熱制御板
【課題】半導体基板処理装置のシャワーヘッド電極アセンブリ、および半導体基板処理室内のシャワーヘッド電極を支持するための熱制御板を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置のシャワーヘッド電極アセンブリは、シャワーヘッド電極に取り付けられた熱制御板、および熱制御板に取り付けられた上板を備える。少なくとも１つの熱ブリッジが、熱制御板の対向する両表面と上板との間に提供されて、熱制御板と上板との間の電気的および熱的な伝導を可能にする。熱ブリッジと上板との間の潤滑材料は、天板と熱制御板との間の熱膨張の違いに起因する、対向する金属表面の摩損を最小限にする。熱制御板によって支持されたヒータは、温度制御された天板と連携して、シャワーヘッド電極を所望の温度に維持する。
【解決手段】プラズマ処理装置のシャワーヘッド電極アセンブリは、シャワーヘッド電極に取り付けられた熱制御板、および熱制御板に取り付けられた上板を備える。少なくとも１つの熱ブリッジが、熱制御板の対向する両表面と上板との間に提供されて、熱制御板と上板との間の電気的および熱的な伝導を可能にする。熱ブリッジと上板との間の潤滑材料は、天板と熱制御板との間の熱膨張の違いに起因する、対向する金属表面の摩損を最小限にする。熱制御板によって支持されたヒータは、温度制御された天板と連携して、シャワーヘッド電極を所望の温度に維持する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置用のシャワーヘッド電極アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置は、エッチング、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、イオン注入、およびレジスト除去を含む各技法によって基板を処理するのに使用される。プラズマ処理で使用されるプラズマ処理装置の１つのタイプでは、上部電極および下部電極を含む反応室を備える。電界が両電極間で確立されて、プロセス・ガスをプラズマ状態に励起して反応室内の基板を処理する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，０７３，５７７号
【特許文献２】米国特許第５，５３４，７５１号
【発明の概要】
【０００４】
半導体基板処理装置のシャワーヘッド電極アセンブリ、および半導体基板処理室内のシャワーヘッド電極を支持するための熱制御板が提供される。
半導体基板処理室内のシャワーヘッド電極を支持するための熱制御板の好ましい一実施形態は、温度制御された上板に取外し自在に取り付けることができる金属外側部分、ならびにシャワーヘッド電極および上板に取外し自在に取り付けることができる金属内側部分を備える。熱制御板の内側部分は、上板とシャワーヘッド電極との間の熱的および電気的な経路を提供する。
【０００５】
プラズマ処理装置用のシャワーヘッド電極アセンブリの好ましい一実施形態は、上板、シャワーヘッド電極、および熱制御板を備える。熱制御板は、熱制御板の中心部分が上板に対して相対的に移動可能になるように、シャワーヘッド電極および上板に取り付けられている。少なくとも１つの熱ブリッジが、熱制御板の中心部分と上板との間に設けられる。この熱ブリッジは、シャワーヘッド電極と上板との間の熱的および電気的な経路を提供する。
【０００６】
熱ブリッジは、熱制御板の対向する両表面と上板との間で、滑りを可能にし、ならびに熱的および電気的な伝導をもたらすために、潤滑材料を備えることが好ましい。
【０００７】
他の好ましい一実施形態は、半導体基板処理室で半導体基板を処理する方法を提供し、その方法は、（ａ）半導体基板処理装置のプラズマ室内で、下部電極を備える基板支持具上に基板を載置すること、（ｂ）好ましい一実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリを有するプラズマ室にプロセス・ガスを供給すること、（ｃ）シャワーヘッド電極アセンブリと基板との間で、プラズマ室内のプロセス・ガスからプラズマを生成すること、（ｄ）基板をプラズマで処理すること、（ｅ）プラズマの生成を終了すること、および（ｆ）プラズマ室から基板を取り出すことを含む。シャワーヘッド電極アセンブリは、ヒータを備えることが好ましい。他の好ましい一実施形態では、前記方法は、シャワーヘッド電極を所望の温度に維持するために（ｅ）の後にヒータを作動させて熱をシャワーヘッド電極に加えること、および／または（ａ）から（ｆ）の間、ヒータを作動させて熱をシャワーヘッド電極に加えることを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】プラズマ処理装置用のシャワーヘッド電極アセンブリおよび基板支持具の好ましい一実施形態の一部分を示す図である。
【図２】上板のないシャワーヘッド電極アセンブリの好ましい一実施形態の上面斜視図である。
【図３】シャワーヘッド電極アセンブリの電源とヒータとの間の例示的な電気的接続を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、半導体基板、たとえばシリコン・ウェーハが処理されるプラズマ処理装置用のシャワーヘッド電極アセンブリ１０の好ましい一実施形態を示している。シャワーヘッド電極アセンブリ１０（その半分だけが図１に示されている）は、上部電極２０および上部電極２０に固着された任意選択の裏当て部材４０、熱制御板５８、ならびに上板８０を含むシャワーヘッド電極を備える。上板８０は、プラズマ・エッチング室などのプラズマ処理装置の取外し可能な上端壁を形成することができる。
【００１０】
下部電極および任意選択の静電クランプ電極を含む基板支持具１５（その一部分だけが図１に示されている）は、プラズマ処理装置の真空処理室内の上部電極２０の下に配置される。プラズマ処理が施される基板１６は、機械的または静電気的に、基板支持具１５の上部支持表面１７上にクランプされる。
【００１１】
シャワーヘッド電極の上部電極２０は、内側電極部材２２、および任意選択の外側電極部材２４を備えることが好ましい。内側電極部材２２は、円筒形の板（たとえば単結晶シリコン）であることが好ましい。この板が単結晶シリコンで作られている場合、内側電極部材２２の直径は、たとえば１２インチ（３００ｍｍ）までの被処理ウェーハよりも、小さくても、同じでも、また大きくてもよい。この直径は、現在入手可能な単結晶シリコン材料の最大直径である。３００ｍｍウェーハを処理するために、外側電極部材２４は、上部電極２０の直径を約１５インチから約１７インチに拡大するように設けられる。外側電極部材２４は、連続した部材（たとえば、リングのような多結晶シリコン部材）とすることもでき、分割部材（たとえば、単結晶シリコンのセグメントのように、リング構成に配置された２つ〜６つの別々のセグメント）とすることもできる。複数セグメントの外側電極部材２４を備える上部電極２０の各実施形態において、各セグメントは、基礎をなす結合剤をプラズマへの曝露から保護するために、互いにオーバーラップする端部を有することが好ましい。内側電極部材２２は、プラズマ反応室内の上部電極２０と下部電極１５との間の空間にプロセス・ガスを注入するための複数のガス流路２３を備えることが好ましい。
【００１２】
単結晶シリコンは、内側電極部材２２および外側電極部材２４のうちのプラズマに曝露される表面にとっては好ましい材料である。高純度な単結晶シリコンは、反応室内に望ましくない要素を最小量しか持ち込まないため、プラズマ処理中の基板の汚染を最小限に抑え、またプラズマ処理中にスムーズに摩耗し、それによりパーティクルを最小限に抑える。上部電極２０のプラズマ曝露される表面に対して使用することができる代替の材料には、たとえばＳｉＣ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、およびＡｌ２Ｏ３が含まれる。
【００１３】
好ましい一実施形態では、シャワーヘッド電極アセンブリ１０は、直径が３００ｍｍの半導体ウェーハのような大きい基板を処理するのに十分な大きさのものである。３００ｍｍウェーハに対して、上端電極２０は、少なくとも直径が３００ｍｍである。しかし、シャワーヘッド電極アセンブリは、他のウェーハ・サイズまたは非円形構成の基板を処理するようなサイズにすることができる。
【００１４】
裏当て部材４０は、裏当て板４２および裏当てリング４４を含むことが好ましい。こうした各実施形態では、内側電極部材２２は裏当て板４２と同一の広がりを持ち、外側電極部材２４は周囲の裏当てリング４４と同一の広がりを持つ。しかし、裏当て板４２は、内側電極部材および分割された外側電極部材を支持することができるように、単一の裏当て板を使用して内側電極部材を超えて延びることができる。内側電極部材２２および外側電極部材２４は、エラストマー性の結合剤のような結合剤によって裏当て部材４０に取り付けられることが好ましい。ガス・フローをプラズマ処理室に供給するために、裏当て板４２は、内側電極部材２２内のガス流路２３と位置が揃ったガス流路４３を備える。ガス流路４３は、通常は直径が約０．０４インチであり、ガス流路２３は、通常は直径が約０．０２５インチである。
【００１５】
