(57)【要約】【課題】【解決手段】セラミックシャワーヘッドのためのガス供給システムが、ガス接続ブロックとガスリングとを備えており、ガス接続ブロックは、ブロックのガス流出口がシャワーヘッドの外周のガス流入口にプロセスガスを供給するように、ガスリングに取り付けられる。ガスリングは、流路を内部に備えた下部リングと、流路を覆う溶接されたカバープレートとを備える。ガスリングは、ガスリングの長さの１／２にわたって伸びる第１の流路と、第１の流路の下流端に中点が接続された２つの第２の流路と、第２の流路の下流端に中点が接続された４つの第３の流路とを備えてよい。カバープレートは、第１の流路を覆う第１の部分と、第１の部分の端部に中点が接続された２つの第２の部分と、第２の部分の端部に中点が接続された第３の部分とを備えてよい。流路は、プロセスガスがガスリングの１つのガス流入口からカバーリングの８つの流出口まで等しい距離を移動して等しいガス流量を可能にするように構成される。【選択図】図８Ａ
2014515561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板支持体に支持された半導体基板にプラズマエッチングを施す誘導結合プラズマ処理装置用のセラミックシャワーヘッドにプロセスガスを供給するために用いるガス供給システムであって、前記セラミックシャワーヘッドは、その外周から内向きに伸びる複数の半径方向ガス流入口を備え、前記ガス供給システムは、
前記セラミックシャワーヘッドに取り付けられるよう適合された複数のガス接続ブロックであって、前記複数のブロックの各々のガス流出口は、前記セラミックシャワーヘッドの前記複数のガス流入口の内の対応する１つに流体連通する、複数のガス接続ブロックと、
均一な断面で等しい長さの複数の流路と、前記複数の流路の下流端に流体連通する複数のガス流出口とを有するガスリングであって、前記複数のガス流出口の各々は、前記複数のガス接続ブロックの内の対応する１つと係合する取り付け面に配置されると共に、前記複数のガス接続ブロックの内の対応するブロックのガス流入口に流体連通する、ガスリングと、
を備える、ガス供給システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガス供給システムであって、前記ガスリングは、８つのガス流出口を備え、前記複数の流路は、前記ガスリングの長さの約半分にわたって伸びる第１の流路と、前記第１の流路の下流端に中点が接続された２つの第２の流路と、前記第２の流路の下流端に中点が接続された４つの第３の流路とを備える、ガス供給システム。
【請求項３】
請求項２に記載のガス供給システムであって、前記ガスリングは、内部に前記複数の流路を備えた下部リングと、前記複数の流路を覆うカバープレートと、を備える、ガス供給システム。
【請求項４】
請求項２に記載のガス供給システムであって、前記ガスリングは、前記第１の流路の中点に接続された１つのガス流入口を備える、ガス供給システム。
【請求項５】
請求項４に記載のガス供給システムであって、前記複数のガス流出口は、前記ガスリングの中心から半径約１０ないし１１インチの位置に配置され、前記複数のガス接続ブロックの各々は、前記複数のガス接続ブロックを前記ガスリングに取り付ける複数の留め具を受け入れるよう適合された２つの取り付け穴を備え、前記取り付け穴は、約１インチ離間されて配置されている、ガス供給システム。
【請求項６】
請求項３に記載のガス供給システムであって、前記カバープレートおよび下部リングは、ステンレス鋼またはポリマ材料で製造される、ガス供給システム。
【請求項７】
請求項１に記載のガス供給システムであって、前記ガスリングは、外周にガス流入口を備え、前記ガス流入口から１８０°の位置に２つの自由端を備える、ガス供給システム。
【請求項８】
請求項７に記載のガス供給システムであって、前記自由端は、前記ガスリングを前記シャワーヘッドに取り付ける際に前記リングの前記自由端が広がるのを制限する広がり制限部によって接続される、ガス供給システム。
【請求項９】
請求項１に記載のガス供給システムであって、前記ガスリングは長方形の断面を有し、前記複数のガス流路は長方形の断面を有し、前記カバープレートは、約０．０３インチの厚さを有し、前記下部リングの上面にある凹部内に配置され、前記第３の部分の自由端に丸い端部を備え、前記丸い端部は、約０．３２インチの直径を有し、前記丸い端部の中心に貫通孔を備え、前記貫通孔は、約０．１９インチの直径を有する、ガス供給システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のガス供給システムであって、前記ガス接続ブロックの前記ガス流出口は、前記シャワーヘッドの外周と係合する垂直取り付け面に配置され、第１および第２の穴が、前記ガス流出口の両側に前記垂直取り付け面を通して伸び、第１および第２の段付きねじが、前記穴内に移動可能に取り付けられ、前記段付きねじは、前記シャワーヘッドの取り付け穴に取り付けられた留め具と係合する端部を有する、ガス供給システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のガス供給システムであって、前記ガス接続ブロックの前記ガス流入口は、前記ガスリングの上面に係合する水平取り付け面に配置され、第１および第２の取り付け穴が、前記水平取り付け面を通して伸び、前記取り付け穴内のねじが、前記ガス接続ブロックを前記ガスリングに取り付ける、ガス供給システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のガス供給システムであって、前記水平取り付け面は、Ｏ−リング溝を備え、前記Ｏ−リング溝内のＯ−リングが、前記ガス接続ブロックの前記ガス流入口の周りにシールを提供する、ガス供給システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のガス供給システムであって、前記垂直取り付け面は、Ｏ−リング溝を備え、前記Ｏ−リング溝内のＯ−リングが、前記ガス接続ブロックの前記ガス流出口の周りにシールを提供する、ガス供給システム。
