用于半导体工艺的气体混合装置及半导体工艺设备的制作方法

1.本发明关于一种气体混合装置，特别是一种半导体工艺设备中的气体混合装置，更特别是一种连接至喷淋组件上游的气体混合装置。


背景技术：

2.在半导体制造过程中可能涉及多种气体(或化学源)之使用，例如：多层薄膜之制造即须使用多种气体。在制程中不同种类之气体通过混合而供应至晶圆表面进行反应，而气体混合的均匀度可决定晶圆表面沉积的质量。因此，已知有针对半导体处理设备而开发和优化的气体混合装置。
3.图1a至图1c示意气体混合的效果。图1a显示理想的混合效果，其中第一气体的气流(向右箭头)与第二气体的气流(向左箭头)大致上于汇流空间的中央汇合。这是因为双气体的压力相当且气流路径相对应。图1b显示实际上的混合效果，其中一气体的压力大于另一气体，导致两气体主要于汇流空间的边缘发生混合。图1c显示另一种实际上可能发生的混合效果，其中两气体的气流并未相互对应且平行，导致两气体于汇合处发生错位，而未能充分混合。
4.中国专利公布号cn110917914a揭露一种气体混合装置，其接收并混合两种气体，以及将混合的气体供应至半导体工艺设备的喷淋组件。所述气体混合装置包含一第一引流件、一第二引流件及一分流板。第一引流件负责接收和供应第一气体，第二引流件连接至第一引流件的下游并负责接收和供应来自第一引流件的第一气体。第二引流件还负责接收和供应第二气体。分流板连接至第二引流件的下游，使两者共同界定一汇流通道让第一气体和第二气体在此混合。以所述气体混合装置，第一气体和第二气体在进入半导体工艺腔体前能够进行预混合，藉此提高混合效果。
5.然而，所述气体混合装置，其结构设计极其复杂，致使制造及加工成本较高，且装置后续更换或维护配置均须拆卸，造成维护过程较为复杂，且所需费用相对较高。此外，所述气体混合装置的气道仍存在诸多死角，使气体无法充分混合。因此，为了制造质量更佳之半导体薄膜及降低制作成本以提高产品竞争力，有必要开发一种结构设计简单且适用于各种半导体工艺设备的气体混合装置。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种用于半导体工艺的气体混合装置及半导体工艺设备以解决现有技术中存在的气体混合不佳的问题。
7.本发明提供的半导体工艺的气体混合装置，包含：一本体，具有一上游端及一下游端。本体的上游端与下游端之间依序包含：一窄孔，界定于所述本体中且具有一上游端及一下游端；一缓冲空间，界定于所述本体中且具有一上游端及一下游端，所述缓冲空间的上游端流体连接至所述窄孔的下游端，且所述缓冲空间的宽度大于所述窄孔的宽度；及一分流板，具有一上表面及一下表面，所述分流板的上表面及下表面之间形成有多个分流孔，所述
多个分流孔流体连接至所述缓冲空间的下游端，所述分流板的上表面形成有一凹穴，且所述凹穴正对所述窄孔的下游端，藉此使通过所述窄孔的气流撞击所述凹穴的壁而形成湍流。
8.所述半导体工艺的气体混合装置的有益效果在于：所述凹穴正对所述窄孔的下游端，藉此使通过所述窄孔的气流撞击所述凹穴的壁而形成湍流，提高了气体混合的效果，从而提升沉积的均匀性。
9.进一步地，所述窄孔的上游端宽度大于所述窄孔下游端的宽度。
10.进一步地，所述凹穴是由所述分流板上表面的一内凹曲面所形成。
11.进一步地，所述窄孔的下游端的宽度小于所述凹穴的一最大宽度。
12.进一步地，所述多个分流孔环绕所述凹穴。
13.进一步地，所述本体包含一第一板及一第二板，所述第一板界定所述窄孔及所述缓冲空间，所述第二板界定所述多个分流孔及所述凹穴。
