(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを被処理物の近傍で混合しＣＶＤ法で被処理物の表面に被膜を形成するシャワーヘッドであって、蓋板、上板、中板及び下板を積層して形成される多層構造のＣＶＤ用マルチシャワーヘッドにおいて、蓋板と上板との間に第１流体が供給される第１流体分配空間が形成され、上板と中板との間に第２流体が供給される第２流体分配空間が形成され、中板と下板との間に第３流体が供給される第３流体分配空間が形成され、前記第１流体分配空間内の第１流体を反応空間に噴出するための第１流体通路パイプが上板、中板、下板を貫通して挿通され、前記第２流体分配空間内の第２流体を反応空間に噴出するための第２流体通路パイプが中板、下板を貫通して挿通され、前記第１と第２の流体通路パイプが挿通された上板及び中板の貫通孔において、該貫通孔と流体通路パイプとの間隙にパイプガイドが挿通設置されていることを特徴とするマルチシャワーヘッド。
【請求項２】
前記貫通孔において、流体通路パイプ及びパイプガイドとの間がロウ材で気密構造とされる請求項１に記載のマルチシャワーヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として半導体製造プロセスにおいて用いられるＣＶＤ用マルチシャワーヘッドに関し、特には、多層構造のＣＶＤ用マルチシャワーヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスにおいては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition 化学気相成長）プロセスが用いられることが多い。それらプロセスに用いられる装置の中で、シャワーヘッドと名付けられた装置システムがある（特許文献１参照）。  特許文献１に示されるシャワーヘッドは、図５に示されるように、各段を構成するブロック体内にガス通路用のパターンを形成し、各段のブロックを積層一体化することによって相互に干渉しない複数のガス通路を構成するものである。すなわち、上段ブロック３１には、上部に第１ガス（例えば原料ガス）導入口３２、第２ガス（例えば燃料ガス）導入口３３をそれぞれ有する第１ガス流路３４、第２ガス流路３５が形成されており、中段ブロック３６には、前記第１ガス流路３４、第２ガス流路３５にそれぞれ連通する第１ガス流路３４’、第２ガス流路３５’が、さらに、下段ブロック３７には、第１ガス流路３４”、第２ガス流路３５”が、それぞれ形成され、上段ブロック３１、中段ブロック３６および下段ブロック３７が順次密着密閉されてシャワーヘッド３８が構成される。
【０００３】
そして、下段ブロック３７の下側に形成される第１ガス噴出口３９、第２ガス噴出口４０から第１ガス、第２ガスがそれぞれ噴出され、ここで両ガスが混合され、化学反応が起こると同時にガス噴出口に対向して設置されている処理対象物（図示せず）の表面に化学反応生成物の皮膜が形成される。なお、４１は冷却水路である。
特許文献１によれば、「ガス噴出口」３９、４０は、「例えば１０〜２０ｍｍ程度の所定のピッチで整然と配列されて」おり、その「孔径」は、「例えば５〜６ｍｍ程度に設定される」とされ、「ガス噴射孔」及び「ガス流路」は、「ドリル加工により容易に形成することが可能である。」とされている。
【０００４】
ブロックの板厚内にガス流路を形成することなく、板厚方向に貫通するガス流路と表面に掘られる凹部を形成されたブロックを組み合わせることによってシャワーヘッドを構成する改良形も知られている（特許文献２参照）。
特許文献２によれば、図６に示されるとおり、２種類のプロセスガス（例えば、４塩化チタンとアンモニア）は、表面板（a faceplate）４２に設けられた表面板板厚貫通路４３と、下部ガス分配板（a lower gas distribution plate）４４に設けられた下部ガス分配板板厚貫通路４５とを通してプロセス領域（the process rigion）４６に供給され、混合され、化学反応が起こると同時に、各プロセスガスの噴出口に対向して設置されている処理対象物４７の表面に化学反応生成物の皮膜が形成される。なお、４８はボルトであり、該ボルト４８で表面板４２、下部ガス分配板４４ならびにガス分配集成体（a gasdistribution manifold）４９が相互に固定されている。
