应用于化学气相沉积系统的气体喷头的制作方法

本发明相关于一种应用于化学气相沉积装置的气体喷头，特别是关于一种高分布效率的气体喷头。

背景技术：

金属有机化学气相沉积(metal-organicchemicalvapordeposition，mocvd)，其原理是利用承载气体(carriergas)携带气相反应物或是前驱物，进入装有晶圆的反应室中，晶圆下方的承载盘(susceptor)具有加热装置，以加热晶圆及接近晶圆的气体使其温度升高，而高温会触发单一或是数种气体间的化学反应，使通常为气态的反应物被转换为固态的生成物，并沉积在晶圆表面上。

以金属有机化学气相沉积形成的磊晶层，其品质受到各种因素，例如，反应室内的气体流动稳定度与均匀度、通过晶圆表面的气体流均匀度，及/或温度控制的精确度等的影响。如果这些参数控制不佳，会降低磊晶层以及所形成电子元件的品质。

此外，当反应物借由氢气或是氮气为承载气体，传送到晶圆表面被转换成生成物，反应物会因为本身的活性不同、反应室设计，制造过程压力，气体流量，制造过程参数不同等因素而影响反应效率；因此，改善反应物沉积在晶圆表面上的效率，是mocvd磊晶技术开发的重要课题。

在金属有机化学气相沉积系统中，通常利用喷头(injector)将乘载气体与反应气体，例如ⅲ族气体与ⅴ族气体，通入反应室中以磊晶薄膜，例如ⅲ族-ⅴ族化合物半导体薄膜于晶圆的表面上。图1为侧视图，显示现有习知金属有机化学气相沉积系统所使用的一种三重喷头(tripleinjector)。参考图1，喷头1由上至下具有上管12a、中管12b、以及下管12c等堆迭的气体管道。在本范例，氢气(h2)或氮气(n2)为三个气体管道的承载气体。其中，ⅴ族气体(例如氨气(nh3))由上管12a与下管12c射出，ⅲ族气体(例如三甲基镓(tmga)、三甲基铝(tmal))由中管12b射出，ⅲ族气体与ⅴ族气体在晶圆14上方区域相遇并产生化学反应，使沉积ⅲ族-ⅴ族化合物半导体薄膜于晶圆14的表面上。

参考图1，由于不同的气体由不同高度水平面的气体管道，上管12a、中管12b、以及下管12c，喷入反应室。如此，各种反应气体除了需要经过一定时间的横向扩散，还需要经过一定时间的纵向扩散后，才能使各个反应气体均匀地分布于反应室并产生反应，导致制造过程时间的增加。

技术实现要素：

本案是关于一种化学气相沉积系统，特别是一种应用于化学气相沉积系统的气体喷头。

本发明的目的在于，提出应用于化学气相沉积系统的气体喷头，能够缩短反应气体均匀扩散所需的时间与减少气体喷头的体积，同时提高磊晶均匀度、降低不良率，从而更加适于实用。

根据本发明一实施例，一种应用于化学气相沉积装置的气体喷头包含一个或多个气体分流层，其中每个气体分流层包含中央区域、多个间隔排列的气导，以及多个气体通道。该中央区域用以容置布气装置。每个该气导具有第一端、第二端以及中段，该中段位于第一端和第二端之间，该第一端接近该中央区域，该第二端接近该气体分流层的周边。每两个该气导构成一个该气体通道，使通过由布气装置提供的气体。其中，每个气导的宽度沿着第一端至中段逐渐增加，沿着中段至第二端逐渐减少。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每两个相邻气体通道所输送出的气体的混合的流体状态为层流。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导具有飞镖形的轮廓。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导的第二端的宽度为零。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导的该第二端与该气体分流层的周边具有距离。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导的该第一端至该中段为一个扇形结构。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导的该中段至该第二端为一个倒三角形结构。

根据本发明一实施例，一种应用于化学气相沉积装置的气体喷头包含一个或多个气体分流层，其中每个气体分流层包含中央区域、多个间隔排列的气导，以及多个气体通道。该中央区域用以容置布气装置。每个该气导具有第一端、第二端以及中段，该中段位于第一端和第二端之间，该第一端接近该中央区域，该第二端接近该气体分流层的周边。每两个该气导构成一个该气体通道，使通过由布气装置提供的气体。其中，每个该气导的该中段的宽度，大于该第一端以及该第二端的宽度。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导的宽度沿着该第一端至该中段逐渐增加，沿着该中段至该第二端逐渐减少。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每两个相邻气体通道所输送出的气体的混合的流体状态为层流。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导具有飞镖形的轮廓。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导的第二端的宽度为零。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导的该第二端与该气体分流层的周边具有距离。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导的该第一端至该中段为一个扇形结构。

前述的应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其中每个该气导的该中段至该第二端为一个倒三角形结构。

根据本发明所提供应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其以单层结构进行气体分流而将其由同一水平面侧向喷出，从而可以缩短反应气体均匀扩散所需的时间与减少气体喷头的体积。此外，气体喷头的结构设计，使得由气体通道送出的气体为层流，使提高磊晶均匀度、降低不良率。

