JP4048329B2 - 内部支持部材を有するプロセスチャンバ - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、化学気相成長又は半導体ウェーハの他のプロセス等のプロセスチャンバに関し、特に、高温、低圧プロセスに関係する応力に耐え、ウェーハ温度の均一さ及びガスフロー特性を改善することができるプロセスチャンバに関するものである。
発明の背景
半導体ウェーハを熱処理するプロセスチャンバは、石英（ガラス質のシリカ）が実質的に放射エネルギーを透過するため、石英又は同様の材料から作られる。このように、放射ヒータは、チャンバの外部に近接して配置され、チャンバ壁を同じレベルまで加熱せずに、チャンバ内で処理されるウェーハを高温に加熱することができる。ここで、大変高い温度に耐えるため、石英が望ましい。また、種々のプロセスガスによる劣化に耐えうる不活性特性及び高純度特性のため、石英が望ましい。
石英チャンバ内の圧力が周りの周囲圧力よりずっと低い場合に、曲面が内部に直接かかる圧力に最も耐えるため、円柱又は球体状のチャンバが強度の点から好ましい。しかしながら、ウェーハと平行に成長ガスを流すように化学気相成長させる平坦なウェーハを配置するときには、チャンバ壁は、ウェーハ面で成長させるためにウェーハの対向する平坦面に平行であることが望ましい。均一な成長が、ウェーハから作られる製品の歩留まりを高めるのに重要である。しかしながら、平坦な壁は、内部の減圧で同じ大きさ及び厚さの凸状の壁より早く壊れやすい。
平坦な壁を有するチャンバの内側にかかる力を扱うために、米国特許第４９２０９１８号に示されるように、補強プレートが、結合される壁に対して通常垂直に延びる壁の外側に備えられる。また、この特許は、大きな曲率半径を有する外側に凸状の楕円状の上部壁及び下部壁を具備し、一部平坦で、一部曲面に構成されたチャンバの外側に備えられた補強プレートを示している。この解決策は、曲面の壁から付加的な力をもたらし、平坦な成長に作用しない。このような設計の不利な点の一つは、外部の補強プレートが放射熱ランプと輻輳して干渉することである。さらに、石英補強プレートの複雑さ及び質量により、材料及び製造コストが増加する。
もちろん、平坦な壁は、強度を増すように厚くすることができるが、コストが増加し、チャンバの加熱及び冷却特性に悪影響を与える。
米国特許第５０８５８８７号は、円形のややドーム型の又は曲面を有する上部チャンバ壁を備え、チャンバの減圧負荷に適応するチャンバを開示する。円形の壁は、ドーム型の壁を熱膨張により外側に屈服させるように上部壁を放射状に規定するかなり厚い周囲フランジを備え、真空時に外側の周囲圧力に耐える。チャンバは、上部壁及び下部壁の厚くされた外部フランジをクランプする複雑な機構を必要とする。
熱的に活性化された化学気相成長プロセスに伴う高温により、プロセスチャンバがしばしばある温度まで加熱され、化学微粒子がそこに堆積する。これらの微粒子は、処理後のウェーハの純度に深刻な問題をもたらす。この結果、プロセスチャンバ壁に形成される微粒子を低減する試みがなされている。一つの解決策は、有害なレベルになる前に、定期的にプロセスチャンバの内部をエッチングし、微粒子を取り除くことである。しかしながら、石英プロセスチャンバは、放射熱への高い透過性のため長時間加熱される。このような周期的な遅いエッチサイクルにより、機械の最大スループットが低下する。
また、より均一に成長させるため、処理されるウェーハを平行に横切るガスの流し方を制御することも行われている。たとえば、米国特許第５２２１５５６号は、ガスの入口のマニフィールドを通る開口の大きさを、ある部分、特に他に対向する中心部分により多くのガスを流すように変更したシステムが開示されている。米国特許第５２６９８４７号は、処理されるウェーハの縦方向の上流側に流される複数の独立した流れに統合するガス流調整バルブを備える。このシステムは、不完全な混合を防止し、ウェーハを横切る反応ガス及びキャリアガスの流し方及び濃度をより制御するように、種々のガス流を分離して流すことが重要であることを強調する。
従来技術ではあまり注意されていない問題として、平行流反応炉の反応ガスの再循環がある。特に、ガスがウェーハ及びサセプタに平行に流された後、熱いサセプタと冷たいチャンバ壁との間に温度勾配があるかもしれない。ガスが壁の方に流れ、後で冷却されるような再循環を行うことができる。いずれかの供給源からの再循環は、上流に移動し、ウェーハの部分の流れの均一さに影響し、成長膜の均一さを低下させるかもしれない。
さらに、ウェーハ上の温度勾配は、前縁から後縁までで不均一である。すなわち、ガスの温度は、ウェーハの下部にある熱が集中しているサセプタに近接することにより主に決定される。ガスがサセプタの上に接近し、通過すると、サセプタの下流端が最大温度に素早く加熱され、その点を通過した後、降下する。この温度の不均一さは、成長膜の均一さに悪影響を与えるかもしれない。
化学気相成長プロセス及び他のプロセスに使用され、石英又は同様の材料から作られ、減圧プロセスに付随する応力に耐えるチャンバの改善が要望されている。より均一な成長を保証するウェーハのまわりのより均一な温度及びガスの流れが要望されている。また、より応答性よくガスの流れを制御するシステムが要望されている。また、高いスループットでよりエネルギーの高い化学気相成長システムが要望されている。
発明の概要
すなわち、本発明は、平坦に構成された薄い曲面の上部壁及び下部壁を有するプロセスチャンバを提供する。上部壁及び下部壁は、凸状の外部面及び凹状の内部面を有する。これらの壁は、サイドレールの側部で連結され、チャンバにほぼ平坦な楕円又はレンズ状の断面を与え、チャンバの内部の高さは、側壁の幅又は距離よりも短い。サイドレールを横断して延びるとともに連結される内部支持部材は、チャンバの内部の圧力が外より低いモードで操作されるとき、チャンバの破損を防止できる強度を備える。
好ましくは、チャンバの上部壁及び下部壁は、ほぼ矩形形状を有し、離間されたサイドレールは、壁の長さを拡大する。これは、細長い構成を与える。内部の支持部材は、入口のフランジまで延びる入口部及び出口のフランジまで延びる出口部を備え、二つの部分の間に大きな開口を有するプレート形状を有する。支持プレートは、実質的にチャンバを上部領域及び下部領域に分割する。サセプタは、支持プレートの開口に配置され、チャンバの下部壁から延びる管を通して延びるシャフトに支持される。処理される半導体ウェーハ又は他の要素は、入口のフランジを通して挿入され、支持プレートの入口部にほぼ位置あわせされたサセプタに支持され、反応ガスは、入口の支持プレートの部分の上及び処理されるウェーハの表面を横切って円滑に流れることができる。この点で、チャンバの上部領域は、ウェーハの処理に独占的に割り当てられることが好ましい。
チャンバの上部壁及び下部壁は、石英から作られ、大半径の円柱状管からカットされた部材により構成され、又は、曲線プレートに形成されることが好ましい。これらの部分は、上部壁及び下部壁の縁に溶接しやすいような形に成形され又はカットされた側壁に溶接されることが好ましい。好ましくはないが、単純な円形、楕円形、又は放物線形状ではなく、楕円形の、放物線状の、又は急に曲がったプレート状の断面を有する要素で構成することも可能である。
支持プレートは、石英から作られ、上部壁及び下部壁の間の中心に位置することが好ましく、これらの壁の応力は、均一である。
このようなチャンバは、減圧処理に耐えることができ、一体化され、薄い石英の上部壁及び下部壁を通して放射エネルギーを伝達する放射ヒータの位置と干渉する外部の支持部材を必要としないという利点がある。また、内部の支持プレートは、チャンバを通した反応ガスの流れを妨害せず、事実、縁より流路の中心でより多くのガスを流すことによって、望ましいガスの流れをもたらすように作用する。さらに、内部の支持部材は、チャンバのウェーハ、サセプタ、又はサセプタリングからの流入又は流出を妨害しない。
本発明の他の局面では、チャンバガスの入口及び出口を有する成長質を規定する壁を備える化学気相成長装置が提供される。ほぼ水平な石英の入口壁は、チャンバの入口からサセプタを受ける開口の部分を規定する下流の縁まで延びる。ほぼ円形のサセプタは、開口に水平に位置し、気相成長させる半導体基板を受ける。装置は、さらに、水平部分と下流縁の失透及び気相成長を最小にする入口壁の下流縁に近接する開口に延びる垂直リップとを有する犠牲石英プレートを備える。他の実施形態では、石英プレートの水平部分が入口壁に置かれる。下流縁を規定する開口の部分は、曲げられ、垂直リップは、開口の曲面部分を形成するように曲げられ、入口壁の下流縁の半分を保護するような大きさにされる。第二の犠牲プレートは、サセプタの曲面縁又は下流縁の他の半分を保護するようにサセプタの周りに位置するリングに沿うように曲げられた垂直リップを有するように設けられる。
また、他の好ましい実施形態では、犠牲プレートは、入口壁の下で支持され、その垂直リップは、入口壁の下流縁に近接して延びている。犠牲プレートは、サセプタの下に延び、サセプタを回転可能に支持するシャフトを受ける中心孔を有する皿の形状にされてもよい。装置は、サセプタから下流に延びる、ほぼ水平の石英出口壁を備え、サセプタから離間され、皿部材の入口縁は、入口壁の下で支持され、皿部材の下流縁は、出口縁の下で支持されてもよい。
さらに他の局面では、本発明は、化学気相成長チャンバの使用方法を提供し、チャンバは、水平に延びるサセプタが基板を受けるように配置され開口の部分を規定する下流縁を有する石英の水平な入口壁を備える。この方法では、入口壁の下流縁の失透及び気相成長を最小化するように、入口壁の下流縁とサセプタとの間に犠牲石英プレートの垂直リップを配置する。サセプタの周りに及びサセプタと入口壁の下流縁との間に延びる温度補償リングが備えられてもよい。犠牲プレートの垂直リップは、温度補償リングと入口壁の下流縁との間のギャップに配置されてもよい。この方法では、入口壁の下流縁の上を上流に延びるフランジを有する垂直リップの上部縁に短く、水平に延びるフランジを備える。
さらに他の好ましい実施形態では、チャンバは、また、上流縁に石英の水平な出口壁を備え、入口壁の下流縁及びチャンバの組合せで、サセプタが配置される開口を規定する。リングは、円形であり、犠牲石英プレートは、リングの外形とほぼ一致するような内径を有する。石英プレートは、開口と一致してそれに望ましく沿うような外形を有し、面取りされた矩形形状を有することが好ましい。この点で、開口の縁は、プロセスチャンバの失透及びヒートサイクルから保護される。犠牲石英プレートは、最小のクリアランスで開口内にほぼ沿うような形状が好ましく、入口壁及び出口壁に備えられる修正されたフィンガー部又は支持部材により支持される。
さらに他の好ましい実施形態に従えば、本発明は、半導体を支持するサセプタを受けるほぼ円形の開口を規定する内部縁及びほぼ矩形の外部縁を有する温度補償リングを備える化学気相成長チャンバに使用される装置を提供する。リングは、面取りされたコーナー部、前縁、後縁、一対の外部側縁を有することが好ましい。前方の外部縁及び内部縁との間の最短距離は、後縁と内部縁との間の最短距離より短いことが好ましい。リングは、グラファイトから作られ、一つ又はそれ以上の温度センサを受けるようにされた内部のほぼ中空部を有することが好ましい。リングは、ほぼ平坦であり、中空部から前方に延びる管形状ではない前縁、及びほぼ平坦で中空部から後方に延びる管形状ではない後縁部分を有する。
