JP4971365B2 - プラズマ反応チャンバ用の電極アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、電極アセンブリおよびその製造方法に関する。

１９６０年代の半ばより、半導体集積回路が、大部分の電子回路システムの主要な構成要素となってきている。これらの小型電子デバイスは、マイクロコンピュータ中央処理装置のメモリおよび論理サブシステムを構成する数千ものトランジスタおよびその他の回路、ならびにその他の集積回路を含むことがある。これらのチップの低コスト、高信頼性、および高速化のおかげで、こうしたチップは、現代のデジタル電子機器に遍在する特徴となってきている。

集積回路チップの製造は、典型的には、「ウェハ」と呼ばれる、研磨された高純度の薄い単結晶半導体材料基板（シリコンまたはゲルマニウムなど）の一片から始まる。各ウェハには、ウェハ上に様々な回路構造を形成する一連の物理化学処理ステップが行われる。製造工程の間、二酸化シリコン膜を生成する熱酸化、シリコン膜、二酸化シリコン膜、および窒化シリコン膜を生成する化学気相成長、ならびに他の金属膜を生成するスパッタリングまたは他の技術などの様々な技術を用いて、様々な種類の薄膜をウェハ上に堆積させることができる。

半導体ウェハ上に膜を堆積させた後、ドーピングと呼ばれる工程を用いて、半導体結晶格子中に選択された不純物を置換させることによって、半導体に特有の電気的性質がもたらされる。次いで、ドープさせたシリコンウェハを、「レジスト」と呼ばれる感光性、または放射線感応性材料の薄層で一様に被覆することができる。次いで、リソグラフィとして知られる工程を用いて、回路の電子経路を画定する細かな幾何学パターンをレジスト上に転写させることができる。リソグラフィ工程の間、集積回路パターンは、「マスク」と呼ばれるガラスプレート上に描画され、次いで、光学的に縮小し、投影させ、感光性コーティング上に転写させることができる。

次いで、エッチングとして知られる工程によって、リソグラフ印刷されたレジストパターンを、下にある半導体材料の結晶表面上に転写させる。基板上の材料のエッチング、および化学気相成長（ＣＶＤ）には、真空処理チャンバが一般に使用され、エッチングガスまたは堆積ガスを真空チャンバに供給し、こうしたガスに高周波（ＲＦ）場を印加して、ガスをプラズマ状態に活性化させる。

反応性イオンエッチングシステムは、典型的には、上側電極またはアノードと、下側電極またはカソードとがその中に配置されたエッチングチャンバからなる。カソードは、アノードおよび容器壁に対して負にバイアスされる。エッチングすべきウェハは、適当なマスクによって被覆され、カソード上に直接配置される。ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、ＣＣｌＦ_３、ＨＢｒ、Ｃｌ_２、およびＳＦ_６、またはそれらの混合物などの化学反応性ガスが、Ｏ_２、Ｎ_２、Ｈｅ、またはＡｒと共にエッチングチャンバ内に導入され、典型的にはミリトールの範囲の圧力で維持される。上側電極は、１つ（または複数）のガスホールを備え、それによって、ガスが電極を通り抜けてチャンバ内に一様に分散することができる。アノードとカソードとの間で確立される電界によって、反応性ガスが解離し、プラズマが形成されることになる。ウェハの表面は、活性イオンとの化学相互作用と、ウェハの表面に当たるイオンの運動量移行（ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｔｒａｎｓｆｅｒ）とによってエッチングされる。電極によって生成される電界により、イオンがカソードに引き付けられ、その結果イオンが主に垂直方向に表面に当たることになり、したがって、この工程では、明確に画定された垂直エッチング側壁が形成される。

エッチングリアクタ電極は、２つ以上の異種部材を、機械的適合性および／または熱伝導性のある接着剤を用いて接合させることによって製造されることが多く、したがって、機能の多様化が可能となる。内側電極および外側電極が背面部材に接合されたシャワーヘッド電極アセンブリを含め、２つの部材間で接合線または層を有するエッチングリアクタ、あるいは、電極および／または加熱素子またはアセンブリを一体化させる多数の接合層を有するエッチングリアクタのいくつかでは、接合材料が反応チャンバの状態に曝されることがある。さらに、接合材料は、プラズマ、およびプラズマによって生じるラジカルによる直接の攻撃によって、エッチング除去される恐れがある。
米国特許第６０７３５７７号 米国特許第５５３４７５１号 米国特許第６８２４６２７号

したがって、半導体エッチング工程で使用する間、プラズマ処理システムの性能または動作可能性を顕著に劣化させることなく、電極およびそれに伴う接合材料の動作寿命を許容可能に延長させるように、接合材料の侵食を防止すること、または少なくともその速度を十分に遅らせることが求められている。

一つの実施形態によれば、半導体基板の処理において使用されるプラズマ反応チャンバ用の電極アセンブリは、接合表面を有する背面部材と、一方の側に下側表面を、他方の側に接合表面を有する内側電極と、他方の側に下側表面を、他方の側に接合表面を有する外側電極とを備え、これらの電極の少なくとも一方が、他方の電極の下側表面の少なくとも一部分の下に延びるフランジを有する。

