KR101046902B1 - 샤워 플레이트 및 샤워 플레이트를 사용한 플라즈마 처리장치 - Google Patents

샤워 플레이트 및 샤워 플레이트를 사용한 플라즈마 처리장치 Download PDF

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Abstract

복수의 배관으로 형성된 플라즈마 처리용 샤워 플레이트 (31) 로서, 배관 (31A3) 은, 배관을 따라 배치된 원료 가스에 대하여 소정의 기공률을 갖고 외측에 대하여 볼록 형상의 다공질 재료 부재 (44), 및 다공질 재료 부재 (44) 에 대향하여 배치되며 다공질 재료 부재 (44) 와 함께 원료 가스 유로 (43) 를 형성하는 금속 부재 (41) 로 형성되어 있는 플라즈마 처리용 샤워 플레이트가 제공된다. 확산되도록 함으로써, 원료 가스를 방출할 수 있는 노즐 구조를 실현할 수 있다.
플라즈마, 샤워 플레이트, 다공질 재료, 기공률, 금속 세선

Description

샤워 플레이트 및 샤워 플레이트를 사용한 플라즈마 처리 장치{SHOWER PLATE AND PLASMA TREATMENT APPARATUS USING SHOWER PLATE}
기술분야
본 발명은, 반도체나, 반도체 관련 디바이스의 제조 장치, 특히 플라즈마 처리 장치의 처리실에서 사용되는 샤워 플레이트, 및 이러한 종류의 샤워 플레이트를 사용한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
배경기술
반도체 내지 반도체 관련 디바이스의 제조 프로세스에서는, 기판 표면에 대한 산화막, 질화막, 산질화막을, 각각 산화, 질화, 산질화 작용에 의해, 혹은 CVD 에 의해 성막시켜 형성하는 프로세스나, 에칭에 의해 이들 막을 제거하는 프로세스가 여러 가지 과정으로 실행된다. 범용 DRAM 등과 같이 대량으로 동일 품종을 제조하는 경우에는, 이들 프로세스는 각각 고유의 프로세스를 실행하는 처리 장치에서 실시되는데, 소량, 다품종 생산이 실시되는 커스텀 LSI 등에서는, 고가의 처리 장치를 프로세스마다 설치하는 것은 비용 면에서 제약이 있고, 1 개 혹은 적은 처리 장치에서, 복수의 프로세스를 실행할 수 있는 처리 장치가 필요해진다.
다기능 프로세스를 실시할 수 있는 처리 장치로서, 플라즈마에 의해 여기된 산소 라디칼, 질소 라디칼에 의해 기판 표면과 반응시켜 산화막, 질화막, 산질화막 을 형성하거나, 혹은 이들 라디칼과 실란 (SiH4) 가스를 반응시켜 산화막, 질화막을 성막하는 기술이 알려져 있다.
일본특허공개공보 제 2002-299331 호 (특허문헌 1) 는, 이러한 종류의 장치를 개시하고 있다. 특허문헌 1 에 의하면, 처리 장치의 챔버 (처리실) 에, 플라즈마 및 라디칼 생성용 가스를 처리실의 하방을 향하여 거의 일정하게 방출하는 유전체로 제조된 상단 샤워 플레이트, 반응성 가스를 기판 방향으로 거의 일정하게 방출하는 작은 다수의 개구를 갖는 파이프를 상단 샤워 플레이트로부터의 플라즈마나 여기 라디칼을 통과시키는 다수의 개구가 형성되도록 격자상으로 배열한 하단 샤워 플레이트, 및 상단 샤워 플레이트 상방으로부터 상단 샤워 플레이트를 향하여 플라즈마를 생성하기 위한 마이크로파를 방사하는 안테나가 형성되어 있다. 그리고, 기판을 산화시켜 산화막을 형성하는 경우에는, 상단 샤워 플레이트로부터 Ar, Kr 가스와 산소 가스를 공급하고, 마이크로파에 의해 플라즈마를 생성하고, 거기에서 여기된 산소 라디칼을 기판 표면에 노출시켜 산화막을 형성한다. 또한, 플라즈마 CVD 에 의해 질화막을 성막하는 경우에는, 상단 샤워 플레이트에 Ar, Kr 가스와 암모니아 (NH3) 가스를 공급하고, 마이크로파에 의해 플라즈마를 생성하고, 거기에서 여기된 질소 라디칼과, 하단 샤워 플레이트로부터 방출되는 실란 (SiH4) 가스를 반응시켜, 실리콘 질화막 (Si3N4) 을 기판 상에 성막한다.
