CN1788334A - 成膜装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种成膜装置，包括供给液态原料的原料供给部、使液态原料汽化并生成原料气体的汽化器、导入原料气体从而在被处理基板上形成薄膜的成膜室的成膜装置。所述汽化器具备喷射从原料供给部供给的液态原料的喷雾喷嘴、具有喷雾喷嘴开口的一个端部以及封闭的另一个端部，使从喷雾喷嘴喷射的雾状的液态原料汽化并生成原料气体的汽化室、对汽化室进行加热的加热器、在喷雾喷嘴的附近朝着汽化室开口并从汽化室导出原料气体的导出口。所述汽化室的封闭的另一个端部，为了使从喷雾喷嘴喷射的液态原料发生汽化，而仅与喷雾喷嘴保持足够的距离。

Description

成膜装置
技术领域
本发明涉及成膜电介质膜、金属膜、半导体膜等的成膜装置，特别是涉及成膜装置的汽化器。
背景技术
例如，在日本专利特开平6-310444号公报以及日本专利特开平7-94426号公报中揭示有在成膜室内使有机原料(有机金属化合物等)与其它气体(氧气或者氨气等)发生反应而形成电介质膜、金属膜、半导体膜等的CVD(化学气相沉积)方法。由于很多有机原料在室温大气压下处于液体或固体的状态，因此，成膜装置具备用来使有机原料汽化的汽化器。例如，通过使用溶剂等使有机原料稀释或者溶解，而使有机原料变为液体的状态。接着，从汽化器的喷嘴向被加热之后的汽化室内喷射这种液态的有机原料，于是，有机原料汽化而变成原料气体。该原料气体被导入到成膜室内，并在成膜室内与其它气体发生反应，于是，膜成分就被堆积在基板上。
从汽化器的喷嘴喷出的有机原料喷雾发生汽化时，同时生成很多微粒。微粒是由于溶媒挥发之后剩余的有机原料中的残渣成分或者是由有机原料分解而产生的分解生成物而产生的。这些微粒堆积在喷雾喷嘴、汽化室的内面、过滤器、气体输送管的内部等处，这样，它们不仅导致汽化器各部发生堵塞，还与原料气体一起到达成膜室，导致异常成膜或膜质不佳。
为了解决上述的这些问题，在现有技术的成膜装置中采用了各种各样的对付微粒的方法。例如，作为减少微粒以提高成膜质量的方法，有提高喷雾喷嘴中液态原料与载体气体的混合比率，或者在汽化器的导出口或气体输送管的中间等处设置过滤器来进行收集过滤。但是，如果采用这些方法，则由于喷嘴或者过滤器发生堵塞，不仅原料气体的浓度或气体压力等容易产生波动，而且还必须频繁地进行过滤器的清洗或更换等维护检修作业。因此，增加了维护检修装置或管理成膜条件的成本，结果导致生产性下降。
参照图1，对现有技术装置的汽化器进行说明。现有技术的汽化器10包括导入部11、外部块体12、内部块体13、喷嘴部12a、汽化室12b以及导出部12c。导入部11具有与原料导入口11a、载体气体供给口11b以及喷嘴部12a连通的流路、和设置在该流路内的开关阀11v。如果打开开关阀11v，那么，液态的有机原料从原料导入口11a、载体气体从载体气体供给口11b而分别被导入流路内，在该流路内有机原料与载体气体相互混合，这种气液混合流体从喷嘴部12a向汽化室12b喷射。在外部块体12设置加热器14，在内部块体13设置加热器15，于是，从喷嘴部12a喷射的喷雾被加热并发生汽化而变成原料气体，它从导出部12c被导向成膜室(图中未示)。
但是，由于现有技术的汽化室12b的形状较窄，因此，从喷嘴部12a喷出的喷雾在到达外部块体12及内部块体13的内壁面之前不能充分汽化。此外，由于喷雾直接接触外部块体12以及内部块体13的内壁面，因此，各块体12、13的壁面温度降低，在喷雾中的有机原料被充分加热之前，只有溶媒挥发。这样，原料的固状物吸附残留在喷嘴部12a或汽化室12b的内壁面(内部块体13的内壁面)上，这种固状物从壁面上脱离就会变成微粒。这种微粒吸附在成膜室的晶片上，从而导致膜质下降。因此，如果使用现有技术的成膜装置，则需要频繁地进行清洗，导致维护的频率增加。
于是，在现有的成膜装置中，不仅解决微粒的方法不足，而且还会出现膜质下降以及维护频率增加等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够抑制微粒的发生、提高膜质并减少维护频率的成膜装置。
本发明的成膜装置的特征在于，是一种包括供给液态原料的原料供给部、使上述液态原料汽化并生成原料气体的汽化器、和导入上述原料气体而在被处理基板上形成薄膜的成膜室的成膜装置，其中，上述汽化器包括：喷射从上述原料供给部供给的液态原料的喷雾喷嘴；具有上述喷雾喷嘴开口的一个端部以及封闭的另一个端部，使从上述喷雾喷嘴喷射的雾状的液态原料汽化并生成原料气体的汽化室；对上述汽化室进行加热的加热设备；和在上述喷雾喷嘴的附近朝着上述汽化室开口、并从上述汽化室导出原料气体的导出口，上述汽化室的封闭的另一个端部，为了使从上述喷雾喷嘴喷射的液态原料发生汽化，而与上述喷雾喷嘴仅保持足够的距离。
根据本发明，不仅能够使原料喷雾在汽化室内飞行较长的行程距离，同时，当原料喷雾在汽化室内飞行的过程中，可以利用来自汽化室内面的放射热以及热传导来对原料喷雾进行充分加热。因此，原料喷雾在到达汽化室内面之前，使该原料喷雾充分汽化，这样不仅汽化效率提高，而且微粒的发生也得以控制。
此处，将汽化室的纵向长度H1设定为原料喷雾无法到达汽化室的封闭的另一个端部的内壁的长度。如果使长度H1足够长，则不仅能够使原料喷雾在汽化室内完全汽化，还能够可靠防止微粒的产生。
汽化室纵向的长度H1与汽化室的直径D1之比(H1/D1)优选是2.5以上且6.0以下，更优选的比例(H1/D1)是3.5以上且5.0以下。长度H1是从喷雾喷嘴的喷射口至上述封闭的另一个端部的周壁的长度。直径D1是汽化室的最大内径或者是从汽化室的中间位置至另一个端部之间的平均内径。而且，汽化室的横截面形状优选是正圆形或者类似圆形。
