JP4153048B2 - プラズマ処理装置のガス噴射システム - Google Patents

Description

関連出願に対するクロスレファレンス
本出願は、１９９６年６月２８日に出願された米国特許出願第０８／６７２，３１５号の部分継続出願である。本出願は、本出願に参照により組み込まれている１９９６年１２月２３日に出願された米国特許出願第０８／７７２，３７４号に関連している。
発明の分野
本発明は、プラズマ処理システムにおいて、基板に反応物を供給するシステムと方法に関する。より具体的には、本発明は、処理の均一性を最大化させるためにガス噴射システムを介して反応物を供給するシステムと方法に関する。
発明の背景
プロセスガスを真空チャンバに供給し且つ無線周波数（ＲＦ）の場をそのガスに加えることで、基板上に物質を化学気相成長（ＣＶＤ）させるために、真空処理チャンバが一般に使用されている。集積回路の加工のための幾つかのガス供給システムが知られているが、しかし、大多数の公知システムは、低密度の高圧プラズマエッチングや、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）のために設計されている。従来のガス供給システムは、一般に比較的低い流量で反応物を供給する。基板上への均等な配分を保証するために、シワーヘッド式ガス噴射システムと拡散移送システムとが一般に使用されている。
これらの公知のシステムは、封止や金属間誘電ギャップ充填等の高密度プラズマＣＶＤ（ＨＤＰＣＶＤ）処理のためには最適化されていない。ＨＤＰＣＶＤでは、シランとそのフラグメント、例えばＳｉＨ₃、ＳｉＨ₂、ＳｉＨ等は高い密着係数を有しているので、シラン関連核種等の反応物の供給を基板上に集中させることが重要である。シランを優先的に基板上に導くことは、基板への蒸着速度（deposition rate）が最大化され、反応器の種々の内面への膜の蒸着が最小化される点で有利である。
基板面の上方のプロセスガスの濃度を高める種々の公知システムがある。例えば、図１は、チャンバー１４０内にプラズマを発生させるプラズマソース１１０と、基板支持体１３０上の基板１２０を処理するために処理チャンバー１４０内にプロセスガスを供給するガス入口を有するガスリング１６７とを備えるシステムを示している。ガスは、ガスソース（図示されていない）からガス供給ポート１６７ｂを経てガスリング１６７のプレナム１６７ａに供給される。このタイプのシステムは、更にガスリング１６０を有してもよい。ガスは、ガス供給ポート（図示されていない）を介してガスリング１６０のプレナム１６０ａに供給される。従来、そのようなシステムにおける蒸着速度は、基板１２０の上方におけるプロセスガスの濃度を高めることで高められる。このことは、一般にガスリング１６７から基板１２０までの距離を変えることで達成される。プロセスガスが、基板の中心部上方の領域に向かって濃度が高められれば高められる程、ピーク蒸着速度はより大きくなる。残念なことには、基板の中心部近くでプロセスガス濃度を高める場合、基板の外部上の蒸着速度は中心部程は増大せず、蒸着の均一性を潜在的に減じることになる。
ロッペル等に付与された米国特許第４，６９１，６６２号は、エッチング及び蒸着を行う二重プラズママイクロ波装置を開示している。この装置では、処理チャンバの側壁上に搭載され基板の一部分の上に延びた導管によってプロセスガスが供給される。スズキ等に付与された米国特許第５，５２２，９３４号は、基板にほぼ直交した方向において複数のレベルに位置決めされた複数のガス供給ノズルを有するガス噴射器構成を開示している。上方レベルのガス供給ノズルは、下方レベルのものよりも基板の中心部に向かって延びている。噴射孔は、ガス供給ノズルの末端部に配置されている。これらのシステムは、基板の上方の領域にプロセスガスを供給する上で効果的である。しかし、導管は、基板と一次イオン発生領域との間の基板面上に延びているので、イオンが発生領域から基板に向かって拡散する際に、導管は、基板面上にイオンの不均一な陰影を形成する。このことは、エッチングにおける望ましくないロスや蒸着の不均一性を発生することになる。
他のアプローチでは、基板面上に延びていないガス供給導管が採用されている。Ｊ．アズミュセンは、１９８９年の真空科学と技術アカデミーの機関誌の第８巻８８３〜８９３ページの『エッチングと薄膜蒸着のための電子サイクロトロン共鳴マイクロ波放出』において、基板の縁部までしか延びていない導管を示している。Ｔ．Ｖ．ヘラック等は、１９８９年の応用物理学機関誌第６５巻の２４５７〜２４６３ページの『電子サイクロトロン共鳴マイクロ波プラズマからの二酸化ケイ素の低温』において、別々のプロセスガスを供給する複数のガス噴射導管を有するプラズマＣＶＤツールを示している。一組の導管は、下部チャンバ壁に設けられ、基板支持体の周辺のすぐ外側且つ導管の末端にされたガス供給オリフィスを有する。Ｔ．Ｔ．チャウ等は、１９９２年の真空科学技術協会の機関誌の第１０巻の２１７０〜２１７８ページの『電子サイクロトロン共鳴マイクロ波プラズマによる高品質薄膜の低温蒸着への新しいアプローチ』において、下部チャンバ壁に設けられ、基板支持体の周辺のすぐ上の外側に配置されたガス導入導管を示している。その導管は、噴射軸がほぼ基板に平行になるように湾曲されている。第２プロセスガス用に付加的な水平導管が設けられている。ガス噴射オリフィスは、導管の末端部に配置されている。これら全てのガス噴射プラズマ処理装置に関する問題は、ガスが導管の末端部から噴射されることある。噴射器チューブの末端部にオリフィスを配置した噴射器では、例えば１００未満の比較的小さなバッチの基板群の処理後に詰まりがちになる。この噴射器のオリフィスの詰まりは、反応物の不均一な供給、不均一な膜蒸着や基板のエッチング、全体的な蒸着速度やエッチング速度のズレを起こすので有害である。
プロセスガスを音速又は超音速で噴射することで処理の均一性を改善する様々なシステムが提案されている。例えば、ハッサン等に付与された米国特許第４，２７０，９９９号は、プラズマエッチングと蒸着に適用するプロセスガスを音速で噴射する長所を開示している。ハッサン等は、ノズルでの音速の達成は、基板を取り囲んでいる反応ゾーンにおいて、ガス分子を激しい渦流で均一に拡散させる、ノズルの真空先端部からのガス分子の爆発的な放出を促進すると記載している。フェアベェアン等に付与された米国特許第５，６１４，０５５号は、基板を覆う領域に向かって超音速で反応物ガスを噴霧する細長い超音波スプレーノズルを開示している。そのノズルは、チャンバ壁から基板に向かって延び、各ノズルチップが末端部にガス供給オリフィスを有している。アズミュセン等に付与された米国特許第４，９４３，３４５号は、励起されたガスを基板に導く超音波ノズルを有するプラズマＣＶＤ装置を開示している。エレス等に付与された米国特許第５，１６４，０４０号は、ＣＶＤ用にパルス化された超音波ジェットを開示している。これらのシステムは、処理の均一性を改善しようとするものであるが、それらは、上述のような欠点、即ち、基板上の膜均一性に悪影響を及ぼす噴射器末端部のオリフィスの詰まりの影響を蒙る。
モスレーイ等に付与された米国特許第４，９９６，０７７号は、プラズマ状態でないガスを均一に分配するように基板の周囲にガス噴射器を配列した電子サイクトロン共鳴（ＥＣＲ）装置を開示している。非プラズマガスは、パーティクル汚染を低減するように噴射され、また、噴射器は、処理される基板面上に非プラズマガスを導くように向けられている。
ミヤザキ等に付与された米国特許第５，２５２，１３３号は、長手軸に沿って複数のガス噴射孔を有する垂直なガス供給管を備えたマルチウェーハ用非プラズマＣＶＤ装置を開示している。噴射孔は、チャンバ内にガスを導入するために複数の基板を支持しているウェーハボートの長手側面に沿って延びている。同様に、シシグチ等に付与された米国特許第４，９９２，３０１号は、管の長さ方向に沿ってガス放出孔を備えた複数の垂直なガス供給管を開示している。これらの特許は、サーマル式非プラズマＣＶＤに関するものであり、従ってプラズマ処理には最適ではない。