반응성 이온 에칭에서는, 상단 샤워 플레이트로부터 Ar, Kr 가스를 도입하여, 마이크로파로 플라즈마를 만들고, 하단 샤워 플레이트로부터 반응성 가스인 CxHy 가스를 도입하여, 기판에 바이어스 전압을 인가함으로써 기판 상의 실리콘 산화막의 에칭을 실시할 수 있다.
특허문헌 1 : 일본특허공개공보 제 2002-299331 호
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
종래의 플라즈마 처리 장치에 사용되는 하단 샤워 플레이트는, 복수의 동일 형상의 노즐이 소정의 간격으로 배치된 배관을 격자상으로 배열한 구조를 하고 있다. 배관 내부는 서로 접속되어, 공급되는 원료 가스의 통로를 형성하고 있다. 그리고, 노즐로부터의 원료 가스의 유량은, 노즐의 출구에 대응하는 노즐 입구의 원료 가스의 압력으로 정해진다. 각 노즐 입구에 있어서의 원료 가스의 압력이 일정한 한, 노즐의 특성은 동일하기 때문에, 샤워 플레이트의 중심부와 주변부에서 거의 균일한 원료 가스가 노즐로부터 분출된다.
그러나, 종래의 샤워 플레이트는, 노즐의 구조로부터 원료 가스의 유속이 수백 m/초 내지 수 km/초로 커서, 챔버 내의 가스 흐름 패턴을 제어하는 것이 어렵다.
종래의 샤워 플레이트는, 또한 원료 가스의 분출이 노즐의 바로 아래에 집중되고, 노즐 바로 아래의 주변 영역으로 확산되지 않기 때문에, 가로 방향으로 확산되도록 원료 가스를 분출하는 데에는 난점이 있었다.
또한, 하단 샤워 플레이트는, 플라즈마 중의 이온과 전자의 재결합에 의해 온도가 상승하고, 그 형성 재료가 열에 약한 것일 때에는, 기계적으로 열화, 변형 되거나, 또한 열에 강한 재료이어도, 온도 상승의 불균일에 의해 휨이나 변형이 발생한다는 결점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 원료 가스의 유속을 떨어뜨려 가스 흐름 패턴을 제어할 수 있는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 공간적으로 확산되게 하여 원료 가스를 분출할 수 있는 노즐이 형성된 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 그 밖의 목적은, 플라즈마 중의 이온과 전자의 재결합에 의한 샤워 플레이트의 온도 상승을 효과적으로 제어할 수 있는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트를 제공하는 것에 있다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명에 의하면, 제 1 가스 유로, 및 상기 제 1 가스 유로에 연결되어 배치되며 처리용 가스에 대한 투과 특성을 갖는 다공질 재료 부재를 포함하는 제 2 가스 유로가 내부에 형성된 배관이, 인접하는 배관 사이에 개구부를 형성하도록 복수 배치된 구조의 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트가 얻어진다.
상기 제 2 가스 유로의, 배관에 직교하는 단면이 최소가 되는 절단면에 있어서, 상기 제 2 가스 유로는 외측을 향하여 볼록 형상이다.
상기 절단면에 있어서의 상기 제 2 가스 유로의 두께는, 중심부에서 두껍고 주변으로 갈수록 감소하는 형상이 바람직하다.
중심부의 상기 제 2 가스 유로에 있어서의 상기 다공질 재료 부재의 기공률 (氣孔率, porosity) 은, 주변부의 상기 제 2 가스 유로에 있어서의 다공질 재료 부 재의 기공률과 상이하게 해도 된다.
바람직하게는, 상기 배관은, 그 내부에 냉매 가스의 유로가 형성된다.
본 발명에 의하면, 소정의 가스를 흘려 보내는 제 1 가스 유로, 상기 제 1 가스 유로에 접속되어 외부로 상기 소정의 가스를 방출하는 제 2 가스 유로, 및 그 내부에 냉매 가스를 유통시키는 제 3 가스 유로가 내부에 형성된 배관이, 인접하는 배관 사이에 개구부를 형성하도록 복수 배치된 구조의 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트가 얻어진다.
이 경우, 상기 제 1 가스 유로는 상기 복수 배치된 배관 내에서 연결되고, 또한 상기 제 3 가스 유로는 상기 제 1 가스 유로에 평행하게 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 배관은, 바람직하게는 구리와 텅스텐을 함유하는 합금으로 형성되어 있다.
이 경우, 상기 구리와 텅스텐을 함유하는 합금은, 구리가 10％ ∼ 20％, 텅스텐이 90％ ∼ 80％ 를 함유하는 합금인 것이 바람직하다.
상기 다공질 재료 부재는, 다수의 금속 세선 (細線) 으로 형성된다.
이 경우, 상기 금속 세선은, 구리-텅스텐 합금을 함유하는 것이 바람직하다.
