半導体ウェーハ処理システムのシャワーヘッドのための上下続きの２つのガスのフェースプレート
【課題】処理領域に達する前にガスを混合することなく、シャワーヘッドへのガスを密閉するためＯリングを使用することなく、処理ガスに少なくとも２つのガスを供給するシャワーヘッドを提供する。
【解決手段】シャワーヘッドのための上下続きのガス分配フェースプレートは、第１表面、第２表面、及び第３表面を含み、第１表面と第２表面の間で上下続きのガス分配フェースプレートを通って延びる複数の第１ガス孔を備えている。上下続きのガス分配フェースプレートは複数の相互連結溝により規定された内部ガスの分配空洞部を有している。複数の第２ガス孔は第１表面の間で上下続きのガス分配フェースプレートを通って複数の相互連結溝に延びている。相互連結溝は少なくとも１つのガス導管に順番に接続されるプレナムに滑らかに結合されている。ガス導管は第３表面に延びている。
【解決手段】シャワーヘッドのための上下続きのガス分配フェースプレートは、第１表面、第２表面、及び第３表面を含み、第１表面と第２表面の間で上下続きのガス分配フェースプレートを通って延びる複数の第１ガス孔を備えている。上下続きのガス分配フェースプレートは複数の相互連結溝により規定された内部ガスの分配空洞部を有している。複数の第２ガス孔は第１表面の間で上下続きのガス分配フェースプレートを通って複数の相互連結溝に延びている。相互連結溝は少なくとも１つのガス導管に順番に接続されるプレナムに滑らかに結合されている。ガス導管は第３表面に延びている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
(関連出願の参照)
この出願は、１９９８年６月１６日に出願された従来の共有特許出願 No.09/098,969の一部継続出願である。
【０００２】
本出願は半導体ウェーハ処理システム、特に、半導体ウェーハ処理システムの反応チャンバーに少なくとも２つの処理ガスを供給するためのガスの分配シャワーヘッドに関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、半導体ウェーハ処理システムは処理チャンバーを含み、処理領域の近くのチャンバー内に半導体ウェーハを支持するための台を有している。チャンバーは部分的に処理領域を規定する真空の囲いを形成する。ガスの分配体又はシャワーヘッドは処理領域に１以上の処理ガスを供給する。その後、ガスは加熱され、及び又はプラズマを形成するためにエネルギーを供給され、ウェーハに一定の処理を行う。これらの処理は化学気相成長法（ＣＶＤ）を含んでいてもよく、ウェーハに膜を堆積し、又はエッチング反応し、ウェーハから材料を除去する。
【０００４】
複数のガスを必要とする処理において、一般に、ガスは混合チャンバー内で結合され、その後、導管を介してシャワーヘッドに結合される。例えば、処理ガスとして四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）及びアンモニア（ＮＨ3）を使用する窒化チタンの堆積において、２つの処理ガスはヘリウム及び水素の搬送ガスと共に混合チャンバーに供給され、それらは結合され、ガス混合物を形成する。その後、ガス混合物は導管を通って分配プレートに結合され、プレートはガス混合物が処理ガスに均一に分配されるように複数の孔を含んでいる。ガス混合物が処理領域に入り、エネルギーを注がれると、四塩化チタンがアンモニアと化学的に反応し（すなわち、ＴｉＣｌ4がＮＨ3により減少され）、窒化チタンを作り出すように四塩化チタンとアンモニアの間に化学反応が起こる。窒化チタンは化学気相成長反応でウェーハに堆積される。
【０００５】
他の２つのガスの化学気相成長反応はアンモニアと結合してテトラジエチルアミノチタニウム（ＴＤＥＡＴ）を熱分解し、窒化チタンを作り出し、アンモニア又は窒素と水素の混合物と結合してテトラジメチルアミノチタニウム（ＴＤＭＡＴ）を熱分解し、又は水素（Ｈ2）を使用して六フッ化タングステン（ＷＦ6）を還元し、タングステンを作り出す。これらのいずれかの場合及びウェーハを作るために２以上のガスを必要とする他の場合において、複数のガスが処理領域の均一に供給される必要がある。
【０００６】
一般に、処理領域に放出する前にガスを混合し、ガスが処理領域に均一に分配されることを保証するのが好都合であるが、ガスは、混合チャンバー内で還元を開始、又はそうでなければ反応する傾向がある。その結果として、混合チャンバー、導管及び他のチャンバー構成部品の堆積又はエッチングはガス混合物が処理領域に達する前に起こってもよい。さらに、生成物による反応はチャンバーガスの搬送部品で蓄積されてもよい。
【０００７】
ガスが分配プレートを出て、処理領域に入るまで、別々の通路にガスを維持する努力において、１９９７年１月２１日に発行された米国特許 No.5,595,606（’６０６特許）は、ガスが分配プレートを出て、処理領域に入るまで、表面上は別々の通路に２つのガスを維持するシャワーヘッドを形成する複数のブロックの積み重ねを開示している。そのように、ガスはウェーハ近くの処理に達するまでお互いに混合又は反応しない。
【０００８】
図１４は、’６０６特許の従来のシャワーヘッドの断面図を示し、’６０６特許は、通路とは関係なく維持する方法で、上部ブロックから下部ブロックへ分岐する第１セットのガス通路５４ａ，５４ｂ，５４ｃ（集合的に、通路５４）及び第２セットのガス通路（集合的に、通路５２）を有する上部、中部及び下部ブロック５８，６０、及び６２を含んでいる。ガスは出入口６４を通って通路５２に供給されると共に出入口７２を通って通路５４に供給される。通路５２及び５４は中部ブロック６０で形成されたマニホールド８０及び８２を使用して分岐される。特に、通路５２はマニホールド８０を通って分岐され、通路５４はマニホールド８２を通って分岐される。
【０００９】
冷却剤の導管８４は、ガス出口を冷却するためガス出口７８の近くの下部ブロック６２に供給され、処理ガスの融解温度以下の温度、例えば、ＴＤＥＡＴのため４０℃以下にシャワーヘッドを維持する。
【００１０】
ブロック５８，６０及び６２はお互いに積重ねられ、Ｏリング９０はシャワーヘッド内にガスを密閉しようとしてブロック５８，６０、及び６２の間に配設される。そのようなＯリング９０はガスがシャワーヘッドから漏れないことを保証するのに有効であるが、ガスがいろいろなブロックの界面でガス通路５２と５４の間で漏れることによりシャワーヘッド内で混合しないことを保証するのに有効である。そのような混合は２つのガス通路部品の目的をくつがえし、すなわち、ガスが下部ブロック６２を出て、処理領域に入るまで、ガスは完全に分離されない。さらに、処理チャンバー内のＯリングの存在は、Ｏリング材料が破損し、チャンバー及び又はウェーハ表面を汚染する可能性に導く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５５９５６０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そのため、当技術分野において、処理領域に達する前にガスを混合することなく、シャワーヘッドへのガスを密閉するためＯリングを使用することなく、処理ガスに少なくとも２つのガスを供給するシャワーヘッドのための必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従来技術に伴う不利益は、シャワーヘッドで使用される上下続きのガス分配フェースプレートの本発明により克服される。上下続きのガス分配フェースプレートは、第１表面、第２表面、及び第３表面を含んでいる。上下続きのガス分配フェースプレートは、第１表面と第２表面の間で上下続きのガス分配フェースプレートを通って延びる複数の第１ガス孔を備えている。上下続きのガス分配フェースプレートは、複数の相互連結溝により規定された内部ガスの分配空洞部を有している。複数の第２ガス孔は第１表面の間の上下続きのガス分配フェースプレートを通って複数の相互連結溝に延びる。相互連結溝は少なくとも１つのガス導管に順番に接続されるプレナムに滑らかに結合されている。ガス導管は第３表面に延びている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のシャワーヘッドを含む半導体ウェーハ処理反応炉を概略的に示す断面図である。
【図２】下部のガス分配プレートの平面図である。
【図３】図２の線３−３に沿って切断した下部ガス分配プレートの部分断面図である。
【図４】下部ガス分配プレートの一部分の詳細平面図である。
【図５】図４の線５−５に沿って切断された下部ガス分配プレートの詳細部分の断面図である。
【図６】上部ガス分配プレートの平面図である。
【図７】図６の線７−７に沿って切断された上部ガス分配プレートの部分断面図である。
【図８】図７の線８−８に沿って切断された上部ガス分配プレートの一部分の詳細断面図である。
【図９】本発明のシャワーヘッドのためのフェースプレートを形成する下部及び上部のガス分配プレートの組立部分の詳細断面図である。