他の実施形態によれば、半導体基板の処理において使用されるプラズマ反応チャンバに有用な電極アセンブリは、接合表面を有し、接合材料を受けるための少なくとも１つの凹部を有する背面部材と、一方の側に下側表面を、他方の側に接合表面を有する電極とを備え、接合材料は、少なくとも１つの凹部に閉じ込められる。

別の実施形態によれば、電極アセンブリは、接合表面を有し、接合材料を受けるための少なくとも１つの凹部を有する背面部材と、一方の側に下側表面を、他方の側に接合表面を有する電極と、背面部材の接合表面と電極の接合表面との間の間隙を維持する少なくとも１つのスペーサと、背面部材の接合表面と電極の接合表面との間にある接合材料とをさらに備える。

他の実施形態によれば、半導体基板の処理において使用されるプラズマ反応チャンバ用の電極アセンブリは、接合表面を有する背面部材と、一方の側に下側表面を、他方の側に接合表面を有する電極とを備え、電極は、接合材料を受けるための凹部と、過剰な接合材料を取り込む外側縁部上の溝とを有する。

別の実施形態によれば、基板の処理において使用されるプラズマ反応チャンバ用の電極アセンブリは、接合表面を有する背面部材と、一方の側に下側表面を、他方の側に接合表面を有する外側電極リングとを備え、外側電極の接合表面は、複数の凹部を含む。

別の実施形態によれば、半導体基板の処理において使用されるプラズマ反応チャンバに有用な電極アセンブリの製造方法は、接合表面を有する背面部材を設けること、一方の側に下側表面を、他方の側に接合表面を有する内側電極を設けること、ならびに内側電極および背面部材の接合表面に接合材料を塗布することを含み、接合材料の縁部が、内側電極の外側縁部から１．０〜３．０ｍｍの範囲内に延びる。

図１は、基板をエッチングするためのプラズマリアクタのシャワーヘッド電極アセンブリ１００の一部分の断面図を示す。図１に示すように、シャワーヘッド電極アセンブリ１００は、頂部電極１１０、熱制御部材１１２、および頂部プレート１１４を含む。頂部電極１１０は、内側電極１２０と、内側電極１２０に固定された任意選択による背面部材１４０とを含む。背面部材１４０は、内側背面部材１２４と、任意選択による外側背面部材１３２とを含むことができる。頂部プレート１１４は、プラズマエッチングチャンバなどのプラズマ処理装置の取外し可能な頂部壁を形成することができる。頂部電極１１０は、好ましくは、内側電極部材１２０と、任意選択による外側電極部材１３０とを含む。内側電極部材１２０は、好ましくは円筒形プレートであり、単結晶シリコン製でよい。

図１に示すシャワーヘッド電極アセンブリ１００は、典型的には、平坦な底部電極を有する静電チャック（図示せず）と共に使用され、その底部電極の上には、ウェハが頂部電極１１０の下方に１〜２ｃｍ間隔を置いて支持される。かかるプラズマ処理システムの例に、カリフォルニア州フリーモントのＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＥｘｅｌａｎ（登録商標）誘電体エッチングシステムなどの、平行プレート型リアクタがある。かかるチャック構成により、裏側にヘリウム（Ｈｅ）圧力を加え、それによって、ウェハとチャックとの間で熱伝導率を制御することによって、ウェハの温度制御が実現される。

頂部電極１１０は、定期的に取り替えなければならない消耗部品である。好ましい実施形態では、頂部電極１１０は、間隔を置いて配置された複数のガス放出通路１１６を備えたシャワーヘッド電極であり、これらのガス放出通路１１６は、処理ガスを供給するのに適したサイズのもので、かつそのように分散配置され、処理ガスは、電極によって活性化され、電極１１０の下の反応ゾーン１０２（図３）でプラズマを形成する。

内側電極１２０は、好ましくは、中央（図示せず）から外側縁部１２１へと均一な厚さを有する平坦ディスクである。水が、水入口／出口接続部によって、冷却チャネル内を循環する。間隔を置いて配置された石英リングのスタックからなるプラズマ閉じ込めリング１５０が、頂部電極１１０の外周を取り囲んでいる。閉じ込めリング１５０の目的および機能は、リアクタ内で圧力差を引き起こし、反応チャンバ壁とプラズマとの間の電気抵抗を増大させ、それによって、プラズマを上下の電極間に閉じ込めることである。

ガス供給部からの処理ガスが、頂部プレート１１４にある１つまたは複数の通路を介して電極１１０に供給される。次いで、処理ガスは、垂直に間隔をおいて配置された１つまたは複数のバッフル板を介して分配され、電極１１０にあるガス分配孔１１６を通り抜けて、反応ゾーン１０２中に一様に分散する。

内側電極部材１２０は、プレートが単結晶シリコン製である場合、処理すべきウェハの直径、例えば３００ｍｍまでの直径よりも小さい、等しい、またはそれよりも大きい直径を有することができ、この３００ｍｍという直径は、現在市販されている単結晶シリコン材料の最大直径である。３００ｍｍウェハを処理するには、外側電極部材１３０は、頂部電極１１０の直径を約１５インチから約１７インチに拡大させるように適合される。外側電極部材１３０は、連続部材（例えば、ポリシリコン部材のリングなど）でも、または分割部材（例えば、単結晶シリコンのセグメントなどの、リング状に配置された２〜６個の分離セグメント）でもよい。内側電極部材１２０は、好ましくは、プラズマ反応チャンバ内の頂部電極１１０下の空間に処理ガスを注入するための多数のガス通路１１６を含む。