상기 금속 세선에는, 산화 이트륨 피막이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 배관은, 그 외면에 산화 이트륨 피막이 코팅되는 것이 바람직하다.
상기 배관은 고리형으로 배치해도 되고, 격자상으로 배치해도 된다.
본 발명에 의하면, 상기 구조의 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트를 사용 한 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
상기 플라즈마 처리용 샤워 플레이트는 하단 샤워 플레이트로서 형성된다.
본 발명에 의하면, 상기 샤워 플레이트를 사용하여 처리용 가스를 플라즈마 장치 내에 도입하고, 기판에 대한 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 플라즈마 처리를 공정 중에 포함하는 전자 장치의 제조 방법이 얻어진다.
발명의 효과
본 발명의 샤워 플레이트는, 원료 가스의 분출구가 다공질 재료로 형성되어 있기 때문에, 분출구로부터의 유속을 떨어뜨릴 수 있어, 제어된 가스 흐름 패턴을 만들어 낼 수 있다.
본 발명의 샤워 플레이트는, 배관을 따라 형성되고 외측에 대하여 볼록 형상의 다공질 재료 부재를 투과하여 원료 가스를 분출하는 구조이기 때문에, 원료 가스의 분출을 배관 방향으로 가로 방향으로 확산되도록 분출할 수 있다. 그러므로, 기판 표면에 균일하게 원료 가스를 도달시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 배관 내부에 냉매용 유체 통로가 원료 가스 유로를 따라 형성되어 있기 때문에, 플라즈마 중의 전자와 이온의 재결합에 의한 샤워 플레이트의 온도 상승을 제어할 수 있다. 그에 따라, 하단 샤워 플레이트의 휨, 기계적 변형을 방지할 수 있고, 하단 샤워 플레이트의 재료가 열에 약한 것일 경우 (예를 들어, 알루미늄 합금 등), 열에 의한 열화를 방지할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 본 발명에 관한 플라즈마 처리 장치의 개략도이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 플라즈마 처리 장치의 슬롯판의 평면도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 하단 샤워 플레이트의 평면도이다.
도 4 는 도 3 의 하단 샤워 플레이트의 고리형 배관의 개략 사시도이다.
도 5(a) 는 도 3 의 선 AA 를 따른 지면에 수직인 단면도, 도 5(b) 는 개별 배관의 상세 단면도, 도 5(c) 는 원료 가스의 방출 상태를 나타내는 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시예의 하단 샤워 플레이트의 상측에서 본 평면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시예의 하단 샤워 플레이트의 하측에서 본 평면도이다.
도 8 은 도 6 및 도 7 의 선 BB 를 따른 지면에 수직인 단면도이다.
부호의 설명
10: 마이크로파 플라즈마 처리 장치
11: 처리 용기
12: 기판
13: 유지대
14: 상단 샤워 플레이트
14A: 노즐 개구부
15: 커버 플레이트
17: 안테나 본체
20: 래디얼 라인 슬롯 안테나
31: 하단 샤워 플레이트
31A1, 31A2, 31A3, 31A4: 고리형 배관
31C1, 31C2, 31C3, 31C4: 개구부
31F1, 31F2, 31F3, 31F4: 연결 배관
31H: 수평 배관
31V: 수직 배관
41: 금속 부재
42: 냉매 유로
43: 원료 가스 유로
44: 다공질 재료 부재
45: 산화 이트륨막
46: 제 1 배관 부재
47: 제 2 배관 부재
발명을 실시하기 위한 최선의 양태
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
도 1 은, 본 발명에 관한 샤워 플레이트가 사용되는 반도체·평판 디스플레이 제조 장치인 마이크로파 플라즈마 처리 장치 (10) 의 구성을 나타낸다.
도 1 에 있어서, 제조 장치의 프로세스 챔버는, CVD 나 RIE, 산화, 질화라는 복수의 프로세스를 처리할 수 있는 마이크로파 여기 플라즈마 프로세스용 챔버로서, 처리용 챔버 (진공 용기 ; 11) 내에, 일정하게 분출구가 개방된 세라믹스로 제조된 상단 가스 공급구를 갖는 상단 샤워 플레이트 (14), 및 하단으로부터 원료 가스를 분출하는 연속 노즐을 갖는 하단 샤워 플레이트 (처리 가스 공급 구조 ; 31) 가 배치되어 있다.
