特表 2022-551152 二重プレナムフラクタルシャワーヘッド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-12-07

(54)【発明の名称】二重プレナムフラクタルシャワーヘッド

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20221130BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20221130BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20221130BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 101G

H01L21/31 B

C23C16/455

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022521073

(86)(22)【出願日】2020-10-13

(85)【翻訳文提出日】2022-06-03

(86)【国際出願番号】 US2020055430

(87)【国際公開番号】W WO2021076527

(87)【国際公開日】2021-04-22

(31)【優先権主張番号】62/914,616

(32)【優先日】2019-10-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【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】トーマス・クリント・エドワード

(72)【発明者】

【氏名】タッカー・ジェレミー・トッド

(72)【発明者】

【氏名】ショエップ・アラン・エム．

【テーマコード（参考）】

4K030

5F004

5F045

【Ｆターム（参考）】

4K030EA03

4K030EA06

4K030KA46

4K030LA12

4K030LA15

5F004AA01

5F004BA04

5F004BB28

5F004BD04

5F045BB01

5F045DP03

5F045EF05

5F045EH13

(57)【要約】

【解決手段】処理工程中に半導体ウエハ全体に異なる半導体プロセスガスを分配するための二重プレナムフラクタル（ＤＰＦ）シャワーヘッドが提供される。ＤＰＦシャワーヘッドは、複数の層を有してもよく、各層がガス分配構造のパターンを有し、各層のガス分配構造は概ね、すぐ上流の層におけるガス分配構造に形状が類似するが、サイズはそれよりも小さくなる。このようなガス流路の「フラクタル」的な構造により、処理工程中に半導体ウエハの表面全体に非常に均一にプロセスガスを供給でき、それによりウエハの均一性が向上する。
【選択図】図１８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体処理装置であって、
本体と、第１のプレナム入口と、第２のプレナム入口と、複数の第１のガス分配孔と、複数の第２のガス分配孔とを含むシャワーヘッドを含み、
前記本体は、複数の層を含み、前記複数の層は、２つ以上のフラクタル層の適切なサブセットを含み、各前記フラクタル層は、第１の径方向対称ガス分配構造のセットと第２の径方向対称ガス分配構造のセットとを含み、
各前記第１の径方向対称ガス分配構造は、第１のハブプレナムと、前記第１のハブプレナムに流体的に接続されるとともに前記第１のハブプレナムから放射状に外側に延びる複数の第１のスポーク通路と、複数の第１のライザーポートとを含み、各前記第１のライザーポートは、前記第１のスポーク通路のうちの１つの遠端部に位置し、
各前記第２の径方向対称ガス分配構造は、第２のハブプレナムと、前記第２のハブプレナムに流体的に接続されるとともに前記第２のハブプレナムから放射状に外側に延びる複数の第２のスポーク通路と、複数の第２のライザーポートとを含み、各前記第２のライザーポートは、前記第２のスポーク通路のうちの１つの遠端部に位置し、
前記フラクタル層の各フラクタル層について、
そのフラクタル層における各前記第１の径方向対称ガス分配構造は、対応する前記第１のハブプレナムが、すぐ上流の層における第１のライザーポートの下方に位置するように位置し、
そのフラクタル層における各前記第２の径方向対称ガス分配構造は、対応する前記第２のハブプレナムが、すぐ上流の層における第２のライザーポートの下方に位置するように位置する、
半導体処理装置。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体処理装置であって、
前記フラクタル層のうちの１つは、第１の部分的径方向対称ガス分配構造のセットをさらに含み、各前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造は、そのフラクタル層における前記第１の径方向対称ガス分配構造のいずれよりも少ない数の第１のスポーク通路が流体的に接続された第１のハブプレナムを含む、
半導体処理装置。

【請求項3】

請求項２に記載の半導体処理装置であって、
前記本体は、前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造のセットを有する前記フラクタル層のすぐ上流に供給層をさらに含み、
前記供給層は、複数の第１の供給プレナムを含み、各前記第１の供給プレナムは、各前記第１の供給プレナムに流体的に接続される１つ以上の第１の供給スポーク通路を含み、各前記第１の供給スポーク通路は、遠端部に第１の供給ライザーポートを含み、各前記第１の供給ライザーポートは、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１のハブプレナムのうちの対応する１つの上方に位置するとともに前記対応する１つに流体的に接続され、
前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１の径方向対称ガス分配構造の第１のハブプレナムに流体的に接続される第１の供給ライザーポートを有する前記第１の供給スポーク通路は、それぞれ第１の長さを有し、
前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造の第１のハブプレナムに流体的に接続される第１の供給ライザーポートを有する前記第１の供給スポーク通路は、それぞれ前記第１の長さよりも長い長さを有する、
半導体処理装置。

【請求項4】

請求項２に記載の半導体処理装置であって、
前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造のセットを有する前記フラクタル層は、第２の部分的径方向対称ガス分配構造のセットをさらに含み、各前記第２の部分的径方向対称ガス分配構造は、そのフラクタル層における前記第２の径方向対称ガス分配構造のいずれよりも少ない数の第２のスポーク通路を有する第２のハブプレナムを含む、
半導体処理装置。

【請求項5】

請求項４に記載の半導体処理装置であって、
前記本体は、前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造のセットおよび前記第２の部分的径方向対称ガス分配構造のセットを有する前記フラクタル層のすぐ上流に供給層をさらに含み、
前記供給層は、複数の第１の供給プレナムと複数の第２の供給プレナムとを含み、各前記第１の供給プレナムは、各前記第１の供給プレナムに流体的に接続される１つ以上の第１の供給スポーク通路を含み、各前記第２の供給プレナムは、各前記第２の供給プレナムに流体的に接続される１つ以上の第２の供給スポーク通路を含み、各前記第１の供給スポーク通路は、遠端部に第１の供給ライザーポートを含み、各前記第２の供給スポーク通路は、遠端部に第２の供給ライザーポートを含み、各前記第１の供給ライザーポートは、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１のハブプレナムのうちの対応する１つの上方に位置するとともに前記対応する１つに流体的に接続され、各前記第２の供給ライザーポートは、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第２のハブプレナムのうちの対応する１つの上方に位置するとともに前記対応する１つに流体的に接続され、
前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１の径方向対称ガス分配構造の第１のハブプレナムに流体的に接続される第１の供給ライザーポートを有する前記第１の供給スポーク通路は、それぞれ第１の長さを有し、
前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造の第１のハブプレナムに流体的に接続される第１の供給ライザーポートを有する前記第１の供給スポーク通路は、それぞれ前記第１の長さよりも長い長さを有し、
前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第２の径方向対称ガス分配構造の第２のハブプレナムに流体的に接続される第２の供給ライザーポートを有する前記第２の供給スポーク通路は、それぞれ第２の長さを有し、
前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第２の部分的径方向対称ガス分配構造の第２のハブプレナムに流体的に接続される第２の供給ライザーポートを有する前記第２の供給スポーク通路は、それぞれ前記第２の長さよりも長い長さを有する、
半導体処理装置。

【請求項6】

請求項１に記載の半導体処理装置であって、
前記フラクタル層における前記第１の径方向対称ガス分配構造は、それぞれ４つの第１のスポーク通路を含み、前記フラクタル層における前記第２の径方向対称ガス分配構造は、それぞれ４つの第２のスポーク通路を含む、
半導体処理装置。

【請求項7】

請求項６に記載の半導体処理装置であって、
前記フラクタル層のうちの少なくとも１つのフラクタル層における前記第１の径方向対称ガス分配構造および前記第２の径方向対称ガス分配構造のそれぞれの前記第１のスポーク通路および前記第２のスポーク通路は、同じ高さにある、
半導体処理装置。

【請求項8】

請求項６に記載の半導体処理装置であって、
前記フラクタル層の各フラクタル層について、
前記第１のスポーク通路はそれぞれ、直交する２つの第１の通路軸のうちの１つと整列し、
前記第２のスポーク通路はそれぞれ、直交する２つの第２の通路軸のうちの１つと整列し、
前記第１の通路軸は、前記第２の通路軸と４５°位相がずれている、
半導体処理装置。

【請求項9】

請求項６に記載の半導体処理装置であって、
前記フラクタル層のうち、すぐ上流のフラクタル層が存在する各フラクタル層について、そのフラクタル層の前記第１の径方向対称ガス分配構造はそれぞれ、その対応する第１のライザーポート間の中心間間隔が、前記すぐ上流のフラクタル層の前記第１の径方向対称ガス分配構造における第１のライザーポート間の対応する中心間間隔の約５０％である、
半導体処理装置。

【請求項10】

請求項６に記載の半導体処理装置であって、
前記フラクタル層のうち、すぐ上流のフラクタル層が存在する各フラクタル層について、そのフラクタル層の前記第２の径方向対称ガス分配構造はそれぞれ、その対応する第２のライザーポート間の中心間間隔が、前記すぐ上流のフラクタル層の前記第２の径方向対称ガス分配構造における第２のライザーポート間の対応する中心間間隔の約５０％である、
半導体処理装置。

