A、104B其中之一被取出，並返回至基板堆疊模組102A、102B其中之一。
第2A~2C圖繪示第1圖中之雙重基板處理腔室101A、101B。第3圖繪示第1圖中之雙重基板處理腔室101A、101B之上視剖面圖。參考第2A~2C圖，雙重基板處理腔室101A、101B包含一多個微波天線210以線性排列的方式配置於各雙重基板處理腔室101A、101B之中央。微波天線210從處理腔室之頂部垂直地延伸至處理腔室之底部。各微波天線210在處理腔室之頂部及底部均具 有一對應之微波電源前端212，微波電源前端212耦接於微波天線210。如第2B圖所示，微波電源前端212可以由於空間的限制而交錯排列。電源可以透過各個微波電源前端212獨立地供應給微波天線210之各端。微波天線210可以操作在介於300兆赫(MHz)及3千兆赫(GHz)之頻率範圍內。金屬天線可以為實心或中空狀，具有任意截面(圓形、矩形等)，且其長度可以遠大於其截面特徵尺寸；天線可以直接曝露於電漿或嵌入於一介電質中(註：介電質被理解為固態絕緣體或固態絕緣體加上空氣/氣體之一個或多個間隙)，並藉由射頻電源(RF power)驅動。線性波源(linear source)可以伴隨一個或二個射頻產生器，於一個端點或雙側端點來驅動。並且，一個產生器可以驅動一線性電漿源、數個平行或串聯之電漿源或二者之組合。
各處理腔室被設置成可同時處理二個基板，微波天線210的每一側各有一個基板。藉由一基板承座208和一遮蔽框架204，基板被固定在處理腔室中。數個氣體導入管214可以設置在相鄰之微波天線210間。氣體導入管214可由適當的，較佳地為非腐蝕性材料(例如鋁、陶瓷的或不銹鋼)製成，用以分配氣體。氣體導入管214從處理腔室之底部垂直地延伸到處理腔室之頂部，並平行於微波天線210。氣體導入管214容許處理氣體的導入(例如矽前導物及氮前導物)。雖然未繪示於第2A~2C圖中，處理腔室101A、101B可以藉由位於基板承座208後方之一抽泵埠(見第3圖之302A~302D)以排空其氣體。
第3圖繪示第1圖之一雙重基板處理腔室101A之上視剖面圖(此圖亦可相同於雙重基板處理腔室101B之上視剖面圖)，雙重基板處理腔室101A具有數個基板306設置在其中，並具有耦接於一真空管線前端之氣體導入管214。氣體導入管214設置及分配在位於基板承座208上之基板306的附近。雙重基板處理腔室101A以數個連接點302A~302D通向真空管線前端。由於連接點302A~302D設置在靠近雙重基板處理腔室101A之角落，在雙重基板處理腔室101A之所有區域中，雙重基板處理腔室101A可以實質上被均勻地排空。若僅利用一個排空點時，比起一個更遠的位置，排空點附近可能會有比較大的排空程度。可被思及的是，其他的排空連接是有可能的，包括額外的連接。
氣體導入管214可以是平行於基板設置的圓形、橢圓形或矩形剖面的管路。氣體導入管214一般是通過腔室壁之數個饋孔(feedthrough)自二端(例如在第2A及2B圖的垂直處理腔室的情況下之處理腔室的底部和頂部)被匯入，及氣體線路充氣部(氣體導入管214之內部部分)通過沿著氣體導入管214分配之多個氣體注入孔(參考例如第4圖之430)連接至處理腔室。在一實施例中，一種或數種處理氣體通過射流地耦接至各個氣體導入管214的一主管或歧管(未繪示)匯入管匯入至各個氣體導入管214中。主管或歧管匯入管可藉由一或多個氣體源匯入。一或多個控制閥可以被設置在主管或歧管氣體管線及各個氣體導入管214之間，以控制流入各個氣體導入管214之流 量。因此，氣體進入各個氣體導入管214之流量可以依據氣體導入管214位於處理腔室的位置(例如朝向中心而與多個端點相對)，或依據在腔室中被處理之基板的形狀及尺寸來變化。
在一實施例中，氣體導入管214具有小的剖面及小的外表面面積，使得電漿耗損(由於電漿牆反應所造成之電荷粒子的損耗)和反應物損耗(由於沉積在氣體管線外部表面所造成之自由基損耗)可降至最少，且可提高處理腔室之能量和氣體使用效率。減少氣體導入管214的外部表面面積也有助於將腔室清潔之頻率、清洗氣體的損耗和/或清潔時間降至最少，這是因為較少的物質沉積於氣體導入管214上。因此，由於縮減表面面積造成較少的物質沉積，使得製程過程中沉積在氣體導入管214上之薄膜脫落的情形較少發生，並提高系統生產率。
