JP4504012B2 - 半導体処理のための方向付けられたガスの射出装置 - Google Patents

Description

この出願は，“SHOWER-HEAD GAS INJECTION APPARATUS WITH SECONDARY HIGH PRESSURE PULSED GAS UNJECTION”の名称で2001年3月2に出願された先願No．60／272，452、並びに“DIRECTED GAS INJECTION APPARATUS FOR SEMICONDUCTOR PROCESSING”の名称で2001年6月29に出願された先願No．60／310，436に関連している。また、この出願は、2001年6月29日に出願された先願No．60／301，413に関連している。これら出願の内容は、ここで参照として組み入れられる。

本発明は、プラズマ処理システムで、成形されたオリフイスもしくはノズルを使用するための方法並びに装置に向けられている。

集積回路(IC)の製造において、酸化物エッチングへの一般的なアプローチは、アルゴンと、Ｃ_ｘＦ_ｙ(例えば、Ｃ_４Ｆ_８)と、Ｏ_２とを含んだ処理ガスがプラズマを形成するために低圧雰囲気に導入される容量結合型プラズマ(CCP)を使用している。ここから、プラズマ解離化学の特性が、エッチングされる基板表面の材料（即ち、選択酸化物エッチングのためのＣＦ_２）と化学反応に適した化学反応の最適な生成物に向けられている。更に、プラズマは、エッチングの化学的特性を果たすように、基板表面にエネルギーを与えるのに適した多数の正にチャージされたイオン（例えば、単にチャージされたＡｒ^＋）を発生させる。一般的に、基板ＲＦバイアスが、基板表面にイオンエネルギーを作用させて制御可能な指向性のある方法で基板表面にイオンを引き付けて、所望のフィーチャーの側壁プロファイルのための異方性エッチングを果たすために使用されている。

プラズマ中での原子、分子、並びにイオン化種の異なる振る舞いにより、酸化エッチングは、２つのユニークな方法があると思われている。第１には、電子がプラズマ中で加熱されて、過フッ化炭化水素種による衝突により解離が生じてラジカル種、例えば、ＣＦ_３，ＣＦ_２，ＣＦ等ができることである。第２には、電子がアルゴン原子をイオン化するに充分なエネルギーに加熱されて、生じたイオンが、基板表面を励起してＣＦｘ／ＳｉＯ_２化学反応をさせるのに利用されることである。

例えば、図１には、酸化層でのエッチングのフィーチャーの分解図が示されている。プラズマ中で、過フッ化炭化水素のラジカルが形成される。この後に、これらラジカルは、基板へと拡散し、エッチングのフィーチャー表面上に堆積する。好ましくは、ウエハ表面での部分的なＣＦ_２ラジカルの集中が増すことにより、幾つかの効果が得られる(Nakagawa et al.1998,Booth 1998,Kiss et al.1992,Butterbaugh et al.1991,Tatsumi et al.1998)。特に、(1)パターンニングされたホトレジスト上へＣＦ_ｘポリマー層を形成することにより、ＳｉＯ_２対レジストのエッチングの選択性を改良するためにエッチング処理中にレジストを保護する。(2)側壁に沿ってＣＦ_ｘポリマー層を形成することにより、改良されたエッチングの異方性を保護することができる。(3)フィーチャーの底にＣＦｘを形成することにより、揮発性生成物を生成する、即ち、多くの化学反応の１つが２ＣＦ_２＋ＳｉＯ_２→ＳｉＦ_４＋２ＣＯであり得る、シリコンに対する酸化物の選択性エッチングに適したエッチング反応を生じさせることができる。かくして、図２に示されるように、基板表面へのイオンの衝突の指向性により、異方性エッチングが生じる。ここでは、アルゴンイオンのエネルギーが、エッチングのフィーチャーでのエッチングの化学特性を生じさせるのに充分である。

酸化物での高アスペクト比のコンタクトエッチング（例えば、エッチングレート、側壁プロファイル、選択性等）を改善するために、上述した文献で提案されている１つの技術は、ＣＦ_２ラジカルを形成するためのプラズマ化学特性の最適化を勧めている。これを実施するのに際して、過フッ化炭化水素、特に、ＣＦ_２の濃度は、τｎ_ｅ＜σγ＞と非常に関連性があることが知られている(Tatsumi et al.1998)。ここで、τはガス持続時間、ｎ_ｅは電子密度、σは解離衝突断面積、γは電子速度、そして、＜σγ＞は、正規化された電子エネルギー分布関数での積σγの積分値である。かくして、一般的なプラクテスは、上に列挙した状態を達成するために、好ましいエッチングラジカルの濃度を最適にするようにプラズマ密度を調節する必要がある。一般的に、これにより、酸化物エッチングにおいて、最大エッチングレートが制限される。この欠点は、エッチングの選択性の仕様もしくは側壁プロファイルの仕様を合わせることにより、度々補われている。例えば、エッチングレートは、プラズマ密度にほとんど比例する（イオン密度は、擬似中性プラズマ(quasi-neutral plasma)のための電子密度と等しく、両者は、プラズマ密度と一般的に称されている）。一方、エッチング選択性は、プラズマ密度が高い解離のラジカルの濃度（即ち、ＣｘＦｙ処理の化学特性での酸化物エッチングのための高いフッ素ラジカル濃度）を生じさせるのに充分に大きければ、プラズマ密度に逆比例する。更に、過度に高い解離レートによる不適当な化学特性は、フィーチャー側壁の不適切な保護を生じさせる。かくして、当方性エッチングを生じさせる側壁プロファイルを危うくする。最後に、不十分なプラズマ密度と低い解離（即ち、ＣＦ_３，ＣＦ_２等の高濃度）とは、エッチングのフィーチャーの底に溜まる物質（即ち、Ｃ）により、エッチングストップを生じさせる。このために、プラズマ密度と好ましいラジカル濃度との密接な関係により、エッチングレート、エッチング選択性、並びに側壁プロファイル（もしくは異方性）のための僅かに許容可能な動作仕様を達成するように働く非常に狭いパラメータスペースとなる。これは、エッチングに対する要求が、深く高いアスペクト比のコンタクトをエッチングする間に変わるので、特に、一般的なハードウエアと処理プラクテスに対して大きな欠点である。

