JP2005039034A - 気化供給装置及び気化供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体ＣＶＤ原料を、構成が複雑な装置を使用することなく、所望の濃度及び流量で効率よく気化させて、半導体製造装置へ供給するための気化供給装置及び気化供給方法を提供する。
【解決手段】 液体ＣＶＤ原料を気化する気化部、及び気化部から供給されるＣＶＤ原料を含むガスに補充ガスを添加混合するガス混合器を備え、混合ガスを半導体製造装置へ供給する気化供給装置であって、ガス混合器が、補充ガスを混合室に向かって噴出する噴出ノズルを有する気化供給装置とする。また、このような気化供給装置を用いて、液体ＣＶＤ原料を半導体製造装置へ気化供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置（ＣＶＤ）にガス状のＣＶＤ原料を供給するための気化供給装置及び気化供給方法に関する。さらに詳細には、沸点が比較的に低い液体ＣＶＤ原料を、構成が複雑な装置を使用することなく、所望の濃度及び流量で効率よく気化させて、半導体製造装置へ供給するための気化供給装置及び気化供給方法に関する。

従来から、シリコンエピタキシャル成長膜のＣＶＤ原料として、トリクロロシランあるいはテトラクロロシランが使用されている。ＣＶＤ原料として沸点が比較的に高い液体ＣＶＤ原料、あるいは固体ＣＶＤ原料を有機溶媒に溶解させた液体ＣＶＤ原料を半導体製造装置へ供給する場合、通常は、これらの液体原料がキャリアガスとともに気化器に供給され、気化器の噴出ノズルから加熱された気化室に噴出、気化された後、半導体製造装置に供給されるが、トリクロロシランは沸点が３１．８℃、テトラクロロシランは沸点が５７．６℃なので、前記のような複雑な構成の気化器を使用することなく、容易に気化できるバブリング方式を用いた気化供給が多く実施されている。

トリクロロシラン、テトラクロロシランをバブリング方式により気化供給する一般的な方法としては、これらのＣＶＤ原料を貯蔵した原料容器を加熱するとともに、これらのＣＶＤ原料液中に配置した配管の先端から水素をバブリングして、ＣＶＤ原料を気化させる方法がある。このようなバブリング方式を用いた気化供給においては、液体ＣＶＤ原料を気化するための前記のような気化器や真空ポンプが不要なので、装置の構成が比較的に単純であるという長所がある。トリクロロシラン、テトラクロロシランを気化供給する際には、これらのＣＶＤ原料の温度とバブリングする水素の供給量が精度よくコントロールされ、一定の濃度及び流量が維持できるように操作される。
特開平１１−３４９３９７号公報 特開２０００−３１９０９５号公報

しかしながら、バブリング方式を用いた気化供給においては、気化ガス中のＣＶＤ原料の濃度及び流量が、原料容器に貯蔵されている液体ＣＶＤ原料の量、あるいは周辺温度等の影響を受けやすい不具合があった。そのため、一定の濃度及び流量の気化ガスを得るために、熟練した技術者がこれらの影響を考慮して、ＣＶＤ原料の温度コントロールやバブリングガスの流量調整を行なう必要があった。
従って、本発明が解決しようとする課題は、沸点が比較的に低い液体ＣＶＤ原料を、構成が複雑な装置を使用することなく、所望の濃度及び流量で効率よく気化させて、半導体製造装置へ供給するための気化供給装置及び気化供給方法を提供することである。

本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、沸点が比較的に低い液体ＣＶＤ原料を、液状でマスフローコントローラー等の流量制御部を経由させた後、気化部へ供給することにより、液体ＣＶＤ原料を所望の濃度及び流量で半導体製造装置へ供給できること、及び、気化部から供給されるＣＶＤ原料を含むガスに、補充ガスを噴出ノズルから噴出させて添加混合し、その際にバキュームジェネレーターの原理で気化部出口におけるガス圧力を低下させることにより、液体ＣＶＤ原料を効率よく気化できるとともに、気化部等を比較的に単純な構成にできることを見い出し本発明に到達した。

すなわち本発明は、液体ＣＶＤ原料を気化する気化部、及び該気化部から供給されるＣＶＤ原料を含むガスに補充ガスを添加混合するガス混合器を備え、混合ガスを半導体製造装置へ供給する気化供給装置であって、ガス混合器が、補充ガスを混合室に向かって噴出する噴出ノズルを有することを特徴とする気化供給装置である。
また、本発明は、液体ＣＶＤ原料を気化部で気化した後、補充ガスをガス混合器で添加混合して半導体製造装置へ供給する気化供給方法であって、補充ガスをガス混合器の噴出ノズルから噴出しながら、ＣＶＤ原料を含むガスに添加混合することを特徴とする気化供給方法でもある。

