(57)【要約】  本発明は、半導体製造に有用なガス分配装置を提供する。本ガス分配装置は、単一部材と、単一部材内に形成され、ガスをプロセス領域内へ均一に供給するためのガス分配網とを含む。ガス分配網は、単一部材の上面を通して上方に伸び、ガス源に接続される入口通路と、１つの接合点に集中し、この接合点において入口通路に接続されている複数の第１の通路と、複数の第１の通路に接続されている複数の第２の通路と、複数の第２の通路に接続され、ガスを処理領域内へ供給する複数の出口通路とによって形成されている。第１の通路は接合点から単一部材の周縁表面まで半径方向外向きに伸び、第２の通路は第１の通路と直角ではなく、第１の通路から周縁表面まで外向きに伸びている。出口通路は単一部材の下面を通って下方に伸び、ガスを前記処理領域内へ供給する。
2007525822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス分配装置であって、
上面、下面、及び周縁表面を有する部材と、
前記部材内に形成され、ガスをプロセス領域内に均一に供給するためのガス分配網と、
を含み、
前記ガス分配網は、
前記単一部材の上面を通して上方に伸び、ガス源に接続されている入口通路と、
１つの接合点に集中し、前記接合点において前記入口通路に接続され、前記接合点から前記周縁表面まで半径方向外向きに伸びている複数の第１の通路と、
前記複数の第１の通路に接続され、前記第１の通路と直角ではなく、前記第１の通路から前記周縁表面まで外向きに伸びている複数の第２の通路と、
前記複数の第２の通路に接続され、前記下面を通って下方に伸び、ガスを前記処理領域内へ供給する複数の出口通路と、
によって形成されていることを特徴とするガス分配装置。
【請求項２】
前記部材は、円筒形の単一部材であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数の第１及び第２の通路は、同一平面内にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
隣接し合う２つの通路間の前記第２の通路は、平行であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第２の通路は、それらに接続されている前記第１の通路と約30°から約45°までの角度をなしていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の通路は、前記第１の通路と約45°の角度をなしていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
共通する前記第１の通路の両側に接続されている前記第２の通路は、互い違いに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の通路は、４つの直交する通路からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の通路は６つの通路からなり、隣接し合う２つの通路は約60°の角度をなしていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の通路は第１の直径を有し、前記第２の通路は第２の直径を有し、前記出口通路は出口直径を有し、前記第１の直径は前記第２の直径より大きく、前記第２の直径は前記出口直径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の直径は約５乃至約15ｍｍまでの範囲内で選択され、前記第２の直径は約３乃至約12ｍｍまでの範囲内で選択され、前記出口直径は約0.25乃至約2.5ｍｍまでの範囲内で選択されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記出口は、前記単一部材の下面に実質的に一定の密度を有していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記出口通路は、実質的に円筒形であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記出口通路は、小さめの直径を有する第１の部分と、大きめの直径を有する第２の部分とによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記出口通路には、前記出口通路を出るガスのサイズ及び／または方向を変更するための挿入物を受入れるためのねじが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