在汽化室的一个端部一侧，随着远离喷雾喷嘴，汽化室的内径逐渐变大，在从越过导出口的地方至另一个端部的内径实质上相同的情况下，该实质上相同的内径相当于内径D1。此外，在汽化室的一个端部，随着远离喷雾喷嘴，汽化室的内径逐渐变大，在汽化室的中间位置内径变为最大，在从中间位置至另一个端部的内径逐渐变小的情况下，中间位置的最大内径相当于内径D1。此外，在从汽化室的一个端部至另一个端部的内径实质上相同的情况下，该实质上相同的内径相当于上述内径D1。
在本发明中，加热设备优选被设置在规定汽化室的另一个端部的周壁上，并按照与汽化室的一个端部的温度相比另一个端部的温度变得更高的方式，来对汽化室的另一个端部进行加热。具体的说，加热设备具有对汽化室的一个端侧(喷雾喷嘴侧)进行加热的基端侧加热器、对汽化室的封闭的另一个端部进行加热的顶端侧加热器，并设定顶端侧加热器的设定温度比基端侧加热器的设定温度高。此外，优选还具有对汽化室的一个端部与另一个端部之间的热传导进行限制的传热限制构造。此处，所说的传热限制构造是指，只要是在喷雾喷嘴侧及与其相反一侧之间形成温度差的构造，则可以是任何构造。例如，作为该传热限制构造可以列举有：在构成汽化室的喷雾喷嘴侧的部分的部件的截面积与构成它的相反一侧部分的部件的截面积之间设置差别的构造、此外，设置具有比汽化室的喷雾喷嘴侧的部分以及与它相反一侧的部分之中的至少一个部分还小的截面积的交界部分的构造、或者使比构成汽化室的内面的材料的隔热性高的材料介于汽化室的喷雾喷嘴侧的部分以及与它相反一侧的部分之间的构造等等。此外，喷雾喷嘴最好被嵌入设置在汽化室的一个端部的周壁中，并且具有使上述喷雾喷嘴对周壁隔热的隔热部件。
如果采用这种方式，则不仅能够使向喷雾喷嘴的传热量减少，防止喷雾之前的液态原料的突然沸腾，还能够降低液态原料的流量波动。因此，不仅能够使液态原料处于稳定状态并供给汽化室内，同时还能够防止液态原料在喷嘴内发生分解、析出。此外，通过增高与喷雾喷嘴相反一侧的温度，就能够使从喷雾喷嘴喷出的原料喷雾，主要在远离喷雾喷嘴的该部分发生汽化。这样不仅可以进一步提高汽化效率，还可以进一步降低微粒的产生。
在本发明中，导出口优选位于比从汽化室的一个端部至另一个端部的中间位置更靠近喷雾喷嘴处，并在汽化室的侧周壁上开口。采用这样的构造，通过使导出口从汽化室的纵向(即喷雾方向)的中间位置，在偏向距离喷雾喷嘴较近的侧周面开口，不仅能够防止从延伸顶端侧的喷雾喷嘴喷出的喷雾直接到达导出口，同时还能够利用汽化室的延伸形状，使喷雾主要在从喷雾喷嘴沿着喷雾方向远离导出口的地方被汽化。于是，由于在汽化室内产生的微粒在到达导出口之前发生汽化，因此，可以抑制微粒的产生及排向它的下游侧。
在本发明中，喷雾喷嘴优选包括喷出液态原料的原料喷出口、与该原料喷出口的周围邻接而设、并喷出载体气体的环形气体喷出口，从上述原料喷出口喷出的液态原料的喷出方向与从上述气体喷出口喷出的载体气体的喷出方向实质上相同。如果采用这种方式，则在喷雾喷嘴中，通过具有实质上相互相同的喷出方向的原料喷出口以及与它的周围邻接而设所形成的环形气体喷出口而供给载体气体，于是在喷雾喷嘴的附近，从原料喷出口喷出的液态原料被雾化。这样就可以通过该载体气体按照使喷雾难以到达汽化室的内侧面的方式来进行喷雾。此外，从原料喷出口喷出的液态原料与从气体喷出口喷出的载体气体，朝着汽化室的延伸方向，使喷雾到达与喷雾喷嘴有一定距离的位置，这样就能够将喷雾被汽化的区域限定在从喷雾喷嘴至背离喷雾方向的区域。因此，通过充分地对原料有效雾化并使它汽化，这样不仅能够减少微粒的发生量，同时还能够使发生的微粒难以从导出口导出。
此处，原料喷出口优选仅喷出液态原料。这样，原料喷出口以仅喷出液态原料的方式构成，如传统的方式一样，当处于气液混合状态的液态原料从喷雾喷嘴喷出时，能够防止固状物析出而导致喷雾喷嘴堵塞，因此，可以稳定液态原料的供给状态。
在本发明中，汽化室的封闭的另一个端部优选弯曲成凹曲面状。另一个端部的这种形状，不仅能够使从喷雾喷嘴喷出的喷雾难以直接到达内壁面，而且，还能够防止喷雾集中地与内壁面的中心部接触，因此，可以使汽化状态更加稳定。
在本发明中，优选还包括向从汽化器至成膜室之间的流路追加供给载体气体的追加载体气体导入部。本发明的发明人通过反复进行各种实验得以确认：如果导入汽化室的液态原料与载体气体之比变小，也就是说如果载体气体量相对增大，那么，流入成膜室的微粒流入量增大。该微粒量增加的原因从以下两个方面进行推测。首先是在喷雾喷嘴处，由于载体气体使液态原料的飞散程度增大，而导致在导出口的附近原料喷雾直接飞散而引起的。其次是在喷嘴附近，由于载体气体的隔热膨胀使气体温度下降幅度增大，导致原料的汽化效率降低而引起的。
但是，如果使载体气体量极少，那么由于喷雾速度变小，因此原料喷雾难以到达汽化室的高温一侧(与喷雾喷嘴相反一侧)的区域，而只是通过低温一侧(喷雾喷嘴一侧)的区域，喷雾原封不动地从汽化室排出。于是，由于原料喷雾未在汽化室内充分汽化就很容易地到达成膜室，因此，晶片上的微粒发生增大。此外，如果使载体气体流量减少，那么在喷淋头内原料气体难以均匀分散，因此，很难确保成膜状态的面内均匀性。
因此，通过在汽化器与成膜室之间设置追加载体气体导入部，将导入汽化室的载体气体的导入量设定为适合汽化的值，同时，使导入喷淋头的载体气体的导入量增大。这样，不仅能够抑制在汽化室内产生微粒，同时还能够使汽化之后的原料气体在喷淋头内适当分散，从而能够确保成膜状态的面内均匀性。
