(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体基板処理装置の上板内でシャワーヘッドモジュールの下面が基板台座モジュールの上面に平行であるシャワーヘッドモジュールを支持するシャワーヘッドモジュール調整メカニズムを提供する。【解決手段】シャワーヘッドモジュール調整メカニズム４００は、半導体基板処理装置内で面板３１６に隣接する基板台座モジュールの上面に対するシャワーヘッドモジュール２１１の面板の平坦化を調整するために動的に動作可能である。【選択図】図３Ａ
2017143248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を処理するための半導体基板処理装置であって、
個々の半導体基板が中で処理され、上板が上壁を形成する化学的分離チャンバと、
前記化学的分離チャンバ内へプロセスガスを供給するための、前記化学的分離チャンバと流体連通しているプロセスガス源と、
前記プロセスガス源から、前記個々の半導体基板が処理される前記半導体基板処理装置の処理ゾーンへ前記プロセスガスを送るシャワーヘッドモジュールであって、柄部の下端に基部が取り付けられ、貫通するガス通路を有する面板が前記基部の下面を形成するシャワーヘッドモジュールと、
前記基板の処理時に前記面板の下の前記処理ゾーン内で前記半導体基板を支持するように構成された基板台座モジュールと、
前記上板内で前記シャワーヘッドモジュールを支持するシャワーヘッドモジュール調整メカニズムであって、前記面板に隣接する前記基板台座モジュールの上面に対する前記シャワーヘッドモジュールの前記面板の平坦化を調整するために動的に動作可能であり、少なくとも１つのアクチュエータアセンブリを含むシャワーヘッドモジュール調整メカニズムと、
を備える半導体基板処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体基板処理装置であって、
前記少なくとも１つのアクチュエータアセンブリは、少なくとも１つの傾斜方向への前記シャワーヘッドモジュールの動きを動的に可能にする少なくとも１つの圧電スタックを含む、半導体基板処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体基板処理装置であって、
前記少なくとも１つのアクチュエータアセンブリは、更に、前記少なくとも１つの圧電スタックの変位を機械的に増幅するレバーを含み、ブレード状のたわみ部がレバー支点である、半導体基板処理装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体基板処理装置であって、
前記少なくとも１つのアクチュエータアセンブリは、
前記圧電スタックの第１の端と前記圧電スタックを内包するアクチュエータケースとの間に結合された第１のたわみ部と、
前記圧電スタックの第２の端と前記レバーの片側との間に結合された第２のたわみ部と、
を含む、半導体基板処理装置。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体基板処理装置であって、
（ａ）前記シャワーヘッドモジュール調整メカニズムが、前記シャワーヘッドモジュールの２つの傾斜方向への動きと１つの軸方向への並進とを引き起こすように構成された３つのアクチュエータアセンブリを含む、
（ｂ）前記レバーの前記圧電スタックとは反対側の端が、蛇腹アセンブリの上板に結合された調整ネジの動きを引き起こす、
（ｃ）前記レバーの前記圧電スタックとは反対側の端が、ソケット溝を通じて前記調整ネジのボールジョイントに作用する、
（ｄ）前記シャワーヘッドモジュールが、前記蛇腹アセンブリの前記上板に取り付けられる、
（ｅ）前記レバー支点が、前記レバーの横方向への並進及び縦方向への並進を制限する、
（ｆ）上方たわみ部分、たわみ取り付け具、及びアクチュエータケースの複合的な熱膨張が、前記圧電スタックの熱膨張に一致する、又は
（ｇ）前記シャワーヘッドモジュール調整メカニズムが、前記シャワーヘッドモジュールの前記面板の傾斜を約３ミリラジアンの範囲にわたって動的に調整する、半導体基板処理装置。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体基板処理装置であって、
前記シャワーヘッドモジュール調整メカニズムは、前記シャワーヘッドモジュールの面板の位置を、０．１５ミリラジアンよりも優れた分解能で動的に調整する、半導体基板処理装置。
【請求項７】
半導体基板処理装置の上板内でシャワーヘッドモジュールを支持するシャワーヘッドモジュール調整メカニズムであって、
前記半導体基板処理装置内で前記面板に隣接する基板台座モジュールの上面に対する前記シャワーヘッドモジュールの面板の平坦化を調整するように動的に動作可能であるシャワーヘッドモジュール調整メカニズム。
【請求項８】
請求項７に記載のシャワーヘッドモジュール調整メカニズムであって、
前記シャワーヘッドモジュールの少なくとも１つの傾斜方向への動的な動きを可能にする少なくとも１つのアクチュエータアセンブリを備えるシャワーヘッドモジュール調整メカニズム。
【請求項９】
請求項８に記載のシャワーヘッドモジュール調整メカニズムであって、
前記少なくとも１つのアクチュエータアセンブリは、更に、
圧電スタックの変位を機械的に増幅するレバーと、
レバー支点であり前記レバーをアクチュエータケースに結合するブレード状のたわみ部と、
を含む、シャワーヘッドモジュール調整メカニズム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシャワーヘッドモジュール調整メカニズムであって、