基板寸法が大きくなるに従って、中央部でのガス噴射は、一様なエッチングと蒸着を確実に行うために徐々に重要性を高めている。このことは、フラットパネル表示装置の加工処理において特に明らかである。一般に、拡散移送は、これら低圧処理システムにおける基板上方の領域で最も有力であるのに対して、対流移送は、余り役割を果たさない。しかし、噴射オリフィスの近くでは、噴射されたガスのジェット状特性によって対流移送が拡散移送よりも優勢となる。従って、噴射オリフィスを基板により近づけて配置することで、基板の上方で優勢な拡散性移送に対して対流移送を強化する。従来のシャワーヘッド式ガス噴射システムは、基板の中心部へガスを供給できるが、オリフィスを基板に近づけて配置するために、チャンバの高さを低くしなければならず、イオンの均一性に望ましくないロスを起こすことになる。
放射状ガス噴射システムでは、例えばフラットパネル処理において見られるような大きな面積の基板の中心部に適切なプロセスガスの供給ができないであろう。このことは、一般にプラズマ処理システムで見られるような底部でポンピングされるチャンバの設計で顕著である。中心部へのガス供給を行う手段が無ければ、エッチングの副生成物が基板の中心部上で滞留し、不均一なエッチングとプロフィル制御をしてしまう。
上述のフェアベェアン等の特許も、噴射器オリフィスが反応器の天井に配置されているシャワーヘッド式噴射システムを開示している。このシャワーヘッドシステムは、更に、オリフィスの詰まりを少なくするために複数の埋設磁石を有している。トクダ等に付与された米国特許第５，１３４，９６５号は、処理室の天井の入口を介してプロセスガスが噴射される処理システムを開示している。そのガスは、高密度プラズマ領域に向かって供給される。このシステムは、マイクロ波エネルギを利用するが、無線周波数プラズマ処理には最適なものではない。スズキ等に付与された米国特許第５，５２２，９３４号は、（プロセスガスよりはむしろ）不活性ガスがチャンバ天井の中心部を通して噴射されるシステムを開示している。
従って、ガス供給オリフィスの詰まりや、処理の副生成物の蓄積を防止し、ウェーハ上方での対流移送を改善しつつ、基板の無線周波プラズマ処理のための均一性と蒸着を最適化する必要がある。
発明の概要
本発明の目的は、基板上での蒸着速度の最大化と、チャンバ・クリーニングの要求の最小化の双方を達成すべく、基板面上に集中させて反応物ガスを均一で高い流量で供給するＨＤＰＣＶＤのガス供給システムを提供するものである。本発明の他の目的は、チャンバ内面からの剥がれ落ちを最小化すると共に噴射ハードウェア内の熱分解によって誘起されるパーティクル形成を最小化することにより、チャンバ内のパーティクル数を減らすようにガス噴射ハードウエアを熱的に制御することである。更に他の目的は、半導体ウェーハ及びフラットパネル表示装置のプラズマ処理中に大きな面積の基板上で膜を均一にエッチング及び蒸着するためのガス供給システムを提供するものである。本発明の更に更に他の目的は、基板面にわたって均一なエッチング及び蒸着を行うために、基板に反応性中間ガスを均一且つ高い流量で供給するガス供給システムを提供するものである。本発明によれば、基板を処理するプラズマ処理システムと方法が提供される。このプラズマ処理システムは、プラズマ処理チャンバと、該処理チャンバ内に基板を支持する基板支持体と、内面が基板支持体に対向すると共に処理室の壁を形成する誘電部材と、プロセスガス（例えば、１又は複数の反応物ガス及び／又は１又は複数の不活性ガス）をチャンバ内に及び基板に向かって供給するガス供給部と、プロセスガスをプラズマ状態に活性化するためにＲＦエネルギを誘電部材を介してチャンバ内に誘導的に結合するＲＦエネルギソースとを有している。
本発明の１つの側面によれば、ガス供給部は、基板の露出面を横切るように少なくとも幾分かのプロセスガスを処理室内に噴射する噴射管を有する、又は有しない１又は複数のガスリングを含んでもよい。ガスリングの表面から剥がれ落ちる膜を最少化し、プロセスガスの望ましくない熱分解を起こし得る過度の加熱を防止するために処理中にガス供給部を冷却するために、冷却機構も設けてもよい。
本発明の他の側面によれば、プロセスガスは、処理チャンバ内に延びた末端部を備えた細長い噴射器チューブの側壁に沿って配置された１又は複数のオリフィスから供給される。ガスは、好ましくは、電場線が集中している領域の外側に配置された１又は複数のオリフィスを通して供給される。少なくとも幾分かのガスは、好ましくは、一次イオン発生ゾーンに向かって噴射される。基板は、基板をプラズマガスに接触させることで、処理室で連続して処理される。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来のプラズマ処理システムを示しており；
図２ａと２ｂは、本発明の第１の側面の例示的な実施例に係るプラズマ処理システムを示しており；
図３ａと３ｂは、図２ａと２ｂに示されたプラズマ処理システムにおいて、噴射器の半径方向位置と噴射方向を変更した効果を各々示す実験データを示しており；
図４は、本発明の第１の側面に係るプラズマ処理システム内へのガスの例示的な流線を示しており；
図５は、本発明の第１の側面に係る基板上に向けられるガスの方向の定性的な例示を示しており；
図６と７は、本発明の第１の側面の例示的な実施例に係るプラズマ処理システムを示しており；
図８ａ−８ｄは、本発明の第１の側面に係るプラズマ処理システムにおける例示的な噴射器の詳細図を示しており；
図９ａ−９ｃ及び１０ａ−１０ｂは、本発明の第１の側面に係る例示的なガスリングの詳細図を示しており；また
図１１は、本発明の第１の側面に係る例示的な噴射器の詳細図を示しており；
図１２ａ−１２ｂは、詰まったオリフィスの問題を示しており；
図１３ａ−１３ｂは、本発明の第２の側面に従って、詰まったオリフィスの問題を解決する方法を示しており；
図１４ａ−１４ｂは、本発明の第２の側面に係る例示的なプラズマ処理システムを示しており；
図１５ａ−１５ｄは、本発明の第２の側面に係る例示的な噴射器を示しており；
図１６は、本発明の第２の側面に係る例示的な噴射器を詳細に示しており；
図１７は、従来のシャワーヘッド式供給システムによって蓄積される副生成物の問題を示しており；
図１８は、本発明の第２の側面に係る他の例示的なプラズマ処理システムを示しており；
図１９ａ−１９ｂは、本発明の第２の側面に係る例示的なシャワーヘッドノズルを示しており；また
図２０は、本発明の第２の側面に係る改良されたシャワーヘッドノズルを示している。
好適な実施例の詳細な説明
本発明は、エッチングやＣＶＤ等によって、基板をプラズマ処理するための改良されたガス噴射システムを提供するものである。この噴射システムは、シリコン、ハロゲン（例えば、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ等）、酸素、水素、窒素等を含有したガス等のガスを噴射するために使用される。この噴射システムは、単独で、又は、他の反応物／不活性ガスの供給設備に加えて使用される。
本発明の一実施例によれば、噴射器の出口の詰まり防止するように、該噴射器の出口が、該噴射器の閉鎖された末端部から距離を置いて配置された噴射器チューブ構成が提供されている。特に、出口は、電場強さの低下された領域に配置されている。この領域では、プラズマで誘発される反応物の分解が低減される。即ち、噴射器チューブの末端を取り囲んだ薄い（例えば、＜１ｍｍ）プラズマシースの存在によって、電場線（プラズマと、接地された噴射器チューブとの間の電位差によって形成される）は、特に噴射器チューブの末端チップにおいて極めて大きくなっている。噴射器チューブのプラズマで濡れた全部分の周りに形成されたシースでは、電場線は、全ての場所でシースに直交しており、また、末端チップに集中してている。エッチング又は蒸着（deposition）中に、この局部的に高められた電場は、局部的に高められた蒸着を起こし、結果として、そのような領域に配置された出口を結局は詰まらせることになる。本発明によれば、噴射器チューブの出口は、特に半導体ウェーハ等の個々の基板を連続的にプラズマ処理している間に、詰まり易さを低下させるように、電場が高められる場所以外の場所に配置される。図２ａと２ｂは、本発明の第１の側面の例示的な実施例に係るプラズマ処理システムを示している。図２ａと２ｂを参照すると、基板１２０を処理するプラズマ処理システムは、基板支持体１３０と、該基板支持体を取り囲む処理室１４０とを備える。基板１２０は、例えば、４″、６″、８″、１２″等の直径を有する半導体ウェーハや、フラットパネル表示装置を造るためのガラス基板等とできよう。基板支持体１３０は、例えば、無線周波数（ＲＦ）の電力が与えられる電極を含み得る。基板支持体１３０は、チャンバ１４０の下端壁から支持されてもよいし、又は、例えばチャンバ１４０の側壁から延びた部材により片持ち支持されてもよい。基板１２０は、機械的又は静電気的のいずれかで電極１３０にクランプされる。処理チャンバ１４０は、例えば真空チャンバとすることができる。
