JP2023544116A - 高温プロセスのための軸方向に冷却される金属シャワーヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】【解決手段】シャワーヘッドのベース部分は、第１の金属材料からなり、ガス入口を含む第１の表面と、第２の表面と、を有し、通路を含む。フェースプレートは、第２の金属材料からなり、第２の表面に取り付けられた側面を有し、第２の表面とともにプレナムを画定する底面を有する。フェースプレートは、プレナムを通って上方へ底面から延在し第２の表面に接触する壁と、壁に沿って配置された出口と、を含む。ヒータが、ベース部分の周囲に沿った溝内に配設される。冷却プレートが、第１の表面上に配置され、冷却材のための導管を含む。プレートが、第１および第２の金属材料よりも低い熱伝導率を有する第３の材料からなり、冷却プレートとベース部分との間に配置される。【選択図】図４

Description

関連出願の相互参照：
本開示は、２０２０年９月２５日に出願された米国特許出願第６３／０８３，４４２号のＰＣＴ国際出願である。上記の出願の開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に、基板処理システムに関し、より詳細には、高温プロセスのための軸方向に冷却される金属シャワーヘッドに関する。

本明細書に提供される背景技術の説明は、本開示の文脈を概ね提示する目的のためのものである。この背景技術の項に記載される範囲での現時点で名前が挙げられている発明者らの研究と、出願時に従来技術として通常みなされえない記載の態様とは、いずれも本開示に対する従来技術としては明示的にも暗示的にも認められない。

原子層堆積（ＡＬＤ）は、材料の表面（例えば、半導体ウェハなどの基板の表面）上に薄膜を堆積するための気相化学プロセスを順次実行する薄膜堆積方法である。ほとんどのＡＬＤ反応は、前駆体（反応物）と呼ばれる少なくとも２つの化学物質を使用し、これらの化学物質は、順次自己制限的に一度に１つの前駆体で材料の表面と反応する。別々の前駆体への繰り返される曝露により、薄膜が、材料の表面上に徐々に堆積される。

熱ＡＬＤ（Ｔ－ＡＬＤ）は、加熱された処理チャンバ内で実施される。処理チャンバは、真空ポンプおよび不活性ガスの制御された流れを用いて大気圧未満の圧力に維持される。ＡＬＤ膜で被覆されるべき基板は、処理チャンバ内に置かれ、ＡＬＤプロセスを開始する前に処理チャンバの温度と平衡にされる。

シャワーヘッドは、ベース部分と、フェースプレートと、ヒータと、冷却プレートと、金属プレートと、を備える。ベース部分は、第１の金属材料からなり、ガス入口を含む第１の表面と、第１の表面に対向する第２の表面と、を有し、ガス入口と流体連通する複数の通路を含む。フェースプレートは、第２の金属材料からなり、ベース部分の第２の表面に取り付けられた側面と、底面と、を有する。フェースプレートの側面および底面と、ベース部分の第２の表面とは、複数の通路と流体連通するプレナムを画定する。フェースプレートは、プレナムを通って上方へ底面から延在しベース部分の第２の表面に接触する複数の壁を含む。底面は、複数の壁に沿って配置されプレナムと流体連通する複数の出口を含む。ヒータは、ベース部分の周囲に沿った溝内に配設される。冷却プレートは、ベース部分の第１の表面上に配置され、冷却材を受け入れるための入口と、出口と、を有する導管を含む。金属プレートは、第１の金属材料および第２の金属材料よりも低い熱伝導率を有する第３の金属材料からなり、シャワーヘッドの冷却プレートとベース部分との間に配置される。

他の特徴では、冷却プレートおよび金属プレートの外径は、溝の内径以下である。

他の特徴では、複数の壁は、垂直かつ同心円状である。

別の特徴では、複数の壁は、異なる高さを有する。

別の特徴では、複数の壁は、異なる幅を有する。

他の特徴では、壁および出口は、フェースプレートの領域内に配置され、冷却プレートおよび金属プレートの外径は、領域の直径以下である。

他の特徴では、複数の壁および出口は、フェースプレートの領域内に配置され、領域の直径は、溝の内径以下である。

他の特徴では、冷却プレートおよび金属プレートは、ベース部分およびフェースプレートの外径よりも小さい直径を有する。

他の特徴では、第１の金属材料および第２の金属材料は同じである。

他の特徴では、ベース部分は、ベース部分の上端から半径方向外側に延在するフランジを含み、シャワーヘッドは、ヒータ上に配置された垂直部分を有するとともにフランジに取り付けられた水平部分を有する締め付けリングをさらに備える。

他の特徴では、金属プレートは、上面および底面の少なくとも一方に１つまたは複数の凹部を含む。

別の特徴では、シャワーヘッドは、金属プレートとベース部分との間に配置された非金属からなる追加プレートをさらに備える。

別の特徴では、非金属は、第３の金属材料よりも低い熱伝導率を有する。

別の特徴では、追加プレートの外径は、金属プレートの外径以下である。

別の特徴では、金属プレートは、追加プレートよりも厚い。

別の特徴では、フェースプレートは、ベース部分に拡散接合される。

別の特徴では、ベース部分およびフェースプレートは、耐食材料で被覆される。

他の特徴では、金属プレートは、１つまたは複数の凹部を含む第１の層と、平坦である第２の層と、１つまたは複数の凹部を含む第３の層と、を備える。

他の特徴では、第１の層、第２の層、および第３の層は、拡散接合される。

他の特徴では、第１の層および第３の層の凹部は、互いに位置合わせされる。

他の特徴では、第１の層および第３の層の凹部は、部分的に重なる。

他の特徴では、第１の層および第３の層の凹部は、重ならない。

他の特徴では、ベース部分は、第１および第２の円板形要素と、円筒形要素と、を備える。第１の円板形要素は、第１の円板形要素の外径に近接する溝を含む。ヒータは、溝内に配置される。第２の円板形要素は、第１の円板形要素上に配置され、溝の内径以下である外径を有する。円筒形要素は、第１の円板形要素上に配置され、溝の外径以上である内径を有する。

他の特徴では、第１の円板形要素および第２の円板形要素ならびに円筒形要素は、拡散接合される。

別の特徴では、溝は、第１の円板形要素の上面から第１の円板形要素の底面に向かって垂直に延在する。

他の特徴では、第１の円板形要素および第２の円板形要素ならびに円筒形要素の底部の外径は、等しい。

他の特徴では、第１の円板形要素は、第１の円板形要素の上面の中心にスロットを備える。スロットは、ガス入口と流体連通し、スロットから半径方向に延在する複数の溝を含む。通路は、溝の遠端から第１の円板形要素の底面へ下方に向かい、底面を通って延在する。

他の特徴では、円筒形要素の上端は、半径方向外側に延在するフランジを含み、シャワーヘッドは、ヒータ上に配置された垂直部分を有するとともにフランジに取り付けられた水平部分を有する締め付けリングをさらに備える。

他の特徴では、フェースプレートは、フェースプレートの中心から半径方向外側に延在する複数の溝を含む。

他の特徴では、複数の溝は、異なる長さである。

他の特徴では、複数の壁は、垂直かつ同心円状であり、複数の溝は、壁と交差する。

他の特徴では、フェースプレートは、底面の外径に沿った環状凹みを含み、シャワーヘッドは、環状凹み内に配設されたエッジリングをさらに備える。

他の特徴では、処理チャンバは、シャワーヘッドおよびペデスタルを備える。エッジリングは、ペデスタルの上面の外縁に近接する。

別の特徴では、エッジリングと、ペデスタルの上面の外縁との間のギャップを通る半径方向外側へのガス流は、処理チャンバからの汚染物質が、基板処理中にギャップを通ってペデスタル上に配置された基板に向かって流れることを防止する。

他の特徴では、システムは、シャワーヘッドと、ガス入口にプロセスガスを供給するためのガス分配システムと、冷却プレート内の導管に流体を供給するための流体分配システムと、ヒータに電力を供給するための電源とを備える。

別の特徴では、システムは、ガス分配システムと、流体分配システムと、電源と、を制御するためのコントローラをさらに備える。

さらに他の特徴では、シャワーヘッドは、ベース部分と、フェースプレートと、冷却プレートと、第１の金属プレートと、第２のプレートと、を備える。ベース部分は、ガス入口を含む第１の表面と、第１の表面に対向する第２の表面と、を有する。ベース部分は、ガス入口と流体連通する複数の通路を含む。フェースプレートは、ベース部分の第２の表面に取り付けられた側面と、複数の出口を含む底面と、を有する。フェースプレートは、上方へ底面から上方へ延在しベース部分の第２の表面に接触する複数の壁を含む。冷却プレートは、ベース部分の第１の表面上に配置される。冷却プレートは、冷却材を受け入れるための入口と、出口と、を有する導管を含む。第１の金属プレートは、シャワーヘッドの冷却プレートとベース部分との間に配置される。第１の金属プレートは、フェースプレートおよび冷却プレートよりも低い熱伝導率を有する。第２のプレートは、第１の金属プレートとベース部分との間に配置される。第２のプレートは、第１の金属プレートよりも低い熱伝導率を有する非金属からなる。

別の特徴では、第１の金属プレートは、１つまたは複数の凹部を含む第１の層と、平坦である第２の層と、１つまたは複数の凹部を含む第３の層と、を備える。

別の特徴では、ベース部分は、第１の円板形要素と、第２の円板形要素と、円筒形要素と、を備える。第１の円板形要素は、第１の円板形要素の外径に近接する溝内に配置されたヒータを含む。第２の円板形要素は、第１の円板形要素上に配置され、溝の内径以下である外径を有する。円筒形要素は、第１の円板形要素上に配置され、溝の外径以上である内径を有する。円筒形要素の底部ならびに第１の円板形要素および第２の円板形要素の外径は、等しい。

他の特徴では、第１の円板形要素は、第１の円板形要素の上面の中心にスロットを備える。スロットは、ガス入口と流体連通し、スロットから半径方向に延在する複数の溝を含む。通路は、溝の遠端から第１の円板形要素の底面へ下方に向かい、底面を通って延在する。

他の特徴では、円筒形要素の上端は、半径方向外側に延在するフランジを含む。シャワーヘッドは、ヒータ上に配置された垂直部分を有するとともにフランジに取り付けられた水平部分を有する締め付けリングをさらに備える。

他の特徴では、フェースプレートは、フェースプレートの中心から半径方向外側に延在する複数の溝を含む。溝は、異なる長さである。壁は、垂直かつ同心円状である。溝は、壁と交差する。フェースプレートは、底面の外径に沿った環状凹みを含む。環状凹みは、エッジリングを含み、エッジリングは、エッジリングと、ペデスタルの上面の外縁との間のギャップを通る半径方向外側へのガス流を可能にする。

さらに他の特徴では、シャワーヘッドは、ベース部分と、フェースプレートと、ヒータと、冷却プレートと、プレートと、を備える。ベース部分は、第１の金属材料からなる。ベース部分は、ガス入口を含む第１の表面と、第１の表面に対向する第２の表面と、を有する。ベース部分は、ガス入口と流体連通する複数の通路を含む。フェースプレートは、第２の金属材料からなる。フェースプレートは、ベース部分の第２の表面に取り付けられた側面と、底面と、を有する。フェースプレートの側面および底面と、ベース部分の第２の表面とは、複数の通路と流体連通するプレナムを画定する。フェースプレートは、プレナムを通って上方へ底面から延在しベース部分の第２の表面に接触する複数の壁を含む。底面は、壁に沿って配置されプレナムと流体連通する複数の出口を含む。ヒータは、ベース部分の周囲に沿った溝内に配設される。冷却プレートは、ベース部分の第１の表面上に配置される。冷却プレートは、冷却材を受け入れるための入口と、出口と、を有する導管を含む。プレートは、第１および第２の金属材料よりも低い熱伝導率を有する第３の材料からなる。プレートは、シャワーヘッドの冷却プレートとベース部分との間に配置される。

