JP2009513002A - 接合多層ｒｆウィンドウ - Google Patents

Abstract

接合多層ＲＦウィンドウ（１３０）は、所望の熱特性を有する誘電体の外層（１３２）と、反応チャンバ（１００）内のプラズマに露出される誘電体の内層（１３４）と、外層と内層の間の接合材の中間層（１３６）を含むことができる。チャンバ内の化学反応及びウィンドウを介したＲＦエネルギーの伝達（１１２）により生じる熱は、内層から外層に伝達され、半導体ウェハ製造プロセスの間に冷却されることができる。接合多層ＲＦウィンドウ（１５０）は、冷媒を循環させ、内層を冷却することができる冷却管（１５８）を含むことができ、追加的又は選択的に、１又はそれ以上の処理ガスを反応チャンバに供給するためのガス分布管（１７８）及びガス注入開口部（１８０）を含むことができる。プラズマ反応チャンバを含むシステムは、本発明の接合多層ＲＦウィンドウを用いることができる。

Description

関連出願

本出願は、２００５年９月２９日に出願された米国特許仮出願第６０／７２１，９２８号に基づく優先権を主張する。

発明の分野

本発明は、一般に、プラズマ処理チャンバに係り、特に、ＲＦエネルギーをプラズマ処理チャンバ内に結合することが可能な接合多層誘導体ウィンドウに関する。

発明の背景

最近、高周波（ＲＦ）プラズマ反応チャンバ内におけるプラズマの温度制御は、このようなチャンバ内で処理されるシリコンウェハ上に製造されるフィーチャ（構成）の均一性を達成し、維持するために重要な要素になっている。ウェハ密度が増大し、サブミクロンのフィーチャサイズが減少するにつれ、各々のプロセスステップの間に、プラズマに対向する及び隣接する壁部の温度を含むプラズマの温度を予測し、安定化するための臨界値の制御がより重要になる。不安定な温度条件は反応チャンバ内のガス状の化学物質のイオン化に影響を与え、プラズマ密度及び均一性が変化する原因となる。温度変化はチャンバ内の全体的な反応に影響を与え、ウェハ毎に異なる又は単一ウェハのダイ毎に異なるプロセス結果を生じさせることがある。プラズマ温度の正確な制御は多くのプロセスステップにおいて決定的になる可能性がある一方、従来のＲＦ反応チャンバシステムは最適値からプラズマ温度を動かす原因となる傾向を本質的に有する設計を採用している。製造の間、半導体ウェハは一般的にはチャンバ内に位置するチャック上に固定されることができる。一般的な構成において、ウェハは、ＲＦエネルギーがチャンバ内に結合される誘電体ウィンドウに近接して、例えば５インチ（１３ｍｍ）又はより近接して固定されることがある。

従来のシステムは、多くの場合、誘電体ＲＦウィンドウ自体の効果的な温度制御を欠いており、その結果、ウィンドウの温度変化がプラズマ組成及びプラズマとウェハの相互作用に影響する可能性がある。更に、ウェハは典型的にはウィンドウに近接して配置されるので、ウィンドウ温度の効果に起因するプラズマ組成の変化は、プロセス結果に影響を与える。プラズマ組成の典型的な変化は、ガス粒子の再結合率におけるウィンドウ表面温度の効果に起因する。更に、ウィンドウ温度はウィンドウにおけるポリマーの堆積率に影響を与え、ウィンドウ表面の二次電子放出係数の変化を介してプラズマの挙動に影響を与える可能性がある。

単一プロセスの信頼性及び効率性を低減させることに加え、ＲＦウィンドウの不適切な熱制御は、プロセス毎に得られる結果の一貫性を低下させる傾向がある。ＲＦウィンドウの誘電体材料が連続的なプロセスステップの間に高エネルギーＲＦ電界に繰返し露出されると、熱制御の問題は悪化する。

ウイッカー（Wicker）らは、米国特許第６，０３３，５８５号において、ＲＦプラズマ反応チャンバ内で使用される多層誘電体ウィンドウを開示する。誘電体ウィンドウは、外部ＲＦ源から反応チャンバ内へＲＦエネルギーを結合する。主ウィンドウ層の下方の誘電体の他の層は、ガスシャワーヘッドとして作用する。冷媒は、最小限の温度制御のため、ウィンドウ上部に位置するＲＦコイルを介して循環することができる。しかしながら、ウイッカーらの多層ＲＦウィンドウは、ウィンドウとシャワーヘッドの間に接合層を用いていない。その代わりに、ウイッカーらは、シャワーヘッドを誘電体ウィンドウに装着するか、グリーンフォームでシャワーヘッドチャンネルを形成し、誘電体ウィンドウとシャワーヘッドの単一体を形成するために焼結することを開示する。前者において、シャワーヘッドからウィンドウまでの熱伝導は、接触が限定的な表面積であるために阻害される。この開示されたシステムは、上述した熱制御の問題を有している。ウイッカーらは、後者について、組成プロファイルを開示していない。

ホワルド（Howald）らは、米国特許第６，０７４，５１６号において、エッチプロセスの光学的モニタリングを必要とするＲＦプラズマエッチチャンバで用いられるシリカ誘電体ＲＦウィンドウにおけるプラグとして形成されたサファイアの透明光学ウィンドウを開示する。サファイアはプラズマへの耐性を向上させ、光学ウィンドウの透明性を維持する。ホワルドらの装置はシャワーヘッドを備えておらず、温度制御を提供しない。

