JP5409778B2

JP5409778B2 - クランプされた一体的なシャワーヘッド電極

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Publication number: JP5409778B2
Application number: JP2011510519A
Authority: JP
Inventors: パトリック・ロジャー; ベテンコート・グレゴリー・アール．; ケロッグ・マイケル・シー．
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-07-06
Also published as: MY159992A; WO2010005540A3; KR20100118997A; TW201016079A; US8221582B2; US20100003829A1; US8796153B2; EP2301308A2; US8414719B2; EP2301308A4; KR101183509B1; US20120258603A1; CN102037790A; WO2010005540A4; TWI536871B; CN102037790B; EP2301308B1; WO2010005540A2; JP2011521472A; US20130337654A1

Description

本発明は、半導体部品を製造することができるプラズマ処理チャンバのシャワーヘッド電極アセンブリに関するものである。

一実施形態にしたがうと、シャワーヘッド電極アセンブリは、受け板にクランプされた一体的な段状電極を含み、シャワーヘッド電極アセンブリは、容量結合プラズマ処理チャンバの上側電極を含む。段状電極は、その下面にプラズマ曝露表面を、その上面に装着表面をそれぞれ有する円形の板である。装着表面は、受け板の位置合わせピン穴に一致するパターンで配置された、位置合わせピンを受け入れるように構成された複数の位置合わせピン凹部を含み、受け板には、カムロックによって上記円形の板が押し当てられ、上記円形の板は、受け板のガス供給穴に一致するパターンで配置されたプロセスガス出口を含む。上面は、内側の平坦表面を取り囲む外側の凹表面部を含み、プラズマ暴露表面は、内側および外側の傾斜表面を含む。外側の凹表面部内の、円周方向に相隔てられた複数のポケットは、カムロックと相まって段状電極を受け板にクランプするように適応されたロックピンを受け入れるように構成される。

もう１つの実施形態にしたがうと、容量結合プラズマ処理チャンバのシャワーヘッド電極アセンブリは、熱制御板と、受け板と、ガードリングと、段状電極とを含む。熱制御板は、プラズマ処理チャンバの温度制御壁によって支えられ、熱制御板は、プラズマ処理チャンバ内において処理されるウエハよりも大きい直径を有し、その下面に環状突出と、環状突出間のガスプレナムとを含む。受け板は、熱制御板によって制御され、熱制御板よりも小さい直径と、中に通されたガス通路と、横方向孔内のカムロックとを有する。シールドリングは、受け板の外周の厚さに等しい高さを有し、少なくとも１つの横方向アクセス孔を中に通され、アクセス孔をカムロックの少なくとも１つに位置合わせするために受け板の周りを回転可能である。段状電極は、受け板内のガス通路と流体連通するガス通路を中に通されている。段状電極は、カムロックに係合する縦方向ロックピンを含み、シールドリングを支え、ロックピンをカムロックから解除することによって取り外し可能である。

ガードリングを伴った、基板をエッチングするための容量結合プラズマリアクタの上側電極を形成するシャワーヘッド電極アセンブリの断面図を示している。

図１に示されたリアクタ内において段状電極をクランプするための例示的なカムロックの三次元表示である。

図２Ａの例示的なカムロック電極クランプの断面図である。

図２Ａおよび図２Ｂのカムロッククランプに使用される例示的なロックピンの側面図および組立図を示している。

図２Ａおよび図２Ｂのカムロッククランプに使用される例示的なカム軸の側面図および組立図を示している。

図４Ａのカム軸の一部分の例示的な切り欠き経路の縁の断面図を示している。

段状電極と、受け板と、熱制御板と、ガードリングと、上板とを有するシャワーヘッド電極アセンブリを示している。

段状電極の斜視図である。段状電極の斜視図である。

受け板の斜視図である。

ガードリングを伴わないシャワーヘッド電極アセンブリの斜視図である。

集積回路チップの製造は、通常、「ウエハ」と称される、研磨され薄切りされた高純度の単結晶半導体材料基板（シリコンまたはゲルマニウムなど）から始まる。各ウエハは、ウエハ上に各種の回路構造を形成する一連の物理的および化学的処理工程に通される。製造プロセスでは、二酸化シリコン膜を作成するための熱酸化、シリコン膜、二酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を作成するための化学気相蒸着、およびその他の金属膜を作成するためのスパッタリングまたはその他の技術など各種の技術を使用して、ウエハ上に様々なタイプの薄膜が成膜されてよい。

半導体ウエハ上に成膜させた後は、ドーピングと称されるプロセスを使用して、選択された不純物によって半導体結晶格子を置き換えることによって、半導体に固有な電気的特性が得られる。ドープされたシリコンウエハは、次いで、「レジスト」と称される薄い感光性または放射線感受性の材料層を均一にコーティングされてよい。次いで、リソグラフィとして知られるプロセスを使用して、回路内における電子経路を定める小さい幾何パターンがレジスト上に転写されてよい。リソグラフィプロセスでは、「マスク」と称されるガラス板上に集積回路パターンが描画され、次いで光学的に縮小され、感光性のコーティング上に投影および転写されてよい。

リソグラフィを経たレジストパターンは、次いで、エッチングとして知られるプロセスを通じて、下位の半導体材料の結晶表面上に転写される。エッチングガスまたは蒸着ガスを真空チャンバに供給し、ガスに高周波（ＲＦ）電界を印加してガスをプラズマ状態に励起させ、基板上に材料をエッチングおよび化学気相蒸着（ＣＶＤ）させるには、真空処理チャンバが使用されるのが一般的である。

