JP4430253B2 - ガス分配プレートを備えたチャンバ及び装置とガス分配プレートの熱応力を最小限にする方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、一般的には、プラズマチャンバにガスを供給するガス分配マニホールドに関する。更に詳細には、本発明は、多孔ガス分配プレートがプレートの熱膨張を適合させる可撓性側壁によって吊り下げられたマニホールドに関する。
【０００２】
【発明の背景】
フラットパネルディスプレイや集積回路のような電子デバイスは、一般的には、層が基板上に堆積され、その堆積した材料を所望のパターンにエッチングする一連の処理工程によって製造される。その処理工程には、一般的には、プラズマ強化気相成長（ＣＶＤ）プロセスやプラズマエッチングプロセスが含まれる。
【０００３】
プラズマプロセスには、プラズマチャンバと呼ばれる真空チャンバにプロセスガス混合物を供給し、次に電力又は電磁力を印加してプロセスガスをプラズマ状態に励起することが必要である。プラズマは、ガス混合物を所望の堆積又はエッチングプロセスを行うイオン化学種に分解する。
【０００４】
容量的に励起したＣＶＤチャンバにおいては、プラズマは、陽極の電極と陰極の電極の間に印加したＲＦ電力によって励起される。一般的には、基板は、陰極の電極として機能するペデスタル又はサセプタ上に取り付けられ、陽極の電極は、基板から短い距離に、基板に平行して取り付けられる。一般的には、陽極の電極は、プロセスガス混合物をチャンバへ供給するガス分配プレートとしても機能する。陽極の電極は、数百又は数千のオリフィスが貫通し、それによってプロセスガス混合物が陽極と陰極間の隙間へ流れる。オリフィスは、ガス分配プレートの表面を横切って隔置され、基板に隣接するプロセスガス混合物の空間均一性を最大にする。拡散プレート又は『シャワヘッド』とも呼ばれるガス分配プレートは、1989年８月８日発行の一般に譲渡されたChangらの米国特許第4,854,263号に記載されている。
【０００５】
多孔ガス分配プレートは、典型的には、プラズマチャンバのリッド又は上壁に強固に取り付けられる。強固な取り付けは、プラズマからの熱を得るにつれて多孔プレートの熱膨張を適合しないという欠点がある。その結果、プレート上の機械的応力がプレートをゆがめたり、ひび割れたりもし得る。機械的応力を軽減することは、大きなフラットパネルディスプレイのような大きな加工物を処理するために必要とする大きな分配プレートにおいて最も重要である。従って、熱で生じた機械的応力をできるだけ小さくするガス分配デバイスが求められている。
【０００６】
従来のガス分配プレートの他の欠点は、ＣＶＤプロセスの間、大体冷却したままであることである。つまり、基板の表面からの望ましくない熱損失の原因となる。特に、従来のガス分配プレートは、たいてい、熱量が大きく熱伝導率の高いチャンバリッド又は側壁に直接ボルトで留められているので、リッド又は側壁は、分配プレートから熱を取り去るヒートシンクとして機能する。従って、従来の設計は、典型的には、ガス分配プレートを望ましくない低温で維持するものである。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、プラズマチャンバ用ガス注入マニホールドである。マニホールドは、ガス分配プレートの熱膨張又は収縮に適合する可撓性側壁によって吊り下げられている多孔ガス分配プレートを有する。本発明は、熱膨張又は収縮に応じてガス分配プレートのゆがみ又はひび割れを避けるために有利である。
【０００８】
好適実施例においては、可撓性側壁は、複数のセグメントが小さな隙間で分けられ、マニホールドは、可撓性側壁セグメントの運動を可能にしつつその隙間を通るガス漏れをできるだけ少なくする新規なシーリングフランジを含んでいる。
【０００９】
他の態様においては、本発明は、高温での多孔ガス分配プレートの動作を容易にする。ガス分配プレートは、注入マニホールド側壁によってチャンバ壁から吊り下げられている。注入マニホールド側壁は、ガス分配プレートとチャンバ壁の間にかなりの熱インピーダンスをおき、よってガス分配プレートの温度が高くなることを可能にする。本発明のこの態様は、チャンバの動作中に加工物の曝露された表面からの熱損失を減少させるのを援助するために有利である。
【００１０】
【好適実施例の詳細な説明】
【プラズマチャンバの概要】
図１は、本発明のガス分配マニホールド又はプレナムとも呼ばれる、ガス注入マニホールド２０−３２を含むプラズマチャンバを示す図である。図示したチャンバは、大きな基板上に化学気相成長（ＣＶＤ）又はエッチングのようなプラズマ援助プロセスを行うのに適する。ガラス基板上にフラットパネルディスプレイの電子回路を製造するＣＶＤプロセスを行うのに特に適する。
【００１１】
プラズマチャンバ又は真空チャンバは、チャンバの内部を取り囲む、好ましくはアルミニウムからできているハウジング又は壁１０を有する。チャンバ壁１０は、チャンバ内部の側面とかなりの底部を真空包囲する。金属ペデスタル又はサセプタ１２は、陰極の電極として機能し、加工物又は基板１４を支持する平坦な上面を有する。また、基板は、サセプタと直接接触することを必要としないが、図示されていない、例えば、複数のリフトピンによってサセプタの上面のわずか上で保持されてもよい。
【００１２】
図示されていない外部ガス供給部は、１以上のプロセスガスをプロセスチャンバに送出する。特に、チャンバは、マニホールド内部と呼ばれる領域を密閉するガス注入マニホールド又はプレナム２０−３２（下で詳述される）を含んでいる。ガス注入マニホールドの外壁又は背壁２８内の外部ガス供給部からガス注入アパーチャ又はオリフィス３０まで伸長するガスライン又はコンジットは、プロセスガスをマニホールド内部へ供給する。次に、ガスは、ガス分配プレート又はディフューザプレート２０内の数百又は数千のオリフィス２２を通ってマニホールドから流出し、ガス分配プレートとサセプタ１２の間のチャンバ内部の領域に入る。
【００１３】