처리 용기 (프로세스 챔버 ; 11) 내에는, 피 (被) 처리 기판 (12) 을 정전 척에 의해 유지하는, 바람직하게는 열간 등방압 가압법 (HIP) 에 의해 형성된 AlN 혹은 Al2O3 으로 이루어지는 유지대 (13) 가 배치되고, 처리 용기 (11) 내에는, 유지대 (13) 를 둘러싸는 공간 (11A) 에 등간격으로, 즉 유지대 (13) 상의 피처리 기판 (12) 에 대하여 대략 축대칭 관계로 적어도 2 개소, 바람직하게는 3 개소 이상에 배기 포트 (11a) 가 형성되어 있다. 처리 용기 (11) 는, 배기 포트 (11a) 를 통해 부등 피치 부등 경각 (傾角) 스크루 펌프에 의해 배기·감압된다.
상단 샤워 플레이트 (14) 상에는, 동일한 HIP 처리에 의해 형성된 치밀한 Al2O3 으로 이루어지는 커버 플레이트 (15) 가 실링을 개재하여 형성되어 있다. 상단 샤워 플레이트 (14) 의 커버 플레이트 (15) 와 접하는 측에는, 노즐 개구부 (14A) 의 각각에 연통되어 플라즈마 생성용 가스 유로 (14B) 가 형성되어 있고, 플라즈마 생성용 가스 유로 (14B) 는 상단 샤워 플레이트 (14) 의 내부에 형성되어, 처리 용기 (11) 의 외벽의 플라즈마용 입구 (11p) 에 연통되는 다른 플라즈마 생성용 가스 유로 (14C) 에 연통되어 있다.
상단 샤워 플레이트 (14) 는 처리 용기 (11) 의 내벽에 형성된 연장부 (11b) 에 의해 유지되어 있고, 연장부 (11b) 중, 상단 샤워 플레이트 (14) 를 유지하는 부분에는 이상 (異常) 방전을 억제하기 위하여 둥근 부분 (도시 생략) 이 형성되어 있다.
플라즈마용 입구 (11p) 에 공급된 Ar 이나 Kr 등의 플라즈마 생성용 가스는, 상단 샤워 플레이트 (14) 내부의 유로 (14C 및 14B) 를 순차 통과한 후, 노즐 개구부 (14A) 를 통해 상단 샤워 플레이트 (14) 바로 아래의 공간 (11B) 중에 일정하게 공급된다.
커버 플레이트 (15) 상에는, 커버 플레이트 (15) 에 밀접되어 형성되고, 다수의 슬롯 (16a, 16b) 이 형성된 디스크 형상의 슬롯판 (16 ; 도 2 참조), 슬롯판 (16) 을 유지하는 디스크 형상의 안테나 본체 (17), 및 슬롯판 (16) 과 안테나 본체 (17) 사이에 개재된 Al2O3, SiO2 혹은 Si3N4 의 저손실 유전체 재료로 이루어지는 지상판 (遲相板 ; 18) 으로 구성된 래디얼 라인 슬롯 안테나 (20) 가 형성되어 있다.
상기 래디얼 라인 슬롯 안테나 (20) 는 처리 용기 (11) 상에 실링 (도시 생략) 을 개재하여 장착되어 있고, 래디얼 라인 슬롯 안테나 (20) 에는, 동축 도파관 (21) 을 통해 외부의 마이크로파원 (도시 생략) 으로부터 주파수가 2.45 GHz 혹은 8.3 GHz 의 마이크로파가 공급된다.
공급된 마이크로파는, 슬롯판 (16) 상의 슬롯 (16a, 16b ; 도 2 참조) 으로 부터 커버 플레이트 (15) 및 상단 샤워 플레이트 (14) 를 통해 처리 용기 (11) 중에 방사되고, 상단 샤워 플레이트 (14) 바로 아래의 공간 (11B) 에 있어서, 노즐 개구부 (14A) 로부터 공급된 플라즈마 생성용 가스 중에 플라즈마를 여기한다. 그 때, Al2O3 에 의해 형성된 커버 플레이트 (15) 및 상단 샤워 플레이트 (14) 는 효율적인 마이크로파 투과창으로서 작용한다.
동축 도파관 (21) 중, 외측의 도파관 (21A) 은 디스크 형상의 안테나 본체 (17) 에 접속되고, 중심 도체 (21B) 는, 지상판 (18) 에 형성된 개구부를 통해 슬롯판 (16) 에 접속되어 있다. 동축 도파관 (21A) 에 공급된 마이크로파는, 안테나 본체 (17) 와 슬롯판 (16) 사이를 직경 방향으로 진행하면서, 슬롯 (16a, 16b) 으로부터 방사된다.