裏当て板４２および裏当てリング４４は、プラズマ処理室内で半導体基板を処理するのに使用されるプロセス・ガスと化学的に互換性があり、その熱膨張係数が電極材料の熱膨張係数とほぼ合致し、かつ／または、電気的および熱的に伝導性を有する材料から作られることが好ましい。裏当て部材４０を作るのに使用することができる好ましい材料には、それだけには限らないが、黒鉛およびＳｉＣが含まれる。
【００１６】
熱応力に対応し、上部電極２０と裏当て板４２および裏当てリング４４との間で熱および電気エネルギーを伝達する、熱的および電気的に伝導性を有するエラストマー結合剤を用いて、上部電極２０を裏当て板４２および裏当てリング４４に取り付けることができる。電極アセンブリの各表面を接合するためのエラストマーの使用については、例えば、本願の権利者が所有する米国特許第６，０７３，５７７号に説明されており、参考としてその全体を本明細書に援用する。
【００１７】
裏当て板４２および裏当てリング４４は、適当な留め具を用いて熱制御板５８に取り付けられることが好ましく、留め具は、ねじを切ったボルト、ねじ、または同様のものとすることができる。たとえば、ボルト（図示せず）は、熱制御板５８内の穴に挿入することができ、裏当て部材４０内のねじを切った開口部にねじ込むことができる。
【００１８】
図１および図２を参照すると、熱制御板５８は、上面６０を有する成形板（ｃｏｎｔｏｕｒｅｄ ｐｌａｔｅ）５９を含む内側金属部分、ならびに第１の熱伝達表面６２を有する第１の突起（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）６１および上面に第２の熱伝達表面６４を有する第２の突起６３を備える。他の好ましい実施形態では、熱制御板５８には、２つを超える突起、たとえば３つまたは４つ以上の突起が含まれ得る。上板内の大きめの開口部（図示せず）を介して、第１の突起６１の表面６２内および第２の突起６３の表面６４内のねじを切った開口部６５に延びる留め具を用いて、熱制御板５８が上板８０に取り付けられる（図２）。熱制御板５８はまた、熱制御板５８を裏当て板４２に取外し自在に取り付けるための留め具を収容するために、ねじを切った開口部１１７を備える。上板８０内の大きめの開口部は、留め具周りのクリアランスを提供し、その結果、熱制御板５８は、上板に対する熱制御板の熱膨張における不一致に適応するために上板に対してスライドすることができる。
【００１９】
熱制御板５８はまた、内側部分を外側部分に接続し、上板８０の対向した表面に対向して保持される上面７０を有するフランジ６８を含むたわみ部分６６を備える。第１の熱伝達表面６２および第２の熱伝達表面６４は、環状構成を有することが好ましい。第１の突起６１および第２の突起６３は、その高さが約０．２５インチから約０．７５インチであり、またその幅が約０．７５インチから約１．２５インチであることが好ましい。しかし、第１の突起６１および／または第２の突起６３は、非環状構成、たとえば弧状セグメント（ａｒｃｕａｔｅ ｓｅｇｍｅｎｔ）、多面体、円形、楕円形または他の構成を有することができる。
【００２０】
熱制御板５８は、アルミニウム、アルミニウム合金、または同様のもののような金属材料から作られることが好ましい。熱制御板５８は、アルミニウムまたはアルミニウム合金のような金属材料の機械加工してなる片であることが好ましい。上板８０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られることが好ましい。上板８０は、温度制御された流体、好ましくは液体が、上板を所望の温度に維持するために循環することができる１つまたは複数の流路８８を備えることが好ましい。
【００２１】
処理室内で半導体基板を処理する間、第１の熱伝達表面６２、第２の熱伝達表面６４から、上面７０を介する熱伝導を経て、熱が内側電極部材２２および外側電極部材２４ならびに裏当て板４２および裏当てリング４４から上板８０の下面８２に伝達される。すなわち、第１の突起６１および第２の突起６３はまた、内側電極部材２２と外側電極部材２４と裏当て板４２と裏当てリング４４との間の各熱ブリッジを上板８０に提供する。熱制御板５８をまたぐ離れた位置での、この強化された熱伝達により、上部電極２０において放射状に実質上均一な温度分布を達成することができる。
【００２２】
シャワーヘッド電極アセンブリ１０の動作時には、熱制御板５８および上板８０は、熱せられ熱膨張する。その結果、上板８０および熱制御板５８は、互いにスライドすることができる。このスライドにより、上板８０および／または熱制御板５８の表面（例えば、熱制御板５８の中心部分の１つまたは複数の表面）は摩損することがあり、これらの表面は互いに接触し、アルミニウムパーティクルのようなパーティクルを接触面から発生させる。遊離したパーティクルは、反応室内の基板を汚染し、それにより歩留まりを低下させることがある。
【００２３】
上板８０および／または熱制御板５８の対向する表面の摩損を、潤滑性を有する材料を対向する両表面の間に置くことによって最小限に抑えることができることは確実である。好ましい一実施形態では、潤滑材料９０の少なくとも１つの層が、熱制御板５８の第１の熱伝達表面６２および第２の熱伝達表面６４と上板８０の下面８２との間に置かれる。
【００２４】
潤滑材料９０は、第１の熱伝達表面６２および第２の熱伝達表面６４から上板８０への十分な熱伝達および電気的な伝導をもたらすために十分な熱的および電気的な伝導性を有する。これらの特性を提供する好ましい材料は、オハイオ州クリーブランドのＵＣＡＲ Ｃａｒｂｏｎ社から市販されている「グラフォイル（ＧＲＡＦＯＩＬ）」のような弾性変形可能な黒鉛材料である。潤滑材料９０は、約０．０１０インチから約０．０３０インチ、より好ましくは約０．０１５インチの好ましい厚さを有するガスケットであることが好ましい。潤滑材料９０は、リング形状のガスケットであり、各ガスケットは、第１の熱表面６２および第２の熱伝達表面６４の各々の上に形成されたそれぞれの環状溝内に保持されることが好ましい。
【００２５】
潤滑材料９０は、反応室内でのプラズマ曝露から保護されることが好ましい。好ましい一実施形態では、潤滑材料９０は、真空封止、例えば熱制御板５８の第１の熱伝達表面６２および第２の熱伝達表面６４内の相隔たる環状溝１０５内に保持される１対の任意選択のＯ−リング１０４の間に配置される。Ｏ−リング１０４は、プラズマ室内の真空環境から潤滑材料９０を分離し、それによりプラズマ曝露から潤滑材料を保護する。第１の熱伝達表面６２または第２の熱伝達表面６４に沿って金属対金属の擦り接触がないように、第１の熱伝達表面６２および第２の熱伝達表面６４は、潤滑材料９０により、上板８０の下面８２から十分な距離だけ間隔を置くことが好ましい。
【００２６】
熱制御板５８は、上部電極２０の温度を制御するために、温度制御された上板８０との連携動作が可能な少なくとも１つのヒータを備えることが好ましい。例えば、好ましい一実施形態では、ヒータは熱制御板５８の上面に設けられ、第１の突起６１によって囲まれた第１のヒータ区域７２、第１の突起６１と第２の突起６３との間の第２のヒータ区域７４、および第２の突起６３とたわみ部分６６との間の第３のヒータ区域７６を含む。ヒータ区域の数は変更することができる。例えば、他の実施形態では、ヒータには、単一のヒータ区域、２つのヒータ区域、または４つ以上のヒータ区域が含まれ得る。あるいは、ヒータは、熱制御板５８の下端面に設けることができる。
【００２７】
ヒータは、ヒータの到達動作温度に耐えることができる高分子材料の対向した層間に配置された、抵抗加熱された材料を含む積層体（ｌａｍｉｎａｔｅ）を備えることが好ましい。使用することができる例示的な高分子材料は、商標名カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）で販売されているポリイミドであり、デュポン社から市販されている。あるいは、ヒータは、熱制御板内に埋め込まれた抵抗ヒータ（例えば、鋳造熱制御板内の加熱素子または熱制御板内に形成されたチャネル内に配置された加熱素子）とすることができる。ヒータの他の実施形態には、熱制御板の上面および／または下面に取り付けられた抵抗性加熱素子が含まれる。熱制御板の加熱は、伝導および／または放射を介して達成することができる。
【００２８】
ヒータ材料は、第１のヒータ区域７２、第２のヒータ区域７４、および第３のヒータ区域７６を熱的に均一に加熱するいかなる適切なパターンを有することもできる。例えば、積層体ヒータは、ジグザグ、蛇行または、同心パターンなど、規則的または不規則的なパターンの抵抗性加熱線を有することができる。温度制御された上板８０の動作と連携して、ヒータを用いて熱制御板５８を加熱することにより、シャワーヘッド電極アセンブリ１０の動作の間、上部電極２０全体に亙って望ましい温度分布をもたらすことができる。
【００２９】
第１のヒータ区域７２、第２のヒータ区域７４、および第３のヒータ区域７６に配置された各ヒータ・セクションは、いかなる適当な技法、例えば熱圧、接着剤、留め具、または同様のものを用いることによっても、熱制御板５８に固着することができる。
【００３０】
好ましい一実施形態では、第１のヒータ区域７２、第２のヒータ区域７４、および第３のヒータ区域７６は、電気コネクタ７７を介して電気的に直列に相互接続される。好ましい一実施形態では、ヒータは、第１の位相の交流電流を受け取るように構成された第１の抵抗性加熱導体、第２の位相の交流電流を受け取るように構成された第２の抵抗性加熱導体、および第３の位相の交流電流を受け取るように構成された第３の抵抗性加熱導体を含む３つの回路を備え、第１、第２および第３の位相は、互いに１２０°位相がずれている。