ガス分配システムであって、
上面、下面、及び周縁表面を有する単一の円筒形部材と、
前記単一部材内に形成されている２つの独立したガス分配網と、
を含み、
前記ガス分配網は各々、
前記上面を通して上方に伸び、ガス源に接続されている入口通路と、
１つの接合点に集中し、前記接合点において前記入口通路に接続され、前記接合点から前記周縁表面まで半径方向外向きに伸びている複数の同一平面内にある第１の通路と、
前記複数の第１の通路に接続され、前記第１の通路と同一平面内にあり且つ前記第１の通路と直角ではなく、前記第１の通路から前記周縁表面まで外向きに伸びる複数の第２の通路と、
前記複数の第２の通路に接続され、前記下面を通って下方に伸び、ガスを処理領域内へ供給する複数の出口通路と、
によって形成されており、
前記各ガス分配網の前記第１及び第２の通路は異なる高さに形成され、前記２つの独立したガス分配網は前記単一部材内において流体的に通じていない、
ことを特徴とするガス分配システム。
【請求項１７】
前記各ガス分配網の前記第１の通路は、４つの直交座標通路からなることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記２つのガス分配網の各々の前記出口通路は、前記下面を通って交互に且つ一様な形態に伸びていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記２つのガス分配網は、実質的に同一の寸法及び形態を有していることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
ガス分配システムであって、
上面、下面、及び周縁表面を有する単一の円筒形部材と、
前記単一部材内に形成されている３つの独立したガス分配網と、
を含み、
前記ガス分配網は各々、
前記上面を通して上方に伸び、ガス源に接続されている入口通路と、
１つの接合点に集中し、前記接合点において前記入口通路に接続され、前記接合点から前記周縁表面まで半径方向外向きに伸びている複数の同一平面内にある第１の通路と、
前記複数の第１の通路に接続され、前記第１の通路と同一平面内にあり且つ前記第１の通路と直角ではなく、前記第１の通路から前記周縁表面まで外向きに伸びているている複数の第２の通路と、
前記複数の第２の通路に接続され、前記下面を通って下方に伸び、ガスを処理領域内へ供給する複数の出口通路と、
によって形成されており、
前記３つのガス分配網の各々の前記第１及び第２の通路は異なる高さに形成され、前記３つの独立したガス分配網は前記単一部材内において流体的に通じていない、
ことを特徴とするガス分配システム。
【請求項２１】
前記３つのガス分配網の各々の前記第１の通路は６つの通路からなり、隣接し合う２つの通路は約60°の角度をなしていることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記３つのガス分配網は、実質的に同一の寸法及び形態を有していることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、半導体設備及び処理の分野に関する。より特定的には、本発明は、半導体製造に有用なガス分配装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウェーハ処理反応器システム及び方法は、半導体及び集積回路の製造に広く使用されている。１つの特定の型のウェーハ処理システムは、半導体及び集積回路の製造の１ステップとして、基体の表面上にフィルムまたは層を堆積させるために化学蒸着（ＣＶＤ）を使用している。複数のガスを必要とするＣＶＤプロセスにおいては、一般に、ガスは混合チャンバ内で組合わされる。次いで、ガス状混合体は導管を通して分配板、即ちシャワーヘッドへ導かれる。シャワーヘッドは、プロセス領域内にガス状混合体を均等に分配するための複数の孔を含んでいる。ガス状混合体がプロセス領域へ導入され、エネルギが注入されて加熱されるとガス間に化学反応が発生し、プロセス領域に密着する基体上にフィルムが形成される。
【０００３】
一般的には、プロセス領域内にガスが均一に分配されるように、ガスを処理領域内へ供給する前に混合することが有利であるが、ガスは混合チャンバ内において反応し始める傾向がある。従って、ガス状混合体がプロセス領域に到達する前に、混合チャンバ、導管、その他のチャンバ構成要素上への堆積、またはこれらの要素のエッチングが発生し得る。更に、反応の副産物及び堆積物が、チャンバガス供給要素内に累積する恐れがある。
【０００４】
