JP2005536042A - シャワーヘッドの改良 - Google Patents

Abstract

気体容器（１０）へ通じる気体入口（８）を含む基板処理用シャワーヘッド（５）。 複数の孔（９）を有する面板（６）が前記気体容器と処理スペース（１１）との間に取り付けられている。前記シャワーヘッドは、複数の孔を有するシート（１６）を更に含み、前記シートの孔は前記面板の孔の最小直径よりも小さい。前記シートは、流体が前記シートの孔を介して前記気体容器から前記処理スペースへ通過するように前記シャワーヘッド内または前記シャワーヘッド上に取り付けられている。

Description

本発明は基板処理用シャワーヘッドに関する。

シャワーヘッドは基板の薬品蒸気処理のための、特にウエハおよびマイクロエレクトロニクス、フラットパネルディスプレイ、およびマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）等の製造用フラットパネルの蒸気処理のための気体入口である。

シャワーヘッドの気体(gas)入口は、典型的には温度制御され、表面全体に均一温度を有し、かつ対応する加工品の均一処理を可能にする比較的均一な気体分布を領域上にもたらす一電極または反対電極の一体化を可能にすることから普及している。更に最近では、シャワーヘッド組立体それ自体が真空処理室の一壁を形成している組立体が製造されている。更に、半導体ウエハの寸法を３００ｍｍまで拡大することが可能であり、かつその場合にシャワーヘッドそれ自体は均質蒸気処理を確実にする直径を有するものでなければならない。

従って、シャワーヘッド面は機械的に強力であることを必要とし、導電性材料により熱伝導性に製作され、かつシャワーヘッド面を通って容器から処理室へ気体を通過させる孔が穿孔される。シャワーヘッドを機能させるために、容器と処理室との間に圧力差が必要であり、かつこのことは小さい孔に対する要求に通じる。シャワーヘッド面は、しばしば、アルミニウム、半導体ウエハ処理に特に適した材料で形成される。ＵＳＰ６，３７９，４６６は上述のごときシャワーヘッドの設計例を示す。他の例はＵＳＰ６，０２４，７７９に示されたおり、ここではマニホールドの上流面に通じる中央に形成された複数の貫通孔が上流気体源から薬品蒸着反応器内のウエハへの気体流路を形成している。

上記要件は実際には、数千の小さい孔がアルミニウム等の金属の厚みへ穿孔されなければならない結果につながる。それらの孔はすべて確実かつ精確に穿孔される必要があり、かつこの要件が達成されても、孔の壁は平滑にならずかつ小さいマクレを含む。これは多くの問題を提起する。特に、切断流体(cutting fluid)および清掃材はかかる粗面に捕捉され、かつ平滑または清掃の化学的方法は、仮にそれが効果的であっても、孔の寸法を増大させる危険がある。同様に、研磨または他の機械的方法（例えばシャワーヘッド面の洗浄）は孔の寸法に悪影響を及ぼし、かつ／または孔を汚染し、そして孔を部分的に遮断する。

上述の問題の少なくとも幾つかを解決する試みとして、複数の孔がシャワーヘッドの全厚みへ不均一の直径で形成される。それらの孔はシャワーヘッドの厚みのほとんどに対して相対的に大きく、かつシャワーヘッド面の小部へ侵入するのに必要な気流制御孔寸法で形成されるのみである。一例としてＵＳＰ４，８５４，２６３において、０．４インチ（約１０．１６ｍｍ）厚の面板の６インチ（約１５２．４ｍｍ）直径の面板内に１５００個の孔が穿孔され、その孔は０．０１６インチ（約０．４０６ｍｍ）直径と０．０５インチ（約１．２７ｍｍ）深さを有する。面板の残りの厚みにはそれよりも大きい直径の孔が穿孔される。他の例として、ＵＳＰ６，０２４，７９９において、０．４インチ（約１０．１６ｍｍ）厚の気体面板の上流側に０．１１０インチ（約２．８ｍｍ）の孔が穿孔され、下流側には０．２１３インチ（約５．４ｍｍ）の孔が穿孔される。これらの孔は直径約０．０１６インチ（約０．４ｍｍ）および長さ約０．０８インチ（約２．０ｍｍ）の貫通孔に連結される。しかし、この対応する孔の試みは、気体分配面板の厚みへ精確に穿孔されなければならないというシャワーヘッド孔形成に関する基礎的問題の多くを直接解決するものでない。

