JP2005048228A - 気化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 気化状態をモニターして成膜の安定性に寄与する気化装置を提供すること。
【解決手段】 気化装置は、気化器１０と粒度測定装置２０とを備える。気化器１０は、噴霧された液体材料の微粒子を気化し、気化により生成した材料ガスＰを配管３を通して粒度測定装置２０へ送出する。粒度測定装置２０は、フローセル２３中の材料ガスＰに半導体レーザ光源２１からのレーザ光Ｌ１を照射し、材料ガスＰによって生じた回折・散乱光Ｌ３を光センサ２５によって光強度分布パターンとして検出する。この検出データを制御部２６で処理する。粒度測定装置２０は、気化器１０、配管３，４またはＣＶＤ成膜装置本体５に設けることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体有機金属や有機金属溶液等の液体材料を気化する気化器の気化性能を評価するようにした装置に関する。

半導体デバイス製造工程における薄膜形成方法の一つとしてＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法があるが、スパッタ蒸着に比べて膜質，成膜速度，ステップカバレッジなどが優れていることから近年盛んに利用されている。ＭＯＣＶＤ装置に用いられているＣＶＤガス供給法としては、従来からバブリング法や昇華法などが知られている。近年は、液体有機金属若しくは有機金属溶液等の液体材料をＣＶＤ装置の直前で気化して供給する方法が、制御性および安定性の面でより優れた方法として注目されている。この気化方法では、高温に保たれた気化チャンバ内にノズルから液体材料を噴霧して、液体材料を気化させている。

ところが、液体材料の種類や気化チャンバ内の温度分布等によって、霧状の液体材料の総てが気化チャンバ内で気化されず、その一部が気化チャンバからガス供給ライン（配管）を介してＣＶＤ装置側へと排出される場合がある。このとき、排出された未気化の微粒子が配管中で固化して未気化残渣として残留したり、気化した材料ガスが再凝集してパーティクルが発生する。この未気化の微粒子やパーティクルがＣＶＤ装置まで達すると、成膜不良の恐れがある。従来、材料ガスの状態をモニターするために、配管途中に四重極型質量分析計を取り付けて、材料ガスの流量や濃度等を測定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２２８３６５号公報（第２頁、図１）

上記の四重極型質量分析計を用いた従来技術では、質量をパラメータとして未気化微粒子や材料ガスを検出するので、薄膜の性質に重要な影響を及ぼす粒子の大きさに関する情報は得られない。また、四重極型質量分析計は、専用の排気系を必要とするため装置構成が複雑になる。

（１）請求項１の気化装置は、液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料を高温に保持された気化チャンバ内に噴霧し、噴霧された液体材料の微粒子を気化し、気化により生成した材料ガスをガス供給ラインを通してＣＶＤ成膜装置に供給する気化器と、液体材料微粒子および材料ガスの粒子径を光学的に測定する気化性能評価手段とを備えることを特徴とする。
（２）気化性能評価手段は、液体材料微粒子および材料ガスに照射したレーザ光の前方散乱光の強度パターンにより測定すること装置であることが好ましい。
（３）上記の気化装置は、気化性能評価手段での評価結果に基づいて、気化器における液体材料の噴霧条件および気化条件の少なくとも一方の条件を変更する条件変更手段をさらに備えることが好ましい。
（４）上記の気化性能評価手段は、気化器、ガス供給ラインまたはＣＶＤ成膜装置に設けることができる。

本発明によれば、未気化微粒子や材料ガスの粒子径を測定し、気化状態をモニターすることにより、成膜の安定性に寄与する気化装置を提供することができる。

以下、本発明による気化装置について図１〜５を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第1の実施の形態による気化装置とその周辺装置との配置状態を示す構成図である。本実施の形態の気化装置は、気化器１０および粒度測定装置２０とを有する。気化器１０は、液体材料供給部１と配管２を介して接続されている。また、気化器１０は、粒度測定装置２０と配管３を介して接続されている。粒度測定装置２０は、半導体レーザ光源２１、フローセル２３、光センサ２５および制御部２６を備え、ＣＶＤ成膜装置本体５と配管４を介して接続されている。制御部２６には、測定データを表示するモニタ２７が接続されている。ＣＶＤ成膜装置本体５には、反応ガス供給部６と排気ポンプ７が接続されている。配管２，３，４およびフローセル２３は、気化したガスが析出しないように、所定の温度、例えば液体材料の気化温度に保持されている。配管２，３，４の加熱のためには、例えばリボンヒータを配管の外周に巻き付ければよい。

