JP2001026874A - ガス供給定量チューブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一端からガス供給されるガス供給チューブの
長さに沿って、実質的に均一なガス供給を行うことがで
きる改良されたガス供給定量チューブを提供することに
ある。 【解決手段】 本発明のガス供給チューブは、互いに軸
線方向に整合して入れ子式に配置された複数のチューブ
を有し、最内チューブはガスを受け入れかつ該最内チュ
ーブの長さ方向に沿って均一な背圧を確立し、最外チュ
ーブはガス供給チューブから流出するガスに均一な流れ
分配を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、広くは、ガスを供
給するためのガス供給定量チューブに関し、より詳しく
は、ガスの実質的に均一な分配を促進する軸線方向に整
合した入れ子式（nested）すなわち同軸状のガス供給定
量チューブに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスの供給は、非常に多くの産業におい
て重要である。例えば、半導体加工または製造の分野で
は、ガスの供給は重要な役割を有している。１つの半導
体加工形式として、化学蒸着がある。化学蒸着は、或る
ガス状薬品の熱反応または分解により安定した化合物が
形成されかつこのような化合物が基板の表面上に堆積さ
れるときに生じる。化学蒸着システムには多くの形態が
ある。このような加工を行う１つの装置として、本件出
願人が所有しかつ本願に援用する米国特許第４，８３
４，０２０号に開示された大気圧搬送型（conveyorized
atmospheric pressure）ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）システ
ムがある。プラズマ増強型ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）システ
ムおよび低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）システム等の他の形
式のＣＶＤ装置を使用することもできる。

【０００３】半導体加工システムの重要なコンポーネン
ツとして、蒸着が行われる蒸着チャンバがあり、該蒸着
チャンバには、この中の基板の表面にガス状薬品を供給
するインジェクタが使用されている。ガスは、基板の表
面と反応して該表面に許容できる膜を蒸着できるように
基板上に分配される。蒸着チャンバは、蒸着が行われる
制御された環境が得られるように入念に設計されなくて
はならない。例えば、チャンバは、ガスを閉じ込めなく
てはならないが、ガスの予反応および不均一な膜の蒸着
を引き起こす原因となるガスの循環を低減させなくては
ならない。チャンバは、過剰の反応体および反応副生物
をなくすための排出手段を設けなくてはならないが、反
応のため基板に供給されるガスの流れを遮断してはなら
ない。また、チャンバおよびそのコンポーネンツの温度
は入念に制御して、反応体ガスの凝縮を防止し、副生物
ダストの堆積を最小にし、かつシステムを浄化できるよ
うにしなければならない。更に、蒸着チャンバは、その
全作動を通じて機械的一体性（例えば許容誤差）を維持
できるようにするのが好ましい。蒸着のための適正な環
境を得るには、これらの全てのファクタが入念にバラン
スされなくてはならない。

【０００４】このような蒸着チャンバ内でのインジェク
タの１つの機能は、ガスを制御された態様で所望位置に
分配することである。ガスの制御された分配は、基板上
に高品位の膜を形成する適正な種類の化学種を得るため
の効率的な均質気相反応の機会を最大化する。制御され
たガス分配は、部分的にガスの予混合および予反応を最
小化することにより、膜全体がガスの均一組成反応で形
成されることを確保する上で必要である。完全な反応に
より、高品位の膜を得るより大きい機会が得られる。ガ
ス流が制御されないと、化学反応が最適化されず、従っ
て、不均一組成の膜が形成され易くなる。膜の組成が不
均一であると、半導体の適正機能が損なわれる。従っ
て、制御された態様で所望のガス流が得られるようにイ
ンジェクタを設計することが重要である。

【０００５】ガスは、チャンバの他の領域にも分配され
および／またはインジェクタ以外のコンポーネンツで分
配されることもある。例えば、不活性ガスをチャンバ内
に搬送して、所望の態様でガスを分離させおよび／また
は直接蒸着させることもできる。不活性ガスおよび他の
ガスは、希釈ガスまたはキャリヤガスとして機能させる
べくチャンバに供給することもできる。このような態様
でガスを使用する１つの例が、係属中の米国特許出願第
０９／１８５，１８０号に開示されており、該米国特許
出願の全開示は本願に援用する。

