JP2005526375A - プラズマチャンバの懸架式ガス分配マニホールド - Google Patents

Abstract

１つ以上のシートから構成される側壁により懸架された穿孔付きガス分配板を有するプラズマチャンバ用のガス入口マニホールド。該シートは、熱膨張及び収縮によるガス分配板の応力を軽減する可撓性を提供するのが好ましい。別の形態において、側壁は、ガス分配板とチャンバの他の構成要素との間に熱絶縁をもたらしている。

Description

発明の分野

この発明は、総括的には、プラズマチャンバにガスを供給するためのガス分配マニホールドに関する。特に、この発明は、薄い側壁により吊り下げられた穿孔付きガス分配板を有するマニホールドに関する。

発明の背景

平面型パネルディスプレイや集積回路のような電子デバイスは、通常、複数の層を基板上に堆積させると共に、堆積した材料をエッチングして所望のパターンとする一連のプロセスステップを含んでいる。該プロセスステップは、通常、プラズマ促進化学堆積（ＣＶＤ）プロセス及びプラズマエッチングプロセスを含んでいる。

プラズマプロセスは、プラズマチャンバと呼ばれる真空チャンバにプロセスガス混合物を供給し、次いで、電力又は電磁力を印加してプロセスガスを励起してプラズマ状態にする必要がある。このプラズマは、ガス混合物を分解して、所望の堆積又はエッチングプロセスを遂行するイオン種にする。

容量励起ＣＶＤチャンバにおいて、プラズマは、アノード電極及びカソード電極間に印加されるＲＦ電力により励起される。一般に、基板は、カソード電極として機能するペデスタル又はサセプタ上に装着され、そしてアノード電極は、基板と平行に該基板から近距離に装着される。通常、アノード電極は、プロセスガス混合物をチャンバ内に供給するためのガス分配板としても機能する。このアノード電極には何百〜何千のオリフィスが穿孔されており、プロセスガス混合物は、該オリフィスを通りアノード及びカソード間の間隙に流入する。オリフィスは、基板近くにおけるプロセスガス混合物の空間的一様性を最大にするように、ガス分配板の表面全体に間隔をおいて配置されている。ディフューザもしくは“シャワーヘッド”とも呼ばれるこのようなガス分配板は、チャン（Chang)等に対して西暦１９８９年８月８日に発行された同一出願人による米国特許第４,８５４,２６３号に記載されている。

穿孔付きガス分配板は、プラズマチャンバの蓋体又は上側壁に剛に装着されるのが典型的である。堅い装着は、この穿孔付き板がプラズマから熱を獲得するときの該穿孔付き板の熱膨張を吸収しないという欠点を有している。その結果としてこの板に作用する機械的応力が板を変形させたり、或いは板にひびを入れることがある。機械的応力を軽減することは、大きな平面型パネルディスプレイのような大形の加工物を加工するのに必要な大きな分配板では、最も重要である。従って、このような熱により誘発される機械的応力を最小にするガス分配装置の必要性が存在する。

従来のディフューザもしくはガス分配板の別の欠点は、それらが通常、望ましくないほど低くかつ空間的に一様でない温度で作動することである。特に、ディフューザはチャンバ内でプラズマから熱を受けるが、従来のディフューザは、それがチャンバ壁もしくは蓋体にボルト留めされるその周囲のところで熱を一般に失う。従って、ディフューザの周囲は中央よりも著しく冷えており、これが、ディフューザの近くに配置される基板の表面温度に望ましくない空間的な非一様性を生じさせる傾向がある。更に、ディフューザからチャンバ壁への熱損失は、ディフューザの温度を望ましくないほど低下させ、これが、基板温度を望ましくないほど低下させることがある。

発明の概要

この発明は、基板を処理するのに使用されるプラズマチャンバ用のガス入口マニホールドである。該マニホールドは、側壁により吊り下げられた穿孔付きガス分配板もしくはディフューザを有している。

この発明の一態様において、入口マニホールドの側壁は１つ以上のシートから構成されている。シートによりディフューザを吊り下げる利点の１つは、ガス分配板の熱膨張又は収縮に適応するようにシートを可撓性とすることができ、それによりディフューザの変形もしくは割れを回避することにある。別の利点は、このシートが、ディフューザ温度の空間的一様性を向上させると共に基板からディフューザへの熱損失を減じるように、ディフューザとより低温のチャンバ構成要素との間に相当な熱的インピーダンスを介在させることができることにある。

好適な実施形態において、各シートは、その下端部のところに長く、細いフランジを有している。各フランジはその長さに沿って複数の穴を有し、該穴がガス分配板のリムに設けられたピンと嵌め合わさっている。該穴は、可撓性の側壁とガス分配板との間の差動運動を許容するように、フランジの長手寸法に平行な方向に細長くされている。

別の好適な実施形態において、可撓性の側壁は、小さな間隙により分離された複数のセグメントを有しており、そしてマニホールドは、可撓性の側壁セグメントの運動を許容しながらこれらの間隙を通るガス漏れを最小にする新規な封止フランジを含んでいる。

この発明の別の態様において、入口マニホールド側壁は、ガス分配板とチャンバ壁との間に相当な熱的インピーダンスを介在させ、それにより、ガス分配板の温度の空間的一様性を向上させるばかりでなく、ガス分配板がプラズマからの加熱に応じてより高い温度を達成することを可能にする。本発明の上記態様は、基板もしくは加工物の表面温度の空間的一様性を向上させるのに役立ち、そして加工物が基板支持柱もしくはサセプタの温度に対してより高い温度に達するのを可能にする。本発明のこの形態において、側壁はシートから構成される必要はない。

好適な実施形態の詳細な説明

プラズマチャンバの概要
図１は、ガス分配マニホールドもしくはプレナムとも呼ばれる本発明によるガス入口マニホールド２０〜３２を含むプラズマチャンバを示している。例示したチャンバは、大形基板上への化学気相堆積（ＣＶＤ）又はエッチングのようなプラズマ支援プロセスに適している。これは、特に、ガラス基板上に平面型パネルディスプレイの電子回路を製造するためのＣＶＤプロセスを実施するのに適している。

プラズマチャンバもしくは真空チャンバは、該チャンバの内部を囲む、アルミニウムから構成されるのが好ましいハウジングもしくは壁１０を有している。このチャンバ壁１０は、チャンバ内部の側部と底部の大部分に対する真空囲い体を提供している。金属ペデスタルもしくはサセプタ１２は、カソード電極として機能すると共に、加工物もしくは基板１４を支持する平らな上側表面を有している。随意であるが、基板は、サセプタに直接に接触する必要はなく、例えば複数のリフトピン（図示せず）によりサセプタの上側表面よりも若干上方に保持しうる。

外部ガス供給源（図示せず）は、一種以上のプロセスガスをプロセスチャンバに供給する。特に、該チャンバは、マニホールド内部として言及される領域を囲むガス入口マニホールドもしくはプレナム２０〜３２（以下に詳細に説明する）を含んでいる。このガス供給源からガス入口マニホールドの頂壁もしくは後壁（back wall)２８にあるガス入口開口もしくはオリフィス３０へと延びるガス配管もしくは導管は、プロセスガスをマニホールド内部中に供給する。次いでガスは、ガス分配板及びサセプタ１２の間にあるチャンバ内部の領域に入るように、ガス分配板もしくはディフューザ２０にある何百もしくは何千のオリフィス２２を通り、マニホールド外に流出する。

図示しない通常の真空ポンプは、チャンバ内に所望の真空レベルを維持すると共に、環状の排気スリット４２を介してチャンバからプロセスガス及び反応生成物を排出して環状の排気プレナム４４に入れ、次いでポンプに至る図示しない排気チャンネルに通す。

ガス分配板もしくはディフューザ２０は、それがアノード電極として機能できるように、好ましくはアルミニウムである導電材料から構成されている。図示しないＲＦ電源は、ガス分配板と電気的に接地されたチャンバ構成要素との間に接続されている。ＲＦ電源の代表的な周波数は１３ＭＨｚである。それは強烈なＲＦであるので、ディフューザもしくはガス分配板２０は、環状の誘電スペーサ３４，３５，３６により蓋体から電気的に絶縁されている。チャンバ側部及び底壁１０並びに蓋体１８は、電気アースに接続されている。サセプタもしくは加工物支持ペデスタル１２もアースされるのが典型的であるが、それは、バイアス電源と通常呼ばれる副ＲＦ電源に随意に接続することができる。

カソード電極（サセプタ１２）及びアノード電極（ガス分配板２０）の間に印加されるＲＦ電力は、２つの電極間の領域に電磁場を発生させ、これがその領域にあるガスを励起してプラズマ状態にする。プラズマは、プロセスガス混合物から反応性種を発生させ、これが加工物上の露出材料と反応して所望の堆積もしくはエッチングプロセスを実行する。

加工物１４及びガス分配板２０の間にあるチャンバの領域におけるプラズマを濃縮するため、分配板の近くにあるチャンバにおける他の金属表面は、誘電ライナーで被覆されているのが好ましい。具体的には、誘電ライナー３７は、チャンバ蓋体１８の下側にボルト留めされており、また誘電ライナー３８は、チャンバ側壁１０を覆っている。プラズマ形成を防ぐため及びＲＦ電力の導通を最小にするため、ガス入口マニホールド及び蓋体の間の環状間隙においては、誘電ライナー４１がこの間隙を占めている。

