JP3167751U - クランプ式モノリシックシャワーヘッド電極 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガス分布および温度制御が改良された、半導体基板処理において使用されるプラズマ反応チャンバ用のクランプ式モノリシック（一体型）シャワーヘッド電極と、電極組立体を提供する。【解決手段】シャワーヘッド電極は、周辺部の上面に複数のソケットと、中央部に複数のガス出口と、上面に温度センサ収容孔及び整合ピンとを備える。シャワーヘッド電極組立体は、ガス出口に整合されたガス通路及びソケットに整合された孔を含む受け板と、シャワーヘッド電極と、孔内に装着されたカムシャフトと、ソケット内に配置されたロッキングピンとを備える。カムシャフトが、シャワーヘッド電極を受け板に対して機械的にクランプする。【選択図】図５
Description
［関連出願の相互参照］
本願は、米国特許法第１１９条に基づき、出典を明記することによりその開示内容全体を本願明細書の一部とした２００９年９月１８日提出の米国仮特許出願第６１／２４３，６４７号「クランプ式モノリシックシャワーヘッド電極」に基づく優先権を主張する。
本願は、米国特許法第１１９条に基づき、出典を明記することによりその開示内容全体を本願明細書の一部とした２００９年９月１８日提出の米国仮特許出願第６１／２４３，６４７号「クランプ式モノリシックシャワーヘッド電極」に基づく優先権を主張する。
集積回路チップの製造は、一般に、「ウェーハ」と呼ばれる高純度単結晶半導体材料基板（シリコンまたはゲルマニウム等）の研磨薄片から開始される。各ウェーハに対しては、ウェーハ上に様々な回路構造を形成する一連の物理および化学処理ステップが施される。製造処理中には、二酸化シリコン膜を形成する熱酸化と、シリコン、二酸化シリコン、および窒化シリコン膜を形成する化学気相堆積と、他の金属膜を形成するスパッタリングまたは他の手法とのような様々な手法を使用して、ウェーハ上に様々な種類の薄膜を堆積させ得る。
半導体ウェーハ上に膜を堆積させた後、ドーピングと呼ばれる処理を使用して、半導体結晶格子中において、選択された不純物による置換を行うことにより、半導体の特異的電気特性を生成する。ドーピングされたシリコンウェーハは、次に、「レジスト」と呼ばれる感光性または放射線感受性材料の薄層により均一に被覆し得る。次に、リソグラフィとして知られる処理を使用して、回路内の電子経路を構成する小さな幾何学的パターンをレジスト上に転写し得る。リソグラフィ処理中、リソグラフィ回路パターンは、「マスク」と呼ばれるガラス板上に描画し、その後、光学的に縮小投影して、感光性被覆上に転写し得る。
次に、エッチングとして知られる処理により、リソグラフレジストパターンを、半導体材料の下層結晶表面上へ転写する。一般には、真空処理チャンバが使用され、真空チャンバにエッチングまたは堆積ガスを供給し、ガスへの高周波（ＲＦ）電界の印加によりガスを励起してプラズマ状態にすることにより、基板上の材料のエッチングおよび化学気相堆積（ＣＶＤ）を行う。
反応性イオンエッチングシステムは、一般に、上部電極または陽極と下部電極または陰極とが内部に位置決めされたエッチングチャンバからなる。陰極は、陽極および容器壁に対して負にバイアスされる。エッチング対象のウェーハは、適切なマスクに覆われた状態で陰極上に直接配置される。ＣＦ4、ＣＨＦ3、ＣＣｌＦ3、ＨＢｒ、Ｃｌ2、およびＳＦ6等の化学反応性ガス、あるいはＯ2、Ｎ2、Ｈｅ、またはＡｒとのその混合物を、エッチングチャンバへ導入し、通常はミリトールの範囲の圧力に維持する。上部電極は、電極を介してガスをチャンバ内に均一に分散させることが可能なガス出口（群）を設けたシャワーヘッド電極である。陽極と陰極との間に形成された電界は、プラズマを形成する反応性ガスを解離させる。ウェーハの表面は、活性イオンとの化学的相互作用と、ウェーハの表面に衝突するイオンの運動量伝達とによりエッチングされる。電極により形成された電界は、イオンを陰極に引き付け、主に垂直方向でイオンを表面に衝突させ、処理により明確な垂直エッチング側壁が生成されるようにする。
半導体基板プラズマ処理中のシャワーヘッド電極に対する信頼性の高い反復可能な温度制御は、シャワーヘッド電極のプラズマ露出面において所望のプラズマ化学反応を達成する上で望ましい。出典を明記することによりその開示内容を本願明細書の一部とする、本願権利者所有の米国公開特許出願第２００９／００８１８７８号および第２００８／０３０８２２８号では、シャワーヘッド電極組立体用の温度制御モジュールが開示されている。
シャワーヘッド電極の補修は、複雑な取り付けの仕組みのため、困難となる場合がある。本考案の譲受人に譲渡された２００８年７月７日提出の米国非仮特許出願第１２／２１６５２４号では、一連のカムロックにより受け板に取り外し可能に取り付けられたモノリシックシャワーヘッド電極が開示されている。図示された実施形態において、受け板は、カムロックを収納する環状の突出部を有し、シャワーヘッド電極は、受け板の突出部と結合する環状の陥凹部を有する。
一部のプラズマ処理では、より均一に処理ガスをチャンバ内に分布させるガス出口パターンを提供することが望ましい。
本明細書では、ガス分布および温度制御が改良されたクランプ式モノリシック（一体型）シャワーヘッド電極を開示する。
