JP5721132B2 - 真空処理装置用シャワーヘッド・アセンブリ及び真空処理装置用シャワーヘッド・アセンブリを真空処理チャンバに締結する方法 - Google Patents

真空処理装置用シャワーヘッド・アセンブリ及び真空処理装置用シャワーヘッド・アセンブリを真空処理チャンバに締結する方法 Download PDF

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Description

本発明は、基板もしくはその他のワークピースのエッチングもしくはそれらの上での薄膜形成に使用されるプラズマ・チャンバ等の真空処理装置に関する。
半導体、フラット・パネル・ディスプレイ、ソーラー・パネル等の分野における製造処理は、真空チャンバでの処理を含む。たとえば、薄膜を基板（ワークピース）上に形成し基板上の構造物をエッチングするためのプラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、プラズマ・エッチング、及びその他の多様な処理に真空チャンバは使用される。そのようなチャンバでは、噴射器（ｉｎｊｅｃｔｏｒ）又はシャワーヘッドを介してチャンバに多様なガスが流入される。大型のチャンバでプラズマ処理を均一に行うには、噴射器よりもシャワーヘッドが好ましい。一般的に、シャワーヘッドはチャンバの天井のほぼ全体を覆うので、均一な量のガスがチャンバ内のいずれの場所へも噴射される。
ガスをチャンバに流入させながら、無線周波数又はマイクロ波エネルギーを使用してプラズマを点火し、維持する。これにより、チャンバが加熱される。また、多くの処理において能動的ヒーター（ａｃｔｉｖｅ ｈｅａｔｅｒ）を使用して基板を加熱するので、チャンバがさらに加熱される。もちろん、処理済みの基板をチャンバから取り出して新しい基板をチャンバに搬入するときには、プラズマを再び点火するまではチャンバは冷たくなる。これらの温度変化によってチャンバの多様な部品が膨張・収縮する。異なる材料で形成された部品は、異なる速度で膨張・収縮する。また、大型チャンバの大型の部品は大幅に膨張する。このことは、特に、フラット・パネル・ディスプレイもしくは太陽電池の製造に使用されるチャンバ等の大型処理チャンバのシャワーヘッドについて当てはまる。
以下の発明の開示は、本発明のいくつかの観点及び特徴について基本的な理解を得られるようにするべく含められている。本発明の開示は、本発明を広範囲に概観したものでなく、したがって本発明の主要もしくは重要な要素を詳細に特定し、本発明の範囲を詳細に記載することを意図していない。本発明の開示の唯一の目的は、以下に提示するより詳細な記載の前段階として、本発明のいくつかのコンセプトを簡易な形式で提示することである。
本発明の実施形態は、熱膨張・収縮に対処した真空処理チャンバを提供する。本発明の特定の実施形態では、チャンバ・ボディに構造的応力を与えたり、ガスシールを破壊したりすることなく熱膨張・収縮することができるシャワーヘッドを備えるプラズマ処理チャンバを提供する。
本発明の実施形態では、シャワーヘッド・アセンブリがシャワーヘッドを一箇所で固定し、その一方でその他の箇所ではシャワーヘッドを摺動させて熱膨張・収縮させるプラズマ・チャンバが提供される。別の実施形態では、固定をせず、シャワーヘッドはガスシールを維持しつつあらゆる方向に摺動し得る。
本発明の実施形態では、チャンバ・ボディと、チャンバ・ボディの上部に結合されたシャワーヘッド・アセンブリとを含む真空処理チャンバが提供される。シャワーヘッド・アセンブリは、チャンバ・ボディに堅固に取り付けられたバック・プレートと、複数の楕円形孔を有する穿孔（ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ）されたシャワーヘッド・プレートと、シャワーヘッド・プレートをバック・プレートの主平面に対し摺動可能に取り付け、それにより、シャワーヘッド・プレートとバック・プレートとの間にガスシールが維持されているときにシャワーヘッド・プレートをバック・プレートに対して摺動可能にする複数の締結アセンブリとを含む。一実施形態では、少なくとも一つのボルトにより、シャワーヘッド・プレートがバック・プレートに堅固に取り付けられる。
本発明の実施形態では、シャワーヘッド・アセンブリを真空処理チャンバに締結する方法が提供される。方法は、バック・プレートを真空処理チャンバに固定的に取り付け、複数の締結アセンブリを使用して穿孔されたシャワーヘッド・プレートをバック・プレートに結合することにより穿孔されたシャワーヘッド・プレートをバック・プレートの主平面に対し摺動可能に取り付け、穿孔されたシャワーヘッド・プレートとバック・プレートとの間にガスシールを提供する。一実施形態では、方法は、さらに、穿孔されたシャワーヘッド・プレートの少なくとも一箇所をバック・プレートに固定的に取り付ける。