取外し自在の蓋体１８は、該蓋体がチャンバ壁の追加部分として機能するように、チャンバ側壁１０の上に載っている。ガス入口マニホールド２０〜３２は、内側に延びる蓋体の環状棚部の上に載っている。カバー１６は、蓋体１８の頂部に固定されている。カバーの唯一の目的は、以下に記載するようにＲＦで熱いガス入口マニホールドの部分に作業員が偶発的に接触することから保護することである。

チャンバ構成要素は、チャンバ内で行われるべき半導体製造プロセスを汚染せず且つプロセスガスによる腐食に耐える材料から構成されるべきである。アルミニウムは、誘電スペーサ、ライナー３４〜４１及びＯ−リング４５〜４８以外の全ての構成要素についての好ましい材料である。

ガス入口マニホールド以外のプラズマチャンバの全部分は従来の通りである。通常のプラズマＣＶＤ及びエッチングチャンバの設計及び作動は、同一出願人による以下の米国特許に記載されており、その各々の全内容は参照によりこの特許明細書に組み込まれる。ホワイト（White)等に対し西暦１９９８年１２月１日に発行された米国特許第５,８４４,２０５号及びチャン(Chang)等に対して西暦１９８９年８月８日に発行された米国特許第４,８５４,２６３号。

ガス入口マニホールド
図２〜図４は、ガス入口マニホールドもしくはプレナムをより詳細に示している。このガス入口マニホールドは、底部がガス分配板もしくはディフューザ２０に接し、側部が可撓性側壁もしくは懸架装置２４に接し、頂部が頂壁もしくは後壁２８に接する内部領域を有している。（図２及び図３に示した三角形の隅部支持柱５８については後から説明する。）

例示した実施形態において、ガス分配板２０は、厚さが３ｃｍであるアルミニウム板である。これは、好ましくは、真空がチャンバ内に発生されたときに大気圧の作用を受けて著しく変形しないような十分な厚さを有するべきである。

この新規なガス入口マニホールドの設計において、ガス分配板２０は、薄肉の可撓性側壁もしくは懸架装置２４により吊り下げられているので、この懸架装置がガス分配板の全重量を支持する。“熱膨張及び熱収縮を吸収する可撓性懸架装置”と題する後続の欄において説明されるように、この懸架装置は、ガス分配板の熱膨張及び熱収縮に応じてそれに作用する応力を最小にするべく可撓性である。可撓性側壁の上端は、チャンバ壁１０に直接又は間接的に装着されると共に同チャンバ壁により支持される上側フランジ２６を有している。“間接的”装着及び支持により意味することは、懸架装置の上端が、図１の実施形態における入口マニホールド後壁２８及び蓋体１８のような、上側フランジ２６及びチャンバ壁１０の間に介在する中間構成要素を介してチャンバ壁により支持されうるということである。

ガス入口マニホールドの頂壁もしくは後壁２８は、懸架装置の上端もしくは上側フランジ２６に当接するように装着されているので、後壁は、ガス入口マニホールドの内部領域の上側境界もしくは囲い体を形成する。

矩形のディフューザもしくはガス分配板２０を有する例示した実施形態において、可撓性側壁もしくは懸架装置２４は、４つの面もしくはセグメントから構成されるのが好ましく、各セグメントは、別個の可撓性金属板の薄片である。側壁の４つのセグメントの各々は、ガス分配板の４つの側部の対応するものに取り付けられている。側壁もしくは懸架装置２４の４つの面もしくはセグメントは、ガス入口マニホールドの内部を共同して囲む。

ガス分配板にあるオリフィス２２は、プラズマチャンバ内のプラズマがガス入口マニホールドにより囲まれた領域、即ち、ガス分配板２０と入口マニホールドの頂壁もしくは後壁２８との間の領域に入るのを防止するために、プラズマ暗部の幅よりも小さい直径を有していなければならない。暗部の幅、従ってオリフィスの最適直径は、チャンバ圧力や、チャンバ内で実行されるのが望ましい特定の半導体製造プロセスのその他のパラメータに依存している。代案として、分解するのが特に難しい試薬ガスを用いてプラズマプロセスを遂行するため、上に言及したチャン等に対する米国特許第４,８５４,２６３号に記載されているように狭い入口と朝顔形に開いた広い出口とを有するオリフィスを採用するのが望ましいかも知れない。

ガス入口マニホールドはまた、ガス入口オリフィス３０よりも若干大きい直径を有すると共に、図示しない柱状部によりオリフィスの下方に吊り下げられる円形ディスク３２から構成されるガス入口デフレクタを含むのが好ましい。このデフレクタは、ガス入口３０からガス分配板の中央にある直近の穴２２への真直ぐな通路へガスが流れるのを遮り、それによりガス分配板の中央及び周囲を通る各ガス流量を均等化するのに役立つ。

入口マニホールド側壁が雰囲気にさらされない場合の真空シール
図１〜図１１に示した実施形態において、頂壁もしくは後壁２８の上側表面は、周囲の雰囲気圧力にさらされるガス入口マニホールドの唯一の構成要素であり、従って、後壁は真空シールを必要とする唯一の構成要素である。具体的に言うと、チャンバ内部とこのチャンバ外側の周囲雰囲気との間の真空シールは、入口マニホールド後壁２８及び誘電スペーサ３４の間の第１真空封止材料４５と、誘電体３４及びチャンバ壁の表面の間にある第２真空封止材料４６とによって提供される。例示した実施形態において、後者の表面はチャンバ蓋体１８の表面であり、その上に誘電体が載っている。例示した実施形態は取外し自在のチャンバ蓋体１８を含んでいるので、追加の真空封止材料４８が蓋体とチャンバ側壁１０との間に必要である。封止材料４５，４６及び４８は、Ｏ−リングであることが好ましい。

この実施形態において、ガス蜜のシールは、入口マニホールド後壁２８と可撓性側壁２４の上側フランジ２６との間に必要とされない。この境界におけるガス漏れの唯一の結果は、少量のプロセスガスがガス分配板２０にあるオリフィス２２を通ってというよりも漏れを通じてチャンバ内部に入るということであろう。その結果、例示した好適な実施形態においては、可撓性側壁の上側フランジ２６と後壁２８との間に何らＯ−リングがない。上側フランジ２６は、後壁のリムの周りに間隔をおいて配置されたねじ穴に挿入される複数のボルト７２によって後壁２８に単にボルト留めされている。（図４参照）ボルト７２は、上側フランジを後壁と上側フランジよりも厚くより剛である補強バー２７との間に締め付けるのが好ましい。

ガス分配板もしくはディフューザ２０が上述したようにＲＦ電源に中で接続されるチャンバの典型的な作動中、ＲＦ電源及びディフューザ間の信頼性のある低インピーダンスの接続が安定なプラズマを維持するために重要である。入口マニホールド側壁２４は金属であるから、それらはガス分配板２０と入口マニホールド後壁２８との間に良好なＲＦ電気接触をもたらすことができる。従って、ガス分配板をＲＦ電源に接続する電気ケーブルは、分配板というようりむしろ後壁の外側表面に直接に接続することができる。ＲＦケーブルをガス分配板に直接に取り付けることは、それによりＲＦコネクタが恐らく腐食性のプロセスガス混合物にさらされることになるので、望ましくはない。ボルト７２は、入口マニホールドの可撓性側壁２４の下側フランジ５４と入口マニホールド後壁２８との間に良好なＲＦ電気接触を確実にするのに役立つ。側壁２４の下側フランジ５４とディフューザ２０との間の良好なＲＦ電気接触は、ディフューザの側部にある周方向溝２１と下側フランジ５４との間に圧力を維持するディフューザの重量により実現される。図４の実施形態において、溶接ビード５６は、下側フランジ及びディフューザ間に補助的な電気接触をもたらす。

側壁の補強フランジが雰囲気にさらされる場合の真空シール
図１２〜図１４に示した代替実施形態において、補強バー３７は、補強フランジ７０に代えられており、その周囲は外部雰囲気にさらされている。これは、上側フランジ２６を含む懸架装置２４の全体がガス入口マニホールドの頂壁もしくは後壁２８の周囲により完全に囲まれている図１〜図１１の実施形態とは異なっている。その結果、図１２〜図１４の実施形態において、側壁の補強フランジ７０は、チャンバ内部と外部雰囲気との間の真空シールに寄与していなければならず、これは先行の実施形態と違ってもう１つのＯ−リングを必要とする。

先行の実施形態のように、２つのＯ−リング４５，４６又はその他の封止材料が誘電スペーサ３４のどちらかの側に、即ち、誘電体及び可撓性側壁２４の補強フランジ７０の間に第１のＯ−リング４５、誘電体及び蓋体１８の間に第２のＯ−リング４６が必要である。先行の実施形態と違って、本実施形態は、補強フランジ７０と入口マニホールドの後壁２８との間に第３のＯ−リング４７又はその他の封止材料を追加として必要とする。

外側補強フランジ７０とガス入口マニホールドの後壁２８との間の真空シールを行うために、第３のＯ−リング４７と接触する補強フランジ７０の部分は、上側フランジ２６がガス入口マニホールドの４つの隅部のいずれの周りにも延びていない先行の実施形態とは対照的に、Ｏ−リングの全周を囲むように連続であり途切れていてはならない（図１４参照）。