図示されていない慣用の真空ポンプは、チャンバ内の真空を所望のレベルに維持し、プロセスガスと反応生成物をチャンバから環状排気スリット４２を通って、次に環状排気プレナム４４へ、次に図示されていない排気チャネルを通ってポンプまで排気する。
【００１４】
ガス分配プレート又はディフューザプレート２０は、導電材料、好ましくはアルミニウムからできているので、陽極の電極として機能し得る。図示されていないＲＦ電源は、ガス分配プレートと接地チャンバ部品の間に接続される。ＲＦ電源の典型的な周波数は、１３ＭＨｚである。ＲＦ熱があることから、ガス分配プレート２０は、環状誘電スペーサ３４、３５、３６によってリッドと絶縁している。チャンバ側壁と底壁１０及びリッド１８は接地まで接続している。サセプタ又は加工物支持ペデスタルは、典型的には、接地されているが、一般的にはバイアス電源と呼ばれる第２ＲＦ電源に接続されてもよい。
【００１５】
陽極の電極（サセプタ１２）と陰極の電極（ガス分配プレート２０）の間に印加されるＲＦ電力は、それらの２つの電極間の領域に磁界を生じ、その領域内のガスをプラズマ状態に励起する。プラズマは、プロセスガス混合物から反応性化学種を生成し、加工物上の曝露された材料と反応させて所望の堆積又はエッチングプロセスを行う。
【００１６】
加工物１４とガス分配プレート２０の間のチャンバの領域内のプラズマを濃縮するために、分配プレート近傍のチャンバ内の他の金属表面は、誘電体ライナで被覆されることが好ましい。特に、誘電体ライナ３７は、リッド１８の下面にボルトで留められ、誘電体ライナ３８はチャンバ側壁１０を被覆する。ガス注入マニホールドとリッドの間の環状の隙間において、プラズマ生成を防止するとともにＲＦ電力の伝導をできるだけ小さくするために、誘電体ライナ４１がその隙間を占めている。
【００１７】
取り外し可能リッド１８は、チャンバ側壁１０の上に載せられているので、リッドは、チャンバ壁の追加部分として機能する。ガス注入マニホールド２０−３２は、リッドの内向きに伸長する環状シェルフ上に載せられている。カバー１６は、リッド１８の上にクランプで固定されている。カバーの目的は、下記のようにＲＦ熱があるガス注入マニホールドの部分と偶然接触することから人間を保護するためだけにある。
【００１８】
チャンバ部品は、チャンバ内で行うべき半導体製造プロセスを汚染せずかつプロセスガスによる腐食に抵抗する材料からできていなければならない。誘電体スペーサとライナ３４−４１及びＯ-リング４５−４８以外の部品のすべてにアルミニウムが好ましい材料である。
【００１９】
ガス注入マニホールド以外のプラズマチャンバの部分はすべて従来のものである。従来のプラズマＣＶＤやエッチングチャンバの設計と動作は、次の一般に譲渡された米国特許：1998年１月12日発行のWhiteらの米国特許第5,844,205号；及び1989年8月8日発行のChangらの米国特許第4,854,263号に記載されている。これらの特許明細書の開示内容は、本明細書に全体で援用されている。
【００２０】
【ガス注入マニホールド】
図２〜図４は、ガス注入マニホールド又はプレナムを詳細に示す図である。ガス注入マニホールドは、ガス分配プレート又はディフューザプレート２０によって底部に、可撓性側壁又はサスペンション２４によって側面に、及び外壁又は背壁２８によって上部に結合している内部領域を有する。（図２と図３に示されている三角形の角の柱は後述される。）
【００２１】
図示した実施例においては、ガス分配プレート２０は、３cm厚さのアルミニウムプレートである。好ましくは、チャンバ内に真空がつくられるときに大気圧下でほとんど変形しないほど十分に厚くなければならない。
【００２２】
新規なガス注入マニホールド設計においては、ガス分配プレート２０は、細い可撓性側壁又はサスペンション２４で吊り下げられるので、サスペンションはガス分配プレートの全重量を支持している。下記の『熱誘導機械的膨張／収縮の適合』と題する項で説明されるように、サスペンションは、熱膨張や収縮に応じてガス分配プレートに対する応力をできるだけ小さくするために可撓性である。可撓性側壁の上端は、チャンバ壁１０に直接又は間接に取り付け及び支持されている上方リップ２６を有する。『間接』に取り付け及び支持されるとは、サスペンションの上端が、図１の実施例では背壁２８とリッド１８のような上方リップ２６とチャンバ壁１０の間におかれた中間部品を介してチャンバ壁によって支持されることができることを意味する。
【００２３】
ガス注入マニホールドの背壁２８は、サスペンションの上端２６に隣接するように取り付けられるので、背壁は、ガス注入マニホールドの内部領域の上方境界又は包囲をなしている。
【００２４】
矩形ガス分配プレート２０をもつ図示した実施例においては、可撓性側壁又はサスペンション２４は、好ましくは、ガス分配プレートの４つの側面のそれぞれに１つの４つの異なる部分の薄い可撓性シート金属からなる。側壁又はサスペンション２４の４つの部分又は側壁は、ガス注入マニホールドの内部を集団的に取り囲んでいる。
【００２５】
ガス分配プレート内のオリフィス２２の直径は、プラズマチャンバ内のプラズマがガス注入マニホールドで密閉された領域、即ち、ガス分配プレート２０と背壁２８の間の領域に入るのを防止するためにプラズマダークスペースの幅より小さい。ダークスペースの幅、つまり、オリフィスの最適直径は、チャンバ圧及びチャンバ内で行われるのに所望される個々の半導体製造プロセスの他のパラメーターに依存する。また、特に解離することが難しい試薬のガスを用いてプラズマプロセスを行うために、上記Changらの米国特許第4,854,263号に記載された狭い注入口と広いフレア型流出口をもつオリフィスを用いることは望ましいことである。
【００２６】
好ましくは、ガス注入マニホールドは、また、直径がガス注入オリフィス３０よりわずかに大きい円形ディスク３２からなりかつ図示されていない柱でオリフィスの下に吊り下げられたガス注入そらせ板を含んでいる。そらせ板は、ガスがガス分配プレートの中央のガス注入口３０から直接隣接する孔２２まで直線経路で流れることを阻止し、よってガス分配プレートの中央と周辺を通るそれぞれのガス流速を等しくするのを援助する。