通常の半導体処理装置に利用されている代表的なシャワーヘッドガス射出システムにおいて、射出プレートは、一般的に、数百（数百ないし数千）の射出オリフイスのアレイを有する。これらオリフイスを通って、ガスが、１００−１０００ｓｃｃｍアルゴンに等しい流量で、処理領域へと導入される。更に、各射出オリフイスは、オリフイスの直径に対するオリフイスの長さの比Ｌ／ｄが、１０よりも大きい（即ち、Ｌ／ｄ＞＞１）である長さＬと直径ｄとにより特徴付けられる図３に示されるような円形オリフイスである。例えば、代表的なオリフイスの直径は、０．５ｍｍであり、また、代表的なオリフイスの長さは、１ｃｍであり、かくしてアスペクト比Ｌ／ｄ＝２０である。

このデザインに従えば、ガスは、低い吐出係数のオリフイスの非常に広い角度分布でオリフイスの出口から放出される。オリフイスの吐出係数Ｃ_Ｄは、等エントロピーの質量流量に対する実際の質量流量の比により与えられる。この等エントロピーの質量流量は、擬似的な１次元の摩擦が無く断熱した流れに対するEulerの式(もしくはNavier-Stokeの式)から以下のように導かれ得る。

式１

ここで、γは、ガスに対する比熱、Ｒは、気体定数、Ｐ_ｔは、全圧力、Ｔ_ｔは、全温度、そして、Ａは、最小断面（スロート）積（即ち、Ａ＝πｄ^２／４）である。Ｃ_Ｄ＜＜１のときには、オリフイス中の全圧力実収率はかなり減じられ、このために、オリフイスのフラックスの角度分布は、非常に広くなる。かくして、従来のガス射出システムのデザインの欠点は、比較的低いガス射出オリフイスの吐出係数である。

更に、従来のシステムは、ガス射出オリフイスの吐出係数の制御に対して欠点がある。多くの場合、ガス射出オリフイスは、腐食に曝され、このために、ガス射出特性は、基板対基板に対して、またバッチ対バッチに対して、処理時間と共に変化する。従来のシステムは、“消耗物品(consumable)”のガス射出システムの状態をモニターできないばかりか、“消耗物品”のガス射出システムの寿命を長くするように、ガス射出特性を制御しようとする試みもなかった。制御が不可能な吐出係数のガス射出オリフイスに加えて、従来のデザインは、更なる欠点がある。即ち、ガス射出オリフイスは、基板表面に対して部分的に均一で指向性のあるガス流を与えるように配置されていない。

本発明の目的は、各々がオリフイスの吐出係数を改善するように設定された１もしくは複数のガス射出オリフイスを有するガス射出システムデザインを提供することである。

本発明の他の目的は、各々がオリフイスの出口でのガス流の指向性を改善するように設定された１もしくは複数のガス射出オリフイスを有するガス射出システムデザインを提供することである。

本発明の他の目的は、各々が基板表面に直交する化学種のフラックスを改善するように設定された１もしくは複数のガス射出オリフイスを有するガス射出システムデザインを提供することである。

本発明の目的は、基板表面に直交する化学種のフラックスの空間での均一性を改善するように設定された複数のガス射出オリフイスを有するガス射出システムデザインを提供することである。

本発明の他の目的は、複数のガス射出オリフイスと、固有のガス射出パラメータをモニターするセンサーと、１もしくは複数のガス射出オリフイスの状態をモニターするために使用されるコントローラとを有するガス射出システムデザインを提供することである。ガス射出オリフイスの状態は、消耗部品の交換を決定するために使用され得る。

本発明の他の目的は、複数のガス射出オリフイスと、固有のガス射出パラメータをモニターするセンサーと、１もしくは複数のガス射出オリフイスの状態をモニターするために使用されるコントローラとを有するガス射出システムデザインを提供することである。ガス射出オリフイスの現在の使用状態は、現在の使用状態をデザイン状態に戻すように使用されることができて、ガス射出オリフイスを制御することと、消耗可能な部品の寿命を長くすることとができる。

エッチングレートと、エッチング選択性と、エッチングのフィーチャーの側壁プロファイルとを改善するために、本発明は、露出された基板表面に部分に対する化学種の輸送（ケミカルトランスポート）の改善を果たすために、材料処理装置で利用されるガス射出デザインを改善している。（ここで使用されているような“基板”は、これらに限定はされないが、半導体ウエハ並びに液晶ディスプレイパネルを含み、プラズマ雰囲気で処理される如何なるワークピースをも意味する）。露出された基板表面は、材料のエッチング工程か堆積工程かで処理される。これら工程の組み合わせは、露出された基板表面の材料成分並びに／もしくは表面形状を変える機能を果たす。材料処理装置が、処理プラズマを利用する場合には、化学種の輸送に対する改善は、解離化学特性に、かくしてラジカル濃度に影響すると共に、基板表面での高いアスペクト比のフィーチャーの近くのラジカル輸送にも影響する。本発明は、ガス射出オリフイスの間隔とオリフイスの吐出係数とを最大にして、基板表面に対して直交した均一で指向性のあるガス流を与えるように、改良されたガス射出オリフイスデザインを利用している。

