Umbrella architecture tunable gas nozzle in semiconductor equipment system

Abstract

A gas distribution assembly for a semiconductor processing system includes a longitudinal centerline, a first gas nozzle having a first tubular body having a first gas receiving end and a first gas dispensing end, a gas hub, a plurality of second gas nozzles, each having a second tubular body having a second gas receiving end and a second gas dispensing end, and each of the second gas nozzles having at least a first angular orientation with respect to the longitudinal centerline, and a second angular orientation with respect to the longitudinal centerline different than the first angular orientation.

Description

UMBRELLA ARCHITECTURE TUNABLE GAS NOZZLE IN SEMICONDUCTOR EQUIPMENT SYSTEMBACKGROUNDField

[0001] Embodiments of the present disclosure generally relate to the field of semiconductor processing equipment. More particularly, the present invention relates to methods and apparatus for etching of, or depositing of, thin films using a gas in a process chamber, the gas introduced, for example, with gas distributors, which deposited or etched thin films are used in the formation of integrated circuits. Description of the Related Art

[0002] One of the primary steps in the fabrication of modem semiconductor devices is the formation of, or pattern etching of, a thin film layer, such as a silicon oxide or silicon nitride film layer, on a semiconductor substrate or on previously formed layers on the substrate. Silicon oxide is widely used as dielectric layer in the manufacture of semiconductor devices. As is well known, a silicon oxide film layer, a silicon nitride film layer, a metal layer, or other layers can be deposited by a thermal chemical-vapor deposition ( “CVD” ) process or by a plasma-enhanced chemical-vapor deposition ( “PECVD” ) process. These deposited films can also be pattern etched to form three dimensional features in the thin film, typically by providing a patterned mask on the thin film and exposing the portion of the thin film exposed to openings in the mask to the etchant gas. Commonly, the etching is performed as reactive ion etching, or RIE, where the process gas (es) is ionized into a plasma, and negative bias imposed on the substrate support to accelerate positively charged ions toward the mask and exposed film layer on the substrate. Additionally, the etchants can be energized into radicals in the plasma, increasing their etching efficiency.

[0003] One issue in etching and deposition chambers is the distribution of the processing gasses used to perform the etching or deposition process. Obtaining uniform etching or uniform deposited film thickness across the exposed face of the substrate is critical to modern semiconductor processing. One known approach is to introduce the process gasses at a location overlying the center of the substrate or substrate support in the process chamber. This includes a dual zone gas introduction paradigm, wherein the process gas is introduced in part over the center of the substrate of substrate support in a first zone, and into a region surrounding the first zone in a second zone. However, the ability to tune the process by changing the size and location of the first and second zones requires changing out the gas introduction system.

[0004] There is accordingly a general need in the art for improved systems for generating plasma that improve deposition thickness uniformity across the surface of substrates or layers previously formed thereover in HDP and ICP processes.SUMMARY

[0005] According to the present invention, methods and apparatus related to the field of semiconductor processing equipment are provided. More particularly, the present invention relates to methods and apparatus for preforming processes in a process chamber to etch, or deposit, thin films, for example with gas distributors. Merely by way of example, the methods and apparatus of the present invention are used in etch processes. The methods and apparatus can be applied to other processes for semiconductor substrates, for example those used in the formation of integrated circuits.

[0006] In one aspect, a gas distribution assembly for a semiconductor processing system includes a longitudinal centerline, a first gas nozzle having a first tubular body having a first gas receiving end and a first gas dispensing end, a gas hub, a plurality of second gas nozzles, each having a second tubular body having a second gas receiving end and a second gas dispensing end, and each of the second gas nozzles having at least a first angular orientation with respect to the longitudinal centerline, and a second angular orientation with respect to the longitudinal centerline different than the first angular orientation.

[0007] In another aspect, a processing chamber includes a gas distribution assembly having a longitudinal centerline, a first gas nozzle having a first tubular body having a first gas receiving end and a first gas dispensing end, a gas hub, a plurality of second gas nozzles, each having a second tubular body having a second gas receiving end and a second gas dispensing end, and each of the second gas nozzles having at least a first angular orientation with respect to the longitudinal centerline, and a second angular orientation with respect to the longitudinal centerline different than the first angular orientation.

[0008] In another aspect, a method of providing a process gas into a semiconductor processing system includes providing a first gas nozzle having a first tubular body having first gas receiving end and a first gas dispensing end, providing a gas hub, providing a plurality of second gas nozzles, each having a second tubular body having a second gas receiving end and a second gas dispensing end, and selecting a position of each of the second gas nozzles between a first angular orientation with respect to the first gas nozzle and a second angular orientation with respect to the first gas nozzle different than the first angular orientation.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0009] So that the manner in which the above recited features of the present disclosure can be understood in detail, a more particular description of the disclosure, briefly summarized above, may be had by reference to embodiments, some of which are illustrated in the appended drawings. It is to be noted, however, that the appended drawings illustrate only exemplary embodiments and are therefore not to be considered limiting of its scope, may admit to other equally effective embodiments.