【００２７】
【実施例１―背壁によって真空シールが得られる】
図１〜図８に示される実施例においては、背壁２８の上面が周囲の大気圧に曝露されたガス注入マニホールドの唯一の部品である。つまり、背壁は、真空シ−ルを必要とするガス注入マニホールドの唯一の部品である。特に、チャンバ内部とチャンバの外部の周囲雰囲気間の真空シールは、背壁２８と誘電体スペーサ３４の間の第１真空シーリング材料４５、及び誘電体３４とチャンバ壁の表面の間の第２真空シーリング材料によって得られる。図示した実施例においては、後者の表面は、誘電体が載せられるリッド１８の表面である。図示した実施例は、取り外し可能リッド１８を含んでいることから、追加の真空シーリング材料４８がリッドとチャンバ側壁１０の間に必要である。シーリング材料４５、４６及び４８は、好ましくはＯ-リングである。
【００２８】
本実施例においては、背壁２８と可撓性側壁２４の上方リップ２６の間にはガスの漏れないシールを必要としない。この接合部のガス漏れの結果は、少量のプロセスガスがガス分配プレート２０内のオリフィス２２を通るのではなく漏れによってチャンバ内部に入るというだけのものである。その結果、図示した好適実施例においては、背壁２８と可撓性側壁の上方リップ２６の間にＯ-リングがない。上方リップ２６は、背壁のリムのまわりに隔置された複数のボルト７２によって背壁２８に簡単に留められている（図４参照）。
【００２９】
注入マニホールド側壁２４が金属であることから、ガス分配プレート２０と背壁２８の間に良好なＲＦ電流の接触を得ることができる。従って、ガス分配プレートをＲＦ電源に接続する電気ケーブルは、分配プレートではなく背壁の外面に直接取り付けることができる。ＲＦケーブルを直接ガス分配プレートに取り付けるとＲＦコネクタが潜在的腐食性のプロセスガス混合物に曝露されることから望ましくない。ボルト７２は、可撓性側壁２４の上方リップ２６間の良好なＲＦ電流の接触を行わせることを援助し、溶着部５６は、側壁の下の方のリップ５４とガス分配プレート間の良好なＲＦ電流の接触を行わせることを援助する。
【００３０】
【実施例２―側壁の上方フランジによっても真空シールが得られる】
図９〜図１１に示される代替的実施例においては、ガス注入マニホールドの可撓性側壁又はサスペンション２４の上方フランジ７０は、外部の周囲大気圧に部分的に曝露される。これは、図１〜図８の実施例と対照的であり、上方リップ２６を含む全サスペンション２４がガス注入マニホールドの背壁２８の周囲によって完全に密閉される。その結果、図９〜図１１の実施例においては、可撓性側壁の上方フランジ７０は、チャンバ内部と外部の周囲雰囲気間の真空シールにあずからねばならず、前実施例より１以上のＯ-リングが必要である。
【００３１】
前実施例のように、両側の誘電体スペーサ３４上に２つのＯ-リング４５、４６又は他のシーリング材料、即ち、誘電体と可撓性側壁２４の上方フランジ７０の間に第１Ｏ-リング４５、及び誘電体とリッド１８の間に第２Ｏ-リング４６が必要である。前実施例と異なり、本実施例には、更に、上方フランジ７０と背壁２８の間に第３Ｏ-リング４７又は他のシーリング材料が必要である。
【００３２】
上方フランジ７０と背壁２８の間に真空シールを得るために、第３Ｏ-リング４７と接触させた上方フランジの部分は、完全な円のＯ-リングのまわりに連続し中断してはならない。対照的に前実施例においては、上方リップ２６は、ガス注入マニホールドの４つの角近くに伸長していなかった。
【００３３】
チャンバ内部と外部の周囲雰囲気間の真空シールの一部ではないので、連続し中断していない可撓性側壁又はサスペンション２４は必要としない。従って、前実施例と異なる４つの部分であり得る。
【００３４】
背壁２８のリムのまわりに隔置された複数のボルト７２によって、サスペンション２４の上方フランジ７０が背壁に取り付けられる。
【００３５】
上方フランジ７０は、好ましくは、開放中心をもつ矩形フレームとして成形される。矩形プレートから開放中心を切り抜くか又は型打することにより製造し得る。本実施例の上方フランジ７０によって、前実施例の４つの補強バー２７が置き換えられる。上方フランジ７０は、好ましくは、平滑で平坦な上面が背壁２８に隣接していなければならない。サスペンション２４の上方リップ２６がこの上面の平面の上に突出することを防止するために、上方リップ２６は、好ましくは、フランジの上面の下にくぼんだシェルフで上方フランジ７０に取り付けられる（例えば、溶接部５７で）。
【００３６】
図１〜図８の上記実施例のように、本発明の図９〜図１１の好適実施例においては、背壁２８の上面に直接ＲＦケーブルを接続することが好ましい。背壁２８に向かってサスペンション２４の上方フランジ７０にボルトで留められ、よって背壁とサスペンションの間に良好なＲＦ電流の接触を行わせることを援助する。図１〜図８の実施例より本実施例の重要な利点は、ボルト７２がＯ-リング４７の半径方向に外側に位置し得ることである。結果として、Ｏ-リング４７は、ボルト７２―最も重要なことには、背壁２８とサスペンションの上方フランジ７０の間の電流の接触の隣接領域が、ついには電流の接触を低下させるチャンバ内の腐食性プロセスガスとプラズマに曝露することを保護する。
【００３７】
図１〜図８の実施例と異なり、図９〜図１１の実施例は、背壁２８によって被覆されていない上方フランジ７０の半径方向に外の部分が残っている。従って、本実施例は、図１２に示されるように、ＲＦ電源からの電流のケーブル７４を背壁２８の周囲の半径方向に外側の領域で上方フランジ７０に直接接続させることができる。この代替的実施においては、電気ケーブルが背壁に接続されないことから、側壁２４と背壁の間に低インピーダンスの電流の接触を行わせることを必要としない。好ましくは、図１２の実施例においては、図１２にはボルトが示されていないが、図９〜図１１の実施例と同じボルトを用いて上方フランジ７０が背壁２８に機械的に取り付けられる。
【００３８】
【熱誘導機械的膨張／収縮の適合】
