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半导体处理反应器及其部件
    相关申请的交叉引用
     本申请根据 35U.S.C.119(e) 要求 2009 年 4 月 6 日提交的美国临时专利申请 61/167,093 和 2010 年 4 月 5 日提交的美国非临时专利申请 12/754,223 的优先权。
     技术领域
     本申请总地涉及半导体处理设备， 并尤其涉及用于将处理气体输送到衬底反应室 的装置和系统。 背景技术
     原子层沉积 (“ALD” ) 是半导体工业中用于在诸如硅片的衬底上形成材料薄膜的 一种已知工艺。ALD 是气相沉积的一种类型， 其中， 通过沉积具有由沉积层数确定的膜厚的 多层超薄层来形成膜。在 ALD 工艺中， 将待沉积的材料的一种或多种化合物 ( 前体 ) 的气 态分子供给到衬底或晶片以在衬底上形成那种材料的薄膜。在一个脉冲内， 第一前体材料 在自限制过程中相当完整地吸附到衬底上。前体材料可以在后续的反应物脉冲中分解， 以形成所期望材料的单层分子层。替代地， 所吸附的前体材料可以与后续反应物脉冲的反应 物进行反应， 以形成化合物的单层分子层。 通过反复的生长周期产生较厚的膜， 直到达到目 标厚度。
     在 ALD 工艺中， 将具有待涂敷的至少一个表面的一个或多个衬底引入反应器或沉 积室。衬底被加热到高于选择的气相反应物的冷凝温度但低于热分解的期望温度。一种反 应物能够与吸附的前一反应物种类进行反应， 以在衬底表面上形成期望产品。产品可以呈 膜、 衬垫或层的形式。
     在 ALD 工艺过程中， 借助于反应物脉冲之间的去除步骤， 全都呈气化或气态形式 的反应物脉冲被相继脉冲输入反应器。 例如， 在反应物脉冲之间提供惰性气体脉冲。 在下一 个反应物脉冲之前， 惰性气体净化一个反应物脉冲室， 以避免气相混合或 CVD 型反应。ALD 的特征在于每种反应物都被输送到衬底， 直到实现饱和的表面状态。重复循环以形成期望 厚度的原子层。 为了获得自限制的生长， 提供足够量的每一种前体以使衬底饱和。 当生长速 度是自限制时， 生长速度与反应序列的重复速度而不是与在 CVD 中的反应物流量成比例。
     用于 ALD 工艺的典型反应室包括顶板和和底板， 穿过顶板形成有槽。该槽使处理 气体可以通过该槽引入反应室， 且槽是设置成垂直于主气流通路的大体直线的开口。 然而， 因为经过槽引入反应室的处理气体通常具有沿槽的整个宽度的相同流速， 所以当处理气体 流经反应室时， 处理气体与晶片的前缘接触所耗时间在横跨反应室的宽度上是不同的。换 言之， 尽管经由槽引入反应室的处理气体的速度在槽的宽度上基本上恒定， 但在反应室的 边缘附近引入反应室的气体与衬底前缘接触所耗时间大于在反应室的中心线附近引入反 应室的气体与衬底前缘接触的时间， 如图 1A 中所示。因此， 在最靠近反应室侧壁的衬底最 侧面边缘暴露于处理气体之前， 反应室的中心线附近的衬底前缘暴露于较大量的处理气 体。这通常导致反应室的中心线附近的衬底前缘经许多 ALD 循环后具有比衬底侧面边缘大的沉积厚度， 这是因为当前体吸附到较靠近反应室的中心线的衬底前缘时， 处理气体中的 前体浓度减小。在衬底上从衬底前缘流动到尾缘的处理气体内的前体浓度的降低， 以及相 对于反应室的侧面边缘来自纵向中心线的类似的浓度降低导致衬底上的沉积不均匀。由 此， 经由槽引入反应室的处理气体的理想驻留时间分布应当在槽的整个宽度上基本相同， 因而， 处理气体从槽流动到衬底前缘的对应位置的时间在反应室的宽度上是恒定的。
     驻留时间分布 (“RTD” ) 是恒定时间 ( 即， 流体元到达固定位置的时间是恒定的 ) 轮廓， 其应当进行优化， 以使 RTD 的形状对应于衬底的整个前缘， 如图 1B 中所示。因此， 在 反应室的中心线附近从衬底侧面边缘到前部边缘横跨衬底的整个前缘具有基本上相同浓 度的处理气体波。
     因此， 需要一种气体输送系统， 该系统使处理气体分配成分配的处理气体引入反 应室中， 从而产生将处理气体引入反应室的槽和衬底的前缘之间的预定 RTD， 以形成在待处 理的整个衬底上更为均匀的膜沉积。 发明内容 在本发明的一个方面， 提供用于将至少一种处理气体输送到反应室的气体输送系 统。气体输送系统包括与反应室流体连通的扩散器。扩散器直接附连于反应室的上表面。 用于分配处理气体的扩散器容积形成于反应室的上表面和扩散器之间。
     对于本发明的另一个方面， 提供一种用于在处理气体引入反应室之前分配至少一 种处理气体的扩散器。扩散器包括入口部， 该入口部具有穿过该入口部的通道以接纳处理 气体。扩散器还包括附连于入口部的分配部。分配部包括安装表面、 第一分配表面、 第二分 配表面、 第三分配表面和第四分配表面， 其中， 第一、 第二、 第三和第四分配表面在第一侧面 和第二侧面之间侧向延伸。 第一侧面和第二侧面在第一、 第二、 第三和第四分配表面和安装 表面之间延伸。
     在本发明的又一方面， 提供用于处理半导体衬底的反应器。 反应器包括扩散器。 扩 散器具有至少一个第一润湿表面。反应器还包括可操作地连接到扩散器的反应室。反应室 与扩散器流体连通， 且反应室具有至少一个第二润湿表面。 反应器还包括在第一、 第二或第 三润湿表面中的至少一个表面上的表面纹理。表面纹理具有约 50-250Ra 之间的表面粗糙 度。
     从本发明的已借助附图示出和描述的较佳实施例的详细说明中， 本发明的优点对 于那些本领域技术人员来说更加清楚。 将实现的是， 本发明能够具有其它和不同的实施例， 且它们的细节能具有各方面的变型。因而， 附图和说明应当被认为实质上是说明性的而非 限制性的。