[0010] FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a process chamber;

[0011] FIG. 2A-D are schematic cross sectional, bottom up, and top down views respectively of a gas distribution assembly of the process chamber of Figure 1. Specifically Figure 2A is a side view of the gas delivery system showing the second gas flow nozzles thereof in a first orientation, Figure 2B is a side view of the gas delivery system showing the second gas flow nozzles thereof in a second orientation Figure 2D, Figure 2C is a plan view of the gas distribution assembly looking down at the process chamber cover, and Figure 2D is a plan view of the gas distribution assembly from the opposed perspective direction to that of Figure 2C;

[0012] FIG 3A is a cross sectional view of the gas hub of the gas distribution assembly of Figure 1;

[0013] FIG 3B is a plan sectional view of the gas hub of the gas distribution assembly of Figure 1;

[0014] FIG 3C is a partial side view of the gas hub of the gas distribution assembly of Figure 1;

[0015] Figure 4A is an end view of a first construct of the central, or first, flow nozzle of the gas distribution assembly of Figure 1; and

[0016] Figure 4B is an end view of a second construct of the central, or first, flow nozzle of the gas distribution assembly of Figure 4.

[0017] Figure 5A is a side view of an actuator rod having a gimbal plate through which a gas flow nozzle of the gas distribution assembly extends;

[0018] Figure 5B is a sectional view of the actuator rod of Figure 5A at section 5B-5B.

[0019] To facilitate understanding, identical reference numerals have been used, where possible, to designate identical elements that are common to the figures. It is contemplated that elements and features of one embodiment may be beneficially incorporated in other embodiments without further recitation.

[0020] According to the present invention, methods and apparatus related to the field of semiconductor processing equipment are provided. More particularly, the present invention relates to methods and apparatus for etching of or depositing of thin films, for example with improved gas distributors, used in the formation of integrated circuits. The method and apparatus can be applied to other processes for semiconductor substrates, for example those used in the formation of integrated circuits.DETAILED DESCRIPTION

[0021] An overview of a processing system 100 is provided in connection with FIG. 1, which schematically illustrates the structure of an exemplary etch system 110 in one embodiment. The etch system 110 includes a vacuum process chamber 113, a vacuum system 170, and a gas delivery system 300. Here, the process chamber 113 is configured to include an inner process volume, here denoted a processing volume 116, evacuatable to a sub-atmospheric pressure using the vacuum system 170, and gases introduced into the processing volume 116 can react to etch the exposed surface of a substrate 117, or etch the exposed surfaces of a film layer on a substrate 117 receivable therein. Although the processing system is described herein in relation to an etching chamber, the processing system can be a deposition system, wherein a gas or gases are introduced into the processing volume 116 can deposit a film layer on the exposed surface of the substrate 117.

[0022] The upper portion of process chamber 113 includes a chamber top or cover 114, the inner surface of which defines one boundary of the of the processing volume 116. Processing volume 116 is also bounded, inwardly of the cover 114, by the upper surface of a substrate support member 118 on which the substrate 117 is removably locatable on.

[0023] The lower portion of process chamber 113 includes a chamber base 122, through which the processing volume 116 of the process chamber 113 is connected to a vacuum system. A base portion 121 of the substrate support member 118 is mounted on chamber base 122. The cover 114 and chamber base 122 are connected by a chamber wall 112, extending therebetween. The upper surface of the substrate support member 118, the inner surface of the cover 114, and the portion of the inner surface of the chamber wall 112 therebetween surround and defines the processing volume 116 of the process chamber 113. Substrates 117 are transferred into and out of process chamber 113 by a robot blade (not shown) through a sealable insertion / removal opening 152 extending through the chamber wall 112 of process chamber 113. Lift pins (not shown) are raised and then lowered under the control of a motor (also not shown) to move the substrate 117 from the robot blade at an upper loading position 157 to a lower processing position 158 in which the substrate 117 is placed on a substrate receiving surface 119 of substrate support member 118. Substrate support member 118 may be configured to include an electrostatic chuck 120 connected to a chuck controller 124 to selectively provide the electrical voltage to the electrostatic chuck to secure the substrate 117 to substrate receiving portion of the substrate support member 118 during substrate 117 processing, and to release the electrostatic charge after processing of the substrate 117. In a preferred embodiment, substrate support member 118 is configured to electrostatically chuck to secure a substrate 117 thereto, and is made from an aluminum oxide or aluminum based ceramic material. The substrate support member 118 may also include cooling channels therein, through which a cooling fluid is circulated, and a heater therein. A plasma power supply 123 is electrically connected to the substrate support member 117 to supply power thereto to form a plasma in the process volume 116.