本発明の注入マニホールドの可撓性側壁又はサスペンション２４の新規で有効な機能は、ディフューザが熱膨張や収縮を受ける場合にガス分配プレート又はディフューザ２０をゆがめ又はひび割れさせ得る機械的応力をできるだけ小さくすることである。（ガス分配プレートを簡略にディフューザと呼ぶ。）ディフューザ２０が膨張する量は、ディフューザのサイズにも温度にも比例する。従って、機械的応力を軽減することは、大きなフラットパネルディスプレイのような大きな加工物を処理するために必要とされる大きなディフューザにおいては最も重要である。本発明の原型においては、ディフューザの幅は３００mm×３５０mmであった。下記の理由から、ＣＶＤプロセスの動作中はディフューザを２５０℃〜３２５℃に維持することが望ましい。そのような温度でのアルミニウムディフューザは、それぞれの寸法が約１％だけ膨張することがわかった。即ち、本発明の３００mm×３５０mmの説明的ディフューザの幅は、約３mmだけ膨張する。
【００３９】
ディフューザ２０の幅がチャンバの正常な動作中の温度変化に応じて膨張や収縮する場合、可撓性側壁又はサスペンション２４に力が加わりある量まで曲がる。側壁は、ほとんど力を加えずにその量まで曲がるほど十分に可撓性でなければならない。特に、ディフューザと側壁間の曲げ力は、ディフューザのひび割れ又はゆがみを避けるほど十分に小さくなければならない。更に詳しくは、曲げ力は、０.１mm＝１００ミクロン、更に好ましくは０.０２５mm＝２５ミクロン、最も好ましくは０.０１mm＝１０ミクロンを超えるまでディフューザの形をゆがめることを防止するほど十分に小さくなければならない。基板１４に面するディフューザの表面の平坦度又は輪郭のこの量を超えるゆがみを回避することが特に重要である。
【００４０】
図１の巧く試験した実施例においては、本発明の注入マニホールドサスペンション又は側壁２４は、厚さが１mmで高さが５０mmであるシートアルミニウムであった。
【００４１】
可撓性シートアルミニウムの可撓性側壁又はサスペンション全体をつくることは最も簡単であるので側壁は高さ全体に沿って可撓性であるが、このことは必要としない。上端２６と下端５４の間のどこかに可撓性の少なくとも１部分を含むことがサスペンションには十分なことである。
【００４２】
曲げ力を減じる設計パラメーターは、（１）サスペンションの可撓性部分に可撓性の材料を使用すること；（２）可撓性部分の厚さを薄くすること；及び（３）可撓性部分の長さ（即ち、高さ）を長くすることである。長さ又は高さとは、ディフューザの平面に垂直な方向に沿った側壁の可撓性部分の寸法を意味する。
【００４３】
上記のように、チャンバの動作中の加熱に応じて、本発明の３００mm×３５０mmのディフューザは幅が１％又は３mmだけ膨張した。従って、４つの側壁のそれぞれが１.５mmであるこの量の半分だけ横にゆがんだ。それぞれの側壁が曲がる角度は、側壁の高さで割った側壁の横のゆがみであり、この実例においては１.５mm／５０mm＝０.０３ラジアン＝１.７度である。従って、本発明の実例においては、側壁又はサスペンション２４は、ディフューザに力をほとんど加えずに少なくとも１.７度曲げるほど十分に可撓性でなければならない（即ち、十分薄く長い）。上記のように、そのような曲げ力は、好ましくは１０又は２５ミクロンを超えるまでディフューザの形をゆがめてはならない。
【００４４】
図示した好適実施例においては、基板１４及びディフューザ２０は矩形である。可撓性側壁２４は矩形断面をもつ単一の中断のない環であり得るが、ディフューザの熱誘導機械的膨張や収縮が側壁２４の角に過度の応力を生じることから中断のない設計は好ましくない。そのような応力を回避する本発明の好ましい設計は、可撓性側壁を１つが矩形ディフューザのそれぞれの面の４つのセグメント又は部分に分けること、及びそれぞれの角に無視し得る量のガスだけが接合部で漏れることを可能にする新規な膨張接合部を与えることである。
【００４５】
特に、注入マニホールド側壁又はサスペンション２４は、好ましくは、矩形注入マニホールドの４つの面に位置する４つの異なる部分の薄い可撓性シートアルミニウムからなる。（図２及び図３を参照されたい。）４つの面２４のそれぞれが、好ましくは、平坦な矩形部分のシート金属から形成され、上端が９０°に曲げられて外側に伸長する上方リップ２６を形成し、下端が内側に伸長する下方フランジ５４を形成する。（図４を参照されたい。）下方フランジは、好ましくは、ディフューザ中のグルーブ内に挿入されることによりディフューザ２０に取り付けられてから溶接ビード５４で補強される。
【００４６】
４つのリップ２６のそれぞれが剛性バー２７、好ましくは５mm厚さのアルミニウムバーで補強される。それぞれの補強バー２７は、背壁２８の下面にボルトで留められ、対応する上方リップ２６は、補強バーと背壁の間に置かれ、よって上方リップが背壁にクランプで留められる。
【００４７】
ディフューザを注入マニホールド側壁部分２４に取り付けるために、ディフューザの４つの面のそれぞれのほぼ幅全体にグループが伸長する（図２）。４つの側壁部分２４のそれぞれが下端に直角の湾曲をもち、湾曲の下に内側に伸長する部分５４がディフューザの対応するグルーブに一致する取り付け下方フランジを構成する（図４）。１以上の溶接ビード５６は、取り付け下方フランジ５４とディフューザ２０に溶接されてそれらを一緒に固定する。
【００４８】
好適実施例が４つの別個のセグメント又は部分として注入マニホールド側壁２４を実施するので、２つの隣接した側壁部分は、ディフューザの４つの角のそれぞれの近傍で適合する。過度のプロセスガスが接合部で注入マニホールドからチャンバ内へ漏れないようにそれぞれの角で隣接した側壁部分２４のエッジ部間の接合又はシールを与えなければならない。ディフューザの熱膨張を適合させる点での本発明の可撓性注入マニホールド側壁の利点を保つために、ディフューザが膨張又は収縮するにつれて接合部が注入マニホールドの屈曲に適合しなければならない。
【００４９】