【０００６】半導体製造の分野において、幾何学的収縮
量が０．２マイクロメートル以下のデバイスでは、２％
以下の膜蒸着厚さ不均一性に対する要望が増大してい
る。従来技術のリニアガス分配システムは、これらの大
きい条件を満たす完全な成功を収めてはいない。最も簡
単な従来技術の設計は、図１に示すように、長さＬおよ
び直径Ｄのチューブの表面に沿って、直径ｄの多数の孔
すなわちオリフィスが分布された単一チューブである。
ガスは、チューブの一端から、圧力Ｐ_oおよび初期速度
Ｖ_oで導入される。この設計では、均一性は一般に圧力
に基いて定まる。各オリフィスで、圧力および流量が幾
分低下する。オリフィスサイズがチューブ直径Ｄに比べ
て小さくかつ供給圧力が充分に大きいと仮定すると、１
つのオリフィス当たりの圧力および流量の低減量は、Ｐ
_oおよびＶ_oに比べて小さい。ガス流量が小さい場合を除
き、チューブに沿う速度の低下は、一般に、圧力を増大
させることにより達成される。ガス供給源から離れた或
る距離で、チューブ内の圧力Ｐ_oは低下される（Ｐ_o−Δ
ｐとして表されている）。同直径でかつ等間隔を隔てた
オリフィスを備えた単一の定量チューブでは、均一なガ
ス流は達成されない。従来技術の単一チューブの特別な
欠点は、大きい基板サイズすなわち基板直径に適合させ
るのに必要な大きい長さに亘って優れた均一性を得るの
が困難なことである。或る圧力では、Ｄ、ｄおよびＬ間
の所与の寸法関係で、同じ所与の直径のこれらのオリフ
ィスを再分布させるか、等間隔の孔の直径を変えること
により、幾分均一な速度ベクトル（ｖ_i）および均一な
ガス流が得られるであろう。しかしながら、このオリフ
ィス分布は、丁度１つの特定作動条件にない場合には、
狭い範囲の作動条件に対して最適ガス流が得られるに過
ぎない。また、このような従来技術の設計は、一般に、
ガス流量および圧力に基いて、約５〜１０％の大きな厚
さ不均一性をもつ膜を製造する。また、低いガス流量お
よび圧力では、図２に示すように、供給源に最も近い端
部から高流量のガスが流出する。換言すれば、Ｐ_oが比
較的低い値である場合には、チューブ内の全圧力が、ガ
ス供給源からの距離の関数として、より迅速に低下す
る。この場合、全ガス流の均一性は非常に低い。また、
このようなチューブからのガス流は、供給流量および圧
力が増大すると、高い指向性（「ジェッティング」とも
呼ばれる）をもつようになるであろう。チューブを出る
ガス流は不均一でありかつ図３ａに示すようにその長さ
方向に沿ってリニアに増加する特性を呈する。或いは、
ガスは、図３ｂに示すように、チューブの両端部から導
入することもできる。両場合とも、ガス流は均一に分配
されず、このため、ウェーハ全体に亘って蒸着が不均一
になる。

【０００７】従来技術による他のアプローチは、多孔質
材料からなる単一チューブを使用することである。この
場合も、ガスはチューブの両端部から導入される。この
アプローチでは、孔を備えたチューブに付随する「ジェ
ッティング」流出が最小になる。材料の空隙率は、一般
に、チューブ内の達成可能な背圧、従ってチューブの長
さに沿う全体的均一性をも決定する。例えば、スクリー
ンメッシュは多孔質材料であると考えられる。最高の均
一性のためには、メッシュはガス流に対して優れた抵抗
を有し、チューブの全長に沿って優れた背圧を維持しな
ければならない。一般に、流れに対する抵抗は、チュー
ブの表面積に対する全開口面積に基いて定まる。メッシ
ュ開口は、一般に、材料の厚さまたはこれより大きい程
度である（＞０．００５インチ）。第２の例はマイクロ
メートル程度の粒子間隔およびミリメートル程度の厚さ
を有する多孔質セラミックである（このような材料は、
しばしば濾過装置に使用される）。このような材料は、
ガス流に対する抵抗を有し、均一な背圧および供給ライ
ンの全長に沿う供給ガスに優れた均一性をもたらす。

【０００８】多孔質セラミックチューブは優れたガス供
給均一性を与えるが、材料自体は非常に脆く、かつ広範
囲の温度にも耐え得るガス供給ラインに対するシールを
作ることは困難である。

【０００９】第３の形態は、供給源からの距離の関数と
してチューブ直径にテーパを付し、質量流量が減少して
も流体速度が一定に維持されるようにする方法である。
このアプローチの主な欠点は、１つの流量での均一流れ
にとって最適な設計が、他の流量で適正に機能しないこ
とである。

【００１０】単一の孔穿きチューブまたは多孔質チュー
ブを使用する従来技術の最大の弱点は、圧力変化に対す
る感応性が比較的高く、このため供給チューブの長さに
沿う位置の関数として不均一な流れが生じることであ
る。また、図４に示すように、不均一流はガス流量と強
い関連性を有し、種々の適用条件およびプロセス条件が
異なるガス流量を必要とするので、均一な膜蒸着を形成
するプロセスを設計しかつ開発するには複雑さが増大す
る。図４に示すプロットは、１００＜Ｒ_e＜２０００の
レイノルズ数をもつＣＶＤ用に一般的な一定範囲のガス
流条件および幾何学的形状を呈する。また、ウェーハの
直径が増大すると、ガス供給チューブの長さの増大に伴
って、膜の不均一性がしばしば悪化する。