【０００５】
特許文献２におけるプロセスガスの噴出口パターンは、図７に示すような例が例示されている。
特許文献２によれば、表面板の板厚はほぼ２．５ｍｍ程度、板厚貫通路は、その長さ（深さ）がほぼ１．２１ｍｍ程度、隣接中心間距離がほぼ６．３５ｍｍ程度であり、その径は約０．６４ｍｍ（０．０２５ inches）程度とされている。
特許文献１、特許文献２にそれぞれ示されているシャワーヘッド装置においては、ブロック・板にそれぞれ設けられたガス通路の密度が疎らであるので、対向端部の径を大きくする余裕があり、ブロックないし板の位置合わせにそれほど神経を使わなくても組み立てることは容易である。
【０００６】
この種の反応系においては、噴出後の混合によって各ガスの反応が開始され、それらの反応後速やかに被処理物表面に皮膜形成されることが好ましいので、ガス通路ないし板厚貫通路の密度（径と隣接通路中心間隔）は細かいことが、皮膜の均一性等を実現するために、一般に好ましい。
ガス通路の密度を上げるために、径の小さなドリルを用いるとき、ドリル自体の強度も小さくなり、また、一般に、ドリルによる穿孔深さはドリル径の６〜１０倍が限度とされていることから、ドリルにより形成する貫通孔のみでガス通路密度の高いシャワーヘッドを作成することには限度がある。
貫通孔の中に所要内径を有するパイプを嵌め込むことによって、ガス通路の密度を上げることを、本出願人は試みている。その概要を図８に示す。
【０００７】
図８において、下板５１には、ガス１（例えば原料ガス）通路用孔５８およびガス２（例えば燃料ガス）通路用孔５２が形成されている。上板５３の下面には広範囲に凹部５４が形成され、下板５１のガス２通路用孔５２に対応する位置には、ガス２通路用孔５５が穿たれている。そして、下板５１と上板５３とが対接され、ガス２通路用孔５２およびガス２通路用孔５５に亘って、長ガス通路パイプ５６が埋設される。ガス１通路用孔５８には、短ガス通路パイプが埋設されてもよい。
【０００８】
下板５１と上板５３の対接部分、下板５１と上板５３とに穿たれたガス２通路用孔５２、５５と長ガス通路パイプ５６、更には、用いた場合には短ガス通路パイプと下板５１のガス２通路用孔５２周囲とは、気密（ガス密）に、例えばロウ付けなどで、接合される。
一般の金属材料においては、クリアランスが５０μｍ程度であれば、例えばロウ付けなどで気密（ガス密）に接合される。
なお、５７は、被処理物である。
【０００９】
ガス通路用孔へのガス通路パイプの挿入において、短ガス通路パイプの場合は、下板５１にだけ関係するのであるから、格別の問題はない。
長ガス通路パイプ５６の場合には、下板５１と上板５３との両方に関係するので、問題となることが多くなりやすい。
２つの方法があり得る。その１は、用いる場合には、下板５１に短ガス通路パイプをセットした後に、下板５１と上板５３とを、ガス２通路用孔５２とガス２通路用孔５５とが対応するように重ね合わせて、そこに長ガス通路パイプ５６を共通に挿通させる方法である。この方法は、比較的クリアランスの少ない孔が長くなるに従って、加工精度ならびにパイプ自体の強度が問題となっていき、困難さが増加する。
【００１０】
その２は、用いる場合には、下板５１に短ガス通路パイプをセットし、続いて長ガス通路パイプ５６をもセットし（このとき、長ガス通路パイプ５６の大半は、下板５１の上方向に突出する）、その突出している長ガス通路パイプ５６群に上板５３のガス２通路用孔５５を適合させながら挿通させる方法である。この方法は、パイプの本数が増加する、ないしパイプの密度が大きくなるに従って、上板５３の挿通が困難になってくる。
【００１１】
シャワーヘッドへの高性能化の課題としては、第１に、反応系の高温化に対応する冷却機能の付加であり、第２は、反応に関与するガス（物質）の多様化である。
それらの高性能化を実現するための思考実験的なアプローチとしては、“ブロックないし板の増加”が想定し得る。しかし、前述の通りの、気密接合が可能な５０μｍ程度のクリアランスでの数百本のパイプの同時挿通は、実際には不可能に近い。
【００１２】
【特許文献１】特開平８−２９１３８５号公報