【請求項11】

請求項１に記載の半導体処理装置であって、
少なくとも３つのフラクタル層が設けられる、
半導体処理装置。

【請求項12】

請求項１に記載の半導体処理装置であって、
前記本体は、セラミック材料から形成される、
半導体処理装置。

【請求項13】

請求項１２に記載の半導体処理装置であって、
前記本体は、互いに融合される複数のセラミック材料の個別層から形成される、
半導体処理装置。

【請求項14】

請求項１２に記載の半導体処理装置であって、
前記本体は、３Ｄプリントされた構造体である、
半導体処理装置。

【請求項15】

請求項１～１４のいずれか１項に記載の半導体処理装置であって、
処理チャンバと、
台座と、をさらに含み、
前記台座は、前記処理チャンバ内に位置し、
前記シャワーヘッドは、前記処理チャンバ内で前記台座の上方に位置する、
半導体処理装置。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

［参照による援用］
本出願の一部として、ＰＣＴ願書様式を本明細書と同時に提出する。同時に提出したＰＣＴ願書様式において特定される、本出願が利益または優先権を主張する各出願は、その内容全体が参照により、すべての目的のために本明細書に組み込まれる。

【0002】

半導体製造ツールには、処理中の半導体ウエハ上に半導体プロセスガスを分散して吐出するための「シャワーヘッド」が含まれることが多い。このようなシャワーヘッドは通常、シャワーヘッド内部に大きく開いたプレナム空間、例えば、処理中のウエハの直径と少なくとも同じ直径を有する円筒状の容積を備え、この空間は、シャワーヘッドの下面に配置された複数のガス分配ポートに流体的に接続される。このようなツールの一部において、シャワーヘッドは、処理中のウエハ全体に２種類の異なるプロセスガスを分配可能なように構成される場合がある。

【0003】

本明細書は、半導体処理ツールに用いるための新たな二重ガスシャワーヘッド設計を開示する。

【発明の概要】

【0004】

本明細書に記載の主題の１つ以上の実施形態を、添付図面および以下の説明に詳述する。他の特徴、態様、および利点は、以下の説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになろう。

【0005】

いくつかの実装形態において、シャワーヘッドを含む半導体処理装置が提供される。前記シャワーヘッドは、本体と、第１のプレナム入口と、第２のプレナム入口と、複数の第１のガス分配孔と、複数の第２のガス分配孔とを含んでもよい。前記本体は、複数の層を含んでもよく、前記複数の層は、２つ以上のフラクタル層の適切なサブセットを含み、各前記フラクタル層は、第１の径方向対称ガス分配構造のセットと第２の径方向対称ガス分配構造のセットとを含む。各前記第１の径方向対称ガス分配構造は、第１のハブプレナムと、前記第１のハブプレナムに流体的に接続されるとともに前記第１のハブプレナムから放射状に外側に延びる複数の第１のスポーク通路と、複数の第１のライザーポートとを含んでもよく、各前記第１のライザーポートは、前記第１のスポーク通路のうちの１つの遠端部に位置する。各前記第２の径方向対称ガス分配構造は、第２のハブプレナムと、前記第２のハブプレナムに流体的に接続されるとともに前記第２のハブプレナムから放射状に外側に延びる複数の第２のスポーク通路と、複数の第２のライザーポートとを含んでもよく、各前記第２のライザーポートは、前記第２のスポーク通路のうちの１つの遠端部に位置する。前記フラクタル層の各フラクタル層について、そのフラクタル層における各前記第１の径方向対称ガス分配構造は、対応する前記第１のハブプレナムが、すぐ上流の層における第１のライザーポートの下方に位置するように位置してもよく、そのフラクタル層における各前記第２の径方向対称ガス分配構造は、対応する前記第２のハブプレナムが、すぐ上流の層における第２のライザーポートの下方に位置するように位置してもよい。

【0006】

いくつかの実装形態において、前記フラクタル層のうちの１つは、第１の部分的径方向対称ガス分配構造のセットをさらに含んでもよく、各前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造は、そのフラクタル層における前記第１の径方向対称ガス分配構造のいずれよりも少ない数の第１のスポーク通路が流体的に接続された第１のハブプレナムを含む。

【0007】

いくつかのさらなるそのような実装形態において、前記本体は、前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造のセットを有する前記フラクタル層のすぐ上流に供給層をさらに含んでもよい。そのような実装形態において、前記供給層は、複数の第１の供給プレナムを含んでもよく、各前記第１の供給プレナムは、各前記第１の供給プレナムに流体的に接続される１つ以上の第１の供給スポーク通路を含み、各前記第１の供給スポーク通路は、遠端部に第１の供給ライザーポートを含み、各前記第１の供給ライザーポートは、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１のハブプレナムのうちの対応する１つの上方に位置するとともに前記対応する１つに流体的に接続される。そのような実装形態において、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１の径方向対称ガス分配構造の第１のハブプレナムに流体的に接続される第１の供給ライザーポートを有する前記第１の供給スポーク通路は、それぞれ第１の長さを有してもよく、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造の第１のハブプレナムに流体的に接続される第１の供給ライザーポートを有する前記第１の供給スポーク通路は、それぞれ前記第１の長さよりも長い長さを有してもよい。

【0008】

いくつかのさらなるそのような実装形態またはいくつかの他のそのような実装形態において、前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造のセットを有する前記フラクタル層は、第２の部分的径方向対称ガス分配構造のセットをさらに含んでもよく、各前記第２の部分的径方向対称ガス分配構造は、そのフラクタル層における前記第２の径方向対称ガス分配構造のいずれよりも少ない数の第２のスポーク通路を有する第２のハブプレナムを含む。

【0009】

いくつかのそのような実装形態において、前記本体は、前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造のセットおよび前記第２の部分的径方向対称ガス分配構造のセットを有する前記フラクタル層のすぐ上流に供給層をさらに含んでもよい。そのような実装形態において、前記供給層は、複数の第１の供給プレナムと複数の第２の供給プレナムとを含んでもよく、各前記第１の供給プレナムは、各前記第１の供給プレナムに流体的に接続される１つ以上の第１の供給スポーク通路を含み、各前記第２の供給プレナムは、各前記第２の供給プレナムに流体的に接続される１つ以上の第２の供給スポーク通路を含み、各前記第１の供給スポーク通路は、遠端部に第１の供給ライザーポートを含み、各前記第２の供給スポーク通路は、遠端部に第２の供給ライザーポートを含み、各前記第１の供給ライザーポートは、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１のハブプレナムのうちの対応する１つの上方に位置するとともに前記対応する１つに流体的に接続され、各前記第２の供給ライザーポートは、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第２のハブプレナムのうちの対応する１つの上方に位置するとともに前記対応する１つに流体的に接続される。そのような実装形態において、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１の径方向対称ガス分配構造の第１のハブプレナムに流体的に接続される第１の供給ライザーポートを有する前記第１の供給スポーク通路は、それぞれ第１の長さを有してもよく、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第１の部分的径方向対称ガス分配構造の第１のハブプレナムに流体的に接続される第１の供給ライザーポートを有する前記第１の供給スポーク通路は、それぞれ前記第１の長さよりも長い長さを有してもよく、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第２の径方向対称ガス分配構造の第２のハブプレナムに流体的に接続される第２の供給ライザーポートを有する前記第２の供給スポーク通路は、それぞれ第２の長さを有してもよく、前記供給層のすぐ下流に位置する前記フラクタル層における前記第２の部分的径方向対称ガス分配構造の第２のハブプレナムに流体的に接続される第２の供給ライザーポートを有する前記第２の供給スポーク通路は、それぞれ前記第２の長さよりも長い長さを有してもよい。

【0010】

いくつかの実装形態において、前記フラクタル層における前記第１の径方向対称ガス分配構造は、それぞれ４つの第１のスポーク通路を含んでもよく、前記フラクタル層における前記第２の径方向対称ガス分配構造は、それぞれ４つの第２のスポーク通路を含む。

【0011】

いくつかのさらなるそのような実装形態において、前記フラクタル層のうちの少なくとも１つのフラクタル層における前記第１の径方向対称ガス分配構造および前記第２の径方向対称ガス分配構造のそれぞれの前記第１のスポーク通路および前記第２のスポーク通路は、同じ高さにあってもよい。

【0012】

いくつかのさらなるそのような実装形態またはいくつかの他のそのような実装形態において、前記第１のスポーク通路はそれぞれ、直交する２つの第１の通路軸のうちの１つと整列してもよく、前記第２のスポーク通路はそれぞれ、直交する２つの第２の通路軸のうちの１つと整列してもよく、前記第１の通路軸は、前記２の通路軸と４５°位相がずれて（または前記第２の通路軸に対して４５°の角度を有して）もよい。