単結晶シリコンは、内側電極部材１２０および外側電極部材１３０のプラズマ露出表面に適した好ましい材料である。高純度の単結晶シリコンでは、反応チャンバ内に望ましくない元素が最小量しか導入されず、また、プラズマ処理の間、滑らかに摩耗し、それにより粒子が最小限に抑えられるため、プラズマ処理の間、基板の汚染が最小限に抑えられる。頂部電極１１０のプラズマ露出表面に使用できる代替材料には、例えば、ＳｉＣ、ＳｉＮ、およびＡｌＮが含まれる。

構成においては、シャワーヘッド電極アセンブリ１００は、直径３００ｍｍを有する半導体ウェハなどの大型基板を処理するのに十分な大きさである。３００ｍｍウェハでは、頂部電極１１０は直径が少なくとも３００ｍｍである。しかし、シャワーヘッド電極アセンブリ１００は、他のウェハサイズ、または非円形の形状を有する基板を処理するようにサイズ設定することもできる。

図２は、図１のシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図を示す。図２に示すように、シャワーヘッド電極アセンブリ１００は、内側電極１２０、内側背面部材１２４、外側電極１３０、外側電極外側背面部材１３２、およびプラズマ閉じ込めリング１５０を含む。

背面部材１４０は、内側背面部材１２４と、任意選択による外側背面部材１３２とからなる。かかる構成では、内側電極部材１２０は、内側背面部材１２４と同一の広さを有し、外側電極部材１３０は、周囲の背面部材１３２と同一の広さを有する。しかし、内側背面部材１２４は、単一の背面部材１４０（図３）を用いて、内側電極部材１２０と外側電極部材１３０とを支持できるように、内側電極部材１２０を越えて延ばしてもよい。内側電極部材１２０および外側電極部材１３０は、好ましくは、エラストマー接合材料１６０を用いて内側背面部材および外側背面部材１２４、１３２に接着される。内側背面部材１２４は、内側電極部材１２０にあるガス通路１１６と位置合せされ、プラズマ処理チャンバ内にガス流をもたらすガス通路１２６を含む。内側背面部材１２４のガス通路１２６は、典型的には、約０．０４インチ（約１ｍｍ）の直径を有し、内側電極１２０のガス通路１１６は、典型的には約０．０２５インチ（約０．６４ｍｍ）の直径を有する。

内側背面部材１２４および外側背面部材１３２は、好ましくは、プラズマ処理チャンバ内で半導体基板を処理するのに使用される処理ガスと化学的に適合した材料で作成され、電極材料の熱膨張率と厳密に整合した熱膨張率を有し、かつ／または、電気的、熱的に伝導性である。内側背面部材１２４を作成するのに使用できる好ましい材料には、それだけに限られるものではないが、グラファイトおよびＳｉＣが含まれる。

内側電極および外側電極１２０、１３０は、熱的、電気的に伝導性のエラストマー接合材料１６０（図３）を用いて、内側背面部材１２４および外側背面部材１３２にそれぞれ接着することができる。エラストマー接合材料１６０によって、熱サイクルによる熱応力の間、頂部電極１１０と背面部材１４０との間の相対的な移動が可能となる。接合材料１６０はまた、内側電極および外側電極１２０、１３０と、内側背面部材１２４および外側背面部材１３２との間で、熱および電気エネルギーを伝導する。電極アセンブリ１００の表面同士を一体に接合するためのエラストマー接合材料１６０の使用については、例えば、本願の権利者が所有する米国特許第６０７３５７７号に記載されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。

内側背面部材１２４および外側背面部材１３２は、好ましくは、適当な固締具を用いて熱制御部材１１２に取り付けられ、固締具は、ねじボルト、圧下ねじなどでよい。例えば、ボルト（図示せず）を、熱制御部材１１２にある孔に挿入し、背面部材１４０にあるねじ山付き開口にねじ込むことができる。熱制御部材１１２は、撓曲部分１５２を含み、好ましくは、アルミニウム、アルミニウム合金などの機械加工された金属材料製である。頂部プレート１１４は、好ましくは、アルミニウムまたはアルミニウム合金製である。プラズマ閉じ込めリング１５０が、シャワーヘッド電極アセンブリ１００の外方に示されている。垂直方向に調整可能なプラズマ閉じ込めリング１５０を含めて、適当なプラズマ閉じ込めアセンブリが、本願の権利者が所有する米国特許第５５３４７５１号に記載されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。

図３は、内側電極１２０、背面部材１４０、および外側電極１３０を有する頂部電極１１０を備えた、図２のシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図を示す。内側電極１２０および外側電極１３０はそれぞれ、下側すなわちプラズマ露出表面１２３、１３９と、上側すなわち接合表面１２５、１４１とを有する。背面部材１４０は、下側すなわち接合表面１２７と、上側すなわち熱制御表面１１６とを有する。図３に示すように、エラストマー接合材料１６０が、内側電極１２０の上側表面１２５、外側電極１３０の上側表面１４１と、背面部材１４０の下側表面１２７との間の間隙または空間１１８に塗布され、その中に含まれる。

