JPH08236295A - プラズマリアクタ用の冷却されたガス分配システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、プラズマリアクタ等と共に使用す
るガス分配システムの電極冷却特性を改良することを目
的とする。 【解決手段】 電極は底部プレート11と上部プレート14
とを備え、底部プレート11は第１の表面の環状の開口12
と、環状の開口12と第２の表面との間に配置されたガス
出口パターン13とを有し、固体の熱伝導部材で構成さ
れ、上部プレート14は底部プレート11の環状の開口に隣
接して配置され電極を通ってガス流を分配するガス分配
マニホルドを構成しているガス分配溝25と、上部プレー
トの反対側の表面に設けられた熱交換器20を構成する複
数の熱交換器溝24と、ガスをガス分配マニホルドに供給
する手段とを具備し、さらに上部プレート14に隣接して
配置され、電極にプラズマガスを供給するプラズマガス
供給手段36と、冷却液入口34および冷却液出口35を備え
た電極ホルダ14とを具備していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマリアクタ
のためのガス分配システムに関し、特に、プラズマリア
クタと共に使用される冷却されたガス分配システムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関する最も近い先行技術は、本
発明の出願人によって使用されたウエハを処理するため
のプラズマリアクタにおいて使用される電極である。こ
の先行技術によるシステムにおいて、比較的長い電極ホ
ルダは、電極の活性（プラズマ接触）表面から約１．５
インチ離れて配置された簡単な熱交換器に電極を接続し
ている。電極装置は、電極ホルダに圧力ばめされる。電
極それ自体は、ガス流をプラズマに流す小さい環状のリ
ングを生成するような方法で一緒に圧力ばめされる幾つ
かの正確に機械加工された素子を含んでいる。ガス流
は、圧力ばめによって形成された際に環状リングの面積
比の関数としてのみ制御される。

【０００３】プラズマによって発生された熱は、電極の
圧力ばめされた素子を通して電極ホルダに移動され、最
終的に熱交換器に移動されることによって取除かれなけ
ればならないので、環状リングはエッチングの期間中に
移動する可能性がある。この曲がった熱通路によって、
電極を通して大きい熱の勾配が生成され、電極を構成し
ている金属を膨脹させ、それによって、製造中に形成さ
れた環状部をシフトさせ、もしくはウエハ処理期間中に
プラズマへのガス流の分布を変化させる。プラズマリア
クタにおいて使用されたそのような電極の最近の故障
は、圧力ばめされた素子の部分的な融着であった。これ
は、初期には、電極中に存在している非常に大きい熱勾
配に起因すると考えられてきた。

【０００４】プラズマリアクタのための別のガス分配シ
ステムは、ガス分配システム用の焼結シリコンカーバイ
ド電極を使用する。この設計の別の見地は、上述のもの
と同一である。しかしながら、この焼結シリコンカーバ
イド電極の使用によって、ウエハ処理の期間中の電極の
冷却を効果的でないものにしてしまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】それ故に、本発明の目
的は、プラズマリアクタ等によって使用するための改良
された冷却されたガス分配システムを提供することであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述およびその他の目的
を満たすために、本発明は、プラズマリアクタにおいて
使用するための冷却されたガス分配システムすなわち電
極を提供する。本発明は、高性能の小型熱交換器および
ガス分配マニホルドをプラズマガス分配システムすなわ
ち電極の内部に組み入れる。この設計において、電極の
上部に小型の熱交換器が配置され、それによって、プラ
ズマによって発生された熱は、電極を通しての熱勾配を
最小にしながら効果的に取除かれる。さらに、電極は、
熱移動通路において圧力ばめされた素子によって生成さ
れた熱接触伝導を排除する方法で構成され、それによっ
て、熱勾配はさらに減少する。

【０００７】小型熱交換器は、プラズマによって発生さ
れた任意の熱負荷のために特別注文で設計される。電極
におけるガスの分配は、生産技術者によって所望された
電極を通る任意のガス分配プロフィールを提供するよう
に設計され、それは、それに制限されるものではない
が、電極の種々の部分を通した流量の変化を含んでい
る。このことによって、生産技術者は、プラズマ加工装
置の形状を注文で特製することができる。従来技術によ
るシステムにおいて、加工装置の形状はガス流の関数で
あり、容易に特製することはできなかった。