【特許文献２】米国特許第６０８６６７７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上の事情から、本発明は、多段のシャワーヘッドを実用的に実現する方策を確立することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の多層構造のＣＶＤ用マルチシャワーヘッドは、反応ガスを被処理物の近傍で混合しＣＶＤ法で被処理物の表面に被膜を形成するシャワーヘッドであって、蓋板、上板、中板及び下板を積層して形成される多層構造のＣＶＤ用マルチシャワーヘッドにおいて、蓋板と上板との間に第１流体が供給される第１流体分配空間が形成され、上板と中板との間に第２流体が供給される第２流体分配空間が形成され、中板と下板との間に第３流体が供給される第３流体分配空間が形成され、前記第１流体分配空間内の第１流体を反応空間に噴出するための第１流体通路パイプが上板、中板、下板を貫通して挿通され、前記第２流体分配空間内の第２流体を反応空間に噴出するための第２流体通路パイプが中板、下板を貫通して挿通され、前記第１と第２の流体通路パイプが挿通された上板及び中板の貫通孔において、該貫通孔と流体通路パイプとの間隙にパイプガイドが挿通設置されていることを特徴としている。なお、前記貫通孔において、流体通路パイプ及びパイプガイドとの間はロウ材で気密構造とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
数千本の流体通路パイプを林立させた状態で貫通孔を形成させた板に嵌め込むことが、本発明のように、流体通路パイプを小外径とし、貫通孔と流体通路パイプとの間にパイプガイドを挿入することによって、製造工業的に可能となるという絶大な効果が得られ、その結果として、均一・精密なＣＶＤ皮膜の形成が効率化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、貫通孔の内径とガス通路パイプの外径とのギャップを、挿通に支障の無いように十分に大きく設け、その貫通孔の内径とガス通路パイプの外径とのギャップは、パイプガイドをその間隙に挿通・追加することにより、気密（ガス密）に接合され得る５０μｍ程度にまで埋めることを基本的なコンセプトとする。
以下に、図面を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
初めに、本発明のシャワーヘッドの実施の形態における流体および冷却水の流れをそれぞれに分けて表した説明図を図１に示す。
図１において、１は本発明のシャワーヘッドであり、基本的に、蓋板２、上板３、中板４、下板５からなる。
【００１７】
第１流体（例えば原料ガス）は、第１流体供給口６から、蓋板２の下部に形成された第１流体分配空間７を介して第１流体通路パイプ８（図４も参照）に供給され、反応空間９に噴出される。
第２流体（例えば燃料ガス）は、図１中段に示されるように、第２流体供給具１０から第２流体分配空間１１介して第２流体通路パイプ１２（図４も参照）に供給され、反応空間９に噴出される。
第３流体（例えば、冷却水）は、図１下段に示されるように、第３流体供給通路１３から第３流体分配空間１４を通過し、第３流体排出通路１５から系外へと排出される。
【００１８】
図２には、本発明のシャワーヘッドの実施の形態における全体構成を説明図として示す。
図２には、図１で説明した蓋板２、上板３、中板４、下板５、さらに、第１流体分配空間７、第２流体分配空間１１、第３流体分配空間１４、それらの空間にそれぞれのガスないし冷却水を供給・排出する第１流体供給口６、第１流体通路パイプ８、第２流体供給具１０、第２流体通路パイプ１２、第３流体供給通路１３、第３流体排出通路１５が示されている。なお、１６は、温度センサーその他の操業中のパラメータ測定端子挿入用の測定端子サイトであって、図示例では、一つの半径に５サイトとしているが、１列中のサイト数、また設定半径数は適宜とすることができ、さらには、列をなさずに面内に分散したものであっても良い。
【００１９】
