特許 7292256 モノリシックセラミックガス分配プレート

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-08

(45)【発行日】2023-06-16

(54)【発明の名称】モノリシックセラミックガス分配プレート

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/31 20060101AFI20230609BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20230609BHJP

【ＦＩ】

H01L21/31 C

C23C16/455

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2020503841

(86)(22)【出願日】2018-07-26

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-10-01

(86)【国際出願番号】 US2018043843

(87)【国際公開番号】W WO2019023429

(87)【国際公開日】2019-01-31

【審査請求日】2021-07-19

(31)【優先権主張番号】15/662,869

(32)【優先日】2017-07-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】592010081

【氏名又は名称】ラム リサーチ コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＬＡＭ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】タッカー・ジェレミー

(72)【発明者】

【氏名】リンガンパリ・ラムキシャン・ラオ

【審査官】鈴木 智之

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－３２３３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２２０２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２３９７０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２０１７６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５０９７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０３１８００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００３／０１４３３２８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－０１５４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８８４２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｃ２３Ｃ １６／４５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板を処理できる化学堆積装置内で使用するためのモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記ガス分配プレートは、
上面、下面、および前記上面と前記下面との間を延びる外側円筒面を有するモノリシックセラミック体であって、
前記下面において均一に間隔を空けた第１の位置にある第１のガス出口であって、前記上面の第１のガス入口に、前記第１のガス入口を前記第１のガス出口へと接続する垂直に延びる貫通穴の第１のセットによって流体連通している、第１のガス出口と、
前記下面において前記第１の位置に隣接する均一に間隔を置いた第２の位置にある第２のガス出口であって、前記第２のガス出口は、前記モノリシックセラミック体の内側プレナムに、前記第２のガス出口を前記内側プレナムに接続する垂直に延びる貫通穴の第２のセットによって流体連通しており、前記内側プレナムは、前記上面の中央部分に位置する第２のガス入口と流体連通している、第２のガス出口と、を備え、
前記第１のガス入口と前記第１のガス出口とは、前記第２のガス入口と前記第２のガス出口から、それぞれ分離されている、モノリシックセラミック体と、
内側上部壁、内側下部壁、内側外部壁、および前記モノリシックセラミック体において一体的に形成されており前記内側上部壁と前記内側下部壁との間に延びる一組のピラーによって画定される前記内側プレナムと、
前記ピラーのうちの対応する１つを貫通し、垂直に延びる貫通穴の前記第１のセットの貫通穴の各々と、
前記モノリシックセラミック体の前記上面に延びる中央ガス供給アセンブリであって、
第１ガスを供給するための外側導管と、
前記外側導管に囲まれ、第２ガスを供給するための内側導管と、を含み、
前記第１ガスおよび前記第２ガスは、
前記ガス分配プレートの別々の内側面上に実質的に同時にかつ互いに独立して送られ、
前記第１ガスおよび前記第２ガスは、前記ガス分配プレートの下にある前記化学堆積装置内の反応ゾーン内に導入されるまで混合しない、中央ガス供給アセンブリと、
前記モノリシックセラミック体に埋め込まれている平面電極であって、垂直に延びる前記貫通穴の第１および第２のセットを通過するガスに前記平面電極が曝露されないように、垂直に延びる前記貫通穴の第１のセットの位置と、垂直に延びる前記貫通穴の第２のセットの位置と、において、内部に隙間を有する平面電極と、
前記外側円筒面の周りに配置され、前記埋め込まれている平面電極に高周波電力を供給するように構成された複数の導電性ビアと、
を備えるモノリシックセラミックガス分配プレート。

【請求項2】

請求項１に記載のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記上面にあり、前記第２のガス入口を取り囲む環状溝を更に備える、モノリシックセラミックガス分配プレート。

【請求項3】

請求項１に記載のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記ピラーは同じ直径を有する円筒形ピラーであり、垂直に延びる前記貫通穴の第１のセットの各々が、前記ピラーの前記直径の約３分の１から約５分の１、または前記ピラーの前記直径の約６分の１から約１０分の１の直径を有する、モノリシックセラミックガス分配プレート。

【請求項4】

請求項１に記載のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記ピラーは、同じ直径を有する円筒形ピラーであり、前記ピラーは、垂直方向に延びる前記貫通穴の第２のセットの同心列によって隔てられた同心列の形態で配置されている、モノリシックセラミックガス分配プレート。

【請求項5】

請求項１に記載のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記上面および前記下面は平面であり、前記ピラーは同じ直径を有する円筒形ピラーであり、前記内側プレナムは前記ピラーの前記直径にほぼ等しい高さを有する、モノリシックセラミックガス分配プレート。

【請求項6】

請求項１に記載のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記内側プレナムの下方にある埋込み電極と、前記モノリシックセラミック体の外周と前記第１のガス出口の最外列との間で円周方向に間隔を空けた位置において前記埋込み電極から上向きに延びる導電性ビアと、を更に備える、モノリシックセラミックガス分配プレート。

【請求項7】

請求項１に記載のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記下面を取り囲む環状凹部を更に備え、前記環状凹部は、前記モノリシックセラミック体の厚さよりも小さい距離を、前記モノリシックセラミック体の外周から内向きに延びる、モノリシックセラミックガス分配プレート。

【請求項8】

請求項１に記載のガス分配プレートと、ガス供給アセンブリとを備えるシャワーヘッドモジュールであって、前記シャワーヘッドモジュールは、前記ガス供給アセンブリのステムが前記シャワーヘッドモジュールの下側プレートの中央ボアを通って延びるように、前記ガス供給アセンブリを支持する上部プレートを含み、前記ガス供給アセンブリは、前記内側プレナムと流体連通する中央に位置する内側ガス導管と、前記下側プレートの下面と前記モノリシックセラミック体の前記上面との間の上側プレナムと流体連通する少なくとも１つの外側ガス導管とを含む、シャワーヘッドモジュール。