     附图说明
     图 1A 是经过现有技术中常用的反应室的处理气体的驻留时间分布图。
     图 1B 是经过反应室的处理气体的较佳驻留时间分布图。
     图 2 是气体分配系统、 反应室和排气系统的实施例的俯视立体图。
     图 3 是图 2 中所示气体分配系统、 反应室和排气系统的分解图。
     图 4 是图 2 中所示气体分配系统、 反应室和排气系统沿线 4-4 的剖视图。图 5A 是扩散器的实施例的俯视立体图。 图 5B 是图 5A 中所示扩散器的仰视立体图。 图 5C 是图 5A 中所示扩散器的仰视平面图。 图 5D 是图 5A 中所示扩散器的后视平面图。 图 5E 是图 5C 中所示扩散器沿线 X-X 剖取的剖视图。 图 5F 是图 5E 中所示扩散器的一部分的放大剖视图。 图 6A 是反应室的顶板的实施例的俯视立体图。 图 6B 是图 6A 中所示顶板的俯视平面图。 图 6C 是图 6A 中所示顶板的仰视平面图。 图 6D 是图 6B 中所示顶板沿线 F-F 剖取的剖视图。 图 6E 是图 4 中所示反应室和气体分配系统的一部分的放大剖视图。 图 7A 是反应室的底板的实施例的俯视立体图。 图 7B 是图 7A 中所示底板的俯视平面图。 图 7C 是图 7A 中所示底板的仰视平面图。 图 7D 是图 7B 中所示底板沿线 D-D’ 剖取的剖视图。 图 8 是排气垫片的实施例的俯视立体图。具体实施方式
     参见图 2 至 4， 示出用于半导体加工工具的反应器 10 的示例性实施例。反应器 10 包括外壳 12、 气体输送系统 14、 反应室 16 和排气组件 18。外壳 12 形成半导体衬底可在其 中进行处理的室。反应器 10 构造成接纳插入反应室 16 的半导体衬底。一旦在反应室 16 中， 可在衬底上进行任何数目的不同处理和化学反应， 包括蚀刻过程、 膜沉积过程、 烘焙过 程或本领域技术人员已知的任何其它过程。衬底在反应室 16 中处理之后， 取出衬底， 然后 另一衬底插入反应室 16 中以进行处理。在实施例中， 外壳 12 提供处理成分所驻留的降压 室。在另一实施例中， 外壳 12 提供保持在大气压或接近大气压的室。
     参见图 2-4， 示出气体输送系统 14、 反应室 16 和排气组件 18 的示例性实施例。气 体输送系统 14 包括构造成将气体运输到与扩散器 22 流体连通的混合器 20 的多根气体管 路。扩散器 22 可操作地并流体连接到半导体衬底于其中进行处理的反应室 16。反应室 16 包括顶板 24 和底板 26， 且顶板和底板 24、 26 形成在其内部的反应空间 28。基座 30 构造成 相对于反应室 16 抬高和降低， 以将衬底 32 引入反应空间 28 及从反应空间中取出衬底 32。 排气组件 18 可操作地并流体连接到反应室 16 以从反应室中撤出处理气体和流出物。如图 4 中所示， 示出气体经过混合器 20、 扩散器 22、 反应室 16 和排气组件 18 的流动路径 A。尤 其是， 流经混合器 20 和扩散器 22 的气体沿与这些流经反应室 16 的气体基本上相反的方向 流动。
     如图 2-3 中所示， 气体输送系统 14 包括可操作地连接到混合器 20 的多根气体管 路。在实施例中， 用于将反应气体或液体引入混合器 20 的气体管路可包括 ： 第一反应物气 体管路 34、 第二反应物气体管路 36、 第三反应物气体管路 38 和第四反应物气体管路 40。 本 领域的普通技术人员应当理解到， 任何数目的反应物气体管路能可操作地并流体连接到混 合器 20， 以将反应物传输至该混合器。 反应物气体管路 34、 36、 38、 40 构造成输送反应物， 诸如来自固体源的气化前体、 来自液体源的气化前体、 臭氧、 水或用于处理衬底的任何其它反 应物。尽管气体管路 34、 36、 38、 40 被描述成构造成输送气体， 但本领域的普通技术人员应 当理解气体、 蒸气和 / 或液体可类似地经由这些管路而输送到混合器 20。气体输送系统 14 还包括第一旁路管路 42、 第二旁路管路 44、 第三旁路管路 46 和第四旁路管路 46。 旁路管路 42、 44、 46、 48 构造成将惰性气体输送到混合器 20。每个旁路管路 42、 44、 46、 48 都可操作地 连接到对应的反应物气体管路 34、 36、 38、 40。旁路管路 42、 44、 46、 48 与对应的反应物气体 管路 34、 36、 38、 40 以及混合器 20 流体连通。气体输送系统 14 还包括第一反吸管路 50、 第 二反吸管路 52、 第三反吸管路 54 和第四反吸管路 56。反吸管路 20、 52、 54、 56 可操作地并 流体连接到对应的反应物气体管路 34、 36、 38、 40、 旁路管路 42、 44、 46、 48 以及排气组件 18。 反吸管路 50、 52、 54、 56 构造成通过抽出这些气体并旁通反应室 16 来可选择地将来自反应 物气体管路 34、 36、 38、 40 的反应物气体和 / 或将来自旁路管路 42、 44 的惰性气体输送到排 气组件 18。在实施例中， 反应物气体管路 34、 36、 38、 40、 旁路管路 42、 44、 46、 48 和反吸管路 50、 52、 54、 56 全部由钛制成， 但本领域的普通技术人员应当到这些管路可由不锈钢或将不 与输送到混合器 20 或排气组件 18 的任何气体或流体反应的任何其它材料制成。