ＵＳＰ６，０２４，７９９ ＵＳＰ４，８５４，２６３ ＵＳＰ６，０２４，７７９ ＵＳＰ６，３７９，４６６

本発明は上記問題の解決に向けられている。

本発明の第一形態によれば、
気体容器へ通じる気体入口、
前記気体入口と処理スペースとの間に取り付けられかつ複数の孔を有する面板、および
前記面板の孔の最小直径よりも小さい寸法の複数の孔を有するシート（sheet）を含む基板を処理するためのシャワーヘッドが提供され、
前記シートは、流体が前記シートの孔を介して前記気体容器から前記処理スペースへ通過するように、前記シャワーヘッド内または前記シャワーヘッド上に取り付けられていることを特徴とする。

前記シートは、例えば穿孔シート等の弾性シール（elastmeric seal）、またはワックス、金属もしくはその他の適宜材料等により、前記面板に封止されていてよく、かかる場合に、シール即ち封止材料は処理温度よりも高い融点を有するものでなければならない。選択的または付加的に、前記シートは前記シャワーヘッドへ付勢されて前記シャワーヘッドを前記面板の孔の少なくとも幾つかへ封止されていてよい。

前記シートは前記気体容器と前記面板との間に取り付けられていてよい。選択的に、前記シートは、前記面板と前記処理スペースとの間で、前記面板内に取り付けられているか、または前記面板へ締めつけられているか、または前記面板と支持板、隔壁もしくは仕切板との間にサンドイッチ状に挟まれて前記面板へ封止されていてよい。

前記面板の孔および前記シートの孔の少なくとも幾つかの中心は実質的に整列していてよく、かつこの整列を補助するための整列手段が設けられていてよい。前記整列手段は、前記シートの前記面板に対する正確な配向および位置決めを制御できる、係合部材または成形部を前記面板上に含みかつ対応する係合部材または成形部を前記シート上に含んでいてよい。

前記シャワーヘッドは、更に、前記シート、即ち第一シートに隣接する他のシート（例えばシール）を含み、前記他のシートの孔は第一シートの孔よりも大きい寸法であり、第一シートおよび前記他のシートは流体がそれらの両シートの孔へ流れるように構成されていてよい。前記他のシートは弾性材または金属またはプラスチックで形成されていてよい。

他の好適形態において、前記シャワーヘッドは、複数の孔を有する仕切板を更に含み、前記仕切板は二つの容器を形成し、かつ前記シートは前記仕切板に隣接して取り付けられている。前記シートは前記仕切板の孔と前記面板の孔との間に取り付けられている。この形態は、前記シートによる前記仕切板の前記面板への封止を可能にして、二つの気体を分離し、かつ一つまたは二つの気体に対する制限的孔を形成する。前記シャワーヘッドは、更に、二つの容器のうちの第二容器を充填するための他の気体入口を含んでよい。

理解されるように、前記シートの孔は、選択された気流、例えば均一の気流または前記面板の外側の凹所よりも高い気流を達成するために必要とされるような、均一寸法を必要とせず、異なる寸法であってよく、そして特に前記シートが前記面板の処理側へ取り付けられる場合には前記シートは処理珪素または炭素に役立つ材料で形成されるか、またはプラズマエッチング処理からフッ素を掃去するフッ素掃去剤を含んでよい。

前記シートは単一材料、複合材、または弾性材料と金属等との組立体で形成されてよい。選択的に、特に前記シートが前記面板の処理側に取り付けられる場合には、前記シートは処理炭素または珪素を補助する材料、および／またはプラズマエッチング処理からフッ素を掃去する材料で形成されるかまたはかかる材料を含む。前記シートの孔は、直径約０．５mm未満であってよく、かつ更に好ましくは約０．１５mmの直径であってよいが、それよりも小さい寸法が除外される訳でない。

本発明の他の特徴によれば、基板処理用シャワーヘッドを製造する方法が提供される。この方法は、次の各工程を含む。即ち、
シートに複数の孔を形成する工程、および
気体容器に通じる気体入口、および前記気体容器と処理スペースとの間に取り付けられた面板を有するシャワーヘッドに、前記気体容器から前記シートの孔そして同様に前記面板の孔を介して前記処理スペースへ流体が通過するように、前記シャワーヘッド内または上に前記シートを取り付ける工程を含む。