処理される基板は、処理チャンバ１４０内に挿入される。基板は、処理チャンバ内の処理ガスを高密度プラズマに活性化することで処理室内で処理される。エネルギーソースは、チャンバ内において高密度（例えば、１０¹¹〜１０¹²イオン／ｃｍ³）プラズマを維持する。例えば、図２ａと２ｂに示されている平面マルチターン・スパイラル・コイルや、非平面マルチターン・コイルや、その他の形状を有するアンテナ等のアンテナ１５０は、適当なＦＲソースと適当なＲＦインピーダンス整合回路とによって電力を与えられ、高密度プラズマを発生するようにチャンバ内にＲＦエネルギを誘導結合する。しかし、プラズマは、ＥＣＲや、平行平板や、ヘリコーン、ヘリカル共振器等の他のソースによっても発生され得る。チャンバは、チャンバの内部を所望の圧力（例えば、５Torr未満、好ましくは１〜１００mTorr）に維持するために適当な真空ポンプ装置を含んでもよい。図２ａと２ｂに示された一様な厚さの平面誘電窓１５５や、非平面誘電窓、シャワーヘッドとガス分配板等の形状の誘電部材等の誘電窓が、アンテナ１５０と処理チャンバ１４０の内部との間に設けられると共に処理室１４０の上部に真空壁を形成している。
プロセスガスをチャンバ内に供給するガス供給部は、誘電窓１５５の下方に一次ガスリング１７０を有している。ガスリング１７０は、基板上方のチャンバハウジングに機械的に取り付けられ得る。ガスリング１７０は、例えば、アルミニウムや陽極処理されたアルミニウムで構成され得る。
ガス供給部は、誘電窓１５５の下方に二次ガスリング１６０を有している。プロセスガスは、二次ガスリング１６０のオリフィスを通してチャンバ１４０内に供給されるＡｒやＯ₂等の１又は複数のガスを含み得る。二次ガスリング１６０としては、あらゆる適当なガスリングを使用することができる。二次ガスリング１６０は、図２ａに示されているように、ガスリング１７０の上方に配置され、アルミニウムや陽極処理されたアルミニウムで構成された随意のスペーサ１６５によって離隔される。その代わりに、図示はされていないが、二次ガスリング１６０は、ガスリング１７０の下方、即ちガスリング１７０と基板１２０との間に配置されてもよい。更に別の代替構成では、図２ｂに示されているように、チャンバの床に接続されたガスリング１６２のオリフィスを通してＡｒとＯ₂が供給され、誘電窓１５５と一次ガスリング１７０を離隔させるスペーサ１６５を有する。ガスは、一つ以上の源（図示されていない）に接続された適当なガス供給孔からプレナム１６０ａ、１７０ａを経てガスリング１６０、１７０に供給される。
ガス供給部は、更に、ＳｉＨ₄や、ＳｉＦ₄及びＴＥＯＳ等の関連したシリコン含有蒸着ガス等のプロセスガスの少なくとも一部を基板１２０上に導くために、一次ガスリング１７０に接続された複数の取り外し可能な噴射器管１８０を含んでもよい。これらのガスは、噴射器１８０から噴射器出口オリフィス１８７を通して基板に供給され得る。更に、反応物ガスは、一次ガスリング１７０のオリフィスを通して供給され得る。噴射器は、アルミニウムや、陽極処理されたアルミニウム、水晶、Ａｌ₂Ｏ₃等のセラミック等のあらゆる適当な材料で構成され得る。プロセスガスは、ガスソースからプレナム１７０ａを経てこれら噴射器に供給される。２つの噴射器が、図２ａと２ｂに図示されているが、どんな数の噴射器でも使用され得る。例えば、噴射器は、一次ガスリング１７０上の各オリフィスに接続され得る。好ましくは、２００ｍｍの基板用の直径２００〜２１０ｍｍのリング１７０には、８から３２の噴射器が採用され得る。噴射器１８０は、それらのオリフィスを基板から適切な距離（例えば３〜１０ｃｍ）をおいて、基板１２０の平面の上方に配置される。
噴射器は、この実施例によれば、基板の周辺の内側、又は、近く、又は、外側に、例えば基板の周辺から０〜５ｃｍ又はそれ以上離して配置される。これは、噴射器からの潜在的なパーティクルフレークが基板上に落下してそれを汚染しないことを保証する助けとなる。噴射器は、全て同じ長さとすることができるが、代わりに、蒸着速度と均一性を高めるために異なった長さの組合わを使用することもできる。これらの噴射器は、少なくとも幾つかの噴射器が基板の露出面を横切る方向にプロセスガスを導くように方向が決められている。
本発明の第１の側面の一実施例に係る噴射器は、基板の露出面を鋭角に横切る方向にプロセスガスを噴射するように方向が決められている。噴射角度又は噴射軸は、基板の水平面から約１５〜９０度未満、好ましくは１５〜４５度の範囲とすることができる。噴射角度又は噴射軸は、噴射器の軸に平行にしてもよいし、噴射器の軸に対して９０度までの角度としてもよい。噴射器の出口オリフィスの直径は、０．０１０インチと０．０６０インチの間、好ましくは約０．０２０インチから０．０４０インチとすることができる。噴射器１８０の中空コアは、音速流が噴射器のコア内ではなくて出口オリフィスにおいて生じることを保証するために、出口オリフィス１８７の直径の約２倍の直径になるようにドリル加工される。ＳｉＨ₄の流量は、２００ｍｍの基板については、好ましくは２５〜３００ｓｃｃｍの間であるが、より大きな基板に対してはより高くし得る。
小さなオリフィスと、噴射器の数と、ＳｉＨ₄の大きな流量とによって、大きな圧力差がガスリング１７０をチャンバ内部との間で生じさせることができる。例えば、ガスリングを１Torrより大きな圧力とし、チャンバ内部を約１０mTorrの圧力とすると、圧力差は約１００：１となる。これにより、噴射器のオリフィスにおいて絞られた高速流（choked, sonic flow）が発生する。噴射器のオリフィス内部もまた、出口において超音速流を与えるように輪郭が形成され得る。
ＳｉＨ₄を高速で噴射することは、プラズマが噴射器に浸透することを妨げる。この設計は、ＳｉＨ₄のプラズマ誘起による分解と、これに続くガスリングと噴射器延長チューブ内での非晶質のシリコン残留物の形成とを防止する。
この実施例によれば、処理中にチャンバ壁とガスリングの温度を好ましくは約１００℃未満に制限するために、対流冷却と放射冷却の組合わせが使用され得る。その代わりに、チャンバ壁内で好ましくは−２０℃から１００℃で循環する流体を、チャンバ壁とガスリングの温度を制御するために使用してもよい。ガスリング温度が１００℃未満に維持されると、ガスリング内でのＳｉＨ₄の熱分解は観察されない。更に、ガスリングは、効果的な構成、即ち電気的に接地され囲まれた金属チャンバであるため、ガスリング内に大きな電場が存在せず、リング内でのプラズマの形成が防止される。
この実施例に係るプラズマ処理システムは、従来のプロセスガス供給システムと比較すると、シリコン含有プロセスガスを基板上方に集中させ、基板の特定領域上に優先的にプロセスガスを導くことで基板上の蒸着速度を高め且つ均一性を改善する。次の説明は、本発明に係るプラズマ処理システムの改良された能力を示す実験データを解説し、更に、関連した理論的背景も簡単に解説するものである。
