KR20220081901A - 샤워 헤드의 제조 방법 및 샤워 헤드, 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

샤워 헤드의 제조 방법 및 샤워 헤드, 및 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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KR20220081901A
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요시히코 사사키
마사토 미나미
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 고온 사용시에 슬리브의 주위에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있는 샤워 헤드의 제조 방법 및 샤워 헤드, 및 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
[해결 수단] 기판에 플라즈마에 의한 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에서, 기판이 배치되고, 플라즈마가 생성되는 챔버 내의 플라즈마 생성 공간에, 플라즈마를 생성하기 위한 처리 가스를 토출하는 샤워 헤드를 제조하는 샤워 헤드의 제조 방법은, 본체부의 가스 토출 구멍을 갖는 부분을 구성하고, 슬리브 장착 구멍을 갖는 금속제의 기재를 준비하는 공정과, 기재의 슬리브 장착 구멍에, 그 내부에 가스 토출 구멍을 갖는 슬리브를 장착하는 공정과, 기재와 슬리브를 HIP 처리하고, 슬리브를 기재에 HIP 접합하는 공정과, 기재 및 슬리브의 챔버측의 면에 세라믹스제의 용사 피막을 형성하는 공정을 갖는다.

Description

샤워 헤드의 제조 방법 및 샤워 헤드, 및 플라즈마 처리 장치{METHOD FOR MANUFATURING SHOWER HEAD AND SHOWER HEAD, AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 개시는 샤워 헤드의 제조 방법 및 샤워 헤드, 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플랫 패널 디스플레이(FPD)의 제조 과정에서는, 피처리체인 유리 기판에 형성된 소정의 막에 플라즈마 에칭 등의 플라즈마 처리를 실시하여 미세 가공을 실시하는 것에 의해, 전극이나 배선 등을 형성하고 있다.
이와 같은 플라즈마 처리를 실행하는 플라즈마 처리 장치에서는, 챔버 내에 배치된 탑재대 상에 기판을 배치한 상태에서, 탑재대의 상방에 배치된 샤워 헤드로부터 처리 가스를 챔버 내에 토출시켜, 챔버 내에 플라즈마를 생성한다.
샤워 헤드는 알루미늄 등의 금속으로 형성되어 있으며, 또한 처리 가스나 플라즈마에 노출되기 때문에, 샤워 헤드에 대한 부식을 억제하는 기술이 여러 가지 제안되어 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는 샤워 헤드의 기재에 마련된 가스 토출 구멍의 출구측에 오목부를 형성하고, 그 오목부에 원통형상의 슬리브를 고정하고, 또한 기재의 플라즈마 생성 공간측의 표면을 덮도록 내플라즈마 피막을 형성하는 기술이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제 2017-22356 호 공보
본 개시는, 고온 사용시에 슬리브의 주위에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있는 샤워 헤드의 제조 방법 및 샤워 헤드, 및 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
본 개시의 일 실시형태에 따른 샤워 헤드의 제조 방법은, 기판에 플라즈마에 의한 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에서, 상기 기판이 배치되고, 플라즈마가 생성되는 챔버 내의 플라즈마 생성 공간에, 상기 플라즈마를 생성하기 위한 처리 가스를 토출하는 샤워 헤드를 제조하는 샤워 헤드의 제조 방법에 있어서, 상기 샤워 헤드는, 상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 구멍을 복수 갖는 본체부와, 상기 본체부 내에 마련되고, 상기 처리 가스가 도입되며, 상기 가스 토출 구멍에 연통하는 가스 확산 공간을 구비하고, 상기 본체부의 상기 가스 토출 구멍을 갖는 부분을 구성하며, 슬리브 장착 구멍을 복수 갖는 금속제의 기재를 준비하는 공정과, 상기 기재의 상기 슬리브 장착 구멍의 각각에, 그 내부에 상기 가스 토출 구멍을 갖는 슬리브를 장착하는 공정과, 상기 기재와 상기 슬리브를 HIP 처리하고, 상기 슬리브를 상기 기재에 HIP 접합하는 공정과, 상기 기재 및 상기 슬리브의 상기 플라즈마 생성 공간측의 면에 세라믹스제의 용사 피막을 형성하는 공정을 갖는다.
본 개시에 의하면, 고온 사용시에 슬리브의 주위에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있는 샤워 헤드의 제조 방법 및 샤워 헤드, 및 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
도 1은 제 1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 샤워 헤드의 본체부를 구성하는 가스 토출부의 일 부분을 도시하는 도면이다.
도 3은 샤워 헤드의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 4는 슬리브와 기재 사이에 간극이 생겼을 때에 발생하는 크랙을 도시하는 도면이다.
도 5는 기재와 슬리브의 가스 확산 공간측의 면 및 챔버측의 면의 경계 부분에 단차가 있는 경우를 도시하는 도면이다.
도 6은 제 2 실시형태의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 샤워 헤드의 본체부를 구성하는 가스 토출부의 일 부분을 도시하는 도면이다.
도 7은 도 2의 구조의 샤워 헤드의 가스 토출부에 대해, 슬리브를 종래와 같이 접착한 것과 HIP 접합한 것에 대해 내열성 시험을 실행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6의 구조의 샤워 헤드의 가스 토출부에 대해, 슬리브를 종래와 같이 접착한 것과 HIP 접합한 것에 대해 내열성 시험을 실행한 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 실시형태에 대해 설명한다.
<제 1 실시형태>
최초에 제 1 실시형태에 대해 설명한다.
도 1은 제 1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 도시하는 단면도이다.
도 1에 도시하는 플라즈마 처리 장치는 유도 결합 플라즈마 처리 장치로서 구성되며, 직사각형 기판, 예를 들면, FPD용 유리 기판 상에 박막 트랜지스터를 형성할 때의 금속막의 에칭에 바람직하게 이용할 수 있다.