若干の半導体プロセスにおいては、ガスを、事前に混合することなく、プロセス領域内へ順次に送給する必要がある。例えば、徐々にＣＶＤプロセスの代替になりつつある原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスにおいては、各反応物ガスは、例えばシャワーヘッドを通して反応チャンバ内へ独立的に導入されるので、ガス相の相互混合は発生しない。第１の反応物の単層は、基体表面上に物理的に、または化学的に吸着される。過剰な第１の反応物は反応チャンバから排出され、第２の反応物がシャワーヘッドを通して反応チャンバ内へ導入されて第１の反応物と反応し、自己制限表面反応を介して所望のフィルムの単層を形成する。所望のフィルム厚は、必要に応じて堆積サイクルを繰り返すことによって達成される。第１及び第２の反応物を独立的に導入し、別々にシャワーヘッドを通過させてシャワーヘッドにおける反応物間の何等かの反応を回避することが有利である。
【０００５】
従って、ＣＶＤまたはＡＬＤの何れのプロセスにおいても、ガスがシャワーヘッドを出てプロセス領域内に入るまでガスをシャワーヘッド内の別々の通路に維持することが望ましい。
【０００６】
プロセスガスを単一の入口ポートから複数の出口孔へ分配するために、シャワーヘッド本体内にガス分配網を作成して使用することができる。例えば、単一のシャワーヘッド本体内に複数の平行なチャンネルを形成し、これらのチャンネルから複数の垂直出口チャンネルがプロセス化学物質をプロセス領域内へ導く。平行チャンネルは、中央ガス源入口ラインに接続されている単一の横方向プレナムと直角に交差している。プロセスガスは、入口から“カルテシアン”通路を辿ってシャワーヘッドの出口へ通過する。即ち、プロセスガスは、横向きのプレナムに沿って横方向へ進み、平行チャンネルを走行し、プロセス出口チャンネルを通って領域内へ入る。
【０００７】
この設計の欠点は、シャワーヘッド内の一定半径の点に到達するまでの流路長に多くの変化が存在することである。その結果、典型的に、内部流れチャンネル内の背圧に大きな変化が存在することになり、多数の出口孔から出て行く出口ガス流の速度が円周方向に（即ち、方位角方向に）、及び半径方向に受入れ難い程の変化を生じるようになる。更に、単一の中央ガス入口を有するシャワーヘッド設計においては、シャワーヘッドの中心付近に存在するガスと、外側周縁に存在するガスとの間に不可避の時間的ずれが存在する。カルテシアンスタイルの流れ網に固有の一定半径の点までの流路長の大きい変化が“位相誤差”を生じさせ、それがシャワーヘッドの周縁付近に化学物質の不均一な濃度をもたらし、トランジェントフロープロセスの堆積に影響を与え得る。
【０００８】
円周方向におけ時間的ずれの変化を最小にするために、複数の平行チャンネルの代わりに半径方向に向けられた複数のチャンネルを中央ガス入口に集中させるように構成することができる。しかしながらこの型の設計は、これらの半径方向通路が末広がりになるために出口孔密度（孔／平方センチメートル）が減少する。これは、より大きい半径のところに付加的な半径方向通路を付加することによってある程度補償することはできるが、これらを同一のガス源に交差接続する必要があり、真に単一の本体材料ブロックをそのように加工することは困難である。更に、このようにしても受入れ可能な流れの均一性が得られるかどうかも明白ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、出口速度分布の均一性を改善し、しかもシャワーヘッドの中心付近から出て行くガスと、外側周縁に存在するガスとの間の円周方向の時間的ずれの変化を小さくしたガス分配システムに対する要望が存在している。ＣＶＤ及びＡＬＤプロセスに有用なガス分配装置の発展も要望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
半導体製造に有用なガス分配装置が提供される。本ガス分配装置は、プロセス領域内へのガスの均一な供給を増進し、しかも中心付近から出て行くガスと、外側周縁から出て行くガスとの間の円周方向の時間的ずれの変化を小さくする。
【００１１】
一実施の形態においては、本ガス分配装置は、１つの部材と、この単一部材内に形成され、プロセス領域内へガスを均一に供給するためのガス分配網とを含む。部材は、単一部材であることができる。ガス分配網は単一部材の上面を通して上方に伸びる入口通路を含み、この入口通路はガス源に接続されている。複数の第１の通路が１つの接合点に集中しており、この接合点において入口通路に相互接続されている。複数の第２の通路が複数の第１の通路に接続され、複数の第２の通路に接続されている複数の出口通路がガスを処理領域内へ供給する。第１の通路は、接合点から単一部材の周縁表面まで半径方向外向きに伸びている。第２の通路は、第１の通路に対して直角ではなく、且つ第１の通路から周縁表面まで外向きに伸びている。出口通路は単一部材の下面を通って下方に伸び、ガスを処理領域内へ供給する。