適切な熱特性と熱伝導特性を備えたＲＦウィンドウへの継続的且つ増大する需要が存在する。ＲＦウィンドウの熱変化を最小化し、反応チャンバ内のプラズマに影響を与えないことが好ましい。ＲＦウィンドウでの温度変化の防止は、プラズマプロセスによりウィンドウの内表面で発生する過剰の熱を除去するため、熱伝導の適切な特性を必要とする。この特性は、温度変化が過剰の熱として示されないウィンドウ表面温度が、厚い誘電体ウィンドウの内表面から外表面まで移動するための早い温度応答を含むべきである。更に、ＲＦウィンドウは十分な機械的強度を有し、追加の構造上のサポートなしに３００ｍｍウェハのプラズマ処理のために必要とされる大型真空チャンバの耐圧天井として使用できるようにすることが好ましい。また、ＲＦウィンドウは反応チャンバ内に微粒子又は化学的な汚染物質を導入せず、プラズマ処理環境に耐性を有することが好ましい。プラズマチャンバ壁及びウィンドウのような部品ため最もよく用いられる誘電体材料は、石英又はシリカ（ＳｉＯ_２）及びアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）である。これらは真空に耐える強度を有し、比較的安価であるが、プラズマ環境で容易にエッチされる場合がある。窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）はいくつかのプラズマ化学種により耐性があるが、誘電率が高く、強度が低い。イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）及びレーザー用のイットリウムアルミニウムガーネット（Ｙ_ｘＡｌ_ｙＯ_ｚの組成を有するＹＡＧ）は高いプラズマエッチ耐性と適切な機械特性を有するが、これらの材料の大きな本体はかなり高価になる。即ち、公知の全ての誘電体材料は、プラズマチャンバの誘電体壁部のための全ての必要な特性を提供しない。

チャンバの内部を、例えばプラズマスプレーによって、保護層でコーティングすることは広く知られている。しかしながら、これらの保護コーティングの機械的及び化学的特性は、典型的には、焼結された、即ち、バルクセラミック材料に比べて劣る。その結果、プラズマスプレーされた部材は、一般的には、プラズマ処理チャンバ内でバルクセラミック材料が用いられる場所には用いることができない。

発明の概要

本発明は、プラズマ処理チャンバ内に接合多層誘電体壁を提供することにより、従来のシステムの上述した及び他の課題を解決する。この壁部は、ＲＦエネルギーを、例えば、チャンバ外部の誘導コイルからチャンバ内に結合するためのＲＦウィンドウを形成することができ、又はチャンバ内部へのアクセスを提供するための一般的な平坦な蓋部を形成することができる。

一実施形態において、内層及び外層は独立部材として第３の層と接合され、これらの層はエッチ耐性、強度、熱伝導性及びＲＦインピーダンスのような異なる特性で選択された異なる組成を有する。

他の実施形態において、内層及び外層は、焼結剤と緩く接合された紛体の異なる組成を有する素地（グリーンボディ）として形成される。素地は共に焼結され、粉体粒子が部分的に一体化した焼結層構造を形成する。好ましくは、中間素地は内層と外層の素地の間にサンドイッチ状に挟まれ、これらと共に焼結され、変化する接合層として作用する。

他の実施形態において、独立した内層及び外層は、その間のガラス形成パウダーと共に一体化される。このアセンブリは、内層と外層とのガラス層接合を形成するのに十分な温度であって、内層と外層の融点より低い温度で焼結される。

本発明の他の態様は、反応プロセスの間、ＲＦウィンドウの内表面を常時、適切に冷却することによって、ＲＦウィンドウの温度変化に起因するプラズマ内の温度変化を制限する。即ち、プラズマとチャンバの内側容積に露出する表面は積極的に冷却されることができる。

本発明の一態様によれば、接合多層ＲＦウィンドウは、一般的に、所望の機械的又は熱的特性を有し、ＲＦエネルギー源に露出される誘電体の外層と、プラズマ反応チャンバ内でプラズマに露出され、適切なプラズマ耐性特性を有する誘電体の内層と、外層と内層の間の接合材の中間層を含むことができる。接合材は、外層と内層の両方の対向する全表面積に実質的に接触し、広い表面積の接触により内層から外層への熱伝導を可能とする。チャンバ内の化学反応及びウィンドウを介したＲＦエネルギーの伝達及び部分的な吸収により生じる熱は内層から外層へ放出され、ウェハ製造プロセスの間に冷却されることができる。

本発明の他の態様によれば、実質的に上述された接合多層ＲＦウィンドウは、中間層又は層間の境界部に冷却路を含むことができる。操作の間、冷媒は冷却路内で循環され、内層から外層への熱伝達を増大することができる。

更に本発明の他の態様によれば、接合多層ＲＦウィンドウは、中間層又は他の２つの層間の境界部にガス分布路を含むことができる。ガス路からプラズマ反応チャンバ内に処理ガスを分散させるため、ガス注入開口部を内層に提供することができる。

