JP3147392U - 温度制御型シャワーヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】
放熱を高め、電気加熱器を用いた正確な温度制御を可能にする化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバ用の温度制御型シャワーヘッドを提供する。
【解決手段】
シャワーヘッドのステムと流体用の通路を介する伝導と、バックプレートからの放射により放熱される。温度制御システムは、熱交換器に連続的に接続される流体用の通路を有する、ＣＶＤチャンバ内の１以上の温度制御型シャワーヘッドを含む。
【選択図】 図３Ａ

Description

本考案は、基板上にフィルムを堆積する装置及びシステムに係る。具体的には、本考案は、反応チャンバ内にガスを注入する化学気相堆積（ＣＶＤ）装置に係る。より具体的には、本考案は、温度制御型シャワーヘッド及びその温度制御システムに係る。

ＣＶＤシャワーヘッド型リアクタは、穿孔又は多孔性の平面を用いて、第２の平行平面に亘って可能な限り均一に反応物質及びキャリアガスを分配する。この構成は、複数の基板の連続バッチ処理又は単一の丸型ウェハの処理に用いることができる。一般的に、ウェハは、反応ガスが反応し、ウェハ表面にフィルムを堆積する処理温度に加熱される。

シャワーヘッド型リアクタ又は平行プレート型リアクタによって、例えば、プラズマ強化化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）といったプラズマ強化処理の実施が可能となる。多くのＰＥＣＶＤリアクタにおいて、上部電極と下部電極はほぼ同じ寸法である。ウェハ電極は、基板支持体でありえ、また、接地され、シャワーヘッドにはＲＦパワーが印加されうる。基板支持体には、バイアスＲＦパワーが印加されうる。シャワーヘッド内でＲＦが印加されることは、チャンバへのガス供給線路における寄生放電の発生を回避すべくガス供給システム内に絶縁セクションを必要としうる。ＲＦパワーは、基板支持体電極を介して印加され、一方、シャワーヘッドは接地されうる。

ウェハ間の均一性は、ウェハによって可変の反応温度により影響を受けうる。処理条件、洗浄サイクル、アイドリング時間、及びシャワーヘッドの構成要素の放射率における経時変化はいずれも基板、即ち、ウェハと、ガス反応温度にも影響を与えうる。多数のウェハを連続バッチ処理後、シャワーヘッドは最終的に平衡温度に到達するが、上記の要因は、平衡温度、又は、平衡温度に到達する前の堆積サイクルの数に影響を与えてしまう。更に、複数のステーションを有するチャンバでは、シャワーヘッドの温度は、ステーションによって異なりうる。例えば、第１のステーションに冷たいウェハが投入されることによって、シャワーヘッドも徐々に冷却されうる。更に、シャワーヘッドの熱サイクルによって、シャワーヘッド上の被覆物のパーティクルが、シャワーヘッド自体とは異なる熱膨張係数を有することになってしまいうる。

したがって、チャンバ内の各シャワーヘッドの温度を正確に制御することにより、最良のウェハ間均一性を有する、製造価値のある装置を作製することが望ましい。シャワーヘッドは、良好なウェハ間均一性を維持しつつ、パーティクルを形成することのないよう設計され、また、フットプリントを増加することなく又はスループットを減少することなく最低費用で製造可能であるべきである。

考案の概要

高められた放熱作用を有する温度制御型ＣＶＤシャワーヘッド及び温度制御システムは、高速応答で、正確且つ安定した温度制御を可能にする。正確な温度制御は、連続バッチ処理において、また、バッチごとのウェハ間の不均一性を減少する。高められた放熱作用及び加熱器によって、動作環境における変化がシステムを動揺させた場合でも、迅速に温度設定点に回復することができる。放熱量の増加は、シャワーヘッドステムを介する伝導量の増加と、流体通路における流体を用いた追加の対流冷却と、バックプレートからの放射量の増加により達成される。温度制御システムは更に、シャワーヘッドの流体通路内を流れる対流冷却流体を連続的に冷却する熱交換器を含む。また、シャワーヘッドの温度は、処理の最適化のための追加のパラメータを与えうる。

１つの側面において、本考案は、対流冷却流体用の通路を有するステムと、ステムに熱的に結合されるバックプレートと、バックプレートに物理的に取り付けられる加熱器と、バックプレートに熱的に結合されるフェイスプレートと、フェイスプレートの温度を測定する温度センサを含む、温度制御型ＣＶＤシャワーヘッドに係る。温度センサは、フェイスプレートに取り付けられたサーモカップルでありうる。赤外線放射、蛍光発光又は高温測定に基づいた非接触型の温度測定方法を用いてもよい。バックプレートは、アルミニウム又はアルミニウム合金から形成されうる。バックプレートの外面は、放射率を増加する材料で被覆されうる。被覆物は、陽極酸化処理されたアルミニウムでありうる。加熱器は、電気抵抗型加熱器であってよく、また、バックプレート内に埋め込まれうる。フェイスプレートは、アルミニウム、陽極酸化処理された若しくは被覆されたアルミニウム、又は、高温、化学物質、及びプラズマに対する耐性があるよう形成される他の材料から形成されうる。

ステムは、通路を中に有し、その通路を通って反応物質及びキャリアガスがフェイスプレートへと流れ、フェイスプレートにてガスはフェイスプレート内の穴又は穿孔を通り分配される。ガス通路の端とフェイスプレートとの間に、ガスの均一な分配を支援するバッフル板又は別の分配デバイスが配置されうる。ステムは更に、対流冷却流体用の通路も中に有し、この通路を冷却流体がシャワーヘッドを冷却すべく流れる。流体用の通路は、シャワーヘッドに反応物質及びキャリアガスを運ぶステム内の反応物質用通路から離されるよう構成される。対流冷却流体は、注入口からステムに入り、１以上の排出通路を通りステムから出る。ステム内において、対流冷却流体用の通路の注入通路若しくは排出通路、又は、両方の通路は、流体と表面との間の伝導による熱伝達用に設計されるらせん経路又は他の蛇行経路を従いうる。冷却流体は、クリーン・ドライ・エア（ＣＤＡ）、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、又は、これらの混合物でありうる。あまり好適ではないが、水及び油に基づいた冷却液を、対流冷却流体として用いてもよい。具体的には、ＣＤＡは、製造工場施設によって約５０乃至１００ｐｓｉの圧力で供給されうる。ＣＤＡは、２以上のシャワーヘッドに連続的に接続される熱交換器により冷却されうる。連続冷却とは、ＣＤＡが熱交換器による中間冷却を利用して様々なシャワーヘッドに供給されうることを意味する。例えば、ＣＤＡは、第１のシャワーヘッドに供給され、次に熱交換器によって冷却され、次に第２のシャワーヘッドに供給され、次に熱交換器によって冷却され、次に第３のシャワーヘッドに供給され、次に熱交換器によって冷却され、次に第４のシャワーヘッドに供給され、次に熱交換器によって冷却され、そして、排出されうる。このような構成によって、使用する空気量は最小限となり、また、排出物が低温であることを確実にすることで安全上の問題が回避される。

フェイスプレートは、複数の穴及び穿孔を含み、この複数の穴及び穿孔を通ってガス反応物質がウェハへと流れる。フェイスプレートは、異なるサイズの様々な穴のパターン構成を有しうる。フェイスプレートは、バックプレートに着脱可能に取り付けられ、したがって、洗浄及び穴のパターンの交換が容易となる。フェイスプレートの温度は、フェイスプレートと物理的及び熱的に接触するサーモカップル、又は、光学的温度測定といったＲＦ干渉にあまり影響を受けない他の手段によって測定されうる。サーモカップルが使用される場合、サーモカップルは、バックプレートとフェイスプレートとの間にあるスタンドオフ及びステムの中を通りフェイスプレートに接続されうる。無線周波数（ＲＦ）フィルタがサーモカップルに電気的に結合されて、印加されたＲＦからシャワーヘッドへの温度信号における干渉を減少又は排除しうる。