도 2 를 참조하면, 슬롯 (16a) 은 동심원 형상으로 배열되어 있고, 각각의 슬롯 (16a) 에 대응하여, 이에 직교하는 슬롯 (16b) 이 동일하게 동심원 형상으로 형성되어 있다. 슬롯 (16a, 16b) 은, 슬롯판 (16) 의 반경 방향으로, 지상판 (18) 에 의해 압축된 마이크로파의 파장에 대응한 간격으로 형성되어 있고, 그 결과 마이크로파는 슬롯판 (16) 으로부터 대략 평면파가 되어 방사된다. 그 때, 슬롯 (16a 및 16b) 이 서로 직교하는 관계로 형성되어 있기 때문에, 이와 같이 하여 방사된 마이크로파는 2 개의 직교하는 편파 성분을 함유하는 원편파 (圓偏波) 를 형성한다.
다시 도 1 을 참조하면, 마이크로파 플라즈마 처리 장치 (10) 의 처리 용기 (11) 내의 상단 샤워 플레이트 (14) 와 유지대 (13) 상의 피처리 기판 (12) 사이에 배치된 하단 샤워 플레이트 (처리 가스 공급 구조 ; 31) 는, 처리 용기 (11) 의 외벽에 형성된 처리 가스 주입구 (11r) 로부터 처리 가스 (원료 가스) 를 공급받고, 이것을 다수의 처리 가스 노즐부에 보내는 처리 가스 통로를 구성하는 배관을 구비하고 있다. 상기 배관은 후술하는 바와 같은 구성을 갖고, 배관과 배관 사이에는 복수의 개구부가 형성되어 있다. 하단 샤워 플레이트 (31) 와 피처리 기판 (12) 사이의 공간 (11C) 에 있어서, 원하는 균일한 기판 처리가 이루어진다. 이러한 기판 처리에는, 플라즈마 산화 처리, 플라즈마 질화 처리, 플라즈마 산질화 처리, 플라즈마 CVD 처리 등이 포함된다. 또한, 처리 가스 공급 구조 (31) 로부터 공간 (11C) 에 C4F8, C5F8 또는 C4F6 등의 해리되기 쉬운 플루오로카본 가스나, F 계 혹은 Cl 계 등의 에칭 가스를 공급하고, 유지대 (13) 에 고주파 전원 (13A) 으로부터 고주파 전압을 인가함으로써, 피처리 기판 (12) 에 대하여 반응성 이온 에칭을 실시할 수 있다.
도 3 을 참조하여, 본 발명의 하단 샤워 플레이트에 대하여 설명한다. 도 3 은, 상단 샤워 플레이트 측에서 본 하단 샤워 플레이트의 평면도이다. 하단 샤워 플레이트는, 동심원 형상으로 배치된 복수의 고리형 배관 (31A1, 31A2, 31A3 및 31A4) 을 갖는다. 이들 배관은, 고리형 프레임 배관 (베이스 배관 ; 31E) 에 각각 연결 배관 (31F1, 31F2, 31F3 및 31F4) 에 의해 접속되어 있다. 인접하는 고리형 배관 사이에는 각각 개구부 (31C1, 31C2, 31C3 및 31C4) 가 형성 되어 있다. 이들 개구부를 통해, 상단 샤워 플레이트의 하부 공간 (11B) 에서 생성된 플라즈마가, 하단 샤워 플레이트의 상측으로부터 하측을 향하여 확산된다.
도 4 는, 도 3 에 나타내는 고리형 배관 (31A3) 의 개략 사시도로서, 고리형 배관 (31A3) 은 제 1 배관 부재 (46) 와 제 2 배관 부재 (47) 로 구성되어 있다. 그리고, 고리형 배관 (31A3) 의 배관을 따라 수직이고, 또한 경사진 선으로 비스듬하게 절단된 평면에 비해 최소 면적을 갖는 단면부 (49) 를 갖는다.
도 5(b) 를 참조하면, 도 4 에 나타낸 단면부 (49) 의 상세가 도시되어 있다. 고리형 배관 (31A3) 의 제 1 배관 부재 (46) 는, Cu-W (구리-텅스텐) 합금으로 이루어지는 고리형 합금인 금속 부재 (41) 와 그 외면에 형성된 산화 이트륨 (Y2O3) 박막 (45) 으로 이루어진다. 고리형 합금은 그 내부에, 제 2 배관 부재 (47) 와 함께, 원료 가스의 유로를 구성하는 원료 가스 유로 (43) 와 샤워 플레이트를 냉각시키기 위한 냉매 유로 (42) 를 갖는다. 제 2 배관 부재 (47) 는, 다공질 재료 부재 (44) 로 형성되어 있다. 다공질 재료 부재 (44) 는, 외부에 볼록 형상을 이루고, 중심부의 두께가 두껍고 주변을 향해 얇아지고 있다. 다공질 재료 부재 (44) 의 외면은 산화 이트륨 (Y2O3) 박막이 형성되어 있다.