さらに他の好ましい実施形態では、本発明は、処理されるウェーハ上の反応ガスの速度を制御するために、噴射機の幅を縦方向に横断して分配された複数の調整部分を有するプロセスチャンバのガス噴射機を備える。噴射機は、一つに実装された流れ制御弁を有する二つの並列に並べられたプレートから形成される。単一のガス入力は、流れ制御弁に共通な充填をもたらし、等圧なガスが各弁機構の上流に供給される。独立に計測される流れが噴射機の出口を形成するスリットのような開口を通って混合される前に、狭い通路が、各弁から噴射機に形成された分離された膨張チャンバへ設けられる。所定のガス速度の反応ガスの帯状の円滑な流れが、チャンバに及びウェーハ上にもたらされる。この帯状のガスの流れは、拡散によってともに混合される分離された流れに十分な距離及び時間をもたらすように、ウェーハの前縁のかなりの距離の上方への流れを形成し、これにより、ウェーハを縦方向に横断するガスの濃度を円滑化する。
他の例では、本発明は、サセプタ及びその上のウェーハを支持する石英プロセスチャンバを提供する。温度補償リングは、サセプタを囲み、サセプタの温度をより均一に維持するようにサセプタと同じ高い熱容量の材料から作られる。加熱ランプの上部及び下部は、サセプタ及びリングを加熱するチャンバの外側に配置される。ランプは、必要とされる放射エネルギーを集中し、システムに使用されるエネルギーを保存するように、リングの外側の大きさと同じ大きさにされることが好ましい。ある実施形態では、リングは、サセプタを近接して囲む大きさにされた円形の内側縁及び内部のチャンバ支持プレートの同形状の開口内にきちんとフィットする大きさにされた面取りされた矩形の外側縁を有する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係るプロセスチャンバの一実施形態を示す斜視図である。
図２は、図１の線２−２に沿った断面図である。
図３は、図１の線３−３に沿って垂直−軸方向平面から見たプロセスチャンバの半分の斜視図である。
図４は、チャンバの平面図である。
図５は、チャンバの入口端部の図である。
図６は、チャンバの出口端部の図である。
図７は、チャンバの側面図である。
図８は、ウェーハ処理システムの一部に結合されたチャンバを表す断面図である。
図９は、サセプタを囲む他のリングと内部チャンバ支持プレートの開口内の平面図である。
図１０は、チャンバ支持プレートの開口内に位置する犠牲プレートの平面図である。
図１１は、本発明に係るプロセスチャンバの第２の実施形態と結合して使用される処理システム環境を表す断面図である。
図１１ａは、図１１のプロセスチャンバの断面図である。
図１２は、拡大した温度補償リング及び犠牲石英プレートを組み込んだプロセスチャンバの第２の実施形態の分解斜視図である。
図１２ａは、温度補償リングの断面図である。
図１３は、図１２に示す犠牲石英プレートの平面図である。
図１４は、図１３の犠牲石英プレートを通る断面図である。
図１５は、本発明のチャンバに使用される他の犠牲石英プレートの斜視図である。
図１６は、図１５の犠牲石英プレートの平面図である。
図１７は、図１６の犠牲石英プレートを通る断面図である。
図１８ａは、図１１の線１８−１８に沿う平面図であり、本発明のチャンバに取り付けられる図１３の犠牲石英プレートを示す。
図１８ｂは、取り付けられた図１５の犠牲石英プレートを示す平面図である。
図１８ｃは、チャンバ支持プレートの開口の上流側コーナーにおける、一対の分離した犠牲石英プレートを示す平面図である。
図１９は、図１８ｃに示す分離した犠牲石英プレートの１つの側面図である。
図２０は、図１９の分離した犠牲石英プレートの底面図である。
図２１は、本発明のチャンバに使用される複数のポートを有するガス噴射機の縦断面図である
図２１ａは、ガス噴射機の一部を詳細に示す断面図であり、処理ガス流チャンバを示す。
図２２は、プロセスチャンバから取り外した状態で、内部ガス流通路を表す図２１のガス噴射機の背面図である。
図２３は、図２１の線２３−２３に沿うガス噴射機のフランジの後ろ半分の正面図である。
図２４は、図２１の線２４−２４に沿うガス噴射機の横断面図であり、処理されたガスが拡散する領域を示す。
図２５は、図２１の線２５−２５に沿うフランジの後ろ半分を通る縦断面図であり、内部流体冷却通路を示す。
図２６は、本発明のガス噴射機に使用されるニードルバルブの拡大された断面図である。
図２７は、サセプタを囲み、該サセプタ及び処理されるウェーハの下流側に延びる改良された温度補償リングを組み込んだプロセスチャンバのさらなる実施形態を示す断面図である。
図２８ａは、図２７に示すものと同様のプロセスチャンバを通る概略で示す縦断面図であり、サセプタ及びウェーハに関する下流側の構造を表す。
図２８ｂは、図２８ａの平面図である。
図２９ａは、下流側の構造のないプロセスチャンバの概略で示す縦断面図であり、外部ランプからの放射熱流を示す。
図２９ｂは、下流側の構造を付加した図２９ａと同様の図であり、チャンバ内の放射熱流の変化を示す。
図３０ａは、処理されるウェーハを横切る典型的な温度分布を示す矢符で示す、下流側構造のないプロセスチャンバの横断面図である。
図３０ｂは、下流側構造を付加した図３０ａと同様の図であり、処理されるウェーハを横切る温度分布の変化を示す。
図３１ａは、下流側の構造のないプロセスチャンバの概略で示す横断面図であり、チャンバ内の典型的蒸着領域を示す。
図３１ｂは、下流側の構造を付加した図３１ａと同様の図であり、蒸着領域の変化を示す。
図３２ａ及び図３２ｂは、各々、下流側構造のないプロセスチャンバの概略で示す横断面図、縦断面図であり、チャンバ内でのポテンシャルガスの再循環を表す。
図３３ａ及び図３３ｂは、下流側の構造を付加した、各々図３２ａ及び図３２ｂと同様の図であり、そこを通るガス流の変化を示す。
図３４は、温度補償リングから下流側に構造を有する他のプロセスチャンバの断面図である。
図３５は、下流側に延ばされた温度補償リングを有する図３４のプロセスチャンバの断面図である。
図３６は、流量制御通路を組み込んだプロセスチャンバの上流側の部分を表す断面図である。
図３７は、チャンバの入口フランジに向かって見た図３６の流量制御通路を通る断面図である。
図３８ａは、図３６のチャンバ及び流量制御通路の平面図である。
図３８ｂから図３８ｄは、図３６のチャンバの平面図であり、種々の流量制御通路を示す。
好適な実施形態の詳細な説明
両凸レンズ状プロセスチャンバ
図１から図１１に、化学気相成長処理等用の反応容器又は反応チャンバ１０の一実施形態を示す。チャンバ１０は、断面がほぼ両凸レンズ状の形状を有する長くほぼ平坦な形状を有する。両凸レンズ状の形状は、円形の曲率を有する対向する両凸レンズ表面を有する。前記チャンバは、凸状の外表面及び凹状の内表面を備えた上部壁１２と、凸状の外表面及び凹状の内表面を備えた下部壁１４とを有する。壁１２及び壁１４は、垂直方向の短いサイドレール１６及び１８によって接続されている。これらの壁及びサイドレールはさらに、上流の入口端部フランジ２０及び下流の出口端部フランジ２２によって結合されている。上流及び下流は、後述のように処理ガスの流れに関係し、前及び後ろという記載と同義である。
チャンバの高さは、チャンバの幅よりも小さい。この点で、チャンバ１０の軸方向は、入口端部フランジ２０から出口端部フランジ２２に、すなわち切断線３−３に沿って延びている。横方向は、短いサイドレール１６及び１８の間、すなわち切断線２−２に沿って延びている。高さ方向は、軸方向及び横方向の両方に垂直である。図２の断面図に示すように、両凸レンズ状のチャンバ１０は、サイドレール１６及び１８の間に延びる大きい寸法と、上部壁１２及び下部壁１４の頂点の間に延びる小さい寸法とを有する。
図４によれば、上部壁１２及び下部壁１４の両方とも、垂直方向の投影が矩形平面となる薄い曲面プレート状の部材である。好適には、壁１２及び１４は、円形の曲率半径を有し、石英又は同種の材料からなる円筒管から切断した切片により形成され得る。より大きなチャンバには、壁１２及び１４を、加熱成形した平坦な石英プレートによって構成することができる。変化する半径を有する曲壁には望ましくない応力が生じるため、一定の曲率を備えた円形壁は最適な設計である。好適な一つの実施形態において、上部壁１２及び下部壁１４は、およそ２４インチの曲率半径と、４ｍｍから６ｍｍの間の厚みを有し、より好適には壁の厚みはおよそ５ｍｍである。石英が好適ではあるが、同様の望ましい特性を有する他の材料を代用しても良い。いくつかのこれらの望ましい特性は、高い融点、大きく迅速な温度変化に対する耐久性、化学的不活性及び光に対する高い透明度を含む。
厚いサイドレール１６、１８は、矩形の横断面を有する石英ロッドから加工され、或いは他の方法で、図２に示す横断面形状に形成され得る。特に、各サイドレール１６、１８は、上部壁１２の外曲面に連続する上面２４と、下部壁１４の外面に連続するように曲げられた下面２６とを有する補強された本体を備える。各サイドレール１６、１８の外側面２８は平坦で縦に延びている。各サイドレール１６、１８の内面は、上部スタブ壁（upper stub wall segment）３２ａ、中間スタブ壁（middle stub wall segment）３２ｂ、下部スタブ壁（lower stub wall segment）３２ｃを形成する軸方向に延びる上部及び下部の窪み３０ａ、３０ｂで形成されている。上部スタブ壁３２ａ及び下部スタブ壁３２ｃは、上部壁１２及び下部壁１４の側縁に軸方向溶接点３９で当接している。一つの実施形態において、サイドレール１６、１８の本体は、約２０ｍｍの幅と約２１ｍｍの高さを有する。
チャンバの内部支持部材
本発明によれば、好適にはサイドレール１６及び１８の間に延びる平坦な矩形のプレート４０の形態の支持部材又はストリンガが提供される。図３に示すように、支持プレート４０は、チャンバ１０の幅を横切って延びる空所又は開口４４の輪郭を定め、支持プレートを入口部４６ａ及び出口部４６ｂに分離する開口４２を備える。入口部４６ａは、入口フランジ２０から開口４４の上流側の縁に延び、出口部４６ｂは、開口４４の下流側の縁から出口フランジ２２に延びている。図４から分かるように、支持プレートの入口部４６ａは、出口部４６ｂよりも軸方向に短い。特に、好適な配置において、入口部の長さは、出口部の長さの約７０％である。釣り合いのとれた配置は、チャンバ壁の強度特性よりもむしろチャンバを通る処理ガスの流れに関連する。
図２に最もよく示すように、サイドレール１６及び１８の各々は、実際には支持プレート４０の延長部を形成する、内側に延びる中央スタブ壁３２ｂを備えている。この点で、支持プレート４０は実際に、サイドレール１６、１８の本体で、すなわち、言い換えれば、窪み３０ａ、３０ｂの横方向外側領域で終結している。軸方向結合部４８は、支持プレート４０と各サイドレール１６及び１８の中央スタブ壁３２ｂとの間の溶接接合を示す。
チャンバ１０の重要な面として、中央スタブ壁３２ｂは、上部壁１２及び下部壁１４を正確に２等分し、これにより支持プレート４０は、両者の間の正確な中心線又は中心面に位置する。この所望の配置は、サイドレール１６、１８の横方向変位によって、プレート４０平面内にのみ応力を発生させる。このような変位は、壁１２、１４が平坦になろうとし外力をそこに及ぼす際の減圧プロセスによって生じる。この振分けを設計することにより、支持プレート４０は、著しい曲げ応力又はせん断応力を受けず、より大きな全体に亘る垂直応力に耐え得る。
端部フランジ