[0024] A gas distribution assembly 200 (Figures 2A, 2B) is provided in part over the cover 114, and in part protruding through the cover 114 and into the processing volume 116 of the process chamber 113. As will be described herein, the gas distribution assembly 200 is configured to provide gas directly into the portion of the processing volume 116 over the center of the substrate support member 118, and also the portion of the processing volume 116 surrounding the portion of the processing volume 116 over the center of the substrate support member 118. The distribution and direction of the gas being delivered to the portion of the processing volume 116 surrounding the portion of the processing volume 116 over the center of the substrate support member 118 can be varied.

[0025] Vacuum system 170 includes throttle body, which houses a throttle valve and is attached to gate valve and turbo-molecular pump exhausting to a house (semiconductor fab) exhaust system. It should be noted that the throttle body, when fully open, offers minimum obstruction to gas flow, and allows symmetric pumping. A gate valve can be closed to isolate pump from throttle body, and can also control chamber pressure by being partially closed restricting the exhaust flow capacity when throttle valve is fully open. The arrangement of the throttle valve, gate valve, and turbo-molecular pump allow for accurate and stable control of chamber pressures in the process volume from between about 1 millitorr to about 2 torr.

[0026] System controller 160 controls the operation of the etch system 110. In a preferred embodiment, system controller 160 includes a memory, which comprises a tangible medium such as a hard disk drive, a floppy disk drive (not shown) , and a card rack (not shown) coupled to a processor 161. The card rack may contain a single-board computer (SBC) (not shown) , analog and digital input / output boards (not shown) , interface boards (not shown) , and stepper motor controller boards (not shown) . The system controller conforms to the Versa Modular European ( “VME” ) standard, which defines board, card cage, and connector dimensions and types. The VME standard also defines the bus structure as having a 16-bit data bus and 24-bit address bus. System controller 160 operates under the control of a computer program stored on the tangible medium for example the hard disk drive, or through other computer programs, such as programs stored on a removable disk. The computer program dictates, for example, the timing, mixture of gases, alternating current (AC or RF) power levels and other parameters of a particular process. The interface between a user and the system controller is via a monitor, such as a cathode ray tube ( “CRT” ) , and a light pen.

[0027] The gas delivery system 300 here includes process gas delivery. The process gas delivery here includes a process gas source 1146, which may be composed of one or more gas sources such as an ampule of the process gas, a bubbler, or a fab source of the process gas, including both reactive gasses and non-reactive gasses, such as Argon, Helium and Nitrogen where Nitrogen is not reactive with the process gas or film layer being etched. The gas (es) flowing from the process gas source 1146 is split into two metered streams, a first gas flow stream flowing through a first flow metering or monitoring device 1142 and then into a flow regulatorsuch as a mass flow controller and thence into a first flow line 1121 connected to a gas distribution assembly 200, and a second gas flow stream flowing through a second flow metering or monitoring device 1144 and then into a flow regulator such as a mass flow controller and thence into a second flow line 1123 connected to a gas distribution assembly 200. Gas delivery system may also include a source of cooling gas, which is directed into one or more passages in the substrate support member 118 which open at the substrate receiving surface 119 of the substrate support member 118, to thermally couple the a substrate 117 to the substrate support member 118.

[0028] System controller 160 controls the seasoning time of the process chamber 113 and the gases used to season the chamber, the clean time and gases used to clean the process chamber 113, the introduction time and duration of the process gas (es) , and the application of plasma during the etch process in the process chamber 113. To achieve this control, the system controller 160 is coupled to many of the components of etch system 110. For example, system controller 160 is coupled to vacuum system 170, to the plasma power supply 123, and to the gas delivery system 300. It will be understood that system controller 160 can include several distributed processors to control the components of etch system 110. The system controller is also coupled to the first and second flow metering or monitoring devices 1142, 1144, to control the gas flows in the first and second flow lines 1121, 1123, and to the backside gas system to control the pressure of a cooling gas between a substrate 117 and the substrate support member 118. The system controller is also connected to a chiller and a pump for flowing a cooling fluid through the substrate support member 118, to control the input temperature and flow rate of a cooling fluid used to remove heat from the substrate support member 118, and where used, a heater embedded in the substrate support member 118 to input heat into the substrate support member 118, as well as one or more temperature sensors in the substrate support member 118 used by the system controller to monitor the temperature of the substrate support member 118 to control the temperature thereof using the cooling fluid and the heater in the substrate support member 118. System controller 160 is also coupled to the chuck controller 124, to control the chucking and de-chucking of a substrate 117 on the substrate support member 118. System controller 160 is also connected to the power supply 1125 for a stepper motor 1115 (Figures 2A and 2B) , to control a portion of the gas distribution assembly 200 as will be described herein.

