JP2003045809A

JP2003045809A - シャワープレート

Info

Publication number: JP2003045809A
Application number: JP2001230943A
Authority: JP
Inventors: Kenji Suzuki; 健司鈴木; Hideo Uemoto; 英雄上本; Shunzo Shimai; 駿蔵島井; Kazuji Matsuyama; 和司松山; Masahiko Ichijima; 雅彦市島
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体製造装置において、被処理基板面にガ
スを均一に供給するために用いられるシャワープレート
であって、パーティクル等の発生がなく、また、ガス流
の圧力損失が小さく、大流量のガスを被処理面に均一に
拡散させることができ、耐熱衝撃性にも優れ、かつ、軽
量化および薄層化を図ることができるシャワープレート
を提供する。【解決手段】多孔質セラミックスからなり、前記多孔
質セラミックスは、複数の隣接する気孔によって、該気
孔を区画する骨格壁部１において３次元的に連通した連
球状開気孔２が形成され、かつ、気孔率が４０％以上９
０％以下であることを特徴とするシャワープレートを用
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シャワープレート
に関し、より詳細には、例えば、化学気相成長（ＣＶ
Ｄ）装置、エッチング装置等の半導体製造装置におい
て、被処理基板面にガスを均一に供給するために用いら
れるシャワープレートに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、大規模集積回路、太陽電池、
液晶ディスプレイ等に用いられる半導体素子の多くは、
シリコンまたはその他の材料からなる基板面上に、各種
の薄膜をＣＶＤ法により形成させることによって製造さ
れている。その際使用されるＣＶＤ装置においては、反
応室内に、成膜のために必要となるＳｉＨ₄ ガス等の反
応ガスが導入される。そして、加熱またはプラズマ発生
等によって、導入された反応ガスが反応室内で解離し、
生成されたラジカル等の反応物が、基板表面で化学反応
を起こすことによって、膜が形成される。

【０００３】このようなＣＶＤ装置のうち、例えば、プ
ラズマＣＶＤ装置を代表として、以下、説明する。図３
は、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の一例の概略を示す
ものである。このマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、反
応室１３外に、マイクロ波発生装置１６を備えており、
該マイクロ波発生装置１６から発生するマイクロ波を、
導波管１１を経由させて、反応室１３に上部から導入す
る。マイクロ波は、アンテナ１０により、空間を隔て
て、半導体ウエハ基板１７を支持するサセプタ１２に向
かって放射される。一方、アンテナ１０の直下には、シ
ャワープレート１５が、該アンテナ１０に沿って設けら
れている。前記シャワープレートは、その周囲に、一ま
たは複数のガス導入口１４を備えている。なお、前記シ
ャワープレート１５は、円盤状であるが、その内部に
は、ガスを均一に蓄えるための空間を有している。該空
間部よりサセプタ１２側の面は、ガスを均一にサセプタ
１２に向かって放出するために、微小な貫通孔が多数設
けられた一層または複数層のプレートにより形成されて
いる。また、反応室１３の下部には、外部の排気装置
（図示せず）に連結されたガス排出口１８が設けられて
いる。

【０００４】図３に示すようなマイクロプラズマＣＶＤ
装置における薄膜形成工程おいては、ガス導入口１４か
ら導入された反応ガス等は、シャワープレート１５に誘
導され、該シャワープレート１５に設けられた微小な貫
通孔を経由して、サセプタ１２に向かって放出される。
それとともに、アンテナ１０から放射されたマイクロ波
によりプラズマが発生し、反応ガスが解離してラジカル
が生じ、半導体ウエハ基板１７の表面で化学反応を起こ
して、所定のＣＶＤ膜が形成される。

【０００５】ここで、前記シャワープレート１５は、被
処理基板面にガスを均一に拡散して供給させる部材とし
て用いられる。これにより、半導体ウエハ基板上に、反
応ガスを均一に供給することができ、該基板表面上で、
均一に薄膜成長が進行し、膜厚が面内で均一な薄膜を形
成することが可能となる。