14.本发明还提供一种半导体工艺设备，包含：一喷淋组件，用于供应一混合气体至一晶圆表面；一气体混合管，流体连接至所述喷淋组件并供应所述混合气体；及所述的气体混合装置，流体连接至所述气体混合管，用于混合一第一气体和一第二气体。
15.进一步地，所述气体混合管的中心、所述窄孔的中心及所述凹穴的中心为共轴。
16.进一步地，所述窄孔配置为接收所述气体混合管中的第一气体和第二气体，所述多个分流孔配置为将所述混合气体分流回所述气体混合管的下游端。
17.进一步地，当气体混合发生时，所述凹穴配置为比起所述窄孔具有相对较高的雷诺准系数。
18.进一步地所述窄孔和所述凹穴的位置使气体混合主要发生在所述气体混合管的中心。
19.所述半导体工艺设备的技术效果在于确保第一气体(如前驱体)和第二气体(如工艺气体)在通道的中心处发生混合，且通过气体混合装置的湍流产生手段还提高气体混合的效果，从而提升沉积的均匀性。本发明气体混合装置中的空间配置使气体进行主动的混合。此外，本发明气体混合装置的组成结构相对简单，实用性(如ald设备)及反应物的适用性亦良好。
附图说明
20.参照下列图式与说明，可更进一步理解本发明。非限制性与非穷举性实例参照下列图式而描述。在图式中的构件并非必须为实际尺寸；重点在于说明结构及原理。
21.图1a至图1c示意气体混合效果的示意图，依序为理想混合、实际混合及错位混合。
22.图2显示本发明半导体工艺设备的实施例示意图。
23.图3显示本发明气体混合装置的实施例示意图。
具体实施方式
24.以下将参考图式更完整说明本发明，并且通过例示显示特定范例具体实施例。不过，本主张主题可具体实施于许多不同形式，因此所涵盖或申请主张主题的建构并不受限于本说明书所揭示的任何范例具体实施例；范例具体实施例仅为例示。同样，本发明在于提
供合理宽阔的范畴给所申请或涵盖之主张主题。
25.本说明书内使用的词汇“在一实施例”并不必要参照相同具体实施例，且本说明书内使用的“在其他(一些/某些)实施例”并不必要参照不同的具体实施例。其目的在于例如主张的主题包括全部或部分范例具体实施例的组合。
26.第二图图2显示本发明半导体工艺设备的示意图，主要包含一腔体侧壁1、连接于侧壁1上方的一上盖2、固定于上盖2底部的一喷淋组件3及由侧壁1围绕并位于喷淋组件3下方的晶圆支撑盘4。侧壁1下方还连接有一底部(未显示)，因此侧壁1、底部及喷淋组件3内侧界定腔体的中的腔室。尽管未显示，应了解，上盖2的顶部配置有其他的部件，像是用于电连接至喷淋组件3的射频连接装置。一气体混合管5的下游端固定至上盖2的顶部，并通过上盖2的进气口与喷淋组件3流体连通，使一混合气体进入喷淋组件3的扩散空间和喷淋板供应至腔室中。侧壁1的内侧还配置有与外部抽气系统连接的一环形通道6，用于将腔室气体排出。
27.气体混合管5的上游端与供应第一气体的一第一管路流体连接以及与供应第二气体的一第二管路流体连接。换言之，气体混合管5为第一管路和第二管路的汇流管路，意即第一气体和第二气体在气体混合管5中相遇和混合。第一管路和第二管路可分别设置有流量控制器以及相对应的阀门，用于对第一管路和第二管路中的气体流速进行监测和控制。
28.本发明气体混合装置7流体连接至气体混合管5。如图所示，气体混合装置7是作为气体混合管5的其中一区段。可替代地，气体混合装置7是容置在气体混合管5的通道中。第一气体和第二气体通过气体混合装置7前虽然于气体混合管5中相遇但仍未充分混合。气体混合装置7提供一湍流(turbulence)产生机制，并让气体混合发生在气体混合管5的中心，提高混合效率。