一実施形態によれば、プラズマ反応チャンバ内において使用するシャワーヘッド電極は、シャワーヘッド電極の上面および下面により規定された中央部および周辺部を含む。上面は、中央部および周辺部に広がる平面を含み、下面は、中央部に広がる平坦内面と、周辺部に広がる段付き外面とにより規定される。段付き外面は、シャワーヘッド電極の厚さが増加している領域を規定する少なくとも一つの環状平面を含み、シャワーヘッド電極を受け板にクランプすることに適したカムロックを内部に収容するように構成された、円周方向に間隔を空けた複数のソケットが、周辺部内の上面に配置される。複数のガス出口は、シャワーヘッド電極の中央部に配置され、これを介して、シャワーヘッド電極と、ウェーハを支持する下部電極との間の隙間に、処理ガスを送給可能となる。ガス出口は、一個の中心ガス出口、および、シャワーヘッド電極の中心から約０．５インチに位置する第１の列内の１０個のガス出口と、中心から約０．９インチに位置する第２の列内の１８個のガス出口と、中心から約１．４インチに位置する第３の列内の２８個のガス出口と、中心から約１．８インチに位置する第４の列内の３８個のガス出口と、中心から約２．３インチに位置する第５の列内の４６個のガス出口と、中心から約２．７インチに位置する第６の列内の５６個のガス出口と、中心から約３．２インチに位置する第７の列内の６６個のガス出口と、中心から約３．６インチに位置する第８の列内の７４個のガス出口と、中心から約４．１インチに位置する第９の列内の８４個のガス出口と、中心から約４．６インチに位置する第１０の列内の９４個のガス出口と、中心から約５．１インチに位置する第１１の列内の１０４個のガス出口と、中心から約５．４インチに位置する第１２の列内の１１０個のガス出口と、中心から約５．７インチに位置する第１３の列内の１２０個のガス出口と、を有する円周方向に延びる１３列のガス出口を備えたパターンにより配置される。上面の温度センサ収容孔は、温度センサを収容するように構成される。
段付き外面は、単一段または多段構成を含むことができる。単一段構成は、単一環状平面と、内側および外側傾斜面とを含み、内側傾斜面は、平坦内面と単一環状平面との間に延び、外側傾斜面は、単一環状平面とシャワーヘッド電極の外縁部との間に延びる。
多段構成は、内側および外側環状平面と、内側、中間、および外側傾斜面とを含む。内側傾斜面は、平坦内面と内側環状平面との間に延び、中間傾斜面は、内側環状平面と外側環状平面との間に延び、外側傾斜面は、外側環状平面とシャワーヘッド電極の外縁部との間に延びる。平坦内面全体での多段シャワーヘッド電極の厚さは、内側環状平面全体での厚さ未満であり、内側環状平面全体での厚さは、外側環状平面全体での厚さ未満である。
図１は、基板をエッチングするためのプラズマ処理システムにおけるシャワーヘッド電極組立体１００の実施形態の部分断面図を示す。図１に示したように、シャワーヘッド電極組立体１００は、シャワーヘッド電極１１０と、受け板１４０と、ガードリング（または外輪）１７０とを含む。シャワーヘッド電極組立体１００は、さらに、シャワーヘッド電極１１０および受け板１４０の外周を取り囲むプラズマ閉じ込めリング組立体（またはウェーハ領域圧力（ＷＡＰ）組立体）１８０を含む。
組立体１００は、さらに、熱制御板１２０と、内部に液体流路を有すると共にチャンバの温度制御壁を形成する上（頂）板１０４とを含む。シャワーヘッド電極１１０は、好ましくは、円板であり、単結晶シリコン、多結晶シリコン、炭化ケイ素、または他の適切な材料（アルミニウムまたはその合金、陽極酸化アルミニウム、イットリア被覆アルミニウム）等の導電性高純度材料により作成し得る。サーモカップル、光ファイバ温度センサ、または抵抗温度検出器等、適切な温度範囲を有する温度センサ５８０（図５）は、シャワーヘッド電極１１０に直接接触するように構成される。受け板１４０は、後述する機械的留め具により、シャワーヘッド電極１１０に機械的に固定される。ガードリング１７０は、受け板１４０を取り囲み、後述するように、カムロッキング部材へのアクセスを可能にする。温度センサ５８０は、シャワーヘッド電極の温度を調節する一個以上のヒータ５８２を作動させるコントローラ５８１に対して、温度データを出力する。
図１に示したシャワーヘッド電極組立体１００は、一般に、シャワーヘッド電極１１０の下方に約１ないし２ｃｍの距離を置いてウェーハを支持する平面下部電極を組み込んだ静電チャック（図示せず）と共に使用される。こうしたプラズマ処理システムの例は、カリフォルニア州フレモントのＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＥｘｅｌａｎ(R)誘電体エッチングシステム等の平行平板型リアクタである。こうしたチャッキングの仕組みは、ウェーハとチャックとの間の伝熱率を制御する裏面ヘリウム（Ｈｅ）圧力を供給することにより、ウェーハの温度制御をもたらす。
シャワーヘッド電極１１０は、定期的に交換の必要がある消耗部品である。処理ガスをウェーハとシャワーヘッド電極１１０との間の隙間に供給するために、シャワーヘッド電極１１０には、処理ガスを供給することに適したサイズおよび分布を有するガス出口１０６が設けられており、処理ガスは、電極により励起され、シャワーヘッド電極１１０の下方の反応域にプラズマを形成する。
シャワーヘッド電極組立体１００は、さらに、シャワーヘッド電極１１０および受け板１４０の外周を取り囲むプラズマ閉じ込めリング組立体（またはウェーハ領域プラズマ（ＷＡＰ）組立体）１８０を含む。プラズマ閉じ込めリング組立体１８０は、好ましくは、シャワーヘッド電極１１０および受け板１４０の外周を取り囲む多数または複数の間隔を空けたリング１９０を含む。処理中、プラズマ閉じ込め組立体１８０は、反応域において圧力差を発生させて、反応チャンバ壁とプラズマとの間の電気抵抗を増加させることにより、プラズマをシャワーヘッド電極１１０と下部電極（図示せず）との間に閉じ込める。