他の特徴では、冷却プレートおよびプレートの外径は、溝の内径以下である。

他の特徴では、複数の壁は、垂直かつ同心円状である。複数の壁は、異なる高さを有する。複数の壁は、異なる幅を有する。

他の特徴では、複数の壁および出口は、フェースプレートの領域内に配置される。冷却プレートおよびプレートの外径は、領域の直径以下である。領域の直径は、溝の内径以下である。

他の特徴では、ベース部分は、ベース部分の上端から半径方向外側に延在するフランジを含む。シャワーヘッドは、ヒータ上に配置された垂直部分を有するとともにフランジに取り付けられた水平部分を有する締め付けリングをさらに備える。

他の特徴では、第３の材料は、熱可塑性材料を含む。シャワーヘッドは、プレートと冷却プレートとの間に配置された追加プレートをさらに備える。追加プレートは、第３の材料とは異なる熱伝導率を有する。

他の特徴では、追加プレートの第１の外径は、プレートの第２の外径以上である。プレートは、追加プレートよりも薄い。

他の特徴では、第３の材料は、熱可塑性材料を含む。プレートは、１つまたは複数の凹部を含む第１の層と、平坦である第２の層と、１つまたは複数の凹部を含む第３の層と、を備える。

他の特徴では、第１の層および第３の層の凹部は、互いに位置合わせされ、第１の層および第３の層の凹部は、部分的に重なり、または、第１の層および第３の層の凹部は、重ならない。

他の特徴では、ベース部分は、第１の円板形要素と、第２の円板形要素と、円筒形要素と、を備える。第１の円板形要素は、第１の円板形要素の外径に近接する溝を含む。ヒータは、溝内に配置される。第２の円板形要素は、第１の円板形要素上に配置され、溝の内径以下である外径を有する。円筒形要素は、第１の円板形要素上に配置され、溝の外径以上である内径を有する。第１の円板形要素および第２の円板形要素ならびに円筒形要素の底部の外径は、等しい。第１の円板形要素および第２の円板形要素ならびに円筒形要素は、拡散接合される。

他の特徴では、第１の円板形要素は、第１の円板形要素の上面の中心にスロットを備える。スロットは、ガス入口と流体連通し、スロットから半径方向に延在する複数の溝を含む。通路は、溝の遠端から第１の円板形要素の底面へ下方に向かい、底面を通って延在する。

他の特徴では、円筒形要素の上端は、半径方向外側に延在するフランジを含む。シャワーヘッドは、ヒータ上に配置された垂直部分を有するとともにフランジに取り付けられた水平部分を有する締め付けリングをさらに備える。

他の特徴では、フェースプレートは、フェースプレートの中心から半径方向外側に延在する複数の溝を含む。複数の溝は、異なる長さである。複数の壁は、垂直かつ同心円状である。複数の溝は、壁と交差する。

他の特徴では、処理チャンバは、シャワーヘッドおよびペデスタルを備える。フェースプレートは、底面の外径に沿った環状凹みを含む。シャワーヘッドは、環状凹み内に配設されたエッジリングを含む。エッジリングは、ペデスタルの上面の外縁に近接する。エッジリングと、ペデスタルの上面の外縁との間のギャップを通る半径方向外側へのガス流は、処理チャンバからの汚染物質が、基板処理中にギャップを通ってペデスタル上に配置された基板に向かって流れることを防止する。

さらに他の特徴では、シャワーヘッドは、ベース部分と、フェースプレートと、冷却プレートと、プレートと、を備える。ベース部分は、ガス入口を含む第１の表面と、第１の表面に対向する第２の表面と、を有する。ベース部分は、ガス入口と流体連通する複数の通路を含む。フェースプレートは、ベース部分の第２の表面に取り付けられた側面と、複数の出口を含む底面と、を有する。フェースプレートは、上方へ底面から上方へ延在しベース部分の第２の表面に接触する複数の壁を含む。冷却プレートは、ベース部分の第１の表面上に配置される。冷却プレートは、冷却材を受け入れるための入口と、出口と、を有する導管を含む。プレートは、フェースプレートおよび冷却プレートよりも低い熱伝導率を有する。プレートは、シャワーヘッドの冷却プレートとベース部分との間に配置される。

他の特徴では、プレートは、熱可塑性材料からなる。プレートは、１つまたは複数の凹部を含む第１の層と、平坦である第２の層と、１つまたは複数の凹部を含む第３の層と、を備える。

他の特徴では、ベース部分は、第１の円板形要素と、第２の円板形要素と、円筒形要素と、を備える。第１の円板形要素は、第１の円板形要素の外径に近接する溝内に配置されたヒータを含む。第２の円板形要素は、第１の円板形要素上に配置され、溝の内径以下である外径を有する。円筒形要素は、第１の円板形要素上に配置され、溝の外径以上である内径を有する。円筒形要素の底部ならびに第１の円板形要素および第２の円板形要素の外径は、等しい。

他の特徴では、第１の円板形要素は、第１の円板形要素の上面の中心にスロットを備える。スロットは、ガス入口と流体連通し、スロットから半径方向に延在する複数の溝を含む。通路は、溝の遠端から第１の円板形要素の底面へ下方に向かい、底面を通って延在する。

他の特徴では、円筒形要素の上端は、半径方向外側に延在するフランジを含む。シャワーヘッドは、ヒータ上に配置された垂直部分を有するとともにフランジに取り付けられた水平部分を有する締め付けリングをさらに備える。

他の特徴では、フェースプレートは、フェースプレートの中心から半径方向外側に延在する複数の溝を含む。複数の溝は、異なる長さである。複数の壁は、垂直かつ同心円状である。複数の溝は、壁と交差する。フェースプレートは、底面の外径に沿った環状凹みを含む。環状凹みは、エッジリングを含み、エッジリングは、エッジリングと、ペデスタルの上面の外縁との間のギャップを通る半径方向外側へのガス流を可能にする。

本開示の適用可能性のさらなる領域は、詳細な説明、特許請求の範囲および図面から明らかとなるであろう。詳細な説明および具体例は、例示のみの目的を意図しており、本開示の範囲を限定することを意図していない。

本開示は、詳細な説明および添付の図面から、より十分に理解されるであろう。

処理チャンバを含む基板処理システムの一例を示す図である。

シャワーヘッドの一例を示す図である。

複数の垂直壁を有するフェースプレートを備えるシャワーヘッドの一例を示す図である。

複数の垂直壁を有するフェースプレートおよび熱チョークを備えるシャワーヘッドの一例を示す図である。

図４のシャワーヘッドをペデスタルとともに示す図である。

図４のシャワーヘッドの熱チョークの一例を示す図である。

図４のシャワーヘッドの上面図である。

図４のシャワーヘッドの底面図である。

図４のシャワーヘッドをさらに詳細に示す図である。 図４のシャワーヘッドをさらに詳細に示す図である。

図４のシャワーヘッドの等角図である。 図４のシャワーヘッドの側断面図である。

図４のシャワーヘッドのフェースプレートの等角図である。 図４のシャワーヘッドのフェースプレートの上断面図である。

図面において、参照番号は類似および／または同一の要素を特定するために再利用されることがある。

アルミニウムなどの金属からなるシャワーヘッドは、摂氏約５７５～６５０度のペデスタル温度を要求するプロセスの場合にシャワーヘッドへの比較的大きい熱流が生じるため、比較的高いペデスタル温度で実行されるプロセスのためには一般的に使用されない。シャワーヘッドへの熱流は、シャワーヘッドの中心領域からエッジ領域へ半径方向に駆動される熱フラックス方向によって一般に相殺される。シャワーヘッドのエッジ領域では、処理チャンバのより冷たい上部プレートまたは側壁への熱結合が生じる。熱結合は、金属シャワーヘッド内に（例えば、摂氏約８０～１２０度の）温度勾配を引き起こす。その温度勾配は、結果として、特に（例えば、ＡＬＤなどのプロセスにおいて）シャワーヘッドと基板との間のギャップが比較的小さい場合に、シャワーヘッドと基板との間の熱結合により、処理中に基板内に比較的大きい温度勾配を引き起こす。

本開示では、シャワーヘッド内の垂直プレナム壁を通る熱流経路が、シャワーヘッドの底部から上部への軸方向熱流を向上させ、結果としてシャワーヘッドを横切る半径方向の温度勾配を低減する。具体的には、シャワーヘッドの中心に空洞を有する開いたプレナムを使用する代わりに、本開示によるシャワーヘッドは、シャワーヘッド内にガス流を分配するためにシャワーヘッドのフェースプレートにおけるスポーク状の溝（以下で詳細に図示および説明される）を使用する。スポーク状の溝は、シャワーヘッドのプレナム内に、二重の目的にかなう垂直壁を含めることを可能にする。シャワーヘッド内にガス流を分配することに加えて、これらの壁はまた、シャワーヘッドの底部から上部への熱流経路を提供する。シャワーヘッド内に結果として生じる軸方向の熱流経路および軸方向の温度勾配は、シャワーヘッドのフェースプレートを横切る半径方向の温度範囲を（例えば、いくつかのプロセスでは摂氏約１５０度から摂氏約３０度に）大幅に低減する。

追加的な熱管理のために、加熱、冷却、および熱チョーク（以下で説明される）の組合せが、本開示によるシャワーヘッドにおいて使用される。冷却プレートは、シャワーヘッドの上面上に配置され、温度制御のためにシャワーヘッドのエッジにおける加熱容量を保持しながら、シャワーヘッドの中心領域を冷却するように設計される。ヒータコイルが、シャワーヘッドの周囲に沿って配設される。熱チョークは、以下で説明されるようにシャワーヘッドの冷却プレートとフェースプレートとの間に配置される。

加熱、冷却、および熱チョークにより、シャワーヘッドを比較的冷たく（例えば、摂氏２００度よりも低い温度に）保持しながら、シャワーヘッドは、シャワーヘッドとペデスタルとの間に比較的小さいギャップを有しつつ、摂氏６５０度程度の高温で実行されるプロセスにおいて使用され得る。シャワーヘッドを冷たく保持することは、シャワーヘッドに付けられる耐食被覆を保護する。加熱、冷却、および熱チョークによって提供される熱管理により、シャワーヘッドは、このような縮小されたギャップで動作しながら、ペデスタルからの熱負荷によって損傷されない。

さらに、シャワーヘッドとペデスタルとの間のギャップを縮小することによって、シャワーヘッドを通って流れるガスの体積は、シャワーヘッドにおいて空洞のあるプレナムを使用する代わりにシャワーヘッドにおけるガス分配のために使用される溝および壁により大幅に低減され得る。流れ体積の低減は、プロセスにおける前駆体消費を低減することに役立ち、これはコストを低減する。流れ体積の低減により、プロセスガスは迅速にパージされ得、これはガス遷移間の継続時間を短縮し、結果としてＡＬＤなどのプロセスにおけるサイクル時間を短縮する。短縮されたサイクル時間により、より多数の基板が、同じ長さの時間内に処理され得、これはスループットを増大させる。本開示によるシャワーヘッドのこれらおよび他の特徴は、以下で詳細に説明される。

本開示は、以下のように編成される。本開示によるシャワーヘッドが使用され得る処理チャンバの一例が、図１を参照して図示および説明される。本開示のシャワーヘッドによって解決される課題が、図２を参照して説明される。課題を解決する本開示によるシャワーヘッドの例が、図３～図５を参照して図示および説明される。図４のシャワーヘッドにおいて使用される熱チョークの例が、図６を参照して図示および説明される。図４のシャワーヘッドの上面図および底面図が、それぞれ図７および図８を参照して図示および説明される。図４のシャワーヘッドは、図９Ａ～図１１Ｂを参照してさらに詳細に図示および説明される。

