JP2006322074A - シャワーヘッドを用いた化学気相蒸着方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】種々の反応ガスがシャワーヘッドを互いに独立的に通過するようにすることでシャワーヘッド内部で反応ガスが互いに化学反応を起こして粒子が生成されることを防止するための技術を提供する。
【解決手段】本発明は、膜を蒸着させるために多数の原料ガスをシャワーヘッドを介して基板上に供給する化学気相蒸着方法において、シャワーヘッドの底面を基板とを所定の距離だけ離隔して配置する離隔段階；原料ガスのうち反応ガスをシャワーヘッド内に注入するとき、シャワーヘッド内の各々の隔室に互いに異なる種類の反応ガスを注入し、原料ガスの中でパージガスはシャワーヘッド内の他の隔室に充填されるように注入する注入段階；及び原料ガスをシャワーヘッドの底面に形成された多数の反応ガス噴射口及び反応ガス噴射口の個数より多いパージガス噴射口を介して排出させる排出段階；を含むことを特徴とする。
【選択図】図９
【解決手段】本発明は、膜を蒸着させるために多数の原料ガスをシャワーヘッドを介して基板上に供給する化学気相蒸着方法において、シャワーヘッドの底面を基板とを所定の距離だけ離隔して配置する離隔段階；原料ガスのうち反応ガスをシャワーヘッド内に注入するとき、シャワーヘッド内の各々の隔室に互いに異なる種類の反応ガスを注入し、原料ガスの中でパージガスはシャワーヘッド内の他の隔室に充填されるように注入する注入段階；及び原料ガスをシャワーヘッドの底面に形成された多数の反応ガス噴射口及び反応ガス噴射口の個数より多いパージガス噴射口を介して排出させる排出段階；を含むことを特徴とする。
【選択図】図９
Description
本発明は、半導体集積回路、微細な機械構造物、表面処理を要する工具などにおいて成膜の重要な手段の一つである化学気相蒸着（ＣＶＤ）装置に関し、より詳しくは、膜が形成される基板上に反応ガスを一様に供給して均一な膜厚及び組成を実行できるようにするため、シャワーヘッドへの所望しない粒子沈着を防止する化学気相蒸着方法及びその装置に関する。参考までに、本発明は下記の特許文献１と連関しており、その内容を引用している。
一般に、化学気相装置で反応ガスは、真空の反応室に入ってシャワーヘッドを経て基板が載置されているサセプター（susceptor）或いは基板固定部に到達することになる。
従って、反応ガスは基板上で化学反応を起こして所望の膜を形成するが、化学反応を誘導するエネルギーを供給するためには基板を加熱するか、基板上にプラズマ状態を作ることで反応ガスを原子的に励磁（exciting）させる方法が広く用いられる。反応が終わると、副産ガスは反応室の出口及び真空ポンプを含む排気系及び適宜な浄化装置を次第に経て外部へ排出される。
ところが、蒸着工程中に反応室の壁やシャワーヘッドなどに所望しない粒子が沈着されないようにすることは極めて重要なので、反応ガスは気相で互いに反応を起こさない性質を有することが望ましい。しかし、金属有機化合物のように大抵２００℃以下の分解温度の低い反応ガスが反応室内で混ぜ合わせられると、気相で均一系反応（Homogeneous reaction）を引き起こして汚染粒子（Particle）を生成し、自らもシャワーヘッドや反応室の壁のような固相の表面で不均一系反応（Heterogeneous reaction）を起こして所望しない粒子沈着を生じる恐れもある。特に、反応ガスが特定の物質に敏感な場合、例えばジルコニウム４ブトキシド（Zirconium tert-butoxide、Ｚｒ(ＯＣ４Ｈ９)４）は水分に極めて敏感に反応して水酸化ジルコニウム（Zirconium Hydroxide、Ｚｒ（ＯＨ）ｘ）を形成し易いが、水分は反応室内の一側に不純物として物理的に吸着（adsorption）されるか、或いは基板上で化学反応の副産物として水蒸気の形態で生成されるかもしれない。