更に本発明の他の態様によれば、プラズマ反応チャンバを含むシステムは、本発明の接合多層ＲＦウィンドウを用いることができる。

本発明の上述した及び他の付随する利点は、添付図面を参照して以下の実施形態の詳細な説明を検討することでより明らかになる。

好ましい実施形態の詳細な説明

ここで図面を参照するが、図１はシリコンウェハへの集積回路形成における典型的な処理に現在用いられている慣用のＲＦプラズマ反応チャンバの簡略断面側面図である。反応チャンバ１００は、典型的には１つ以上の処理ガス注入口１０２と、真空ポンプシステムに連結された排気ポート１０４と、処理するウェハ１０８を支持するためのチャック１０６とを含む。ガス注入口１０２は、チャック１０６に対向して広範囲にわたって処理ガスを分布させるシャワーヘッド形状であってもよい。あるタイプのＲＦプラズマ反応チャンバにおいては、ＲＦウィンドウ１１０はチャック１０８に対向して載置され、典型的には低メガヘルツ範囲で作動するＲＦ電源１１４により発生させたＲＦエネルギー１１２を反応チャンバ１００内の処理ガスへと伝達する。典型的な構成では、ＲＦウィンドウ１１０は反応チャンバ１００外部から冷却する。例えば、ファン１２０によりＲＦウィンドウ１１０の背面全体の空気循環を行う。ＲＦ電源１１４はＲＦ電源により駆動され、ＲＦウィンドウ１１０に隣接して位置される誘導コイルアンテナであってもよい。コイルアンテナはアプライドマテリアル社のＩＰＳエッチングチャンバにおいて既知のようなＲＦウィンドウ１１０の背面で中心軸を中心に螺旋に巻かれた１つ以上のソレノイドコイル、ラムリサーチ社のＴＣＰエッチングチャンバにおいて既知のようなＲＦウィンドウ１１０背面上に平面螺旋形に配置されたパンケーキ型コイル、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社のＤＰＳエッチング反応装置において既知のような、ドーム型ウィンドウ周囲に螺旋状に巻いた二次元コイル、アプライドマテリアル社のＤＰＳＩＩエッチング反応装置において既知のような、複雑で概して平面の螺旋形状コイルであってもよい。その他のコイル構成も可能である。例えば、誘導コイルを側壁の周囲に巻いてもよい。その他のＲＦ電源の使用も可能であり、ＲＦウィンドウ１１０に面した導波管出力を有するマイクロ波源を含んでいてもよい。典型的な構成において、ウェハ１０８を処理する或いはその他を目的として、チャンバ１００にＲＦウィンドウ１１０を介して結合されたＲＦエネルギーは処理ガスを反応性プラズマへと励起する。しかしながら、反応性プラズマもＲＦウィンドウ１１０と相互作用し、ウィンドウを劣化させる。

反応チャンバ１００、処理ガス注入口１０２、排気ポート１０４、チャック１０６、ＲＦエネルギー源１１４、ＲＦウィンドウ１１０は当該分野で周知である。石英又はセラミック等の様々な誘電体が、例えば、ＲＦウィンドウ１１０に使用されているが、一般的に用いられる上記各材料には非常に不利な点があった。例えば、特定のセラミックは許容範囲の熱特性を示すが、こういった材料はチャンバ１００の内部で生じる化学反応による損傷を受け易い傾向があるため、チャンバ１００内に粒子又はその他の汚染物質を導入してしまう可能性がある。プロセス実証済み石英の類はチャンバ１００内部でのプラズマ曝露への耐性がより高いものの、概して、大型のＲＦウィンドウの場合は機械強度が不十分となる。ウィンドウの厚みを上げることで要求される機械強度を満たす場合、ウィンドウを介しての熱伝導がそれに対応して低下し、ウィンドウの内面がプラズマ処理に悪影響を及ぼすに十分なほどに熱くなる。上述したように、イットリア及びＹＡＧのエッチング耐性は優れているが、大面積真空壁部、特には平面壁部用の組成物としては非実用的であり、これはＡｌ_２Ｏ_３系セラミックと比較してその構造強度が低く、製造コストが高いからである。

図２は接合多層ＲＦウィンドウ１３０の一実施形態の簡略断面側面図である。多層ＲＦウィンドウが有益である理由の１つは、チャンバの外部、内部に面する材料の有する好適な特性を生かしつつ、チャンバ内外で異なる材料特性を求められる場合に妥協する必要を回避可能な点である。模範実施形態において、ＲＦウィンドウ１３０は、通常、チャンバの周囲環境又は外部に面する、誘電体から成る外層１３２と、ウェハ処理用のプラズマを収容するチャンバ内部に面する、異なる誘電体から成る内層１３４と、外層１３２と内層１３４との間に配置された接合材の中間層１３６とを含む。一アプローチにおいて、内層及び外層１３２、１３４は一体化されており、組立てて接合する前は互いに独立している。つまり、層１３２、１３４のいずれも、もう一方の上に成長薄膜として堆積されることがない。

外層１３２を図１のＲＦ電源１１４等のＲＦ電源に露出すると、そこを通してＲＦエネルギーが伝達可能となる。システムは、外層１３２全体に空気を循環させて冷却するためのファン１２０を含んでいてもよい。多くの実施形態において外層１３２はウィンドウ１３０の厚みの大半を占め、ウィンドウ１３０の構造強度の殆どを賄うだけでなく、その厚みゆえに熱インピーダンスの大部分の原因となる。従って、外層１３２としての使用を目的として材料を選択する際には、必要とされる誘電特性に加え、熱及び構造特性が重要な要素となる。

例えば、セラミックにはＲＦウィンドウで一般的に使用するその他の誘電体と比較して優れた熱伝導特性を有するものがある。ここでセラミックとは、金属及び合金以外の、高温処理で形成される無機材料を意味する。セラミックは焼結材料又はガラスであってもよい。セラミックには薄膜でなくバルク部材として形成したアルミナ、石英、イットリア、ＹＡＧ、及び窒化ケイ素が含まれる。全てではないが多くのセラミックは金属酸化物として、その他は金属窒化物と見なすことができる。

外側誘電体は、外層１３２が妥当な量のＲＦエネルギーを比較的低吸収率又は減衰度で効率的に伝達し、内層１３４を冷却するに十分な熱伝導性を付与し（以下に記載）、反応チャンバ内部の真空により発生する力に耐えうるに十分な機械強度を付与するようなものを選択する。様々なセラミックが、大抵こういった熱伝達特性や機械強度を有する。従って、その他の誘電体よりもセラミックのほうが信頼性が高く、外層１３２、特には、例えば大直径である大型ＲＦウィンドウに適している。窒化アルミニウムを外層１３２に用いてもよい。