【００１２】
一実施の形態においては、第１の通路は、ガス分配網を４つの領域、即ち象限に分割する４つの直交する（直交座標）通路を含んでいる。各象限内の第２の通路は、互いに平行である。対向している２つの象限においては、第１及び第２の通路は対称的に配列されている。隣接している２つの象限においては、共通の第１の通路の両側の第２の通路は、互い違いに配列されている。第１及び第２の通路は、約30°から約45°までの角度をなしている。一実施の形態においては、この角度は約45°である。
【００１３】
別の実施の形態においては、第１の通路は６つの通路からなり、隣接する２つの通路は約60°の角度を形成している。
【００１４】
一般的に言えば、第１の通路の直径は、第２の通路の直径より大きい。第２の通路の直径は、出口通路の直径より大きい。一実施の形態においては、第１の通路の直径は約５ｍｍから約15ｍｍまでの範囲内にあり、第２の通路の直径は約３ｍｍから約12ｍｍまでの範囲内にあり、そして出口の直径は約0.25ｍｍから約2.5ｍｍの範囲内にある。
【００１５】
別の実施の形態においては、出口通路は実質的に円筒形であり、出口からプロセス領域内へ出て行くガスの寸法及び／または方向を変更するための挿入物を受入れる。さらなる実施の形態においては、出口通路には挿入物を受入れるためのねじが設けてある。
【００１６】
一実施の形態においては、本ガス分配システムは、単一の円筒形部材、及びこの単一部材内に形成されている２つの独立したガス分配網を含む。各ガス分配網は、単一部材の上面を通って上方に伸びてガス源に接続されている入口通路と、１つの接合点に集中し、接合点において入口通路に相互接続されている複数の同一平面内にある第１の通路と、複数の第１の通路に接続されている複数の第２の通路と、複数の第２の通路に接続され、単一部材の下面を通って下方に伸び、ガスを処理領域内へ供給する複数の出口通路とによって形成されている。第１の通路は、接合点から単一部材の周縁表面まで半径方向外向きに伸びている。第２の通路は、第１の通路と同一平面内にあり且つ第１の通路とは非直角であって、第１の通路から周縁表面まで外向きに伸びている。各ガス分配網の第１及び第２の通路は単一部材内の異なる高さに形成され、各ガス分配網の入口通路は互いにずらされている。２つの独立したガス分配網は、単一部材内において流体的に通じていない。一実施の形態においては、各ガス分配網の第１の通路は、４つの直交する通路からなる。別の実施の形態においては、２つのガス分配網の出口通路は、交互に且つ一様な形態で下面を通って伸びている。さらなる実施の形態においては、２つのガス分配網は、実質的に同一の寸法及び形態を有している。
【００１７】
一実施の形態においては、本ガス分配システムは、上面、下面、及び周縁表面を有する単一の円筒形部材と、この単一部材内に形成されている３つの独立ガス分配網とを含む。各ガス分配網は、入口通路と、複数の第１の通路と、第１の通路に接続されている複数の第２の通路と、第２の通路に接続されている複数の出口通路とによって形成されている。入口通路は、上面を通って上方に伸びてガス源に接続されている。第１の通路は接合点に集中し、接合点において入口通路に相互接続されている。第１の通路は、接合点から周縁表面まで半径方向外向きに伸びている。第２の通路は、第１の通路と同一平面内にあり且つ第１の通路とは非直角であって、第１の通路から周縁表面まで外向きに伸びている。出口通路は第２の通路に接続され、下面を通って下方に伸びてガスを処理領域内へ供給する。３つの各ガス分配網の第１及び第２の通路は単一部材内の異なる高さに形成され、３つの各ガス分配網の入口通路は互いにずらされている。３つの独立ガス分配網は、単一部材内において流体的に通じていない。一実施の形態においては、３つの各ガス分配網の第１の通路は６つの通路からなり、隣接する２つの通路は60°の角度をなしている。３つのガス分配網は、実質的に同一の寸法及び形態を有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
半導体製造に有用なガス分配装置が提供される。一般的に言えば、本発明のガス分配装置は、単一部材と、この単一部材内に形成され、ガスをプロセス領域内へ均一に送給するための１つまたはそれ以上のガス分配網とを含む。
【００１９】
以下に添付図面を参照して本発明のガス分配装置を詳細に説明する。なお、添付図面においては、類似構成要素に対しては類似参照番号が付されている。
【００２０】