さらに、ＲＦフィルタが加熱器に電気的に結合されうる。加熱器及びサーモカップルのうちの一方又は両方は、堆積時に使用される特定周波数のＲＦパワーから隔離されうる。制御器が、サーモカップル及び加熱器に結合されて、フェイスプレートを所望の温度に維持しうる。

別の側面において、本考案は、ＣＶＤチャンバにおける１以上のシャワーヘッドの温度を制御する温度制御システムに係る。当該システムは、ＣＶＤチャンバと冷却システムを含む。ＣＶＤチャンバは、１以上の温度制御型シャワーヘッドを含む。各シャワーヘッドは、ステム、バックプレート、フェイスプレート、及び、フェイスプレートの温度を測定するサーモカップルを含む。ステムは、対流冷却流体用の通路を含み、また、バックプレートに熱的に結合され、バックプレートは、フェイスプレートに熱的に結合される。冷却システムは、各シャワーヘッド内の対流冷却流体用の通路に接続され、それにより、各シャワーヘッドと、シャワーヘッド間の熱交換器の中を冷却流体が連続的に流れる。冷却システムは、液体冷却される熱交換器と対流冷却流体用の通路への接続を含みうる。温度制御システムは更に、サーモカップルと、バックプレートに物理的に取り付けられる加熱器とに結合される制御器を含みうる。

対流冷却流体は、ドライ・クリーン・エア（ＣＤＡ）、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、又は、これらの組み合わせでありうる。対流冷却流体は、製造工場施設接続を介して供給され、また、ＣＤＡでありうる。ＣＤＡは、約５０乃至１００ｐｓｉの圧力及び周囲温度において、第１のシャワーヘッドのステムに供給されうる。ＣＤＡは、同じツール上の同じ処理チャンバ内であってもでなくともよい異なるシャワーヘッドを冷却する間に連続的に冷却されうる。１つの熱交換器を用いて、２以上のツールに対する２以上のチャンバにおけるシャワーヘッドを冷却してもよい。ＣＤＡは、最後の冷却の後に、周囲圧力及び／又は周囲温度において最終的に排出されうる。熱交換器内の冷却液は、施設の水又は別の冷却液でありうる。熱交換器は、埋め込まれた冷却剤用線路及び対流冷却流体用線路を有する鋳造金属ブロックでありうる。鋳造金属材料は、アルミニウムでありうる。冷却システムは更に、１以上のシャワーヘッドを冷却システムから隔離する１以上のバイパスループを含みうる。冷却システムは更に、制御器に結合され、各シャワーヘッドへの冷却流体の流量を調節又は制御して冷却量を制御する流量調節器を含みうる。一部の実施形態では、ＣＶＤチャンバは更に、高放射率の被覆物を有するチャンバ上部を含みうる。被覆物は、チャンバ上部の内面上にあり、また、陽極酸化処理されたアルミニウムでありうる。

更に別の側面において、本考案は、ＣＶＤシャワーヘッドの温度を制御する温度制御システムに係る。当該システムは、シャワーヘッドに熱的に結合される冷却手段と、シャワーヘッドに熱的に結合される加熱手段と、シャワーヘッドのフェイスに熱的に結合される温度感知手段と、温度感知手段及び加熱手段に電気的に結合されるＲＦフィルタリング手段と、温度を制御する制御手段とを含む。当該システムは更に、放射冷却手段及び対流冷却手段も含みうる。

１つの側面において、本考案は、対流冷却流体用の通路を有するステムと、ステムに熱的に結合されるバックプレートと、バックプレートに熱的に結合されるフェイスプレートとを含む温度制御型ＣＶＤシャワーヘッドに係る。対流冷却流体用の通路は、通路から排出される冷却流体が、シャワーヘッドと同じ温度であるような設計にされうる。シャワーヘッド装置は更に、プラズマＲＦ干渉範囲外である、排出される冷却流体の温度を測定する温度センサを含みうる。この温度センサは、サーモカップルか、又は、赤外線放射、蛍光発光又は高温測定に基づいた非接触型の温度測定方法でありうる。バックプレートは、アルミニウム、又は、アルミニウム合金から形成されうる。バックプレートの外面は、放射率を増加する材料によって被覆されうる。被覆物は、陽極酸化処理されたアルミニウムでありうる。一部の実施形態では、加熱器は、バックプレートに取り付けられうる。この加熱器は、電気抵抗型加熱器であってよく、また、バックプレート内に埋め込まれてもよい。

別の側面において、本考案は、ＣＶＤチャンバ内のシャワーヘッドの温度を制御する温度制御システムに係る。当該システムは、１以上の温度制御型シャワーヘッドと、対流冷却流体用の通路に流体結合される冷却システムと、制御器とを含みうる。各シャワーヘッドは、対流流体用の通路を有するステムと、ステムに熱的に結合されるバックプレートと、バックプレートに熱的に結合されるフェイスプレートとを含みうる。冷却システムは、対流冷却流体用の通路の注入口及び排出口と、液体冷却される熱交換器と、流量調節器と、ステムから排出される対流冷却流体に熱的に結合される温度センサとを含みうる。熱交換器は、１以上のシャワーヘッドの通路内を連続的に流れる対流冷却流体から熱を除去し、熱交換器によって中間的に冷却される。流量調節器は、制御器からの情報に基づいて各シャワーヘッドへの対流冷却流体の流量を制御しうる。温度センサは、シャワーヘッドから排出される流体の温度を測定して、それにより、制御器はフェイスプレートの温度を判断しうる。制御器は、フェイスプレートの温度を判断及び制御すべく流量調節器及び温度センサに結合されうる。一部の場合では、加熱器がバックプレートに取り付けられ、また、加熱を供給すべく制御器に結合されうる。

更に別の側面では、本考案は、ＣＶＤ用の温度制御型シャワーヘッド用フェイスプレートに係る。フェイスプレートは、実質的に平面且つ円形の前面及び裏面を含む。裏面は、フェイスプレートをバックプレートに取り付けるための多数のネジ止まり穴及び１以上の嵌合機構を含みうる。フェイスプレートは更に、シャワーヘッドのステムから、フェイスプレートの反対側にある処理領域にガスを流すための多数の小貫通穴を含みうる。小貫通穴の数は約１００乃至１０，０００個、２乃至５，０００個、約３乃至４，０００個、又は約２００乃至２，０００個であり、直径は約０．０１乃至０．５インチ、又は、０．０４インチであり、また、不均一な穴密度を有するパターンを形成しうる。フェイスプレートの厚さは、約０．２５乃至０．５インチ、又は、約０．１２５乃至０．５インチ、又は、約０．２５乃至０．３７５インチでありえ、また、フェイスプレートは、アルミニウム、陽極酸化処理若しくは被覆されたアルミニウム、又は、高温、化学物質、及びプラズマに対し耐性があるよう形成される他の金属から形成されうる。サーモカップル用コンタクトホールも含まれうる。フェイスプレートは、１以上の嵌合機構を介してバックプレートに着脱可能に取り付けられる。嵌合機構は、裏面上の周縁側壁、溝部、多数のネジ止まり穴、及びインターロック式ジョーの半分部分でありうる。

本考案の上記の及び他の特徴及び利点を、関連図面を参照して以下により詳細に説明する。

［序文］
本考案の以下の詳細な説明において、本考案の完全な理解を与えるべく多数の具体的な実施形態を記載する。しかし、当業者には明らかであるように、本考案は、これらの具体的な詳細なしでも、又は、別の構成要素又は処理を用いてでも実施しうる。また、周知の処理、手順、及び構成要素は、本考案の側面を不必要に曖昧にすることを回避すべく詳細には記載していない。