【図１０】ガス分配マニホールドの平面図である。
【図１１】図１０の線１１−１１に沿って切断されたガス分配マニホールド体の断面図である。
【図１２】ガス分配マニホールド体の底面図である。
【図１３】シャワーヘッドの代わりの実施例の一部分の断面図である。
【図１４】従来の２つのガスのシャワーヘッドの分解断面図である。
【図１５】ガス分配マニホールド体の別の実施例を概略的に示す断面図である。
【図１６】図１５に示された上下続きのガス分配フェースプレートの一実施例の部分破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の教示は添付した図面と関連させて以下の詳細な説明を考慮することにより容易に理解できる。
【００１６】
理解の容易のため、可能な場合には、図面に共通する同一の要素を示すためには同一の参照符号が使用される。
【００１７】
図１は、半導体ウェーハ処理チャンバー、例えば、化学気相成長反応炉１００の概略断面図を示している。反応炉１００は処理領域１０４を規定する囲い１０２（通常、チャンバーとも呼ばれる）を含んでいる。半導体ウェーハのような基板１０６は台１０８上の処理領域１０４の最も近くに保持されている。台１０８は囲い１０２内を（矢印１１０により示されているように）垂直に移動し、スリットバルブ１１２を通って基板１０６を移動させる位置まで台を降下させる。降下位置にある間、新しい基板１０６は台１０８に置かれる。その後、台１０８は、図示されているように、処理位置に上昇され、処理領域１０４の最も近くにウェーハ１０６を置く。処理ガスはシャワーヘッド１１４を通って供給される。本発明の好適な実施例では、ウェーハを処理するために複数のガス、例示的には、２つのガス、処理ガス１（例えば、四塩化チタンＴｉＣｌ4）及び処理ガス２（例えば、アンモニアＮＨ3）が使用される。これらのガスはウェーハを処理するために要求されるガス混合物を形成し、すなわち、ウェーハへの堆積又はウェーハの化学的エッチングを形成する。各源１１６及び１１８からの処理ガスはそれぞれバルブ１２０及び１２２を通って導管１２４及び１２６に供給され、導管は囲い１０２の壁１２８を貫通し、シャワーヘッド１１４に至る。シャワーヘッド１１４は反応炉１００の蓋を形成する。
【００１８】
シャワーヘッド１１４は２つの主な構成部品、フェースプレート１３０とガス分配マニホールド１３２を有している。ガス分配マニホールド１３２は２本の導管１３４及び１３６を有し、それらの導管はそれぞれ、チャンバー壁１２８を通ってガスを搬送する導管１２４及び１２６に結合している。シャワーヘッド１１４と処理チャンバー１０２の壁１２８の間の界面１３８での導管は、それぞれの導管１２４及び１２６に外接するＯリング１４０及び１４２を使用して有効に密閉される。第１処理ガスは導管１３４を介して円筒チャンバー１４４に供給され、第１処理ガスをフェースプレート１３０に分配する。第２処理ガスは導管１３６を介して環状チャンバー１４６に供給され、第２処理ガスをフェースプレート１３０に分配する。
【００１９】
フェースプレート１３０は２つの構成部品、下部ガス分配プレート１４８と上部ガス分配プレート１５０とを含んでいる。これらの２つのプレートは、処理領域１０４に入る２つの処理ガスのための２つの別個の通路を規定する各種溝及び孔を含む。溝及び孔の特定の配列は、下部ガス分配プレート１４８のため図３，４及び５、そして上部ガス分配プレート１５０のため図６，７及び８に関して詳細に説明されている。溝と孔の間のシールとしてＯリングを使用することなく溝を規定するため、下部及び上部ガス分配プレートがお互いに融合され、単一のフェースプレート１３０を形成する。フェースプレートはガス分配マニホールド１３２に（複数のボルト１５２を使用して）締付けられている。フェースプレート１３０及びマニホールド１３２の一致面は、そのように、１〜３ｍｍの平面度を有し、Ｏリングを使用することなくボルトで締付け可能であり、十分なシールが作られ、ガスの混合を防止する。フェースプレートおよびマニホールド体は、一般に、アルミニウム又はニッケルのような金属から作られている。
【００２０】
図２は下部ガス分配プレート１４８の平面図を示し、図３は図２の線３−３に沿って切断された下部ガス分配プレート１４８の部分断面図を示し、図４は図２に示された下部ガス分配プレート１４８の一部分の詳細平面図を示し、図５は図４の線５−５に沿って切断された詳細断面図を示している。下部ガス分配プレートの囲いを最もよく理解するため、読者は図２，３，４及び５を同時に参照すべきである。
【００２１】
より詳細には、下部ガス分配プレート１４８は平面形状が円形又はディスク状で、中央入口領域２００及び周辺フランジ２０２を有し、フランジ２０２は約２．５ｍｍの厚さを有し、中央入口領域２００は約１．２１ｃｍの厚さを有している。中央領域２００は約２．５４ｃｍのフランジ幅により規定されている。中央入口領域２００は２セットの孔２０４及び２０６を含み、各孔は隣接する孔との中心間の間隔は６．３５ｍｍ有している。一般に、第１ガスのための孔（例えば、ＴｉＣｌ4のための孔は０．０２５インチ）は、第２ガスのための孔２０４（ＮＨ3のための孔）とほぼ同一サイズである。しかし、各ガスのための孔サイズの選択は単に処理条件である。そのように、孔サイズはガス流量、ガス圧力、ガスタイプ、チャンバー圧力等により変わるだろう。孔サイズはまた、孔を通るガス流量がフェースプレートの孔の位置と相関するようにフェースプレート表面に亘り変化してもよい。
【００２２】
中央入口領域２００は、幅が３．１７３ｍｍで深さが９．５２５ｍｍの溝又は導管２０８により切欠されている。それらは、（線２１０により示されているように）水平から６０°の角度で切欠されている。そのように、複数の相互連結溝２０８は第２ガスのための孔２０４上に形成されている。第１ガスのための孔２０６は入口領域２００を通って延び、穴２１０をくり広げられている。穴２１０と孔２０６の接合点は、例えば、１２０°の角度を成している。溝２０８は十字形パターンで相互連結し、その開放頂部で囲われている時、第２ガスのためガスマニホールドを形成する。それぞれのガスのため、下部ガス分配プレート１４８を出る約７００の孔２０４及び２０６がある。
【００２３】
図６，７及び８はそれぞれ、上部ガス分配プレート１５０の平面図、図６の線７−７に沿って切断されたプレート１５０の断面図、及び図７の線８−８に沿って切断されたプレートの一部分の詳細断面図である。上部ガス分配プレート１５０は、組立てる時、調整し、下部ガス分配プレート１４８のフランジにある外側端部（フランジ支持６００）を有している。上部ガス分配プレート１５０の中央には、第２及び下部ガス分配プレートが内部適合するように下部ガス分配プレート１４８の上昇された中央入口領域２００と実質的に一致する凹部６０２がある。上部ガス分配プレート１５０は、約１．６ｍｍの直径を有する中央に配置された複数の孔６０４を含み、これらの孔は下部ガス分配プレート１４８の第１ガスのため穴２１０と整列している。さらに、上部ガス分配プレート１５０の端部の最も近くであるが、フランジ支持６００の内側には、下部ガス分配プレート１４８の溝２０８への分配ガスに使用される複数の孔６０６がある。組立により、ガス分配孔６０４の間の上部ガス分配プレート１５０の平坦部分は下部ガス分配プレート１４８の溝２０８の頂部を形成する。上部ガス分配プレート１５０に約７００の孔があり、第１ガス孔２０６及び下部ガス分配プレート１４８のそれらに伴うカウンターボア２１０の配列と同一に調和している。下部ガス分配プレート１４８の溝２０８にガスを供給するガス分配孔６０６は、８つの孔がそれぞれ約６．３５ｍｍの直径を有するように、上部ガス分配プレート１５０の周囲の回りにお互いに対して４５°度の角度を成している。
【００２４】
図９は下部及び上部ガス分配プレート１４８及び１５０の一部分の組立図を示している。フェースプレート１３０を組立てるため、下部及び上部ガスの分配プレート１４８，１５０は、１〜３ｍｍ以内で一様でなければならない。アルミニウム分配プレートに融合するため、その後、一致面は高シリコンアルミニウムで被覆され、下部及び上部分配プレート１４８，１５０はお互いに締付けられ、その後、部品は炉に置かれ、下部及び上部ガス分配プレートはお互いに融合され、１つの単一要素、フェースプレート１３０を形成する。そのように、Ｏリングはフェースプレート内にガスを保有し、又はガスの分離を保持するために必要ではない。プレート１４８及び１５０は、フランジ２０２とフランジ支持６００の接合点及びダイヤモンド形状の島の頂部の表面に融合されている。特に、フランジ２０２及びフランジ支持６００は外側端部９０２に融合され、フェースプレート内部にすべてのガスを維持するのに十分なシールを形成する。さらに、上部ガス分配プレート１５０及び下部ガス分配プレート１４８のフランジ２０２は、下部ガス分配プレート１４８に形成されたガス溝２０８にガスを供給する周囲のプレナム９００を形成する。孔６０６はこの周囲のプレナム９００にガスを供給する。上部ガス分配プレート１５０は溝２０８の頂部に形成され、一様な方形断面の溝２０８が形成され、下部ガス分配プレート１４８の孔２０４に第２処理ガスを分配する。上部ガス分配プレート１５０の孔６０４は下部ガス分配プレート１４８の孔２１０と整列され、第１処理ガスを両方の分配プレート１４８及び１５０に通過させ、反応チャンバーの処理領域に達するのを妨げられない。一度、融合されると、（さら穴にされ、ボルト頭部（図示せず）がフェースプレートの表面と平らになるようにさせられた）複数の取付穴９０４が周辺端部領域９０２に形成され、フェースプレート１３０をガス分配マニホールド１３２に添付しやすくしている。