図４は、中に処理領域１２が形成された処理チャンバ１０を備えた材料処理システム１を概略的に示す。前記処理領域１２は、減圧されたガスとプラズマとを、好ましくは含む。材料の処理チャンバ１０は、更に上側ガス射出プレート２０を有し、このプレートを通して、処理ガスは、処理チャンバ１０の中に入る。更に、チャンバ１０内には、上に基板３５が載置される基板ホルダー３０が設けられている。この基板３５の上面は、前記処理領域１２に露出されている。前記基板ホルダー３０は、基板３５の露出面とガス射出プレート２０との間の間隔ｈが変えられ得るように、移送装置３６により垂直方向に移動され得る。前記処理領域１２から流れ出るガスは、チャンバポート３８を通って真空ポンプ４０へと排気される。材料処理装置１は、更に、質量流量（マスフロー）コントローラ４４と、圧力センサー４６と、真空ポンプ（ゲートバルブ等）４０と、チャンバ圧力センサー４９と、基板ホルダーの移送装置３６とに接続されたコントローラ４２を有する。ガス射出プレート２０のデザインに対する改良は、基板３５の材料処理での改善を促進する。これらのフィーチャーは、以下に説明される。

図５の（Ａ），（ｂ），（Ｃ）は、本発明に係わるガス射出オリフイスの３つの例を示す。第１の断面図（図５（Ａ））は、開口径（スロート直径）ｄ（例えば、ｄは、０．０２５ないし０．５ｍｍのオーダである）スロート４５と、長さＬの第１の側壁５０とを有する音響(sonic)オリフイスと称されているものを示す。好ましくは、アスペクト比Ｌ／ｄは、１よりもかなり小さい（例えば、Ｌ／ｄ＜＜１）。吐出係数（上述した）は、最小領域の断面（例えば、スロート４５）に対する最小領域の断面（例えば、第１の側壁）の比に非常に関連している。一般的に、スロート４５の第１の側壁５０は、オリフイスの中心線５５と平行である。ガス射出オリフイスは、更に、このオリフイスのスロート４５にガスが入ることを可能にしている入口６５を有する。ガス射出オリフイスが形成される材料の厚さに対応して、オリフイスの入口６５は、所定の流入長と、スロート４５の断面積よりも実質的に大きい断面積とを有する第２の側壁７０を備えた流路を持っている。例えば、前記入口６５の断面積は、スロート４５の断面積よりも、好ましくは１０倍大きい。この入口６５のデザインは、ガスが前記スロート４５に入る前にスロート入口壁７５に達するまで、第２の側壁７０間を通るように、設定されている。一実施の形態（図示せず）では、スロート入口壁７５は、第１の側壁５０（ここからスロート４５の開口が始まる）に達するまで平坦(flat)に維持されている。

図５（Ａ）に示された図示の実施の形態においては、スロート入口壁７５は、このスロート入口壁７５とオリフイスの中心線５５との間の傾斜（図５（Ａ）で８０で示された角度αを有する）を有する（この結果、スロート４５への入口の所に円錐セクションを形成している）。この入口角度αは、好ましくは４５°であるが、スロート入口壁７５の入口角度８０は、上述したように３０ないし９０°の範囲で変更し得る（８０ないし９０°の入口角度８０は、上述したような“平坦”なスロート入口壁７５と等価である）。

図５（Ｂ）は、射出オリフイスの第２の実施の形態、即ち発散(divergent)ノズルの断面を示す。この発散ノズルは、直径ｄ（例えば、ｄは、０．０２５ないし０．５ｍｍのオーダである）と対応したアスペクト比Ｌ／ｄ＜＜１（例えば、Ｌ／ｄ＜０．５）とを有するスロート４５を具備している。ノズルのスロートを超えて、直径ｄのスロート４５から直径ｄ_ｅの出口８５に向かって直径が大きくなる円錐形の発散セクションが位置されている。この直径比ｄ_ｅ／ｄは、４のオーダである。前記円錐形の目的は、ガスが低圧雰囲気へと広がるレートを規制することである。一般的に、図５（Ｂ）で９０として示されている角度βは、径方向の流のロスを最小にすると共にノズルの壁からの流の分離を可能な限り抑制するために、約１８°を超えないことが望ましい。また、小さい角度は、摩擦ロスが大きくなると共に、所定の面積比に対してノズル長が長くなる。従って、角度９０は、好ましくは、５＜β＜２０°、そして、より好ましくは、１５＜β＜２０°である。前記円錐形のセクションは、凹んだセクション、特に、機械特性（即ち、“パーフェクトノズル(perfect nozzle)”もしくは(“最小長さノズル”(minimum-length nozzle))の方法を使用してデザインされる円滑壁外形状に変更され得る。例えば、基板表面で感じられる平均(特別)圧力を最大にすることを望むのであれば、Ｋｎ＞０．００５の場合には、音響オリフイスを選定すれば良く、また、Ｋｎ＜０．００５のときには、発散オリフイスを選定すれば良い。可変ハードスヘア（ＶＨＳ）モデル;Bird,G.A.,Molecular gas dynamics and the direct simulation of gas flows,Clarendon Press,Oxford(1994)を使用して予測される平均自由行程の見積りから導かれるクヌーセン数Ｋｎを想定している。