根据本发明就可以获得以下很好的效果，无需牺牲装置的维护性，也无需使装置的管理操作复杂化，就可以抑制在汽化器内微粒的发生以及减少来自汽化器的微粒的导出量。
附图说明
图1是现有技术的装置的汽化器的简要截面图。
图2是本发明的实施方式所涉及的整个成膜装置的方块结构简图。
图3A是在稳态运转时的汽化器内部的流体(液态原料以及载体气体)的移动情况的模式内部透视截面图。
图3B是在使流体的流量增加时的汽化器内部的流体的移动情况的模式内部透视截面图。
图4是本发明的成膜装置的成膜室的内部透视截面图。
图5是使载体气体流量发生各种各样的改变而进行成膜时所检测出的微粒数的特性图。
图6是检测出的微粒数的载体气体流量相关性的特性图。
图7是其它实施方式的汽化器的截面图。
图8是其它另一实施方式的汽化器的截面图。
图9A是分别表示在实施例装置的汽化室内的各部中的、流体的流速与流向的流程分布图。
图9B是分别表示在比较例装置的汽化室内的各部中的、流体的流速与流向的流程分布图。
图10是关于实施例装置的汽化器与比较例装置的汽化器，在各自的汽化室中心部的流体的流速(m/s)与距离喷嘴的距离(m)两者之间的关系特性图。
图11A是表示实施例装置的汽化室内的各部温度的温度分布图。
图11B是表示比较例装置的汽化室内的各部温度的温度分布图。
图12是关于实施例装置的汽化器与比较例装置的汽化器，在各自的汽化室中心部的温度与距离喷嘴的距离两者之间的关系特性图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的各种实施方式进行说明。
如图2所示，成膜装置100包括：原料供给部110，具有喷雾喷嘴121及汽化室122的汽化器120A，成膜部130，阀门V1～V14，流量控制器116、118，MF1～MF4，以及控制器150。该成膜装置100通过控制器150来对整个成膜装置进行总体控制。
原料供给部110包括收容液态原料LM的原料容器111。在该原料容器111内连接着供给用来将收容在原料容器111内的液态原料LM挤出的加压气体(He(氦气)、N2(氮气)、Ar(氩气)等惰性气体)的加压气体供给管112、和用来从原料容器111向汽化器120A供给液态原料LM的原料供给管113。此外，还包括供给氮气、氦气、氩气等惰性气体的惰性气体供给管114，和供给由氮气、氦气、氩气等惰性气体等构成的载体气体的载体气体供给管115。
原料供给管113与液体流量计等流量控制器116连接。此外，在原料供给管113中的流量控制器116的下游位置连接着排出管117。此外，惰性气体供给管114在原料供给管113的适当位置与其连接。载体气体供给管115与流量计等流量控制器118连接。
可以列举的液态原料LM有：四叔丁氧基铪[Hf(Ot-Bu)4]、四二乙基氨基铪[Hf(NEt2)4]、四甲氧基甲基丙氧基铪[Hf(MMP)4]、四二甲基氨基铪[Hf(NMe2)4]、四甲基乙基氨基铪[Hf(NMeEt)4]、五乙氧基钽[Ta(OEt)5]、四叔丁氧基锆[Zr(Ot-Bu)4]、四乙氧基硅[Si(OEt)4]、四二甲基氨基硅[Si(NMe2)4]、四三乙基硅氧铪[Hf(OSiEt3)4]、四甲氧基甲基丙氧基锆[Zr(MMP)4]、二乙基环戊二烯基钌[Ru(EtCp)2]、叔戊基亚氨基三二甲基氨基钽[Ta(Nt-Am)(NMe2)3]、三二甲氨基硅烷[HSi(NMe2)3]等在室温条件下，通过辛烷等有机溶媒对液体或者固体的原料进行稀释、溶解之后的物质。此外，也可以不对它们进行稀释而使用这些原料。
汽化器120A包括：喷雾喷嘴121、汽化室122、导出口123以及加热器126、127。喷雾喷嘴121与具备流量控制器116、118的原料供给管113及载体气体供给管115分别连通。
汽化室122呈沿着Z方向延伸的细长形状，在它的一个端部喷雾喷嘴121开口，它的另一个端部封闭。导出口123在喷雾喷嘴121的附近位置、在汽化室122的侧周壁开口。此外，导出口123和与成膜部130连接的原料气体供给管124连通。在该原料气体供给管124内，追加载体气体供给管125经由阀门V9而与其合流。
对于成膜部130来说，利用通过原料气体供给管124从汽化器120A供给的原料气体，而在晶片W上形成预期薄膜的设备。在成膜部130内包括：具有喷淋头构造等的气体导入部131、通过该气体导入部131供给上述原料气体以及反应气体的成膜室132。气体导入部131与供给反应气体的反应气体供给管133连接。在该反应气体供给管的中途连接着惰性气体供给管134。成膜室132被密闭容器(腔室)所划分，在它的内部设置着嵌有发热体的基座135。在基座135上载放硅基板等基板W。该基板W通过上述发热体而被加热。成膜室132与排气管136连接，该排气管136与真空泵137等排气系统连接。此外，在上述原料气体供给管124的中途连接着旁通管138，该旁通管138在排气管136的真空泵137的上游位置与之连接。而且，在成膜室132内，连接着供给用来防止成膜材料在密闭容器的壁面等处堆积的清洁气体的清洗供给管139。
图3A是以更加具体的方式表示上述汽化器120A构造的简要截面图。汽化器120A的喷雾喷嘴121包括：与上述原料供给管113连接、并喷出上述液态原料LM的原料喷出口121a，和与上述载体气体供给管115连接、并喷出载体气体的气体喷出口121b。气体喷出口121b按照与上述原料喷出口121a的周围邻接并呈环状的方式而设置。原料喷出口121a的口径为0.05～0.3毫米，优选为0.1～0.15毫米左右。气体喷出口121b的开口截面积是原料喷出口121a的1倍～20倍左右，优选为1倍～12倍。