使用中、閉じ込めリング１９０は、プラズマをチャンバ容積に閉じ込め、反応チャンバ内のプラズマの圧力を制御する。プラズマの反応チャンバへの閉じ込めは、閉じ込めリング１９０間の間隔と、閉じ込めリング外部およびプラズマ内における反応チャンバ内の圧力と、ガスの種類および流量と、ＲＦ電力のレベルおよび周波数とを含む多数の要因の関数となる。プラズマの閉じ込めは、閉じ込めリング１９０間の間隔が非常に小さい場合に、達成が容易になる。一般には、０．１５インチ以下の間隔が閉じ込めに必要となる。しかしながら、閉じ込めリング１９０の間隔は、プラズマの圧力を決定するものでもあり、プラズマを維持しつつ、最適な処理性能に必要な圧力を達成するために間隔を調整可能であることが望ましい。ガス供給源からの処理ガスは、ウェーハ上方の単一の区域または複数の区域へ処理ガスを供給可能とする上板１０４内の１本以上の通路を介して、シャワーヘッド電極１１０へ供給される。
シャワーヘッド電極１１０は、好ましくは、外縁部から内側へ延びるプラズマ露出面上に少なくとも一つの段差を形成する厚み増加領域までは、中心（図１の左側）から均一な厚さを有する円板である。シャワーヘッド電極１１０は、好ましくは、処理対象のウェーハより大きな、例えば、３００ｍｍを超える直径を有する。シャワーヘッド電極１１０の直径は、３００ｍｍウェーハを処理するために約１５インチないし約１７インチにすることができる（本明細書において、「約」は±１０％を示す）。
単結晶シリコンおよび多結晶シリコンは、シャワーヘッド電極１１０のプラズマ露出面に好適な材料である。高純度単結晶または多結晶シリコンは、望ましくない要素を最低限の量のみ反応チャンバ内に持ち込むため、プラズマ処理中に基板の汚染を最小化すると共に、プラズマ処理中に円滑に摩耗することにより、微粒子を最小限に抑える。シャワーヘッド電極１１０のプラズマ露出面に使用可能な、材料の合成物を含む他の材料には、例えば、アルミニウム（本明細書において、「アルミニウム」は、陽極酸化または他の被覆表面の有無を問わず、純アルミニウムおよびその合金を示す）、多結晶シリコン、イットリア被覆アルミニウム、ＳｉＣ、ＳｉＮ、およびＡｌＮが含まれる。
受け板１４０は、好ましくは、プラズマ処理チャンバ内において半導体基板を処理するために使用される処理ガスと化学的に適合し、電極材料と厳密に一致する熱膨張係数を有し、および／または導電性および熱伝導性を有する材料により作成される。受け板１４０を作成するために使用できる好適な材料は、グラファイト、ＳｉＣ、アルミニウム（Ａｌ）、または他の適切な材料等を含む。
シャワーヘッド電極１１０は、受け板１４０に対して、電極と受け板との間に接着性の結合を全く含むことなく、機械的に取り付けられ、すなわち、電極を受け板に取り付けるために、熱伝導性および導電性のエラストマ結合材料は使用されない。
受け板１４０は、好ましくは、ネジ付きボルト、ネジ等にすることができる適切な機械的留め具により熱制御板１０２に取り付ける。例えば、ボルト（図示せず）を、熱制御板１０２の孔に挿入し、受け板１４０内のネジ付き開口部へねじ込むことが可能である。熱制御板１０２は、屈曲部１８４を含み、好ましくは、アルミニウム等の機械加工された金属材料により作成される。上部温度制御板１０４は、好ましくは、アルミニウムにより作成される。プラズマ閉じ込め組立体（またはウェーハ領域プラズマ組立体（ＷＡＰ））１８０は、シャワーヘッド電極組立体１００の外側に位置決めされる。複数の垂直調整可能なプラズマ閉じ込めリング１９０を含む適切なプラズマ閉じ込め組立体１８０は、出典を明記することによりその全体を本願明細書の一部とする、本願権利者所有の米国特許第５，５３４，７５１号において説明されている。
シャワーヘッド電極１１０は、出典を明記することによりその開示内容を本願明細書の一部とした２００８年３月１４日提出の米国特許出願第６１／０３６，８６２号の優先権を主張する、本願権利者所有のＰＣＴ／ＵＳ２００９／００１５９３において説明されるようなカムロック機構により、受け板１４０に機械的に取り付けることが可能である。図２Ａを参照すると、カムロック電極クランプの一例の三次元図は、電極２０１および受け板２０３の一部を含む。電極クランプは、図１に示したプラズマエッチングチャンバ等、様々な製造関連ツールにおいて、素早く清潔克つ正確に消耗電極２０１を受け板に対して取り付けることが可能である。
電極クランプは、ソケット２１３内に装着されるスタッド（ロッキングピン）２０５を含む。スタッドは、例えば、鋼製ベルビルワッシャ等のディスクスプリングスタック２１５により取り囲んでもよい。スタッド２０５およびディスクスプリングスタック２１５は、その後、ソケット２１３内へ圧入するか、接着剤または機械的留め具の使用により別の形で固定し得る。スタッド２０５およびディスクスプリングスタック２１５は、電極２０１と受け板２０３との間において限定された量の側方運動が可能となるように、ソケット２１３内に配置される。側方運動の量を限定することにより、電極２０１と受け板２０３との密着が可能となり、これにより良好な熱的接触を確保する一方、ある程度の移動を依然として提供して、二部品間の熱膨張における差に対応する。限定側方運動機能についての付加的な詳細は、さらに詳しく後述する。
特定の実施形態例において、ソケット２１３は、ベアリンググレードのＴｏｒｌｏｎ(R)から製造される。あるいは、ソケット２１３は、良好な強度および耐衝撃性、耐クリープ性、寸法安定性、耐放射線性、および耐化学性といった特定の機械的特性を有する他の材料から製造し、容易に利用し得る。ポリアミド、ポリイミド、アセタール、および超高分子量ポリエチレン材料といった様々な材料は、全て適切となり得る。エッチングチャンバ等の用途において遭遇する一般的な最高温度は２３０℃であるため、高温特異的プラスチックおよび他の関連する材料は、ソケット２１３を形成するために必要ではない。一般に、通常の動作温度は、１３０℃前後である。