【００１１】圧力変化は使用者により慎重に賦課される
が、時には、ＣＶＤシステムへのガス供給システムの変
動によって生じることもある。かくして、従来技術で
は、ガス圧力の変化によってインジェクタおよび／また
は蒸着チャンバ内のガス供給の均一性に影響が及び、こ
れにより、次に、得られる膜の均一性すなわち基板上の
組成に影響が及んでしまう。換言すれば、従来技術のシ
ステムでは、ガス供給装置は単一の作動条件に対しての
み有効である。従って、特に、供給システムの変動によ
る影響を受けない長さに沿って、かつガス流の広い作動
範囲に亘って実質的に均一なガス流および／またはガス
分配を促進できるガス供給システムを提供することが望
まれている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ガス
供給のための改良されたガス供給定量チューブを提供す
ることにあり、より詳しくは、一端からガス供給される
ガス供給チューブの長さに沿って、実質的に均一なガス
供給を行うことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】これらのおよび他の目的
は、互いに軸線方向に整合して同軸状に入れ子式に配置
された定量チューブの組合せからなり、最内チューブが
ガスを受け入れかつ最内チューブの長さ方向に亘って実
質的に均一な背圧を確立し、最外チューブがガス供給チ
ューブから流出するガスの均一な流れ分配を行うように
構成されたガス供給定量チューブにより達成される。本
発明の他の態様では、少なくとも１つのインジェクタ組
立体と組み合わされたガス供給定量チューブが提供さ
れ、インジェクタ組立体はガス供給定量チューブを受け
入れるための少なくとも１つのポートを有している。本
発明の更に別の態様では、シールド組立体と組み合わさ
れたガス供給定量チューブが提供され、シールド組立体
はガス供給定量チューブを受け入れるための少なくとも
１つのプレナムを有している。本発明のガス供給定量チ
ューブは、半導体製造装置用に特に適している。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の他の目的および長所は、
以下に述べる本発明の詳細な説明および特許請求の範囲
の記載を読みかつ添付図面を参照することにより明らか
になるであろう。

【００１５】特別な長所として、本発明は、特に、チュ
ーブの長さに沿うガス分配を定量するガス分配チューブ
を提供し、チューブから得られるガス分配の圧力変化に
対する感応性を、広範囲の作動条件に亘って小さくし、
かつ従来技術の欠点を解消する。本発明は、互いに軸線
方向に整合して入れ子式に配置された２つ以上の同軸状
チューブからなるチューブ組立体を有するガス供給チュ
ーブであって、最内チューブは好ましくはガス供給源に
取り付けられ、かつ内側チューブおよび外側チューブが
両チューブの長さに沿って分布された１つ以上のオリフ
ィス配列を備えているガス供給チューブからなる。説明
の目的から、円形断面形状を有しかつ互いに軸線方向に
整合して入れ子式に配置された２つのチューブからなる
ガス供給チューブ１０を説明するが、他の本数のチュー
ブ、例えば互いに入れ子式に配置される３つ以上の同軸
状チューブを使用することもできる。半導体基板の加工
に使用されるガス供給チューブの長さは、一般に、基板
の幅すなわち直径より数センチメートル長い。

【００１６】図５および図６ａを参照すると、ここに
は、本発明の一実施形態が示されている。図５は、環状
空間１５により分離された同軸状の内側チューブ１２お
よび外側チューブ１４を備えた２つのチューブ組立体か
らなるガス供給チューブ１０を示す概略図である。各チ
ューブは両端部を有している。内側チューブ１２はガス
供給源に取り付けられる一端１３を有し、他端１７は封
鎖されている。内側チューブ１２の大部分の長さに沿っ
て１つ以上のオリフィス１６の配列が分布されており、
該オリフィス１６は、内側チューブ１２の全長に沿って
均一な背圧を確保できかつ内側チューブ１２から環状空
間１５内への充分なガス流出を確保できる位置に配置さ
れかつサイズを有している。外側チューブ１４は、その
大部分の長さに沿って分布されたオリフィス１８の配列
を有している。１つ以上のオリフィス１８の配列は、環
状空間１５内に均一な背圧を維持しかつ外側チューブ１
４から該外側チューブ１４に隣接する領域に均一なガス
流を確保できる位置に配置されかつサイズを有してい
る。外側チューブ１４は両端部が封鎖されるのが好まし
いが、別の実施形態では、外側チューブがガス供給を受
け入れるように構成することもできる。図５および図６
ａに示すように、内側オリフィス１６のラインは、外側
オリフィス１８のライン配列から１８０°回転してオフ
セットしている。しかしながら、両配列間のあらゆる回
転整合およびリニア整合を使用できる。好ましい実施形
態では、オリフィスの内側配列を外側配列から１８０°
回転オフセットさせる。

【００１７】ガス供給チューブ１０は、互いに軸線方向
に整合した２つの入れ子式チューブを備えたものについ
て説明したが、付加チューブを使用することもできる。
例えば、ガス供給チューブ１０は、３つ以上の同軸状チ
ューブで構成することもできる。２つ以上の入れ子式同
軸状チューブの使用により、本発明の装置は、第１に内
側チューブの長さに沿う均一な背圧を確立し、次にチュ
ーブ組立体１０の全長に亘って２つのチューブ間の環状
空間に圧力の均一性および安定性を維持しかつ伝達する
ことにより、広いガス流範囲に亘って圧力効果に対する
感応性を低下させる。かくして、この結果生じる外側チ
ューブからのガス流出の均一性は非常に高くなる。かく
して、本発明は、チューブ組立体の長さに沿う圧力およ
びガス流の確立を２段階に有効に分離する。