原料喷出口121a由原料喷出管121A的顶端开口而构成。该原料喷出管121A使用对聚酰亚胺树脂等的有机溶媒具有耐性的合成树脂材料形成。其中，原料喷出管121A也可以使用不锈钢或钛(Ti)等金属材料形成。使用合成树脂形成原料喷出管121A，喷雾前的液态原料LM很难被从周围传导而来的热量所加热。此外，通过使用聚酰亚胺树脂，不仅液态原料的残渣(析出物)不易吸附，而且还很难发生堵塞。
喷嘴块体121B内设置有载体气体导入路121c，上述原料喷出管121A的顶端部分被导入该载体气体导入路121c的开口部，气体喷出口121b被设置在上述原料喷出管121A的顶端的周围。原料喷出口121a与气体喷出口121b朝着相同的方向(Z方向)开口。这样，液态原料LM的喷出方向与载体气体的喷出方向实质上相同。
在本实施方式中，从原料喷出口121a仅喷出液态原料LM。此外，从气体喷出口121b仅喷出载体气体。例如，如图1所示的传统构造，按照气液混合的状态使液态原料从喷嘴部12a喷出，于是就会发生以下情况。即，液态原料与载体气体中的杂质发生反应，从而在喷嘴内部析出，或者在内部块体13的顶点部分析出的固状物使喷嘴堵塞。与此相反，在本实施方式中，由于仅使液态原料从原料喷出口121a喷出，因此，可防止喷嘴内部或喷嘴附近的固状物的析出。
此外，液态原料LM与载体气体一起朝着实质上相同的Z方向而向汽化室122内喷射。因此，从喷雾喷嘴121喷出的喷雾在较小的定向角度范围之内，在汽化室122内前进。这样，就可以抑制喷雾在汽化室122的喷雾喷嘴侧的部分，即在基端侧部分120X的内部飞散，因此，喷雾就不会从后述的导出口123直接排出，同时喷雾不会与汽化室122的内面直接接触而固化，因此，能够抑制微粒的产生及微粒从导出口123排出。
为了使从喷雾喷嘴121喷射出的液态原料汽化，汽化室122的封闭的另一个端部122a仅与喷雾喷嘴121保持足够的距离。换言之，汽化室122的形状是喷雾方向的长度(或者汽化室纵向的长度)H1比与喷雾方向(Z方向)正交的方向(X方向、Y方向)的宽度(或者直径)D1大的形状。这样，如果液态原料LM与载体气体从喷雾喷嘴121喷出，则会生成液态原料LM的喷雾，并朝着与汽化室122的喷雾喷嘴相反一侧的顶端侧部分120Y前进，但是，喷雾很难直接到达与喷雾喷嘴121对向配置的汽化室122的内面部分122a。换言之，我们可以根据汽化室122的这种延伸形状来设定以下方式，即，沿着汽化室122的延伸方向前进的液态原料LM的喷雾，一边接受来自汽化室122的内面的放射热与热传导，一边飞行，喷雾在到达汽化室122的内面的时候汽化几乎全部结束。
此处，最好按照如下方式设定汽化室纵向的长度H1，使得从喷雾喷嘴121喷出的原料喷雾，无法到达与喷雾方向相对的汽化室122的内面部分。要根据汽化室122纵向的长度H1及汽化室122的横截面面积、汽化室122的温度分布、从喷雾喷嘴121喷出的喷雾量及喷雾直径、载体气体量等因素来设定这种条件。这样就能够进一步确保防止微粒的发生。
在本实施方式中，优选将汽化室122纵向的长度H1与汽化室的直径D1之比(H1/D1)设定为2.5以上，更优选将它设定为3.5以上。其中，汽化室122的纵向与原料的喷雾方向(Z方向)一致。汽化室122的直径D1表示与原料的喷雾方向(Z方向)正交的截面中的平均直径(图3A、图3B、图7)或者最大直径(图8)。
在本实施方式的汽化器122中，将比例(H1/D1)设定在3.0～5.0的范围内。如果该比例(H1/D1)小于2.0，那么，成膜室132中的微粒的发生量就会增加。而如果比例(H1/D1)大于6.0，那么，不仅原料喷雾很容易吸附在汽化室122的侧周壁，而且原料喷雾还很容易从喷嘴121直接进入导出口123，因此，微粒的发生量反而有可能增加。汽化室122的横截面形状优选是正圆形或类似圆形。在这种形状的汽化室122内，由于来自汽化室122的内周壁面的热量均匀地对喷雾产生影响，因此这样就能够获得更加稳定的汽化状态。
汽化室122的内壁面通过电阻加热式的加热器，例如通过由筒式(cartridge)加热器(嵌入式)或带式加热器(缠绕式)等构成的加热器部件126、127而加热。该加热器的加热温度通常优选设定为比液态原料LM的汽化温度高，而比液态原料LM的分解温度低。这是由于在分解温度以上的条件下，原料LM将会分解并最终固化。第一加热器部件126被配置在从汽化室122的纵向中间位置偏向位于喷雾喷嘴121一侧的基端侧部分120X。第二加热器部件127被配置在从汽化室122的纵向中间位置偏向位于与喷雾喷嘴121相反一侧的顶端侧部分120Y。特别是第二加热器部件127被嵌入设置在汽化室122的封闭的另一个端部122a附近的周壁中。
此外，位于基端侧部分120X与顶端侧部分120Y之间的中间部分120Z，具有比基端侧部分120X的截面小很多的截面积。该中间部分120Z相当于以可拆卸方式连接基端侧部分120X与顶端侧部分120Y的连接部。在图示的例子中，中间部分120Z的截面积大约为基端侧部分120X截面积的十分之一左右。这样，就能够抑制基端侧部分120X与顶端侧部分120Y之间的热传导，因此，可以更加精确地设定两个部分的各个温度。
在该汽化室122中，与基端侧部分120X的内面温度相比，顶端侧部分120Y的内面温度则变得更高。换言之，通过降低基端侧部分120X的内面温度，而使传达至喷雾喷嘴121的热量减少，因此，就能够防止在喷雾喷嘴121内液态原料LM被加热而突然沸腾，导致液态原料LM的喷雾量发生波动。此外，通过提高顶端侧部分120Y的内面温度，就能够充分加热对流中的喷雾，从而使喷雾喷嘴121喷出的几乎全部喷雾在与顶端侧部分120Y的内面接触之前发生汽化。