図１は、熱原子層堆積（Ｔ－ＡＬＤ）を用いて基板を処理するように構成された処理チャンバ１０２を備える基板処理システム１００の一例を示す。処理チャンバ１０２は、基板処理システム１００の他の構成要素を包囲する。処理チャンバ１０２は、基板支持体（例えば、ペデスタル）１０４を備える。処理中に、基板１０６がペデスタル１０４上に配置される。

１つまたは複数のヒータ１０８（例えば、ヒータアレイ）が、処理中に基板１０６を加熱するために、ペデスタル１０４の金属製ベースプレート上に配置されたセラミックプレート内に配設され得る。ゾーンヒータまたは一次ヒータ（図示せず）と呼ばれる１つまたは複数の追加的なヒータが、ヒータ１０８の上方または下方でセラミックプレート内に配置され得る。さらに、図示しないが、ペデスタル１０４を冷却するために冷却材が通って流れ得る冷却チャネルを備える冷却システムが、ペデスタル１０４のベースプレート内に配設され得、１つまたは複数の温度センサが、ペデスタル１０４の温度を検知するためにペデスタル１０４内に配設され得る。

処理チャンバ１０２は、処理チャンバ１０２内にプロセスガスを導入および分配するために、シャワーヘッドなどのガス分配装置１１０を備える。ガス分配装置（以下、シャワーヘッド）１１０は、アルミニウムなどの金属または合金からなる。シャワーヘッド１１０は、一方の端部が処理チャンバ１０２の上面に接続されたステム部分１１２を含み得る。シャワーヘッド１１０のベース部分１１４は、略円筒形であり、処理チャンバ１０２の上面から離間した位置でステム部分１１２の反対側の端部から半径方向外側に延在する。

シャワーヘッド１１０のベース部分１１４の基板対向面は、フェースプレート（後の図に示す）を備える。フェースプレートは、前駆体が通って処理チャンバ１０２内に流れる複数の出口または特徴部（例えば、スロットまたはスルーホール）を備える。シャワーヘッド１１０のフェースプレートは、図１０Ａ～図１１Ｂを参照して詳細に図示および説明される。

シャワーヘッド１１０はまた、冷却プレートおよびヒータ（後の図を参照して図示および説明される）を備える。冷却プレートは、以下で説明されるように冷却材が通って循環することができる導管（図７を参照）を含む。さらに、図示しないが、１つまたは複数の温度センサが、シャワーヘッド１１０の温度を検知するためにシャワーヘッド１１０内に配設され得る。シャワーヘッド１１０は、１つまたは複数の熱チョークおよびエッジリングなどの追加的な特徴部を備え、これらは後の図を参照して詳細に図示および説明される。

ガス配送システム１３０は、１つまたは複数のガス源１３２－１、１３２－２、．．．、および１３２－Ｎ（まとめて、ガス源１３２）を備え、ここでＮは、０よりも大きい整数である。ガス源１３２は、バルブ１３４－１、１３４－２、．．．、および１３４－Ｎ（まとめて、バルブ１３４）およびマスフローコントローラ１３６－１、１３６－２、．．．、および１３６－Ｎ（まとめて、マスフローコントローラ１３６）によってマニホールド１３９に接続される。マニホールド１３９の出力は、処理チャンバ１０２に送られる。ガス源１３２は、プロセスガス、洗浄ガス、パージガス、不活性ガスなどを処理チャンバ１０２に供給することができる。

流体配送システム１４０が、ペデスタル１０４内の冷却システムに、およびシャワーヘッド１１０内の冷却プレートに、冷却材を供給する。温度コントローラ１５０が、ペデスタル１０４内のヒータ１０８、ゾーンヒータ、冷却システム、および温度センサに接続され得る。温度コントローラ１５０はまた、シャワーヘッド１１０内の冷却プレート、ヒータ、および温度センサに接続され得る。温度コントローラ１５０は、ペデスタル１０４および基板１０６の温度を制御するために、ヒータ１０８、ゾーンヒータに供給される電力と、ペデスタル１０４内の冷却システムを通る冷却材の流れと、を制御し得る。温度コントローラ１５０はまた、シャワーヘッド１１０の温度を制御するために、シャワーヘッド１１０内に配設されたヒータに供給される電力と、シャワーヘッド１１０の冷却プレート内に配設された導管を通る冷却材の流れと、を制御し得る。

真空ポンプ１５８が、基板処理中に処理チャンバ１０２の内部に大気圧未満の圧力を維持する。バルブ１５６が、処理チャンバ１０２の排気ポートに接続される。バルブ１５６および真空ポンプ１５８は、処理チャンバ１０２内の圧力を制御するため、および、バルブ１５６を介して処理チャンバ１０２から反応物を排気するために、使用される。システムコントローラ１６０が、基板処理システム１００の構成要素を制御する。

図２は、ベース部分２０２およびフェースプレート２０４を備えるシャワーヘッド２００を示し、フェースプレート２０４は、ベース部分２０２の底面２０３から空間的オフセットをもってベース部分２０２に取り付けられる。シャワーヘッド２００（すなわち、ベース部分２０２およびフェースプレート２０４の両方）は、アルミニウムなどの金属または合金からなる。いくつかの例では、ベース部分２０２およびフェースプレート２０４は異なる金属または合金からなっていてもよい。

ベース部分２０２の底面２０３は、非平面である。例えば、ベース部分２０２の底面２０３は、実質的に凹面である。フェースプレート２０４の上面２０９は、平面である。ベース部分２０２の底面２０３と、フェースプレート２０４の上面２０９とは、プレナム２０６を画定する。

ベース部分２０２の上面２０５は、実質的に平面である。上面２０５は、上面２０５の外径（ＯＤ）に近接する溝２０７を含む。ヒータコイル２１２が、平坦リング２２３を用いて溝２０７内に搭載される。平坦リング２２３は、ベース部分２０２の上面２０５と同一平面にあり、溝２０７の外縁からベース部分２０２の中心に向かって半径方向内側に延在する。上面２０５は、溝２０７のＯＤから上面２０５のＯＤに向かって半径方向外側に延在してから、垂直下方に延在した後、ベース部分２０２の中心に向かって半径方向内側に延在して、第１のフランジ２１１を形成する。

処理チャンバの上部プレート２１３が、シャワーヘッド２００のベース部分２０２およびフェースプレート２０４を取り囲む。上部プレート２１３は、上部プレート２１３の内径（ＩＤ）から半径方向内側に延在するフランジ２１７を含む。ベース部分２０２の第１のフランジ２１１は、上部プレート２１３のフランジ２１７の上に張り出す。Ｏリング２１５が、フランジ２１７内の溝２１９内に配設される。

ベース部分２０２は、ベース部分２０２のＯＤにおいて底面２０３から垂直上方に延在してから、半径方向外側に延在した後、第１のフランジ２１１の底部へ垂直上方に延在して、第２のフランジ２２９を形成する。第２のフランジ２２９は、第１のフランジ２１１よりも小さい直径を有する。フェースプレート２０４の周囲部分２３１が、フェースプレート２０４のＯＤから第２のフランジ２２９へ垂直上方に延在する。フェースプレート２０４は、第２のフランジ２２９においてベース部分２０２に取り付けられる。

シャワーヘッド２００は、ステム部分２０８を有する。ステム部分２０８の一端は、処理チャンバの上部に取り付けられる。ステム部分２０８の他端は、締結具２２１－１、２２１－２を用いてベース部分２０２の上部領域２３７の中心に取り付けられる。ステム部分２０８は、ガス配送システムから１つまたは複数のガスを受け入れるための入口２１０を含む。入口２１０は、ステム部分２０８を通り、ベース部分２０２の中心を通って、プレナム２０６内へ垂直下方に延在する。ガスは、入口２１０からプレナム２０６内へ流れてから、複数の孔２２７－１、２２７－２、２２７－３、．．．、および２２７－Ｎ（まとめて、スルーホール２２７）を通り、ここでＮは、１よりも大きい整数であり、処理チャンバ内へ流れる。

冷却プレート２１４が、ベース部分２０２の上方に配置される。冷却プレート２１４は、ベース部分２０２のＯＤに実質的に等しいＯＤを有する環状である。冷却プレート２１４のＩＤは、溝２０７のＩＤに実質的に等しい。冷却プレート２１４は、流体配送システムからの冷却材が通って流れる導管２２５を含む。導管２２５は、冷却プレート２１４内の溝２３３内に配設される。冷却プレート２１４は、ベース部分２０２のエッジにおける冷却を提供する。

比較的高温を要求するプロセス（例えば、ＡＬＤ）においてペデスタルに極めて近接して使用される場合、シャワーヘッド２００のフェースプレート２０４は、比較的大きい半径方向温度勾配を有する。例えば、熱は、矢印によって示される経路に沿って、フェースプレート２０４の中心からフェースプレート２０４のＯＤに向かい、冷却プレート２１４へ向かって上方へ流れる。例えば、いくつかのプロセスでは、フェースプレート２０４の中心における温度は、摂氏約３３０度であり得る一方、フェースプレート２０４のエッジにおける温度は、（処理チャンバの比較的冷たい上部プレート２１３への熱損失により）摂氏約１９０度であり得る結果として、フェースプレート２０４を横切る半径方向温度勾配は摂氏約１４０度となる。

図３は、本開示によるペデスタル３１２に極めて近接して配置されるシャワーヘッド３００を示す。シャワーヘッド３００は、ベース部分３０２と、フェースプレート３０４と、を含む。シャワーヘッド３００（すなわち、ベース部分３０２およびフェースプレート３０４の両方）は、アルミニウムなどの金属または合金からなり、互いに拡散接合される。いくつかの例では、ベース部分３０２およびフェースプレート３０４は、異なる金属または合金からなっていてもよい。

ベース部分３０２は、互いに拡散接合された２つの要素３０２－１および３０２－２（まとめて、ベース部分３０２）を備える。第１の要素３０２－１は、円筒形である。第１の要素３０２－１の周囲部分３３３は、垂直上方に延在してから、半径方向外側に延在して、第１の要素３０２－１のＯＤに沿ってフランジ３０７を形成する。第１の要素３０２－１の上面３０１は、実質的に平面であり、溝３１１を含む。溝３１１は、第１の要素３０２－１の周囲部分３３３に近接して位置する。ヒータコイル３２２が、平坦リング３２６を用いて溝３１１内に搭載される。平坦リング３２６は、溝３１１の外縁から第１の要素３０２－１の中心に向かって半径方向内側に延在する。ベース部分３０２の第２の要素３０２－２は、第１の要素３０２－１の上面３０９に取り付けられた平坦な円板形要素である。第２の要素３０２－２は、平坦リング３２６のＩＤに等しいＯＤを有する。

シャワーヘッド３００は、多くの点で、図２に示されるシャワーヘッド２００とは異なる。第１に、シャワーヘッド３００のベース部分３０２およびフェースプレート３０４の構造は、図２に示されるシャワーヘッド２００のベース部分２０２およびフェースプレート２０４の構造とは異なる。具体的には、シャワーヘッド２００のベース部分２０２の底面２０３は非平坦であり、フェースプレート２０４から空間的オフセットをもっているのに対して、シャワーヘッド３００のベース部分３０２の底面３０３は平坦である。

第２に、ベース部分３０２の底面３０３は、フェースプレート３０４の上面３０９と直接接触し、上面３０９もまた平面である。ベース部分３０２およびフェースプレート３０４は、シャワーヘッド２００のプレナム２０６とは異なるプレナム３０５を画定する。シャワーヘッド３００のプレナム３０５は、シャワーヘッド３００のプレナム２０６とは異なるが、その理由は、シャワーヘッド３００のフェースプレート３０４は、シャワーヘッド２００のフェースプレート２０４とは異なり、複数の垂直壁３１６－１、３１６－２、３１６－３、．．．、３１６－Ｎ（まとめて、垂直壁３１６）、ここでＮは１よりも大きい整数、を含むからである。垂直壁３１６は、プレナム３０５を通ってフェースプレート３０４からベース部分３０２に延在するが、シャワーヘッド２００のプレナム２０６には存在しない。