【０００６】従来、上記のようなシャワープレートの材
料としては、耐食性等の観点から、チッ化アルミニウ
ム、アルミナ等のセラミックスが多く用いられている。
また、その構造は、緻密質セラミックスからなるプレー
トに、孔径５００μｍ程度の直管状のガス流路孔が多数
穿孔されたものであった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特に、マイクロ波等で
プラズマを発生させるプラズマＣＶＤ装置においては、
上記反応ガスのガス流路孔の孔径は、アーキング（arci
ng；ガス流路孔内で放電が起こる現象）の発生を防止す
る等の観点から、１００μｍ程度以下が好ましいとされ
ている。

【０００８】しかしながら、上記緻密質セラミックス
は、硬度が高いため、加工が困難であり、プレートに小
孔径のガス流路孔を密に穿孔するには限界があった。ま
た、加工時に発生した傷が、パーティクル発生の原因と
もなっていた。さらに、ガス流路の孔径を小さくする
と、当然、圧力損失が大きくなり、ガスの流量が制限さ
れ、均一な流量でガスが供給されることが妨げられ、被
処理基板面上での反応の均一性が損なわれる。また、急
激な温度変化による撓みや反り等の変形を防止するため
には、プレートの厚さを厚くする必要があるが、プレー
トが厚いほど穿孔加工が困難になるという課題も有して
いた。

【０００９】本発明は、上記技術的課題を解決するため
になされたものであり、半導体製造装置において、被処
理基板面にガスを均一に供給するために用いられるシャ
ワープレートであって、パーティクル等の発生がなく、
また、ガス流の圧力損失が小さく、大流量のガスを被処
理面に均一に拡散させることができ、耐熱衝撃性にも優
れ、かつ、軽量化および薄層化を図ることができるシャ
ワープレートを提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るシャワープ
レートは、半導体製造装置において、被処理基板面にガ
スを均一に供給するために用いられ、複数のガス供給孔
を有するシャワープレートであって、前記シャワープレ
ートは、多孔質セラミックスからなり、前記多孔質セラ
ミックスは、複数の隣接する気孔によって、該気孔を区
画する骨格壁部において３次元的に連通した連球状開気
孔が形成され、かつ、気孔率が４０％以上９０％以下で
あることを特徴とする。このシャワープレートは、それ
を構成する多孔質セラミックスの多孔質構造がそのまま
ガス流路となるものであり、連通する開気孔が密に存在
するため、単位透過面積、単位厚さ当たりのガス流の圧
力損失が小さく、大流量のガスを均一に拡散させること
ができる。また、多孔質構造がそのままガス流路となる
ことから、穿孔等の流路加工の必要がなく、それらの加
工に起因するパーティクルおよび変形は生じない。

【００１１】前記多孔質セラミックスは、孔径５μｍ未
満の気孔容積が全気孔容積の２０％未満であることが好
ましい。孔径が５μｍ未満の微小気孔が少ないことによ
って、骨格壁部は緻密で高強度であり、全体として、気
孔率が高くても、耐圧強度が高く、軽量であるシャワー
プレートとすることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明について、図面を参
照して、より詳細に説明する。なお、本発明に係るシャ
ワープレートを構成する多孔質セラミックスの特徴をよ
り理解しやすくするために、図１に示す本発明に係る多
孔質セラミックスの構造と、図２に示す従来の緻密質セ
ラミックスに機械穿孔して得られたシャワープレートの
構造とを対比しながら説明する。

【００１３】図１は、本発明に係るシャワープレートを
構成する多孔質セラミックスの構造を模式的に示したも
のである。図１に示す多孔質セラミックスは、複数の隣
接する気孔が、該気孔を区画する骨格壁部１において３
次元的に連通した連球状開気孔２を形成しており、該連
球状開気孔２は、３次元的に密に形成された多孔質構造
からなる。また、前記骨格壁部１の内部には、閉気孔は
ほとんど形成されていない。さらに、骨格壁部１の表面
には、緩やかな微小凹凸３が形成されている。