反応性イオンエッチングシステムは、通常、上側電極すなわちアノードと、下側電極すなわちカソードとを中に配置されたエッチングチャンバで構成される。カソードは、アノードおよび容器の壁に対して負にバイアスされる。エッチング対象となるウエハは、適切なマスクで覆われ、カソード上に直接置かれる。ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、ＣＣｌＦ₃、ＨＢｒ、Ｃｌ₂、およびＳＦ₆、またはこれらとＯ₂、Ｎ₂、Ｈｅ、もしくはＡｒとの混合などの、化学反応性ガスが、エッチングチャンバに導入され、通常、ミリトール範囲の圧力に維持される。上側電極は、ガスが電極を通ってチャンバ内に均一に分散されることを可能にする（１つまたは２つ以上の）ガス穴を設けられる。アノードとカソードとの間に形成される電界は、反応性ガスを解離させてプラズマを発生させる。ウエハの表面は、活性イオンとの化学的相互作用と、ウエハの表面にぶつかるイオンの運動量移動とによってエッチングされる。電極によって形成される電界は、イオンをカソードに惹き付けて、それらのイオンを主に垂直方向に表面にぶつからせるので、このプロセスは、明確に定められた垂直にエッチングされた側壁を形成する。エッチングリアクタの電極は、多くの場合、機械的に柔軟性でかつ／または熱伝導性の接着剤によって２枚または３枚以上の異種部材を接合することによって作成されてよく、これは、多様な機能を可能にする。

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のシャワーヘッド電極アセンブリ１００の一部分の断面図を示している。図１に示されるように、シャワーヘッド電極アセンブリ１００は、段状電極１１０と、受け板１４０と、ガードリング（または外側リング）１７０とを含む。シャワーヘッド電極アセンブリ１００は、上側電極１１０および受け板１４０の外周を取り囲むプラズマ閉じ込めアセンブリ（またはウエハ領域圧力（ＷＡＰ）アセンブリ）１８０も含む。

アセンブリ１００は、また、熱制御板１０２と、中に液体流路を有するとともにチャンバの温度制御壁を形成する上側（上）板１０４とを含む。段状電極１１０は、円柱状の板であることが好ましく、単結晶シリコン、多結晶シリコン、炭化ケイ素、またはその他の適切な材料（アルミニウムもしくはその合金、陽極酸化アルミニウム、イットリアをコーティングされたアルミニウムなど）などの、伝導性の高純度材料で作成されてよい。受け板１４０は、後述の機械的締め具によって電極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、後述のようにカムロック部材へのアクセスを提供する。

図１に示されたようなシャワーヘッド電極アセンブリ１００は、通常、平坦な下側電極を組み入れた静電チャック（不図示）とともに使用され、ウエハは、上側電極１１０の下方約１〜２ｃｍの距離において下側電極に支えられる。このようなプラズマ処理システムの一例は、カリフォルニア州フリーモントのLam Research Corporationによって作成されたExelan（登録商標）誘電体エッチングシステムなどの平行平板型リアクタである。このようなチャック配置構成は、ウエハとチャックとの間の熱伝導の速度を制御する裏面ヘリウム（Ｈｅ）圧力の供給によってウエハの温度制御を提供する。

上側電極１１０は、定期的な交換を必要とする消耗部品である。ウエハと上側電極との間のギャップにプロセスガスを供給するために、上側電極１１０は、プロセスガスの供給に適したサイズおよび分布を有するガス排出通路１０６を設けられ、プロセスガスは、電極によって励起され、上側電極１１０下の反応区域内においてプラズマを発生させる。

シャワーヘッド電極アセンブリ１００は、また、上側電極１１０および受け板１４０の外周を取り囲むプラズマ閉じ込めアセンブリ（またはウエハ領域圧力（ＷＡＰ）アセンブリ）１８０を含む。プラズマ閉じ込めアセンブリ１８０は、上側電極１１０および受け板１４０の外周を取り囲む大量のまたは複数の相隔たれた石英リング１９０で構成されることが好ましい。処理の際、プラズマ閉じ込めアセンブリ１８０は、反応区域内において圧力差を発生させ、反応チャンバ壁とプラズマとの間の電気抵抗を増大させることによって、上側電極１１０と下側電極（不図示）との間にプラズマを閉じ込める。

使用の際、閉じ込めリング１９０は、チャンバ体積にプラズマを閉じ込め、反応チャンバ内のプラズマの圧力を制御する。反応チャンバへのプラズマの閉じ込めは、閉じ込めリング１９０間の間隔と、閉じ込めリングよりも外側の反応チャンバ内のプラズマ内の圧力と、ガスの種類および流速と、ＲＦ電力のレベルおよび周波数とを含む、数多くの要素の関数である。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、より容易に達成される。通常、閉じ込めには、０．１５インチ（約３．８ｍｍ）以下の間隔が必要とされる。しかしながら、閉じ込めリング１９０間の間隔は、プラズマの圧力も決定するので、間隔は、プラズマを維持しつつ、最適なプロセスパフォーマンスに必要とされる圧力を実現するように調整可能であることが望ましい。ガス供給部からのプロセスガスは、上側板１０４内の、プロセスガスをウエハ上方の１つまたは２つ以上の区域に供給することを可能にする１本または２本以上の通路を通して電極１１０に供給される。

電極１１０は、中心（不図示）から厚み増加領域にかけて均一な厚さを有する平坦な円板または板であることが好ましく、この厚み増加領域は、外縁から内向きに広がる段をプラズマ曝露表面上に形成する。電極１１０は、例えば３００ｍｍを超えるなど、処理対象となるウエハよりも大きい直径を有することが好ましい。３００ｍｍウエハを処理するには、上側電極１１０の直径は、約１５インチ（約３８ｃｍ）から約１７インチ（約４３ｃｍ）までであってよい。上側電極１１０は、上側電極１１０の下方のプラズマ反応チャンバ内の空間にプロセスガスを注入するための複数のガス通路１０６を含むことが好ましい。