【請求項１４】
請求項９に記載のガス供給システムであって、前記下部リングの前記複数の流路は、約０．１インチの幅および約０．３２インチの高さを有し、前記下部リングの前記上面は、前記カバーを収容する凹部を備え、前記凹部は、前記複数の流路に沿って約０．１２インチの幅を有する、ガス供給システム。
【請求項１５】
請求項１に記載のガス供給システムをシャワーヘッドに取り付ける方法であって、前記複数のガス接続ブロックの前記複数のガス流出口が前記シャワーヘッドの前記外周の複数のガス流入口と整列するように前記シャワーヘッドの周りに前記ガスリングを配置する工程と、前記ガスリングを前記シャワーヘッドに固定する工程と、を備える、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記配置する工程は、前記ガスリングの自由端を開く工程と、前記シャワーヘッドを囲むように前記ガスリングを垂直に嵌める工程とを含み、前記固定する工程は、前記自由端を閉じる工程と、前記ガスリングが前記シャワーヘッドの周りの適切な位置に保持されるように、前記自由端の間に取り付けられた広がり制限部を締める工程とを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記固定する工程は、さらに、水平の穴を備えた垂直の留め具を前記シャワーヘッドの上面の取り付け穴に配置する工程と、前記ガス接続ブロックの穴に取り付けられた水平の段付きねじを、前記垂直の留め具の前記水平の穴に入るように、前記シャワーヘッドの外周にある水平の取り付け穴内に摺動させる工程とを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ボッシュプロセスは、半導体産業において、トレンチおよびビアなど、深い垂直の（高アスペクト比の）フィーチャ（数十ないし数百マイクロメートルの深さを有する）を加工するために広く利用されてきたプラズマエッチング処理である。ボッシュプロセスは、交互のエッチング工程および蒸着工程のサイクルを含む。ボッシュプロセスの詳細については、米国特許第５，５０１，８９３号に記載されており、この特許は参照により本明細書に組み込まれる。ボッシュプロセスは、高密度プラズマ源（誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）など）と高周波（ＲＦ）バイアス基板電極とを備えるよう構成されたプラズマ処理装置内で実行されうる。シリコンをエッチングするためにボッシュプロセスで用いられるプロセスガスは、エッチング工程での六フッ化硫黄（ＳＦ６）、および、蒸着工程でのオクトフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）であってよい。エッチング工程で用いられるプロセスガスおよび蒸着工程で用いられるプロセスガスを、以下では、それぞれ、「エッチングガス」および「蒸着ガス」と呼ぶこととする。エッチング工程中、ＳＦ６は、シリコン（Ｓｉ）の自発的な等方性エッチングを促し、蒸着工程中、Ｃ４Ｆ８は、エッチングされる構造の側壁および底部への保護ポリマ層の蒸着を促す。ボッシュプロセスは、エッチング工程と蒸着工程とを交互に繰り返すことにより、マスクされたシリコン基板内に深い構造を規定することを可能にする。エネルギが高く方向性のあるイオン衝撃（エッチング工程で起きる）により、前の蒸着工程でエッチング対象構造の底部にコートされたすべてのポリマ薄膜が除去され、さらなるエッチングに向けてシリコン表面が露出される。側壁のポリマ薄膜は、直接的なイオン衝撃にさらされないので残留し、それにより、側方のエッチングを防止する。
【０００２】
ボッシュプロセスの１つの制約は、エッチングされた深いフィーチャの側壁が粗くなることである。この制約は、ボッシュプロセスで用いられる周期的なエッチング／蒸着スキームによるものであり、側壁の「スカロッピング」として当業者に周知である。多くのデバイス応用にとっては、この側壁粗さすなわちスカロッピングを最小化することが望ましい。スカロッピングの程度は、通例、スカロップの長さおよび深さとして測定される。スカロップの長さは、側壁粗さの頂点から頂点までの距離であり、１つのエッチングサイクル中に達成されたエッチングの深さと正の相関を持つ。スカロップの深さは、側壁粗さの頂点から底部までの距離であり、個々のエッチング工程の異方性の程度に相関する。スカロップ形成の程度は、各エッチング／蒸着工程の期間を短くする（すなわち、より短いエッチング／蒸着工程をより高頻度で繰り返す）ことによって最小化できる。
【０００３】
より滑らかなフィーチャの側壁に加えて、より高い全体のエッチング速度を実現することが望ましい。全体のエッチング速度は、処理中にエッチングされた深さ全体を総処理時間で割ることによって算出される。全体のエッチング速度は、処理工程内の効率を上げる（すなわち、無駄時間を削減する）ことによって増大できる。
【０００４】