可撓性側壁もしくは懸架装置２４は、連続であり途切れていないことが必要ではなく、理由は、それがチャンバ内部と外部雰囲気との間の真空シールの一部ではないからである。従って、それは、先行の実施形態のように４つの別個のセグメントとすることができる。

入口マニホールド後壁２８のリムの周りに間隔をおいて配置された複数のボルト７２は、懸架装置２４の補強フランジ７０を後壁に取り付ける。

外側補強フランジ７０は、開放した中央部を有する矩形フレームとして形成されているのが好ましい。それは、矩形板から開放中央を切り取る又は打ち抜くことによって製造することができる。この実施形態の外側補強フランジ７０は、先行の実施形態の４つの補強バー２７に取って代わっている。補強フランジ７０は、好ましくは、入口マニホールド後壁２８に当接する平滑で平らな上側表面を有するべきである。懸架装置２４の上側フランジ２６がこの上側表面の面よりも上方に突出するのを防止するため、上側フランジ２６は、補強フランジの上側表面よりも下方の引っ込んだところにある棚部で（例えば溶接部５７により）補強フランジ７０に取り付けられるのが好ましい。

前に論じた図１〜図１１の実施形態と同様に、図１２〜図１４の好適な実施形態においても、ＲＦケーブルを入口マニホールド後壁２８の上側表面に直結するのが好ましい。ボルト７２は、懸架装置２４の補強フランジ７０を後壁２８に押し付け、それにより、後壁及び懸架装置間の良好なＲＦ電気接触を確保するのに役立っている。図１〜図１１の実施形態に優る本実施形態の重要な利点は、ボルト７２がＯ−リング４７の半径方向外方に配置されうるという点である。その結果、Ｏ−リング４７がボルト７２を保護すると共に、もっと重要なことは、懸架装置の補強フランジ７０と後壁２８との間の電気接触の隣接領域が究極的に電気接触を劣化させうるチャンバ内の腐食性プロセスガス及びプラズマにさらされるのを防ぐことである。

図１〜図１１の実施形態とは違って、図１２〜図１４の実施形態は、補強フランジ７０の半径方向外側部分を入口マニホールド頂壁もしくは後壁２８により覆われないままにしている。従って、この実施形態は、図１５に示すように、ＲＦ電源からの電気ケーブル７４が入口マニホールド後壁２８の周囲の半径方向外方の領域のところで補強フランジ７０に直接に結合されるのを許容している。この代替実施形態において、電気ケーブルは後壁に接続されていないので、側壁２４及び後壁間に低インピーダンスの電気接触を確保する必要はない。図１５の実施形態において、好ましいのは、図１５においてボルトは示されていないが、補強フランジ７０が図１２〜図１４の実施形態と同様のボルトを使用して後壁２８に機械的に装着されることである。

熱膨張及び熱収縮に適応する可撓性懸架装置
この入口マニホールドの可撓性側壁もしくは懸架装置２４の新規且つ有用な機能は、ガス分配板もしくはディフューザ２０が熱により生じる膨張及び収縮を経験するときにこのディフューザに対する機械的応力を最小にする点にある。（ガス分配板は簡略のためディフューザとして言及される。）ディフューザがこの新規な可撓性懸架装置によるというよりも、むしろ剛にチャンバ中に装着されていれば、ディフューザとそれが装着されるチャンバ構成要素との間の温度及び熱膨張係数の差は、ディフューザに機械的応力を生じさせ、これは究極的にディフューザに変形もしくは割れを生じさせることになるであろうと考えられる。

ディフューザ２０が膨張する量は、ディフューザの大きさ及びその温度の双方に比例する。従って、機械的応力を軽減することは、大きな平型パネルディスプレイのような大形の加工物を処理するのにより大形のディフューザが必要とされるのに伴い、非常に重要である。以下に述べる理由により、ＣＶＤプロセスの工程中、ディフューザを２５０℃〜３７５℃に維持するのが望ましい。かかる温度で、アルミニウム製ディフューザは各元が約１パーセント（％）膨張することが分かる。例えば、３０ｃｍ×３５ｃｍディフューザの幅は約３ｍｍ膨張し、１０５ｃｍ×１２５ｃｍディフューザの幅は約１２ｍｍだけ膨張する。ディフューザの中心における固定基準点に関しては、ディフューザの各縁はこの量の半分（０.５％）だけ外方に膨張する。

チャンバの通常の作動中にディフューザ２０の幅がその温度上昇に応じて膨張するときに、それは、ディフューザの膨張量だけ可撓性側壁もしくは懸架装置２４が外方に（即ち、側壁の面に対し大体垂直の方向に）湾曲するのを余儀なくさせる。側壁は相当な力なしにその量だけ湾曲するのに十分な可撓性であるべきである。特に、ディフューザ及び側壁間の曲げ力は、ディフューザの割れもしくは変形を避けるのに十分に小さくなければならない。具体的に言うと、曲げ力は、０.１ｍｍ＝１００ミクロンを超える、より好ましくは０.０２５ｍｍ＝２５ミクロンに過ぎない、最も好ましくは０.０１ｍｍ＝１０ミクロンに過ぎないディフューザの形状の変形を防止するのに十分に小さくなければならない。特に重要であるのは、基板１４に面するディフューザの表面の平滑度もしくは輪郭のこの量以上の変形を避けることである。

図１〜図６に示した設計の２つの試作品について成功裡に試験を行った。１つの試作品は、３０ｃｍ×３５ｃｍのディフューザ２０及び高さ５０ｍｍの側壁２４を有し、他の試作品は、１０５ｃｍ×１２５ｃｍのディフューザと高さ５５ｍｍの側壁とを有していた。双方の試作品において、側壁は、厚さ１ｍｍを有するアルミニウムシートであった。厚さが大きくなるほど、側壁の可撓性及び耐熱性の双方が低下することになろうから、ますます望ましくなくなる。それにも拘わらず、この発明における側壁のシートは厚さ２ｍｍ又は３ｍｍほどにしうると考えられる。

側壁がその全高に沿って可撓性であるように、可撓性の側壁もしくは懸架装置２４全体を可撓性のアルミニウムシートで構成することが最も簡単であるが、これは必要とされない。上側端部２６及び下側端部５４の間のどこかに少なくとも１つの可撓性部分を含んでいれば懸架装置にとって十分である。

曲げ力を減じる設計パラメータは、（１）懸架装置の可撓性部分のためにもっと可撓性の材料を選択すること、（２）可撓性部分の厚さを減らすこと、（３）可撓性部分の長さ（即ち、高さ）を増すことである。長さもしくは高さとは、ディフューザの面に対して垂直な方向に沿った側壁の可撓性部分の寸法を意味している。

上述したように、チャンバの作動中の加熱に応じて、１０５ｃｍ×１２５ｃｍのディフューザの幅が１％もしくは１２ｍｍ膨張した。従って、４つの側壁の各々は、この量の半分である６ｍｍだけ横方向に変形した。各側壁が曲がる角度は、側壁の高さで割った側壁の横方向変位であり、この実施例において、６ｍｍ/５５ｍｍ＝０.１１ラジアン＝６.３度である。従って、この実施例において、側壁もしくは懸架装置２４は、相当な力をディフューザにかけることなく少なくとも６.３度曲がるのに十分な可撓性（即ち、十分に薄く且つ長い）であるべきである。上述したように、このような曲げ力は、好ましくは、ディフューザの形状を１０又は２５ミクロン以上変形させるべきではない。

例示した好適な実施形態において、基板１４及びディフューザ２０は矩形である。可撓性の側壁２４は、矩形横断面を有する単一の切れ目なく続く環状体とすることができるが、熱により招来されるディフューザの機械的膨張及び収縮は側壁２４の隅部に過剰応力を生じさせるので、切れ目なく続く設計は好まれていない。かかる応力を回避するためのこの好ましい設計は、矩形のディフューザの各辺に１つ、計４つのセグメントもしくは面に可撓性の側壁を分割し、各隅部のところに新規な伸縮継手を形成し、これが無視しうる量に過ぎない継手でのガスの漏れを許容する。

具体的に言えば、入口マニホールドの側壁もしくは懸架装置２４は、矩形の入口マニホールドの４つの側部のところにそれぞれ配置された薄い可撓性のアルミニウムシート製の４つの別個のセグメントから構成されるのが好ましい。（図２及び図３を参照。）４つのセグメント２４の各々は、上側端部が９０°曲がって外方に延びる上側フランジ２６を形成すると共に下側端部が９０°曲がって内方に延びる下側フランジ５４を形成する平らな矩形の金属薄板片から形成されるのが好ましい。（図４参照。）

４つの上側フランジ２６の各々は、好適には厚さ５ｍｍのアルミニウムバーである剛なバー２７により補強されている。各補強バー２７は、入口マニホールドの後壁２８の下側にボルト留めされており、対応する下側フランジ２６は、補強バー及び後壁の間に挟持されていて、それにより上側フランジを後壁にクランプする。

ディフューザ２０の４つの側部の各々は、ディフューザの幅の全て又は殆ど全てにわたり延びる円周溝２１を有している。可撓性の懸架装置もしくは入口マニホールド側壁２４をディフューザに取り付けるために、４つの懸架装置セグメントもしくは面２４の各々は、ディフューザにある対応の溝２１に挿入される内向きに延びる下側フランジ５４を有するのが好ましい（図４）。