図１及び図３によれば、端部フランジ２０、２２の各々は、外側にほぼ矩形のスラブ５０、５１を備え、各スラブは、面取りされたコーナー５２及び内側に凸レンズ形状の延長部５４を有する。図３から分かるように、内側延長部５４は、上部壁１２、下部壁１４及び中央支持プレート４０の形状に一致する。特に、軸方向の短い部分がスラブ５０から延び、これらプレート状部材の各々と結合している。チャンバ１０の各端部において、曲線の溶接接合部５６が、曲面上部壁１２、曲面下部壁１４及び延長部５４の上部、下部の間に形成されている。直線の接合線５８は、延長部５４の中央部及び支持プレート４０の軸方向端部の間に形成されている。入口フランジ２０のスラブ５０は、チャンバ１０内の支持プレート４０の上方で上部壁１２の下方の領域６６に通じる上部に横方向に延びる開口６０を備える。対照的に、出口フランジ２２のスラブ５１は、横方向に延びる一対の開口６２及び６４を備える。上部開口６２は、前述のチャンバ１０の上部領域６６に通じる。下部開口６４は、支持プレート４０の下方で下部壁１４の上方のチャンバ１０の下部領域６８に通じる。サイドレール１６、１８内の丸い窪み３０ａ、３０ｂは、上部領域６６、下部領域６８の横方向の境界の輪郭を定める。以下に述べるように、ウェーハ処理は、上部領域６６のみでなされ、支持プレート４０は、処理領域の下限を定める。
支持プレートの開口
図８に示すように、開口４４は、サセプタ及び該サセプタを囲む温度補償リング７２を収容するように寸法決めされている。サセプタ７０は、静止リング７２内で回転するように適合されており、好適には、約０．５ｍｍから１．０ｍｍの小さな環状のギャップを横切って前記リングから距離を隔てて配置される。リング７２の中心線は、図４に破線で示す円７４により示されている。リング７２を囲む支持プレート４０内の開口４２の形状は、開口４４の縁が前記リングに極めて近接するように円形とすることもできる。しかしながら、図４に示すように、円形のコーナーを有する矩形の開口４２が幾分好適であることが分かった。支持プレートの入口部４６ａ、出口部４６ｂは、正確な形状を有するように切断されてもよい。或いは、加工の都合上、図４に示すように、短く幾分三角形のすみ肉部７６を、所望の形状を得るように、プレート部材及びチャンバサイドレール１６、１８に溶接してもよい。
使用の間、チャンバ１０の内部と外部雰囲気との間の圧力差は、上部壁１２、下部壁１４及びサイドレール１６、１８の両方の中に応力を生じさせる。サイドレール１６、１８の内側及び外側に向かう横方向の動作は、中央支持プレート４０へのそれらの固定によって制限される。上述した真空処理において、壁１２、１４は、平坦になろうとすることにより、ほぼ外側に向かう力をサイドレール１６、１８へ与える。支持プレート４０は、張力下に置かれ、サイドレール１６、１８の外側への変位を制限する。しかしながら、入口部４６ａ、出口部４６ｂの間には、サイドレール１６、１８に対する支持はなく、この領域に沿って、サイドレール内に応力を生じさせる幾分かの変位が可能である。有限要素解析により、面取りされた矩形の開口４２が完全に円形の開口よりも好適であることが示された。これは、図示されたプレートの最大応力は開口の軸方向に沿って拡散するが、円形の開口では、最大応力点がプレートの中心線に沿った点となるからである。他の方法では、矩形開口４２は、サイドレール１２、１４の間に横方向に延びる２つの対向する部分を境界とし、円形開口の２つの対向点で対向するように前記部分に亘って最大応力が分散する。
図４に示す円７４は、チャンバの上流側及び下流側の縁に対し、又は開口４４に対し、中心に位置していないことに注意する必要がある。或いは、出口プレート部４６ｂの上流側の縁に対する円７４の下流側の縁又は後縁の位置よりも、入口プレート部４６ａの下流側の縁に対する円７４の上流側の縁又は前縁の位置の方が近い。この配置は、出口プレート部４６ｂの上流側の縁の失透（devitrification）の速度を落とすことにより、チャンバの強度を維持するのに役立つ。すなわち、チャンバ壁の温度がサセプタからちょうど下流に向かって最も高くなるように、ガス流はサセプタを通り越す際に熱くなる。したがって、上流側の縁は、サセプタに極めて近い場合、著しい熱サイクル及び失透に晒され得る。そこで、サセプタは、前記上流側の縁との間隔を増すように開口４４内で前方にずらされている。いくつかの形態の内、このずらされた配置もまた、チャンバを通る処理ガスの流れに影響する。特に、リングによって囲まれたサセプタ上に置かれたウェーハは、該ウェーハの上流側の開口４４を通る反応ガスの量を最小にするべく、入口プレート部４６ａの下流側の縁に近接して置かれている。これは、サセプタの下のチャンバ１０の下部領域６８内に堆積し得る反応ガスの量を最小にする。
サセプタ及び関連する構造
図８から分かるように、温度補償リング７２は、支持プレート部材に溶接された垂直方向に延びる部分を有する、肘のような形状の３つの支持部材によって支持されている。特に、前支持部材又はフィンガー８０は、チャンバのサイドレール１６、１８の中間で、前のプレート部材の後方に溶接されている。前支持部材の水平部分は、温度補償リング７２の前縁の下方に位置するように、開口４４内に後方に向かって延びている。距離を隔てた一対の部材又はフィンガー８２は、図８及び図２から図７に示すように、補償リング７２の後縁の下方で前方に延びる長い水平部分を有する。このように、補償リング７２は、フィンガー８０及び８２の直立ピン（図示せず）によって３点で水平に支持されている。結局、ピンは、繰り返される熱サイクルと処理ガス及びエッチングガスへの露呈により劣化するが、かなり迅速に取り替えることができる。
サセプタ８４は、回転可能なシャフト９０の上端部に接続された適切な支持部材８８のアーム８６に支持された状態で示されている。前記シャフトは、チャンバの底部壁から延びる管９２を通って延びている。サセプタ８４は、リング７２の上縁及び支持プレート４０の上面とほぼ水平な状態で示されている。これは、ウェーハが、サセプタ８４の上方でプロセスチャンバ１０の上部領域６６内に位置決めされることを可能にする。
さらに、図８によれば、入口フランジ２０は、入口コンポーネント９４に結合するようになっている。前記コンポーネントは、ウェーハが通って挿入される水平方向に延長されたスロット９６を有し、スロット９６からウェーハハンドリングチャンバ（図示せず）に通じるアイソレーションバルブが閉じられた後処理ガスをチャンバの上部領域６６に導入する長い入口９８を有する。同様に、出口フランジ２２は、チャンバ１０から処理ガスを排気しチャンバを真空にするための出口コンポーネント１００に当接するようになっている。図８から分かるように、出口フランジ２２は、支持プレートの上方の領域６６と同様に、支持プレートの下のチャンバの下部領域６８に開口している。
複数の熱電対１０２が出口コンポーネント１００を通ってプロセスチャンバ１０の下部領域６８内に延びている。熱電対１０２は、サセプタ８４及びその上に位置するウェーハを囲む局所温度を検知するため、サセプタ８４の近辺に延びている。米国特許第４８２１６７４号ですでに記載したように、サセプタ８４を囲む熱電対１０２の先端検知部の有効な位置決めにより、ウェーハ温度に関する包括的フィードバックが可能となる。さらに、温度の不均一性を補償するために、チャンバ１０を囲む放射熱ランプの調整を可能にする。特に、前縁の熱電対１０４はサセプタ８４の前縁に近接して終結し、後縁の熱電対１０６はサセプタの後縁に近接して終結し、側縁の熱電対（図示せず）はサセプタの側縁に近接して終結している。熱電対１０２の各々は、内部に窪みを与える２つの部材から形成される温度補償リング７２に入っている。このリングは、参考のために特に参照する米国特許第４８２１６７４号にすでに記載されている。温度補償リング７２は、熱電対１０２を受けるためのリングを通る環状通路の境界を共にして定める、ほぼＬ字形の内部本体及び外部本体を備える。
好適には、温度補償リング７２は、黒鉛又は他の高い熱吸収材料から構成される。リング７２は、処理環境におけるいくつかの利点を与え、主としてサセプタ８４の縁からの熱損失を削減する。特に、リング７２は、サセプタ８４の縁を近接して囲み、材料が同様の温度であるように、処理中同様の温度に維持される。このように、サセプタ及びリングは互いに熱を放射し、両者の間の熱損失を効果的に相殺する。温度補償リング７２の他の利点は、ウェーハの領域における反応ガスの予熱及び後熱である。特に、反応ガスは、無反応の雰囲気温度でチャンバに入り、サセプタ及びウェーハの上を通る際に蒸着に適した温度に加熱される。このように、周囲温度補償リング７２は、サセプタの前縁、続いてウェーハの前縁に到達する前に反応ガス流を予熱する。このようにして、処理ガスは、ウェーハの縁の上を越える前に、ほぼ定常状態の温度に到達する。さらに、温度補償リング７２が下流側の加熱領域を拡げるため、ウェーハの下流側の縁を通過した後、ガスの温度はあまり落ちることがない。温度補償リング７２のさらなる利点を、改良したリングを参照して以下に述べる。
チャンバを通るガス流を図８に示す。反応ガスは、参考のために特に参照する米国特許第５２２１５５６号に記載されている分布のような、予め決められた横方向の速度分布を伴って入口コンポーネント９４に入る。予め決められた速度分布は、反応チャンバ１０の横方向の外縁よりも中央部に向けてより大きなガス流を与え、サセプタ８４で支持される円形ウェーハの中心を越える長い蒸着路（deposition travel path）を補償する。言い換えれば、ウェーハの上方の流路に沿った反応消耗（reactant depletion）のため、ウェーハ中央部の上方に、より多くの量の反応ガスが必要とされる。さらに、図２に最もよく示すように、チャンバ１０の横断面形状は、あまり反応ガス流が必要とされない側縁よりも、より多くの反応ガス流が必要とされるチャンバの中心において、より多くのガス流を収容する。
反応ガスは、矢符１１２で示すように軸方向後方に流れ、出口コンポーネント１００を通り、矢符１１６で示すように排気導管１１４を通って下方に出る。典型的には、パージガスがシャフト９０を囲む中空管９２を通って上方に供給される。前記中空管は、シャフトを囲むガス通路を与えるように寸法決めされている。矢符１１８によって示すように、パージガスは、チャンバ１０の下部領域６８に入る。パージガスは、サセプタ８４の下に不必要な粒子が蒸着するのを防ぎ、矢符１２０で示すように、出口フランジ２２内の軸方向の下部開口６４を通って出る。次に、パージガスは、使用済みの反応ガスと混合し、排気導管１１４を通り矢符１１６の通路に沿って下方に流れる。
端部フランジ２０、２２は、好適には、半透明であり、分散された窒素の気泡を有する石英から造られる。一方、中央の薄い壁１２、１４及び支持プレート４０は、放射エネルギーに対して透明であり、チャンバ１０内のサセプタ及びウェーハの放射加熱を、これらの構造内を高温にすることなく可能にする。半透明のフランジ２０、２２は、そこを通る「光の伝搬（light-piping）」を減少させるべく放射エネルギーを散乱させる。これは、フランジ２０、２２の外側のＯリング１２２を、チャンバ１０内で生成する極度の高熱に晒されることから保護する。好適には、下部壁１４の下の管９２の部分は、そこに分散された窒素の気泡により同様に半透明である。
以上に記載したように、開示したチャンバの１つの利点は、比較的薄い石英のチャンバ壁により、減圧された内圧に耐え得るということである。例えば、直径８インチのウェーハ（約２００ｍｍ）を収容するように設計されたチャンバにおいて、上部壁１２及び下部壁１４は、約５ｍｍの壁厚しか必要とせず、支持プレートの厚みは、約１０ｍｍである。端部フランジ間のチャンバの長さは約６００ｍｍ、チャンバの幅は約３２５ｍｍ、端部フランジの高さは約１１５ｍｍである。チャンバの寸法は、より大きな寸法のウェーハ用に改良され得ることは自明である。例えば、本発明に係るチャンバは、２００ｍｍ、３００ｍｍ及びそれより大きな径を有する処理ウェーハに適している。好適には、対応する横断面寸法を同一にしたまま、３００ｍｍのウェーハを収容するより広いチャンバは、より大きな高さを有する。３００ｍｍウェーハ用チャンバの増加した高さにより、サセプタ及びウェーハを加熱するべくチャンバの周りに配置される放射熱ランプのような他のサブシステムに一定の改良が必要となる。要するに、直径２００ｍｍ及び３００ｍｍのウェーハを処理するための周囲環境は、ある面で異なる必要があるが、これらの差異は、プロセスチャンバの構造及び操作の技術分野における当業者の技術の範疇にある。