垂直壁３１６は、一様な高さを有してもよく、または、異なる高さを有してもよい。垂直壁３１６は、一様な幅を有してもよく、または、異なる幅を有してもよい。垂直壁３１６は、フェースプレート３０４の底部からフェースプレート３０４の上面３０９に延在し、ベース部分３０２の底面３０３に接触するので、垂直壁３１６は、シャワーヘッド３００の垂直軸に沿ってフェースプレート３０４の底部からベース部分３０２への熱流経路を提供する。したがって、垂直壁３１６は、シャワーヘッド３００の軸方向冷却を提供する。垂直壁３１６によって提供されるこれらの熱流経路および軸方向冷却は、シャワーヘッド３００のフェースプレート３０４を横切る半径方向温度勾配を低減することに役立つ。

第３に、シャワーヘッド３００は、シャワーヘッドの冷却プレート２１４とは異なる冷却プレート３２０を備える。具体的には、環状でありシャワーヘッド２００のエッジにおいてのみ冷却を提供する冷却プレート２１４とは異なり、冷却プレート３２０は、冷却プレート２１４よりもサイズが大きく（シャワーヘッドと接触する表面積がより大きい）、シャワーヘッド３００の中心から（具体的には、以下で説明されるステム部分から）シャワーヘッド３００のベース部分３０２の第２の要素３０２－２のＯＤに延在する。

冷却プレート３２０は、ベース部分３０２の第２の要素３０２－２の上に配設され、第２の要素３０２－２に取り付けられる。冷却プレート３２０は、流体配送システムからの冷却材が通って流れる導管３２４を含む。導管３２４は、冷却プレート３２０内の溝３２５内に配設される。熱は、垂直矢印によって示されるように、フェースプレート３０４の底部から、垂直壁３１６を介して、ベース部分３０２の第１および第２の要素３０２－１、３０２－２を通って冷却プレート３２０に流れる。したがって、シャワーヘッド２００のエッジを冷却する冷却プレート２１４とは異なり、冷却プレート３２０は、シャワーヘッド３００の中心領域を冷却する。

処理チャンバの上部プレート３１３が、シャワーヘッド３００のベース部分３０２およびフェースプレート３０４を取り囲む。上部プレート３１３は、上部プレート３１３の内径（ＩＤ）から半径方向内側に延在するフランジ３１７を含む。ベース部分３０２のフランジ３０７は、上部プレート３１３のフランジ３１７の上に張り出す。Ｏリング３１５が、フランジ３１７内の溝３１９内に配設される。

シャワーヘッド３００は、ステム部分３０８を有する。ステム部分３０８の一端は、処理チャンバの上部に取り付けられる。ステム部分３０８の他端は、ベース部分３０２の第２の要素３０２－２の上面３３５の中心に取り付けられる。ステム部分３０８は、ガス配送システムから１つまたは複数のガスを受け入れるための入口３１０を含む。

入口３１０は、ステム部分３０８を通って垂直下方に延在し、ベース部分３０２の中心においてスロット（一例が図９Ａ～図１０Ｂに示される）を介してプレナム３０５に接続する。フェースプレート３０４の底面３３９は、複数の孔３２７－１、３２７－２、３２７－３、．．．、および３２７－Ｎ（まとめて、スルーホール３２７）を含み、ここでＮは、１よりも大きい整数である。ガスは、入口３１０からスロットを通ってプレナム３０５内へ流れてから、フェースプレート３０４の底面３３９における複数の孔３２７を通って処理チャンバ内へ流れる。フェースプレート３０４の底面３３９は、処理チャンバ内に配置されたペデスタル３１２の上面３４９に極めて近接する。

処理中に、基板３４１がペデスタル３１２上に配置される。ペデスタルは、基板３４１を支持するためにペデスタル３１２の上面３４９を取り囲むリング３４３を含む。図示しないが、ペデスタル３１２は、図１を参照して説明した基板支持体１１０の他の特徴を含む。

以下で説明されるように、冷却プレート３２０の直径を増大させ、ヒータコイル３２２を別様に配置することによって、フェースプレート３０４の垂直壁３１６によって提供されるシャワーヘッド３００の軸方向冷却は向上され得、シャワーヘッド３００を横切る半径方向温度勾配は、さらに低減され得る。以下で説明されるように、熱管理をさらに向上させるため、ならびに、軸方向冷却およびシャワーヘッドを横切る半径方向温度勾配をさらに改善するために、熱チョークが追加され得る。

図４および図５は、本開示によるシャワーヘッド４００を示す。図４は、シャワーヘッド４００を示し、図５は、本開示によるペデスタル３１２上に配置されたシャワーヘッド４００を示す。シャワーヘッド４００は、ベース部分４０２と、フェースプレート４０４と、フランジ部分５３０と、を含む。シャワーヘッド４００（すなわち、ベース部分４０２、フェースプレート４０４、およびフランジ部分５３０）は、アルミニウムなどの金属または合金からなり、互いに拡散接合される。いくつかの例では、ベース部分４０２およびフェースプレート４０４は、異なる金属または合金からなっていてもよい。

シャワーヘッド４００は、多くの点で、シャワーヘッド３００とは異なる。シャワーヘッド３００よりも大きい冷却プレートと、シャワーヘッド３００とは異なるヒータコイルの配置を使用することに加えて、シャワーヘッド４００は、シャワーヘッド３００には存在しない熱チョークをさらに含む。シャワーヘッド４００のこれらの要素は以下で詳細に説明される。

ベース部分４０２およびフェースプレート４０４は、図９Ａ～図１１Ｂを参照してさらに詳細に図示および説明される。簡単に言えば、ベース部分４０２は、３つの構成要素、すなわち、第１の構成要素５００、第２の構成要素５２０、および第３の構成要素５３０を備え、これらはまとめてベース部分４０２と呼ばれる。第１の構成要素５００は、平面状の上面および底面５６０、５６２を有する円板形要素である。第２の構成要素５２０は、第１の構成要素５００の上面５６０に取り付けられた平坦な円板形要素である。

第３の構成要素５３０（これは以下で説明されるフランジ４２８を含むので、上記ではフランジ部分５３０と呼ばれている）は、第１の構成要素５００のＯＤにおいて第１の構成要素５００に取り付けられた円筒形要素である。第１の構成要素５００に取り付けられた第３の構成要素５３０の底部のＯＤは、第１の構成要素５００のＯＤに等しい。第３の構成要素５３０は、第１の構成要素５００のＯＤから垂直に延在してから、半径方向外側に延在して、フランジ４２８を形成する。

第１の構成要素５００の上面５６０は、第１の構成要素５００のＯＤに近接する溝４１１を含む。ヒータコイル４２２が、逆Ｌ字形状を有する締め付けリング５６４を用いて溝４１１内に搭載される。締め付けリング５６４は、ヒータコイル４２２の上部から垂直上方に延在してから、半径方向外側に延在して逆Ｌ字形状を形成し、フランジ４２８に取り付けられる。ベース部分４０２は、図９Ａおよび図９Ｂを参照して以下でさらに詳細に図示および説明される。

シャワーヘッド４００は、多くの点で、図３に示されるシャワーヘッド３００とは異なる。第１に、シャワーヘッド３００にヒータコイル３２２を搭載するために使用される平坦リング３２６が半径方向内側に延在するのとは異なり、シャワーヘッド４００にヒータコイル４２２を搭載するために使用される逆Ｌ字形状の締め付けリング５６４は、垂直上方に延在してから半径方向外側に延在する。締め付けリング５６４のこの逆Ｌ字形状は、シャワーヘッド３００において使用される冷却プレート３２０よりも大きい直径の冷却プレート４２０を使用することを可能にする。冷却プレート４２０のＯＤは、ヒータコイル４２２が配設される溝４１１のＩＤ以下である。冷却プレート４２０の増大したサイズ（直径）は、シャワーヘッド３００に対して冷却プレート３２０によって提供される軸方向冷却と比較して、シャワーヘッド４００の垂直軸に沿った軸方向冷却を向上させる。冷却プレート４２０によって提供される向上した軸方向冷却は、結果として、シャワーヘッド４００のフェースプレート４０４を横切る半径方向温度勾配をさらに低減する。

第２に、シャワーヘッド３００とは異なり、シャワーヘッド４００は、第１および第２のプレート４３０、４３２によって形成された熱抵抗体を含み、第１および第２のプレート４３０、４３２の各々は、ベース部分４０２およびフェースプレート４０４のために使用される金属または合金よりも低い熱伝導率を有する。以下でさらに詳細に説明されるように、第１および第２のプレート４３０、４３２は、冷却プレート４２０内の冷却材が沸騰することを防止するために、フェースプレート４０４から冷却プレート４２０への熱流を妨げる（すなわち、熱流を緩やかにする）。さらに、図６を参照して以下でさらに詳細に説明されるように、第１のプレート４３０は、第１および第２のプレート４３０、４３２によって形成される熱抵抗体のインピーダンスをさらに増大させる複数の凹部４３４－１、４３２－２（まとめて、凹部４３４、図６に詳細に示される）を含む。

冷却プレート４２０、ヒータコイル４２２、ならびに第１および第２のプレート４３０、４３２の組合せは、シャワーヘッド３００と比較して、シャワーヘッド４００の加熱および冷却の釣り合いをとることにより、シャワーヘッド４００における熱管理を大幅に改善する。改善された熱管理は、シャワーヘッド４００のフェースプレート４０４を横切る半径方向温度勾配を低減する。シャワーヘッド４００の低減された熱ストレスは、シャワーヘッド４００がシャワーヘッド３００よりもペデスタル３１２の近くに置かれることを可能にする。

フェースプレート４０４とペデスタル３１２との間のより小さいギャップは、プロセスガスの流れ体積を低減することを可能にし、これはコストを低減する。プロセスガスの流れ体積を低減することによって、より少量のプロセスガスが迅速にパージされ得、プロセスサイクル中のプロセスガス間の遷移がより高速に実行され得るため、プロセスサイクルがより高速になる。これにより、同じ時間でより多数の基板を処理することが可能となり、結果としてより高いスループットが得られる。

より具体的には、平面であるベース部分４０２の底面５６２は、同じく平面であるフェースプレート４０４の上面４０９と直接接触する。ベース部分４０２およびフェースプレート４０４は、プレナム４０５を画定する。シャワーヘッド４００のフェースプレート４０４は、複数の垂直壁４１６－１、４１６－２、４１６－３、．．．、４１６－Ｎ（まとめて、垂直壁４１６）を含み、ここでＮは、１よりも大きい整数である。垂直壁４１６は、プレナム４０５を通ってフェースプレート４０４からベース部分４０２に延在し、ベース部分４０２に接触する。

垂直壁４１６は、フェースプレート４０４の底部からフェースプレート４０４の上面４０９に延在し、ベース部分４０２の底面５６２に接触するので、垂直壁４１６は、シャワーヘッド４００の垂直軸に沿ってフェースプレート４０４の底部からベース部分４０２への熱流経路を提供する。したがって、垂直壁４１６は、シャワーヘッド４００の軸方向冷却を提供する。垂直壁４１６によって提供される軸方向冷却は、シャワーヘッド４００のフェースプレート４０４を横切る半径方向温度勾配を（例えば、いくつかのプロセスでは、摂氏約１５０度から摂氏約３０度に）低減することに役立つ。垂直壁４１６は、一様な高さを有してもよく、または、異なる高さを有してもよい。垂直壁４１６は、一様な幅を有してもよく、または、異なる幅を有してもよい。垂直壁４１６は、図１０Ａ～図１１Ｂを参照してさらに詳細に図示および説明される。