     如图 2-4 中所示， 气体输送系统 14 还包括混合器 20， 该混合器构造成接收来自反 应物气体管路 34、 36、 38、 40 和旁路管路 42、 44、 46、 48 的反应气体和惰性气体。 在实施例中， 反应物气体管路 34、 36、 38、 40 通过焊接永久地附连至混合器 20。在另一实施例中， 反应物 气体管路 34、 36、 38、 40 可拆除地固定到混合器 20， 因而， 如果气体管路受到损坏或者由于 其它原因需要更换， 则可以为了更换而从混合器 20 中仅拆下单独的气体管路和对应的旁 路管路和反吸管路。如图 4 的剖视图中所示， 在实施例中， 混合器 20 包括本体 58 和形成于 本体 58 中的室 60。在实施例中， 两根反应物气体管路 34、 36 附连至本体 58 的一侧， 而另两 根反应物气体管路 38、 40 附连至本体的相对侧， 因而， 气体可沿相对的方向引入室 60， 由此 在气体流入扩散器 22 之前使气体在室 60 内循环。混合器 20 可拆除地附连于扩散器 22 并 与其流体连通。在实施例中， 混合器 20 由钛制成成， 但本领域的普通技术人员应当理解， 混 合器可替代地由不锈钢或将不与经由混合器 20 输送到扩散器 22 的任何气体或流体反应的 任何其它材料制成。
     气体输送系统 14 还包括与混合器 20 流体连通的扩散器 22， 且扩散器 22 构造成 向反应室 16 提供经分配的气流， 如图 4 中所示。反应室 16 的顶板 24 包括上表面 62、 下表 面 64 和在上表面和下表面 62、 64 之间延伸的边缘 66。扩散器 22 直接附连于反应室 16 的 上表面 62， 由此在两者之间形成扩散器容积 68。参见图 5A-5F， 示出扩散器 22 的示例性实 施例。在所示实施例中， 扩散器 22 是扇形构件， 其可松开地固定到反应室 16 的顶板 24 的 上表面 62。扩散器 22 包括入口部 70 和分配部 72。在实施例中， 入口部 70 和分配部 72 一 体形成。在另一实施例中， 入口部 70 和分配部 72 单独形成， 随后牢固地彼此附连。扩散器 22 还包括连接表面 74、 安装表面 76、 上表面 78、 端面 80 和从上表面 78 伸出的成对的凸台 82。连接表面 74 构造成当扩散器 22 与混合器附连时与混合器 20 的本体 58 邻接。安装表 面 76 构造成与扩散器 22 所附连的反应室 16 的顶板 24 的上表面 62 接触。扩散器 22 的上 表面 78 是与安装表面 76 相对的表面并背对反应室 16。端面 80 在安装表面 76 和上表面 78 之间延伸， 且端面 80 是形成扩散器 22 的与入口部 70 相对的弯曲端的弯曲表面。
     扩散器 22 的入口部 70 构造成在气体引入扩散器 22 的分配部 72 之前提供气体离开混合器 20 的路径， 如图 5C-5E 中所示。入口部 70 包括呈大体正方形构件的入口块 84， 如 图 4 中所示， 该入口块构造成直接附连于混合器 20 的本体 58。入口块 84 包括形成穿过入 口块的通道 86。通道 86 与混合器 20 的室 60 直接流体连通， 因而， 引入混合器 20 的气体从 该混合器输送到形成于扩散器 22 的入口块 84 内的通道 86 中。通道 86 较佳地提供混合器 20 和扩散器 22 的分配部 72 之间大体直线的路径。通道 86 较佳地关于穿过入口部 70 延伸 的中心轴线 B( 图 5E) 对称。在实施例中， 通道 86 由第一通路 88 和相邻的第二通路 90 构 成， 其中， 第一通路和第二通路 88、 90 形成连续的流动路径。第一通路 88 由第一入口表面 92 形成， 而第二通路 90 由第二入口表面 94 形成。
     在实施例中， 形成穿过入口块 84 的第一通路 88 的第一入口表面 92 呈大体锥形， 因而， 第一入口表面 92 的直径在与混合器 20 相邻的位置相对于与第二通路 90 相邻的位置 的较小直径更大， 如图 5E 中所示。因为第一通路 88 的截面面积沿气体离开混合器 20 的流 动路径方向减小， 所以这些气体的流速随着气体沿第一通路 88 的长度前进而增大。在另一 实施例中， 第一入口表面 92 呈大体圆柱形， 由此提供第一通路 88 沿其长度基本恒定的横截 面。本领域的普通技术人员应当理解， 第一入口表面 92 可由能增大、 减小或保持经过第一 通路 88 的恒定气体流速的任何形状来构成。 在实施例中， 形成穿过入口块 84 的第二通路 90 的第二入口表面 94 呈大体圆筒 形， 由此提供第二通路 90 沿其长度基本恒定横截面， 如图 5E 中所示。当第一入口表面 92 呈大体锥形， 而第二入口表面 94 呈大体圆筒形时， 两表面之间的界面提供过渡， 因而经过 第一通路 88 的气体流速沿其长度持续增大， 而经过第二通路 90 的气体流速沿其长度保持 基本上相同。在另一实施例中， 第二入口表面 94 呈大体锥形 ( 未示出 )， 因而第二入口表 面 94 的直径在与第一入口表面 92 相邻的位置相对于在与分配部 72 相邻的位置处的较小 直径更大。当第一入口表面和第二入口表面 92、 94 都呈大体锥形时， 这些表面可以构造成 第一通路和第二通路 88、 90 提供穿过入口块 84 的持续变窄的通路， 由此使流经该变窄通路 的气体流速更为平缓地增大。本领域的普通技术人员应当理解， 第二入口表面 94 可由能增 大、 减小或保持经过第二通路 90 的恒定气体流速的任何形状构成。第二通路 90 的与第一 通路 88 相对的端部通入扩散器 22 的分配部 72。