本発明のその他の観点や特徴は、本明細書に記載され、添付の特許請求の範囲において請求される本発明の範囲及び趣旨に含まれる多様な実施形態についての記載から明らかになるであろう。
本明細書に組み込まれその一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、記載とともに、本発明の原理を説明・解説する。図面は、図示により模範的実施形態の主要な特徴を示すよう意図される。図面は、実際の実施形態の全特徴や図示される要素の相対寸法を示すようには意図されておらず、一定の縮尺で示されていない。
本発明の実施形態を実施したプラズマ処理チャンバの主要な要素を示す図である。 本発明の実施形態に係る、シャワーヘッドの一方の側を固定する一例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る、シャワーヘッドの一方の側を浮遊させる一例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る浮遊機構を示す分解図である。 組み立てられた浮遊取り付け部材の等角図である。 カバー・プレート１７６の下面を示す下部正面図（ｌｏｗｅｒ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）である。 本発明の別の実施形態に係る摺動締結機構を示す。 本発明の実施形態に係るバック・プレート及びシャワーヘッド・プレートの下部正面図（ｂｏｔｔｏｍ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｖｉｅｗ）である。 本発明の実施形態に係るバック・プレート及びシャワーヘッド・プレートの下部正面図（ｂｏｔｔｏｍ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｖｉｅｗ）である。
図１は、本発明の実施形態を実施したプラズマ処理チャンバ１００の主要な要素を示す図である。チャンバ１００は、全体的にアルミニウム、ステンレス鋼等の金属で形成されたチャンバ・ボディ１０２を含む。一枚以上の基板を保持するために台座１０５が設けられる。台座１０５は、サセプタ、チャック、及び／又はヒーターを支持してよい。台座はリフト機構１１５に装着されてよく、それにより台座は図示の位置に下降されてバルブ１１０を介して基板をロードされ、その後、処理のために上昇される。チャンバは、バック・プレート１２５に取り付けられたシャワーヘッド・プレート１２０を含むシャワーヘッド・アセンブリを、その上部に有する。バック・プレート１２５は、チャンバ・ボディ１０２に密着されている。ソース１３０から導管１３５を通じてガスがシャワーヘッドに供給される。シャワーヘッド・プレート１２０は、ガスをチャンバへと分散可能にする多数の孔（ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎｓ）を有する。
図２は、本発明の実施形態に係る、シャワーヘッド・プレート１２０の一箇所をバック・プレート１２５に固定する一例を示す断面図である。本発明の実施形態によると、シャワーヘッド・プレート１２０の少なくとも一箇所がバック・プレート１２５に固定され、ガス漏洩を回避するべくシャワーヘッド・プレート１２０はバック・プレート１２５に密閉され、当該箇所においてシャワーヘッド・プレート１２０はバック・プレート１２５に対して移動不可能となっている。この箇所は、たとえば、シャワーヘッド・プレートの角の１つ又はシャワーヘッド・プレートの中心であってよい。図２は、シャワーヘッド・プレートの１つの角において固定する例を示している。
他方、図３は、本発明の実施形態に係る、シャワーヘッドをバック・プレートに摺動可能に取り付けるべく使用される摺動締結アセンブリの例を示す。つまり、この実施形態では、シャワーヘッド・プレート１２０の少なくとも直径方向の正反対の側がバック・プレート１２５に浮遊するように取り付けられ、シャワーヘッド・プレート１２０はバック・プレート１２５に密閉されるが、その箇所においてバック・プレート１２５に対して摺動可能となっている。このようにすることで、シャワーヘッド・プレート１２０の膨張・収縮が可能となる。なぜなら、シャワーヘッド・プレート１２０は、バック・プレート１２５に対する密閉を維持してシャワーヘッド・プレートとバック・プレートとの間からの処理ガスの漏洩を回避する一方で、なおかつバック・プレート１２５に対して摺動自在であるからである。