【００３１】
図３に示すように、ヒータは、単一の電源１１０から電力を受け取ることができる。好ましい一実施形態では、電源１１０は、柱９５のように、熱制御板５８のフランジ６８内の開口部９３に収容され、円周上に間隔を置いて配置された３つの柱に電気的に接続される。柱９５は、各々導電体９７に接続され、導電体９７は、フランジ６８を介してブーツ（ｂｏｏｔ）７９まで延び、第３のヒータ区域７６に配置された３相ヒータのそれぞれの位相に電気的に接触する。第３のヒータ７６の３つの位相は、接続７７を介して第２のヒータの３つの対応する位相に電気的に接続され、第２のヒータの３つの位相は、接続７７により第１のヒータの３つの位相に電気的に接続される。
【００３２】
熱制御板５８は、第１のヒータ区域７２の上のプレナム（ｐｌｅｎｕｍ）から第２のヒータ区域７４の上のプレナムへ、また第２のヒータ区域７４の上のプレナムから第３のヒータ区域７６の上のプレナムへ横方向にプロセス・ガス・フローを可能にするための、側面のガス流路７５を備えることが好ましい。好ましい一実施形態では、複数のガス流路７５は、第１の突起６１および第２の突起６３を介して延びる。第１のヒータ区域７２、第２のヒータ区域７４および第３のヒータ区域７６を電気的に接続するために、電気コネクタ７７がガス流路７５を介して延びることができるように、ガス流路７５の大きさが決められる。熱制御板と裏当て部材４０との間の各プレナムに通じる開口部７８を通過するガスが実質上均一な圧力分布になるために、ガス流路７５は、プロセス・ガスが熱制御板５８の上面全体にわたって分散できるのに十分な大きさであることが好ましい。
【００３３】
上部電極２０は、電気的に接地することもでき、または、代替的に、好ましくは無線周波数（ＲＦ）の電流源によって給電することもできる。好ましい一実施形態では、プラズマ処理室内でプラズマを生成するために、上部電極２０は接地され、１つまたは複数の周波数での電力が下部電極に加えられる。例えば、下部電極は、２つの独立して制御された無線周波数電源により、２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの周波数で給電することができる。基板が処理された（例えば、半導体基板がプラズマ・エッチングされた）後、下部電極への電力供給は遮断されて、プラズマ生成を終了する。処理された基板は、プラズマ処理室から取り除かれ、別の基板がプラズマ処理のために基板支持具１５の上に置かれる。好ましい一実施形態では、下部電極への電力が遮断されたとき、ヒータは作動されて、熱制御板５８次いで上部電極２０を加熱する。その結果、上部電極２０の温度は、所望の最低温度を下回って下がらないようにすることが好ましい。基板がより均一に処理され、それによって歩留まりが改善されるように、上部電極２０の温度は、連続した基板処理実行の間でほぼ一定の温度に維持されることが好ましい。電源１１０は、上部電極２０の実際の温度および所望の温度に基づいて、所望のレベルおよび速度でヒータに電力を供給するように制御可能であることが好ましい。
【００３４】
シャワーヘッド電極アセンブリ１０には、上部電極２０の温度を監視するために、熱電対のような１つまたは複数の温度センサが含まれ得る。温度センサは、電源１１０からヒータへの電力供給を制御する制御装置によって監視されることが好ましい。温度センサによって提供されたデータが、上部電極２０の温度が所定の温度を下回ることを示すとき、上部電極２０を所定の温度以上に維持するために、電源１１０を制御装置によって作動させてヒータに電力を供給することができる。
【００３５】
基板のプラズマ処理中、すなわちプラズマがシャワーヘッド電極アセンブリ１０と下部電極との間で生成されているとき、ヒータを作動させることもできる。例えば、プラズマを生成するのに相対的に低いレベルの印加電力を利用するプラズマ処理の操作中は、上部電極２０の温度を所望の温度範囲内に維持するように、ヒータを作動させることができる。誘電体材料のエッチング工程のように、相対的に高いパワー・レベルを利用する他のプラズマ処理の操作中は、連続して実行する間、上部電極２０の温度は通常十分に高いままであり、その結果、上部電極が最小温度を下回って温度低下しないようにヒータを作動させる必要はない。
【００３６】
図３に示した実施形態では、熱制御板５８のたわみ部分６６は、フランジ６８にまで及ぶ円筒形の壁を備える。上板８０およびフランジ６８内でそれぞれ位置合せをされた開口部８４、８６に挿入される留め具（例えば、ねじを切ったボルト、ねじ、または同様のもの）などによって、フランジ６８は上板８０に取り付けられる（図１）。フランジ６８は、環状構成を有することが好ましい。たわみ部分６６は、上板８０に対する熱制御板５８の熱膨張および熱収縮に適応できる構成を有する。すなわち、たわみ部分６６は、上板８０と熱制御板５８の各中心部分間の横方向および軸方向の動きに適応し、熱制御板５８への関連する損傷を防止するように最適化された長さ対厚さの比を有することが好ましい。横方向の滑り運動時に、潤滑材料９０は、熱制御板５８の熱伝達表面６２および６４、ならびに上板８０の下面８２の摩損を防止する。たわみ部分６６を設けることにより、フランジ６８の上面７０と上板８０の下面８２との間で潤滑材料を省略することができる。
【００３７】
熱制御板５８は、上板８０内の開口部８４を介してフランジ６８内に形成された開口部８６に延びる適当な留め具を用いて、上板８０に取外し可能なように取り付けられている。一実施形態では、シャワーヘッド電極アセンブリ１０は、上板８０の上側１２２に取り付けられているカバー板１２０を備える。これらの開口部内の留め具が処理装置内で真空圧力に置かれるように、カバー板１２０は、上板８０内の開口部の上端部を密閉する。しかし、開口部８６のまわりに真空封止を設けることによって（例えば、開口部８６を含むセクションのまわりに、Ｏ−リング１０４を設けることができる）、カバー板を省略することができる。図２では、３つのＯ−リングは３つの真空封止されたセクションを提供し、それらの各々は６つの相隔たる開口部８４を含む。
【００３８】
第１の突起６１および第２の突起６３が、熱制御板５８と上板８０との間の真空封止された区域を提供するためのＯ−リング１０４を各々備える熱制御板５８の各実施形態では、ボルトの上端が封止されていない場合、上板８０を熱制御板５８に取り付ける留め具は、処理装置内で大気圧に曝されうる。
【００３９】
任意選択として、円周上に間隔を置いて配置された複数の位置合せピン１０６が、熱制御板５８のフランジ６８の上に設けられる。上板８０に対して円周状および放射状に熱制御板５８を位置合せするために、位置合せピン１０６は、上板８０内の位置合せ開口部（図示せず）に合うような大きさに決められる。
【００４０】
上板８０は、上板８０と熱制御板５８との間の１つまたは複数の開放空間（プレナム）にプロセス・ガスを導くための、１つまたは複数のガス流路を備えることが好ましい。例えば、プロセス・ガスは、第１のヒータの上部の制御プレナムのみに供給し、流路７５を介して他のプレナムに分散することができる。プロセス・ガスは、上部プレナムから流路７８を介して下部プレナムへ、次いで裏当て板４２内のガス流路４３を介して内側電極部材２２内のガス流路２３へと流れる。ガス流路７８は、熱制御板５８を介して所望の圧力降下が得られるような大きさに決められる。ガス流路７８は、通常は直径が約０．３インチであってもよい。ガス流路７８の数および配置は、プラズマ室に均一なガス分布を提供するために、上部電極２０の上部および全体に亙って均一なガス圧力を達成するように選択されることが好ましい。ガス・フローの均一性を制御するために、任意選択として、シャワーヘッド電極アセンブリ１０には、上部プレナムおよび／または下部プレナム内にバフル（ｂａｆｆｌｅｓ）が含まれ得る。
【００４１】
上板８０の温度は、流路８８を介して熱伝達流体（液体またはガス）を流すことによって制御されることが好ましい。シャワーヘッド電極アセンブリ１０向けに、上板８０は、電気的な接地ならびにヒート・シンクを提供することが好ましい。
【００４２】
図２に示すように、シャワーヘッド電極アセンブリ１０の外側に設けることができるプラズマ閉込めアセンブリの制御棒を通すために、開口部１１４が熱制御板５８のフランジ６８内に設けられる。上下の調節が可能なプラズマ閉込めリング・アセンブリを備える適切なプラズマ閉込めアセンブリが、本願の権利者が所有する米国特許第５，５３４，７５１号に記載されており、参考としてその全体を本明細書に援用する。
【００４３】
本発明を、その具体的な各実施形態を参照しながら詳細に記載してきたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を加え、均等物を利用することができることは、当業者には明白であろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置用のシャワーヘッド電極アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置は、エッチング、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、イオン注入、およびレジスト除去を含む各技法によって基板を処理するのに使用される。プラズマ処理で使用されるプラズマ処理装置の１つのタイプでは、上部電極および下部電極を含む反応室を備える。電界が両電極間で確立されて、プロセス・ガスをプラズマ状態に励起して反応室内の基板を処理する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，０７３，５７７号