基端侧部分120X与顶端侧部分120Y之间的温度差优选在20～70℃的范围之内，更优选在30～60℃的范围之内。如果使温度差小于上述范围，则无法获得上述的充分效果，而如果使温度差大于上述范围，则很容易在基端侧部分120X或中间部分120Z产生堆积物。例如，当成膜氧化铪[HfO2]的薄膜时，使用将四叔丁氧基铪[Hf(Ot-Bu)4](以下称HTB)溶解于辛烷中所得的物质作为液态原料LM，并使这种液态原料LM汽化后产生的原料气体与作为反应气体的氧气发生反应。接着，使基端侧部分120X的内面温度设定为90～110℃，优选设为95～105℃，而使顶端侧部分120Y的内面温度设定为120～170℃，优选设为155～165℃。此外，这些温度条件根据原料的成分会发生变化，当使用其它原料的情况下，它们将变为与上述温度截然不同的温度范围。
在本实施方式中，通过使汽化室122形成沿着Z方向延伸的细长形状，于是，原料喷雾在汽化室122内飞行的行程距离变长。因此，这样就能够使原料喷雾在飞行过程中充分加热而汽化。由于原料喷雾的绝大部分在到达汽化室122的内壁面之前而结束汽化，因此，这样不仅使汽化效率提高，而且微粒的发生量也大大减少。
在图3A的汽化室122内所描画的虚线，表示由喷雾喷嘴121喷出的原料喷雾的分布模式示意图。被喷出的液态原料通过载体气体而在远离喷雾喷嘴121的位置变成细小的喷雾，并以图示虚线的方式分布。随着原料喷雾沿着汽化室122的纵向前进，它被来自汽化室122的内壁面的辐射热所加热汽化，在封闭的另一个端部122a的附近，几乎全部原料喷雾被汽化而变成原料气体。生成的原料气体，如图中箭头所示，沿着汽化室122的内周侧面返回，并最终通过导出口123而从汽化室122排出。
在图3B中，用虚线表示在汽化器120A中使从喷雾喷嘴121喷出的液态原料LM或载体气体的流量增加时的状态。在这种状态下，原料喷雾的一部分集中地与上述内面部分122a的中央部分接触，这样就有可能导致析出固状物在内面部分122a堆积，或者喷雾的一部分被急剧加热而分解。在这种情况下，由于在汽化室122的内部微粒的发生量增大，因此，通过导出口123而导出的微粒量也将增大。此外，通过使从喷雾喷嘴121喷出的喷雾量增大，那么，在顶端侧部分120Y的内部生成的原料气体，很难通过喷雾气体而返回导出口123，而且在汽化室122的内部很容易发生湍流，因此，在汽化室122内产生的微粒很容易从导出口123而被导出。
在本实施例的汽化器120A中，将从喷雾喷嘴121供给汽化室122内的氮气(N2)设定为1500sccm、并将与导出口连接的配管的压力设定为1,93Kpa，在该状态下，对汽化室122内的流速以及温度分布进行了测定。此外，以汽化室120A的喷雾方向的长度大约为22毫米的现有技术的汽化器120B作为比较例，在与上述实施例相同的条件下，对汽化室内的流速以及温度分布进行了测定。这些结果分别用图9A、图9B、图10、图11A、图11B以及图12来表示。
关于实施例的汽化器120A，对汽化室内部流体的流速与流向进行调查之后的结果(实验数据)用图9A表示。此外，关于比较例的汽化器120B，对汽化室内部流体的流速与流向进行调查之后的结果(实验数据)用图9B表示。对汽化室中心部的流体的流速与它和喷嘴的距离之间的关系进行调查的结果(实验数据)用图10表示。
从这些图9A、图9B、图10可以看出，在实施例的汽化器120A中，在汽化室的一个端部(喷嘴侧)流速变化较大，而在汽化室封闭的另一个端部流速变化变缓，即使在底部的内壁面122a上也有顺畅的流速以及流向的分布。此外，通过这些图示可以预测，由于在底部的内壁面122a上喷雾流速十分缓慢，因此，原料喷雾在到达底部的内壁面122a之前，产生一定的富裕时间，同时，气流沿着底部的内壁面122a顺畅地流动，这样，原料喷雾就难以到达底部的内壁面122a。
另一方面，在比较例的汽化器120B中，从喷嘴喷出的原料流体与封闭的另一个端部(底部)的内壁面高速碰撞，于是，在该底部内壁面上，流体的流速与流向就处于紊乱的状态。
关于实施例的汽化器120A，对汽化室内部的温度分布进行调查之后的结果(实验数据)用图11A表示。此外，关于比较例的汽化器120B，对汽化室内部的温度分布进行调查之后的结果(实验数据)用图11B表示。而且，对汽化室中心部的温度与它和喷嘴的距离之间的关系进行调查之后的结果(实验数据)用图12表示。
从这些图11A、图11B、图12可以看出，在实施例的汽化器120A中，随着从喷雾喷嘴喷出的流体沿着Z方向前进而被加热，并被加热至足够的高温(100℃以上)，而且变为与周围大体相同的温度，并在温度变化处于缓和的状态下到达封闭的另一个端部(底部)的内壁面。
与此相反，在比较例的汽化器120B中，从喷雾喷嘴喷出的流体在沿着喷雾方向前进的途中，仅变为不充分的温度(80℃左右)，而且，在温度上升的途中到达封闭的另一个端部(底部)的内壁面。
根据上述的实验结果我们可以获知，在比较例中，通过喷雾喷嘴喷出的喷雾被直接吹至与喷雾喷嘴相对的内面，同时，汽化室内面的温度也将随之下降，与此相反，在实施例中，由于通过喷雾喷嘴喷出的喷雾一边沿着喷雾方向前进一边被充分加热，因此，到达汽化室内面之前大多数喷雾将发生汽化，同时残存的喷雾也被吹至与汽化室内面的温度已经达到充分汽化温度状态的喷雾喷嘴相对的内面。因此，在比较例中，汽化之前的喷雾原封不动地到达汽化室的内面，而只有溶媒发生汽化，于是，原料发生固化，从而有可能成为微粒的发生源，与此相反，在实施例中，在到达内面之前，喷雾几乎全部汽化，同时，即使残存的喷雾达到汽化室内面，由于在它的内面上充分受热而发生汽化，因此，几乎不会在汽化室的内面上发生固化，也可以抑制微粒的产生。