液体材料供給部１から供給された液体材料は、気化器１０により気化して粒度測定装置２０へと導かれる。気化器１０の構造と作用については後述する。粒度測定装置２０では、フローセル２３中の材料ガスＰや液体微粒子に半導体レーザ光源２１からのレーザ光Ｌ１が照射され、そのまま直進する光Ｌ２や材料ガスＰによって生じた回折・散乱光Ｌ３が光センサ２５によって検出される。その検出データ、例えば材料ガスや液体微粒子の粒子径は、気化状態をモニターするために用いられたり、制御部２６で処理され、噴霧条件、気化条件の設定のために気化器１０へフィードバックされる。

先ず、図２を参照しながら、気化器１０の構造と作用について説明する。気化器１０は、噴射ノズル部１１と気化チャンバ１２とを備えている。噴射ノズル部１１には二重管１３が設けられていて、その内側の管１３ａには、原料供給管２ａがジョイントＪで接続され、外側の管１３ｂには、ガス供給管２ｂが接続されている。
二重管１３の上部には冷却ジャケット１４が設けられており、冷却ジャケット１４の冷却水路１４ａ内を冷却水が二重管１３の軸周りに循環するような構成となっている。

噴射ノズル部１１の先端付近にはフランジ１５が設けられていて、フランジ１５をボルト１５ａで気化チャンバ１２に締結することにより、噴射ノズル部１１が気化チャンバ１２に固定される。このとき、二重管１３の先端部１３ｃは、気化チャンバ１２の気化室１２ａに露出する。

気化チャンバ１２には複数箇所に加熱用ヒータＨが設けられており、気化チャンバ１２の内壁１２ｂは、その温度が液体材料の気化温度程度となるように加熱される。また、気化チャンバ１２には、液体材料が気化して生成した材料ガスを外部に送出する排出口１２ｃが設けられている。排出口１２ｃは、不図示のＣＶＤ成膜装置へ配管接続されている。

原料供給管２ａから管１３ａには、液体材料とキャリアガスが混合した気液混合物が供給され、ガス供給管２ｂから管１３ｂには、キャリアガスが供給される。液体材料は、液体有機金属や有機金属溶液であり、例えば液体有機金属としてはＣｕやＴａなどの有機金属があり、有機金属溶液としてはＢａ，Ｓｒ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｚｒなどの有機金属をＴＨＦ(tetrahydrofuran）等の有機溶剤に溶かしたものがある。キャリアガスは、例えば、窒素やアルゴンなどの不活性ガスである。

管１３ａの内径は、原料供給管２ａの内径よりも小さく作製されているので、気液混合物は、管１３ａ内では気液２相流状態で流れ、二重管１３の先端部１３ｃから気化チャンバ１２の気化室１２ａ内に噴出する。一方、ガス供給管２ｂからのキャリアガスは、管１３ｂと管１３ａとの間の環状空間を流れて、二重管１３の先端部１３ｃから気化室１２ａ内に噴出する。その結果、二重管１３の先端部１３ｃから噴出する液体材料は、霧状の微粒子となって気化室１２ａ内に噴出する。霧状の微粒子は、気化室１２ａ内で気化し、材料ガスとして排出口１２ｃから送出される。

次に、図３，４を参照しながら、本実施の形態の気化装置の粒度測定装置の構成と作用を説明する。図３は、粒度測定装置の構成を模式的に示す概略構成図であり、図４は、フローセルの構造を示す断面図であり、図１と同じ構成部品には同一符号を付す。

図３に示される粒度測定装置２０は、上述したとおり、半導体レーザ光源２１、照明光学系２２、フローセル２３、集光レンズ２４、光センサ２５および制御部２６を備えている。図中、フローセル２３の上側は気化器１０と配管接続され、下側はＣＶＤ成膜装置５と配管接続されている。

半導体レーザ光源２１は、散乱されやすい短波長のレーザ光を発振する、例えば発振波長４０５ｎｍの青紫色半導体レーザである。光センサ２５は、個々の受光素子が２次元的に分布している２次元位置センサであり、直進光Ｌ２の光軸と交わる点Ｏから回折・散乱光Ｌ３の到達する点Ａまでを含む２次元領域の光を受光する。光センサ２５は、回折角または散乱角が変化しても受光できるように、位置調整機構２５ａにより、光軸と直角な平面に沿って移動可能となっている。