図２、図３及び図６は、ディフューザの４つの角のそれぞれにおける本発明の好ましい接合部を示す図である。４つの側壁部分２４のそれぞれの両端６０は、４５度の角度で内側に曲がっているので、或る角の２つの隣接した側壁のそれぞれの端は共平面である。隣接端６０間のかなりガスを通さないシールは、その２つの端６０の上をすべらせるスロットの付いたカバー又はカプラー６２、６４によって達成される。カプラーは、縦の中央継ぎ目に沿って２つの部分のシートアルミニウムを一緒に溶接し、一方のカプラー部分６２を曲げてそれともう一方のカプラーの間にスロットをつくることにより組立てられる。スロットの付いたカプラーは、２つの端６０の上をすべらせることにより取り付けられるので、カプラーの継ぎ目は２つの端６０間の隙間のほぼ中央になり、かつそれぞれの端６０は、カプラーの２つのスロットの対応する１つにちょうどよく適合する。スロットは、十分にぴったりした端６０に適合するサイズであるので、注入マニホールドからチャンバへ穿孔２２によって一部の企図したガス流量以下である量のガス漏れを可能にする。しかし、スロットは、ディフューザが膨張又は収縮するにつれて端６０の半径方向の運動を可能にするほどの十分に大きいサイズである。
【００５０】
図７及び図８は、シート金属６６の単一の矩形部分からなるスロットの付いたカバー又はカプラーの代替的設計を示す図である。図７に示されるように一組の矩形ノッチが切り抜かれ、２つの半分のカプラー６６間に細い橋６８だけが残る。カプラー６６は、図８に示されるように橋で半分に折りたたまれる。橋６８は、角で適合する２つの注入マニホールド側壁の２つの端６０の間にすべらせるのに十分に狭い幅Wである。スロットの付いたカプラー６６は、カプラー６６を２つの端６０の上にすべらせることによる上記カプラー６２、６４と同様の方法で取り付けられる。橋６８の長さＬは、図８に示されるよに折りたたまれたときのカプラー６６の２つの半分の間の隙間を決定する。この隙間は、注入マニホールド側壁がディフューザの膨張又は収縮に応じて屈曲するように端６０の運動を可能にするほど十分に大きくなければならないが、前項に記載されたガス漏れをできるだけ少なくするようにスロット付きのカプラー６６の２つの半分が端６０にぴったり適合するほど十分に小さくなければならない。
【００５１】
本発明の好適実施例は、更に、ガス注入マニホールドの４つの角のそれぞれに図２、図３、図５及び図６に示される三角形の断面をもつ固定角支柱５８を含んでいる。角支柱は、図５及び図６に示されるようにディフューザ２０にボルトで留められ、スロット付きカプラー６２、６４から外側に隔置されてディフューザが膨張又は収縮するにつれてスロット付きカプラーの運動を妨害しない。角支柱は、プラズマチャンバの動作中は機能がないので省くことができる。その唯一の機能は、ガス注入マニホールドアセンブリ２０−３２がプラズマチャンバの外で貯蔵されるときに、例えば、マニホールドアセンブリがスペアパーツとして貯蔵されるとき、又はプラズマチャンバから取り除いてチャンバのメンテナンスを可能にするときに薄い側壁２４がこわれることを防止することである。
【００５２】
図１３に示される代替的設計においては、４つの角カバー又はカプラー６０〜６６は、可撓性側壁２４の４つの部分のそれぞれを伸長することにより省くことができるのでディフューザの４つの角で接している。この簡易化した設計は、角でプロセスガスの漏れを生じることがあるが、多くの適用においては漏出量は、加工物に行われるプラズマプロセスにほとんど影響しないほど少ない量である。
【００５３】
シリコンウエハのような円形加工物１４を処理するために企図されたチャンバにおいては、ディフューザ２０は、好ましくは、前実例のように矩形ではなく断面が円形でなければならない。その場合、ガス注入マニホールドの可撓性サスペンション又は側壁２４は、環の形をした単一の完全な部分であり得る。また、サスペンションの可撓性は、上記実施例での矩形側壁の４つのセグメントと同様にいくつかの小さな軸方向に伸長するセグメントに分けることにより高め得る。
【００５４】
２００mmの直径のシリコンウエハを処理するために今日最も一般的に用いられているチャンバにおいてはディフューザの熱膨張は深刻な問題ではないが、生産が大きな直径のウエハに移るにつれて熱膨張はさらに重要になってくる。従って、このことは本発明の予期される重要な適用である。
【００５５】
【熱的分離】
チャンバ内部と外部雰囲気の間を確かに真空シールするためには、Ｏ-リング４５−４８が過度の温度にならないようにすることが重要である。低コストのＯ-リング(例えば、Vitonエラストマー製のもの)は、メーカーによると典型的には２５０℃以下であるが、専門家の中には、信頼性が最大であるためには、このようなＯ-リングは１００℃以下の低温に保つべきであるとする者もいる。
【００５６】
Ｏ-リング４６と４８は、リッド１８と直接接触し、Ｏ-リング４７は、ガス注入マニホールドの背壁２８と直接接触する。従って、これらのＯ-リングは、リッド及び背壁それぞれの温度とほぼ同じ温度になると考えられる。第２実施例(図９〜図１１)においては、Ｏ-リング４５がサスペンション２４の上方フランジ７０と直接接触するのに対して、第１実施例においては、Ｏ-リング４５は背壁と直接接触する。上方フランジは、好ましくは、良好な温度で背壁と接触するため、この実施例におけるＯ-リング４５は、他のＯ-リングよりもほんの僅かに高温になっていると考えられる。
【００５７】
雰囲気中に単純に曝すことによって、十分にリッド１８とチャンバ壁１０を１００℃〜１４０℃の温度に維持することができるということが分かった。注入マニホールド背壁２８は、一般的には、チャンバ内のプラズマからの熱放射に直接曝されていないことから温度が低い。従って、Ｏ-リング４５−４８の温度は、１４０℃を超えないであろうと考えられる。この温度は、水冷却のような付加的な冷却を必要としないほどの十分な低温である。
【００５８】
しかしながら、任意により、冷却水がポンプで流され得る、図示されていないウォータージャケットで囲むことによって、チャンバ側壁１０は冷却し得る。同様に、カバー１６の下にある背壁２８の上面上に設置された密閉ウォータージャケット(図示されていない)に同じ冷却水をポンプで流すことによって、リッド１８、背壁２８及びカバー１６も冷却し得る。このような水冷却を行うことによって、Ｏ-リング４５−４８の温度が１００℃を超えないようにすることができる。