第１のたわみ部が、前記圧電スタックの第１の端と前記圧電スタックを内包するアクチュエータケースとの間に結合され、
第２のたわみ部が、前記圧電スタックの第２の端と前記レバーの片側との間に結合され、
前記第１のたわみ部及び前記第２のたわみ部は、前記圧電スタックにかかる応力を軽減するように構成される、シャワーヘッドモジュール調整メカニズム。
【請求項１１】
請求項９に記載のシャワーヘッドモジュール調整メカニズムであって、更に、
（ａ）３つのアクチュエータアセンブリが、前記シャワーヘッドモジュールの、２つの傾斜方向への動きと１つの軸方向への並進とを引き起こすように構成されること、
（ｂ）前記レバーの前記圧電スタックとは反対側の端が、蛇腹アセンブリの上板に結合された調整ネジの動きを引き起こすこと、
（ｃ）前記レバーの前記圧電スタックとは反対側の端が、ソケット溝を通じて前記調整ネジのボールジョイントに作用すること、
（ｄ）前記シャワーヘッドモジュールが、前記蛇腹アセンブリの前記上板に取り付けられること、
（ｅ）前記レバー支点が、前記レバーの横方向への並進及び縦方向への並進を制限すること、
（ｆ）上方たわみ部分、たわみ取り付け具、及びアクチュエータケースの複合的な熱膨張が、前記圧電スタックの熱膨張に一致すること、又は
（ｇ）前記シャワーヘッドモジュール調整メカニズムが、前記シャワーヘッドモジュールの前記面板の傾斜を約３ミリラジアンの範囲にわたって動的に調整すること、
を備えるシャワーヘッドモジュール調整メカニズム。
【請求項１２】
請求項７に記載のシャワーヘッドモジュール調整メカニズムであって、
前記シャワーヘッドモジュールの前記面板の位置を、０．１５ミリラジアンよりも優れた分解能で動的に調整する、シャワーヘッドモジュール調整メカニズム。
【請求項１３】
請求項９に記載のシャワーヘッドモジュール調整メカニズムであって、
前記少なくとも１つのアクチュエータアセンブリは、更に、前記圧電スタックの上端と前記圧電スタックを内包するアクチュエータケースとの間に結合された上方たわみ部分を含む、シャワーヘッドモジュール調整メカニズム。
【請求項１４】
請求項８に記載のシャワーヘッドモジュール調整メカニズムであって、
前記少なくとも１つのアクチュエータアセンブリは、更に、
圧電スタックの変位を機械的に増幅するレバーと、
前記レバー及び前記圧電スタックの底端に結合されたボールソケットジョイントと、
前記圧電スタックの上端と前記圧電スタックを内包するアクチュエータケースとの間に結合された上方たわみ部分と、
を含む、シャワーヘッドモジュール調整メカニズム。
【請求項１５】
半導体基板を処理するための成膜装置内で使用されるシャワーヘッドを調整するための通電メカニズムであって、
前記シャワーヘッドを１秒未満で１つ、２つ、又は３つの自由度で調整する通電メカニズム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の通電メカニズムであって、
３つの自由度を提供するために、３つの独立したアクチュエータアセンブリが使用され、前記３つの自由度は、２つの傾斜方向及び１つの直線的な軸方向である、通電メカニズム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の通電メカニズムであって、
各アクチュエータアセンブリは、圧電スタックと、支点としてのブレード状のたわみ部を有するレバーと、の組み合わせであり、前記レバーは、前記圧電スタックの変位を増幅するように構成される、通電メカニズム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の通電メカニズムであって、更に、
前記シャワーヘッドが手動で調整されること及び動的に調整されることの両方を可能にするために、少なくとも１つの粗ネジアジャスタ、及び、少なくとも１つの微／動的アクチュエータアセンブリを備える通電メカニズム。
【請求項１９】
請求項１７に記載の通電メカニズムであって、
前記圧電スタックにかかる応力を軽減しつつ前記圧電スタックの運動学的動きを可能にするために、前記圧電スタックのいずれかの端にたわみ部が配置される、通電メカニズム。
【請求項２０】
請求項１７に記載の通電メカニズムであって、
（ａ）前記圧電スタックを前記レバーに取り付けるために、前記圧電スタックの一端にボールソケットジョイントが配置され、前記ボールソケットジョイントは、ヘルツ応力及び摩耗を軽減するために、ゴシックアーチ型の幾何学形状として構成される、
（ｂ）前記通電メカニズムの材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）及び各材料の長さは、温度に伴う位置の変動を最小限に抑えるように選択される、
（ｃ）前記圧電スタックと前記圧電スタックを内包するアクチュエータケースとの間に第１のたわみ部が配置され、前記圧電スタックと前記レバーとの間に第２のたわみ部が配置され、前記第２のたわみ部は、ブレード状のたわみ部であり、直接的金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）又はその他のラピッドプロトタイピング技術を使用して制作される、
（ｄ）機能していないアクチュエータを検出するための閉ループフィードバック制御を可能にするために、位置センサが前記アクチュエータに組み込まれる、又は
（ｅ）１つ若しくは２つの自由度を提供するために、１つ若しくは２つの独立したアクチュエータが使用され、前記自由度は、２つの傾斜方向及び１つの直線的な軸方向から選択される、通電メカニズム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体基板を処理するために使用される半導体基板処理装置に関するものであり、薄膜の化学気相成長の実施において特定の使用を見出せるだろう。