     处理气体借助于穿过入口部 70 在混合器 20 和分配部 72 之间延伸的通道 86 而引 入分配部 72， 如图 5C-5E 中所示。在实施例中， 分配部 72 包括第一分配表面 96、 第二分配 表面 98、 第三分配表面 100 以及第一偏转表面 102 以及形成扩散器容积 68 的侧向边界的第 一侧面 104 和第二侧面 106 和在这两个侧面之间延伸的第三侧面 108。本领域的普通技术 人员应当理解， 尽管所述实施例包括入口部 70 和分配部 72 的第三侧面 108 之间延伸的四 个不同表面， 但可以有组合成在两者之间延伸的任何数目的不同表面。
     在图 5C、 5E 和 5F 中所示实施例中， 由入口部 70、 第二分配表面 98 和分配部 72 的 第一侧面和第二侧面 104、 106 界定第一分配表面 96。 在实施例中， 第一分配表面 96 倾斜成 第一分配表面 96 和反应室 16 的顶板 24 的上表面 62 之间的距离沿从入口部 70 到分配部 72 的第三侧面 108 的方向减小， 如图 5F 中所示的角度 α。在实施例中， 第一分配表面 96 在约 0-10°之间倾斜。在另一实施例中， 第一分配表面 96 在约 3-7°之间倾斜。在又一实 施例中， 第一分配表面 96 呈约 4°倾斜。 在实施例中， 在第一侧面和第二侧面 104、 106 之间 没有第一分配表面 96 的侧向坡度。在另一实施例中， 第一分配表面 96 能以任何方式在第
     一侧面和第二侧面 104、 106 之间倾斜或弯曲。
     在图 5C、 5E 和 5F 中所示实施例中， 由第一分配表面 96、 第三分配表面 100 和分配 部 72 的第一侧面和第二侧面 104、 106 界定第二分配表面 98。在实施例中， 第二分配表面 98 倾斜成使第二分配表面 98 和反应室 16 的顶板 24 的上表面 62 之间的距离沿从第一分配 表面 96 到分配部 72 的第三侧面 108 的方向减小， 如图 5F 中所示的角度 β。在实施例中， 第二分配表面 98 在约 5-20°之间倾斜。在另一实施例中， 第二分配表面 98 在约 7-15°之 间倾斜。在又一实施例中， 第二分配表面 98 呈约 10°倾斜。在实施例中， 在第一侧面和第 二侧面 104、 106 之间没有第二分配表面 98 的侧向坡度。 在另一实施例中， 第二分配表面 98 能以任何方式在第一侧面和第二侧面 104、 106 之间倾斜或弯曲。
     流过扩散器容积 68 的处理气体在流过第一偏转表面 102 之前流过第三扩散表面 100， 且下面更为详细地描述第三分配表面 100。在图 5C、 5E 和 5F 中所示实施例中， 由第三 分配表面 100 和分配部 72 的第一侧面、 第二侧面和第三侧面 104、 106、 108 界定第一偏转表 面 102。在实施例中， 第一偏转表面 102 倾斜成使第一偏转表面 102 和反应室 16 的顶板 24 的上表面 62 之间的距离沿从第三分配表面 100 到分配部 72 的第三侧面 108 方向减小， 如图 5F 中所示的角度 θ。在实施例中， 第一偏转表面 102 在约 10-35°之间倾斜。在另一实施 例中， 第一偏转表面 102 在约 20-30°之间倾斜。在又一实施例中， 第一偏转表面 102 呈约 26°倾斜。本领域的普通技术人员应当理解， 第一分配表面 96、 第二分配表面 98 和第一偏 转表面 102 可沿从入口部 70 到分配部 72 的第三侧面 108 的纵向方向或者从第一侧面 104 到第二侧面 106 的侧向方向以任何角度倾斜。 在实施例中， 在第一侧面和第二侧面 104、 106 之间没有第一偏转表面 102 的侧向坡度。在另一实施例中， 第一偏转表面 102 能以任何方 式在第一侧面和第二侧面 104、 106 之间倾斜或弯曲。
     在图 5C、 5E 和 5F 中所示实施例中， 由第二分配表面 98、 第一偏转表面 102 和分配 部 72 的第一侧面和第二侧面 104、 106 界定第三分配表面 100。在实施例中， 当第一分配表 面 96 和第二分配表面 98 如上所述沿纵向方向倾斜时， 第三分配表面 100 沿侧向倾斜。第 三分配表面 100 关于沿扩散器 22 的纵向轴线 ( 图 5C) 对齐的中心线 110 对称。在实施例 中， 当扩散器 22 附连于反应室 16 的顶板 24 时， 第三分配表面 100 的中心线 110 和顶板 24 的上表面 62 之间的距离在约 1.0-3.0 毫米之间。在另一实施例中， 第三分配表面 100 的中 心线 110 和顶板 24 的上表面 62 之间的距离在约 2.0-2.5 毫米之间。 在另一实施例中， 第三 分配表面 100 的中心线 110 和顶板 24 的上表面 62 之间的距离为约 2.24 毫米。第三分配 表面 100 沿侧向倾斜成与第一侧面和第二侧面 104、 106 直接相邻的第三分配表面 100 相对 于第三分配表面 100 的中心线 110 和顶板 24 的上表面 62 之间的距离与顶板 24 的上表面 62 离得更远。在实施例中， 与第一侧面和第二侧面 104、 106 直接相邻的第三分配表面 100 和顶板 24 的上表面 62 之间的距离在约 3.0-5.0 毫米之间。在另一实施例中， 与第一侧面 和第二侧面 104、 106 直接相邻的第三分配表面 100 和顶板 24 的上表面 62 之间的距离在约 3.5-4.8 毫米之间。在又一实施例中， 与第一侧面和第二侧面 104、 106 直接相邻的第三分 配表面 100 和顶板 24 的上表面 62 之间的距离在约 4.0 毫米。