本願において、「基板」と「ウェハ」は、相互に置換可能に用いるものとする。以下の詳細な説明では、本考案は半導体処理装置上で実施されることを想定している。しかし、本考案はこれに限定されない。半導体処理装置を用いて、様々な形状、サイズ、及び材料からなるワークピースを処理しうる。半導体ウェハに加えて、本考案を有利に活用しうる他のワークピースには、ディスプレイフェイス面の印刷回路基板等の様々な製品が含まれる。

シャワーヘッドの温度は、時間の経過に従って変動し、反応率及びフィルム特性について堆積反応に影響を及ぼす。図１は、温度を制御することなく、即ち、加熱又は冷却をすることなく５０枚のウェハを処理した際の４つのシャワーヘッドの温度を示すグラフである。４つのステーションを有するチャンバ内の４つのシャワーヘッドの温度を、５０枚のウェハを約４０００秒の間処理した場合を図示する。第１のステーションのシャワーヘッドは、線１０２に対応し、第２のステーションのシャワーヘッドは、線１０４に対応し、第３のステーションのシャワーヘッドは、線１０６に対応し、第４のステーションのシャワーヘッドは、線１０８に対応する。時間の経過に従い、第２、３、及び４のステーションの温度は、約３７００秒時に定常温度となるまで増加する。プラズマ条件を、線１１０にステップ関数として示す。最初に、プラズマは、ダミー堆積モードにおいてオンのままでシャワーヘッドを温め、約１０分後にウェハ処理が開始される。第１のステーションでは、温度は、ウェハ処理の開始後に徐々に低下し始めた。これは、第１のステーションに投入される各ウェハが、処理温度となるまで温まる際にチャンバの構成要素（シャワーヘッドを含む）を冷却するからである。したがって、後続のステーションでの温度曲線は、徐々に高くなっている。第２のステーションのシャワーヘッドは、第３のステーションのシャワーヘッドより冷たい。これは、第２のステーションに投入されるウェハは第３のステーションに投入されるウェハより冷たいからである。いずれのステーションにおいても、シャワーヘッドの温度は幾らか時間の経過後、平衡温度に到達した。

図１は、複数のステーションを有するチャンバ内で処理されるウェハは、各ステーションにおいて異なるシャワーヘッド温度にさらされることを示す。したがって、シャワーヘッドの温度が堆積されたフィルムの特性に影響を与える場合、ウェハ上に堆積された各層は、幾らか異なる特性を有してしまうことになる。シャワーヘッドの温度により影響を受けるＣＶＤ処理の一例は、窒化ケイ素からなるスペーサである。シャワーヘッドの温度により影響を受けるＣＶＤ処理の別の例は、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）である。

図２Ａは、異なるシャワーヘッド温度下で堆積されたフィルムの厚さを示す。他の全ての処理パラメータが同じである場合、シャワーヘッドの温度がより高い場合に、より多くのフィルムが堆積された。したがって、ウェハのランの始まりにおいて、即ち、幾らかのアイドリング時間又はチャンバの洗浄後に堆積されたフィルムの厚さは、シャワーヘッドの温度が均衡状態に到達した後に堆積されたフィルムの厚さより少ない。フィルムに応じて、このような厚さの違いは、最終的に製造されるデバイスの性能に影響を与える場合も与えない場合もある。図２Ｂは、シャワーヘッドの温度の、窒化ケイ素からなるスペーサのフィルム特性、即ち、応力への影響を示す。シャワーヘッドの温度の増加に従い、応力は減少する。堆積されたフィルムの応力は、特にトランジスタのレベルにおいて、デバイス性能に大きな影響を及ぼしうる。したがって、シャワーヘッドの温度を操作することにより所望の応力を達成しうる。シャワーヘッドの温度を制御する能力は、所望のフィルム特性を達成する、及び、堆積厚さ及びフィルム特性におけるウェハ間の変動（不均一性）を減少するために用いるもう１つの処理パラメータを提供しうる。

［温度制御型シャワーヘッド］
温度制御型シャワーヘッドは、バルクフィルム及び個々の副層の両方についてウェハ間の均一性を向上し、非処理遅延を排除することによりスループットを増加し、熱サイクルを減少又は排除することによりパーティクルを減少し、フィルム特性を微調整するための価値のある処理パラメータを追加する。フィルムのウェハ間の均一性は、複数のウェハが含まれる１つの連続バッチに亘って温度があまり変化しないことにより向上される（１つのバッチ内、及び、１つのバッチと別のバッチ間の両方について。また、ツール条件は無関係である）。これにより、シャワーヘッドが冷たいときのバッチにおける最初のウェハと、シャワーヘッドが平衡温度に到達したときのバッチにおける最後のウェハとの間のフィルム特性における差が減少される。１つのチャンバ内の全てのシャワーヘッドの温度が同じとなるよう制御することにより、異なる副層におけるフィルム特性の均一性も向上されうる。例えば、シャワーヘッドを温めるためのダミー堆積時間といった非処理時間が排除されうるので、スループットが増加する。熱サイクルは、ステーションがアイドル状態又は洗浄される間、シャワーヘッドは冷却されるのではなくその温度は維持されうるので、減少しうる。熱サイクルが減少することによって、チャンバの構成要素と、構成要素上の被覆物との間で熱膨張係数が異なることによる影響が減少され、それによりパーティクルも減少しうる。上述したように、一部のＣＶＤプロセスでは、所望のフィルム特性は、他の処理パラメータとともにシャワーヘッドの温度を制御することによって達成しうる。例えば、高応力を有する窒化シリコンスペーサには、シャワーヘッドの温度は低いことが望ましい。

概して２つの主なタイプのＣＶＤシャワーヘッド、即ち、シャンデリア型とフラッシュマウント型がある。シャンデリア型のシャワーヘッドは、一端がチャンバの上部に取り付けられ、他端がフェイスプレートに取り付けられたステムを有し、シャンデリア照明器具に似ている。ステムの一部は、チャンバの上部から突出して、ガス管線とＲＦパワーへの接続を可能にしうる。フラッシュマウント型のシャワーヘッドは、チャンバの上部内に組み込まれ、ステムを有さない。本考案は、温度制御されるシャンデリア型のシャワーヘッドに係る。

温度を制御することを目的として、シャワーヘッドの温度に基づき加熱又は除熱される。シャワーヘッドの温度は、プラズマがオンである場合に増加する。これは、（１）荷電パーティクルがシャワーヘッドに衝突してエネルギーが発生し、（２）印加されたＲＦエネルギーがシャワーヘッドに結合し、及び／又は、（３）例えば、電気加熱器からの電気エネルギーによって外部熱が意図的に加えられるからである。シャワーヘッドの温度は、例えば、低温の反応ガス又は周囲温度のウェハといった低温の材料がチャンバの中に入れられ、例えば、シャワーヘッドのステム材料を介してチャンバの天井までの熱伝導といった伝導及びシャワーヘッドの表面からの放射によって熱が除去される際に低下する。このような熱に関する事象のうち、通常のチャンバ動作の一部として発生するものもあれば、シャワーヘッドの温度を制御するために用いられるものもある。

図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃは、本考案の様々な実施形態によるシャワーヘッドを示す略断面図である。図３Ａを参照するに、シャワーヘッド３００は、ステム３０４、バックプレート３０６、及びフェイスプレート３１０を含む。ステム３０４は、異なる直径を有しうる上部と下部に分割されてもよい。一実施形態では、上部ステムは、約１．５乃至２インチ、好適には約１．７５インチの直径を有する。下部ステムの直径は、約２乃至２．５インチ、好適には約２．２５インチでありうる。フェイスプレートの直径は、ウェハのサイズより僅かに大きい及び匹敵するか、又は、僅かに大きく、好適には、ウェハのサイズの約１００％乃至１２５％でありうる。例えば、３００ｍｍ（１２インチ）の処理チャンバでは、フェイスプレートの直径は、約１３インチ又は約１５インチでありうる。フェイスプレート及びバックプレートの厚さはそれぞれ約０．２５乃至０．５インチ、又は、約０．１２５乃至０．５インチ、又は、約０．２５乃至０．３７５インチでありうる。フェイスプレートは、アルミニウム、陽極酸化処理又は被覆されたアルミニウム、又は、高い温度、化学、及びプラズマに対する耐性を有するよう形成された他の金属から形成されうる。