【背景技術】
【０００２】
物理蒸着（ＰＶＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、プラズマ式化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、プラズマ式原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）、パルス堆積層（ＰＤＬ）、分子層成長（ＭＬＤ）、プラズマ式パルス堆積層（ＰＥＰＤＬ）処理、エッチング、及びレジスト除去などの技術によって半導体基板を処理するために、半導体基板処理装置が使用される。半導体基板を処理するために使用される半導体基板処理装置の一種は、シャワーヘッドモジュールと、反応チャンバ内で半導体基板を支持する基板台座モジュールとを内包する反応チャンバを含む。シャワーヘッドモジュールは、半導体基板が処理されえるように、反応チャンバ内へプロセスガスを送り込む。このようなチャンバでは、シャワーヘッドモジュールの装着及び撤去に時間がかかることがあり、更に、もし、シャワーヘッドモジュールの下面が基板台座モジュールの上面に平行でない場合は、基板処理中に不均一な成膜（即ち、方位角方向のばらつき）が生じることもある。
【発明の概要】
【０００３】
本明細書では、半導体基板を処理するための半導体基板処理装置が開示される。該半導体基板処理装置は、個々の半導体基板が中で処理され、上板が上壁を形成する化学的分離チャンバと、化学的分離チャンバ内へプロセスガスを供給するための、化学的分離チャンバと流体連通しているプロセスガス源と、プロセスガス源から、個々の半導体基板が処理される半導体基板処理装置の処理ゾーンへプロセスガスを送るシャワーヘッドモジュールであって、柄部の下端に基部が取り付けられ、貫通するガス通路を有する面板が基部の下面を形成するシャワーヘッドモジュールと、基板の処理時に面板の下の処理ゾーン内で半導体基板を支持するように構成された基板台座モジュールと、上板内でシャワーヘッドモジュールを支持するシャワーヘッドモジュール調整メカニズムであって、面板に隣接する基板台座モジュールの上面に対するシャワーヘッドモジュールの面板の平坦化を調整するために動的に動作可能であり、少なくとも１つのアクチュエータアセンブリを含むシャワーヘッドモジュール調整メカニズムと、を含む。
【０００４】
シャワーヘッドモジュール調整メカニズムは、少なくとも１つの傾斜方向へのシャワーヘッドモジュールの動きを動的に可能にする少なくとも１つのアクチュエータアセンブリを含むことができる。この少なくとも１つのアクチュエータアセンブリは、圧電スタックの変位を機械的に増幅するレバーと、該レバーをアクチュエータケースに結合するためのたわみ取り付け具とを含むことができる。少なくとも１つのアクチュエータアセンブリは、更に、圧電スタックの上端と、圧電スタックを内包するアクチュエータケースとの間に結合された上方たわみ部分を含むことができ、たわみ取り付け具は、圧電スタックの底端と、レバーとの間に結合され、上方たわみ部分及びたわみ取り付け具は、圧電スタックにかかる応力を軽減するように構成される。シャワーヘッドモジュール調整メカニズムは、（ａ）３つのアクチュエータアセンブリが、シャワーヘッドモジュールの２つの傾斜方向への動きと１つの軸方向への並進とをもたらすように、（ｂ）レバーの圧電スタックとは反対側の端が、蛇腹アセンブリの上板に結合された調整ネジの動きを引き起こすように、（ｃ）レバーの圧電スタックとは反対側の端が、ソケット−溝を通じて調整ネジのボールジョイントに作用するように、（ｄ）シャワーヘッドモジュールが、蛇腹アセンブリの上板に取り付けられるように、（ｅ）たわみ取り付け具が、レバーの横方向への並進及び縦方向への並進を制限するように、（ｆ）上方たわみ部分、たわみ取り付け具、及びアクチュエータケースの複合的な熱膨張が、圧電スタックの熱膨張に一致するように、又は（ｇ）シャワーヘッドモジュール調整メカニズムが、シャワーヘッドモジュールの面板の傾斜を約３ミリラジアンの範囲にわたって動的に調整するように、構成できる。シャワーヘッドモジュール調整メカニズムは、シャワーヘッドモジュールの面板の位置を、０．１５ミリラジアンよりも優れた分解能で動的に調整しえる。
【０００５】
アクチュエータアセンブリの一実施形態では、少なくとも１つのアクチュエータアセンブリは、更に、圧電スタックの変位を機械的に増幅するレバーと、レバー及び圧電スタックの底端に結合されたボールソケットジョイントと、圧電スタックの上端と、圧電スタックを内包するアクチュエータケースとの間に結合された上方たわみ部分と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本書で開示される実施形態にしたがった化学成膜装置の概要を示した説明図である。
【０００７】
【図２】薄膜の生成中に成膜及び／又は反応種間表面反応を向上させるためにプラズマを用いることができる、本書で開示される実施形態を実現するように配置された様々な装置構成要素を示したブロック図である。
【０００８】
【図３Ａ】本書で開示される実施形態にしたがって配置されたシャワーヘッドアセンブリを示した図である。
【図３Ｂ】本書で開示される実施形態にしたがって配置されたシャワーヘッドアセンブリを示した図である。
【０００９】
【図４】本書で開示される実施形態にしたがって配置されたシャワーヘッドモジュール調整メカニズムの断面図である。
【００１０】
【図５Ａ】本書で開示される実施形態にしたがって配置されたアクチュエータアセンブリを示した図である。