内層１３４の内側誘電体はＲＦエネルギーの伝達と熱拡散が可能である必要がある。加えて、内層１３４はプラズマ反応チャンバ１００内でプラズマに露出されるため、内層１３４を外層１３２に比べて比較的薄く維持する限り、その誘電率、ＲＦ吸収率、及び熱拡散性はそのプラズマエッチング耐性や処理化学作用への影響に比べればそれほど重要ではない。従って、通常、内層１３４用に選択する誘電体は外層１３２に選択するものとは異なる。半導体処理での使用に実績の高い種類の石英又はセラミック誘電体を用いてもよい。外層と内層１３２、１３４に異なるタイプの石英を用いてもよい。チャンバ内で起こる化学反応に対して内層１３４が耐性であることが重要となる。内層１３４用の材料の選択が反応チャンバで用いられる特定の処理化学作用と関係してくることは当業者にも理解されるところである。

例として、多様な石英がプラズマ反応チャンバの環境に高い耐性を示し、かつ運転中にチャンバ内に汚染物質を導入することが少ない、もしくはない。別例としては、アルミニウムとイットリウム酸化物の混合物から様々な配合比で生成し得るセラミック材料であるイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）を処理プラズマに面するものとして用いるのが有利である。ＹＡＧ及びその他の関連する材料は粒子を発生する、或いは処理によっては化学作用を汚染するため有利である。同様に、チャンバ内でプラズマに曝露されても窒化ケイ素は劣化に十分に耐え得る。アルミナもプラズマに面する部品に使用されてきているが、外層としての利用のほうがより一般的である。

しかしながら、内層１３４の材料はセラミックに限定されない。十分なエッチング耐性を有するプラスチック及び重合体を外層１３２の内側に接合させてもよい。

しかしながら、上記で挙げたもの等のプロセス実証済み材料の多くがＲＦエネルギーの伝達と部分的な吸収による温度の上昇を蒙ることから、特定の処理中、プラズマ処理領域内の温度に影響を与えるに十分な熱さになる場合がある。また、プラズマが処理化学作用に所望されるものより高い温度までウィンドウを加熱する可能性がある。また、プラズマ処理の多くが、プラズマチャンバ壁部の温度を所望の温度範囲内に制御することを必要とする。従って、図２の模範実施形態において、ウィンドウ１３０の内面温度が反応チャンバ内部の処理に影響を与えないように、内層１３４からの熱伝導を行うことが望ましい。

しかしながら、２つの硬質材料（模範的な組み合わせとしてはセラミックと石英）の表面を互いに圧締した場合、実際には各表面積の２％未満しか接触しない。分子レベルでは、表面積の接触率がこのように低いと表面間での熱伝導に困難が生じる。しかしながら、これら２つの表面を当該分野で既知の技法を用いて接合すると、有効接触面積が顕著に上昇するため各表面領域あたり９５％も接触する。２つの表面を接合する結果、接合材により生じた表面接触部の増加により一方の表面からもう一方への熱伝導が促進される。

セラミックの例
外層１３２にはアルミナ又は石英が好ましい材料であり、内層１３４にはイットリア又は若干好適度は下がるがＹＡＧが材料として好ましい。しかしながら、本発明はこれらの材料に限定されない。十分な強度のアルミナ及び石英は十分な厚さであっても妥当なコストで入手可能である。高エッチング耐性のイットリア及びＹＡＧが入手可能だが、コストを削減するにはその厚みを最低限としなくてはならない。

図２に図示されるように、接合多層ＲＦウィンドウ１３０は外層、内層１３２、１３４の間に配置される、接合材から成る中間層１３６を含んでいてもよい。上述したように、接合材により、実質的に外層１３２と内層１３４の表面領域全体が接触面となる。中間層１３６により広範囲にわたる接触面が形成されることで、内層１３４から外層１３２への熱伝導が促進される。チャンバ内の化学反応、ウィンドウ１３０を介したＲＦエネルギーの伝達、及びそれに伴うエネルギーの部分吸収により発生した熱は内層１３４から外層１３２へと逃がされ、外層１３２はウェハ製造処理中にファン１２０により冷却される。

中間層１３６に使用する接合材もＲＦエネルギーを伝達可能でなくてはならない。幾つかの異なる接合材を使用してもよく、その例には接着材と融解ガラス層が含まれる。

接着性化合物の例にはポリイミド又はテフロン（登録商標、疎水性フルオロカーボン重合体）、多様な耐真空性エポキシ樹脂、感圧接着剤（ＰＳＡ）が含まれる。室温加硫化（ＲＴＶ）シリコーンも接合材として許容可能である。当該分野では様々な接着接合法が知られているが、最も効果的な接合法は選択した接合材のみならず接合する材料の種類にも大きく関連してくる。

接合材の主な目的は内層と外層の接触面積の増大にあることが理解できる。内層と外層の材料がその他必要とされる特性に加えて好適な接触特性を有する場合は、包括的な接合層を用いる必要性は低下又は解消される。

融解ガラス接合には、一般的には粉末状のガラス前駆体を、前もって形成されかつ独立した、例えばすでに焼成してあるアルミナとイットリアの内側及び外側セラミック部材の間に挟むことを伴う。粉末をプラスチック又はセルロース結合剤に懸濁させ、流動性混合物をセラミック部材の片面又は両面にブラシで塗布してもよい。次にこの２つの部材に若干の圧力を加えることでアセンブリに組み立てる。アセンブリを炉に移動し、粉末前駆体が溶融して溶融流動性ガラスとなるが２つのセラミック部材の融点よりは低いガラス溶融温度まで加熱する。次に、制御しながらも、融解ガラスがプラズマ反応装置の典型的な動作温度のみならず室温でもガラス質に留まるに十分な速さでもって冷却して温度を下げる。通常、ガラスはセラミックに対しての濡れ性が良好であるため、２つのセラミック層の間は界面全体にわたって迅速に融着される。