對於氣體導入管214不是設置在腔室中與線型電漿來源(例如微波天線210)相同的平面中，而是設置靠近基板之一平面中的腔室配置而言，使氣體導入管214維持在薄的狀態也會將電漿遮蔽降至最低。若氣體導入管214是靠近於基板並具有過大的直徑，氣體導入管214後面(對應於電漿管線的遮蔽部分中)之電漿密度比開放性區域(遮蔽部分外)有顯著性的降低，且此對於垂直於氣體導入管214方向的製程均勻性可能造成負面影響。
氣體導入管214應該要夠薄以使外部表面面積及電漿遮蔽降至最低，但不能過薄而損害氣體導入管214的強度，特別是當氣體導入管214的長度很長時，如同在一個 線形大面積的電漿反應器內時的情況。在一些實施例中，氣體導入管可以具有一圓形剖面，一長度約為3公尺和一外直徑約為0.5英吋(inch)及一內直徑約為0.25英吋。
然而，具有一小的剖面(例如具有圓形剖面時之管路的微小內部直徑)的氣體導入管214可能在氣體導入管214中具有低的氣體傳導(gas conductance)。較佳地，相較於在氣體導入管214中的氣體傳導，沿著氣體導入管214之氣體注入孔的氣體傳導係足夠小，使得沿著管路具有均勻的氣體分配。若氣體注入孔的氣體傳導很大的話，更多氣體將會趨向於透過氣體注入孔流出氣體導入管214，以進入靠近氣體管線匯入器的處理腔室附近，而不是流遍氣體導入管214的整個長度。這將導致一非均勻的製程。因此，為了補償非均勻性，可將氣體注入孔的尺寸和數量最小化，且將洞口之間的間距最大化，以使氣體管線每單位長度的氣體注入孔傳導降到最低。在一實施例，具有一長度約3公尺的一氣體導入管之氣體注入孔可以是圓形並具有一16毫米的直徑。在另一實施例，具有一長度約3公尺的一氣體導入管之氣體注入孔可以具有直徑約為1毫米到約為14毫米。在一些實施例中，所有的氣體注入孔可以具有相同直徑。在另一些實施例中，氣體注入孔可以有變化之直徑，和在氣體注入孔間有固定的間距。
在一些實施例中，氣體注入傳導梯度(gas-injection conductance gradient)可以藉由改變沿著氣體導入管214之氣體注入孔的間距和/或尺寸來達到。第4A圖繪示根據一實施例中一氣體導入管(在氣體導入管各端具有一氣體供 給)之剖面圖，其中藉由不同間距的氣體注入孔430形成氣體注入傳導梯度。如第4A圖所繪示，沿著氣體導入管414的氣體注入孔430可以在靠近氣體供給處相隔距離較寬，而朝向氣體導入管414中心處間隔較窄。此構造容許氣體導入管414在靠近氣體匯入的部份有較少氣體(通過氣體注入孔430)漏出，氣體在氣體導入管414之氣體匯入處具有較高的壓力，因此容許較多氣體流向氣體導入管414之中心。氣體藉由氣體注入孔430更均勻地流出而可產生基板406上較佳的沈積。
一氣體注入傳導梯度也可以藉由改變沿著氣體導入管414之氣體注入孔430的大小來達到。第4B圖是根據一實施例繪示一氣體導入管(在氣體導入管各端具有一氣體供給)的剖面圖，其中係藉由改變的氣體注入孔430的大小以形成氣體注入傳導梯度。如第4B圖所繪示，沿著氣體導入管414的氣體注入孔430可以在靠近氣體匯入處具有較小的尺寸(例如在圓形洞口的情況下直徑較小)而在朝向氣體導入管414中心處氣體注入孔430尺寸較大。此容許氣體導入管414在靠近氣體匯入處(氣體匯入處之氣體具有較高的壓力)有較少氣體漏出，而氣體導入管414的更多氣體流向氣體導入管414之中心。氣體因此更均勻地從氣體注入孔430流出，並產生基板406上較佳的沈積。
