阅读说明：本技术 可变传导性气体分布装置和方法 (Variable conductance gas distribution apparatus and method ) 是由 J·K·舒格鲁 于 2015-09-29 设计创作，主要内容包括：公开了一种可变传导性气体分布系统、包括该可变传导性气体分布系统的反应器和系统、以及使用该可变传导性气体分布系统、反应器和系统的方法。该可变传导性气体分布系统允许对通过该气体分布系统的气流传导性的快速操控。(A variable conductance gas distribution system, a reactor and system including the variable conductance gas distribution system, and methods of using the variable conductance gas distribution system, reactor and system are disclosed. The variable conductance gas distribution system allows for rapid manipulation of the conductance of a gas flow through the gas distribution system.)

可变传导性气体分布装置和方法

本发明申请是申请号为201510765170.3，申请日为2015年9月29日，名称为“可变传导性气体分布装置和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开大体上涉及气相装置和方法。更具体地，本公开涉及气体分布装置、包括该装置的反应器和系统以及使用装置、反应器和系统的方法。

背景技术

诸如化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、原子层沉积(ALD)等的气相反应器可被用于各种应用中，包括在衬底表面上沉积和蚀刻材料。例如，气相反应器可被用于在衬底上沉积和/或蚀刻多层以形成半导体器件、平板显示设备、光伏器件、微机电系统(microelectromechanical systems，MEMS)等。

典型的气相反应器系统包括反应器，该反应器包括反应室、与反应室流体地耦合的一个或多个前体气体源、与反应室流体地耦合的一个或多个运载或清洗气体源、向衬底的表面传送气体(例如前体气体和/或运载或清洗气体)的气体分布系统、以及与反应室流体地耦合的排放源。

许多气体分布系统包括用于向衬底的表面分布气体的喷头组件。喷头组件典型地位于衬底上方且被设计为向衬底表面提供层流。喷头组件通常被设计为与反应室相连接来为气相反应物提供期望的滞留时间。

在衬底处理期间，清洗气体通常用于帮助从反应室移除一个或多个反应物和/或产物。例如，在典型的ALD过程期间，第一反应物(本文中也被称为前体)被引导到反应室且被允许在第一滞留时间内与衬底的表面起反应，并且利用排放系统和清洗气体将第一反应物从反应室排出。然后将第二反应物引导到反应室以在第二滞留时间内与衬底的表面起反应，该第二滞留时间可与该第一滞留时间相同或不同。然后利用排放系统和清洗气体将第二反应物从反应室排出。可重复这些步骤，直到期望量的材料被沉积在衬底表面上为止。

在清洗步骤期间，可期望允许显著更多的气体(相对于反应物)流过反应室。不幸的是，ALD和其它气相反应器与系统通常被设计为限制气体流动以优化反应物流动率和滞留时间而得到期望的膜沉积率和均匀性。因此，从反应室充分地清洗反应物或其它气体所需要的时间不期望地过长。由此衬底生产力不期望地过慢且与处理衬底相关联的成本不期望地过高。因此，期望一种允许快速清洗且具有期望的反应物流动率的改进的气相方法和装置。

发明内容

本公开的各种实施例提供了可变传导性(conductance)气体分布系统和方法。该可变传导性气体分布系统适于在多种气相过程中使用，诸如化学气相沉积过程(包括离子体增强化学气相沉积过程)、气相蚀刻过程(包括离子体增强气相蚀刻过程)、气相清洗(包括离子体增强清洗过程)、以及气相处理过程(包括离子体增强处理过程)。如在下文中更详细地描述，示例性系统和方法特别好地适用于使用多个反应物(例如以多种顺序)的过程，诸如原子层沉积过程。

根据本公开的各种实施例，可变传导性气体分布系统包括气体入口、与气体入口流体连通的第一部件和与气体入口流体连通的第二部件。第一部件和第二部件包括一个或多个特征件，该一个或多个特征件相互作用或相互啮合以控制流过可变传导性气体分布系统的气体量。根据这些实施例的各个方面，可变传导性气体分布系统进一步包括将第一部件和第二部件中的至少一个相对于另一个移动的机制以操控气体流量。例如，第一部件和第二部件可被隔开以提供较大的流体传导性(例如，用于清洗反应器的反应室)，且可被移动相互靠近或啮合以提供较小的流体传导性(例如，用于向反应室提供反应物)。一种或多种气体可在第一部件上的一个或多个特征件与第二部件上的一个或多个特征件之间从气体入口流到反应室。