【００１８】前述のように、一配列のオリフィスを備え
た単一チューブにその一端からガスを供給する従来技術
では、オリフィス配列から均一なガス流を流出させるに
は、チューブの全長に亘ってガス背圧を均一にする必要
がある。低流量条件では、背圧が低くなり過ぎ、供給源
から最も遠いオリフィスからの流出量が減少するため、
チューブの長さに沿う分配が不均一になる。これに対
し、本発明によれば、本発明の内側チューブ１２は、直
径およびオリフィス１６の配列のサイズが、チューブの
全長に沿って均一な背圧を確立するように定められる。
換言すれば、チューブの直径とオリフィスの直径との間
の関係が重要である。オリフィス１６は、内側チューブ
１２の大部分の長さ（好ましくは全長）に沿って分布さ
れ、かつ内側チューブの全長内に背圧を発生させるべく
内側チューブから流出するガス流に充分な抵抗を確保で
きるサイズおよび個数が定められる。内側チューブから
のガス流は、その全長に沿って均一に分配され、内側チ
ューブと外側チューブとの間の環状空間に供給される。

【００１９】Mokhtari等の論文「Flow Uniformity and
Pressure Variation in Multi-Outlet Flow Distributi
on Pipes」（Advances in Analytical, Experimental a
nd Computational Technologies in Fluids, Structure
s,Transients and Natural hazards, ASME, PVP-Volume
355，１１３頁、１９９７年）には、単一チューブに沿
って均一流を確立するための内側チューブ１２の内径
（Ｄ_in）と、チューブ長さＬと、オリフィスサイズ（ｄ
_in）との間の一般的関係が論じられている。また、Acri
vos等の論文「Flow Distribution in Manifolds」（Che
mical engineering Science, Vol. 10, １１２〜１２４
頁、Pergamon Press、１９５９年）では、Mokhtari等の
論文においてＬ／Ｄ_in＞５０と例示されているにも係わ
らず、Ｌ／Ｄ_in＜７０の条件を要求している。また、Mo
khtari等の論文は、 得ることが期待できることを示している。Acrivos等の
論文は、マニホルドの面積（πＤ_in ²／４）に対する全
オリフィスの面積（Ｎπｄ_in ²／４）の比は、１を超え
るべきではないと示唆している。

【００２０】かくして従来技術は、単一チューブ内に比
較的安定した背圧を確立するための一組の規則を提供し
ている。より詳しくは、次の関係が示されている。すな
わち チューブのオリフィスの個数、ａ_Portはこれらの各オリ
フィスの断面積である。この従来技術は単一チューブ構
造に限定されるが、前述のように、このような単一チュ
ーブ構造は、性能が制限されていて、満足できる膜均一
性が得られない。

【００２１】本発明者は、内側チューブ１２について従
来技術の条件を維持することにより、内側チューブ１２
内に比較的安定した背圧（Ｐ_o−Δｐ）が確立されるこ
とを発見した。また、本発明者は、内側チューブのオリ
フィス１６からの実質的に一定のガス流の維持により両
チューブ間の環状空間１５内にガス流が供給されかつチ
ューブの全長に亘って実質的に均一なガス流が形成され
ることを発見した。本発明によれば、内側チューブ１２
と外側チューブ１４との間の環状空間内の圧力均一性
は、環状空間のサイズにより確立される。また、ガス分
配の均一性は内側チューブ１２のオリフィス１６の分布
により制御されるが、外側チューブ１４およびそのオリ
フィス１８を付加することにより大幅に改善される。か
くして本発明によれば、少なくとも２つの同軸状チュー
ブを組み合わせることにより、最内チューブ１２および
最外チューブ１４の長さに沿ってこれらのチューブの間
の環状空間１５内に一定かつ均一な圧力が確立され、こ
れにより、最外チューブからの非常に均一なガス分配が
得られる。

【００２２】本発明者は、内側チューブ１２と外側チュ
ーブ１４との間の環状空間１５の断面積と、内側チュー
ブ１２の断面積とはほぼ等しくするのが好ましいことを
見出しているが、少なくとも互いに３以になくてはなら
ない。換言すれば、有効環状空間Ｄ_effの有効直径およ
び最内チューブの内径Ｄ_inは互いに３倍以内にあり、 対するチューブ内面の面積の比は約１０以上にすべきで
あり、１００以上が好ま 本発明によれば、従来技術により得られる約５〜１０％
のガス流不均一値に比べて大幅に改善されたガス流不均
一値、すなわち、約３％以下の値が得られる。ガス流均
一性とチューブ長さとの間の関係の感応性は、内側チュ
ーブ１２に対するものに比べて外側チューブ１４に対す
るものは非常に小さい。

【００２３】要約すれば、本発明の思想は、内側チュー
ブの設計を通してガス供給チューブの長さに沿う一定の
背圧を確立し、次に、内側チューブと外側チューブとの
幾何学的関係を通して長さ方向に沿う一定圧力および均
一分配を維持し、最後に、外側チューブのオリフィス分
配を通してガス流を定量することである。

【００２４】本発明は、極めて多くの用途取り付けられ
るに使用できる。このような２つの用途は前述した通り
である。一実施形態では、本発明のガス供給定量チュー
ブ１０は、図７または図８に示したようなリニアインジ
ェクタ構造を用いた大気圧／部分真空化学蒸着システム
に使用できる。ガス供給定量チューブ１０は、インジェ
クタ自体内で使用（図８）することおよび／またはイン
ジェクタに並置されるシールド内で使用（図７）するこ
とができる。