也可以藉由結合不同氣體注入孔430的間距、數量和尺寸來實現氣體注入傳導梯度。雖然只有一個氣體導入管繪示於第4A~4B圖，可以理解的是，氣體傳導梯度可類似地被形成在多氣體管線腔室(如繪示於第1圖中之線性 的CVD系統100)中之多個氣體注入管內，以達成氣體分配均勻性。再者，沿著(數個)氣體導入管的局部的氣體傳導可以從(數個)氣體導入管的二端到中心做不同變化(例如藉由改變氣體注入孔間距、數量和/或尺寸)，或從(數個)氣體導入管的一端到另一端做不同變化，這取決於氣體管線係從二端或一端被匯入。舉例來說，在第4C圖中繪示一氣體導入管414僅從一端匯入氣體。氣體注入孔430在靠近氣體匯入氣體導入管414之一端處相隔間距可以較大。在第4D圖中繪示一氣體導入管414僅從一端匯入氣體。氣體注入孔430可以在靠近氣體匯入氣體導入管414之一端處尺寸較小，而在遠離從氣體匯入氣體導入管414之一端處尺寸較大。在另一實施例中，氣體導入管414之外部表面可以被磨刷以使氣體導入管414之壁厚沿著氣體導入管414的長度做變化。舉例來說，如第4E圖所繪示，氣體導入管414之外部表面(其氣體從二端匯入)可以被磨刷以使氣體導入管414面對基板406之外部表面為凹面。因此，氣體注入孔430可以在靠近氣體匯入氣體導入管414之一端處較長(較少氣體傳導自氣體注入孔離開)，及在遠離氣體匯入氣體導入管414之一端處之氣體注入孔430較短。如果氣體導入管414只有一端匯入氣體，氣體導入管414之外部表面可以被磨刷並縮減，以使在靠近氣體匯入氣體導入管414之一端之氣體注入孔430較長，和在遠離氣體匯入氣體導入管414的另一端之氣體注入孔430較短。在另一實施例，局部的氣體傳導可以依照需求沿著(數個)氣體導入管非均勻地排列，如此以抵 銷處理腔室相關的不對稱(抽泵、基板/臺階邊緣、或在數個垂直腔室中傾斜的基板等)。
第5A圖繪示根據一實施例一氣體導入管514之透視圖。如第5A圖所繪示，二排氣體注入孔530可以沿著氣體導入管514的長度形成，向著氣體導入管514的中央方向形成更多的氣體注入孔530。以另一種方式陳述之，氣體導入管514(氣體導入管亦可視為氣體分配管)可具有一或多個孔洞(如氣體注入孔530)於氣體導入管514內之各個孔洞位置。舉例來說，於第5A圖中，二個孔洞位於氣體導入管514內之各孔洞位置上。數排的氣體注入孔530面向基板(未繪示)，並藉由氣體注入孔530的分配形成的氣體注入傳導梯度確保匯入至氣體導入管514的氣體在靠近氣體匯入氣體導入管514之一端不會漏出，並到達管路的中央。因此，沿著氣體導入管514的壓力差被降至最低。
第5B和5C圖繪示第5A圖之氣體導入管之不同實施例的剖面圖。數排氣體注入孔530可以一角度A被形成，角度A可以依其應用有不同變化。在一實施例中，角度A可以選自一從30到60度之範圍。在另一實施例中，角度A可以選自一從30到90度之範圍。雖然第5A圖中繪示氣體導入管514中的二排氣體注入孔530，其他實施例可以包含僅有一排氣體注入孔之氣體導入管，或三排氣體注入孔或更多。任何可以被使用於二排之角度也可以使用於三排或更多排。再者，當處理三排或更多排時，排與排之間分開之角度不需要相等。此外，氣體注入孔可以依其應 用被形成為其他圖案，而此圖案可以是規則或不規則的。
第6A和6B圖繪示第5A圖之氣體匯入管的不同實施例之剖面圖。在一些實施例中，氣體注入孔530可以是鑽孔的，使得貫穿氣體導入管514厚度的洞口之直徑改變。在第6A圖繪示之實施例中，氣體注入孔在氣體導入管514之外部表面處可以具有最大的直徑，直徑朝氣體導入管514的厚度的中央漸減，且當到達氣體導入管514內部表面時變成圓柱形。繪示於第6B圖之氣體注入孔530具有一圓錐型，氣體注入孔之直徑從氣體注入孔之內部表面到氣體注入孔之外部表面漸增。其他形狀之氣體注入孔也可使用。
第7圖繪示氣體導入管700之另一實施例，包括一內部氣體導入管714位於一外部氣體導入管734中。一氣體供應(未繪示)可以耦合至內部氣體導入管714。內部氣體導入管714可以由任何適合的、較佳地為非腐蝕性材料製成(例如鋁、陶瓷或不鏽鋼)，用以分配氣體，且可以具有夠小之一外部直徑，使內部氣體導入管714可以設置於外部氣體導入管734內，並於二個管路間具有一間隙g。內部氣體導入管714包括一或多個氣體注入孔730，外部氣體導入管734包含一或多個氣體注入孔736。氣體注入孔730容許在內部氣體導入管714之氣體從內部氣體導入管714漏出至一介於內部氣體導入管714和一外部氣體導入管734間的空間。氣體注入孔736容許氣體自外部氣體導入管734漏出進入處理區域。