[0029] Figures 2A and 2B show a side view of one embodiment of the gas distribution assembly 200 comprising a proximal end 210 and a distal end 220, and Figures 2C and 2D show a lower or plan view of the gas distribution assembly 200 looking up from the point of view of the substrate support member 118. In Figure 2A, the gas distribution assembly is configured to deliver gas to a first portion of the processing volume 116 over the center of the substrate support member 118, Additionally, in Figure 2A, the gas distribution assembly is configured to deliver gas to a second portion of the processing volume 116 surrounding the portion of the processing volume 116 over the center of the substrate support member 118 radially (and circumferentially outwardly of the first portion, Thus the gas distribution assembly 200 is here configured to direct process gas (es0 to two different regions of the processing volume 116 and over a substrate 117 through two different sets of gas passages therethrough, including a first gas flow nozzle 1107, and a plurality of angularly changeable second gas flow nozzles 1102 extending about the first gas flow nozzle 1107. Here, the gas distribution assembly 200 is connected, at its proximal end, to the gas delivery system 300, which is supported over the chamber cover 114. Here, the gas distribution assembly 200 is rotationally symmetric about its longitudinal centerline 198, and is configured of a metal or a ceramic resistant to corrosion when exposed to the gasses used on the process volume.

[0030] Referring now to Figure 2A, the gas distribution assembly 200 for delivering the process or other gasses into the processing volume 116 of the process chamber 113 is shown, and includes a first gas flow nozzle 1107 for delivering a first portion of the process gasses into the processing volume 116, and a plurality of variably angularly positionable second gas flow nozzles 1102 for delivering a second portion of the process gasses into the processing volume 116 The orientation of the second gas flow nozzles 1102 with respect to a longitudinal centerline 198 of the gas distribution assembly 200 is effected by a second nozzle manipulator assembly 196, connected to the second gas flow nozzles 1102 and configured to change the orientation of the second gas flow nozzles 1102 with respect to the longitudinal centerline 198. First gas flow nozzle 1107 extends generally centered on the longitudinal centerline 198 of the gas distribution assembly 200, from within the gas delivery system 300 at the proximal end 210 of the gas distribution assembly 200 towards the distal end 220 of the gas distribution assembly 200 and the first flow nozzle terminates within the process chamber 113 inwardly of the cover 114 to deliver processing gas into the central region of the processing volume 116. The first gas flow nozzle 1107 is hollow, allowing for gas flow from a first flow line 1121 in the gas delivery system 300 at the proximal end 210 of the gas distribution assembly 200 to flow into the first gas flow nozzle 1107 and exit at the end thereof at or adjacent to the distal end 220 of the gas distribution assembly 200 and thus toward the upper surface of a substrate 117 on the substrate support member 118.

[0031] The second nozzle manipulator assembly 196 includes a drive system 194, and a mobile buckle 201, wherein the mobile buckle is connected to each of the second gas flow nozzles 1102 and is moved linearly in the directions between the proximal end 210 and the distal end 220 of the gas distribution assembly 200. The drive system 194 includes a buckle drive shaft 1113 that surrounds the outer surface of the first gas flow nozzle 1107, and is not fixed to the first gas flow nozzle 1107 such that he buckle drive shaft 1113 can rotate about the longitudinal centerline 198 while the gas flow nozzle 1107 remains stationary. The outer surface of the buckle drive shaft 1113 is threaded.

[0032] The output shaft of a stepper motor 1115 is connected to the buckle drive shaft 1113 adjacent the proximal end 210 of the gas distribution assembly 200, and the stepper motor 1115 is grounded against rotation such as through a bracket 192 connected to the cover 114. The stepper motor 1115 is connected to a power supply 1125 via a power supply connection line 1126. When power is supplied to the stepper motor 1115, the stepper motor 1115 rotates the output shaft thereof and thereby rotates the buckle drive shaft 1113 centered on the longitudinal centerline 198. The end of the buckle drive shaft 1113 distal to the stepper motor 1115 is supported on a thrust bearing.