【００２５】ＣＶＤシステム２０の一部が図７に示され
ている。ＣＶＤシステム２０は、インジェクタ２２を備
えた蒸着チャンバと、保護シールド組立体２４と、ウェ
ーハ２６とを有し、該ウェーハ２６は、インジェクタ２
２およびシールド組立体２４の下に配置されかつ蒸着領
域２８を通るベルトのような搬送機構３０により搬送さ
れる。シールド組立体２４は、一般に、インジェクタ表
面上への蒸着を最小にしかつ蒸着領域２８を隔絶する作
用を有する窒素のような不活性ガスを射出する。この実
施形態では、シールド組立体２４は４つのセクションか
らなり、そのうち２つのセクションはインジェクタ２２
に並置されている。この形式のＣＶＤシステムの一例
が、米国特許第５，８４９，０８８号および米国特許出
願第０９／１８５，１８０号に更に詳しく説明されてお
り、これらの開示は本願に援用する。

【００２６】約３％以下の範囲の膜厚不均一性を達成す
るための工業的条件から、インジェクタの側面を流れる
シールドガス流が時間経過に亘って安定しており、イン
ジェクタの両側のガス流がそれ自体の長さに沿って範囲
が首尾良く限定されかつインジェクタに対向する側面で
のガス流に対しても範囲が首尾良く限定されることが重
要である。蒸着ガスは、リニアインジェクタにより基板
表面上に垂直に供給され、ガスはインジェクタの両側か
ら排出される。より詳しくは、シールド組立体２４の主
目的は、未使用材料のインジェクタ２２および排出通路
の表面上への蒸着を最小にすることである。シールド組
立体２４は、不活性ガスが通されるプレナム２５を形成
する孔穿き材料の定形面を備えた幾つかのセクションか
らなる。不活性ガスは、排出通路内に排出され、未使用
ガス流を希釈し、かつ未使用蒸着ガスを排出通路の表面
から遠ざかる方向に指向させる。

【００２７】有効性を最高に高めるためには、不活性ガ
スを蒸着領域の直ぐ下流側に供給しなければならず、こ
の近傍では、不活性ガスが、ウェーハ基板上への蒸着ガ
スの分配を攪乱しないようにする必要がある。また、一
般的なＡＰＣＶＤおよびＳＡＣＶＤツールは、蒸着ガス
が所望の膜を形成すべく反応しかつ再結合できるよう
に、基板での熱収縮の付与を必要とする。一般にウェー
ハ温度は５００℃以上であり、このため、装置の周囲温
度は、直接加熱されないが高温（数百℃）になることが
予想される。かくして、不活性ガスは、定量されかつシ
ールドおよびインジェクタの長さに沿って均一に供給さ
れ、この均一性は、蒸着ガスの均一性条件〈すなわち約
１％以下の不均一性〉と同じであるのが好ましい。ハー
ドウェアの設計は、広い温度範囲に亘って作動できなく
てはならない。特別な長所のうち、本発明のガス供給チ
ューブ１０は、基板の直径すなわち幅に跨るシールド組
立体の全幅に亘ってこのような定量されたガス流を供給
するのに良く適しており、これは、３００ｍｍウェーハ
のような大型の基板直径に特に有効である。より詳しく
は、図７に示すように、本発明のガス供給チューブ１０
は、一つ以上のシールド組立体セクションのプレナム２
５内に配置できる。ガス供給チューブ１０は、シールド
組立体セクション内の任意の所望位置に配置され、各セ
クション内に１つ以上のチューブを配置できる。

【００２８】一般に、シールド２４およびインジェクタ
２２は、フッ化水素酸のような腐食剤を用いて浄化すべ
く取り外すことができる。かくして、ガス供給チューブ
１０もこのような浄化溶液に対する耐性がありおよび／
またはシールド組立体単独での補修が行えるように容易
に取外しできることが好ましい。

【００２９】他の実施形態では、ガス供給チューブ１０
は、インジェクタ組立体２２内、好ましくは米国特許第
５，６８３，５１６号および米国特許出願第０９／１１
３，８２３号に開示されているような形式のリニアイン
ジェクタ内に使用することができる。これらの米国特許
および米国特許出願は本願に援用する。一般に、インジ
ェクタ２２は、インジェクタ２２の長さ方向に配置され
た多数のクロスチャンネルすなわちポート３２を有し、
該ポート３２の各々は、幅狭のスロット状チャンネル３
６（該チャンネル３６もインジェクタ２２の長さ方向に
延びている）を介して共通のガス供給面３４に連結され
ている。ガスは、ガス供給面３４を出て、ウェーハ基板
２６の直ぐ上の蒸着領域（蒸着空間）２８に向かう。好
ましくは、蒸着ガスは各ポート３２に別々に供給され
る。上記参照文献は、インジェクタ２２の全長に沿って
蒸着ガスを均一に分配するための幾つかの構造を開示し
ている。本発明のガス供給チューブ１０の特別な長所
は、インジェクタ２２の１つ以上のプレナム３２内に挿
入され、所望の均一なおよび／または定量されたガス流
を供給するガス供給装置として特に適していることであ
る。

【００３０】一般に、従来技術を使用する膜厚の不均一
性は、約２％の範囲に近いが、この範囲は、使用される
加工薬品の種類およびＣＶＤ条件によって４〜５％の膜
厚不均一性まで変化する。本発明は、ガス分配の均一性
を更に改善することによって、従来技術の改良を提供す
るものであり、これにより、従来技術を大幅に改善する
約２％の範囲以下の膜不均一性が得られることを証明さ
れている。