図１は、基板１２０を処理するための従来のプラズマ処理装置１００を示しており、プラズマ処理装置１００は、基板支持体１３０と、基板支持体１３０を囲む処理チャンバ１４０とを備える。基板１２０は、例えば、４，６，８，１２インチなどの直径を有する半導体ウエハであってよい。基板支持体１３０は、例えば、高周波（ＲＦ）を供給される電極を備えてよい。基板支持体１３０は、チャンバ１４０の下端壁から支持されてもよいし、片持ち支持されてもよい（例えば、チャンバ１４０の側壁から伸びてもよい）。基板１２０は、機械的または静電的に電極１３０に固定されてよい。処理チャンバ１４０は、例えば、真空チャンバであってよい。
【０００５】
基板１２０は、処理チャンバ１４０内のプロセスガスを高密度プラズマに励起することによって処理チャンバ１４０内で処理される。エネルギ源が、チャンバ１４０内の高密度（例えば、１０１１〜１０１２イオン／ｃｍ３）プラズマを維持する。例えば、アンテナ１５０（図１に示した平面多重巻きらせんコイル、非平面多重巻きコイル、または、別の形状のアンテナなど）が、適切なＲＦ電源および適切なインピーダンス整合回路によって電力供給されて、高密度プラズマを生成するためにチャンバにＲＦエネルギを誘導結合する。アンテナ１５０に印加されるＲＦ電力は、チャンバ１４０内で用いられる異なるプロセスガス（例えば、ＳＦ６を含むエッチングガスおよびＣ４Ｆ８を含む蒸着ガス）に応じて変更されうる。チャンバ１４０は、チャンバ１４０の内部を所望の圧力（例えば、５Ｔｏｒｒ未満、好ましくは１〜１００ｍＴｏｒｒ）に維持するのに適切な真空ポンプ装置を備えてよい。図１に示した一様な厚さの平面誘電体窓１５５または非平面誘電体窓（図示せず）など、誘電体窓が、アンテナ１５０と処理チャンバ１４０の内部との間に提供されており、処理チャンバ１４０の上部に真空壁を形成する。誘電体窓１５５の下方の主ガスリング１７０または中央インジェクタ１８０を通してプロセスガスをチャンバ１４０内に供給するために、ガス供給システム１１０が利用されてよい。図１のプラズマ処理装置１００の詳細は、本願の権利者が所有する米国特許出願公開第２００１／００１０２５７号、第２００３／００７０６２０号、米国特許第６，０１３，１５５号、または、米国特許第６，２７０，８６２号に開示されており、それぞれ、参照によって本明細書に全体が組み込まれる。
【０００６】
高速ガス切り替え用に設計されたガス供給システムは、本願の権利者が所有する米国特許第７，４５９，１００号および第７，７０８，８５９号ならびに米国特許公開第２００７／０１５８０２５号および２００７／００６６０３８号に開示されており、これらの開示は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００７】
基板１２０は、シリコンウエハおよび／またはポリシリコンなど、シリコン材料を含むことが好ましい。ホール、ビア、および／または、トレンチなど、様々なフィーチャが、シリコン材料にエッチングされる。所望のフィーチャをエッチングするための開口部パターンを有するパターニングされたマスキング層（例えば、フォトレジスト、酸化シリコン、および／または、窒化シリコン）が、基板１２０上に配置される。
【０００８】
図１の装置１００に関する１つの問題は、主ガスリング１７０が、基板１２０の中央よりも周囲の近くに位置することから、基板１２０の上で１つのプロセスガスから別のプロセスガスに完全に置き換わるのに必要な時間のせいでエッチング速度が増大し、処理中に基板にわたってガス圧力が不均一になるために処理が不均一になりうることである。
【発明の概要】
【０００９】
本明細書では、基板支持体に支持された半導体基板にプラズマエッチングを施す誘導結合プラズマ処理装置用のセラミックシャワーヘッドにプロセスガスを供給するために用いるガス供給システムが開示されており、セラミックシャワーヘッドは、その外周から内向きに伸びる半径方向ガス流入口を備え、ガス供給システムは、セラミックシャワーヘッドに取り付けられるよう適合されたガス接続ブロックであって、ブロックの各々のガス流出口は、セラミックシャワーヘッドのガス流入口の内の対応する１つと流体連通する、ガス接続ブロックと、等しい長さの流路と、流路の下流端に流体連通するガス流出口とを有するガスリングであって、ガス流出口の各々は、ガス接続ブロックの内の対応する１つを支持する取り付け面に配置される、ガスリングと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来のプラズマ処理装置を示す図。
【００１１】
【図２】好ましい実施形態に従ったプラズマ処理装置を示す図。
【００１２】
【図３Ａ】下側プレート２７０の上面を示す斜視図。
【図３Ｂ】下側プレート２７０の下面を示す斜視図。
【図３Ｃ】下側プレート２７０の底面図。
【図３Ｄ】下側プレート２７０の断面図。
【００１３】
【図４Ａ】上側プレート２８０の上面を示す斜視図。
【図４Ｂ】上側プレート２８０の下面を示す斜視図。
【図４Ｃ】上側プレート２８０の側面図。
【図４Ｄ】上側プレート２８０の断面図。
【図４Ｅ】図４ＤのＥの部分の詳細図。
【図４Ｆ】図４ＥのＦの部分の詳細図。
【図４Ｇ】図４ＨのラインＧ−Ｇに沿ったガス接続位置における断面図。
【図４Ｈ】図４ＣのＨの部分の詳細な端面図。
【００１４】
【図５Ａ】下側プレート２７０に取り付けられた上側プレート２８０の上面斜視図。
【図５Ｂ】図５Ａに示したアセンブリの断面図。
【００１５】
【図６Ａ】セラミックシャワーヘッドにプロセスガスを供給するガス接続ブロックの正面斜視図。
【図６Ｂ】ブロックの背面斜視図。