このような水分は反応室の内壁やシャワーヘッドの表面でジルコニウム４ブトキシドと反応して白い粉末状の水酸化物を形成し、脱着が容易な粉末状か、比較的に強い付着力を有する膜の形態かを問わず、反応室の内壁やシャワーヘッド表面に粒子沈着が起こると反復的な熱膨張、収縮、そして内壁などとの格子構造上の差のため沈着した粒子は小さな粒子に脱離（flake-off）されて基板上の膜を汚染させることももちろん、かかる沈着粒子を取り除くために工程を中断すべき周期が頻繁となり、生産性の低下を招くことができる。
高集積半導体を製造する場合、汚染粒子は主に配線間の短絡や断線に因るパターン不良を生じるが、その歩留まりに影響を与える汚染粒子の大きさは、パターン寸法と比例関係にある。よって、パターン寸法が小さくなることにつれ、つまり高集積化の傾向が高くなることにつれ、歩留まりに影響を与える粒子の大きさも次第に小さくなって、反応室内で除去しなければならない汚染粒子の数もその分だけ増加する。
図１は従来の技術による単純な形態の多孔性シャワーヘッドを用いるフラット形プラズマＣＶＤ装置の反応室を概略的に示す断面図である（例えば、下記の特許文献２を参照）。同図において、真空ポンプ（図示せず）によって反応室内に真空が形成されると、原料供給手段６からマスクフローコントローラー８の制御のもとに適切な流量の原料ガスが供給配管１０に沿って反応室１内へ流入してシャワーヘッド２０に伝達され、シャワーヘッド２０内に伝達された原料ガスは十分に混合された後、シャワーヘッドの底面の小さな穴を介して基板上に供給される。原料ガスの流れが安定した後、ラジオ周波数（radio-frequency、ＲＦ）の電場がＲＦ発生源４と連結されたシャワーヘッド２０と接地部１３に連結されたサセプターとの間に働くと、原料ガスはイオン化されてプラズマ状態が維持される。プラズマ状態によって原子的に励磁した原料ガスは、内蔵された発熱体１４によって周囲より温度が高く維持されるサセプター３０に載置された基板９上で集中的に化学反応を起こすことにより、所望の膜を基板９上に形成するようになる。反応が終わって原料ガス及び副産物は、真空ポンプと連結された排気口５を介して外部へ排出される。原料ガスとしてはＳｉＨ４、ＤＭ−ＤＭＯＳ［（ＣＨ３）２Ｓｉ（ＯＣＨ３）２］、ＴＥＯＳのようなシリコン原料、Ｃ２Ｆ６のようなフッ素原料、酸素のような酸化性ガス、或いはＡｒ、Ｈｅのような不活性ガスが用いられる。
しかし、前述した原料物質を用いると深刻な問題は生じないかもしれないが、特定な物質、例えば分解温度の低い金属有機化合物を原料ガスとして用いる場合は、シャワーヘッド内で原料ガス同士が互いに化学反応を起こすか、自ら分解して汚染粒子を生成し、その結果反応室内部の汚染及び基板の汚染といった問題をもたらす。
図２は従来の技術による反応室に流入する反応ガスを混ぜ合わせず複数の出口を介して基板上に一様に噴射する機能のみを有するシャワーヘッドを概略的に示す断面図である（例えば、下記の特許文献３を参照）。いろんな反応ガスが複数の流入ポート（zone）１７を介して環状の第１流路（channel）２３に供給されると、第一流路２３で拡散過程を経た後、夫々の流路の底に形成されている幾つかの第１通孔（passage）２５を介して、やはり環状の第２流路２７に伝達される。第２流路２７でも同様に拡散過程を経た後、第２流路の底に形成されている、シャワーヘッドの出口に該当する多数の第２通孔３１を介して基板上に供給される。反応ガスは周囲より温度が高く保たれるサセプターに載置された基板（図示省略）上で集中的に化学反応を起こして所望の膜を基板上に形成するようになる。
しかし、金属有機化合物のように大抵２００℃以下の分解温度の低い反応ガスは、シャワーヘッドの底面で熱分解のような不均一系表面反応（heterogeneous surface reaction）を起こし、特に反応ガスが水分のような特定の物質に敏感な場合、不純物として存在するか、副産物として生成された水蒸気と反応してしまう。
このような反応が起こるための物質伝達経路に関わり、図３は別の抑制策を用いない場合に反応ガス、若しくは副産ガスがシャワーヘッド側へ逆拡散できることを示している。図３において、細い矢印は反応ガスの集団的な流動、太い矢印は反応ガス、或いは副産物のシャワーヘッドへの逆拡散方向を示す。基板で生成された副産物はシャワーヘッドと基板との間に存在するガス８の領域に逆拡散され、シャワーヘッドと基板との間に存在するガス８はシャワーヘッド側への逆拡散が発生してしまう。このため、図２に示すような従来のシャワーヘッド装置では、たとえいろんな反応ガスがシャワーヘッドの内部で混ぜられて粒子が生成されることを防止することは可能であるが、別の抑制策を講じなければ熱分解、又はその他の化学反応によってシャワーヘッドの出口の周りに所望しない粒子が沈着することが起こり得る。