図１は、本発明のシャワーヘッド１２を含む例えば原子層堆積（ＡＬＤ）反応器またはＣＶＤ反応器のような半導体ウェーハ処理反応チャンバ１０の概要図である。図１に示す反応器１０は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を如何様にも限定する意図はないことを理解されたい。以下に説明するシャワーヘッドは、ガスをプロセス領域内へ均一に分配することが望まれるような他のどのようなシステムにも使用することができる。反応器１０は、処理領域１６を限定するエンクロージャ１４を含む。半導体ウェーハのような基体１８は、ペデスタル２０上のプロセス領域１６の直近に維持される。ペデスタル２０は、基体１８を取り外すことを可能にする位置までエンクロージャ１４内を垂直に運動する。下降した位置にある間に、新しい基体１８がペデスタル２０上に配置される。次いで、ペデスタル２０がプロセス位置まで上昇し、基体をプロセス領域１６に近接させて配置する。プロセスガスが、シャワーヘッド１２を通して供給される。シャワーヘッド１２は、反応器１０の蓋を形成している。本発明の一実施の形態、例えばＣＶＤプロセスにおいては、２つのガス（ガス１及び２）が独立的に且つ別々にシャワーヘッド１２へ供給される。２つのガスは、シャワーヘッド１２内に形成されている２つの分離したガス分配網２１を介してプロセス領域１６へ分配される。これらのガスは基体１８と反応し、基体１８上に堆積物を形成させる。本発明の別の実施の形態、例えばＡＬＤプロセスにおいては、第１の反応物ガス（ガス１）は、シャワーヘッド１２内に形成されているガス分配網を介してプロセス領域１６内へ導入される。第１の反応物ガスの単層が基体表面上に物理的にまたは化学的に吸着された後に、過剰な第１の反応物ガスは不活性パージガスの援助の下に反応チャンバ１０から排出される。次いで、シャワーヘッド内に形成されている別のガス分配網を介して第２反応物ガス（ガス２）がプロセス領域１６内へ導入される。第２の反応物ガスは第１の反応物と反応し、自己制限表面反応を介して所望のフィルムの単層を形成する。過剰な第２の反応物ガスが不活性パージガスの援助の下に排出される。必要に応じて堆積サイクルを繰り返すことによって、所望のフィルム厚が得られる。
【００２１】
シャワーヘッド１２は、好ましくは図２に示すような単一部材１３であり、単一部材１３内に形成されている１つまたはそれ以上のガス分配網２１（図３に示すような）を有している。説明を簡易化するために、図２及び３には１つのガスポート２２及び１つのガス分配網２１だけを示してある。２つまたは３つのガス分配網２１を、単一部材１３内の異なる高さに独立的に形成することができ、また２つまたは３つのガスポート２２を設けてガスをこれらの２つまたは３つのガス分配網２１に独立的に且つ別々に供給することができる。２つまたは３つのガス分配網２１は単一部材１３内において相互接続されておらず、従って２つまたは３つのガスは事前に混合されることなく独立的に且つ別々にプロセス領域１６内へ導入される。２つまたは３つのガス分配網２１が単一部材１３内に形成されている一実施の形態においては、２つまたは３つのガスを分離したガス源（図示してない）からシャワーヘッド１２内へ同時に供給することができる。２つまたは３つのガス分配網２１は単一部材１３内において互いに流体的に通じていないから、２つまたは３つのガスはそれらがシャワーヘッド１２から出てプロセス領域１６内へ入るまで混合されることはない。代替として、例えば原子層堆積プロセスにおける特定のプロセス要求に合致させるように、２つまたは３つのガスは単一部材１３内の２つまたは３つのガス分配網２１を介して順次にプロセス領域１６内へ供給される。
【００２２】
部材１３は、好ましくはアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル基合金、またはシャワーヘッド１２内へ供給される特定のガスと反応しない何等かの材料のブロックから加工する。単一部材１３は、円筒形状であることも、または反応器１０の蓋として適当な如何なる形状であることもできる。単一部材１３は、上面２３、下面２４、及び周縁表面２５を含む。単一部材１３内には複数のチャンネル、通路、または孔が形成されていて、ガス分配網２１を形成している。放電穿孔、機械的穿孔、加圧した反応材による穿孔、ウォータジェット切断等のような当分野においては公知の種々の製造技術を使用してチャンネル、通路、または孔を形成することができる。一実施の形態においては、これらのチャンネルまたは通路は、機械的穿孔及び／または放電加工機（ＥＤＭ）によって形成される。
【００２３】