冷却プレート４２０は、シャワーヘッド４００の中心から（具体的には、以下で説明されるステム部分から）シャワーヘッド４００のベース部分４０２の第２の構成要素５２０のＯＤに延在する。冷却プレート４２０は、第１および第２のプレート４３０、４３２の上に配設され、第１および第２のプレート４３０、４３２に取り付けられる。冷却プレート４２０は、流体配送システムからの冷却材が通って流れる導管４２４を含む。導管４２４は、冷却プレート４２０内の溝４２５内に配設される。熱は、フェースプレート４０４の底部から、垂直壁４１６を介して、ベース部分４０２ならびに第１および第２のプレート４３０、４３２を通って冷却プレート４２０に流れる。

シャワーヘッド４００の冷却プレート４２０はシャワーヘッド３００の冷却プレート３２０よりも直径が大きいため、冷却プレート４２０は、シャワーヘッド３００の冷却プレート３２０によって被覆および冷却されるベース部分３０２の領域よりも大きいベース部分４０２の領域を被覆および冷却する。具体的には、冷却プレート４２０は、シャワーヘッド４００の中心からヒータコイル４２２まで延在するシャワーヘッド４００の部分のほとんどを冷却する。したがって、冷却プレート４２０は、シャワーヘッド３００において冷却プレート３２０によって提供される軸方向冷却と比較して、シャワーヘッド４００にわたる軸方向冷却を大幅に改善する。

図５において、シャワーヘッド４００は、ステム部分４０８を有する。ステム部分４０８の一端は、処理チャンバの上部に取り付けられる。ステム部分４０８の他端は、第１および第２のプレート４３０、４３２を通って、締結具４２１－１、４２１－２を用いてベース部分４０２の第２の構成要素５２０の上面４３５の中心に取り付けられる。ステム部分３０８は、ガス配送システムから１つまたは複数のガスを受け入れるための入口４１０を含む。

入口４１０は、ステム部分４０８を通り、第１および第２のプレート４３０、４３２ならびにベース部分４０２を通って垂直下方に延在し、ベース部分４０２の第１の構成要素５００の中心においてスロット５０２（図９Ａ～図１１Ｂにさらに詳細に図示および説明される）を介してプレナム４０５に接続する。フェースプレート４０４の底面４３９は、複数のスルーホール４２７－１、４２７－２、４２７－３、．．．、および４２７－Ｎ（まとめて、スルーホール４２７）を含み、ここでＮは、１よりも大きい整数である。ガスは、入口４１０からスロット５０２を通ってプレナム４０５内へ流れてから、フェースプレート４０４の底面４３９における複数のスルーホール４２７を介して処理チャンバ内へ流れる。フェースプレート４０４の底面４３９は、処理チャンバ内に配置されたペデスタル３１２の上面３４９に極めて近接する。

処理中に、基板３４１がペデスタル３１２上に配置される。ペデスタル３１２は、基板３４１を支持するためにペデスタル３１２の上面３４９を取り囲むリング３４３を含む。図示しないが、ペデスタル３１２は、図１を参照して説明した基板支持体１１０の他の特徴を含む。

処理チャンバの上部プレート３１３が、シャワーヘッド４００のベース部分４０２およびフェースプレート４０４を取り囲む。上部プレート３１３は、上部プレート３１３のＩＤから半径方向内側に延在するフランジ３１７を含む。ベース部分４０２のフランジ４２８は、上部プレート３１３のフランジ３１７の上に張り出す。Ｏリング３１５が、フランジ３１７内の溝３１９内に配設される。

処理チャンバの上部プレート３１３は、シャワーヘッド４００よりも冷たい。結果として、フェースプレート４０４の中心領域はペデスタル３１２からの熱負荷により比較的熱いのに対して、シャワーヘッド４００のエッジは、処理チャンバの上部プレート３１３へ熱を失う。ヒータコイル４２２は、シャワーヘッド４００のエッジに沿った熱損失を相殺することに役立ち、冷却プレート４２０は、シャワーヘッド４００の中心領域を冷却する。加熱および冷却の組合せは、シャワーヘッド４００の中心からＯＤへの半径方向温度勾配を低減する。

シャワーヘッド４００、具体的にはベース部分４０２およびフェースプレート４０４は、ニッケルなどの耐食材料で被覆される。耐食材料の放射率が、シャワーヘッド４００を横切る温度勾配をさらに低減する。しかし、被覆は、閾値温度（例えば、ニッケル被覆については摂氏約２００度）より上で劣化（例えば、結晶化）し得る。被覆が劣化することを防止するため、冷却プレート４２０は、シャワーヘッド４００の温度を閾値温度よりも低く保持する。

しかし、冷却プレート４２０がシャワーヘッド４００の温度を閾値温度よりも低く保持しながら、導管４２４を通って流れる冷却材は、熱がフェースプレート４０４から冷却プレート４２０に流れるにつれて熱くなる可能性があり、冷却を提供する能力（すなわち、冷却容量）を失い得る。例えば、水が冷却材として使用される場合（他の冷却材が使用されてもよいが）、水は、摂氏１００度で沸騰し、冷却容量を失い得る。シャワーヘッド４００の温度は摂氏約２００度に到達し得るため、冷却材の温度は、冷却材の沸点よりも十分低く（例えば、水が冷却材として使用される場合、摂氏１００度よりも十分低く）保持される必要がある。これは、フェースプレート４０４と冷却プレート４２０との間に介在する第１および第２のプレート４３０、４３２を備える熱抵抗体（熱チョークとも呼ばれる）を使用することによって実現され、フェースプレート４０４から冷却プレート４２０への熱流を妨げ、冷却材が過熱および沸騰することを防止する。

具体的には、シャワーヘッド４００は、図示のように、冷却プレート４２０とベース部分４０２との間に配設された（より具体的には、冷却プレート３２０と、ベース部分４０２の第２の構成要素５２０との間に配設された）第１のプレート４３０および第２のプレート４３２を備える。熱抵抗体（または熱チョーク）を形成する第１および第２のプレート４３０、４３２は、図６を参照して以下でさらに詳細に図示および説明される。簡単に言えば、第１および第２のプレート４３０、４３２は、異なる熱伝導率を有する材料からなり、その熱伝導率の各々は、ベース部分４０２およびフェースプレート４０４を構成する金属または合金の熱伝導率よりも低い。例えば、ベース部分４０２およびフェースプレート４０４がアルミニウムからなる場合、第１のプレート４３０は、ステンレススチールからなることができ、第２のプレート４３２は、非金属（例えば、半導体材料）からなることができる。例えば、第１のプレート４３０の熱伝導率は、ベース部分４０２およびフェースプレート４０４の熱伝導率よりも小さく、第２のプレート４３２の熱伝導率よりも大きい。

したがって、第１および第２のプレート４３０、４３２は、導管４２４内の冷却材の過熱を防止するために、フェースプレート４０４から冷却プレート４２０への熱流を緩やかに妨げる（すなわち、熱流を緩やかにする）熱抵抗体を形成する。具体的には、熱抵抗体は、冷却材がその沸点に到達することを防止する。第１のプレート４３０は、凹部４３４をさらに含み、これは、熱抵抗体の熱抵抗をさらに増大させるエアポケットを提供する。

シャワーヘッド４００は、セラミックフェースプレートを備えるシャワーヘッドを超える多くの利点を提供する。具体的には、シャワーヘッド４００は、１つまたは複数の金属または合金からなり、セラミックフェースプレートを備えるシャワーヘッドよりも高い熱伝導率を有する。例えば、アルミニウムの熱伝導率は、セラミック材料の熱伝導率よりも約５倍～６倍高い。シャワーヘッド４００のより高い伝導率は、シャワーヘッド４００を横切る温度勾配を低減する。また、熱ストレスはセラミックフェースプレートを損傷（例えば、破砕）し得るが、熱ストレスは、シャワーヘッド４００においてはそのような破局的な障害を引き起こさない。したがって、シャワーヘッド４００は、セラミックフェースプレートを備えるシャワーヘッドよりもペデスタル３１２の近くに配置され得る（図５を参照）。

さらに、上記で説明したように、シャワーヘッド４００を横切る温度勾配は、ベース部分４０２、冷却プレート４２０、ヒータコイル４２２、ならびに第１および第２のプレート４３０、４３２に接触するフェースプレート４０４内の垂直壁４１６によって提供される改善された軸方向冷却により大幅に（例えば、ペデスタル設定点が摂氏約６５０度である場合には摂氏約３０度に）低減される。したがって、フェースプレート４０４とペデスタル３１２との間のギャップはさらに縮小され得る（図５を参照）。例えば、フェースプレート４０４を損傷することなく、ペデスタル設定点が摂氏約６５０度のシャワーヘッド４００を横切る半径方向温度勾配を摂氏約３０度に維持しながら、シャワーヘッド４００とペデスタル３１２との間の約０．２インチ、０．１５インチ、および０．１１インチのギャップが達成され得る。

ギャップの追加的な縮小は、基板処理中に使用されるプロセスガスの量を低減することを可能にし、これはコストを低減する。例えば、図２に示されるシャワーヘッド２００で使用されるプロセスガスの量は約８２０ｃｃであり得る一方、図４に示されるシャワーヘッド４００で使用されるプロセスガスの量は約５３０ｃｃであり得る。使用されるガスの量の大幅な低減により、ガスは、迅速にパージおよび遷移され得、したがって、プロセスサイクル（例えば、ＡＬＤサイクル）は迅速に実行され得、これは結果としてスループットを増大させる（すなわち、同じ時間でより多数の基板が処理され得る）。

シャワーヘッド４００は、エッジリング４４２をさらに備え、エッジリング４４２は、処理チャンバからの汚染物質が、フェースプレート４０４と、ペデスタル３１２の上部との間の領域内のプロセスガスの微小ボリューム内に戻る拡散を防止することに役立つ。具体的には、フェースプレート４０４の底面４３９は、フェースプレート４０４のＯＤに沿った環状凹み４４０を含む。エッジリング４４２は、環状凹み４４０内に配設される。処理中に、プロセスガスがエッジリング４４２と、ペデスタル３１２のエッジとの間のギャップ４４４を通って流れる速度が、異なるプロセスガス流とは無関係に比較的高い場合には、プロセスガスの微小ボリューム内への汚染物質の拡散が防止され得る。異なるプロセスガス流とは無関係なギャップ４４４を通るガス流の比較的高い速度は、以下のようにして提供され得る。

ギャップ４４４は、図５に示される２つのパラメータ、すなわち、エッジリング４４２の底部と、ペデスタル３１２のエッジにおけるリング３４３の上部との間の距離ｈ（すなわち、ギャップ４４４の高さ）と、ギャップ４４４を通る通路の長さＬ（およそ、ペデスタル３１２のエッジにおけるリング３４３のＩＤとＯＤとの間の距離）と、によって画定される。プロセスガスがギャップ４４４を通って流れる速度は、ｈと、Ｌと、プロセスにおいて使用される全ガス流と、の関数である。例えば、ｈの値が小さいほど、ギャップ４４４内のガス流の速度は高い。

ギャップ４４４内に入る前のガスの速度は、プロセスにおいて使用される全ガス流とともに増減する。ギャップ４４４に入る前のガスの速度が低い場合、ｈの値は、より小さい必要がある。逆に、ギャップ４４４に入る前のガスの速度が高い場合、ｈの値は、より高いことが可能である。したがって、ギャップ４４４内の比較的高い速度を維持するためには、異なるプロセスガス流に対して、ｈの異なる値が必要とされる。ｈの異なる値は、フェースプレート４０４とペデスタル３１２との間の距離を変化させることなく、異なるプロセスに対して適切な厚さのエッジリング４４２を使用することによって、提供され得る。

図６は、第１および第２のプレート４３０、４３２を備える熱抵抗体をさらに詳細に示す。第１および第２のプレート４３０の外径は、ベース部分４０２の第２の構成要素５２０のＯＤ以下である。図示しないが、第１および第２のプレート４３０、４３２は、図７～図９Ｂに示される孔のさまざまなセットと整列する孔を含み、それを通して締結具が、冷却プレート４２０をベース部分４０２に締結するために挿入され得る。