融解ガラスの例
比較のため記載すると、アルミナ、石英、イットリアの融点はそれぞれ約２０４０℃、１７２０℃、１９４０℃である。融解ガラスのガラス形成温度は実質的に隣接するセラミック材料の融点よりも低くなくてはならない。熱膨張係数は異なる材料間で可能な限り等しくなるよう維持しなくてはならない。融解ガラスは、典型的には、所望の組成比でもって異なる金属酸化物の粉末を混合し、あらかじめ形成した２枚の内側及び外側層の間に粉末混合物を配置することで形成される。必要なら、揮発性結合剤で粉末を保持してもよい。アセンブリを加熱しながらプレスしてガラス融解させる。融着により界面全体にわたって緊密な接合が得られるため、熱拡散が促進される。

本発明はこれに限定されるものではないが、３種類の融解ガラス粉末混合物では、特にはアルミナとイットリアとのガラス融着で大きな効果が期待できる。（１）Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−ＣａＯ、（２）Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、（３）Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−ＣａＯ。半導体用途では、一般的に鉛とマグネシウムの使用は回避すべきである。

熱電対又はその他の温度測定装置を用いて、ウィンドウ１３０の１つ以上の位置で温度をモニタしてもよい。図２の実施形態においては、熱電対１３８を外層１３２に埋設しており、連続又は断続的のいずれかで温度をモニタするために用いてもよい。適切なフィードバックループと電子機器を用いることで、ファン１２０を用いる冷却システム又は別の冷却装置によりウィンドウ１３０を動的に熱制御することができる。十分に高い熱伝導性を有する材料をウィンドウの全層に用いることで、冷却を熱電対１３８を介して制御する際にウィンドウ内面の温度に有害な変動を生じさせることなく温度制御することが可能となる。

熱電対１３８の位置は例として図示したにすぎず、これを制限するものではない。例えば１つ以上の熱電対を用いる、或いは温度モニタの環状方向又は半径方向位置を変えることも本発明の範囲と想定内に含まれる。一実施形態に置いては、例えば、１つ以上の温度測定装置で図２の外層１３２のみならず内層１３４と中間層１３６の温度を直接的にモニタしてもよい。

また、図２の各層１３２、１３４、１３６の相対厚さは単なる例にすぎず、これを制限するものではないことが当業者には理解される。上記で簡単に述べたように、外層１３２はウィンドウ１３０の大半の構造強度を担い、内層１３４に比べて比較的厚い。一実施形態においては、例えば、外層１３２は厚さ約３／４インチ（１９ｍｍ）のセラミック材であり、内層１３４は厚さ約１／４インチ（６．４ｍｍ）のプラズマ耐性の石英である。このような実施形態において、接合材から成る中間層１３６の厚さは約２〜１０ｍｍであり、例えば使用する接合材の種類と接合方法に依存する。

図３はドーム型の接合多層ＲＦウィンドウ１４０の別の実施形態、例えば中心軸を中心に対称な二次元ドーム型でありその周りに誘導ＲＦアンテナコイルを巻いたものの簡略断面側面図である。図３の実施形態において、ＲＦウィンドウ１４０は、通常、誘電体の外層１４２と、誘電体の内層１４４と、外層と内層１４２、１４４の間に配置された接合材の中間層１４６とを含む。層１４２、１４４、１４６は全て同じ湾曲ドーム形状を有する。

図２を参照しながら上述した実施形態と同様に、ＲＦ電源に露出されると外層１４２はそこを通してＲＦエネルギー１１２を伝達可能となる。ファン１２０を組み込むことで外層１４２の露出側全体に空気を循環させ、露出側とウィンドウ１４０の残りの部分を冷却してもよい。上述したように、外層１４２はウィンドウ１４０の構造的完全性のみならず熱放散の大部分を担うに十分な厚さであってもよい。

従って、外層１４２は、特定の用途に応じた妥当なパーセンテージのＲＦエネルギーを伝達し、上述のように適切な熱伝導性と機械強度とを付与するセラミック材料から構成してもよい。

内層１４４（ＲＦエネルギーの伝達もする）はプラズマ反応チャンバ１００内部のプラズマに露出されるため、内層１４４用に選択する誘電体はプロセス実証済みのもの、つまり内層１４４がプラズマとチャンバ内で生じる化学反応に耐性を有することが望ましい。上述したように、石英又はセラミック誘電体（例えばＹＡＧ材料又は窒化ケイ素等）のいずれかを用いてもよい。

図２の実施形態のように、接合材（例えばポリイミド、テフロン重合体、ＰＳＡ、ＲＴＶシリコーン、又は耐真空性エポキシ樹脂）から成る中間層１３６を外層１４２と内層１４４との間に配置する。接合材により実質的に外層１４２と内層１４４の表面領域全体が接触部となり、内層１４４から外層１４２への熱伝導が促進される。

図３には図示していないが、１つ以上の熱電対又はその他の温度測定装置を用いてウィンドウ１４０の１つ以上の位置で温度をモニタすることで、冷却システムによりウィンドウ１４０を正確に熱制御してもよい。