도 3 에 나타내어진 고리형 배관 (31A2, 31A4) 도, 고리형 배관 (31A3) 과 동일한 형상이므로 그 설명을 생략한다. 중심부의 고리형 배관 (31A1) 은 원통형의 제 1 배관 부재, 및 외면이 구의 일부를 이루고 있는 제 2 배관 부재로 이루어진다. 그 중심축에 대하여 회전 대칭의 형상을 하고 있다. 중심축을 통과하는 단면은, 도 5(b) 에 나타낸 것과 거의 유사한 형상이므로 그 자세한 사항은 생략하는데, 내부에 원료 가스 유로와 냉매 유로가 형성되어 있다.
도 5(a) 는, 도 3 의 선 AA 를 따른 지면에 수직인 단면을 나타낸다. 중심의 배관 (31A1) 의 양측에, 고리형 배관 (31A2, 31A3 및 31A4) 이 배치되고, 인접하는 배관 사이의 공간으로서 개구부 (31C1, 31C2, 31C3 및 31C4) 가 형성되어 있다. 도 5(a) 에 있어서, 고리형 배관 (31A2, 31A3 및 31A4) 의 상세한 단면은 도 5(b) 에 나타내는 구조인데, 도 5(a) 에서는 간략화하여 나타내고 있다.
고리형 프레임 배관 (31E) 은, 내부에 원료 가스 유로 (31E1) 와 냉매 가스 유로 (31E2) 가 형성되어 있고, 각각 연결 배관 (31F1, 31F2, 31F3 및 31F4) 에 의해 고리형 배관 (31A1, 31A2, 31A3 및 31A4) 의 원료 가스 유로 (43) 및 냉매 가스 유로 (42) 에 접속되어 있다.
또한, 고리형 프레임 배관은, 원료 가스 공급구 (11r) 및 냉매 가스 공급구 (11w) 에 배관으로 접속되어 있다.
고리형 배관의 제 1 배관 부재의 재료는, 열전도율이 충분히 높은 것이 필요하다. 본 실시예에서 사용하는 Cu-W 합금은 이들을 만족하도록, 10％ ∼ 20％ Cu, 90％ ∼ 80％ W 의 합금을 사용한다. 이 합금은, 80W/m·K ∼ 200W/m·K 의 열전도율이 얻어진다. 또한, 이 합금의 열팽창 계수는 7×10-6/K ∼ 8×10-6/K 이고, Y2O3 의 열팽창 계수인 7×10-6/K ∼ 8×10-6/K 와 거의 동등하다. 이 때문에, Cu-W 합금의 보호막으로서 두꺼운 Y2O3 막의 코팅을 할 수 있다. 산화 이트륨막은, 플라즈마 용사 (溶射) 에 의해 거의 200μm 의 두께로 형성된다. 이 Y2O3 막은 원료 가스가 투과할 수 있는 기공을 갖는다.
산화 이트륨막은, 플라즈마 용사 시에 이트리아 분말 원료의 용해를 충분히 실시할 수 있도록, 플라즈마 용사 장치에서 원료의 투입 위치를 플라즈마 발생부에 공급하는 구조로 하여, 원료의 용융을 충분히 실시한다.
다공질 재료 부재 (44) 로는, 메탈 필터에 세라믹스를 코팅한 것을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 구리-텅스텐 합금의 금속 세선의 각 줄마다 산화 이트륨 (Y2O3) 을 피막한 소재로 형성되는 메탈 필터 구조를 갖는다. 즉, 메탈 필터의 기공의 표면에 산화 이트륨이 피막되어 있다. 메탈 필터의 기공률의 선정에 의해 원료 가스의 분출 유속을 제어할 수 있다. 이와 같은 다공질 재료를 사용함으로써, 원료 가스의 유속을 수십 cm/초 내지 수 cm/초로 떨어뜨려, 가스 흐름 패턴을 제어할 수 있게 된다.
또한, 도 5(c) 에 나타내는 바와 같이, 다공질 재료 부재의 두께를 중심부에서 주변을 향하여 두껍게 함으로써, 원료 가스의 분출을 확산시킬 수 있다. 이 때문에, 인접하는 배관의 원료 가스 분출구로부터의 분출 가스의 확산과 일부에서 겹쳐지게 함으로써, 균일한 분포의 원료 가스를 분출할 수 있다.