【図５Ｂ】本書で開示される実施形態にしたがって配置されたアクチュエータアセンブリを示した図である。
【図５Ｃ】本書で開示される実施形態にしたがって配置されたアクチュエータアセンブリを示した図である。
【００１１】
【図６Ａ】本書で開示される実施形態にしたがって配置されたアクチュエータアセンブリを示した図である。
【図６Ｂ】本書で開示される実施形態にしたがって配置されたアクチュエータアセンブリを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の詳細な説明では、本書で開示される装置及び方法の完全な理解を与えるために、数々の具体的な実施形態が記載されている。しかしながら、当業者にならば明らかなように、これらの実施形態は、これらの具体的詳細を伴わずとも又は代替の要素若しくはプロセスを使用しても実施されえる。また、本書で開示される実施形態の態様を不必要に不明瞭にしないために、周知のプロセス、手順、及び／又は構成要素は詳細に説明されていない。数値に関連して本書で使用される「約」という用語は、±１０％を意味する。
【００１３】
上記のように、これらの実施形態は、プラズマ式化学気相成長などの化学気相成長を行うための成膜装置（又は代替の一実施形態ではエッチング装置）などの半導体基板処理装置及び関連の方法を提供する。装置及び方法は、多工程成膜プロセス（例えば、原子層堆積（ＡＬＤ）、プラズマ式原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）、プラズマ式化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、パルス堆積層（ＰＤＬ）、分子層成長（ＭＬＤ）、又はプラズマ式パルス堆積層（ＰＥＰＤＬ）処理）における自己制限的成膜工程の分離を必要とする、半導体制作ベースの誘電体成膜プロセス又は金属成膜プロセスと併せて使用するのにとりわけ適用可能であるが、そのように限定はされない。半導体基板を処理する方法の代表的な実施形態が、参照によって全体を本明細書に組み込まれる共同所有の公開された米国特許出願第２０１３／０２３０９８７号、第２０１３／０００５１４０号、第２０１３／０３１９３２９号、並びに米国特許第８，５８０，６９７号、第８，４３１，０３３号、及び第８，５５７，７１２号で見出せる。
【００１４】
上述されたプロセスは、プロセスガス前駆体又はプロセスガス反応物などのプロセスガスから成膜を受けるウエハ又は半導体基板の上面への不均一なプロセスガス供給に関係して幾つかの欠点に見舞われることがある。例えば、もし、プロセスガスを半導体基板に送るシャワーヘッドモジュールの下面が、半導体基板を支持する基板台座モジュールの上面に平行でない場合は、半導体基板の上面上に、不均一な前駆体分布が形成されることがある。
【００１５】
ＣＶＤシャワーヘッドモジュールには、総じて、２つの主なタイプ、即ち、シャンデリア型及び埋め込み型がある。シャンデリア型のシャワーヘッドモジュールは、一端を反応チャンバの上板に取り付けられもう一端を面板に取り付けられた柄部（ステム）を有し、シャンデリアに似ている。ガスライン及び高周波数（「ＲＦ」）電力の接続を可能にするために、柄部の一部が、上板の上方に突き出してよい。埋め込み型のシャワーヘッドモジュールは、チャンバの上部に組み込まれ、柄部を有さない。本書で示される例は、シャンデリア型のシャワーヘッドモジュールであるが、シャワーヘッドモジュールは、このタイプのシャワーヘッドに限定されない。
【００１６】
装置の反応チャンバ（化学的分離チャンバ）を１回又は複数回にわたって冷却及び通気することを伴うウェット洗浄手順の後は、通常、シャワーヘッドモジュール水平化（平坦化）が実施される。冷却及び通気は、チャンバの内部にアクセスしてシャワーヘッドと基板台座モジュールとの間の間隔を調整するために及びシャワーヘッドの下面を台座モジュールの上面に対して平坦化するために必要とされるだろう。従来の技術は、チャンバ内に金属箔ボールを配置してシャワーヘッドモジュールと基板台座モジュールとの間の隙間を測定すること、及び該測定の結果に基づいてシャワーヘッドモジュールの裏板と反応チャンバの上板との間の複数の、通常は３本以上の、支持棒を調整することを伴う。支持棒は、チャンバの通気及び冷却の後に上板を開くことによってのみ調整できる。シャワーヘッドモジュールが水平であると見なされるまでに、複数の測定及び調整のサイクルが実施されるだろう。シャワーヘッドは、外部からの操作を通じて水平化することができないので、プロセスは、非常に時間がかかり、最長約２０時間にも及ぶ恐れがある。
【００１７】
一実施形態では、この手動調整手順に加えて更なる動的微調整を提供するために、１つ以上の圧電アクチュエータが使用される。プロセスは、多くの場合、同じウエハ上に様々なタイプの膜が順次堆積されることを必要とし、シャワーヘッド傾斜に対する感度は、膜によって異なるだろう。圧電アクチュエータは、作動電圧の僅かな変化を滑らかな動きに変換することによって、ナノメートル以下の領域で位置変化を制御できるゆえに、この用途に理想的である。圧電アクチュエータによって制御される動きは、摩擦又は閾値電圧による影響を受けない。圧電アクチュエータは、また、速い応答時間も提供し、数万ｇを超える加速度が可能である。圧電アクチュエータは、磁場を生成することも、磁場に影響されることもなく、したがって、磁場耐性が低い用途に特に適している。最後に、圧電アクチュエータは、ギアも回転シャフトも有さず、したがって、圧電アクチュエータの変位は、固体状態の動力学に基づき、摩耗を示さない。
【００１８】