電極１１０のプラズマ曝露表面として好ましい材料は、単結晶シリコンおよび多結晶シリコンである。高純度の単結晶シリコンまたは多結晶シリコンは、反応チャンバに導入される望ましくない要素の量を最小限に抑えられるうえに、プラズマ処理中に滑らかに磨り減るゆえに、粒子を最低限に抑えられ、したがって、プラズマ処理中の基板の汚染を最小限に抑えられる。上側電極１１０のプラズマ曝露表面に使用されることが可能な、複合材料を含む代替材料として、例えば、アルミニウム（本明細書において使用される「アルミニウム」は、純粋なＡｌおよびその合金を指す）、イットリアをコーティングされたアルミニウム、ＳｉＣ、ＳｉＮ、およびＡｌＮが挙げられる。

受け板１４０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プロセスガスと化学的に共存可能であり、電極材料の熱膨張係数と厳密に一致する熱膨張係数を有し、および／または導電性でかつ熱伝導性である材料で、作成されることが好ましい。受け板１４０を作成するために使用されることが可能な好ましい材料として、限定はされないがグラファイト、ＳｉＣ、アルミニウム（Ａｌ）、またはその他の適切な材料が挙げられる。

上側電極１１０は、電極と受け板との間にいかなる接着接合も伴わずに機械的に受け板１４０に取り付けられる、すなわち、電極を受け板に取り付けるために熱伝導性でかつ導電性のエラストマ接合材料は使用されない。

受け板１４０は、適切な機械的締め具によって熱制御板１０２に取り付けられることが好ましく、この締め具は、ネジボルトやネジくぎなどであってよい。例えば、ボルト（不図示）は、熱制御板１０２内の穴に挿し込まれ、受け板１４０内のネジ開口にネジ入れられてよい。熱制御板１０２は、曲がり部分１８４を含み、アルミニウムやアルミニウム合金などの機械加工された金属材料で作成されることが好ましい。上側の温度制御板１０４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で作成されることが好ましい。プラズマ閉じ込めアセンブリ（またはウエハ領域圧力アセンブリ（ＷＡＰ））１８０は、シャワーヘッド電極アセンブリ１００の外側に配置される。垂直方向に調整可能な複数の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アセンブリ１８０が、共同所有の米国特許第５，５３４，７５１号に記載されており、該特許は、参照によって全体を本明細書に組み込まれる。

上側電極は、２００８年３月１４日に出願され参照によって本明細書に開示内容を組み込まれる共同所有の米国出願第６１／０３６，８６２号に記載されるように、カムロックメカニズムによって機械的に受け板に取り付けることができる。図２Ａを参照すると、例示的なカムロック電極クランプの三次元図は、電極２０１および受け板２０３の一部分を含む。電極クランプは、図１に示されたプラズマエッチングチャンバなどの種々様々な製造関連ツール内において、迅速に、清潔に、かつ正確に消耗電極２０１を受け板に取り付けることができる。

電極クランプは、ソケット２１３に装入されるスタッド（ロックピン）２０５を含む。スタッドは、例えばステンレス製の皿ばね（Belleville washer）などの積層皿バネ２１５によって取り囲まれてよい。スタッド２０５および積層皿バネ２１５は、次いで、ソケット２１３に圧入されてよい、または接着剤もしくは機械的締め具の使用を通じてその他の方法で締められてよい。スタッド２０５および積層皿バネ２１５は、電極２０１と受け板２０３との間において限られた量の側方への動きが可能であるようにソケット２１３内に配置される。側方への動きの量の制限は、電極２０１と受け板２０３との熱膨張の差を相殺するための幾らかの動きを提供しつつ、これら２つの部品が密着することを可能にすることによって、優れた熱的接触を保証する。側方への動きの制限という特徴のさらなる詳細については、後ほどさらに詳しく述べられる。

具体的な例示的実施形態では、ソケット２１３は、摺動グレードTorlon（登録商標）で作成される。あるいは、ソケット２１３は、耐久性などの特定の機械的特性を有するその他の材料で作成されてよく、耐衝撃性、耐クリープ性、寸法安定性、耐放射線性、および耐化学性が容易に採用可能である。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などの各種の材料が、全て適しているであろう。エッチングチャンバなどの応用において生じうる代表的な最高温度は、摂氏２３０度であるので、ソケット２１３の形成に、高温に特化されたプラスチックおよびその他の関連材料は不要である。一般に、代表的な動作温度は、より摂氏１３０度に近い。

電極クランプのその他の部分は、両端を１対のカム軸受け２０９によって取り囲まれたカム軸２０７で構成される。カム軸２０７とカム軸受けとからなるアセンブリは、受け板２０３内に機械加工された受け板孔２１１に装入される。３００ｍｍ半導体ウエハ用に設計されたエッチングチャンバの代表的応用では、電極２０１と受け板２０３との組み合わせの周沿いに、間隔を空けて８つまたは９つ以上の電極クランプが配されてよい。

カム軸受け２０９は、Torlon（登録商標）、Vespel（登録商標）、Celcon（登録商標）、Delrin（登録商標）、Teflon（登録商標）、Arlon（登録商標）、または摩擦係数が低くかつ粒子飛散が少ないフルオロポリマ、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）などのその他の材料を含む、種々様々な材料から機械加工されてよい。スタッド２０５およびカム軸２０７は、ステンレス鋼（例えば３１６、３１６Ｌ、１７−７など）、または優れた耐久性および耐腐食性を提供するその他の任意の材料から機械加工されてよい。