第１のプレート４３０は、複数の凹部４３４－１、４３４－２、４３４－３、．．．、および４３４－Ｎ（まとめて、凹部４３４）を含み、ここでＮは、１よりも大きい整数である。凹部４３４は、第１のプレート４３０の上面および底面のうちの少なくとも一方の上に配置され得る。第１のプレート４３０の上面上の凹部４３４のサイズ、形状、および個数は、第１のプレート４３０の上面の表面積の約６５％が冷却プレート４２０の底面と接触するようなものであり得る。同様に、第１のプレート４３０の底面上の凹部４３４のサイズ、形状、および個数は、第１のプレート４３０の底面の表面積の約６５％が第２のプレート４３２の上面と接触するようなものであり得る。他の百分率が、第１のプレート４３０の上面および底面の接触面積に対して使用され得る。例えば、第１のプレート４３０の上面および底面の接触面積は、５０～８０％の間で変動し得る。また、第１のプレート４３０の上面および底面の接触面積は、異なって（すなわち、等しくなくて）もよい。

第１および第２のプレート４３０、４３２は、比較的低い熱伝導率を有する材料からなる。第１のプレート４３０は、第２のプレート４３２よりも高い熱伝導率を有し得る。例えば、第１および第２のプレート４３０、４３２の熱伝導率は、それぞれ約１５ワット毎メートル・ケルビン（Ｗ／ｍＫ）および２Ｗ／ｍＫであり得る。第１および第２のプレート４３０、４３２は、フェースプレート４０４から冷却プレート４２０に流れる熱に対する熱障壁を提供する。

第２のプレート４３２は、フェースプレート４０４から第１のプレート４３０に流れる熱に対する熱障壁を提供し、第１のプレート４３０は、第２のプレート４３２から冷却プレート４２０に流れる熱に対する熱障壁を提供する。第１および第２のプレート４３０、４３２は、互いに直列である熱チョークまたは熱抵抗体として機能する。したがって、第２のプレート４３２および第１のプレート４３０は、フェースプレート４０４から冷却プレート４２０に流れる熱に対して、緩やかに増大する熱障壁または熱抵抗を呈示する。

凹部４３４は、エアポケットを含み、上面および底面の少なくとも一方の上で第１のプレート４３０全体にわたって離間されて、熱障壁をさらに増大させる。第１および第２のプレート４３０、４３２のスタックは、冷却プレート４２０が比較的大量の熱をシャワーヘッド４００から伝導し去ることを防止する熱抵抗体を形成し、これは比較的高い容量でヒータコイル４２２を動作させることができる。熱抵抗体は、導管４２４内の冷却材（例えば、水）が、熱流によりその沸点に近づくことを防止する。

したがって、冷却プレート４２０と、ヒータコイル４２２と、第１および第２のプレート４３０、４３２によって形成される熱抵抗体とは、シャワーヘッド４００の加熱と冷却との間の釣り合いを提供して、シャワーヘッドを横切る温度勾配を最小化し、シャワーヘッド４００の温度を閾値温度（例えば、摂氏２００度）よりも低く保持することによりシャワーヘッド４００上の耐食被覆を保護する。

第１のプレート４３０は、モノリシックプレートとして製造され得る。代替的に、第１のプレート４３０は、３つの層、すなわち、（層を通って切り取られた凹みまたはスロットの形態で）凹部４３４を含む２つの層（上部層および底部層）と、平坦（すなわち、凹部４３４なし）であり２つの層の間に挟まれた第３の層と、を備え得る。３つの層は、互いに接合（例えば、ろう付けまたは拡散接合）され得る。

凹部４３４は、多くのやり方で、第１のプレート４３０の上面および底面のうちの少なくとも一方の上に配置され得る。第１のプレート４３０の上面上の凹部４３４は、第１のプレート４３０の底面上の凹部４３４と位置合わせされ得る。代替的に、第１のプレート４３０の上面上の凹部４３４は、第１のプレート４３０の底面上の凹部４３４に対してずらされ得る。例えば、第１のプレート４３０の上面上の凹部４３４は、第１のプレート４３０の底面上の凹部４３４のうちの少なくとも１つと重なり得る。代替的に、第１のプレート４３０の上面上の凹部４３４のいずれも、第１のプレート４３０の底面上の凹部４３４と重ならなくてもよい。

第１のプレート４３０の上面上および底面上の凹部４３４は、第１のプレート４３０の上面および底面の接触面積が上記で説明した通りである限り、任意のサイズ、形状、および個数を有し得る。例えば、第１のプレート４３０の上面上および底面上の凹部４３４は、同じサイズおよび形状であり得る。代替的に、第１のプレート４３０の上面上の凹部４３４は、第１のプレート４３０の底面上の凹部４３４とは異なるサイズおよび／または形状であり得る。凹部４３４は、対称的または非対称的に、第１のプレート４３０の上面上および底面上に配置され得る。

凹部４３４の数は、図示したものとは異なる（例えば、より少ない、またはより多い）ことが可能である。第１のプレート４３０の上面および底面は、同じ数の凹部４３４を有し得る。代替的に、第１のプレート４３０の上面は、第１のプレート４３０の底面とは異なる数の凹部４３４を有し得る。

凹部４３４の深さは、同じであってもよく、または異なってもよい。第１のプレートの上面上および底面上の凹部４３４は、同じ深さを有し得る。代替的に、第１のプレート４３０の上面上の凹部４３４は、第１の深さを有することができ、第１のプレート４３０の底面上の凹部４３４は、第２の深さを有することができる。第１のプレート４３０の上面上の凹部４３４の深さは、第１のパターンで変動することができ、第１のプレート４３０の底面上の凹部４３４の深さは、第２のパターンで変動することができる。上記の変形例の任意の組合せが使用され得る。

第１および第２のプレート４３０、４３２のＯＤは、冷却プレート４２０のＯＤ以下であり、ベース部分４０２においてヒータコイル４２２が配設される溝のＩＤ以下である。第１および第２のプレート４３０、４３２の厚さは、プロセス要件に応じて変わり得る。第１のプレート４３０は、第２のプレート４３２よりも厚くてもよい。

いくつかの応用では、第２のプレート４３２もまた、上面および底面の少なくとも一方の上に凹部を含むことができ、第１のプレート４３０を参照して上記で説明した変形例のうちの任意のものを含むことができる。また、第１および第２のプレート４３０、４３２の凹部間で可能な追加的な置換および組合せがあり得る。いくつかの応用では、第２のプレート４３２は、熱可塑性材料（例えば、ポリイミド）からなることができ、上記で説明した第１のプレート４３０の構造的特徴のすべてを含むことができ、独立して（すなわち、第１のプレート４３０とともに使用される代わりにそれ自体で）使用され得る。代替的に、いくつかの応用では、第２のプレート４３２は、省略されてもよく、第１のプレート４３０は、熱可塑性材料（例えば、ポリイミド）からなることができる。

また、図示しないが、比較的低い熱伝導率を有する第３のプレートが、第１および第２のプレート４３０、４３２に加えて使用され得る。第３のプレートは、第３のプレートの熱伝導率が第１および第２のプレート４３０、４３２とは異なり得ることを除いて、第１および第２のプレート４３０、４３２のいずれと類似してもよい。第３のプレートは、第１および第２のプレート４３０、４３２の上方、下方、またはそれらの間に配置され得る。第３のプレートの熱伝導率は、第３のプレートの位置に基づいて選択され得る。例えば、第２のプレート４３２の下方に配置される第３のプレートは、第２のプレート４３２よりも低い熱伝導率を有し得る。第１のプレート４３０の上方に配置される第３のプレートは、第１のプレート４３０よりも高い熱伝導率を有し得る。第１および第２のプレート４３０、４３２の間に配置される第３のプレートは、第１のプレート４３０よりも小さく第２のプレート４３２よりも大きい熱伝導率を有し得る。

図７および図８は、シャワーヘッド４００の上面図および底面図をそれぞれ示す。図７において、冷却プレート４２０の上面図が見える。冷却プレート４２０は、スルーホール４３１に挿入された締結具によってベース部分４０２の第２の構成要素５２０に取り付けられる。孔４０９が、ステム部分４０８をシャワーヘッド４００に取り付けるための締結具を挿入するために設けられる。第１および第２のプレート４３０、４３０を通って冷却プレート４２０をベース部分４０２に締結するために締結具が挿入され得る取り付け孔／締結孔４３１－１、４３１－２、および４３１－３のさまざまな他のセットが示されている。

この図に見える締め付けリング５６４の上部水平部分は、孔４３３－１を通って挿入された締結具によって、この図には見えない（しかし図４および図５では見える）締め付けリング５６４の底部垂直部分に締結される。締め付けリング５６４の上部水平部分は、孔４３３－２を通って挿入された締結具によって、ベース部分４０２のフランジ４２８に締結される。

要素４３７－１および４３７－２は、電源に接続され得るヒータコイル４２２の第１および第２の端子である。要素４２９－１および４２９－２は、流体配送システムに接続され得る導管４２４のそれぞれ入口および出口である。

冷却プレート４２０は、ステム部分４０８（図５に見える）からベース部分４０２のＯＤに向かって半径方向外側に延在する。導管４２４は、冷却プレート４２０内の対応する溝４２５（図５に見える）内に配設される。導管４２４の巻き数は変わり得る（すなわち、図示のものよりも多い、または少ない巻き数が使用され得る）。導管４２４の直径は、導管４２４の長さ全体にわたって一様であり得る。導管４２４のサイズ、形状、およびレイアウトは、プロセス要件に適合するように最適化され得る。

代替的に、冷却プレート４２０は、複数のゾーンに分割され得、複数の導管がこれらのゾーンに配置され得る。例えば、第１の導管が、冷却プレート４２０の内側半部分を備える第１のゾーンに配置され得、第２の導管が、冷却プレート４２０の外側半部分を備える第２のゾーンに配置され得る。別の例として、第１および第２の導管が、それぞれ冷却プレート４２０のＩＤおよびＯＤに近接して画定された第１および第２のゾーンに配置され得、第３の導管が、第１および第２のゾーンの間の第３のゾーンに配置され得る。複数の導管の各々は、同じ冷却材が供給され得る。代替的に、複数の導管のうちの少なくとも１つは、複数の導管のうちの他のものとは異なる冷却材が供給され得る。複数の導管が使用される場合、各導管は、導管４２４を参照して上記で説明した特性（サイズ、形状、およびレイアウト）のいずれを有してもよい。

図８は、シャワーヘッド４００の底面図を示し、フェースプレート４０４の基板対向側（すなわち、底面４３９）を示す。フェースプレート４０４の底面４３９内のスルーホール４２７が、この図に見える。スルーホール４２７はまた、図１１Ａ～図１１Ｂに示されるフェースプレート４０４の追加図にも見える。この図にはエッジリング４４２の底部も見え、これは図４および図５を参照して上記で詳細に図示および説明されている。

図９Ａおよび図９Ｂは、シャワーヘッド４００のベース部分４０２およびフェースプレート４０４をさらに詳細に示す。図９Ａは、シャワーヘッド４００の等角図を示す。第１の構成要素５００は、この図では詳細に見えない（しかし、図９Ｂではより詳細に見える）。第２の構成要素５２０は、孔４０９および４３１－１、４３１－２、４３１－３のセットを含み、それぞれ図７に示される孔４０９および４３１－１、４３１－２、４３１－３の対応するセットと整列する。フランジ４２８は、図７に示される孔４３３－１と整列する孔４３３－１を含む。

図９Ｂに、ベース部分４０２の第１、第２、および第３の構成要素５００、５２０、５３０がさらに詳細に示される。ベース部分４０２の第１の構成要素５００は、第１の構成要素５００のＯＤに沿った溝４１１を含む第１の円板形要素である。溝４１１は、第１の構成要素５００の上面５６０に開口し、第１の構成要素５００の底面５６２に向かって垂直下方に延在する。