【００２５】
フェースプレートがチャンバー処理ガスと反応する材料から製造された場合には、フェースプレートは、一般に、保護材料でめっきされ、フェースプレートの腐食を防止する。塩素に晒されると思われるアルミニウム製フェースプレートにとって、フェースプレートは０．２から０．４ミルの厚さかでニッケルでめっきされている。最大保護のため、フェースプレートは内側及び外側の表面にめっきされるべきである。
【００２６】
図１０，１１及び１２はそれぞれ、ガス分配マニホールド１３２の平面図、図１０の線１１−１１に沿って切断されたガス分配マニホールド１３２の断面図、及びガス分配マニホールドの底面図である。ガス分配マニホールド１３２は、図１に示された導管１２４及び１２６からフェースプレート１３０にそれぞれの処理ガスを供給する。マニホールド１３２は３つの構成要素、下部プレート１０００、中部プレート１００２及び上部プレート１００４を備えている。底部プレート１０００はフェースプレート１３０の直径と実質的に同一の直径を有する第１円筒空洞部を含んでいる。空洞部１００６はフェースプレート１３０と内部適合するように形成されている。第２空洞部１００８は第１空洞部と同軸上にあるが、より小さい直径を有し、フェースプレート１３０が空洞部１００６に取付けられることによりマニホールド１３２と接する時にチャンバーが形成されるようになっている。このチャンバーは上部ガス分配プレート１５０の孔６０４に第１処理ガスを分配するために使用される。中央に配置された穴１０１０はチャンバー１４４を導管１３４に結合し、この導管は中央の穴から上部プレート１００４の端部近くの位置に延びている。その位置で、導管１３４はチャンバー壁の導管１２４に結合している。導管１３４を形成するため、上部プレート１００４はガスが流れるその底面に刻まれた溝を有している。溝は中部プレート１００２に上部プレート１００４を取付けることにより完成され、中部プレートの最上面が溝１３４の底部を形成するようになっている。
【００２７】
導管１２６及びチャンバーの壁からフェースプレートへの第２処理ガスを結合するため、環状溝１４６はマニホールド１３２で形成される。環状チャンバーは下部プレート１０００の最上面に環状溝１４６を刻むことにより形成されている。放射状に導かれた溝１０１２は、各溝１０１２の遠位端部で環状溝１４６を穴１０１４に接続する。さらに、導管１３６を形成する溝は、環状溝１４６から界面１３８の導管結合位置まで延びる下部プレート１０００に形成されている。環状溝１４６の頂部は中部プレート１００２により閉塞され、閉塞された環状溝１４６がフェースプレート１３０の分配プレナム９００へ第２処理ガスを結合する溝１０１２及び穴１０１４を放射状に延ばすことにより形成されている。
【００２８】
ガス分配マニホールド体１３２を製作するため、下部、中部及び上部プレート１０００，１００２及び１００４は高シリコンアルミニウム膜で被覆されたそれらの一致面を有し、全体の部品は約５５０℃の温度で炉内で締付けられ、置かれ、お互いに接触面に融合し、単一のマニホールド体１３２を形成する。そのように、Ｏリングは処理ガスの間に分離を維持するために必要ではない。
【００２９】
シャワーヘッドを形成するマニホールド体及びフェースプレートは、アルミニウム製、又はニッケル等の他の熱伝導材料製である。そのようにシャワーヘッドは冷却プレート又は他の冷却装置に結合され、シャワーヘッド全体を均一で一定の温度に保持するであろう。そのような冷却プレートは、切欠又はそうでなければ形成された冷却溝を有するアルミニウム本体を使用して容易に形成可能であり、冷却プレートがマニホールド１３２の頂部に取付けられている間、冷却剤が冷却プレートを通って循環可能なようになっている。マニホールド体の頂部に取付けられた冷却プレート１１００の配置例が図１１に示されている。
【００３０】
本発明の前述した実施例のシャワーヘッドは１０〜５トルの真空テストで試験され、ガス供給導管１３４及び１３６のそれぞれに供給されるガスの間でクロストークは起こらない。
【００３１】
図１３はフェースプレート１３００の代わりの実施例の一部分の断面図を示している。この実施例は、上部ガス分配プレート１３０２及び下部ガス分配プレート１３０４を含んでいる。下部ガス分配プレート１３０４は前述した下部ガス分配プレート（図９の１４８）と同様であり、プレート１３０４は複数のガス分配孔を規定する（１セットの孔１３０６は第１ガスを分配するためであり、１セットの孔１３０８は第２ガスを分配するためである）。すべての他の孔は上側からくり広げられている。それぞれのカウンターボアには、垂直方向に管状の導管（管）１３１２の１端部が配置されている。各管１３１２の他端部は上部ガス分配プレート１３０２の孔１３２０を通過する。上部及び下部ガス分配プレート１３０２及び１３０４及び管１３１２は、ニッケル又はアルミニウム等の金属製である。一度組立てられると、フェースプレートは炉に置かれ、前述した実施例が製作されたのと同様の方法で、接触面をお互いに蝋付ける（融合する）ために加熱される。
【００３２】
前記実施例では、フェースプレートがチャンバー処理ガスと反応する材料製である場合、一般に、フェースプレートは保護材料でめっきされ、フェースプレートの腐食を防止する。塩素に晒されると思われるアルミニウム製フェースプレートのため、フェースプレートは０．２〜０．４ミルの厚みまでニッケルでめっきされる。最大の保護のため、フェースプレートは内側及び外側表面にめっきされるべきである。
【００３３】
それぞれの管１３１２は、第２ガスがガス分配孔１３０８に達するためのガス通路を規定する。上部ガス分配プレート１３０２の下部表面１３１４及び下部ガス分配プレート１３０４の上部表面１３１０は第１ガスをガス分配孔１３０６に分配する空洞部１３１６を規定する。第１ガスは１以上の入口１３１８を介して空洞部１３１６に供給される。ガスマニホールド（図示しないが、図１のマニホールド１３２と同一）はフェースプレート１３００に結合され、第１ガスを管１３１２に供給すると共に第２ガスをフェースプレート１３００の入口１３１８に供給する。フェースプレートのこの実施例を含むシャワーヘッドの取付及び操作は前記実施例と同一である。
【００３４】
本発明のいずれかの実施例のための代わりの製造処理は、フェースプレート構造を補強するため積重ね打抜き層（各層は約５ミルの厚みである）を含んでいる。その後、層の積重ね又は重ね合せは炉に置かれ、単一のフェースプレートに融合される。フェースプレートの材料はニッケル又はアルミニウム等の金属である。
【００３５】
図１５及び１６はシャワーヘッド１６０２の別の実施例を示し、上下続きのガス分配フェースプレート１５０２及び周辺リング１５０３を備えている。この部分では、図１５は図１６と関連させて読まれるべきである。後述される幾らかの孔は上下続きのガス分配フェースプレート１５０２を形成する必要性を複数のプレートから制限する上下続きのガス分配フェースプレート１５０２で機械加工される。上下続きのガス分配フェースプレート１５０２は、アルミニウム、窒化アルミニウム、ステンレス鋼、モリブデン、又は上下続きのガス分配フェースプレート１５０２に注入される特定の化学薬品と反応しない材料のブロックから機械加工される。上下続きのガス分配フェースプレート１５０２は、下部表面１５０４、上部表面１５０６、周辺取付部分１５０７、内部ガス分配空洞部１５０９、及び垂直周縁面１５０８を備えている。上下続きのガス分配フェースプレート１５０２の破断部分だけが図１６に示されている。周辺リング１５０３の一部分だけが図１６に示されている。上部表面の一部分は内部ガス分配空洞部１５０９の構造を示すために取り除かれている。周辺取付部分１５０７は周縁面１５０８の外側放射状に延びている。垂直周縁面１５０８は上下続きのガス分配フェースプレート１５０２の上部表面の周辺回りで円周状に延びている。
【００３６】
上下続きのガス分配フェースプレートは、第１孔１５１０、第２孔１５２０、及び相互連結溝１５１２Ａ及び１５１２Ｂの穿設された３つのタイプの孔を有している。電気放電穿孔、機械穿孔、加圧反応穿孔、及びウォータジェット切断等の処理が、孔又は溝１５１０，１５２０，１５１２Ａ、又は１５１２Ｂ（図１５には溝１５１２Ｂだけが示されている）を穿設するための使用される穿孔技術である。穿孔技術の公知の適用可能なタイプが孔１５１０，１５２０，１５１２Ａ、又は１５１２Ｂのいずれかを穿設するために使用されてもよい。
【００３７】