図２のウィンドウ１３０は実質的に平坦であるが、図３に図示のウィンドウ１４０はかなりの既定曲率を有する。ウィンドウ１４０の曲率を用いてＲＦエネルギーを所望の位置に集中させても、或いはウィンドウ１４０の接合構造により内層１４４の効率的な冷却を促進する一方、より均一なプラズマ源領域としてもよい。

ウィンドウ１４０の厚みと曲率は単なる例にすぎず、これを限定するものではないことが当業者には理解される。用途に応じて、各層１４２、１４４、１４６の曲率半径と相対厚さは変えてもよい。

図４は冷却管を備えた接合多層ＲＦウィンドウ１５０の一実施形態の簡略断面側面図である。外層１５２、内層１５４、中間層１５６は、通常、上述の層１３２、１３４、１３６に対応する。図２と図４の実施形態とでは、図４の実施形においては冷却管１５８が追加されているという点で異なる。水等の冷却液を冷却管１５８に循環させて内層１５４からの熱伝達の有効性と伝達速度を上昇させてもよい。

図４に図示されるように、冷却管１５８は接合材に対応するボイド１５８を設けることで中間層１５６に形成してもよい。こういったボイド１５８により外層と内層１５２、１５４の間の表面領域接触部のパーセンテージが低下するが、冷却管１５８を通した冷却液の循環によりウィンドウ１５０、特には内層１５４の全体冷却速度は上昇する。冷却管１５８の一形成方法においては、水平方向に並べて配置した中間層１５６の材料タイルを、タイル同士を隔てる水平方向に延びるボイド１５８つまり横方向の間隙をおいた状態で外層１５２に接合する。次に、ボイド１５８の間を橋架けするように内層１５２をタイルから成る中間層１５６に接合する。細長いタイルを、主として一方向に延びるチャネルが形成されるように直線状に配置しても、或いはそれほど細長くない又は正方形のタイルをチャネルが双方向に連結して延びる二次元配列となるよう配置してもよい。追加的に又は選択的に、層１５２、１５４、１５６の積層に先立って、外層１５４にチャネル又は溝部１６０を、又は内層１５２に溝部１６２を、又は中間層１５６とのそれぞれの界面に溝部１６０、１６２の両方を形成することで冷却管１５８を形成してもよい。溝部１６０、１６２は中間層１５６のボイド１５８と整列させてもさせなくてもよい。

例えば図４に図示の接合材のボイド１５８等のチャネル、溝部、又はその他の特徴部を冷却管として用いる場合、供給する液状冷却剤は既定又は動的に調節した流量で加圧下で循環させる。この実施形態においては、熱電対１３８等の１つ以上の温度モニタにより、冷却システムがウィンドウ１５０の所望の位置で温度測定可能となる。こういった温度測定に反応する制御回路を用いて、測定したウィンドウ１５０の温度にあわせて冷却液の流量を調整してもよい。冷却管１５８を流れる冷却液に加え、ＲＦウィンドウ冷却システムは、上述したように、外層１５２の露出面全体に空気を循環させるためのファン１２０も備えていてもよい。

冷却管１５８の数と配置により冷却処理に影響がでることを当業者は理解するものである。冷却が最適となる冷却管１５８の具体的な構成は層１５２、１５４、１５６の材料に依存し、チャンバの用途にも大きく関係している。

図５はシャワーヘッドを形成するガス分布管とガス注入開口部を備えた接合多層ＲＦウィンドウ１７０の一実施形態の簡略断面側面図である。外層１７２、内層１７４、中間層１７６は概して上述の層１３２、１３４、１３６に対応するが、図２と図５の実施形態では、図５の実施形態では中間層１７６にガス分布管１７８が、内層１７４には少なくともガス分布管１７８の一部を処理チャンバ１００内部へと連結しているガス注入開口部１８０が追加されている点で異なる。ガス分布管１７８は主として水平方向に延び、ガスをガス注入開口部１８０に供給し、ガス注入開口部は主として垂直方向に延び、ガス分布管１７８と処理チャンバ１００内部とを連結している。外層１７２を貫通して形成された１つ以上のポートを用いて処理ガスを相互連結されたガス分布管１７８に供給してもよい。ガス分布管１７８はその構造において、図４を参照しながら上述した液体冷却管１５８と類似していてもよい。処理ガスをガス分布管１７８を通して循環させ、ガス分布管１７８と揃えて内層１７４に形成したガス注入開口部１８０からプラズマ反応チャンバ内へと注入してもよい。

図５に図示されるように、ガス分布管１７８は、中間層１７６の接合材にボイド１７８を導入することで中間層１７６に形成してもよい。追加的に又は選択的に、ガス分布管１７８は、溝部１８２に合わせて中間層１７６との界面で内層１７４にチャネル又は溝部１８２を形成することで構成してもよい。ガス分布管１７８と組み合わせたガス注入開口部１８０を内層１７４に所望のパターンで配置して、反応チャンバの処理領域内で所望のガス分布を実現してもよい。

運転中、ウィンドウ１７０はガス分布シャワーヘッドとして機能する。処理ガスを加圧下で既定又は動的に調整した流量でガス分布管１７８を通して分布させ、ガス注入開口部１８０を通して反応チャンバ内に導入してもよい。

前述の実施形態の場合と同様に、熱電対１３８等の温度モニタによりウィンドウ１７０の所望の位置での冷却システム温度測定を行ってもよい。こういった温度測定に反応する制御回路（図示せず）を用いることで、上述したように、外層１７２全体に空気を循環させるためのファン１２０の動作を調節してもよい。