【0013】

いくつかのさらなるそのような実装形態またはいくつかの他のそのような実装形態において、前記フラクタル層のうち、すぐ上流のフラクタル層が存在する各フラクタル層について、そのフラクタル層の前記第１の径方向対称ガス分配構造はそれぞれ、その対応する第１のライザーポート間の中心間間隔が、前記すぐ上流のフラクタル層の前記第１の径方向対称ガス分配構造における第１のライザーポート間の対応する中心間間隔の約５０％であってもよい。

【0014】

いくつかのさらなるそのような実装形態またはいくつかの他のそのような実装形態において、前記フラクタル層のうち、すぐ上流のフラクタル層が存在する各フラクタル層について、そのフラクタル層の前記第２の径方向対称ガス分配構造はそれぞれ、その対応する第２のライザーポート間の中心間間隔が、前記すぐ上流のフラクタル層の前記第２の径方向対称ガス分配構造における第２のライザーポート間の対応する中心間間隔の約５０％であってもよい。

【0015】

いくつかの実装形態において、少なくとも３つのフラクタル層が設けられてもよい。

【0016】

いくつかの実装形態において、前記本体は、セラミック材料から形成されてもよい。

【0017】

いくつかのさらなるそのような実装形態において、前記本体は、互いに融合される複数のセラミック材料の個別層から形成されてもよい。

【0018】

いくつかのさらなるそのような実装形態またはいくつかの他のそのような実装形態において、前記本体は、３Ｄプリントされた構造体であってもよい。

【0019】

いくつかの実装形態において、前記装置は、処理チャンバと、台座とをさらに含んでもよい。そのような実装形態において、前記台座は、前記処理チャンバ内に位置してもよく、前記シャワーヘッドは、前記処理チャンバ内で前記台座の上方に位置してもよい。

【図面の簡単な説明】

【0020】

本明細書に開示する種々の実装形態を、限定目的ではなく例示として、添付図面の各図に示す。図中、同様の構成要素は同一の参照符号にて示す。

【0021】

【図1】図１は、例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの等角図である。

【0022】

【図2】図２は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドを反対側から見た等角図である。

【0023】

【図3】図３は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの上面図である。

【図4】図４は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの底面図である。

【0024】

【図5】図５は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの分解等角図である。

【0025】

【図6】図６は、例示的な第１の径方向対称ガス分配構造の詳細図である。

【0026】

【図7】図７は、例示的な第１の径方向対称ガス分配構造の詳細図である。

【0027】

【図8】図８は、３つの異なるフラクタル層の各々の径方向対称ガス分配構造のセットをサイズ比較した図である。

【0028】

【図9】図９は、異なるフラクタル層のガス分配構造の相対比率を理解するための図である。

【0029】

【図10】図１０は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの種々の層の平面図である。

【図11】図１１は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの種々の層の平面図である。

【図12】図１２は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの種々の層の平面図である。

【図13】図１３は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの種々の層の平面図である。

【図14】図１４は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの種々の層の平面図である。

【図15】図１５は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの種々の層の平面図である。

【0030】

【図16】図１６は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッド内のプレナム容積のうちの一方の等角図である。

【0031】

【図17】図１７は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッド内のプレナム容積のうちの他方の等角図である。

【0032】

【図18】図１８は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッド内の両方のプレナム容積の等角図である。

【0033】

【図19】図１９は、本明細書に記載のシャワーヘッドを備えた半導体処理チャンバの概略図である。

【0034】

図１～１８は、各図内では縮尺通りに描かれているが、縮尺は図ごとに異なる場合がある。これらの図面は、本明細書で説明する概念の一例を図示しているに過ぎない。容易に認識されるように、本明細書で説明する概念は、多くの代替的な実装形態において実施されてもよく、これらの実装形態のすべてが、本開示の範囲内であると考えられる。

【発明を実施するための形態】

【0035】

重要な点として、本明細書で説明する概念は、本明細書で説明するいずれか１つの態様または実装形態に限定されるものではなく、そのような態様および／または実装形態のいずれかの組み合わせおよび／または置き換えに限定されるものでもない。さらに、本発明の態様および／またはその実装形態の各々は、単独で用いられてもよいし、本発明の他の態様および／または実装形態の１つ以上と組み合わせて用いられてもよい。簡潔にするため、これらの置き換えおよび組み合わせの多くについて、本明細書では個別に説明および／または図示しない。

【0036】

本明細書で説明する二重プレナムフラクタルシャワーヘッドは、半導体処理チャンバ内において半導体ウエハの上方に位置する処理容積にプロセスガスを均一に分配するように構成されてもよい。このような二重プレナムフラクタル（ＤＰＦ：Ｄｕａｌ－Ｐｌｅｎｕｍ Ｆｒａｃｔａｌ）シャワーヘッドは、従来の二重プレナムシャワーヘッドと比較して、様々な利点を実現し得る。一例として、本明細書で説明するＤＰＦシャワーヘッド設計では、大型のプレナム、例えば、略円形状でありシャワーヘッドのガス分配孔が配置される領域全体にまたがるプレナムがないため、従来の開放プレナム容積シャワーヘッドと比較して、シャワーヘッドのガス分配ポートを通じて供給するためにシャワーヘッドに導入することが必要なプロセスガスの量が大幅に低減される可能性がある。別の利点としては、ＤＰＦシャワーヘッドにおける種々の流路がフラクタル性を有することにより、ＤＰＦシャワーヘッドの所与のプレナムの各ガス分配ポートへの流路が、等しい、または少なくとも極めて類似した流動抵抗を有することができ、これにより、ガス入口を介してそのプレナムに導入されたガスがそのプレナムにおけるいずれかの所与のガス分配ポートに到達するまでの時間のばらつきを低減または解消できる。例えば、フラクタルシャワーヘッドのプレナムを流れるガスは総じて、最終的にどのガス分配ポートへと流れるかにかかわらず、基本的に同じ流体流路特性を受ける。例えば、ガスは、このようなシャワーヘッドのフラクタル層（以下で詳述）に達した後、同様の長さ、断面形状および面積を有する流路セグメントが同じ形で進行する連続したガス流路を流れてもよい。これは例えば、プロセスガスがシャワーヘッドの中心から流出してしばらく後にその外周部から流出するようなシャワーヘッドと異なり、ウエハの表面全体が概ね同時にプロセスガスに曝露されるため、より均一なウエハ処理の促進を図れる可能性がある。本明細書で説明するＤＰＦシャワーヘッドのもう１つの利点は、これらのＤＰＦシャワーヘッドは、金属（ステンレス鋼、アルミニウムなど）およびセラミック（アルミナ、シリコン酸化物など）を含む種々の材料から製造してもよいことである。

【0037】

一般に、本明細書で説明するようなＤＰＦシャワーヘッドは、シャワーヘッドの下面に、それぞれが各プレナムに対応する２パターンのガス分配孔を有してもよい。後述するＤＰＦの例では、２つのパターンは、互いに４５°位相がずれた略正方形のパターンである（そして、各正方形パターンの角部においてガス分配孔のいくつかの例が省略される。例えば、ガス分配孔の４×４サブパターンが各パターンの各角部において省略される）。この４５°位相がずれた配置は、例示的なＤＰＦシャワーヘッド内の２つのガス分配プレナムを部分的に画定する、種々の流路の内部レイアウトに引き継がれてもよい。これにより、ＤＰＦシャワーヘッド内でガス流路を極めて高密度にパッケージングでき、ガス分配孔のピッチを低減できる。これにより、半導体ウエハ全体にプロセスガスをよりきめ細かく分配できる。

【0038】

ＤＰＦシャワーヘッドは、非同期式と同期式の両方式で用いてもよい。非同期式とは、プロセスガスを異なる時間で各プレナムに交互に流す方式であり、同期式とは、プロセスガスを両方のプレナムに同時に流す方式である。さらに他の例において、ＤＰＦシャワーヘッドは、一方のプレナムにプロセスガスを継続的に流し、他方のプレナムに２種以上の異なるガスを交互にまたは周期的に流すハイブリッド方式で用いてもよい。前者は、例えば原子層堆積やその他の交互にプロセスガスを印加するプロセスに適用でき、この場合、従来のシャワーヘッドと比較してＤＰＦシャワーヘッドの体積が小さいことにより、所望の量のプロセスガスがウエハに供給されるまでの遅延時間が低減し、それにより、各ガス投与サイクルの全体的な時間が低減（したがって、処理時間が低減／スループットが増加）する可能性がある。後者は、例えば２つのプロセスガスを同時に半導体ウエハ上の処理空間に流し、プロセスガスを反応させて、ウエハに対して所望の処理効果を得るような処理工程に適用でき、この場合、ＤＰＦシャワーヘッドの高い同時供給能力により、一方の反応物がウエハ処理空間に存在する状態の発生を、他方の反応物も存在しない状態で低減する可能性がある。特に、本明細書で説明するＤＰＦシャワーヘッドは、米国特許出願第６２／７６７，１９８号（発明の名称「ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＭＡＫＩＮＧ ＨＡＲＤ ＭＡＳＫＳ ＵＳＥＦＵＬ ＩＮ ＮＥＸＴ－ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ ＬＩＴＨＯＧＲＡＰＨＹ」、２０１８年１１月１４日出願）、および米国特許出願第６２／８６８，７１０号（発明の名称「ＥＵＶ ＰＨＯＴＯＲＥＳＩＳＴ ＷＩＴＨ ＭＵＬＴＩＰＬＥ ＥＵＶ－ＡＢＳＯＲＢＩＮＧ ＥＬＥＭＥＮＴＳ ＡＮＤ ＶＥＲＴＩＣＡＬ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ ＧＲＡＤＩＥＮＴ」、２０１９年６月２８日出願）に記載されているようなプロセスに有用な可能性がある。両出願は、その内容全体が参照により、本明細書に組み込まれる。