이 유도 결합 플라즈마 처리 장치는 도전성 재료, 예를 들면, 내벽면이 양극 산화 처리된 알루미늄으로 이루어지는 각통형상의 기밀한 본체 용기(1)를 갖는다. 이 본체 용기(1)는 분해 가능하게 조립되어 있으며, 접지선(1a)에 의해 전기적으로 접지되어 있다.
본체 용기(1)는 본체 용기(1)와 절연되어 형성된 직사각형상의 샤워 헤드(2)에 의해 상하로 구획되어 있으며, 상측이 안테나실을 구획형성하는 안테나 용기(3)로 되어 있으며, 하측이 플라즈마 생성 공간(S)을 갖는 처리실을 구획형성하는 챔버(4)로 되어 있다. 샤워 헤드(2)는 금속창으로서 기능하며, 챔버(4)의 천장벽을 구성한다. 금속창이 되는 샤워 헤드(2)는, 주로, 비자성체로 도전성의 금속, 예를 들면 알루미늄(Al) 재료(Al 또는 Al 합금)로 구성된다.
안테나 용기(3)의 측벽(3a)과 챔버(4)의 측벽(4a) 사이에는, 본체 용기(1)의 내측으로 돌출되며, 샤워 헤드(2)를 지지하는 지지 선반(5)이 마련되어 있다. 지지 선반(5)은 도전성 재료, 바람직하게는 알루미늄 등의 금속으로 구성된다. 샤워 헤드(2)는 절연 부재(7)를 거쳐서 복수로 분할되어 구성되어 있다. 그리고, 복수로 분할된 샤워 헤드(2)의 분할 부분은, 복수 개의 서스펜더(도시하지 않음)에 의해, 본체 용기(1)의 천장에 매달린 상태로 되어 있다.
샤워 헤드(2)의 각 분할 부분은 본체부(50)와, 본체부(50)의 내부에 마련된 가스 확산 공간(버퍼)(51)을 갖고 있다. 본체부(50)는 베이스부(52)와, 가스 확산 공간(51)으로부터 챔버(4) 내의 플라즈마 생성 공간(S)으로 처리 가스를 토출하는 복수의 가스 토출 구멍(54)을 갖는 가스 토출부(53)를 갖고 있다. 가스 확산 공간(51)에는 처리 가스 공급 기구(20)로부터 가스 공급관(21)을 거쳐서 처리 가스가 도입된다. 가스 확산 공간(51)은 복수의 가스 토출 구멍(54)에 연통하며, 가스 확산 공간(51)으로부터 복수의 가스 토출 구멍(54)을 거쳐서 처리 가스가 토출된다. 또한, 베이스부(52)와 가스 토출부(53)는 일체여도 별체여도 좋다. 별체의 경우는 가스 토출부(53)는 샤워 플레이트로서 구성된다.
샤워 헤드(2) 상의 안테나 용기(3) 내에는, 샤워 헤드(2)의 플라즈마 생성 공간(S)측과는 반대측의 면에 면하도록 고주파 안테나(13)가 배치되어 있다. 고주파 안테나(13)는 도전성 재료, 예를 들면 구리 등으로 이루어지며, 절연 부재로 이루어지는 스페이서(도시하지 않음)에 의해 샤워 헤드(2)로부터 이격되어 배치되어 있으며, 직사각형상의 샤워 헤드(2)에 대응하는 면내에서, 예를 들면 소용돌이 형상으로 형성된다. 또한, 환상으로 형성되어 있어도 좋으며, 고주파 안테나(13)를 구성하는 안테나선은 1개여도 복수 개여도 좋다.
고주파 안테나(13)에는, 급전선(16), 정합기(17)를 거쳐서 제 1 고주파 전원(18)이 접속되어 있다. 그리고, 플라즈마 처리를 하는 동안, 고주파 안테나(13)에 제 1 고주파 전원(18)으로부터 연장되는 급전선(16)을 거쳐서, 예를 들면 13.56㎒의 고주파 전력이 공급된다. 이에 의해, 후술하는 바와 같이, 금속창으로서 기능하는 샤워 헤드(2)에 야기되는 루프 전류를 거쳐서, 챔버(4) 내에 유도 전계가 형성된다. 그리고, 이 유도 전계에 의해, 챔버(4) 내의 샤워 헤드(2) 바로 아래의 플라즈마 생성 공간(S)에 있어서, 샤워 헤드(2)로부터 공급된 처리 가스가 플라즈마화되어, 유도 결합 플라즈마가 생성된다. 즉, 고주파 안테나(13) 및 제 1 고주파 전원(18)이 플라즈마 생성 기구로서 기능한다.
챔버(4) 내의 바닥부에는, 샤워 헤드(2)를 사이에 두고 고주파 안테나(13)와 대향하도록, 피처리 기판으로서, 직사각형상의 FPD용 유리 기판(이하, 간략히 "기판"이라 기재함)(G)을 탑재하기 위한 탑재대(23)가 절연체 부재(24)를 거쳐서 고정되어 있다. 탑재대(23)는 도전성 재료, 예를 들면, 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄으로 구성되어 있다. 탑재대(23)에 탑재된 기판(G)은 정전 척(도시하지 않음)에 의해 흡착 보지된다.
탑재대(23)의 상부 주연부에는 절연성의 실드 링(25a)이 마련되며, 탑재대(23)의 둘레면에는 절연 링(25b)이 마련되어 있다. 탑재대(23)에는 기판(G)의 반입·반출을 위한 리프터 핀(26)이, 본체 용기(1)의 바닥벽, 절연체 부재(24)를 거쳐서 삽통되어 있다. 리프터 핀(26)은, 본체 용기(1) 외부에 마련된 승강 기구(도시하지 않음)에 의해 승강 구동하여 기판(G)의 반입·반출을 실행하도록 되어 있다.