29.上述配置仅为本实施例说明，并非限制本发明。例如，更多或更少的部件可存在于腔室中，气体混合装置7可配置于供气管路中的其他位置，像是更靠近上游端或下游端，或者，气体混合装置7可配置于喷淋组件3和气体混合管5之间。此外，尽管图2仅显示部分腔体配置，但根据腔体的对称性，本领域技术者应可了解其他未显示的部分。
30.图3显示本发明气体混合装置7，其具有由一第一板71和一第二板72构成的一本体。所述本体具有一上游端及一下游端。本文所述上游端是指接收气体的一端或是相对靠近气体源的一端，所述下游端是指排出气体的一端或是相对靠近喷淋组件的一端。所述本体的上游端可拆卸地连接至气体混合管5的一第一区段51，所述本体的下游端可拆卸地连接至气体混合管5的一第二区段52。
31.第一板71位于所述本体的上游端并可拆卸地连接至第一区段51。第一板71具有一上游端及一下游端。第一板71于其上游端形成有一窄孔711，且所述窄孔711是由从上游端至下游端的一倾斜面所界定而成，使窄孔711为一渐缩孔，但本发明不以此为限制。窄孔711具有一宽度w1，无论所述宽度w1是指上游端的最大宽度或是指下游端的最小宽度，所述宽度w1小于第一区段51的通道宽度。换言之，第一气体和第二气体的气压从第一区段51进入窄孔711后为增加。
32.第一板71于其下游端形成有与窄孔711流体连接的一缓冲空间712。所述缓冲空间712是由第一板71中的一环形内壁界定而成的一圆柱空间且具有一宽度(直径，w2)。所述宽度w2大于窄孔711的宽度w1。通过窄孔711释放的第一气体和第二气体可在缓冲空间712扩
散。
33.第二板72具有一上表面及一下表面，其中上表面可拆卸地连接至第一板71的下游端，下表面可拆卸地连接至第二区段52。第二板72的上表面暴露于缓冲空间712且面对窄孔711的下游端，因此第二板72的上表面可受到第一气体和第二气体的高压冲击。第二板72的上表面形成有一凹穴721。所述凹穴721与缓冲空间712流体连接并正对窄孔711的下游端。所述凹穴的宽度w3大于窄孔711的最小宽度，以尽可能使通过窄孔711释放的第一气体和第二气体能冲击凹穴721的内壁。所述凹穴721是由上表面的下凹曲面所界定，但本发明不以此为限制。换言之，本发明所述凹穴可指自一平坦表面下沉的表面。
34.多个分流孔722延伸于第二板72的上表面和下表面之间并贯穿第二板72。分流孔722的上游端与缓冲空间712流体连接，以将缓冲空间712的混合气体向下供应至第二区段52的通道中。这些分流孔722是以环绕凹穴721的方式排列，但本发明不以此为限制。
35.并参第一图，气体混合管5具有一中心轴c，而图2所示窄孔711、缓冲通道712以及凹穴721为共轴配置，意即窄孔711的中心、缓冲通道712的中心以及凹穴721的中心与中心轴c为共轴。换言之，中心轴c通过窄孔711、缓冲通道712以及凹穴721。在这样的配置下，通过窄孔711的第一气体和第二气体会以高压释放并撞击第二板72的上表面凹穴721表面。凹穴721表面将气体反弹进而造成湍流效果，使第一气体和第二气体在窄孔711和凹穴721之间进行混合，而此气体混合发生的位置大致上位于中心轴c上，符合理想混合效果。
36.所述湍流效果造成第一气体和第二气体剧烈扰动，使混合效果提升。此外，根据实验和模拟结果也呈现出于凹穴721处或者于窄孔711和凹穴721之间区域所测量到的雷诺准系数相对其他区域高，代表湍流的效果明显，可有效混合气体。再者，本发明气体混合装置7所包含的第一板71和第二板72结构相对简单，维护成本相对较低。