【0039】

図１は、例示的な二重プレナムフラクタル（ＤＰＦ）シャワーヘッドの等角図である。図２は、図１の例示的なＤＰＦシャワーヘッドを反対側から見た等角図である。図３および図４は、同じ図１の例示的なＤＰＦシャワーヘッドの上平面図および底平面図である。

【0040】

外観としては、図１のＤＰＦシャワーヘッド１００は、他の多くの二重プレナムシャワーヘッドとほとんど差異がない。すなわち、略円形状であり、上面に複数のガス入口、例えば、第１のプレナム入口１０２と、この例では複数（４つ）の第２のプレナム入口１０４とを有し、底面に２つの孔パターン、例えば、ガス分配孔の第１の孔パターン１１２および第２の孔パターン１１４（例えば、それぞれ第１のガス分配孔１０６および第２のガス分配孔１０８を含む）を有する。なお、第１の孔パターン１１２および第２の孔パターン１１４は、どちらも略矩形（または、より正確には正方形）アレイの形状であるが、２つの矩形アレイは互いに４５°位相がずれて配向されている。また、矩形の第１の孔パターン１１２の一部ではない、追加の第１のガス分配孔１０６が１つ設けられているが、この追加の第１のガス分配孔１０６は、ＤＰＦシャワーヘッド１００の中心に位置している。従来のほとんどのシャワーヘッドにおいて、ガス分配孔の孔パターンは通常、略円形の外郭形状を有するように制約されている。すなわち、孔パターンは円形の境界まで外側に延び、所与のプレナムのガス分配孔のすべてがその円形の境界内に位置し、その境界内で略均等に分布している。しかしながら、例示的なＤＰＦシャワーヘッドはそのような構成にはなっていない（ただし、以下で詳述するように、そのように構成することも可能である）。図から分かるように、第１のガス分配孔１０６および第２のガス分配孔１０８は、円形のウエハ重なり領域１１０内に略均等に分布している（この場合、ウエハ重なり領域１１０は、処理中にＤＰＦシャワーヘッドの下方に通常配置される半導体処理ウエハと同じサイズ、例えば直径３００ｍｍの大きさを有する（ただし、例えば処理中にウエハの外周まで、かつそれを越えて均一なガス分配を実現するために、一部の実装形態においては、このような均等な孔分布を、例えばさらに大きな直径の円形領域にわたって維持してもよい））。しかしながら、第１の孔パターン１１２および第２の孔パターン１１４の両方には、ウエハ重なり領域１１０を越えて延びる部分が存在する。ウエハ重なり領域１１０の外側に位置する第１のガス分配孔１０６および第２のガス分配孔１０８は、もはや互いに対して均等に分布していない。後述の説明にて明らかとなるように、例示的なＤＰＦシャワーヘッドにおいて、ウエハ重なり領域１１０の外側に位置するガス分配ポートは、ＤＰＦシャワーヘッド内の種々の層における各プレナムの種々のガス分配構造が、各層について同じ設計になることを可能にするために含まれている。適切な変形により、例えば、可変的に設計されたガス分配構造をこれらの層におけるＤＰＦシャワーヘッド１００の外周付近にて使用することにより、ウエハ重なり領域１１０の外側に位置するガス分配ポートを低減またはなくしたＤＰＦシャワーヘッドを提供してもよいことを理解されたい。そのような代替的な実装形態も、本開示の範囲内であると見なされる。

【0041】

例示的な実装形態において、第１の孔パターン１１２および第２の孔パターン１１４のそれぞれのアレイ間隔ｄ₁およびｄ₂は、

【数1】

という関係にあり、その結果、ｄ₁はｄ₂より約４０％大きいことが分かる。他の実装形態において、孔間隔の関係は異なっていてもよい。また、このような間隔の結果、両方の孔パターンが概ね重なる領域、例えばウエハ重なり領域１１０内では、第２のガス分配孔１０８の数が第１のガス分配孔１０６の数の２倍であることが明らかである。例えば、少なくとも４つの第１のガス分配孔１０６の位置および少なくとも４つの第２のガス分配孔１０８の位置を含む（各パターンについて、各軸に沿って少なくとも１つの完全なパターンの繰り返しを含む）、ウエハ重なり領域１１０に完全に含まれる任意の最小の正方形領域を取った場合、その正方形領域内には、１つの第２のガス分配孔１０８を半分にしたものが４つ、１つの第１のガス分配孔１０６を４分の１にしたものが４つ位置することになる。したがって、第２のガス分配孔１０８と第１のガス分配孔１０６との比率は２：１となる（他の実装形態においては、例えば１：１などの異なる比率であってもよい）。本例のＤＰＦシャワーヘッドでは、第１のガス分配孔１０６および第２のガス分配孔１０８は同じ直径を有する。そのため、プロセスガスがそれぞれの入口に導入されて同じ入口圧力に保たれるとき、第２のガス分配孔１０８を流れるプロセスガスは、第１のガス分配孔１０６を流れるプロセスガスの略２倍となる（これは、両方のプレナムが、音速以下のフロー条件であると仮定している。いくつかの実装形態における実際の運用では、マスフローコントローラを有する制御システムを用いて、同じ質量流量のガスが各プレナムを通じて供給されるようにしてもよい。その結果、各プレナムの入口圧力は異なる場合があり、対応するガス分配ポートからの出口速度も異なる場合がある）。しかしながら、他の実装形態において、ガス分配孔の両セットを流れるガスの潜在的な流量を調整するために、第１のガス分配孔１０６が第２のガス分配孔よりも大きくまたは小さくなるように、第１のガス分配孔１０６および第２のガス分配孔１０８の一方または両方の直径を変化させてもよい。

【0042】

図５は、図１の例示的なＤＰＦシャワーヘッドの分解等角図である。この分解図から分かるように、ＤＰＦシャワーヘッド１００は、複数の異なる層１１６に分割されてもよい。各層は、異なるガス分配構造を有する。このようなＤＰＦシャワーヘッド１００は、例えば、各層を別個のコンポーネントとして機械加工またはその他の方法で形成し、その後、各種の層を結合または融合して積層スタック化し、ＤＰＦシャワーヘッドとすることによって作成可能であることが認識される。ただし、他の実装形態において、他の技術を用いて同等の構造を生成してもよく、例えば、付加製造により、金属、セラミック、または他の材料からＤＰＦシャワーヘッド構造を「３Ｄプリント」してもよい。

【0043】

この説明において、ある特定の層の「上流」の層という場合、ＤＰＦシャワーヘッド１００の「上部」により近い層、例えば、第１のプレナム入口１０２または第２のプレナム入口１０４により近い層を指すと理解される。ある特定の層の「下流」の層という場合、ＤＰＦシャワーヘッド１００の「底部」により近い層、例えば、第１のガス分配孔１０６または第２のガス分配孔１０８により近い層を指すと理解される。ある特定の層の「すぐ上流」の層という場合、その特定の層に最も近い上流の層を指し、その特定の層の「すぐ下流」の層という場合、同様に、その特定の層に最も近い下流の層を指す。また、所与のシャワーヘッドを、適切と考えられる任意の方法で複数の層に任意に区分してもよいが、本願において「層」という言葉を用いる場合、図５に示すような層を指すと理解される。例えば、各層が一方の面に垂直孔（またはガス分配孔）を有し、他方の面にガス流路／プレナムを有し、層内の各ライザーポート（ｒｉｓｅｒ ｐｏｒｔ）／ガス分配孔はガス流路のうちの１つにて終端する（入口層はこれの例外としてもよく、入口層は、第１のプレナム入口１０２および第２のプレナム入口１０４としての垂直孔のみを内部に有する）。