背面部材１４０は、図２に示す内側背面部材１２４および外側背面部材１３２の代わりに、単一の背面部材１４０を使用できるように、内側電極１２０の外側縁部１２１を越えて延ばすこともできることが理解されよう。内側電極１２０の外側縁部１２１は、図３に示すように、典型的には垂直である。しかし、内側電極１２０の外側縁部１２１は、垂直でない向きを有してもよいことが理解されよう。

外側電極１３０は、内側縁部１３１および外側縁部１３３を有する。外側電極１３０の内側縁部１３１は、内側電極１２０の外側縁部１２１と面しているか、または隣接している。外側電極１３０の外側縁部１３３は、プラズマ閉じ込めリング１５０に面している。外側電極１３０の内側縁部１３１および外側縁部１３３は、典型的には垂直である。しかし、本明細書に記載のように、内側縁部１３１および外側縁部１３３は、垂直でない向きを有してもよいことが理解されよう。

図３に示すように、外側電極１３０の内側縁部１３１および外側縁部１３３は、内側表面１３５および外側表面１３７を含むことができ、これらの表面は、外側電極１３０の下側表面１３９の方に角度が付いている。外側電極１３０の内側表面および外側表面１３５、１３７は、下側表面１３９と共に、内側電極１２０の下側表面１２３よりも深くゾーン１０２内に延ばすことができる。外側電極１３０の内側表面１３５は、本願の権利者が所有する米国特許第６８２４６２７号に記載のように、ステップ１１１として説明することができ、上記特許の全体を参照により本明細書に組み込む。ステップ１１１は、プラズマ処理の間、下側露出表面１２３、１３９に隣接して形成されるプラズマの密度を制御するように設けられる。ステップ１１１は、好ましくは、下側電極（図示せず）の縁部リングの上方にほぼ位置合せされ、かつウェハ縁部のすぐ外側に配置される。内側表面１３５および外側表面１３７の角度は、好ましくは、約１５度〜８５度である。

図３に示すように、接合材料１６０またはエラストマー接合材料は、典型的には、内側電極および外側電極１２０、１３０の上側すなわち接合表面１２５、１４１、ならびに／または背面部材１４０の下側すなわち接合表面１２７の少なくとも１つに塗布される。接合材料１６０が接合表面１２５、１２７、１４１の少なくとも１つに塗布された後、接合表面１２５、１２７、１４１が一体に押圧されるようにそれらの部品を組み立てることができる。上述の電極１１０および背面部材１４０の場合、電極１１０は、固定具に保持することができ、固定具のプラスチックピンを用いて、背面部材１４０が電極１１０と正確に接触するように誘導することができる。最初に、手による圧力のような軽い圧力を用いて、エラストマーまたは接合材料１６０を、形成すべき接合部全体に広げる。エラストマーまたは接合材料１６０を広げた後、接合剤が硬化する間、電極１１０に静荷重を加えることができる。

接合剤は、大気または保護ガス環境下で周囲温度または高温で硬化させることができる。例えば、アセンブリ１００を熱対流炉内に配置し、接合すべき部品に熱歪を誘起せずに接合剤の硬化を加速させるように、低温に加熱する。上述の頂部電極１１０および背面部材１４０の場合、６０℃未満の温度、例えば４５℃〜５０℃で、適当な時間、例えば３〜５時間維持することが望ましい。接合剤が硬化してエラストマー接合部が形成された後、アセンブリ１００を冷却し、マスキング材料を除去する。さらに、組立て作業の要件に応じて、追加の任意の清浄ステップ、および／または真空炉のガス抜きなどのさらなる製造ステップを実施することができる。

図３に示すように、典型的には、接合表面１２５、１２７、１４１を一体に押圧すること、すなわち、内側電極１２０および外側電極１３０を、内側背面部材１２４および外側背面部材１３２と合わせることによって、内側電極および外側電極１２０、１３０と、背面部材１２４との間の間隙または空間１１８にエラストマー接合材料１６０が充填されることになることが理解されよう。さらに、接合材料１６０は、典型的には、内側電極１２０の内側縁部１２１と、外側電極１３０の内側縁部１３１との間の外側電極間隙１２９にも部分的に充填されることになる。しかし、エラストマー接合材料１６０のプラズマエッチングへの直接の露出、ならびにプラズマによって生じるラジカルによる攻撃によって、エラストマー接合材料１６０が損傷し、かつ／または接合剤に損失が生じ、それと同時に、アルミニウム（Ａｌ）ボール粒子が発生することにもなり得る。

プラズマ処理の間、エラストマー接合電極は、高い動作温度、高い出力密度、および長いＲＦ時間に耐えることが可能である。したがって、本明細書に記載のシャワーヘッドまたは電極アセンブリ１１０を備えたエッチングツールは、半導体ウェハエッチング工程において広く使用されてきている。この種の電極の使用が広く成功してきたのは、主に、かかる電極が、電気伝導率および高い熱伝導率を有するためである。より具体的には、こうした高い伝導率は、主にＡｌ粒子（微視的なＡｌボールとして見られる）をエラストマー接合材料１６０のフィラーとして使用することによるものであり（フィラーは、典型的にはＡｌ合金製の粉末材料である）、このＡｌ粒子は、一般にＡｌ粉末またはＡｌボールと呼ばれている。しかし、このＡｌフィラーでは、ウェハエッチングの間、プラズマによってエラストマーまたは接合材料１６０がエッチング除去される際に、Ａｌ粒子が放出することが避けられない。その結果、Ａｌ粒子が製品ウェハ表面上に落下し、それによってＡｌボールに起因する欠陥が生じ得る。さらに、先進の６５ｎｍエッチング技術などの不利なエッチング条件、およびウェハをエッチングする合間に必要となる長時間のドライクリーニングの実施と相まって、Ａｌボールによる欠陥が形成される傾向にあることが判明してきている。