次に、図２Ｂを参照すると、電極カムクランプの断面図は、カムクランプがどのように電極２０１を受け板２０３のすぐ近くまで引き寄せて動作するかをさらに例示している。スタッド２０５と積層皿バネ２１５とソケット２１３からなるアセンブリは、電極２０１に装入される。図に示されるように、このアセンブリは、ソケット２１３上の雄ネジによって電極２０１内のネジポケットにネジ入れられてよい。ただし、ソケットは、接着剤またはその他のタイプの機械的締め具によって装着されてもよい。

図３において、拡大ヘッドを有するスタッド２０５、積層皿バネ２１５、およびソケット２１３の、側面図および組立図は、カムロック電極クランプの例示的な設計についてのさらなる詳細を提供している。特定の例示的実施形態では、スタッドと皿バネとからなるアセンブリ３０１が、ソケット２１３に圧入される。ソケット２１３は、雄ネジと、軽いトルク（例えば具体的な例示的実施形態では約２０ｉｎ・ｌｂｆ（約２３ｋｇｆ・ｃｍ））で電極２０１（図２Ａおよび図２Ｂを参照）に容易に挿入されることを可能にする六角上部材とを有する。上記のように、ソケット２１３は、様々なタイプのプラスチックから機械加工されてよい。プラスチックの使用は、粒子の生成を最低限に抑え、電極２０１上の嵌め合いポケットへのソケット２１３の無磨耗装入を可能にする。

スタッドとソケットとからなるアセンブリ３０３は、ソケット２１３の上側部分の内径がスタッド２０５の中央部分の外径よりも大きいことを示している。これらの２つの部分の直径の差は、上記のように、組み立てられた電極クランプ内において限られた量の側方への動きを可能にする。スタッドと皿バネとからなるアセンブリ３０１は、直径の差によって幾らかの側方への動きを可能にされつつ、ソケット２１３の基部においてソケット２１３に固着した状態に維持される。（図２Ｂも参照）。

図４Ａを参照すると、カム軸２０７およびカム軸受け２０９の分解図４００は、定着ピン４０１も示している。まず、定着ピン４０１を有するカム軸２０７の一端が、受け板孔２１１に挿し込まれる（図２Ｂを参照）。受け板孔２１１の遠端にある１対の小さな嵌め合い穴（不図示）が、受け板孔２１１内へのカム軸２０７の正しい位置合わせを可能にする。カム軸２０７の側面図４２０は、カム軸２０７の一端における六角開口４０３およびカム軸２０７の他端における定着ピン４０１について考えられる一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、カム軸２０７を受け板孔２１１に挿し込むことによって組み立てられる。定着ピン４０１は、１対の小さい嵌め合い穴の１つに当たることによって、受け板穴２１１内におけるカム軸２０７の回転移動を制限する。カム軸は、まず、カム軸２０７へのスタッド２０５の進入を可能にするために、六角開口４０３の使用を通じて例えば反時計回りなどの一方向に回転されてよく、次いで、スタッド２０５に完全に係合してスタッド２０５をロックするために、時計回りに回転されてよい。電極２０１を受け板２０３に対して保持するために必要とされるクランプ力は、積層皿バネ２１５をその自由積層高さを超えて圧縮することによって供給される。カム軸２０７は、軸２０５の拡大ヘッドに係合する偏心した内部切り欠きを有する。積層皿バネ２１５が圧縮するにつれて、クランプ力は、積層皿バネ２１５の個々のバネからソケット２１３に、そして電極２０１を通じて受け板２０３に伝達される。

例示的な動作モードでは、カム軸受けがカム軸２０７に取り付けられ、受け板孔２１１に挿し込まれた後、カム軸２０７は、その全回転距離にわたって反時計回りに回転される。次いで、スタッドとソケットとからなるアセンブリ３０３（図３）が、軽いトルクによって電極２０１に装入される。スタッド２０５のヘッドは、次いで、横方向受け板孔２１１の下方の縦方向貫通穴に挿し込まれる。電極２０１は、受け板２０３に押し当てられ、カム軸２０７は、固着ピンが２つの小さい嵌め合い穴（不図示）のうちの第２の穴に落ち込むまで、またはクリック音が聞こえるまで（後ほど詳述される）、時計回りに回転される。受け板２０３から電極２０１を取り外すには、この例示的な動作モードを逆行させればよい。ただし、クリック音などの特徴は、カムロック配置構成では随意である。

図４Ｂを参照すると、図４Ａのカム軸２０７の側面図４２０の断面Ａ−Ａは、スタッド２０５のヘッドを完全に固定させるための切り欠き経路の縁４４０を示している。特定の例示的実施形態では、スタッド２０５がいつ完全に固定されるかを示すためにスタッド２０５のヘッドが上述の随意のクリック音を出すように、２つの直径Ｒ₁およびＲ₂が選択されている。

図５は、容量結合プラズマチャンバのための上側電極アセンブリ５００であって、以下の特徴：（ａ）カムロックされた非接合電極５０２と、（ｂ）受け板５０６と、（ｃ）電極を受け板５０６に対して保持してい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とを含む上側電極アセンブリ５００を例示している。

電極アセンブリ５００は、チャンバの外側からチャンバの温度制御上壁５１２にボルト締めされた熱制御板５１０を含む。電極５０２は、図２〜４を参照にして前述されたカムロックメカニズム５１４によって、解除可能式にチャンバの内側から受け板に取り付けられる。