図３ａは、ガス噴射器が基板に対して異なった位置に配置されているプラズマ処理システムの２つの例示的なＳｉＯ₂蒸着プロファイルを示している。これら両方のケースは、同じ蒸着条件（プラズマソース電力＝２０００ワット、電極バイアス電力＝２０００ワット、ＳｉＨ₄流量＝１８０ｓｃｃｍ、Ｏ₂流量＝３００ｓｃｃｍ、圧力＝１２mTorr、基板面に対する下向き噴射角度＝２２．５度）で、最適ではない一次ガスリング１７０を使って得られたものである。ケース１（□）は、（周方向に等間隔で隔設された１６個の）噴射器１８０のオリフィスが、基板周辺の外側約０．５ｃｍに配置された場合の実験データを示しており、他方ケース２（△）は、噴射器オリフィス１８７が基板周辺の外側約２ｃｍに配置された場合の実験データを示している。これら両方の例では、噴射器オリフィス１８７は、基板１２０の上方約５ｃｍに配置されていた。一般的な説明だが、本発明に係るプラズマ処理システムでは、噴射器オリフィス１８７の垂直方向位置は基板１２０の上方数ｃｍ以上である限り、噴射器の半径方向位置は、垂直方向位置よりも、蒸着速度に関して遥かに大きなインパクトを有している。
ケース１では、全体的な蒸着速度は、より高くなっており、ちなみにケース２の９２００Å／分と比較して１０８００Å／分となっている。これは、ケース１では、シリコン含有プロセスガスが基板の中心部上により集中するという理由による。しかし、ケース１の高い蒸着速度は、ケース２における均一性が４．１％であるのに対してケース１における均一性が８．１％（１σ）というように、低い均一性の犠牲を払って得られる。基板の中心部上及びその上方にシリコン含有プロセスガスをより集中させることによって基板の外側（半径方向）領域での蒸着速度が中心部での蒸着速度と同じ割合で高められることはない。他方、噴射器オリフィス１８７をより外側に位置決めすることで、全体的な蒸着速度は低下するが、その一方で均一性は改善される。従って、基板に対する噴射器の角度が一定（この場合、２２．５度）の場合において、蒸着速度と均一性との間にトレードオフが存在し、それは噴射点の半径方向位置を変化させることにより得られる。
しかし、ガスリング１７０からの噴射方向は、優先的にプロセスガスを基板の特定領域上に導くように各噴射器について最適化され得るものである。例えば、ケース１についてガスリング１７０を最適化する際、噴射角度は、より多くのシリコン含有ガスを基板周辺のすぐ内側の基板面上に導くように調節されよう。このことは、基板上での局部的蒸着速度を高めることになり、それによって均一性を改善することになろう。
図３ｂは、所定の噴射個所について噴射の適切な角度を選択することで、本発明に係るプラズマ処理システムの蒸着速度と均一性を最適化する能力を示す実験データを示している。図３ｂに示された両ケースは、同じ条件（プラズマ源電力＝２５００ワット、電極バイアス電力＝２０００Ｗ、ＳｉＨ₄流量＝２５０ｓｃｃｍ、Ｏ₂流量＝３５０ｓｃｃｍ、圧力＝１４mTorr）、及び、同じ噴射個所（基板の外側約２ｃｍの位置の上方約６ｃｍに位置に等間隔に周方向に隔設された１６個の噴射器）で、ガスリング１７０を使用して得られた。ケース３（○）では、噴射角度は０度（基板に平行）であり、ケース４（■）では、噴射角度は下向に（基板に向かって）３０度であった。ケース３における蒸着速度は１０８００Å／分である一方で均一性は５．３％であり、蒸着速度が基板周辺近くで最低であった。図３ｂに示された結果と同様に、ケース３の均一性は、更に基板の外側に噴射個所を移動することで改善され得たであろう。しかし、このことは、蒸着速度を実質的に低下させることになろう（図３ａでは、均一性は約２倍であったが、蒸着速度に１５％ロスを伴っていた）。ケース４におけるように、噴射角度を下向に３０度に調節することで、基板の外部領域上への蒸着は増大し、全体的な蒸着速度をほぼ同じに維持しつつも均一性は２．５％に改善される。
この例は、蒸着速度のロス無しで改善された蒸着と均一性という本発明に係るプラズマ処理システムによって与えられた予期しなかった結果を証明した。これは、半導体プロセスにおけるの基板のスループットを高めるために非常に有用である。
この実施例に係るプラズマ処理システムは、一般的なＨＤＰＣＶＤ条件の下で基板上にＳｉＨ₄の均一で、拡散というよりはむしろ指向されたフラックスを提供するものである。従って、大部分のケースで１σ＜３％の一貫した蒸着の均一性が達成される。このことは、基板上の各点における噴射器フラックスの合計がほぼ等しくなるように注意深く個々の噴射器スプレーを重ねることで達成される。
基板の中心部近くの蒸着速度を大きく低下させずに基板周辺近くの蒸着速度を増大するための論理的基礎が、次の説明から理解される。一般に、音速ノズルからのフリージェット膨張は、連続した流れの限界部で生じ、結果的にバレル状の衝撃／マッハのディスク構造の形成（a barrel shock/Mach disk structure）によって、制限された膨張を行うことになる。そのような制限された膨張に関して、比較的少数の噴射器で基板上で一様なフラックス分布を達成できるとは誰も予想しなかったであろう。しかし、本発明によれば、ジェットの密度とチャンバ雰囲気は非常に低く、ジェットは急速に遊離分子流領域（free molecular flow regime）まで移行することになる。
遊離分子流領域では、ジェットは非常に稀薄なために衝撃構造は確立されず、ジェットは単に、効果的に固定された（一定の）温度と速度で、プランドル−メイヤー膨張（Prandtl-Meyerexpansion）として膨張するだけである。図４は、噴射器からのガスジェットの例示的な流線を示している。図４を参照すると、膨張では、流線は点状ソースから放射されているように見える。密度は、ソースからの距離の逆自乗に比例して各流線に沿って減少しており、流線から流線への密度の（極角度Θでの）変化は、極座標Ｒからほぼ独立している。従って、例えば、０．０２０インチの直径のオリフィスを有する１６個の噴射器からの２００ｓｃｃｍのＳｉＨ₄の例示的な流量、１０mTorrのチャンバ圧力、３．９Torrのガスリング圧力において、円錐状の膨張の全包摂角は約１５０度である。この膨張は、発散角度が小さく、純粋な噴き出し流によくあるコサイン分布よりも更に平行にされている。
中心線密度は、ジェット出口からの距離の自乗に従って減少する。即ち、局部的ガス密度ρは、次のように与えられる：
（１） ρ（Ｒ，Θ＝０）α（ρ（Ｒ＝０，Θ＝０））／Ｒ²
但し、ＲとΘは、ジェット出口に中心をとった極座標であり、Θ＝０はジェット軸として定義されている。更に、そのような膨張に対する密度は、ｃｏｓ²Θの依存関係で減少する。即ち：
（２） ρ（Ｒ，Θ）＝ρ（Ｒ，Θ）ｃｏｓ²（πΘ／２φ）
但し、φは、噴射されたガスに対する比熱比に依存した経験定数である。例えば、窒素に対してはφ＝１．６６である。等式１と等式２を組み合わせ且つ速度が幾つかのジェット直径を越えたところで一定であると理解することで、フラックスＪは、次のような膨張内部での位置関数として確定される：
（３） Ｊ_SiH4（Ｒ，Θ）＝constant・ρ（Ｒ，Θ）
但し、Ｊ_SiH4はＳｉＨ₄のフラックスである。図５は、均一なＳｉＨ₄フラックスが基板上にどのようにして導かれるかを定性的に示している。図５において、ジェット中心線に沿っって点Ａで基板上に当っているフラックスが所望のフラックスであると仮定する。軸から外れた点Ｂでは、軸からジェットまでの半径方向の距離は短縮される一方でジェット中心線に対する流線角度は増大される。従って、ＲとΘへのフラックスの依存性は補完的であり、結果的に非常に一様なフラックスを発生させることになる。即ち、短縮された半径方向の距離は、ジェットフラックスを増大させるように作用する一方で、増大された流線角度Θは、フラックスを減少させるように作用する。軸から外れた点Ｃでは、半径方向の位置と流線角度の双方が点Ａに対して増大されている。その結果、この噴射器からの基板中心部でのフラックスを減少させることになる。しかし、これは、基板の周辺部の周りの他の噴射器（例えば、１５個の噴射器）からのスプレー円錐を重ねることで補完される。基板上の他の点についても同じような観察ができる。均一性は、各ジェットの大きな円錐状膨張によって更に高められている。
