一种气流分布装置及薄膜沉积设备的制作方法

本实用新型实施例涉及镀膜技术，尤其涉及一种气流分布装置及薄膜沉积设备。

背景技术：

薄膜沉积是集成电路制造过程中必不可少的环节，现有的薄膜沉积工艺有多种，其中包括原子层沉积。原子层沉积是将气相前驱体脉冲交替的通入反应器并在基体上化学吸附并反应形成沉积膜。

目前，气相前驱体通入的反应器中集成有气盘，气盘用于提高气相前驱体的扩散均匀性，通过对气相前驱体分散输出使其较为均匀的沉积在基体上形成沉积膜。

然而，采用现有气盘在基体上沉积的薄膜的均匀性比较差，会出现薄膜中间厚边缘薄的问题，甚至中间厚度为边缘厚度的2倍，严重影响器件性能。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种气流分布装置及薄膜沉积设备，以解决现有镀膜不均匀的问题。

本实用新型实施例提供了一种气流分布装置，包括：气体分散腔体；

所述气体分散腔体具有进气口以及与所述进气口相对设置的孔径结构和/或分散体结构，所述孔径结构为气体分散盘，且所述气体分散盘具有多个第一通孔；

所述气体分散腔体用于通过所述孔径结构中的所述第一通孔对进入的气体进行气流路径补偿，和/或，所述气体分散腔体用于通过所述分散体结构对进入的气体进行气流路径补偿。

进一步地，所述孔径结构中的任意两个所述第一通孔之间，靠近所述气体分散盘中心点的所述第一通孔的孔径小于远离所述气体分散盘中心点的所述第一通孔的孔径。

进一步地，所述多个第一通孔按照同心圆分布为多圈第一通孔，靠近所述气体分散盘中心点的一圈所述第一通孔的分布密度小于远离所述气体分散盘中心点的一圈所述第一通孔的分布密度。

进一步地，所述第一通孔为锥形，所述孔径结构中的任意两个所述第一通孔之间，靠近所述气体分散盘中心点的所述第一通孔的锥度小于远离所述气体分散盘中心点的所述第一通孔的锥度。

进一步地，所述分散体结构为分布锥体，所述分散体结构位于所述进气口和所述孔径结构之间，所述进入的气体流经所述分布锥体的锥面再通过所述第一通孔输出；所述分布椎体的锥形底面直径为所述气体分散盘的底面直径的1/3～2/3。

进一步地，所述分散体结构为与所述进气口联通的锥形分散盘，所述锥形分散盘具有多个第二通孔，所述进入的气体流经所述锥形分散盘的第二通孔再通过所述第一通孔输出。

进一步地，所述孔径结构中的两个所述第一通孔，靠近所述气体分散盘中心点的所述第一通孔的深度大于远离所述气体分散盘中心点的所述第一通孔的深度。

进一步地，所述气体分散腔体还包括位于所述分散体结构和所述孔径结构之间的分散隔板，所述分散隔板具有多个第三通孔。

进一步地，所述分散隔板中两个所述第三通孔，靠近所述分散隔板中心点的所述第三通孔的孔径大于远离所述分散隔板中心点的所述第三通孔的孔径；和/或，

所述多个第三通孔按照同心圆分布为多圈第三通孔，靠近所述分散隔板中心点的一圈所述第三通孔的分布密度大于远离所述分散隔板中心点的一圈所述第三通孔的分布密度。

本实用新型实施例还提供了一种薄膜沉积设备，包含如上所述的气流分布装置。

本实用新型实施例中，采用孔径结构和/或分散体结构，可以对进气口进入的气体进行气流路径补偿，使经过孔径结构和/或分散体结构的气盘结构后，腔体内部的气体流量分布较为均匀，进而提高了后续镀膜工艺的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本实用新型的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本实用新型的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本实用新型的权利要求范围之内。

图1是本实用新型实施例提供的一种气流分布装置的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种气流分布装置的示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种气流分布装置的示意图；

图4是本实用新型实施例中气体分散腔体的出气面的示意图；

图5是本实用新型实施例中孔径结构的俯视示意图；

图6是本实用新型实施例提供的一种气流分布装置的示意图；

图7是本实用新型实施例提供的一种气流分布装置的示意图；

图8是本实用新型实施例提供的一种气流分布装置的示意图；

图9是本实用新型实施例提供的一种气流分布装置的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本实用新型实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供了一种气流分布装置，如图1～图3所示该气流分布装置包括：气体分散腔体1；气体分散腔体1具有进气口11以及与进气口11相对设置的孔径结构12和/或分散体结构13，孔径结构12为气体分散盘，且气体分散盘12具有多个第一通孔121；气体分散腔体1用于通过孔径结构12中的第一通孔121对进入的气体进行气流路径补偿，和/或，气体分散腔体1用于通过分散体结构13对进入的气体进行气流路径补偿。