図２及び図３に示すように、シャワーヘッド・プレート１２０とバック・プレート１２５との間にＯリング１４０が設けられており、シャワーヘッド・プレート１２０とバック・プレート１２５との間にガスシールが提供されている。また、シャワーヘッド・プレート１２０とバック・プレート１２５との間にはＴｅｆｌｏｎブロック（Ｔｅｆｌｏｎは登録商標）もしくはスペーサ１４５が設けられており、これによりシャワーヘッド・プレート１２０とバック・プレート１２５との間に小さい隙間が維持され、これらが互いに摺動可能となっている。図２では、シャワーヘッド・プレート１２０は、ボルト１５０と座金１５５を使用してバック・プレート１２５にしっかりと螺締されている。ボルト１５０を覆うカバー１６０が設けられている。
図３は、ガスは密閉可能とする一方で熱膨張・収縮が生じた場合にシャワーヘッド・プレート１２０を摺動させることができるようにシャワーヘッド・プレート１２０をバック・プレート１２５に取り付けるべく使用される摺動締結アセンブリを示す。図２では、ボルト１５０を収容するのに十分なだけの直径を有する孔１５２がシャワーヘッド・プレートに形成されている。一方、図３に示す摺動締結アセンブリのためには、孔１５４は楕円形とされ、段差１５６を有している。挿入部材１７０が孔１５４には挿入されており、段差１５６に着座されている。挿入部材はセラミックもしくはその他の材料で形成されてよい。
図４は、本発明の一実施形態に係る摺動締結機構の分解図である。図４に示すように、挿入部材１７０は、直径がボルト１５０の直径よりもわずかに大きく、形状が楕円形である孔１７２を有する。また、図４に示すように、挿入部材１７０はキー１７１を有しており、これにより挿入部材１７０を孔１５４に挿入し得る方向が一つだけとなり、楕円形孔１７２の長軸が当該箇所でのシャワーヘッド・プレート１２０の膨張の方向となるようになっている。
挿入部材１７０の上には摺動プレート１７３が設けられている。摺動プレート１７３は４つの楕円形孔１７４を有しており、これらも摺動方向に方向付けられている。各孔には玉１７５が挿入されている。各玉１７５は各々の楕円形孔１７４の中を自由に走行可能である。摺動プレート１７３及び玉１７５のアセンブリを覆うようにカバー・プレート１７６が設けられている。本質として、挿入部材１７０、摺動プレート１７３、玉１７５、及びカバー・プレート１７６により「線形」の玉軸受け構成が形成されることは理解されよう。任意に２つの座金１７７、１７８がカバー・プレート１７６を覆うように設けられており、ボルト１５０によりこれら全アセンブリがバック・プレート１２５に締め付けられている。理解され得るように、ボルト１５０が正常に締められている状態では、シャワーヘッド・プレート１２０はバック・プレート１２５に密閉されることが可能であるが、バック・プレート１２５に対して摺動することにより膨張することも可能である。この状態にあるとき、シャワーヘッド・プレート１２０及び挿入部材１７０のアセンブリは玉１７５に「乗って」いる。なぜなら挿入部材１７０に設けられる孔１７２が膨張運動方向に楕円形であるからである。この実施形態では、ボルト１５０以外の全部品はセラミックで形成されるが、アルミニウム、陽極酸化アルミ、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）等、その他の材料を多様な部品に使用してよい。
図５は、ボルト１５０が座金１７７／１７８、カバー・プレート１７６、摺動プレート１７３、及び挿入部材１７０に挿入された状態の摺動締結構成の全体を示す。このアセンブリの全体が図３に示す孔１５４に挿入され、ボルトが締められてＯリング１４０とともにシールを形成するが、Ｔｅｆｌｏｎブロックによりシャワーヘッド・プレート１２０の摺動が可能となっている。
図６は、カバー・プレート１７６の下面を示す下部正面図（ｌｏｗｅｒ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）である。図６に示すように、一実施形態において、カバー・プレートの下面には４つの案内溝が設けられており、玉１７５が案内溝に規定される一つの直線方向に自由に転がることができる。