上述の簡略化された分析は、ガス相の衝突を考慮していない。１ｃｍのオーダの平均自由行程では、ＳｉＨ₄分子が基板に到達するまでに幾つかのガス相の衝突が生じるものと予測される。これらの衝突は、導入されたＳｉＨ₄フラツクスを幾分散乱させるように作用するが、ジェットは、依然として、純粋に拡散性のソースよりも遠くへ導かれる特性を維持している。局部的に蒸着速度を高めるのは、本発明に係るプラズマ処理システムによれば、拡散特性というよりもむしろこの方向特性である。
図６は、本発明の第１の側面の第２の実施例に係るプラズマ処理システムを示している。図６に示されたプラズマ処理システムは、図６の一次リング１７０が片持ち支持されると共に水冷される点を除けば、図２ａに示されたものと似ている。この実施例によれば、どの方向にも向けられ得るガスリング１７０のオリフィスを介して反応物ガスが供給される。好ましくは、オリフィスの幾つかは、蒸着速度を高めるために基板に向けられる。
ガスリング１７０の水冷は、図６に示されているように溶接された２本の独立のチューブ（即ち、チューブ１７０と水冷されたチューブ１８５）を使って、又は二重チューブ構造を使って達成される。その代わりに、水冷チューブ（図示されていない）が、ガスリング１７０の周りに螺旋状に捲かれてもよい。ガスリング１７０の水冷は、入口１８５ｂを通して水をチューブ１８５のプレナム１８５ａに供給することで達成される。水冷は、ガスリングからの剥がれ落ちを最少にする熱制御を提供し、更に高密度プラズマに晒されることによるガスリングの過度の加熱を防止する。更に、放射冷却が、チャンバ壁とガスリングの温度を制限し、熱分解を防ぐために利用され得る。
図７は、本発明の第１の側面の第３の実施例に係るプラズマ処理システムを示している。図７に示すように、プラズマ処理システムは、片持ち支持されると共に水冷されたガスリング１７０と、噴射器１８０とを含み得る。ガスリング１７０は、更にチャンバの床からも支持され得る。
この実施例によれば、反応物ガスは、第１の実施例について上述したのと同様に基板に向かって噴射される。放射冷却は、チャンバ壁とガスリングの温度を制限するために使用され得る。更に、下部ガスリングも、第２の実施例について上述したように水冷され得る。従って、第３の実施例は、剥がれ落ちを最少にするガス噴射ハードウェアの熱制御に加えて、基板上への均一な指向された蒸着を提供する。
図８ａ〜８ｄは、本発明の第１の側面に係るプラズマ処理システムの例示的な噴射器の詳細図を示している。図示を簡略化するために、アンテナ１５０やガスリング１６０及び１７０等のプラズマ処理システムの幾つかの構成要素は図示されていない。図８ａと８ｃは、基板１２０に対する噴射器１８０の向きの例を示している。図８ａは、基板１２０の水平面に対して約４５度に向けられた噴射器１８０を示している。図８ｃは、他の例を示しているが、この例では、噴射器１８０が基板１２０の水平面に対して９０度に向けられており、最適ではない。図示されていないが、噴射の軸（即ち、ガス流方向）は、基板１２０の水平面から１５〜４５度であることが好ましい。
図８ｂと８ｄは、各々図８ａと８ｃに示された噴射器１８０を詳細に示している。図８ｂと８ｄに示されているように、噴射器のコアは、噴射器の出口オリフィス１８７の直径よりも大きい。これで、音速流れが出口オリフィスで生じ、噴射器のコア内では生じないことを保証する。
図９ａ〜９ｃ及び１０ａ〜１０ｂは、本発明の第１の側面に係る例示的なガスリングの詳細図を示している。図９ａは、ガスリング１６０の上面を示しており、図９ｂは、ガスリング１６０の底面を示している。図９ｃは、ガス供給ポート１６０ｂとガスリングのプレナム１６０ａの詳細な上面を示している。同様に、図１０ａと図１０ｂは、ガスリング１７０と噴射器１８０の上面と底面とを各々示している。
図１１は、本発明の第１の側面に係る例示的な噴射器管の詳細図を示している。噴射器管は、例えば、長さが１／２〜４インチ、外径が０．１５〜０．３インチ、内径が０．０５〜０．１５インチ、出口オリフィスが０．０１〜０．０３インチ、搭載フランジが噴射器の基端から約０．０５インチ離れた配置されると共に直径約０．３５インチ直径×厚さ０．０５インチの寸法を有する等、適切な寸法を有する。後述する実施例では、出口オリフィスは、噴射器の末端チップから０．０１インチ以上離れて配置され、オリフィスは噴射器の長手軸に対して約０から９０度に向けられる。図８ｂと８ｄにおけるように、噴射器チューブ１８０の内径は、噴射器の出口オリフィス１８７の径よりも大きくなっていることが図１１から明らかである。これは、音速流が出口オリフィスでは生じて噴射器のコア内では生じないことを保証する。本発明の第１の側面に係る噴射器チューブは、噴射器チューブのサービス必要条件に基づいて選択され得る所望の寸法にすることができる。
上述の本発明の第１の側面によれば、ガスは、噴射器の末端部から噴射され、ガスの少なくとも幾分かは基板の表面に向けて導かれる。しかし、噴射器の末端部からの噴射ガスに関連した問題は、これが、末端部上への反応物プロセスガスからの副産物の蒸着によって、オリフィスの詰まりを起こすことである。これは、図１２ａ〜ｂを参照することで理解される。
図１２ａを参照すると、プロセスガスを励起することで発生されるプラズマ２００は、高められた電位で、即ちプラズマ電位で浮動する導電性ガスである。プラズマ電位は、主としてプラズマ２００とＲＦ駆動される基板電極１３０との間を結合する容量によって決定される。一般的な条件の下では、プラズマ電位は、数百ボルトに達し得る。噴射器１８０は、一般にプラズマよりも低い電位（例えば、金属製噴射器については接地電位）のままとなっている。図１２ｂに示されているように、薄いシース２１０は、噴射器１８０の『プラズマに浸った』部分の周りに形成されており、また、電場線２２０は、プラズマ２００と接地された噴射器１８０との間の電位差によって形成されている。結果的に生じた電場線２２０は、シース２１０に直交している。これらの電場は、ＲＦ電力が供給された基板支持体との容量性結合によってプラズマ電位を数百ボルトの大きさで振動させるバイアス電力（基板支持体によって印加される）の結果、非常に大きくなっている。
外部構造のコーナ及びエッジは、鋭いか又は丸みがとられているかいずれかではあるが、電場を収束する働きをすることは良く知られていることである（例えば、Classical Electrodynamics, by John David Jackson, John Wiley & Sons, New York, 1975, 2nd ed.参照）。プラズマ処理装置内の高い電場を有する領域では、ガス電離が高められる。図１２ｂに示されているように、噴射器１８０のチップは、局部的に電場を収束させる働きをし、その結果、電場線はチップの周りに集中する。図には、電場の集中が矢印の数によって示されている。噴射器１８０の末端部に配置された噴射オリフィス１８７で、ガスは最も高い局部電場を有する領域に噴射され、それによって噴射器チップ上で局部的電離と引き続いて蒸着２３０を高めることになる。時間が経過すると、蒸着２３０はオリフィス１８７を詰まらせ、それは処理の均一性に悪影響を与えることになる。
本発明の第２の側面によれば、詰まりの問題は、オリフィスを噴射器の末端から離して配置することで解決される。この設計は、プロセスガスが高い蒸着／エッチング速度と均一性を提供するように基板上に噴射され、更にオリフィスの詰まり易さを低下させる長所を与えるという特長を有している。更に、詰まりは、オリフィスを基板からスパッタリングされた材料の再蒸着（redeposition）を受けないように配置することで低減される。オリフィスの詰まりの潜在性を低減することで、噴射器のクリーニングが必要とされる前に、より多くの基板を連続的に処理することを可能にし、これにより基板の処理スループットが大幅に改善される。
図１３ａと１３ｂは、本発明の第２の側面に係る例示的な噴射器を示している。図１３ａは、噴射器の丸められた末端チップ１８２Ａから離すようにして、噴射器管１８０Ａの長手軸に沿って配置されたオリフィス１８７Ａを示している。図１３ａから理解されるように、蒸着２３０は、オリフィス１８７Ａの周りよりもむしろ丸められたチップ１８２Ａの周りに集中する。図１３ｂは、鈍角のエッジ１８２Ｃと鋭角のエッジ１８２Ｄを有する角度付きチップ１８２Ｂから離すようにして、長手軸に沿ってオリフィス１８７Ａが配置された噴射器管１８０Ｂを示している。図１３ｂから理解できるように、蒸着２３０は、大部分が鋭角のエッジ１８２Ｄ上に集中している。