【0044】

各種の層１１６は、例えば、入口層１１８（層１１６ａを含む）、供給層１２０（例えば、層１１６ｂおよび１１６ｃを含む）、ならびにフラクタル層１２２（例えば、層１１６ｄ、１１６ｅ、および１１６ｆを含む）を含んでもよい。入口層１１８は、例えば、プロセスガスをＤＰＦシャワーヘッド１００のプレナムに導入可能な、第１のプレナム入口１０２および第２のプレナム入口１０４などの貫通孔または他の構造を含んでもよい。

【0045】

供給層１２０は、例えば、第１の供給通路１２４および第２の供給通路１２６を含む層１１６ｂを含んでもよい。これらの層はそれぞれ、層１１６ｂ内において、第１のプレナム入口１０２または第２のプレナム入口１０４の１つを、それぞれ対応する第１の供給ライザーポート１３８または第２の供給ライザーポート１４０と流体的に接続してもよい。層１１６ｂにおける第１の供給ライザーポート１３８および第２の供給ライザーポートは、層１１６ｂの底部を通過するとともに、それぞれ第１の供給通路１２４または第２の供給通路１２６の１つを、層１１６ｃにおける第１の供給プレナム１３０または第２の供給プレナム１３２と流体的に接続してもよい。

【0046】

供給層１２０の１つである層１１６ｃは、複数のガス分配構造を有してもよい。各ガス分配構造は概ね、外側に延びる複数の供給スポーク通路を有する中央プレナムの形を取る。例えば、層１１６ｃは、複数の第１の供給プレナム１３０を有してもよい（図では４つ示されているが、他の数であってもよい。一般に、すぐ上流の層１１６に含まれる第１の供給ライザーポート１３８と同じ数だけ設けられる）。同様に、層１１６ｃは、複数の第２の供給プレナム１３２を有してもよい（図では４つ示されているが、他の数であってもよい。一般に、すぐ上流の層１１６に含まれる第２の供給ライザーポート１４０と同じ数だけ設けられる）。

【0047】

各第１の供給プレナム１３０は、その第１の供給プレナム１３０から外側に放射状に延びる複数の第１の供給スポーク通路１３４を有してもよい。各第１の供給スポーク通路１３４は、すぐ下流の層１１６（例えば、層１１６ｄ）につながる層１１６ｃ内の対応する第１の供給ライザーポート１３８にて終端してもよい。同様に、各第２の供給プレナム１３２は、その第２の供給プレナム１３２から外側に放射状に延びる複数の第２の供給スポーク通路１３６を有してもよい。各第２の供給スポーク通路１３６は、すぐ下流の層１１６につながる層１１６ｃ内の対応する第２の供給ライザーポート１４０にて終端してもよい。層１１６ｃの各第１の供給ライザーポート１３８および第２のライザーポート１４０は、すぐ下流の層の対応するプレナム構造の上に略中心を置く位置に配置されてもよい。

【0048】

なお、各供給プレナムから放射状に延びる供給スポーク通路は、供給スポーク通路の形状の違いにより、必ずしも同じ流動抵抗を有するとは限らないことに留意されたい。これについては、後でより詳細に説明する。

【0049】

また、図５に示す供給通路および供給スポーク通路はそれぞれ、２つの内部支持壁１２８を含むことにも留意されたい。内部支持壁１２８は概ね、これらの通路の一端から他端まで、通路の長さに沿って延びている。このような支持壁１２８（または他の構造）は、例えば、いくつかの実装形態において任意に含まれてもよい。例えば、ＤＰＦシャワーヘッド１００が、積層後に窯で焼かれ、単一の、融合し硬化したセラミック部品を形成するグリーン加工されたセラミック層からなる場合、より幅広の通路が、このような通路の「上部」を形成する層を機械的に支持するために１つ以上の内部支持壁１２８（または他の支持構造）を含むことが望ましい場合がある。他の形状および／または他の製造技術では、このような支持壁１２８が不要な場合がある。

【0050】

供給層１２０を流れたプロセスガスは、次にフラクタル層１２２へと導かれる。各フラクタル層１２２は概ね、各プレナムについて同一の、繰り返される径方向対称ガス分配構造（またはその部分）を備え、ある層のすぐ下流の各層における径方向対称ガス分配構造は、そのある層における対応する径方向対称ガス分配構造を縮小したものとなる。本例では、ある層における各径方向対称ガス分配構造は、すぐ上流の層における対応する径方向対称ガス分配構造から全体のサイズが～５０％縮小される。ただし、他の実装態様において異なる倍率を用いてもよい。図８は、図５に示す３つのフラクタル層１２２のそれぞれの径方向対称ガス分配構造のセットをサイズ比較した図である。各径方向対称ガス分配構造のセットは、図示の他の径方向対称ガス分配構造のセットに対して縮尺を合わせて示されている。各径方向対称ガス分配構造のセット内の選択されたライザーポートの中心を通る一点鎖線から分かるように、各径方向対称ガス分配構造のセットにおける垂直孔の中心間間隔は、各フラクタル層１２２において、すぐ上流の径方向対称ガス分配構造のセットと比較して５０％縮小している。

【0051】

この特性により、ＤＰＦシャワーヘッド内の各プレナムのガス分配通路は「フラクタル」な外観を有し、これが、「二重プレナムフラクタルシャワーヘッド」という名称の由来となる。なお、いくつかの実装形態において、各径方向対称ガス分配構造における特定のサブ構造は、すぐ上流の層の径方向対称ガス分配構造における対応する構造から拡大または縮小されてもよいことに留意されたい。例えば、例示的なＤＰＦシャワーヘッド１００では、所与の径方向対称ガス分配構造のライザーポート間の中心間距離は、この所与の径方向対称ガス分配構造のすぐ下流の径方向対称ガス分配構造のライザーポート間の対応する中心間距離の５０％である。ただし、各スポーク通路の断面幅は、すぐ下流の径方向対称ガス分配構造における中心間間隔に対して実際に増加してもよい。図９は、そのような特性に関する追加の理解を提供する図である。図９において、各々が１つの第１の径方向対称ガス分配構造１４６および４つの隣接する第２の径方向対称ガス分配構造１４８からなる３つのセット（３つのフラクタル層１２２の各々からのセット）は、それぞれの垂直孔間の中心間距離がすべて同一であり、かつ互いに中心が合うように拡縮されている。図から分かるように、層１１６ｅの第１および第２の径方向対称ガス分配構造１４６’および１４８’（点線の輪郭で示す）は、対応する第１および第２の径方向対称ガス分配構造１４６および１４８よりも（垂直孔間の中心間距離に対して）わずかに幅が広いスポーク通路を有する。同様に、層１１６ｆの第１および第２の径方向対称ガス分配構造１４６”および１４８”（破線の輪郭で示す）は、対応する第１および第２の径方向対称ガス分配構造１４６’および１４８’よりも（垂直孔間の中心間距離に対して）わずかに幅が広いスポーク通路を有する。

【0052】

さらに、中心間間隔に対する各径方向対称ガス分配構造の第１および第２の垂直孔の直径の大きさは、互いにすぐ上流／下流のフラクタル層における径方向対称ガス分配構造の間で異なってもよいことが分かる。

【0053】

いくつかの実装形態において、１つ以上のフラクタル層１２２の径方向対称ガス分配構造の一部は「部分的な形態」、すなわち径方向対称ガス分配構造の一部のみが存在する状態で設けられてもよい。例えば、例示的なＤＰＦシャワーヘッドにおける径方向対称ガス分配構造は、＋形または×形であり、各々が、ハブプレナムから外側に放射状に延びる４つのスポーク通路を有する。この場合、部分的な径方向対称ガス分配構造は、同様の構造を有するが、スポーク通路の１つまたは２つが欠落していてもよい。

【0054】

例えば、層１１６ｄにおいて、複数の第１の径方向対称ガス分配構造１４６と、複数の第２の径方向対称ガス分配構造１４８とが設けられ、その各々が、＋形または×形である（ただし、第１の径方向対称ガス分配構造１４６は、第２の径方向対称ガス分配構造１４８よりも大きいことに留意されたい。アレイ間隔についての上記の説明を参照）。第１の径方向対称ガス分配構造１４６および第２の径方向対称ガス分配構造１４８はそれぞれ、対応するハブプレナムと、そこから外側に放射状に延びる複数のスポーク通路とを有する。

【0055】

図６は、例示的な第１の径方向対称ガス分配構造１４６を示す図であり、図７は、例示的な第２の径方向対称ガス分配構造１４８を示す図である。図６および図７は、同じ縮尺で示されている。図から分かるように、第１の径方向対称ガス分配構造１４６は、第１のハブプレナム１５８を有する。第１のハブプレナム１５８は、すぐ上流の層１１６の対応する第１のライザーポート１６２’（または、いくつかの例では、第１の供給ライザーポート１３８）の真下に配置され、かつ同ポートに流体的に接続されてもよい。第１のハブプレナム１５８は、第１のハブプレナム１５８から径方向に対称的に放射状に外側へ延びる複数（この例では４つ）の第１のスポーク通路１５４を有してもよい。各第１のスポーク通路１５４は、対応する第１のライザーポート１６２（または、最も下流の層１１６の場合は、対応する第１のガス分配孔１０６）にて終端してもよい。