第三分配表面 100 在中心线 110 和相对的第一侧面和第二侧面 104、 106 之间的侧向坡度可以是连续的坡度或可以弯曲 成使第三分配表面 100 与顶板 24 的上表面 62 间隔开的距离在中心线 110 和第一侧面和第 二侧面 104、 106 之间是非线性的。当处理气体经过扩散器容积 68 从混合器 20 流动到反应室 16 时， 第三分配表面 100 用作对处理气体的第一气体流动限制。第一分配表面和第二分配表面 96、 98 提供第一 侧面和第二侧面 104、 106 之间持续增大的侧向宽度以及第一分配表面和第二分配表面 96、 98 和顶板 24 的上表面之间持续减小的高度， 而第三分配表面 100 尤其成形为使处理气体在 其与第一偏转表面 102 接触并朝向反应室 16 之前侧向分配在第一侧面和第二侧面 104、 106 之间。除了侧向分配处理气体外， 第三分配表面 100 还更改处理气体在扩散器容积 68 的宽 度上的相对气体流速。尤其是， 所述实施例的第三分配表面 100 限制中心线 110 附近的气 体流动， 以减小在扩散器 22 的中心轴线附近的气流速度， 同时逐步减小气体相对于中心线 110 侧向流动的限制。因此， 与靠近第一侧面和第二侧面 104、 106 的第一偏转表面 102 接 触的处理气体流速比与靠近中心线 110 的第一偏转表面 102 接触的处理气体的流速大。因 此， 从扩散器 22 流入反应室 16 的处理气体的速度在第一偏转表面 102 的宽度上变化。本 领域的普通技术人员应当理解到， 第三分配表面 100 的形状能以任何方式成形或倾斜， 以 在其宽度上提供预定的气体流度分布， 且所得气体流速分布产生对应的驻留时间分布， 如 下面详细所述。本领域的普通技术人员应当理解到， 沿入口部 70 和第三侧面 108 之间的方 向延伸的任何表面可提供控制在扩散器 22 的宽度上相对气体流速的第一流动限制。 在实施例中， 扩散器 22 还包括第一过渡表面 112 和第二过渡表面 114， 如图 5B-5C 中所示。第一过渡表面和第二过渡表面 112、 114 是弯曲面， 这些弯曲面提供扩散器 22 的分 配部 72 的侧向定位的表面和垂直定位表面之间的过渡。第一过渡表面 112 提供基本上垂 直定位的第一侧面 104 和基本上侧向定位的第一分配表面 96、 第二分配表面 98、 第三分配 表面 100 和第一偏转表面 102 之间的过渡。第二过渡表面 114 提供基本上垂直定位的第二 侧面 106 和基本上侧向定位的第一分配表面 96、 第二分配表面 98、 第三分配表面 100 和第 一偏转表面 102 之间的过渡。在另一实施例中， 垂直定向的第一侧面和第二侧面 104、 106 与侧向定位的第一分配表面 96、 第二分配表面 98、 第三分配表面 100 以及第一偏转表面 102 直接过渡， 以形成它们之间的角度， 而没有中间的过渡表面。
     在实施例中， 扩散器 22 的分配部 72 的第一侧面和第二侧面 104、 106 都由多段构 成， 其中， 每个相邻段沿相对于扩散器 22 的中心线 110 侧向具有不同的曲率， 如图 5C 中所 示。第一侧面和第二侧面 104、 106 沿侧向的形状可以进行优化， 从而当这些处理气体与第 一侧面和第二侧面 104、 106 接触时减小或消除处理气体的再循环。在另一实施例中， 第一 侧面和第二侧面 104、 106 在入口部 70 和第三侧面 108 之间的形状具有在它们之间一致的 曲率。
     在处理气体经过扩散器 22 之后， 处理气体经顶板 24 引入反应室 16， 如图 4 和 6A-6D 中所示。顶板 24 包括上表面 62、 下表面 64 和在上表面与下表面 62、 64 之间延伸的 边缘 66。如图 6C 中所示， 下表面 64 是大体平坦的表面。上表面 62 包括从其中伸出的成对 凸起的凸台 120。上表面 62 还包括从上表面 62 伸入顶板 24 厚度的凹入区域 122。凹入区 域 122 构造成当扩散器 22 如图 4 中所示附连于顶板 24 时接纳扩散器 22 的入口部 70。凹 入区域 122 的深度尺寸和形状应当允许入口部 70 设置在该凹入区域内。
     如图 4 和 6A-6D 中所示， 顶板 24 还包括凸起表面 124。凸起表面 124 成形为基本 上对应于扩散器 22 的分配部 72。因此， 当扩散器 22 直接附连于顶板 24 的上表面 62 时， 扩 散器 22 的安装表面 76 与顶板 24 的凸起表面 124 基本对齐。本领域的普通技术人员应当
     理解到， 凸起表面 124 的尺寸可以比扩散器 22 的安装表面 76 的外轮廓略大， 以确保整个安 装表面 76 与顶板 24 邻接。扩散器容积 68( 图 4) 形成于顶板 24 的凸起表面 124 和扩散器 22 的第一、 第二和第三分配表面 96、 98、 100， 第一偏转表面 102， 第一、 第二和第三侧面 104、 106、 108 和第一和第二过渡表面 112、 114 之间。
     顶板 24 还包括穿过其厚度形成的入口槽 126， 如图 4 和 6A-6E 中所示。在实施例 中， 入口槽 126 形成为弯曲槽， 该弯曲槽基本上对应于扩散器 22 的第三侧面 108。 在实施例 中， 入口槽 126 的形状一般对应于衬底 32 的前缘， 以减小处理气体必须在入口槽 126 和衬 底 32 的前缘之间流动的距离， 因而气体必须在入口槽 126 和衬底 32 的前缘之间行进的距 离在入口槽 126 的整个宽度上基本上是相同的。入口槽 126 的形状可以结合第三分配表面 100 的形状进行优化， 以提供处理气体在入口槽 126 和衬底 32 的前缘之间预定的驻留时间 分布 ( 图 4)。在另一实施例中， 入口槽 126 基本上呈直线。本领域的普通技术人员应当理 解到， 入口槽 126 可以基本上呈直线、 弯曲或任何其它形状， 而弯曲的入口槽 126 可具有足 以在反应空间 28 内提供预定的驻留时间分布的任何曲率半径。入口槽 126 的尺寸和形状 应当是当处理气体从扩散器 22 流动到反应空间 28 时不提供对处理气体的附加流动限制。