好ましい実施形態では、電極アセンブリ５００の電極５０２は、（ａ）受け板の外側部分に相隔てて配された４つのカムロック５１４にガードリング内の４つの穴を位置合わせする第１のポジションまでガードリング５０８を回転させること、（ｂ）ガードリング内の各穴に六角レンチなどの器具を挿し込んで、各カムロックを回転させ、それぞれのカムロックの縦方向ロックピンを解除すること、（ｃ）別の４つのカムロックにガードリング内の４つの穴を位置合わせする第２のポジションまでガードリングを９０度回転させること、および（ｄ）ガードリング内の各穴に六角レンチなどの器具を挿し込んで、各カムロックを回転させ、それぞれのカムロックのロックピンを解除すること、によって、分解することができ、こうして、電極５０２を下げて、プラズマチャンバから取り外すことが可能になる。

図５は、回転可能なカムロック５１４を受け板５０６の外側部分の横方向孔５６０内に配されたカムロック配置構成の１つの断面図も示している。円筒状のカムロック５１４は、（ａ）ロックピン５６２の張り出し端がカムロック５１４のカム表面によって係合されて持ち上げられるロックポジションへ、または（ｂ）ロックピン５６２がカムロック５１４によって係合されない解除ポジションへ、六角レンチなどの器具によって回転可能である。受け板は、その下面内に縦方向孔を含み、ロックピンは、それらの孔に挿し込まれてカムロックに係合する。

図６Ａ〜Ｂは、電極５０２の詳細を示している。電極５０２は、好ましくは、高純度（不純物が１０ｐｐｍ未満）で低抵抗率（０．００５〜０．０２オームｃｍ）の単結晶シリコンの板であり、その上面（装着表面）５２２に、位置合わせピン５２４を受け入れる位置合わせピン穴５２０を伴う。ガス穴５２８は、上面から下面（プラズマ曝露表面）５３０にまで達し、任意の適切なパターンで配置することができる。図示された実施形態では、ガス穴は、円周方向に広がる１３の列に配置されており、第１の列の３個のガス穴は、電極の中心から約０．５インチ（約１．３ｃｍ）に配され、第２の列の１３個のガス穴は、中心から約１．４インチ（約３．６ｃｍ）に配され、第３の列の２３個のガス穴は、中心から約２．５インチ（約６．４ｃｍ）に配され、第４の列の２５個のガス穴は、中心から約３．９インチ（約９．９ｃｍ）に配され、第５の列の２９個のガス穴は、中心から約４．６インチ（約１２ｃｍ）に配され、第６の列の３４個のガス穴は、中心から約５．４インチ（約１４ｃｍ）に配され、第７の列の３９個のガス穴は、中心から約６インチ（約１５ｃｍ）に配され、第８の列の５０個のガス穴は、中心から約７．５インチ（約１９ｃｍ）に配され、第９の列の５２個のガス穴は、中心から約８．２インチ（約２１ｃｍ）に配され、第１０の列の５３個のガス穴は、中心から約９インチ（約２３ｃｍ）に配され、第１１の列の５７個のガス穴は、中心から約１０．３インチ（約２６ｃｍ）に配され、第１２の列の５９個のガス穴は、中心から約１０．９インチ（約２８ｃｍ）に配され、第１３の列の６３個のガス穴は、中心から約１１．４インチ（約２９ｃｍ）に配される。

電極の上面は、９個の位置合わせピン穴を含み、そのうちの３個のピン穴を中心の近くに、３個のピン穴を環状凹部よりも内側に、３個のピン穴を電極の外縁の近くの環状凹部内に有する。３個の中心ピン穴は、半径方向に一直線上に並んでおり、そのうちの１個のピン穴を内側電極の中心に、２個のピン穴を第３のガス穴列と第４のガス穴列との間に含む。環状凹部の近くの中間ピン穴は、中心ピン穴と半径方向に一直線上に並んだ１個のピン穴と、１２０度隔てられた残りの２個のピン穴とを含む。外側の３個のピン穴は、隣り合うポケットとポケットとの間の場所に、１２０度隔てて配される。

図６Ａは、１３列のガス穴を伴う電極５０２のプラズマ曝露表面５３０を示した正面斜視図である。図６Ｂは、１３列のガス穴を伴う上面の斜視図を示している。電極５０２は、段状の外側表面５４６内に、チャンバ内における真空圧力測定を提供するためにマノメータユニットと連携するように適応されたガス穴の閉じ込めパターン５２９を備える。

電極５０２は、ガードリング５０８を支える外側の段（棚部）５３６と、受け板５０６の下側表面に係合する上面（装着表面）５２２と、内側のテーパ表面５４４、水平表面５４６、および外側のテーパ表面５４８を含む下面（プラズマ曝露段状表面）５３０と、ロックピンを装入される上面５４０内の８個のポケット５５０とを含む。

図７は、受け板５０６の斜視図である。受け板は、シャワーヘッド電極５０２内の通路５２８に位置合わせされた１３列のガス通路５８４を含む。受け板の上面５８６は、熱制御板５１０の環状突出に接触する３つの環状領域５８８ａ、５８８ｂ、５８８ｃを含む。開示内容の全体を本明細書に組み込まれる同一出願人による米国特許公開第２００５／０１３３１６０号、第２００７／００６８６２９号、第２００７／０１８７０３８号、第２００８／００８７６４１号、および第２００８／００９０４１７号に開示されるように、熱制御板は、プラズマチャンバの上壁を通って熱制御板内に達する締め具によって、プラズマチャンバの上壁に取り付けることができる。上板５１２内および熱制御板５１０内の開口を通る締め具を受け入れて、受け板５０６を熱制御板５１０に接触させて保持するために、上面５８６の外周および環状領域５８８ａ、５８８ｂ、５８８ｃに、ネジ開口５９０が配される。熱サイクルに適応可能な締め具についての説明は、例えば、同一出願人による米国特許公開第２００８／００８７６４１号を参照せよ。上面５８６内の溝５９２は、受け板５０６と熱制御板５１０との間にガスシールを提供するＯリングを受け入れる。上面５８６内の位置合わせピン孔５９４は、熱制御板内の位置合わせピン孔にちょうど収まる位置合わせピンを受け入れる。孔５６０と孔５６０との間の位置にある横方向ネジ開口５６１は、シャワーヘッド電極の組み立て後にガードリングの回転を阻止するためにおよびガードリングのアクセス孔に挿し込むために使用される誘電性の締め具を受け入れる。