【特許文献２】米国特許第５，５３４，７５１号
【発明の概要】
【０００４】
半導体基板処理装置のシャワーヘッド電極アセンブリ、および半導体基板処理室内のシャワーヘッド電極を支持するための熱制御板が提供される。
半導体基板処理室内のシャワーヘッド電極を支持するための熱制御板の好ましい一実施形態は、温度制御された上板に取外し自在に取り付けることができる金属外側部分、ならびにシャワーヘッド電極および上板に取外し自在に取り付けることができる金属内側部分を備える。熱制御板の内側部分は、上板とシャワーヘッド電極との間の熱的および電気的な経路を提供する。
【０００５】
プラズマ処理装置用のシャワーヘッド電極アセンブリの好ましい一実施形態は、上板、シャワーヘッド電極、および熱制御板を備える。熱制御板は、熱制御板の中心部分が上板に対して相対的に移動可能になるように、シャワーヘッド電極および上板に取り付けられている。少なくとも１つの熱ブリッジが、熱制御板の中心部分と上板との間に設けられる。この熱ブリッジは、シャワーヘッド電極と上板との間の熱的および電気的な経路を提供する。
【０００６】
熱ブリッジは、熱制御板の対向する両表面と上板との間で、滑りを可能にし、ならびに熱的および電気的な伝導をもたらすために、潤滑材料を備えることが好ましい。
【０００７】
他の好ましい一実施形態は、半導体基板処理室で半導体基板を処理する方法を提供し、その方法は、（ａ）半導体基板処理装置のプラズマ室内で、下部電極を備える基板支持具上に基板を載置すること、（ｂ）好ましい一実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリを有するプラズマ室にプロセス・ガスを供給すること、（ｃ）シャワーヘッド電極アセンブリと基板との間で、プラズマ室内のプロセス・ガスからプラズマを生成すること、（ｄ）基板をプラズマで処理すること、（ｅ）プラズマの生成を終了すること、および（ｆ）プラズマ室から基板を取り出すことを含む。シャワーヘッド電極アセンブリは、ヒータを備えることが好ましい。他の好ましい一実施形態では、前記方法は、シャワーヘッド電極を所望の温度に維持するために（ｅ）の後にヒータを作動させて熱をシャワーヘッド電極に加えること、および／または（ａ）から（ｆ）の間、ヒータを作動させて熱をシャワーヘッド電極に加えることを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】プラズマ処理装置用のシャワーヘッド電極アセンブリおよび基板支持具の好ましい一実施形態の一部分を示す図である。
【図２】上板のないシャワーヘッド電極アセンブリの好ましい一実施形態の上面斜視図である。
【図３】シャワーヘッド電極アセンブリの電源とヒータとの間の例示的な電気的接続を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、半導体基板、たとえばシリコン・ウェーハが処理されるプラズマ処理装置用のシャワーヘッド電極アセンブリ１０の好ましい一実施形態を示している。シャワーヘッド電極アセンブリ１０（その半分だけが図１に示されている）は、上部電極２０および上部電極２０に固着された任意選択の裏当て部材４０、熱制御板５８、ならびに上板８０を含むシャワーヘッド電極を備える。上板８０は、プラズマ・エッチング室などのプラズマ処理装置の取外し可能な上端壁を形成することができる。
【００１０】
下部電極および任意選択の静電クランプ電極を含む基板支持具１５（その一部分だけが図１に示されている）は、プラズマ処理装置の真空処理室内の上部電極２０の下に配置される。プラズマ処理が施される基板１６は、機械的または静電気的に、基板支持具１５の上部支持表面１７上にクランプされる。
【００１１】
シャワーヘッド電極の上部電極２０は、内側電極部材２２、および任意選択の外側電極部材２４を備えることが好ましい。内側電極部材２２は、円筒形の板（たとえば単結晶シリコン）であることが好ましい。この板が単結晶シリコンで作られている場合、内側電極部材２２の直径は、たとえば１２インチ（３００ｍｍ）までの被処理ウェーハよりも、小さくても、同じでも、また大きくてもよい。この直径は、現在入手可能な単結晶シリコン材料の最大直径である。３００ｍｍウェーハを処理するために、外側電極部材２４は、上部電極２０の直径を約１５インチから約１７インチに拡大するように設けられる。外側電極部材２４は、連続した部材（たとえば、リングのような多結晶シリコン部材）とすることもでき、分割部材（たとえば、単結晶シリコンのセグメントのように、リング構成に配置された２つ〜６つの別々のセグメント）とすることもできる。複数セグメントの外側電極部材２４を備える上部電極２０の各実施形態において、各セグメントは、基礎をなす結合剤をプラズマへの曝露から保護するために、互いにオーバーラップする端部を有することが好ましい。内側電極部材２２は、プラズマ反応室内の上部電極２０と下部電極１５との間の空間にプロセス・ガスを注入するための複数のガス流路２３を備えることが好ましい。
【００１２】
単結晶シリコンは、内側電極部材２２および外側電極部材２４のうちのプラズマに曝露される表面にとっては好ましい材料である。高純度な単結晶シリコンは、反応室内に望ましくない要素を最小量しか持ち込まないため、プラズマ処理中の基板の汚染を最小限に抑え、またプラズマ処理中にスムーズに摩耗し、それによりパーティクルを最小限に抑える。上部電極２０のプラズマ曝露される表面に対して使用することができる代替の材料には、たとえばＳｉＣ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、およびＡｌ２Ｏ３が含まれる。
【００１３】
好ましい一実施形態では、シャワーヘッド電極アセンブリ１０は、直径が３００ｍｍの半導体ウェーハのような大きい基板を処理するのに十分な大きさのものである。３００ｍｍウェーハに対して、上端電極２０は、少なくとも直径が３００ｍｍである。しかし、シャワーヘッド電極アセンブリは、他のウェーハ・サイズまたは非円形構成の基板を処理するようなサイズにすることができる。
【００１４】
裏当て部材４０は、裏当て板４２および裏当てリング４４を含むことが好ましい。こうした各実施形態では、内側電極部材２２は裏当て板４２と同一の広がりを持ち、外側電極部材２４は周囲の裏当てリング４４と同一の広がりを持つ。しかし、裏当て板４２は、内側電極部材および分割された外側電極部材を支持することができるように、単一の裏当て板を使用して内側電極部材を超えて延びることができる。内側電極部材２２および外側電極部材２４は、エラストマー性の結合剤のような結合剤によって裏当て部材４０に取り付けられることが好ましい。ガス・フローをプラズマ処理室に供給するために、裏当て板４２は、内側電極部材２２内のガス流路２３と位置が揃ったガス流路４３を備える。ガス流路４３は、通常は直径が約０．０４インチであり、ガス流路２３は、通常は直径が約０．０２５インチである。
【００１５】
裏当て板４２および裏当てリング４４は、プラズマ処理室内で半導体基板を処理するのに使用されるプロセス・ガスと化学的に互換性があり、その熱膨張係数が電極材料の熱膨張係数とほぼ合致し、かつ／または、電気的および熱的に伝導性を有する材料から作られることが好ましい。裏当て部材４０を作るのに使用することができる好ましい材料には、それだけには限らないが、黒鉛およびＳｉＣが含まれる。
【００１６】
熱応力に対応し、上部電極２０と裏当て板４２および裏当てリング４４との間で熱および電気エネルギーを伝達する、熱的および電気的に伝導性を有するエラストマー結合剤を用いて、上部電極２０を裏当て板４２および裏当てリング４４に取り付けることができる。電極アセンブリの各表面を接合するためのエラストマーの使用については、例えば、本願の権利者が所有する米国特許第６，０７３，５７７号に説明されており、参考としてその全体を本明細書に援用する。
【００１７】
裏当て板４２および裏当てリング４４は、適当な留め具を用いて熱制御板５８に取り付けられることが好ましく、留め具は、ねじを切ったボルト、ねじ、または同様のものとすることができる。たとえば、ボルト（図示せず）は、熱制御板５８内の穴に挿入することができ、裏当て部材４０内のねじを切った開口部にねじ込むことができる。
【００１８】
図１および図２を参照すると、熱制御板５８は、上面６０を有する成形板（ｃｏｎｔｏｕｒｅｄ ｐｌａｔｅ）５９を含む内側金属部分、ならびに第１の熱伝達表面６２を有する第１の突起（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）６１および上面に第２の熱伝達表面６４を有する第２の突起６３を備える。他の好ましい実施形態では、熱制御板５８には、２つを超える突起、たとえば３つまたは４つ以上の突起が含まれ得る。上板内の大きめの開口部（図示せず）を介して、第１の突起６１の表面６２内および第２の突起６３の表面６４内のねじを切った開口部６５に延びる留め具を用いて、熱制御板５８が上板８０に取り付けられる（図２）。熱制御板５８はまた、熱制御板５８を裏当て板４２に取外し自在に取り付けるための留め具を収容するために、ねじを切った開口部１１７を備える。上板８０内の大きめの開口部は、留め具周りのクリアランスを提供し、その結果、熱制御板５８は、上板に対する熱制御板の熱膨張における不一致に適応するために上板に対してスライドすることができる。