図５（Ｃ）に示された第３の実施の形態において、入口６５と、壁７０を備えた入口領域と、スロート入口壁７５とは除去されており、ガス射出オリフイスは、壁５０の(即ち、スロート４５の)長さＬに等しい厚さの１枚の材料内に形成されている。図５（Ｃ）に示された実施の形態は、ここでは単純オリフイスと称されている。

要約すると、（１）シヤワーヘッドオリフイスと（２）成形オリフイスもしくはノズル（例えば、音響オリフイスもしくは発散ノズル）との間のガスオリフイスの幾何学形状での相違は、非常に異なる流れ状態を生じさせる。

図６は、オリフイスのクヌーセン数Ｋｎに対する測定された吐出係数を示す。このオリフイスのクヌーセン数は、スロートの直径ｄに対する全（即ち、停滞）状態での平均自由行程を表す。Ｋｎ＜０．０１は、連続したレシピを表し、０．０１＜Ｋｎ＜１は、遷移レシピを表し、そして、Ｋｎ＞１は、自由分子流レシピを表していることに注意せよ。明らかに、吐出係数は、広い範囲のＫｎのに対しては、アスペクト比Ｌ／ｄ＝２０に対してよりもアスペクト比Ｌ／ｄ＝０．５に対しての方がかなり大きい（４ないし５倍）
前記音響オリフイスに対する吐出係数は、オリフイスのフラックスの角度分布を狭くすることができる。換言すれば、射出全圧力の増加（即ち、クネーセン数の減少）並びに／もしくは吐出係数の増大により、高精度で指向されたガスジェットを発生させることができる。

図５の（Ａ）ないし（Ｃ）の連続した参照によれば、ガス射出オリフイスデザインは、吐出係数Ｃ_Ｄ(図６に示される)を大きくもしくは最大にするように記載されている。しかし、より一般的には、オリフイスに部分的なガス射出動作と２つの部分的に規定されたパラメータ、即ち、オリフイスのアスペクト比Ｌ／ｄとオリフイスのクネーセン数Ｋｎとの関係が、確立されている。かくして、パラメータΠ_１、例えば、吐出係数Ｃ_Ｄのような測定可能なパラメータが、前記２つのパラメータ、即ち、ＣＤ＝ＣＤ（Ｌ／ｄ，Ｋｎ）により表され得る。例えば、非ディメンション的な解析のルールを使用することにより、上記パラメータは、互いに交換可能とされ得るし、また、上記式をΠ_１＝Π_１（ＣＤ，Ｌ／ｄ）のように書き換えられることができる。実験によれば、上述したガス射出オリフイスデザインは、基板３５の露出面近くの数密度に影響し、次に、後述する入射角（基板の表面での）の可能性分布関数に影響する。

図４を参照すると、処理ガス２５は、ガス射出プレート２０を通って処理領域１２に入る。ここで、このガス射出プレート２０の表面２２は、基板３５の露出面に対してほぼ平行である。例えば、処理ガス２５は、基板３５の表面にほぼ垂直な方向に射出される。基板３５の表面での表面垂直ベクトルに対して、表面ガス入射角の例示的な可能性分布関数（ＰＤＦ）χは、ガス射出プレート２０のガス射出オリフイスの直下の場所については図７に示されている。かくして、この場所では、原子／分子が、基板３５の表面に直交するように（３００として図７で示された角度で当たる）動く可能性が高い（しかし、ガス射出オリフイスに対して直接的に“インライン(in-line)の場所から横方向に動くときには、この観察は正しくない）。前記ＰＤＦの“狭さ(narrowness)”もしくは“広さ(broadness)”は、バックグラウンドの圧力と、ガス射出プレート２０の表面２０と基板３５の露出面との間の間隔ｈとに高く依存する。更に、入射角ＰＤＦ（χ）の可能性分布関数は、基板３５の露出面とガス射出プレート２０との間の間隔Ｈに対するガス射出プレート２０のガス射出オリフイスΔｓの間隔に強く影響される。

基板３５の露出面（もしくは、エッチング又は堆積フィーチャーへの入口領域）の近くでの質量輸送(mass transport)での変化に影響を及ぼすために、上述した２つの独立したパラメータが利用できる。上記エッチング又は堆積フィーチャーへのマスのフラックスは、（１）基板３５の露出面の近くの気体数密度(gas number density)と、（２）直交入射とほぼ等しい角度で表面に原子／分子が衝突する可能性とに、依存している。上記説明を考察すると、第２の可能性Π_２は、吐出係数Ｃ_Ｄと、オリフイスアスペクト比Ｌ／ｄと、ガス射出プレート２０での相対的ガス射出オリフイス間隔Δｓ／ｈ（ここで、Δｓは、ガス射出プレート２０でのガス射出オリフイス間隔であり、また、ｈは、ガス射出プレート２０と基板３５の露出面との間の間隔(即ち、距離)である）と、チャンバクネーセン数Ｋｎ_ｃ の関数として、即ち、Π_２＝Π_２（Ｃ_Ｄ，Ｌ／ｄ，Δｓ／ｈ，Ｋｎ_ｃ）として表わされる。最初の２つの従属変数（Ｃ_Ｄ並びにＬ／ｄ）は、図５（Ａ）ないし（Ｃ）を参照して説明したように、ガス射出オリフイスのデザインに関係付けられている。このガス射出オリフイスのデザインは、基板３５の露出面の近くの気体数密度に強く影響を及ぼし、また、程度は低いが、入射角の可能性分布関数にも影響を及ぼす。第３の変数は、ガス射出プレート２０でのガス射出オリフイスの相対間隔に関係しており、基板３５の露出面を横切る入射角の可能性に強く影響を及ぼす。