図８は、ガードリングを取り外された状態のシャワーヘッド電極アセンブリ５００の斜視図である。前述のように、ガードリングを受け板の外周に接触しない状態に維持するためおよびそうして受け板の熱膨張を可能にするために、ガードリングは、カムロックを係合させることができる１つまたは２つ以上の組み立てポジションへ回転され、次いで、誘電性の締め具を開口５６１に挿し込むことができるロックポジションへ回転されることが可能である。熱膨張板は、開口５９６を伴うフランジ５９５を含み、アクチュエータは、これらの開口を通してプラズマ閉じ込めリングを支える。プラズマ閉じ込めリングアセンブリの装着の配置構成についての詳細は、開示内容の全体を本明細書に組み込まれる同一出願人による米国特許公開第２００６／０２０７５０２号および第２００６／０２８３５５２号に見ることができる。

電極の装着表面５２２は、受け板内の８個のカムロックによって保持される８個のロックピンによって付与されるクランプ力の結果として、受け板５０６の対向表面に当接する。ガードリング５０８は、受け板５０６内の装着穴を覆い、ガードリング内のアクセス開口は、Torlon（登録商標）、Vespel（登録商標）、Celcon（登録商標）、Delrin（登録商標）、Teflon（登録商標）、Arlon（登録商標）などの耐プラズマ性ポリマ材料、または摩擦係数が低くかつ粒子飛散が少ないフルオロポリマ、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）などのその他の材料で作成された取り外し可能な挿入物で満たされる。

図５を参照すると、受け板５０６と電極５０２との間の電気的接触は、電極の外周に位置するＱパッド５５６、および中央の位置合わせピンと外側のＱパッドとの間の１つまたは２つ以上の場所に位置する１つまたは２つ以上のＱパッド５５６によって提供される。例えば、約４インチ（約１０ｃｍ）の直径および約１２インチ（約３１ｃｍ）の直径を有するＱパッドを使用することができる。２００７年８月３１日に出願され開示内容を参照によって本明細書に組み込まれる共同所有の米国出願第１１／８９６，３７５号は、Ｑパッドについての詳細を含んでいる。異なるプロセスガス混合および／または流速を提供するために、中央の位置合わせピンと外側のＱパッドとの間に１つまたは２つ以上の随意のガス仕切りシールを提供することができる。例えば、内側のガス分布区域を外側のガス分布区域から隔てるために、電極５０２と受け板５０６との間において内側のＱパッドと外側のＱパッドとの間の場所に１つのＯリングを提供することができる。電極５０２と受け板５０６との間において外側のＱパッドの内周沿いに配されたＯリング５５８は、電極と受け板との間にガスおよび粒子のシールを提供することができる。