본체 용기(1) 외부에는, 정합기(28) 및 제 2 고주파 전원(29)이 마련되어 있으며, 탑재대(23)에는 급전선(28a)에 의해 정합기(28)를 거쳐서 제 2 고주파 전원(29)이 접속되어 있다. 이 제 2 고주파 전원(29)은, 플라즈마 처리 중에 바이어스용의 고주파 전력, 예를 들면, 주파수가 3.2㎒의 고주파 전력을 탑재대(23)에 인가한다. 이 바이어스용의 고주파 전력에 의해 생성된 셀프 바이어스에 의해, 챔버(4) 내에 생성된 플라즈마 중의 이온이 효과적으로 기판(G)에 인입된다.
또한, 탑재대(23) 내에는, 기판(G)의 온도를 제어하기 위해, 히터 등의 가열 수단이나 냉매 유로 등으로 이루어지는 온도 제어 기구와, 온도 센서가 마련되어 있다(모두 도시하지 않음). 이들 기구나 부재에 대한 배관이나 배선은, 모두 본체 용기(1)의 바닥면 및 절연체 부재(24)에 마련된 개구부(1b)를 통하여 본체 용기(1) 외부로 도출된다.
챔버(4)의 측벽(4a)에는, 기판(G)을 반입·반출하기 위한 반입·반출구(27a) 및 그것을 개폐하는 게이트 밸브(27)가 마련되어 있다. 또한, 챔버(4)의 바닥부에는, 배기관(31)을 거쳐서 진공 펌프 등을 포함하는 배기 장치(30)가 접속된다. 이 배기 장치(30)에 의해, 챔버(4) 내가 배기되고, 플라즈마 처리 중, 챔버(4) 내가 소정의 진공 분위기(예를 들면, 1.33㎩)로 설정, 유지된다.
탑재대(23)에 탑재된 기판(G)의 이면측에는 미세한 공간(도시하지 않음)이 형성되어 있으며, 일정한 압력의 열전달용 가스로서 He 가스를 공급하기 위한 He 가스 유로(41)가 마련되어 있다. 이와 같이 기판(G)의 이면측에 열전달용 가스를 공급하는 것에 의해, 진공 하에서 기판(G)의 플라즈마 처리에 의한 온도 상승이나 온도 변화를 억제할 수 있도록 되어 있다.
이 유도 결합 플라즈마 처리 장치는 또한 제어부(100)를 갖고 있다. 제어부(100)는 컴퓨터로 이루어지며, 플라즈마 처리 장치의 각 구성부를 제어하는 CPU로 이루어지는 주 제어부와, 입력 장치와, 출력 장치와, 표시 장치와, 기억 장치를 갖고 있다. 기억 장치에는, 플라즈마 처리 장치에서 실행되는 각종 처리의 파라미터가 기억되어 있으며, 또한 플라즈마 처리 장치에서 실행되는 처리를 제어하기 위한 프로그램, 즉, 처리 레시피가 격납된 기억 매체가 세트되도록 되어 있다. 주 제어부는, 기억 매체에 기억되어 있는 소정의 처리 레시피를 호출하고, 그 처리 레시피에 근거하여 플라즈마 처리 장치에 소정의 처리를 실행시키도록 제어한다.
다음에, 샤워 헤드(2)에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
유도 결합 플라즈마는, 고주파 안테나에 고주파 전류가 흐르는 것에 의해, 그 주위에 자계가 발생하고, 그 자계에 의해 야기되는 유도 전계를 이용하여 고주파 방전을 일으키고, 그에 의해 생성하는 플라즈마이다. 챔버(4)의 천정벽으로서 1매의 금속창을 이용하는 경우, 면내에서 둘레방향으로 주회되도록 마련된 고주파 안테나(13)에서는, 와전류 및 자계가 금속창의 이면측, 즉, 플라즈마 생성 공간(S)측에 도달하지 않기 때문에, 플라즈마가 생성되지 않는다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 고주파 안테나(13)에 흐르는 고주파 전류에 의해 생기는 자계 및 와전류가 플라즈마 생성 공간(S)측에 도달하도록, 금속창으로서 기능하는 샤워 헤드(2)를, 절연 부재(7)로 복수로 분할된 구조로 한다.
샤워 헤드(2)에는, 상술한 바와 같이, 처리 가스 공급 기구(20)로부터 가스 공급 배관(21)을 거쳐서 처리 가스가 도입된다. 그리고, 도입된 처리 가스는, 가스 확산 공간(51) 및 복수의 가스 토출 구멍(54)을 지나 챔버(4) 내의 플라즈마 생성 공간(S)에 토출된다. 샤워 헤드(2)는, 그 자체의 온조(溫調)와 플라즈마로부터의 입열로 고온이 되는 경우가 있지만, 본 실시형태의 샤워 헤드(2)는, 고온시에서 내열성을 갖는다. 구체적으로는, 200℃에 이르는 고온시에도 충분한 내열성을 갖는다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 샤워 헤드의 본체부를 구성하는 가스 토출부의 일 부분을 도시하는 도면이다.
가스 토출부(53)를 포함하는 본체부(50)는 기재(61)와, 복수의 슬리브(62)와, 제 1 용사 피막(63)과, 제 2 용사 피막(64)을 갖고 있다.
기재(61)는 비자성의 금속제이며, 바람직하게는 Al 재료(Al 또는 Al 합금)로 형성되어 있다. Al 재료로서는, 예를 들면 JIS의 6000계를 들 수 있다. 기재(61)가 Al 재료인 경우는, 필요에 따라서 측면에 양극 산화 피막(61a)이 마련된다.