前記Δｓ／ｈの好ましい選定が以下に論じられる。最後に、第４の変数は、チヤンバの状態もしくはバックグラウンド圧力に基づくクネーセン数、即ち、Ｋｎ_ｃ＝λ_ｃ／ｈである。ここで、λ_ｃは（バックグラウンド）チャンバ圧力を使用して規定される平均自由行程である。例えば、Ｋｎ_ｃが大きい場合には、ＰＤＦ（χ）は狭く、Ｋｎ_ｃが小さい場合には、ＰＤＦ（χ）は広い。

基板３５の近くの輸送特性の変化に影響を及ぼすために、上記（ガス射出オリフイスデザインに関連した）第１の従属変数（即ち、吐出係数Ｃ_Ｄは、基板処理の間に、そして基板毎に調節可能である。また、第２の従属変数、即ち、オリフイスアスペクト比Ｌ／ｄは、アブリオリでザデインされ得る。換言すると、アスペクト比（オリフイスのプラズマ腐食により処理中に変化するけれども）は、単一のウエハの処理の間では一般的に制御が不可能である。Ｃ_Ｄに対する変化は、射出全圧力（質量流量）に対する変化によってなされ得る。例えば、射出全圧力の増加（即ち、質量流量の増加）は、吐出係数を増加させ得る。Ｃ_Ｄの調節は、以下に詳細に説明される。

基板３５の近くの輸送特性の変化に影響を及ぼすために、第３の変数、即ち、相対間隔Δｓ／ｈは、基板の処理の間に、そして、移送装置３６を使用した基板ホルダー３０の垂直方向の移動に従って基板毎にｈに対する変化によって調節され得る。

基板３５の近くの輸送特性の変化に影響を及ぼすために、第４の変数、即ち、（バックグラウンド）チャンバのクネーセン数Ｋｎ_ｃは、基板処理の間に、そして、基板毎に調節され得る。Ｋｎ_ｃに対する変化は、移送装置３６による間隔ｈ並びに／もしくは（バックグラウンド）チヤンバ圧力と、質量流量並びに／もしくはチヤンバ圧力センサー４９に接続された真空ポンプのスロットルバルブのセッテングとの変化により、夫々影響され得る。

更に、図７を参照すると、基板３５の表面にほぼ直交する方向に動く、もしくは特定の角度範囲内での原子／分子を見る可能性を最大にするために、ガス射出オリフイスの間隔は、以下の式に従って決定される。

Δｓ＝２ｈｔａｎ（φ） （２）
ここで、Δｓは、図８で４００により示されたようなガス射出オリフイス間隔、φは、図８で４１０で示されるような、正常の入射からの許容可能な角偏差（半角）、そして、ｈは、図８で４２０で示されるような、ガス射出プレート２０と基板３５の露出面との間の間隔（即ち、距離）である。エッチングもしくは堆積プロファイル中への質量輸送を最適化するために、半角φは、フィーチャー許容半角φ_ｆ＝ｔａｎ^-1（ｄ_ｆ／２ｌ_ｆ）と一致するべきである。ここで、ｄ_ｆはフィーチャー直径（即ち、横方向長さスケール）、そして、ｌ_ｆはフィーチャー長さ(即ち、長手方向長さスケール)であり、これに関しては図２に示している。換言すれば、φ≦φ_ｆ、即ち、相対ガス射出オリフイス間隔ｈ／Δｓの逆数がフィーチャーのアスペクト比ＡＲ＝ｌ_ｆ／ｄ_ｆと一致すべきである。即ち、ｈ／Δｓ≧ＡＲ。

図９は、中を処理ガス２５が流れる複数のガス射出オリフイスを有するガス射出プレート２０を示す平面図である。ここでは、これらオリフイスは、如何なる所望のオリフイスとこれに隣接した（囲んだ）オリフイスとの間の間隔(Δｓ)４００が同じなように好ましくは六角形のパターンに配設されている。

最後に、前記（バックグラウンド）チャンバのクネーセン数Ｋｎ_ｃは、ＰＤＦ（χ）の全幅半値最大δ_FWHMが、エッチングもしくは堆積フィーチャーの中へ質量輸送の効率を最大にするために、フィーチャー許容半角２φ_ｆの２倍にほぼ等しいように、好ましくは選定される。例えば、ｈ＝２５ｍｍで、ＡＲ＝１０（：１）の場合には、（バックグラウンド）チャンバ圧力は、上記条件を満たすためには、約２ないし５ｍＴｏｒｒである。ガス射出オリフイス間隔と、パターンと、チャンバ状態と、オリフイス断面（即ち、図５（Ａ）ないし（Ｃ））に対するデザイン規格を組合わせると、ガス射出プレート２０のデザインは、プラスもしくはマイナスの角度範囲３１０内で、基板３５の表面にほぼ直交して動く原子／分子の数を均一に最大にすることができる。例えば、基板３５の表面の部分での原子／分子の数と、基板３５の表面にほぼ直交する方向に動く原子／電子を見る可能性との両者を最大にすることにより、プラズマ処理は最適にされ得る。