第１流体通路パイプ８および第２流体通路パイプ１２の反応空間側の端部は、流体噴出口１７となっており、その配列の一例が図２（ｂ）に示されている。図２（ｂ）に示された例では、流体噴出口が配列された単位正方形の１辺の長さが４ｍｍで、図示例では第１流体の噴出口１５８９個、第２流体の噴出口１５８８個の、合計３１７７個のものである。
流体噴出口１７は、図３に拡大して示されるように、例えば、第１流体噴出口１８、第２流体噴出口１９のように、正方形の各頂点を交互に配列される。正方形は正六角形配列とすることもできるし、各噴出口の間隔が近似するように配列されるものであれば、各種の配列とすることができる。但し、ガス反応系の種類により、あるいは各ガス成分の活動度に差異がある場合、等では、第１流体と第２流体の噴出口は、均等に配列させることは必ずしも必要不可欠なものではない。
【００２０】
次に、図４を用いて、本発明のマルチシャワーヘッドの製造方法を説明する。なお、ここでは、本発明の骨子部分である、従来極めて困難とされてきた高密度に反応ガス噴射口を実現する部分について、主として説明する。
平板である下板５には、第１流体通路パイプ８および第２流体通路パイプ１２を挿通する貫通孔２０を穿孔する。貫通孔２０の内径と流体通路パイプ（第１流体通路パイプ８および第２流体通路パイプ１２）の外径とのクリアランスは、５０μｍ程度とする。
中板４には、第３流体分配空間１４となる凹部を形成し、第３流体供給通路１３とパイプガイド２１、２３挿通設置用の貫通孔２２、２４を穿孔する。
【００２１】
上板３には、第２流体分配空間１１となる凹部を形成し、第３流体供給通路１３と第２流体供給具用の貫通孔（図示省略）とパイプガイド２３挿通設置用の貫通孔２４を穿孔する。パイプガイド（２１、２３）挿通設置用の貫通孔（２２、２４）の大きさ（内径）とパイプガイド（２１、２３）の外側の大きさ（外径）とのクリアランスは、５０μｍ程度とする。
図示例では、貫通孔２２および貫通孔２４の孔形状にプロフィールを有する例を示したが、ストレート貫通孔でも差し支えない。
蓋板２には、第３流体供給通路１３と第２流体供給具用の貫通孔（図示省略）と、第１流体供給口６（図１等、図４では図示省略）を形成する。
【００２２】
組み立ては、次の通りである。
下板５に設けられている流体通路パイプ用の貫通孔２０に、所定の配列になるように流体通路パイプを挿通立設する。
クリアランスが５０μｍ程度であれば、１本ずつ行うので、流体通路パイプの挿通立設操作に格別の支障はない。
流体通路パイプ（第１流体通路パイプ８および第２流体通路パイプ１２）の林立している下板５に、中板４を重ねる。下板５には多数の流体通路パイプが林立しているが、流体通路パイプと、パイプガイド２１、２３挿通設置用の貫通孔２２、２４とのクリアランスは、パイプガイド２１、２３が挿入可能な分だけあるので、重ね操作に格別の支障はない。
【００２３】
下板５と中板４との重ね合わせの後、流体通路パイプ（第１流体通路パイプ８および第２流体通路パイプ１２）とパイプガイド２１、２３挿通設置用の貫通孔２２、２４との間隙にパイプガイド２１、２３を挿通設置する。
ここでは、第２流体通路パイプ１２の先端は、第２流体分配空間内に開口し、第１流体通路パイプ８は、中板４から大きく突出している。
下板５と中板４との対接部、流体通路パイプとパイプガイド（パイプガイド２１、２３）との接合部、パイプガイドと中板４との接合部にロウ材を塗布・載置等する。
【００２４】
中板４の上から、突出している第１流体通路パイプ８をパイプガイド２３挿通設置用の貫通孔２４に挿通しつつ、上板３を重ね合わせる。貫通孔２４と第１流体通路パイプ８とのクリアランスは、パイプガイド２３が挿入可能な分だけあるので、重ね操作に格別の支障はない。そして、パイプガイド２３を挿通設置する。
ここでは、第１流体通路パイプ８の先端は、第１流体分配空間内に開口している。
中板４と上板３との対接部、流体通路パイプとパイプガイド２３との接合部にロウ材を塗布・載置等する。
【００２５】
上板３の上に、蓋板２を載置し、その対接部にロウ材を塗布・載置等する。
これらの組み立て体の全体を、真空炉に挿入し所定温度に加熱することにより、ロウ材を塗布・載置等した箇所で漏れのない多層構造のマルチシャワーヘッドが製造される。
本発明のマルチシャワーヘッドを構成する素材については、従来用いられてきた耐熱性・耐蝕性の高いＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス材、純Ni材、インコネル材等が用いられ得る。