制御部２６は、光センサ２５と電気的に接続されており、光センサ２５からの信号を増幅しＡＤ変換して測定値を算出する測定部２６ａと、測定値に基づいて気化器における液体材料の噴霧条件や気化条件を制御する信号を送出する送信部２６ｂとを有する。例えば、測定された粒子径が基準値よりも大きい場合は、噴霧条件の変更として、気液混合物中のキャリアガスの比率を高めたり、気化条件の変更として、気化チャンバの加熱ヒータＨに流す電流値を上昇させる。

フローセル２３は、図４に示されるように、容器本体３０、対向する２枚の透明窓３１，３２およびジョイント部３３，３４を有する。容器本体３０とジョイント部３３，３４には、フローセル２３内部を所定温度に保持するためのヒータＨが組み込まれている。容器本体３０と透明窓３１の間は、Ｏリング３６を介して固定部材３５により密閉されている。同様に、容器本体３０と透明窓３２の間は、Ｏリング３８を介して固定部材３７により密閉されている。

容器本体３０の材質は、材料ガスＰに対する耐食性やヒータＨに対する耐熱性に応じて、金属、セラミック、プラスチックのいずれを選択してもよい。例えば、耐食性に優れるステンレス鋼や加工性に優れるアルミニウム合金を選択できる。透明窓３１，３２の材質は、短波長のレーザ光を透過させる材料であればよく、例えば石英ガラスを選択できる。

透明窓３１，３２のレーザ光通過領域にはヒータを組み込むことができないために、その内面に材料ガスＰが析出し易い。これを防止するためには、透明窓３１，３２の内面に沿ってガスを流すガスシールドや、析出物が付着し難いＰＴＦＥコーティングを用いればよい。また、透明窓３１，３２の内面に材料ガスＰが膜状に堆積した場合、回折・散乱光Ｌ３は、膜状堆積物による屈折作用を受け、後述する光強度分布パターンに誤差が生じる。この対策としては、予め膜状堆積物の厚さと屈折力との関係を測定しておき、光強度分布パターンの誤差を補正すればよい。また、フローセル２３内に定期的に不活性ガスを流してメンテナンスをするとよい。

再び、図３を参照しながら、粒度測定装置の作用を説明する。
材料ガスＰは、気化器１０からフローセル２３内を通過してＣＶＤ成膜装置本体５へと流れる。半導体レーザ光源２１からのレーザ光Ｌ１は、照明光学系２２により平行光束となり、フローセル２３の透明窓３１から材料ガスＰの流れ方向に略直角に入射する。レーザ光Ｌ１は、回折や散乱をせずに直進して透明窓３２から射出する直進光Ｌ２と、材料ガスＰの微粒子によって回折または散乱を生じて透明窓３２から射出する回折・散乱光Ｌ３とに分かれる。透明窓３２から射出した直進光Ｌ２と回折・散乱光Ｌ３は、集光レンズ２４で集光された後に光センサ２５へ到達する。回折・散乱光Ｌ３は、空間的な光強度分布パターンを示している。

光センサ２５は、回折・散乱光Ｌ３の空間的な光強度分布パターンを回折・散乱像として検出する。光強度分布パターンは、微粒子の粒子径に依存して変化するので、光強度分布パターンから材料ガスＰの粒子径を特定することができる。一般に、粒子径が小さいほど回折角または散乱角が大きい。制御部２６は、回折・散乱像から粒子径と分布状態（相対粒子量）を計測する。

本実施の形態では、計測された粒子径とその分布状態に基づいて気化器の噴霧条件や気化条件が適切か否かを知ることができる。不適切と判断された場合は、フィードバック制御をかけて気化条件等を再設定することができ、インラインで使用するのに適している。
また、本実施の形態の気化装置は、フィードバック制御をかけないで、オペレータがリアルタイムで測定値をモニタし、手動で条件設定をするという使い方もできる。

また、本実施の形態では、質量分析法に比べ、微粒子の量が少ない条件下でも検出でき、例えば０．１〜２００μｍという広範囲の粒子径を連続的に測定することができる。さらに、本実施の形態では、液体材料或いは材料ガスの種類にほとんど依存することなく校正を必要とせずに粒子径の相対分布を測定できるので、材料ガスだけではなく、液体材料の微粒子や未気化残渣の剥離物などの粒径が比較的大きな液体や固体の粒子でも測定できる。