可以理解，气体分散腔体1作为一个整体，可以在空间区域上划分为第一扩散腔体1a和第二扩散腔体1b，其中气体分散腔体1的进气口11作为第一扩散腔体1a的进气侧，孔径结构12或分散体结构13的出气侧作为第一扩散腔体1a的出气侧及第二扩散腔体1b的进气侧，气体分散腔体1的出气侧作为第二扩散腔体1b的出气侧。

气流路径补偿具体是指在第一扩散腔体1a内，对气体从进气侧到出气侧的扩散路径进行调节。一方面气体在真空腔体中的扩散路径长度不同，另一方面气体运动方向与进气口的敞角方向不同，对应的气体分子的最概然速率的方向在不同出气口的投影速率不同，因此导致反应气体在出气口的密度分布有较大的差别，需要进行补偿。通过设置孔径结构和/或分散体结构，使得气体先到达分散结构表面时扩散路径受阻而重新分配气流扩散的轨迹；由于气流路径的不同，其产生的阻力不同，即所产生的压降不同，边缘的气流路径造成的压降小，中心气流路径的压降大；通过hf＝λ(l/d)(v²/2g)对不同的路径进行沿程阻力设计，最终使得通过分散体结构或孔径结构后的气体能够在达到气体分散腔体出气面或基底的表面时，达成较为均匀而稳定的流量分布。如图4所示气体分散腔体1的出气侧/面为圆形，其中均匀分布有相同的多个通气孔1c，第二扩散腔体1b中气体通过该多个通气孔1c从第二扩散腔体1b中均匀输出。

如图1所示气体分散腔体1具有进气口11以及与进气口11相对设置的孔径结构12，进气口11的轴线与气体分散盘中心点交叠，其中，孔径结构12的出气侧作为第一扩散腔体1a的出气侧。气体从进气口11进入第一扩散腔体1a并扩散到第一通孔121的进气端时，气体扩散至靠近气体分散盘中心点区域的时间短于气体扩散至远离气体分散盘中心点区域的时间。此时气体分散腔体1通过孔径结构12中的第一通孔121对进入的气体进行气流路径补偿，使每个第一通孔121输出至第二扩散腔体1b的气体流量接近，即任意两个第一通孔121中，远离气体分散盘中心点的第一通孔121的气体流量与靠近气体分散盘中心点的第一通孔121的气体流量几乎相等，则使第二扩散腔体1b内部达成较为均匀而稳定的流量分布并输出，进而提高了后续镀膜工艺的均匀性。

如图2所示气体分散腔体1具有进气口11以及与进气口11相对设置的分散体结构13，进气口11的轴线与分散体结构13的轴线重叠，其中，分散体结构13的远离进气口11的一侧作为第一扩散腔体1a的出气侧，气体分散腔体1通过分散体结构13对进入的气体进行气流路径补偿。具体的，气体从进气口11进入第一扩散腔体1a扩散时，会从分散体结构13的侧表面流过再扩散至第二扩散腔体1b，分散体结构13实现了对气流的导向，减小了第二扩散腔体1b边缘区域气体流量与第二扩散腔体1b中心区域气体流量的差异，使得通过分散体结构后的气体能够在达到气体分散腔体出气面或基底的表面时，达成较为均匀而稳定的流量分布，以此提高了镀膜工艺的均匀性。

如图3所示气体分散腔体1具有进气口11以及与进气口11相对设置的孔径结构12和分散体结构13，其中，分散体结构13位于进气口11和孔径结构12之间。气体分散腔体1用于通过孔径结构12中的第一通孔121对进入的气体进行气流路径补偿，和/或，气体分散腔体1用于通过分散体结构13对进入的气体进行气流路径补偿。具体的，气体从进气口11进入第一扩散腔体1a扩散时，会先从分散体结构13的侧表面流过再扩散至孔径结构12上，分散体结构13实现了对气流的导向，减小了流至孔径结构12边缘区域气体流量与流至孔径结构12中心区域气体流量的差异，使得通过分散体结构后的气体能够在达到孔径结构表面时，达成较为均匀而稳定的流量分布；然后，孔径结构12中的第一通孔121对气体进一步进行气流路径补偿，使每个第一通孔121输出至第二扩散腔体1b的气体流量接近，进一步提高第二扩散腔体1b内部的流量分布的均匀性和稳定性，进而提高后续镀膜工艺的均匀性。