【請求項9】

請求項８に記載のシャワーヘッドモジュールであって、前記ガス供給アセンブリの前記ステムの下端は、前記下側プレートの前記下面の下方に延びる管状延長部を含み、前記管状延長部の端部と前記モノリシックセラミック体の前記上面との間に環状シールが位置して、少なくとも１つの前記外側ガス導管を介して供給されるガスから、中央に位置する前記内側ガス導管を介して供給されるガスを分離する、シャワーヘッドモジュール。

【請求項10】

請求項９に記載のシャワーヘッドモジュールであって、前記下側プレートは、前記上側プレナムと流体連通する環状間隙によって前記管状延長部から外側に間隔を空けた中央ボアを含み、前記下側プレートの上面の環状溝内の環状シールが、前記ステムの前記下端に対して封止する、シャワーヘッドモジュール。

【請求項11】

請求項８に記載のシャワーヘッドモジュールであって、前記ガス供給アセンブリは、前記シャワーヘッドモジュールの前記上部プレートに取り付けられた外向きに延びる装着フランジと、前記ステムの上端にある上側ガス接続フランジとを含み、前記ガス接続フランジは、前記ガス接続フランジの上面内に環状凹部を含み、少なくとも１つの前記外側ガス導管は、前記環状凹部内に入口を有する円周方向に間隔を空けた６つの外側ガス導管を備える、シャワーヘッドモジュール。

【請求項12】

請求項１に記載のガス分配プレート、を製造する方法であって、第１のセラミックグリーンシート内の垂直に延びる前記貫通穴の第２のセットを機械加工することと、前記第１のセラミックグリーンシートの上面に埋込み電極を印刷することと、前記第１のセラミックグリーンシートに第２のセラミックグリーンシートを重ねることと、前記第２のセラミックグリーンシート内に前記内側プレナムおよびピラーを機械加工することと、前記第２のセラミックグリーンシートに第３のセラミックグリーンシートを重ねることと、垂直に延びる前記貫通穴の第１のセットの各々が、前記ピラーの対応する１つを通過するように、前記第１、前記第２および前記第３のセラミックグリーンシート内に前記貫通穴の第１のセットを機械加工することと、前記第１、前記第２および前記第３のセラミックグリーンシートを焼結して、前記モノリシックセラミックガス分配プレートを形成することと、を含む方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の方法であって、前記埋込み電極は、前記モノリシックセラミック体の熱膨張係数と一致する熱膨張係数を有する材料で作られている、方法。

【請求項14】

請求項１２に記載の方法であって、前記埋込み電極はモリブデンおよび／またはタングステンで作られている、方法。

【請求項15】

請求項１２に記載の方法であって、前記第１、前記第２および前記第３のセラミックグリーンシートは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、およびそれらの複合材料からなる群から選択される材料で作られる、方法。

【請求項16】

請求項１２に記載の方法であって、前記第３のセラミックグリーンシートの上面にガス入口および環状溝を機械加工することを更に含む、方法。

【請求項17】

請求項１２に記載の方法であって、前記第３のセラミックグリーンシートに、前記第３のセラミックグリーンシートの外周と前記第１のガス出口の最外列との間で円周方向に間隔を空けた位置においてビアを機械加工することと、前記ビアの各々を、前記埋込み電極への電気的接続を提供する導電性材料で少なくとも部分的に充填することと、を更に含む方法。

【請求項18】

請求項１７に記載の方法であって、凹部が前記モノリシックセラミック体の前記上面の中に延びるように前記ビアが部分的に充填される、方法。

【請求項19】

請求項１２に記載の方法であって、前記下面を取り囲む環状凹部を形成することであって、前記環状凹部は、前記モノリシックセラミック体の外周から内向きに、前記モノリシックセラミック体の厚さよりも小さい距離だけ延びる、環状凹部の形成と、前記第３のセラミックグリーンシートの中央部分にガス入口を機械加工して、前記ガス入口が前記内側プレナムと流体連通するようにすることと、を更に含む方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

シャワーヘッドアセンブリは、半導体製造モジュールで頻繁に使用されて、堆積、エッチング、または他のプロセス中にプロセスガスをウェーハまたは基板の表面にわたって分配する。一部のプロセスでは、第１のガス供給と第２のガス供給との間で交互に切り替える連続的なガス供給が使用されている。

【0002】

一部の半導体製造方法では、互いに接触すべきでないプロセスガスが使用される必要がある。半導体基板が処理される反応空間の中にプロセスガスが導入されるまで、プロセスガスを分離するガス供給システムがあるが、そのようなシステムは基板にわたってガスの均一な分布をもたらさない場合がある。したがって、プロセスガスを分離し、ガスを基板にわたって均一に導入できる、改良されたガス供給システムが必要である。

【発明の概要】

【0003】

埋込み電極を含むモノリシックセラミックガス分配プレートが開示される。このようなシャワーヘッドの様々な実現形態について、以下および本出願の全体にわたって記載する。以下で論じる実現形態は、本開示を、示される実現形態のみに限定するものと見なすべきではないことを理解されたい。むしろ、本明細書で概説される原理および概念と一致する他の実現形態も本開示の範囲内に含まれ得る。

【0004】

一実施形態では、半導体基板が処理され得るプロセスチャンバ内で使用するモノリシックセラミックガス分配プレートは、上面、下面、および上面と下面との間を延びる外側円筒面を有するモノリシックセラミック体を含む。下面は、均一に間隔を空けた第１の位置に第１のガス出口を含み、第１のガス出口は、上面の第１のガス入口に、第１のガス入口を第１のガス出口へと接続する垂直に延びる貫通穴の第１のセットによって流体連通している。下面は、第１の位置に隣接する均一に間隔を空けた第２の位置に第２のガス出口を含み、第２のガス出口は、モノリシックセラミック体内の内側プレナムに、第２のガス出口を内側プレナムに接続する垂直方向に延びる貫通穴の第２のセットによって流体連通している。内側プレナムは、上面の中央部分に位置する第２のガス入口と流体連通しており、内側プレナムは、内側上部壁、内側下部壁、内側外部壁、および内側上部壁と内側下部壁との間に延びる一組のピラーによって画定される。この実施形態では、垂直に延びる貫通穴の第１のセットの、貫通穴の各々が、ピラーのうちの対応する１つを貫通する。