図１４ａ〜１４ｂは、本発明の第２の側面に係る例示的なプラズマ処理システムを示している。図１４ａに示されているように、噴射器１８０Ａは、オリフィス１８７Ａを噴射器の向きに応じて基板から適当な距離（例えば、１〜１５ｃｍ又はそれ以上の距離）をとって、基板１２０の平面上方及び／又は外側に配置されている。従って、ガスは、チャンバ壁等の非基板面上の膜やポリマーの蒸着を最少にするように、チャンバ壁から離れた場所で噴射される。好適な実施例によれば、噴射器１８０Ａは、処理チャンバ１４０の側壁から基板１２０の周辺まで延びているが、外周辺の内側までは延びていない。そのような構成で、基板上へ誘発されるプラズマの不均一なマッピングを減じている。図１４ａに示されているように、噴射器は、オリフィスから噴射されたガスの少なくとも幾分かが、誘電窓１５５と基板１２０の間で、プラズマ境界３１０内に配置された一次プラズマ発生ゾーン３００（イオン化が最も高い領域）に向かって導入されるように向けられる。これは、結果的に供給ガス反応物の潜在的に不均一な分配を招来する。しかし、続く電離や拡散や対流混合が、基板面に接触するラジカルと反応性中間種の一様なフラックスを生成する。
図１４ａにおいて、噴射器は、基板面に向かって下向に向けられている。オリフィスは、噴射器の長手軸に沿って配置されており、ドーナツ形状のプラズマ発生ゾーン３００に向かってガスを噴射するように向きが決められている。その代わりに、噴射器は、図１４ｂに示されているように基板の面に平行に、又は、チャンバの天井（図示されていない）に向かって上方に向けられてもよい。図示はされていないが、噴射器は、更に様々な他の方向にも向けられてもよいし、また、他の場所に配置されてもよい。
図１５ａ〜１５ｃは、本発明の第２の側面に係るプラズマ処理システムの例示的な噴射器の詳細図を示している。図示を簡便化するために、プラズマ処理システムの幾つかの構成要素は、図示されていない。
図１５ａに示されているように、オリフィス１８７Ａは、基板１２０から離れる点を目指す方向の噴射軸（『Ａ』で示されている）に沿って、一次プラズマ発生領域に向かってプロセスガスを導くように向けられている。出口オリフィス１８７Ａは、その長さ方向に沿って一様な直径を有している。その代わりに、図１５ｂに示されているように、内部の一定直径部と、円錐状にテーパの付された又はフレアーの付けられた外部の拡張部とを有する段付き出口オリフィス１８８を使用してもよい。更に他の変形例では、図１５ｃに示されているように広がる丸みの付けられた輪郭を有する出口オリフィス１８９がある。
図１５ａ〜１５ｃの噴射器１８０Ａは、閉鎖されると共に丸められた末端部１８２Ａを有している。その代わりに、噴射器チップは、図１５ｄに示されているように、角度を付けられた端部１８２Ｂを有する噴射器１８０Ｂのような所望の形状を有することができる。
図１５ａ〜１５ｄに示されている形状では、噴射軸の角度は、約０〜９０度の範囲、好ましくは約１０〜８０度、最も好ましくはは基板の水平面から約１５〜６０度の範囲である。更に、噴射角度は、好ましくは、噴射されたガスが基板の周辺の外側内のゾーンに供給されるように向けられている。
図１６は、本発明の第２の側面に係る例示的な噴射器の詳細図を示している。３つのオリフィス１８７Ａ、１８８、１８９が、図１６の噴射器の長手軸に沿って示されているが、好ましくは、噴射器１８０Ａの末端近くのただ一つのオリフィスのみが使用されている。しかし、いずれの数のオリフィスも設けられ得る。例示的な実施例によれば、オリフィス１８７Ａからチップが丸められている末端チップ部『Ｅ』までの距離『ｌ（エル）』は、０．１〜５ｃｍの範囲にするとができる。
図１６に示されているように、各噴射器１８０Ａのコア『Ｃ』の横断面積は、好ましくは、出口オリフィス１８７Ａ、１８８、及び１８９の各面積の合計よりも大きいことが好ましい。これは、音速流が噴射器のコア内ではなく、出口オリフィスにおいて生じることを保証する。好ましくは、噴射器オリフィスの合計面積は、噴射器に供給を行うプレナム１７０ａの横断面積の約１／２よりも小さい。更に、噴射器のオリフィスの合計面積は、好ましくは、噴射器のコアの横断面積の約半分よりも小さい。これは、プロセスガスがチャンバ内で均等に配分され得るように、確実に各オリフィスがプロセスガスの供給を受けることを補助する。例示的な実施例では、噴射器のコアＣは、直径を０．０６インチと０．５インチの間の範囲とすることができる。出口オリフィス１８７Ａ、１８８、１８９の直径は、０．０１インチと０．１２５インチとの間、好ましくは０．０２インチと０．０６インチとの間の範囲とすることができる。
この実施例によれば、噴射器の長手軸に沿って噴射オリフィスを配置することで、オリフィスは、プラズマＣＶＤの適用及び重合するハロゲンベースのプラズマエッチング（polymerizing halogen-based plasma etch）のアプリケーションでは詰まりを受けにくい。更に、末端チップから離れてオリフィスを配置することで、オリフィスは、基板がスパッタリングされた材料の再蒸着を免れる。
この実施例によれば、ハロゲン及びハロゲン炭素化合物バースの化学的性質を使用した酸化物エッチングのアプリケーションにおいて、フォトレジストエッチングの均一性とＳｉＯ₂に対する選択性が改善される。誘電窓に又はその下に組み込まれたシャワーヘッドを通した従来の噴射は、例えば、エッチングされる形状とプロファイルの制御が十分でなく、基板中心部とエッジ部での形状差を生む『中心部が早いレジストエッチング』のように、基板を横切る方向に不均一なエッチングを齎す。更に、ＴＣＰ^TM窓やシャワーヘッド上でのポリマーの形成は、望ましくないパーティクルの剥がれ落ちと基板上の汚染を引き起こす。反対に、ガス噴射リングを介したエッジ噴射は、結果的に『エッジを早くエッチングし』、チャンバ壁上のポリマー蒸着を齎す。フォトレジストと酸化物との選択性は、一般に、これらのケースでは１〜４に過ぎないが、５〜１０が望ましいであろう。側壁のガスオリフィスと組み合わせた噴射器を利用する本発明の実施例は、同時実行時のレジストと酸化物との選択性として１０以上を確保しつつ、レジストエッチング速度（典型的には、６％ ３σ）の均一性を改善することができる。従って、この好適な噴射設計は、原子のフッ素等のエッチング種とＣＦ、ＣＦ₂及びＣＦ₃等の重合種の両方のエッチング種を含んだ反応性中間生成物と化学ラジカルの非常に均一なフラックスを基板面に提供することが理解される。
基板寸法が増大するに従って、中心部へのガス供給の必要性が高まる。上述したような処理チャンバの側壁に取り付けられた噴射器からガスを供給する噴射システムでは、フラットパネル処理で一般に遭遇する大面積の基板の中心部に対して適切なプロセスガスの供給を行い得ないかも知れない。このことは、特に、プラズマ処理システムで一般に見受けられる底部ポンプ付きチャンバの設計で顕著である。例えば、図１７に示されているように、プロセスガスはオリフィスから処理チャンバの底部に向かって流線２３５に沿って流れる。流線２３５は、基板支持体１３０Ａ上に支持された基板１２０Ａ上の一部に延びているに過ぎない。プラズマエッチングの場合、中心部へのガス供給手段無しに、エッチングの副生成物２４０は、基板１２０Ａの中心部上方で滞留し、この場合、移送は基本的に単に拡散を通して行われるだけである。このことは、基板を横切る方向に望ましくない不均一なエッチングを齎す。