図３に、単一部材１３内に形成されているガス分配網２１を示す。明瞭化のために、図３にはガス分配網２１を形成しているチャンネル、通路、または孔だけを示してある。ガス分配網２１のこれらのチャンネル、通路、または孔を限定している残余の中実材料は図３には示してない。
【００２４】
図３に示すように、ガス分配網２１は、入口通路２６を含む。入口通路２６は、ガスをガス分配網２１内へ供給するために導管（図示してない）を介してガス源（図示してない）に結合されている。入口２６は、上面２３を通して上方へ伸びている。
【００２５】
複数の水平通路、即ちプレナム２８ａ−ｄが接合点３０に集中しており、単一部材１３の周縁表面２５に向かって半径方向外向きに伸びている。水平プレナム２８ａ−ｄは、周縁表面２５から穿孔することによって形成することができる。周縁表面２５上の開口は、プレナム２８ａ−ｄを形成させた後に、例えば密封栓（図示してない）によって閉じられる。入口通路２６は、接合点３０を介してプレナム２８ａ−ｄに接続されている。図３には、例示のために４つの直交する（直交座標）プレナム２８ａ−ｄだけが示されている。他の数のプレナムを形成できることを理解されたい。例えば、接合点に集中している６つのプレナムを形成し、隣接し合う２つのプレナムがなす角度を60°にすることができる。ガスは、入口通路２６を介して導入されて水平プレナム２８ａ−ｄ内へ分配される。
【００２６】
複数の分岐通路、即ち支路３２が、各水平プレナム２８ａ−ｄの通路に沿って形成されている。支路３２はプレナム２８から単一部材１３の周縁表面２５まで伸びている。支路３２は、周縁表面２５において閉じられる。これらの分岐通路、即ち支路３２は、プレナム２８と同一の高さに形成されている。図３に示す一実施の形態においては、ガス分配網２１は、４つの直交するプレナム２８ａ−ｄによって４つの領域、即ち象限３４ａ−ｄに分割されている。各象限３４ａ−ｄ内には、平行な支路３２のアレイが形成されている。個々の各支路３２の長さは、所望のガス分配形態を限定するように決定される。実質的に円形の分配形態が望まれるような一実施の形態においては、個々の各支路３２は外向きに伸び、円筒形部材１３の周縁表面２５から実質的に等距離の位置において閉じられる。プレナム２８ａ−ｄ、支路３２、及び出口３６（後述）の長さを変えることによって、方形パターンのような他の分配形態を限定することができる。
【００２７】
３４ａと３４ｃ、または３４ｂと３４ｄのような対向している２つの象限の支路３２の形態は対称的である。３４ａと３４ｂ、または３４ａと３４ｃのような隣接し合う２つの象限においては、支路３２は２８ａまたは２８ｂのような共通するプレナムに沿って形成され、プレナムから互い違いに配列され、角度が付けられている。一実施の形態においては、各支路３２はプレナムと約45°の鋭角をなしている。この角度は、ガス分配網の数及び所望の出口孔パターンによって課せられるジオメトリの要求によって決定することができる。
【００２８】
各支路３２の通路に沿って、ガスをプロセス領域１６内へ分配するための通路、即ち出口３６のアレイが形成されている。出口３６は下方に伸び、図４に示すように、単一部材１３の下面２４に開いている。出口３６の通路は、直線で、円筒形であることができる。代替として、出口３６の通路は、支路３２に近い第１の部分と、支路３２から離れた第２の部分とを含む。プロセスの要求に従って出口３６の背圧を制御するために、出口通路の第１の部分の直径を第２の部分の直径より大きく、または小さくすることができる。出口通路には、出口のサイズまたはプロセス領域内へ出て行くガスの方向を変更するように設計されている挿入物を受入れるために、ねじを設けることもできる。本願と同時に出願された米国特許出願第 号（代理人ドケットNo. A-72314）“調整可能なガス分配システム”には、本ガス分配システムに使用することができる挿入物の実施の形態が開示されているので、参照されたい。
【００２９】
プレナム２８ａ−ｄ、支路３２、及び出口３６の直径は、所望の出口速度が得られるように選択される。一実施の形態においては、プレナム２８ａ−ｄの直径は支路３２の直径よりも大きく、支路３２の直径は出口３６の直径よりも大きい。出口の直径を小さくすると、ガスの流れに対する抵抗が作られて全ての出口の背圧の変化をより小さく保つようになる。望ましいこの効果は、プレナム及び支路の直径を大きくすることによって支援される。典型的には、もし全ての出口における背圧が均一であれば、出口速度もまた均一である。しかしながら、出口を小さくし過ぎると半導体製造には望ましくないガスの“ジェット化”がもたらされるので、出口を小さくし過ぎることは望ましくない。出口３６の直径は分配領域全体にわたって均一にすることができる。代替として、内側領域の直径を大きめにし、外側領域の直径を小さめにするように出口３２の直径を異ならせる。