本实用新型实施例中，采用孔径结构和/或分散体结构，可以对进气口进入的气体进行气流路径补偿，使经过孔径结构和/或分散体结构的气盘结构后，气体能够在达到气体分散腔体出气面或基底的表面时，达成较为均匀而稳定的流量分布，进而提高了镀膜工艺的均匀性。

以上是本实用新型的基本设计方案，下文将通过多个具体实施例进行阐述。

示例性的，在上述技术方案的基础上，如图1所示孔径结构12中的任意两个第一通孔121之间，靠近气体分散盘中心点的第一通孔121的孔径小于远离气体分散盘中心点的第一通孔121的孔径。在此所述第一通孔121的孔径为第一通孔121沿其排布方向上的尺寸即底表面直径。可选第一通孔121的底表面为圆形，在其他实施例中还可选第一通孔的底表面为椭圆形、三角形、正方形、长方形、六边形或其他形状。可选第一通孔121的径向柱面高度相等。

本实施例中，对气体分散盘12的第一通孔121的开孔大小做变动，使气体分散盘12的中间区域的第一通孔121的孔径较小，气体分散盘12的边缘区域的第一通孔121的孔径比较大，这样气体分散盘12的中间区域的第一通孔121的出气量较小且边缘区域的第一通孔121的出气量较大。已知气体从进气口11进入第一扩散腔体1a，气体会先扩散到气体分散盘12的中间区域，则气体分散盘12的中间区域的第一通孔121的气流快且边缘区域的第一通孔121的气流慢。

基于此，反应气体在气体分散盘12的中间区域的第一通孔121中受到的孔径结构影响较大(产生的压降大)，且具有较小的流通面积，反应气体在气体分散盘12的边缘区域的第一通孔121具有较大的流通面积且受到的孔径结构影响较小(产生的压降小)，则最终使得单位面积上获得的反应气体密度得到均衡，如此气流路径补偿方式使得气体分散盘12的中间区域的气流密度和气体分散盘12的边缘区域的气流密度趋于一致。气体分散盘12的中间区域和边缘区域的气流密度趋于一致，这样可以实现控制进入第二扩散腔体1b内部的气量的目的，使第二扩散腔体1b内部的气流均匀输入并均匀输出，从而提高镀膜沉积效果。

示例性的，在上述技术方案的基础上，如图5所示多个第一通孔121按照同心圆分布为多圈第一通孔，靠近气体分散盘中心点的一圈第一通孔的分布密度小于远离气体分散盘中心点的一圈第一通孔的分布密度。在此可选第一通孔121的孔径相等且第一通孔121的径向柱面高度相等。可选第一通孔121的底表面为圆形，在其他实施例中还可选第一通孔的底表面为椭圆形、三角形、正方形、长方形、六边形或其他形状。图5示出了气体分散盘12的俯视图。

本实施例中，对气体分散盘12的第一通孔121的开孔位置做变动，使气体分散盘12的中间区域的一圈第一通孔121的分布密度较小，气体分散盘12的边缘区域的一圈第一通孔121的分布密度比较大，这样气体分散盘12的中间区域单位面积上的第一通孔121的数量较小且边缘区域单位面积的第一通孔121的数量较大。已知气体从进气口11进入第一扩散腔体1a，气体会先扩散到气体分散盘12的中间区域，则气体分散盘12的中间区域的第一通孔121的气流快且边缘区域的第一通孔121的气流慢。

基于此，反应气体在气体分散盘12的中间区域的第一通孔同心圆中受到的孔径结构影响较大且具有较小的流通面积，反应气体在气体分散盘12的边缘区域的第一通孔同心圆中受到的孔径结构影响较小且具有较大的流通面积，使得单位面积上获得的反应气体密度得到均衡，如此气流路径补偿方式使得气体分散盘12的中间区域的气体流量和气体分散盘12的边缘区域的气体流量趋于一致，其中，气体流量为单位时间内的出气量。气体分散盘12的中间区域和边缘区域的气体流量趋于一致，这样可以实现控制进入第二扩散腔体1b内部的气量的目的，使第二扩散腔体1b内部的气流均匀输入并均匀输出，从而提高镀膜沉积效果。