例えば、酸化物エッチングにおいて、ガス射出オリフイスのアレイが、不活性ガス（例えば、アルゴン）で希釈された処理ガス（即ち、Ｃ_４Ｆ_８）を処理領域１２の中へと連続的に射出する。ガス種の処理レシピの一例は、３００ｓｃｃｍのアルゴンと、５ｓｃｃｍのＣ_４Ｆ_８と、１０ｓｃｃｍの酸素とを含むことができる。このような流量に対して、射出全圧力は、３６０００個の射出オリフイス（ｄ＝０．０５ｍｍ，Ｌ＝０．０２５ｍｍ）のアレイと、４００ｓｃｃｍのアルゴンの質量流量との場合には、約５Ｔｏｒｒである。このようなデザインにおいて、ガス射出オリフイスは、（１）六角形のパターンで各々１ミリメートル離間されており、かくして、垂直の入射に対して±１°（例えば、１°は、１２：１のアスペクト比のフィーチャーのエッチングもしくは堆積に適した要求よりも小さい）の最適化された基板３５の表面の近くでの均一かつ指向性のある流れを可能にしている。ガス射出オリフイス間隔(Δｓ)４００は、ガス射出プレート２０と基板３５の露出面間の距離ｈが２５ｍｍには、１ｍｍとなるように、決定される。

図５（Ａ）ないし（Ｃ）に示されているような、音響オリフイス、発散ノズル、もしくは、単純オリフイスは、ステンレススチール、アルミニウム、アルミナ、シリコン、石英、シリコンカーバイト、カーボン等、幅広い材料で製造され得る。アルミニウムにより形成された場合には、オリフイス／ノズルは、プラズマによる腐食を防ぐために、陽極酸化され得る。更に、ガス射出オリフイスは、保護バリアを
形成するように、Ｙ_２Ｏ_３でスプレイコーテングされ得る。音響オリフイスもしくは発散ノズルは、ダイアモンドバイト切削加工、超音波ミリング、レーザカッテング等の幅広い種々の機械加工技術を使用して製造され得る。また、ある種の適用においては、オリフイスの製造は、エッチングを使用できる。実際、オリフイス／ノズルが製造される材料の全厚さがミリメートルのオーダの場合には、オリフイスのエッチングは、通常実施されているエッチングレートと道理に適った処理時間とによりなされる。

例えば、図１０並びに１１に従って、プレート用基板(即ち、７５０ミクロンの厚さの多結晶シリコンウエハ)に１もしくは複数のガス射出オリフイスを製造する方法が説明される。図１０には、製造工程が示され、その処理は、図１１に示された工程のリストに反映されている。製造プロセスは、工程５００でスタートされる。工程５１０は、プレート用基板５１２の第１の表面にホトレジストフイルム５１４を形成し、パターンがホトレジストフイルムにホトリソグラフ技術により転写される。パターンニングされたフィーチャーの幅は、約１４００ミクロンで良い。

工程５２０で、フィーチャー５２２が、約７００ミクロンもしくはこれ以上の深さに（異方性）フィーチャー５２２をエッチングするのに必要な時間により定められた所定の時間、ＫＯＨ／アルコール液中にプレート用基板５１２を浸漬することにより、プレート用基板５１２にウエットエッチングされる。このウエットエッチングが完了した後に、ホトレジストマスク５１４は、除去される。

工程５３０で、プレート用基板５１２は、反転され、第２のホトレジストフイルム５３２が、プレート用基板５１２の第２の(反対の)表面に塗布され、そして、パターン５３４が、ホトリソグラフ技術によりホトレジストフイルム５３２に転写される。このパターンニングされたフィーチャーの幅は、約５０ミクロンで良い。

工程５４０で、プレート用基板５１２は、この分野で良く知られているプラズマ処理装置内でＳＦ_６／Ｏ_２（／Ｃ_４Ｆ_８）もしくはＣｌ_２組成を利用してドライエッチングされて、ガス射出オリフイス（ｄ＝０．０５０ｍｍ，Ｌ≦０．０５０ｍｍ）が形成され得る。代表的なエッチングレートは、５０ミクロン／分であり、かくして、ガス射出オリフイスの製造を果たすためのドライエッチング時間は、１分よりも短くなることが期待される。エッチングが終了すると、ホトレジスト５３２が剥離される。このプロセスは、工程５５０で終了される。

シリコンを使用した製造は、腐食剤(フッ素)として、酸化物エッチングプロセスで有用であるから、さらなる効果があるけれども、これは、時間と共に消耗されてオリフイスの腐食となる。もし、そうであれば、ガス射出オリフイスの動作は、圧力センサー４６（図４）を使用して、射出全圧力をモニターすることにより、観察できる。この射出全圧力の低下は、ガス射出オリフイスの腐食（即ち、ガス射出オリフイスの開口、もしくは最小断面領域Ａの増加、もしくは長さＬの減少）を意味することができる。この情報は、消耗可能なガス射出プレート２０の交換寿命を決定することができる。

図４を参照すると、処理ガスの流れをモニターし、調節するマスフローコントローラ４４に接続されたガス供給源４８を出た処理ガスは、ガス射出プレート２０を通って処理領域１２に入り、真空ポンプ４０により排出される。このガス射出システムのモニターと制御とは、コントローラ４２によりなされる。このコントローラ４２は、ガス供給源と、マスフローコントローラ４４と、圧力センサー４６と、チャンバ圧力センサー４９と、基板ホルダーの移送装置３６と、真空ポンプ４０とに接続されている。時間の関数として、コントローラ４２は、圧力センサー４６を介して射出全圧力をモニターし、また、圧力の例示的なトレースが、図１２に示されている。