根据本公开的进一步示例性实施例，一种反应器包括如本文中描述的气体分布系统。

根据本公开的另一附加示例性实施例，一种反应器系统包括如本文中描述的气体分布系统。

并且，根据本公开的又一附加示例性实施例，一种气相方法包括使用可变传导性气体分布系统。示例性方法包括以下步骤：使用可变传导性气体分布系统将第一气体(例如反应物气体)引导到反应器的反应室；相对于可变传导性气体分布系统的第二部件移动可变传导性气体分布系统的第一部件以增大可变传导性气体分布系统的流体传导性；以及使用可变传导性气体分布系统将第二气体(例如清洗气体)引导到反应器的反应室。诸如伺服电机、气动致动器、电磁螺线管、或压电致动器之类的机制可被用于相对于第二部件移动第一部件且因此操控气体流量。

前述的发明内容和接下来详细的说明书仅为示例性和说明性的，并且不对本公开或要求权利的本发明进行限制。

附图说明

通过参照结合所附说明性附图考虑的详细说明书和权利要求书，可得到对本公开的示例性实施例的更全面的理解。

图1示出了根据本公开的示例性实施例的气相反应器系统，其可变传导性气体分布系统处于打开位置。

图2示出了根据本公开的示例性实施例的气相反应器系统，其可变传导性气体分布系统处于闭合位置。

图3示出了根据本公开的示例性实施例的可变传导性气体分布系统的一部分的俯视图。

图4示出了根据本公开的进一步示例性实施例的可变传导性气体分布系统的一部分的仰视图。

图5示出了根据本公开的附加示例性实施例的处于闭合位置的可变传导性气体分布系统。

图6示出了根据本公开的另一附加示例性实施例的处于打开位置的可变传导性气体分布系统的特征。

图7示出了根据本公开的另一附加示例性实施例的处于进一步打开位置的可变传导性气体分布系统。

图8示出了根据本公开的另一进一步示例性实施例的方法。

将理解到，附图中的元件是为了简单和清晰而示出的且不一定被画出来决定比例。例如，附图中一些元件的尺寸可能相对于其它元件而被放大了以帮助改进对本公开的所示实施例的理解。

具体实施方式

以下提供的示例性实施例的描述仅为示例性的且仅旨在出于示意性的目的；以下的描述不旨在限制本公开或权利要求的范围。此外，具有所表明的特征的多个实施例的陈述不旨在排除具有附加特征的其它实施例或结合了所表明的特征的不同组合的其它实施例。

如以下更详细的描述，本公开的各种实施例涉及可变传导性气体分布系统、包括可变传导性气体分布系统的反应器和反应器系统，以及涉及使用该可变传导性气体分布系统和反应器的方法。可变传导性气体分布系统、反应器和方法可被用于多种气相过程，诸如沉积、蚀刻、清洗、和/或处理过程。

图1示出了根据本公开的示例性实施例的气相反应器系统100。系统100包括反应器102、真空源110、第一反应物气体源112、第二反应物气体源114、清洗气体源116、一个或多个流动控制单元118-122、气体入口124、以及可选的远程等离子体单元128，该反应器102包括反应室104、衬底支承件106和可变传导性气体分布系统108。尽管未示出，系统100可额外地包括直接的和/或附加的远程等离子体和/或热激发装置以用于反应室104内的一种或多种反应物。

反应器102可被用于将材料沉积在衬底126的表面上，从衬底126的表面蚀刻材料，清洗衬底126的表面，处理衬底126的表面，将材料沉积在反应室104内的表面上，清洗反应室104内的表面，蚀刻反应室104内的表面，和/或处理反应室104内的表面。反应器102可为独立的反应器或群集工具的一部分。此外，反应器102可专用于沉积、蚀刻、清洗、或处理过程，或者反应器102可被用于多种处理过程(例如，用于沉积、蚀刻、清洗和处理过程的任意组合)。作为示例，反应器102可包括通常用于化学气相沉积(CVD)过程的反应器，诸如原子层沉积(ALD)过程。

衬底支承件106被设计为在处理期间将衬底或工件126保持在位。根据一些示例性实施例，反应器102包括直接的等离子体装置；在该情况下，衬底支承件106可形成为直接等离子体回路的一部分。另外地或可选地，在处理期间，衬底支承件106可被加热、冷却、或处于环境过程温度。作为示例，可在衬底126处理期间加热衬底支承件106，使得反应器102在冷壁、热衬底配置下操作。