【０００８】本発明の優れた特徴は、熱発生プラズマの
すぐ近くで小型熱交換器を使用することと、プラズマの
形状を特製できる電極におけるガス分配プロフィール
と、熱交換器への熱接触伝導がないことである。プラズ
マから熱交換器への熱の移動は、確実な伝導によって行
われる。

【０００９】本発明の種々の特徴および利点は、添付さ
れた図面に関連した以下の詳細な説明から容易に理解さ
れるであろう。図において、同一の参照番号は同一の構
成素子を示している。

【００１０】

【発明の実施の形態】図面を参照すると、図１におい
て、本発明の原理に従った冷却されたガス分配システム
10、すなわち電極10の平面図が示されている。図２にお
いて、図１の線２−２に沿って切り取った図１の電極10
の断面図が示されており、図３において、電極10の一部
分の拡大された断面図が示されている。電極10は、本発
明の出願人によって使用されたプラズマリアクタにおい
て現在使用されているＲＦヘッド（図示されていない）
に適合する３つの別個の部品で構成されている。電極10
は、３つの素子で構成されており、それらは、ディフュ
ーザ30を具備している底部プレート11と、熱交換器20お
よびガス分配マニホルド20a を具備している上部プレー
ト14と、フィードスルー部材15を具備している電極ホル
ダ40である。

【００１１】電極ホルダ40は、ＲＦヘッド上に配置され
た（図示されていない）結合部材にインターフェイスす
るために使用されるその上部表面上に配置された複数の
溝41を有している。複数のねじ穴46は、電極ホルダ40を
リアクタ上の結合部材に固定するように使用されるため
に設けられている。フィードスルー部材15および電極ホ
ルダ40は、冷却液入口34、冷却液出口35、およびプラズ
マガス供給手段36を含むそこに配置された複数のチャン
ネルを含んでいる。複数のプラグ42は、電極ホルダ40の
周縁部において冷却液入口34および出口35をシールする
ためにそれらに挿入される。熱交換器20およびガス分配
マニホルド20a を具備している上部プレート14は、そこ
を通って配置された開口19を有しており、それは、ガス
マニホルド溝25すなわちガス分配溝25に結合されてガス
分配マニホルド20a を形成している。

【００１２】図３を参照すると、フィードスルー部材15
と、上部プレート14と、底部プレート11との間のインタ
ーフェイスの詳細を示す電極10の一部分の拡大された断
面図が示されている。冷却液入口34および冷却液出口35
は、上部プレート14の上部表面において形成された熱交
換器溝24にインターフェイスする。プラズマガスポート
36は、プラズマガスをガスマニホルド溝25またはガス分
配溝25に結合してガス分配マニホルド20a を形成する上
部プレート14に配置された開口19とインターフェイスす
る。上部プレート14の底部表面から突出している突起物
すなわちピン26は、底部プレート11の上部表面に配置さ
れた穴27と結合する。突起物すなわちピン26は、表面の
整列のために設けられている。

【００１３】明瞭にするために、図４乃至６はディフュ
ーザ30を具備している底部プレート11の詳細を示してお
り、図７乃至１０は熱交換器20およびガス分配マニホル
ド20a を具備している上部プレート14の詳細を示してい
る。図４は底部プレート11の斜視図を示しており、図５
は底部プレート11の平面図を示しており、図６は図５の
線６−６に沿って切り取った底部プレート11の断面図を
示している。

【００１４】特に、図４乃至６を参照すると、底部プレ
ート11は、底部プレート11の一表面において形成された
第１の複数の開口12を具備している。第１の複数の開口
12は、例えば図４において示されているように、環状の
溝12から構成されている。第１の複数の開口12は、第２
の開口13もしくは複数の開口13と結合してガス出口パタ
ーン21を形成する。