電極クランプの他の部分は、一対のカムシャフトベアリング２０９により各端部を囲まれたカムシャフト２０７を含む。カムシャフト２０７およびカムシャフトベアリング組立体は、受け板２０３内に機械加工された受け板孔２１１内に装着される。３００ｍｍ半導体ウェーハ用に設計されたエッチングチャンバ用の一般的な応用では、８個以上の電極クランプが、間隔を空けて電極２０１／受け板２０３の組み合わせの周辺を囲み得る。
カムシャフトベアリング２０９は、Ｔｏｒｌｏｎ(R)、Ｖｅｓｐｅｌ(R)、Ｃｅｌｃｏｎ(R)、Ｄｅｌｒｉｎ(R)、Ｔｅｆｌｏｎ(R)、Ａｒｌｏｎ(R)を含む様々な材料、あるいは、低摩擦係数および低粒子脱落性を有するフッ素重合体、アセタール、ポリアミド、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、およびポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の他の材料から機械加工し得る。スタッド２０５およびカムシャフト２０７は、ステンレス鋼（例えば、３１６、３１６Ｌ、１７−７等）または良好な強度および耐腐食性を提供する他の任意の材料から機械加工し得る。
次に図２Ｂを参照すると、電極カムクランプの断面図は、さらに、電極２０１を受け板２０３に極めて近接して引き付けることにより、カムクランプがどのように動作するかを例示している。スタッド２０５／ディスクスプリングスタック２１５／ソケット２１３組立体は、電極２０１内に装着される。図示したように、組立体は、ソケット２１３の外ネジを用いて、電極２０１内のネジ付きソケット内へねじ込み得る。しかしながら、ソケットは、接着剤または他の種類の機械的留め具により装着してもよい。
図３において、拡大した頭部と、ディスクスプリングスタック２１５と、ソケット２１３とを有するスタッド２０５の正面組立図３００は、カムロック電極クランプの設計の一例をさらに詳細に示している。特定の実施形態例において、スタッド／ディスクスプリング組立体３０１は、ソケット２１３へ圧入される。ソケット２１３は、軽いトルク（例えば、特定の実施形態例において、約２０インチポンド）による電極２０１（図２Ａおよび図２Ｂ参照）への容易な挿入を可能にする、外ネジおよび六角形の頂部部材を有する。上述したように、ソケット２１３は、様々な種類のプラスチックから機械加工し得る。プラスチックを使用することにより、粒子の発生は最小化され、ソケット２１３を電極２０１上の嵌合ソケット内へ摩耗なく設置することが可能となる。
スタッド／ソケット組立体３０３は、ソケット２１３上部の内径がスタッド２０５の中央部の外径よりも大きいことを示している。両部分の直径の差により、上述したように、組み立てた電極クランプにおいて限定された側方運動が可能となる。スタッド／ディスクスプリング組立体３０１は、ソケット２１３の基部において、ソケット２１３と堅固に接触した状態で維持されるが、直径の差により、ある程度の側方運動が可能となる（図２Ｂも参照）。
図４Ａを参照すると、カムシャフト２０７およびカムシャフトベアリング２０９の分解図４００は、さらに、キーイングピン４０１を示している。キーイングピンを有するカムシャフト２０７の端部は、受け板孔２１１（図２Ｂ参照）へ最初に挿入される。受け板孔２１１の遠端部にある一対の小さな嵌合孔（図示せず）により、受け板孔２１１に入るカムシャフト２０７は適切な整合状態となる。カムシャフト２０７の側面図４２０は、カムシャフトの一方の端部における六角開口部４０３と、他方の端部におけるキーイングピン４０１との考えられる配置を明確に示している。
例えば、引き続き図４Ａおよび図２Ｂを参照すると、電極カムクランプは、カムシャフト２０７を受け板孔２１１へ挿入することにより組み立てられる。キーイングピン４０１は、一対の小さな嵌合孔の一方と相互作用することにより、受け板孔２１１内におけるカムシャフト２０７の回転移動を制限する。カムシャフトは、最初に、スタッド２０５のカムシャフト２０７への進入が可能となるように、六角開口部４０３を使用して一方向、例えば、反時計回りに回転させ、その後、時計回りに回転させ、スタッド２０７を完全に係合させてロックし得る。電極２０１を受け板２０３に対して保持するために必要なクランプ力は、自由積層高さを超えてディスクスプリングスタック２１５を圧縮することにより供給される。カムシャフト２０７は、シャフト２０５の拡大頭部と係合する内部偏心切欠を有する。ディスクスプリングスタック２１５が圧縮すると、クランプ力は、ディスクスプリングスタック２１５の個々のスプリングからソケット２１３へ伝達されると共に、電極２０１を介して受け板２０３へ伝達される。
動作モードの一例において、カムシャフトベアリングをカムシャフト２０７に取り付け、受け板孔２１１へ挿入した後、カムシャフト２０７を反時計回りに回転させ、完全に回転移動させる。次に、スタッド／ソケット組立体３０３（図３）に軽いトルクを加え、電極２０１内へ入れる。次に、スタッド２０５の頭部を、水平に延びる受け板孔２１１の下方に垂直に延びる貫通孔へ挿入する。電極２０１は、受け板２０３に対して保持され、二つの小さな嵌合孔（図示せず）の第２のものにキーイングピンが落ち込むか、あるいはクリック音が聞こえる（詳細に後述する）まで、カムシャフト２０７を時計回りに回転させる。動作モードの一例は、受け板２０３から電極２０１を取り外すために逆転させ得る。しかしながら、クリック音等の機能は、カムロックの仕組みにおいて随意的なものである。