化学気相蒸着方法によって種々の膜を多様な反応ガスを用いて蒸着しなければならない必要性が増加しているが、従来のシャワーヘッド装置を使用すれば、多様な反応ガスが予期せぬ色々な特性によってシャワーヘッドの内部に所望しない粒子が生成されるか、シャワーヘッドの表面に所望しない粒子が沈着するという問題点がある。
米国公開特許公報第２００３−００７７３８８号（“Method and Apparatus for chemical Vapor Deposition Capable of Preventing Contamination and Enhancing Film Growth Rate”、２００２年１０月９日出願）。
米国特許第６，６３１，６９２号
米国特許第６，６２６，９９８号
従って、前述した従来の問題点を克服するための本発明の目的は、種々の反応ガスがシャワーヘッドを互いに独立的に通過するようにすることで、シャワーヘッド内部で反応ガスが互いに化学反応を起こして、粒子が生成されることを防止するための技術を提供することである。
本発明の他の目的は、シャワーヘッドの底面から噴射されるパージガスが、シャワーヘッドの底面でパージガスと同時に噴射される反応ガスを取り囲んで同心円状に流れるようにすることにより、パージガスの流動速度のため反応ガスが進行方向の後ろに拡散することを抑制して、シャワーヘッドの出口及びシャワーヘッドの底面に粒子が沈着することを防止するための技術を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、基板を取り囲みながら反応室の底に当接している反応ガス封入装置に本発明によるシャワーヘッドを適用することで、反応室の内壁における所望しない粒子の沈着を防止するとともに、反応ガスを基板の周りに閉じ込んで高い蒸着速度を得る技術を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明は、膜を蒸着させるために多数の原料ガスをシャワーヘッドを介して基板上に供給する化学気相蒸着方法において、前記シャワーヘッドの底面を前記基板と対向するように所定の距離だけ離隔して配置する離隔段階；前記原料ガスのうち反応ガスを前記シャワーヘッド内に注入するとき、前記シャワーヘッド内の各々の隔室に前記反応ガスのうち一種だけが充填されるように前記シャワーヘッド内の各々の隔室に互いに異なる種類の前記反応ガスを注入し、前記原料ガスの中でパージガスは前記シャワーヘッド内の他の隔室に充填されるように注入する注入段階；及び前記反応ガス及び前記パージガスを前記シャワーヘッドの底面に形成された多数の反応ガス噴射口及び前記反応ガス噴射口の個数より多いパージガス噴射口を介して排出させる排出段階；を含むことを特徴とするシャワーヘッドを用いた化学気相蒸着方法に関する。
また、本発明は、膜を蒸着させるための原料ガスをシャワーヘッドを介して基板上に供給する化学気相蒸着装置において、前記シャワーヘッドは、前記原料ガスのうち反応ガスと同数であり、互いに隔離される内部空間を有し、前記夫々の反応ガスが反応ガス流入ポートを介して内部に流入して前記基板へ供給するための多数の反応ガス流路を底面に備えた多数の反応ガスシャワーヘッドモジュール；及び前記反応ガスシャワーヘッドモジュールの下方に設けられ、前記原料ガスのうちパージガスがパージガス流入ポートを介して内部に流入して前記パージガスのみが充填され、前記反応ガスとは隔離された内部空間を有し、上面にはシール部材を用いて前記反応ガス流路を取り囲んで貫通させる多数の流入口が具備され、下面には多数の反応ガス流路の出口と前記反応ガス流路の出口より小さな直径を有する多数のパージガス出口とが更に形成されるパージガスシャワーヘッドモジュール；を含み、前記各々の反応ガスシャワーヘッドモジュールに具備された各々の反応ガス流路は前記反応ガスシャワーヘッドモジュールより下方にある反応ガスシャワーヘッドモジュールの内部及び前記パージガスシャワーヘッドの内部を貫通することを特徴とするシャワーヘッドを用いた化学気相蒸着装置に関する。