本発明は、液体ＣＶＤ原料を半導体製造装置へ供給するための気化供給装置及び気化供給方法に適用されるが、特にトリクロロシラン、テトラクロロシランのような沸点が比較的に低い液体ＣＶＤ原料を半導体製造装置へ供給する場合に、構成が複雑な装置を使用することなく、所望の濃度及び流量で効率よく気化供給できる点で効果を発揮する。

本発明は前記のように、噴出ノズルを有するガス混合器を用いて、気化部から供給されるＣＶＤ原料を含むガスに、補充ガスを噴出させて添加混合するものであるが、その際に補充ガスの流速を速めて、バキュームジェネレーターの原理で気化部出口におけるガス圧力を低下させることにより、気化効率の向上、及び気化部等の装置構成の簡素化を図るものである。
このような本発明の気化供給装置及び気化供給方法に適用されるＣＶＤ原料としては、トリクロロシラン、テトラクロロシラン等、沸点温度が常圧で１００℃以下のものが好適であるが、これらに制限されることはなく、用途に応じて適宜選択、使用される。

以下、本発明の気化供給装置及び気化供給方法を、図１〜図４に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
図１、図２は、本発明の気化供給装置の例を示す構成図である。図３は、本発明の気化供給装置におけるガス混合器の例を示す断面図である。図４は、本発明の気化供給装置における気化部の例を示す構成図である。

本発明の気化供給装置は、図１、図２に示すように、液体マスフローコントローラー等の液体流量制御部４、キャリアガス供給ライン５、気化部６、補充ガス供給ライン７（７’）、及びＣＶＤ原料を含むガスに補充ガスを添加混合するガス混合器１０を備えた気化供給装置であって、ガス混合器１０が、図３に示すように、補充ガスの供給口１２、ＣＶＤ原料を含むガスの供給口１３、補充ガスを混合室１５に向かって噴出する噴出ノズル１４、及び混合ガスの排出口１６を有する気化供給装置である。尚、本発明の気化供給装置においては、通常キャリアガス供給ライン５及び補充ガス供給ライン７（７’）には、気体マスフローコントローラー等の気体流量制御部８が備えられる。また、気化部６及び／またはガス混合器１０には、必要に応じてヒーターや断熱材が設けられる。

本発明の気化供給装置に用いられるガス混合器において、噴出ノズルの長さは通常２〜５０ｍｍ、内径は通常０．０１〜１．０ｍｍである。また、噴出ノズルの内径は、通常は補充ガス供給ラインに用いられる配管の内径の０．１〜３０％である。噴出ノズルの内径が、補充ガス供給ラインに用いられる配管の内径の０．１％未満である場合は、圧力損失が大きくなりすぎて、気化部出口におけるガス圧力を低下させる効果が小さくなり、３０％を超える場合は、補充ガスの混合室への流入速度が不充分となり、気化部出口におけるガス圧力を低下させる効果が小さくなる不都合を生じる。

また、ガス混合器において、ＣＶＤ原料を含むガスの配管は、補充ガス供給ラインに用いられる配管と、通常は６０〜１２０度の角度で交叉するように配置されるが、好ましくは９０度あるいはそれに近い角度で交叉するように配置される。そして、ＣＶＤ原料を含むガスと補充ガスは、混合室において前記と同様な角度で混合するように設定される。また、混合室の内径は、ＣＶＤ原料を含むガスの配管の内径、補充ガス供給ラインに用いられる配管の内径、混合ガスの配管の内径よりも小さく設定されることが好ましい。

本発明の気化供給装置に用いられる気化部については、特に限定されることはないが、好ましい構成例として、図４に示すように、キャリアガス供給ラインに用いられる配管とこれに交叉する液体ＣＶＤ原料の配管からなる気化部を挙げることができる。このような気化部は、ヒーター等の加熱手段を設置することも可能である。また、その他のものとして、沸点が比較的に高い液体ＣＶＤ原料、あるいは固体ＣＶＤ原料を有機溶媒に溶解させた液体ＣＶＤ原料を気化する際に使用される噴出ノズルを有するような気化器を用いることもできる。

本発明の気化供給方法は、通常は前述の気化供給装置を用いて、液体ＣＶＤ原料を半導体製造装置へ気化供給する方法である。すなわち、液体ＣＶＤ原料３を、液体流量制御部４を経由させて気化部６へ供給するとともに、キャリアガス供給ライン５から水素あるいは不活性ガスを供給して液体ＣＶＤ原料を気化した後、ガス混合器１０において補充ガス供給ライン７（７’）から供給された補充ガスを添加混合して半導体製造装置１１へ供給する気化供給方法であって、混合の際に補充ガスをガス混合器１０の噴出ノズル１４から噴出しながら、ＣＶＤ原料を含むガスに添加混合する気化供給方法である。