図４Ｂを参照すると、図４Ａのカムシャフト２０７の側面図４２０の断面図Ａ−Ａは、スタッド２０５の頭部が完全に固定されるカッタパスエッジ４４０を示している。特定の実施形態例において、二つの半径Ｒ1およびＲ2は、スタッド２０５の頭部が上述した随意的な可聴クリックノイズを発生させ、スタッド２０５が完全に固定された時点を示すように選択される。
図５は、以下の特徴部を含む容量結合プラズマチャンバ用のシャワーヘッド電極組立体５００を示す：（ａ）カムロック式非接着シャワーヘッド電極５０２、（ｂ）受け板５０６、および（ｃ）電極を受け板５０６に対して保持するカムロックへのアクセスを可能にするガードリング５０８。
電極組立体５００は、チャンバの外部からチャンバの温度制御頂壁５１２にボルト留めされた熱制御板５１０を含む。シャワーヘッド電極５０２は、図２ないし４を参照して上述したカムロック機構５１４により、チャンバ内部から受け板５０６に解放可能に取り付けられている。
好適な実施形態において、電極組立体５００のシャワーヘッド電極５０２は、（ａ）ガードリング５０８の４個の孔を受け板５０６の外側部内の間隔を空けた位置に配置された４個のカムロック５１４に整合させる第１の位置まで、ガードリング５０８を回転させ、（ｂ）ガードリング５０８の各孔にアレンレンチ等の工具を挿入し、各カムロック５１４を回転させて、対応する各カムロック５１４において垂直に延びるロッキングピン５６２を解放し、（ｃ）ガードリング５０８の４個の孔を別の４個のカムロック５１４に整合させる第２の位置まで、ガードリング５０８を９０°回転させ、（ｄ）ガードリング５０８の各孔にアレンレンチ等の工具を挿入し、対応する各カムロック５１４を回転させて、対応する各カムロック５１４のロッキングピン５６２を解放することにより分解可能であり、これにより、シャワーヘッド電極５０２を降下させ、プラズマチャンバから取り外すことが可能となる。
図５は、さらに、回転可能カムロック５１４を受け板５０６の外側部において水平に延びる孔５６０内に配置したカムロックの仕組みの一つの断面図を示す。円筒カムロック５１４は、アレンレンチ等の工具により、（ａ）ロッキングピン５６２の拡大端部が、ロッキングピンの拡大頭部を持ち上げるカムロック５１４のカム表面により係合されるロック位置、または（ｂ）ロッキングピン５６２がカムロック５１４により係合されない解放位置へ回転可能である。受け板５０６の下面には、カムロック５１４との係合のためにロッキングピン５６２が挿入される孔が垂直に延びる。
シャワーヘッド電極５０２は、好ましくは、高純度（不純物１０ｐｐｍ未満）低抵抗率（０．００５ないし０．０２オームｃｍ）の単結晶シリコンのプレートである。シャワーヘッド電極組立体５００は、シャワーヘッド電極５０２の上面５２２にある３個の整合ピン孔５２１に係合する３本の整合ピン５２４と、一つ以上のＯリング５５８と、シャワーヘッド電極５０２と受け板５０６との間にあるＱパッド５６６等の複数の熱ガスケットとを含む。各Ｑパッド５６６は、上面５２２にある陥凹部５２０に係合する突起を有する。こうしたガスケットの詳細は、出典を明記することによりその開示内容を本願明細書の一部とした２００９年４月１０日提出の、本願権利者所有の米国特許出願第１２／４２１，８４５号に開示されている。シャワーヘッド電極５０２のプラズマ露出面５３０は、チャンバ内において処理中の基板に対向する。
図６Ａおよび図６Ｃは、シャワーヘッド電極５０２の装着面および部分断面図を示す。装着面は、外縁部近くまで延びる平面６１０と、シャワーヘッド電極５０２の外縁部において平面６１０から凹んだ、狭い環状外側棚部６２０を有する。環状外側棚部６２０は、ガードリング５０８の環状突起を支持する。平面６１０は、約１６．７５インチの外径を有する。環状外側棚部６２０は、約１６．７５インチの内径と、約１７インチの外径と、長さ約０．０７６インチの垂直面６２０ａと、約０．１２４インチの水平面６２０ｂとを有する。深さ０．３２５インチの８個の０．５インチ径ソケット５５０は、装着面の縁部近くに配置され、ロッキングピン５６２を収容する。ソケット５５０は、互いに等距離であり、中心から半径約７．６２インチに位置する。
平面６１０は、中心から約７．９３インチ離れて配置された深さ約０．２インチの３個の０．１１６インチ径整合ピン孔５２１と、３個のＱパッド５６６の突起を収容する深さ約０．０４インチの７個の０．２１５インチ径陥凹部５２０とを備える。２個の陥凹部５２０は、中心から約１．５９インチ離れて配置され、互いに方位角で１８０°オフセットしている。別の２個の陥凹部５２０は、中心から約３．３９インチ離れて配置され、互いに方位角で１８０°オフセットしている。別の３個の陥凹部５２０は、中心から約７．３０インチ離れて配置され、互いに方位角で１２０°オフセットしている。
平面６１０は、さらに、温度センサ５８０を収容する孔５９０を備える。孔５９０は、中心から約４．８３インチ離れて配置される。図６Ｄに示した好適な実施形態において、孔５９０は、深さ最大０．０８インチであり、孔５９０は、直径最大０．０２９インチ、孔５９０の基部における高さ約０．００３５インチの円筒側面５９０ａと、直径約０．１５３インチの円形基部および約９０°の開口角度を備え、円筒側面と装着面との間に延びる円錐台状側面５９０ｂとを有する。頂板、熱制御板、および受け板の開口部を介して延びる温度センサ（サーモカップル）５８０は、孔５９０の底部５９０ａに、バネ付勢された先端部を含む。円錐面５９０ｂにより、センサ５８０の先端部は、孔５９０の底部の中心に配置される。