【図６Ｃ】ブロックの底面図。
【００１６】
【図７Ａ】ガスリングの上面図。
【図７Ｂ】ガスリングの斜視図。
【図７Ｃ】カバープレートを下部リングから分離した状態のガスリングの詳細図。
【００１７】
【図８Ａ】ガスリングがセラミックシャワーヘッドを囲む様子を示す図。
【図８Ｂ】ガス接続ブロックの段付きねじがシャワーヘッドの取り付け穴に嵌まった留め具の開口部と係合する様子を示す図。
【図８Ｃ】シャワーヘッドの外周の半径方向取り付け穴に挿入された段付きねじと、シャワーヘッドに完全に挿入された留め具とを示す図。
【図８Ｄ】ガスリングおよびシャワーヘッドに取り付けられたガス接続ブロックの断面斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本明細書に開示されたプラズマ処理装置は、上述の従来の装置１００よりも、高いエッチング速度と高い均一性とを実現できる。
【００１９】
一実施形態によると、図２に示すように、基板２２０を処理するためのプラズマ処理装置２００が、基板支持体２３０と、基板支持体２３０を囲む処理チャンバ２４０とを備える。基板２２０は、例えば、８インチ、１２インチ、または、それよりも大きい直径を有する半導体ウエハであってよい。基板支持体２３０は、例えば、高周波（ＲＦ）を供給される電極を備えてよい。基板支持体２３０は、チャンバ２４０の下端壁から支持されてもよいし、片持ち支持されてもよい（例えば、チャンバ２４０の側壁から伸びてもよい）。基板２２０は、機械的または静電的に基板支持体２３０に固定されてよい。
【００２０】
基板２２０は、処理チャンバ２４０内のプロセスガスを高密度プラズマに励起することによって処理チャンバ２４０内で処理される。エネルギ源が、チャンバ２４０内の高密度（例えば、１０11〜１０12イオン／ｃｍ3）プラズマを生成および維持する。例えば、アンテナ２５０（図２に示した平面多重巻きらせんコイル、非平面多重巻きコイル、または、別の形状のアンテナなど）が、適切なＲＦ電源および適切なインピーダンス整合回路によって電力供給されて、高密度プラズマを生成するためにチャンバにＲＦエネルギを誘導結合する。アンテナ２５０に印加されるＲＦ電力は、好ましくは約１秒未満、より好ましくは約２００ミリ秒未満の期間内にエッチングガスまたは蒸着ガスを交互に供給するサイクル中、同じ電力レベルに維持されてもよいし、チャンバ２４０で用いられる異なるプロセスガス（例えば、ＳＦ6を含むエッチングガスおよびＣ4Ｆ8を含む蒸着ガス）に応じて変更されてもよい。チャンバ２４０は、チャンバ２４０の内部を所望の圧力（例えば、５Ｔｏｒｒ未満、好ましくは１〜５００ｍＴｏｒｒ）に維持するのに適切な真空ポンプ装置によって排気される。圧力は、エッチングサイクルおよび蒸着サイクル中、同じレベルに維持されてもよいし、変更されてもよい。
【００２１】
チャンバは、一様な厚さのセラミックシャワーヘッド２６０を備えており、シャワーヘッド２６０は、アンテナ２５０と処理チャンバ２４０の内部との間に提供され、処理チャンバ２４０の上部に真空壁を形成する。シャワーヘッド２６０のガス流路を通してプロセスガスをチャンバ２４０内に供給するために、ガス供給システム２１０が利用されてよい。ガス供給システム２１０は、４０ミリ秒以内、好ましくは３０ミリ秒以内に開閉する高速切替バルブ（カリフォルニア州サンタクララのＦｕｊｉｋｉｎ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ社から入手可能なバルブ型番ＦＳＲ−ＳＤ−７１−６．３５など）を介してチャンバ内にエッチングガスまたは蒸着ガスを交互に供給する。バルブは、エッチングガスまたは蒸着ガスの一方がシャワーヘッドに供給されている時に他方をバイパスラインに送らない開閉バルブであってよい。高速ガス切替バルブは、開閉前に安定するのに２５０ミリ秒掛かりうるＭＦＣバルブより高速な切り替えを提供する。
【００２２】
好ましい実施形態において、シャワーヘッドは、アルミナ、窒化シリコン、窒化アルミニウム、ドープ炭化シリコン、石英など、電気絶縁セラミック材料で形成された上側プレート２８０および下側プレート２７０（図３Ａ〜Ｄおよび図４Ａ〜Ｈを参照して後述する）を備えた２ピースのセラミックシャワーヘッドである。シャワーヘッドのガス孔内でのプラズマの点火を防止するために、ガス孔は０．０６インチ以下の直径と、少なくとも２のアスペクト比とを有することが好ましい。例えば、下側プレート２７０は、少なくとも０．２インチ、好ましくは０．２ないし１インチの厚さを有してよい。下側プレート２７０の下面と基板２２０との間の垂直距離（チャンバギャップ）は、プラズマが生成されるシャワーヘッドプレートと基板との間のチャンバギャップを調節するために、基板支持体を垂直方向に移動させることによって変更されうる。
【００２３】
基板２２０は、シリコンウエハおよび／またはポリシリコンなど、シリコン材料を含むことが好ましい。ホール、ビア、および／または、トレンチなど、様々なフィーチャが、シリコン材料にエッチングされる。所望のフィーチャをエッチングするための開口部パターンを有するパターニングされたマスキング層（例えば、フォトレジスト、酸化シリコン、および／または、窒化シリコン）が、基板２２０上に配置される。
【００２４】