     如图 4 和图 6D-6E 中所示， 穿过顶板 24 的厚度形成的入口槽 126 由外表面 128、 内 表面 130、 第一倾斜表面 132、 第二倾斜表面 133 和成对的角部面 134 形成， 角部面提供外表 面 128 和内表面及倾斜表面 130、 132、 133 之间的过渡。在实施例中， 外表面和内表面 128、 130 基本上同心， 因而， 这些表面之间的距离沿入口槽 126 的整个长度基本上相同。在实施 例中， 外表面和内表面 128、 130 以基本上垂直的方式定位， 以提供扩散器容积 68 和反应空 间 28 之间基本上垂直的通路。 在实施例中， 入口槽 126 仅形成有外表面和内表面 128、 130， 而没有第一和第二倾斜表面 132、 133。在所示实施例中， 第一倾斜表面 132 从顶板 24 的上 表面 62 向下延伸。第一倾斜表面 132 提供过渡表面， 因而， 离开扩散器容积 68 进入入口槽 126 的处理气体不以直角前进。 而是， 第一倾斜表面 132 允许气体从大体水平的流动方向缓 慢过渡地流动到大体垂直的流动方向， 由此避免会产生带动处理气体流动的湍流涡旋、 漩 涡或再循环并会引起这些局部区域内的化学气相沉积生长模式的突兀过渡。
     内表面 130 以基本垂直的方式在第一倾斜表面 132 和第二倾斜表面之间延伸。在 图 4 和 6D-6E 中所示的实施例中， 第二倾斜表面 133 从顶板 24 的下表面 64 以一角度向上 延伸。第二倾斜表面 133 提供过渡表面， 因而， 离开入口槽 126 进入反应空间 28 的气体并 不以会引起上述湍流问题的直角前进。而是， 第二倾斜表面 133 允许气体从基本垂直的流 动方向缓慢过渡地流动到基本水平的流动方向。第一和第二倾斜表面 132、 133 减小在入口 槽 126 内再循环或涡流的可能性。本领域的普通技术人员应当理解到， 第一和第二倾斜表 面 132、 133 能以相对于顶板 24 的上下表面 62、 64 的任何角度来形成。
     在操作时， 处理气体流经扩散器 22， 气体的流动在第三分配表面 100 和顶板 24 的 上表面 62 之间受限制， 然后处理气体经由入口槽 126 引入反应室 16。第三分配表面 100 构 造成在扩散器 22 的宽度上相对于其中心线 110 修改处理气体的气体流速。因此， 当处理气 体进入入口槽 126 时， 处理气体在入口槽 126 的宽度上的气体流速作类似变化。在实施例 中， 变化的气流速度结合入口槽 126 的形状产生驻留时间分布， 这种驻留时间分布的形状 使处理气体波基本上对应于衬底前缘的形状， 如图 1B 中所示。处理气体的驻留时间是流体 元行进一给定距离所花费的时间。驻留时间分布是恒定驻留时间横跨宽度的轮廓。因此，图 1B 示出示例性的驻留时间分布， 其中， 驻留时间分布的形状严密地对应于衬底的前缘， 因而， 处理气体从入口槽 126 流动到衬底前缘所花费的时间在反应室 16 的宽度上是恒定 的。 驻留时间分布的所述形状是由以相对于在反应室的中心线附近的较低气体流速来说在 反应室的相对侧面边缘附近较高的气体流速离开入口槽 126 的气体流速造成的。尽管入口 槽 126 和衬底前缘之间的总体距离在反应室的宽度上几乎相同， 但反应空间 28 内的流体动 力学需要预定的气体流速分布来产生这种形状的驻留时间分布。图 1B 仅示出对由扩散器 22 的第三分配表面 100 引起的对气流的限制造成的驻留时间分布的示例性实施例， 但本领 域的普通技术人员应当理解， 第三分配表面 100—或扩散器的构造成提供气体流动限制的 任何其它表面—可以更改以产生预定的驻留时间分布。 在另一实施例中， 第三分配表面 100 成形为在入口槽 126 宽度上所得的气体流速分布产生 “中心较重” 的大体平坦形状的驻留 时间分布， 或者换言之驻留时间分布的形状对应于衬底尾缘的形状。
     如图 4 中所示， 顶板 24 附连于底板 26 以形成具有反应空间 28 的反应室 16， 该反 应空间形成在顶板和底板 24、 26 之间。如图 7A-7C 中所示， 底板 26 是大体平坦的构件， 其 具有上表面 136、 下表面 138 和在上表面和下表面 136、 138 之间延伸的边缘 140。底板 26 包括由凹入表面 144、 第一侧面边缘 146、 第二侧面边缘 148、 第三侧面边缘 150 和第二偏转 表面 152 构成的凹入区域 142， 其中， 第一、 第二、 第三侧面边缘 146、 148、 150 和第二偏转表 面 152 在凹入表面 144 和底板 26 的上表面 136 之间延伸。在实施例中， 第一、 第二和第三 侧面边缘 146、 148、 150 以基本直线的方式在上表面 136 和凹入表面 144 之间延伸， 其中， 侧 面边缘 146、 148、 150 和凹入表面 144 之间的过渡一般成直角。在另一实施例中， 第一、 第二 和第三侧面边缘 146、 148、 150 从上表面 136 以大体垂直的方式延伸， 但可包括用于在侧面 边缘 146、 148、 150 和凹入表面 144 之间过渡的微小的曲率半径。本领域的普通技术人员应 当理解到， 当第一、 第二和第三侧面边缘 146、 148、 150 在上表面 136 和底板 26 的凹入表面 144 之间延伸时， 它们可以任何方式来定向。