一般に、Ａｌボール粒子は、エラストマーまたは接合材料１６０への直接のプラズマ攻撃、および、エラストマーまたは接合材料１６０を攻撃するプラズマによって生じるラジカルのいずれかから発生する。接合材料１６０への直接のプラズマ攻撃では、内側電極１２０と外側電極１３０との間の外側電極間隙１２９の内部に残った残留接合材料が、プラズマに直線状で直接露出するため、プラズマによってエッチングされる。あるいは、エラストマー接合材料１６０へのラジカル攻撃は、エラストマー接合材料１６０がプラズマによって生じるラジカルから攻撃を受けることによって引き起こされる。しかし、ラジカルは、プラズマ荷電イオンの方向には移動しない。さらに、ラジカルはイオンよりも遙かに長い寿命を有する。したがって、ラジカルは、その孤立電子およびエネルギーを一旦維持すれば、どこにでもランダムに移動することができる。したがって、ラジカルはエラストマーまたは接合材料１６０を攻撃する高い潜在能力（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を有し、接合材料の損失、およびＡｌ粒子の発生をもたらす結果となる。

図４は、図３の外側電極１３０の一部分の断面図を示す。図４に示すように、外側電極１３０は、好ましくは複数のセグメント１３４からなり、これらのセグメント１３４は、エラストマー接合材料１６０を用いて互いに接着されている。複数のセグメント１３４によって、処理ゾーン１０２で半導体基板を処理する間、外側電極１３０が拡張することが可能となる。処理の間、熱が、内側電極１２０および外側電極１３０から、内側背面部材１２４および外側背面部材１３２へと伝導し、次いで、熱伝導によって頂部プレート１１４に達する。

図５は、縁部除外接合剤を有するエラストマー接合剤を有する図１のシャワーヘッド電極の一部分の断面図を示す。図５に示すように、精密に分注されたエラストマー接合材料１６０が、内側電極および外側電極１２０、１３０の接合表面１２５、１４１、ならびに／または背面部材１４０の接合表面１２７上に堆積され、内側電極および外側電極１２０、１３０と、背面部材１４０との間の間隙または空間１１８の一部分だけを充填している。接合材料を精密に分注することによって、過剰な接合材料１６０が外側電極間隙１２９に充填されることが防止される。さらに、外側電極間隙１２９にエラストマー接合材料１６０が存在しないだけでなく、内側電極および外側電極１２０、１３０の外側縁部１２１および内側縁部１３１を含めて、外側電極間隙１２９付近にある内側電極１２０および外側電極１３０の接合表面１２５、１４１、ならびに内側背面部材１２４にもやはり、過剰な接合材料１６０が存在しないことが理解されよう。

図６は、縁部除外ゾーン接合剤を有する、図５のシャワーヘッド電極アセンブリ１００の一部分の断面図を示す。図６に示すように、エラストマー接合材料１６０を、内側電極１２０、外側電極１３０と、背面部材１４０との間に精密に分注することによって、エラストマー接合材料１６０が接合領域外の領域または表面にどのように超過または溢流することも回避される。使用に際しては、直径が少なくとも３００ｍｍの頂部電極１１０では、接合材料１６０は、好ましくは、外側電極間隙１２９から１〜３ｍｍ、より好ましくは、外側電極間隙１２９から約１〜１．５ｍｍにある外側縁部１６２を有する。さらに、接合材料１６０の外側縁部１６２は、好ましくは、内側電極１２０の外側縁部１２１、ならびに外側電極１３０の内側縁部１３１および外側縁部１３３から１〜３ｍｍにあることが理解されよう。さらに、より好ましくは、接合材料１６０の外側縁部１６２は、内側電極１３０の外側縁部１２１、ならびに外側電極１３０の内側縁部１３１および外側縁部１３３から１〜１．５ｍｍにあることが理解されよう。

図７は、他の実施形態による、精密に分注されたエラストマー接合材料１６０を有する内側電極１２０の一部分の上面図を示す。図７に示すように、接合材料１６０の外側縁部１６２は、好ましくは外側縁部１２１から１〜３ｍｍにあり、より好ましくは内側電極１２０の外側縁部１２１から約１〜１．５ｍｍにある。