特定の寸法は、もちろん、単に例示されたものであり、種々の形状及び寸法を、側壁間すなわちチャンバの縦−横断面のより長い寸法を横切って延びる支持プレートに利用することができる。一般化し得る１つのことは、チャンバの全幅は、好適にはチャンバの高さの約３倍であるということである。これは、上部領域６６が、横方向の中心線において、およそ６の幅と高さの比を有することを意味する。上述のように本実施形態において、壁１２及び１４は、６０９．６ミリメートルの一定の曲率半径を有する。幅と高さの比が大きく増加する場合、上部壁１２及び下部壁１４は平坦になり、内部を真空にする際、破壊せずに曲げ応力に耐えることがほとんどできないということに注意する必要がある。一方、前記比が大きく減少する場合、壁１２及び１４の曲率は、より大きくなる。したがって、熱ランプをウェーハ及びサセプタ８４から遠ざけて配置し、ウェーハ周りの熱分布の制御を減らす必要がある。支持プレート４０が受ける引張り応力は、幅と高さの比が増加しチャンバが平坦になるにつれて増加する。一定のチャンバの真空度において、支持プレート４０が受ける引張り応力は、チャンバの幅と高さの比の増加よりも大きな比率で増加する。すなわち、例えば、上部領域６６において横方向の中心線における幅と高さの比が２：１である円筒チャンバ形状が、２倍の４：１の比になれば、支持プレート４０に生じる応力は２倍以上に増加する。支持プレート４０により吸収される引張り応力は、曲面チャンバ壁１２及び１４に伝わるであろう内側に向かう曲げ応力を緩和する。このように、比較的低いチャンバの縦断面により低圧処理を可能とする最適なチャンバの幅及び高さの比が決定される。
チャンバ１０は、矩形断面のチャンバを利用し、さらに低く広い形状の有用性を増加させた現存のシステムに好適に改造することができる。チャンバの形状は、ウェーハを一方の端部から挿入することを可能にし、チャンバの他方の端部から交換用サセプタ及びリングを挿入することを可能にする。このような配置は、チャンバ内で処理されるウェーハとほぼ一直線上に並べられた内部支持プレートの上方にガスが流れる状態で、ガス流がチャンバを通って端から端に導かれることも好都合に可能にする。
図９に示す他の実施形態において、改良した温度補償リング７２’は、支持プレート４０における面取りされた矩形の開口４２とよく一致するように、外側に設けられている。このように、リング７２’は、チャンバ１０の上部領域６６及び下部領域６８を互いに実質的にシールする。この形態において、上部領域６６内の反応ガスは、リング７２’及び開口４２の間に形成されるギャップを通ることができず、ウェーハ上の均一な流れを乱すことがない。
図１０に示すさらに他の実施形態において、円形リング７２を囲む石英の犠牲（sacrificial）プレート１２４が設けられている。犠牲プレート１２４は、リング７２の外径とよく一致する内径と、面取りされた矩形開口４２と一致し望ましくは接する外形とを有する。この形態において、開口４２の縁は、反応チャンバ１０の繰り返される加熱による失透から保護される。これは、犠牲プレート１２４が繰り返される熱サイクルにより失透する際に、より高価で恒久的に設置された支持プレートを維持した状態で犠牲プレート１２４を取り替えることを可能にする。実際、プレート１２４は、隙間が最小の状態で開口４２内に嵌合するように形状決めされているが、プレートを開口内に嵌合させ得る製造公差により、接触した状態での嵌合は不可能である。プレート１２４は、好適には、改良されたフィンガー８０、８２によって、又は、支持プレート４０に取り付けた分離した支持部材（図示せず）によって支持される。
プロセスチャンバの組立て手順
本プロセスチャンバのさらなる改良について記載する前に、石英チャンバの組立てについて説明する。反応チャンバ１０は、正確な寸法を保証し、構成部品内の内部応力を最小化するように、好適な順序で製造される。特に、反応チャンバ１０は、初めに、２つのサイドレール１６及び１８を端部フランジ２０及び２２に溶接することにより組み立てられる。図３に関して既に述べたように、フランジ２０及び２２の各々は、サイドレール１６及び１８の形状に一致する内側に向けられた延長部５４を有する。サイドレール及び端部フランジを結合した後、内部応力を削減するため高温で組み立てた物を焼きなます。次に、サイドレール１６、１８の中央スタブプレート３２ｂ及び端部フランジ２０、２２の内側の中央延長部によって形成される矩形の型内に中央支持プレート４０を溶接する。支持プレート４０を溶接した後、内部応力を削減するため、組み立てた物全体を再び焼きなます。次に、支持部材８０及び８２を支持プレート４０の下部の適切な位置に溶接する。面取りした矩形の開口４２の境界を定める代わりに、コーナーのすみ肉部７６を溶接する。次に、チャンバ１０内の鋭利な縁の全てを研磨して滑らかな丸い縁にする。このときに、上部壁１２及び下部壁１４をサイドレール１６及び１８並びに端部フランジ２０及び２２の両方に溶接する。内部応力を削減するため、組み立てられた物を再び焼きなます。次に、下部壁１４に形成される円形の開口と同軸である適当な位置に管９２を溶接する。
次に、組み立てられた物を、石英の表面をわずかに溶かし研磨及び溶接により形成された表面を滑らかにするため、高温で燃焼研磨（fire polish）する。燃焼研磨は、チャンバ１０の形成における本質的工程であり、後の組立て工程及び使用のためにチャンバを強化する。最後に、残留内部応力を削減するため、組み立てた物全体を焼きなます。石英チャンバの組立ては、複雑で繊細な操作であり、技術であると考えられることが当業者には理解されるであろう。このように、上述した手順は、１つの特定の組立て方法を明らかにすることを意図したものであり、他の方法は以下のようになし得る。
局所的な溶接によって激しい内部応力が生じ得る。応力を最小化するため、チャンバ全体を高温の加熱炉に好適に挿入し、その中で組み立てる。手順は以下のようである。プロセスチャンバの部材を、作業者がチャンバコンポーネントに手を伸ばし操作し得る大きな戸口を有する大きな加熱炉内に置く。前記加熱炉は初めにシールされ、高温、好適には約９００℃に加熱される。いったん特定の温度に達し、その中の全ての石英コンポーネントが前記温度になれば、溶接者が近づくことができるように大きな戸口が開く。戸口を通る放射熱を削減するため、多くの熱遮蔽物又は熱調節装置が、熱い石英片と戸口との間のチャンバの周りに置かれている。前記遮蔽物は、溶接者がチャンバの溶接すべき局所部分に近づくことができるように配置され、前記領域を囲む熱い石英コンポーネントからの放射熱を最小化する。溶接者は、重たい溶接用グローブ、反射スーツ及びヘルメットで適切に身を包む。加熱炉への戸口が開いた後、内部温度は、およそ５００℃から７００℃に低下する。開いた戸口を通じての熱損失を補充するために、いくらかの補足的な局所加熱を必要とする。この補足的加熱は、例えば、収束型又は発散型ブロートーチにより与えられる。次に、加熱炉の戸口が閉じ、非常に多くの熱が損失した場合には周期的にチャンバ部品を再加熱する状態で、前述の溶接手順が加熱炉内でなされる。この手順は、石英片中の大きな温度勾配を避けることにより、石英片内の内部応力を極めて削減する。
処理システム
図１１は、非常に均一な化学気相成長を生成するべく改良された反応チャンバ１３０を囲むコンポーネントの特に効果的な配置を示す。改良されたチャンバ１３０の特徴を述べる前に、処理環境について述べる。チャンバ１３０は、前述した内部支持プレート４０に近似する内部支持プレート１３２を備え、その中に形成され、半導体ウェーハを支持するサセプタを受けるように寸法決めされた開口１３３を備える。支持プレート１３２は、開口１３３の上流側の１３５ａ及び開口１３３の下流側の後方部１３５ｂに分離されている。サセプタ１３４は、中空のシャフト１４０に取り付けられた中央ハブ１３８の径方向に延びた複数のアーム１３６上に位置している。シャフト１４０は、チャンバ１３０の下方に配置されたモータ１４２により回転する。モータ１４２及びシャフト１４０間の回転カップリングは、参考のために先に参照した米国特許第４８２１６７４号に明確に記載されている。モータ１４２は、固定フレームに好適に取り付けられ、チャンバ１３０内においてサセプタ１３４を位置決めする調整機構を備える。
図１１ａに、ウェーハ１４４がサセプタ１３４に載っている状態を示す。サセプタ１３４及びウェーハ１４４を加熱するため、複数の放射熱ランプが、反応チャンバ１３０の周りに配置されている。第１列の上部ランプ１４６は、チャンバ１３０に対し軸方向に延びている。第２列の下部ランプ１４８は、チャンバ１３０に対し横方向に延びている。規則正しい一続きのランプがチャンバ１３０の横方向の範囲を横切って設けられるように、上部列のランプ１４６の分布は滑らかである。一方、下部列のランプ１４０は、シャフト１４０の両側に設けられ、シャフトを囲む領域で不連続である。１つ又はそれより多くのスポットライト又は指向性ランプ１５０が、チャンバ１３０の下に位置し、チャンバ１３０と一体成形された下方に延びる石英管１５２を囲んでいる。管１５２は、同心でシャフト１４０を受ける。管１５２及びシャフト１４０は、それらの間に、サセプタ１３４の下部領域にパージガスを噴射するのに使用される環状のスペースを生成する。パージガスの流れを、図１１ａに矢符１５４で示す。指向性ランプ１５０は、サセプタ１３４の下部にエネルギーを放射するが、シャフト１５２及び支持構造により遮られている。特定の加熱配置は、参考のために特に参照する米国特許第４８３６１３８号に記載され図示されているものと同様である。
上部列ランプ１４６及び下部列ランプ１４８は、各々サセプタ領域１３４の上方、下方にほぼ矩形の配置で分布している。指向性ランプ１５０と組み合わさったこの配置は、放射エネルギーをサセプタ１３４及び関連するウェーハ１４４に収束させる。さらに、上部列１４６、下部列１４８の垂直方向は、サセプタ１３４の加熱の均一性をさらに高める。拡大された温度補償リング１５５を図１１及び１１ａに示し、その特殊な構造を以下により詳細に記載する。しかしながら、改良された温度補償リング１５５の周囲形状は、ほぼ矩形であり、上部列ランプ１４６及び下部列ランプ１４８からの放射熱の投射コラム（projected column）と一致する。この配置は、極めて有効であり、サセプタ１３４を横切るより均一な温度をもたらす。
ガス噴射機１５６は、プロセスチャンバ１３０の上流側に位置し、多数のポートを通ってチャンバに入る反応ガスを測定する、複数の反応ガス流量ニードル弁１５８を備えている。反応ガスは、噴射機１５６を通って測定された後、入口開口１６０を通過し、プロセスチャンバ１３０の上部領域１６２に通じる。反応ガスの流れを図１１ａに矢符１６４で示す。ガスは、内部支持プレート１３２の上方で、サセプタ１３４及びウェーハ１４４を横切って流れ、プロセスチャンバ１３０の出口開口１６６を通って出る。排気路を矢符１６８で示す。前述した上方へのパージ流１５４に沿って、軸方向のパージ流１７０がガス噴射機１５６により与えられる。特に、以下により詳細に述べるように、ガス噴射機は、パージ入口開口１７４を通してプロセスチャンバ１３０の下部領域１７２に通じる内部通路を備えている。パージガス流１７０は、下部領域１７２に入り、サセプタ１３４及び周囲構造の下部を通過し、矢符１７８で示すように、パージ出口開口１７６を通って下部領域から出る。
図１１は、使用済みの反応ガス流１６８及び排気パージガス流１７８の両方を受ける、改良された排気装置１８０を示す。特に、共通の高圧チャンバ１８２は、前述のガス流を受け、排気マニホールド１８６に連通する傾いた排気導管１８４に導く。排気マニホールド１８６は、適切な真空源に取り付けられている。高圧チャンバ１８２は、ほぼ矩形のフランジ部材１８８により境界を定められている。フランジ部材１８８は、管１９０を通じて冷却流体が内部通路に供給されることにより、好適に水冷されている。フランジ部材１８８の内部冷却は、該フランジ部材とプロセスチャンバ１３０の間のエラストマーシールの変質を防ぐのに役立つ。