そして、本発明は、膜を蒸着させるための原料ガスをシャワーヘッドを介して基板上に供給する化学気相蒸着装置において、前記シャワーヘッドは、内部空間が多数個の隔室に互いに隔離されて多数の反応ガスが個別的に夫々の隔室ごとに備えられた反応ガス流入ポートを介して流入し、前記夫々の隔室の底面に多数個の反応ガス出口が形成され、前記反応ガス出口に連結されて前記反応ガスを前記基板上に供給するための反応ガス流路を備えた１つの反応ガスシャワーヘッドモジュール；及び前記反応ガスシャワーヘッドモジュールの下方に設けられ、前記原料ガスのうちパージガスがパージガス流入ポートを介して内部に流入して前記パージガスだけが充填され、前記反応ガスとは隔離された内部空間を有し、上面には前記反応ガス流路を密封しながら貫通させる多数の流入口が具備され、下面には多数の反応ガス流路の出口と前記反応ガス流路の出口より小さな直径を有する多数のパージガス出口とが更に形成されるパージガスシャワーヘッドモジュール；を含み、前記反応ガスシャワーヘッドモジュールに具備された夫々の反応ガス流路は前記反応ガスシャワーヘッドモジュールより下方にある前記パージガスシャワーヘッドモジュールの内部を貫通することを特徴とするシャワーヘッドを用いた化学気相蒸着装置に関する。
前述したように、本発明では、種々の反応ガスがシャワーヘッドを互いに独立的に通過するようにすることで互いに混ぜ合わせられることを防止し、シャワーヘッド出口及びシャワーヘッドの底面に粒子沈着を起こすことを防止し、シャワーヘッドのみならず反応室の内壁での所望しない粒子沈着をも防止する技術を提示する。
本発明は種々の反応ガスがシャワーヘッドを互いに独立的に通過するようにすることで、シャワーヘッド内部で反応ガスが互いに混じることを防止する効果がある。
また、本発明はパージガスシャワーヘッドモジュールの底面の出口を介してパージガスが反応ガスを囲んで同心円に流れるようにして反応ガスが進行方向の後ろに拡散されることを抑制し、シャワーヘッドの出口及びシャワーヘッドの底面における粒子沈着を防止する効果がある。
また、本発明は冷却ジャケットを備えたシャワーヘッドを反応ガス封入装置に適用させると、シャワーヘッド内部において粒子沈着を防止する効果がある。
また、本発明はＣＶＤ装置で反応室の内壁及びシャワーヘッドの汚染、これによる基板上の蒸着膜の汚染、更に汚染源を取り除くために頻繁に発生する工程中断などの問題を解決する効果がある。
また、本発明は反応ガスを基板上に閉じ込めて、即ち基板の辺りで反応ガスの濃度を高くして基板上における膜蒸着速度が向上する効果がある。
以下、添付図面を参照して本発明による実施形態をより詳細に説明する。
まず、本発明で言及しているパージガス（purge gas）とは、自ら分解されたり、副産物を生成し難い気相の物質であり、例えばＡｒ、Ｎ２、Ｈ２などと反応には参加するものの自ら分解されたり副産物を生成したりするのは難しいＯ２又はＨ２などをいう。これらのパージガスは分子量が小さいので、容易に拡散され、真空ポンプの作用による強制循環影響を比較的受け難く、反応室の内部構造物に蒸着、吸着、その他表面反応を起こさない特性を有する。
これに対し、反応ガスというのは、成膜に直接に関与する主原料物だけからなるガス、あるいは主原料物の気化や希釈に使用される運搬ガスと主原料物とが混ぜられている混合ガス、または運搬ガスを用いることなく運搬可能な純粋な蒸気状態の主原料ガスなどをいい、サセプター及び蒸着対象物を含む反応室の内部構造物に蒸着、吸着その他表面反応を起こす特性を有する。主原料ガスには、例えばＰＺＴ（Lead Zirconium-Titanate）膜の蒸着に使用される各成分の金属有機化合物であって、Ｐｂの原料物であるＰｂ（Ｃ２Ｈ５）４、Ｚｒの原料物であるＺｒ（ＯＣ４Ｈ９）４及びＴｉの原料物であるＴｉ（ＯＣ３Ｈ７）４などが挙げられ、そして運搬ガスにはＡｒ、Ｎ２、Ｈｅ、Ｈ２などが挙げられる。