横からガスを注入する従来のプラズマ処理装置１００に比べて、プラズマ処理装置２００は、チャンバギャップ内のプロセスガスを、エッチングガスから蒸着ガスに、および、その逆に、より高速かつ均一に切り替えることができる。基板２２０が３００ｍｍの直径を有し、チャンバギャップが４インチよりも大きい一実施形態において、装置２００は、基本的に、上側および下側プレートの間のプレナム内のプロセスガスを約２００ミリ秒以内で完全に切り替える（例えば、少なくとも９０％）と共に、基本的に、チャンバギャップ内のプロセスガスを約７００ミリ秒以内で完全に切り替える（例えば、少なくとも９０％）ことができる。横からガスを注入した場合に実現されるエッチング速度が約３μｍ／分であるのに対し、かかる高速ガス切り替えは、プラズマ処理装置２００を用いてシリコンに開口する際のエッチング速度を１０μｍ／分以上まで大幅に増大させることが可能であり、エッチングされるフィーチャのクリティカルディメンション（ＣＤ）によっては、エッチング速度は２０μｍ／分を超えうる。
【００２５】
図３Ａ〜Ｄは、下側プレート２７０の詳細を示す図であり、図３Ａは上面の斜視図、図３Ｂは下面の斜視図、図３Ｃは底面図、図３Ｄは断面図である。
【００２６】
図３Ａ〜Ｄに示すように、下側プレート２７０は、平坦な下面３０２と、中央部分３０６が厚く外側部分３０８が薄い段付きの上面３０４とを備えており、２列の軸方向のガス孔３１０が、外側部分３０８の環状領域３１２に配置され、上面３０４および下面３０２の間に伸びている。下面３０２は、その外側部分に段３２０を備え、プラズマチャンバの温度制御された壁に対して真空シールされる環状の真空シール面３１４を備える。下側プレート２７０は、上面３０４の環状領域３１２の両側に、環状の内側真空シール面３１６および環状の外側真空シール面３１８を備える。下側プレート２７０の温度を監視するために、中央部分３０６の上面に、ブラインドホール３２２が配置されている。
【００２７】
厚い中央部分３０６は、中央部分３０６の露出した上面の上方の周囲大気に熱を効率的に放散する。シャワーヘッドの外縁は、シャワーヘッドにわたる温度勾配を相殺するために、高い温度に設定されうる。１または複数の熱ガスケット５０６が、下側プレート２７０の外側部分３０８と上側プレート２８０との間の熱伝達を促すために用いられてよい。下側プレート２７０は、熱および真空の負荷のほとんどにさらされて、高い熱応力を受ける。上側プレート２８０に複雑なガス供給導管を設けることにより、チャンバ内での基板のプラズマ処理中に熱応力によって破損するリスクが小さくなる。さらに、上側および下側プレートは、真空力によって一体化され、Ｏ−リングによってシールされているので、定期的にこれら２つの部品を取り外して洗浄するのが容易である。耐食性を提供するために、下側プレートのプラズマ露出面は、イットリアで被覆されてよい。
【００２８】
３００ｍｍウエハを処理するよう設計されたチャンバにおいて、下側プレート２７０は、ウエハよりも広く、真空シール面３１２は、チャンバ２４０の上部の対応するシール面と係合する。例えば、下側プレート２７０は、約２０インチの直径、中央部分３０６における約１．５インチの厚さ、および、外側部分３０８における約０．８インチの厚さを有してよく、ガス孔３１０は、約０．０４インチの直径を有すると共に下側プレート２７０の中心から約５インチに配置された３２個のガス孔を含む内側の列と、約０．０４インチの直径を有すると共に下側プレート２７０の中心から約６．５インチに配置された３２個のガス孔を含む外側の列とを含む２つのガス孔列に配列されており、シール面３１４は、下面３０２の段３２０に配置され、段３１４は、約０．４インチの深さおよび約１．２インチの幅を有する。
【００２９】
図４Ａ〜Ｈは、上側プレート２８０を示しており、図４Ａは上面の斜視図、図４Ｂは下面の斜視図、図４Ｃは側面図、図４Ｄは断面図、図４Ｅは図４ＤのＥの部分の詳細図、図４Ｆは図４ＥのＦの部分の詳細図、図４Ｇはガス接続取り付け面における上側プレートの断面図、図４Ｈは取り付け面の側面図である。
【００３０】
上側プレート２８０は、平坦な上面４０２、平坦な下面４０４、内面４０６、および、外面４０８を有するセラミック材料の環状プレートである。複数の半径方向ガス流路４１０が、外面４０８から内向きに伸びており、複数の軸方向ガス流路４１２が、下面４０４から、半径方向ガス流路４１０まで伸びている。環状の上側プレート２８０は、下側プレート２７０の中央部分３０６を囲み、下側プレート２７０の外側部分３０８の上面３０４を覆うように構成されており、上側プレート２８０の軸方向ガス流路４１２は、下側プレート２７０の軸方向ガス孔３１０と流体連通する環状プレナム４１４と流体連通する。
【００３１】
３００ｍｍウエハを処理するために、上側プレート２８０は、下側プレート２７０と結合するような寸法を有しており、下側プレート２７０のガス孔３１０への供給を行う複数の半径方向ガス流路４１０を備える。例えば、上側プレート２８０は、約０．１２５インチの直径を有すると共に４５°ごとに配置された８つの半径方向ガス流路４１０と、約０．１２５インチの直径を有すると共に上側プレート２７０の中心から約５．７５インチに配置された８つの軸方向ガス流路４１２と、約１．７インチの幅および約０．０１５ないし０．０２インチの深さを有する環状プレナム４１４と、環状プレナム４１４を囲む内側Ｏ−リング溝４１６および外側Ｏ−リング溝４１８とを備えてよい。処理要件に応じて、下側プレート２７０は、任意の所望のパターンに配置され任意の所望の形状および寸法を有する６４個より多いまたは少ないガス孔など、異なる構成のガス孔３１０を備えてもよい。
【００３２】