改良された温度補償リング
図１１、図１１ａ及び図１２は、サセプタ１３４を囲む前述の改良された温度補償リング１５５を示す。このリング１５５は、図９に関して先に記載したリング７２’と多くの点で近似する。すなわち、リング１５５は、チャンバ１３０の支持プレート１３２に形成された面取りした矩形の開口１９４によく一致するように外側に設けられているが、石英支持プレート１３２の劣化を避けるためそこから距離を隔てて配置されている。１つの特定の実施形態において、図１１ａに示すように、改良された温度補償リング１５５は、下部の環状Ｕ字形通路部材１９６及び上部平面部材１９８を備える。上部部材１９８は、一体成形され下方に延びる１つ又はそれより多くの芯出しリング１９９を使用することにより、通路部材１９６の上方で芯出しされた開口を備える。前記リングは、円形パターン上に距離を隔てて設置された小さな突起とすることもできる。下部部材１９６は、前述のようにチャンバ１３０の下流側端部からパージ出口開口１７６を通り下部領域１７２に延びる複数の長い熱電対と、リング１５５とを支持する。リング１５５は、その下流側端部に熱電対を受けるための開口を備える。
好適には、温度補償リング１５５によって支持される３つの熱電対があり、その全てが、下流側端部からパージ出口開口１７６を通ってチャンバに入っている。前記３つの熱電対は、支持プレート１３２の下部のチャンバ内に平行に前進して延び、横方向に距離を隔てて配置されている。図１１ａに示す真ん中の熱電対１９９は、ちょうど支持プレート１３２の下部に延び、サセプタ１３４の下流側で終結している。第２の熱電対２００は、リング１５５に入り、通路部材１９６によって境界を定められた円形の通路に巻かれ、図１１ａに示すように前縁位置で終結している。第３の熱電対（図示せず）も、リング１５５に入り、通路部材１９６に第２の熱電対２００と反対方向に途中まで巻かれ、サセプタ１３４の前縁及び後縁の中間位置で終結する。このように、３つの熱電対の組合せは、サセプタ１３４の前縁、後縁及び一方の側縁での温度を検知する。
熱電対が通路部材１９６に入ることを可能にするため、該部材の後端部は、延びたＬ字形の部分２０２により形成されている。この部分は、通路の内部に熱電対を挿入することを可能にするため、外部壁が欠けている。図示しないが、前記Ｌ字形の部分は、入ってくる３つの熱電対を受けるために十分な長さの弧を描いて延びてもよい。或いは、各熱電対が通路部材１９６中に入る独立した部分を備えてもよい。
上部平面部材１９８は、通路部材１９６の内部壁とほぼ同じ直径に寸法決めされ、サセプタ１３４の外周縁とよく一致するが距離を隔てた内縁を有する。平面部材１９８の外縁は、通路部材１９６の外壁から外側に延び、面取りされた矩形の開口１３３とよく一致する。リング１５５は、サセプタ１３４及びウェーハ１４４を横切る温度の均一性を保証するのに役立つ大きな熱容量を有する黒鉛から好適に構成されている。しかしながら、他の実施形態において、リング１５５は、より低い熱容量のものから、或いは、複数列のランプ１４６、１４８及び１５０からの直接の放射熱がサセプタ１３４の縁に当たるよう石英から構成してもよい。
図１１ａを参照すれば、上流側のギャップ２０４は、リング１５５と支持プレート１３２の上流側部分１３５ａとの間にある。同様に、下流側のギャップ２０６は、リング１５５の下流側の縁と支持プレート１３２の下流側部分１３５ｂとの間に形成されている。上流側のギャップ２０４は、下流側のギャップ２０６よりもわずかに小さい寸法とされている。サセプタ１３４及びウェーハ１４４を横切って通る処理ガスは、チャンバ１３０の入口端部に向かって相対的に冷たい。処理ガスが熱いリング１５５及びサセプタ１３４の上を通る際に、ウェーハの後縁で最高温度まで熱くなる。このように、リング１５５は、プロセスチャンバの環境内において、その上流側の縁とは反対にその下流側の縁でより高い温度になる。石英は、比較的壊れやすく、繰り返される熱サイクルにより劣化する。したがって、その位置におけるリング１５５による石英の過度の加熱を防止するため、リング１５５の下流側の縁におけるギャップ２０６は、わずかに大きくされている。１つの実施形態において、上流側のギャップ２０４は、約４ｍｍであり、下流側のギャップ２０６は、約５ｍｍである。
犠牲石英プレート
図１１のプロセスチャンバ１３０は、更に、開口部１３３の上流端を保護するために犠牲石英プレート２１０を有している。図１２〜１４に示すように、犠牲石英プレート２１０は、プレート状の水平部分２１２と垂直な湾曲リップ２１４とを備えている。この水平部分２１２は、更に大きな中央孔２１６を有し、該孔は、駆動シャフト１４０及びハブ１３８を受け入れることのできる大きさとされている。この水平部分２１２は、サセプタ１３４の下方近傍に延び、中央支持プレート１３２の下部から延びる３本のフィンガー２１８によって支持されている。このフィンガー２１８は、第１のチャンバの実施形態に関連して前に記述した支持フィンガー８０及び８２とよく似ている。より詳細には、前方のフィンガー２１８ａは、中央支持プレート１３２の上流側部位１３５ａの横幅の中央で交差して配置されている。一対の下流側フィンガー２１８ｂは、その下流側部位１３５ｂにおいて前記支持プレートの中心から横方向に離隔している。これらのフィンガーの近似的配置は、図１２の分解図によく表れている。
犠牲石英プレート２１０の水平部分２１２は、薄肉とされ矩形領域２２１を有し、該領域に通孔２２２が形成された２つの後方延設部２２０を有している。前記延設部２２０の前記薄肉領域は、図１１ａに示すように、下流側のフィンガー２１８ｂ上にぴったりと嵌まる寸法とされている。通孔２２２は、支持ピン２２４を受け入れることのできる大きさとされ、該ピンもまた、フィンガー２１８ｂ上に支持される。ピン２２４は、通孔２２２を通って延び、温度補償リング１５５を支持するのに用いられる。また、支持ピン２２７を受けるために、薄肉領域２３０及び前方の通孔２２６が水平部分２１２に形成されている。前方のフィンガー２１８ａは、薄肉領域２３０にぴったりと嵌まり、犠牲石英プレート２１０の前端部を支持するとともに、ピン２２７を介してリング１５５の前端部を支持する。薄肉領域２２１及び２３０、及びより詳しくは、それらによって形成される両側壁が、通孔２２２及び２２６及びピン２２４及び２２７と組合わさって、フィンガー２１８ａ，ｂに対してプレート２１０を位置決めする。
石英プレート２１０は、一般的に、一定の横幅を有し、該幅は、前端部において、より幅広の部位２２８に広がる。この幅広の部位２２８は、開口部１３３の形状に合致する湾曲した前部コーナーを有している。垂直リップ２１４は、前方の部位２２８の湾曲された縁部から開口部１３３の湾曲された矩形縁部の近くへ、上方へ向いて延びている。これは図１１ａによく示されている。この垂直リップ２１４は、こうして、開口部１３３において支持プレート１３２の内側縁部と密接に合致し、この位置において石英を失透から保護する。好ましくは、垂直リップ２１４は、開口部１３３の石英と接する。
犠牲石英プレート２１０の形状は、図１３及び１４に平面図及び断面図で各々示されている。プレート２１０の厚みは、中央部で厚く、フィンガー２１８ａ，ｂを受け入れ保持する前述の領域２２１及び２３０において薄くなっていることに気づくだろう。更に、垂直リップ２１４は、プレート２１０の水平部分よりも著しく薄い。ある特定の実施形態においては、２００ミリメートルの直径を持つウェーハの処理のための反応チャンバ内で使用するためには、犠牲石英プレート２１０は、長手方向にほぼ２８４．５ミリメートル以上の寸法を有している。プレート２１０の幅は、ほぼ１８９．２３ミリメートルであり、部位２２８において外側に広がる縁部は、側縁と３０°の角度をなしている。
前方の部位２２８の幅は、約２５８．０６ミリメートルである。開口部１３３の内側縁と密接に合致する前方の縁部の曲面は、ほぼ半径５７．１５ミリメートルである。前記プレートは、その断面のほとんどが５．０８ミリメートルであるが、フィンガー２１８を受ける部位は、約１．５２ミリメートルの厚みを持っている。前記垂直リップは、２５．１５ミリメートルの高さを有しているが、その厚みは、約１．０２ミリメートルである。
図１５〜１７は、前述した石英プレート２１０とほとんど同様の関係にある。しかしながら、これに対して、石英プレート２４０は、垂直リップ２１４の上縁部の形成された水平延設部２４２を有している。この水平延設部２４２は、リップ２１４から前方へ延び、中央支持プレートの上表面に載るようになっている。これは、図１１ａに示したように、開口部１３３と極く密接に上方へ延び、水平延設部２４２は、前記開口部の上部コーナーを超えて延びる。この配置は、更に中央支持プレート１３２を失透から保護する。その他は、この変更態様の石英プレート２４０は、前述の石英プレート２４０と同様であり、サセプタ１３４に下部近傍でこれに水平に、フィンガー２１８ａ，ｂによって支持される。
図１８ａ及び１８ｂは、サセプタ１４を囲む犠牲石英プレートが示されている。より詳細には、図１８ａに示されているように、犠牲石英プレート２１０は、中央支持プレート１３２の前方部位１３５ａの下流側縁部に垂直リップ２１４を見ることができる状態で、サセプタ１３４の下部近傍に隠れ線で示されている。垂直リップ２１４は、開口部１３３の両側の回りに前述したサイドレール１８まで横方向に延びていることが分かるだろう。他方、図１８ｂは、開口部１３３の縁部から前方へ延びる水平延設部２４２を示している。さらに、犠牲石英プレート２４０は、サセプタ１３４の近傍下部でこれに水平に配置されている。
他の実施形態では、図１８ｃ，１９及び２０に示されているように、一対に分離した犠牲石英プレート２５０ａ及び２５０が、中央支持プレート１３２に載置され得る。分離したプレート２５０は、図１９に平面図で示され、上流側端部に一対の面取りされた縁部２５２を有すると共に、曲線状下流側縁部２５４を持つ略矩形形状をしている。図２０に示されているように、垂直リップ２５６は、曲線状縁部２５４から下方へ突出している。曲線状縁部２５４は、丸みを持たされた矩形開口部１３３の曲面コーナーと密接に嵌合する寸法とされている。これにより、図１８ｃに示されているように、分離した犠牲石英プレート２５０ａ，ｂは、開口部１３３の丸みを持ったコーナに配置される。下流側に延びるリップ２５６は、こうして開口部１３３のコーナーを失透から保護している。開口部１３３のコーナーは、真空引き処理の間、最大の応力に晒され、これによって、該コーナーは、繰り返し熱サイクルから最も損傷を受け得る。従って、分離プレート２５０ａ，ｂを備えることで、これらコーナーを保護し、比較的容易に交換することができる。このプレート２５０ａ，ｂは、他の固定手段を用いずに、単に中央支持プレート１３２上に置かれているだけである。勿論、この分離したプレート２５０ａ，ｂを連結した単一の犠牲石英プレートが想定され、これは、中央支持プレート１３２の天部に直接置かれ得る。
ガス噴射機
図２１は、図１１に関連して既述したガス噴射機１５６を示している。このガス噴射機１５６は、石英チャンバ１３０の上流側縁部に接する略垂直な２部位フランジメンバーから成る。より詳細には、ガス噴射機１５６は、ウェーハハンドリングチャンバ２６０（仮想線で示した。）とプロセスチャンバ１３０との間に挟まれている。ガス噴射機１５６とチャンバ１３０との間の密接な接触を確保するために、当業者にとって周知の手段によって、適切な空気圧が付与される。