しかしながら、市販の圧電ステージを含む現時点で利用可能な電動式のアクチュエータ及びステージは、シャワーヘッド傾斜調整に必要とされる駆動力（アクチュエータごとに８０ポンド・力）要件、分解能（０．１５ミリラジアン）要件、耐久性（１０，０００，０００サイクル）要件、又は密封入要件を満たさない。例えば、電動式の送りネジアクチュエータは、駆動力が十分でない（アクチュエータとごとに１０〜１５ポンド・力）か、又は半導体処理ツール内に封入するには大きすぎるかのいずれかである。スタンドアロン（単独動作型）の圧電スタックは、十分な駆動力を提供できるが、最大変位が非常に小さく、通常、その長さの０．１％程度である。ナノメートル精度用に設計された、複数方向間の相互結合がほぼゼロであるその他の市販の圧電ステージは、運動範囲が十分でない、又は所要の駆動力を有さない。
【００１９】
本書で開示されるのは、同じウエハに対するプロセス工程間で反応チャンバの外部から水平化されるように設計された、シャワーヘッドモジュール調整メカニズムに結合されたシャワーヘッドモジュールである。２種類以上の異なる膜材料が順次成長されるプロセスにおいて、シャワーヘッド傾斜の動的調整は、真空を破ることなく方位角方向のばらつきを補正する。シャワーヘッドアクチュエータアセンブリは、２から２０の間のゲイン比を有するレバーを組み込んでいることが好ましく、スタンドアロンの圧電スタックの運動範囲を向上させるには、例えば、６．５：１などの所望のゲイン比が使用されてよい。レバー運動増幅器が一体化された圧電アクチュエータは、圧電スタック変位を通常２〜２０倍に増加させるだろう。移動範囲が増しても高い分解能及び速い応答を維持するためには、てこ作用システムが、剛性であるとともにバックラッシュ及び摩擦を伴わないことが好ましく、これが、ボールベアリング又はローラベアリングが好ましくない理由である。運動増幅器が一体化された圧電アクチュエータは、誘導運動、セラミックからの力の分離、変位が等しいスタックアクチュエータと比べてコンパクトなサイズ、及び低減された静電容量などの、標準的な圧電アクチュエータに勝る幾つかの利点を有する。
【００２０】
好ましい構成では、圧電スタックは、たとえレバーによって駆動力が低減された後でも、十分な駆動力（少なくとも８０ポンド・力）を調整地点に作用させる。更に、たわみ部は、レバーアセンブリが摩擦及び摩耗を伴うことなく機能することを保証し、これは、アクチュエータ寿命を延ばすために望ましい。たわみ部は、固体材料の弾性変形（たわみ）に基づいた、無摩擦で無吸着のデバイスである。滑り及び転がりが、完全に排除される。内部摩擦の不在に加えて、たわみデバイスは、高い剛性及び負荷容量を示す。たわみ部は、他の誘導システムと比べて衝撃及び振動への感受性が低く、圧電スタックのための応力軽減部としても機能して、所望の方向への運動学的移動を可能にしてよく、そうして、アクチュエータがその全可動域を実現することを可能にし、更にアクチュエータ寿命を延ばす。
【００２１】
図１は、本書で開示される実施形態にしたがった化学気相成長のための半導体基板処理装置２０１の概要を示した説明図である。ウエハなどの半導体基板１３が、シャワーヘッドモジュール２１１に相対的に上昇又は下降させることができる可動式の台座モジュール２２３上に着座する。シャワーヘッドモジュール２１１も、垂直に移動されてよい。ガスライン２０３を通じて、チャンバの処理ゾーン３１８に反応性材料ガスが導入され、該プロセスガスの流れは、質量流量コントローラ２２９によって制御される。留意すべきは、使用される反応性ガスの数に応じて、１本以上のガスラインを有するように装置が変更されてよいことである。チャンバは、真空源２０９に接続された真空ライン２３５を通じて排気される。真空源は、真空ポンプであってよい。
【００２２】
本書で開示される実施形態は、プラズマ式化学成膜装置（即ち、プラズマ式化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）装置、プラズマ式原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）装置、又はプラズマ式パルス堆積層（ＰＥＰＤＬ）装置）内で実現できる。図２は、本書で開示される実施形態を実現するように配置された様々な装置構成要素を示した簡易ブロック図を提供しており、ここでは、成膜を向上させるためにプラズマが用いられる。図に示されるように、処理ゾーン３１８は、基板台座モジュール２２３と連携するシャワーヘッドモジュール２１１を含む容量結合プラズマシステムによって生成されたプラズマを内包する働きをし、基板台座モジュール２２３は、加熱される。少なくとも１つの高周波数（ＨＦ）ＲＦ発生器２０４などの（１つ以上の）ＲＦ源が、整合回路網２０６に接続され、随意の低周波数（ＬＦ）ＲＦ発生器２０２が、シャワーヘッドモジュール２１１に接続される。代替の一実施形態では、ＨＦ発生器２０４は、基板台座モジュール２２３に接続できる。整合回路網２０６によって供給される電力及び周波数は、プロセスガス／蒸気からプラズマを発生させるのに十分である。一実施形態では、ＨＦ発生器及びＬＦ発生器の両方が使用され、代替の一実施形態では、ＨＦ発生器のみが使用される。代表的なプロセスでは、ＨＦ発生器は、約２〜１００ＭＨｚの周波数で動作され、好ましい一実施形態では、１３．５６ＭＨｚ又は２７ＭＨｚで動作される。ＬＦ発生器は、約５０ｋＨｚから２ＭＨｚの周波数で動作され、好ましい一実施形態では、約３５０〜６００ｋＨｚで動作される。プロセスパラメータは、チャンバ容積、基板サイズ、及びその他の要素に基づいて増減されてよい。同様に、プロセスガスの流量は、真空チャンバ（反応チャンバ）又は処理ゾーンの自由体積によって決められてよい。