복수의 슬리브(62)는 스테인리스강, 하스텔로이와 같은 니켈기 합금 등의 내식성 금속으로 형성되고, 단을 갖는 원통형상을 이루며, 기재(61)에 형성된 대응하는 오목부(슬리브 장착 구멍)에 끼워져 있다. 각 슬리브(62)의 내부에는, 가스 확산 공간(51)으로부터 플라즈마 생성 공간(S)을 관통하는 가스 토출 구멍(54)이 형성되어 있다.
가스 토출 구멍(54)은 가스 확산 공간(51)측의 대경부(54a)와, 플라즈마 생성 공간(S)측의 소경부(54b)를 갖고 있다. 그리고, 소경부(54b)의 하단이 플라즈마 생성 공간(S)에 면하는 개구부(54c)로 되어 있다. 플라즈마 생성 공간(S)측을 소경부(54b)로 한 것은, 플라즈마가 가스 토출 구멍(54)의 안쪽에 인입되는 것을 방지하기 위해서이다. 소경부(54b)의 직경은 예를 들면 0.5㎜ 내지 1㎜로 설정된다.
슬리브(62)는 기재(61)에 열간 등방압 가압(HIP)에 의해 접합(HIP 접합)되어 있으며, 기재(61)와의 사이에 압축 응력이 미친 상태에서 기재(61)에 간극없이 밀착되어 있다.
또한, 기재(61)와 슬리브(62)의 가스 확산 공간(51)측의 면 및 플라즈마 생성 공간(S)측의 면은, 도시하는 바와 같이, 모두 면일(面一)로 되어 있는 것이 바람직하다.
제 1 용사 피막(63)은 기재(61)의 가스 확산 공간(51)측의 면에, 처리 가스에 대해 내식성을 갖는 재료를 용사하여 형성된다. 제 1 용사 피막(63)은 함침재가 함침되어 있는 것이 바람직하다.
제 1 용사 피막(63)은, 처리 가스로서 기재(61)에 대해 부식성이 높은 가스를 이용하는 경우에 기재(61)를 보호하는 것이다. 제 1 용사 피막(63)은 세라믹스로 구성되어 있다. 제 1 용사 피막(63)을 구성하는 세라믹스로서는, 알루미나(Al2O3)나 산화 지르코늄(ZrO2)이 바람직하다. Al2O3 용사 피막은 예를 들면, Cl2 가스를 이용하는 Al의 에칭 처리 시에 샤워 헤드(2)가 200℃ 정도로 상승하는 경우에 유효하다. 제 1 용사 피막(63)의 두께는 80㎛ 내지 200㎛의 범위가 바람직하다. 또한, 처리 가스가 기재(61)를 부식시킬 우려가 작은 경우는, 제 1 용사 피막(63)은 마련하지 않아도 좋다.
제 2 용사 피막(64)은 기재(61)의 플라즈마 생성 공간(S)측의 면에, 처리 가스의 플라즈마에 대해 내플라즈마성을 갖는 재료를 용사하여 형성된다. 제 2 용사 피막(64)은 함침재가 함침되어 있는 것이 바람직하다.
제 2 용사 피막(64)은 기재(61)를 플라즈마로부터 보호하기 위한 것이다. 제 2 용사 피막(64)도 세라믹스로 구성되어 있다. 제 2 용사 피막(64)으로서는, 내플라즈마성이 높은 이트리아(Y2O3) 용사 피막 또는 Y-Al-Si-O계 혼합 용사 피막(이트리아, 알루미나, 및 실리카(또는 질화 규소)의 혼합 용사 피막) 등의 이트리아를 함유하는 것이 바람직하다. 사용하는 처리 가스에 따라서는, Al2O3 용사 피막이어도 좋다. 또한, 제 2 용사 피막(64)에 함침재가 함침되어 있는 것에 의해, 용사 피막에 존재하는 기공이 구멍밀봉되어, 내플라즈마성을 보다 높일 수 있는 동시에, 내핀홀 부식도 높일 수 있다.
제 2 용사 피막(64)은 표면이 내플라즈마성이 높은 준치밀 용사 피막인 것이 바람직하다. 준치밀 용사 피막은, 통상의 용사 피막보다 기공률이 낮은 용사 피막을 말하며, 통상의 피막의 기공률이 3% 내지 5%인 것에 대해, 2% 내지 3%의 기공률이다. 준치밀 용사로 하는 것에 의해, 내플라즈마성을 보다 높일 수 있다. 또한, 용사 피막의 준치밀화와 함침재를 조합하는 것에 의해, 내플라즈마성을 더욱 높일 수 있다. 제 2 용사 피막(64)의 두께는 150㎛ 내지 500㎛의 범위가 바람직하다.
샤워 헤드(2)의 온도가 200℃ 이상의 고온으로 상승하는 경우, 제 1 용사 피막(63) 및 제 2 용사 피막(64)에 함침되는 함침재는 내열성이 높은 것을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 함침재로서는, 준치밀 피막에 침투할 수 있는 충전성이 양호한 수지 함침재가 바람직하다. 이와 같은 점에서 함침재로서, 내열성 및 내식성이 뛰어나고, 충전성이 높은 내열 에폭시 수지가 바람직하다.
다음에, 이상과 같이 구성되는 유도 결합 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 기판(G)에 대해 플라즈마 처리, 예를 들면, 플라즈마 에칭 처리를 실시할 때의 처리 동작에 대해 설명한다.