本発明の第２の側面の他の実施例によれば、プロセスガスは、基板の中心部に対向すると共に基板に近接したプラズマ領域内に噴射される。例えば、シャワーヘッドノズル２５０は、プラズマ内に浸漬され、平坦な又は湾曲された誘電窓、鐘状壷、ドーム、機械的支持構造、上部電極等として構成される上部プラズマ境界面（例えば、室天井）から支持されている。シャワーヘッドノズル２５０がプラズマ中に浸漬される距離は選択可能であり、これにより、そのガス噴射器オリフィスと基板との間の距離は、チャンバの全体の縦横比を変えること無しに、即ち基板に対する天井の高さを変えること無しに調節される。チャンバの縦横比は、均一なエッチング又は蒸着速度を得ることを保証するために、イオンと中性種の適当な拡散ができるように十分なものでなければならない。中央部へのガス供給と基板に接近して配置された噴射オリフィスとを組み合わせることによって、基板の上方領域からの対流移送は、図１８の流線２３５Ａによって示されているように改善されている。
図１８は、本発明の第２の側面の他の実施例に係るプラズマ処理システムを示している。図１８では、プラズマに浸漬されたシャワーヘッドノズル２５０は、チャンバの天井構造の一体部品とすることもできるし、真空シールすると共に機械的に取り外し可能に構成してもよい。シャワーヘッドノズル２５０は、アルミニウム、陽極処理されたアルミニウム、又はアルミナ、室化シリコン、炭化シリコン等のセラミック、又は水晶、又はそれらの組合わせ等のあらゆる適当な導電材又は誘電材で構成され得る。もし、ノズル２５０が、誘電窓や鐘状壷等に取り付けられれば、ノズルの外壁は、好ましくは同じ材料又はそれに取り付けられる構成部品と同じような熱膨張係数を有する材料から造られる。これで、ノズルとそれが取り付けられる構成部品との間の異なった熱膨張に関連したパーティクル汚染の問題を低減する。水晶窓のケースでは、ノズル２５０は、製造を容易にするために窓に溶着される。
１又は複数のシャワーヘッドノズルは、チャンバの天井上のいずれの場所にも配置されるが、好ましくは、ただ一つのシャワーヘッドノズル２５０がチャンバ天井の中心部に配置される。このことは、ＴＣＰ^TMコイルによって誘発される方位角電場がゼロになり、プラズマ発生ゾーンの混乱を最少化する領域に浸漬されたノズルを位置決めすることになる。更に、ノズル２５０は、チャンバ天井と基板との間の距離の約８０％未満程の適当な距離だけ浸漬されるのが好ましい。これは、チャンバの上部領域からのイオン拡散がシャワーヘッドノズルの真下でより低いイオン密度で充満するのに十分な空間を持つことを保証する。これは、基板へのイオンフラックスにおけるノズルの『影』を最少化する。
浸漬されたシャワーヘッドノズルを使用することは、中央のガス供給箇所とチャンバ縦横比との独立した選択を行う手段を提供する。これは、プロセスガスの効果的な利用を促進し、プラズマの均一性を殆ど乱すことなく大面積の基板の中心部へのプロセスガスの供給を改善する。この構成は、更に、基板に接近させてノズルオリフィスを配置することが、基板の真上領域において拡散移送に対して対流移送を高めるため、有利である。反応物の供給の改善に加えて、浸漬されたシャワーヘッドは、基板領域からのエッチング副生成物の効率的な移送を促進し、特にアルミニウムエッチング等の化学的に駆動されるアプリケーション（chemically drivenapplication）において、エッチングの均一性とプロフィル制御に好ましいインパクトを与えることになる。
図１９ａと１９ｂは、本発明の第２の側面に係る例示的なシャワーヘッドノズルを示している。図１９ａと１９ｂでは、シャワーヘッドノズル２５０は、誘電窓（又はチャンバ天井）１５５を通して挿入され、また、チャンバの真空の完全性は真空用シーラント１５７によって維持されている。真空用シーラント１５７は、Ｏリングシール、接着剤、又は他の適当なシーラントで構成され得る。図１９ａと１９ｂに示されているように、シャワーヘッドノズル２５０は、例えば、鋭い凸状湾曲を持った外部コーナやチップ等、電場が収束するノズル上の点から離れた選択位置に配置される各種のオリフィス２５２、２５４、２５６を有してもよい。好ましくは、オリフィスは、ノズル２５０の長手軸に沿って配置されるが、オリフィスは、例えば円錐状チップを備えたノズルの局部的に平坦な領域上に配置され得る。図１９ｂに示されているように、ガス噴射オリフィス２５８は、円錐形状ノズルの平坦な軸方向端面上の末端部にも配置され得る。円錐状チップのシャワーヘッドノズルは、噴射器の真下の領域へのイオン拡散を促進するので望ましい。局部的に電場を収束する領域の外側に噴射オリフィスを配置することで、重合エッチング（polymerizing etch）や蒸着のアプリケーションに際してオリフィス詰まりの潜在性は低減される。
例示的な実施例によれば、噴射オリフィスは、ノズルの周りに形成されたプラズマシース２１０が噴射オリフィスの存在によって余り影響を受けないように、十分に小さくなっている。シャワーヘッドノズルのオリフィスの合計面積は、好ましくは、シャワーヘッドノズルのコアＣ１の横断面積よりも大きい。これは、プロセスガスがチャンバ内において均一に分配されるように各オリフィスから提供されるように、プロセスガスが均一に供給されることを保証する助けとなる。基板上方の様々な領域への噴射は、様々な噴射オリフィスに対して異なった直径を使用することで調整され得る。
オリフィスは、図１９ａと１９ｂに示されている形状のように、あらゆる所望形状とすることができる。その代わりに、オリフィスは、円錐状にテーパ加工又はフレア加工された面を有してもよいし、半径方向に起伏が付けられてもよい。オリフィスは、直接基板に向かって、又は、基板に対して鋭角に、又は、基板に平行に、又は、上部プラズマ境界面に向かって離れるように（ノズルの長手軸に対して斜角に）、又はそれらの組み合わせのいずれの方向にもガスを噴射するように向けられ得る。大面積の基板を横切って均一なエッチング及び蒸着速度を容易に得るためには、基板面上への化学ラジカルと反応中間種の一様なフラックスを達成することが望ましい。これは、基板の周辺近くに、又は他のチャンバ壁からの付加的なガス噴射手段を必要とするかもしれない。
図２０は、例示的なシャワーヘッドノズル２５０Ａの詳細な線図を示している。図２０に示されているように、シャワーヘッドノズルは、誘電チューブ２５７の内部に挿入された内部金属ライナー又はスリーブ２５５を有する複合同軸構造とすることができる。金属ライナー２５５は、ライナー内のプラズマ形成が抑圧されるように適当な回路２６０を介して接地される。その代わりに、その回路を、ノズルの外側の誘電面上へのイオン衝撃を促進して、それによって、浸漬されたノズル上へのポリマーやフィルムの蒸着を抑制するように、直流や交流やＲＦ電源等の電源に金属ライナを接続してもよい。
ノズルチップ近くにおける局部的電場の高まりを低減するために、ノズルの末端部には何ら鋭いコーナが存在しないことが好ましい。しかし、そのような電場の高揚が有利となるケースもあろう。
以上、本発明の原理と好適な実施例と動作モードとを説明した。しかし、本発明は、説明した特定の実施例に限定されるものと解釈すべきではない。従って、上記実施例は、限定よりもむしろ図解のためと見なすべきで、次の請求の範囲によって定義されるように、本発明の技術的範囲から逸脱しない限り当業者によってそれら実施例に変更が加えられるものと理解すべきである。

Claims (29)

1. プラズマ処理システムであって、
   プラズマ処理チャンバと、
   前記処理チャンバ内において基板を支持する基板支持体と、
   前記基板支持体に対向する内面を有すると共に前記処理チャンバの壁を形成する誘電部材と、
   前記処理チャンバ内で延びている末端部を有すると共に側壁に１又は複数のオリフィスを有する少なくとも１つの細長い噴射器チューブを含み、前記処理チャンバ内にプロセスガスを供給するガス供給部と、
   基板を処理するためにプロセスガスをプラズマ状態に活性化するようにＲＦエネルギを前記誘電部材を介して前記処理チャンバ内に誘導的に結合するＲＦエネルギソースと、
   を備えることを特徴とするプラズマ処理システム。
2. 電場が、プロセスガスの活性化に応じて前記噴射器チューブの周りに形成され、該電場は、前記噴射器チューブの末端部に集中し、前記オリフィスは、集中した電場から離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