【００３１】特別な長所として、本発明は、ガス供給シ
ステムの長さ方向に、実質的に均一な分配を確保するた
めのガス流「定量」手段を提供する。シールド用として
は、ガス流量は、一般に、数標準リットル／分（standa
rd liters per minute; slm）から３０slm程度であり、
一方、インジェクタ用では、ガス流量は数ＳＬＭから約
２０slm程度が好ましい。シールド用では、不活性ガス
は、シールドスクリーンの後の比較的限定されない空間
内に供給され、一方、インジェクタ用では、プレナムお
よびチャンネルスロットの近傍が、ガス分配を調整する
ことおよび流れを指向させることを助ける。

【００３２】リニアインジェクタ、シールドおよび基板
構造の幾何学的形状は、ガスが供給チューブの一端から
導入されることを要求する。従来技術のリニアガス分配
システムとして幾つかのアプローチがあるが、これら
は、或るＡＰＣＶＤシステム、特に幅が２００ｍｍを超
える基板では成功していない。最も簡単な設計形式は、
図１および図２に示しかつ上述したような、表面に沿っ
てオリフィスが分布された単一チューブである。

【００３３】本発明のガス供給定量チューブがシールド
用に使用される場合には、ガス流が不活性ガス供給組立
体から「噴出（ジェット）」することは好ましくなく、
むしろチューブから均一方位角方向に流出させるべきで
ある。この場合には、本発明の他の実施形態により、外
側チューブのオリフィス分布パターンは、チューブの長
さ方向に沿う小さい孔の幾つかの配列すなわち列で構成
でき、方位角的（azimuthally）に分布される（図６
ｂ）。

【００３４】図８に示すインジェクタ用の場合には、イ
ンジェクタのクロスチャンネルすなわちポート自体が、
本発明の組立体の周囲に境界を形成し、かつガスがスロ
ットチャンネルを通って混合チャンバ内に流入する前
に、ガス方向を調整できる。これにより、外側チューブ
のオリフィス分布パターンを制御する規則は、シールド
用の場合よりインジェクタ用の場合の方が制限が少な
く、チューブの長さに沿う幾つかの列（多分、より長い
ピッチの列）で構成できる。本発明のガス供給定量チュ
ーブを使用することにより、シールド用およびインジェ
クタ用の両場合において、より均一性に優れたガス流を
促進できる。以上、２つの特定例について説明したが、
本発明のガス供給定量チューブは、単独で使用でき、更
には、例えばあらゆるＣＶＤ用、半導体製造機器等の実
質的に均一のガス供給が要望される多くの用途に適して
いる。

【００３５】

【実施例】実験結果 本発明を制限するものではなく、単なる例示の目的で、
幾つかの例を以下に示す。種々の例のパラメータを表１
に示す。 表 １

【００３６】例証 例１ 以下の例は、図７に示したものと同じ保護シール
ド内に配置された定量チューブに使用された、表１の場
合Ａに示す設計パラメータの実行可能性を証明するもの
である。 背圧は約２００トル ガス流量：１本のチューブ当たり５〜３０ｌ／min 内側チューブの寸法は表１に示されており（内径ＩＤは
０．１１４インチに等しく、外径ＯＤは０．１３４イン
チに等しい）、一方、外側チューブの寸法は、ＩＤ＝
０．１８６インチおよびＯＤ＝０．２５０インチであ
る。

【００３７】内側チューブと外側チューブとの間の有効
直径Ｄ_effは、次式で求められる。 ここで、Ａ_outerおよびＡ_innerは、それぞれ、直径ＩＤ
_outerおよびＯＤ_innerをもつ外側チューブおよび内側チ
ューブの断面積であり、Ｄ_effは、内側チューブと外側
チューブとの間の環状空間の有効直径である。かくし
て、下記条件を与えて式（３）を解けば、 上式を解けば、 ＝２×｛（0.186/2）²−（0.134/2）²｝^1/2＝０．１２
９インチ＝Ｄ_eff 重要なことは、チューブの断面積とチューブのオリフィ
スの断面積の合計との比較である。内側チューブについ
てみると、断面積はπ（ＩＤ_inner／２）²＝π（0.114/
2）²＝0.00325πとなり、一方、各オリフィスの断面積
はπ（0.007）²＝0.000049πとなる。

【００３８】内側チューブの設計について、本発明者
は、MohktariおよびAcrivosの従来技術に開示されてい
る３つの条件の値に関心を抱いている。３つの条件と
は、（ａ）チューブの直径に対する長さの比、（ｂ）ポ
ートの直径に対するチューブの直径の比、および（ｃ）
チューブの断面積に対する全オリフィスの面積の合計の
比である。より詳しくは、 Ｌ／Ｄ＜７０ （４ａ） 表１の場合Ａにおける内側チューブの設計のために計算
された上式の値は、次の通りである。