ガス出口５２８は、装着面からプラズマ露出面へ延びており、任意の適切なパターンで配置できる。図示した実施形態では、直径０．０１７インチの８４９個のガス出口孔５２８が、一個の中心ガス出口、および、電極の中心から約０．５インチに位置する第１の列内の１０個のガス出口と、中心から約０．９インチに位置する第２の列内の１８個のガス出口と、中心から約１．４インチに位置する第３の列内の２８個のガス出口と、中心から約１．８インチに位置する第４の列内の３８個のガス出口と、中心から約２．３インチに位置する第５の列内の４６個のガス出口と、中心から約２．７インチに位置する第６の列内の５６個のガス出口と、中心から約３．２インチに位置する第７の列内の６６個のガス出口と、中心から約３．６インチに位置する第８の列内の７４個のガス出口と、中心から約４．１インチに位置する第９の列内の８４個のガス出口と、中心から約４．６インチに位置する第１０の列内の９４個のガス出口と、中心から約５．１インチに位置する第１１の列内の１０４個のガス出口と、中心から約５．４インチに位置する第１２の列内の１１０個のガス出口と、中心から約５．７インチに位置する第１３の列内の１２０個のガス出口と、を有する円周方向に延びる１３列のガス出口のパターンにより配置される。
図６Ｃに示したように、単一段シャワーヘッド電極５０２は、直径約１２インチの円形内面６４０と、内径約１２．５５インチ、外径約１６インチの環状外面６５０と、表面６４０に対して約１４５°の角度で円形内面６４０と環状外面６５０との間に延びる内側傾斜面６４５と、表面６５０に対して約１５５°の角度で環状外面６５０とシャワーヘッド電極５０２の円筒周囲面６３０との間に延びる外側傾斜面６３５と、を含むプラズマ露出面を有する。環状外面６５０と表面６１０との間の厚さは、約０．４４インチである。円形内面６４０と表面６１０との間の厚さは、約０．２６インチである。
多段シャワーヘッド電極５０２は、図６Ｅに図示されており、ここでプラズマ露出面は、直径約１２インチの円形内面６４０と、内径約１２．２インチ、外径約１３．２インチの内側環状面６６０と、内径約１３．４インチ、外径約１６インチの外側環状面６７０と、表面６４０に対して約１４５°の角度で円形内面６４０と内側環状面６６０との間に延びる内側傾斜面６４６と、表面６７０に対して約１３５°の角度で内側環状面６６０と外側環状面６７０との間に延びる中間傾斜面６６７と、表面６７０に対して約１５５°の角度で外側環状面６７０とシャワーヘッド電極の円筒周囲面６３０との間に延びる外側傾斜面６３７と、を含む。外側環状面６７０と表面６１０との間の厚さは、約０．４４インチである。内側環状面６６０と表面６１０との間の厚さは、約０．３６インチである。円形内面６４０と表面６１０との間の厚さは、約０．２６インチである。
図６Ｆに断面を図示した多段シャワーヘッド電極５０２のさらに別の実施形態において、プラズマ露出面は、直径約１２インチの円形内面６４０と、内径約１２．４インチ、外径約１３．３インチの内側環状面６８０と、内径約１３．４インチ、外径約１６インチの外側環状面６９０と、表面６４０に対して約１４５°の角度で円形内面６４０と内側環状面６８０との間に延びる内側傾斜面６４８と、表面６９０に対して約１３５°の角度で内側環状面６８０と外側環状面６９０との間に延びる中間傾斜面６８９と、表面６９０に対して約１５５°の角度で外側環状面６９０とシャワーヘッド電極５０２の円筒周囲面６３０との間に延びる外側傾斜面６３９と、を含む。外側環状面６９０と表面６１０との間の厚さは、約０．４４インチである。内側環状面６８０と表面６１０との間の厚さは、約０．４０インチである。円形内面６４０と表面６１０との間の厚さは、約０．２６インチである。
図７は、受け板５０６の斜視図である。受け板５０６は、シャワーヘッド電極５０２の出口５２８と整合する中心ガス通路および１３列のガス通路を含む。受け板の上面５８６は、熱制御板５１０の環状突起に接触する三つの環状領域５８８ａ、５８８ｂ、５８８ｃを含む。熱制御板は、出典を明記することによりその開示内容全体を本願明細書の一部とした、本考案の譲受人に譲渡された米国特許公開第２００５／０１３３１６０号、第２００７／００６８６２９号、第２００７／０１８７０３８号、第２００８／００８７６４１号、および第２００８／００９０４１７号において開示された、頂板を介して熱制御板内へ延びる留め具により、プラズマチャンバの頂壁に取り付け可能である。ネジ付き開口部５９９が、上面５８６の外周と、環状領域５８８ａ、５８８ｂ、５８８ｃとに配置されており、頂板５１２および熱制御板５１０の開口部を介して延びる留め具を収容し、熱制御板５１０に接触した状態で受け板５０６を保持する。温度サイクリングに対応可能な留め具の説明については、例えば、本考案の譲受人に譲渡された米国特許公開第２００８／００８７６４１号を参照されたい。上面５８６の溝５９２は、受け板５０６と熱制御板５１０との間のガスシールを提供するＯリングを収容する。上面５８６の整合ピン孔５９４は、熱制御板の整合ピン孔に嵌合する整合ピンを収容する。孔５６０の間の位置にある水平に延びるネジ付き開口部５６１は、シャワーヘッド電極５０２の組立後にガードリング５０８の回転を防止すると共にガードリング５０８のアクセス孔を塞ぐために使用される誘電体留め具を収容する。
図８は、ガードリング５０８を取り外した状態のシャワーヘッド電極組立体５００の斜視図である。既に説明したように、ガードリング５０８は、カムロック５１４を係合させることが可能な一つ以上の組立位置へ回転させることが可能であり、さらに、誘電体留め具を開口部５６１へ挿入して、ガードリングが受け板の外周に接触しない状態を維持し、これにより受け板が熱膨張できるようにするロック位置へ回転させることが可能である。熱制御板は、アクチュエータがプラズマ閉じ込めリングを支持する際に通過する開口部５９６を備えたフランジ５９５を含む。プラズマ閉じ込めリング組立体の装着方法の詳細は、出典を明記することによりその開示内容全体を本願明細書の一部とした、本考案の譲受人に譲渡された米国特許公開第２００６／０２０７５０２号および第２００６／０２８３５５２号において確認できる。