図５（Ａ）ないし（Ｃ）に示されているようなオリフイスがガス射出オリフイスの一側に存在するプラズマにより腐食されるときに、プラズマがガス射出オリフイスの長さＬの全長に渡って腐食させると、前記ガス射出オリフイスの長さＬは、時間と共に減少し、ガス射出オリフイスのスロート領域は広がる。ガス射出オリフイスのプラズマ腐食の例が、図１３に示されている。図１３には、図３に示されているのと類似したガス射出オリフイスの（裂けた）断面が、示されている。ここで、オリフイスの左端が腐食されている。オリフイスの長さＬの減少は、吐出係数の増加となるオリフイスのアスペクト比Ｌ／ｄに対応する。そして、この吐出係数の増加は、有効スロート面積の増加となり、図１２（領域６００）に示されるような射出全圧力の減少へと変換される。しかし、長さＬとスロートの直径ｄとが変化する異なるレートにより、前者並びに後者の腐食レジメは、図１２の圧力トレースの傾斜の変化により区別され得る。

図１２に示されるように、射出全圧力が閾値以下になると、コントローラ４２は、ガス射出システムの部品（消耗物品）の交換を予定するように警告を発することができる。また、このコントローラ４２は、ガス射出オリフイスの吐出係数の変化を補うように、処理ガスの流れの性質を変更することにより、ガス射出システムの劣化を無効にすることができ、かくして、消耗部品の寿命を延ばすことができる。

式（１）を使用すると、測定される射出全圧力は、“理論的な”（もしくは等エントロピーの）質量流速に関係付けられ得る。質量流量コントローラ４４により、(実際の)質量流量を更に記録することにより、等エントロピーの質量流量に対する実際の質量流量の比は、ガス射出システムに対する平均吐出係数を与える。ガス射出オリフイスが腐食されると(図１３)、オリフイスのアスペクト比Ｌ／ｄは減少する。このために、射出全圧力が減少すると(図１２)、オリフイスのクネーセン数Ｋｎは大きくなる。減少するアスペクト比Ｌ／ｄと増加するクネーセン数Ｋｎとにより、図６を参照して説明されたように、吐出係数は、アスペクト比Ｌ／ｄとクネーセン数Ｋｎとの関数なので、吐出係数は変化する。このような吐出係数の変化は、図１４に示された特性曲線（７００並びに７１０）の移動として観察され得る。図１４において、ガス射出システムは、第１の特性曲線７００上の第１のポイント７２０で動作するようにデザインされている。吐出係数が変化し、また処理ガスの質量流量が一定に維持される（質量流量コントローラによって）のに従って、動作ポイントは、第１の特性曲線７００上の第１のポイントから第２の特性曲線７１０上の第２のポイント７３０へとシフトする。オリフイスのアスペクト比Ｌ／ｄとクネーセン数Ｋｎに対する吐出係数の依存性に応じて、前記第２のポイント７３０は、第１のポイント７２０の吐出係数よりも大きいか（図１４に示されるように）、または小さい吐出係数を有することができる。図１４の場合には、射出全圧力をさらに減じるように質量流量を減じることにより、コントローラ４２は、第２の特性曲線７１０上の第２のポイント７３０から第２の特性曲線７１０上の第３のポイント７４０へと動作ポイントを移動させ、また、（短い）破線７５０により示された値のデザイン吐出係数に戻る。論じたような制御シーケンスに従うことにより、ガス射出システムの吐出係数は、一定に保たれる。かくして、材料処理システム１は、交換の前のガス射出消耗部品の使用期間を長くすることができる（処理の質量流量が処理のレシピのために設定された制御限界を超えるように実質的に変化しない限り）。

上述し図示された例示的な実施の形態は、本発明の好ましい実施の形態を説明しており、請求項の範囲を限定することは意味していないことが判るであろう。本発明の種々の変更並びに変形は、上記技術に照らして可能である。かくして、請求項の範囲内で、本発明は、特にここに説明した以外でも実施され得ることは理解できよう。

過フッ化炭化水素のプラズマによりエッチングされている高いアスペクト比のフィーチャーの断面図である。 アルゴンのプラズマの存在下でのエッチングされている高いアスペクト比のフィーチャーの断面図である。 シャワーヘッド射出オリフイスの拡大された断面図である。 本発明の一実施の形態に係わる材料処理システムの概略的な断面図である。 （Ａ）は、本発明の第１の態様に係わる音波オリフイスを示し、（Ｂ）は、本発明の第２の態様に係わる発散ノズルを示し、そして、（Ｃ）は、本発明の第３の態様に係わるシンプルなオリフイスを示す。 オリフイスのクネーセン数Ｋｎと、オリフイスのアスペクト比と、吐出係数との関係を示すグラフである。 基板表面に対しての部分的なガス入射角の可能な分布関数を概略的に示す図である。 ガス射出オリフイスの間隔に関する一例の概略的な断面図である。 ガス射出オリフイスの間隔に関する一例の概略的な平面図である。 ガス射出オリフイスを形成するための方法を示す概略的な図である。 ガス射出オリフイスを形成するための方法の過程を示す図である。 ガス射出オリフイスの腐食の間の射出全圧力を概略的に示す図である。 プラズマ腐食に曝されたガス射出オリフイスを写真で示す図である。 吐出係数を調節するための制御路の一例を示す図である。

Claims (26)