【0056】

同様に、図７に示す第２の径方向対称ガス分配構造１４８は、第２のハブプレナム１６０を有する。第２のハブプレナム１６０は、すぐ上流の層１１６の対応する第２のライザーポート１６４’（または、いくつかの例では、第２の供給ライザーポート１４０）の真下に配置され、かつ同ポートに流体的に接続されてもよい。第２のハブプレナム１６０は、第２のハブプレナム１６０から径方向に対称的に放射状に外側へ延びる複数（この例では４つ）の第２のスポーク通路１５６を有してもよい。各第２のスポーク通路１５６は、対応する第２のライザーポート１６４（または、最も下流の層１１６の場合は、対応する第２のガス分配孔１０８）にて終端してもよい。

【0057】

図５に戻り、第１の径方向対称ガス分配構造１４６および第２の径方向対称ガス分配構造１４８は概ね、層１１６ｄの中央領域を占めるが、層１１６ｄの外周付近においては、第１の部分的径方向対称ガス分配構造１４２および第２の部分的径方向対称ガス分配構造１４４が用いられることに留意されたい。第１の部分的径方向対称ガス分配構造１４２はそれぞれ、２つの第１のスポーク通路１５４のみを有し、第２の部分的径方向対称ガス分配構造１４４はそれぞれ、３つの第２のスポーク通路１５６のみを有する。この例における残りのフラクタル層１２２は、径方向対称ガス分配構造のみを備え、部分的径方向対称ガス分配構造を備えない。ただし、他の実装形態において、他のフラクタル層１２２でも同様に部分的径方向対称ガス分配構造が含まれてもよい。

【0058】

上記の図面において例示的なＤＰＦシャワーヘッド１００の構造は明確に示されているが、さらに図１０～図１５を用いて、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッドの層１１６ａ～ｆの平面図を示す。これらの図面は、上記の図面といくぶん重複しているが、構造をさらに明確に示すとともに、特に、以下の説明において参照される場合がある。

【0059】

部分的径方向対称ガス分配構造を用いた場合、一定の軽減手段を取らない限り、図示のようなＤＰＦシャワーヘッドにおいて不均衡な流れが生じる可能性がある。例えば、同じ量のプロセスガスが、対応する部分的径方向対称ガス分配構造に対するのと同じガス流量で径方向対称ガス分配構造の各ハブプレナムに供給される場合、部分的径方向対称ガス分配構造のライザーポートはそれぞれ、径方向対称ガス分配構造のライザーポートと比較してガス流量が増加することになる。これは、径方向対称ガス分配構造と比較して、部分的径方向対称ガス分配構造はスポーク通路および対応するライザーポートの数が少ないためである。したがって、径方向対称ガス分配構造のライザーポートと比較して、部分的径方向対称ガス分配構造のライザーポートの総断面積は小さくなり、その結果、径方向対称ガス分配構造の各ライザーポートを流れる場合と比較して、より多量のガスが、部分的径方向対称ガス分配構造の各ライザーポートを流れることになる。これは、後続の層１１６において、部分的径方向対称ガス分配構造からガスが供給される下流の径方向対称ガス分配構造が、これらの下流の層において、径方向対称ガス分配構造からガスが供給される径方向対称ガス分配構造と比較して、不均衡な量のガスを受けることになるため、好ましくない。その結果、最終的には、ガス分配孔を介したガス供給が不均一になる。

【0060】

このような影響を軽減または防止するために、供給ライザーポートからすぐ下流の部分的径方向対称ガス分配構造にプロセスガスを供給する供給通路は、その同じ供給ライザーポートからすぐ下流の径方向対称ガス分配構造にプロセスガスを供給する供給通路よりも長さが長くなるように設計されてもよい。例えば、図１２において、第１の供給プレナム１３０の各々から放射状に延びる３つの第１の供給スポーク通路１３４のうちの２つは、第１の供給プレナム１３０の各々から放射状に延びる残りの第１の供給スポーク通路１３４の約２倍の長さを有することが分かる。このように長さが長くなることにより、これらの第１の供給スポーク通路１３４の流動抵抗が増加し、それにより、これらの第１の供給スポーク通路１３４の端部に位置する第１の供給ライザーポート１３８への流量が、各第１の供給プレナム１３０から放射状に延びる残りの第１の供給スポーク通路１３４の第１の供給ライザーポート１３８における流量の約半分となる。同様に、各第２の供給プレナム１３２から放射状に延びる４つの第２の供給スポーク通路１３６のうちの１つは、各第２の供給プレナム１３２から放射状に延びる他の第２の供給スポーク通路１３６と比較して長さが長い。これにより同様の効果が得られ、３つのスポークのみを有するすぐ下流の層の部分的径方向対称ガス分配構造が受ける流体流が減少し、それにより、ＤＰＦシャワーヘッド１００からのガス流の均一化を図り得る。

【0061】

ガスが各ガス分配構造に到達した後、ガス流は、その分配構造における種々のスポーク通路間で略均等に分割された後、すぐ下流の層における次のガス分配構造のセットへと移動（またはガス分配ポートから流出）してもよい。このように分割が繰り返される特性が、シャワーヘッドの広い領域にわたってプロセスガスを均等に分配するように機能する。この例では、３つのフラクタル層１２２が設けられているが、ガスをどの程度細かく、または粗く分配するかに応じて、このような層をより多く、またはより少なく用いてもよい。

【0062】

例示的なＤＰＦシャワーヘッド１００において、各プレナムの所与のフラクタル層１２２における径方向対称ガス分配構造は、互いに４５°位相がずれた通路軸に整列するスポーク通路を有することが分かる。例えば、図５のフラクタル層１１６ｄにおいて、第１の径方向対称ガス分配構造１４６は、第１の通路軸１５０に整列する第１のスポーク通路１５４を有し、第２の径方向対称ガス分配構造１４８は、第２の通路軸１５２に整列する第２のスポーク通路１５６を有する。そして、図から分かるように、第１の通路軸１５０と第２の通路軸１５２とは、互いに４５°位相がずれている。

【0063】

図１６は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッド内のプレナム容積のうちの一方を抽象化した等角図である。図１７は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッド内のプレナム容積のうちの他方を抽象化した等角図である。図１８は、図１の例示的な二重プレナムフラクタルシャワーヘッド内の両方のプレナム容積を抽象化した等角図である。

【0064】

図１６～図１８において、各フラクタル層内の各径方向対称ガス分配構造または部分的径方向対称ガス分配構造のハブプレナムが、すぐ上流のフラクタル層内の径方向対称ガス分配構造のハブプレナムから放射状に延びるスポーク通路のうちの１つの遠端部におけるライザーポート（または、供給層１２０のうちの１つにおける供給ライザーポート）に流体的に接続していることが容易に分かる。各層内の各プレナムの径方向スポーク通路が４５°位相がずれて配置されていることにより、ＤＰＦシャワーヘッドの底面のガス分配孔を極めて高密度にしつつ、いずれかのプレナムの入口からいずれかのガス分配ポートまでの流動抵抗を略等しくすることも可能である。例えば、このような構成により、種々の第２のスポーク通路１５６の各々が、隣接する２つの第１のスポーク通路１５４の間の空間に部分的に延びることが可能になり、それにより、対応する第２のライザーポート１６４（または層１１６ｆの第２のガス分配孔１０８）の各々が、その第２のライザーポートに最も近い２つの第１のライザーポート１６２（または第１のガス分配孔１０６）の間の線に沿って中間に位置することができる。