【００１９】
熱制御板５８はまた、内側部分を外側部分に接続し、上板８０の対向した表面に対向して保持される上面７０を有するフランジ６８を含むたわみ部分６６を備える。第１の熱伝達表面６２および第２の熱伝達表面６４は、環状構成を有することが好ましい。第１の突起６１および第２の突起６３は、その高さが約０．２５インチから約０．７５インチであり、またその幅が約０．７５インチから約１．２５インチであることが好ましい。しかし、第１の突起６１および／または第２の突起６３は、非環状構成、たとえば弧状セグメント（ａｒｃｕａｔｅ ｓｅｇｍｅｎｔ）、多面体、円形、楕円形または他の構成を有することができる。
【００２０】
熱制御板５８は、アルミニウム、アルミニウム合金、または同様のもののような金属材料から作られることが好ましい。熱制御板５８は、アルミニウムまたはアルミニウム合金のような金属材料の機械加工してなる片であることが好ましい。上板８０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から作られることが好ましい。上板８０は、温度制御された流体、好ましくは液体が、上板を所望の温度に維持するために循環することができる１つまたは複数の流路８８を備えることが好ましい。
【００２１】
処理室内で半導体基板を処理する間、第１の熱伝達表面６２、第２の熱伝達表面６４から、上面７０を介する熱伝導を経て、熱が内側電極部材２２および外側電極部材２４ならびに裏当て板４２および裏当てリング４４から上板８０の下面８２に伝達される。すなわち、第１の突起６１および第２の突起６３はまた、内側電極部材２２と外側電極部材２４と裏当て板４２と裏当てリング４４との間の各熱ブリッジを上板８０に提供する。熱制御板５８をまたぐ離れた位置での、この強化された熱伝達により、上部電極２０において放射状に実質上均一な温度分布を達成することができる。
【００２２】
シャワーヘッド電極アセンブリ１０の動作時には、熱制御板５８および上板８０は、熱せられ熱膨張する。その結果、上板８０および熱制御板５８は、互いにスライドすることができる。このスライドにより、上板８０および／または熱制御板５８の表面（例えば、熱制御板５８の中心部分の１つまたは複数の表面）は摩損することがあり、これらの表面は互いに接触し、アルミニウムパーティクルのようなパーティクルを接触面から発生させる。遊離したパーティクルは、反応室内の基板を汚染し、それにより歩留まりを低下させることがある。
【００２３】
上板８０および／または熱制御板５８の対向する表面の摩損を、潤滑性を有する材料を対向する両表面の間に置くことによって最小限に抑えることができることは確実である。好ましい一実施形態では、潤滑材料９０の少なくとも１つの層が、熱制御板５８の第１の熱伝達表面６２および第２の熱伝達表面６４と上板８０の下面８２との間に置かれる。
【００２４】
潤滑材料９０は、第１の熱伝達表面６２および第２の熱伝達表面６４から上板８０への十分な熱伝達および電気的な伝導をもたらすために十分な熱的および電気的な伝導性を有する。これらの特性を提供する好ましい材料は、オハイオ州クリーブランドのＵＣＡＲ Ｃａｒｂｏｎ社から市販されている「グラフォイル（ＧＲＡＦＯＩＬ）」のような弾性変形可能な黒鉛材料である。潤滑材料９０は、約０．０１０インチから約０．０３０インチ、より好ましくは約０．０１５インチの好ましい厚さを有するガスケットであることが好ましい。潤滑材料９０は、リング形状のガスケットであり、各ガスケットは、第１の熱表面６２および第２の熱伝達表面６４の各々の上に形成されたそれぞれの環状溝内に保持されることが好ましい。
【００２５】
潤滑材料９０は、反応室内でのプラズマ曝露から保護されることが好ましい。好ましい一実施形態では、潤滑材料９０は、真空封止、例えば熱制御板５８の第１の熱伝達表面６２および第２の熱伝達表面６４内の相隔たる環状溝１０５内に保持される１対の任意選択のＯ−リング１０４の間に配置される。Ｏ−リング１０４は、プラズマ室内の真空環境から潤滑材料９０を分離し、それによりプラズマ曝露から潤滑材料を保護する。第１の熱伝達表面６２または第２の熱伝達表面６４に沿って金属対金属の擦り接触がないように、第１の熱伝達表面６２および第２の熱伝達表面６４は、潤滑材料９０により、上板８０の下面８２から十分な距離だけ間隔を置くことが好ましい。
【００２６】
熱制御板５８は、上部電極２０の温度を制御するために、温度制御された上板８０との連携動作が可能な少なくとも１つのヒータを備えることが好ましい。例えば、好ましい一実施形態では、ヒータは熱制御板５８の上面に設けられ、第１の突起６１によって囲まれた第１のヒータ区域７２、第１の突起６１と第２の突起６３との間の第２のヒータ区域７４、および第２の突起６３とたわみ部分６６との間の第３のヒータ区域７６を含む。ヒータ区域の数は変更することができる。例えば、他の実施形態では、ヒータには、単一のヒータ区域、２つのヒータ区域、または４つ以上のヒータ区域が含まれ得る。あるいは、ヒータは、熱制御板５８の下端面に設けることができる。
【００２７】
ヒータは、ヒータの到達動作温度に耐えることができる高分子材料の対向した層間に配置された、抵抗加熱された材料を含む積層体（ｌａｍｉｎａｔｅ）を備えることが好ましい。使用することができる例示的な高分子材料は、商標名カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）で販売されているポリイミドであり、デュポン社から市販されている。あるいは、ヒータは、熱制御板内に埋め込まれた抵抗ヒータ（例えば、鋳造熱制御板内の加熱素子または熱制御板内に形成されたチャネル内に配置された加熱素子）とすることができる。ヒータの他の実施形態には、熱制御板の上面および／または下面に取り付けられた抵抗性加熱素子が含まれる。熱制御板の加熱は、伝導および／または放射を介して達成することができる。
【００２８】
ヒータ材料は、第１のヒータ区域７２、第２のヒータ区域７４、および第３のヒータ区域７６を熱的に均一に加熱するいかなる適切なパターンを有することもできる。例えば、積層体ヒータは、ジグザグ、蛇行または、同心パターンなど、規則的または不規則的なパターンの抵抗性加熱線を有することができる。温度制御された上板８０の動作と連携して、ヒータを用いて熱制御板５８を加熱することにより、シャワーヘッド電極アセンブリ１０の動作の間、上部電極２０全体に亙って望ましい温度分布をもたらすことができる。
【００２９】
第１のヒータ区域７２、第２のヒータ区域７４、および第３のヒータ区域７６に配置された各ヒータ・セクションは、いかなる適当な技法、例えば熱圧、接着剤、留め具、または同様のものを用いることによっても、熱制御板５８に固着することができる。
【００３０】
好ましい一実施形態では、第１のヒータ区域７２、第２のヒータ区域７４、および第３のヒータ区域７６は、電気コネクタ７７を介して電気的に直列に相互接続される。好ましい一実施形態では、ヒータは、第１の位相の交流電流を受け取るように構成された第１の抵抗性加熱導体、第２の位相の交流電流を受け取るように構成された第２の抵抗性加熱導体、および第３の位相の交流電流を受け取るように構成された第３の抵抗性加熱導体を含む３つの回路を備え、第１、第２および第３の位相は、互いに１２０°位相がずれている。
【００３１】
図３に示すように、ヒータは、単一の電源１１０から電力を受け取ることができる。好ましい一実施形態では、電源１１０は、柱９５のように、熱制御板５８のフランジ６８内の開口部９３に収容され、円周上に間隔を置いて配置された３つの柱に電気的に接続される。柱９５は、各々導電体９７に接続され、導電体９７は、フランジ６８を介してブーツ（ｂｏｏｔ）７９まで延び、第３のヒータ区域７６に配置された３相ヒータのそれぞれの位相に電気的に接触する。第３のヒータ７６の３つの位相は、接続７７を介して第２のヒータの３つの対応する位相に電気的に接続され、第２のヒータの３つの位相は、接続７７により第１のヒータの３つの位相に電気的に接続される。
【００３２】
熱制御板５８は、第１のヒータ区域７２の上のプレナム（ｐｌｅｎｕｍ）から第２のヒータ区域７４の上のプレナムへ、また第２のヒータ区域７４の上のプレナムから第３のヒータ区域７６の上のプレナムへ横方向にプロセス・ガス・フローを可能にするための、側面のガス流路７５を備えることが好ましい。好ましい一実施形態では、複数のガス流路７５は、第１の突起６１および第２の突起６３を介して延びる。第１のヒータ区域７２、第２のヒータ区域７４および第３のヒータ区域７６を電気的に接続するために、電気コネクタ７７がガス流路７５を介して延びることができるように、ガス流路７５の大きさが決められる。熱制御板と裏当て部材４０との間の各プレナムに通じる開口部７８を通過するガスが実質上均一な圧力分布になるために、ガス流路７５は、プロセス・ガスが熱制御板５８の上面全体にわたって分散できるのに十分な大きさであることが好ましい。
【００３３】