一実施形態では、バックプレートの厚さは約０．５インチであり、フェイスプレートの厚さは、約８分の３インチである。反応ガスは、シャワーヘッドステム３０４内のガス注入路を介して導入され、バックプレート３０６を通り過ぎ、バックプレート３０６とフェイスプレート３１０との間のマニホルド領域３０８内に入る。図３Ｂを参照して分かるように、バッフル３１２によってガスがマニホルド領域３０８全体に均一に分配される。バッフル３１２は、バッフル板のネジインサート又はネジ穴３４２と幾つかのネジ３４４によってバックプレート３０６に取り付けられうる。マニホルド領域の容積は、バックプレートとフェイスプレートとの間の空隙により決められる。空隙は、約０．５乃至１インチ、好適には約０．７５インチでありうる。空隙内への均一なガス流を維持するためには、空隙は、例えば、３、６、又は最大１０個の位置の様々な位置において、バックプレートとフェイスプレートとの間に配置される幾つかのセパレータ／スペーサ３３２によって一定に保たれうる。図示するように、ネジ３３８によって、バックプレート３０６は、セパレータ／スペーサ３３２を介してフェイスプレートにネジ止まり穴３２８において固定される。他の実施形態では、内部にネジ山を有しても有さなくてもよい様々な形状のスペーサ又はブッシングを用いうる。図示するネジはバックプレートに入りフェイスプレートにネジ込まれるが、反対の構成を用いてもよい。例えば、ネジは、フェイスプレート内に埋め込まれ、スペーサを介してバックプレート内の貫通穴に入れられてもよい。これらのネジは、ナットを用いてバックプレートに固定されうる。

ガスは、フェイスプレート３１０における穿孔又は穴（３３４）を介して処理領域内に入り、ウェハの表面上の堆積をもたらす。これらの貫通穴は機械加工されても、圧延されても、又はドリルされてもよい。各穴の直径は、約０．０４インチ、又は、約０．０１インチないし０．５インチでありうる。一部の穴は異なるサイズを有してもよい。穴の数は、１００乃至１０，０００個、２乃至５，０００個、約３乃至４，０００個、又は約２００乃至２，０００個でありうる。穴は、例えば、ハニカムパターン又は徐々に大きくなる円といった様々なパターンでフェイスプレート全体に一様に分散配置されうる。所望のフィルム均一性、フィルムプロファイル、及びガス流を含む様々な要素に依存して、穴は、例えば、フェイスプレートの中心においてより密に分散配置される、又は、フェイスプレートの縁においてより密に分散配置されるといったように不均一な分散配置の様々なパターンであってもよい。一実施形態では、穴は、中心から離れるに従って穴間の距離が増加する均一な間隔を有する複数の円のパターンをであってもよい。一般に、様々な穴のパターン及び密度を用いうる。

一部の場合では、フェイスプレート３１０は、バックプレート３０６に着脱可能に取り付けられ、それにより、穿孔／穴構成は容易に交換することができ、フェイスプレートを掃除することができる。フェイスプレート３１０の背面は、バックプレートに対して着脱するための嵌合機構を含みうる。図示するように、この嵌合機構は、溝部３３０とネジ止まり穴３４６でありうる。溝部３３０は、バックプレートの対応するリップ部とはめ合わされうる。バックプレート又はフェイスプレート上のネジ穴３４０は周縁部に配置され、穴３４６に対応する。ネジによって、バックプレートとフェイスプレートは互いに取り付けられる。周縁部に配置されるネジの数は、４個より多い、１０個より多い、約２４個、又は最大で約５０個でありうる。バックプレート及びフェイスプレートに他の嵌合機構を用いてもよい。例えば、他の締結機構には、ストラップ若しくはクリップを含んでもよく、又は、フェイスプレートの寸法がバックプレート内の対応するレセプタクルの寸法に密に一致する摩擦に基づく単純な噛合を用いてもよい。図３Ａに示すように、フェイスプレートは、レッジを有する周縁側壁を含んでもよい。バックプレートは、レッジ上に配置されてネジを用いて取り付けられうる。一実施形態では、バックプレート又はフェイスプレートの周縁側壁エッジ上における特殊機械加工されたノッチが対応するプレートの歯と嵌合するインターロック式ジョー機構を用いる。バックプレートとフェイスプレートは、シャワーヘッドが加熱されて歯とノッチが膨張することによって摩擦によって取り付けられうる。不動部分が関連するこのような機構は、ネジ込められる必要があり、また、パーティクルを剥がして放出してしまいうるネジよりも好適でありうる。更に別の可能な機構は、フェイスプレート又はバックプレートの周縁側壁上のネジ山が関連し、これはそれぞれの対応するプレートに嵌められることが可能である。嵌合機構及び締結機構に関わらず、バックプレートとフェイスプレートは、両者の間に良好な電気的及び熱的接触が維持されるように取り付けられる。

動作時、シャワーヘッドのフェイスプレートは、チャンバ内で厳しい条件にさらされる。例えば、非常に高温、例えば、３００℃以上への温度変化による熱応力は、バックプレート又はフェイスプレートを歪ませ、材料を劣化してしまいうる。動作時のプラズマは、表面材料を腐食してパーティクルや脆弱なスポットをもたらしうる。反応物質も、例えば、フッ素ガスといった化学薬品によってフェイスプレートを腐食しうる。反応生成物又は副生成物の望ましくない堆積によって、ガスが流れる穴が詰まって処理性能に影響が及ぼされ、表面上にフィルムが蓄積するとパーティクルが発生し、又は、フッ化アルミニウムの場合はプラズマ特性に影響が及ぼされる。これらの事象は積み重なって、パーティクル、均一性、及びプラズマ性能について処理性能に影響を及ぼしうる。フェイスプレートだけを洗浄又は交換可能であることは、シャワーヘッド組立体全体を交換する必要がないので、費用効果的である。

図３Ａを再び参照するに、加熱器３１４は、バックプレート３０６に熱的に取り付けられうる。加熱器３１４は電気加熱器であって、バックプレート４０６内に埋め込まれうる。加熱器は、真空ロウ付け処理によって取り付けられうる。加熱器コイル３１４は、ステムを介してコイルに接続される加熱器線３１６により制御される。シャワーヘッドは、チャンバ動作時には高ＲＦエネルギーにさらされるので、加熱器の全体又は一部はＲＦから絶縁及び隔離される。ＲＦアイソレーションは、ＥＭＩ／ＲＦＩフィルタ又は任意の他の市販されるＲＦアイソレーションデバイスによって達成されうる。一部の実施形態では、加熱器は用いられない。

図３Ｃは、シャワーヘッドの少し異なる断面を示し、他の構成要素を強調している。サーモカップル３１８が、フェイスプレート３１０と熱接触し、それにより、フェイスプレートの温度を測定する。サーモカップル３１８は、上部ステムから、バックプレート３０６とフェイスプレート３１０との間のスタンドオフ３２０の中を通り接続される。フェイスプレート３１０において、サーモカップルは、サーモカップル用コンタクトホールにおいてフェイスプレートの材料と接触しうる。加熱器線及び構成要素と同様に、サーモカップルもＲＦから絶縁及び隔離される。ＲＦアイソレーションは、ある周波数にあるＲＦトラップと別の周波数にあるＲＦフィルタとによって達成されうる。別の実施形態では、他の温度感知デバイスを用いてフェイスプレートの温度を測定してもよい。具体的には、非接触型温度センサを用いてもよい。例えば、高温測定、蛍光発光に基づいた温度測定、及び赤外温度計測が挙げられる。