1. 処理チャンバと、
   この処理チャンバに接続された真空ポンプと、
   基板の一表面にほぼ垂直になるように、処理チャンバの中へガスを射出するように構成された複数の成形されたガス射出オリフイスを有するガス射出プレートを備えたガス射出システムと、
   前記処理チャンバと、前記真空ポンプと、前記ガス射出システムとに接続されるように構成され、および、前記基板の前記表面にほぼ直交する方向に動く、基板の前記表面の近くの粒子の数を最大にすることにより、基板の処理を制御するように構成された処理コントローラとを具備し、
   前記コントローラは、ガス射出システムの吐出係数が一定に保たれるように、測定された射出全圧力の変化に基づいて処理ガスの質量流量を変化させるように構成されている、基板を処理するための材料処理システム。
2. 前記成形されたガス射出オリフイスの各々は、これに関連した可能性分布関数（ＰＤＦ）を有し、このＰＤＦは、基板の前記表面での表面垂直ベクトルに対するガス入射角の関数である、請求項１の材料処理システム。
3. ガス入射角度は、基板での特定のアスペクト比のフィーチャーのための許容角度に依存している請求項２の材料処理システム。
4. 前記複数の成形されたガス射出オリフイスの少なくとも１つは、入口領域と、スロートと、前記スロートから前記ガス射出オリフイスの出口に向かって直径が大きくなる円錐形の発散セクションとを有する発散ノズルである請求項１の材料処理システム。
5. 前記複数の成形されたガス射出オリフイスの少なくとも１つは、入口領域と、前記ガス射出オリフイスの出口に位置されたスロートとを有する音響オリフイスである請求項１の材料処理システム。
6. 前記複数の成形されたガス射出オリフイスの少なくとも１つは、前記ガス射出オリフイスの中心線と平行な側壁を有する開口からなり、スロートの長さに等しい厚さの１枚の材料内に形成されている単純オリフイスである請求項１の材料処理システム。
7. 吐出係数が、基板の前記表面の近くでの数密度を最大にするように、成形されたガス射出オリフイスの各々に対して確立されている請求項１の材料処理システム。
8. 前記ガス射出プレートは、基板の前記表面から第１の距離だけ隔てて位置されている請求項１の材料処理システム。
9. 前記複数の成形されたガス射出オリフイスは、少なくとも１回のエッチング工程を使用して形成される請求項１の材料処理システム。
10. 前記複数の成形されたガス射出オリフイスは、少なくとも１回の堆積工程を使用して形成される請求項１の材料処理システム。
11. 前記ガス射出プレートは、シリコンにより形成されている請求項１の材料処理システム。
12. 前記前記ガス射出プレートは、前記処理チャンバ内に着脱可能に設けられている請求項１の材料処理システム。
13. 前記ガス射出システムは、複数のガス分配マニホールドを有し、また、前記ガス射出プレートは、これら複数のガス分配マニホールドの少なくとも１つに接続されている請求項１の材料処理システム。
14. 前記ガス射出プレートは、基板に対して実行される処理に依存している請求項１の材料処理システム。
15. 前記ガス射出プレートは、基板に対して実行される処理に依存しているオリフイスパターンを有する請求項１の材料処理システム。
16. 前記成形されたガス射出オリフイス間の隔離距離は、一定である請求項１の材料処理システム。
17. 前記成形されたガス射出オリフイス間の隔離距離は、基板に対して実行される処理に依存している請求項１の材料処理システム。
18. 前記処理コントローラは、前記ガス射出プレートと、基板の前記表面との間の距離を決定する請求項１の材料処理システム。
19. 射出されたガスが、プラズマ処理チャンバに入るのに従って、射出されたガスの圧力をモニターするように構成された圧力計を更に具備し、
    前記処理コントローラは、射出されたガスがプラズマ処理チャンバに入るのに従って、射出されたガスの圧力が閾値以下であるかどうかをモニターするように構成され、および前記圧力が前記閾値以下の場合には、ガス射出プレートが交換される必要があるかどうかを特定するように構成されている、請求項１の材料処理システム。
20. 基板の上面から所定距離の所にガス射出プレートを位置させることと、
    このガス射出プレートの中の複数の成形されたガス射出部を介して処理ガスを駆動させることと、
    プラズマを形成するように、前記複数の成形されたガス射出部を介して駆動された処理ガスにＲＦ電力を印加することと、
    前記ガス射出プレートを備えたガス射出システムの吐出係数が一定に保たれるように、測定された射出全圧力の変化に基づいて処理ガスの質量流量を変化させることと、
    基板にエッチングと堆積との少なくとも一方を果たすこととを具備する、プラズマ処理雰囲気内で基板を処理する方法。
21. 前記駆動させる工程は、処理ガスを、入口領域と、前記ガス射出部の出口に位置されたスロートとを有する音響オリフイスを介して駆動させることを含む請求項２０の方法。
22. 前記駆動させる工程は、処理ガスを、入口領域と、スロートと、前記スロートから前記ガス射出部の出口に向かって直径が大きくなる円錐形の発散セクションとを有する発散ノズルを介して駆動させることを含む請求項２０の方法。
23. ガス射出プレートの動作ポイントが、閾値以下であるかどうかを決定する工程と、閾値以上の動作ポイントに移動するように、少なくとも１つの基板を処理するためパラメータを変更する工程とを更に具備する請求項２０の方法。
24. 動作ポイントが、閾値以下であるかどうかを決定する工程は、処理ガスが複数の成形されたガス射出部を介して駆動されるのに従って、処理ガスの圧力が閾値以下であるか否かを決定することを更に含む請求項２３の方法。
25. 前記コントローラは、式ｈ／Δｓ≧ＡＲに係るガス射出プレートと、基板の表面との間の距離ｈを制御することによって基板の処理を制御するように構成される、請求項１の基板を処理するための材料処理システム。
    ここで、Δｓは、射出オリフィス間の距離であり、ＡＲは、基板上のフィーチャーのアスペクト比である。
26. 前記式ｈ／Δｓ≧ＡＲに係るガス射出プレートと、基板の表面との間の距離ｈを制御することによって基板の処理を制御することを更に具備する請求項２０の方法。
    ここで、Δｓは、射出オリフィス間の距離であり、ＡＲは、基板上のフィーチャーのアスペクト比である。

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