附图说明

图1为侧视图，显示一种应用于有机金属化学气相沉积系统的现有习知喷头。

图2为立体图，显示根据本发明一实施例应用于化学气相沉积系统的气体喷头。

图3为电脑模拟图，显示图2应用于化学气相沉积系统的气体喷头在高流量下的气体流动。

图4为电脑模拟图，显示图2应用于化学气相沉积系统的气体喷头在低流量下的气体流动。

图5为立体图，显示根据本发明较佳实施例应用于化学气相沉积系统的气体喷头。

图6为俯视图，显示根据本发明较佳实施例应用于化学气相沉积系统的气体喷头。

图7为电脑模拟图，显示图5-图6应用于化学气相沉积系统的气体喷头在高流量下的气体流动。

图8为电脑模拟图，显示图5-图6应用于化学气相沉积系统的气体喷头在低流量下的气体流动。

【主要元件符号说明】

1：喷头12a：上管

12b：中管12c：下管

14：晶圆2：气体喷头

20：气体分流层21：气导

22：气体通道23：中央区域

3：气体喷头30：气体分流层

31：气导32：气体通道

33：中央区域311：第一端

312：中段313：第二端

d：距离

具体实施方式

本发明的一些实施例详细描述如下。然而，除了该详细描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例施行。亦即，本发明的范围不受已提出的实施例的限制，而以本发明提出的申请专利要保护的范围为准。其次，当本发明的实施例图示所示的应用于化学气相沉积装置的气体喷头中的各种组成元件(例如气体分流层、气体通道)以单一元件描述说明时，不应以此作为有限定的认知，即如下的说明未特别强调数目上的限制时，本发明的精神与应用范围可推及多数个组成元件并存的结构上。再者，在本说明书中，实施例图示所示的应用于化学气相沉积装置的气体喷头中的各种组成元件元件(例如气体分流层、气体通道)的不同部分并没有完全依照尺寸绘图，某些尺度与其他相关尺度相比或有被夸张或是简化，以提供更清楚的描述以增进对本发明的理解。而本发明所沿用的现有技艺，在此仅做重点式的引用，以助本发明的阐述。

图2为立体图，显示根据本发明一实施例的化学气相沉积系统的气体喷头2。较佳的，化学气相沉积系统为金属有机化学气相沉积系统，但不限于此。为了强调发明的特征，气体喷头2的部分元件被剖开或省略未示。如图2所示，气体喷头2包含一个或多个气体分流层20，每个气体分流层20为单层结构，可分流不同的反应气体而将所有反应气体由同一水平面侧向喷出。在本实施例，气体分流层20的数量为两个，但不限于此。

如图2所示，在同一平面上，气体分流层20具有许多间隔排列的气导21以及气体通道22，其中每两个气导21可形成一个气体通道22。这些气导21与气体通道22呈放射状，由气体分流层20的中心向周边延伸。每一个气体通道22在气体分流层20的中心有气体入口，在气体分流层20的周边具有气体出口。

如图2所示，气体分流层20的中央区域23做为中央供气道，用以容置布气装置(图中未示)以及供各种反应气体(例如第一反应气体、第二反应气体、第三反应气体等)通行。布气装置可将不同的反应气体分布并输送至特定的气体通道中。由于布气装置与其分布方法并非本发明的重点，因此于本文中并不对其详加说明与限定，任何可以达成气体分流的布气装置皆可以应用于本发明的气体喷头。在本发明的一实施例，布气装置的结构如同台湾专利申请号105131760，题为「应用于半导体设备的气体喷射装置」所揭露的布气装置相同；上述专利的说明书内容并入本文，视为本案说明书的一部分。

如图2所示，每个气体通道22用以供反应气体通行于其中，由气体分流层102中心的气体入口进入，而由气体分流层102周边的气体出口以放射状喷射的方式将该反应气体提供给反应室。此外，当各种反应气体通入气体喷头2时，布气装置(图中未示)会将不同种类的反应气体分别输送至用于对应的气体通道中，并依照所需要的流量，分别调整不同种类气体通道中反应气体的流量。在一实施例，气体喷头2具有顶部、中部，和底部进气口(未图示)，而供气装置(未图示)分别通过顶部、中部，和底部进气口以提供反应气体给不同的气体通道22。

如图2所示，由于气体通道22彼此并不相互连通，所以不同的反应气体在气体分流层20内时并不会彼此混杂。当各种反应气体在同一平面以放射状方式由气体喷头2的周边喷出而进入反应室，并在反应室中横向扩散，使各反应气体相遇产生反应形成薄膜沉积于晶圆表面上。借此，气体分流喷头2以单层结构取代传现有习知三重喷头的多层结构，各反应气体由同一平面横向喷出，不需要纵向扩散，只需要横向扩散，如此可大幅缩减制造过程时间。