プロセスガスをガス流路４１０に供給するために、上側プレート２８０は、ガス接続取り付けブロックを取り付けるための取り付け穴を備える。取り付け穴は、８対の軸方向の取り付け穴４２０と、８対の半径方向の取り付け穴４２２とを含む。穴４２０は、約０．４インチの直径を有し、上側プレート２８０の上面４０２の外縁から約０．５インチに配置され、上側プレート２８０を通って下面４０４まで伸びる。取り付け穴４２２は、約０．３５インチの直径を有し、上側プレート２８０の外周４０８の平坦な取り付け面４２４に配置され、穴４２０内に伸びる。各対の取り付け穴４２０、４２２の中心は、約１インチ離間されている。上側プレート２８０および下側プレート２７０は、高純度アルミナで製造されることが好ましく、下側プレート２７０の下面は、シール真空面３１４を除いて下面全体を覆う高純度イットリアのコーティングを備える。
【００３３】
図５Ａ〜Ｂは、下側プレート２７０に取り付けられた上側プレート２８０を示しており、図５Ａは上面斜視図、図５Ｂは図５Ａに示したアセンブリの断面図である。上側プレートの取り付け穴４２０は、８つのガス接続ブロック（図示せず）を上側プレート２８０の外面４０８に取り付けることを可能にする留め具５０４を受け入れる。ガスブロックは、プロセスガスが８つの半径方向ガス流路４１０に流れ込む８つのガス接続位置５０２にプロセスガスを供給する。均等に離間された位置で外面４０８からプロセスガスを供給することにより、チャンバ内で高速ガス切り替えを実現することができる。上側および下側プレートの間の環状プレナム４１４のガス容量は、エッチングガスから蒸着ガスへの高速な入れ替わりを可能にする５００ｃｍ3未満であることが好ましい。下側プレート２７０の薄い中央部分３０６は熱放散を可能にし、上側および下側プレートの対向する面の間の熱伝導性のガスケット５０６は、下側プレート２７０の外側部分３０８が所望の温度に維持されることを可能にする。下側プレート２７０は、熱および真空の負荷のほとんどにさらされて、高い熱応力を受ける。したがって、熱破壊を引き起こしうる下側プレートのフィーチャを最小限に抑えることが望ましい。２ピース設計によれば、熱破壊を引き起こしうる複雑な機械加工されたフィーチャは、上側プレート２８０に位置する。上側および下側プレートは、ボルトで留めずに、真空力のみによって結合され、Ｏ−リング溝４１６、４１８内に配置された２つのＯ−リングシールで真空シールされている。この取り付け構成により、上側および下側プレートを洗浄するために容易に分解することができる。
【００３４】
上述のプラズマ処理装置２００では、ガス供給システムは、プレナムにエッチングガスおよび蒸着ガスを交互に供給して、上側および下側プレートの間のプレナム内のエッチングガスを２００ミリ秒以内に蒸着ガスで置き換えるか、または、プレナム内の蒸着ガスを２００ミリ秒以内にエッチングガスで置き換えるよう動作可能である。このプラズマ処理装置を用いると、基板支持体上に支持された半導体基板のシリコンを少なくとも１０μｍ／分の速度でエッチングすることができる。プラズマ処理装置は、基本的に、プレナム内のプロセスガスを２００ミリ秒以内に完全に切り替えるよう動作可能であり、処理チャンバのプラズマ閉じ込め領域（チャンバギャップ）内では、エッチングガスから蒸着ガスに、または、その逆に、約５００ｍｓ以内に完全に切り替えるよう動作可能である。
【００３５】
好ましい実施形態において、エッチングガスはＳＦ6であり、蒸着ガスはＣ4Ｆ8である。動作時、ガス供給システムは、蒸着ガスをプレナムに供給している間には、エッチングガスを真空ラインに流さず、エッチングガスをプレナムに供給している間には、蒸着ガスを真空ラインに流さない。上述のプラズマ処理装置を用いた基板の処理は、（ａ）チャンバ内で基板を指示する工程、（ｂ）エッチングガスをプレナムに供給して、下側プレートのガス孔を通してエッチングガスをチャンバギャップに流し込む工程、（ｃ）チャンバ内のエッチングガスを第１のプラズマに励起して、第１のプラズマで基板を処理する工程、（ｄ）蒸着ガスをプレナムに供給して実質的にエッチングガスと置き換え、下側プレートのガス孔を通して蒸着ガスをチャンバギャップに流し込む工程、（ｅ）チャンバ内の蒸着ガスを第２のプラズマ状態に励起して、第２のプラズマで基板を処理する工程、（ｆ）１．８秒以内の総サイクル時間で工程（ｂ）〜（ｅ）を繰り返す工程を備えることが好ましい。
【００３６】
エッチングガスは、工程（ｂ）において、約５００ミリ秒の期間内に、チャンバギャップ内の蒸着ガスの少なくとも９０％と置き換わることが好ましく、蒸着ガスは、工程（ｄ）において、約５００ミリ秒の期間内に、チャンバギャップ内のエッチングガスの少なくとも９０％と置き換わることが好ましい。処理中、プレナム内の圧力は、工程（ｂ）〜（ｅ）の間、少なくとも５Ｔｏｒｒである。エッチングガスおよび蒸着ガスを供給するサイクル中、エッチングガスを供給する総時間は１．３秒以内であってよく、蒸着ガスを供給する総時間は０．７秒以内であってよい。
【００３７】
チャンバ圧力は、エッチングガスの供給中のチャンバギャップ内の圧力が１５０ｍＴｏｒｒより高く、蒸着ガスの供給中のチャンバギャップ内の圧力が１５０ｍＴｏｒｒより低くなるように調整されうる。好ましい処理では、エッチングガスは、少なくとも５００ｓｃｃｍの流量でプレナムに供給され、蒸着ガスは、５００ｓｃｃｍ未満の流量でプレナムに供給される。基板と下側プレートとの間のチャンバギャップは、４インチより大きいことが好ましい。エッチングガスの供給中、基板は、エッチング工程のポリマ洗浄段階中には２００ミリ秒間１５０ｍＴｏｒｒより低く維持されたチャンバギャップ内の圧力で、プラズマエッチング工程の残りの段階では１５０ｍＴｏｒｒより高く維持されたチャンバギャップ内の圧力で、高アスペクト比開口部のプラズマエッチングを受けうる。蒸着ガスの供給中、第２のプラズマは、蒸着工程全体にわたって１５０ｍＴｏｒｒより低く維持されたチャンバギャップ内の圧力で、開口部の側壁にポリマコーティングを蒸着しうる。エッチングガスは、ＳＦ6、ＣＦ4、ＸｅＦ2、ＮＦ3、Ｃｌ含有ガス（ＣＣｌ4など）の内の１または複数であってよく、蒸着ガスは、Ｃ4Ｆ8、Ｃ4Ｆ6、ＣＨＦ3、ＣＨ2Ｆ2、ＣＨ4、Ｃ3Ｆ6、ＣＨ3Ｆの内の１または複数であってよい。