【0005】

上述のモノリシックセラミックガス分配プレートでは、上面は、第２のガス入口を取り囲む環状溝を含み得る。

【0006】

上述のモノリシックセラミックガス分配プレートでは、垂直に延びる貫通穴の第１のセットの各々が、ピラーの直径の約３分の１から約５分の１、またはピラーの直径の約６分の１から約１０分の１の直径を有し得る。

【0007】

上述のモノリシックセラミックガス分配プレートでは、モノリシックセラミック体に平面電極を埋め込むことができる。垂直に延びる貫通穴の第１のセットの位置において、および垂直に延びる貫通穴の第２のセットの位置において、平面電極はその内部に間隙を有することができ、間隙は、垂直に延びる貫通穴の第１のセットおよび第２のセットを通過するガスに平面電極が暴露されないように構成されている。

【0008】

上述のモノリシックセラミックガス分配プレートでは、ピラーは、同じ直径を有する円筒形ピラーとすることができ、および／または円筒形ピラーは、垂直方向に延びる貫通穴の第２のセットの同心列によって隔てられた同心列の形態で配置できる。

【0009】

上述のモノリシックセラミックガス分配プレートでは、ピラーは同じ直径を有する円筒形ピラーとすることができ、プレナムはピラーの直径にほぼ等しい高さを有することができる。

【0010】

上述のモノリシックセラミックガス分配プレートでは、埋込み電極を内側プレナムの下方に位置することができ、導電性ビアは、モノリシックセラミック体の外周と第１のガス出口の最外列との間で円周方向に間隔を空けた位置において埋込み電極の外側部分から上向きに延びることができる。

【0011】

上述のモノリシックセラミックガス分配プレートでは、下面は、モノリシックセラミック体の厚さよりも小さい距離をモノリシックセラミック体の外周から内向きに延びる環状凹部を含むことができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、半導体プロセスチャンバの断面を示す。

【0013】

【図2】図２は、シャワーヘッドアセンブリ内に装着されたモノリシックセラミックガス分配プレートの斜視切欠図を示す。

【0014】

【図3】図３は、図２に示すシャワーヘッドアセンブリの等角切欠図を示す。

【0015】

【図4】図４は、図２に示すシャワーヘッドアセンブリの中央部分の斜視切欠図を示す。

【0016】

【図5】図５は、図２に示すシャワーヘッドアセンブリのガス供給アセンブリの上面斜視図を示す。

【0017】

【図6】図６は、図５に示すガス供給アセンブリの底面図である。

【0018】

【図7】図７は、図２に示すモノリシックセラミックガス分配プレートの底部の斜視切欠図を示す。

【0019】

【図8】図８は、図２に示すモノリシックセラミックガス分配プレートの外側部分の断面図を示す。

【0020】

【図9】図９は、図２に示すモノリシックセラミックガス分配プレートの外側部分の斜視切欠図を示す。

【0021】

【図10】図１０は、図９に示すモノリシックセラミックガス分配プレートの上層を取り除いた外側部分の斜視図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本開示によるガス分配プレート（本明細書では「フェースプレート」としても参照される）は、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）プロセスにおいてガスを分配し電極として機能する。ガス分配プレートはセラミック体を含む。いくつかの実施例では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、およびそれらから作られた複合物を使用してよい。単なる例として、ジルコニウムアルミネートまたはイットリウムアルミネートを使用して、フッ素に対する高い耐食性を提供してよい。ガス分配プレートは、ガス分配用の貫通穴と、埋込み電極とを含む。いくつかの実施例では、導電性ビアがフェースプレートの外径の周りに配置されて、無線周波数（ＲＦ）電力を埋込み電極に伝達する。

【0023】

いくつかの実施例では、電極およびビアは、セラミックの熱膨張係数（ＣＴＥ）に厳密に一致するＣＴＥを有する金属で作られている。いくつかの実施例では、モリブデン、タングステン、または別の好適な金属もしくは金属合金が使用されてよい。ＰＥＣＶＤ（プラズマ促進化学蒸着法）またはＰＥＡＬＤ（プラズマ促進原子層堆積）リアクタでは、ガス分配プレートはＲＦ給電電極として機能して、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）を生成する。

【0024】

セラミックの使用により、フェースプレートを高温環境にて使用できる。ガス分配プレートは、ガス分配プレートをＣＣＰ回路の給電電極として機能させる必要がある高温ＰＥＣＶＤまたはＰＥＡＬＤリアクタの問題に対処する。セラミックはまた、ガス分配プレートを大部分のガス化学物質およびプラズマに対して耐性を有するようにする。いくつかの実施例では、ガス分配プレートは、４００°Ｃ～１１００°Ｃの温度で動作し、かつ／または腐食性ガス化学物質を使用する、ＣＣＰリアクタで使用される。代替として、ガス分配プレートは、任意のＰＥＣＶＤ ＣＣＰリアクタ内で電極として、または任意のＣＶＤリアクタ内でガス分配プレートとして使用できる。

【0025】

ここで図１を参照するとは、処理チャンバ１００の例が示される。処理チャンバ１００は、基板支持体１１４に隣接して配置されたガス分配デバイス１１２を含む。いくつかの実施例では、処理チャンバ１００は、別の処理チャンバの内側に配置されてよい。ペデスタルを使用して、基板支持体１１４を所定の位置に持ち上げて、マイクロプロセス容積を構築してよい。以下で更に説明するように、ガス分配デバイス１１２は、フェースプレート１２４と、プロセスガスおよびパージガスを供給するため、および／または排気ガスを除去するために使用される様々な空洞を含む上側部分１２０とを含む。