우선, 게이트 밸브(27)를 개방으로 한 상태에서 반입·반출구(27a)로부터 반송 기구(도시하지 않음)에 의해, 소정의 막이 형성된 기판(G)을 챔버(4) 내에 반입하고, 탑재대(23)의 탑재면에 탑재한다. 이어서, 정전 척(도시하지 않음)에 의해 기판(G)을 탑재대(23) 상에 고정한다. 그리고, 배기 장치(30)에 의해 챔버(4) 내를 진공 배기하면서, 압력 제어 밸브(도시하지 않음)에 의해, 챔버(4) 내를 예를 들면, 0.66㎩ 내지 26.6㎩ 정도의 압력 분위기로 유지한다. 이 상태에서, 처리 가스 공급 기구(20)로부터 가스 공급관(21)을 거쳐서 처리 가스를 금속창의 기능을 갖는 샤워 헤드(2)에 공급하여, 샤워 헤드(2)로부터 챔버(4) 내에 처리 가스를 샤워형상으로 토출시킨다. 기판(G)의 이면측의 공간에는, He 가스 유로(41)를 거쳐서, 열전달용 가스로서 He 가스를 공급한다.
이 때, 본체 용기(1), 베이스부(52)를 고온으로 온조하고, 또한 플라즈마를 발생시키면, 샤워 헤드(2)의 온도가 200℃에 이르는 고온이 된다.
이어서, 고주파 전원(18)으로부터 예를 들면 13.56㎒의 고주파를 고주파 안테나(13)에 인가하고, 이에 의해 금속창으로서 기능하는 샤워 헤드(2)를 거쳐서 챔버(4) 내에 균일한 유도 전계를 생성한다. 이와 같이 하여 생성된 유도 전계에 의해, 챔버(4) 내의 플라즈마 생성 공간(S)에서 처리 가스가 플라즈마화되어, 고밀도의 유도 결합 플라즈마가 생성된다. 이 플라즈마에 의해, 기판(G)에 대해 플라즈마 에칭 처리가 실행된다.
다음에, 상술한 샤워 헤드(2)의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 3은 샤워 헤드의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다. 샤워 헤드(2)를 제조할 때에는, 최초로, 도 3의 (a)에 도시하는 바와 같이, 슬리브 장착 구멍(61b)이 형성된 기재(61)를 준비한다(step 1). 그리고, 기재(61)의 슬리브 장착 구멍(61b)에 슬리브(62)를 장착한다(step 2: 도 3의 (b)). 계속해서, 기재(61) 및 장착된 슬리브(62)를 HIP 처리하고, 슬리브(62)를 기재(61)에 HIP 접합한다(step 3: 도 3의 (c)). 그 후, 기재(61)와 슬리브(62)의 가스 확산 공간(51)측의 면 및 플라즈마 생성 공간(S)측의 면이 모두 면일이 되도록 연마 가공 또는 연삭 가공을 실행한다(step 4: 도 3의 (d)). 그 후, 기재(61) 및 슬리브(62)의 가스 확산 공간측의 면 및 플라즈마 생성 공간(S)측의 면에, 각각 제 1 용사 피막(63) 및 제 2 용사 피막(64)을 형성한다(step 5: 도 3의 (e)). 양극 산화 처리에 의한 양극 산화 피막(61a)의 형성을 실행하는 경우에는, 슬리브(62)를 HIP 접합한 후에 실행하는 것이 바람직하다.
HIP 처리는 처리 대상에 대해, Ar 가스 등의 불활성 가스를 압력 매체로 하는 등방적인 압력과, 고온을 동시에 가하는 처리이다. 본 실시형태에 있어서, 기재(61)가 Al 재료인 경우, HIP 처리는 압력을 50㎫ 내지 200㎫, 온도를 300℃ 내지 550℃로 하여 실행하는 것이 바람직하다. 기재(61)가 6000계 등의 알루미늄제인 경우, 300℃ 정도로 연화가 시작되고, 고용(固溶) 온도가 430℃ 내지 530℃이므로, 300℃ 내지 550℃에서, 적절히 HIP 처리를 실행할 수 있다. 400℃ 내지 450℃의 범위가 보다 바람직하다. 또한, 압력에 관해서는, 100㎫ 내지 150㎫에서 양호한 HIP 효과를 얻을 수 있다.
이에 의해 슬리브(62)는 기재(61)에 대해서 HIP 접합된 상태가 된다. 즉, HIP 처리를 실행하는 것에 의해, 슬리브(62)와 기재(61) 사이에 압축 응력이 미친 상태가 되어, 슬리브(62)가 기재(61)에 대해 간극없이 밀착된다.
HIP 처리는 고온(예를 들면, 300℃ 이상)으로 실행되므로, 샤워 헤드(2)의 사용 온도가 200℃ 이상이 되어도 슬리브(62)와 기재(61) 사이의 압축 응력은 잔존하며, 양자가 간극 없이 밀착된 상태가 유지된다. 이 때문에, 높은 내열성을 유지할 수 있다. 본 실시형태에서는 슬리브(62)는 금속제이기 때문에, 내히트 쇼크가 높고, HIP 효과가 잔존하고 있는 한 300℃ 정도까지의 높은 내열성을 얻을 수 있다.
특허문헌 1의 기술과 같이 슬리브를 기재에 끼워 접착하는 경우에는, 샤워 헤드(2)의 온도가 200℃가 되면 슬리브와 기재 사이에 간극이 생기기 쉬워진다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 슬리브(62)와 기재(61) 사이에 간극(66)이 생기면, 제 1 및 제 2 용사 피막(63, 64)의 슬리브(62)와 기재(61)의 경계부에 대응하는 부분에 크랙(67)이 발생하기 쉬워진다. 또한, 슬리브(62)와 기재(61)의 경계부의 기재(61)측에 부식이 발생한다.