ウェーハハンドリングチャンバ２６０は、ガス噴射機２５６によって区画されたウェーハ又はガスの水平導入スロット２６４に導かれるテーパー状のウェーハ排出ポート２６２を有している。ウェーハハンドラー（図示せず）は、排出ポート２６２及び導入スロット２６４を通じ、ハンドリングチャンバ２６０及びプロセスチャンバ１３０の方へ及びそこからウェーハを搬送する。１実施形態においては、ウェーハハンドラーが、低姿勢のベルヌーイ型ピックアップ棒を備え、これは前記ウェーハを下側に搬送する導入スロット２６４にぴったりと嵌まっている。勿論、他の低姿勢ピックアップ棒を使用することができる。これに関し、導入スロット２６４はほぼ１９．０５ミリメートルの高さを有し、ガス噴射機１５６を介して約３９．６２ミリメートルの長さを持っている。図２２の背面図を参照すると、導入スロット２６４は、ガス噴射機１５６の幅の殆ど部分に亘って横方向に延び、２００ミリメートルの直径を持つウェーハが通過できるように約２２８．６ミリメートルの幅であることが望ましい。ここの述べられた寸法が、３００ミリメートルの直径のウェーハのようにより大きなサイズのウェーハに適応するために変更され得ることは、当業者であれば分かるだろう。
米国特許第４８２８２２４号明細書に参照され記載されているように、好ましくは、排出ポート２６２を開閉する相対移動のために、ゲートバルブがハンドリングチャンバ内に載置されている。ある一つの特定の有用な形態において、前記ゲートバルブは、回転本体を含み、該本体は、そこを通るウェーハ通路を有し、該通路は、前記バルブが閉じられた時に、排出ポート２６２と一直線上にある。ハンドリングチャンバ２６０及びプロセスチャンバ１３０の環境を互いから切り離すために、ゲートバルブの一つの固定表面は、ガス噴射機１５６の前面に対してシールするＯ−リングを有している。
ガス噴射機１５６は、前部フランジ分割体２６６と後部フランジ分割体２６８とから形成されている。前部及び後部フランジ分割体２６６，２６８は、一般に垂直に置かれたプレート状部材であって、互いに対向するよに配列されている。よる詳しくは、前部フランジ分割体２６６の前面は、ウェーハハンドリングチャンバ２６０に対向させられ、前記分割体の後面は、後部フランジ分割体２６８に接している。更に、後部フランジ分割体２６８の後面は、プロセスチャンバ１３０と対向している。これら各要素間には、ウェーハハンドリング領域からのガス漏れまたは該領域へのガスの混入を防ぐため、Ｏ−リングシールが設けられている。一般的な長円形をしたチャンバＯ−リング２７０は、図２２に最もよく示されており、ガス噴射機１５６とチャンバ１３０との間にも取付けられている。より詳しくは、後部フランジ分割体２６８は、チャンバＯ−リング２７０を受ける連続溝２７２（図２５）を、導入スロット２６４を囲むその後面に有している。チャンバＯ−リング２７０は、プロセスチャンバ１３０の平な前面に接し、上方又は下方部位１６２，１７２の各々に繋がる導入通孔１６０，１７４を囲んでいる。中間Ｏ−リング２７４は、前部フランジ分割体２６６の後面にある溝には位置されており、前部フランジ分割体２６６と後部フランジ分割体２６８との間の接合点で導入スロット２６４をシールする。最後に、前記ハンドリングチャンバＯ−リングは、前部フランジ分割体２６６の前面にある溝に配置され、ガス噴射機１５６とウェーハハンドリングチャンバ２６０との間の境界で導入スロット２６４をシールする。
図２２及び図２３に示されているように、複数のニードル弁１５８が、後部フランジ分割体２６８の上縁を横切って配設されている。好ましくは、後部フランジ分割体に２６８に等間隔で、中心に配置された５本のニードル弁１５８である。ニードル弁１５８の各々は、上方開口の段階状空洞部２８２（図２６）内に固定された管状カートリッジ２８０と瓦斯噴射機１５６を通過するガス流の調節のためのツマミねじ２８４を備える。これに関し、処理ガスは、後部フランジ分割体２６８の１側縁にある導入管２８６を通って入り、ガス噴射機１５６を通って分配され、導入スロット２６４を通って最終的にプロセスチャンバ１３０に入る。
処理ガスは、導入管２８６で入り、５つの調整ツマミねじ２８４の下部にある後部フランジ分割体２６８を横方向に横切って延びる水平吸気路（a horizontal plenum）２８８を通って流れる。図２６によく表れているように、各カートリッジ２８０は、空洞２８２の上部ねじ孔２９０内に固定されており、該空洞はまた、径を小さくされた弁孔２９２を形成している。弁孔２９２の各々は、水平吸気路２８８との間でガスの流通がある。各カートリッジ２８０は、ねじ孔２９０と螺合するための外部ねじ部２９４と、処理ガスを受け入れて送るための下方小径部分２９６とを有している。より詳しくは、小径部分２９６は、処理ガスが吸気路２８８に沿って各空洞２８２に自由に流れるのを許容する吸気路２８８の高さ位置に水平スロット２９８を有している。導入管２８６から入るガスは、こうして、吸気路２８８をその幅に亘って等しい圧力まで満たす。
カートリッジ２８０から分離された弁シート３００は、弁孔２９２の底端に配置され、その外周を前記弁孔に対してＯ−リング３０２でシールされている。各ツマミねじ２８４は、中空カートリッジ２８０を通って下方に延び且つ弁シート３００の内部シーリング面と係合しているニードル３０４の軸方向に配置され、該ニードルと接している。ニードル３０４に沿う中間点では、環状ニードル鍔３０６がスプリング３０８の付勢力を受ける作用面を形成している。スプリング３０８は、前記カートリッジの上部筒状孔３１０内に配置され、小径段部３１２に接している。ニードル３０４は、こうしてツマミねじ２８４と係合しつつ上方に付勢されている。スプリング３０８は、カートリッジ２８０に対するニードル３０４の正確な配置を可能にする。これは、ニードル３０４が、カートリッジ２８０の前記穴内で摺動嵌合しており、スプリング３０８によって止め位置調節可能なツマミねじ２８４側に付勢されている。加えて、スプリング３０８の弾性率は、真空引き処理の間、ニードル３０４の下方への移動に対向するのに十分である。
カートリッジ２８０は、その周縁の尺度目盛りと回動可能なツマミねじ２８４とを備え、これがマイクロメーターと同じ機能を持つ。カートリッジ２８０内でツマミねじ２８４及びニードル３０４が軸方向に移動すると、該ニードルの下端と弁シート３００との間で弁表面が係合又は分離する。第２の小Ｏ−リング３１４は、ニードル３０４の周囲に設けられ、カートリッジ２８０内の上部孔３１０下方の小径孔３１６に対して作用する。これは、処理ガスをニードル３０４周囲の上方へ漏れるのを阻止する。第３のＯ−リング３１８カートリッジ２８０の外周に形成された溝に配置され、処理ガスが前記カートリッジ周囲上方へ逃げるのを防ぐために弁孔２９２に対して作用する。
図２２を参照すれば、狭い通路３２０は、弁孔２９２の下へ下方へ延び、図２４に良く表れされたエキスパンドチャンバ３２２に連通している。図２３後部フランジ分割体２６８の前面を見れば、各エキスパンドチャンバ３２２は、水平スロットとして形成され、通路３２０の下の後端で、後部フランジ分割体２６６に面する前端部にまで、外側に広がる。エキスパンドチャンバ３２２は、流体分離体３２４によって分離されている。このような５つのエキスパンドチャンバ３２２は、それらの間の流体分離体３２４で形成されている。
各エキスパンドチャンバ３２２の前部下端は、丸みをもった舌片３２６（図２１に外径を示した）まで延在する。この舌片３２６は、前方へ突出し、後部フランジ分割体２６８の前面によって形成される面（この面は、前記一対のフランジ分割体の境界面をも形成する。）の僅かに手前まで突出している。分離体３２４は、図２３に示したように、前記境界面まで前方へ突出し、丸みを持つ舌片３２６の最前端位置で終端する。舌片３２６は、流体分離体３２４から後方へ連続し、エキスパンドチャンバ３２２の下方近傍で湾曲し、共通の平面状斜面３２８に繋がる。斜面３２８は、図２１に示されているように、導入スロット２６４と交差するまで、下方及び後方へ連続する。
図２１を見れば、前部フランジ分割体２６６は、エキスパンドチャンバ３２２と反対側の後面に形成された一連の凹部３３０を有する。この凹部３３０は、互いを分離する狭い壁３３２（該壁を図２２に隠れ線で示し、図２４に断面で示した。）を有している。各凹部３３０は、延設され、略半円筒状をした下部壁３３４を有し、該壁は、下方及び後方へ曲がって連続し、舌片３３６が後部フランジ分割体２６８の斜面３２８の下部近傍にまで延びる。狭い壁３３２は、前記境界面で終端するが、舌片３３６は、そこから後方へ延びる。傾斜面３２８の上面と舌片３３６の下面とが、狭いガス流路用スリット３３８を形成し、このスリットは、５つのエキスパンドチャンバ３２２を結合した幅とほぼ同等の幅を持つ。
処理ガスは、ニードル弁１５８で規制され、通路３２０を通ってエキスパンドチャンバ３２２に下方へ移動し、そこで、ガス流がその速度を下げるために拡散する。処理ガスの５つの低速度流れは、そこで前記境界面を亘ってほぼ前方へ流れ、凹部３３０の曲げられた壁によって約１８０°方向を変えられ、狭いスリット３３８を通して方向付けさせれ、該スリットは、ガスの流れをシート状帯の形態にする。５つのニードル弁１５８の各々を介して規制された流れは、流体分離体３２４によってエキスパンドチャンバ３２２の各々の中で分離された状態にある。この５つの分離された流れは、スリット３３８を介して混合され、単一の平坦な帯状になる。排気口１８０から下流側の真空源の方向に向けてプロセスチャンバ１８０に沿った圧力勾配を先ず小さくする為に、前記シート状ガス流は、導入スロット２６４内の下方又は後方、即ち、プロセスチャンバ１３０を介してほぼ水平に連続して流れる。処理ガスが流れる間、導入スロット２６４の前端部は、反対側へ流れを阻止するために、前述したゲートバルブによって閉じられる。拡散によって共に配合される分離したガス流に、適切な距離及び時間を与えるように、ガス流の混合は、ウェーハのリーディングエッジの上流側のかなり離れた所で開始し、それによって、ガス濃度プロファイルをウェーハ横方向に亘って滑らかにする。
図２２に示されているように、ガス噴射機１５６は、更に、パージガス溝及びプロセスチャンバ１３０の下部領域１７２に開口する３つのパージガス孔３４０を備えている。これに関し、処理ガスは、導入スロット２６４及び導入通路１６０を通じてチャンバ１３０の上部領域１６２にながれ、その一方、パージガスは、３つの孔３４０及びパージガス導入孔１７４を通じて前記チャンバの下部領域１７２に流れる。パージガス導入口３４２は、処理ガス導入管２８６と反対側の後部フランジ分割体２６８の側端に設けられている。導入口３４２は、短い水平通路３４４に導かれ、垂直通路３４６に接続している。水平パージガス吸気路（plenum）３４８は、パージガスを孔３４０の圧力と等しい圧力で分配している。パージガスは、こうして、ガス噴射機１５６を通じて送られ、等間隔で配置された孔３４０を介して存在し、これらの孔は、前記ガス噴射機がプロセスチャンバ１３０と接する時に、導入スロット２６４の下方近傍であって、中央支持プレート１３０の下に配置されている。
図２１、２４及び２５を参照すれば、ガス噴射機１５６は、チャンバＯ−リング２７０の保護のために、そこに水冷溝を有している。より詳しくは、一対の下方通路３５０ａ，３５０ｂが、冷却水流を、ガス噴射機１５６へ及び該ガス噴射機から送る。ガス噴射機１５６内の前記内部冷却溝は、図２５の断面図によく示されている。冷却水は、通路３５０ａを介し、短いセクション又は通路３５２を通じて上方へ移動し、延設された水平下部通路３５４内に入る。この通路３５４は、垂直横通路３５６に接続し、従って、延設された水平上部通路３５８と接続する。最後に、第２の横通路３６０は、上部通路３５８から下方へ冷却水排出口３５０ｂに延びる。これらの通路の各々は、堅い後部フランジ分割体２６８に穿設され、栓３６２がこれらの通路の各々の外側端に設けられていることが分かるだろう。これらの通路のパターンは、チャンバＯ−リング２７０の形状と密接に一致する。更に、これらの通路は、図２１及び２４に良く表されているように、間に介在する固体材料を最小限にして、Ｏ−リング２７０に極近い位置で後部フランジ分割体２６８内に形成されている。これらの通路を流れる冷却水は、チャンバＯ−リング２７０に近接するガス噴射機１５６の部材の温度を、約１５．５５４℃又はそれ以下に維持するようになっている。使用される冷却水は、好ましくはｐＨ調整された無鉱物（mineral-free）の水であり、これは、室温又はそれ以下で導入される。前記ガス噴射機の構成要素は、好ましくはステンレス鋼で製作され、無鉱物の水は、冷却水の流れを妨害するような付着物の生成を阻止する。