【0026】

いくつかの実施例では、フェースプレート１２４は、窒化アルミニウムなどの非導電性セラミック材料で作られている。フェースプレート１２４は、第１の表面１２６、第２の表面１２７（第１の表面の反対側にあり使用中に基板に面する）、側面１２８、および穴１３０（第１の表面１２６から第２の表面１２７まで延びる）を有するセラミック体を含む。フェースプレート１２４は、アイソレータ１３２上に載置されていてよい。いくつかの実施例では、アイソレータ１３２は、Ａｌ₂Ｏ₃または別の好適な材料で作られていてよい。フェースプレート１２４は、埋込み電極１３８を含んでよい。いくつかの実施例では、基板支持体１１４は接地されているか、またはフローティングであり、フェースプレート１２４はプラズマ発生器１４２に接続されている。プラズマ発生器１４２は、ＲＦ源１４６、ならびに整合および分配回路１４８を含む。

【0027】

図１の例では、上側部分１２０は、第１の空洞１５６を画定する中央領域１５２を含んでよい。いくつかの実施例では、中央領域１５２はＡｌ₂Ｏ₃または別の好適な材料で作られている。ガス供給システム１６０は、１つ以上のプロセスガス、パージガスなどを処理チャンバ１００に供給するために設けられてよい。ガス供給システム１６０は、対応するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１６６、バルブ１７０、およびマニホールド１７２と流体連通している１つ以上のガス源１６４を含んでよい。マニホールド１７２は、第１の空洞１５６と流体連通している。ガス供給システムは、１つ以上のプロセスガスを含むガス混合物の、マニホールド１７２への供給を計量する。プロセスガスは、処理チャンバ１００への供給の前にマニホールド１７２内で混合されてよい。以下で説明するように、フェースプレート１２４は、２つの異なるガス化学物質を互いに独立して供給するための２組のガス出口を有することができる。

【0028】

上側部分１２０はまた、中央領域１５２の周囲に配置された半径方向外側領域１８０を含む。半径方向外側領域１８０は、１つ以上の層１８２－１、１８２－２、．．．、および１８２－Ｎ（総称して層１８２）を含んでよく、ここでＮはゼロより大きい整数である。図１の例では、半径方向外側領域１８０は、排気およびガスカーテン空洞を画定するＮ＝３の層１８２を含むが、追加のまたはより少ない層が使用されてよい。中央領域１５２および半径方向外側領域１８０は、フェースプレート１２４に対して間隔を空けた関係で配置されて第２の空洞１９０を画定する。プロセスガスは、ガス供給システム１６０から第１の空洞１５６を通って第２の空洞１９０に流れる。第２の空洞１９０内のプロセスガスは、フェースプレート１２４内の第１の複数の穴１３０を通って流れて、基板支持体１１４上に配置された基板にわたってプロセスガスを均一に分配する。いくつかの実施例では、基板支持体１１４は加熱される。

【0029】

第２の空洞１９０の様々な部分を隔てるために、１つ以上の環状シールが提供されてよい。いくつかの実施例では、環状シールはニッケルめっき環状シールである。例えば、第１の環状シール２０４および第２の環状シール２０８は、それぞれ、第２の空洞１９０の供給部分２１０、第２の空洞１９０の排気部分２１２、およびガスカーテン部分２１４の間の境界をそれぞれ画定するために設けられてよい。パージガスは、ガス源２７０およびバルブ２７２によってガスカーテン部分２１４に供給されてよい。

【0030】

この例では、第１の環状シール２０４は、供給部分２１０と排気部分２１２との間の境界を画定する。第２の空洞１９０のガスカーテン部分２１４を画定するために、（第２の環状シール２０８と併せて）第３の環状シール２２０を設けてよい。この例では、第２の環状シール２０８は、第２の空洞１９０の排気部分２１２とガスカーテン部分２１４との間の境界を画定する。第１の環状シール２０４、第２の環状シール２０８、および第３の環状シール２２０はそれぞれ、環状金属シールを含んでよい。

【0031】

半径方向外側領域１８０は、第２の空洞１９０の排気部分２１２から排気ガスを受け入れる排気入口２４０および排気空洞２４２を更に画定する。バルブ２５０およびポンプ２５２を使用して、排気部分２１２を排出してよい。半径方向外側領域１８０はまた、第２の空洞１９０のガスカーテン部分２１４にパージガスを供給するガスカーテン空洞２６０およびガスカーテン出口２６２を画定する。ガス源２７０およびバルブ２７２を使用して、ガスカーテンに供給されるパージガスを制御してよい。

【0032】

第３の環状シール２２０はまた、プラズマ発生器１４２から、フェースプレート１２４に埋め込まれた電極１３８への電気的接続を提供してよいが、電極１３８を接続する他の方法を使用してよい。

【0033】

コントローラ２８０を使用して、センサを使用してシステムパラメータをモニタし、ガス供給システム１６０、プラズマ発生器１４２、およびプロセスの他の構成要素を制御してよい。