この場合、前記シートの孔の寸法は前記面板の孔の寸法よりも小さい。

前記孔はフォトエッチング、スパーク腐蝕、レーザー成形、金型成形、スタンピング、ダイカッティング、プラズマエッチングまたは他の適宜手段により形成されてよい。

本発明の他の特徴によれば、基板処理用シャワーヘッドに取り付けられるシートが提供される。このシートは、前記シャワーヘッドの面板内の孔の最小直径よりも小さい直径の複数の孔を有する。

前記シートの厚みは１ｍｍよりも小さくてよい。前記シートは少なくとも一部が弾性材により形成されていてよい。

本発明の種々の形態は、フォトエッチング、レーザー成形等に適したフォイル等の薄いシート材を有し、前記シートには所望されるシャワーヘッドの孔即ち開口部のパターンが孔の寸法、配置および個数の条件に基づいて形成される。それらの孔は、極めて小さく、一般的に孔が小さくなるにつれて、その孔を形成するシート材料は薄くなる。かかるシート材は面板へ、例えば弾性シート材によるフォイル内の隣接する孔相互間に大きな漏洩が生じないように、付勢される。

特定構成において、前記シートは少なくとも一部が弾性材により形成されていてよく、この場合、弾性材はシャワーヘッドの部材間、特に二重シャワーヘッドにおける気体間のシールとして機能するものであってよい。

上述の本発明は上記特徴または続く説明における特徴を組み合わせた如何なる発明にも及ぶ。

本発明は種々の形態で実施できるが、例示として添付図面を参照して本発明の一実施形態を以下に説明する。

図１は、参照番号１で全体が示された真空処理室を示す。ポンピング孔２は前記真空処理室をポンプ（図示せず）へ連結する。複数の基板が出入口を介して当分野で周知であり図示されていない機械操縦装置により装入される。処理されるべき基板３は、温度制御可能であり、電気駆動され、かつ例えば静電締め具等のウエハ用締め付け手段を含んでよいプラテン４上に設置される。

全体が参照番号５で示されたシャワーヘッド組立体は面板６および気体入口８を有する支持板７で構成される。複数の孔９が面板を貫通して形成されている。面板と支持板との間のスペース１０は気体容器として作用し、気体入口８と処理スペース１１間の伝導を可能にする。適宜シールが、例えば参照番号１２（面板と支持板間）および参照番号１３（面板と処理スペースの頂面間）に設けられる。電力（参照番号１４で模式表示されている）は当分野で周知の手段により供給されてよい。理解されるように、図１は単にシャワーヘッドの全体的特徴の幾つかを示すのみである。

図２は本発明の一実施形態によるシャワーヘッドの説明図である。面板６は容器１０と処理スペース１１間の流体による連通を可能にする複数の孔９を有する。シート１６が面板６の容器側に取り付けられている。シート１６は、面板６内の孔もしくは開口部９よりも実質的に小さい複数の開口部もしくは孔１８を含む。このように、シートの開口部１８は処理スペース１１と容器１０との間の流体流を制御する制御開口部を形成する。

シートは、弾性シートであってよいシール１５により面板へ封止される。圧力が封止に必要とされる場合には、支持板７から下方へ突出した部１７がシートに係合して面板へそれを封止する。シート１６はフォイルまたは弾性もしくはプラスチックシートであってよく、実際には１ｍｍ以下の孔を容易に形成できるいずれの薄い材料であってもよい。

図３はフォトエッチングされた制御開口部１８を有するシート１６の一例を示す。このシートは概ね円形で、面板に対する位置決めおよび配向を促進するために直径方向に切欠いた切欠き部１６ａを有する。シート１６は二重シャワーヘッドの二つの気流の一つのみを制御し、そして複数の孔の幾つかのみが制御開口部であり、かつ他の孔は制御開口部ではない。

図４は二重気体シャワーヘッドの従来例を示す。この事例において、シール１５は面板６を仕切板(dividing plate)１９に封止し、シールを通る孔は流体制御孔ではない。面板６は孔９の直径が変化するタイプのものである。処理スペース１１に隣接する孔の部分はその孔の他の部分よりも狭くなっている。狭い孔の部分は流体制御開口部である。第一気体入口８は、支持板７と仕切板１９の上面との間に形成されたシャワーヘッド容器１０への気体の侵入を可能にする。第二気体入口８Ａは仕切板１９の下面とシール１５の上面との間のシャワーヘッドのスペース２０への気体の侵入を可能にする。このように、二つの異なる気体がシャワーヘッドを通って処理スペース１１へ通過できる。二つの気体は、処理スペース１１へ到達する前には相互に分離状態を維持する。シール１５の開口部２１は面板の孔９のいずれの部分よりも大きい直径を有する。