上部電極２０は、電気的に接地することもでき、または、代替的に、好ましくは無線周波数（ＲＦ）の電流源によって給電することもできる。好ましい一実施形態では、プラズマ処理室内でプラズマを生成するために、上部電極２０は接地され、１つまたは複数の周波数での電力が下部電極に加えられる。例えば、下部電極は、２つの独立して制御された無線周波数電源により、２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの周波数で給電することができる。基板が処理された（例えば、半導体基板がプラズマ・エッチングされた）後、下部電極への電力供給は遮断されて、プラズマ生成を終了する。処理された基板は、プラズマ処理室から取り除かれ、別の基板がプラズマ処理のために基板支持具１５の上に置かれる。好ましい一実施形態では、下部電極への電力が遮断されたとき、ヒータは作動されて、熱制御板５８次いで上部電極２０を加熱する。その結果、上部電極２０の温度は、所望の最低温度を下回って下がらないようにすることが好ましい。基板がより均一に処理され、それによって歩留まりが改善されるように、上部電極２０の温度は、連続した基板処理実行の間でほぼ一定の温度に維持されることが好ましい。電源１１０は、上部電極２０の実際の温度および所望の温度に基づいて、所望のレベルおよび速度でヒータに電力を供給するように制御可能であることが好ましい。
【００３４】
シャワーヘッド電極アセンブリ１０には、上部電極２０の温度を監視するために、熱電対のような１つまたは複数の温度センサが含まれ得る。温度センサは、電源１１０からヒータへの電力供給を制御する制御装置によって監視されることが好ましい。温度センサによって提供されたデータが、上部電極２０の温度が所定の温度を下回ることを示すとき、上部電極２０を所定の温度以上に維持するために、電源１１０を制御装置によって作動させてヒータに電力を供給することができる。
【００３５】
基板のプラズマ処理中、すなわちプラズマがシャワーヘッド電極アセンブリ１０と下部電極との間で生成されているとき、ヒータを作動させることもできる。例えば、プラズマを生成するのに相対的に低いレベルの印加電力を利用するプラズマ処理の操作中は、上部電極２０の温度を所望の温度範囲内に維持するように、ヒータを作動させることができる。誘電体材料のエッチング工程のように、相対的に高いパワー・レベルを利用する他のプラズマ処理の操作中は、連続して実行する間、上部電極２０の温度は通常十分に高いままであり、その結果、上部電極が最小温度を下回って温度低下しないようにヒータを作動させる必要はない。
【００３６】
図３に示した実施形態では、熱制御板５８のたわみ部分６６は、フランジ６８にまで及ぶ円筒形の壁を備える。上板８０およびフランジ６８内でそれぞれ位置合せをされた開口部８４、８６に挿入される留め具（例えば、ねじを切ったボルト、ねじ、または同様のもの）などによって、フランジ６８は上板８０に取り付けられる（図１）。フランジ６８は、環状構成を有することが好ましい。たわみ部分６６は、上板８０に対する熱制御板５８の熱膨張および熱収縮に適応できる構成を有する。すなわち、たわみ部分６６は、上板８０と熱制御板５８の各中心部分間の横方向および軸方向の動きに適応し、熱制御板５８への関連する損傷を防止するように最適化された長さ対厚さの比を有することが好ましい。横方向の滑り運動時に、潤滑材料９０は、熱制御板５８の熱伝達表面６２および６４、ならびに上板８０の下面８２の摩損を防止する。たわみ部分６６を設けることにより、フランジ６８の上面７０と上板８０の下面８２との間で潤滑材料を省略することができる。
【００３７】
熱制御板５８は、上板８０内の開口部８４を介してフランジ６８内に形成された開口部８６に延びる適当な留め具を用いて、上板８０に取外し可能なように取り付けられている。一実施形態では、シャワーヘッド電極アセンブリ１０は、上板８０の上側１２２に取り付けられているカバー板１２０を備える。これらの開口部内の留め具が処理装置内で真空圧力に置かれるように、カバー板１２０は、上板８０内の開口部の上端部を密閉する。しかし、開口部８６のまわりに真空封止を設けることによって（例えば、開口部８６を含むセクションのまわりに、Ｏ−リング１０４を設けることができる）、カバー板を省略することができる。図２では、３つのＯ−リングは３つの真空封止されたセクションを提供し、それらの各々は６つの相隔たる開口部８４を含む。
【００３８】
第１の突起６１および第２の突起６３が、熱制御板５８と上板８０との間の真空封止された区域を提供するためのＯ−リング１０４を各々備える熱制御板５８の各実施形態では、ボルトの上端が封止されていない場合、上板８０を熱制御板５８に取り付ける留め具は、処理装置内で大気圧に曝されうる。
【００３９】
任意選択として、円周上に間隔を置いて配置された複数の位置合せピン１０６が、熱制御板５８のフランジ６８の上に設けられる。上板８０に対して円周状および放射状に熱制御板５８を位置合せするために、位置合せピン１０６は、上板８０内の位置合せ開口部（図示せず）に合うような大きさに決められる。
【００４０】
上板８０は、上板８０と熱制御板５８との間の１つまたは複数の開放空間（プレナム）にプロセス・ガスを導くための、１つまたは複数のガス流路を備えることが好ましい。例えば、プロセス・ガスは、第１のヒータの上部の制御プレナムのみに供給し、流路７５を介して他のプレナムに分散することができる。プロセス・ガスは、上部プレナムから流路７８を介して下部プレナムへ、次いで裏当て板４２内のガス流路４３を介して内側電極部材２２内のガス流路２３へと流れる。ガス流路７８は、熱制御板５８を介して所望の圧力降下が得られるような大きさに決められる。ガス流路７８は、通常は直径が約０．３インチであってもよい。ガス流路７８の数および配置は、プラズマ室に均一なガス分布を提供するために、上部電極２０の上部および全体に亙って均一なガス圧力を達成するように選択されることが好ましい。ガス・フローの均一性を制御するために、任意選択として、シャワーヘッド電極アセンブリ１０には、上部プレナムおよび／または下部プレナム内にバフル（ｂａｆｆｌｅｓ）が含まれ得る。
【００４１】
上板８０の温度は、流路８８を介して熱伝達流体（液体またはガス）を流すことによって制御されることが好ましい。シャワーヘッド電極アセンブリ１０向けに、上板８０は、電気的な接地ならびにヒート・シンクを提供することが好ましい。
【００４２】
図２に示すように、シャワーヘッド電極アセンブリ１０の外側に設けることができるプラズマ閉込めアセンブリの制御棒を通すために、開口部１１４が熱制御板５８のフランジ６８内に設けられる。上下の調節が可能なプラズマ閉込めリング・アセンブリを備える適切なプラズマ閉込めアセンブリが、本願の権利者が所有する米国特許第５，５３４，７５１号に記載されており、参考としてその全体を本明細書に援用する。
【００４３】
本発明を、その具体的な各実施形態を参照しながら詳細に記載してきたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を加え、均等物を利用することができることは、当業者には明白であろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板処理室内のシャワーヘッド電極を支持するための熱制御板であって、
温度制御された上板に取外し自在に取り付けることができるように構成された金属外側部分と、
前記シャワーヘッド電極および前記上板に取外し自在に取り付けることができるように構成された金属内側部分と、
を備え、
前記内側部分は、前記上板とシャワーヘッド電極との間に熱的および電気的な経路を設けることを特徴とする熱制御板。
【請求項２】
前記外側部分は環状フランジを備え、前記内側部分は成形板を備え、前記外側部分は、たわみ部分により前記内側部分に接続されることを特徴とする請求項１に記載の熱制御板。
【請求項３】
前記成形板は、上面と前記上面上の環状の第１の突起とを備え、
前記第１の突起は、熱を前記上板に伝達するように構成された第１の熱伝達表面と、前記上板と前記第１の熱伝達表面との間の任意選択のＯ−リングを収容するように構成された任意選択の相隔たる環状溝とを備えることを特徴とする請求項２に記載の熱制御板。
【請求項４】
前記成形板は、前記第１の突起から放射状に間隔を置いて配置された環状の第２の突起を前記上面に備え、
前記第２の突起は、熱を前記上板に伝達するように構成された第２の熱伝達表面と、前記上板と前記第２の熱伝達表面との間の任意選択のＯ−リングを収容するように構成された任意選択の相隔たる環状溝と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の熱制御板。
【請求項５】
前記内側部分は、前記上板とシャワーヘッド電極との間の熱的および電気的な経路を提供する少なくとも１つの熱ブリッジを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱制御板。
【請求項６】
前記外側部分は、前記上板内の位置合せ開口部に合うように構成され、前記熱制御板と前記上板との間で円周方向および放射方向の位置合せを行うための位置合せピンと、前記上板の下端側を貫通して延びるボルトを受けるように構成されたねじを切った開口部と、前記上板と前記熱制御板との間の任意選択のＯ−リングを収容するように構成された任意選択の溝とを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱制御板。
【請求項７】
前記シャワーヘッド電極に熱を供給することができる少なくとも１つのヒータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱制御板。