本発明の気化供給方法において、補充ガスとしては、通常はヘリウム、窒素、アルゴン等の不活性ガス、または水素が用いられる。図１に示すような気化供給装置を用いた場合、補充ガスの流量により気化部出口におけるガス圧力が決まってしまうので、図２に示すような気化供給装置を用いて、補充ガスの一部を噴出ノズルの後段でＣＶＤ原料を含むガスに添加するか、あるいは補充ガスの一部を噴出ノズルの前段で添加することにより、気化部出口におけるガス圧力を制御することが好ましい。尚、本発明の気化供給方法においては、気化部出口におけるガス圧力が、通常は８０ｋＰａ以下の絶対圧力に維持されるが、１０ｋＰａ以下、あるいはこれよりもさらに低い絶対圧力に維持することも可能である。

本発明においては、ＣＶＤ原料を、液状でマスフローコントローラー等の流量制御部を経由させた後、気化部へ供給し得るので、バブリング方式を用いた気化供給方法と比較して、一定の濃度及び流量で容易に気化させることが可能である。また、気化部から供給されるＣＶＤ原料を含むガスに、補充ガスを噴出ノズルから噴出させて添加混合し、その際にバキュームジェネレーターの原理で気化部出口におけるガス圧力を低下させることができるので、液体ＣＶＤ原料を効率よく気化できるとともに、気化部を減圧するための真空ポンプのほか、場合によっては気化部を加熱するためのヒーターが不要となり、装置全体を比較的に単純な構成とすることが可能である。

このように、本発明の気化供給装置及び気化供給方法により、液体ＣＶＤ原料、特に沸点が比較的に低い液体ＣＶＤ原料を、構成が複雑な装置を使用することなく、所望の濃度及び流量で効率よく気化させて、半導体製造装置へ供給することができるようになった。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。

（気化供給装置の製作）
図３に示すようなステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）製のガス混合器を製作した。噴出ノズルの長さは５．０ｍｍ、内径は０．８ｍｍ、混合室の内径は３．０ｍｍである。また、ガス混合器は、内径が６．４ｍｍのＣＶＤ原料を含むガスの供給配管、内径が６．４ｍｍの補充ガスの供給配管、及び内径が１０ｍｍの混合ガス用配管に接続できるような構成とした。

また、図４に示すようなステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）製の気化部を製作した。キャリアガスの供給配管は内径が３．２ｍｍ、液体ＣＶＤ原料の供給配管は内径が３．２ｍｍ、気化ガス用配管は内径が６．４ｍｍである。
次に、トリクロロシランが貯蔵されたＣＶＤ原料容器、液体マスフローコントローラー、キャリアガス供給ライン、気化部、補充ガス供給ライン、ガス混合器、及び半導体製造装置等を接続して、図１に示すような気化供給装置を製作した。

（気化供給試験）
半導体製造装置にシリコン基板をセットし、以下のようにして基板上に多結晶シリコン膜を堆積させた。
気化供給装置及び半導体製造装置を大気圧に保持しながら、半導体製造装置内を１１００℃の温度に昇温した。次に、ＣＶＤ原料容器からトリクロロシランを３．０ｇ／ｍｉｎ、キャリアガス供給ラインから水素を２Ｌ／ｍｉｎで気化部へ供給するとともに、補充ガス供給ラインから水素を５０Ｌ／ｍｉｎでガス混合器へ供給して、半導体製造装置への気化供給を開始した。このときの気化部出口のガス圧力は３０ｋＰａであり、気化部を加熱することなくトリクロロシランを効率よく気化することができた。尚、気化部の温度は１５℃であった。１０分間、気化供給を行なった後、基板を新しいものと交換し、以後この操作を繰返して、多結晶シリコン膜が堆積した基板を合計５０枚製作した。

（多結晶シリコン膜の調査）
このようにして得られた多結晶シリコン膜の膜厚を測定した結果、平均が２０．５μｍで、最大値と最小値の差が０．１μｍであった。

実施例１の気化供給装置の製作において、全体の構成を図２に示すような構成にしたほかは実施例１と同様にして気化供給装置を製作した。
次に、補充ガス供給ラインから水素を、ガス混合器へ５０Ｌ／ｍｉｎで供給するとともに、ガス混合器の後段へ１０Ｌ／ｍｉｎで供給したほかは実施例１と同様にして気化供給試験を行なった。このときの気化部出口のガス圧力は３０ｋＰａであり、気化部を加熱することなくトリクロロシランを効率よく気化することができた。尚、気化部の温度は１５℃であった。
実施例１と同様にして得られた５０枚の多結晶シリコン膜の膜厚を測定した結果、平均が１９．８μｍで、最大値と最小値の差が０．１μｍであった。