3. 高密度プラズマ化学気相成長システム、又は、高密度プラズマエッチングシステムであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
4. 前記ＲＦエネルギソースは、ＲＦアンテナを含み、前記噴射器チューブは、プロセスガスを前記処理チャンバ内の一次プラズマ発生ゾーンに向かって噴射することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
5. １又は複数の前記オリフィスが、前記噴射器チューブの長手軸に沿って、互いに距離を隔てて配置されており、各オリフィスは、その長さに沿って一様な又は一様でない断面を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
6. 複数の前記噴射器チューブが、該噴射器チューブが基板の周辺部のゾーン内に延びないように、該基板の周辺部の周りに分布していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
7. 前記噴射器チューブは、プロセスガスを亜音速、音速、又は超音速で噴射することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
8. 前記噴射器チューブは、その長手軸に沿って複数のオリフィスを有するシャワーヘッドノズルを含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
9. 前記シャワーヘッドノズルは、チャンバの中央領域内に延びていることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理システム。
10. 前記ノズルは、接地又は給電される内部導電層と、該内部層を取り囲んだ外部誘電層とを有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記噴射器チューブは、閉鎖された末端部を有し、前記１又は複数のオリフィスは、基板の露出面に平行な面に対して鋭角にプロセスガスを噴射することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
12. 前記噴射器チューブは、直線状に延びると共に閉鎖された末端部を有し、前記プロセスガスは、前記噴射器チューブの長手軸に対して平行ではない方向に前記噴射器チューブから噴射され、前記１又は複数のオリフィスは、前記閉鎖された末端部から離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
13. 前記噴射器チューブは、前記誘電部材によって支持されたシャワーヘッドノズルを含み、前記シャワーヘッドノズルは、テーパ付き末端部、湾曲した末端部又は平坦な末端部に、少なくとも１つの開口を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
14. 前記ＲＦエネルギソースは、ＲＦアンテナを含み、前記シャワーヘッドノズルは、前記プロセスガスを前記処理チャンバ内の一次プラズマ発生ゾーンに向かって噴射することを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理システム。
15. 前記シャワーヘッドノズルは、前記プロセスガスを亜音速、音速、又は超音速で噴射することを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理システム。
16. 前記噴射器チューブは、テーパ付き末端部、湾曲した末端部又は平坦な末端部を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
17. 基板をプラズマ処理する方法であって、
    処理チャンバの壁を形成している誘電部材の内面が基板支持体に対向した前記処理チャンバ内において前記基板支持体上に基板を載置し、
    前記処理チャンバ内で延びている末端部を有すると共に側壁に１又は複数のオリフィスを有する少なくとも１つの細長い噴射器チューブを含むガス供給部から前記処理チャンバ内にプロセスガスを供給し、
    ＲＦエネルギソースによって発生されたＲＦエネルギを誘電部材を介して誘導的に処理チャンバ内に結合することにより、プロセスガスをプラズマ状態に活性化し、該プラズマガスを基板の露出面と反応するプラズマ相とする、
    ことを特徴とする基板をプラズマ処理する方法。
18. 電場が、プロセスガスの活性化に応じて前記噴射器チューブの周りに形成され、該電場は、前記噴射器チューブの末端部に集中し、前記オリフィスは、集中した電場から離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記ＲＦエネルギソースは、ＲＦアンテナを含み、前記噴射器チューブは、前記プロセスガスを前記処理チャンバ内の一次プラズマ発生ゾーンに向かって噴射することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 前記１又は複数のオリフィスは、前記噴射器チューブの長手軸に沿って、互いに距離を隔てて配置されており、各オリフィスは、その長さに沿って一様な又は一様でない断面を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 複数の前記噴射器チューブは、該噴射器チューブが基板の周辺部のゾーン内に延びないように、該基板の周辺部の周りに分布しており、前記噴射器チューブは、前記プロセスガスをそのゾーン内に噴射することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
22. 前記噴射器チューブは、前記プロセスガスを亜音速、音速、又は超音速で噴射することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
23. 個々の基板は、各基板上に膜を蒸着し又はエッチングするように基板をプラズマガスと接触させることにより、前記処理チャンバ内で連続的に処理されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
24. 前記噴射器チューブは、その長手軸に沿ってオリフィスが互いに隔てて配置されたシャワーヘッドノズルを含み、該オリフィスは、前記プロセスガスを複数の異なった方向に噴射することを特徴とする請求項７に記載の方法。
25. 前記シャワーヘッドノズルは、前記チャンバの中央部内に延びており、前記オリフィスは、基板の露出面と前記誘電部材の内面との間のゾーンにプロセスガスを噴射することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記シャワーヘッドノズルは、外部誘電層と内部導電層とを含み、前記外部誘電層は、前記内部導電層を取り囲んでおり、前記内部導電層は、基板の処理中に電気的に接地又は給電されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
27. 前記噴射器チューブは、直線状に延びると共に閉鎖された末端部を含み、前記プロセスガスは、前記噴射器チューブの長手軸に平行ではない方向に該噴射器チューブから噴射され、前記１又は複数のオリフィスは、前記閉鎖された末端部から離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
28. 前記噴射器チューブは、前記誘電部材によって支持されたシャワーヘッドノズルを含み、前記シャワーヘッドノズルは、テーパ付き末端部、湾曲した末端部又は平坦な末端部に、少なくとも１つの開口を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
29. 前記噴射器チューブは、テーパ付き末端部、湾曲した末端部又は平坦な末端部を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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