이에 대해, 본 실시형태에서는 슬리브(62)가 기재(61)에 HIP 접합되고, 200℃와 같은 고온 사용시에서도 슬리브(62)와 기재(61) 사이는 간극 없이 밀착되어 있기 때문에, 제 1 용사 피막(63) 및 제 2 용사 피막(64)에 크랙이 발생하는 것이 억제되어, 부식의 문제도 생기기 어렵다.
또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 기재(61)와 슬리브(62)의 가스 확산 공간(51)측의 면 및 플라즈마 생성 공간(S)측의 면의 경계 부분에 단차가 있는 경우는, 제 1 용사 피막(63) 및 제 2 용사 피막(64)의 단차에 대응하는 부분의 막질이 다른 부분과 상이하게 되어, 크랙이 발생하기 쉬워질 우려가 있다. 이 때문에, 기재(61)와 슬리브(62)의 가스 확산 공간(51)측의 면, 및 플라즈마 생성 공간(S)측의 면이 면일이 되도록 연마 가공을 실행하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제 1 용사 피막(63) 및 제 2 용사 피막(64)의 기재(61)와 슬리브(62)의 경계 부분에 단차가 생기지 않고, 크랙의 발생을 억제하는 효과를 높일 수 있다.
단, 슬리브(62)를 HIP 접합하는 것만으로, 용사 피막의 크랙을 충분히 억제할 수 있는 경우나 단차가 작은 경우 등은, 반드시 이와 같은 연마 가공은 필요하지 않다.
제 1 용사 피막(63) 및 제 2 용사 피막(64)은, 상술한 바와 같은 재료의 입자를 용융 또는 그에 가까운 상태로 하여 기재(61)와 슬리브(62)의 가스 확산 공간(51)측의 면 및 플라즈마 생성 공간(S)측의 면에 불어넣는 것에 의해 형성된다. 상술한 바와 같이, 제 1 용사 피막(63)은 필수는 아니다.
제 1 용사 피막(63) 및 제 2 용사 피막(64)을 형성할 때에, 사용 온도가 200℃인 경우, 그 근방의 150℃ 내지 250℃로 기재를 가열하여 용사를 실행하는 것에 의해, 제 1 용사 피막(63) 및 제 2 용사 피막(64)으로의 크랙을 더욱 생기기 어렵게 할 수 있다.
슬리브(62)와 기재(61) 사이는 HIP 처리에 의해 밀착시킬 필요가 있기 때문에, 양극 산화 피막(61a)을 형성하는 경우는, HIP 처리는 양극 산화 피막(61a)이 존재하지 않는 상태에서 실행되고, 양극 산화 피막(61a)의 형성은 HIP 처리 후에 실행된다. 또한, 제 1 및 제 2 용사 피막(63 및 64)은 기재(61)에 직접 형성될 필요가 있으므로, 양극 산화시에는, 그들 면은 마스킹하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 용사 피막(63)을 형성하지 않는 경우는, 기재(61)의 가스 확산 공간(51)측의 면은 양극 산화 피막(61a)이 형성된 상태로 된다.
<제 2 실시형태>
다음에 제 2 실시형태에 대해 설명한다.
본 실시형태에서는 플라즈마 처리 장치의 기본 구성은 제 1 실시형태와 동일하지만, 샤워 헤드의 가스 토출부의 구성만이 제 1 실시형태와는 상이하다.
도 6은 제 2 실시형태의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 샤워 헤드의 본체부를 구성하는 가스 토출부의 일부분을 도시하는 도면이다.
가스 토출부(53')는 기재(61)와, 복수의 슬리브(62')와, 제 1 용사 피막(63)과, 제 2 용사 피막(64)을 갖고 있다. 기재(61)와, 제 1 용사 피막(63)과, 제 2 용사 피막(64)은 제 1 실시형태와 마찬가지로 구성된다. 제 1 실시형태와 마찬가지로, 처리 가스가 기재(61)를 부식시킬 우려가 작은 경우는, 제 1 용사 피막(63)은 마련하지 않아도 좋다.
슬리브(62')는 Al2O3과 같은 세라믹스로 형성되고, 원통형상을 이루며, 기재(61)에 형성된 대응하는 오목부(슬리브 장착 구멍)에 끼워져 있다. 각 슬리브(62)의 내부에는, 가스 확산 공간(51)으로부터 플라즈마 생성 공간(S)을 관통하는 가스 토출 구멍(54')이 형성되어 있다. 세라믹스는 가공하기 어려우므로, 슬리브(62')는 제 1 실시형태의 슬리브(62)와는 상이하고, 기본 형상이 스트레이트 형상이며, 가스 토출 구멍(54')도 스트레이트 형상이다. 가스 토출 구멍(54')의 직경은, 예를 들면 0.5㎜ 내지 1㎜로 설정된다. 슬리브(62')의 외주부의 중앙에는, 주회하는 홈부(62'a)가 형성되어 있다.
슬리브(62')는 기재(61)에 HIP 처리에 의해 접합(HIP 접합)되어 있으며, 기재(61)와의 사이에 압축 응력이 미친 상태에서 기재(61)에 간극없이 밀착되어 있다. Al 기재의 HIP 접합 온도에서는 재료의 상호 확산이 거의 생기지 않기 때문에, 스트레이트 형상의 슬리브로는 빠질 우려가 있다. 이에 대해, 슬리브(62')는 스트레이트 형상이지만, 외주부에 홈부(62'a)가 형성되어 있으므로, HIP 접합 시에는 기재(61)가 홈부(62'a)내에 유입되고, 기재(61)가 슬리브(62')에 밀착되어, 슬리브(62')의 빠짐이 방지된다.
본 실시형태에 있어서도, 기재(61)와 슬리브(62')의 가스 확산 공간(51)측의 면 및 플라즈마 생성 공간(S)측의 면은, 모두 면일로 되어 있는 것이 바람직하다.