氣體傳導梯度可以使用於內部氣體導入管714和外 部氣體導入管734之其中一個或二個，使用如上所述的相同方法以改善氣體分配之均勻性。氣體注入孔730越小，從內部氣體導入管714流出的氣體流越均勻。較小的氣體注入孔730使沿著內部氣體導入管714長度之壓力差降到最低，且創造一充氣狀態，充氣狀態使得內部氣體導入管714之中的壓力增加。因此，在沿著內部氣體導入管714的所有位置上，漏出內部氣體導入管714之氣體通常具有相同流速。小的氣體注入孔730也可以避免在處理區域之電漿進入到內部氣體導入管714內的充氣空間。為了避免小的氣體注入孔730的阻塞，外部氣體導入管734環繞於內部氣體導入管714配置，以屏蔽內部氣體導入管714和氣體注入孔730來避免電漿沈積。藉由維持內部氣體導入管714之內和處理空間之間的壓力差(例如二者之係數)，可避免氣體移動進入內部氣體導入管714中，並將電漿耗損(電漿和氣體的管壁交互作用所造成之帶電粒子的損耗)降至最低。
為了提高形成於內部氣體導入管714內的充氣狀態，氣體注入孔730的數量可以被降至最低，以在內部氣體導入管714內維持足夠之壓力。在其他的實施例中，在內部氣體導入管714內的氣體注入孔730的數量可以沿著管路在最靠近氣體匯入的部份減少(例如第7圖繪示朝向在氣體被導入的地方，氣體注入孔較少)。這可藉由將位於內部氣體導入管714期望較少氣體流出的區段的氣體注入孔730間隔較遠來達成。在另一實施例中，可讓位於內部氣體導入管714期望較少氣體流出的區段的氣體注入孔 730具有較小的尺寸，使得沿著內部氣體導入管714之多個區段的氣體流出可以有不同的變化。在另一些實施例中，沿著內部氣體導入管714之長度，可以使用不同的氣體注入孔730的形狀和尺寸，以改變氣體的流出量。
氣體注入孔730的位置、間隔、形狀和尺寸可以依據管路的配置、處理腔室和沉積製程之需要或需求，沿著整個內部氣體導入管714的長度做變化。一些區段可以具有重複規律的氣體注入孔的樣式，而其他區段可以具有不規律的氣體注入孔間隔、尺寸和形狀。舉例來說，依據氣體管線係從二端或僅有一端匯入氣體，氣體注入孔730的尺寸和/或數量可以在內部氣體導入管714的一端或二端減少，或一端可以與另一端不同。它們也可以針對特別需求被非一致性地排列，例如補償處理腔室相關的不對稱(抽泵，基板/台階邊緣或垂直腔室中之傾斜基板)。外部的氣體導入管734之氣體注入孔736可依據管路配置、處理腔室和沉積製程，同樣地可以在數量、間隔、尺寸或形狀上做變化。
在多個製程週期(processing cycle)之間，可能會難以排空形成於氣體分配管中之充氣狀態，這是由於氣體分配管的長度，及氣體注入孔之小尺寸與數量降低了氣體從氣體導入管的漏出率。為了減少在製程週期之中或之間的清除時間並提高製程效率，氣體導入管214可以耦接至真空管線前端，以促進和加速排出停留在氣體導入管內之氣體。
當氣體導入管214內的壓力愈大，就可能愈難循環使 用處理腔室(處理腔室可能需要改變製程氣體)，這是因為氣體導入管214可能具有在下一週期前必須排出的一高氣體密度。即使可以使用真空抽泵316來排空腔室，由於小直徑的氣體注入孔和減少氣體注入孔之數量所導致之受到限制的流速，可能必須耗費一長時間來排出氣體導入管214內之氣體。舉例來說，當一製程結束而必須快速地改變氣體，停留在氣體導入管214中的氣體可能需耗費一段長時間來排除到一可接受之最低標準。根據所使用的製程氣體，這樣的延宕變得更加具有關鍵性，特別是非晶矽。為了容易且加速氣體從氣體導入管214中排出，一三向閥350可以安裝在一氣體管線320上，氣體管線320耦接處理腔室的氣體導入管214至一氣體源340。三向閥350也可以流體的(fluidly)耦合至通到真空抽泵316的真空前端。一旦製程週期結束，真空抽泵316可以用來抽出處理腔室與氣體導入管214中的氣體。在製程的過程中，可以關閉三向閥350至管路322的流動，以使氣體只能於處理腔室和氣體源340間流動。此類的三向閥350如實際之作法可以被設置在氣體源340附近，以將(介於三向閥和氣體源340之間的)未排出氣體傳送管線的體積降到最低。其他的閥組合和配置也可以被使用，以如三向閥350的相同方式來轉換氣體的流向。