     第二偏转表面 152 在底板 26 的上表面 136 和凹入表面 144 之间延伸， 如图 4、 7B 和 7D 中所示。第二偏转表面 152 沿侧向和垂直方向弯曲。在实施例中， 第二偏转表面 152 沿侧向围绕底板 26 的纵向中心线成弧度， 其中， 第二偏转表面 152 的弧度形状基本上对应 于穿过顶板 24 形成的入口槽 126 的弧度形状。本领域的普通技术人员应当理解， 第二偏转 表面 152 沿侧向的曲率半径应对应于穿过顶板 24 形成的入口槽 126 的曲率半径以及扩散 器 22 的第一偏转表面 102 的曲率半径。在实施例中， 第二偏转表面 152 是在凹入区域 142 的第一侧面边缘和第三侧面边缘 146、 150 之间延伸的弯曲表面。第二偏转表面 152 提供底 板 26 的上表面 136 和凹入表面 144 之间的弯曲表面， 以将处理气体从穿过入口槽 126 的基 本垂直的流动方向改向到穿过反应空间 28 的基本水平的流动方向。本领域的普通技术人 员应当理解， 第二偏转表面 152 在上表面 136 和凹入表面 144 之间的总长度和曲率半径可 以是足以允许处理气体改变流动方向而没有相当大量的气体涡流或再循环的任何角度或 长度。
     底板 26 还包括穿过底板形成的孔 154， 如图 7A-7D 中所示。孔 154 在底板 26 的 下表面 138 和凹入表面 144 之间延伸。孔 154 构造成接纳载有将在反应室 16 内进行处理 的衬底 32 的基座 30( 图 4)。在操作时， 撤去基座 30， 或降低基座， 以接纳插入外壳 12 的衬 底 32。一旦衬底 32 安置于基座 30 上， 基座 30 被抬高到孔 154 内的处理位置， 其中， 基座30 定位在底板 26 附近或与底板接触。在处理衬底 32 之后， 基座 30 被降低离开孔 154， 且 用另一衬底 32 来重复循环。
     处理气体经由与底板 26 的第二偏转表面 152 相邻的入口槽 126 而引入反应空间 28， 并经由与底板 26 的凹入区域 142 的第二侧面边缘 148 相邻形成的排气槽 156 而离开反 应空间 28， 如图 4 和 7A-7D 中所示。排气槽 156 在底板 26 的下表面 138 和凹入表面 144 之 间延伸的细长槽。在实施例中， 排气槽 156 侧向延伸凹入区域 142 的第一和第三侧面边缘 146、 150 之间的整个距离。 在另一实施例中， 排气槽 156 仅侧向延伸在第一和第三侧面边缘 146、 150 之间距离的一部分。在实施例中， 排气槽 156 关于底板 26 的纵向轴线对称。本领 域的普通技术人员应当理解， 排气槽 156 可具有足以允许处理气体离开顶板和底板 24、 26 之间的反应空间 28 的任何长度或宽度。排气槽 156 应当构造成它不提供对穿过排气槽的 气体流动的限制， 但可通过调节穿过排气组件 18 的传导轮廓有助于气体输送系统 14 总体 控制衬底前缘处的驻留时间分布。处理气体通过排气槽 156 离开反应室 16， 然后容纳于排 气组件 18 中。
     在图 2-4 中所示的实施例中， 排气组件 18 可操作地连接到反应室 16 的底板 26。 在实施例中， 排气组件 18 包括排气垫片 158、 排流槽 160(exhaust launder) 和将处理气体 和流出物从排流槽 160 运输到外壳 12 之外的管道系。当组装时， 排气垫片 158 设置在排流 槽 160 和底板 26 的下表面 138 之间， 且排气组件 18 直接附连于反应室 16。
     如图 8 中所示， 排气垫片 158 包括穿过排气垫片形成的细长限制槽 162。 排气垫片 158 提供对处理气体流动的第二限制。 在实施例中， 限制槽 162 的长度基本上对应于穿过底 板 26 形成的排气槽 156 的长度。限制槽 162 形成为该槽是蝴蝶结形 (bow-tie)。换言之， 限制槽 162 的宽度在限制槽 162 的相对端部处相对于在限制槽 162 的中点 166 处的较窄宽 度来说较大。给定处理气体沿排气槽 156 的基本恒定的流速， 限制槽 162 的形状提供对经 过限制槽 162 的中点 166 的处理气体相对于对处理气体在限制槽 162 的端部 164 附近的较 小流动限制来说增大的流动限制。因此， 当离开排气垫片 158 时， 限制槽 162 的中点 166 附 近的气体流速比限制槽 162 的端部 164 附近的气体流速小。结果， 第二气体流动限制结合 由扩散器 22 的第三分配表面 100 引起的气体流动限制导致经过反应室 16 的驻留时间分布 严密对应于被处理的衬底 32 的整个前缘的形状。
     当如图 4 中所示组装顶板和底板 24、 26 以形成反应室 16 时， 反应空间 28 形成在 底板 26 的凹入区域 142、 基座 30 和顶板 24 的下表面 64 之间。反应空间 28 提供处理气体 可通过其在入口槽 126 和排气槽 156 之间行进的体积。在反应空间 28 内， 处理气体与衬底 32 接触以在衬底 32 上沉积一层材料。在衬底表面上的化学反应的流出物或副产品和任何 未反应的处理气体从反应室 16 经由排气槽 156 排出。