【００１４】これに対して、図２は、従来のシャワープ
レートを構成するセラミックスの構造の一例であり、緻
密質セラミックスに機械穿孔することによって、多孔構
造としたものを模式的に示したものである。図２に示す
従来品は、ほとんど気孔を有しない緻密質セラミックス
に、円管状の細孔４が多数穿孔された構造からなる。な
お、前記細孔４の内壁面には、穿孔時に形成された鋭利
な微小凹凸や微細切屑等が存在している。

【００１５】このように、本発明に係る多孔質セラミッ
クスは、連球状開気孔２が３次元的に密に形成されてい
る一方、骨格壁部１は、微小気孔をほとんど有しないた
め緻密である。そのため、該多孔質セラミックスは、全
体として、気孔率が高くても、耐圧強度が高く、軽量で
あるシャワープレートとすることができる。

【００１６】さらに、連球状開気孔からなる多孔質構造
自体がガス流路となるため、従来品のように、高硬度の
緻密質セラミックスに穿孔等を行うような流路加工の必
要はなく、加工時の傷、残留歪、変形等は生じない。し
たがって、加工容易性にも優れ、かつ、急激な温度変化
によっても、撓みや反り等の変形を起こすことがなく、
耐熱衝撃性にも優れている。しかも、上述のように、高
強度かつ軽量であることから、従来品よりも厚さを約３
０％薄くすることも可能である。これに対して、従来品
においては、急激な温度変化が繰り返し等により、機械
穿孔等の加工時に生じた残留歪と、骨格壁部内に散在す
る閉気孔も含めた微小気孔とが相互に作用して、傷や歪
を拡大させ、変形や多数の微細な亀裂が生じやすい。

【００１７】また、本発明に係る多孔質セラミックス
は、連通開気孔が密に形成され、かつその内壁面が滑ら
かであることから、反応ガスおよびキャリアガスが透過
する際の単位面積、単位厚さ当たりのガス流の圧力損失
が低減されていると考えられる。

【００１８】上記多孔質セラミックスは、気孔率が４０
％以上９０％以下である。前記気孔率は、ガス透過時の
圧力損失の低減および該多孔質セラミックスの耐圧強度
等の観点から規定したものである。また、上記多孔質セ
ラミックスからなるシャワープレートの開気孔の平均細
孔径は、３００μｍであることが好ましい。これによ
り、ガスを均一に放出させることができる。特に、気孔
率が６０％以上８０％以下であり、かつ、気孔と気孔の
間（連通部）に形成される連通孔径が平均１００μｍ以
下であるものは、ガス透過時の圧力損失が小さく、透過
ガス流の面内流速が均一であるだけでなく、プラズマ装
置においては、細孔内でアーキングが生じることを効果
的に防止することができ、反応室内でプラズマ種が安定
的に生成されるため好適である。

【００１９】さらに、水銀ポロシメータ等により測定し
た細孔径分布における孔径５μｍ未満の気孔容積が、全
気孔容積の２０％未満であることが好ましい。孔径が５
μｍ未満の微小気孔が少ないことによって、該多孔質セ
ラミックスの骨格壁部は緻密で高強度であり、全体とし
て、気孔率が高くても、耐圧強度が高く、軽量であるシ
ャワープレートとすることができる。

【００２０】本発明に係るシャワープレートを構成する
上記多孔質セラミックスは、必ずしもこれに限定される
ものではないが、硬度や強度特性の他、耐食性が要求さ
れることから、チッ化アルミニウム、ＹＡＧ、アルミナ
等のアルミナ系セラミックスであることが、特に好まし
い。これらのセラミックスは、半導体製造プロセスで使
用される反応ガスやキャリアガス、またはこれらによる
プラズマ種に対して、優れた耐食性を有するため、消耗
し難く、これらに起因する不純物やダストの発生も抑制
することができる。