【００５９】
ガス注入マニホールドの背壁２８はＲＦ出力なので、ウォータージャケットと背壁の間に誘電体を置かなければならない。ウォータージャケットと背壁間の温度差が大きいほうが望ましい場合には、厚い絶縁体が選ばれ得る。背壁の温度を水温よりも十分に高く、例えば１００℃よりも高く保ちたい適用においては、この誘電体が役に立ち得る。背壁をこのような高温に保つことによって、ガス分配プレートの温度を上げる助けになる。これは、次の段落で説明する理由において利点となりうる。
【００６０】
Ｏ-リングにとっては低温であることが重要であるが、一方、ガス分配プレート又はディフューザ２０においては低温は望ましくない。ガス分配プレートの温度を２５０℃〜３２５℃に上げることによって、基板１４の表面からの熱のロスを減らすことができる。更に、チャンバ内部から残留物を取り除くために、従来のインサイチュプラズマプロセスを使いたいときなどは、ガスの分配プレートの温度が高いほうがガス分配プレートの清掃が促進される。
【００６１】
従来の設計においては、熱質量が高く、熱伝導度が高いチャンバリッド又は側壁に直接ガス分配プレートがボルトで留められているために、リッド又は側壁が分配プレートから熱を取り去るヒートシンクとして機能してしまう。対照的に、ガス分配プレートとリッド１８やチャンバ壁１０のような他のチャンバ部品の間に熱抵抗をおくことによって、本発明の新規な注入マニホールド側壁２４は、熱的にガス分配プレートを分離し得る。従って、従来の設計におけるよりも本発明のガス分配プレートは、高温で操作することが可能である。
【００６２】
熱的に分離している好ましいガス分配プレートを可能にする本発明の好ましい設計においては、本発明の注入マニホールド側壁２４(又はその一部)は十分に薄く、十分な長さ又は高さをもっているので、側壁２４(又はそのような部分)の熱抵抗は、十分に大きく、ガス分配プレートとその上に置かれるチャンバ部品、即ち、背壁２８、チャンバリッド１８、チャンバ側壁１０、及びＯ-リング４５−４７の間に十分な温度差ができる。長さ又は高さとは、ガス分配プレートの面に垂直な方向に沿ったものを意味する。図１の巧く試験された実施例においては、注入口マニホールド側壁は、厚さ１mm、高さ５cmのアルミニウムシートである。
【００６３】
プラズマＣＶＤが動作する間のガス分配プレート２０の好ましい温度は、少なくとも２００℃、好ましくは２５０℃〜３２５℃、最も好ましくは、約３００℃である。本発明の注入口マニホールド側壁２４は、ガス分配プレートがそのような高温に達する一方で、外部チャンバ部品は１００℃〜１４０℃を超えないようにできる十分な熱抵抗をもっている。チャンバ壁１０、リッド１８、及び注入マニホールド背壁２８は、Ｏ-リング４５−４８を十分な低温に保つためのヒートシンクとして働くと考えられる。
【００６４】
プラズマプロセスの間にガス分配プレート２０の温度が３００℃で、背壁２８及びＯ-リング４５−４８の温度が１４０℃であるとすると、注入マニホールド側壁２４での温度差は約１６０℃である。本発明では、側壁の厚さと高さは、それぞれ十分に好ましい細さと高さをもっているので、プラズマ処理中にチャンバ部品が通常の動作温度になった後にこの温度差は少なくとも１００℃であると考えられる。
【００６５】
代替的設計方法においては、次の２つの接触領域：（１）サスペンションとガス分配プレート間の接触領域及び（２）サスペンションと、チャンバ壁に熱的に接続している他のチャンバ部品間の接触領域の一方又は双方の熱抵抗を増やすことによって、ガス分配プレート20の熱的分離が達成し得る。
【００６６】
この方法の実施例は、これら２つの接触領域の少なくとも１つの表面区域を減らすことである。例えば、ガス分配プレートとサスペンションの下方フランジ５４間の溶接ビード５６によって覆われている表面区域を減少させることによって、サスペンションとガス分配プレート間の熱抵抗を増すことが可能である(図４及び１０)。他の実例としては、図９〜図１２の実施例において、上方リップ２６とサスペンションのフランジ７０間の溶接ビード５７によって覆われている表面区域を減少させることによって、サスペンションと他のチャンバ部品(リッド１８及び背壁２８)間の熱抵抗を増すことが可能である。どちらの実例においても、可能な実施例では、サスペンションの周囲に沿ったほんの２分の１インチ幅の６個又は８個の溶接ビード５６又は５７を使用するだけである。溶接ビードはＲＦ電力をガス分配プレートに導く役割をも果たしているので、ＲＦ電力を一様に分配するためには、溶接ビードをサスペンション２４の周囲に均等な間隔で並べなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス注入マニホールドを含むプラズマチャンバの部分側断面図である。
【図２】ガス注入マニホールドの角の部分組立分解斜視図である。
【図３】ガス注入マニホールドの角の横断面図である。
【図４】ガス注入マニホールドの一方の側の縦断面図である。
【図５】ガス注入マニホールドの角の縦断面図である。
【図６】図２に示される角の組立分解図である。
【図７】折りたたむ前の代替的角接合部又はカプラーの平面図である。
【図８】図７の代替的カプラーをもつ角の組立分解図である。
【図９】可撓性側壁の上方フランジの一部が大気圧に曝されているガス注入マニホールドをもつ代替的実施例の図４と同様の図である。
【図１０】図９の詳細図である。
【図１１】図９の代替的実施例の図２と同様の図である。
【図１２】ガス注入マニホールドの側壁の上方フランジに直接結合した電気ケーブルを示す図１０と同様の図である。
【図１３】可撓性側壁が角に隣接し、角カプラーが省かれている代替的ガス注入マニホールドの角の部分組立分解斜視図である。
【符号の説明】