また、プロセス温度が低い場合には、アルミ材等で全ての部材を構成しても良い。
【００２６】
以上、２ガス反応系と冷却系とを確保するマルチ（３）シャワーヘッドについて説明してきたが、低温反応系で３ガス（それ以上）反応系であれば、例えば、第３流体分配空間から反応系空間への通路を形成することにより、対応変形することが可能であることはいうまでもない。さらに、中板類似の板を重ねることによって、更なるマルチシャワーヘッドを構成することも可能である。但し、流体噴出口の配列パターンには、それなりの考慮を払う必要が出てくることはいうまでもない。
【実施例】
【００２７】
流体通路パイプの内径０．４±０．０１ｍｍ、外径１．２ｍｍ、パイプガイドの内径１．２ｍｍ、外径２．４ｍｍ、パイプガイド挿入孔の径２．４ｍｍ、で、上板・中板・下板の板厚は、順に９ｍｍ、１１．５ｍｍ、４ｍｍ、流体噴出口配置面は１辺４ｍｍの正四角形形状のものを試作した。
今回製作したマルチシャワーヘッドの材料としては、半導体プロセスに使用可能で、耐熱性・耐食性が優れ、比較的安価であるＳＵＳ３１６Ｌ材で、全ての部材を構成した。
各部分に気密性が損なわれている箇所は見られなかった。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によれば、流体噴出口分布の細かいマルチシャワーヘッドが高性能に高能率に製造することができ、それを用いることによって、設計意図通りの精密な皮膜形成が可能となるため、皮膜形成に係る半導体製造等の産業分野に寄与する処大である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のシャワーヘッドの実施の形態における流体および冷却水の流れをそれぞれに分けて示す説明図である。
【図２】本発明のシャワーヘッドの実施の形態における全体構成を示す説明図であって、（ａ）は立面断面図、（ｂ）は下板の反応空間に面する底面の説明図である。
【図３】下板に形成された流体噴出口配列の一例を示す部分拡大説明図である。
【図４】本発明のマルチシャワーヘッドの製造方法を説明する図である。
【図５】従来のシャワーヘッドを示す分解説明図。
【図６】従来のシャワーヘッドの他の例を示す説明図。
【図７】ダブルシャワーヘッドにおける作動空間に開口する各プロセスガスの噴出口パターンの一例を示す説明図である。
【図８】従来のシャワーヘッドのさらに他の例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３０】
１：シャワーヘッド
２：蓋板
３：上板
４：中板
５：下板
６：第１流体（例えば原料ガス）供給口
７：第１流体分配空間
８：第１流体通路パイプ
９：反応空間
１０：第２流体（例えば燃料ガス）供給具
１１：第２流体分配空間
１２：第２流体通路パイプ
１３：第３流体供給通路
１４：第３流体分配空間
１５：第３流体排出通路
１６：測定端子サイト
１７：流体噴出口
１８：第１流体噴出口
１９：第２流体噴出口
２０：（流体通路パイプ用）貫通孔
２１：パイプガイド
２２：（パイプガイド用）貫通孔
２３：パイプガイド
２４：（パイプガイド用）貫通孔
３１：上段ブロック
３２：第１ガス導入口
３３：第２ガス導入口
３４、３４’、３４’：第１ガス流路
３５、３５’、３５”：第２ガス流路
３６：中段ブロック
３７：下段ブロック
３８：シャワーヘッド
３９：第１ガス噴出口
４０：第２ガス噴出口
４１：冷却水路
４２：表面板（a faceplate）
４３：表面板板厚貫通路
４４：下部ガス分配板
４５：下部ガス分配板板厚貫通路
４６：プロセス領域
４７：処理対象物
４８：ボルト
４９：ガス分配集成体
５１：下板
５８：ガス１（例えば原料ガス）通路用孔
５２：ガス２（例えば燃料ガス）通路用孔
５３：上板
５４：（上板の）凹部
５５：ガス２通路用孔
５６：長ガス通路パイプ
５７：被処理物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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