第１孔１５１０の配列は上部表面１５０６及び下部表面１５０４の間に延びている。相互溝は１５１２Ａ及び１５１２Ｂとして示されたそれらにさらに分けられる。各相互溝１５１２Ａが１つの相互溝１５１２Ｂと交差する位置は接合空間１５１６を規定すると共に内部ガス分配空洞部１５０９を規定する。相互連結溝１５１２Ａはすべてお互いに平行で、同一平面上にあり、垂直周縁面１５０８の間に延びている。相互連結溝１５１２Ｂはまたお互いに平行で、同一平面上にあり、垂直周縁面１５０８の間に延びている。相互連結溝１５１２Ｂはまた、接合空間１５１６で相互連結溝１５１２Ｂに垂直に交差している。
【００３８】
第１孔１５１０は整列して配列され、及び上下続きのガス分配フェースプレート１５０２内に規定されているそれぞれの孔１５１０は、上部表面１５０６と下部表面１５０４の間に延びている。整列して配列された第２孔１５２０、及び各第２孔１５２０は上下続きのガス分配フェースプレート１５０２内に規定され、下部表面１５０４から接合空間１５１６に延びている。接合空間１５１６は滑らかに通じており、部分的に内部分配空洞部１５０９を規定する。第２孔１５２０の配列は第１孔１５１０の配列からずれている。第２孔１５２０は、図１６に示されているように、内部ガス分配空洞部１５０９の上方には延びていない（それらは第２表面１５０６に続いていない）。ガスは内部ガス分配空洞部１５０９を通って接合空間１５１６の第２孔１５２０に自由に流れる。したがって、内部ガス分配空洞部１５０９は導管１３６から第２孔１５２０のそれぞれにガスを供給する導管を供給する。
【００３９】
周辺リング１５０３は、第１蝋付けジョイント１６２０及び第２蝋付けジョイント１６２２により上下続きのガス分配フェースプレートの回りに延び、そしてそれに取付けられている。周辺プレナム１６０６は、周辺リング１５０３、上下続きのガス分配フェースプレート、第１蝋付けジョイント１６２０及び第２蝋付けジョイント１６２２の間に規定されている。周辺プレナム１６０６は内部ガス分配空洞部１５０９と滑らかに連通している。したがって、ガス導管１６３０を介して周辺プレナム１６０６に加えられるガスは、（相互連結溝１５１２Ａ及び１５１２Ｂを備えた）内部ガス分配空洞部１５０９を介して第２孔１５２０に渡る。
【００４０】
第１蝋付けジョイント１６２０は周辺リング１５０３の第１周辺端部１６６８を垂直周縁面１５０８に接続する。第２蝋付けジョイント１６２２は周辺リング１５０３の第２周縁端部１６７０を周辺取付部分１５０７の周縁端部１６７２に接続する。第１蝋付けジョイント１６２０及び第２蝋付けジョイント１６２２は、周辺プレナム１６０６とシャワーヘッド１６０２の外側の間でガスの通過を制限する。蝋付け処理は上述した蝋付け処理と同様の方法で行われ、周辺リング１５０３を上下続きのガス分配フェースプレート１５０２に一体化する。複数の整列された穿孔１６４０は上下続きのガス分配フェースプレート１５０２を通って延びる。それぞれの穿孔１６４０は周辺リング１５０３を通って延びる穿孔１６４２に整列される。ボルト、ネジ等の留め金具は、上下続きのガス分配フェースプレート１５０２及び周辺リング１５０３を備えたシャワーヘッドを取付け要素１６４６に固定する。代わりに、シャワーヘッド１６０２は、留め金具が取り除かれた時、別の公知な置換可能な方法で取付け要素１６４６に固定してもよく、上下続きのガス分配フェースプレート１５０７は除去可能であり、人は洗浄のため導管１３４及び１３６へのアクセスを得ることができる。
【００４１】
ガス導管１６３０は周辺プレナム１６０６から導管１３６へ延びている。導管１３４は上部表面１５０６を介して複数の第１項５１０のそれぞれと滑らかに連通している。導管１３４及び１３６の構造及び操作は説明したものと同様である。被覆蝋付け技術及び材料に関する上記説明は、上下続きのガス分配フェースプレート１５０２に同様に適用する。
【００４２】
本発明の教示を組込んだ各種実施例が詳細に示され、説明されているが、当業者であればこれらの教示を組込んだ他の多数の変更実施例を容易に発明することができる。
【技術分野】
【０００１】
(関連出願の参照)
この出願は、１９９８年６月１６日に出願された従来の共有特許出願 No.09/098,969の一部継続出願である。
【０００２】
本出願は半導体ウェーハ処理システム、特に、半導体ウェーハ処理システムの反応チャンバーに少なくとも２つの処理ガスを供給するためのガスの分配シャワーヘッドに関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、半導体ウェーハ処理システムは処理チャンバーを含み、処理領域の近くのチャンバー内に半導体ウェーハを支持するための台を有している。チャンバーは部分的に処理領域を規定する真空の囲いを形成する。ガスの分配体又はシャワーヘッドは処理領域に１以上の処理ガスを供給する。その後、ガスは加熱され、及び又はプラズマを形成するためにエネルギーを供給され、ウェーハに一定の処理を行う。これらの処理は化学気相成長法（ＣＶＤ）を含んでいてもよく、ウェーハに膜を堆積し、又はエッチング反応し、ウェーハから材料を除去する。
【０００４】
複数のガスを必要とする処理において、一般に、ガスは混合チャンバー内で結合され、その後、導管を介してシャワーヘッドに結合される。例えば、処理ガスとして四塩化チタン（ＴｉＣｌ4）及びアンモニア（ＮＨ3）を使用する窒化チタンの堆積において、２つの処理ガスはヘリウム及び水素の搬送ガスと共に混合チャンバーに供給され、それらは結合され、ガス混合物を形成する。その後、ガス混合物は導管を通って分配プレートに結合され、プレートはガス混合物が処理ガスに均一に分配されるように複数の孔を含んでいる。ガス混合物が処理領域に入り、エネルギーを注がれると、四塩化チタンがアンモニアと化学的に反応し（すなわち、ＴｉＣｌ4がＮＨ3により減少され）、窒化チタンを作り出すように四塩化チタンとアンモニアの間に化学反応が起こる。窒化チタンは化学気相成長反応でウェーハに堆積される。
【０００５】
他の２つのガスの化学気相成長反応はアンモニアと結合してテトラジエチルアミノチタニウム（ＴＤＥＡＴ）を熱分解し、窒化チタンを作り出し、アンモニア又は窒素と水素の混合物と結合してテトラジメチルアミノチタニウム（ＴＤＭＡＴ）を熱分解し、又は水素（Ｈ2）を使用して六フッ化タングステン（ＷＦ6）を還元し、タングステンを作り出す。これらのいずれかの場合及びウェーハを作るために２以上のガスを必要とする他の場合において、複数のガスが処理領域の均一に供給される必要がある。
【０００６】
一般に、処理領域に放出する前にガスを混合し、ガスが処理領域に均一に分配されることを保証するのが好都合であるが、ガスは、混合チャンバー内で還元を開始、又はそうでなければ反応する傾向がある。その結果として、混合チャンバー、導管及び他のチャンバー構成部品の堆積又はエッチングはガス混合物が処理領域に達する前に起こってもよい。さらに、生成物による反応はチャンバーガスの搬送部品で蓄積されてもよい。
【０００７】
ガスが分配プレートを出て、処理領域に入るまで、別々の通路にガスを維持する努力において、１９９７年１月２１日に発行された米国特許 No.5,595,606（’６０６特許）は、ガスが分配プレートを出て、処理領域に入るまで、表面上は別々の通路に２つのガスを維持するシャワーヘッドを形成する複数のブロックの積み重ねを開示している。そのように、ガスはウェーハ近くの処理に達するまでお互いに混合又は反応しない。
【０００８】
図１４は、’６０６特許の従来のシャワーヘッドの断面図を示し、’６０６特許は、通路とは関係なく維持する方法で、上部ブロックから下部ブロックへ分岐する第１セットのガス通路５４ａ，５４ｂ，５４ｃ（集合的に、通路５４）及び第２セットのガス通路（集合的に、通路５２）を有する上部、中部及び下部ブロック５８，６０、及び６２を含んでいる。ガスは出入口６４を通って通路５２に供給されると共に出入口７２を通って通路５４に供給される。通路５２及び５４は中部ブロック６０で形成されたマニホールド８０及び８２を使用して分岐される。特に、通路５２はマニホールド８０を通って分岐され、通路５４はマニホールド８２を通って分岐される。
【０００９】
冷却剤の導管８４は、ガス出口を冷却するためガス出口７８の近くの下部ブロック６２に供給され、処理ガスの融解温度以下の温度、例えば、ＴＤＥＡＴのため４０℃以下にシャワーヘッドを維持する。
【００１０】
ブロック５８，６０及び６２はお互いに積重ねられ、Ｏリング９０はシャワーヘッド内にガスを密閉しようとしてブロック５８，６０、及び６２の間に配設される。そのようなＯリング９０はガスがシャワーヘッドから漏れないことを保証するのに有効であるが、ガスがいろいろなブロックの界面でガス通路５２と５４の間で漏れることによりシャワーヘッド内で混合しないことを保証するのに有効である。そのような混合は２つのガス通路部品の目的をくつがえし、すなわち、ガスが下部ブロック６２を出て、処理領域に入るまで、ガスは完全に分離されない。さらに、処理チャンバー内のＯリングの存在は、Ｏリング材料が破損し、チャンバー及び又はウェーハ表面を汚染する可能性に導く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５５９５６０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そのため、当技術分野において、処理領域に達する前にガスを混合することなく、シャワーヘッドへのガスを密閉するためＯリングを使用することなく、処理ガスに少なくとも２つのガスを供給するシャワーヘッドのための必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