図８は、接合材料１６０が精密に分注された単一または複数部品の外側電極１３０の上面図を示し、この図では、接合表面２０２は、不規則な形である。例えば、プラズマリアクタまたはチャンバ内の外側電極１３０は、典型的には、本質的に円形状（すなわちリング）であり、外側電極１３０の両縁部１３１、１３３が、互いに直角でなく、また、互いに平行に延びることもないという点において概ね不規則な形状を有する。したがって、所望の縁部除外接合を実現するためには、接合表面２０２に、エラストマー接合材料１６０の一部分を受けるように構成された複数の凹部２００を含めることができる。複数の凹部２００は、好ましくは、接合表面２０２上に十分配慮して配置され、適当などのような形状または構成も有することができる。凹部２０２は、好ましくは構成が凹状であり、約０．１〜１．０ｍｍの深さ２０４を有する。しかし、凹部２０２は、適当などのような断面形状を有してもよいことが理解されよう。接合工程の間、凹部２０２は、接合材料１６０の外側縁部１６２（図７）が、電極１３０の外側縁部１３１に対して所望の位置を越えて延びることを防止することによって、接合材料１６０の流動を制御する。

図９は、複数部品外側電極１３０と、外側背面部材１３２との境界面の断面図を示す。図９に示すように、複数部品外側電極１３０は、下側すなわちプラズマ露出表面１３９と、上側すなわち接合表面１４１とを含む。外側電極１３０は、複数のセグメント１３４からなり、複数のセグメント１３４はそれぞれ、上側フランジ１３６と、下側フランジ１３８とからなる嵌合表面を含み、これらのフランジは互いに重なり合って、下にある接合材料１６０が、プラズマ処理の間、プラズマまたはプラズマによって生じるラジカルに見通し線で露出することから保護する。複数のセグメント１３４はそれぞれ、フランジ１３６、１３８の一方、または上側フランジおよび下側フランジ１３６、１３８の両方ともを含んでもよいことが理解されよう。

図９に示すように、上側フランジ１３６は、第１すなわち上側の垂直表面１４９、水平表面１４８、および第２すなわち下側の垂直表面１４７を含む。下側フランジ１３８は、対応する第１すなわち上側の垂直表面１４６、水平表面１４５、および第２すなわち下側の垂直表面１４４を含む。上側垂直表面１４６、１４９によって上側間隙１５３が形成され、水平表面１４５、１４８によって水平間隙１５２が形成され、下側垂直表面１４４、１４７によって下側間隙１５１が形成されている。重なり合った縁部１３６、１３８により、接合材料１６０が、プラズマ、またはプラズマからのラジカルのいずれにも見通し線で露出するのを防止することによって、接合材料１６０が保護される。図示のように、組立て時には、複数部品外側電極１３０の接合表面１４１と、外側背面部材１３２の接合表面１２７とは、好ましくは、エラストマー接合材料１６０で充填される。しかし、接合材料１６０は、上側間隙１５３の一部分にしか充填されず、水平間隙１５２および下側間隙１５１には接合材料１６０は存在しないままとなる。したがって、プラズマ処理の間、プラズマおよびラジカルは、接合材料１６０を攻撃することができず、その結果、接合材料１６０が損失することはなく、すなわちＡｌボールが発生することはない。

図１０は、上側間隙１５３内にエラストマー接合材料１６０が含まれた図９の複数部品外側電極１３０の一部分の図を示す。図１０に示すように、外側電極１３０は、それぞれが上側フランジ１３６と下側フランジ１３８とを有する複数のセグメント１３４からなる。上側フランジ１３６と下側フランジ１３８とは、互いに重なり合って、接合材料１６０を直接のプラズマ攻撃、またはプラズマによって生じるラジカルから保護する。図１０に示すように、下側間隙１５１と上側間隙１５３とは互いに位置が合わさっていないので、プラズマ、およびプラズマからのラジカルは、接合材料１６０へ見通し線で露出することはない。

図１１は、他の実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリ１００の一部分の断面図を示す。図１１に示すように、頂部電極１１０は、内側電極１２０、内側背面部材１２４、外側電極部材１３０、および外側背面部材１３２を含む。内側電極１２０および外側電極１３０はそれぞれ、プラズマゾーン（図示せず）に露出する下側表面１２３、１３９を有する。図１１に示すように、エラストマー接合材料１６０が、内側電極１２０の接合表面１２５と、内側背面部材１２４の接合表面１２７との間、ならびに外側電極１３０の接合表面１４１と、外側背面部材１３２の下側すなわち接合表面１４３との間の間隙に充填される。接合材料１６０はまた、典型的には外側間隙１２９の一部分、すなわち内側電極１２０と外側電極１３０との間の境界面にも充填される。内側電極１２０の外側縁部１２１は、図１１に示すように、典型的には垂直である。

図１１に示すように、外側電極１３０の内側縁部１３１は、外側電極１３０の内側表面１８０から突き出た下側フランジ１５２を含む。下側フランジ１５２は、外側電極１３０の内側表面１８０から、内側電極１２０の下側表面１２３の下に延びる水平表面１６６を含む。下側フランジ１５２はまた、水平表面１６６を、外側電極１３０の下側表面１３９と接続する内側表面１３５を含む。下側フランジ１５２によって、プラズマ、およびプラズマによって生じるラジカルが、外側間隙１２９内で接合材料１６０への直通路を有することが防止される。