【００２３】
チャンバ内において、基板台座モジュール２２３は、薄膜などの材料が上に成長されてよい基板１３を支持する。基板台座モジュール２２３は、成膜反応及び／又はプラズマ処理反応の最中及び間に基板を保持及び移送するためのフォーク又はリフトピンを含むことができる。一実施形態では、基板１３は、基板台座モジュール２２３の表面上に載るように構成されてよく、ただし、代替の実施形態では、基板台座モジュール２２３は、基板台座モジュール２２３の表面上で基板１３を保持するための静電式チャック、機械式チャック、又は真空チャンクを含んでいてよい。基板台座モジュール２２３は、基板１３を所望の温度に加熱するためのヒータブロック２２０に結合できる。基板１３は、成長される材料に応じて、約２５〜５００℃又はそれよりも高い温度に維持される。
【００２４】
特定の実施形態では、成膜時、成膜後処理時、及び／又はその他のプロセス動作時のプロセス条件を制御するために、システムコントローラ２２８が用いられる。コントローラ２２８は、通常は、１つ以上の記憶装置と、１つ以上のプロセッサとを含む。プロセッサとして、ＣＰＵ又はコンピュータ、アナログ及び／又はデジタルの入力接続／出力接続、ステッピングモータ制御盤等が挙げられる。
【００２５】
特定の実施形態では、コントローラ２２８は、装置の全活動を制御する。システムコントローラ２２８は、処理動作のタイミング、ＬＦ発生器２０２及びＨＦ発生器２０４の動作周波数及び動作出力、前駆体及び不活性ガス及びそれらの相対的混合物の流量及び温度、ヒータブロック２２０及びシャワーヘッドモジュール２１１の温度、チャンバの圧力、シャワーヘッドの傾斜、並びに特定のプロセスのその他のパラメータを制御するための命令一式を含む、システム制御ソフトウェアを実行する。実施形態によっては、コントローラに関係付けられた記憶装置に格納されたその他のコンピュータプログラムが用いられてよい。
【００２６】
通常は、コントローラ２２８に、ユーザインターフェースが関係付けられる。ユーザインターフェースとして、ディスプレイ画面、装置及び／又はプロセス条件のグラフィックソフトウェア表示、並びにポインティングデバイス、キーボード、タッチ画面、マイクロフォン等などのユーザ入力機器が挙げられる。
【００２７】
非一時的なコンピュータマシン読み取り可能媒体が、装置の制御のためのプログラム命令を含むことができる。処理動作を制御するためのコンピュータプログラムコードは、例えば、アセンブリ言語、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｐａｓｃａｌ、Ｆｏｒｔｒａｎなどの、従来の任意のコンピュータ読み取り可能プログラミング言語で記述できる。プログラムに指定されたタスクを実施するために、コンパイル済みのオブジェクトコード又はスクリプトがプロセッサによって実行される。
【００２８】
コントローラパラメータは、例えば、処理工程のタイミング、前駆体及び不活性ガスの流量及び温度、ウエハの温度、チャンバの圧力、シャワーヘッドの傾斜、及び特定のプロセスのその他のパラメータなどの、プロセス条件に関する。これらのパラメータは、レシピの形でユーザに提供され、ユーザインターフェースを用いて入力されてよい。
【００２９】
プロセスを監視するための信号が、システムコントローラのアナログ入力接続及び／又はデジタル入力接続によって提供されてよい。プロセスを制御するための信号は、装置のアナログ出力接続及びデジタル出力接続に載せて出力される。
【００３０】
システムソフトウェアは、様々に設計又は構成されてよい。例えば、成膜プロセスを実施するために必要とされるチャンバ構成要素の動作を制御するために、様々なチャンバ構成要素サブルーチン又は制御オブジェクトが記述されてよい。これを目的としたプログラム又はプログラム部分の例として、基板処理工程のタイミングのコード、前駆体及び不活性ガスの流量及び温度のコード、並びにチャンバの圧力のためのコードが挙げられる。
【００３１】
シャワーヘッドモジュール２１１は、温度制御される及びＲＦ通電されることが好ましい。温度制御されるＲＦ通電式シャワーヘッドモジュールの代表的な一実施形態が、参照によって全体を本明細書に組み込まれる共同所有の公開された米国特許出願第２０１３／０３１６０９４号で見出せる。
【００３２】
本書で開示される実施形態にしたがうと、シャワーヘッドモジュールは、シャワーヘッドモジュールの平坦化（平行化）を手動で動的に調整するためのシャワーヘッドモジュール調整メカニズムを含むことが好ましい。図３Ａ及び図３Ｂに例示されるように、シャワーヘッドモジュール２１１は、柄部３０５（ステム）と、裏板３１７及び面板３１６を含む基部３１５と、シャワーヘッドモジュール２１１の平坦化を調整するためのシャワーヘッドモジュール調整メカニズム４００とを含むことが好ましい。シャワーヘッドモジュール２１１の平坦化は、調整ネジ４０５を締める又は緩めることによって粗調整もできる。調整ネジ４０５は、細目ネジを含み、シャワーヘッドモジュール２１１を２つの傾斜度と軸方向の位置とで手動で調整するために使用できる。調整ネジ４０５は、アクチュエータアセンブリのソケット溝４３０と嵌り合う。シャワーヘッドモジュール２１１の平坦化は、一体化されたレバー運動増幅器を通じて圧電アクチュエータの圧電スタック変位を操作することによって微細に且つ動的に調整できる。
【００３３】