在不想受理論的限制下，電漿(例如微波射頻電漿)產生能量，能量會被處理腔室的主體吸收。吸收的能量會使在腔室內的零件加熱(例如基板、襯托器、氣體分配管和腔室壁面)。在標準實施例中，在處理腔室中的氣體分 配管是以鋁製成。標準氣體分配管的加熱和冷卻導致氣體分配管的熱膨脹和收縮。一般認為由電漿暴露造成的熱膨脹和收縮會導致氣體分配管被彎曲和甚至夾緊。熱變形的氣體分配管會導致氣流的擾亂，氣流的擾亂被認為會導致沈積速率之非一致性的劣化。就本身而言，在增加氣體管線電漿暴露或能在氣體管線上產生明顯的加熱和冷卻對比(例如一微波線性來源使用於一水平氣體傳送系統)的數個實施例中，鋁不被認為是一可信賴的材料。
如本文所述，陶瓷氣體管線可利用洞口的位置和結構以控制從最靠近氣體進入點到末端之氣體的體積流量。流動控制可以遍及氣體管線產生幾乎等量之氣體流。再者，陶瓷氣體分配管顯示出比一鋁氣體分配管較少之由於加熱和冷卻腔室元件所造成的熱變形。
根據一實施例，第8圖描繪於一氣體分配系統之沈積。第8圖繪示一曲線圖800，縱軸為沈積率806(單位為埃/分鐘(Å/min))，橫軸是從基板邊緣起算之基板表面位置808(單位為公釐)。在此範例中，藉由未改變氣體注入孔設置之一標準氣體分配管(無膠帶氣體管線802)的沈積係與藉由當氣體分配管在靠近氣體管線時增加氣體注入孔阻塞的頻率之氣體分配管(膠帶氣體管線804)的沈積比較。氣體注入孔的設置藉由將Kepton膠帶(Kepton tape)放置在氣體注入孔上，以阻止來自氣體分配管之阻塞的氣體注入孔的氣流來模擬。無膠帶的管路沒有被膠帶阻塞的氣體注入孔。有膠帶的管路有被阻塞的氣體注入孔，以將一氣體分配管模擬成更遠離氣體管線之處有間距 減少的氣體注入孔。如同在本實施例中有二個氣體管線，在氣體分配管之中心處比在氣體管線連接處有更多的有用的(未阻塞的)氣體注入孔。
在氬(Ar)氣電漿存在的情況下，氨(NH3)和矽烷(SiH4)被朝向基板導入。在無膠帶的管路和有膠帶的管路間，所有氣體的流速係維持一致，能量源和電漿產生速率也是如此。再者，至氣體分配管每一側的流速會維持固定，以確保峰值及谷值反映出在氣體分配管內所期望之氣體分配。
無膠帶的管路顯示在氣體進入處之沈積的標準峰值接近2200埃/分鐘，其對應於曲線圖之X軸的100公厘和2700公釐處。當氣體穿過管路的長度時，無膠帶的管路的壓力與接下來的沈積下降到和大約1000埃/分鐘一樣低。
相較於無膠帶的管路，有膠帶的管路顯示了於均勻沉積速率上之顯著的改善。通常形成於氣體進入處之峰值被縮減到大約1500埃/分鐘，中央處沈積達到至少約1000埃/分鐘之最小值。雖然接近中央的谷值仍然存在，穿過氣體分配管的長度，沉積的大體上的平均是更加一致。如此，洞口圖案的改變可以提供來自管路、為了基板上之沈積之氣體更均勻的分配。
不受理論的限制下，一般相信不佳的沈積不均勻可由氣體分配管內非均勻的氣體壓力所產生。氣體壓力被認為是被其他因素之中之洞口尺寸、洞口位置、氣體到達管路的方法和洞口數量所影響。因此，一般相信藉由改變洞口位置、洞口尺寸、洞口數量、或沿著氣體分配管的壓力， 或藉由包含一第二管路以擴散壓力差的影響，比起傳統的氣體分配管設計能有更均勻的沉積。
如上所述，雖然第1圖繪示一垂直的化學氣相沉積(CVD)腔室，其中基板被垂直地設置且氣體分配管的走向水平於X-Y平面，本文所描述之實施例的並不會限制於第1圖之腔室的設置。舉例來說，氣體分配管可以被使用在其他的CVD腔室內，於這些CVD腔室中，基板被支撐在實質上平行於地面之一平面位置。
綜上所述，雖然本發明已以一實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧化學氣相沉積系統
101A、101B‧‧‧基板處理腔室
102A、102B‧‧‧基板堆疊模組
104A、104B‧‧‧大氣機器手臂