【００３０】
一実施の形態においては、プレナム２８ａ−ｄの直径は約５ｍｍから約15ｍｍの範囲内にあるように、支路３２の直径は約３ｍｍから約12ｍｍの範囲内にあるように、そして出口の直径は約0.25ｍｍから約2.5ｍｍの範囲内にあるように選択される。別の実施の形態においては、プレナム２８ａ−ｄの直径は約９ｍｍから約12ｍｍの範囲内にあるように、支路３２の直径は約６ｍｍから約９ｍｍの範囲内にあるように、そして出口の直径は約１ｍｍから約1.5ｍｍの範囲内にあるように選択される。
【００３１】
図３には、明瞭化及び簡易化のために若干の支路、出口、及びプレナムだけを示してある。特定のプロセスに望まれる出口密度が得られるように、多くの支路及び出口を形成できることを理解されたい。例えば、プレナム、支路、及び出口の数は、約１孔／２ｃｍ2の出口密度が得られるように選択される。
【００３２】
以下の表１は、計算流体ダイナミックス（ＣＦＤ）シミュレーションで解析した本ガス分配システムのモデリング結果を要約したものである。
【００３３】
【表１】
2007525822.tif 000003
【００３４】
表１の最大／最小は、最大出口速度と最小出口速度の比である。範囲／平均は、最大／最小値と平均ガス流速度の比である。最大／最小、及び範囲／平均の値は、ガス分配システムの性能をランク付けするために用いられる。ガスをプロセス領域内へ均一に分配するためには、最大／最小、及び範囲／平均の値が小さいことが望ましい。
【００３５】
表１は、本ガス分配装置の性能が、従来技術のシャワーヘッドに比して遥かに優れていることを示している。従来技術のカルテシアンスタイル網型のシャワーヘッドの最大／最小比を試験した結果、出口速度の変動が350％より高いことを意味する3.584であることが分かった。また範囲／平均は1.50、即ち150％であった。これに対して本発明のガス分配システムの最大／最小比は僅か1.220から1.364までであり、範囲／平均比は僅か0.131から0.337までの範囲である。
【００３６】
図５は、従来技術のジオメトリにおける出口速度を示すバブルプロットである。図６は、表１の設計５によって限定される本ガス分配システムのジオメトリにおける出口速度を示すバブルプロットである。図５に示すように、外側周縁領域におけるバブルは、明らかに内側領域におけるバブルよりも小さい。換言すれば、内側領域における流れ速度が、外側周縁領域における流れ速度よりも大きい。図６は、本発明のガス分配システムによる流れ速度の改善を示している。図６は、中央領域からの距離には無関係に、出口速度が実質的に均一であることを示している。
【００３７】
本ガス分配システムの１つの長所は、従来技術のシャワーヘッド設計に比して、極方向の通過時間の変動が小さいことである。図７及び８は、本ガス分配システムと、従来技術のシャワーヘッドにおける内部及び外部通路長を比較している。図７及び８において、ｘ軸は出口周縁位置を表し、ｙ軸は外側周縁の出口まで走行するガスのための内部通路の長さと、中心接合点から同一の出口まで半径方向外向きにガスが走行する外部通路の長さとの比を表している。図３に示す本ガス分配システムにおいては、周縁位置Ｇ及びＨにおける内部／外部通路比は、半径方向設計の故に、図８に示すように１に極めて近い。従来技術のシャワーヘッドにおいては、対応する周縁位置における内部／外部通路比は、図７に示すように1.4程度まで高くなり得る。図７及び８は、本ガス分配システムが、シャワーヘッドの中心から出て行くガスと、外側周縁から出て行くガスとの間の円周方向の時間的なずれの変動を大幅に減少させていることを示している。このことは、プロセス領域内へのガスの分配の均一性を高め、そしてそれは半導体製造においては望ましいことである。
【００３８】
一実施の形態においては、２つのガスをプロセス領域内へ独立的に、且つ別々に供給するために、単一部材内の異なる高さに２つの内部ガス分配網が形成される。２つの内部ガス分配網の各々については、図２−８を参照して上述した。２つの内部ガス分配網は、単一部材内において流体的に通じていない。２つの内部ガス分配網の構成は、実質的に同一であることができる。図９に示す一実施の形態においては、２つの内部ガス分配網の各々は、４つの直交する主通路、即ちプレナム５４ａ−ｄ、及び６４ａ−ｄによって４つの領域、即ち象限に分割されている。４つのプレナムは接合点に集中しており、単一部材の周縁表面まで半径方向外向きに伸びている。複数の平行な分岐通路、即ち支路５８及び６８が各象限内に形成されている。支路５８及び６８はそれぞれプレナム５４ａ−ｄ及び６４ａ−ｄに結合され、単一部材の周縁表面まで外向きに伸びている。支路と、それらに接続されているプレナムとは、約45°の角度をなしている。入口通路が形成され、プレナムの接合点に結合されている。入口通路は単一部材の上面を通って上方に伸び、導管を介してガス源に結合されている。複数の垂直出口通路５９及び６９がそれぞれ、各支路５８及び６８の通路に沿って形成されている。出口通路５９及び６９は単一部材の下面を通って下方へ伸び、ガスをプロセス領域内へ導く。