なお、フローセル２３の透明窓３２から射出する前方散乱光だけではなく、レーザ光Ｌ１が入射する透明窓３１から射出する後方散乱光を検出するように、透明窓３１の近傍に光センサを設けることもできる。また、側方散乱光を検出するように、材料ガスＰの流れ方向に対して透明窓３１の側面に新たな透明窓を設け、光センサをその近傍に設けることもできる。

〈第２の実施の形態〉
図４は、本発明の第２の実施の形態による気化装置の構成を模式的に示す構成図である。本実施の形態の気化装置は、気化器４０および粒度測定装置５０とを有し、気化器４０は、噴射ノズル部１１と気化チャンバ４２とを備えている。噴射ノズル部１１は、第１の実施の形態による気化器１０のものと同じである。また、粒度測定装置５０も、図２に示される粒度測定装置２０の構成と比べて、フローセル２３が欠けているだけで、その他は同じである。

本実施の形態の気化装置が第１の実施の形態のものと異なる点は、粒度測定装置５０が気化チャンバ４２に設けられている点である。気化チャンバ４２には、２枚の透明窓４３，４４が対向配設されている。半導体レーザ光源２１からのレーザ光Ｌ１は、透明窓４３を通して気化チャンバ４２へ入射し、直進光Ｌ２と材料ガスＰによって生じた回折・散乱光Ｌ３は、透明窓４４を通して射出し、光センサ２５によって検出される。光センサ２５は、回折・散乱光Ｌ３の空間的な光強度分布パターンを回折・散乱像として検出し、その検出データは、第１の実施の形態と同様に、不図示の制御部へ送られて処理される。

本実施の形態では、液体材料微粒子を気化する気化チャンバ４２が第１の実施の形態におけるフローセル２３の機能を兼ねている。従って、本実施の形態では、気化チャンバ４２の気化性能を最も直接的に評価することができるとともに、フローセルを設ける必要がないという長所がある。

本実施の形態の粒度測定装置５０は、図１に示されるＣＶＤ成膜装置本体５に設けてもよい。すなわち、ＣＶＤ成膜装置本体５の成膜チャンバが気化チャンバ４２の代わりとなる。成膜チャンバに２枚の透明窓を対向配設し、成膜チャンバに導入された材料ガスに対して一方の透明窓からレーザ光を入射させ、他方の透明窓から射出する回折・散乱光Ｌ３を光センサで検出するように粒度測定装置を構成する。この場合は、成膜直前の材料ガスの状態を評価できるので、気化状態を監視するモニタとしては最も望ましい。

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。従って、粒度測定方式もレーザ光を使用する方法のみに限定されない。

本発明の第１の実施の形態に係る気化装置の構成を模式的に示す全体構成図である。 気化器の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る気化装置の粒度測定装置の構成を模式的に示す構成図である。 図３の粒度測定装置のフローセルの構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る気化装置の構成を模式的に示す構成図である。

符号の説明

１：材料供給部
２，３，４：配管
５：ＣＶＤ成膜装置本体
１０，４０：気化器
１１：噴射ノズル部
１２，４２：気化チャンバ
２０，５０：粒度測定装置
２１：半導体レーザ光源
２２：照明光学系
２３：フローセル
２４：集光レンズ
２５：光センサ
２６：制御部
Ｈ：ヒータ
Ｐ：材料ガス

Claims (4)

1. 液体有機金属若しくは有機金属溶液から成る液体材料を高温に保持された気化チャンバ内に噴霧し、噴霧された液体材料の微粒子を気化し、気化により生成した材料ガスをガス供給ラインを通してＣＶＤ成膜装置に供給する気化器と、
   前記液体材料微粒子および材料ガスの粒子径を光学的に測定する気化性能評価手段とを備えることを特徴とする気化装置。
2. 請求項１に記載の気化装置において、
   前記気化性能評価手段は、前記液体材料微粒子および材料ガスに照射したレーザ光の前方散乱光の強度パターンにより測定することを特徴とする気化装置。
3. 請求項１または２に記載の気化装置において、
   前記気化性能評価手段での評価結果に基づいて、前記気化器における液体材料の噴霧条件および気化条件の少なくとも一方の条件を変更する条件変更手段をさらに備えることを特徴とする気化装置。
4. 請求項１〜２のいずれかに記載の気化装置において、
   前記気化性能評価手段は、前記気化器、前記ガス供給ラインまたは前記ＣＶＤ成膜装置に設けられることを特徴とする気化装置。
   

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