図４の実施形態において、装着する下側フランジ５４及びディフューザ２０は、１つ以上の溶接ビード５６によって互いに取り付けられている。前に記載した３００ｍｍ×３５０ｍｍのディフューザを有するこの実施形態のテストで、可撓性の懸架装置は、典型的なプラズマ工程サイクル中にチャンバ内のプラズマがターンオン及びターンオフされるときにディフューザが加熱及び冷却されるにつれてその熱膨張及び収縮を成功裡に吸収する機能があるように見うけられることが分かった。

可撓性の懸架装置がディフューザに剛に取り付けられている説明したばかりの実施形態の１つの欠点に気付いた。チャンバの通常の作動中、蓋体１８は、常時閉じたままである。蓋体は、定期保守のためにのみ又はチャンバ内の予期しない問題の修復するためにのみ開かれる。チャンバが冷えるのを許容することなくチャンバ蓋体が開かれると、可撓性の懸架装置もしくは側壁２４の低熱質量(thermal mass)により、それがディフューザよりもますます急速に冷やされ、従って、ますます急速に収縮すること、並びにその結果として生ずる機械的応力により可撓性の懸架装置に割れを生じさせうることが分かった。

図５及び図６は、入口マニホールド側壁２４の各セグメントがディフューザにある溝２１内で滑動するのを許容するように可撓性の懸架装置もしくは入口マニホールド側壁２４をディフューザ２０に取り付けるための好適な設計を示している。この好適な実施形態のテストでは、チャンバが熱い間にチャンバ蓋体が周囲雰囲気に対して開かれたときでも、入口マニホールド側壁もしくはディフューザに割れの形跡は何もなかった。

図５及び図６の設計の重要な違いは、入口マニホールド側壁の各セグメントの下側フランジ５４がディフューザ２０の溝２１内で滑動するのを許容されているが、この下側フランジは同下側フランジが完全に溝の外に滑動するのを防止する抑制特徴を含むことである。この好適な実施形態において、抑制特徴は、下側フランジ５４にある１つ以上の穴８０，８１及びディフューザに取り付けられた同数のピン８２の組合せである。各ピンは穴のうちの対応する１つから突出し、それにより下側フランジが溝内で滑動するのを各穴の広さよりも大きい量まで抑制する。

この好適な実施形態において、各ピン８２は、ディフューザにある穴（図示せず）に圧入されている。もう１つの選択肢として、ディフューザにある穴にねじを切り、ピンの代わりにねじを使用することができるが、該ねじは、下側フランジ５４がディフューザの溝内で滑動するのを防止するのに十分に締め付けられることがないように、該ねじ穴よりも長くなければならない。

懸架装置もしくは入口マニホールド側壁２４を最初にディフューザ２０に取り付けるプロセスは次の通りである。全てのピンをディフューザから除去した状態で、入口マニホールド側壁のセグメントの１つは、その穴８０，８１がディフューザの対応する穴に整列されるように、ディフューザの対応する溝２１内に位置決めされる。次に、ピン８２は、側壁セグメントの穴８０，８１を通過すように挿入されると共に、ディフューザにある穴に圧入される。この時点で、第１の側壁セグメントは、ピンにより拘束されるので、それがディフューザの溝から完全に取り外されることはできない。この組立プロセスは、他の側壁セグメント２４の各々について繰り返される。

図７は、望ましい程度がもう少し低い代替設計を示しており、この設計において、ディフューザは円周溝を採用していないが、入口マニホールド側壁２４の下側フランジ５４に載置される周方向リップ８４を有するに過ぎない。図５の実施形態のように、下側フランジは、ディフューザに圧入もしくは螺入され下側フランジにある穴８０，８１に係合する複数のピンもしくはねじ８２により、ディフューザに取り付けられるので、図６に示された特徴は同じのままである。先行の実施形態に対する図７の実施形態の欠点の１つは、下側フランジ５４に載置するディフューザリップ８４が入口マニホールドからのガスの漏洩を禁ずる良好なシールを形成していないことである。別の欠点は、下側フランジが下向きに曲がる傾向があり、そのため、下側フランジ及びディフューザ間のＲＦ電気接触が劣化すると共に、恐らく下側フランジに割れもしくは破断を生じさせることである。

図６は、内側マニホールド側壁２４の４つのセグメントの各々の下側フランジ５４を示している。各フランジ５４において、真中の３つの穴８０は円形であり、残りの穴８１は細長い。細長い穴８１の各々は、互いに垂直な短軸（副軸）及び長軸（主軸）を有している。各細長い穴８１の短軸は、フランジ５４が挿入されるディフューザの溝２１の長軸と平行である。（穴８０，８１の形状をもっと明確に例示するため、図６は、各下側フランジの長さに対して各穴の大きさ及び各下側フランジ５４の幅を誇張している。）

内側マニホールド側壁２４の各セグメントは、各細長い穴８１の長軸の幅と、この穴に嵌るピン８２の、この長軸に平行な、太さとの間の差として定義される“滑動距離”と同じ程度に、ディフューザの溝２１の長軸に沿って滑動しうるであろう。普通、各細長い穴の長軸は十分に大きいはずであるから、この滑動距離は、チャンバの作動中における温度勾配に対応する側壁セグメントの膨張とディフューザの膨張との間の最大予想差よりも大きい。

可撓性の懸架装置を膨張ゼロの冷たいままにしておきながら加熱及び熱膨張を受けるディフューザの仮想的な最悪ケースのシナリオに適応するのに必要な大きさに細長い穴をしたければ、各細長い穴の滑動距離は、ディフューザの各辺がディフューザの中心にある固定点に対して膨張する量とすべきである。約３００℃まで加熱されたときに、ディフューザの各辺がその全幅の０.５％だけ中心に対して膨張するという仮定を使用すれば、各細長い穴の滑動距離はディフューザの幅の０.５％のはずである。従って、各細長い穴の長軸は、この量＋ピンの太さもしくは直径でなければならない。

テストされた発明の試作品の一例は１０５ｃｍ×１２５ｃｍのディフューザであった。上述したように、この大きさのディフューザの各辺の最大熱膨張は、約０.５％＝６ｍｍ＝０.２４インチである。従って、熱いディフューザ及び冷たい懸架装置という最悪の場合に適応するため、各穴の滑動距離は０.２４インチであるべきである、即ち、各細長い穴の長軸はピンの直径を０.２４インチだけ超えていなければならない。

幸いにも、この仮想的な最悪ケースのシナリオは、ディフューザが懸架装置の隣接部分を加熱又は冷却することなく加熱又は冷却されることがないので、実際上、起こらないであろう。プラズマチャンバの作動中、ディフューザ及び側壁は、側壁の下端部がディフューザと殆ど同じ温度に留まるのに十分に徐々に加熱及び冷却される。上述したように、実際に起こる最大温度差は、事実上、保守要員がチャンバの冷えるのを待つことなくチャンバ蓋体を開くときである。そのような状況においてさえ、ディフューザと側壁シート２４の下端部との間の温度差は５０℃に過ぎないであろうと予測される。従って、ディフューザと側壁の下端部との間の熱膨張の差は、ディフューザの全熱膨張よりも相当に小さいであろう。

細長い穴が吸収すべき膨張差の量を測定するために、通常のプラズマＣＶＤチャンバにおいて、ディフューザ幅が１０５ｃｍ×１２５ｃｍであり、各ピン８２が０.０９９インチ(即ち、ほぼ０.１０インチ)の直径を有し、各細長い穴８１が０.１１インチの短軸及び０.１９インチの長軸を有する図１〜図６のガス入口マニホールド設計の試作品についてテストした。従って、長軸に沿う滑動距離は０.１９インチ−０.１０インチ＝０.０９インチであった。プラズマチャンバは、数回の加熱及び冷却サイクルで作動され、そしてチャンバ蓋体は、チャンバが未だ熱い間に数回開けられた。その後、ガス入口マニホールドをチャンバから取り出し、側壁の下側フランジ５４を検査した。各細長い穴８１の縁にある若干の摩耗傷は、穴内でピン８２が滑動した距離を示した。予想した通り、中心から最も遠い穴は最も長い滑動距離を証明したが、観察された距離は約０.０３〜０.０４インチに過ぎなかった。これは、穴の長軸により可能とされる０.０９インチの最大滑動距離よりも相当に小さい。従って、細長い穴は、実際に観察したものよりも２乃至３倍も大きい熱膨張差に適応する相当な安全余裕を提供すると考えられる。

逆に言えば、０.０４インチ＝１ｍｍに過ぎない観察滑動距離はディフューザの幅の０.１％未満である。従って、長軸がピンの対応する幅を少なくとも０.０３インチ乃至０.０４インチ超えている、或いはより一般的には、ディフューザの幅の少なくとも０.１％だけ超えている細長い穴を使用して、熱膨張差に適応することが可能のはずである。長軸を必要以上に大きくすることによる主な欠点は、より大きな穴が下側フランジ５４を弱体化させ、それが割れる危険を増大するようにすることである。

各細長い穴８１の短軸は、この軸に平行な嵌め合いピン８２の太さを、このピンが穴内で動かなくなるのを防止するのに足る非常に僅かな量だけ超えることを必要とするに過ぎないので、下側フランジ５４は、動かなくなることなく長軸に沿って自由に滑動するであろう。寸法におけるこの若干の差は、先行する段落において論じた長軸に沿う滑動距離よりも実質的に小さくすることができる。例示した好適な実施形態において、各細長い穴８１の短軸は０.１１０インチであり、これは０.０１１インチだけ各ピン８２の０.０９９インチの直径を超えている。