従来技術に伴う不利益は、シャワーヘッドで使用される上下続きのガス分配フェースプレートの本発明により克服される。上下続きのガス分配フェースプレートは、第１表面、第２表面、及び第３表面を含んでいる。上下続きのガス分配フェースプレートは、第１表面と第２表面の間で上下続きのガス分配フェースプレートを通って延びる複数の第１ガス孔を備えている。上下続きのガス分配フェースプレートは、複数の相互連結溝により規定された内部ガスの分配空洞部を有している。複数の第２ガス孔は第１表面の間の上下続きのガス分配フェースプレートを通って複数の相互連結溝に延びる。相互連結溝は少なくとも１つのガス導管に順番に接続されるプレナムに滑らかに結合されている。ガス導管は第３表面に延びている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のシャワーヘッドを含む半導体ウェーハ処理反応炉を概略的に示す断面図である。
【図２】下部のガス分配プレートの平面図である。
【図３】図２の線３−３に沿って切断した下部ガス分配プレートの部分断面図である。
【図４】下部ガス分配プレートの一部分の詳細平面図である。
【図５】図４の線５−５に沿って切断された下部ガス分配プレートの詳細部分の断面図である。
【図６】上部ガス分配プレートの平面図である。
【図７】図６の線７−７に沿って切断された上部ガス分配プレートの部分断面図である。
【図８】図７の線８−８に沿って切断された上部ガス分配プレートの一部分の詳細断面図である。
【図９】本発明のシャワーヘッドのためのフェースプレートを形成する下部及び上部のガス分配プレートの組立部分の詳細断面図である。
【図１０】ガス分配マニホールドの平面図である。
【図１１】図１０の線１１−１１に沿って切断されたガス分配マニホールド体の断面図である。
【図１２】ガス分配マニホールド体の底面図である。
【図１３】シャワーヘッドの代わりの実施例の一部分の断面図である。
【図１４】従来の２つのガスのシャワーヘッドの分解断面図である。
【図１５】ガス分配マニホールド体の別の実施例を概略的に示す断面図である。
【図１６】図１５に示された上下続きのガス分配フェースプレートの一実施例の部分破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の教示は添付した図面と関連させて以下の詳細な説明を考慮することにより容易に理解できる。
【００１６】
理解の容易のため、可能な場合には、図面に共通する同一の要素を示すためには同一の参照符号が使用される。
【００１７】
図１は、半導体ウェーハ処理チャンバー、例えば、化学気相成長反応炉１００の概略断面図を示している。反応炉１００は処理領域１０４を規定する囲い１０２（通常、チャンバーとも呼ばれる）を含んでいる。半導体ウェーハのような基板１０６は台１０８上の処理領域１０４の最も近くに保持されている。台１０８は囲い１０２内を（矢印１１０により示されているように）垂直に移動し、スリットバルブ１１２を通って基板１０６を移動させる位置まで台を降下させる。降下位置にある間、新しい基板１０６は台１０８に置かれる。その後、台１０８は、図示されているように、処理位置に上昇され、処理領域１０４の最も近くにウェーハ１０６を置く。処理ガスはシャワーヘッド１１４を通って供給される。本発明の好適な実施例では、ウェーハを処理するために複数のガス、例示的には、２つのガス、処理ガス１（例えば、四塩化チタンＴｉＣｌ4）及び処理ガス２（例えば、アンモニアＮＨ3）が使用される。これらのガスはウェーハを処理するために要求されるガス混合物を形成し、すなわち、ウェーハへの堆積又はウェーハの化学的エッチングを形成する。各源１１６及び１１８からの処理ガスはそれぞれバルブ１２０及び１２２を通って導管１２４及び１２６に供給され、導管は囲い１０２の壁１２８を貫通し、シャワーヘッド１１４に至る。シャワーヘッド１１４は反応炉１００の蓋を形成する。
【００１８】
シャワーヘッド１１４は２つの主な構成部品、フェースプレート１３０とガス分配マニホールド１３２を有している。ガス分配マニホールド１３２は２本の導管１３４及び１３６を有し、それらの導管はそれぞれ、チャンバー壁１２８を通ってガスを搬送する導管１２４及び１２６に結合している。シャワーヘッド１１４と処理チャンバー１０２の壁１２８の間の界面１３８での導管は、それぞれの導管１２４及び１２６に外接するＯリング１４０及び１４２を使用して有効に密閉される。第１処理ガスは導管１３４を介して円筒チャンバー１４４に供給され、第１処理ガスをフェースプレート１３０に分配する。第２処理ガスは導管１３６を介して環状チャンバー１４６に供給され、第２処理ガスをフェースプレート１３０に分配する。
【００１９】
フェースプレート１３０は２つの構成部品、下部ガス分配プレート１４８と上部ガス分配プレート１５０とを含んでいる。これらの２つのプレートは、処理領域１０４に入る２つの処理ガスのための２つの別個の通路を規定する各種溝及び孔を含む。溝及び孔の特定の配列は、下部ガス分配プレート１４８のため図３，４及び５、そして上部ガス分配プレート１５０のため図６，７及び８に関して詳細に説明されている。溝と孔の間のシールとしてＯリングを使用することなく溝を規定するため、下部及び上部ガス分配プレートがお互いに融合され、単一のフェースプレート１３０を形成する。フェースプレートはガス分配マニホールド１３２に（複数のボルト１５２を使用して）締付けられている。フェースプレート１３０及びマニホールド１３２の一致面は、そのように、１〜３ｍｍの平面度を有し、Ｏリングを使用することなくボルトで締付け可能であり、十分なシールが作られ、ガスの混合を防止する。フェースプレートおよびマニホールド体は、一般に、アルミニウム又はニッケルのような金属から作られている。
【００２０】
図２は下部ガス分配プレート１４８の平面図を示し、図３は図２の線３−３に沿って切断された下部ガス分配プレート１４８の部分断面図を示し、図４は図２に示された下部ガス分配プレート１４８の一部分の詳細平面図を示し、図５は図４の線５−５に沿って切断された詳細断面図を示している。下部ガス分配プレートの囲いを最もよく理解するため、読者は図２，３，４及び５を同時に参照すべきである。
【００２１】
より詳細には、下部ガス分配プレート１４８は平面形状が円形又はディスク状で、中央入口領域２００及び周辺フランジ２０２を有し、フランジ２０２は約２．５ｍｍの厚さを有し、中央入口領域２００は約１．２１ｃｍの厚さを有している。中央領域２００は約２．５４ｃｍのフランジ幅により規定されている。中央入口領域２００は２セットの孔２０４及び２０６を含み、各孔は隣接する孔との中心間の間隔は６．３５ｍｍ有している。一般に、第１ガスのための孔（例えば、ＴｉＣｌ4のための孔は０．０２５インチ）は、第２ガスのための孔２０４（ＮＨ3のための孔）とほぼ同一サイズである。しかし、各ガスのための孔サイズの選択は単に処理条件である。そのように、孔サイズはガス流量、ガス圧力、ガスタイプ、チャンバー圧力等により変わるだろう。孔サイズはまた、孔を通るガス流量がフェースプレートの孔の位置と相関するようにフェースプレート表面に亘り変化してもよい。
【００２２】
中央入口領域２００は、幅が３．１７３ｍｍで深さが９．５２５ｍｍの溝又は導管２０８により切欠されている。それらは、（線２１０により示されているように）水平から６０°の角度で切欠されている。そのように、複数の相互連結溝２０８は第２ガスのための孔２０４上に形成されている。第１ガスのための孔２０６は入口領域２００を通って延び、穴２１０をくり広げられている。穴２１０と孔２０６の接合点は、例えば、１２０°の角度を成している。溝２０８は十字形パターンで相互連結し、その開放頂部で囲われている時、第２ガスのためガスマニホールドを形成する。それぞれのガスのため、下部ガス分配プレート１４８を出る約７００の孔２０４及び２０６がある。
【００２３】