【0034】

図２はシャワーヘッドモジュール３００の断面図を示し、ガス供給アセンブリ４００が、中央に位置する内側導管４０２を通して第１のガスを供給し、内側導管４０２を取り囲む１つ以上の外側導管４０４を通して第２のガスを供給できる。ガス供給アセンブリ４００の上端は、第１および第２のガスを分離するための、金属Ｃリングまたは金属Ｏリングなどの内側シール４０６および外側シール４０８を含む。ガス供給アセンブリ４００の下端は、シャワーヘッドモジュール３００の下側プレート３０２に対して封止する、金属Ｃリングまたは金属Ｏリングなどの外側シール４１０を含み、それにより、１つ以上の外側導管４０４を流れる第２のガスは下側プレート内の中央ボア３０４の中に入る。ガス供給アセンブリ４００の下端は、フェースプレート５００の上面に対して、金属Ｃリングまたは金属Ｏリングなどの内側シール４１６を介して封止された中央管状延長部４１２を含む。以下により詳細に説明するように、第２のガスは、下側プレート３０２の下面とフェースプレート５００の上面との間の第１のプレナム（上側プレナム）４１４の中に流れ込み、第１のガスはフェースプレート５００内の第２のプレナム（内側プレナム）５０２の中に流れ込む。したがって、第１および第２のガスは、半導体基板の処理中にフェースプレート５００の下方の反応ゾーン５０４の中に供給された場合、互いに分離され得る。

【0035】

ガス供給アセンブリ４００は、シャワーヘッドモジュール３００の上部プレート３０６に、ボルトなどの好適な締結具４２０を用いて上部プレート３０６に取り付けられた装着フランジ４１８によって取り付けることができる。ガス供給アセンブリ４００は、上側ガス接続フランジ４２２と、一片のアルミナなどのセラミック材料の下側ステム４２４とを含む。内側導管４０２は、任意の好適な直径、例えば０．２～０．３インチ（５．０８～７．６２ミリメートル）、好ましくは約０．２５インチ（６．３５ミリメートル）を有し得る。外側導管４０４は、０．１～０．２インチ（２．５４～５．０８ミリメートル）、好ましくは約０．１５インチ（３．８１ミリメートル）などの同じ直径を有する円周方向に間隔を空けた６つの外側導管４０４を備え得る。６つの外側導管４０４は、内側シール４０６が支持されている上側管状延長部４２８を取り囲む環状凹部４２６内に位置し得る。

【0036】

上部プレート３０６は、反応ゾーン５０４からガスを供給または排出するように適合された中間プレート３１０の１つ以上の空洞３０８に接続された１つ以上の導管を含み得る。例えば、図３に示すように、外側空洞３０８は、反応ゾーン５０４の周りにガスシールを形成する不活性ガスのカーテンを供給するために、上部プレート３０６を取り囲むアイソレータ３１４内のガス通路３１２の外側リングに接続され得る。ガスを排出するために、アイソレータは、空洞３１８に接続された排気ガス通路３１６の内側リングを含むことができ、排気ガス通路は排気ガスを排気ラインに引き出す。

【0037】

図４は、ガス供給アセンブリ４００のステム４２４の管状延長部４１２とフェースプレート５００との間の接続の詳細を示す。図示するように、内側シール４１６は、フェースプレート５００の上面５０８内の環状溝５０６内に位置する。上面５０８の中に延びる中央ボア５１０は、フェースプレート５００内の内側プレナム５０２と流体連通しており、フェースプレート５００の内側プレナム５０２と下面５１４との間に延びる第１のガス通路５１２は、ガス供給アセンブリ４００の内側導管４０２によって供給された第１のガスが反応ゾーン５０４へと供給されることを可能にする。

【0038】

フェースプレート５００は、上面５０８から下面５１４まで延びる第２のガス通路５１６を含む。第２のガス通路５１６は、１つ以上の外側導管４０４によってフェースプレート５００の上方の上側プレナム４１４へと供給された第２のガスが、反応ゾーン５０４へと供給されることを可能にする。第１および第２のガスが反応ゾーン５０４に到達する前に接触することを防ぐために、第２のガス通路５１６は円筒形ピラー５１８を通って延びている。ピラー５１８は、内側プレナム５０２の容積を最大化し、処理中の半導体基板にわたって第１のガスの流れの均一性を高める。フェースプレート５００はまた、ＲＦエネルギーを反応ゾーン５０４に結合させる埋込み電極５２０を含む。一実施形態では、上面５０８および下面５１４は平面であり、埋込み電極５２０は、平面の上面５０８および下面５１４に平行に向けられた平面電極である。

【0039】

図５は、ガス供給アセンブリ４００の上端の詳細を示す。ガス供給アセンブリ４００は、締結具を収容する６つのボアを有するガス接続フランジを含み、ガス接続フランジには、内側導管４０２に第１のガスを供給し、６つの外側導管４０４に第２のガスを供給する好適なガス供給部が取り付けられる。図６に示すように、ガス供給アセンブリ４００は、ステム４２４の下端面にある６つの外側導管４０４と、管状延長部４１２にある内側導管４０２との出口を有する下端を有する。

【0040】

図７は、フェースプレート５００の斜視断面図であり、下面５１４は、第１のガス通路５１２および第２のガス通路５１６の出口が均一な分布を有することが分かる。例えば、ガス通路５１２の出口は同心列に配置することができ、ガス通路５１６の出口はガス通路５１２の列の間に挟まれた同心列に配置することができる。フェースプレートはまた、埋込み電極５２０に接続された導電性ビア５２２を含む。例えば、導電性ビア５２２は、ガス通路５１２、５１６の最外列の外側に位置することができ、および／または導電性ビア５２２は、フェースプレート５００の上面に至る途中まで、または上面に至るまで延びることができる。

【0041】

図８は、フェースプレート５００の外側部分の断面図である。図示するように、導電性ビア５２２は、上面５０８から埋込み電極５２０まで延びている。埋込み電極５２０は、好ましくは、ガス通路５１２、５１６の位置に開口部を有する連続的なプレートまたはグリッドである。導電性ビア５２２は、ガス通路５１２、５１６のない環状領域５２３内に位置することができる。代替として、ガス通路５１２、５１６は、フェースプレート５００の下面を完全に横切って延びることができ、導電性ビア５２２は、ガス通路５１２、５１６の１つ以上の最外列の中に延びることができる。