図５の形態を参照すると、これは図４の従来技術よりも小さいが、シール１５の下面と面板６の上面間に取り付けられたシート１６を含む。シート１６は面板の孔９、またはシールの開口部２１よりも小さい直径の複数の開口部１８を含む。図５の形態に加え、またはその変形として、シート１６はシール１５の上面と仕切板１９の下面間に取り付けられてよい。

シート１６は、図４および５に示されたものと異なるタイプの孔を有するシャワーヘッドに関して使用できる。例えば、シート１６はＵＳＰ６，０２４，７７９の図８もしくは９から１２に示された孔、またはＵＳＰ４，８５４，２６３の図２もしくは３に示された孔を含むシャワーヘッドに取り付けられ得る。

種々の他の好適構成は特別の要求に基づいて採用されてよい。シール１５は、加熱によりその処理（process）温度を超えかつ面板を損傷する温度未満の温度で溶融するワックス、金属または他の材料により形成され得る。かかる場合、機械的締め付け部１７は必須ではない。選択的に、シートは、シールを有する単一組立体であるか、またはシールと一体化されてよく、シールおよび制御開口部の機能性が単一構成要素において実現できる。このように、シール１５およびフォイルによるシート１６は、例えばフォトエッチングにより形成された制御開口部１８を有する一部材そして同一部材であってよい（例えばエラストマーシール）。

本発明の実施形態の主な利点は、処理容器へ流れる流体流を制御する制御開口部が、シャワーヘッドの面板を取り替えることなく、経済的に交換できる薄いシート材内に形成されることである。更に、薄いシート材内に非常に小さい孔を形成することは、気体分配面板に小さい孔を形成するよりも相当に容易である。フォトエッチングは１ｍｍ厚未満のシート内に０．１５ｍｍ程度の小さい孔を形成でき、かつスパーク腐蝕は直径０．１ｍｍの孔を形成できる。かかる制御開口孔は、従って、面板に掘削されるよりもはるかに多数であってよく、かつ平滑に孔が形成され、かつ掘削されないのでクリーンである。掘削は切断流体および冷却流体を必要とし、かつ平滑に穿孔されずマクレもしくは削り屑を伴う小さい孔から切断流体および冷却流体は除去されなければならない。このことは、例えば半導体ウエハ処理等のための気体およびプロセスは非常にクリーンでなければならないので大きな問題を提起する。本発明の面板は、基本的に、概ね基板に対峙する熱および電気面として作用し、かつ面板の厚みを貫通する孔は気流を制御しない。面板の厚みを貫通する孔の寸法の拡大は製造および清掃を容易にする。

シャワーヘッドの大きな特徴は、面板を貫通する孔の流体コンダクタンスが、フォイル−シール組立体の流体コンダクタンスよりも常時大きいことである。

この構成の他の利点は、プラズマが処理容器内に存在することである。プラズマは「中空電極」作用により孔内で特に強力であってよい。面板の背後または面板内にフォイルを設置することによって、制御開口部はプラズマ損傷から保護でき、かつそのようにして気流を制御するために臨界的寸法を維持する。面板の開口部はプラズマの制御開口部への到達を停止するために最適であってよい。

他の構成において、フォイル１６はシャワーヘッドの面板の処理側面に結合される。このことは、処理容器に暴露される面板の処理面が交換を必要とするとか、または処理によって何らかにより消耗し、かつ／または高価な材料で形成される場合に有用である。例えば珪素または炭素または炭化珪素フォイルがアルミニウムシャワーヘッドの面板の前面に接合されてよい。このフォイルは適宜手段、例えば低溶融温度の金属によってシャワーヘッドの面板へ結合できる。このフォイルは、エッチングによる貫通孔を有するシリコーンウエハとして形成されてよい。

本発明の形態の利点は、安価であり、かつシャワーヘッドの他の要件と独立に開口部を制限する気流を形成する精度が機械的に強力であり、電気および熱伝導率を有することである。面板の孔は、もはや気流制御開口部を形成しないので、シート内の孔よりも相当に大きくてよく、かつこのことは面板の製造および清掃を非常に容易にする。

理解されるように、気流を制御する孔１８は同一寸法である必要はなく、また面板の孔９ごとに孔１８を設ける必要もないので、フォイルの孔１８は、面板の孔９と一致させることなく面板の処理側に「盲孔」を形成してよい。