【００３９】 （ａ）内側チューブＬ／Ｄ＝9.26/0.114＝８１ （ｂ）内側チューブＤ／ｄ＝0.114/0.014＝８．１ （ｃ）内側チューブの断面積に対するオリフィスの全個
数の比：３９×（0.000049）π/（0.00325π）＝０．６ 提案された設計による計算値と従来技術の設計ガイドラ
イン（式４ａ、４ｂ、４ｃ）とを比較すると、場合Ａの
内側チューブについての提案設計が均一流れの条件をほ
ぼ満たしていることが分かる。また、設計結果は条件４
ａの高い側にあることに留意されたい。

【００４０】本発明によれば、外側チューブの設計基準
は次の通りである。 ここで、Ｄ_inは最内チューブの内径、表面積_outerは最
外チューブの表面積、およびＮＡ_outerは最外チューブ
の全オリフィスの合計断面積である。

【００４１】外側チューブについての表１の場合Ａの設
計値は、次のように求められる。

【００４２】（ａ）Ｄ_eff＝0.129.0.114＝Ｄ_in （ｂ）ポート断面積に対する表面積の比＝（9.7）π
（0.186）/〈156×５×0.007²π〉＝47 従って、設計基準に適合する。例２ 以下の例は、図７に示したようなインジェクタ組
立体内の定量チューブに使用された、表１の場合Ｄに示
す設計パラメータの実行可能性を証明するものである。 背圧は約２００トル ガス流量：１本のチューブ当たり２〜２０ｌ／min 内側チューブおよび外側チューブの内／外直径寸法は、
表１の場合Ｄに与えられている。種々の重要な設計値
は、上記例１で説明した方程式および方法を用いて計算
できる。より詳しくは、 内側チューブと外側チューブとの間の有効直径Ｄ_eff＝
２×｛（0.261/2）²−（0.156/2）²｝^1/2＝０．２０９
インチ＝Ｄ_eff 内側チューブの断面積＝π（0.136/2）²＝0.00462π 内側オリフィスおよび外側オリフィスの断面積＝π（0.
0048）²＝0.000023πとなる。

【００４３】このデータを使用すれば、場合Ｄの内側チ
ューブ設計のための４ａ、４ｂ、４ｃに示した関係は、
次のように計算される。

【００４４】Ｌ／Ｄ_in＝9.2７/0.136＝68 Ｄ_in／ｄ＝0.136/0.0095＝14.3 Ｎａ_port／Ａ_tube＝39π（0.0048）²／0.00462π＝0.19 提案された設計による計算値と従来技術の設計ガイドラ
インとを比較すると、場合Ｄの内側チューブについての
提案設計が均一流れの条件をほぼ満たしていることが分
かる。場合Ｄの提案された外側チューブ設計も、式５ａ
および５ｂの基準に対して確認されなくてはならない。
場合Ｄについて、第１の関係は適合する。すなわち、 れる。場合Ｄの外側チューブは７７個の孔を有し、各孔
は、0.0138インチの直径を有する。かくして、約9.7イ
ンチ長い外側チューブについての式５ｂは、9.7π（0.2
61）/（77×0.0069²π）＝６９０となる。例３ 表１の
場合Ｅは、場合Ｄと同じ内側チューブ設計を使用する
が、外側チューブのオリフィスのリニア配列ではなく、
３つの幅狭スロットの組を有している。本発明によるこ
のようなスロットの組を備えた外側チューブについての
関係は、次の通りである。 スロットの断面積に対する表面積の比＝9.7π（0.261）
/（3×3.060×0.005）＝１７３となり、この場合も、外
側チューブについての基準に適合する。

【００４５】最内チューブと最外チューブとの間の環状
空間は、有効環状空間である。換言すれば、環状空間と
は、チューブの形状の如何に係わらず最内チューブと最
外チューブとの間の領域のことである。チューブは、円
筒状以外に、種々の形状で形成できるからである。

【００４６】以上説明しかつ実験例で証明したように、
本発明のガス供給定量チューブは、チューブ長さに沿っ
て均一流を確立することとは無関係に、一定の背圧を確
立する手段を創出することにより、チューブの直径サイ
ズまたは長さの如何に係わらず、所与の長さに沿って実
質的に均一なガス流を形成することができる。例示のよ
うに、所望の流量および均一性を達成するには環状の断
面形状をもつ空間が重要である。特別な長所として、ア
スペクト比（すなわち、孔対壁厚比）が１以上で、供給
ガスの流れがガス流を制限しない限り、所望の結果を達
成する上で、チューブの壁サイズは重要でないことが判
明している。

【００４７】他の長所として、軸線方向に整合する入れ
子式チューブは種々の形状にすることができる。例え
ば、入れ子式チューブは、図示のような円筒状チューブ
ではなく、軸線方向に整合した２つの矩形断面チューブ
で構成することもできる。また、本発明のガス供給定量
チューブは、所望ならば「ジェッティング」を与えるよ
うに構成でき、或いはジェッティングが存在しないよう
にも構成できる。

【００４８】本発明の他の特徴および長所は、本発明の
開示を読む当業者には明らかであろう。本発明の特定実
施形態についての上記説明は例示のためのものであり、
本発明が或る先行例について例示されている場合でも、
本発明はそれによって制限を受けるものではない。例示
の実施形態は完全なものであると考えるべきでも、或い
は開示された正確な形態に本発明を制限することを意図
するものでもなく、上記開示から種々の変更が可能であ
る。本発明の範囲は特許請求の範囲の記載を含む本願の
全体から定められるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術で使用されている単一チューブ内のガ
ス流を示す断面図である。