図６，７及び８はそれぞれ、上部ガス分配プレート１５０の平面図、図６の線７−７に沿って切断されたプレート１５０の断面図、及び図７の線８−８に沿って切断されたプレートの一部分の詳細断面図である。上部ガス分配プレート１５０は、組立てる時、調整し、下部ガス分配プレート１４８のフランジにある外側端部（フランジ支持６００）を有している。上部ガス分配プレート１５０の中央には、第２及び下部ガス分配プレートが内部適合するように下部ガス分配プレート１４８の上昇された中央入口領域２００と実質的に一致する凹部６０２がある。上部ガス分配プレート１５０は、約１．６ｍｍの直径を有する中央に配置された複数の孔６０４を含み、これらの孔は下部ガス分配プレート１４８の第１ガスのため穴２１０と整列している。さらに、上部ガス分配プレート１５０の端部の最も近くであるが、フランジ支持６００の内側には、下部ガス分配プレート１４８の溝２０８への分配ガスに使用される複数の孔６０６がある。組立により、ガス分配孔６０４の間の上部ガス分配プレート１５０の平坦部分は下部ガス分配プレート１４８の溝２０８の頂部を形成する。上部ガス分配プレート１５０に約７００の孔があり、第１ガス孔２０６及び下部ガス分配プレート１４８のそれらに伴うカウンターボア２１０の配列と同一に調和している。下部ガス分配プレート１４８の溝２０８にガスを供給するガス分配孔６０６は、８つの孔がそれぞれ約６．３５ｍｍの直径を有するように、上部ガス分配プレート１５０の周囲の回りにお互いに対して４５°度の角度を成している。
【００２４】
図９は下部及び上部ガス分配プレート１４８及び１５０の一部分の組立図を示している。フェースプレート１３０を組立てるため、下部及び上部ガスの分配プレート１４８，１５０は、１〜３ｍｍ以内で一様でなければならない。アルミニウム分配プレートに融合するため、その後、一致面は高シリコンアルミニウムで被覆され、下部及び上部分配プレート１４８，１５０はお互いに締付けられ、その後、部品は炉に置かれ、下部及び上部ガス分配プレートはお互いに融合され、１つの単一要素、フェースプレート１３０を形成する。そのように、Ｏリングはフェースプレート内にガスを保有し、又はガスの分離を保持するために必要ではない。プレート１４８及び１５０は、フランジ２０２とフランジ支持６００の接合点及びダイヤモンド形状の島の頂部の表面に融合されている。特に、フランジ２０２及びフランジ支持６００は外側端部９０２に融合され、フェースプレート内部にすべてのガスを維持するのに十分なシールを形成する。さらに、上部ガス分配プレート１５０及び下部ガス分配プレート１４８のフランジ２０２は、下部ガス分配プレート１４８に形成されたガス溝２０８にガスを供給する周囲のプレナム９００を形成する。孔６０６はこの周囲のプレナム９００にガスを供給する。上部ガス分配プレート１５０は溝２０８の頂部に形成され、一様な方形断面の溝２０８が形成され、下部ガス分配プレート１４８の孔２０４に第２処理ガスを分配する。上部ガス分配プレート１５０の孔６０４は下部ガス分配プレート１４８の孔２１０と整列され、第１処理ガスを両方の分配プレート１４８及び１５０に通過させ、反応チャンバーの処理領域に達するのを妨げられない。一度、融合されると、（さら穴にされ、ボルト頭部（図示せず）がフェースプレートの表面と平らになるようにさせられた）複数の取付穴９０４が周辺端部領域９０２に形成され、フェースプレート１３０をガス分配マニホールド１３２に添付しやすくしている。
【００２５】
フェースプレートがチャンバー処理ガスと反応する材料から製造された場合には、フェースプレートは、一般に、保護材料でめっきされ、フェースプレートの腐食を防止する。塩素に晒されると思われるアルミニウム製フェースプレートにとって、フェースプレートは０．２から０．４ミルの厚さかでニッケルでめっきされている。最大保護のため、フェースプレートは内側及び外側の表面にめっきされるべきである。
【００２６】
図１０，１１及び１２はそれぞれ、ガス分配マニホールド１３２の平面図、図１０の線１１−１１に沿って切断されたガス分配マニホールド１３２の断面図、及びガス分配マニホールドの底面図である。ガス分配マニホールド１３２は、図１に示された導管１２４及び１２６からフェースプレート１３０にそれぞれの処理ガスを供給する。マニホールド１３２は３つの構成要素、下部プレート１０００、中部プレート１００２及び上部プレート１００４を備えている。底部プレート１０００はフェースプレート１３０の直径と実質的に同一の直径を有する第１円筒空洞部を含んでいる。空洞部１００６はフェースプレート１３０と内部適合するように形成されている。第２空洞部１００８は第１空洞部と同軸上にあるが、より小さい直径を有し、フェースプレート１３０が空洞部１００６に取付けられることによりマニホールド１３２と接する時にチャンバーが形成されるようになっている。このチャンバーは上部ガス分配プレート１５０の孔６０４に第１処理ガスを分配するために使用される。中央に配置された穴１０１０はチャンバー１４４を導管１３４に結合し、この導管は中央の穴から上部プレート１００４の端部近くの位置に延びている。その位置で、導管１３４はチャンバー壁の導管１２４に結合している。導管１３４を形成するため、上部プレート１００４はガスが流れるその底面に刻まれた溝を有している。溝は中部プレート１００２に上部プレート１００４を取付けることにより完成され、中部プレートの最上面が溝１３４の底部を形成するようになっている。
【００２７】
導管１２６及びチャンバーの壁からフェースプレートへの第２処理ガスを結合するため、環状溝１４６はマニホールド１３２で形成される。環状チャンバーは下部プレート１０００の最上面に環状溝１４６を刻むことにより形成されている。放射状に導かれた溝１０１２は、各溝１０１２の遠位端部で環状溝１４６を穴１０１４に接続する。さらに、導管１３６を形成する溝は、環状溝１４６から界面１３８の導管結合位置まで延びる下部プレート１０００に形成されている。環状溝１４６の頂部は中部プレート１００２により閉塞され、閉塞された環状溝１４６がフェースプレート１３０の分配プレナム９００へ第２処理ガスを結合する溝１０１２及び穴１０１４を放射状に延ばすことにより形成されている。
【００２８】
ガス分配マニホールド体１３２を製作するため、下部、中部及び上部プレート１０００，１００２及び１００４は高シリコンアルミニウム膜で被覆されたそれらの一致面を有し、全体の部品は約５５０℃の温度で炉内で締付けられ、置かれ、お互いに接触面に融合し、単一のマニホールド体１３２を形成する。そのように、Ｏリングは処理ガスの間に分離を維持するために必要ではない。
【００２９】
シャワーヘッドを形成するマニホールド体及びフェースプレートは、アルミニウム製、又はニッケル等の他の熱伝導材料製である。そのようにシャワーヘッドは冷却プレート又は他の冷却装置に結合され、シャワーヘッド全体を均一で一定の温度に保持するであろう。そのような冷却プレートは、切欠又はそうでなければ形成された冷却溝を有するアルミニウム本体を使用して容易に形成可能であり、冷却プレートがマニホールド１３２の頂部に取付けられている間、冷却剤が冷却プレートを通って循環可能なようになっている。マニホールド体の頂部に取付けられた冷却プレート１１００の配置例が図１１に示されている。
【００３０】
本発明の前述した実施例のシャワーヘッドは１０〜５トルの真空テストで試験され、ガス供給導管１３４及び１３６のそれぞれに供給されるガスの間でクロストークは起こらない。
【００３１】
図１３はフェースプレート１３００の代わりの実施例の一部分の断面図を示している。この実施例は、上部ガス分配プレート１３０２及び下部ガス分配プレート１３０４を含んでいる。下部ガス分配プレート１３０４は前述した下部ガス分配プレート（図９の１４８）と同様であり、プレート１３０４は複数のガス分配孔を規定する（１セットの孔１３０６は第１ガスを分配するためであり、１セットの孔１３０８は第２ガスを分配するためである）。すべての他の孔は上側からくり広げられている。それぞれのカウンターボアには、垂直方向に管状の導管（管）１３１２の１端部が配置されている。各管１３１２の他端部は上部ガス分配プレート１３０２の孔１３２０を通過する。上部及び下部ガス分配プレート１３０２及び１３０４及び管１３１２は、ニッケル又はアルミニウム等の金属製である。一度組立てられると、フェースプレートは炉に置かれ、前述した実施例が製作されたのと同様の方法で、接触面をお互いに蝋付ける（融合する）ために加熱される。
【００３２】
前記実施例では、フェースプレートがチャンバー処理ガスと反応する材料製である場合、一般に、フェースプレートは保護材料でめっきされ、フェースプレートの腐食を防止する。塩素に晒されると思われるアルミニウム製フェースプレートのため、フェースプレートは０．２〜０．４ミルの厚みまでニッケルでめっきされる。最大の保護のため、フェースプレートは内側及び外側表面にめっきされるべきである。
【００３３】
それぞれの管１３１２は、第２ガスがガス分配孔１３０８に達するためのガス通路を規定する。上部ガス分配プレート１３０２の下部表面１３１４及び下部ガス分配プレート１３０４の上部表面１３１０は第１ガスをガス分配孔１３０６に分配する空洞部１３１６を規定する。第１ガスは１以上の入口１３１８を介して空洞部１３１６に供給される。ガスマニホールド（図示しないが、図１のマニホールド１３２と同一）はフェースプレート１３００に結合され、第１ガスを管１３１２に供給すると共に第２ガスをフェースプレート１３００の入口１３１８に供給する。フェースプレートのこの実施例を含むシャワーヘッドの取付及び操作は前記実施例と同一である。