     如图 6E 中所示， 当扩散器 22 附连于组装好的反应室 16 时， 形成在入口槽 126 的 外表面 128 和顶板 24 的上表面 62 的连结处的边缘与扩散器 22 的安装表面 76 直接相邻定 位。结果， 形成在扩散器 22 的安装表面 76 和第三侧面 108 的连结处的边缘定位在形成入 口槽 126 的间隙内， 该入口槽形成在顶板 24 内， 因而， 扩散器 22 的边缘不与入口槽 126 的 对应边缘相对齐。
     相似地， 当顶板 24 附连于底板 26 以形成反应室 16 时， 形成在底板 26 的上表面 136 和第二偏转表面 152 之间的凹入区域 142 的边缘就定位在略微超出顶板 24 的入口槽 126的外表面 128， 因而， 与入口槽 126 相邻定位的凹入区域 142 的边缘与顶板 24 的下表面 64 接触。结果， 由顶板 24 的下表面 64 和外表面 128 的连结形成的边缘定位在底板 26 的凹入 区域 142 之上。因此， 扩散器 22 的边缘相对于入口槽 126 的对应边缘略微偏离， 且入口槽 126 的边缘相对于底板的凹入区域 142 的对应边缘略微偏离。当处理气体从扩散器容积 68 过渡到入口槽 126 再过渡到反应空间 28 时， 这些偏移边缘提供阶式流动作用， 其中， 气体流 动沿流动方向作大体 u 形弯的变化。阶式流动作用减小或消除处理气体的再循环， 如果扩 散器 22、 顶板 24 和底板 26 的对应边缘未适当对齐时会产生这种再循环。因为第一气体流 动限制从入口槽 126 向上游移动， 因而， 入口槽 126 并不用作气体流动限制， 所以简化扩散 器 22 和反应室 16 的拆解。结果， 拆解的简化允许更直接的视线， 从而清洁或添加表面纹理 到扩散器 22 和反应室 16 的表面。
     在实施例中， 包括气体管路、 混合器 20 和扩散器 22 以及反应室的顶板和底板 24、 26 的整个气体输送系统 14 由不锈钢制成。本领域的普通技术人员应当理解， 气体管路、 混 合器 20 和 / 或扩散器 22 还可由钛、 铝、 合金或相对于衬底处理中所用的处理气体为惰性的 任何材料制成。混合器 20、 扩散器 22、 顶板 24 和底板 26 都包括与从气体管路流动到排气 组件 18 的处理气体相接触的表面。与处理气体接触的每个表面都是润湿表面， 意味着当处 理气体流经整个系统时， 整个表面的至少一部分暴露于处理气体。对于混合器 20， 形成室 60 的表面在其与处理气体接触时是润湿表面。对于扩散器 22， 形成穿过入口部 70 的通道 86 的第一和第二入口表面 92、 94 是润湿表面。 另外， 形成扩散器容积 68 的每个表面也是润 湿表面。扩散器容积 68 的这些润湿表面包括 ： 第一、 第二和第三分配表面 96、 98、 100， 第一 偏转表面 102， 第一、 第二和第三侧面 104、 106、 108， 第一过渡表面和第二过渡表面 112、 114 和顶板 24 的凸起表面 124 的至少一部分。对于入口槽 126， 外表面 128 和第一及第二倾斜 表面 132、 133 和内表面 130 也是润湿表面。对于反应室 16， 形成反应空间 28 的所有表面都 是润湿表面。扩散器容积 28 的润湿表面包括 ： 由凹入区域 142 以及凹入表面 144 露出的顶 板 24 的下表面 64 的至少一部分、 第一、 第二和第三侧面边缘 146、 148、 150 以及第二偏转表 面 152。
     在处理衬底 32 的过程中， 当处理气体引入气体输送系统 14 和反应室 16 中时， 处 理气体以与处理的衬底 32 表面的相似方式与润湿表面反应。在 ALD 工艺的每个循环之后， 大约单层材料沉积在衬底 32 的暴露表面上以及气体输送系统 14 和反应室 16 的所有润湿 表面上。如果润湿表面有非常小的表面粗糙度， 则材料的沉积层不会保持粘附于润湿表面 并倾向于随着膜积聚而从润湿表面剥落。 然后， 剥落的沉积层可落在衬底表面上， 由此影响 衬底上总体沉积的均匀性， 以及导致可产出可行芯片的衬底的较小的表面积。 然而， 如果润 湿表面具有过高的表面粗糙度， 润湿表面的总表面面积增大使处理气体的浓度显著降低的 量， 浓度降低是由于在处理气体中的前体材料在处理气体到达处理的衬底 32 之前粘附于 润湿表面。由此， 本发明向每个润湿表面提供表面纹理， 其中， 表面纹理向每个润湿表面提 供这样大小的表面粗糙度， 即， 使沉积材料层的剥落量减小并且最终与衬底表面接触的处 理气体中前体材料的浓度并不通过吸附到润湿表面上而显著减小。因为 ALD 是表面敏感的 工艺， 所以表面纹理的量和程度应当优化成平衡由剥落和不粘附在润湿表面上而引起的膜 应力的减小和由于前体吸附在润湿表面上造成的化学损失。
     在实施例中， 所有润湿表面的表面粗糙度在约 30-250Ra( 或 μ 英寸 ) 之间。在另一实施例中， 所有润湿表面的表面粗糙度在约 32-110Ra 之间。在又一实施例中， 所有润湿 表面的表面粗糙度在约 90Ra。 通过可利用与润湿表面的物理和化学接触的多步处理来达到 混合器 20、 扩散器 22 和反应室 16 的润湿表面的表面粗糙度。
     表面纹理是用于处理表面的任何技术， 因而， 在很大程度上控制离开理想表面的 垂直偏移。表面纹理可通过多种技术来实现， 包括机械的技术 ( 即， 研磨、 喷砂、 砂纸打磨 或机加工来去除材料 ) 或用相似或不相似但兼容的材料涂敷表面， 以从起始表面抬高表面 ( 即， 喷涂、 粉末涂敷、 浸渍、 蒸发镀层、 旋压涂层等 )。
     尽管已描述了本发明的较佳实施例， 但应当理解本发明不作如此限制， 而可不脱 离本发明地作修改。本发明的范围由所附权利要求书来限定， 所有文字上或通过等同方式 落入权利要求书含义内的装置、 过程和方法意在包含于该范围内。