【００２１】また、前記多孔質セラミックスのうち、ア
ルミナ等の水素ガスに耐えるセラミックスは、焼結後、
水素ガス等の還元性ガス雰囲気下にて、アニール処理さ
れたものであることが好ましい。前記アニール処理によ
り、多孔質セラミックスの細孔の内壁面に形成された微
小凹凸が蒸発凝縮により平滑化され、透過ガスの圧力損
失をより低減させることができる。また、孔径５μｍ以
下の微小気孔を消滅させ、かつ、付着している不純物お
よび残留する微細粉塵等を除去することができるため、
清浄性の向上を図ることができる。

【００２２】次に、本発明に係るプラズマトラップを構
成する多孔質セラミックスの製造方法について、アルミ
ナ焼結体の場合を例として説明する。まず、平均粒径
１．０〜１．５μｍのアルミナ粉末に、分散剤としてポ
リアクリル酸アンモニウム、分散媒として超純水を用い
て、混合・解砕し、スラリーを調製する。次いで、該ス
ラリーに起泡剤としてポリオキシエチレンラウリルエー
テル、ラウリルベタイン、ラウリル硫酸トリエタノール
アミン等を添加し、撹拌して起泡させ、泡沫状スラリー
を調製する。さらに、該泡沫状スラリーに、ゲル化主剤
としてエポキシ樹脂、ゲル化硬化剤としてイミノビスプ
ロピルアミンを添加した後、成形型に入れて泡構造を固
定した状態で乾燥させ、次いで、１３００〜１８００℃
で、２〜６時間焼結させることにより、多孔質アルミナ
の完全焼結体が得られる。

【００２３】ここで、完全焼結体とは、焼結体を形成す
る結晶粒子間が十分に焼結しており、焼結体全体にわた
って、結晶粒子の大きさよりも小さい開気孔がほとんど
存在しない状態をいう。そのため、図１に示したよう
に、本発明に係る多孔質セラミックスの骨格壁部１内部
の微小開気孔は消滅し、該骨格壁部１の表面には、半球
状の微小凹凸３が形成される。

【００２４】上記製造方法においては、成形の際、プレ
ス成形を用いないため、気孔率の高い焼結体を容易に得
ることができる。また、気孔を均一に制御することがで
き、連通孔の制御も容易である。また、気孔が組織内に
密に形成されるため、その隣接する気孔を区画する骨格
壁部の厚さが薄く、焼結時に崩れることにより、連通し
た連球状開気孔が形成される。なお、焼結体の気孔率の
調整は、セラミックス原料粒子の粒度、スラリー濃度、
起泡剤の添加量、撹拌および起泡条件等を適宜調節する
ことにより行う。

【００２５】上記製造方法により得られた多孔質セラミ
ックスは、そのままシャワープレートとして用いても差
し支えないが、上述のように、アルミナ等の耐水素性を
有するセラミックスの場合には、さらに、還元性ガス雰
囲気下にて、１５００〜１９００℃で、２〜８時間程度
アニール処理することが好ましい。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的
に説明するが、本発明は下記の実施例により制限される
ものではない。［実施例］平均粒径１．０μｍのアルミナ粉末１００重
量部に、分散剤としてポリアクリル酸アンモニウムを
０．５重量部添加し、分散媒として超純水を３０重量部
用いて、混合・解砕し、スラリーを調製した。次いで、
該スラリーに起泡剤としてラウリル硫酸トリエタノール
アミンを０．２重量部添加し、撹拌して起泡させ、泡沫
状スラリーを調製した。さらに、該泡沫状スラリーに、
ゲル化主剤としてエポキシ樹脂を３重量部、ゲル化硬化
剤としてイミノビスプロピルアミンを０．６重量部添加
した後、成形型に入れて泡構造を固定した状態で乾燥さ
せ、次いで、１５００℃で、３時間焼結させることによ
り、多孔質アルミナの完全焼結体を得た。得られたアル
ミナ焼結体を水素雰囲気下にて、１８００℃で、４時間
アニール処理して、多孔質アルミナ焼結体を得た。得ら
れたアルミナ焼結体を水素雰囲気下にて、１８００℃
で、４時間アニール処理して、多孔質アルミナ焼結体の
円盤状の試料（直径１５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ、重量１２
０ｇ）を得た。