温度制御型シャワーヘッドは、伝導、対流、及び放射により熱の除去を高める。熱は、チャンバの上部に接続されるシャワーヘッドのステム自体を介して伝導される。ステムの直径は、チャンバの上部に向けての伝導熱の損失量を最大とすべく設計されうる。熱は更に、ステム３０４内の対流冷却流体の通路を流れる冷却流体によって除去される。図３Ｃの実施形態は、例えば、クリーン・ドライ・エア（ＣＤＡ）、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、又は、これらの混合物といった冷却流体を流し入れる冷却流体注入口３２２を含む。流体は、ステムを下方向にらせん状の経路に従いうる。図３Ｃにおいて、らせん状の経路は、対流冷却流体の通路の開口３２４として示す。冷却流体は、１以上の冷却流体排出路３２６を介してステムから排出される。一実施形態では、２つの冷却流体排出路が設けられる。この例では、らせん状の経路と２つの排出路を使用しているが、当業者は、シャワーヘッドからの熱を冷却流体に効果的に移すために別の蛇行経路を設計しうる。

流体冷却路は、排出される流体は、シャワーヘッドのステムの温度となるまで完全に加熱されているよう設計されうる。フェイスプレートの温度とステムの温度は相関するので、排出される流体の温度を測定することによりフェイスプレートの温度を推定することができる。排出される流体の温度は、ＲＦによりもたらされる電磁気干渉から離れて測定されうる。この設計は、シャワーヘッド内蔵型のサーモカップル及びその付随のＲＦフィルタリング回路の使用を回避しうる。

別のシナリオでは、冷却流体は更に、冷却量を制御すべく調節されうる。排出される流体の温度に基づいたフィードバックループによって、冷却量を変更すべく流量を増加又は減少しうる。この冷却は、バックプレートの加熱器に加えて又はバックプレートの加熱器の代わりでありうる。要件がそれほど厳しくない適用では、冷却自体を用いて、シャワーヘッドの温度を制御しうる。その場合、加熱器素子及びＲＦアイソレーションデバイスを省略しうる。より要件の厳しい適用では、冷却流体の調節は、シャワーヘッドの温度を制御するための追加のパラメータでありうる。

伝導及び対流に加えて、熱は、バックプレートを介してシャワーヘッドから放射されうる。放射冷却を高めることを目的として、バックプレートの外面は、高放射率材料により被覆されうる。例えば、この被覆物は、陽極酸化処理されたアルミニウムでありうる。放射は、チャンバの上部によって吸収されうる。チャンバの上部も高放射率材料により処理されて放射熱の伝達を促進しうる。チャンバの上部の内面は、陽極酸化処理されたアルミニウムで被覆されうる。チャンバの上部は、例えば、冷却水管線を用いて独立して冷却されうる。

伝導及び放射熱除去によって、シャワーヘッドは十分に低温に維持され、それにより、電気加熱器が正確にシャワーヘッドを再加熱しうる。熱が除去されなければ、シャワーヘッドの温度は、高いままであり制御不可となる。熱を除去することによって、温度制御のためのヘッドルームがもたらされる。一実施形態では、熱が除去されることによって、シャワーヘッドの温度は、約２００℃未満に維持される。加熱器は、バックプレートの周囲周りの単純なコイルであり、これは、フェイスプレートとバックプレートとの間の熱伝達の多くは、周囲周りで行行われるからである。シャワーヘッドとバックプレートとの間の良好な熱接触によって温度制御が更に改善される。これは、伝導による熱伝達、したがって、ステムを介する熱の損失が高められるからである。

［冷却システム］
１以上のシャワーヘッドステムに接続される冷却システムは、各シャワーヘッドのステムを流れる対流冷却流体を冷却する。冷却システムは、液体冷却された熱交換器と、シャワーヘッドへの接続を含む。図４は、本考案の一実施形態による冷却システムの概略図を示す。この実施形態では、熱交換器４０１は、４つのシャワーヘッド４１１、４１３、４１５、及び４１７に接続される。対流冷却流体は、各シャワーヘッドと熱交換器４０１のコンパートメント内を連続的に流れる。対流冷却流体は、注入口４０９においてシステム内に入る。注入口４０９において、対流冷却流体は、第１のシャワーヘッドのステムに入る。１つのシャワーヘッド内を流れた後、対流冷却流体は、次のシャワーヘッド内に流れる前に熱交換器内の冷却液により冷却される。熱交換器内の最後のコンパートメント内での最後の冷却の後、対流冷却流体は、流出口４１１において冷却システムから排出される。対流冷却流体は、クリーン・ドライ・エア（ＣＤＡ）、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、又はこれらの１以上を含む組み合わせでありうる。一実施形態では、対流冷却流体は、施設内の圧力で施設により供給されるＣＤＡである。施設内の異なる圧力に対して異なる流量が必要となりうる。例えば、８０ｐｓｉの施設圧では、１００ｓｌｍ（standard liters per minute）のＣＤＡを用いうる。排出される流体は、略周囲温度／圧力である又は周囲温度／圧力より僅かに上でありうる。対流冷却流体がシステムに戻されない開放系をここでは示すが、シャワーヘッド及び１つの熱交換器を通る中間冷却を介する連続的な流れの概念も、閉鎖系で実施しうる。

一部の実施形態では、シャワーヘッドから排出される冷却流体の温度が測定され、且つ、シャワーヘッドの温度を決定すべく用いられる。温度センサ４４１、４４３、４４５、及び４４７は、排出される冷却流体に熱的に結合されるがＲＦ干渉の範囲外でありうる。この構成によって、ＲＦフィルタリングデバイスは必要でなくなる。上述したように、対流冷却路は、排出される冷却流体の温度がシャワーヘッドのステムの温度と同じになるよう設計されうる。当業者は、測定した排出流体の温度を、様々な構成要素の熱特性を知っている上でシャワーヘッドの温度に相関させるアルゴリズムを考え付くことはできよう。

特定の実施形態では、シャワーヘッドは、バックプレートに取り付けられる加熱器を含まなくてもよい。シャワーヘッドの温度は、処理時、予熱時、及びリモート・プラズマ・クリーニング時に増加する。このような実施形態では、冷却流体からのアクティブ冷却を用いてシャワーヘッドの温度を制御しうる。制御弁４２１、４２３、４２５、及び４２７は、制御器からの入力に基づいてシャワーヘッドへの冷却流体の流れを制御する。冷却流体は、シャワーヘッドのステムに流されるか、又は、バイパスループ４３１、４３３、４３５、又は４３７において方向転換させられる。シャワーヘッドへの冷却流体の流量に基づいてより多くの又は少ない冷却が達成されうる。アクティブ冷却だけを用いた設計は、シャワーヘッドの許容可能な温度の範囲が大きい、あまり要件の厳しくない特定の適用においては適切でありうる。これらの実施形態において、シャワーヘッドの温度は、排出される冷却流体の温度に基づいて決定されうるか、又は、接触型サーモカップル若しくは非接触型感熱手段を介してシャワーヘッドにおいて測定されうる。

一実施形態として４つのシャワーヘッドと４つのコンパートメントを図４に示すが、冷却システムは、別の数のシャワーヘッド及びコンパートメントとともに設計されてもよい。一部の場合では、冷却システムは、２以上の半導体処理ツールに対してシャワーヘッドを冷却するよう機能しうる。各半導体処理ツールが、それぞれ４つのステーションを有する１つの複数ステーションチャンバを有する場合、８つのシャワーヘッドに接続される８つのコンパートメントを有する冷却システムが、２つのツールに対して作用するよう設計されうる。一部の半導体処理ツールは、２以上の複数ステーションチャンバを有しうる。その場合、冷却システムは、単一のツールの２以上のチャンバ内の全てのシャワーヘッドに対して作用するよう設計されうる。４つのコンパートメントを有する熱交換器が、２以上の４ステーションチャンバを有する１つのツールに用いられる場合、１ツールあたりに２以上の熱交換器を用いうる。