虽然以方框形式示出了气体入口124，但气体入口124可以是相对复杂的且被设计为在将气体混合物分布到反应室104之前将来自反应物源112，114的气体(例如蒸汽)混合和/或将来自一个或多个源116的运载/清洗气体混合。此外，气体入口124可被配置为向室104提供垂直的(如图所示)或水平的气流。在由Schmidt et al.于2012年4月10日提交的名称为“Gas Mixer and Manifold Assembly for ALD Reactor(用于ALD反应器的气体混合器和歧管组件)”的美国专利No.8，152，922中描述了一种示例性气体分布系统，其内容通过引用结合于此，在一定程度上，其内容不与本公开冲突。气体入口可任选地包括整合的歧管(manifold)模块，其被设计为接收一种或多种气体并将该一种或多种气体分布到反应室104。在由Provencher et al.于2011年4月5日提交的名称为“High Temperature ALDInlet Manifold(高温ALD入口歧管)”的美国专利No.7，918，938中公开了一种示例性整合的入口歧管模块，其内容通过引用结合于此，在一定程度上，其内容不与本公开冲突。

远程等离子体单元128可为电感耦合等离子体单元或微波远程等离子体单元。在所示的示例中，远程等离子体单元128可被用于创造在反应室104中使用的反应性或激发性物质。尽管示出系统100具有远程等离子体单元128，根据本公开的其他示例性实施例的系统不包括远程等离子体单元。除了利用远程等离子体单元128来形成激发性物质之外或者作为替代，系统100可包括另外的激发源，诸如热或热丝源、微波源等。

真空源110可包括能够在反应室104中提供期望压力的任何适当的真空源。例如，真空源110可包括单独的干式真空泵或与涡轮分子泵相结合的干式真空泵。

反应物气体源或前体112和114各自可包括一种或多种气体、或变为气态的材料，用于沉积、蚀刻、清洁、或处理过程。示例性气体源包括稀有气体液体蒸气和汽化的固体源。尽管示出有两个反应物气体源112、114，根据本公开的系统可包括任何适当数量的反应物源。

清洗气体源116包括一种或多种气体、或变为气态的材料，它们在反应器102中是相对不起反应的。示例性清洗气体包括氮气、氩气、氦气及其任意组合。虽然示出有一个清洗气体源，但根据本公开的系统可包括任何适当数量的清洗气体源。此外，一种或多种清洗气体源可提供一种或多种运载气体和/或系统100可包括另外的运载气体源以提供要与来自反应物源(诸如源112、114)的一种或多种气体混合的运载气体。

流动控制器118-122可包括用于控制气体流动的任何适当的设备。例如，流动控制器118-122可为质量流量控制器。另外，系统100可包括阀130-134以进一步控制或关闭气体源。

可变传导性气体分布系统108被配置为操控朝向衬底126在气体入口124与真空源110之间流动的气体的气体流动速率。在所示的示例中，可变传导性气体分布系统108包括第一部件136和第二部件138。第一部件136包括一个或多个特征件140-142和耦合元件158。第二部件138包括一个或多个第二特征件148-158和耦合元件160。机制162可致使第一部件136和第二部件138相对于彼此移动以增大或减小在特征件140-142和特征件148-152之间流动的气体的传导性。作为示例，机制162可致使第一部件136和第二部件138从闭合的或“0”位置移动到大约10mm的距离，或从大约0到大约6mm的距离。

用于形成第一部件136、第二部件138及其组件的材料可根据应用而改变。作为示例，第一部件136和第二部件138由镍、镀镍铝、高镍不锈钢材料，诸如哈氏合金(Hastalloyalloy)(例如c22)等而形成。

图1示出了处于“打开”、相对较高传导性位置的可变传导性气体分布系统108。在该情况下，诸如清洗气体之类的气体可在入体入口124和真空源110之间以相对较低的限制流动。图2示出了处于“闭合”、相对限制性的/低传导性位置的可变传导性气体分布系统108，这可被用于当一种或多种反应物气体(诸如来自源112和/或114的一种或多种气体)被引导至反应室104时。