示例性的，在上述技术方案的基础上，如图6所示第一通孔121为锥形，孔径结构12中的任意两个第一通孔121之间，靠近气体分散盘中心点的第一通孔121的锥度小于远离气体分散盘中心点的第一通孔121的锥度。其中第一通孔121的锥度为其锥形截面的张角θ。在此可选第一通孔121的形状相同且其径向柱面高度相等。可选第一通孔121的顶表面和底表面均为圆形，在其他实施例中还可选第一通孔的顶表面和底表面均为椭圆形、三角形、正方形、长方形、六边形或其他形状。

本实施例中，对气体分散盘12的第一通孔121的开孔大小做变动，使靠近气体分散盘中心点的第一通孔121的锥度小且远离气体分散盘中心点的第一通孔121的锥度大，这样气体分散盘12的中间区域的第一通孔121的流通面积较小且边缘区域的第一通孔121的流通面积较大。

气体分散盘12的中间区域的第一通孔121的流通面积小但其上游的气流密度较大，边缘区域的第一通孔121的流通面积大但能够获得的气流密度及宏观速率沿孔径方向的分量较小，如此气流路径补偿方式使得气体分散盘12的中间区域的气流密度和其边缘区域的气流密度趋于一致，这样可以实现控制进入第二扩散腔体1b内部的气量的目的，使第二扩散腔体1b内部的气流均匀输入并均匀输出，从而提高镀膜沉积效果。

示例性的，在上述技术方案的基础上，如图3所示分散体结构13为分布锥体，分散体结构13位于进气口11和孔径结构12之间，进入的气体流经分布锥体的锥面再通过第一通孔121输出；分布椎体的锥形底面直径为气体分散盘12的底面直径的1/3～2/3。可选气体分散腔体1的出气侧为圆形，气体分散盘12的底面为圆形且底面直径r与气体分散腔体1的出气侧直径相等，可选分布椎体为圆锥体，该圆锥体的底面直径大于或等于r/3且小于或等于2r/3。

本实施例中，气体从进气口11输入至第一扩散腔体1a，先通过分布锥体进行一次均匀扩散，具体的气流通过锥形顶部时会沿着锥面侧壁均匀扩散到气体分散盘12上方，通过第一次的导流分散，可以减小进入气体分散盘中间区域和边缘区域的气体流量差异，使得通过分散体结构后的气体能够在达到孔径结构表面时，达成较为均匀而稳定的流量分布；再通过气体分散盘12进行第二次分流，进一步分流提高腔内气体流量分布的均匀性和稳定性。如此气体可以均匀的进入第二扩散腔体1b并从气体分散腔体1内均匀输出，提高镀膜沉积效果。

示例性的，在上述技术方案的基础上，如图7所示分散体结构13为与进气口11联通的锥形分散盘，锥形分散盘具有多个第二通孔131，进入的气体流经锥形分散盘的第二通孔131再通过第一通孔121输出。可选锥形分散盘的进气侧与进气口11重叠，进气口11的气体直接进入锥形分散盘进行第一次扩散。

本实施例中，气体从进气口11直接进入锥形分散盘进行第一次扩散，具体的，气体从进气口11直接进入锥形分散盘的第二通孔131进行分流，该第一次分流可以减小进入气体分散盘中间区域和边缘区域的气体流量差异，使得通过分散体结构后的气体能够在达到孔径结构表面时，达成较为均匀而稳定的流量分布；再通过气体分散盘12的第一通孔121进行第二次分流，进一步分流提高腔内气体流量分布的均匀性和稳定性。如此气体可以均匀的进入第二扩散腔体1b并从气体分散腔体1内均匀输出，提高镀膜沉积效果。

示例性的，在上述技术方案的基础上，如图8所示孔径结构12中的两个第一通孔121，靠近气体分散盘中心点的第一通孔121的深度大于远离气体分散盘中心点的第一通孔121的深度。可选第一通孔121的底表面为圆形，即第一通孔形状为圆柱状；在其他实施例中还可选第一通孔的底表面为椭圆形、三角形、正方形、长方形、六边形或其他形状。第一通孔121的深度为第一通孔121沿其通孔延伸方向上的尺寸即径向柱面高度。