【００１５】図７乃至１０を参照すると、図７は上部プ
レート14の斜視図を示しており、図８は上部プレート14
の平面図を示しており、図９は図８の線９−９に沿って
切り取った上部プレート14の断面図を示しており、図１
０は底部プレート14の底面図を示している。上部プレー
ト14は、熱交換器20およびガス分配マニホルド20a を具
備している。上部プレート14は、その上部表面に形成さ
れた熱交換器溝24を具備している。開口19は貫通して設
けられ、ガスマニホルド溝25もしくはガス分配溝25に結
合され、それによって、ガス分配マニホルド20a を形成
する。図９において、ガス分配マニホルド20a を形成す
る熱交換器溝24およびガス分配溝25の断面図を表してい
る上部プレート14の詳細が示されている。図１０におい
て、底部プレート11にインターフェイスするガス分配溝
25およびガス分配マニホルド20aが示されている。

【００１６】実際において、電極10は、環状の溝12を構
成している環状の開口12を機械加工することによって、
リアクタのプラズマ化学と両立する固体部材の熱伝導材
料に形成され、それによって電極の底部プレート11が形
成される。環状の溝12は、電極10を通して行われる所望
されたガスの分配と調和する所望された任意の幅および
標準的な工場における実用形態のものでよいが、本発明
の具体的な実施形態では、環状の溝12の寸法は幅０．０
２０インチである。環状の溝12は、電極10において要求
された流れに分配できるように任意のパターンに形成さ
れる。環状の溝12は、電極10の底部（動作する側）上に
残留している材料の厚さが約０．０２乃至０．０４イン
チになるような深さまで機械加工される。

【００１７】底部プレート11の底部部分のこの厚さは、
ガス出口パターン21をこの表面に機械加工する能力に基
づいて決定される。ガス出口パターン21は、例えば最大
約０．００５インチの寸法の多重溝13、穴13、スロット
13、もしくは環状溝13で構成されている。この開示の目
的のために、環状溝13が図示されている。ガス出口パタ
ーン21を形成する第２の開口13は、０．００５インチの
幅を有し、連続的な環状溝13として０．０２５乃至０．
０５０インチの深さまで機械加工されたスロット13で構
成されており、それによってガスは均一に排出される。
電極10の底部プレート11の寸法は、電極10の底部プレー
ト11への出口パターン21（溝13、穴13、スロット13、ま
たは環状溝13）の機械加工を容易にするために上述のレ
ベルに維持される。

【００１８】電極10の上部プレート14は、２組の溝25,2
4 を含んでいる。ガス分配溝25を構成している一方の組
の溝25はガスの分配に使用され、他方の組の溝24もしく
は熱交換器溝24は、熱交換器20を形成する。ガス分配溝
25は、上部プレート14の底部表面に切り込まれている。
ガス分配溝25は、要求されたように電極10を通して制御
されたガス流を分配する小型のガス分配マニホルド20a
を形成する。ガス分配溝25の寸法および形状は、要求さ
れたように電極10全体にわたってガス流を制御および配
達するために注文で特製される。熱交換器20の設計は、
本発明の出願人に譲渡されたWilliam D.Taylorによる米
国特許第5,209,291 号および米国特許第5,168,924 号に
開示された冷却された光学技術に基づいている。

【００１９】熱交換器20は、熱交換器溝24を上部プレー
ト14の上部表面に切り込むことによって形成される。熱
交換器溝24は、要求されたように上部表面全体を覆い、
それによって、電極10が十分に冷却される。

【００２０】開口19は、プラズマガスがガス分配マニホ
ルド20a に供給されるように上部プレート14を貫通して
設けられる。開口19は、上部プレート14に機械加工され
るねじタップまたはその他のパイプコネクタ等のコネク
タか、もしくは上部プレート14にろう付けまたははんだ
付けされるコネクタもしくはその他の部品によって設け
られる。本発明の具体的な１実施例において、素子は一
緒にろう付けされる。素子を一緒にろう付けすることに
よって、上部プレート14の上部表面が電極ホルダ40にシ
ールされ、熱交換器20内に冷却液が収容される。