図１２は、内側電極１２０と外側電極１３０との間の境界面または外側間隙１２９に相互係止設計を有する別の実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリ１００の一部分の断面図を示す。図１２に示すように、内側電極１２０は下側フランジ１５６を有し、外側電極１３０は上側フランジ１５４を有し、上側フランジ１５８と下側フランジ１５８とは互いに重なり合って、相互係止構成を形成している。上側フランジ１５４は、第１すなわち上側の垂直表面１８０、水平表面１６８、および第２すなわち下側の垂直表面１７２を含む。下側フランジ１５６は、対応する第１すなわち上側の垂直表面１８２、水平表面１７０、および第２すなわち下側の垂直表面１７４を含む。重なり合ったフランジ１５４、１５６により、外側間隙１２９に部分的に充填された接合材料１６０が、プラズマ、またはプラズマからのラジカルのいずれにも見通し線で露出するのを防止することによって、接合材料１６０が保護される。図１２に示すように、下側フランジ１５６は上側フランジ１５４の下に延びる。しかし、代替実施形態では、外側電極１３０のフランジ１５６は、内側電極１２０のフランジ１５４の下に延びるように構成してもよいことが理解されよう。また、図１２に示す代替実施形態では、外側電極１３０の下側垂直表面１７２は、ゾーン（図示せず）中に、内側電極１２０の下側表面１２３の下まで延ばして、ステップの付いた電極アセンブリを形成することもできることが理解されよう。

図１３は、内側電極１２０と外側電極１３０との間の境界面または外側間隙１２９に相互係止設計を有する、他の実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリ１００の一部分の断面図を示す。図１３に示すように、内側電極１２０は、第１すなわち上側の垂直表面１８２、水平表面１７０、および第２すなわち下側の垂直表面１７４を備えた下側フランジ１５６を有する。外側電極１３０は、内側表面１８０、水平表面１６８、および外側電極１３０の下側表面１３９まで延びる内側表面１３５を含む。図示のように、外側電極１３０の内側表面１３５と下側表面１３９とは、ステップ１１１を形成し、それによって、ウェハ（図示せず）の縁部においてエッチング速度に均一性をもたらすことができる。

図１４は、別の実施形態による電極アセンブリ２００の一部分の断面図を示す。電極アセンブリ２００は、内側電極２２０および背面部材２３０でも、または、外側電極２２０および背面部材２３０を有する単一あるいは複数分割外側電極リングの一部分でもよい。図１４に示すように、電極２２０と背面部材２３０とは、背面部材２３０の接合表面２２７内にある少なくとも１つの接合材料凹部２８０を用いて互いに接着することができる。少なくとも１つの接合材料凹部２８０はそれぞれ、１対の垂直表面２８４と、上側水平表面２８２とを含む。

使用に際しては、接合材料１６０は、適当などのようなエラストマー材料でもよい。接合材料１６０が凹部２８０中に配置され、背面部材２３０が、電極２２０の接合表面２２５上へと押圧される。エラストマー接合材料１６０の量は、背面部材２３０の接合表面２２７と、電極２２０の接合表面２２５とが、互いに接触して封止部を形成し、それによって、エラストマーまたは接合材料１６０が、少なくとも１つの凹部２８０の外側に広がるのを防止するように計量され、凹部２８０内に配置される。

図１５は、他の実施形態による電極アセンブリ２００の一部分の断面図を示す。図１５に示すように、背面部材２３０は、熱サイクルの間、背面部材２３０と電極２２０との間の有限間隔または間隙２８３を維持する少なくとも１つのスペーサ２８１を有する。この少なくとも１つのスペーサ２８１は、好ましくは、アルミニウムワイヤ、ロッド、ロッドまたはワイヤメッシュ、あるいは他の適当な材料である。少なくとも１つのスペーサ２８１はまた、内側電極および外側電極２２０の接合表面と、背面部材２３０の接合表面との間で有限間隔または間隙２８３を維持することによって、熱サイクル中に電極２２０と背面部材２３０との間で摩擦による粒子が発生するのを防止する。

図１６は、別の実施形態による電極アセンブリ２００の一部分の断面図を示す。図１６に示すように、電極２２０は突起部２９０を含み、この突起部２９０は背面部材２３０内にある凹部２９２内に受けられる。突起部２９０は、電極２２０の接合表面２２５から延びる１対の垂直表面２９６と、上側表面２９４とを含む。凹部２９２は、下側表面２９８と、１対の垂直表面２９９とを含む。図１６に示すように、エラストマー接合材料１６０が、凹部２９２内、および突起部２９０上に塗布される。こうすることによって、プラズマ処理の間、プラズマ、またはプラズマによって生じるラジカルのいずれにも露出しないエラストマー接合部が設けられる。さらに、接合材料１６０によって、電極２２０の上側表面２２５と、背面部材２３０の下側表面２２７との間に間隙または空間２９７がもたらされる。

図１７は、別の実施形態による電極アセンブリ３００の一部分の断面図を示す。電極アセンブリ３００は、内側電極２２０および背面部材２３０でも、または、外側電極２２０および背面部材２３０を有する単一あるいは複数分割外側電極リングの一部分でもよい。図１７に示すように、電極２２０は、接合材料１６０を受けるように構成された凹部３１０を含む。凹部３１０は、下側表面３１８と、１対の垂直表面３１２とを含む。凹部３１０はまた、下側表面３１４と、下側表面３１４から凹部３１０の下側表面３１８まで延びる内側垂直表面３１６とを備えた外側溝３２０を含むことができる。外側溝３２０は、エラストマー接合材料の分注が均一でないことから生じる過剰などのようなエラストマーまたは接合材料１６０も取り込む、相互係止部材の縁部の受容部として働く。あるいは、電極アセンブリ３００が外側電極リングである場合、外側電極リングは、内側溝および外側溝３２０を含むことになる。