本発明は、その特定の実施形態に関連させて詳細に説明されてきたが、当業者ならば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく様々な変更および修正を加えることおよび均等物を用いることが可能なことが明らかである。
例えば、以下の形態を挙げることができる。
［形態１］
プラズマ反応チャンバ内において使用するため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上面および下面によって定められる中央部分および周縁部分であって、前記上面は、前記中央部分に広がる平坦表面を含み、前記下面は、前記中央部分に広がる平坦な内側表面および前記周縁部分に広がる段状の外側表面によって定められ、前記段状の外側表面は、前記シャワーヘッド電極の厚み増加領域を定める環状の平坦表面を含む、中央部分および周縁部分と、
前記電極の前記中央部分内の複数のガス出口であって、前記シャワーヘッド電極と、ウエハを支える下側電極と、の間のギャップに、プロセスガスを送ることができる複数のガス出口と、
前記周縁部分の前記上面内の、円周方向に互いに隔てられた複数のポケットであって、前記シャワーヘッド電極を受け板にクランプするように適応されたカムロックを受け入れるように構成された複数のポケットと、を備えるシャワーヘッド電極。
［形態２］
形態１に記載の電極であって、さらに、
前記上面内に位置合わせピン孔を備え、前記位置合わせピン孔は、前記受け板内に達する位置合わせピンに位置合わせされるように構成される、電極。
［形態３］
形態１に記載の電極であって、さらに、
前記段状の外側表面内に、チャンバ内における真空圧力測定を提供するためにマノメータユニットと連携するように適応されたガス穴の閉じ込めパターンを備える電極。
［形態４］
形態１に記載の電極であって、
前記シャワーヘッド電極の前記上面は、その外縁に環状の棚部を含み、前記棚部は、ガードリングの外側表面が前記シャワーヘッド電極の前記外側表面と同一面であるように前記ガードリングを支えるように構成される、電極。
［形態５］
形態１に記載の電極であって、さらに、
前記周縁部分内の前記上面上に環状凹部を備え、１２インチ（約３１ｃｍ）を超える直径を有し、前記環状凹部は、０．２５インチ（約６．４ｍｍ）未満の深さと、少なくとも０．５インチ（約１．３ｃｍ）の幅とを有し、前記ポケットは、少なくとも０．５インチ（約１．３ｃｍ）の直径と、少なくとも０．３インチ（約７．６ｍｍ）の深さとを前記環状凹部内において有し、前記段状表面は、内側の平坦表面から少なくとも０．１５インチ（約３．８ｍｍ）広がり、前記環状の平坦表面は、少なくとも１．５インチ（約３．８ｃｍ）の幅を有する、電極。
［形態６］
形態１に記載の電極であって、
前記段状表面は、内側および外側の傾斜表面を有し、前記内側の傾斜表面は、前記内側の平坦表面と前記環状の平坦表面との間に広がり、前記外側の傾斜表面は、前記環状の平坦表面と前記シャワーヘッド電極の外縁との間に広がり、前記外側の傾斜表面は、前記環状の平坦表面の面と３０度未満の角度を形成し、前記内側の傾斜表面は、前記環状の平坦表面の面と３０度を超える角度を形成する、電極。
［形態７］
電極アセンブリであって、
形態１に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ポケットに位置合わせされた軸方向孔と、前記軸方向孔と連通する半径方向孔とを含む受け板と、
前記半径方向孔に装入される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ポケット内に位置するロックピンであって、前記ロックピンは、その自由端に拡大ヘッドを含み、前記カムシャフトは、前記シャワーヘッド電極を前記受け板に機械的にクランプするために前記ロックピンの前記ヘッドに係合して前記ヘッドをロックするように適応された切り欠きを含む、ロックピンと、
を備える電極アセンブリ。
［形態８］
形態７に記載の電極アセンブリであって、
前記ロックピンの基部はソケット内に位置し、前記ソケットは、その外側表面上に、前記ポケットの内側表面上のネジ山に係合するネジ山を含み、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方向孔は幅広部分と幅狭部分とを含み、前記幅広部分は前記フランジを受け入れ、前記幅狭部分は前記ロックピンを受け入れる、電極アセンブリ。
［形態９］
形態８に記載の電極アセンブリであって、
前記ロックピンは、前記受け板と前記シャワーヘッド電極との間の熱膨張の差に適応するために前記ソケット内において軸方向および側方に移動可能である、電極アセンブリ。
［形態１０］
形態７に記載の電極アセンブリであって、
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、またはイットリアをコーティングされた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、電極アセンブリ。
［形態１１］
形態７に記載の電極アセンブリであって、
前記受け板は、熱制御冷却通路および加熱素子を有さない、電極アセンブリ。
［形態１２］
形態７に記載の電極アセンブリであって、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、その下側表面上に、前記受け板内のガス通路と連通するガスプレナムを定める環状突出を有する、電極アセンブリ。
［形態１３］
形態７に記載の電極アセンブリであって、さらに、
前記受け板と前記シャワーヘッド電極との間にガスシールを備え、前記ガスシールは、ガス通路の外側に位置する、電極アセンブリ。
［形態１４］
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、
前記半導体基板を前記チャンバ内の底部電極上で支えるステップと、
前記チャンバにプロセスガスを供給するステップと、
上側電極の暴露表面の付近においてプラズマを発生させるステップと、
前記プラズマによって前記半導体基板を処理するステップと、を備え、
前記上側電極は、形態１に記載のシャワーヘッド電極である、方法。
［形態１５］
形態１４に記載の方法であって、
前記シャワーヘッド電極の温度は、前記チャンバの温度制御上壁と、熱制御板と、受け板とによって制御され、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出を含み、前記プレナムは、前記シャワーヘッド電極内のガス通路に位置合わせされ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。
［形態１６］
形態１４に記載の方法であって、
前記半導体基板は、半導体ウエハであり、前記処理するステップは、前記プラズマによって前記半導体ウエハをエッチングすることを含む、方法。
［形態１７］
形態１４に記載の方法であって、
前記処理するステップ中、前記上側電極は接地され、前記底部電極は通電される、方法。
［形態１８］
形態１４に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の差を生じさせる高温に前記シャワーヘッド電極および前記受け板を加熱することと、
ロックピンの動きによって前記熱膨張に適合することと、を備える方法。
［形態１９］
形態７に記載のシャワーヘッド電極アセンブリのシャワーヘッド電極を交換する方法であって、
前記カムロックを解除して前記カムロックを前記ロックピンから切り離すことと、
前記シャワーヘッド電極を取り外すことと、
新しいまたは修復されたシャワーヘッド電極のロックピンを前記受け板内の前記軸方向孔に位置合わせすることと、
前記カムロックを回転させて前記ロックピンの前記ヘッドに係合させることと、を備える方法。