この発明は、可撓性の懸架装置２４の下側フランジ５４にある穴の全てが上述したように細長ければ作動するであろう。しかしながら、下側フランジ全体がディフューザの溝内を滑動する必要はない。熱膨張差及び熱収縮差は、下側フランジが１ヶ所でディフューザに固定されていれば、好都合にも吸収されることができるので、下側フランジの残部は、下側フランジ及びディフューザが膨張及び収縮するときに、固定ヶ所に関して滑動するのを許容される。従って、この好適な実施形態において、各下側フランジ５４の中心に最も近い３つの穴８０は、細長いというよりも円形である。各円形穴８０の直径は、細長い穴８１の短軸と同一、即ち、０.１１０インチである。動かなくなることからの解放はこれらの固定ヶ所については必要とされないので、円形穴８０は、それらの対応するピン８２の直径ほどの小ささとすることができる。

代案として、懸架装置２４の各セグメントの下側フランジ５４は、１ヶ所で、好ましくは下側フランジ５４の中心近くでディスプレイに溶接又はその他の手段で取り付けることができ、この場合、中央の円形穴８０及びそれらの対応するピン８２は完全に省略することができる。

小さな円形穴８０を使用することにより、或いは直ぐ上に述べたように溶接により、下側フランジ５４の滑動をその中心近くで最小にすることの利点は、それが下側フランジをディフューザに対して中心に置かれた状態に維持することにある。試作品のチャンバにおいて、入口マニホールドの周りの間隙は非常に密であるので、正確な心出しが重要である。この利点はまた、各下側フランジに３つ設ける代わりに唯一つの円形穴８０を使用しても達成することができる。３つの円形穴は、穴の１つが不注意で損傷したとしても正確な心出しを確実にするために好適な実施形態において使用された。

穴８０，８１は、好適な実施形態において３.２インチだけ離間している。しかし、穴間のこの間隔は重要ではなく、広範囲の間隔が良好に作動すると考えられる。

側壁の上側フランジ２６がボルト７２により入口マニホールド頂壁もしくは後壁２８に直接に装着されている（例えば図５及び８の）実施形態において、上側フランジ２６及び後板２８間の熱膨張差により生じることがある応力の発生を防止することが好ましい。従って、装着ボルト７２が貫通する上側フランジ２６にある穴は、下側フランジ５４の円形及び細長い穴８０，８１と同一のパターンで加工されるべきである。

可撓性懸架装置のための隅部シール
好適な実施形態は、４つの別個のセグメントもしくは面として可撓性の懸架装置もしくは入口マニホールド側壁を実現しているので、側壁の２つの隣接するセグメントは、ディフューザの４つの隅部の各々近くで合さるであろう。過剰のプロセスガスが入口マニホールドから漏れて接合体のところでチャンバに入らないように、隣接する側壁セグメント２４の縁と縁の間の接合体もしくはシールが各隅部に設けられるべきである。ディフューザの熱膨張に適応するというこの可撓性入口マニホールド側壁の利点を維持するために、接合体は、ディフューザが膨張及び収縮するときの入口マニホールド側壁の曲げに適応すべきである。

図２、図３及び図９は、ディフューザの４つの隅部の、各々にある好適な接合体を示している。４つの側壁セグメント２４の、各々の両端部６０は、所定隅部で２つの隣接側壁セグメント２４のそれぞれ端部が同一平面にあるように、４５°の角度で内向きに曲げられている。隣接する端部６０間の適度にガス蜜のシールは、２つの端部６０に嵌るスロット付き結合具６２，６４（代わりに、スロット付きカバー又はスロット付き封止部材とも呼ばれる）により行われる。この結合具は、２枚のアルミニウムシート片を垂直な中央継ぎ目に沿って溶接すると共に、１つの結合具片６２を曲げてそれと他の結合具片６４との間にスロットを形成するようにして製作される。スロット付き結合具は、その結合具の継ぎ目が２つの端部６０間の間隙のほぼ中心に置かれるように、且つ各端部６０が結合具の２つのスロットの対応する１つにぴったり嵌るように、同結合具を２つの端部６０に嵌めることによって据え付けられる。スロットは、十分なフィット性で端部６０の周りに嵌合する大きさに作られているので、それは、入口マニホールドからチャンバへのガス漏れの量を、穿孔２２を通る意図したガス流量のほんの少しに過ぎないように許容する。それにもかかわらず、スロットは、ディフューザが膨張及び収縮するときの端部６０の径方向運動を許容するのに十分な大きさに作られている。

図１０及び図１１は、金属シート６６の単一矩形片からなるスロット付きカバーもしくは結合具の代替設計を示している。結合具６６の２つの半部分間に細い橋状部６８のみが残るように、１対の矩形切欠きが図１０に示すように切り取られている。結合具６６は、図１１に示すようにこの橋状部で半分に折り畳まれる。橋状部６８の幅Ｗは十分に狭いので、隅部で合わさる２つの入口マニホールド側壁の２つの端部６０の間を滑動する。スロット付き結合具６６は、同結合具６６を２つの端部６０に嵌めることにより前に記載した結合具６２，６４と同じ方法で据え付けられる。橋状部６８の長さＬは、結合具６６が図１１に示すように折り畳まれたときのその２つの半部分間の間隙を決定する。この間隙は、入口マニホールド側壁がディフューザの膨張及び収縮に応じて曲がるときに端部６０の運動を許容するのに十分な大きさであるべきであるが、スロット付き結合具６６の２つの半部分が端部６０の周りに具合良く嵌って先行の段落に記載のようにガス漏れを最小にするように十分に小さくなければならない。

この好適な実施形態は、ガス入口マニホールドの４つの隅部の各々に、図２、図３、図８及び図９に示すように三角形の横断面を有する隅部支持柱５８を含んでいる。この隅部支持柱は、図８及び図９に示すように、ディフューザ２０にボルト留めされるのが好ましいが、代案として、それは入口マニホールドの後壁２８にボルト留めされることができる。隅部支持柱は、ディフューザが膨張及び収縮するときのスロット付き結合具の動きを邪魔しないように、スロット付き結合具もしくはシール６２，６４から外側に離間していなければならない。

４つの隅部支持柱５８は２つの機能を果す。第１の機能は、ガス入口マニホールドの隅部を通るガスの漏れを妨げることである。この機能は、支持柱のリップもしくは翼状部５９により遂行される。各リップもしくは翼状部５９は、隅部支持柱の横方向延長部であり、これは、入口マニホールド側壁２４の隣接セグメントと隣接スロット付き結合具６２〜６６との間の境界面を横断して延びて、同境界面を通るガス漏れに対する実質的なインピーダンスを提供するのに十分な長さだけその側壁セグメント２４とオーバーラップするようになっている。オーバーラップの長さを増すとインピーダンスが増す利点がある。好適な実施形態において、０.２８インチのオーバーラップは漏れに対する十分なインピーダンスを与えた。０.１インチ又はそれ以上のオーバーラップは十分であると考えられる。製作方法はその作動にとって重要ではないが、アルミニウムのブロックを機械加工することにより翼状部を含む各隅部支持柱を単体部品として製作した。

隅部支持柱５８が可撓性の懸架装置もしくは側壁２４とディフューザ２０との間の相対運動を邪魔するのを防ぐために、各隅部支持柱は、側壁の高さよりも若干短くするべきであり、また、隣接するスロット付き結合具６２〜６６から半径方向外方に十分な間隙だけ離間していて、可撓性の側壁が最大予想程度までディフューザに関して膨張するときに、それらが当接するのを防止するべきである。同様に、各リップもしくは翼状部５９は、側壁２４の隣接するセグメントから半径方向外方に十分な間隙だけ離間していて、それらが当接するのを防止している。好適な実施形態において、双方の間隙は、約０.０１０インチ〜０.０１５インチであり、各隅部支持柱は側壁よりも約０.００５〜０.０１０インチ短かった。

４つの隅部支持柱５８の第２の機能は、プラズマチャンバの作動ではなく、その保守のみに関連している。この第２の機能は、ガス入口マニホールドアセンブリ２０〜３２がプラズマチャンバの外部に保管されているとき、例えば、このマニホールドアセンブリが予備品として保管されているとき、又はチャンバの保守を可能とするためそれがプラズマチャンバから取り出されたときに、薄い側壁２４がつぶれるのを防止することである。

代案として、入口マニホールド２４の隅部におけるガス漏れは翼状部がなくても十分に微小であるから、翼状部５９は、４つの隅部支持柱５８から省略することができる。更に、先行する段落に記載したような保管及び保守の便利さが重要でなければ、隅部支持柱は完全に省略することができる。

図１６に示した代替設計において、４つの隅部カバーもしくは結合具６０〜６６及び４つの隅部支持柱５８は、可撓性の側壁２４の４つのセグメントの各々を単に延長して、それらがディフューザの４つの隅部のところで接触するようにすることにより、省略することができる。この簡略化した設計は、隅部においてもっと多いプロセスガスの漏れを引き起こすが、多くの適用例において、漏れの量は非常に僅かであって加工物に対して行われているプラズマプロセスには実質的に影響しないと言ってさしつかえない。