【００２７】この試料のかさ比重および真比重から求め
た気孔率は６５％であり、開気孔の孔径は３００μｍ以
下であった。また、水銀ポロシメータにより測定したと
ころ、孔径５μｍ未満の気孔容積は、全気孔容積の２０
％未満であることが認められた。さらに、この試料のガ
ス流量特性（面積１ｃｍ² 、厚さ１ｃｍ当たり）を測定
したところ（ガス流：Ｎ₂ 、測定元圧１００ｋＰａ、流
量１．５ｌ／ｍｉｎ）、圧力損失は、１０ｋＰａであっ
た。この試料をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置のガス導
入部に装着し、装置を稼動させたところ、ＣＶＤ膜の均
一性が、従来よりも向上することが認められた。また、
従来品と同様の耐久性が認められた。

【００２８】［比較例］緻密質アルミナ焼結体に、孔径
１０００μｍの直管状細孔を穿孔（０．５個／ｃｍ² ）
した円盤状の試料（直径１５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ、重量
２１０ｇ）について、実施例と同様に、ガス流量特性を
測定したところ、圧力損失は、４５ｋＰａであった。こ
の試料をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置のガス導入部に
装着し、実施例と同様の条件で装置を稼動させたとこ
ろ、ＣＶＤ膜の均一性は、実施例より劣り、歩留が低か
った。また、熱処理による歪が生じ、寿命間近では、表
面に多数の微細な亀裂が発生し、ダスト発生量も増加し
た。

【００２９】なお、上記においては、主に、プラズマＣ
ＶＤ装置に適用する場合について説明したが、本発明に
係るシャワープレートは、これに限定されるものではな
く、ドーピング処理、エッチング処理、洗浄処理または
その他の薄膜形成装置等の半導体製造装置における各種
装置に適用することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に係るシャワープ
レートを用いることにより、半導体製造装置において、
パーティクル等を発生させることなく、また、ガス流の
圧力損失を低減させ、大流量のガスを被処理面に均一に
拡散させることができる。また、本発明に係るシャワー
プレートは、耐熱衝撃性、加工容易性にも優れ、かつ、
軽量化および薄層化を図ることができるため、メンテナ
ンスの容易化、さらには、装置の小型化を図ることも可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシャワープレートを構成する多孔
質セラミックスの構造を模式的に示した図である。

【図２】従来のシャワープレートを構成するセラミック
スの構造の一例を模式的に示した図である。

【図３】従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の一例を
示す概略断面図である。

【符号の説明】

１、５骨格壁部２連球状開気孔（細孔）３微小凹凸４細孔１０アンテナ１１導波管１２サセプタ１３反応室１４ガス導入口１５シャワープレート１６マイクロ波発生装置１７半導体ウエハ基板１８ガス排出口

フロントページの続き (72)発明者島井駿蔵神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者松山和司神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内 (72)発明者市島雅彦神奈川県秦野市曽屋30番地東芝セラミックス株式会社開発研究所内Ｆターム(参考） 4K030 CA04 CA12 EA04 KA46 5F045 AA09 BB02 BB09 BB15 DP03 EB02 EB03 EF05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体製造装置において、被処理基板面
にガスを均一に供給するために用いられ、複数のガス供
給孔を有するシャワープレートであって、前記シャワープレートは、多孔質セラミックスからな
り、前記多孔質セラミックスは、複数の隣接する気孔によっ
て、該気孔を区画する骨格壁部において３次元的に連通
した連球状開気孔が形成され、かつ、気孔率が４０％以
上９０％以下であることを特徴とするシャワープレー
ト。
【請求項２】前記多孔質セラミックスは、孔径５μｍ
未満の気孔容積が全気孔容積の２０％未満であることを
特徴とする請求項１記載のシャワープレート。