106A、106B‧‧‧基板裝載中心
108A、108B‧‧‧基板承載鎖定腔室
114A、114B‧‧‧生產線
112‧‧‧控制系統平台
204‧‧‧遮蔽框架
208‧‧‧基板承座
210‧‧‧微波天線
212‧‧‧微波電源前端
214、414、514、700‧‧‧氣體導入管
302A、302B、302C、302D‧‧‧連接點
306、406‧‧‧基板
316‧‧‧真空抽泵
320‧‧‧氣體管線
322‧‧‧管路
340‧‧‧氣體源
350‧‧‧三向閥
430、530、730、736‧‧‧氣體注入孔
714‧‧‧內部氣體導入管
734‧‧‧外部氣體導入管
800‧‧‧曲線圖
802‧‧‧無膠帶氣體管線
804‧‧‧膠帶氣體管線
806‧‧‧沈積率
808‧‧‧基板表面位置
A‧‧‧角度
g‧‧‧間隙
為了詳細理解本發明之上述引用特徵，參考上述實施方式之簡短概述予以本發明較明確之描述，在附圖中僅繪示發明之部分實施例。然而，必須說明的是，本發明可以容許其他具有相同效果之實施例，附圖之繪示並不會視為限制本發明之範圍。
第1圖繪示一實施例中一處理系統之示意圖。
第2A~2C圖繪示於第1圖中之處理腔室之示意圖。
第3圖繪示於第1圖中之處理腔室之上視圖。
第4A~4E圖繪示實施例中所述之一氣體分配管之剖面圖。
第5A圖繪示一實施例中一氣體分配管之透視圖。
第5B和5C圖繪示於第5A圖中不同實施例之氣體分配管之剖面圖。
第6A和6B圖繪示於第5A圖中不同實施例之氣體分配管之剖面圖。
第7圖繪示一實施例中一氣體管線分配系統內之管線透視圖。
第8圖繪示一或多個實施例中於一氣體分配系統內之沈積曲線圖。
為了易於了解，已經盡可能的使用相同的參考標號，以標示相同特徵的相同元件。期望在一實施方式中，揭示的元件和特徵可以有益的用於其他實施方式中。
700‧‧‧氣體導入管
714‧‧‧內部氣體導入管
730、736‧‧‧氣體注入孔
734‧‧‧外部氣體導入管
g‧‧‧間隙

Claims (22)

  1. 一種氣體分配系統(gas distribution system)，包括：一氣體分配管(gas distribution tube)，具有一個或多個來源氣體導入埠(source gas introduction port)和複數個孔洞(aperture)，其中一來源氣體(source gas)被匯入該氣體分配管之至少一部份，且該氣體分配管具有從沿著該氣體分配管配置之各該孔洞流出之實質上相等的來源氣體流量(source gas flow)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體分配系統，其中越靠近該一個或多個來源氣體導入埠之該孔洞的尺寸越小。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之氣體分配系統，其中從該氣體分配管之內側量測到之該些孔洞之直徑至從該氣體分配管之外側量測到之該些孔洞之直徑係由小到大漸增。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體分配系統，其中該氣體分配管之管壁在靠近該一或多個氣體導入埠之處較厚。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之氣體分配系統，其中於該氣體分配管之各個孔洞位置(aperture position)上，該氣體分配管具有超過一個之孔洞。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之氣體分配系統，其中於該氣體分配管之各個孔洞位置上，該氣體分配管具有二個孔洞，該些孔洞相互間隔30到60度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之氣體分配系統，其中該氣體分配管由陶瓷材料所組成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之氣體分配系統，更包括：一外部管，圍繞該氣體分配管，其中該外部管具有複數個孔洞，該外部管之該些孔洞貫穿該外部管，該外部管之該些孔洞大於該氣體分配管之該些孔洞。