Claims

プラズマ反応チャンバ内において使用するため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上面および下面によって定められる中央部分および周縁部分であって、前記上面は、前記中央部分に広がる平坦表面を含み、前記下面は、前記中央部分に広がる平坦な内側表面および前記周縁部分に広がる段状の外側表面によって定められ、前記段状の外側表面は、前記シャワーヘッド電極の厚み増加領域を定める環状の平坦表面を含む、中央部分および周縁部分と、
前記電極の前記中央部分内の複数のガス出口であって、前記シャワーヘッド電極と、ウエハを支える下側電極と、の間のギャップに、プロセスガスを送ることができる複数のガス出口と、
前記周縁部分の前記上面内の、円周方向に互いに隔てられた複数のポケットであって、前記シャワーヘッド電極を受け板にクランプするように適応されたカムロックを受け入れるように構成された複数のポケットと、を備えるシャワーヘッド電極。
請求項１に記載の電極であって、さらに、
前記上面内に位置合わせピン孔を備え、前記位置合わせピン孔は、前記受け板内に達する位置合わせピンに位置合わせされるように構成される、電極。
請求項１又は請求項２に記載の電極であって、さらに、
前記段状の外側表面内に、チャンバ内における真空圧力測定を提供するためにマノメータユニットと連携するように適応されたガス穴の閉じ込めパターンを備える電極。
請求項１又は請求項２に記載の電極であって、
前記シャワーヘッド電極の前記上面は、その外縁に環状の棚部を含み、前記棚部は、ガードリングの第１の表面が前記シャワーヘッド電極の前記外側表面と同一面であるように前記ガードリングを支えるように構成され、前記第１の表面は、前記ガードリングの外側表面である、電極。
請求項１又は請求項２に記載の電極であって、さらに、
前記周縁部分内の前記上面上に環状凹部を備え、１２インチ（約３１ｃｍ）を超える直径を有し、前記環状凹部は、０．２５インチ（約６．４ｍｍ）未満の深さと、少なくとも０．５インチ（約１．３ｃｍ）の幅とを有し、前記ポケットは、少なくとも０．５インチ（約１．３ｃｍ）の直径と、少なくとも０．３インチ（約７．６ｍｍ）の深さとを前記環状凹部内において有し、前記段状表面は、前記平坦な内側表面から少なくとも０．１５インチ（約３．８ｍｍ）広がり、前記環状の平坦表面は、少なくとも１．５インチ（約３．８ｃｍ）の幅を有する、電極。
請求項１又は請求項２に記載の電極であって、
前記段状表面は、内側および外側の傾斜表面を有し、前記内側の傾斜表面は、前記平坦な内側表面と前記環状の平坦表面との間に広がり、前記外側の傾斜表面は、前記環状の平坦表面と前記シャワーヘッド電極の外縁との間に広がり、前記外側の傾斜表面は、前記環状の平坦表面の面と３０度未満の角度を形成し、前記内側の傾斜表面は、前記環状の平坦表面の面と３０度を超える角度を形成する、電極。
電極アセンブリであって、
請求項１又は請求項２に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ポケットに位置合わせされた軸方向孔と、前記軸方向孔と連通する半径方向孔とを含む受け板と、
前記半径方向孔に装入される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ポケット内に位置するロックピンであって、その自由端に拡大ヘッドを含む、ロックピンと、を備え、
前記カムシャフトは、前記シャワーヘッド電極を前記受け板に機械的にクランプするために前記ロックピンの前記ヘッドに係合して前記ヘッドをロックするように適応された切り欠きを含む、電極アセンブリ。
請求項７に記載の電極アセンブリであって、
前記ロックピンの基部はソケット内に位置し、前記ソケットは、その外側表面上に、前記ポケットの内側表面上のネジ山に係合するネジ山を含み、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方向孔は幅広部分と幅狭部分とを含み、前記幅広部分は前記フランジを受け入れ、前記幅狭部分は前記ロックピンを受け入れる、電極アセンブリ。
請求項８に記載の電極アセンブリであって、
前記ロックピンは、前記受け板と前記シャワーヘッド電極との間の熱膨張の差に適応するために前記ソケット内において軸方向および側方に移動可能である、電極アセンブリ。
請求項７に記載の電極アセンブリであって、
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、またはイットリアをコーティングされた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、電極アセンブリ。
請求項７に記載の電極アセンブリであって、
前記受け板は、熱制御冷却通路および加熱素子を有さない、電極アセンブリ。
請求項７に記載の電極アセンブリであって、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、その下側表面上に、前記受け板内のガス通路と連通するガスプレナムを定める環状突出を有する、電極アセンブリ。
請求項７に記載の電極アセンブリであって、さらに、
前記受け板と前記シャワーヘッド電極との間にガスシールを備え、前記ガスシールは、ガス通路の外側に位置する、電極アセンブリ。
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、
前記半導体基板を前記チャンバ内の底部電極上で支えるステップと、
前記チャンバにプロセスガスを供給するステップと、
上側電極の暴露表面の付近においてプラズマを発生させるステップと、
前記プラズマによって前記半導体基板を処理するステップと、を備え、
前記上側電極は、請求項１又は請求項２に記載のシャワーヘッド電極である、方法。
請求項１４に記載の方法であって、
前記シャワーヘッド電極の温度は、前記チャンバの温度制御上壁と、熱制御板と、受け板とによって制御され、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出を含み、前記プレナムは、前記シャワーヘッド電極内のガス通路に位置合わせされ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１４に記載の方法であって、
前記半導体基板は、半導体ウエハであり、前記処理するステップは、前記プラズマによって前記半導体ウエハをエッチングすることを含む、方法。
請求項１４に記載の方法であって、
前記処理するステップ中、前記上側電極は接地され、前記底部電極は通電される、方法。
請求項１４に記載の方法であって、
前記シャワーヘッド電極と受け板との間に熱膨張の差を生じさせる高温に前記シャワーヘッド電極および前記受け板を加熱することと、
前記シャワーヘッド電極を前記受け板に取りつけるロックピンの動きによって前記熱膨張に適合することと、を備える方法。
請求項７に記載のシャワーヘッド電極アセンブリのシャワーヘッド電極を交換する方法であって、
前記カムロックを解除して前記カムロックを前記ロックピンから切り離すことと、
前記シャワーヘッド電極を取り外すことと、
新しいまたは修復されたシャワーヘッド電極のロックピンを前記受け板内の前記軸方向孔に位置合わせすることと、
前記カムロックを回転させて前記ロックピンの前記ヘッドに係合させることと、を備える方法。