シリコンウェーハのような円形加工物１４を処理することが企図されているチャンバにおいて、ディフューザ２０は、先行の実施例のように矩形であるよりは、横断面を好ましくは円形にすべきである。その場合、ガス入口マニホールドの可撓性懸架装置もしくは側壁２４は、環状の形をもつ切れ目のない単一片とすることができる。或いは、懸架装置の可撓性は、前に論じた実施形態における矩形側壁の４つのセグメントと同様に、それを軸方向に延びる小さな間隙により分離された任意の数の軸方向に延びるセグメントに分割することによって、向上させることができる。

ディフューザの熱膨張は、直径２００ｍｍのシリコンウェーハを処理するため今日最も一般に使用されているチャンバにおいて深刻な問題ではないが、業界がより大きな直径のウェーハ、従って、より大きな直径のディフューザに移行するにつれて、熱膨張は、より重要になるであろう。従って、これは、本発明の重要な将来の適用例である。

ガス分配板の熱絶縁
プラズマチャンバ中で一般に行われる多くの半導体製造プロセスにおいて、基板１４は高温に維持しておく必要がある。一般に、これは、基板支持ペデスタル１２内に装着された電気ヒータにより行われる。温度は、基板に対して行われている製造プロセスの良好な空間的一様性を達成するために、基板の全露出表面（前面）の端から端まで空間的に一様でなければならない。

平面型パネルディスプレイを製造するために使用されるガラス基板に当てはまることであるが、基板が低熱伝導率を有するときに、基板表面温度の空間的一様性は、達成するのが難しい。典型的には、ペデスタルから基板の前面まで５０℃〜７５℃の温度降下がある。その結果、基板表面温度は、ペデスタル温度だけで決められず、チャンバ構成要素の近隣の温度により強く影響される。

典型的なプラズマチャンバにおいて、ディフューザもしくはガス分配板２０は、（ペデスタル以外で）基板表面に断然最も近いチャンバ構成要素であるから、それは基板温度に対して群を抜いて大きな影響を有している。ディフューザの温度の高い空間的一様性を達成することは、基板表面温度の高い空間的一様性を達成するために重要である。

ディフューザの温度は、（ａ）プラズマからディフューザに伝達される熱及び加熱された基板からの黒体放射と、（ｂ）ディフューザからチャンバ壁１０に伝達される熱との間のバランスにより決定される。従来の設計において、ガス分配板の周囲が高い熱質量及び高い熱伝導率を有するチャンバ蓋体に直接にボルト留めされているので、ディフューザはその中心よりもその周囲で１００℃低いため、蓋体もしくは側壁は、分配板の周囲から熱を運び去る熱シンクとして機能する。相対的に冷たいディフューザの周囲は基板表面の周囲の温度を低下させ、それにより基板表面の温度の空間的一様性を低下させる。

対照的に、この新規なガス入口マニホールドは、ガス分配板と、それが装着される、例えば、蓋体１８及びチャンバ壁１０のような他のチャンバ構成要素との間に熱抵抗をもたらすことにより、ガス分配板を熱的に絶縁することができる。この熱絶縁の１つの利点は、ディフューザの周囲からの熱損失を減少させ、それによりディフューザの中心及び周囲間の温度差を減少させることである。

この発明により提供される熱絶縁の別の利点は、ディフューザもしくはガス分配板２０が従来の設計よりも高い温度で作動するのを可能とすることである。より高い温度のディフューザ２０は、基板からの熱損失を減少させ、それにより基板表面及び基板支持ペデスタルの間の温度差を減少させる。その結果、あるペデスタル温度に対して、半導体製造プロセスは、もっと高い基板表面温度で行うことができ、或いは逆に言えば、プロセスに必要なある基板表面温度に対して、ペデスタルはもっと低い温度で作動することができ、これはペデスタルの寿命を延長することができる。

また、チャンバの内部から残留物を清浄化するために従来の原位置（in suit)プラズマプロセスの使用が望まれる場合、ガス分配板の温度が上がると、ガス分配板の清浄化が促進される。

ガス分配板２０の所望の熱絶縁を達成するために、この入口マニホールド側壁２４（又はその一部分）は、十分に薄く且つ十分な長さもしくは高さを有しているので、側壁２４（又はそのような一部分）の熱抵抗は、ガス分配板と、それが装着されるチャンバ構成要素、即ち、入口マニホールド頂壁又は後壁２８、チャンネル蓋体１８、チャンバ側壁１０及びＯ−リング４５〜４７との間に相当な温度差をもたらすのに十分な大きさである。長さ又は高さにより意味されるのは、ガス分配板の面に垂直な方向に沿う寸法である。成功裡にテストされた図１の実施形態において、入口マニホールド側壁は、１ｍｍの厚さ及び５ｃｍの高さを有するアルミニウムシートである。

プラズマＣＶＤプロセスを実行している間のガス分配板２０の好適な温度は少なくとも２００℃、好ましくは２５０℃〜４００℃、最も好ましくは３００℃〜３２５℃である。入口マニホールド側壁２４は、外側チャンバ構成要素が１００℃〜１４０℃を超えない限り、ガス分配板がそのような温度に達するのを可能にするのに十分な熱抵抗を有している。チャンバ壁１０、蓋体１８、及び入口マニホールド頂壁又は後壁２８は、Ｏ−リング４５〜４８を十分に低い温度に維持する熱シンクとして機能すると考えることができる。

温度が、プラズマ処理中にガス分配板２０において３００℃であり、そして入口マニホールド後壁２８及びＯ−リング４５〜４８において１４０℃であれば、入口マニホールド側壁２４の全域における温度差は約１６０℃である。この発明は、プラズマ処理中にチャンバ構成要素がそれらの通常作動温度に達した後にかかる温度差が少なくとも１００℃であるように、側壁の厚さ及び高さを好ましくは十分にそれぞれ小さく及び大きくすべきであろうと考えている。

図１〜図１１の懸架式入口マニホールド設計を使用したプラズマチャンバと、ディフューザ又はガス分配板２０が入口マニホールド頂壁もしくは後壁２８に直接にボルト留めされている、他の点では同様の従来のチャンバとを比較した。双方のチャンバにおいて、基板支持ペデスタル内の電気ヒータは、ペデスタルを４００℃に維持した。入口マニホールドの頂壁もしくは後壁２８、チャンバ蓋体１８、及びチャンバ壁１０は、８５℃に維持した水により冷却した。従来のチャンバにおいて、ディフューザ温度は、それぞれ中心及び周囲で２５０℃〜１５０℃であり、１００℃の空間的変動があった。この発明による懸架式入口マニホールドを採用したチャンバにおいて、ディフューザ温度は、それぞれ中心及び周囲で３２５℃〜３１５℃であり、空間的変動は１０℃に過ぎなかった。従って、この発明はディフューザ温度の空間的一様性を１０分の１に向上させた。

（１０℃に過ぎない空間的変動を達成したが、懸架式入口マニホールドは、その熱的インピーダンスが５０℃しかない或いは好ましくは２０℃しかない空間的変動を達成するのに十分であれば、この発明の範囲内であろう。）

更に、基板表面の中心における表面温度は、従来のチャンバにおいて、加熱されたペデスタルよりも７０℃低かったが、この発明を利用するチャンバにおいて、ペデスタルよりも２５℃低いだけであった。従って、この発明は、あるペデスタル温度に対して４５℃高い基板表面温度を達成した、逆に言えば、この発明は、所定の基板表面温度を達成するためにペデスタルが４５℃低い温度で作動することを可能にした。

（加熱されたペデスタルと基板表面の中心との間に２５℃に過ぎない温度差を実現したが、懸架式入口マニホールドは、その熱的インピーダンスが５０℃しかない或いは好ましくは３５℃しかないかかる差を達成するのに十分であれば、この発明の範囲内であろう。）

ディフューザとガス入口マニホールドとの間の熱絶縁は、側壁の熱抵抗を更に上昇させることにより完全にゼロまで減少させることはできない。側壁を通る熱伝導に加えて、熱は、ディフューザから後壁への放射によって伝達されるであろう。側壁の熱抵抗が十分に高くて伝導による熱伝達が放射による熱伝達よりもずっと小さければ、放射による熱伝達が主体になるであろうから、熱抵抗の更なる増加は殆ど利点をもたらさないであろう。

チャンバ内部と外部雰囲気との間に信頼性のある真空シールを確保するため、Ｏ−リング４５〜４８を過大な温度から守ることが重要である。低コストのＯ−リング（例えば、ヴァイトン(Viton)エラストマーから構成される）は２５０℃以下と製造者により定められており、そして専門家によると、かかるＯ−リングはその信頼性を最大にするために１００℃以下に維持すべきであると考えられている。

Ｏ−リング４６及び４８は、チャンバ蓋体１８に直接に接触しており、そしてＯ−リング４７は、ガス入口マニホールドの後壁２８に直接に接触しており、これらのＯ−リングの温度は、蓋体及び後壁の各温度とほぼ同じであると予想される。第１の実施形態において、Ｏ−リング４５は後壁に直接に接触しているが、第２の実施形態（図１２〜図１４）においては、Ｏ−リング４５は、懸架装置２４の補強フランジ７０に直接に接触している。補強フランジは後壁に対して良好な熱接触関係で装着されるのが好ましいので、この実施形態のＯ−リング４５は他のＯ−リングよりも若干高温なだけであると考えられる。