シャワーヘッドの全体図を示す。 フォイルを含む本発明の一実施形態によるシャワーヘッドの詳細説明図である。 フォイルの平面図である。 従来技術による二重気体シャワーヘッドの詳細説明図である。 二重気体シャワーヘッドの本発明による他の形態の詳細説明図である。

Claims (21)

1. 気体容器（１０）へ通じる気体入口（８）、
   前記気体容器と処理スペース（１１）との間に取り付けられかつ複数の孔（９）を有する面板（６）、および
   前記面板の孔の最小直径よりも小さい寸法の複数の孔（１８）を有するシート（１６）を含む基板（３）を処理するためのシャワーヘッド（５）であって、
   前記シートは、流体が前記シートの孔を介して前記気体容器から前記処理スペースへ通過するように前記シャワーヘッド内または前記シャワーヘッド上に取り付けられている、シャワーヘッド。
2. 前記シート（１６）は前記面板（６）に封止されている、請求項１のシャワーヘッド。
3. 前記シート（１６）は前記面板（６）へ取り付けられている、請求項１または２のシャワーヘッド。
4. 前記シート（１６）は前記気体容器（１０）と前記面板（６）との間に取り付けられている、請求項１から３のいずれか１のシャワーヘッド。
5. 前記面板の孔（９）の少なくとも幾つかは前記シートの孔（１８）と整列していない、請求項４のシャワーヘッド。
6. 前記シート（１６）は前記面板（６）と前記処理スペース（１１）との間に取り付けられている、請求項１から３のいずれか１のシャワーヘッド。
7. 前記シート（１６）はフッ素掃去剤で形成されている、請求項６のシャワーヘッド。
8. 前記シート（１６）は珪素または炭素を含む、請求項６のシャワーヘッド。
9. 前記面板の孔（９）および前記シートの孔（１８）は実質的に整列している、請求項１から８のいずれか１のシャワーヘッド。
10. 前記シャワーヘッド（５）は、複数の孔を有する仕切板（１９）を更に含み、前記仕切板は二つの容器を形成し、かつ前記シート（１６）は前記仕切板に隣接して取り付けられている、請求項１から９のいずれか１のシャワーヘッド。
11. 前記シート（１６）は前記仕切板（１９）の孔と前記面板（６）の孔（９）との間に取り付けられている、請求項１０のシャワーヘッド。
12. 前記シャワーヘッドは、更に、前記シート（１６）に隣接する他のシート（１９）を含み、前記他のシートの孔は前記シート（１６）の孔よりも大きい寸法であり、前記シートおよび前記他のシートは流体がそれらの両シートの孔へ流れるように構成されている、請求項１から１１のいずれか１のシャワーヘッド。
13. 前記シート（１６）は弾性材または金属またはプラスチックで形成されている、請求項１から１２のいずれか１のシャワーヘッド。
14. 前記他のシート（１９）は弾性材で形成されている、請求項１２のシャワーヘッド。
15. 前記シートの孔（１８）は略０．５mmまたはそれよりも小さい直径である、請求項１から１４のいずれか１のシャワーヘッド。
16. 前記シートの孔（１８）は略０．１５mmの直径である、請求項１から１５のいずれか１のシャワーヘッド。
17. シート（１６）に複数の孔（１８）を形成し、かつ
    気体容器（１０）に通じる気体入口（８）、および前記気体容器と処理スペース（１１）との間に取り付けられた面板（６）を有するシャワーヘッド（５）のシャワーヘッド内または上に、前記気体容器から前記シートの孔を介して前記処理スペースへ流体が通過するように、前記シートを取り付ける、各工程を含む基板処理用シャワーヘッド（５）を製造する方法。
18. 前記シートの孔（１８）はフォトエッチング、スパーク腐蝕、レーザー成形、金型成形、スタンピング、ダイカッティング、またはプラズマエッチングにより形成される、請求項１７の方法。
19. 基板処理用のシャワーヘッド（５）に取り付けられるシート（１６）であって、
    前記シャワーヘッドの面板（６）内の孔（９）の最小直径よりも小さい直径の複数の孔（１８）を有する、シート。
20. 前記シート（１６）の厚みが１ｍｍよりも小さい、請求項１９のシート。
21. 少なくとも一部が弾性材により形成されている、請求項１９または２０のシート。

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