【0042】

図９は、ガス通路５１６を貫通する位置における、フェースプレート５００の斜視断面図である。図示するように、ガス通路５１２は、ガス通路５１６からオフセットされており、ガス通路５１２の入口のみが、内側プレナム５０２内に見える。ガス通路５１６は、一連の同心列などの任意の好適なパターンで配置できる。同様に、ピラー５１８を見やすくするためにフェースプレート５００の上部を示していない図１０では、ガス通路５１２を同心列のパターンで配置することもできる。

【0043】

フェースプレート５００の製造においては、グリーンセラミックシートの層を必要に応じて積み重ね機械加工して、電極５００、導電性ビア５２２、内側プレナム５０２、ピラー５１８、ガス通路５１２、５１６、中央ボア５１０、および環状溝５０６が設けられる。上述の実現形態では、セラミックフェースプレートは、直径３００ｍｍまたは４５０ｍｍの半導体ウェーハを処理するのに十分な大きさの直径を有する実質的に環状のディスクである。

【0044】

上述のとおり、セラミックフェースプレート５００は、埋込み電極５２０と、コンタクトビア５２２とを含んでよく、コンタクトビアは、接触リング上のスタンドオフポストに電気的に接続することができ、スタンドオフポストは、セラミックフェースプレート５００のスタンドオフ止まり穴を介してセラミックフェースプレート５００を貫通し、接触パッチを介して埋込み電極５２０と電気的に接触していてよい。埋込み電極５２０は、接触パッチにおいて、例えば拡散接合またはろう付けを使用して、スタンドオフに融合されてよい。導電性接合部を確立する他の同等の溶融技術を使用してよい。接触リング上のスタンドオフは、接触リングとは別に製造され、後で接触リングに接合されてよい。例えば、接触リングは１つ以上の穴フィーチャを含んでよく、穴フィーチャの各々はスタンドオフポストを収容し、スタンドオフは次いで接触リングに固定される。接触リングへのスタンドオフポストの接続は、恒久的、例えば溶融結合もしくはろう付けであってよく、または可逆的、例えばねじ込み式取付け部品またはねじであってよい。接触リングおよびスタンドオフは、ＲＦ電源または接地源が埋込み電極５２０に到達するための導電性経路（単数または複数）を提供してよい。タングステンまたはモリブデンの埋込み電極に対して適合性のある熱膨張を提供するために、接触リングをタングステンまたはモリブデンで作ることができる。例えば、その開示が参照により本明細書に組み込まれる、同一出願人による米国特許出願公開第２０１２／０２２２８１５号明細書を参照されたい。

【0045】

埋込み電極５２０およびモノリシックセラミックガス分配プレート５００は、小さいガス分配穴のパターンを含んでよい。一実現形態では、約１０００～３０００個のガス分配穴が、埋込み電極５２０を通過して、モノリシックセラミックガス分配プレート５００の露出された表面に達してよい。例えば、セラミックガス分配プレート５００内のガス分配穴は直径が０．０３インチ（０．７６２ミリメートル）であってよく、一方、埋込み電極５２０内の対応する穴は直径０．１５インチ（３．８１ミリメートル）であってよい。他のガス分配穴のサイズ、例えば、直径が０．０２インチ（０．５０８ミリメートル）～０．０６インチ（１．５２４ミリメートル）の範囲にあるサイズを使用してよい。一般原則として、埋込み電極５２０の穴は、セラミックガス分配プレート５００の対応するガス分配穴の直径の少なくとも２倍の大きさであるが、セラミック層の層間剥離を防止し、埋込み電極５２０がプロセスガスまたはクリーニングガスに暴露されないことを確実にするために、埋込み電極５２０の穴は、セラミックガス分配プレート５００内のガス分配穴よりも、直径が少なくとも０．１インチ（２．５４ミリメートル）大きいことが好ましい。

【0046】

ガス分配穴５１２、５１６は、グリッドアレイ、ポーラーアレイ、螺旋、オフセット螺旋、六角形アレイなどを含む任意の所望の構成で配置されてよい。ガス分配穴の配置により、シャワーヘッドにわたる穴密度が変化して差し支えない。所望のガスフローに応じて、様々な直径のガス分配穴を様々な位置で使用してよい。好ましい実現形態では、ガス分配穴は全て、同じ公称値の直径および穴間隔を有し、様々な直径および様々な数の穴を有する穴からなる円を使用してパターン形成される。

【0047】

ガス分配穴５１２、５１６は、セラミックガス分配プレート５００の厚さを通して、均一な直径を有してよく、または直径が変化してよい。例えば、ガス分配穴は、下側プレート３０２に面するセラミックガス分配プレート５００の表面上では第１の直径であってよく、ガス分配穴が、処理される基板に面する露出された下面５１４を出る時は第２の直径であってよい。第１の直径は第２の直径より大きくてよい。ガス分配穴のサイズを変化させる可能性に関係なく、埋込み電極５２０の穴は、埋込み電極５２０と同じ平面内で測定された、セラミックガス分配プレート５００のガス分配穴の直径に対してサイズ設定されてよい。

【0048】

セラミックフェースプレート５００は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）もしくは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、または炭化ケイ素から製造されてよい。フッ素による侵食に対する強い耐性と、高温、すなわち５００～６００℃での優れた寸法安定性を示す他の材料もまた使用してよい。特定の半導体処理用途で使用されるプロセスガスとの化学的相互作用を回避するために、使用される特定のセラミックを選択する必要がある場合がある。窒化ホウ素（ＢＮ）および酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）は、この用途で使用できるセラミックの更なる例であるが、これら材料は製造上の課題により実現が難しい場合がある。