第１の構成要素５００は、第１の構成要素５００の上面５６０の中心にスロット５０２を含む。スロット５０２は、スロット５０２の中心から半径方向外側に延在する複数の溝５０４を含む。複数の通路５０６が、溝５０４の遠端から第１の構成要素５００のほぼ中間まで垂直下方に延在する。５０７に示されるように、ほぼ中間点から、通路５０６は、第１の構成要素５００の残部を通って分裂（すなわち、分岐）してもよく、第１の構成要素５００の底面５６０に開口してもよい。したがって、通路５０６は、５０７に示されるように逆「Ｙ」字の形状を有し得るが、他の形状（例えば、Ｕ字、Ｖ字などの形状）も考えられる。入口４１０を通って受け入れられたガスは、スロット５０２を通り、通路５０６を通ってフェースプレート４０４に入る。第１の構成要素５００は、孔４０９および４３１－１、４３１－２、４３１－３のセットを含み、それぞれ第２の構成要素５２０の孔４０９および４３１－１、４３１－２、４３１－３の対応するセットならびに図７に示される孔のそれぞれのセットと整列する。

ベース部分４０２の第２の構成要素５２０は、第２の円板形要素である。第２の構成要素５２０のＯＤは、第１の構成要素５００内の溝４１１のＩＤ以下である。第２の構成要素５２０は、第１の構成要素５００の上面５６０上に配置され、上面５６０に締結または拡散接合される。第２の構成要素５２０の中心における入口４１０は、第１の構成要素５００内のスロット５０２と整列し、スロット５０２内に開口する。

ベース部分４０２の第３の構成要素５３０は、円筒形要素であり、これもまた、第１の構成要素５００上に配置され、第１の構成要素５００に締結または拡散接合される。第３の構成要素５３０の上端は、半径方向外側に延在してフランジ４２８を形成する。第３の構成要素５３０のＩＤは、溝４１１のＯＤ以上である。下端における第３の構成要素５３０の幅または厚さは、溝４１１のＯＤと、第２の構成要素５２０のＯＤとの間の距離（または差）に等しい。第３の構成要素５３０の下端のＯＤと、第２の構成要素５２０のＯＤと、フェースプレート４０４のＯＤとは、図４および図５に見えるように等しい。

第２の構成要素５２０は、第１の構成要素５００上に配置される。第３の構成要素５３０もまた、第１の構成要素５００上に配置される。第３の構成要素５３０は、第２の構成要素５２０を取り囲む。第１、第２、および第３の構成要素５００、５２０、５３０は、拡散接合を用いて互いに結合されてシャワーヘッド４００のベース部分４０２を形成することができる。拡散接合は、構成要素を結合するためにろう付けが使用される場合に一般に使用されるフィラーをなくす。フィラーをなくすことは、ろう付けおよびそれに続く洗浄の後に残り続けがちな残留フィラーによる汚染の可能性を除去する。

フェースプレート４０４は、垂直壁４１６を含む。例えば、垂直壁４１６は、同心円状であり得る。上記で説明したように、垂直壁４１６は、異なる高さおよび／または幅を有し得る。フェースプレート４０４がベース部分４０２に取り付けられると、垂直壁４１６と、ベース部分４０２の第１の構成要素５００の底面５６２との間のスペースは、フェースプレート４０４内のプレナム４０５を形成する。ベース部分４０２の第１の構成要素５００内の通路５０６は、フェースプレート４０４内のプレナム４０５内に開口する（図１０Ａおよび図１０Ｂにも示される）。

フェースプレート４０４は、複数の半径方向に延在する溝５４０－１、５４０－２、５４０－３、．．．、５４０－Ｎ（まとめて、溝５４０）を含み、ここでＮは、１よりも大きい整数であり、これらは車輪のスポークのように配置される。溝５４０は、垂直壁４１６と交差し、垂直壁４１６を複数のセクションに分割する。複数のスルーホール４２７（図８および図１１Ｂを参照）は、フェースプレート４０４の底面４３９（すなわち、基板対向面、図８を参照）上で垂直壁４１６の両側に配置される。

垂直壁４１６およびスルーホール４２７は、フェースプレート４０４の中心から、フェースプレート４０４の中心から所定の半径方向距離まで延在するフェースプレート４０４の領域内に形成される。所定の半径方向距離によって画定されるフェースプレート４０４の領域の対応する所定の直径は、エッジリング４４２が配設されるフェースプレート４０４の底面４３９における凹み４４０のＩＤと整列する（すなわち、凹み４４０のＩＤ以下である）。したがって、垂直壁４１６およびスルーホール４２７を含むフェースプレート４０４の領域の所定の直径は、エッジリング４４２のＩＤ以下である。所定の直径はまた、図４および図５に見えるように、ベース部分４０２内の溝４１１のＩＤ以下である。

垂直壁４１６および溝５４０は、ベース部分４０２の第１の構成要素５００内の通路５０６から受け入れられたガスをスルーホール４２７に一様に分配する。さらに、図４および図５を参照して上記で説明したように、垂直壁４１６はフェースプレート４０４から垂直上方に延在してベース部分４０２の底面５６２（すなわち、ベース部分４０２の第１の構成要素５００の底面５６２）に接触するので、垂直壁４１６は、フェースプレート４０４とベース部分４０２との間の熱経路を提供する。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、ベース部分４０２およびフェースプレート４０４を備えるシャワーヘッド４００の等角図および断面図をそれぞれ示す。シャワーヘッド４００の入口４１０は、ガス分配システム（例えば、図１に示される要素１３０）からプロセスガスを受け入れる。プロセスガスは、入口４１０、スロット５０２、溝５０４、および通路５０６を通ってフェースプレート４０４内に流れ、プロセスガスは、スルーホール４２７を介してフェースプレート４０４を出て処理チャンバに入る。シャワーヘッド４００の構成要素、特にベース部分４０２およびフェースプレート４０４の構造的および機能的詳細は、既に図４～図９Ｂを参照して上記で詳細に説明したので、簡潔にするためにここでは再び説明しない。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、図１０Ｂに示したフェースプレート４０４の断面ＡＡの等角図および上面図をそれぞれ示す。図１１Ａおよび図１１Ｂは、垂直壁４１６と、溝５４０と、垂直壁４１６の周りに配置されたスルーホール４２７と、を示す。図示のように、溝５４０は、あるパターンで配置され得る。例えば、図示のように、溝５４０は、フェースプレート４０４の中心からフェースプレートの所定の直径の最後まで半径方向外側に延在することができ、フェースプレート４０４内に垂直壁４１６およびスルーホール４２７が配置される。

代替的に、溝５４０のうちのいくつかは、フェースプレート４０４の中心から半径方向外側に延在し得るが、所定の直径の最後まで延在しなくてもよい。別の配置では、溝５４０のうちのいくつかは、フェースプレート４０４の中心から始まらなくてもよく、所定の直径の最後まで半径方向外側に延在しなくてもよい。例えば、溝５４０の第１のセットは、フェースプレート４０４の中心から第１の距離で始まってから、所定の直径の最後または途中まで半径方向外側に延在することができ、溝５４０の第２のセットは、フェースプレート４０４の中心から第２の距離で始まってから、所定の直径の最後または途中まで半径方向外側に延在することができ、などであり、第２の距離は第１の距離とは異なる。

換言すれば、第１のセット、第２のセットなどにおける溝５４０の長さおよび範囲は、異なって（すなわち、等しくなくて）もよい。したがって、垂直壁４１６のうちのいくつかは、フェースプレート４０４の中心から同じ半径方向距離に位置し得るが、異なる弧長を有し得る。入口４１０、スロット５０２、溝５０４、および通路５０６からスルーホール４２７を介して受け入れられたガスを分配するために好適であり得る垂直壁４１６および溝５４０の他のパターンおよび配置も考えられる。

上記の説明は、性質上、単なる例示であり、本開示、その応用、または用途を限定することを意図していない。本開示の広範な教示は、さまざまな形態で実施され得る。したがって、本開示は特定の例を含むが、他の変更形態は図面、明細書、および添付の特許請求の範囲を調べることで明らかとなるから、本開示の真の範囲はそのように限定されてはならない。

方法における１つまたは複数のステップは、本開示の原理を改変することなく、異なる順序で（または同時並行して）実行され得ると理解されるべきである。また、実施形態の各々は上記では特定の特徴を有するように説明されているが、本開示の任意の実施形態に関して説明されたそれらの特徴のうちのいずれか１つまたは複数は、たとえ組合せが明示的に記載されなくても、他の実施形態のうちのいずれかの特徴において実施されること、および／またはそれと組み合わされ得る。換言すれば、記載された実施形態は相互に排他的ではなく、１つまたは複数の実施形態を互いに置換することは、本開示の範囲内にある。

要素間（例えば、モジュール間、回路要素間、半導体層間など）の空間的および機能的関係は、「接続され」、「係合され」、「結合され」、「隣接し」、「近接し」、「の上に」、「の上方に」、「の下方に」、および「配設され」を含むさまざまな用語を用いて記載される。「直接的」であると明示的に記載されない限り、第１および第２の要素間の関係が上記の開示に記載される場合には、その関係は、他の介在する要素が第１および第２の要素間に存在しない直接的関係であってもよいが、１つまたは複数の介在する要素が第１および第２の要素間に（空間的または機能的のいずれかで）存在する間接的関係であってもよい。本明細書において使用される場合、Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つという句は、非排他的論理ＯＲを用いた論理的な（Ａ ＯＲ Ｂ ＯＲ Ｃ）を意味すると解釈されるべきであり、「Ａのうちの少なくとも１つ、Ｂのうちの少なくとも１つ、およびＣのうちの少なくとも１つ」を意味すると解釈されるべきではない。

いくつかの実施態様では、コントローラがシステムの一部であり、上記の例の一部であり得る。このようなシステムは、１つまたは複数の処理ツール、１つまたは複数のチャンバ、１つまたは複数の、処理のためのプラットフォーム、および／または特定の処理構成要素（ペデスタル、ガス流システムなど）を含む半導体処理機器を備え得る。これらのシステムは、半導体ウェハまたは基板の処理前、処理中、および処理後にそれらの動作を制御するための電子機器と統合され得る。その電子機器は「コントローラ」と呼ばれてもよく、１つまたは複数のシステムのさまざまな構成要素または構成部分を制御し得る。

コントローラは、システムの処理要件および／またはタイプに応じて、処理ガスの配送、温度設定（例えば、加熱および／または冷却）、圧力設定、真空設定、電力設定、無線周波数（ＲＦ）発生器設定、ＲＦ整合回路設定、周波数設定、流量設定、流体配送設定、位置および動作設定、特定のシステムに接続またはインタフェースされたツールおよび他の搬送ツールおよび／またはロードロックとの間でのウェハ搬送を含む、本明細書に開示されたプロセスのうちのいずれかを制御するようにプログラムされ得る。

概して、コントローラは、命令を受け取り、命令を発行し、動作を制御し、洗浄動作を可能にし、終点測定を可能にするなどを行うさまざまな集積回路、ロジック、メモリ、および／またはソフトウェアを有する電子機器として規定され得る。集積回路は、プログラム命令を記憶するファームウェアの形態のチップ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として規定されるチップ、および／またはプログラム命令（例えば，ソフトウェア）を実行する１つまたは複数のマイクロプロセッサ、もしくはマイクロコントローラを含み得る。

プログラム命令は、半導体ウェハ上で、もしくは半導体ウェハに対して、またはシステムに対して、特定のプロセスを実行するための動作パラメータを規定するさまざまな個別の設定（またはプログラムファイル）の形態で、コントローラに通信される命令であり得る。動作パラメータは、いくつかの実施形態では、ウェハの、１つまたは複数の層、材料、金属、酸化物、シリコン、二酸化シリコン、表面、回路、および／またはダイの作製中に１つまたは複数の処理ステップを遂行するためにプロセス技術者によって規定されたレシピの一部であり得る。