比較例１
（気化供給装置の製作）
トリクロロシランが貯蔵されたステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）製のＣＶＤ原料容器に、先端が容器の底近くまで達するように水素バブリング用の配管をセットし、また容器の上部に気化ガス排出用の配管をセットした。この容器にヒーターを設置するとともに、容器から供給されたＣＶＤ原料を含むガスに、水素を添加混合して半導体製造装置へ供給できるように配管を接続して、バブリング式の気化供給装置を製作した。尚、水素を添加混合するためのガス混合器としては、水素の噴出口が充分に大きく、ガス圧力にほとんど影響を与えないガス混合器を用いた。

（気化供給試験）
半導体製造装置にシリコン基板をセットし、以下のようにして基板上に多結晶シリコン膜を堆積させた。
トリクロロシランを貯蔵した容器を３０℃に保温するとともに、トリクロロシラン中に配置した配管の先端から水素を０．３Ｌ／ｍｉｎでバブリングして、トリクロロシランを気化させた。また、トリクロロシランを含むガスに、水素を１００Ｌ／ｍｉｎで添加混合して半導体製造装置へ供給した。１０分間、気化供給を行なった後、基板を新しいものと交換し、以後この操作を繰返して、多結晶シリコン膜が堆積した基板を合計５０枚製作した。

（多結晶シリコン膜の調査）
実施例１と同様にして得られた５０枚の多結晶シリコン膜の膜厚を測定した結果、平均が２１．３μｍで、最大値と最小値の差が０．９μｍであった。尚、多結晶シリコン膜の膜厚は、時間の経過とともに薄くなる傾向が認められた。これは容器に貯蔵されているトリクロロシランの量が減少するにしたがって、トリクロロシランの気化量が減少したことによるものである。

本発明の気化供給装置の例を示す構成図 本発明の図１以外の気化供給装置の例を示す構成図 本発明の気化供給装置におけるガス混合器の例を示す断面図 本発明の気化供給装置における気化部の例を示す構成図

符号の説明

１ 不活性ガス供給ライン
２ ＣＶＤ原料容器
３ ＣＶＤ原料
４ 液体流量制御部
５ キャリアガス供給ライン
６ 気化部
７ 補充ガス供給ライン
７’補充ガス供給ライン
８ 気体流量制御部
９ 断熱材
１０ ガス混合器
１１ 半導体製造装置
１２ 補充ガスの供給口
１３ ＣＶＤ原料を含むガスの供給口
１４ 噴出ノズル
１５ 混合室
１６ 混合ガスの排出口
１７ キャリアガスの配管
１８ 液体ＣＶＤ原料の配管
１９ 気化部出口

Claims (12)

1. 液体ＣＶＤ原料を気化する気化部、及び該気化部から供給されるＣＶＤ原料を含むガスに補充ガスを添加混合するガス混合器を備え、混合ガスを半導体製造装置へ供給する気化供給装置であって、ガス混合器が、補充ガスを混合室に向かって噴出する噴出ノズルを有することを特徴とする気化供給装置。
2. ガス混合器が、バキュームジェネレーターの原理により、気化部出口におけるガス圧力を低下させる機能を有する請求項１に記載の気化供給装置。
3. ガス混合器の前段または後段で、ＣＶＤ原料を含むガスに補充ガスの一部を添加混合する構成を有する請求項１に記載の気化供給装置。
4. 噴出ノズルの内径が、補充ガス供給ラインに用いられる配管の内径の０．１〜３０％である請求項１に記載の気化供給装置。
5. 気化部が、キャリアガスの配管と、これに交叉する液体ＣＶＤ原料の配管からなる請求項１に記載の気化供給装置。
6. 気化部が、加熱手段を有する請求項５に記載の気化供給装置。
7. 液体ＣＶＤ原料を気化部で気化した後、補充ガスをガス混合器で添加混合して半導体製造装置へ供給する気化供給方法であって、補充ガスをガス混合器の噴出ノズルから噴出しながら、ＣＶＤ原料を含むガスに添加混合することを特徴とする気化供給方法。
8. 補充ガスを添加混合する際に、バキュームジェネレーターの原理により、気化部出口におけるガス圧力を低下させる請求項７に記載の気化供給方法。
9. 補充ガスの一部を、ガス混合器の前段または後段でＣＶＤ原料を含むガスに添加して、気化部出口におけるガス圧力を制御する請求項７に記載の気化供給方法。
10. 気化部出口におけるガス圧力を、８０ｋＰａ以下の絶対圧力に維持しながら液体ＣＶＤ原料を気化供給する請求項７に記載の気化供給方法。
11. ＣＶＤ原料が、トリクロロシランまたはテトラクロロシランである請求項７に記載の気化供給方法。
12. 補充ガスが、不活性ガスまたは水素である請求項７に記載の気化供給方法。

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