또한, 다공질 재료의 재질을 바꿈으로써 각 고리형 배관으로부터 분출되는 원료 가스의 유량을 바꾸어, 원료 가스 유량에 분포를 갖게 할 수 있다. 예를 들어, 도 5(a) 및 도 3 에 있어서, 중심부의 고리형 배관 (31A1) 과 그 다음의 고 리형 배관 (31A2) 의 다공질 가스 분출구로부터의 가스 유량 (V1) 을, 고리형 배관 (31A3) 과 그 다음의 고리형 배관 (31A4) 의 다공질 가스 분출구로부터의 가스 유량 (V2) 보다 크게 한다. 이 때문에, 다공질 재료의 기공률이 고리형 배관 (31A1 과 31A2) 에 대해서는, 고리형 배관 (31A3 과 31A4) 의 기공률보다 큰 재료를 채용한다. 또한, 기공률을 바꾸는 대신에, 고리형 배관 (31A1 과 31A2) 에 대해서는, 고리형 배관 (31A3 과 31A4) 에 대한 것보다 다공질 재료의 두께를 얇게 하도록 해도 된다. 이와 같이 하여, 기공률을 변화시키거나, 혹은 다공질 재료의 두께를 변화시켜, 샤워 플레이트의 중심부와 주변부에서 원료 가스의 분출 유량을 바꿔 원료 가스의 공급량을 바꿀 수 있다.
Cu-W 합금 대신에, Al 합금의 사용도 가능하다. 그러나, Al 합금의 열팽창 계수는 23×10-6/K 로 매우 크고, 그 표면 보호막이 되는 Y2O3 막에 크랙이 발생할 가능성이 있다. 이 때문에, 실리콘 카바이드 (SiC) 나 탄소 (C) 섬유에 Al 을 함침시키거나 하여, 열팽창 계수를 Cu-W 합금과 비슷한 수준으로 작게 할 필요가 있다. 또한, 고리형 배관에 작은 구멍을 뚫는 등 정밀 기계 가공을 실시할 수 있는 재료가 아니면 안 된다.
도 6 및 도 7 은, 본 발명의 하단 샤워 플레이트의 제 2 실시예에 관한 것이고, 도 6 은 상단 샤워 플레이트 측에서 본 평면도이고, 도 7 은 피처리 기판 측에서 본 배면의 평면도이다.
제 1 실시예와 제 2 실시예의 주된 상이점은, 제 1 실시예에서는 고리형 배 관이 동심원 형상으로 배치되어 있었지만, 제 2 실시예에서는, 고리형 프레임 배관 이외의 배관이 격자상으로 배열되어 있는 점이다.
도 6 및 도 7 을 참조하면, 원료 가스 통로 및 냉매 가스 유로를 내부에 갖는 고리형 프레임 배관 (31E) 에, 격자상으로 배열된 배관이 접속되어 있다. 격자상 배관의 수평 방향으로는, 서로 평행한 복수의 수평 배관 (31H) 이 배치되어 있다. 수평 배관에 수직 방향으로, 서로 평행한 복수의 수직 배관 (31V) 이 배치되어 있다. 수평 배관 및 수직 배관에는, 그 내부에 원료 가스 유로 및 냉매 가스 유로가 형성되고, 이들 유로는 각각 고리형 프레임 배관 (31E) 의 원료 가스 유로 및 냉매 가스 유로에 접속되어 있다.
도 8 을 참조하면, 도 6 및 도 7 의 선 BB 를 따른 지면에 수직 방향의 단면이 표시되어 있다. 이 단면은 제 1 실시예에 있어서의 도 5(a) 에 유사하다. 도 8 에 있어서, 수평 배관 (31H) 이 등간격으로 배열되고, 서로의 수평 배관 사이는 플라즈마의 유로가 되는 개구부 (31C) 가 되어 있다. 수평 배관 (31H) 은, 내부에 냉매 유로 (42), 원료 가스 유로 (43) 를 갖는 제 1 배관 부재 (46), 및 제 1 배관 부재 (46) 에 대향하여 제 1 배관 부재와 함께 원료 가스 유로를 형성하는 제 2 배관 부재 (47) 로 이루어진다. 제 2 배관 부재는, 외측에 볼록한 반달형의 다공질 재료 부재 (44) 로 이루어진다. 이들 제 1 배관 부재 및 제 2 배관 부재의 자세한 사항은, 제 1 실시예에 관한 도 5(b) 및 도 5(c) 와 동일하여 그 상세 설명은 생략하는데, 요점은 다공질 재료 부재 (44) 의 기공을 통해 원료 가스가 방출된다. 이 다공질 재료 부재 (44) 는, 중심부가 두껍고 주변을 향하 여 얇은 형상이기 때문에, 원료 가스가 가로 방향으로 확산되어 방출된다. 본 실시예의 경우에도, 다공질 재료 부재로서 기공률이 상이한 재료를 선택하고, 공간적인 배치를 하면, 하단 샤워 플레이트 중심부와 주변부에서, 원료 가스의 유량을 상이하게 할 수 있다. 또한, 기공률이 상이한 재료를 사용하는 대신에, 다공질 재료 부재의 두께를 하단 샤워 플레이트의 중심부와 주변부에서 상이하게 해도 된다.