一部の場合では、１以上のシャワーヘッド全てが、対流冷却流体の流れに対してバイパスされうる。したがって、各シャワーヘッド接続には、対応弁を有するバイパスループが含まれうる。特定の処理については、各ステーションが、ウェハ上に材料を堆積するよう構成されているわけではない、又は、温度制御型シャワーヘッドを必要とするわけではない。この場合、バイパスループを第４のステーションにおいて用いうる。

熱交換器４０１用の冷却液は、注入口４０５においてシステム内に入り、冷却液路４０３を流れ、排出口４０７においてシステムから出る。冷却液路４０３について１つのループしか示していないが、冷却液路４０３は、冷却液路の直径、必要な熱伝達、注入口における冷却液の温度、及び排出口において必要な冷却液温の要件に依存して多くのループから構成されてもよい。冷却液は、水、又は、例えば、フレオン（Ｆｒｅｏｎ）といった他のタイプの既知の冷却液であってよい。一実施形態では、冷却液は、施設に供給されている水である。熱交換器を出た後、冷却液は、例えば、下水管に流される前に更に処理されてもされなくともよい。例えば、冷却液として施設に供給された水は直接的に使い尽くされてもよい。しかし、他の冷却液が用いられる場合、冷却液は圧縮されて熱交換器内に戻されて再循環させられ、それにより、閉鎖系の冷却液システムが形成されうる。

熱交換器４０１の異なる設計を用いうる。図４は、流れが互いにほぼ直交するように流れる直交流型熱交換器を示す。しかし、逆流型又は並流型の熱交換器を用いてもよい。当業者は、所望の熱伝達をもたらすのに十分な表面積を有する熱交換器を設計することができるであろう。特定の実施形態では、熱交換器４０１は、冷却液及び対流冷却液管を閉じ込める鋳造金属でありうる。金属は、アルミニウム、又は、所望の熱伝達特性を有する他の金属でありうる。鋳造金属設計によって、フットプリント、即ち、スペース要件の小さい小型の熱交換器を実現することができる。

［温度制御システム］
シャワーヘッド温度制御システムは、１以上のシャワーヘッド、冷却システム、及び、各シャワーヘッドの温度を制御する制御器を含む。図５は、１つのシャワーヘッドに関連する温度制御システムの主な構成要素を示す。なお、この図面に示すシャワーヘッドは、チャンバ上部への取付け部品を含むことに留意されたい。対流冷却流体は、構成要素５０２からシャワーヘッドステム内に流れ、当該システム内でシャワーヘッドを冷却する過程で加熱され、熱交換器５０６に排出される。一部の実施形態では、シャワーヘッド内に流れる冷却流体は、制御弁又は他の流量調節器５２２によって調節される。流量を調節することによって、冷却流体によって与えられる冷却は、増加又は減少されうる。

対流冷却流体は、上述したように熱交換器５０６から、構成要素５０４といった別の構成要素に流れうる。シャワーヘッドが、チャンバ内の第１のステーションとして構成される場合、構成要素５０２は、施設の空気であり、構成要素５０４は、ステーションのシャワーヘッドといった別のシャワーヘッドでありうる。シャワーヘッドが第１のステーションとして構成されない場合、構成要素５０２及び５０６は、上述したように、同じ構成要素、即ち、冷却液熱交換器であってよい。なお、この冷却ループは、より多くの又は少ない冷却を調節しうるフィードバックループを有さない場合もあることに留意されたい。単純な設計は単に、電気加熱器５１８がシャワーヘッドを特定の温度に正確に加熱しうるのに十分であるようシャワーヘッドを冷却する。

サーモカップル５１０は、上述したようにフェイスプレートと物理的に接触している。サーモカップル５１０は、ＲＦアイソレーションデバイス５１２に接続され、サーモカップル信号から、電極としてのシャワーヘッドに印加されるＲＦの影響を取り除く。一般に、ＰＥＣＶＤにおいて印加されるＲＦは、２つの周波数成分、即ち、高周波（例えば、１３．５６ＭＨｚ）トラップと低周波（例えば、４００ｋＨｚ）を有する。ＲＦアイソレーションデバイスは、１以上のフィルタを含みうる。一実施形態では、ＲＦアイソレーションデバイスは、高周波フィルタ及び低周波フィルタを含む。ＲＦアイソレーションがなければ、サーモカップルの測定値は、ＲＦ干渉が大きすぎるために有用ではないと考えられている。

ＲＦアイソレーションデバイスの可能な構成の概略図を図６に示す。サーモカップル５１０／６０１は、ステインレス鋼シースに包まれている。このシースは、コンデンサ６０５と並列にあるコイル６０３に巻き付けられている。インダクタとしてのコイルとコンデンサは、１３．５６ＭＨｚ信号を遮断するタンク回路を形成する。コイルは、１マイクロヘンリのインダクタンスを有し、また、コンデンサ６０５は、約８５ｐｆ（ピコファラッド）の静電容量を有しうる。残っている１３．５６ＭＨｚのＲＦは、約１００００ｐｆの静電容量を有しうる第２のコンデンサ６０７を用いて接地６０９に短絡される。シースを用いて高周波数をトラップすることは、このシース内に埋め込まれているサーモカップル線におけるＲＦも遮断する。４００ｋＨｚ周波数は６０３／６０５フィルタによって遮断されず、また、その低周波数によって、コンデンサ６０７によって接地に短絡されない。したがって、１３．５６ＭＨｚフィルタの終わりには、４００ｋＨｚのノイズが依然としてあるが、これは、低周波フィルタ６１１により続いて取り除かれる。一設計では、低周波フィルタは、２段ローパスフィルタでありうる。両段は、高周波フィルタに似たＬＣ設計でありうる。なお、低周波フィルタは、サーモカップル線に直接接続されてもよいが、高周波フィルタは、シースだけに接続されうることに留意されたい。

図５を再び参照するに、加熱器素子５１８は、そのＲＦアイソレーションデバイス５０８に接続される。ＲＦアイソレーションデバイス５０８は、ＲＦフィルタ、又は、加熱器の電気信号を印加されたＲＦの影響から隔離する任意の他の利用可能なデバイスでありうる。温度制御器５１６は、サーモカップル５１０からの温度情報を、アイソレーションデバイス５１２を介して読出し、加熱器５１８への入力を、ＲＦアイソレーションデバイス５０８を介してフィードバックループで調整する。

別の実施形態では、排出される冷却流体の温度が、ＲＦ干渉の範囲外である温度感知デバイス５２０によって測定されうる。この実施形態では、感度感知デバイス５２０のためのＲＦフィルタは必要ではない。制御器は、排出される冷却流体の温度をシャワーヘッドの温度に相関させうる。

温度制御器５１６は、構成要素５１４からフィードフォワード情報を受取りうる。フィードフォワード情報は、プラズマがオンとなるまでの時間周期でありうる。一部の場合では、フィードフォワード情報には、冷たいウェハを用いたウェハ処理、シャワーヘッド内へのガス流入といったシャワーヘッドの温度に影響を与える他の予測可能な事象が含まれうる。制御器は、例えば、チャンバパージといった冷却事象を予期して加熱器の入力を増加しうる、又は、例えば、プラズマの「オン」状態といった加熱事象を予期して加熱器の入力を減少しうる。制御器は更に、加熱事象を予期して冷却流体の流量を増加して冷却を増加しうる、又は、冷却事象を予期して冷却流体の流量を減少して冷却を減少しうる。