周囲雰囲気に単純にさらすことは、蓋体１８及びチャンバ壁１０を１００℃〜１４０℃の温度に維持するのに十分であることが分かった。入口マニホールド側壁２８は、チャンバ内のプラズマからの熱放射に直接さらされていないので、概ねより低温である。従って、Ｏ−リング４５〜４８の温度は１４０℃を超えないと考えられる。この温度は十分に低いので水冷のような付加的な冷却が必要であるとは思われない。

しかし、随意であるが、チャンバ側壁１０は、それを図示しない水ジャケットで囲み、そこに冷却水をポンプで通すことにより更に冷却することができる。同様に、カバー１６、蓋体１８及び入口マニホールド後壁２８は、カバー１６の下方で入口マニホールド後壁２８の上側表面に装着された封止済みの水ジャケット（図示せず）の同じ水をポンプで通すことにより冷却することができる。このような水冷は、Ｏ−リング４５〜４８の温度が１００℃を超えるのを防止することができる。

ガス入口マニホールドの頂壁もしくは後壁２８はＲＦで動力供給されるので、水ジャケット及び後壁の間に誘電体が間挿されるべきである。水ジャケット及び後壁の間の温度差を大きくすることが望まれる場合、より厚い誘電体を選択しなければならない。これは、後壁を１００℃を超える温度のような水の温度よりも実質的に高い温度に維持することが望まれる適用例において有用であるかも知れない。後壁をこのような高温に維持することは、ガス分配板の温度を上げるのに役立ち、これは次の段落において説明する理由により有利でありうる。

可撓性の懸架装置無しの熱絶縁
この特許明細書の先行の段落は、ディフューザもしくはガス分配板２０と、このディフューザが取り付けられるチャンバ構成要素との間の熱絶縁の利点について記載している。上述のように、かかる熱絶縁は、入口マニホールドの側壁２４がディフューザと側壁２４の上端部が装着されるチャンバ構成要素との間に相当な熱的インピーダンスを介入させるのに十分な厚さ及び高さを有していれば、達成される。

更に、入口マニホールド側壁２４は、同様に上述したように、ディフューザ及び側壁間の熱膨張差によるディフューザの応力を避けるために、可撓性であることが好ましい。この可撓性は、好ましいのではあるが、入口マニホールド側壁の熱絶縁の利点を達成するのに必須ではない。例えば、熱絶縁を更に向上させるために、前に説明した実施形態において使用されたアルミニウムよりもっと低い熱伝導率を有する材料で側壁２４を製作するのが望ましいかも知れない。かかる材料には可撓性とするには余りにも堅い又は脆弱なものがありうる。

側壁２４が可撓性でなければ、ディフューザ及び側壁間の熱膨張差によるディフューザの機械的応力を避けるために、他の何らかの手段が使用されるべきである。図１７に示された１つの解決策は、先行の実施形態における側壁の可撓性によりもたらされたディフューザと側壁との間の差動運動を可能にするように下側フランジ５４にある穴８０，８１を拡大することである。特に、可撓性側壁の実施形態において細長かった穴８１は、側壁が非可撓性である場合には円形とすべきであり、その理由は、ディフューザがその平面において直交方向の双方に熱膨張するからである。

各円形穴８１の直径は、先行の実施形態における対応する細長い穴の長軸程度まで少なくとも大きくするべきである。特に、対応する穴８１における各ピン８２の滑動距離は、チャンバの作動中の温度勾配に呼応する側壁セグメントの膨張とディフューザの膨張との間の最大予想差と等しいか或いは同じにすべきである。穴８１の直径は、このような滑動距離＋ピン８２の直径とすべきである。

好ましくは、各下側フランジ５４の中央にある穴８０は、下側フランジが側壁２４に垂直な方向に動くのを許容するが、下側フランジがその長手に平行な方向に動くのを防止することによりディフューザのセンタリングを維持するのに必要な大きさにされるべきである。これは、穴８０が細長ければ、図１５に示すように、それらの短軸及び長軸をそれぞれ下側フランジの長手に垂直及び平行な状態にして、行うことができる。中央に位置した各穴８０の長軸は、論じたばかりの円形穴８１の直径と同一の基準に従って必要な大きさにされるべきである。

各細長い穴８０の短軸は、嵌るピン８２が穴の中で動かなくなるのを防止するのに十分な若干量だけそのピンの直径を超えている必要があるだけなので、下側フランジ５４は動かなくなることなく長軸に沿って滑動するのが自由であろう。寸法のこの若干の差は、先行の段落で論じた長軸に沿う滑動距離よりも実質的に小さくすることができる。例えば、各ピン８２が０.１インチの直径を有していれば、各細長い穴８１の短軸は０.１１インチとすることができる。

本発明のガス入口マニホールドを含むプラズマチャンバの部分概略側断面図である。 ガス入口マニホールドの隅部の部分分解斜視図である。 ガス入口マニホールドの隅部支持体の横断面図である。 側壁がディフューザに剛に取り付けられてガス入口マニホールドの一実施形態の一側部の垂直断面図である。 側壁がディフューザにある溝内を滑動できるより好適なガス入口マニホールドの一側部の垂直断面図である。 ディフューザの熱膨張に適応するため細長い穴を有する入口マニホールド側壁の下側フランジの平面図である。 ディフューザが何ら周方向溝を有していない別のガス入口マニホールドの一側部の垂直断面図である。 ガス入口マニホールドの隅部の垂直断面図である。 図２に示された隅部の分解図である。 折り畳まれる前の別の隅部接合体もしくは結合具の平面図である。 図１０の別の結合具を有する隅部の分解図である。 可撓性側壁の上側フランジの一部が大気圧にさらされているガス入口マニホールドを有する代替実施形態の、図４に類似する図である。 図１２の詳細である。 図１２の代替実施形態の、図２に類似する図である。 ガス入口マニホールドの側壁の上側フランジに直結された電気ケーブルを示す、図１３に類似する図である。 可撓性側壁が隅部で接していて隅部の結合具が省略されている別のガス入口マニホールドの隅部の部分分解斜視図である。 ディフューザの熱膨張に適応するため大きくされた穴を有する入口マニホールド側壁の下側フランジの平面図である。

符号の説明

１０…壁、１２…サセプタまたはペデスタル、１４…基板、１６…カバー、１８…蓋体、２０…ディフューザまたはガス分配板、２２…オリフィス、２４…懸架装置または側壁、２６…上側フランジ、２８…入口マニホールド後壁、３０…オリフィス、３２…ガス入口マニホールド、３４、３５、３６…誘電スペーサ、３７…補強バー、３８…誘電ライナ、４０…、４２…排気スリット、４４…排気プレナム、４５−４８…Ｏ−リング、５４…下側フランジ、５６…溶接ビード、５８…隅部支持柱、５９…翼状部、６０…端部、６２、６４…結合具片、６６…金属シート、６８…橋状部、７０…補強フランジ、７２…ボルト、８０、８１…穴、８２…ピンまたはネジ、８４…リップ。

Claims (20)