도 6 및 도 7 의 선 CC 를 따른 단면도 또한 선 BB 를 따른 단면과 거의 동일하므로, 그 설명을 생략한다. 또한, 도 7 에 있어서 참조숫자 48 은, 외측으로 볼록한 제 2 배관 부재의 볼록부 정점을 배관의 길이 방향으로 이은 능선에 대응한다.
상기 실시예에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 하단 샤워 플레이트는, 원료 가스의 분출구가 다공질 재료 부재로 형성되어 있기 때문에, 분출구로부터의 유속을 떨어뜨릴 수 있어, 제어된 가스 흐름 패턴을 만들어 낼 수 있다.
상기 실시예에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 하단 샤워 플레이트는, 배관 방향을 따라 노즐이 연속적으로 이어져 배열된 구성으로서, 노즐의 이어진 방향에 대하여 가로 방향으로 확산시켜 원료 가스를 방출할 수 있으므로, 이를 사용한 반도체·액정 장치의 제조 장치는, 기판에 대하여 보다 제어된 처리를 실시할 수 있다.
또한, 본 발명은, 배관 내부에 냉매용 유체 통로가 원료 가스 유로를 따라 형성되어 있기 때문에, 플라즈마 중의 전자와 이온의 재결합에 의한 샤워 플레이트 의 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있다.
산업상이용가능성
본 발명에 관한 샤워 플레이트는, CVD, RIE 등의 처리를 실시하는 각종 플라즈마 처리 장치, 반도체 제조 장치에 적용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 제 1 가스 유로, 및 상기 제 1 가스 유로에 연결되어 배치되며 처리용 가스에 대한 투과 특성을 갖는 다공질 재료 부재를 포함하는 제 2 가스 유로가 내부에 형성된 배관이, 인접하는 배관 사이에 개구부를 형성하도록 복수 배치된 구조이며,
    상기 제 2 가스 유로의, 배관에 직교하는 단면이 최소가 되는 절단면에 있어서, 상기 제 2 가스 유로의 두께는, 중심부에서 두껍고 주변으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 가스 유로의, 배관에 직교하는 단면이 최소가 되는 절단면에 있어서, 상기 제 2 가스 유로는, 외측을 향하여 볼록 형상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    중심부의 상기 제 2 가스 유로에 있어서의 상기 다공질 재료 부재의 기공률 (氣孔率, porosity) 은, 주변부의 상기 제 2 가스 유로에 있어서의 다공질 재료 부재의 기공률과 상이한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배관은, 그 내부에 냉매 가스의 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  6. 소정의 가스를 흘려 보내는 제 1 가스 유로, 상기 제 1 가스 유로에 접속되어 형성되고, 소정의 가스에 대한 투과 특성을 갖는 다공질 재료 부재를 포함하며, 외부로 상기 소정의 가스를 방출하는 제 2 가스 유로, 및 그 내부에 냉매 가스를 유통시키는 제 3 가스 유로가 내부에 형성된 배관이, 인접하는 배관 사이에 개구부를 형성하도록 복수 배치된 구조이며,
    상기 제 2 가스 유로의, 배관에 직교하는 단면이 최소가 되는 절단면에 있어서, 상기 제 2 가스 유로의 두께는, 중심부에서 두껍고 주변으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 가스 유로는 상기 복수 배치된 배관 내에서 연결되고, 또한 상기 제 3 가스 유로는 상기 제 1 가스 유로에 평행하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배관은, 구리와 텅스텐을 함유하는 합금으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 구리와 텅스텐을 함유하는 합금은, 구리가 10％ ∼ 20％, 텅스텐이 90％ ∼ 80％ 를 함유하는 합금인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  10. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공질 재료 부재는, 다수의 금속 세선 (細線) 으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속 세선은, 구리-텅스텐 합금을 함유하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 세선에는, 산화 이트륨 피막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  13. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배관은, 그 외면에 산화 이트륨 피막이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  14. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배관은, 고리형으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  15. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배관은, 격자상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트.
  16. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 처리용 샤워 플레이트를 사용한 플라즈마 처리 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리용 샤워 플레이트를 하단 샤워 플레이트로서 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  18. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 처리 장치용 샤워 플레이트를 사용하여 처리용 가스를 플라즈마 장치 내에 도입하고, 기판에 대한 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 방법.
  19. 제 18 항에 기재된 플라즈마 처리를 공정 중에 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 제조 방법.
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