【0065】

また、例示的なＤＰＦシャワーヘッドにおいて、ウエハ重なり領域１１０の外側に複数のガス分配孔および／または径方向対称ガス分配構造が存在する。したがって、これらから供給されるプロセスガスは概ね、ウエハ重なり領域１１０内の径方向対称ガス分配構造および／またはガス分配孔から供給されるプロセスガスによってウエハから離れる方向に外側に押し出される傾向があるため、実際にはウエハにおそらく到達しないことに留意されたい。したがって、ウエハ重なり領域１１０の外側のガス分配孔から供給されるプロセスガスは、実質的には、過剰または無駄なプロセスガスと見なすことができる。上述したように、いくつかの実装形態において、ＤＰＦシャワーヘッドによって生成される過剰または無駄なガスの量を低減またはなくすために、ウエハ重なり領域の外側に位置するガス分配孔の数を減らすかまたはなくしてもよい。ただし、そのようにする場合、ガス分配孔を流れるガス流の均一性を確実に維持するために、使用する種々の径方向対称ガス分配構造を幅広くカスタマイズすることが必要な場合がある（実際、その結果としてこれらはもはや「径方向対称ガス分配構造」であると合理的に見なされなくなる可能性がある）。ウエハ重なり領域１１０の外側に位置する径方向対称ガス分配構造および／またはガス分配孔を含むことによって、各径方向対称ガス分配構造において生じる流れ分割が、フラクタル層内のすべての径方向対称ガス分配構造について同じとなり、それにより、フラクタル層１２２内の径方向対称ガス分配構造に対して複雑な変更を行うことなく、各プレナムのガス分配孔を流れる流れを均一にすることができる。また、径方向対称ガス分配構造の全体的なサイズが縮小すればするほど、これらは微小な寸法変動の影響をますます受けやすくなり、カスタマイズによって各径方向対称ガス分配構造のガス流特性を個別に微調整することがますます難しくなる可能性があることにも留意されたい。したがって、例示的なＤＰＦシャワーヘッド１００に関して示した手法は、ある程度の過剰または無駄なガスを発生させる可能性はあるものの、各フラクタル層における径方向対称ガス分配構造をカスタマイズせずとも、ウエハ全体に分配されるプロセスガスが略均一となる。

【0066】

前述したように、ＤＰＦシャワーヘッド１００の下面には、いずれの孔パターンにも属さない１つのガス分配孔である、中央孔が設けられている。このような中央孔は、ウエハ処理のさらなる均一性を図るために任意で含まれてもよく、例えば、第１のプレナム入口と流体的に接続されてもよい。必要とされる特定のプロセス条件に応じて、中央孔を第１のプレナムの他のガス分配孔と同じサイズにすること、または、これらの他のガス分配孔よりも大きくもしくは小さくすることが望ましい場合がある。他の第１のガス分配孔と同じサイズの中央孔を用いる実装形態において、中央孔を流れる流量は、いくつかのこのような実装形態において、第１のガス入口から中央孔までのシャワーヘッド内の流路抵抗を変化させることによって変更されてもよい。中央孔は、第１のプレナムの他の第１のガス分配孔と同じ流量抵抗を有する必要はない。

【0067】

さらに、本開示では主に二重プレナムフラクタルシャワーヘッドを説明してきたが、同様の原理は、例えば、プレナムのうちの一方および関連する構造を単に省略することによって、シングルプレナムフラクタルシャワーヘッド形式で実装されてもよいことに留意されたい。このようなシングルプレナムフラクタル（ＳＰＦ：Ｓｉｎｇｌｅ－Ｐｌｅｎｕｍ Ｆｒａｃｔａｌ）シャワーヘッドも、本開示の範囲内であると考えられる。

【0068】

本明細書で説明する概念に係るＤＰＦ（およびＳＰＦ）シャワーヘッドは、上述したように、半導体処理工程で用いられてもよい。例えば、ＤＰＦまたはＳＰＦシャワーヘッドは、図１９の半導体処理チャンバ１７０などの半導体処理チャンバ内で用いられてもよい。このようなＤＰＦまたはＳＰＦシャワーヘッド１００は、軸部１７６を介してチャンバ１７０内に吊り下げられてもよい。軸部１７６は、台座１７２によってチャンバ１７０内に支持可能なウエハ１７４全体にプロセスガスを分配するために、プロセスガスをＤＰＦまたはＳＰＦシャワーヘッドの入口に供給するためのガス供給路を含んでもよい。

【0069】

いくつかの実装形態において、コントローラが設けられてもよい。コントローラ６９１はシステムの一部であってもよい。システムは、上述した例を含んでもよく、さらに、各種のバルブ、マスフローコントローラ、ポンプなどに動作可能に接続され、これらの機器から情報を受信し、かつ／またはこれらの機器を制御することが可能であってもよい。このようなシステムは、１つ以上の処理ツール、１つ以上のチャンバ、１つ以上の処理用プラットフォーム、および／または特定の処理用コンポーネント（ウエハ台座やガス流量システムなど）を含む半導体処理装置を含むことができる。これらのシステムは、半導体ウエハまたは基板の処理前、処理中、処理後におけるシステムの動作を制御するための電子機器と一体化されてもよい。電子機器は「コントローラ」と呼ぶこともでき、１つ以上のシステムの様々なコンポーネントまたはサブ部品を制御してもよい。コントローラは、処理要件および／またはシステムの種類に応じて、本明細書に開示したいずれのプロセスも制御するようにプログラムされてもよい。これらのプロセスには、本明細書に記載のＤＰＦまたはＳＰＦシャワーヘッドなどへの各種ガスの供給、温度設定（例えば、加熱および／または冷却）、圧力設定、真空設定、電力設定、流量設定、流体供給設定、ならびに位置および動作設定が含まれる。

【0070】

広義には、コントローラは、様々な集積回路、ロジック、メモリ、および／またはソフトウェアを有する電子機器として定義されてもよく、命令の受信、命令の送出、動作の制御、洗浄動作の有効化、エンドポイント測定の有効化などを行う。集積回路は、プログラム命令を記憶するファームウェアとしてのチップ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として定義されるチップ、および／または１つ以上のマイクロプロセッサ、もしくはプログラム命令（例えば、ソフトウェア）を実行するマイクロコントローラを含んでもよい。プログラム命令は、様々な個別の設定（またはプログラムファイル）としてコントローラに通信される命令であってもよく、半導体ウエハ上でもしくは半導体ウエハ用に、またはシステムに対して、特定のプロセスを実施するための動作パラメータを定義する。いくつかの実装形態において、動作パラメータは、１つ以上の層、材料、金属、酸化物、シリコン、二酸化シリコン、表面、回路、および／またはウエハダイの製造において１つ以上の処理工程を達成するためにプロセスエンジニアによって定義されるレシピの一部であってもよい。

【0071】

いくつかの実装形態において、コントローラは、コンピュータの一部であってもよいし、コンピュータに結合されていてもよい。ここで、コンピュータは、システムと一体化しているか、システムに結合されているか、その他の形でシステムとネットワーク接続されているか、これらを組み合わせた形態をとる。例えば、コントローラは、「クラウド」上に存在してもよいし、工場ホストコンピュータシステムのすべてまたは一部に存在してもよい。これにより、ウエハ処理のリモートアクセスが可能になる。コンピュータは、システムへのリモートアクセスを有効化して、製造工程の進捗状況の監視、過去の製造工程履歴の調査、または複数の製造工程から傾向もしくは性能指標の調査を行うことができ、現在の処理のパラメータを変更したり、現在の処理に続く処理工程を設定したり、新たなプロセスを開始したりできる。いくつかの例において、リモートコンピュータ（例えば、サーバ）からシステムに対して、ネットワークを介してプロセスレシピを提供できる。ここで、ネットワークは、ローカルネットワークまたはインターネットを含んでもよい。リモートコンピュータは、パラメータおよび／または設定の入力やプログラミングを可能にするユーザインタフェースを含んでもよい。これらのパラメータおよび／または設定はその後、リモートコンピュータからシステムに通信される。いくつかの例において、コントローラは、データとして命令を受信する。このデータは、１つ以上の動作において実行される各処理工程のパラメータを指定する。なお、これらのパラメータは、実行するプロセスの種類、およびコントローラが連携または制御するように構成されているツールの種類に対して固有のパラメータであってもよいことを理解されたい。したがって、上述したように、コントローラは、１つ以上の個別のコントローラを備えることなどによって分散されてもよい。これらの個別のコントローラはネットワーク化され、本明細書に記載のプロセスおよび制御といった共通の目的に向けて動作する。このような目的のための分散コントローラの一例としては、（例えばプラットフォームレベルで、またはリモートコンピュータの一部として）遠隔設置された１つ以上の集積回路と通信するチャンバに搭載された１つ以上の集積回路が挙げられる。これらの集積回路は協働してチャンバにおけるプロセスを制御する。

【0072】

システムの非限定的な例としては、プラズマエッチングチャンバまたはモジュール、堆積チャンバまたはモジュール、スピンリンスチャンバまたはモジュール、金属めっきチャンバまたはモジュール、洗浄チャンバまたはモジュール、ベベルエッジエッチングチャンバまたはモジュール、物理気相堆積（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）チャンバまたはモジュール、化学気相堆積（ＣＶＤ：Cｈｅｍｉｃａｌ Vａｐｏｒ Dｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）チャンバまたはモジュール、原子層堆積（ＡＬＤ：Aｔｏｍｉｃ Lａｙｅｒ Dｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）チャンバまたはモジュール、原子層エッチング（ＡＬＥ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｔｃｈ）チャンバまたはモジュール、イオン注入チャンバまたはモジュール、トラックチャンバまたはモジュール、ならびに半導体ウエハの製造および／または生産において関連もしくは使用することが可能なその他のあらゆる半導体処理システムが挙げられる。