然而，实务上发现，图2的气体喷头2仍有改善的空间。图3显示图2的气体喷头2的第一种电脑模拟结果。图中x和y坐标显示的数值为距离。其中，根据第一种制造过程的需要，气体喷头的顶部、中部，和底部进气口的供气流量，分别为30slm、15slm、15slm(标准状态下，升/分钟)。如图3中圈处所示，由两相邻气体通道所喷出的气体，在会合时会产生紊流(turbulence)。

图4显示图2的气体喷头2的第二种电脑模拟结果。其中，根据第二种制造过程的需要，气体喷头的顶部、中部，和底部进气口的供气流量，分别为7slm、9slm、7slm(标准状态下，升/分钟)。如图4中圈处所示，由两相邻气体通道所喷出的气体，在会合时也会产生紊流。

由图3和图4的结果可知，不管是高气体流量(图3)或低气体流量(图4)，两相邻气体通道22所喷出的气体，在会合时皆产生紊流。根据流体力学，当雷诺数(re)较大时，惯性力对流场的影响大于粘滞力，流体流动较不稳定，形成紊乱(turbulence)。如果反应气体的流动状态为紊流，可能会导致反应不完全、产生副产品(byproduct)，使得磊晶薄膜的缺陷增加以及均匀度降低。

为了克服上述缺点，本案申请人提出另一种应用于气相沉积系统的气体喷头。图5为立体图，图6为俯视图，显示根据本发明较佳实施例的化学气相沉积系统的气体喷头3。较佳的，化学气相沉积系统为金属有机化学气相沉积系统，但不限于此。为了强调发明的特征，气体喷头3的部分元件被剖开或省略未示。如图5和图6所示，气体喷头3包含一个或多个气体分流层30，每个气体分流层30为单层结构，可分流不同的反应气体而将所有经分流的反应气体由同一水平面侧向喷出。

如图5和图6所示，在同一平面上，气体分流层30具有许多间隔排列的气导31以及气体通道32，其中每两个气导31可形成一个气体通道32。较佳的，气导31是等间隔排列，但不限定于此。这些气导31与气体通道32呈放射状，由气体分流层30的中心向周边延伸。每一个气体通道32在气体分流层30的中心有气体入口，在气体分流层30的周边具有气体出口。如图5和图6所示，气体分流层30的中央区域33做为中央供气道，用以容置布气装置(图中未示)以及供各种反应气体通行。

以下说明图2的气体分流层20和图5-图6的气体分流层30的差别。如图2所示，气体分流层20的气导21为微扇形，每个气导21具有第一端和第二端，其中第一端靠近气体分流层20的中心处、第二端靠近气体分流层20的周边。而每个气导21最窄的地方位于第一端，最宽的地方位于第二端，气导21的宽度由第一端至第二端逐渐增加。相较之下，图5-图6的气体分流层30的气导31，具有类似飞镖或钻石的轮廓，每个气导31具有第一端311和第二端313以及中段312，中段312位于第一端311和第二端313之间。每个气导31最窄的地方位于第二端313，最宽的地方位于中段312。气导31的宽度沿着第一端311至中段312逐渐增加，接着，气导31的宽度沿着中段312至第二端313逐渐减少。在一实施例，气导31在第二端313的宽度为零，但不限定于此。如图6所示，在一实施例，气导31的第二端313与气体分流层30的周边具有距离d，但不限定于此。在一实施例，每个气导31的第一端311至中段312为类似扇形的结构，而由中段312至第二端313为倒三角形的结构，但不限定于此。

图7显示图5-图6的气体喷头3的第一种电脑模拟结果。其中，根据第一种制造过程的需要，气体喷头3的顶部、中部，和底部进气口的供气流量，分别为30slm、15slm、15slm(标准状态下，升/分钟)。如图7所示，由两相邻气体通道所喷出的气体，在会合时不会产生紊流(turbulence)，气体的状态为层流(laminarflow)。

图8显示图5-图6的气体喷头3的第二种电脑模拟结果。其中，根据第二种制造过程的需要，气体喷头3的顶部、中部，和底部进气口的供气流量，分别为7slm、9slm、7slm(标准状态下，升/分钟)。如图8所示，由两相邻气体通道所喷出的气体，在会合时并未产生紊流，气体的状态为层流。

由图7和图8的结果可知，不管是高气体流量(图7)或低气体流量(图8)，由气体喷头3的两相邻气体通道所喷出的气体，在会合时皆不会产生紊流，气体的状态为层流。根据流体力学，当雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流。而反应室需要的气体流动状态为层流，可使得气体反应完全、避免磊晶缺陷，并提升磊晶均匀度。

鉴于上述实施例，本发明提供了一种应用于化学气相沉积装置的气体喷头，其以单层结构进行气体分流而将其由同一水平面侧向喷出，从而可以缩短反应气体均匀扩散所需的时间与减少气体喷头的体积。此外，气体喷头的结构设计，使得由气体通道送出的气体为层流，使提高磊晶均匀度、降低不良率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。