図６はプラズマ反応チャンバ１００における、接合多層ＲＦウィンドウ１９０を備えたシステムの簡略断面側面図である。反応チャンバ１００は、通常、処理ガス注入口１０２と、処理ガス排気口１０４と、処理するウェハ１０８を支持及び保持するための静電チャック備えた台座１０６を含んでいてもよい。ＲＦウィンドウ１９０はチャンバ１００にシールされており、ＲＦ電源１１４からのＲＦエネルギーはウィンドウ１９０を介して反応チャンバ１００内部の処理ガスへと伝達される。

ウィンドウ１９０は、概して、詳細に上述した本発明の接合多層ＲＦウィンドウに対応する。図６の実施形態においては、例えば、ウィンドウ１９０は図２〜４に図示の実施形態と同様である。当然ながら、ウィンドウ１９０が図５を参照して記載したようなガス分布管とガス注入開口部を備えたものである場合、処理ガス注入口１０２は不要となる。選択的に、図５の実施形態をウィンドウ１９０に採用したとしても、処理ガス注入口１０２を用いて、ウィンドウ１９０を介した処理ガスの反応チャンバへの導入を補完することができる。

本発明の一実施形態によるセラミックシャワーヘッド２００が図７の断面図に図示されている。例えばアルミナ製のセラミックバックプレート２０２を機械加工してその背面にガス注入口２０４を形成する。複数、例えば３つの環状方位方向分布チャネル２０６を、シャワーヘッド中心軸２０８を中心に円形に対称となるようにバックプレート２０２の前面に機械加工する。複数の半径方向分布チャネル２１０を各直径又は半径にわたって機械加工し、環状方位方向分布チャネル２０６とガス注入ポート２０４とを連結する。バックプレート２０２の前面の残りの部分は、最外部方位方向分布チャネル２０６の外側に位置する縁部２１２を含め平坦なままであり、処理ガスをウィンドウ２００内にシールしている。

ガラス前駆体と結合剤との薄い接合層２１４を例えばイットリアのセラミックフロントプレート２１６の表面にブラシで塗布し、バックプレート２０２をフロントプレート２１６を覆う接合層２１４上に降下させる。なお、図はバックプレート２０２の底部の大部分が接合層２１４と接していることを明確には示していない。次に、アセンブリを炉に移動して加熱することでガラス前駆体を接合層２１４を形成する融解ガラスに転換する。加熱前の接合層２１４は分布チャネル２０６、２１０の深さと比較して１ｍｍ未満と十分に薄いため、接合層２１４はたとえ溶融状態であっても、下端が若干丸くなることはあっても分布チャネル２０６、２１０を充填しまうことはない。

融解したアセンブリを、ガラスの標準的な製法に従って冷却する。その後、ガス開口部２１８をフロントプレート２１６とガラス様接合層２１４にドリルで開け、半径方向分布チャネル２１０、或いは方位方向分布チャネル２０６と連結させる。

得られたセラミックシャワーヘッド２００は完全に誘電体から構成されているため、シャワーヘッド２００はバックプレート２０２の背面に配置されたＲＦコイル用のＲＦウィンドウとしても機能可能である。しかしながら、例えばおそらくは励起状態にある処理ガスを金属面に接触させたくない場合、セラミックシャワーヘッド７００をＲＦコイルとは独立して用いることが可能である。更に、内層２１６のエッチング耐性が重要な要件でない場合は特に、セラミック層２０２、２１６の双方を同一のセラミック材料で構成してもよい。

シャワーヘッド形成時の上述の機械加工工程を省略することで、同じアセンブリ及びアニーリング手順をパターニングしていないＲＦウィンドウに用いてもよい。

液体冷却ＲＦウィンドウは、冷却液の供給と排出のための２つのポート２０４を設け、供給ポートと排出ポートに連結された１つ以上の回旋状チャネルとしての分布チャネルを形成することで同様に作製可能である。液体冷却ＲＦウィンドウにはガス開口部２１８を設置しない。

選択的に、ガス供給のための分布チャネルと液状冷却剤用の別のチャネルの両方を備えるようにセラミックバックプレート２０２を構成することができ、これらのチャネルは２つの異なるタイプのチャネル用の別々の供給ポートと排出ポートに繋がっている。ガス供給チャネルと冷却液チャネルの双方はセラミックバックプレート２０２の底部にチャネルとして構成可能であり、接合層２１４とシャワーヘッドプレート２１６の組み合わせを用いることで互いに隔離される。

第３のセラミックプレートをベースバックプレート２０２と接合層２１４との間に追加することで、ベースセラミックバックプレート２０２へのこれらのチャネルの形成に更に融通を利かせることが可能となる。第３のセラミックプレートは第２接合層を用いてベースバックプレート２０２に取り付けられ、冷却チャネルの底部がシールされる。第３セラミックプレートは処理ガスの供給用通路とガス分布チャネルを備え、ガス開口部２１８に繋がっている。

上記記載から、本発明により、反応チャンバ内でプラズマに曝露されたＲＦウィンドウの内側から熱が効果的かつ一貫して放散されることがわかる。更に、本発明はＲＦウィンドウに限定されず、プラズマ処理チャンバの真空壁部にも有益に応用し得る。

本明細書で開示された実施形態は単なる例として記載及び図示したにすぎず、本発明を制限するものではない。また、本発明の精神と範囲から逸脱することなく数々の改変を本発明に加え得ることが当業者には明らかである。

従来のＲＦプラズマ反応チャンバの簡略断面側面図である。 接合多層ＲＦウィンドウの一実施形態の簡略断面側面図である。 接合多層ＲＦウィンドウの他の実施形態の簡略断面側面図である。 冷却管を用いた接合多層ＲＦウィンドウの一実施形態の簡略断面側面図である。 ガス分布管及びガス注入開口部を用いた接合多層ＲＦウィンドウの一実施形態の簡略断面側面図である。 プラズマ反応チャンバ内で接合多層ＲＦウィンドウを用いたシステムの簡略断面側面図である。 本発明の他の実施形態に係るシャワーヘッドの断面側面図である。