図７は、本発明の別の実施形態に係る摺動締結機構を示す。この実施形態に係る摺動締結機構は、玉１７５が取り除かれ摺動が単純な摩擦により可能となる点以外は図３及び図４に示すものに類似している。一実施形態では、カバー１７６は挿入部材１７０に「乗って」おり、それらの互いに対する摺動は界面１７５’で発生する。別の実施形態では、界面１７５’を形成するカバー１７６及び挿入部材１７０それぞれの面は、摩擦を低減させ、摺動により生じる粒子の発生を回避もしくは低減させるべく処理される。これは、たとえばこれらの面に、たとえばＴｅｆｌｏｎ（登録商標）を塗布したり、陽極酸化を施したりすること等により実行できる。さらに別の実施形態では、Ｔｅｆｌｏｎ等の平滑な材料で形成されるディスクが界面１７５’に設けられる。
別の実施形態では、シャワーヘッド・プレートはバック・プレートに固定的に取り付けられない。むしろ、複数の摺動締結アセンブリを使用してシャワーヘッド・プレートをバック・プレートに取り付け、シャワーヘッド・プレートがあらゆる方向に膨張自在とされる。しかし、複数の摺動締結アセンブリは、シャワーヘッド・プレートの膨張又は収縮にも拘わらずシャワーヘッド・プレートの中心が同一の位置に存続するように方向付けられる。これは、図８Ａ及び図８Ｂに示される。
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の実施形態に係るバック・プレート１２５（破線により示される）及びシャワーヘッド・プレート１２０の下部正面図（ｂｏｔｔｏｍ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｖｉｅｗｓ）である。破線矢印は、シャワーヘッド・プレートの中心から放射状に延び、締結アセンブリが設けられる各箇所の中心を通る直線方向を示す。図示されるように、締結アセンブリの各楕円形孔１５４は、その長軸が、シャワーヘッド・プレートの中心から放射状に延びる直線に沿って存在するように方向付けられる。上記したように、各挿入部材１７０はキーを有しており、挿入部材１７０が孔１５４に挿入されたときにその楕円形孔１７２の長軸もがシャワーヘッド・プレートの中心から放射状に延びる直線に沿って方向付けられるような方向付けとされる。このようにすれば、締結アセンブリが設けられる各箇所において、シャワーヘッドは、シャワーヘッド・プレートの中心から放射状に延びて当該箇所を通る直線の方向に沿ってのみ摺動可能となる。したがって、シャワーヘッドは摺動することもしくは締結アセンブリに乗ることによりあらゆる方向に膨張・収縮することができるが、締結アセンブリの方向付けにより、シャワーヘッド・プレートの膨張・収縮にも拘わらずシャワーヘッドの中心は同一の位置に存続することが理解されよう。つまり、締結機構の方向付けにより、シャワーヘッド・プレートの、放射状の膨張・収縮以外の回転もしくは平行移動が防止される。
図８Ａは、膨張位置にあるシャワーヘッド・プレートを示す。図示されるように、ボルト１５０が楕円形孔１５４の放射方向内側に位置するまでにシャワーヘッド・プレートは膨張している。反対に、収縮位置を示す図８Ｂでは、ボルト１５０は楕円形孔１５４の放射方向外側に示されている。
本発明をその特定的実施形態を参照して記載したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。特に、多様な変更及び改良が、当業者により、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく実施され得る。また、上に引用した従来技術文献の全てを参照として本明細書に取り込む。

Claims (19)

  1. チャンバ・ボディと、
    前記チャンバ・ボディの上部に結合されるシャワーヘッド・アセンブリと
    を含む真空処理チャンバであって、
    前記シャワーヘッド・アセンブリは、
    前記チャンバ・ボディに堅固に取り付けられたバック・プレートと、
    穿孔（ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ）されたシャワーヘッド・プレートと、
    前記シャワーヘッド・プレートが前記バック・プレートの主平面に対して摺動するように、前記シャワーヘッド・プレートを前記バック・プレートに摺動可能に締結する複数の締結アセンブリと
    を含み、
    前記シャワーヘッド・プレートと前記バック・プレートとの間に設けられたＯリングを含むガスシールが維持される
    ことを特徴とする真空処理チャンバ。
  2. 前記穿孔されたシャワーヘッド・プレートは、その周縁に複数の楕円形孔を有し、
    前記複数の締結アセンブリは、前記複数の楕円形孔にそれぞれ挿入される
    ことを特徴とする請求項１に記載の真空処理チャンバ。
  3. 前記シャワーヘッド・アセンブリは、前記シャワーヘッド・プレートと前記バック・プレートとの間に設けられたスペーサをさらに含み、それにより、前記シャワーヘッド・プレートと前記バック・プレートとの間に小さい隙間を維持する