[0033] The mobile buckle 201 further includes a first surface 203, a second surface 204 opposed to the first surface 203, and an outer circumferential third surface 205 extending between the first surface 203 and the second surface 204. The mobile buckle 201 also includes a buckle central opening 206 that extends through the center of the mobile buckle 201 generally centered on the longitudinal centerline 198 of the gas distribution assembly 200, and thus opens through the center of the first surface 203 and the second surface 204, and is surrounded by the outer circumferential third surface 205 defining the outer periphery of the mobile buckle 201. The buckle central opening 206 is threaded, the threads thereof correspondingly mating with the threads of the threaded outer surface of the buckle drive shaft 1113. The buckle drive shaft 1113 threadingly extends through the buckle central opening 206. A plurality of actuator rods 1150 extend from the second surface of the mobile buckle 201 toward the distal end 220 of the gas distribution assembly 200. The actuator rods 1150 extend from the second surface 204 of the mobile buckle 201 generally parallel to the longitudinal centerline 198, are located directly adjacent to the outer circumferential third surface 205 of the mobile buckle 201, and are equally spaced from one another in the circumferential direction of the outer circumferential third surface 205 of the mobile buckle 201. The actuator rods 1150 are rigid, and each extends the same distance from the second surface 204 of the mobile buckle 201 in the direction of the distal end 220 of the gas distribution assembly 200.

[0034] To prevent rotation of the mobile buckle 201, the gas distribution assembly 200 includes a plurality, here four (Figure 3B) , anti-rotation struts 1108 that are configured to be fixably engaged with, and extend from, the upper proximal facing surface 1163 of the gas hub 1161, which faces away from the outer surface of the cover 114. Each of the anti-rotation struts 1108 freely extend through an anti-rotation opening 1110 extending through the mobile buckle 201, such that the mobile buckle 201 can slide thereon. As the gas hub 1161 is fixed to the outer surface of the chamber cover 114, the anti-rotation struts 1108 are fixed against movement including a moment or rotation about the longitudinal centerline 198. Thus, when power is supplied to the stepper motor 1115 and the anti-rotation struts 1108 extending through the anti-rotation openings 1110 in the mobile buckle 201, the lead screw mechanism of the buckle drive shaft 1113 threaded into the threaded buckle central opening 206 causes the mobile buckle 201 to move along the direction of the longitudinal centerline 198 when the buckle drive shaft 1113 is rotated, because any torque or moment imposed on the mobile buckle 201 by the rotation of the buckle drive shaft 1113 will cause the mobile buckle 201 to bear against the anti-rotation struts 1108 in the anti-rotation openings, and thus the mobile buckle 201 will not rotate as it is moved linearly. Thus, the mobile buckle 201 can be moved in the directions of the proximal end 210 and the distal end 220 without it rotating about the longitudinal centerline 198.

[0035] The gas hub 1161 is configured to engage with the second gas flow nozzles 1102 and allow them to swing, in a cantilever fashion thereabout, the axis of rotation of the swing motion centered adjacent to the circumferential sidewall 1164 thereof. The gas hub 1161 has a hub body 409 with the proximal facing surface 1163, a distal facing surface 1162, and a circumferential sidewall 1164 extending orthogonally between the outer circumferential ends of the proximal facing surface 1163 and the distal facing surface 1162. A central opening 1165 extends through the center of the gas hub 1161, extending between the proximal-facing surface 1163 and the distal facing surface 1162 facing, and secured to, the outer surface of the cover 114 of the process chamber 113, thus isolating the interior volume of the gas hub 1161 between the circumferential sidewall 1164 and the central opening 1165 from the area within the central opening 1165. The first gas flow nozzle 1107 extends through the central opening 1165 and the outer surface thereof is sealed to at least the portion of the central opening 1165 facing the process chamber 113 cover 114 to seal off the internal volume of the gas hub 1161 from the processing volume 116 of the process chamber 113. A plurality of hinge assemblies 1191 are provided equally circumferentially spaced from one another on the outer surface the circumferential sidewall 1164. A plurality of through openings 1179 (Figure 3C) extend through the circumferential sidewall 1164 of the gas hub 1161 and are generally centered with each of the hinge assemblies 1191. A first nozzle end 1192 of each of the plurality of second gas flow nozzles 1102 are hingedly connected to one of the hinge assemblies 1191 adjacent to the openings 1170 of the gas hub 1161 and extend therefrom to a second nozzle end 1194 distal thereto, and extending in the direction of the distal end 220 of the gas distribution assembly 200. Each of the second nozzle ends 1194 are thus able to swing in an arc 1196 centered on the hinge assembly 1191 supporting that particular second gas flow nozzle 1102.

[0036] Referring now to Figures 3A-C, the proximal facing surface 1163 of the gas hub 1161 further comprises one or more (here four) second gas line openings 403 equally spaced from one another and from the central opening 1165, into each of which a second gas conduit 1188 extends into the inner volume of the gas hub 1161. Each second gas conduit 1188 is fluidly coupled to the second flow line 1123 (Figure 1) . In the embodiment of Figure 3C, the inner volume of the hub body 409, including the proximal facing surface 1163, the distal facing surface 1162, and the circumferential sidewall 1164 extending orthogonally between the proximal facing surface 1163 and the distal facing surface 1162, surround the interior volume, which houses a plurality, here eight, flexible second gas conduits 412. Pairs of flexible second gas conduits 412 extend from, and are fluidly connected to, each second gas conduit 1188 extending through the second gas line openings 403, and therefrom to one of the plurality of through openings 1179 extending through on the circumferential sidewall 1164 of the gas hub 1161. The number of second gas flow nozzles 1102 correspond to the number of second gas lines, and each of the second gas flow conduits 1188 are fluidly coupled to the first nozzle end 1192 of one of the second gas flow nozzles 1102. Thus, process gas (es) are flowed into the processing volume from the second flow line 1123, through the second gas flow conduits 1188 to the flexible second gas conduit 412, thence into and through one of the second gas flow nozzles 1102,