此外，在本实施方式中，通过使中间部分120Z的截面积较小，于是，从高温的顶端侧部分120Y向低温的基端侧部分120X的传热量减少，因此，不仅能够使基端侧部分120X以及顶端侧部分120Y的温度控制性提高，而且还能够很容易在两个部分设定较大的温度差。这样就能够进一步降低喷雾喷嘴121的温度上升。
导出口123在上述基端侧部分120X的汽化室122的侧面部分开口。这样，不仅能够减少喷雾直接喷向导出口123，同时还能够抑制在汽化室122产生的喷雾从导出口123导出。更为具体的方式在于，在图中所示的例子中，在基端侧部分120X的汽化室122的内壁面，按照沿着喷雾方向前进而内径逐渐增大的方式而形成圆锥形，导出口123在它的圆锥形的内壁面开口。这样就能够进一步确保防止原料喷雾从喷雾喷嘴121直接喷向导出口123。
在汽化室122的内壁面中，封闭的另一个端部的内壁面122a(即底部内壁面)弯曲成凹曲面形状。该凹曲面优选是以喷雾喷嘴121的轴线为中心，并使凹曲线旋转而形成的旋转体形状。在图示例中，虽然内面部分122a以半球面形状构成，但是它也可以是抛物面或椭圆面、双叶双曲面等。这样，从喷雾喷嘴121喷出的原料喷雾扩散的顶端部分的分布与底部内壁面122a的形状成为对应的形状，因此，与底部内壁面为平坦面的情况相比，不仅能够进一步均匀地对喷雾进行加热，同时还能够防止喷雾与底部内壁面122a的一部分集中接触而导致析出物在内面上堆积。
图4是成膜部130的主要部分的详细截面图。在成膜部的上部设置着作为喷淋头的气体导入部131。在气体导入部131中，上板131X、中板131Y以及下板131Z重叠在一起。在该气体导入部131中设置与上述原料气体供给管124连接的原料气体流路131A，该原料气体流路131A通过扩散室131D而成为若干分支，它们的顶端成为分散设置在气体导入部131的内面上的若干原料气体供给口131a。此外，还设置着与上述反应气体供给管133连接的反应气体流路131B，该反应气体流路131B通过扩散室131E而成为若干分支，它们的顶端成为分散设置在导入部131的内面之上的若干反应气体供给口131b。即，该气体导入部131成为分别导入原料气体与反应气体的后混合式(Postmix)的喷淋头构造。此外，在气体导入部131中设置有温度传感器131C。
成膜室132成为由上述气体导入部131、成膜容器132X划分而成的可密闭的空间。在成膜容器132X中设置可以通过阀门(Gate)144开关的搬入口132a，通过开启该阀门144就可以搬入搬出基板。此外，成膜室132的内壁被石英等构成的堆积护膜132c所覆盖。由上述清洗供给管139供给的清洁气体(N2等惰性气体)在该堆积护膜132c与成膜容器132X的内面之间流动，这样堆积物不会吸附在成膜容器132X的内面。
在成膜室132的内部，设置着具有用炭化硅SiC等构成的基板载置面(图示上面)的基座135。在该基座135的内部内置电阻发热体等加热器135a。加热器135a通过布线146与加热器电源145连接。此外，基座135具有支撑部135b，该支撑部135b被固定在成膜容器132X上。基座135的包括基板载置面的整个表面被石英等构成的堆积护膜135c所覆盖。在基座135上安装着可自如从基板载置面伸缩的若干升降销143(图中仅表示一个升降销，其它的已被省略)，该升降销143被销支撑部142所支撑，并通过驱动部141驱动支撑部142，这样它就可以上下运作。其中，设置在成膜容器132X下部的开口部与排气管136连接，通过真空泵使成膜室132均匀地进行排气。
在上述的成膜室132中，通过使用上述各种液态原料，而能够在基板上成膜下述这种薄膜。作为成膜的电介质薄膜，例如可以列举以下的物质。
HfO2：
原料气体＝Hf(Ot-Bu)4；反应气体＝氧气
原料气体＝Hf(NEt2)4；反应气体＝氧气或者臭氧(O3)
原料气体＝Hf(MMP)4；反应气体＝氧气
原料气体＝Hf(NMe2)4；反应气体＝氧气
原料气体＝Hf(NMeEt)4；反应气体＝氧气
Ta2O5：
原料气体＝Ta(OEt)5；反应气体＝氧气
HfSiOx：(x为自然数)
原料气体＝Hf(OSiEt3)4；反应气体＝氧气
ZrO2：
原料气体＝Zr(Ot-Bu)4；反应气体＝氧气
原料气体＝Zr(MMP)4；反应气体＝氧气
SiO2：
原料气体＝Si(OEt)4；反应气体＝臭氧
原料气体＝Si(NMe2)4；反应气体＝氧气
原料气体＝HSi(NMe2)3；反应气体＝氧气
(HfO2)x(SiO2)y：(x，y为自然数)
原料气体＝Hf(NEt2)4+Si(NMe2)4；反应气体＝氧气
原料气体＝Hf(Ot-Bu)4+SiH4；反应气体＝氧气
原料气体＝Hf(Ot-Bu)4+Si2H6；反应气体＝氧气
原料气体＝Hf(Ot-Bu)4+Si(OEt)4；反应气体＝氧气
此外，还可列举以下物质作为金属薄膜。
Ru/RuO2：
原料气体＝Ru(EtCp)2；反应气体＝氧气
TaN：
原料气体＝Ta(Nt-Am)(NMe2)3；反应气体＝NH3
此外，在上述化学式中，Me表示甲基(CH3)、Et表示乙基(C2H5)、Bu表示丁基(C4H9)、Cp表示茂基(环戊二烯基)、Am表示戊基(C5H11)、MMP表示甲氧基丙氧基。此外，作为各个原料气体的原始液态原料，通过辛烷等有机溶媒对其进行稀释，例如，可以使用0.2摩尔/升的浓度的有机溶媒。