【請求項８】
前記ヒータは、前記成形板の中心領域にある内部ヒータ部と、前記成形板の前記中心領域の外部にある少なくとも１つの外部ヒータ部とを備え、前記内部ヒータ部および外部ヒータ部は、少なくとも１つの電気コネクタによって相互接続されることを特徴とする請求項７に記載の熱制御板。
【請求項９】
前記ヒータは、誘電体層間に抵抗性加熱材料を含む積層体を備えることを特徴とする請求項７に記載の熱制御板。
【請求項１０】
前記ヒータは、３相ヒータを備えることを特徴とする請求項７に記載の熱制御板。
【請求項１１】
前記ヒータは、第１の位相の交流電流を受け取るように構成された第１の抵抗性加熱導体と、第２の位相の交流電流を受け取るように構成された第２の抵抗性加熱導体と、第３の位相の交流電流を受け取るように構成された第３の抵抗性加熱導体とを含む３つの回路を備え、前記第１、第２および第３の位相は、互いに１２０°位相がずれていることを特徴とする請求項７に記載の熱制御板。
【請求項１２】
前記内側部分の両側の間に延びるガス流路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱制御板。
【請求項１３】
半導体基板処理装置のシャワーヘッド電極アセンブリであって、
上板と、
シャワーヘッド電極と、
その中心部分が前記上板に対して移動可能であるように、前記シャワーヘッド電極および前記上板に取り付けられた熱制御板と、
前記熱制御板の前記中心部分と前記上板との間の少なくとも１つの熱ブリッジとを備え、前記熱ブリッジは、前記シャワーヘッド電極と前記上板との間に熱的および電気的な経路を提供することを特徴とするシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１４】
少なくとも２つの横方向に相隔たる熱ブリッジを備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１５】
前記熱ブリッジの各々は、前記熱制御板と前記上板との間に熱的および電気的な伝導性をもたらす潤滑材料の層を備え、前記潤滑材料は、任意選択として少なくとも１つのＯ−リングを備える真空封止内に配置されることを特徴とする請求項１４に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１６】
前記潤滑材料の層の各々は、環状構成と約０．７５インチから約１．２５インチまでの幅とを有することを特徴とする請求項１５に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１７】
前記熱制御板を加熱するように構成されたヒータをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１８】
前記ヒータは、３相ヒータであることを特徴とする請求項１７に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１９】
前記ヒータは、誘電体材料の対向する層の間に抵抗性加熱材料を含む積層体を備えることを特徴とする請求項１７に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２０】
前記上板は、前記上板の温度を制御するために熱伝達流体が流れる少なくとも１つの流路を備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２１】
前記熱制御板は、互いに異なる熱膨張に適応し、前記上板と前記熱制御板との間に熱的および電気的な伝導をもたらすように構成されたたわみ部分を備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２２】
前記シャワーヘッド電極は、エラストマー・ボンドによりシリコン板の上面に接着された裏当て板を備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２３】
前記裏当て板は、黒鉛裏当て板であることを特徴とする請求項２２に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２４】
前記熱制御板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の機械加工してなる片であることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２５】
前記上板は、前記上板内の開口部を介して延びる留め具を用いて前記熱制御板に取り付けられ、任意選択として前記上板の上側に取り付けられたカバー板を備え、前記留め具が前記処理装置内の真空圧力に曝されるように前記開口部を封止することを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２６】
前記上板は、前記上板内の開口部を介して延び、前記少なくとも１つの熱ブリッジ内のねじを切った開口部にねじ込まれる留め具を用いて前記熱制御板に取り付けられ、前記熱ブリッジの各々は、前記留め具が前記処理装置内の大気圧に曝されるように前記熱制御板と前記上板との間を真空封止する少なくとも１つのＯ−リングを備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２７】
前記上板は、前記上板内の開口部を介して延びる留め具を用いて前記熱制御板に取り付けられ、前記開口部は、前記上板と前記熱制御板との間の互いに異なる熱膨張に適応するために、前記留め具の直径よりも大きい直径を有することを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの熱ブリッジは、前記熱制御板の上に２つの相隔たる環状突起を備え、前記上板は、前記上板内の開口部を介して前記熱ブリッジの各々に延びる留め具を用いて前記熱制御板に取り付けられ、前記熱制御板は、前記突起を介して横方向に延びるガス流路と、前記各熱ブリッジの内外の横方向に配置された前記熱制御板の対向する両表面の間で軸方向に延びるガス流路とを備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２９】
半導体基板処理室内の半導体基板を処理する方法であって、
ａ）半導体基板処理装置のプラズマ室内の、下部電極を備える基板支持具上に基板を置く工程と、
ｂ）請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリを用いて、プロセス・ガスを前記プラズマ室に供給する工程と、
ｃ）前記シャワーヘッド電極アセンブリと前記基板との間で、前記プラズマ室内の前記プロセス・ガスからプラズマを生成する工程と、
ｄ）前記プラズマを用いて前記基板を処理する工程と、
ｅ）前記プラズマの前記生成を終了する工程と、
ｆ）前記基板を前記プラズマ室から取り出す工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３０】
前記シャワーヘッド電極アセンブリがヒータをさらに備え、前記シャワーヘッド電極を所望の温度に維持するように前記シャワーヘッド電極に熱を加えるために、ｅ）の後に前記ヒータを作動させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
ａ）からｆ）の間、前記シャワーヘッド電極に熱を加えるために前記ヒータを作動させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項１】
半導体基板処理室内のシャワーヘッド電極を支持するための熱制御板であって、
温度制御された上板に取外し自在に取り付けることができるように構成された金属外側部分と、
前記シャワーヘッド電極および前記上板に取外し自在に取り付けることができるように構成された金属内側部分と、
を備え、
前記内側部分は、前記上板とシャワーヘッド電極との間に熱的および電気的な経路を設けることを特徴とする熱制御板。
【請求項２】
前記外側部分は環状フランジを備え、前記内側部分は成形板を備え、前記外側部分は、たわみ部分により前記内側部分に接続されることを特徴とする請求項１に記載の熱制御板。
【請求項３】
前記成形板は、上面と前記上面上の環状の第１の突起とを備え、
前記第１の突起は、熱を前記上板に伝達するように構成された第１の熱伝達表面と、前記上板と前記第１の熱伝達表面との間の任意選択のＯ−リングを収容するように構成された任意選択の相隔たる環状溝とを備えることを特徴とする請求項２に記載の熱制御板。
【請求項４】
前記成形板は、前記第１の突起から放射状に間隔を置いて配置された環状の第２の突起を前記上面に備え、
前記第２の突起は、熱を前記上板に伝達するように構成された第２の熱伝達表面と、前記上板と前記第２の熱伝達表面との間の任意選択のＯ−リングを収容するように構成された任意選択の相隔たる環状溝と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の熱制御板。
【請求項５】
前記内側部分は、前記上板とシャワーヘッド電極との間の熱的および電気的な経路を提供する少なくとも１つの熱ブリッジを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱制御板。
【請求項６】