[0037] As shown in Figures 2A and 2B, each of the second gas flow nozzles 1102 are slidably coupled to one of the actuator rods 1150 of the mobile buckle 201, which, when the mobile buckle 201 is moved in the linear direction of the longitudinal centerline 198 of the gas distribution assembly 200, causes the second gas flow nozzles 1102 to swing about the hinge assemblies 1191 adjacent the first nozzle ends 1192 thereof, causing the second nozzle ends 1194 to swing in the arc 1196. Thus, each of the plurality of actuator rods 1150 extending from the second surface 204 of the mobile buckle 201 toward the distal end 220 of the gas distribution assembly 200 includes a rod opening 1175 through which one of each of the plurality of second gas flow nozzles 1102 extends. Comparing Figures 2A and 2B, when the mobile buckle 201 moves towards or away from the distal end 220 or the proximal end 210 of the buckle drive shaft 1113, the plurality of actuator rods 1150 push or pull the portion of the second gas flow nozzles 1102 extending through the rod openings 1175 toward or away from the distal end 220 or the proximal end 210 of the gas delivery system in the direction of the longitudinal centerline 198. Because, the portion of each second gas flow nozzle 1102 adjacent to the first nozzle end 1192 is fixed vertically to the gas hub 1161, but free to rotate in the hinge assemblies 1191, this motion of the actuator rods 1150 causes the second nozzle ends 1194 to swing along the arc 1196, thereby causing the second nozzle ends 1194 to move both in the direction of the longitudinal centerline 198, and in the direction orthogonal to the longitudinal centerline 198, along arc 1196. Thus the arcuate or angular orientation of the second gas flow nozzles 1102 with respect to the longitudinal centerline 198 is adjustable, and thus the direction of the gas leaving the opening in the second nozzle ends 1194 can be changed from between an angle from 0 to nearly 90 degrees from the gas delivery direction of the first gas flow nozzle 1107, which is parallel to the direction of the longitudinal centerline 198. Thus, the angle of the direction of the process gas leaving the second nozzle ends 1194 can be changed to between zero to nearly ninety degrees with respect to the longitudinal centerline 198, by changing the position of the mobile buckle relative to the proximal end 210 and distal end 220 of the gas distribution assembly 200.

[0038] Referring now to Figures 2C and 2D, the distal end of the gas distribution assembly extending through the cover 114 of the process chamber 113 is shown (Figure 2C) , and of the arrangement of the gas hub 1162 and mobile buckle 201 is shown (Figure 2D) . As shown in Figure 2C, the chamber cover 114 further comprises chamber cover openings 401. The number of chamber cover openings 401 correspond to the number of second gas flow nozzles 1102. The chamber cover openings 401 extend radially from the intersection of the longitudinal centerline 198 with the chamber cover 114, and are of a sufficient length in the radial direction from the longitudinal centerline 198 to allow the orientation of the second gas flow nozzles 1102 to be adjusted at an angle from 0 to nearly 90 degrees from the longitudinal centerline 198, and thus with respect to the gas delivery direction of the first gas flow nozzle 1107, and a sufficient width normal to the length direction to allow the actuator rods 1150 through which the second gas flow nozzles 1102, and the second gas flow nozzles 1102 themselves, to pass therethrough..

[0039] Referring to Figures 4A and 4B, two different gas introduction architectures for the first gas flow nozzle 1107 is shown. In Figure 4A, the end of the first gas flow nozzle 1107 directed into the process volume 116 of the process chamber 113 is shown, and it includes a single opening 1120. In contrast, in Figure 4B, the end of the first gas flow nozzle 1107 directed into the processing volume 116 of the process chamber 113 includes an end plate 1122 extending over the central flow passage of the first flow nozzle, through which a plurality first flow openings 1124 extend to allow passage of the process gas from the first gas flow nozzle 1107 into the processing volume 116. These first flow openings are equally circumferentially spaced from each other along an imaginary circle centered on the center of the first flow nozzle end. In an alternative aspect, a second flow opening 1128 can extend through the end plate 1122, generally centered on the end plate 1122.