샤워 헤드의 제조 방법을 실행할 때에는, 제 1 실시형태와 같은 step 1 내지 step 5에 의해 실행할 수 있다. 본 실시형태에 있어서도 제 1 실시형태와 마찬가지로, HIP 처리를 실행하는 것에 의해, 슬리브(62')와 기재(61) 사이에 압축 응력이 미친 상태가 되고, 슬리브(62')가 기재(61)에 대해 간극없이 밀착된다. 그리고, 샤워 헤드(2)가 200℃로 고온으로 되어도 슬리브(62')와 기재(61) 사이의 압축 응력은 잔존하며, 양자가 간극 없이 밀착된 상태가 유지되어, 200℃ 정도까지 내열성이 유지된다. 단, 슬리브(62')를 구성하는 세라믹스는 기재(61)를 구성하는 Al와 같은 금속보다 열팽창 계수가 작기 때문에, 기재(61)와의 열팽창 차이에 의해, 제 1 실시형태의 금속제의 슬리브(62)보다 내열성이 낮아지는 경향이 있다.
본 실시형태에 있어서도, step 4의 연마 가공은 필수는 아니며, 슬리브(62')를 HIP 접합하는 것만으로도 용사 피막의 크랙을 충분히 억제할 수 있는 경우나 단차가 작은 경우 등은, 이와 같은 연마 가공을 실행하지 않아도 좋다.
또한, 본 실시형태에 있어서도, 양극 산화 피막(61a)을 형성하는 경우는, HIP 처리 후에 실행되고, 용사 피막(63 및 64)을 형성하는 면은 마스킹을 하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 용사 피막(63)을 형성하지 않는 경우는, 기재(61)의 가스 확산 공간(51)측의 면은 양극 산화 피막(61a)이 형성된 상태로 된다.
<실험예>
여기에서는, 도 2의 구조 및 도 6의 구조의 샤워 헤드의 가스 토출부에 대해, 슬리브를 종래와 같이 접착한 것과 HIP 접합한 것에 대해 내열성 시험을 실행했다. 기재로서는 Al(A6061)를 이용하고, 도 2의 구조에서는 금속제의 슬리브로서 스테인리스강(SUS316L)을 이용하고, 도 6의 구조에서는 세라믹스 슬리브로서 Al2O3을 이용했다. 또한, 어느 구조에 있어서도, 가스 확산 공간측의 제 1 용사 피막으로서 Al2O3 용사 피막을 이용하고, 플라즈마 생성 공간측의 제 2 용사 피막으로서 Y2O3을 함유하는 혼합 용사 피막(SP 용사 피막)을 이용했다.
이들 샤워 헤드에 대해 온도를 변화시켜 내열성 시험을 실행했다. 내열성 시험으로서, 고온 건조 로를 이용하여 각 온도에 있어서의 히트 사이클 시험을 샤워 헤드에 대해 실시했다. 스테인리스제의 슬리브를 이용한 샤워 헤드에 대한 결과를 도 7에, 세라믹스제의 슬리브를 이용한 샤워 헤드에 대한 결과를 도 8에 나타낸다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 스테인리스강제의 슬리브를 이용한 도 2의 구조에서는, 슬리브를 접착한 경우에는 200℃에서 용사 피막에 크랙이 생긴 것에 대해, 슬리브를 HIP 접합한 경우에는 300℃까지 용사 피막의 크랙은 보여지지 않았다.
또한, 도 8에 도시하는 바와 같이, 세라믹스제의 슬리브를 이용한 도 6의 구조에서는, 슬리브를 접착한 경우에는 180℃에서 용사 피막에 크랙이 생긴 것에 대해, 슬리브를 HIP 접합한 경우에는 200℃까지 용사 피막의 크랙은 보여지지 않았다.
이상으로부터, 어느 슬리브에 있어서도, 슬리브를 HIP 접합하는 것에 의해, 슬리브를 접착한 경우보다 내열성이 향상되는 것이 확인되었다.
<다른 적용>
이상, 실시형태에 대해 설명했지만, 금회 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것은 아니라고 고려되어야 하는 것이다. 상기의 실시형태는, 첨부된 특허청구의 범위 및 그 주지를 일탈하는 일이 없이, 여러가지 형태로 생략, 치환, 변경되어도 좋다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는, 플라즈마 에칭을 실행하는 플라즈마 처리 장치로서, 유도 결합 플라즈마 처리 장치를 이용한 예를 도시했지만, 이것으로 한정되지 않으며, 가스 토출부의 기재가 금속의 샤워 헤드이면, 용량 결합 플라즈마 처리 장치 등의 다른 플라즈마 처리 장치여도 좋다. 용량 결합 플라즈마 처리 장치 등의 경우는, 샤워 헤드를 분할할 필요는 없다.
또한, 상기 실시형태에서는, 플라즈마 에칭 장치를 예를 들어 설명했지만, 이것으로 한정되지 않으며, 플라즈마 애싱이나 플라즈마 CVD 등의 부식성이 높은 가스의 플라즈마를 이용하는 플라즈마 처리 장치이면 적용 가능하다.