图5表示当改变载体气体的流量时，对设置在成膜室132内的基板中央部的300毫米晶片上出现的微粒数进行测定的结果。此处，成膜温度为550℃、成膜室132的压力大约为40Pa(0.3Torr)、成膜时间为120秒、作为液态原料使用HTB(0.2摩尔/升的浓度)的供给量为45mg/分、在汽化器120中作为载体气体而使用的N2的流量为1500sccm及500sccm、作为反应气体而使用的氧气的流量为100sccm。此处，图中的圆圈表示具有0.1μm以上的粒径的微粒数，图中的三角形表示具有0.16μm以上的粒径的微粒数，图中的四方形表示具有0.2μm以上粒径的微粒数。
如图5所示，与载体气体流量为1500sccm的情况相比，载体气体流量为500sccm的情况下，具有0.1μm以上的粒径的微粒数大幅减少至接近1/10。对于具有0.16μm以上的粒径的微粒数以及具有0.2μm以上粒径的微粒数也同样存在这种倾向。
如图6所示可知，随着载体气体流量增大微粒数也会随之增加。于是，在汽化器120A中，如果载体气体的流量增大，那么导入成膜室132内的微粒数增加，特别是0.1～0.15μm的微小微粒的数量大幅增加。其原因在于，如图3B所示，如果载体气体的流量增大，那么从喷雾喷嘴121喷出的喷雾的飞行范围扩大，在汽化室122的内面固状物析出，或者产生很多微细的喷雾，只有溶媒从这种微细的喷雾中挥发，这样固状物就会析出。此外，在上述条件下，为了控制微粒数，导入汽化器120A内的载体气体的流量优选在30～600sccm的范围内，更优选50～500sccm的范围内。
从上述结果我们可知，如果使流入汽化室122的载体气体的流量降低，则能够减少导入成膜室132内的微粒数。但是，如果使流入汽化室122的载体气体的流量过度降低，那么，成膜室132内的原料气体的分布就会变得不均匀，基板上的薄膜的膜厚的面内均匀性下降，膜质参差不齐。出现这些问题的原因在于，由于原料与载体气体的混合气体的流量较少，因此，在喷淋头131内混合气体无法均匀地分散。
因此，在本实施方式中，如图2所示，在汽化器120A与成膜室132之间设置有追加载体气体供给管125(追加载体气体导入部)。具体地讲，在原料气体供给管124的适当位置连接着追加载体气体供给管125。通过该追加载体气体供给管125，就能够向原料气体供给管124内追加导入载体气体。这样，即便减少来自汽化器120A的载体气体量的情况下，仍然能够提高供给成膜室132的载体气体分压。其结果在于，不仅能够使导入成膜室132内的微粒数减少，同时还能够提高在基板W上成膜的薄膜的均匀性。此外，也可以将追加载体气体供给管125设置在成膜装置本体的气体导入部131之内。
使用上述装置，对于有无追加载体气体供给而对在晶片上成膜的薄膜质量的影响进行了实验。实验结果如下述表1所示。此处，原料气体是对用辛烷进行稀释之后的浓度为0.2摩尔/升的HTB进行氧化之后的物质、反应气体为氧气、导入汽化器120A的载体气体与追加载体气体均为氮气。此外，晶片是直径为300毫米的硅基板，使用椭率计对成膜后薄膜的厚度进行了测定。膜厚测定点包括中心点，并在除了晶片周边3毫米之外的49点进行测定。微粒的测定方法与上述相同，以此来计算晶片上的粒径为0.2μm以上的微粒。
在表1中同时表示实施例A、实施例B以及比较例的条件和结果。实施例A中的条件是导入汽化器中的载体气体量较多(2200sccm)，并且不供给追加载体气体。实施例B的条件是减少导入汽化器中的载体气体量(40sccm)，而追加大量的追加载体气体(2000sccm)。比较例的条件是减少导入汽化器中的载体气体量(40sccm)，而不供给追加载体气体。
在实施例A中，导入成膜室内的微粒数较多(115个)，薄膜的均匀性变高(σ＝2.22％)。与此相反，在比较例中，导入成膜室内的微粒数较少(10个)，薄膜的均匀性大幅降低(σ＝34.66％)。在实施例B中，导入成膜室内的微粒数极少(10个)，并且薄膜的均匀性也变得极高(σ＝2.32％)。
(表1)
Figure A20058000037600231
图7是其它实施方式的汽化器的简要截面图。本实施方式的汽化器220包括：喷雾喷嘴221、汽化室222以及导出口223。喷雾喷嘴221以及导出口223的构造实质上与上述实施方式中的相同。此外，与上述实施方式同样，在汽化器220的底部周壁嵌入设置加热器227(图中未示)，在汽化器220的上部侧周壁嵌入设置加热器(图中未示)。
本实施方式的汽化器220与上述实施方式中的汽化器的不同点在于，在喷雾喷嘴221与它的周壁之间具有隔热部件228。通过该隔热部件228，可以抑制喷雾喷嘴221的温度上升。因此，这样不仅可以防止液态原料在喷雾喷嘴221内突然沸腾而导致液态原料的喷雾量发生波动，还可以防止固状物在喷雾喷嘴221内析出而引起堵塞。此外，隔热部件228可以使用石棉等非燃性的材料。隔热部件228的厚度例如可以是7～18毫米。
此外，不仅可以使隔热部件228与喷嘴221的外周接触，也可以使它不与喷嘴221的外周接触。还可以在喷嘴221的周围设置空气隔热层来代替隔热部件228。附带提一下，喷嘴221的长度例如可以是19.5毫米。
此外，在这种汽化器220中，汽化室222以从喷雾喷嘴221朝着喷雾方向具有大致相同的截面的形状(例如圆筒形)的方式构成。但是，与喷雾喷嘴221相对、并与喷雾方向相对的内面部分222a与上述实施方式相同，以凹曲面形状构成。即使是这种汽化室形状，由于与上述实施方式相同，它具有沿着喷雾方向延伸的汽化室形状，而且导出口在基端侧部分的内侧面开口，因此，仍然能够获得与上述实施方式相同的效果。
在这种汽化器220中，在基端侧部分220X与顶端侧部分220Y之间设置着中间部分220Z。该中间部分220Z的截面积(XY面积)比基端侧部分220X与顶端侧部分220Y两者中的任何一个的截面积(XY面积)都小。