【図２】圧力が低い場合に従来技術で使用されている単
一チューブ内のガス流を示す断面図である。

【図３ａ】従来技術のガス流の不均一性を示す概略図で
ある。

【図３ｂ】従来技術のガス流の不均一性を示す概略図で
ある。

【図４】従来技術の種々の形式のチューブの長さに沿う
ガス流分布を示すグラフである。

【図５】本発明のガス供給チューブを示す断面図であ
る。

【図６ａ】本発明の一実施形態によるガス供給チューブ
の端面断面図である。

【図６ｂ】本発明の他の実施形態によるガス供給チュー
ブの端面断面図である。

【図７】本発明のガス供給チューブを使用する保護シー
ルドおよびインジェクタを示すＣＶＤ蒸着チャンバの一
例を示す断面図である。

【図８】本発明のガス供給チューブを使用するインジェ
クタの一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１０ ガス供給チューブ １２ 内側チューブ １４ 外側チューブ １５ 環状空間 １６、１８ オリフィス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャック ヤオ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95066 スコッツ ヴァリー テイボー ドライヴ 515 (72)発明者 ショウン ハミルトン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95018 フェルトン ロスト エイカーズ ドライヴ 1400 (72)発明者 ナイティン イングル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95008 キャンベル ウェスト ハミルト ン アベニュー 999 アパートメント 97 (72)発明者 アントニー デサ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92802 アナハイム ジャネット レーン 2044 (72)発明者 ウラディミール クドリアフステフ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95051 サンタ クララ ホームスティー ド ロード 3131 アパートメント 21− エフ (72)発明者 クリストファー ピーボディー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94025 メンロ パーク メナルト アベ ニュー 1908 (72)発明者 リディア ジェイ ヤング アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94303 パロ アルト セント フランシ ス ドライヴ 2266

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸線方向に整合して入れ子式に配置され
   た少なくとも１つの最内チューブおよび最外チューブを
   有し、該チューブは、これらの間に形成された有効環状
   空間を備え、 前記少なくとも１つの最内および最外入れ子式チューブ
   の各々に形成されかつ各チューブの大部分の長さに沿っ
   て延びている１つ以上のオリフィス配列を更に有し、 最内チューブ内には、該チューブの大部分の長さに沿っ
   て実質的に均一な背圧が創出され、これにより、最外チ
   ューブの大部分の長さに沿う、最外チューブのオリフィ
   スからの実質的に均一なガスの供給を促進することを特
   徴とするガス供給定量チューブ。
2. 【請求項２】 前記有効環状空間は有効直径Ｄ_effを有
   し、最内チューブは内径Ｄ_inを有し、有効直径Ｄ_effお
   よび内径Ｄ_inは互いに３倍以内にあることを特徴とする
   請求項１記載のガス供給定量チューブ。
3. 【請求項３】 前記最内チューブは次の特性を有し、 Ｌ／Ｄ＜７０ ここで、Ｌは最内チューブの長さ、Ｄは直径、ｄは最内
   チューブのオリフィス配列の１つのオリフィスの直径、
   Ｎは最内チューブのオリフィスの個数、Ａ_portは各オリ
   フィスの断面積、およびＡ_tubeは最内チューブの面積で
   あり、 最外チューブは次の特性を有し、 Ｄ_effおよびＤ_inは、互いに３倍以内にある ここで、Ｄ_effは有効環状空間、表面積_outerは最外チュ
   ーブの表面積、およびＮＡ_outerは最外チューブの全オ
   リフィスの合計断面積であることを特徴とする請求項１
   記載のガス供給定量チューブ。
4. 【請求項４】 前記有効直径Ｄ_effは、内径Ｄ_inにほぼ
   等しいことを特徴とする請求項２または３記載のガス供
   給定量チューブ。
5. 【請求項５】 前記最外チューブに形成されたオリフィ
   スの合計断面積に対する最外チューブの表面積の比は、
   約１０以上であることを特徴とする請求項１記載のガス
   供給定量チューブ。
6. 【請求項６】 前記比は１００より大きいことを特徴と
   する請求項５記載のガス供給定量チューブ。
7. 【請求項７】 前記ガス供給定量チューブは化学蒸着シ
   ステムに使用されることを特徴とする請求項１または３
   記載のガス供給定量チューブ。
8. 【請求項８】 前記最内チューブは長さおよび直径を有
   し、前記直径に対する前記長さの比は約７０より小さい
   範囲内にあることを特徴とする請求項１記載のガス供給
   定量チューブ。
9. 【請求項９】 前記入れ子式チューブは円筒状または矩
   形の断面形状を有することを特徴とする請求項１または
   ３記載のガス供給定量チューブ。
10. 【請求項１０】 請求項１または３記載のガス供給定量
    チューブと、該ガス供給定量チューブを受け入れる少な
    くとも１つのポートを備えた少なくとも１つのインジェ
    クタ組立体とからなることを特徴とする組合せ。
11. 【請求項１１】 請求項１または３記載のガス供給定量
    チューブと、該ガス供給定量チューブを受け入れる少な
    くとも１つのプレナムを備えた少なくとも１つのシール
    ド組立体とからなることを特徴とする組合せ。