入力及び出力構成要素の様々な組み合わせを異なる制御スキームにおいて用いうる。例えば、アクティブ冷却（冷却流体の流量の調節）をアクティブ加熱（バックプレート内の加熱器）とともに用いて、シャワーヘッドの温度を正確に制御しうる。シャワーヘッドの温度は、フェイスプレートに取り付けられるサーモカップルによって直接測定されるか、又は、排出される冷却流体の温度から間接的に判断されうる。一部の場合では、制御システム内には、アクティブ冷却又はアクティブ加熱のみが含まれうる。注入口における冷却流体の温度感知といった他の入力も、シャワーヘッドから取り除かれた熱を正確に判断するために用いうる。

特定の実施形態において、温度制御器は、システム制御器と一体にされうる。このような場合、構成要素５１４は、制御器５１６とは別個にはされない。

［実験］
本考案に従ってシャワーヘッドの温度制御システムが実施された。実施された制御システムは、上述したような温度制御型シャワーヘッドと、フィードバック入力のみ（サーモカップルのみ）を使用する制御器とを含む。４つのステーションを有するチャンバのシャワーヘッドの温度を、５０枚のウェハを処理する間に測定し、それを図７に示す。各シャワーヘッド（全体で４つある）の温度は、別個の曲線として示す。設定点は、２６０℃とした。第１のステーションの測定温度は、線７０１として示す。第２乃至４のステーションの測定温度は、互いに非常に近く、線７０３として示す。図１と同様に、プラズマ条件を、７０５にステップ関数として示す。

加熱器がオフであり温度が制御されない図１と比較した場合のシャワーヘッドの温度における差は、あまり大きくない。約１８００秒までのダミー堆積時には、シャワーヘッドの温度は、図１におけるシャワーヘッドの温度と同様に挙動した。温度は、約１８００秒において、ウェハ堆積の開始後、迅速に安定化した。第２乃至４のステーションにおけるシャワーヘッドに対して少なくとも温度ははるかに早くに安定化した。第１のステーションの温度７０１は、約５００秒間の間、約２５６℃となるまで下方向に傾いたが、残りのウェハ処理の間は設定点に回復し、その点に留まった。

データが示すように、温度制御スキームを用いると、シャワーヘッドの温度は、１バッチ５０枚のウェハを処理する間約４℃以内に制御されうる。このデータは、フィードフォワード制御を用いることなく生成されたので、フィードフォワード制御を含む実施例は、約４℃未満となるよう応答を改善しうる。

別の試験では、標準シャワーヘッドと、本考案による温度制御型シャワーヘッドを用いたオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）堆積に関する堆積率のウェハ間の結果が検討された。標準シャワーヘッドには、本考案の温度制御機構が含まれない。また、冷却機構又は加熱器も含まれない。変化する条件に対する温度制御型のシャワーヘッドの応答性を試験することを目的として、１００枚のウェハに各シャワーヘッドを用いて４つの条件下で堆積が行われた。各条件の前に、処理チャンバは、処理チャンバから遠隔に配置されたチャンバ内に供給されるガスからプラズマが点火されるリモート・プラズマ・クリーン（ＲＰＣ）が施される。ＲＰＣチャンバからのプラズマ活性種は、次に、供給線路を介し処理チャンバに流される。したがって、ＲＰＣは、第１のウェハ、第２６のウェハ、第５１のウェハ、及び第７６のウェハの前に行われた。第１の条件において、ＴＥＯＳは１ウェハあたり１２秒間堆積され、堆積厚さが測定された。第２の条件において、ＲＰＣ後、シャワーヘッドは反応物質路からの窒素ガスを用いて２０分間冷却された。標準シャワーヘッドでは、約２０分間の窒素ガスを用いた強制冷却後、シャワーヘッドの温度は、約２４０℃となったことが推定される。第３の条件において、処理チャンバは、ＲＰＣ後、一晩アイドリングされた。このアイドリング時に、ペデスタルは加熱されて約３５０℃に維持され、標準シャワーヘッドは、この時間の間、３５０℃未満の温度で平衡状態にされた。第４の条件において、ＲＰＣ後、シャワーヘッドは、高出力プラズマで２０分間加熱された。約１０ｓｌｍの流量の窒素を用いてこのプラズマを生成した。チャンバ圧は約２．５トールに、高周波出力は約１５００ワットに維持された。

図８Ａ及び図８Ｂは、測定されたウェハそれぞれについての堆積厚さ（単位：オングストローム）を示すグラフである。各条件に対して６つのウェハが測定された。領域８０１は、上記の第１の条件に対応する。ＲＰＣ後、シャワーヘッドの温度は、シャワーヘッドの表面における発熱反応により放出されるエネルギーによって上昇される。この厚さに関するデータによって示されるように、温度制御型シャワーヘッドにおいては可能である追加の冷却のない標準シャワーヘッドは、より長い時間の間熱いままであった。なお、ＴＥＯＳ堆積率は、シャワーヘッドが高温である場合に高いことに留意されたい。幾つかのウェハの後、標準シャワーヘッドと温度制御型シャワーヘッドの両方における堆積は減少し、次に、ゆっくりと増加した。温度制御型シャワーヘッドは、比較的安定した堆積率を維持したが、標準シャワーヘッドでは堆積率は再び減少し始めた。標準シャワーヘッドを有するステーションにおける第２の減少は、図１の曲線１０２に示す温度低下と同様にステーション内に入る冷たいウェハの影響によるものと考えられる。データによって示されるように、ＲＰＣシーケンス後、温度制御型シャワーヘッドは、一定温度で平衡状態となることが可能であり、それにより、堆積率は、標準シャワーヘッドより高速である。

領域８０２は、第２の条件に対応する。ＲＰＣシーケンス後、処理チャンバは、窒素で冷却された。この領域では、温度制御型シャワーヘッドを用いた堆積は最初はあまり影響を受けなかった。つまり、標準シャワーヘッドより堆積厚さにおける減少はあまりなかった。領域８０３は、第３の条件に対応する。一晩のアイドリング後、温度制御型シャワーヘッドを用いた堆積は、ＲＰＣシーケンス後の特徴と同じ特徴を有した。堆積は、最初に下がり、その後、比較的一定の値を回復した。標準シャワーヘッドを用いた堆積は、最初の幾つかのウェハで減少し、その後、比較的一定の値に維持された。なお、堆積パラメータは同じであるが、標準シャワーヘッドは、領域８０３において他の全ての領域よりも低い堆積率を維持したことに留意されたい。最後に、領域８０４は、第４の条件に対応する。ＲＰＣシーケンス後の高エネルギープラズマによってシャワーヘッドは、ＲＰＣだけが行われるよりも高温に加熱された。標準シャワーヘッドでは、最も高い堆積率は、領域４において記録された。堆積における最初の下降の後、より高い値において厚さは平衡状態となったように見受けられた。温度制御型シャワーヘッドでは、高エネルギーのプラズマは堆積に影響を与えないことが見受けられ、したがって、恐らく、一番初めのウェハが無駄でなくなる。

全体的に見て、標準シャワーヘッドについて測定された厚さの範囲は、約３７オングストロームであり、温度制御型シャワーヘッドについては、約１３オングストロームほどである。標準シャワーヘッドについてウェハ間の堆積の不均一性は３．７％であり、温度制御型シャワーヘッドについては、１．３％であった。温度制御型シャワーヘッドの良好なウェハ間の均一性は、標準シャワーヘッドの良好なウェハ間の均一性に対して６６％の改善を示した。

様々な詳細を明確にすることを目的として省略したが、様々な設計の代案を実施しうる。したがって、実施例は、限定的ではなく例示的であると考えるべきであり、また、本考案は、本願に記載する詳細に限定されず、むしろ、請求項の範囲内で変更されうる。