图8是其它另一实施方式的汽化器的概略截面图。本实施方式的汽化器320包括喷雾喷嘴321、汽化室322以及导出口323。喷雾喷嘴321以及导出口323的构造实质上与上述实施方式中的相同。此外，与上述实施方式相同，在汽化器320的底部周壁嵌入设置加热器327(图中未示)，在汽化器320的上部侧周壁嵌入设置加热器(图中未示)。此外，本实施方式的汽化器320，具有与上述实施方式的汽化器220的喷嘴隔热部件228相同的喷嘴隔热部件328。
在汽化室322中，随着从喷雾喷嘴321沿着Z方向前进，在基端侧部分320X的截面积逐渐增大，在其顶端的顶端侧部分320Y具有最大的截面积，之后截面积慢慢减少。即使是这种特殊形状的汽化室322，也能够获得与上述实施方式相同的效果。
此外，对于这种汽化器320来说，在基端侧部分320X与顶端侧部分320Y之间设置截面积减少的中间部分320Z这一点，与汽化器220相同，但是，在该中间部分320Z的外侧，在基端侧部分320X与顶端侧部分320Y之间设置隔热部件329这一点两者不同。此处，也可以不设置中间部分320Z，仅使隔热部件329介于基端侧部分320X与顶端侧部分320Y之间。
此外，本发明并非只局限于上述实施方式，除此之外，还可以在不脱离本发明宗旨的范围之内增加各种更改。例如，在上述实施方式中，原料气体种类仅举一例进行说明，但是，也可以使用若干原料气体种类进行成膜。在这种情况下，不仅可以设置若干上述原料供给系统，将从这些原料供给系统供给的若干液态原料进行混合，然后供给汽化器，还可以设置若干汽化器，将这些汽化器作为每种液态原料专用的汽化器。此外，在上述实施方式中，只举了MOCVD装置为例，除此之外，它也可以适用于等离子体CVD装置、ALD(原子层成膜)装置或者LP-CVD(分批式、立式、卧式、迷你分批式)等各种成膜装置。

Claims (17)

1.一种成膜装置，其特征在于：
是一种包括供给液态原料的原料供给部、使所述液态原料汽化并生成原料气体的汽化器、和导入所述原料气体而在被处理基板上形成薄膜的成膜室的成膜装置，其中，
所述汽化器包括：喷射从所述原料供给部供给的液态原料的喷雾喷嘴；
具有所述喷雾喷嘴开口的一个端部以及封闭的另一个端部，使从所述喷雾喷嘴喷射的雾状的液态原料汽化并生成原料气体的汽化室；
对所述汽化室进行加热的加热设备；和
在所述喷雾喷嘴的附近朝着所述汽化室开口、并从所述汽化室导出原料气体的导出口，
所述汽化室的封闭的另一个端部，为了使从所述喷雾喷嘴喷射的液态原料发生汽化，而与所述喷雾喷嘴仅保持足够的距离。
2.如权利要求1所述的成膜装置，其特征在于：
所述加热设备被设置在规定所述汽化室的另一个端部的周壁上，按照与所述汽化室的一个端部的温度相比所述另一个端部的温度变高的方式来对所述汽化室的另一个端部进行加热。
3.如权利要求1或者权利要求2所述的成膜装置，其特征在于：
还包括限制所述汽化室的一个端部一侧与另一个端部一侧之间的热传导的传热限制构造。
4.如权利要求1或者权利要求2所述的成膜装置，其特征在于：
所述导出口位于比从所述汽化室的一个端部至另一个端部的中间位置更靠近所述喷雾喷嘴处，并在所述汽化室的侧周壁上开口。
5.如权利要求1或者权利要求2所述的成膜装置，其特征在于：
所述喷雾喷嘴包括喷出所述液态原料的原料喷出口，和与该原料喷出口的周围邻接而设、并喷出载体气体的环形的气体喷出口，
从所述原料喷出口喷出的液态原料的喷出方向与从所述气体喷出口喷出载体气体的喷出方向实质上相同。
6.如权利要求5所述的成膜装置，其特征在于：
从所述原料喷出口仅喷出液态原料。
7.如权利要求1或者权利要求2所述的成膜装置，其特征在于：
所述汽化室的封闭的另一个端部弯曲成凹曲面状。
8.如权利要求1或者权利要求2所述的成膜装置，其特征在于：
还包括向从所述汽化室至所述成膜室之间的流路追加供给载体气体的追加载体气体导入部。
9.如权利要求1或者权利要求2所述的成膜装置，其特征在于：
将所述汽化室的纵向的长度H1与汽化室的直径D1之比(H1/D1)设定为2.5以上且6.0以下。
10.如权利要求9所述的成膜装置，其特征在于：
将所述比例(H1/D1)设定为3.5以上且5.0以下。
11.如权利要求9所述的成膜装置，其特征在于：
所述长度H1是从所述喷雾喷嘴的喷射口至所述封闭的另一个端部的周壁之间的长度。
12.如权利要求9所述的成膜装置，其特征在于：
所述直径D1是所述汽化室最大的内径。
13.如权利要求9所述的成膜装置，其特征在于：
所述直径D1是从所述汽化室的中间位置至所述另一个端部之间的平均内径。
14.如权利要求9所述的成膜装置，其特征在于：
在所述汽化室的一个端部，随着远离所述喷雾喷嘴所述汽化室的内径逐渐变大，从越过所述导出口的地方至所述另一个端部之间的内径实质上相同，该实质上相同的内径相当于所述内径D1。
15.如权利要求9所述的成膜装置，其特征在于：
在所述汽化室的一个端部，随着远离所述喷雾喷嘴所述汽化室的内径逐渐变大，在所述汽化室的中间位置内径变为最大，从所述中间位置至所述另一个端部之间的内径逐渐变小，所述中间位置的最大内径相当于所述内径D1。
16.如权利要求9所述的成膜装置，其特征在于：
从所述汽化室的一个端部至另一个端部之间的内径实质上相同，该实质上相同的内径相当于所述内径D1。
17.如权利要求1或者权利要求2所述的成膜装置，其特征在于：
所述喷雾喷嘴还包括嵌入设置在所述汽化室的一个端部的周壁中，并使所述喷雾喷嘴与所述周壁隔热的隔热部件。
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