以上、本発明を好ましい実施形態に即して説明してきた。しかし、本発明の趣旨から逸脱することなく、本発明を上記以外の特定の形で実施することが可能であることが当業者には容易に明らかとなるであろう。好ましい実施形態は、例示のものであり、いかなる形でも限定的と考えるべきでない。本発明の範囲は、先に述べた説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲に含まれる全ての変形形態およびその均等物もまた、本発明の範囲に含まれるものである。

基板をエッチングするためのプラズマリアクタのシャワーヘッド電極アセンブリの断面図である。 図１のシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図である。 頂部電極、背面部材、および外側電極部材を備える図２のシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図である。 図３の外側電極の一部分の断面図である。 一実施形態によるエラストマー接合剤を有するシャワーヘッド電極の一部分の断面図である。 別の実施形態によるエラストマー接合剤を有する図５のシャワーヘッド電極の一部分の断面図である。 他の実施形態によるエラストマー接合剤を有するシャワーヘッド電極の一部分の上面図である。 他の実施形態によるエラストマー接合剤を有するシャワーヘッド電極の一部分の上面図である。 他の実施形態による複数部品外側電極と、背面部材との境界面の断面図である。 図９の複数部品外側電極の一部分の上面図である。 別の実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図である。 内側電極と外側電極との境界面の間に相互係止構成を有する、他の実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図である。 内側電極と外側電極との境界面の間に相互係止構成を有する、別の実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図である。 他の実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図である。 別の実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図である。 他の実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図である。 別の実施形態によるシャワーヘッド電極アセンブリの一部分の断面図である。

Claims (18)

1. 半導体基板の処理において使用されるプラズマ反応チャンバ用の電極アセンブリであって、
   下側接合表面を有する背面部材と、
   一方の側に下側表面を、他方の側に接合表面を有し、当該接合表面が前記背面部材の前記下側接合表面に接合された内側電極と、
   前記内側電極を取り囲んでいて、一方の側に下側表面を、他方の側に接合表面を有し、当該接合表面が前記背面部材の前記下側接合表面に接合された外側電極と、
   前記内側電極および外側電極の前記接合表面と前記背面部材の前記下側接合表面との間に配置された接合材料と、を備え、
   前記内側電極および前記外側電極の少なくとも一方が、他方の電極の前記下側表面の少なくとも一部分の下に延びるフランジを有し、これによりプラズマゾーンから前記接合材料への見通し線が排除されている、
   ことを特徴とする電極アセンブリ。
2. 前記フランジが、前記内側電極側にあり、前記外側電極の前記下側表面の下に延びることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
3. 前記フランジが、前記外側電極側にあり、前記内側電極の前記下側表面の下に延びることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
4. 前記内側電極および前記外側電極がそれぞれフランジを含み、前記外側電極の前記フランジが、前記内側電極の前記フランジの下に延びることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
5. 前記内側電極および前記外側電極がそれぞれフランジを含み、前記内側電極の前記フランジが、前記外側電極の前記フランジの下に延びることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
6. 前記フランジの内側表面が角度の付いた表面であることを特徴とする請求項３に記載の電極アセンブリ。
7. 前記外側電極が、リング構成中に配置された複数のセグメントを含み、各セグメントが、隣接するセグメントの係合面と重なる係合面を有することを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
8. 前記複数のセグメントのそれぞれの前記係合面が、上側フランジおよび下側フランジを含むことを特徴とする請求項７に記載の電極アセンブリ。
9. 前記背面部材が、内側背面部材および外側背面部材を備え、前記内側背面部材が、前記内側電極と同一の広さを有するとともに前記内側電極に取り付けられ、前記外側背面部材が、前記外側電極と同一の広さを有するとともに前記外側電極に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
10. 前記内側電極および前記外側電極が、シリコン製であることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
11. 前記背面部材が、グラファイト製であることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
12. 前記接合材料を受けるための少なくとも１つの凹部が前記背面部材に設けられていて、前記接合材料が、前記少なくとも１つの凹部に閉じ込められることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
13. 前記電極が、前記背面部材の前記凹部内に受けられるように構成された突起部を有することを特徴とする請求項１２に記載の電極アセンブリ。
14. 前記背面部材の前記接合表面と前記内側電極および前記外側電極の前記接合表面との間の間隙を維持する少なくとも１つのスペーサを更に備え、前記背面部材が、前記接合材料を受けるための少なくとも１つの凹部を含むことを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
15. 前記内側電極および前記外側電極が、接合材料を受けるための凹部と、過剰な接合材料を取り込む外側溝とを有することを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
16. 前記凹部が、前記外側電極に設けられ、かつ、過剰な接合材料を取り込む内側溝および外側溝を含むことを特徴とする請求項１５に記載の電極アセンブリ。
17. 前記外側電極の前記接合表面が、複数の凹部を含むことを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
18. 前記内側電極および前記外側電極の対向する水平表面の間における水平間隙に前記接合材料がなく、前記外側電極の対向する垂直表面の間における垂直間隙が部分的に前記接合材料で充填されていて、前記垂直間隙は、前記内側電極および前記外側電極の前記接合表面と前記水平間隙との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。

Images