[0040] Referring now to Figures 5A and 5B, a mechanism for supporting the second gas flow nozzles 1102 in the actuator rods 1150 is shown. Here, within the through openings 1179 of the actuator rod 1150, a gimbal plate 1160 is supported on opposed support shafts 1182a, 1182b, and the support shafts 1182a, b extend into sidewalls 1184a, 1184b of the through opening 1179. The support shafts 1182a, 1182b extend from the opposed gimbal sidewalls 1186a, 1186b into apertures therefore (not shown) extending inwardly of the sidewalls 1184a, 1184b of the through opening 1179, allowing the support shafts 1182a, 1182b to rotate within the apertures. This allows the gimbal plate to swing along gimbal plate arc 1168. Gimbal plate1160 further includes opposed first and second faces 1170a, 1170b, and first and second opposed end walls 1172a, 1172b, where the support shafts 1182a, 1182b are generally centered between the first and second faces 1170a, 1170b and the first and second opposed end walls 1172a, 1172b. A support aperture 1174 extends through the gimbal plate 1160 and opens at the first and second faces 1170a, 1170b. Support aperture 1174 is generally centered in the gimbal plate 1160 between the opposed first and second end faces 1172a, 1172b.

[0041] Support aperture 1174 is a generally right circular hole extending through the gimbal plate 1160, and it is sized, in circumference or diameter, to allow a second gas flow nozzle 1102 to extend therethrough such that the location of the gimbal plate along the length of the second gas flow nozzle 1192 is moveable, as the mobile buckle 201, and thus the actuator rods 1150, move in the direction of the longitudinal centerline of the gas distribution assembly 200. In other words, the second gas flow nozzles 1102 are slideable in the support aperture 1174.

[0042] The relative location of the second nozzle ends 1194 of the second gas flow nozzles 1102 is shown schematically in Figure 5A as the relationship of the length L to the angle β, which is the angle between the longitudinal axis 1178 of the second gas flow nozzle 1102 and the longitudinal centerline 198 of the gas distribution assembly 200. Here, L represents the position of the second nozzle end 1194 of the second gas flow nozzle 1102 from the connection thereof with the gas hub 1161 in the direction of the longitudinal centerline 198 of the gas distribution assembly 200, and n represents the distance of the second nozzle end 1194 of the second gas flow nozzle 1102 from the connection thereof with the gas hub 1161 in the direction perpendicular to the longitudinal centerline 198. Here, L=n / tan β. Thus, as the angle β between the longitudinal axis 1178 of the second gas flow nozzle 1102 and the longitudinal centerline 198 of the gas distribution assembly 200 increases, L becomes shorter. Likewise as the angle βbetween the longitudinal axis 1178 of the second gas flow nozzle 1102 and the longitudinal centerline 198 of the gas distribution assembly 200 decreases, L becomes longer. Thus, the location of the second nozzle end 1194 of each of the second gas flow nozzles 1102 can be mathematically determined.

[0043] Here, the lengths of the first gas flow nozzle 1107 and second gas flow nozzles 1102 may be chosen based on the substrate diameter, the desired spacing between the nozzles and the substrate 117, and other parameters such as gas flow rates. Thus, the second end of the first gas flow nozzle 1107 may extend inwardly of the chamber to a location where it is always further form the substrate support member 118 than the second nozzle ends 1194 of the second gas flow nozzles 1102, the second end of the first gas flow nozzle 1107 may extend inwardly of the chamber to a location where it is always closer to the substrate support member 118 than the second nozzle ends 1194 of the second gas flow nozzles 1102, or the first gas flow nozzle 1107 may extend inwardly of the chamber to a location where it is either further form, or closer to, the substrate support member 118 than the second nozzle ends 1194 of the second gas flow nozzles 1102, depending on the angle β of the second gas flow nozzles 1102. Thus a user of the gas distribution assembly can select a position of each of the second gas flow nozzles 1102 between a first angular orientation with respect to the longitudinal centerline 198 and at least a second angular orientation with respect to longitudinal centerline 198 different than the first angular orientation. Where the first gas flow nozzle 1107 extends parallel to the longitudinal centerline 198, the user of the gas distribution assembly can select a position of each of the second gas flow nozzles 1102 between a first angular orientation with respect to the first gas flow nozzle 1107 and at least a second angular orientation with respect to the first gas flow nozzle 1107 that is different than the first angular orientation. As the actuator rods 1150 each extend the same distance from the mobile buckle 201, the structure of the mobile buckle 201 and support rods 1150 interfacing with the second gas flow nozzles 1102 ensures that all of the second gas flow nozzles swing in the arc 1196 simultaneously, and by the same amount and direction, as the mobile buckle 201 is moved along the direction of longitudinal centerline 198. Alternatively, the location of the through opening 1179 can be different in different support rods 1150, resulting in a different movement of different ones of the second flow nozzles 1102.