【００２１】電極ホルダ40は、上述の従来の技術のセク
ションにおいて説明された設計とほぼ同じである。ねじ
込みもしくはその他の適切な接続はプラズマガスポート
36に結合するために行われ、機械加工された表面は熱交
換器20にシールするために設けられる。冷却液入口34お
よび冷却液出口35は、電極ホルダ40を通して設けられ
る。冷却液入口34および冷却液出口35は、熱交換器20に
冷却液流を適切に分配するように設計されている。

【００２２】電極10の上部および下部プレート14,11
は、電極10の動作表面から熱交換器20に固体熱伝導を行
うために、一緒にろう付け、はんだ付け、もしくは接着
される。一度完成し、電極10がろう付け、接着、および
溶接等によって電極ホルダ40に取付けられると、熱交換
器20はシールされる。その後、このサブ・アセンブリは
ＲＦヘッドに固定され、それはその後、プラズマリアク
タに設置される。

【００２３】本発明は、熱発生プラズマのすぐ近くに小
型の熱交換器20を配置し、プラズマの形を特製する電極
10におけるガス分配プロフィールを提供する。本発明
は、半導体ウエハの平坦化に使用されることもできる。
本発明による冷却された電極10はまた、多量の電力が電
極10から取除かれなければならないときに別のプラズマ
エッチング用に使用される。

【００２４】以上、プラズマリアクタにより使用される
最新の改良された冷却されたガス分配システムが説明さ
れてきた。上述の実施形態は、単に本発明の原理の応用
を表す多数の特定の実施形態の幾つかを示しているだけ
であることを理解すべきである。多数のその他の配置が
本発明の技術的範囲から逸脱せずに当業者によって容易
に発明され得ることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理による冷却されたガス分配システ
ムすなわち電極の平面図。

【図２】図１の線２−２に沿って切取られた図１の電極
の断面図。

【図３】図１の電極の一部分の拡大された断面図。

【図４】図１の電極の底部プレートの斜視図。

【図５】図４の底部プレートの平面図。

【図６】図５の線６−６に沿って切取られた図４の底部
プレートの断面図。

【図７】図１の電極の上部プレートの斜視図。

【図８】図１の電極の上部プレートの平面図。

【図９】図８の線９−９に沿って切取られた図８のプレ
ートの断面図。

【図１０】図７の底部プレートの底面図。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマリアクタで使用される電極にお
   いて、 その第１の表面に配置された環状の開口と、環状の開口
   と第２の表面との間に配置されたガス出口パターンとを
   有している固体の熱伝導部材を具備している底部プレー
   トと、 底部プレートの環状の開口に隣接して配置され、電極を
   通して制御可能にガス流を分配するためのガス分配マニ
   ホルドを構成している１組のガス分配溝と、上部プレー
   トの反対側の表面に隣接して配置され、熱交換器を構成
   している複数の熱交換器溝と、ガスをガス分配マニホル
   ドに供給する手段とを具備している上部プレートと、 上部プレートのガス分配溝に隣接して配置され、電極に
   プラズマガスを供給するプラズマガス供給手段と、熱交
   換器を通して冷却液を結合する冷却液入口および冷却液
   出口とを有している電極ホルダとを具備していることを
   特徴とするプラズマリアクタ用の電極。
2. 【請求項２】 環状の開口は、電極の底部の動作する側
   に残存している材料が予め定められた厚さを有するよう
   に予め定められた深さに機械加工された溝を具備してい
   る請求項１記載の電極。
3. 【請求項３】 ガス出口パターンは、多数の溝で構成さ
   れている請求項１記載の電極。
4. 【請求項４】 ガス出口パターンは、多数の穴で構成さ
   れている請求項１記載の電極。
5. 【請求項５】 ガス出口パターンは、多数のスロットで
   構成されている請求項１記載の電極。
6. 【請求項６】 ガス出口パターンは、多数の環状溝で構
   成されている請求項１記載の電極。