【００３８】
エッチングガスは、上側プレートの外周のガス流入口にエッチングガスを供給する８つのエッチングガスラインに第１のバルブを通して供給されうる。ここで、８つのエッチングガスラインは、等しいコンダクタンスを有する。同様に、蒸着ガスは、ガス流入口に蒸着ガスを供給する８つの蒸着ガスラインに第２のバルブを通して供給され、８つの蒸着ガスラインは、等しいコンダクタンスを有する。高速作動バルブが用いられてよく、高速作動ソレノイドバルブは、コントローラから信号を受信すると、１０ミリ秒以内に高速切替バルブに空気を送り、高速切替バルブを開くまたは閉じる総時間は、３０ミリ秒以内でありうる。
【００３９】
図６Ａ〜Ｃは、上側プレート２８０の半径方向ガス流路４１０の１つにプロセスガスを供給するための、ステンレス鋼などの耐腐食性金属材料またはポリマ材料で製造されたガス接続ブロック６００の一例を示す図である。図６Ａは接続ブロック６００の正面斜視図、図６Ｂは背面斜視図、図６Ｃは底面図である。接続ブロック６００は、取り付け面６０２を備えており、取り付け面６０２は、取り付け面６０２のガス流出口６０４がガス流路４１０と整列するように平坦な取り付け面４２４と接する。一対の穴６０６が、平坦な面４２４の穴４２２と整列され、一対の段付きねじ６０８が、面６０２から離れる方向に穴６０６内で摺動可能であり、その結果、段付きねじ６０８の圧入プラスチックスリーブ６０９が、穴４２２に入って、ブロック６００を上側プレート２８０上で位置決めする。穴６０６の反対側にあるサークリップ６１１が、穴６０６からの段付きねじの抜けを防止する。ガス流出口６０４の周囲の面６０２にあるＯ−リング溝６１２が、Ｏ−リングなどのガスケットを受け入れて、ブロック６００と、上側プレート２８０の平坦な取り付け面４２４との間のシールを提供する。ブロック６００をガス供給リングに取り付けるために、一対の取り付け穴６１０が、フランジ６０７を通して伸びている。ブロック６００は、取り付け面６１３を備えており、取り付け面６１３は、その面を貫通するガス流入口６１５と、流入口６１５の周囲のＯ−リング溝６１７とを備える。長方形の浅い凹部６１９が、ブロック６００とガス供給リングとの間の熱伝達を低減する。
【００４０】
図７Ａ〜Ｃは、ガス供給リング７００の詳細を示す。図７Ａは、８つのガス接続ブロック６００を取り付けられたリング７００を示しており、各ブロック６００は、ブロックの内部と、上側プレート２８０のガス流入口４１０との間の流体連通を提供する。図７Ｂは、ブロック６００を取り付けていない状態のガスリング７００の詳細を示す。ガスリング７００は、上側カバープレート７０４における８つのガス流出口７０２と、上側カバー７０４によって囲まれた流路を有する下部リング７０６と、プロセスガスがリング７００に入る際に通るガス流入口７０８と、ガス流入口７０８の反対側の下部リングの両端部７１２を結合する広がり制限部７１０とを備える。図７Ｃに示すように、カバープレート７０４は、相互接続された部分を備えており、８つのガス流出口７０２を等しい距離だけ離間して位置決めするために、第１の部分７１４は、リング７０６の直径の１／２にわたって伸びており、一対の第２の部分７１６は、それぞれ、第１の部分７１４の端部に中点が取り付けられ、リング７０６の直径の１／４にわたって伸びており、４つの第３の部分７１８は、それぞれ、第２の部分７１６の１つの端部に中点が取り付けられている。下部リング７０６は、相互接続された流路を内部に備えており、第１の流路７２０は、リング７０６の直径の１／２にわたって伸びており、一対の第２の流路７２２は、それぞれ、第１の流路７２０の端部に中点が接続され、リング７０６の直径の１／４にわたって伸びており、４つの第３の流路７２４は、それぞれ、第２の流路７２２の１つの端部に中点が接続されている。カバープレート７０４は、第１の部分７１４の中点に取り付けられたＬ字形部分７２６を備える。Ｌ字形部分は、下部リング７０６のガス流入口部分７３０にあるＬ字形流路７２８を覆っており、流路７２８は、ガス流入口７０８を第１の流路７２０に接続する。下部リング７０６は、取り付け面７３４に取り付け穴７３２を備えており、穴７３２は、８つのガス接続ブロック６００の対応する１つにおける穴６１０と整列する。
【００４１】
カバープレート７０４および下部リング７０６は、ステンレス鋼などの耐腐食性金属材料またはポリマ材料で製造されることが好ましく、電子ビーム溶接など適切な製造処理によって下部リング７０６にシールされうる。カバープレートおよび／または下部リングの内面および／または外面は、シリコンコーティングなどの保護材料で被覆されうる。好ましいシリコンコーティングは、ペンシルベニア州ベルフォントのＳｉｌｃｏＴｅｋ社から入手可能な化学蒸着（ＣＶＤ）多層シリコンコーティング「ＳＩＬＣＯＬＬＯＹ  １０００」である。適切なＣＶＤシリコンコーティングの詳細については、米国特許第７，０７０，８３３号に記載されており、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。シャワーヘッドおよびガス流入口構成のサイズに応じて寸法は変わりうるが、好ましい実施形態では、下部リング７０６の流路７２０／７２２／７２４は、約０．１インチの幅および約０．３２インチの高さを有してよく、ガス流出口７０２は、約１０．４インチの半径上に配置されてよい。カバープレート７０４は、下部リングの流路よりもやや広く、各流路の上にある凹部内にはまり込む。例えば、第１、第２、および、第３の部分７１４／７１６／７１８は、約０．０３インチの厚さおよび約０．１２インチの幅を有してよい。図７Ｃに示すように、カバーリング７０４の第３の部分７１８の端部７３６は、内側に曲げられ、丸い端部７３８を備えてよい。丸い端部７３８は、約０．３２インチの直径を有してよく、ガス流出口７０２を形成する開口部は、丸い端部７３４の中心に配置され、約０．１９インチの直径を有してよい。