一実施形態では、シャワーヘッドモジュール２１１の面板３１６の平坦化は、３つの自由度、即ち、１つの軸方向の並進と２つの傾斜方向とを動的に提供するために、シャワーヘッド調整メカニズムの一部としての３つのアクチュエータアセンブリを使用して調整できる。別の一実施形態では、２つの自由度を提供するために、２つのアクチュエータアセンブリが使用されてよい。更に別の一実施形態では、１つの自由度（例えば、一方向の動的傾斜）を提供するために、１つのアクチュエータアセンブリが使用されてよい。シャワーヘッドモジュール２１１及びシャワーヘッドモジュール調整メカニズム４００の設計は、シャワーヘッドモジュール２１１の傾斜を動的に調整するために、迅速な応答（例えば、１秒未満）の圧電アクチュエータアセンブリを使用し、そうして、複数の異なる膜タイプから選択された特定の膜の成長における均一性の向上を可能にしている。
【００３４】
図４に例示されるように、シャワーヘッドモジュール２１１は、化学的分離チャンバ（即ち、反応チャンバ）の上板３３０内で支持されることが好ましい。上板３３０は、カラー（環部）４１３を支持することが好ましい。上板３３０の水平上面は、ネジ開口などの開口を有することが好ましく、カラー４１３内の、締め具を受けるための対応する開口は、カラー４１３を上板３３０に取り付ける少なくとも３本の締め具４０２を含む。カラー４１３は、シャワーヘッドモジュール調整メカニズム４００の残りの部分を上板３３０内で支持する。シャワーヘッドモジュール調整メカニズム４００は、上板３３０によって接地される。
【００３５】
Ｏリング４０９が、蛇腹アセンブリの上板４０３と、少なくとも３本の調整可能な調整ネジ４０５によってカラー４１３の上方に支持される冷却板４１２との間に、気密シール（即ち、密封シール）を形成する。少なくとも３本の調整可能な調整ネジ４０５は、カラー４１３に対する冷却板４１２の平坦化を粗調整するようにも動作可能である。好ましくは、各調整ネジ４０５の上端は、蛇腹アセンブリの上板４０３内にネジ式に支持され、各調整ネジの下端（即ち、ボールジョイント４２５）は、アクチュエータアセンブリのソケット溝４３０内に回転可能に受けられる。シャワーヘッド柄部３０５は、カラー４１３内、蛇腹４１１内、及び冷却板４１２内の開口を通り、フランジ４１６と冷却板４１２との間に密封シールを形成する別のＯリング４０９によって冷却板４１２の上面に取り付けられる。更に、フランジ４１６及び冷却板４１２は、合わせてろう付けされてよい。シャワーヘッドモジュール２１１の柄部３０５は、カラー４１３を上板３３０に取り付ける締め具４０２によって上板３３０の開口内に支持される。
【００３６】
蛇腹４１１は、カラー４１３と冷却板４１２との間に、気密性で、拡張性で、且つたわみ性の真空シールを形成することが好ましく、柄部３０５は、気密性で拡張性の真空シールを破ることなくシャワーヘッドモジュール２１１の平坦化が調整可能であるように、気密性で拡張性の真空シールを通って伸びる。蛇腹４１１は、上端を上板４０３に且つ下端をカラー４１３に溶接されることが好ましい。
【００３７】
シャワーヘッドモジュール調整メカニズム４００は、３本以上の締め具４０２を通じて化学的分離チャンバの上板３３０に取り付けられてよい。シャワーヘッド調整メカニズムは、１つから３つまでのアクチュエータアセンブリを内包してよい。各アクチュエータアセンブリは、１つの運動度を提供する。３つのアクチュエータアセンブリは、３つの運動度、即ち、２つの傾斜と１つの軸方向の位置とを提供するだろう。費用削減ヴァージョンは、１つのアクチュエータを使用して、１つの次元への傾斜を提供するだろう。
【００３８】
図５Ａ〜５Ｃは、アクチュエータアセンブリの一実施形態を例示している。各アクチュエータアセンブリでは、アクチュエータケース４２１内に、圧電スタック４１９が装着される。圧電スタック４１９は、電圧が印加されると長さが増す材料で作成され、長さの変化は、電圧に対しておおよそ線形であり、１００Ｖで約０．１％である。圧電スタック単独では、この少量の運動しか提供できないので、シャワーヘッドモジュール調整メカニズム４００の運動範囲を増幅させるために、及びそれと同時に少なくとも２：１、好ましくは少なくとも４：１、好ましい一実施形態では６．５：１で力を低減させるために、アクチュエータケース４２１内にレバー４２２が制作される。更に高い又は低いレバーゲインが使用されてよい。例えば、より高い比は、より広範囲の運動を可能にするが、力は小さくなり、より低い比は、より強い力を提供するが、運動範囲は狭くなる。レバー４２２は、通常、放電加工機（ＥＤＭ）を使用して作成される。レバーピボット（即ち、支点）は、屈曲するように設計されたブレード状（翼状）のたわみ部４１５である。
【００３９】
たわみ取り付け具４２３と、上方たわみ部分４２４（例えば、ネジ固定部の一部）とを含む、放電加工機（ＥＤＭ）によって切削されたたわみ部が、アクチュエータケース４２１に収容され、レバー４２２の少量の傾斜を可能にし、その他の方向への動きを制限する。たわみ取り付け具４２３は、圧電スタック４１９と、アクチュエータケース４２１のレバー４２２との間に低応力接続を提供し、屈曲に対しては柔軟性でありつつも圧縮に対しては極めて剛性であるように設計される。この実現形態では、たわみ取り付け具４２３は、十字ブレード状のたわみ部である。たわみ取り付け具４２３は、直接的金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）などのラピッドプロトタイピング技術を使用して制作されてよい。ＤＭＬＳ又はその他のラピッドプロトタイピング技術は、フライス加工などの従来の加工技術を使用して容易に制作できない高度に複雑な幾何学形状を高速に加工するのに好ましい。
【００４０】