【００３４】
本発明のいずれかの実施例のための代わりの製造処理は、フェースプレート構造を補強するため積重ね打抜き層（各層は約５ミルの厚みである）を含んでいる。その後、層の積重ね又は重ね合せは炉に置かれ、単一のフェースプレートに融合される。フェースプレートの材料はニッケル又はアルミニウム等の金属である。
【００３５】
図１５及び１６はシャワーヘッド１６０２の別の実施例を示し、上下続きのガス分配フェースプレート１５０２及び周辺リング１５０３を備えている。この部分では、図１５は図１６と関連させて読まれるべきである。後述される幾らかの孔は上下続きのガス分配フェースプレート１５０２を形成する必要性を複数のプレートから制限する上下続きのガス分配フェースプレート１５０２で機械加工される。上下続きのガス分配フェースプレート１５０２は、アルミニウム、窒化アルミニウム、ステンレス鋼、モリブデン、又は上下続きのガス分配フェースプレート１５０２に注入される特定の化学薬品と反応しない材料のブロックから機械加工される。上下続きのガス分配フェースプレート１５０２は、下部表面１５０４、上部表面１５０６、周辺取付部分１５０７、内部ガス分配空洞部１５０９、及び垂直周縁面１５０８を備えている。上下続きのガス分配フェースプレート１５０２の破断部分だけが図１６に示されている。周辺リング１５０３の一部分だけが図１６に示されている。上部表面の一部分は内部ガス分配空洞部１５０９の構造を示すために取り除かれている。周辺取付部分１５０７は周縁面１５０８の外側放射状に延びている。垂直周縁面１５０８は上下続きのガス分配フェースプレート１５０２の上部表面の周辺回りで円周状に延びている。
【００３６】
上下続きのガス分配フェースプレートは、第１孔１５１０、第２孔１５２０、及び相互連結溝１５１２Ａ及び１５１２Ｂの穿設された３つのタイプの孔を有している。電気放電穿孔、機械穿孔、加圧反応穿孔、及びウォータジェット切断等の処理が、孔又は溝１５１０，１５２０，１５１２Ａ、又は１５１２Ｂ（図１５には溝１５１２Ｂだけが示されている）を穿設するための使用される穿孔技術である。穿孔技術の公知の適用可能なタイプが孔１５１０，１５２０，１５１２Ａ、又は１５１２Ｂのいずれかを穿設するために使用されてもよい。
【００３７】
第１孔１５１０の配列は上部表面１５０６及び下部表面１５０４の間に延びている。相互溝は１５１２Ａ及び１５１２Ｂとして示されたそれらにさらに分けられる。各相互溝１５１２Ａが１つの相互溝１５１２Ｂと交差する位置は接合空間１５１６を規定すると共に内部ガス分配空洞部１５０９を規定する。相互連結溝１５１２Ａはすべてお互いに平行で、同一平面上にあり、垂直周縁面１５０８の間に延びている。相互連結溝１５１２Ｂはまたお互いに平行で、同一平面上にあり、垂直周縁面１５０８の間に延びている。相互連結溝１５１２Ｂはまた、接合空間１５１６で相互連結溝１５１２Ｂに垂直に交差している。
【００３８】
第１孔１５１０は整列して配列され、及び上下続きのガス分配フェースプレート１５０２内に規定されているそれぞれの孔１５１０は、上部表面１５０６と下部表面１５０４の間に延びている。整列して配列された第２孔１５２０、及び各第２孔１５２０は上下続きのガス分配フェースプレート１５０２内に規定され、下部表面１５０４から接合空間１５１６に延びている。接合空間１５１６は滑らかに通じており、部分的に内部分配空洞部１５０９を規定する。第２孔１５２０の配列は第１孔１５１０の配列からずれている。第２孔１５２０は、図１６に示されているように、内部ガス分配空洞部１５０９の上方には延びていない（それらは第２表面１５０６に続いていない）。ガスは内部ガス分配空洞部１５０９を通って接合空間１５１６の第２孔１５２０に自由に流れる。したがって、内部ガス分配空洞部１５０９は導管１３６から第２孔１５２０のそれぞれにガスを供給する導管を供給する。
【００３９】
周辺リング１５０３は、第１蝋付けジョイント１６２０及び第２蝋付けジョイント１６２２により上下続きのガス分配フェースプレートの回りに延び、そしてそれに取付けられている。周辺プレナム１６０６は、周辺リング１５０３、上下続きのガス分配フェースプレート、第１蝋付けジョイント１６２０及び第２蝋付けジョイント１６２２の間に規定されている。周辺プレナム１６０６は内部ガス分配空洞部１５０９と滑らかに連通している。したがって、ガス導管１６３０を介して周辺プレナム１６０６に加えられるガスは、（相互連結溝１５１２Ａ及び１５１２Ｂを備えた）内部ガス分配空洞部１５０９を介して第２孔１５２０に渡る。
【００４０】
第１蝋付けジョイント１６２０は周辺リング１５０３の第１周辺端部１６６８を垂直周縁面１５０８に接続する。第２蝋付けジョイント１６２２は周辺リング１５０３の第２周縁端部１６７０を周辺取付部分１５０７の周縁端部１６７２に接続する。第１蝋付けジョイント１６２０及び第２蝋付けジョイント１６２２は、周辺プレナム１６０６とシャワーヘッド１６０２の外側の間でガスの通過を制限する。蝋付け処理は上述した蝋付け処理と同様の方法で行われ、周辺リング１５０３を上下続きのガス分配フェースプレート１５０２に一体化する。複数の整列された穿孔１６４０は上下続きのガス分配フェースプレート１５０２を通って延びる。それぞれの穿孔１６４０は周辺リング１５０３を通って延びる穿孔１６４２に整列される。ボルト、ネジ等の留め金具は、上下続きのガス分配フェースプレート１５０２及び周辺リング１５０３を備えたシャワーヘッドを取付け要素１６４６に固定する。代わりに、シャワーヘッド１６０２は、留め金具が取り除かれた時、別の公知な置換可能な方法で取付け要素１６４６に固定してもよく、上下続きのガス分配フェースプレート１５０７は除去可能であり、人は洗浄のため導管１３４及び１３６へのアクセスを得ることができる。
【００４１】
ガス導管１６３０は周辺プレナム１６０６から導管１３６へ延びている。導管１３４は上部表面１５０６を介して複数の第１項５１０のそれぞれと滑らかに連通している。導管１３４及び１３６の構造及び操作は説明したものと同様である。被覆蝋付け技術及び材料に関する上記説明は、上下続きのガス分配フェースプレート１５０２に同様に適用する。
【００４２】
本発明の教示を組込んだ各種実施例が詳細に示され、説明されているが、当業者であればこれらの教示を組込んだ他の多数の変更実施例を容易に発明することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１表面、第２表面、及び第３表面を含む、シャワーヘッドのための上下続きのガス分配フェースプレートであって、
前記第１表面と前記第２表面の間で上下続きのガス分配フェースプレートを通って延び、前記上下続きのガス分配フェースプレートが複数の相互連結溝により形成された内部ガスの分配空洞部を有する複数の第１ガス孔と、
前記第１表面の間で前記上下続きのガス分配フェースプレートを通って、複数の相互連結溝に延びる複数の第２ガス孔とを備え、
前記相互連結溝は少なくとも１つのガス導管に順番に接続されるプレナムに滑らかに結合され、前記ガス導管は前記第３表面に延びていることを特徴とする上下続きのガス分配フェースプレート。
【請求項２】
前記上下続きのガス分配フェースプレートの前記複数の相互連結溝は、十字形パターンで形成されている請求項１に記載のフェースプレート。
【請求項３】
前記フェースプレートは、前記上下続きのガス分配フェースプレートを通る孔を穿設することにより形成されている請求項１に記載のフェースプレート。
【請求項４】
前記孔は、電気放電穿孔、機械穿孔、加圧反応穿孔、及びウォータジェット穿孔を含む処理の１つにより穿設される請求項３に記載のフェースプレート。
【請求項５】
半導体ウェーハ処理システムのためのシャワーヘッドであって、
第１表面、第２表面、及び第３表面を含む上下続きのガス分配フェースプレートであって、前記第１表面と前記第２表面の間で前記上下続きのガス分配フェースプレートを通って延び、前記上下続きのガス分配フェースプレートが複数の相互連結溝により形成された内部ガスの分配空洞部を有する複数の第１ガス孔と、前記第１表面の間で前記上下続きのガス分配フェースプレートを通って複数の相互連結溝に延びる複数の第２ガス孔とを備え、前記相互連結溝は少なくとも１つのガス導管に順番に接続されるプレナムに結合され、前記ガス導管は前記第３表面に延びる上下続きのガス分配フェースプレートと、
前記上下続きのガス分配フェースプレートに結合され、前記上下続きのガス分配フェースプレートの前記第１ガス孔に第１ガスを供給すると共に前記上下続きのガス分配フェースプレートの前記第３ガス孔に第２ガスを供給するためのガスの分配マニホールド体と、
を備えていることを特徴とするシャワーヘッド。
【請求項６】
冷却プレートは前記ガスの分配マニホールド体に添付されている請求項５に記載のシャワーヘッド。
【請求項７】
前記上下続きのガス分配フェースプレートの相互連結溝は、十文字パターンで形成されている請求項５に記載のシャワーヘッド。
【請求項８】
前記第１ガス孔のそれぞれは、少なくとも管により部分的に形成されている請求項５に記載のシャワーヘッド。