【0073】

上述した通り、ツールによって実行される１つ以上のプロセス工程に応じて、コントローラは、他のツール回路またはツールモジュール、他のツールコンポーネント、クラスタツール、他のツールインタフェース、隣接するツール、付近のツール、工場内の各所に設置されたツール、メインコンピュータ、別のコントローラ、または半導体生産工場内のツール位置および／もしくはロードポートに対してウエハコンテナの受け渡しを行う材料輸送で使用されるツールのうち、１つ以上と通信してもよい。

【0074】

本開示の目的上、「流体的に接続される」という用語は、互いに接続されて電気接続を形成するコンポーネントに関して「電気的に接続される」という用語が用いられるのと同様に、流体接続を形成するために互いに接続可能な容積、プレナム、穴などに関して用いられる。「流体的に介在する」という用語が用いられる場合、少なくとも２つの他のコンポーネント、容積、プレナム、または穴に流体的に接続されるコンポーネント、容積、プレナム、または穴を指すのに用いられてもよく、この場合、これらの少なくとも２つの他のコンポーネント、容積、プレナム、または穴の一方から、これらの他方または残りのうちの１つに流れる流体は、最初にこの「流体的に介在する」コンポーネントを流れてから、その他方または残りのうちの１つに到達する。例えば、ポンプがリザーバと出口との間に流体的に介在している場合、リザーバから出口へと流れた流体は、まずポンプを流れてから出口に到達することになる。

【0075】

さらに、「ライザーポート」という総称は、本明細書において、各径方向対称ガス分配構造のライザーポートを指すだけでなく、供給ライザーポートおよびガス分配孔を指すのにも用いられる場合があることを理解されたい。したがって、例えば、ガス分配孔は、ガス分配孔として記載されるだけでなく、ライザーポートとして記載される場合もある。同様に、供給ライザーポートは、単にライザーポートと称される場合もある。一般に、（シャワーヘッドが処理チャンバ内に設置される場合）ＤＰＦまたはＳＰＦシャワーヘッドの最下面にあるライザーポートは、「ガス分配孔」と称される場合もある。

【0076】

「１つ以上の＜項目＞の各＜項目＞について」、「１つ以上の＜項目＞の各＜項目＞」などの語句が本明細書で用いられる場合、単一の項目からなる群および複数の項目からなる群の両方を含むものと理解されたい。すなわち、「各～」という語句は、プログラミング言語においてこの語句が、参照される項目の母集団が何であれ、各項目を参照するために用いられる意味で用いられる。例えば、参照される項目の母集団が単一の項目である場合、「各（ｅａｃｈ）」という用語は、（辞書の定義によれば、「各（ｅａｃｈ）」という用語は「２つ以上のもののうちの１つ１つ」という意味として定義されることが多いという事実にもかかわらず）その単一の項目のみを指し、これらの項目が少なくとも２つ必要であることを意味するものではない。

【0077】

また、本開示において「層」という用語は、物理的に分離可能な層（例えば、積層構造において別の層に対して接着、融合、または他の方法で位置固定される層）、またはより一般的に、２つの基準面の間に画定される構造の領域のいずれかを指す場合があることを理解されたい。このような構造は、組み立てまたは接合される複数のコンポーネントで構成されてもよいし、場合によっては、一体構造（例えば、単一片構造）であってもよい。例えば、鋳造または付加製造された単一片部品は、その部品が物理的に別々の層を実際に接合することによって作成されていなくても、その異なる「層」に特徴を有すると考えられる場合がある（ただし、ほとんどの付加製造部品は、通常一度に１つの薄層が印刷されるので、本質的に層構造を有するという主張がなされ得る）。また、実際に積層体として（すなわち、個別の層から）製造される部品の「層」は、必ずしもこれらの個別の層のうちの１つと一致しない場合があることを認識されたい。例えば、ある部品のある層は、そのような個別の層部分の一部のみ、２つの隣接する個別の層部分の一部、または１つもしくは２つの隣接していない個別の層部分およびそれらの間の個別の層部分の一部を含むように定義されてもよい。

【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17】

【図18】

【図19】

【手続補正書】

【提出日】2022-06-08

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0045】

供給層１２０は、例えば、第１の供給通路１２４および第２の供給通路１２６を含む層１１６ｂを含んでもよい。これらの層はそれぞれ、層１１６ｂ内において、第１のプレナム入口１０２または第２のプレナム入口１０４の１つを、それぞれ対応する第１の供給ライザーポート１３８または第２の供給ライザーポート１４０と流体的に接続してもよい。層１１６ｂにおける第１の供給ライザーポート１３８および第２の供給ライザーポート１４０は、層１１６ｂの底部を通過するとともに、それぞれ第１の供給通路１２４または第２の供給通路１２６の１つを、層１１６ｃにおける第１の供給プレナム１３０または第２の供給プレナム１３２と流体的に接続してもよい。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0047】

各第１の供給プレナム１３０は、その第１の供給プレナム１３０から外側に放射状に延びる複数の第１の供給スポーク通路１３４を有してもよい。各第１の供給スポーク通路１３４は、すぐ下流の層１１６（例えば、層１１６ｄ）につながる層１１６ｃ内の対応する第１の供給ライザーポート１３８にて終端してもよい。同様に、各第２の供給プレナム１３２は、その第２の供給プレナム１３２から外側に放射状に延びる複数の第２の供給スポーク通路１３６を有してもよい。各第２の供給スポーク通路１３６は、すぐ下流の層１１６につながる層１１６ｃ内の対応する第２の供給ライザーポート１４０にて終端してもよい。層１１６ｃの各第１の供給ライザーポート１３８および第２の供給ライザーポート１４０は、すぐ下流の層の対応するプレナム構造の上に略中心を置く位置に配置されてもよい。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0051】

この特性により、ＤＰＦシャワーヘッド内の各プレナムのガス分配通路は「フラクタル」な外観を有し、これが、「二重プレナムフラクタルシャワーヘッド」という名称の由来となる。なお、いくつかの実装形態において、各径方向対称ガス分配構造における特定のサブ構造は、すぐ上流の層の径方向対称ガス分配構造における対応する構造から拡大または縮小されてもよいことに留意されたい。例えば、例示的なＤＰＦシャワーヘッド１００では、所与の径方向対称ガス分配構造のライザーポート間の中心間距離は、この所与の径方向対称ガス分配構造のすぐ上流の径方向対称ガス分配構造のライザーポート間の対応する中心間距離の５０％である。ただし、各スポーク通路の断面幅は、すぐ上流の径方向対称ガス分配構造における中心間間隔に対して実際に増加してもよい。図９は、そのような特性に関する追加の理解を提供する図である。図９において、各々が１つの第１の径方向対称ガス分配構造１４６および４つの隣接する第２の径方向対称ガス分配構造１４８からなる３つのセット（３つのフラクタル層１２２の各々からのセット）は、それぞれの垂直孔間の中心間距離がすべて同一であり、かつ互いに中心が合うように拡縮されている。図から分かるように、層１１６ｅの第１および第２の径方向対称ガス分配構造１４６’および１４８’（点線の輪郭で示す）は、対応する第１および第２の径方向対称ガス分配構造１４６および１４８よりも（垂直孔間の中心間距離に対して）わずかに幅が広いスポーク通路を有する。同様に、層１１６ｆの第１および第２の径方向対称ガス分配構造１４６”および１４８”（破線の輪郭で示す）は、対応する第１および第２の径方向対称ガス分配構造１４６’および１４８’よりも（垂直孔間の中心間距離に対して）わずかに幅が広いスポーク通路を有する。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0069】

いくつかの実装形態において、コントローラが設けられてもよい。コントローラはシステムの一部であってもよい。システムは、上述した例を含んでもよく、さらに、各種のバルブ、マスフローコントローラ、ポンプなどに動作可能に接続され、これらの機器から情報を受信し、かつ／またはこれらの機器を制御することが可能であってもよい。このようなシステムは、１つ以上の処理ツール、１つ以上のチャンバ、１つ以上の処理用プラットフォーム、および／または特定の処理用コンポーネント（ウエハ台座やガス流量システムなど）を含む半導体処理装置を含むことができる。これらのシステムは、半導体ウエハまたは基板の処理前、処理中、処理後におけるシステムの動作を制御するための電子機器と一体化されてもよい。電子機器は「コントローラ」と呼ぶこともでき、１つ以上のシステムの様々なコンポーネントまたはサブ部品を制御してもよい。コントローラは、処理要件および／またはシステムの種類に応じて、本明細書に開示したいずれのプロセスも制御するようにプログラムされてもよい。これらのプロセスには、本明細書に記載のＤＰＦまたはＳＰＦシャワーヘッドなどへの各種ガスの供給、温度設定（例えば、加熱および／または冷却）、圧力設定、真空設定、電力設定、流量設定、流体供給設定、ならびに位置および動作設定が含まれる。

【国際調査報告】