シャワーヘッド電極の装着面６１０は、受け板内の８個のカムロックにより保持された８本のロッキングピンが及ぼすクランプ力の結果として、受け板５０６の対向表面に接する。ガードリング５０８は、受け板５０６の装着孔を覆い、ガードリングのアクセス開口部には、Ｔｏｒｌｏｎ(R)、Ｖｅｓｐｅｌ(R)、Ｃｅｌｃｏｎ(R)、Ｄｅｌｒｉｎ(R)、Ｔｅｆｌｏｎ(R)、Ａｒｌｏｎ(R)等のプラズマ耐性ポリマ材料、あるいは、低摩擦係数および低粒子脱落性を有するフッ素重合体、アセタール、ポリアミド、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、およびポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の他の材料から作成された取り外し可能な挿入物が充填される。
図５を参照すると、受け板５０６とシャワーヘッド電極５０２との間の電気的および熱的接触は、電極の外周と、外側のＱパッドより内側の一つ以上の場所とに配置されたＱパッド５５６等のガスケットにより提供される。例えば、直径約３．２、６．８、および１２インチのＱパッドを使用可能である。出典を明記することによりその開示内容を本願明細書の一部とした、２００７年８月３１日提出の、本願権利者所有の米国特許出願第１１／８９６，３７５号には、Ｑパッドの詳細が含まれる。異なる処理ガス混合物および／または流量を提供するために、一つ以上のガス仕切りシールを電極の上面全体に設置できる。例えば、単一のＯリングを、シャワーヘッド電極５０２と受け板５０６との間で、内側および外側Ｑパッド間の位置に設けて、内側のガス分布域を外側のガス分布域から分離することができる。外側Ｑパッドの内周に沿って、シャワーヘッド電極５０２と受け板５０６との間に位置したＯリング５５８は、電極と受け板との間にガスおよび微粒子シールを提供することができる。
以上、具体的な実施形態を参照して本考案を詳細に説明してきたが、添付の実用新案登録請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更および変形の実施および等価物の利用が可能であることは、当業者には明らかであろう。
Claims (20)
- プラズマ反応チャンバ内において使用するシャワーヘッド電極であって、
前記シャワーヘッド電極の上面および下面により規定された中央部および周辺部であって、前記上面は、前記中央部および前記周辺部に広がる平面を含み、前記下面は、前記中央部に広がる平坦内面と、前記周辺部に広がる段付き外面とにより規定され、前記段付き外面は、前記シャワーヘッド電極の厚さが増加した領域を規定する少なくとも一つの環状平面を含む、中央部および周辺部と、
前記シャワーヘッド電極を受け板にクランプすることに適したカムロックを内部に収容するように構成された、前記周辺部内の前記上面において円周方向に間隔を空けた複数のソケットと、
前記シャワーヘッド電極の前記中央部にあり、それを介して前記シャワーヘッド電極と、ウェーハを支持する下部電極と、の間の隙間に、処理ガスを送給可能となる複数のガス出口であって、一個の中心ガス出口および円周方向に延びる１３列のガス出口を備えたパターンにより配置され、前記１３列のガス出口は、前記シャワーヘッド電極の中心から約０．５インチに位置する第１の列内の１０個のガス出口と、前記中心から約０．９インチに位置する第２の列内の１８個のガス出口と、前記中心から約１．４インチに位置する第３の列内の２８個のガス出口と、前記中心から約１．８インチに位置する第４の列内の３８個のガス出口と、前記中心から約２．３インチに位置する第５の列内の４６個のガス出口と、前記中心から約２．７インチに位置する第６の列内の５６個のガス出口と、前記中心から約３．２インチに位置する第７の列内の６６個のガス出口と、前記中心から約３．６インチに位置する第８の列内の７４個のガス出口と、前記中心から約４．１インチに位置する第９の列内の８４個のガス出口と、前記中心から約４．６インチに位置する第１０の列内の９４個のガス出口と、前記中心から約５．１インチに位置する第１１の列内の１０４個のガス出口と、前記中心から約５．４インチに位置する第１２の列内の１１０個のガス出口と、前記中心から約５．７インチに位置する第１３の列内の１２０個のガス出口と、を有する、ガス出口と、
温度センサの先端部を収容するように構成された、前記上面内の温度センサ収容孔と、を備える、シャワーヘッド電極。 - 請求項１記載のシャワーヘッド電極であって、さらに、
前記受け板内へ延びる整合ピンと整合するように構成された、前記上面内の整合ピン孔を備え、前記温度センサ収容孔は、ガス出口の第１０の列と第１１の列との間に配置される、シャワーヘッド電極。 - 請求項１記載のシャワーヘッド電極であって、さらに、
前記段付き外面内のガス出口の閉じ込めパターンであって、マノメータユニットと協働して前記チャンバ内での真空圧測定を提供することに適した、ガス出口の閉じ込めパターンを備える、シャワーヘッド電極。 - 請求項１記載のシャワーヘッド電極であって、
前記シャワーヘッド電極の前記上面は、その外縁部に環状の棚部を含み、前記棚部は、ガードリングを、前記ガードリングの外面が前記シャワーヘッド電極の前記外面と同一平面となる形で支持するように構成される、シャワーヘッド電極。 - 請求項１記載のシャワーヘッド電極であって、
前記段付き外面は、単一環状平面と、内側および外側傾斜面とを含み、前記内側傾斜面は、前記平坦内面と前記単一環状平面との間に延び、前記外側傾斜面は、前記単一環状平面と前記シャワーヘッド電極の外縁部との間に延びる、シャワーヘッド電極。 - 請求項１記載のシャワーヘッド電極であって、