【0049】

埋込み電極５２０、ならびに埋込み電極５２０への導電性経路の要素は、例えば、タングステンまたはモリブデンから製造されてよい。高い耐熱性を有し、セラミックフェースプレートの材料と類似した熱膨張係数を有する他の導電性材料を使用してよい。埋込み電極５２０への導電性経路で、セラミックガス分配プレート５００内に封入されていない場合がある部分は、プロセスガスへの暴露による導電性経路への損傷を防止または低減できる、ニッケルめっきなどの保護コーティングでコーティングされていてよい。高温で腐食および酸化に対する耐性を保持する貴金属、例えば、金、白金、パラジウム、またはイリジウムのコーティングなどの他の保護コーティングも使用してよい。

【0050】

接触リングは、タングステンまたはモリブデンからも製造されてよい。接触リングは、典型的には、埋込み電極と結合適合性があり、同様の熱膨張特性を有する材料から製造されてよい。

【0051】

モノリシックセラミックガス分配プレート５００をチャンバに装着して、より短いガス通路５１２を通して内側プレナム５０２（プレナム２）から供給されるガスよりも、より長いガス通路５１６を通してガスを供給する上側プレナム（プレナム１）を提供できる。フェースプレート５００は、テープ成形積層製造技術によって作製でき、ポスト（ピラー５１８）および環状溝５０６などの構造的特徴部の大部分は、グリーン状態で機械加工できる。上側プレナム（プレナム１）にはバッフルがなく、外側ガス導管４０４から供給されたガスは上側プレナム４１４（プレナム１）内を制限されずに流れ、より長いガス通路５１６を通って出ることが可能である。同様に、内側導管４０２によって供給されたガスは、内側プレナム５０２（プレナム２）を通って自由に流れ、より短いガス通路５１２を通って出ることができる。より長いガス通路５１６は、より長いガス通路５１６に起因する、より高い圧力降下を補償するために、より短いガス通路５１２よりも数が多い場合がある。例えば、セラミックガス分配プレート５００は、約９１０～９３０個のより短いガス通路５１２、および約９６０～９８０個のより長いガス通路５１６を有することができる。より長いガス通路５１６は、同心円列に、例えば穴の１５～２０列に配置できる。同様に、より短いガス通路５１２は同心円列に、例えば穴の１５～２０列に、より長いガス通路５１６の列と交互に配置できる。好ましくは、より長いガス通路５１６は、より短いガス通路５１２と同じ数の列に配置され、穴間の半径方向間隔は、より長いガス通路５１２と、より短いガス通路５１６とで同じである。内側プレナム５０２は、好ましくは、約０．１インチ（２．５４ミリメートル）以下の小さな高さ、および約２００ｃｃ以下の総容積を有する。一実施形態では、ガス通路５１２、５１６は、セラミックガス分配プレート５００の外周近くまで延び、埋込み電極５２０に電力を供給するための６つの導電性ビア５２２は、ガス通路５１２、５１６の１つ以上の最外列の中まで延びる位置に配置できる。

【0052】

ＡＬＤ処理では、様々なガス化学物質が連続的に供給されて、ドーズステップとそれに続く変換ステップとのサイクルが実施される。ＡＬＤにセラミックガス分配プレート５００を使用する場合、ドーズガスを、より多数のより長いガス通路５１６と流体連通しているプレナム１（上側プレナム４１４）に供給でき、変換ガスを、より少ない数のより短いガス通路５１２と流体連通しているプレナム２（内側プレナム５０２）に供給できる。