【００４２】
流路７２０／７２２／７２４の間の急な方向の変化を避けるため、第１の流路７２０の端部と、第２の流路７２２の中点との間の２つの接続は、約０．１３インチの半径を持つように曲げられることが好ましく、第２の流路７２２の端部と、第３の流路７２４の中点との間の４つの接続は、約０．１３インチの半径を持つように曲げられる。下部リングのいくつかの部分において、単一の流路（第１の流路７２０の一部および第３の流路７２４の一部など）、２つの隣接する流路（第１および第３の流路が同心、第１および第２の流路が同心、または、第２および第３の流路が同心である部分）、もしくは、３つの隣接する流路（第１、第２、および、第３の流路が同心である部分）が存在する。
【００４３】
ガスリング７００は、円形であることが好ましいが、セラミックシャワーヘッドが他の形状を有する場合には、他の構成でも可能である。ガスリング７００をシャワーヘッドに取り付けるために、広がり制限部７１０が緩められ、ガスリングが上側プレート２８０の周りに位置決めされる。段付きねじ６０８が穴４２２と係合され、ガス流路６１６がガス流入口４１０と流体連通してシールされると、広がり制限部７１０は、ガスリング７００の両端部７１２が同心で整列するように締められる。
【００４４】
図８Ａは、ガス接続ブロック６００を介してシャワーヘッド２６０の上側プレート２８０に取り付けられたガスリング７００を示す斜視図である。図８Ｂは、ガス接続ブロック６００内で摺動する段付きねじ６０８が、上側プレート２８０の取り付け穴４２０内に伸びる留め具５０４の水平方向の開口部に嵌まる様子を示す。図８Ｃに示すように、段付きねじ６０８は、セラミックの上側プレート２８０の水平方向の穴４２２による摩耗を最小限に抑えるために、プラスチックのブッシング６０９を備える。段付きねじ６０８が、上側プレート２８０の外周の平坦な取り付け面４２４にある穴４２２に挿入されると、段付きねじ６０８の端部が、留め具５０４の開口部に入って、ブロック６００を適切な位置に保持する。穴６１０に取り付けられたねじ６１４は、ガス接続ブロック６００をガスリング７００に固定する。図８Ｄに示すように、各ガス接続ブロック６００は、ガスリング７００の流出口７０２を上側プレート２８０の半径方向ガス流路４１０の１つの流入口に接続するＬ字形流路６１６を備える。Ｏ−リング溝６１２内のＯ−リングが、Ｌ字形流路６１６の流出口６０４を囲み、ガス接続ブロック６００と、上側プレート２８０の平坦な取り付け面４２４との間にシールを提供する。同様に、Ｏ−リング溝６１７内のＯ−リングが、ガス接続ブロック６００と、ガスリング７００の取り付け面７３４との間にシールを提供する。
【００４５】
ガスリング７００と上側プレート２８０との組み立てには、ねじ６１４を用いてガス接続ブロック６００をガスリング７００に取り付ける必要があり、ガスリング７００を開いて上側プレート２８０を囲むように嵌め、留め具５０４の開口部が開口部４２２と整列するように留め具５０４を垂直の穴４２０に完全に挿入し、上側プレート２８０の周りでガスリングを閉じ、リングが開くのを防止するためにプレート７１０を締め、留め具５０４の開口部を通るように穴４２２にねじ６０８を挿入する。留め具５０４は、プラスチックで製造されることが好ましく、ブロック６００をシャワーヘッドの周りの適切な位置に保持する。
【００４６】
ガスリング７００を用いれば、プロセスガスを単一の流入口を通して供給し、等しい長さの流路に沿って流出口７０２まで送ることが可能であり、それにより、流出口７０２の各々から放出されるガスの圧力または流量が同じになり、各流出口から均一にガスが放出される。したがって、流出口の各々に由来する流路の抵抗（コンダクタンス）を等しくすることができる。上述のように、流出口および流路の数は、必要に応じて適合させることができ、上述の８つの流出口または特定の流路構成に限定される必要はない。
【００４７】
本明細書では、しばしば、数値と共に「約」という用語を用いて、かかる値の数学的正確さが意図されていないことを示唆している。したがって、数値と共に「約」という用語を用いている場合には、その数値に対して１０％の公差が想定される。
【００４８】
具体的な実施形態を参照しつつ、プロセスガスを高速に切り替えるよう動作可能なプラズマ処理装置について詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な変更および変形を行い、等価物を用いることが可能であることは、当業者にとって明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【国際調査報告】
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