前記段付き外面は、内側および外側環状平面と、内側、中間、および外側傾斜面とを含み、前記内側傾斜面は、前記平坦内面と前記内側環状面との間に延び、前記中間傾斜面は、前記内側環状面と前記外側環状面との間に延び、前記外側傾斜面は、前記外側環状面と、前記シャワーヘッド電極の外縁部との間に延び、前記平坦内面での前記シャワーヘッド電極の厚さは、前記内側環状面での前記シャワーヘッド電極の厚さ未満であり、第１の環状面での前記シャワーヘッド電極の厚さは、第２の環状面での前記シャワーヘッド電極の厚さ未満である、シャワーヘッド電極。 - シャワーヘッド電極組立体であって、
請求項１記載のシャワーヘッド電極と、
前記シャワーヘッド電極内の前記ソケットに整合された軸線方向に延びる孔、および前記軸線方向に延びる孔と連通した半径方向に延びる孔を含む受け板と、
前記半径方向に延びる孔内に装着された回転可能なカムシャフトと、
前記シャワーヘッド電極内の前記ソケット内に配置されたロッキングピンと、を備え、前記ロッキングピンは、その自由端部に拡大した頭部を含み、カムシャフトは、前記シャワーヘッド電極を前記受け板に対して機械的にクランプするために、前記ロッキングピンの前記頭部を係合およびロックすることに適した切欠を含む、シャワーヘッド電極組立体。 - 請求項７記載のシャワーヘッド電極組立体であって、さらに、
前記シャワーヘッド電極の前記上面内の前記温度センサ収容孔に直接接触する温度センサを備える、シャワーヘッド電極組立体。 - 請求項７記載のシャワーヘッド電極組立体であって、
前記ロッキングピンの基部は、ソケット内に位置しており、前記ソケットは、前記ソケットの内面のネジ山と係合するネジ山を外面に含み、前記ソケットは、前記シャワーヘッド電極の前記上面に係合するフランジを含み、前記受け板内の前記軸線方向に延びる孔は、幅広部分と狭小部分とを含み、前記幅広部分は前記フランジを収容し、前記狭小部分は前記ロッキングピンを収容する、シャワーヘッド電極組立体。 - 請求項９記載のシャワーヘッド電極組立体であって、
前記ロッキングピンは、前記受け板と前記シャワーヘッド電極との熱膨張の差を調整するため、前記ソケット内において軸線方向および側方に移動可能である、シャワーヘッド電極組立体。 - 請求項９記載のシャワーヘッド電極組立体であって、
前記シャワーヘッド電極は、多結晶シリコン、単結晶シリコン、炭化ケイ素、アルミニウム、陽極酸化アルミニウム、またはイットリア被覆アルミニウムの板であり、前記受け板は、アルミニウムの板である、シャワーヘッド電極組立体。 - 請求項９記載のシャワーヘッド電極組立体であって、
前記受け板は、熱制御用の冷却剤通路および加熱要素を有していない、シャワーヘッド電極組立体。 - 請求項８記載のシャワーヘッド電極組立体であって、さらに、
前記受け板に取り付けられた熱制御板を備え、前記熱制御板は、前記受け板内の前記ガス通路と連通したガスプレナムを規定する下面上の環状突起と、前記温度センサから受信したデータに基づいて、前記シャワーヘッド電極の温度を調節するために、一つ以上の加熱要素を作動させるコントローラにより制御された一つ以上の加熱要素と、を有する、シャワーヘッド電極組立体。 - 請求項７記載のシャワーヘッド電極組立体であって、さらに、
前記ガス通路の外側に配置されたガスシールであって、前記受け板と前記シャワーヘッド電極との間のガスシールと、前記ガスシールの内側の複数の環状ガスケットと、を備える、シャワーヘッド電極組立体。 - プラズマチャンバ内において半導体基板を処理する方法であって、
前記チャンバ内の底部電極上において前記半導体基板を支持するステップと、
前記チャンバに処理ガスを供給するステップと、
シャワーヘッド電極の露出面に離接してプラズマを生成するステップと、
前記半導体基板を前記プラズマにより処理するステップと、を備え、
前記シャワーヘッド電極は、請求項１記載の前記シャワーヘッド電極を備える、方法。 - 請求項１５記載の方法であって、
前記シャワーヘッド電極の温度は、前記シャワーヘッド電極に直接接触する温度センサにより測定されると共に、前記温度センサから受信したデータに基づいて熱制御板を加熱する一つ以上の加熱要素により制御され、前記熱制御板は、前記熱制御板と前記受け板との間にプレナムを形成する環状突起を含み、前記プレナムは、前記シャワーヘッド電極内の前記ガス出口と整合した前記受け板内のガス通路と流体連通しており、前記受け板は、前記シャワーヘッド電極と前記熱制御板との間に熱経路を提供する、方法。 - 請求項１５記載の方法であって、
前記半導体基板は、半導体ウェーハを含み、前記処理ステップは、前記半導体ウェーハを前記プラズマによりエッチングするステップを備える、方法。 - 請求項１５記載の方法であって、
前記処理ステップ中、前記シャワーヘッド電極は接地され、前記底部電極は通電される、方法。 - 請求項１５記載の方法であって、
前記シャワーヘッド電極と前記受け板との間に熱膨張差を引き起こす高温まで、前記シャワーヘッド電極および受け板を加熱するステップと、前記熱膨張をロッキングピンの移動により調整するステップとを備える、方法。 - 請求項７記載のシャワーヘッド電極組立体のシャワーヘッド電極を交換する方法であって、前記ロッキングピンから前記カムロックを分離するために前記カムロックを解放するステップと、前記シャワーヘッド電極を取り外すステップと、新品または修復済みのシャワーヘッド電極のロッキングピンを、前記受け板内の前記軸線方向の孔に整合させるステップと、前記ロッキングピンの前記頭部に係合させるために前記カムロックを回転させるステップとを備える方法。
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