【0053】

添付図面を参照して本発明のいくつかの実現形態を本明細書で詳細に説明してきたが、本発明はこれらの厳密な実現形態に限定されないこと、ならびに様々な変更および修正が、特許請求の範囲にて規定されるような本発明の趣旨の範囲から逸脱しない範囲で当業者によって本明細書にて実現してよいことを理解されたい。
本発明は、たとえば、以下のような態様で実現することもできる。
適用例１：
半導体基板を処理できる化学堆積装置内で使用するためのモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記ガス分配プレートは、
上面、下面、および前記上面と前記下面との間を延びる外側円筒面を有するモノリシックセラミック体と、
前記下面において均一に間隔を空けた第１の位置にある第１のガス出口であって、前記上面の第１のガス入口に、前記第１のガス入口を前記第１のガス出口へと接続する垂直に延びる貫通穴の第１のセットによって流体連通している、第１のガス出口と、
前記下面において前記第１の位置に隣接する均一に間隔を置いた第２の位置にある第２のガス出口であって、前記第２のガス出口は、前記モノリシックセラミック体の内側プレナムに、前記第２のガス出口を前記内側プレナムに接続する垂直に延びる貫通穴の第２のセットによって流体連通しており、前記内側プレナムは、前記上面の中央部分に位置する第２のガス入口と流体連通している、第２のガス出口と、
内側上部壁、内側下部壁、内側外部壁、および前記内側上部壁と前記内側下部壁との間に延びる一組のピラーによって画定される前記内側プレナムと、
前記ピラーのうちの対応する１つを貫通し、垂直に延びる貫通穴の前記第１のセットの貫通穴の各々と、
を備えるモノリシックセラミックガス分配プレート。
適用例２：
適用例１のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記上面にあり、前記第２のガス入口を取り囲む環状溝を更に備える、モノリシックセラミックガス分配プレート。
適用例３：
適用例１のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記ピラーは同じ直径を有する円筒形ピラーであり、垂直に延びる前記貫通穴の第１のセットの各々が、前記ピラーの前記直径の約３分の１から約５分の１、または前記ピラーの前記直径の約６分の１から約１０分の１の直径を有する、モノリシックセラミックガス分配プレート。
適用例４：
適用例１のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記モノリシックセラミック体内に埋め込まれた平面電極を更に備え、垂直に延びる前記貫通穴の第１のセットおよび前記貫通穴の第２のセットを通過するガスに前記平面電極が暴露されないように、垂直に延びる前記貫通穴の第１のセットの位置において、および垂直に延びる前記貫通穴の第２のセットの位置において、前記平面電極は内部に間隙を有する、モノリシックセラミックガス分配プレート。
適用例５：
適用例１のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記ピラーは、同じ直径を有する円筒形ピラーであり、前記ピラーは、垂直方向に延びる前記貫通穴の第２のセットの同心列によって隔てられた同心列の形態で配置されている、モノリシックセラミックガス分配プレート。
適用例６：
適用例１のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記上面および前記下面は平面であり、前記ピラーは同じ直径を有する円筒形ピラーであり、前記内側プレナムは前記ピラーの前記直径にほぼ等しい高さを有する、モノリシックセラミックガス分配プレート。
適用例７：
適用例１のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記内側プレナムの下方にある埋込み電極と、前記モノリシックセラミック体の外周と前記第１のガス出口の最外列との間で円周方向に間隔を空けた位置において前記埋込み電極から上向きに延びる導電性ビアと、を更に備える、モノリシックセラミックガス分配プレート。
適用例８：
適用例１のモノリシックセラミックガス分配プレートであって、前記下面を取り囲む環状凹部を更に備え、前記環状凹部は、前記モノリシックセラミック体の厚さよりも小さい距離を、前記モノリシックセラミック体の外周から内向きに延びる、モノリシックセラミックガス分配プレート。
適用例９：
適用例１のガス分配プレートと、ガス供給アセンブリとを備えるシャワーヘッドモジュールであって、前記シャワーヘッドモジュールは、前記ガス供給アセンブリのステムが前記シャワーヘッドモジュールの下側プレートの中央ボアを通って延びるように、前記ガス供給アセンブリを支持する上部プレートを含み、前記ガス供給アセンブリは、前記内側プレナムと流体連通する中央に位置する内側ガス導管と、前記下側プレートの下面と前記モノリシックセラミック体の前記上面との間の上側プレナムと流体連通する少なくとも１つの外側ガス導管とを含む、シャワーヘッドモジュール。
適用例１０：
適用例９のシャワーヘッドモジュールであって、前記ガス供給アセンブリの前記ステムの下端は、前記下側プレートの前記下面の下方に延びる管状延長部を含み、前記管状延長部の端部と前記モノリシックセラミック体の前記上面との間に環状シールが位置して、少なくとも１つの前記外側ガス導管を介して供給されるガスから、中央に位置する前記内側ガス導管を介して供給されるガスを分離する、シャワーヘッドモジュール。
適用例１１：
適用例１０のシャワーヘッドモジュールであって、前記下側プレートは、前記上側プレナムと流体連通する環状間隙によって前記管状延長部から外側に間隔を空けた中央ボアを含み、前記下側プレートの上面の環状溝内の環状シールが、前記ステムの前記下端に対して封止する、シャワーヘッドモジュール。
適用例１２：
適用例９のシャワーヘッドモジュールであって、前記ガス供給アセンブリは、前記シャワーヘッドモジュールの前記上部プレートに取り付けられた外向きに延びる装着フランジと、前記ステムの上端にある上側ガス接続フランジとを含み、前記ガス接続フランジは、前記ガス接続フランジの上面内に環状凹部を含み、少なくとも１つの前記外側ガス導管は、前記環状凹部内に入口を有する円周方向に間隔を空けた６つの外側ガス導管を備える、シャワーヘッドモジュール。
適用例１３：
適用例１のガス分配プレート、を製造する方法であって、第１のセラミックグリーンシート内の垂直に延びる前記貫通穴の第２のセットを機械加工することと、前記第１のセラミックグリーンシートの上面に埋込み電極を印刷することと、前記第１のセラミックグリーンシートに第２のセラミックグリーンシートを重ねることと、前記第２のセラミックグリーンシート内に前記内側プレナムおよびピラーを機械加工することと、前記第２のセラミックグリーンシートに第３のセラミックグリーンシートを重ねることと、垂直に延びる前記貫通穴の第１のセットの各々が、前記ピラーの対応する１つを通過するように、前記第１、前記第２および前記第３のグリーンセラミックシート内に前記貫通穴の第１のセットを機械加工することと、前記グリーンセラミックシートを焼結して、前記モノリシックセラミックガス分配プレートを形成することと、を含む方法。
適用例１４：
適用例１３の方法であって、前記埋込み電極は、前記モノリシックセラミック体の熱膨張係数と一致する熱膨張係数を有する材料で作られている、方法。
適用例１５：
適用例１３の方法であって、前記埋込み電極はモリブデンおよび／またはタングステンで作られている、方法。
適用例１６：
適用例１３の方法であって、前記セラミックグリーンシートは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ）、窒化ケイ素（Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ ）、酸化イットリウム（Ｙ ₂ Ｏ ₃ ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ ₂ ）、およびそれらの複合材料からなる群から選択される材料で作られる、方法。
適用例１７：
適用例１３の方法であって、前記第３のセラミックグリーンシートの上面にガス入口および環状溝を機械加工することを更に含む、方法。
適用例１８：
適用例１３の方法であって、前記第３のセラミックグリーンシートに、前記第３のセラミックグリーンシートの外周と前記第１のガス出口の最外列との間で円周方向に間隔を空けた位置においてビアを機械加工することと、前記ビアの各々を、前記埋込み電極への電気的接続を提供する導電性材料で少なくとも部分的に充填することと、を更に含む方法。
適用例１９：
適用例１８の方法であって、凹部が前記モノリシックセラミック体の前記上面の中に延びるように前記ビアが部分的に充填される、方法。
適用例２０：
適用例１３の方法であって、前記下面を取り囲む環状凹部を形成することであって、前記環状凹部は、前記モノリシックセラミック体の外周から内向きに、前記モノリシックセラミック体の厚さよりも小さい距離だけ延びる、環状凹部の形成と、前記第３のセラミックグリーンシートの中央部分にガス入口を機械加工して、前記ガス入口が前記内側プレナムと流体連通するようにすることと、を更に含む方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】