【請求項９】
前記フェースプレートは、前記上下続きのガス分配フェースプレートを通る孔を穿設することにより形成されている請求項５に記載のフェースプレート。
【請求項１０】
前記第１孔、第２孔、又は第３孔の少なくとも１つは、電気放電穿孔、機械穿孔、加圧反応穿孔、及びウォータジェット穿孔を含む処理の１つにより前記上下続きのガス分配フェースプレートに穿設されている請求項９に記載のフェースプレート。
【請求項１１】
前記ガスの分配マニホールドは、前記上下続きのガス分配プレートの前記複数の第１ガス孔に前記第１ガスを供給する第１ガス溝をさらに備えている請求項５に記載のシャワーヘッド。
【請求項１２】
前記ガスの分配マニホールドは、環状の空洞部を有する第２ガス溝と、前記第２ガスを前記プレナムに供給する環状空洞部から延びる放射状の溝とをさらに備えている請求項５に記載のシャワーヘッド。
【請求項１３】
堆積領域を規定する真空チャンバーと、
前記真空チャンバー内で、前記堆積領域の近くに配置されたウェーハ支持台と、
前記真空チャンバー内で、前記堆積領域の近くに配置されたシャワーヘッドであって、第１表面、第２表面、及び第３表面を含む上下続きのガス分配フェースプレートを備え、前記上下続きのガス分配フェースプレートは、前記第１表面と前記第２表面の間で前記上下続きのガス分配フェースプレートを通って延びる複数の第１ガス孔を備え、複数の相互連結溝により形成された内部ガスの分配空洞部を有し、複数の第２孔は前記第１表面の間で前記上下続きのガス分配フェースプレートを通って複数の相互連結溝に延び、前記相互連結溝は順番に少なくとも１つのガス導管に滑らかに結合されるプレナムに結合され、前記ガス導管が前記第３に延びるシャワーヘッドと、
前記上下続きのガス分配フェースプレートに結合され、前記上下続きのガス分配フェースプレートの前記第１ガス孔に第１ガスを供給すると共に前記上下続きのガス分配フェースプレートの前記第３ガス孔に第２ガスを供給するガスの分配マニホールド体と、
を備えていることを特徴とする化学気相成長反応炉。
【請求項１４】
前記第１ガスは四塩化チタンであり、前記第２ガスはアンモニアである請求項１３に記載の化学気相成長反応炉。
【請求項１５】
前記第１孔、第２孔、又は第３孔の少なくとも１つは、電気放電穿孔、機械穿孔、加圧反応穿孔、及びウォータジェット穿孔を含む処理の１つにより前記上下続きのガス分配フェースプレートに穿設されている請求項１３に記載のフェースプレート。
【請求項１】
第１表面、第２表面、及び第３表面を含む、シャワーヘッドのための上下続きのガス分配フェースプレートであって、
前記第１表面と前記第２表面の間で上下続きのガス分配フェースプレートを通って延び、前記上下続きのガス分配フェースプレートが複数の相互連結溝により形成された内部ガスの分配空洞部を有する複数の第１ガス孔と、
前記第１表面の間で前記上下続きのガス分配フェースプレートを通って、複数の相互連結溝に延びる複数の第２ガス孔とを備え、
前記相互連結溝は少なくとも１つのガス導管に順番に接続されるプレナムに滑らかに結合され、前記ガス導管は前記第３表面に延びていることを特徴とする上下続きのガス分配フェースプレート。
【請求項２】
前記上下続きのガス分配フェースプレートの前記複数の相互連結溝は、十字形パターンで形成されている請求項１に記載のフェースプレート。
【請求項３】
前記フェースプレートは、前記上下続きのガス分配フェースプレートを通る孔を穿設することにより形成されている請求項１に記載のフェースプレート。
【請求項４】
前記孔は、電気放電穿孔、機械穿孔、加圧反応穿孔、及びウォータジェット穿孔を含む処理の１つにより穿設される請求項３に記載のフェースプレート。
【請求項５】
半導体ウェーハ処理システムのためのシャワーヘッドであって、
第１表面、第２表面、及び第３表面を含む上下続きのガス分配フェースプレートであって、前記第１表面と前記第２表面の間で前記上下続きのガス分配フェースプレートを通って延び、前記上下続きのガス分配フェースプレートが複数の相互連結溝により形成された内部ガスの分配空洞部を有する複数の第１ガス孔と、前記第１表面の間で前記上下続きのガス分配フェースプレートを通って複数の相互連結溝に延びる複数の第２ガス孔とを備え、前記相互連結溝は少なくとも１つのガス導管に順番に接続されるプレナムに結合され、前記ガス導管は前記第３表面に延びる上下続きのガス分配フェースプレートと、
前記上下続きのガス分配フェースプレートに結合され、前記上下続きのガス分配フェースプレートの前記第１ガス孔に第１ガスを供給すると共に前記上下続きのガス分配フェースプレートの前記第３ガス孔に第２ガスを供給するためのガスの分配マニホールド体と、
を備えていることを特徴とするシャワーヘッド。
【請求項６】
冷却プレートは前記ガスの分配マニホールド体に添付されている請求項５に記載のシャワーヘッド。
【請求項７】
前記上下続きのガス分配フェースプレートの相互連結溝は、十文字パターンで形成されている請求項５に記載のシャワーヘッド。
【請求項８】
前記第１ガス孔のそれぞれは、少なくとも管により部分的に形成されている請求項５に記載のシャワーヘッド。
【請求項９】
前記フェースプレートは、前記上下続きのガス分配フェースプレートを通る孔を穿設することにより形成されている請求項５に記載のフェースプレート。
【請求項１０】
前記第１孔、第２孔、又は第３孔の少なくとも１つは、電気放電穿孔、機械穿孔、加圧反応穿孔、及びウォータジェット穿孔を含む処理の１つにより前記上下続きのガス分配フェースプレートに穿設されている請求項９に記載のフェースプレート。
【請求項１１】
前記ガスの分配マニホールドは、前記上下続きのガス分配プレートの前記複数の第１ガス孔に前記第１ガスを供給する第１ガス溝をさらに備えている請求項５に記載のシャワーヘッド。
【請求項１２】
前記ガスの分配マニホールドは、環状の空洞部を有する第２ガス溝と、前記第２ガスを前記プレナムに供給する環状空洞部から延びる放射状の溝とをさらに備えている請求項５に記載のシャワーヘッド。
【請求項１３】
堆積領域を規定する真空チャンバーと、
前記真空チャンバー内で、前記堆積領域の近くに配置されたウェーハ支持台と、
前記真空チャンバー内で、前記堆積領域の近くに配置されたシャワーヘッドであって、第１表面、第２表面、及び第３表面を含む上下続きのガス分配フェースプレートを備え、前記上下続きのガス分配フェースプレートは、前記第１表面と前記第２表面の間で前記上下続きのガス分配フェースプレートを通って延びる複数の第１ガス孔を備え、複数の相互連結溝により形成された内部ガスの分配空洞部を有し、複数の第２孔は前記第１表面の間で前記上下続きのガス分配フェースプレートを通って複数の相互連結溝に延び、前記相互連結溝は順番に少なくとも１つのガス導管に滑らかに結合されるプレナムに結合され、前記ガス導管が前記第３に延びるシャワーヘッドと、
前記上下続きのガス分配フェースプレートに結合され、前記上下続きのガス分配フェースプレートの前記第１ガス孔に第１ガスを供給すると共に前記上下続きのガス分配フェースプレートの前記第３ガス孔に第２ガスを供給するガスの分配マニホールド体と、
を備えていることを特徴とする化学気相成長反応炉。
【請求項１４】
前記第１ガスは四塩化チタンであり、前記第２ガスはアンモニアである請求項１３に記載の化学気相成長反応炉。
【請求項１５】
前記第１孔、第２孔、又は第３孔の少なくとも１つは、電気放電穿孔、機械穿孔、加圧反応穿孔、及びウォータジェット穿孔を含む処理の１つにより前記上下続きのガス分配フェースプレートに穿設されている請求項１３に記載のフェースプレート。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１０２４０９（Ｐ２０１２−１０２４０９Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２８５４４（Ｐ２０１２−２８５４４）
【出願日】平成２４年２月１３日（２０１２．２．１３）
【分割の表示】特願２００１−１２３５７４（Ｐ２００１−１２３５７４）の分割
【原出願日】平成１３年３月１６日（２００１．３．１６）
【出願人】（３９００４０６６０）アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド (1,346)
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月１３日（２０１２．２．１３）
【分割の表示】特願２００１−１２３５７４（Ｐ２００１−１２３５７４）の分割
【原出願日】平成１３年３月１６日（２００１．３．１６）
【出願人】（３９００４０６６０）アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド (1,346)
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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