４つのステーションを有するチャンバ内のシャワーヘッドの経時温度変化を示すグラフである。

様々なシャワーヘッド温度において堆積された窒化ケイ素のスペーサの厚さを示すグラフである。 様々なシャワーヘッド温度において堆積された窒化ケイ素のスペーサのフィルム応力を示すグラフである。

本考案の様々な実施形態による温度制御型シャワーヘッドを示す略断面図である。 本考案の様々な実施形態による温度制御型シャワーヘッドを示す略断面図である。 本考案の様々な実施形態による温度制御型シャワーヘッドを示す略断面図である。

本考案の一実施形態による冷却システムを示す概略図である。

本考案の一実施形態による温度制御システムを示す概略図である。

ＲＦ雑音を減少又は除去するＲＦフィルタの一実施形態を示す概略図である。

本考案による温度制御型シャワーヘッドを用いて測定されたシャワーヘッドの温度を示すグラフである。

標準シャワーヘッドを用いた４つの異なる開始条件での１００枚のウェハに亘ってのＴＥＯＳフィルム厚さを示すグラフである。 温度制御型シャワーヘッドを用いた同じ４つの開始条件での１００枚のウェハに亘ってのＴＥＯＳフィルム厚さを示すグラフである。

符号の説明

３００ シャワーヘッド
３０２ ガス注入口
３０４ ステム
３０６ バックプレート
３０８ マニホルド領域
３１０ フェイスプレート
３１２ バッフル
３１４ 加熱器
３１６ 加熱器線
３１８ サーモカップル
３２０ スタンドオフ
３２２ 冷却流体注入口
３２４ 開口
３２６ 冷却流体排出路
３２８ ネジ止まり穴
３３０ 溝部
３３２ セパレータ／スペーサ
３３４ 穿孔又は穴
３３８ ネジ
３４０ ネジ穴
３４２ ネジ穴
３４４ ネジ
３４６ ネジ止まり穴
４０１ 熱交換器
４０３ 冷却液路
４０５ 注入口
４０７ 排出口
４０９ 注入口
４１１、４１３、４１５、４１７ シャワーヘッド
４２１、４２３、４２５、４２７ 制御弁
４３１、４３３、４３５、４３７ バイパスループ
４４１、４４３、４４５、４４７ 温度センサ
５０２ 構成要素
５０４ 構成要素
５０６ 熱交換器
５０８ ＲＦアイソレーションデバイス
５１０ サーモカップル
５１２ ＲＦアイソレーションデバイス
５１４ 構成要素
５１６ 温度制御器
５１８ 電気加熱器
５２０ 温度感知デバイス
５２２ 流量調節器
６０１ サーモカップル
６０３ コイル
６０５ コンデンサ
６０７ コンデンサ
６０９ 接地
６１１ 低周波フィルタ

Claims (26)

1. （ａ）対流冷却流体用の通路を有するステムと、
   （ｂ）前記ステムに熱的に結合されるバックプレートと、
   （ｃ）前記バックプレートに物理的に取り付けられる加熱器と、
   （ｄ）前記バックプレートに熱的に結合されるフェイスプレートと、
   （ｅ）前記フェイスプレートの温度を測定する温度センサと、
   を含む、化学気相堆積（ＣＶＤ）用の温度制御型シャワーヘッド。
2. 前記温度センサは、前記フェイスプレートに物理的に取り付けられるサーモカップルであり、
   前記サーモカップルに電気的に結合される無線周波数（ＲＦ）フィルタを更に含む、請求項１に記載のシャワーヘッド。
3. 前記加熱器に電気的に結合されるＲＦフィルタを更に含む、請求項１に記載のシャワーヘッド。
4. 前記バックプレートの外面は、陽極酸化処理済みアルミニウムの被覆物を含む、請求項１に記載のシャワーヘッド。
5. 前記加熱器は、前記バックプレート内に埋め込まれる、請求項１に記載のシャワーヘッド。
6. 前記フェイスプレートは、前記バックプレートに着脱可能に取り付けられる、請求項１に記載のシャワーヘッド。
7. 前記ステムの直径は、約１．５乃至２．５インチである、請求項１に記載のシャワーヘッド。
8. 前記フェイスプレート及び前記バックプレートの厚さは、約０．２５乃至０．５インチである、請求項１に記載のシャワーヘッド。
9. 前記バックプレートと前記フェイスプレートとの間の空隙は、約０．５乃至１インチである、請求項１に記載のシャワーヘッド。
10. 前記フェイスプレートの直径は、約１３インチである、請求項１に記載のシャワーヘッド。
11. 前記バックプレートと前記フェイスプレートとの間にあるスタンドオフを更に含み、
    前記サーモカップルは、前記スタンドオフの中を通り前記フェイスプレートに取り付けられる、請求項２に記載のシャワーヘッド。
12. （ａ）対流冷却流体用の通路を有するステムと、
    （ｂ）前記ステムに熱的に結合されるバックプレートと、
    （ｃ）前記バックプレートに熱的に結合されるフェイスプレートと、
    を含み、
    前記対流冷却流体用の通路は、排出される冷却流体の温度が、前記ステムの温度と同じとなるよう構成される、化学気相堆積（ＣＶＤ）用の温度制御型シャワーヘッド。
13. 前記排出される冷却流体の温度を測定する温度センサを更に含む、請求項１２に記載のシャワーヘッド。
14. 前記バックプレートの外面は、陽極酸化処理済みアルミニウムの被覆物を含む、請求項１２に記載のシャワーヘッド。
15. 前記フェイスプレートは、前記バックプレートに着脱可能に取り付けられる、請求項１２に記載のシャワーヘッド。
16. 前記ステムの直径は、約１．５乃至２．７５インチであり、
    前記フェイスプレート及び前記バックプレートの厚さは、約０．２５乃至０．５インチであり、
    前記バックプレートと前記フェイスプレートとの間の空隙は、約０．５乃至１インチであり、
    前記フェイスプレートの直径は、約１３乃至１５インチである、請求項１２に記載のシャワーヘッド。
17. 化学気相堆積（ＣＶＤ）用の温度制御型シャワーヘッド用フェイスプレートであって、
    （ａ）実質的に平面且つ円形の前面と、
    （ｂ）実質的に平面且つ円形であり、バックプレート用の複数のネジ止まり穴及び嵌合機構を有する裏面と、
    （ｃ）ガス流のための複数の小貫通穴と、
    を含み、
    前記フェイスプレートは、前記嵌合機構を介して前記バックプレートに着脱可能に取り付けられ、
    前記フェイスプレートの材料は、化学物質及びプラズマに対して耐性のあるアルミニウム合金である、シャワーヘッド用フェイスプレート。
18. 前記嵌合機構は、周縁側壁を含む、請求項１７に記載のシャワーヘッド用フェイスプレート。
19. 前記嵌合機構は、インターロック式ジョーの下半分を含む、請求項１７に記載のシャワーヘッド用フェイスプレート。
20. 前記複数の小貫通穴の数は、１００乃至１０，０００個である、請求項１７に記載のシャワーヘッド用フェイスプレート。
21. 前記複数の小貫通穴の数は、３乃至４，０００個である、請求項１７に記載のシャワーヘッド用フェイスプレート。
22. 前記複数の小貫通穴は、不均一な穴密度を有するパターンを形成する、請求項２０に記載のシャワーヘッド用フェイスプレート。
23. 前記複数の小貫通穴の直径は、約０．０１乃至０．５インチである、請求項１７に記載のシャワーヘッド用フェイスプレート。
24. 前記フェイスプレートの厚さは、約８分の１乃至２分の１インチである、請求項１７に記載のシャワーヘッド用フェイスプレート。
25. サーモカップル用コンタクトホールを更に含む、請求項１７に記載のシャワーヘッド用フェイスプレート。
26. 前記複数のネジ止まり穴のうちの１つ以上に結合される複数のスペーサを更に含む、請求項１７に記載のシャワーヘッド用フェイスプレート。

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