1. プラズマチャンバのガス入口マニホールドであって、
   ガス入口オリフィスが穿孔された頂壁と、
   複数のガス出口オリフィスが穿孔されると共に、前記頂壁から離間し配置されているガス分配板と、
   １つ以上のセグメントを含む側壁であって、各側壁セグメントが上側フランジ及び下側フランジ間に延びる垂直に配向されたシートを含んでいる、前記側壁とを備え、
   各側壁セグメントの前記上側フランジは、前記ガス入口マニホールドの前記頂壁に装着されており、
   各側壁セグメントの前記下側フランジは、前記ガス分配板に装着されており、
   前記側壁は、前記頂壁及び前記ガス分配板の間に延びる前記ガス入口マニホールド内の領域を囲んでいて、前記ガス入口オリフィス及び前記ガス出口オリフィスが前記領域と流体の連通状態にあるようになっている、ガス入口マニホールド。
2. 前記ガス入口マニホールドの前記頂壁は、４つの側部をもつほぼ矩形の、前記ガス分配板に面する表面を有しており、
   前記ガス分配板は、４つの側部をもつほぼ矩形の、前記頂壁に面する表面を有しており、
   前記側壁は、４つの前記セグメントから構成されており、
   前記４つの側壁セグメントの各々の前記シートは、ほぼ矩形であると共に、前記頂壁の前記表面の前記４つの側部のうちの対応する１つと、前記ガス分配板の前記表面の前記４つの側部のうちの対応する１つとの間に延びている、請求項１に記載のガス入口マニホールド。
3. 前記ガス分配板はその周辺に１つ以上の溝を有しており、
   前記側壁の各セグメントの前記下側フランジは前記溝の１つに延びて入っている、請求項１に記載のガス入口マニホールド。
4. 前記ガス分配板は、更に、
   該ガス分配板の周囲から半径方向外方に延びるリップと、
   該ガス分配板の前記リップに取り付けられると共に、該リップから下方に延びる複数のピンとを備えており、
   前記側壁の各セグメントの前記下側フランジは、複数の穴が穿孔されており、
   各下側フランジは、前記ピンの各々が前記穴のうちの対応する１つを貫いて延びるように前記ガス分配板に装着されており、
   各穴は、各下側フランジと前記ガス分配板との間の相対運動を可能とするように、その対応するピンの太さを超える幅を有している、請求項１に記載のガス入口マニホールド。
5. 各シートは、該シートに対して垂直な方向への前記下側フランジの動きを可能にするように可撓性であり、
   前記側壁の各セグメントについて、そのセグメントの下側フランジにある各穴がそのセグメントのシートに平行な長軸を有している、請求項４に記載のガス入口マニホールド。
6. 前記穴の１つの軸に沿った各穴の幅は、該軸に沿ったその対応するピンの太さを、前記プラズマチャンバの作動中の前記下側フランジ及び前記ガス分配板の間の最大予想熱膨張差を超える量の各下側フランジ及び前記ガス分配板間の相対運動を許容するのに十分な量だけ、超えている、請求項４に記載のガス入口マニホールド。
7. 各穴の１つの軸に沿った該穴の幅は、その対応するピンの太さを、前記軸に沿って、少なくとも０.０３インチだけ超えている、請求項４に記載のガス入口マニホールド。
8. 各穴の１つの軸に沿った該穴の幅は、その対応するピンの太さを、前記軸に沿って、前記ガス分配板の最大寸法の少なくとも０.１％だけ超えている、請求項４に記載のガス入口マニホールド。
9. 前記１つ以上の側壁セグメントは、第１及び第２の側壁セグメントを含んでおり、
   前記第１の側壁セグメントのシート及び前記第２の側壁セグメントのシートは、前記ガス入口マニホールドの前記頂壁及び前記ガス分配板の間を垂直に延びる最大寸法を有する間隙により隔てられており、
   前記ガス入口マニホールドは、前記間隙の半径方向外方に設けられると共に、前記間隙を通るガスの流れを妨げるのに十分に前記間隙の近くに位置決めされた柱状体を更に備えている、請求項１に記載のガス入口マニホールド。
10. 前記１つ以上の側壁セグメントは、第１及び第２の側壁セグメントを含んでおり、
    前記第１の側壁セグメントのシートは、第１の垂直方向頂点線（vertex line)に沿って第１の角度で曲げられていて、（ｉ）前記シートの第１の端部領域が前記第１の頂点線と前記シートの縁との間に延びると共に、（ii）前記シートの第１の中央領域が前記第１の頂点線の反対側にあるようになっており、
    前記第２の側壁セグメントのシートは、第２の垂直方向頂点線に沿って第２の角度で曲げられていて、（ｉ）前記シートの第２の端部領域が前記第２の頂点線と前記シートの縁との間に延びると共に、（ii）前記シートの第２の中央領域が前記第２の頂点線の反対側にあるようになっており、
    前記第１の側壁セグメントの前記シートの前記縁及び前記第２の側壁セグメントの前記シートの前記縁は、前記ガス入口マニホールドの前記頂壁及び前記ガス分配板の間を垂直に延びる最大寸法を有する間隙により隔てられると共に、平行であるように位置決めされており、
    前記第１の角度及び前記第２の角度は、前記第１の端部領域及び前記第２の端部領域が同一平面にあると共に、前記間隙によってのみ隔てられているようになっている、請求項１に記載のガス入口マニホールド。
11. 前記第１の角度及び前記第２の角度は共に４５度である、請求項１０に記載のガス入口マニホールド。
12. 前記間隙の半径方向外方に設けられた柱状体を更に備え、
    該柱状体は、前記間隙の全長に沿って垂直方向に延びており、
    該柱状体は、前記第１の端部領域、前記第２の端部領域、前記第１の頂点線に隣接する前記第１の中央領域の部分、及び前記第２の頂点線に隣接する前記第２の中央領域の部分の上から覆い被さるように横方向に延びており、
    前記柱状体は前記第１及び第２の領域の前記部分の十分に近くに位置決めされており、前記第１及び第２の領域の前記部分は十分に大きくて、前記柱状体が、前記入口マニホールド内のガスが前記間隙を通り流れるのを邪魔するようになっている、請求項１０に記載のガス入口マニホールド。
13. プラズマチャンバであって、
    チャンバ壁と、
    該チャンバ壁に取り付けられる入口マニホールド頂壁であって、入口マニホールドはガス入口オリフィスが穿孔されている、前記入口マニホールド頂壁と、
    複数のガス出口オリフィスが穿孔されているガス分配板であって、該ガス分配板は、前記プラズマチャンバ内に位置決めされると共に、前記入口マニホールド頂壁から離間して配置されている、前記ガス分配板と、
    １つ以上のセグメントを含む入口マニホールド側壁であって、各側壁セグメントは、上側フランジ及び下側フランジ間に延びる垂直に配向されたシートを含んでいる、前記入口マニホールド側壁とを備え、
    各側壁セグメントの前記上側フランジは、前記入口マニホールドの前記頂壁に装着されており、
    各側壁セグメントの前記下側フランジは、前記ガス分配板に装着されており、
    前記側壁は、前記頂壁及び前記ガス分配板の間に延びる、前記ガス入口マニホールド内の領域を囲んでいて、前記ガス入口オリフィス及び前記ガス出口オリフィスが前記領域と流体の連通状態になっており、
    前記入口マニホールド側壁は、前記プラズマチャンバの作動中に、前記ガス分配板が５０℃よりも高くない温度の空間的変動を有するように、前記チャンバ壁及びガス分配板の間に十分に高い熱抵抗を介在させるようになっている、プラズマチャンバ。
14. 前記温度の空間的変動は１０℃よりも大きくない、請求項１３に記載のプラズマチャンバ。
15. 基板を処理するためのプラズマチャンバであって、
    上面を有し、その上に基板を支持することができる加熱ペデスタルと、
    チャンバ壁と、
    該チャンバ壁に取り付けられる入口マニホールド頂壁であって、入口マニホールドはガス入口オリフィスが穿孔されている、前記入口マニホールド頂壁と、
    複数のガス出口オリフィスが穿孔されているガス分配板であって、該ガス分配板は、前記プラズマチャンバ内に位置決めされると共に、前記入口マニホールド頂壁から離間して配置されている、前記ガス分配板と、
    １つ以上のセグメントを含む入口マニホールド側壁であって、各側壁セグメントは、上側フランジ及び下側フランジ間に延びる垂直向きのシートを含んでいる、前記入口マニホールド側壁とを備え、
    各側壁セグメントの前記上側フランジは、前記入口マニホールドの前記頂壁に装着されており、
    各側壁セグメントの前記下側フランジは、前記ガス分配板に装着されており、
    前記側壁は、前記頂壁及び前記ガス分配板の間に延びる、前記ガス入口マニホールド内の領域を囲んでいて、前記ガス入口オリフィス及び前記ガス出口オリフィスが前記領域と流体連通するようになっており、
    前記入口マニホールド側壁は、前記基板を前記ペデスタル上に支持した状態の前記プラズマチャンバの作動中に、前記ペデスタルと前記基板の上側表面との間の温度差が５０℃よりも大きくないように、前記チャンバ壁及びガス分配板の間に十分に高い熱抵抗を介在させるようになっている、プラズマチャンバ。
16. 前記温度差は２５℃よりも大きくない、請求項１５に記載のプラズマチャンバ。
17. プラズマチャンバの内部にガスを投与するガス分配板に対する熱応力を最小にする方法であって、
    チャンバ壁により囲まれた内部を有するプラズマチャンバを用意するステップと、
    該チャンバ内に入口マニホールド頂壁を装着するステップと、
    １つ以上のセグメントを有する入口マニホールド側壁であって、各側壁セグメントが上側フランジ及び下側フランジ間に延びる垂直に配向されたシートを含んでいる、前記入口マニホールド側壁を用意するステップと、
    該入口マニホールド側壁の前記セグメントが共同して前記プラズマチャンバ内の入口マニホールド領域を囲むように該入口マニホールド側壁の前記セグメントを位置決めするよう、前記入口マニホールド側壁の各セグメントの前記上側フランジを前記入口マニホールド頂壁に装着するステップと、
    前記入口マニホールド側壁の前記下側フランジを複数のガス出口オリフィスが穿孔されたガス分配板に装着するステップであって、前記入口マニホールド頂壁、前記入口マニホールド側壁及び前記ガス分配板が共同して前記入口マニホールド領域を囲む、前記ステップと、
    前記入口マニホールド後壁にある開口に通してガスを供給するステップであって、該ガスを前記入口マニホールド領域に流入させ、次いで前記ガス出口オリフィスを通流して前記プラズマチャンバの前記内部に流入させる、前記ステップと、
    を含む、前記方法。
18. 前記プラズマチャンバの前記内部中にプラズマを維持するステップを更に含み、
    前記入口マニホールド側壁を用意するステップは、前記プラズマから伝達される熱に応じて前記入口マニホールド後壁及び前記ガス分配板の間に相当な熱膨張差を生じさせるように、各シートに、十分に小さい厚さ及び十分に大きな軸方向高さを与えるステップを含んでいる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記温度差は少なくとも１００℃である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記入口マニホールド側壁を用意するステップは、前記入口マニホールド側壁の少なくとも１つの可撓性部分に、前記ガス分配板が少なくとも１％だけ膨張するのを許容するのに十分な量だけ前記入口マニホールド側壁を曲げるのに何ら実質的な力が必要ないように、十分な可撓性を与えるステップを含んでいる、請求項１７に記載の方法。

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