[0044] Herein, to achieve process uniformity across the substrate 117, a use can use the system controller to set the relative flow rates of process gas (es) to the first gas flow nozzle 1107 and the plurality of second gas flow nozzles 1102 using the first flow metering or monitoring device 1142 and the second flow metering or monitoring device 1144, as well as the angle β. Additionally a user can change the lengths of the first gas flow nozzle 1107 and second gas flow nozzles 1102 to achieve different effects at different radial zones across the substrate 117, This allows for greater flexibility in obtaining a desired result on a substrate in the process chamber 113.

Claims

1.A gas distribution assembly for a semiconductor processing system, comprising:a longitudinal centerline;a first gas nozzle having a first tubular body having a first gas receiving end and a first gas dispensing end;a gas hub;a plurality of second gas nozzles, each having a second tubular body having a second gas receiving end and a second gas dispensing end; andeach of the second gas nozzles having at least a first angular orientation with respect to the longitudinal centerline, and a second angular orientation with respect to the longitudinal centerline different than the first angular orientation.2.The gas distribution assembly of claim 1, wherein the end of the second gas nozzles adjacent to the second gas receiving ends are hingedly connected to the gas hub.3.The gas distribution assembly of claim 1, further comprising a mobile buckle moveable along the direction of the longitudinal centerline, the mobile buckle connected to the second gas nozzles.4.The gas distribution assembly of claim 3, further comprising the mobile buckle connected to the second gas nozzles at a location between the second gas receiving end and a second gas dispensing end thereof.5.The gas distribution assembly of claim 3, further comprising the mobile buckle including a fixed rod connected to the second gas nozzles at a location between the second gas receiving end and a second gas dispensing end6.The gas distribution assembly of claim 5, further comprising the fixed rod connected to the second gas nozzles at a location between the second gas receiving end and a second gas dispensing end, wherein the fixed rod and the second gas nozzle are moveable with respect to each other.7.The gas distribution assembly of claim 5, further comprising the fixed rod connected to the second gas nozzles at a location between the second gas receiving end and a second gas dispensing end, wherein the fixed rod and the second gas nozzle are moveable with respect to each other.8.The gas distribution assembly of claim 7, wherein the second gas nozzle slides with respect to the fixed rod.9.The gas distribution assembly of claim 7, wherein the fixed rod has an opening therein, and the second gas nozzle extends through the opening10.A semiconductor processing system comprising:a gas distribution assembly, comprising:a longitudinal centerline;a first gas nozzle having a first tubular body having first gas receiving end and a first gas dispensing end;a gas hub;a plurality of second gas nozzles, each having a second tubular body having a second gas receiving end and a second gas dispensing end; andeach of the second gas nozzles having at least a first angular orientation with respect to the longitudinal centerline, and a second angular orientation with respect to the longitudinal centerline different than the first angular orientation.11.The semiconductor processing system of claim 10, wherein the end of the second gas nozzles adjacent the second gas receiving ends are hingedly connected to the gas hub.12.The semiconductor processing system of claim 11, further comprising a mobile buckle moveable along the direction of the longitudinal centerline, the mobile buckle connected to the second gas nozzles.13.The semiconductor processing system of claim 12, further comprising the mobile buckle connected to the second gas nozzles at a location between the second gas receiving end and a second gas dispensing end14.The semiconductor processing system of claim 12, further comprising the mobile buckle including fixed rod connected to the second gas nozzles at a location between the second gas receiving end and a second gas dispensing end15.The semiconductor processing system of claim 14, further comprising the fixed rod connected to the second gas nozzles at a location between the second gas receiving end and a second gas dispensing end, wherein the fixed rod and the second gas nozzle are moveable with respect to each other.16.The semiconductor processing system of claim 14, further comprising the fixed rod connected to the second gas nozzles at a location between the second gas receiving end and a second gas dispensing end, wherein the fixed rod and the second gas nozzle are moveable with respect to each other.17.The semiconductor processing system of claim 16, wherein the second gas nozzle slides with respect to the fixed rod.18.The semiconductor processing system of claim 16, wherein the fixed rod has an opening therein, and the second gas nozzle extends through the opening19.A method of providing a process gas into a semiconductor processing system, comprising:providing a first gas nozzle having a first tubular body having first gas receiving end and a first gas dispensing end;providing a gas hub;providing a plurality of second gas nozzles, each having a second tubular body having a second gas receiving end and a second gas dispensing end; andselecting a position of each of the second gas nozzles between a first angular orientation with respect to the first gas nozzle and a second angular orientation with respect to the first gas nozzle different than the first angular orientation.20.The method of claim 19, further comprising providing a mobile buckle moveable along the direction of the longitudinal centerline, the mobile buckle connected to the second gas nozzles.

Images