１０…ハウジング又はチャンバ壁、１２…ペデスタル又はサセプタ、１４…加工物又は基板、１６…カバー、１８…リッド、２０…ガス分配プレート又はディフューザプレート、２２…オリフィス、２４…可撓性側壁又はサスペンション、２６…上方リップ、２７…補強バー、２８…外壁又は背壁、３０…オリフィス、３２…円形ディスク、３４〜４１…ライナ又は誘電体スペーサ、４２…環状排気スリット、４４…環状排気プレナム、４５〜４８…Ｏ-リング又はシーリング材料、５４…下方リップ、５６、５７…溶接ビード、６０…端、６２…カプラー、６４…カプラー、６６…カプラー、６８…橋、７０…上方フランジ、７２…ボルト。

Claims (25)

1. プラズマチャンバにおいて：
   チャンバ壁と；
   一以上のガス流出オリフィスを有するガス分配プレートと；
   一以上の側壁を備えるサスペンションであって、各側壁の少なくとも一部が可撓性を有する、前記サスペンションと；
   を備え、
   前記各側壁は、前記ガス分配プレートに接続された下部を有し、
   前記ガス分配プレートを前記チャンバ壁から吊り下げる為に、各側壁の上部は前記チャンバ壁に接続され、各側壁の可撓性を有する部分は、前記ガス分配プレートの上にある、前記プラズマチャンバ。
2. 側壁の数は、一つである、請求項１に記載のプラズマチャンバ。
3. 前記ガス分配プレートは、ほぼ矩形の周囲を有し、
   前記側壁の数は４つである、請求項１に記載のプラズマチャンバ。
4. プラズマチャンバにおいて：
   チャンバ壁と；
   一以上のガス流出オリフィスを有するガス分配プレートと；
   一以上の側壁であって、各側壁の少なくとも一部が可撓性を有する、前記側壁と；
   を備え、
   各側壁は、前記ガス分配プレートに接続された下部を有し、
   前記ガス分配プレートを前記チャンバ壁から吊り下げる為に、各側壁の上部は前記チャンバ壁に接続され、各側壁の可撓性を有する部分が前記ガス分配プレートの上にあり;
   各側壁の可撓性を有する部分は、前記ガス分配プレートの熱膨張に適合する可撓性を有する、前記プラズマチャンバ。
5. プラズマチャンバにおいて：
   チャンバ壁と；
   ４つの側面を備えたほぼ矩形であり、一以上のガス流出オリフィスを含むガス分配プレートと；
   ４つの側壁を備え、各々が上部、下部、前記上部と前記下部との間に可撓性のある部分を有するサスペンションであって、前記チャンバ壁の下から前記ガス分配プレートを吊り下げる、前記サスペンションと；
   を備え、
   前記４つの側壁の各々の前記上部は、前記チャンバ壁に接続され、
   前記４つの側壁の各々の前記下部は、前記ガス分配プレートの前記４つの側面の対応する一つに隣接した前記ガス分配プレートに接続され、
   前記４つの側壁のそれぞれの可撓性のある部分は、隙間で互いに横方向に分離されている、前記プラズマチャンバ。
6. プラズマチャンバにおいて：
   チャンバ壁と；
   一以上のガス流出オリフィスを有するガス分配プレートと；
   軸方向に伸長する複数の側壁を備えるサスペンションと；
   を備え、
   各側壁は、可撓性のある部分を含み；
   各側壁は、前記サスペンションが前記ガス分配プレートを前記チャンバ壁から下に吊り下げる為に、前記チャンバ壁に接続された上部と、前記ガス分配プレートに接続された下部とを含み；
   前記側壁は、軸方向に伸長する隙間で互いに横方向に分けられている；前記プラズマチャンバ。
7. プラズマチャンバにおいて：
   チャンバ壁と；
   一以上のガス流出オリフィスを有する分配プレートと；
   一以上の側壁であって、各側壁の少なくとも一部は可撓性があり、
   各側壁は、前記ガス分配プレートに接続された下部を有し；
   各側壁の上部は、前記ガス分配プレートを前記チャンバ壁から吊り下げる為に、前記チャンバ壁に接続され；
   各側壁の可撓性がある一部は、前記ガス分配プレートの上にあり、各側壁の少なくとも一部は、少なくとも１．７度で各側壁を湾曲させる可撓性を有する、前記側壁と；
   を備える、前記プラズマチャンバ。
8. プラズマチャンバにおいて：
   チャンバ壁と；
   一以上のガス流出オリフィスを有するガス分配プレートと；
   一以上の側壁であって、各側壁の少なくとも一部は可撓性があり
   各側壁は、前記ガス分配プレートに接続された下部を有し；
   各側壁の上部は、前記ガス分配プレートを前記チャンバ壁から下に吊り下げる為に、前記チャンバ壁に接続され；
   各側壁の可撓性がある一部は、前記ガス分配プレートの上にあり、各側壁の少なくとも一部は、少なくとも１％だけ前記ガス分配プレートを膨張させる可撓性を有する、前記側壁と；
   を備える、前記プラズマチャンバ。
9. プラズマチャンバにおいて：
   チャンバ壁と；
   第１表面および第２表面、前記第１表面から前記第２表面まで伸長する一以上のガス流出オリフィス、前記第１表面及び第２表面とは異なる複数の側面を有するガス分配プレートと；
   複数の側壁を備えるサスペンションであって、各側壁の少なくとも一部に可撓性があり、側壁の数は、前記ガス分配プレートの側面の数に等しく、
   各側壁の下部は、前記ガス分配プレートの前記側面の対応する一つに隣接した前記ガス分配プレートに接続され、
   各側壁の上部は、前記チャンバ壁から前記ガス分配プレートを吊り下げる為に、前記チャンバ壁に接続される、前記サスペンションと；
   を備える、前記プラズマチャンバ。
10. プラズマチャンバにおいて：
    チャンバ壁と；
    一以上のガス流出オリフィスを有するガス分配プレートと；
    一以上の側壁を備えるサスペンションであって、少なくとも各側壁の一部は可撓性がある、前記サスペンションと；
    を備え、
    各側壁の上部は、前記チャンバ壁に接続され；
    前記ガス分配プレートは、一以上の溝を含み；
    各側壁の下部は、前記サスペンションが前記チャンバ壁から前記ガス分配プレートを吊り下げる為に、前記ガス分配プレートの前記溝の一つに取り付けられる、前記プラズマチャンバ。
11. 各側壁は、可撓性のシートを含み、各シートは、フランジを形成するようにシートの下端部付近に湾曲を含み、