上方たわみ部分４２４は、ネジ固定具の一部であり、該固定具は、圧電スタック４１９がたわみ取り付け具４２３とネジ固定部との間に軽く押し込められるまで、ファインピッチネジを使用してアクチュエータケース４２１内へネジ込まれる。したがって、ネジ固定具は、アクチュエータケース４２１と、圧電スタック４１９と、たわみ取り付け具４２３との間の組み立て公差を吸収することができる。ネジ固定具は、また、屈曲に対しては柔軟性であるが圧縮に対しては極めて剛性であるように設計される。圧電スタック４１９の下端及び上端にそれぞれあるたわみ取り付け具４２３及び上方たわみ部分４２４は、圧電スタック４１９にかかる応力を軽減して摩擦を排除するために及びレバー４２２の駆動に必要な運動学的自由度を可能にするために必要とされる。
【００４１】
ブレード状のたわみ部４１５は、レバー４２２のための無摩擦ピボットを提供し、それによって、レバー４２２の動作における正確さが増すとともに信頼性が高まる。更に、圧電素子と、ＥＤＭによって切削されたたわみ部との組み合わせは、アクチュエータが、高い変位及び高い駆動力を実現することを可能にする。圧電スタック４１９とは反対側のレバー４２２の端は、ソケット溝４３０を通じて調整ネジ４０５のボールジョイント４２５に作用する。ボールジョイント４２５は、すると、蛇腹アセンブリの上板４０３に取り付けられたシャワーヘッドモジュール２１１の面板３１６の平坦化を調整するために、蛇腹アセンブリの上板４０３に作用する。蛇腹アセンブリは、上板４０３と、底板４２６と、蛇腹４１１とで構成され、これらが溶接によって合わされる。底板４２６は、チャンバの上板３３０に取り付けられ、蛇腹アセンブリの上板４０３は、シャワーヘッドに取り付けられる冷却板４１２に取り付けられる。蛇腹アセンブリは、柔軟性であり、上板４０３は、蛇腹４１１のたわみに伴って、底板４２６に対して移動することができる。
【００４２】
調整ネジ４０５は、シャワーヘッドモジュール２１１位置の粗調整に使用されてもよい。ネジによる粗調整と、圧電アクチュエータによる動的微調整との組み合わせは、シャワーヘッドモジュール２１１が、広い変位範囲にわたって手動で調整されて製造公差を吸収すること及び次いでプロセス工程間で動的に調整されることを可能にする。
【００４３】
材料は、成膜プロセス中に見舞われる広い動作温度範囲にわたってシャワーヘッドモジュール２１１の傾斜が揺らぐことがないように、アクチュエータを断熱化するように選択された。アクチュエータケース、ネジ固定具、及びたわみ取り付け具の複合的な熱膨張が圧電スタックの熱膨張に一致するように、Ｉｎｖａｒ、Ｎｉｔｒｏｎｉｃ  ６０、及びチタンなどの材料が選択された。
【００４４】
図６Ａ及び図６Ｂは、アクチュエータアセンブリの別の一実施形態を例示している。たわみ取り付け具（図５Ａ〜５Ｃ）が制作できない場合は、各アクチュエータアセンブリ内において、圧電スタック４１９の下端にボールソケットジョイント５２３を用いることが有利だろう。図６Ａ及び図６Ｂの構成では、圧電スタック４１９は、たわみ取り付け具４２３が使用されるときと同じ運動学的自由度を有する。ボールジョイント構成は、圧縮に対しては尚も剛性でありつつも、ピボット運動を可能にすることによって圧電スタックとアクチュエータケースのレバーとの間に低応力の接続を提供する。摩耗は、接触面積を最大にしてヘルツ応力を軽減するためにゴシックアーチ型の幾何学形状を使用することによって、及び摩滅に対して耐性を有するＮｉｔｒｏｎｉｃ  ６０などの材料を使用することによっても、軽減されえる。
【００４５】
図５Ａ〜６Ｂに示された実施形態は、面板３１６と基板台座モジュール２２３の上面との間の隙間の高さを制御するために、シャワーヘッドモジュール２１１の動的調整を可能にする。シャワーヘッドの傾斜は、基板上に成長する膜の厚さプロフィールに影響する。基板は、種類ごとにシャワーヘッドの傾斜に対する感受性が異なるので、製造効率及び維持管理費用の観点からすると、真空を破ることなくシャワーヘッド傾斜を動的に調整することが有利である。図５Ａ〜６Ｂに示された実施形態は、現代のシャワーヘッド調整メカニズムから必要とされる、駆動力（アクチュエータごとに８０ポンド・力）要件、分解能（０．１５ミリラジアン）要件、耐久性（１０，０００，０００サイクル）要件、及び運動範囲（３ミリラジアン）要件も満たしている。
【００４６】
好ましくは、システムコントローラ２２８は、隙間制御及び平坦化制御がフィードバック制御モードで実施できるように、面板３１６と基板台座モジュール２２３の上面との間の隙間の高さ及び基板台座モジュール２２３の上面に対する面板３１６の平坦性を測定するための少なくとも１つのｉｎ−ｓｉｔｕセンサ（検出器）に電気的に接続される。レーザ干渉計、誘導センサ、容量センサ、音響センサ、線形変数差動変圧器（ＬＤＶＴ）、及びひずみゲージセンサなどの、様々なタイプのｉｎ−ｓｉｔｕ検出器が、隙間及び平坦性のセンサとして使用でき、センサは、化学的分離チャンバの内側又は外側のいずれかに位置付けできる。センサは、アクチュエータに組み込まれてよく、そうして、閉ループフィードバック制御を可能にするとともに、機能していないアクチュエータを検出する手段も提供する。
【００４７】
バッフル構成を含む半導体基板処理装置がその特定の実施形態を参照にして詳細に説明されてきたが、当業者にならば、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及び修正がなされえること並びに均等物が利用できることが明らかである。
【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４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【外国語明細書】
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