前記外側部分は、前記上板内の位置合せ開口部に合うように構成され、前記熱制御板と前記上板との間で円周方向および放射方向の位置合せを行うための位置合せピンと、前記上板の下端側を貫通して延びるボルトを受けるように構成されたねじを切った開口部と、前記上板と前記熱制御板との間の任意選択のＯ−リングを収容するように構成された任意選択の溝とを備えることを特徴とする請求項１に記載の熱制御板。
【請求項７】
前記シャワーヘッド電極に熱を供給することができる少なくとも１つのヒータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱制御板。
【請求項８】
前記ヒータは、前記成形板の中心領域にある内部ヒータ部と、前記成形板の前記中心領域の外部にある少なくとも１つの外部ヒータ部とを備え、前記内部ヒータ部および外部ヒータ部は、少なくとも１つの電気コネクタによって相互接続されることを特徴とする請求項７に記載の熱制御板。
【請求項９】
前記ヒータは、誘電体層間に抵抗性加熱材料を含む積層体を備えることを特徴とする請求項７に記載の熱制御板。
【請求項１０】
前記ヒータは、３相ヒータを備えることを特徴とする請求項７に記載の熱制御板。
【請求項１１】
前記ヒータは、第１の位相の交流電流を受け取るように構成された第１の抵抗性加熱導体と、第２の位相の交流電流を受け取るように構成された第２の抵抗性加熱導体と、第３の位相の交流電流を受け取るように構成された第３の抵抗性加熱導体とを含む３つの回路を備え、前記第１、第２および第３の位相は、互いに１２０°位相がずれていることを特徴とする請求項７に記載の熱制御板。
【請求項１２】
前記内側部分の両側の間に延びるガス流路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱制御板。
【請求項１３】
半導体基板処理装置のシャワーヘッド電極アセンブリであって、
上板と、
シャワーヘッド電極と、
その中心部分が前記上板に対して移動可能であるように、前記シャワーヘッド電極および前記上板に取り付けられた熱制御板と、
前記熱制御板の前記中心部分と前記上板との間の少なくとも１つの熱ブリッジとを備え、前記熱ブリッジは、前記シャワーヘッド電極と前記上板との間に熱的および電気的な経路を提供することを特徴とするシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１４】
少なくとも２つの横方向に相隔たる熱ブリッジを備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１５】
前記熱ブリッジの各々は、前記熱制御板と前記上板との間に熱的および電気的な伝導性をもたらす潤滑材料の層を備え、前記潤滑材料は、任意選択として少なくとも１つのＯ−リングを備える真空封止内に配置されることを特徴とする請求項１４に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１６】
前記潤滑材料の層の各々は、環状構成と約０．７５インチから約１．２５インチまでの幅とを有することを特徴とする請求項１５に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１７】
前記熱制御板を加熱するように構成されたヒータをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１８】
前記ヒータは、３相ヒータであることを特徴とする請求項１７に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項１９】
前記ヒータは、誘電体材料の対向する層の間に抵抗性加熱材料を含む積層体を備えることを特徴とする請求項１７に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２０】
前記上板は、前記上板の温度を制御するために熱伝達流体が流れる少なくとも１つの流路を備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２１】
前記熱制御板は、互いに異なる熱膨張に適応し、前記上板と前記熱制御板との間に熱的および電気的な伝導をもたらすように構成されたたわみ部分を備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２２】
前記シャワーヘッド電極は、エラストマー・ボンドによりシリコン板の上面に接着された裏当て板を備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２３】
前記裏当て板は、黒鉛裏当て板であることを特徴とする請求項２２に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２４】
前記熱制御板は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の機械加工してなる片であることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２５】
前記上板は、前記上板内の開口部を介して延びる留め具を用いて前記熱制御板に取り付けられ、任意選択として前記上板の上側に取り付けられたカバー板を備え、前記留め具が前記処理装置内の真空圧力に曝されるように前記開口部を封止することを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２６】
前記上板は、前記上板内の開口部を介して延び、前記少なくとも１つの熱ブリッジ内のねじを切った開口部にねじ込まれる留め具を用いて前記熱制御板に取り付けられ、前記熱ブリッジの各々は、前記留め具が前記処理装置内の大気圧に曝されるように前記熱制御板と前記上板との間を真空封止する少なくとも１つのＯ−リングを備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２７】
前記上板は、前記上板内の開口部を介して延びる留め具を用いて前記熱制御板に取り付けられ、前記開口部は、前記上板と前記熱制御板との間の互いに異なる熱膨張に適応するために、前記留め具の直径よりも大きい直径を有することを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの熱ブリッジは、前記熱制御板の上に２つの相隔たる環状突起を備え、前記上板は、前記上板内の開口部を介して前記熱ブリッジの各々に延びる留め具を用いて前記熱制御板に取り付けられ、前記熱制御板は、前記突起を介して横方向に延びるガス流路と、前記各熱ブリッジの内外の横方向に配置された前記熱制御板の対向する両表面の間で軸方向に延びるガス流路とを備えることを特徴とする請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。
【請求項２９】
半導体基板処理室内の半導体基板を処理する方法であって、
ａ）半導体基板処理装置のプラズマ室内の、下部電極を備える基板支持具上に基板を置く工程と、
ｂ）請求項１３に記載のシャワーヘッド電極アセンブリを用いて、プロセス・ガスを前記プラズマ室に供給する工程と、
ｃ）前記シャワーヘッド電極アセンブリと前記基板との間で、前記プラズマ室内の前記プロセス・ガスからプラズマを生成する工程と、
ｄ）前記プラズマを用いて前記基板を処理する工程と、
ｅ）前記プラズマの前記生成を終了する工程と、
ｆ）前記基板を前記プラズマ室から取り出す工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３０】
前記シャワーヘッド電極アセンブリがヒータをさらに備え、前記シャワーヘッド電極を所望の温度に維持するように前記シャワーヘッド電極に熱を加えるために、ｅ）の後に前記ヒータを作動させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
ａ）からｆ）の間、前記シャワーヘッド電極に熱を加えるために前記ヒータを作動させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２５４０９７（Ｐ２０１１−２５４０９７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−１７２３５８（Ｐ２０１１−１７２３５８）
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【分割の表示】特願２００６−５４７１３１（Ｐ２００６−５４７１３１）の分割
【原出願日】平成１６年１２月１３日（２００４．１２．１３）
【出願人】（５９２０１００８１）ラム リサーチ コーポレーション (467)
【氏名又は名称原語表記】ＬＡＭ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７２３５８（Ｐ２０１１−１７２３５８）
【出願日】平成２３年８月５日（２０１１．８．５）
【分割の表示】特願２００６−５４７１３１（Ｐ２００６−５４７１３１）の分割
【原出願日】平成１６年１２月１３日（２００４．１２．１３）
【出願人】（５９２０１００８１）ラム リサーチ コーポレーション (467)
【氏名又は名称原語表記】ＬＡＭ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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