この調節可能なガス噴射機１５６は、プロセスチャンバ１３０を通じて流れるガスの効率を大幅に改良している。特に、従来のガス噴射機の多くは、生じた流れのパターンが定まっているか、或いは、調整が不便であった。従って、再循環がチャンバ壁の沈着物から明らかな場合のように、ガス流が最適な量を下回る時、ガス噴射機を通るガス流を調節するために、ガス噴射機全体を分解しなければならない。このガス噴射機１５６では、ツマミねじ２８４が、前記チャンバの横幅に亘って調節可能となっている。もし、再循環が前記チャンバの一つの壁又は他の壁上の粒子の成長によって観測されると、その側のガス流がより高く調節される。ガス噴射機の組立てにおける製造許容差は、ツマミねじ２８４の設定と前記５つのニードル弁を通過するガス流との間の正確な相関をしばしば阻害する。もし、許容差が完全で有れば、前記ツマミねじは、カートリッジ２８０のマイクロメータの変化に対応して特定の値に設定され得るし、その流量は、その値から予測可能だろう。しかしながら、この許容差は決して正確とは言えず、前記ニードル弁の調節可能性が、処理を大幅に早める。
種々の横方へ分配されたガス流は、ガス噴射機１５６内で別々に規制されるけれども、噴射機からの集められた排出は、単一のシート状流れであり、そこでは、その流れの長手方向の連結によって、ウェーハリーディングエッジの上流側で、十分に混合させられる。この流れ同士の間の明確な連結を避けることによって、付着の均一性を広げるためである。
ある一つの特定の実施形態では、前記マイクロメータは、ニードル３０４とバルブシート３００との間のガス流を許容するために所定の間隙が開けられている。外側の２つのニードル弁１５８は、１．５ミリメートル離され、２番目の２つのニードル弁は、１．７ミリメートル離され、中央のニードル弁２ミリメートル離されている。
この対称的配置は、プロセスチャンバ１３０を通じて流れる対称的なガス流にとって好ましい。もし、引き続き、再循環がチャンバ内で発ししていることが観察されれば、これは、前記ツマミねじの読みに関わらず、ガス流が対称的でないことを示す。この状態では、１又はそれ以上のツマミねじを調節して、前記チャンバの横側の一つのガス流れを増加させる。
典型的な全処理ガスの流れは、１６ｓｌｍである。このガス流は同じ高さの矩形プロセスチャンバ内のガス流に亘って約２０パーセント削減される。これは、前記チャンバ内の石英形状に依存する。典型的なガス圧力は、前記ニードル弁通過前に、１０３．４ｃｍＨｇである。
チャンバ圧力は、ほぼ８ｃｍＨｇの真空にすることができる。従来の処理ガスは、例えば、ジクロロシラン又はトリクロロシランである。勿論、処理ガス又はドーピングガスは、キャリア（典型的には水素）と、処理ガスに対してほぼ９対１の割合で混合される。加えて、窒素のようなパージガスは、しばしば、種々のチャンバを掃除するために、前記ガスチャンバから吐出される。更に、塩化水素のようなエッチングガスは、前記溝を掃除するために使用される。ガス噴射機から前記チャンバの下部領域に流れる典型的なパージガスは、５〜１５ｓｌｍの間の流量の水素である。勿論、窒素又は他のそのような不活性ガスで代用することもできる。
このガス噴射機１５６は、異なるガス間の素早く鋭敏な移動を可能にするために内在する空所の容積を最小量にしている。即ち、幾つかの処理期間中に、最初のドーパントガスがガス噴射機を通じて前記チャンバ内に導入され、続いて次のドーパントガスが導入される。２種のガスの導入の間の移動時に、最初のガスが時々ガス噴射機内で送れる。この噴射機１５６は、他方、最小限の空所を持つ極めて小さい内部溝を有しており、その結果、間接的に不活性ガスの導入する時、又は、次のドーパントガスを直接導入する時に、最初のドーパントガスが、直ぐに押し出される。
下流側に延設された温度補償リング
図２７は、図１１で示したプロセスチャンバ１３０に類似し、ＣＶＤ平行流れプロセスチャンバ３７０を示し、これは、処理ガス流内でウェーハを支持するためのサセプタ３７２を有している。前に見たように、処理ガスは、導入口３７４を通じて入り、前記チャンバ内の排気口３７６を通じて排出し、サセプタのプレートに平行な方向に流れている。上部及び下部の放射ヒートランプ群３７８ａ，３７８ｂのは、前記チャンバ近傍に配置されている。ランプ群３７８ａ，ｂは、さらに図１１の実施形態で既述されたランプ群よりも更に下側に延びることに気づくだろう。ヒータランプの他の配列も採用し得る。
図２７に示されたこの発明は、ガス流の温度、速度、方向、及び成分を変更する目的を持ったチャンバ内の下流側構造を紹介している。更に、前記ウェーハ及びサセプタの下流側のプロセスチャンバ壁の温度が、この下流側構造によって上昇させられ、チャンバのエッチング効率を改良する。
一つの特定の実施形態では、温度補償リング３８０は、サセプタ３７２の回りを囲んで設けられ、多くの点で図１１のリング１５５と同じである。前述のリング１５５と対比すると、リング１５５は、支持プレート１３２の丸みを持った矩形開口部１３３の縁部へ下流側に延びるが、リング３８０の天部プレート３８２は、実質的にさらに延びる。この延在に対応するために、チャンバ３７０内の支持プレート３８４は、下流側縁部３８６を持つサセプタ開口部を有し、該開口部は、前記チャンバの中心線位置で、サセプタ３７２と排気口３７６との間のほぼ中間位置にある。
望ましくは、図２７に示すように、リング３８０の天部プレート３８２の下流側縁部が、前記開口の形状に一致しており、該開口部に密接に接近して終端する。後述するように、リング３８０を延設したことによる利益は、内部支持プレート３８４のサイズ縮小によるチャンバ３７０の強度の低下という不利益と釣り合わなければならない。これは、例えば、放射熱を吸収し、この熱をチャンバ壁に戻して反射するという下流側構造の全体からの利益である。これに関して、材料が下流側に多い程、良い。リング３８０が大きすぎると、他方では、支持プレート３８４の材料が削減された場合に、真空引き処理中のチャンバ全体の強度が損なわれ得る。一つの実施形態では、天部プレート３８２は、図９に示された変更態様の温度補償リング７２′のそれと同じ丸みを帯びた下流側縁部を有するが、その天部プレートは、円環状又は他の形状で形成され得る。
ここで既述された内部支持体を持つプロセスチャンバによって具現化された前記下流側構造によってもたらされた利点は、特有のものではないことに気づくべきである。中央支持プレートのない従来のチャンバは、幾つかの利点をもって前記下流側構造を組み込むこともできる。これらの利点は、以下にプロセスチャンバの示された図面を参照して議論する中で、種々のチャンバの態様に対して当業者に明らかとなるだろう。
石英チャンバ３８８内の下流側構造の一つの一般的実施形態は、図２８ａ及び２８ｂに図示され、サセプタ３９４の外周と一致し、その近傍の曲線前端縁３９２を持つ平プレート３９０を有している。明らかなように、このプレート３９０は、サセプタ３９４の下流側のリング３８０の天部プレート３８２のその部位を意味するか、又は、サセプタ構造である。もし、プレート３９０が天部プレート３８２の一部を構成するなら、それは、前述したチャンバ内支持プレートから延びるフィンガーによって支持される。もし、プレート３９０が、リング３８０から分離されているなら、該プレートは、チャンバ内支持プレートに取り付けられたフィンガーから吊設されるか、又は、チャンバ３８８内に取り付けられ又は配置されたスタンド、好ましくは石英によって支持され得る。プレート３９０は、好ましくは、グラファイトで構成され、これは、石英チャンバ３８８よりも早くヒートランプ３９６の外部から放射されたエネルギーを吸収する。
本発明の下流側構造には、幾つかの利点がある。図２９ａは、下流側プレート３９０を持たないプロセスチャンバ３８８を示し、外部ランプ３９６からの放射熱流３９８を図示している。チャンバ３８８の石英壁は、比較的このエネルギー流を透過させるため、実質的に熱が殆ど残らない。しかし、エッチングプロセスでは、望ましくない粒子の成長でできた壁を清浄するために、腐食用ガス流をチャンバ内に導入している間、前記チャンバ壁を加熱することが必要とされる。従って、前記下流側構造が無いと、反応チャンバの壁は、ゆっくりと比較的低温まで温度上昇する。図２９ｂに示したように、チャンバ３８８内の下流側プレート３９０を備えておれば、グラファイトプレートから放射されたエネルギー（矢印４００で示した）は、高温まで加熱され、エッチングサイクルを加速し、短時間当たりの効率が改良される。
図３０ａの矢印４０２は、ウェーハ上の補強された不均一な化学蒸着を示している。このような不均一性は、段階的温度とウェーハ／サセプタの端縁での流量勾配の結果として生じ得る。図３０ｂに矢印４０４で示したように、プレート３９０の存在は、より均一な化学気相成長において生じるウェーハの後端での温度と流量勾配をも補助する。
図３１ａにおいては、前記下流側構造を持たない石英プロセスチャンバ３８８の壁は、それらの段階的温度に基づき、処理を繰り返す内にかなりの量の望ましくない蒸着物を堆積する。この蒸着物の典型的な配向を矢印４０６によって示した。対称的に、図３１ｂで示したように、グラファイトプレート３９０は、下流側領域内のチャンバ３８８内で最も高温の構造となり、矢印４０８で示したように、蒸着は、チャンバ壁でよりもむしろ、下部領域内で起こる。
この下流側プレート３９０の他の利点は、プロセスチャンバ３８８内での反応ガスの再循環を減らす傾向であり、再循環は、ウェーハ／サセプタの組み合わせの周囲または上流側でさえも望ましくない蒸着が生じ得る。前記下流側構造を持たないチャンバのこのような再循環４１０は、図３２ａ及び３２ｂに示されている。図３３ａ及び３３ｂは、下流側プレート３９０とともに、一般に連続して左から右方向への流れ４１２を示し、こうして実施的に再循環を除去する。
上で図示され記述された下流側構造は、内部支持体を備えた石英チャンバ以外のプロセスチャンバにも有用である。例えば、図３４は、入口領域４０２と出口領域４０３とを持つプロセスチャンバ４００を図示し、これら２つの領域が断面矩形である。入口領域４０２は、水平上部壁４０６と垂直段部４１０で終わる水平第１下部壁４０８とによって形成される。段部４１０は、出口領域４０４の第２下部壁４１２の始点を形成し、該段部は、上部壁４０６を入口領域４０２で分ける。チャンバ４００は、こうして、段部４１０でほぼ倍増する断面積を有する。サセプタ４１４は、段部４１０のすぐ下流側の回転シャフト４１６によって支持され、第１の下部壁４０８とほぼ同じレベルの面内にある。第２下部壁４１２の上方の円環状スタンド４２０によって支持された温度補償リング４１８は、上述のように、前記サセプタを密接に囲んでいる。スタンド４２０は、米国特許第４８２１６７４号明細書に示されている。