    各シートの前記フランジは、前記フランジの少なくとも一部が前記ガス分配プレートの前記溝の一つの中にあるように、前記ガス分配プレートに接続される；請求項１０に記載のプラズマチャンバ。
12. ガスを投与する為の装置において：
    下面、上面、前記上面および前記下面間に伸長する一以上のガス流出オリフィスを有するガス分配プレートと；
    一以上の側壁を備えるサスペンションであって、各側壁の少なくとも一部が可撓性を有する、前記サスペンションと；
    を備え、
    各側壁は、各側壁の前記可撓性のある部分が前記ガス分配プレートの前記上面の上方にあるように、前記ガス分配プレートに接続される、前記装置。
13. 側壁の数は、一つである、請求項１２に記載の装置。
14. 前記ガス分配プレートは、ほぼ矩形の周囲を有し；
    前記サスペンションは、前記側壁の４つを備える；請求項１２に記載の装置。
15. ガスを投与する為の装置において：
    下面、上面、前記上面及び前記下面の間に伸長する一以上のガス流出オリフィスを有するガス分配プレートと；
    一以上の側壁を備えるサスペンションであって、各側壁の少なくとも一つは、可撓性を有する、前記サスペンションと；
    を備え、
    各側壁は、各側壁の前記可撓性のある部分が前記ガス分配プレートの前記上面の上方に伸びるように、前記ガス分配プレートに接続され；
    各側壁の前記可撓性のある部分は、前記ガス分配プレートの熱膨張に適合する可撓性を有する；前記装置。
16. ガスを投与する為の装置において：
    ４つの側面を備えたほぼ矩形であり、一以上のガス流出オリフィスを含むガス分配プレートと；
    ４つの側壁を備えたサスペンションであって、各々が上部、下部、前記上部及び前記下部の間に可撓性のある部分を備える前記サスペンションと；
    を備え、
    前記４つの側壁の各々の前記下部は、前記４つの側壁の可撓性のある部分のそれぞれが、隙間で互いに横方向に分けられるように、前記ガス分配プレートの前記４つの側面の対応する一つに隣接した前記ガス分配プレートに接続される；前記装置。
17. ガスを投与する為の装置において：
    一以上のガス流出オリフィスを含むガス分配プレートと；
    軸方向に伸長する複数の側壁を備えたサスペンションであって、各側壁の少なくとも一部に可撓性を有する、前記サスペンションと；
    を備え、
    前記４つの側壁の前記可撓性のある部分が、軸方向に伸長する隙間で互いに横方向に分けられるように、前記ガス分配プレートに接続される；前記装置。
18. ガスを投与する装置において：
    下面、上面、前記上面及び前記下面の間に伸長する一以上のガス流出オリフィスを有するガス分配プレートと；
    一以上の側壁を備えるサスペンションと；
    を備え、
    各側壁は、前記ガス分配プレートに接続され；
    各側壁の少なくとも一部は、少なくとも１．７度で各側壁の湾曲を許容する可撓性を有する；前記装置。
19. ガスを投与する為の装置において：
    下面、上面、前記上面及び前記下面の間に伸長する一以上のガス流出オリフィスを有するガス分配プレートと；
    一以上の側壁を備えるサスペンションと；
    を備え、
    各側壁は、前記ガス分配プレートに接続され；
    各側壁の少なくとも一部は、少なくとも１％だけ前記ガス分配プレートを膨張させる可撓性を有する；前記装置。
20. ガスを投与する為の装置において：
    第１表面及び第２表面、前記第１表面から前記第２表面に伸長する一以上のガス流出オリフィス、前記第１表面及び第２表面とは異なる複数の側面を有するガス分配プレートと；
    複数の側壁を備えるサスペンションであって、各側壁の少なくとも一部に、可撓性があり、側壁の数は、前記ガス分配プレートの側面の数に等しい、前記サスペンションと；
    を備え、
    各側壁の下部は、前記ガス分配プレートの前記側面に対応する一つに隣接するガス分配プレートに接続される、前記装置。
21. ガスを投与する為の装置において：
    一以上のガス分配流出オリフィスを含むガス分配プレートと；
    一以上の側壁を備えるサスペンションであって、各側壁の少なくとも一部に可撓性がある、前記サスペンションと；
    を備え、
    前記ガス分配プレートは、一以上の溝を含み；
    各側壁の下部は、前記サスペンションが前記チャンバ壁から前記ガス分配プレートを吊り下げる為に前記ガス分配プレートの前記溝の一つの内部に取り付けられる；前記装置。
22. 各側壁は可撓性シートを含み、各シートは、フランジを形成するようにシートの一端付近に湾曲を含み、
    各フランジは、前記フランジの少なくとも一部が前記ガス分配プレートの前記溝の一つの内部にあるように、前記ガス分配プレートに接続される、請求項２１に記載の装置。
23. プラズマチャンバのガス分配プレートに対する熱応力をできるだけ小さくする方法であって：
    チャンバ壁を有するプラズマチャンバを設けるステップと；
    前記プラズマチャンバ内に、一つ以上のガス流出オリフィスを有するガス分配プレート、一つ以上の側壁を有するサスペンションを設けるステップであって、各側壁の少なくとも一部に可撓性がある、前記ステップと；
    前記ガス分配プレートを前記チャンバ壁から吊り下げる為に前記チャンバ壁と前記ガス分配プレートとの間の各側壁を接続するステップであって、各側壁の各側壁の可撓性がある一部を前記ガス分配プレートの上にある、前記ステップと；
    プラズマチャンバの内部で熱を放射するプラズマを設けるステップと；
    を備え、
    各側壁の可撓性がある一部は、前記プラズマにより放射される熱に応じて前記ガス分配プレートに膨張させる可撓性を有する、前記方法。
24. 側壁の数は、一つである、請求項２３に記載の方法。
25. 前記ガス分配プレートは、ほぼ矩形の周囲を有し、側壁の数は４つである、請求項２３に記載の方法。

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