【００３９】
２つの内部ガス分配網は、一方の内部ガス分配網のプレナム、支路、入口及び出口通路が、別の内部ガス分配網の対応するプレナム、支路、入口及び出口通路とずれるように、単一部材内の異なる高さに配列されている。換言すれば、単一部材を上方または下方から見た時に対応するプレナム、支路、入口及び出口通路は重なり合わない。単一部材を下方から見た時の各内部ガス分配網の出口通路は、交互に且つ一様な形態で前記下面を通って伸びている。
【００４０】
さらなる実施の形態においては、内部ガス分配網は、３つのガスをプロセス領域内へ独立的に、且つ別々に供給するために、単一部材内の異なる高さに３つの内部ガス分配網が形成されている。３つの内部ガス分配網の各々については、図２−８を参照して上述した。３つの内部ガス分配網は、単一部材内において流体的に通じてはいない。３つの内部ガス分配網の構成は、実質的に同一であることができる。一実施の形態においては、３つの内部ガス分配網の各々は、６つの主通路、即ちプレナムによって６つの領域に分割されている。６つのプレナムは接合点に集中しており、単一部材の周縁表面まで半径方向外向きに伸びている。複数の平行な分岐通路、即ち支路が６つの各領域内に形成されている。支路はプレナムに結合され、単一部材の周縁表面まで外向きに伸びている。支路とそれらに接続されているプレナムとは、約30°の角度をなしている。入口通路が形成され、プレナムの接合点に結合されている。入口通路は単一部材の上面を通って上方に伸び、導管を介してガス源に結合されている。複数の垂直出口通路が、各支路の通路に沿って形成されている。出口通路は単一部材の下面を通って下方へ伸び、ガスをプロセス領域内へ導く。
【００４１】
３つの内部ガス分配網は、単一部材内の異なる高さに、且つ１つの内部ガス分配網の入口及び出口通路が他の２つの内部ガス分配網の入口及び出口通路とずれるように配列されている。換言すれば、単一部材を上方から、または下方から見た時に対応する入口及び出口通路は重なり合っていない。
【００４２】
以上に説明したように、本発明によってガス分配装置が提供される。上述した本発明の特定の実施の形態の説明は、単なる例示の目的に過ぎない。この説明は、本発明をこれらの実施の形態以外を排除するものでも、本発明を制限するものでもなく、以上の説明から多くの変更、実施の形態、及び変化が可能であることは明白である。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって限定されるものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施の形態によるガス分配装置を含む半導体反応器システムの概要図である。
【図２】本発明の一実施の形態による単一部材から加工されたガス分配装置の外観図である。
【図３】本発明の一実施の形態による単一部材内に形成された内部ガス分配網を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態による単一部材の底面を通る出口通路を示すガス分配装置の外観図である。
【図５】従来技術のシャワーヘッドのジオメトリにおける出口速度を示すバブルプロットである。
【図６】本発明の一実施の形態によるガス分配装置のジオメトリにおける出口速度を示すバブルプロットである。
【図７】従来技術の内部及び外部通路長比を示すプロットである。
【図８】本発明の一実施の形態によるガス分配装置の内部及び外部通路長比を示すプロットである。
【図９】本発明の一実施の形態による単一部材内に形成された２つの内部ガス分配網を示す図である。
【図１】
2007525822.tif 000004
【図２】
2007525822.tif 000005
【図３】
2007525822.tif 000006
【図４】
2007525822.tif 000007
【図５】
2007525822.tif 000008
【図６】
2007525822.tif 000009
【図７】
2007525822.tif 000010
【図８】
2007525822.tif 000011
【図９】
2007525822.tif 000012