コントローラは、いくつかの実施態様では、システムに統合され、システムに結合され、さもなければシステムにネットワーク接続され、またはそれらの組合せであるコンピュータの一部であるか、またはコンピュータに結合され得る。例えば、コントローラは、「クラウド」内にあってもよく、ウェハ処理のリモートアクセスを可能にし得るファブホストコンピュータシステムの全部または一部であってもよい。コンピュータは、作製動作の現在の進行を監視し、過去の作製動作の履歴を検査し、複数の作製動作からの傾向または性能メトリックを検査し、現在の処理のパラメータを変更し、現在の処理に続く処理ステップを設定し、または新しいプロセスを開始するために、システムへのリモートアクセスを可能にし得る。

いくつかの例では、リモートコンピュータ（例えば、サーバ）が、ネットワークを通じてシステムにプロセスレシピを提供することができ、ネットワークは、ローカルネットワークまたはインターネットを含み得る。リモートコンピュータは、パラメータおよび／または設定の入力またはプログラミングを可能にするユーザインタフェースを含むことができ、これらはその後、リモートコンピュータからシステムに通信される。いくつかの例では、コントローラは、データの形態で命令を受け取り、データは、１つまたは複数の動作中に実行されるべき処理ステップの各々に対するパラメータを指定する。なお、パラメータは、実行されるべきプロセスのタイプと、コントローラがインタフェースし、または制御するように構成されるツールのタイプと、に固有であり得ると理解されるべきである。

したがって、上記で説明したように、コントローラは、互いにネットワーク接続され、本明細書に記載されたプロセスおよび制御などの共通の目的に向けて作動する、１つまたは複数の個別のコントローラを備えることなどによって、分散され得る。このような目的のための分散されたコントローラの一例は、チャンバ上のプロセスを制御するように組み合わされた、（プラットフォームレベルで、またはリモートコンピュータの一部としてなどの）リモートに位置する１つまたは複数の集積回路と通信するチャンバ上の１つまたは複数の集積回路である。

限定なしに、例示的なシステムは、プラズマエッチングチャンバまたはモジュール、堆積チャンバまたはモジュール、スピンリンスチャンバまたはモジュール、金属めっきチャンバまたはモジュール、洗浄チャンバまたはモジュール、ベベルエッジエッチングチャンバまたはモジュール、物理気相堆積（ＰＶＤ）チャンバまたはモジュール、化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバまたはモジュール、原子層堆積（ＡＬＤ）チャンバまたはモジュール、原子層エッチング（ＡＬＥ）チャンバまたはモジュール、イオン注入チャンバまたはモジュール、トラックチャンバまたはモジュール、および半導体ウェハの作製および／または製造に関連または使用され得る任意の他の半導体処理システムを含み得る。

上記のように、ツールによって実行されるべき１つまたは複数のプロセスステップに応じて、コントローラは、他のツール回路またはモジュール、他のツール構成要素、クラスタツール、他のツールインタフェース、隣接ツール、近隣ツール、工場全体にわたって位置するツール、メインコンピュータ、別のコントローラ、または半導体製造工場のツール位置および／またはロードポートとの間でウェハのコンテナを運ぶ材料搬送において使用されるツールのうちの１つまたは複数と通信し得る。

Claims (20)

1. シャワーヘッドであって、
   第１の金属材料からなるベース部分であって、前記ベース部分は、ガス入口を含む第１の表面と、前記第１の表面に対向する第２の表面と、を有し、前記ベース部分は、前記ガス入口と流体連通する複数の通路を含む、ベース部分と、
   第２の金属材料からなるフェースプレートであって、前記フェースプレートは、前記ベース部分の前記第２の表面に取り付けられた側面と、底面と、を有し、前記フェースプレートの前記側面および前記底面と、前記ベース部分の前記第２の表面とは、前記複数の通路と流体連通するプレナムを画定し、前記フェースプレートは、前記プレナムを通って上方へ前記底面から延在し前記ベース部分の前記第２の表面に接触する複数の壁を含み、前記底面は、前記複数の壁に沿って配置され前記プレナムと流体連通する複数の出口を含む、フェースプレートと、
   前記ベース部分の周囲に沿った溝内に配設されたヒータと、
   前記ベース部分の前記第１の表面上に配置された冷却プレートであって、前記冷却プレートは、冷却材を受け入れるための入口と、出口と、を有する導管を含む、冷却プレートと、
   前記第１の金属材料および前記第２の金属材料よりも低い熱伝導率を有する第３の材料からなり、前記シャワーヘッドの前記冷却プレートと前記ベース部分との間に配置されたプレートと、
   を備えるシャワーヘッド。
2. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、前記冷却プレートおよび前記プレートの外径は、前記溝の内径以下である、シャワーヘッド。
3. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
   前記複数の壁は、垂直かつ同心円状であり、
   前記複数の壁は、異なる高さを有し、
   前記複数の壁は、異なる幅を有する、シャワーヘッド。
4. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
   前記複数の壁および前記出口は、前記フェースプレートの領域内に配置され、
   前記冷却プレートおよび前記プレートの外径は、前記領域の直径以下であり、
   前記領域の前記直径は、前記溝の内径以下である、シャワーヘッド。
5. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、前記ベース部分は、前記ベース部分の上端から半径方向外側に延在するフランジを含み、前記シャワーヘッドは、前記ヒータ上に配置された垂直部分を有するとともに前記フランジに取り付けられた水平部分を有する締め付けリングをさらに備える、シャワーヘッド。
6. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、前記第３の材料は、熱可塑性材料を含み、前記シャワーヘッドは、前記プレートと前記冷却プレートとの間に配置された追加プレートをさらに備え、前記追加プレートは、前記第３の材料とは異なる熱伝導率を有する、シャワーヘッド。
7. 請求項６に記載のシャワーヘッドであって、
   前記追加プレートの第１の外径は、前記プレートの第２の外径以上であり、
   前記プレートは、前記追加プレートよりも薄い、シャワーヘッド。
8. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、前記第３の材料は、熱可塑性材料を含み、前記プレートは、
   １つまたは複数の凹部を含む第１の層と、
   平坦である第２の層と、
   １つまたは複数の凹部を含む第３の層と、
   を備える、シャワーヘッド。
9. 請求項８に記載のシャワーヘッドであって、
   前記第１の層および前記第３の層の前記凹部は、互いに位置合わせされ、
   前記第１の層および前記第３の層の前記凹部は、部分的に重なり、または、
   前記第１の層および前記第３の層の前記凹部は、重ならない、シャワーヘッド。
10. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、前記ベース部分は、
    第１の円板形要素であって、前記第１の円板形要素の外径に近接する溝を含み、前記ヒータは、前記溝内に配置される、第１の円板形要素と、
    前記第１の円板形要素上に配置され、前記溝の内径以下である外径を有する、第２の円板形要素と、
    前記第１の円板形要素上に配置され、前記溝の外径以上である内径を有する、円筒形要素と、
    を備え、
    前記第１の円板形要素および前記第２の円板形要素ならびに前記円筒形要素の底部の外径は、等しく、
    前記第１の円板形要素および前記第２の円板形要素ならびに前記円筒形要素は、拡散接合される、シャワーヘッド。
11. 請求項１０に記載のシャワーヘッドであって、前記第１の円板形要素は、
    前記第１の円板形要素の上面の中心にスロットを備え、
    前記スロットは、前記ガス入口と流体連通し、前記スロットから半径方向に延在する複数の溝を含み、
    前記通路は、前記溝の遠端から前記第１の円板形要素の底面へ下方に向かい、前記底面を通って延在する、シャワーヘッド。
12. 請求項１０に記載のシャワーヘッドであって、前記円筒形要素の上端は、半径方向外側に延在するフランジを含み、前記シャワーヘッドは、前記ヒータ上に配置された垂直部分を有するとともに前記フランジに取り付けられた水平部分を有する締め付けリングをさらに備える、シャワーヘッド。
13. 請求項１に記載のシャワーヘッドであって、
    前記フェースプレートは、前記フェースプレートの中心から半径方向外側に延在する複数の溝を含み、
    前記複数の溝は、異なる長さであり、
    前記複数の壁は、垂直かつ同心円状であり、
    前記複数の溝は、前記複数の壁と交差する、シャワーヘッド。
14. 請求項１に記載のシャワーヘッドと、ペデスタルと、を備える処理チャンバであって、
    前記フェースプレートは、前記底面の外径に沿った環状凹みを含み、
    前記シャワーヘッドは、前記環状凹み内に配設されたエッジリングを含み、
    前記エッジリングは、前記ペデスタルの上面の外縁に近接し、
    前記エッジリングと、前記ペデスタルの前記上面の前記外縁との間のギャップを通る半径方向外側へのガス流は、前記処理チャンバからの汚染物質が、基板処理中に前記ギャップを通って前記ペデスタル上に配置された基板に向かって流れることを防止する、処理チャンバ。
15. シャワーヘッドであって、
    ガス入口を含む第１の表面と、前記第１の表面に対向する第２の表面と、を有するベース部分であって、前記ベース部分は、前記ガス入口と流体連通する複数の通路を含む、ベース部分と、
    前記ベース部分の前記第２の表面に取り付けられた側面と、複数の出口を含む底面と、を有するフェースプレートであって、前記フェースプレートは、上方へ前記底面から上方へ延在し前記ベース部分の前記第２の表面に接触する複数の壁を含む、フェースプレートと、
    前記ベース部分の前記第１の表面上に配置された冷却プレートであって、前記冷却プレートは、冷却材を受け入れるための入口と、出口と、を有する導管を含む、冷却プレートと、
    前記フェースプレートおよび前記冷却プレートよりも低い熱伝導率を有し、前記シャワーヘッドの前記冷却プレートと前記ベース部分との間に配置されたプレートと、
    を備えるシャワーヘッド。
16. 請求項１５に記載のシャワーヘッドであって、前記プレートは、熱可塑性材料からなり、前記プレートは、
    １つまたは複数の凹部を含む第１の層と、
    平坦である第２の層と、
    １つまたは複数の凹部を含む第３の層と、
    を備える、シャワーヘッド。
17. 請求項１５に記載のシャワーヘッドであって、前記ベース部分は、
    第１の円板形要素であって、前記第１の円板形要素の外径に近接する溝内に配置されたヒータを含む、第１の円板形要素と、
    前記第１の円板形要素上に配置され、前記溝の内径以下である外径を有する、第２の円板形要素と、
    前記第１の円板形要素上に配置され、前記溝の外径以上である内径を有する、円筒形要素と、
    を備え、
    前記円筒形要素の底部ならびに前記第１の円板形要素および前記第２の円板形要素の外径は、等しい、シャワーヘッド。
18. 請求項１７に記載のシャワーヘッドであって、前記第１の円板形要素は、前記第１の円板形要素の上面の中心にスロットを備え、前記スロットは、前記ガス入口と流体連通し、前記スロットから半径方向に延在する複数の溝を含み、前記通路は、前記溝の遠端から前記第１の円板形要素の底面へ下方に向かい、前記底面を通って延在する、シャワーヘッド。
19. 請求項１７に記載のシャワーヘッドであって、前記円筒形要素の上端は、半径方向外側に延在するフランジを含み、前記シャワーヘッドは、前記ヒータ上に配置された垂直部分を有するとともに前記フランジに取り付けられた水平部分を有する締め付けリングをさらに備える、シャワーヘッド。
20. 請求項１５に記載のシャワーヘッドであって、前記フェースプレートは、
    前記フェースプレートの中心から半径方向外側に延在する複数の溝であって、前記複数の溝は、異なる長さであり、前記複数の壁は、垂直かつ同心円状であり、前記複数の溝は、前記複数の壁と交差する、複数の溝と、
    前記底面の外径に沿った環状凹みであって、前記環状凹みは、エッジリングを含み、前記エッジリングは、前記エッジリングと、ペデスタルの上面の外縁との間のギャップを通る半径方向外側へのガス流を可能にする、環状凹みと、
    を含む、シャワーヘッド。

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