Claims (32)

1. プラズマ反応チャンバで用いられる多層ＲＦウィンドウであって、
   第１誘電体の外層と、
   第２誘電体の内層と、
   外層と内層の間に配置された接合材の中間層を備え、内層は中間層により外層に接合されている多層ＲＦウィンドウ。
2. 外層は内層より高い機械的強度を有する請求項１記載の多層ＲＦウィンドウ。
3. 第１及び第２誘電体は各々セラミクスを含む請求項１記載の多層ＲＦウィンドウ。
4. 第２誘電体は石英を含む請求項３記載の多層ＲＦウィンドウ。
5. 第１誘電体は第１セラミックであり、第２誘電体は第１セラミックと異なる第２セラミックである請求項１記載の多層ＲＦウィンドウ。
6. 第１誘電体はアルミナであり、第２誘電体はイットリア及びイットリウムアルミニウムガーネットのいずれか１つである請求項１記載の多層ＲＦウィンドウ。
7. 層うち隣接するものの間の境界部に形成された冷却管を備えた請求項１記載の多層ＲＦウィンドウ。
8. ＲＦウィンドウの温度測定に応答して冷却管内の冷媒の流れを制御する冷却システムを備えた請求項７記載の多層ＲＦウィンドウ。
9. 冷却管は外層と中間層の間の境界部に位置している請求項７記載の多層ＲＦウィンドウ。
10. 冷却管は内層と中間層の間の境界部に位置している請求項７記載の多層ＲＦウィンドウ。
11. 中間層内のガス分布管と内層内のガス注入開口部を備え、ガス分布管とガス注入開口部は協働して１又はそれ以上の処理ガスをプラズマ反応チャンバ内に送る請求項１記載の多層ＲＦウィンドウ。
12. 接合材は、ポリイミド、テフロンポリマー、エポキシ、圧力感受性接着剤及びＲＴＶシリコーンからなる群から選択される請求項１記載の多層ＲＦウィンドウ。
13. 接合材は酸化物ガラスである請求項１記載の多層ＲＦウィンドウ。
14. プラズマ反応チャンバ内にＲＦエネルギーを結合するＲＦウィンドウの製造方法であって、
    第１誘電体の独立した第１層を提供し、
    第１誘電体と異なる第２誘電体の独立した第２層を提供し、
    接合材で第１層を第２層に接合することを含む方法。
15. 接合材は接着剤である請求項１４記載の方法。
16. 接合材はセラミック材料である請求項１４記載の方法。
17. 第１及び第２誘電体は酸化物セラミックであり、接合材は第１及び第２誘電体の融点より低いガラス形成温度を有する酸化物ガラスであり、接合する工程は第１及び第２層を集合させ、その間に接合材が配置されたアセンブリを形成し、アセンブリをガラス形成温度より高く、両方の融点より低い温度に加熱することを含む請求項１４記載の方法。
18. 第１誘電体はアルミナを含み、第２誘電体はイットリア及びイットリウムアルミニウムガーネットの選択された１つを含み、接合材はアルミナとイットリア及びイットリウムアルミニウムガーネットの選択された１つの融点より低いガラス形成温度を有する請求項１４記載の方法。
19. 酸化物ガラスは、（１）Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−ＣａＯ、（２）Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、（３）Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−ＣａＯ、及びこれらの混合物からなる群から選択される組成パウダーのセットから選択されるパウダーから形成される請求項１４記載の方法。
20. プラズマ反応チャンバと、
    プラズマ反応チャンバの多層誘電体壁を備え、
    多層誘電体壁は、
    第１誘電体の外層と、
    プラズマ反応チャンバの内部に対向する第２誘電体の内層と、
    外層を内層に接合する接合材の中間層を有するプラズマ処理システム。
21. 外層は内層より高い機械的強度を有する請求項２０記載のシステム。
22. 内層は外層よりプラズマ反応チャンバ内のプラズマ処理条件に対する耐性を有する請求項２０記載のシステム。
23. 第１及び第２誘電体は各々セラミクスである請求項２０記載のシステム。
24. 誘電体壁は、プラズマ反応の外部に配置され、誘電体壁に近接するＲＦ源のためのＲＦウィンドウを形成する請求項２０記載のシステム。
25. ＲＦウィンドウは冷却管を含む請求項２４記載のシステム。
26. 外層と中間層の間の境界部に形成されたガス分布チャンネルと、
    内層のガス注入開口部とを備え、システムはガス分布管とガス注入開口部を介してプラズマ反応チャンバ内に１又はそれ以上の処理ガスを送る請求項２０記載のシステム。
27. 接合材は、ポリイミド、テフロン、エポキシ、圧力感受性接着剤及びＲＴＶシリコーンからなる群から選択される請求項１４記載のシステム。
28. プラズマ反応チャンバ内で用いられる多層ＲＦウィンドウであって、
    第１誘電体材料の外層と、
    第２誘電体材料の内層を備え、内層は外層と内層の実質的に全表面積で外層と接触している多層ＲＦウィンドウ。
29. 外層と内層の間に配置された接合材の中間層を備え、内層は中間層により外層に接合されている請求項２８記載の多層ＲＦウィンドウ。
30. 第１誘電体はセラミックであり、第２誘電体は石英である請求項２８記載の多層ＲＦウィンドウ。
31. 第１誘電体はセラミックであり、第２誘電体はセラミックである請求項２８記載の多層ＲＦウィンドウ。
32. 内部に形成された冷却管を備えた請求項２８記載の多層ＲＦウィンドウ。

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