本实施例中，对气体分散盘12的第一通孔121的开孔大小做变动，使气体分散盘12的中间区域的第一通孔121的深度较大，气体分散盘12的边缘区域的第一通孔121的深度较小。基于此，气体在气体分散盘12的中间区域的第一通孔121内扩散所需的时间较长，越靠近气体分散盘12的边缘区域，气体在第一通孔121内扩散所需的时间越短。而气体从进气口11进入第一扩散腔体1a，气体会先到达气体分散盘12的中间区域的第一通孔121的表面，则气体分散盘12的中间区域的第一通孔121的气流快且边缘区域的第一通孔121的气流慢。

基于此，反应气体在气体分散盘12的中间区域的第一通孔121的气流快但扩散时间长，反应气体在气体分散盘12的边缘区域的第一通孔121的气流慢但扩散时间短，如此可以弥补气体分散盘12的不同区域的气体流量，使气体分散盘12的不同区域的气体流量得到均衡，这样第二扩散腔体1b内部的气流就比较均匀，进而镀膜沉积效果也比较好。可以理解，本实施例利用气体在腔内和孔内的扩散速度差异实现气流路径补偿，实现反应气体密度在待沉积面上浓度和持续时间上的均衡。

示例性的，在上述技术方案的基础上，如图9所示气体分散腔体1还包括位于分散体结构13和孔径结构12之间的分散隔板14，分散隔板14具有多个第三通孔141。

本实施例中，气体从进气口11进入后，经过分散体结构13的第一次扩散，可以提高气流均匀性，使得通过分散体结构后的气体能够在达到分散隔板表面时，达成较为均匀而稳定的流量分布；然后气体到达分散隔板14，经过其中第三通孔141的分流进行第二次扩散，该第二次扩散可以减小到达气体分散盘中间区域和边缘区域的气体流量差异，使气体较为均匀的流入气体分散盘12，提高腔内气体均匀性；气流到达气体分散盘12，经过其中第一通孔121的分流进行第三次扩散，进一步分流提高腔内气体流量分布的均匀性和稳定性。如此气体可以较均匀的进入第二扩散腔体1b并从气体分散腔体1内均匀输出，提高镀膜沉积效果。

可选分散隔板中两个第三通孔，靠近分散隔板中心点的第三通孔的孔径大于远离分散隔板中心点的第三通孔的孔径；和/或，多个第三通孔按照同心圆分布为多圈第三通孔，靠近分散隔板中心点的一圈第三通孔的分布密度大于远离分散隔板中心点的一圈第三通孔的分布密度。本实施例中，对分散隔板中的第三通孔的开孔大小和/或分布密度进行改动，能够提高第二次扩散的气体流量的均匀性，进一步控制腔体内部气流的均匀性。可以理解，通孔的分布密度和/或开孔大小对扩散的影响原理与第一通孔类似，在此不再赘述。

基于同一发明构思，本实用新型实施例提供一种薄膜沉积设备，该薄膜沉积设备包含如上任意实施例所述的气流分布装置。

本实施例中，可选薄膜沉积设备为peald(等离子体增强原子层沉积)设备，气流分布装置集成在peald设备中，peald设备用于在衬底上制备薄膜。例如采用如上所述的气流分布装置在衬底上沉淀氧化铝薄膜，其过程为：peald设备制备的氧化铝气体通过进气口11进入气体分散腔体1，经过孔径结构12和/或分散体结构13的气流路径补偿能够均匀的输入第二扩散腔体1b，第二扩散腔体1b内的气体再均匀的输出并沉积在衬底上，以在衬底上形成厚度趋于一致的氧化铝薄膜。与现有技术相比，减小了薄膜中间和边缘的厚度差异，不会出现薄膜中间和边缘厚度差异过大的问题，提高了镀膜均匀性。

本实施例中，在气流分布装置的进气口和出气侧之间设置有至少一种气盘结构，如孔径结构和/或分散体结构，气体经过气盘结构可以较均匀的进入腔体内部进而均匀输出，这样沉积薄膜时可以得到较好的薄膜均匀性。

本实施例中，气流分布装置中气盘结构包括至少一个孔径结构，孔径结构中多个通孔的开孔大小、深度和分布密度均可以发生改动，以提高气流流量分布的均匀性；和/或，气盘结构还包括至少一个分散体结构，分散体结构为分布锥体，分布锥体的锥面侧壁可以作为分流表面，其中也可以设置通孔作为分流通道，以提高气流流量分布的均匀性。可以理解，本实用新型不仅限于如上实施例的示例或组合，还可以包括其他组合或结构，只要能够提高腔体气体流量分布的均匀性，在本实用新型中不对气盘结构进行限定。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。