  9. 一種氣體分配系統，包括：一氣體分配管，其中一來源氣體匯入至該氣體分配管之至少一部份，且其中該氣體分配管具有複數個孔洞，越靠近氣體被匯入之該氣體分配管的至少一部份的該些孔洞的彼此之間的間隔越寬。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之氣體分配系統，其中從該氣體分配管之內側量測到之該些孔洞的尺寸至從該氣體分配管之外側量測到之該些孔洞之的尺寸係由小到大漸增。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之氣體分配管，其中該氣體分配管之管壁在靠近該一或多個來源氣體導入埠之處較厚。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之氣體分配管，其中於該氣體分配管之各個孔洞位置上，該氣體分配管具有超過一個之孔洞。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之氣體分配管，其中於該氣體分配管之各個孔洞位置上，該氣體分配管具有二個孔洞，該些孔洞相互間隔30到60度。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之氣體分配系統，更包括：一外部管，圍繞該氣體分配管，其中該外部管具有複數個孔洞，該外部管之該些孔洞大於該氣體分配管之該些孔洞。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之氣體分配系統，其中該氣體分配管由陶瓷材料所組成。
  16. 一處理腔室，包括：一氣體源；一電漿源；一真空抽泵；一基板承座；以及至少一氣體分配管，射流地(fluidically)耦接於該氣體源，該至少一氣體分配管係選自於由以下所組成的群組：一氣體分配管，具有一或多個來源氣體導入埠，其中一來源氣體被匯入至該氣體分配管之至少一部份，且其中該氣體分配管具有複數個孔洞，越靠近該氣體匯入處之該氣體分配管之該至少一部份的該些孔洞的尺寸越小；及一氣體分配管，其中一來源氣體被匯入至該氣體分配管之至少一部份，且其中該氣體分配管具有複數個孔洞，越靠近該氣體匯入處之該氣體分配管之該至少一部份的該些孔洞彼此之間的間隔越寬。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之處理腔室，其中 該至少一氣體分配管更包括一外部管，該外部管圍繞該氣體分配管，其中該外部管具有複數個孔洞，該外部管之該些孔洞大於該氣體分配管之該些孔洞。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之處理腔室，其中該至少一氣體分配管射流地連接至耦接於該真空抽泵的一真空管線。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之處理腔室，其中該些孔洞包含一圓錐形狀，其中從該氣體分配管之內側量測到之該圓錐形狀的尺寸至從該氣體分配管之外側量測到之該圓錐形狀的尺寸係從小到大漸增。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之處理腔室，其中該些孔洞包含一圓柱形狀，該圓柱形狀耦接於該圓錐形狀之較小端。
  21. 如申請專利範圍第16項所述之處理腔室，其中該氣體分配管之管壁在靠近該一或多個來源氣體導入埠之處較厚。
  22. 如申請專利範圍第16項所述之處理腔室，其中於該氣體分配管之各個孔洞位置上，該氣體分配管具有超過一個之孔洞。
TW101132105A 2011-09-15 2012-09-04 在直線型大面積的電漿反應器均勻處理的氣體輸送和分配系統及其處理腔室 TWI550123B (zh)

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