1: 본체 용기 2: 샤워 헤드
3: 안테나실 4: 챔버
5: 지지 선반 7: 절연 부재
13: 고주파 안테나 18: 제 1 고주파 전원
20: 처리 가스 공급 기구 50: 본체부
51: 가스 확산 공간 52: 베이스부
53: 가스 토출부 54: 가스 토출 구멍
61: 기재 62, 62': 슬리브
63: 제 1 용사 피막 64: 제 2 용사 피막
100: 제어부 G: 기판

Claims (20)

  1. 기판에 플라즈마에 의한 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에서, 상기 기판이 배치되고, 플라즈마가 생성되는 챔버 내의 플라즈마 생성 공간에, 상기 플라즈마를 생성하기 위한 처리 가스를 토출하는 샤워 헤드를 제조하는 샤워 헤드의 제조 방법에 있어서,
    상기 샤워 헤드는 상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 구멍을 복수 갖는 본체부와, 상기 본체부 내에 마련되고, 상기 처리 가스가 도입되며, 상기 가스 토출 구멍에 연통하는 가스 확산 공간을 구비하고,
    상기 본체부의 상기 가스 토출 구멍을 갖는 부분을 구성하고, 슬리브 장착 구멍을 복수 갖는 금속제의 기재를 준비하는 공정과,
    상기 기재의 상기 슬리브 장착 구멍의 각각에, 그 내부에 상기 가스 토출 구멍을 갖는 슬리브를 장착하는 공정과,
    상기 기재와 상기 슬리브를 HIP 처리하고, 상기 슬리브를 상기 기재에 HIP 접합하는 공정과,
    상기 기재 및 상기 슬리브의 상기 플라즈마 생성 공간측의 면에 세라믹스제의 용사 피막을 형성하는 공정을 구비하는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용사 피막의 형성에 앞서, 상기 기재와 상기 슬리브의 상기 플라즈마 생성 공간측의 면이 면일이 되도록 연마 가공 또는 연삭 가공을 실행하는 공정을 더 구비하는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기재는 알루미늄 재료로 구성되며, 상기 HIP 처리는 300℃ 이상 550℃ 이하의 온도로 실행되는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 HIP 처리는 400℃ 이상 450℃ 이하의 온도로 실행되는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬리브는 내식성 금속 재료로 구성되는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 공간측의 면에 상기 용사 피막을 형성하는 공정은, 상기 기재를 150℃ 이상 250℃ 이하의 온도로 가열한 상태에서 실행되는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬리브는 세라믹스로 구성되는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 공간측의 면에 형성되는 상기 용사 피막은 이트리아를 함유하는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기재 및 상기 슬리브의 상기 가스 확산 공간측의 면에 세라믹스제의 용사 피막을 형성하는 공정을 더 구비하는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기재 및 상기 슬리브의 상기 가스 확산 공간측의 면에 용사 피막을 형성하는 공정에 앞서, 상기 기재와 상기 슬리브의 상기 가스 확산 공간측의 면이 면일이 되도록 연마 가공 또는 연삭 가공을 실행하는 공정을 더 구비하는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체부는, 상기 기재와 상기 가스 토출 구멍을 갖는 복수의 슬리브를 갖는 판형상의 가스 토출부가, 오목부를 갖는 베이스부에 상기 오목부를 덮도록 결합되고, 상기 오목부와 상기 가스 토출부에서 형성되는 공간이 상기 가스 확산 공간이 되는
    샤워 헤드의 제조 방법.
  12. 기판에 플라즈마에 의한 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에서, 상기 기판이 배치되고, 플라즈마가 생성되는 챔버 내의 플라즈마 생성 공간에, 플라즈마를 생성하기 위한 처리 가스를 토출하는 샤워 헤드에 있어서,
    상기 처리 가스를 토출하는 가스 토출 구멍을 복수 갖는 본체부와,
    상기 본체부 내에 마련되며, 상기 처리 가스가 도입되고, 상기 가스 토출 구멍에 연통하는 가스 확산 공간을 구비하고,
    상기 본체부의 상기 가스 토출 구멍을 갖는 부분은,
    금속으로 이루어지는 기재와,
    상기 기재에 장착되며, 그 내부에 상기 가스 토출 구멍을 갖는 슬리브와,
    상기 기재 및 상기 슬리브의 상기 플라즈마 생성 공간측의 면에 형성된 세라믹스제의 용사 피막을 구비하며,
    상기 슬리브는 상기 기재에 HIP 접합되어 있는
    샤워 헤드.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 기재와 상기 슬리브의 상기 챔버측의 면은 면일인
    샤워 헤드.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 기재는 알루미늄 재료로 구성되는
    샤워 헤드.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬리브는 내식성 금속 재료 또는 세라믹스로 구성되는
    샤워 헤드.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용사 피막은 이트리아를 함유하는
    샤워 헤드.
  17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기재 및 상기 슬리브의 상기 가스 확산 공간측의 면에 형성된 세라믹스제의 다른 용사 피막을 더 구비하는
    샤워 헤드.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 기재와 상기 슬리브의 상기 가스 확산 공간측의 면은 면일인
    샤워 헤드.
  19. 기판을 플라즈마에 의해 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 기판을 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 기판을 탑재하는 탑재대와,
    상기 챔버 내에 상기 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 기구와,
    상기 챔버 내에 상기 탑재대와 대향하도록 마련되며, 상기 플라즈마를 생성하기 위한 처리 가스를 상기 챔버 내의 플라즈마 생성 공간에 공급하는, 제 12 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 샤워 헤드를 구비하는
    플라즈마 처리 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성 기구는 고주파 안테나와, 상기 고주파 안테나에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 구비하며, 상기 고주파 안테나에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 상기 챔버 내의 상기 플라즈마 생성 공간에 유도 결합 플라즈마를 형성하도록 구성되며,
    상기 고주파 안테나는 상기 샤워 헤드의 상기 플라즈마 생성 공간과 반대측의 면에 면하도록 마련되며,
    상기 샤워 헤드는 상기 챔버의 천장벽을 이루도록 배치되고, 상기 유도 결합 플라즈마의 금속창으로서 기능하며, 상기 고주파 안테나에 흐르는 고주파 전류에 의해 생기는 자계 및 와전류가 상기 챔버측에 도달하도록 절연 부재를 거쳐서 복수로 분할된 구조를 갖고 있는
    플라즈마 처리 장치.
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