プレート４２２は、リング４１８から下流側に配置され、第２下部壁４１２上のスタンド上に支持することができ、またはチャンバ４００の側壁によって支持されたピン又はジベル４２４によって支持することができる。図示のように、プレート４２２は、リング４１８，サセプタ４１４及びその上に支持されたウェーハとほぼ同じ平面内にあり、前記リングからチャンバ出口の近くまで延びている。ランプの上部及び下部群４２６ａ，４２６ｂは、チャンバ内に放射エネルギーを向け、リング４１８の先端からプレート４２２の後端まで広がる領域の上下に実質的に配置されている。前記チャンバからのガス流は、矢印４２８で示されている。下流側プレート４２２は、好ましくは、より効果的なチャンバエッチング及びウェーハ上での温度のより均一性といった上述の利点を実現するためにグラファイトで構成される。プレート４２２は、石英とすることができ、これは、チャンバ内で重大な温度分散に影響することは無いだろうが、ガス流の機能を高め、再循環を減らすだろう。
図３５は、サセプタ４１４を囲む変更された温度補償リング４３２を持つ同様のチャンバ４００を示す。リング４３２は、平面部材４３６によって載置された下部環状Ｕ型部材４３４を備え、この平面部材は、前記Ｕ型部材にほぼ等しいサセプタ回りの幅を有するが、出口領域４０４内で実質的に下流側に延びる。リング４３２は、多くの点で図２７に示したリング３８０に類似する。先のリング３８０と対比すると、該リングは、内部支持プレート３８４に取り付けられたフィンガーによって支持されていたが、リング４３２は、スタンド４３０によって部分的に支持され、下流側支柱４３８によって部分的に支持されている。もちろん、チャンバ内にリングを配置するために多くの方法があり、好ましい手段は、繰り返された処理サイクルのための劣化した後、簡単に交換することのできる石英構造の幾つかのタイプを含んでいる。再び、リング４３２は、望ましくは、ウェーハ全体に亘って温度を均一に保つのを助けるため、高い熱容量を持った材料で構成される。
図３６〜３８は、ウェーハを支持するためのサセプタ４４２、ガス噴射機４４４および放射ランプ４４６のような、連結された構成部品とともに、図１１に示したと同様なチャンバ４４０を図示している。チャンバ４４０は、上下チャンバ領域４５２，４５４各々を形成する中央支持プレート４４８を有している。入口端フランジ４５０は、ガス噴射機４４４内の反応ガス入力スロット４５８から上部チャンバ領域４５２内に繋がる上部スロット４５６と、ガス噴射機内のパージガス通路４６２から下部チャンバ領域４５４に繋がる下部スロット４６０とを有している。これらの形態は、上述のものと同様である。
ガス流形成ダクト４６４は、ガスを噴射機４４４からサセプタ４４２の方へ送るために、チャンバ４４０内に設けられている。この示された実施形態では、ダクト４６４は、２つの矩形側壁４６８上に支持された矩形天部壁４６６を持った反転Ｕ型である。ダクト４６４は、溝を形成し、該溝内で、噴射機４４４からのガスがサセプタ４４２及びその上のに向かって流れる。ダクト４６４は、サセプタ４４２に対向する支持プレート４５０の縁部４７０から上流側の支持プレート４５０上方に配置されている。
ダクト４６４の高さ及び幅は、ダクトが上部スロット４５６に緊密して嵌合するが、好ましくは噴射機４４４と接触しないようになっている。ダクト４６４は、フランジ４５０からその縁部４７０までの距離のほぼ１／２から２／３まで延び、好ましくは、９４ミリメートルと１１４．３ミリメートルとの間であり、望ましくは７６．２ミリメートルと１２７ミリメートルとの間である。ダクト４６４は、望ましくは石英で作られ、約１．５２ミリメートルの厚みを持つ。その横幅は、噴射機スロット４５８よりも大きく、好ましくは２２８．６ミリメートルである（より大きい寸法が、３００ミリメートルウェはのような、大きなウェはの処理に適応したチャンバに必要となろう。）。ダクト４６４の高さは、約２２．９ミリメートル、又は、スロット４５８の高さとフランジスロット４５６の高さとの間である。ダクト４６４は、好ましくはフランジスロット４５６を介して前記チャンバにに挿入又は該チャンバから取り外され、このことは、噴射機４４４の取り外しを必要とする。
ダクト４６４の存在が、噴射機４４４からのガスの流れが上部領域４５２のある距離に対してチャンバ４４０内に膨張するのを制限し、ガスの特性の制御を改善し、ウェーハ上の全体的なガス速度を増加させる。特に、ガス噴射機４４４は、フローコントロールバルブ４７２の調節により特別なガス速度特性を作り、以前に記述したように、その特性をチャンバ４４０内の膨張及び再循環から拡散することができる。これは、真空処理に正反対の大気的なものに対して特に真実である。さらに、ガスの速度は、低圧処理において噴射機４４４からサセプタ４４２まで適切に維持され、大気圧処理においてゆっくりと低下される傾向にある。結果として、ダクト４６４は、下流の速度特性を完全に維持し、すべての処理に対して望ましく、主により高圧の処理に利益のあるガスの流れの膨張及び減速を遅らせる。
図３６乃至図３８に示すダクト４６４の上部壁４６６は、真っ直ぐな下流４７４及び平行な側壁４６８を有する。この構成により、サセプタ４４２の丁度平坦な上流にダクト４６４から現れるまで大きな障害なしに噴射機４４４により発生されるガスの流れを通過させる。ガスは、ダクト４６４の壁により制限されずに、少しチャンバ壁の方に膨張する。ダクト４６４及び出口端の形状は、さらにガスの流れを導き、形成するように変形されてもよい。そのような変形が図３８ｂ乃至図３８ｆに示される。
図３８ｂは、ガスの流れの方向の内側にテーパが設けられた側壁４７６を有するダクトを示す。上部壁は、上流縁４８０より小さい下流縁４７８を有する。この通路を収束させる構成は、内側のガスの流れに注目し、ダクトの制限から離れた後にチャンバ壁の方の連続した膨張が、遅延されている。
図３８ｃは、サセプタ４４２からみた凹状の下流縁４８２を示す。下流縁を過ぎると、ガスの流れは、まず中間部で膨張し、いくらか内側の拡散を許容し、中間での流れを増加させる。
図３８ｄは、サセプタ４４２からみた凸状の下流縁４８４を示す。下流縁を過ぎると、ガスの流れは、まず外側部で膨張し、いくらか外側の拡散を許容し、中間での流れを減少させる。
図３８ｅは、コーナー４８８で終端される角部４８６を有する下流縁を示す。ダクトの側縁は、上部縁のコーナーより広げられ、図３８ｃの凹状の例と同様のガスフロー効果を誘起し、チャンバの中間部を通して流れが増加される。
最後に、図３８ｆは、尖部４９２で終端される角部４９０を有する下流縁を示す。ダクトの側縁は、上部壁の中心の前で終端され、図３８ｄの凸状の例と同様のガスフロー効果を誘起し、チャンバの中間部を通して流れが減少される。
本チャンバは、特に化学気相成長に適するが、清浄な炉を必要とする他のプロセスでも、改善されたチャンバから利益を得ることができる。たとえば、アニーリング、エッチング、プラズマエンハンストデポジション、及び他の同様のプロセスに本チャンバを適切に変更して利用することができる。
本発明は、ある好ましい実施形態について述べたが、当業者に明らかな他の実施形態は、本発明の範囲内にある。従って発明の範囲は、以下の請求項により規定される。

Claims (14)

1. 上部壁と、該上部壁から間隔をおいて配置された下部壁とを含み、各壁が、凸状の外部表面及び凹状の内部表面を有し、石英、または放射エネルギーが透過可能な他の材料からなるプロセスチャンバであって、
   前記壁内に最大内側幅よりも小さい最大内側高さを有するチャンバ空間を作り前記壁の側縁を連結する側方部材と、
   チャンバ内で前記側方部材に固定されてその間に延び、チャンバがチャンバ内の圧力より大きい外部圧力を受けるときに前記側方部材が外側へ変形したり、前記壁が平坦になるように変形したりするのに抵抗する支持部材と、
   を備えるチャンバ。
2. 前記支持部材は、チャンバを上部領域と下部領域とに分ける平坦なプレートであり、該プレートは、チャンバ内で加熱される物体を設置するサセプタを配置するための開口を有する請求項１記載のチャンバ。
3. 記上部壁及び下部壁は、一定の各曲率半径をそれぞれ有する請求項１または２に記載のチャンバ。
4. 前記壁は、矩形の垂直投影を有し、前記側方部材は、真っ直ぐである請求項１、２または３に記載のチャンバ。
5. 前記壁及び側方部材の各々の一端に固定された入ロフランジ及び前記壁及び側方部材の各々の他端に固定された出ロフランジを備える請求項１、２、３または４に記載のチャンバ。
6. 前記チャンバは、前記側方部材の一方から他方までの幅寸法と、前記上部壁上の最も高い場所と前記下部壁上の最も低い場所との間の高さ寸法とを有し、前記幅寸法の前記高さ寸法に対する比が、３である請求項１から５のいずれかに記載のチャンバ。
7. 前記支持部材は、平坦なプレートであり、基板を支持するサセプタを配置するための矩形の開口を画定し、
   前記開口内に配置されるサセプタと、サセプタを緊密に囲む円形の内側縁、および前記開口を画定する前記プレートの縁に近接して配置された矩形の外側縁を有する温度補償リングとを含む請求項１に記載のチャンバ。
8. サセプタの周縁において温度補償リングを支持するために、前記プレートに取り付けられる複数の支持ロッドを含む請求項７に記載のチャンバ。
9. 前記リング上に温度検出手段を支持する手段を含む請求項８に記載のチャンバ。
10. 半導体ウェーハを処理するのに適したチャンバの製造方法であって、前記チャンバの壁は、石英、または放射エネルギーが透過可能な他の材料からなり、前記方法は、
    矩形のスペースを画定するように入口端フランジ及び出口端フランジを二つの平行なサイドレールに連結するステップと、
    前記フランジと前記サイドレールとの間を延びる前記スペース内にプレートを配置するステップと、
    前記プレートを前記サイドレール及び前記フランジに連結するステップと、
    前記プレートの上方に上部領域を形成するように外側に湾曲した上部壁を前記サイドレール及び前記フランジに連結するステップと、
    前記プレートの下方に下部領域を形成するように外側に湾曲した下部壁を前記サイドレール及び前記フランジに連結するステップとを含み、
    前記チャンバは、前記上部及び下部壁の頂点を横断する寸法より大きい前記サイドレールを横断する寸法を有する方法。
11. 前記プレートの連結ステップは、
    前記サイドレール間で前記入ロフランジに近接する、前記プレートの第１の部分を連結するステップと、
    前記サイドレール間で前記出ロフランジに近接する、前記プレートの第２の部分を連結するステップと、
    を含み、
    前記第１および第２の部分は、それらの間に半導体ウェーハを支持するサセプタを受けるのに十分な開口を画定する請求項１０に記載の方法。
12. 半導体ウェーハを処理する装置であって、
    外側に凸状の上部及び下部壁、およびチャンバが外部圧力より小さい内部圧力を受けるときに前記壁が平坦になるのに抵抗するように配置され連結された複数の内側中央プレート部を有するチャンバと、
    半導体ウェーハを支持するサセプタを受け入れるような大きさで前記プレート部同士の間に形成された開口と、
    前記サセプタを支持するように適合された上端を含むシャフトを受け入れるように、前記開口の下部の前記下部壁から延びる管と、
    前記プレート部の上部の前記チャンバ内へのガス入口と、
    前記開口をはさんで前記入口と反対側に配置され、前記プレート部の上部の前記チャンバからのガス出口と、を備える半導体ウェーハ処理装置。
13. 前記開口は、矩形であるとともに、前記サセプタを囲む円の内径と、前記矩形の開口に一致する矩形の外形とを有するリングを受け入れるような大きさである請求項１２に記載の装置。
14. 前記チャンバ内の前記開口と前記ガス出口との間に水平方向に向けられたプレートを含み、前記プレートは、前記プレート部に平行に、横方向に延びるとともに、前記チャンバをサセプタの幅横断して延び、前記チャンバの壁は、放射に対して透明であり、前記プレートは、放射エネルギーの良好な吸収体である請求項１２に記載のチャンバ。

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