    ことを特徴とする請求項１に記載の真空処理チャンバ。
  4. 前記シャワーヘッド・プレートは、円形孔と、前記円形孔を貫通して前記シャワーヘッド・プレートを前記バック・プレートに固定的に締結するボルトとをさらに含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の真空処理チャンバ。
  5. 前記複数の楕円形孔のそれぞれは、その長軸が前記シャワーヘッド・プレートの中心から放射状に延びて当該楕円形孔を通る直線に沿って存在するように方向付けられている
    ことを特徴とする請求項２に記載の真空処理チャンバ。
  6. 前記締結アセンブリのそれぞれは、前記締結アセンブリが前記楕円形孔の内部に着座されるときに唯一つの方向付けだけを可能とするキーを有する
    ことを特徴とする請求項５に記載の真空処理チャンバ。
  7. 前記締結アセンブリのそれぞれは、玉軸受けアセンブリと、前記玉軸受けアセンブリを貫通するボルトとを含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の真空処理チャンバ。
  8. 前記玉軸受けアセンブリは、
    楕円形孔を有する挿入部材と、
    複数の非円形孔を有する摺動プレートと、
    それぞれが前記非円形孔の一つに対して設けられる複数の玉と、
    円形の穴を有するカバー・プレートと
    を含むことを特徴とする請求項７に記載の真空処理チャンバ。
  9. 前記挿入部材は、前記シャワーヘッド・プレートの前記楕円形孔のうち一つの内部において前記挿入部材を方向付けるキーをさらに有する
    ことを特徴とする請求項８に記載の真空処理チャンバ。
  10. 前記挿入部材、前記摺動プレート、前記複数の玉、及び前記カバー・プレートの少なくとも一つがセラミックで形成される
    ことを特徴とする請求項８に記載の真空処理チャンバ。
  11. 前記締結アセンブリを覆う覆いプレートをさらに含む
    ことを特徴とする請求項７に記載の真空処理チャンバ。
  12. 前記締結アセンブリのそれぞれは、
    楕円形孔及び摺動面を有する挿入部材と、
    前記摺動面に対面する合わせ面を有するカバー・プレートと、
    前記挿入部材及び前記カバー・プレートを貫通するボルトと
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の真空処理チャンバ。
  13. 前記締結アセンブリのそれぞれは、前記挿入部材と前記カバー・プレートとの間に挿入された摺動プレートをさらに含む
    ことを特徴とする請求項１２に記載の真空処理チャンバ。
  14. 前記摺動プレートはＴｅｆｌｏｎのプレートを含む
    ことを特徴とする請求項１３に記載の真空処理チャンバ。
  15. シャワーヘッド・アセンブリを真空処理チャンバに締結する方法であって、
    バック・プレートを前記真空処理チャンバに固定的に取り付け、
    複数の締結アセンブリを使用して、穿孔されたシャワーヘッド・プレートを前記バック・プレートに結合することにより、前記穿孔されたシャワーヘッド・プレートを前記バック・プレートの主平面に対し摺動可能に取り付け、
    前記穿孔されたシャワーヘッド・プレートと前記バック・プレートとの間にＯリングを含むガスシールを提供する
    ことを特徴とする方法。
  16. 前記摺動可能に取り付けることは、玉軸受けアセンブリを介して前記穿孔されたシャワーヘッド・プレートを前記バック・プレートに螺締すること含む
    ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. さらに、前記穿孔されたシャワーヘッド・プレートと前記バック・プレートとの間にスペーサを挿入する
    ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. さらに、前記玉軸受けアセンブリのそれぞれを、前記シャワーヘッド・プレートの中心から放射状に延びる仮想線と一直線になるように方向付ける
    ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  19. さらに、前記シャワーヘッド・プレートを前記バック・プレートに一箇所で固定的に取り付ける
    ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
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