图3示出了处于闭合位置的可变传导性气体分布系统108的俯视图。在所示的示例中，第一部件136的耦合元件158保持特征件140-142且可被用于同时移动特征件140-142或保持特征件140-142处于静止位置。相似地，参照图4，示出了可变传导性气体分布系统108的仰视图，第二部件138的耦合元件160保持特征件148-152且可被用于同时移动特征件148-152或保持特征件148-152处于静止位置。耦合元件158和/或耦合元件160可任选地包括使特征件与相应的耦合元件耦合的结构144，146。可变传导性气体分布系统108可包括孔302，从而即使当可变传导性气体分布系统108处于闭合位置时，亦可允许气体流过可变传导性气体分布系统108。然而，根据本公开的其它示例性可变传导性气体分布系统不包括孔。在该情况下，第一部件136的特征件和第二部件138的特征件可形成密封结构。

再次参照图1和2，可变传导性气体分布系统108的操作被示出为利用机制162来移动第一部件136，而保持第二部件138处于静止位置。然而，根据本公开的其他可变传导性气体分布系统108可移动第一部件136和第二部件138二者，或仅移动第二部件138以操控可变传导性气体分布系统108的传导性。此外，尽管特征件140-142和特征件148-152被示出为相对一致地移动(或保持静止)，可变传导性气体分布系统108的其它实施例包括单独地移动一个或多个特征件或单独地移动一个或多个部件或者一起移动它们。

特征件140-142，148-152被示出为锥形的，通常具有截头锥体形(例如剖面为截头三角形的形状)。然而，特征件140-152可具有任何适当的形状。然而，为了帮助控制气体传导性，特征件140-152可期望地包括倾斜的表面。例如，特征件的底部和特征件的顶部之间的侧壁的角度θ可从大约10度到80度或从大约30度到大约60度变动。

可变传导性气体分布系统108可包括任何适当数量的特征件。作为示例，第一部件136可包括1-10个或更多的特征件，以及第二部件138可包括1-10个或更多的特征件，与第一部件136相关联的(例如附连的)特征件通常与第二部件138的特征件交替。此外，尽管如从可变传导性气体分布系统108的顶部或底部观察到，特征件140-142，148-152在剖面上被示为同心圆或空心圆(图3和4)，特征件可包括其它适当的剖面，诸如正方形或矩形。

图5-7示出其它可变传导性气体分布系统500，包括第一特征件502-506和耦合到耦合元件512的第二特征件508-510。可变传导性气体分布系统500与可变传导性气体分布系统108相似，除了可变传导性气体分布系统500包括三个第一特征件502-506(与可变传导性气体分布系统108的两个特征件140-142相比较)和两个第二特征件508-510(与可变传导性气体分布系统108的三个特征件148-152相比较)。

图5示出了处于闭合位置的可变传导性气体分布系统500。在该位置，与可变传导性气体分布系统108相似，可变传导性气体分布系统500可允许没有(如果可变传导性气体分布系统500不包括孔)或相对较小的气体流动。如图6所示，第一部件601和第二部件604可被移开(例如，从大约0mm到大约0.3mm或从大约0.3mm到大约20mm)以允许气体在第一特征件502-506和第二特征件508-510之间流动(例如，用于将一种或多种反应物引导到反应室)。如图7所示，第一部件602和第二部件604可被进一步移开以增大可变传导性气体分布系统500的传导性(例如用于清洗过程)。

现在转向图8，示出了气相方法800。方法800包括以下步骤：使用可变传导性气体分布系统将反应物气体引导到反应器的反应室(步骤802)；相对于可变传导性气体分布系统的第二部件移动可变传导性气体分布系统的第一部件以增大可变传导性气体分布系统的流体传导性(步骤804)；以及使用可变传导性气体分布系统来将清洗气体引导到反应器的反应室(步骤806)。步骤800还可包括以下步骤：相对于第二部件移动第一部件以减小可变传导性气体分布系统的传导性(步骤808)。可以以期望的次数重复步骤802-806或802-808，例如，直到期望数量的材料被沉积、移除、清洗、或处理为止。此外，尽管示出首先引导反应物气体，方法800可适当地启始于将第一和/或第二部件移动到期望的位置和/或起始于将清洗气体引导到反应室。

虽然本文描述了本公开的示例性实施例，应理解的是本发明不限于此。例如，尽管结合多种特定配置来描述基座组件、反应器系统及方法，本发明不一定限于这些示例。可对本文所述的示例性基座组件、反应器、系统和方法作出各种修改、变化、和增强而不脱离本公开的精神和范围。

本公开的主题包括各种系统、组件、反应器、部件和配置、此处所公开的其他特征、功能、表现、和/或属性、以及其任何和全部等效方案的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。