図４Ａ乃至図４Ｅは、本発明による多数の反応ガスシャワーヘッドモジュールと１つのパージガスシャワーヘッドモジュールとからなる第１実施形態のシャワーヘッドを示すもので、図４Ａは組立前状態の分解斜視図、図４Ｂは、組立状態の断面図、図４Ｃはシャワーヘッドを底面側から見た底面図である。シャワーヘッド１００は、反応ガスの個数だけの反応ガスシャワーヘッドモジュール１４０、２４０と、１つのパージガスシャワーヘッドモジュール４４０とから構成される。本発明で反応ガスシャワーヘッドモジュールとは、多数の反応ガスのうちいずれか１つを注入して拡散させるために少なくとも１つ以上のモジュールが組み合わせられた組立体を意味し、本発明の第１実施形態では２つの反応ガスを利用する場合を例えて説明する。
反応ガスは、反応ガスシャワーヘッドモジュール１４０の入口１５３を介して反応ガスシャワーヘッドモジュール１４０の内部に入って、多数の微細な孔を有する多孔性の拡散板１５７を通過する間、反応ガスシャワーヘッドモジュール１４０の内部で十分に拡散され、多数の出口１４３に沿ってそれぞれ均等した流量で反応ガスシャワーヘッドモジュール１４０を抜ける。そして円形チューブ形態の反応ガス流路１４４が該出口１４３に連結されて延び出して、下部の反応ガスシャワーヘッドモジュール２４０を貫通することになる。このようにそれぞれの反応ガスシャワーヘッドモジュール１４０、２４０から延びた円形チューブ形態の多数の反応ガス流路１４４、２４４は最後にパージガスシャワーヘッドモジュール４４０の上面４４７及び内部を貫通することになる。パージガスは、パージガスシャワーヘッドモジュール４４０のパージガス入口４５３を介してパージガスシャワーヘッドモジュール４４０の内部に入って多孔性の拡散板４５７を通過する間パージガスシャワーヘッドモジュール４４０の内部で十分に拡散され、パージガスシャワーヘッドモジュールの底面４４２に到達するようになる。
一方、パージガスシャワーヘッドモジュールの底面４４２にはそれぞれ比較的大きな孔を有する反応ガス流路の出口４４５及び比較的小さな孔を有する出口４４６が多数個備えられるが、パージガスシャワーヘッドモジュールの上面４４７及び内部を貫通したチューブ形態の多数のガス流路１４４、２４４は、大きな孔を有する反応ガス流路の出口４４５の内部を通過して反応ガス流路の出口４４５の開口端領域の一端で終わる。
従って、大きな孔を有する反応ガス流路の出口４４５の中心領域へは、反応ガスが反応ガス流路１４４、２４４の端部から対向する基板に向かって噴射され、反応ガス流路の出口４４５の周縁部領域、即ち大きな孔を有する反応ガス流路の出口４４５の内壁と反応ガス流路１４４、２４４の外壁との間の隙間にパージガスが噴射されてパージガスは反応ガスを取り囲んで同心円状に流れる。ここで、反応ガス流路１４４、２４４の端部が反応ガス流路の出口４４５の下端部に対して、−３ｍｍ〜＋３ｍｍの位置に凹設又は凸設された方が反応ガス流路と反応ガス流路の出口の両者とも粒子沈着に因る汚染防止に一層効果的である。
尚、小さな孔を有する出口４４６からは、パージガスのみが基板側に向かって噴射される。かかるパージガスの作用によって、反応ガスが噴射方向の後ろに拡散されることが抑制され、パージガスシャワーヘッドの底面に所望しない粒子が沈着することが防止される。
図４Ｄではパージガスシャワーヘッドの底面の辺りでの反応ガス及びパージガスの流れを示し、大きな孔の出口を介して噴射されるパージガスの各流量は小さな孔を有する出口を介して噴射されるパージガスの各流量よりも多かった方がもっと効果的である。パージガスシャワーヘッドモジュール４４０において、比較的大きな孔を有する反応ガス流路の出口４４５の配列間隔は横縦１０ｍｍ程度ならば適当であり、反応ガス流路の出口４４５の個数は、２００ｍｍウェハー用シャワーヘッドには約２５０個、３００ｍｍウェハー用シャワーヘッドでは約５００個であれば十分であり、そしてその直径は３．５ｍｍ〜５ｍｍが好ましい。
そして、小さな孔を有する出口４４６は、反応ガス流路の出口４４５の間に適当な間隔で設置され、その直径は０．８ｍｍ〜１．４ｍｍが好ましい。しかし、出口の配列間隔及び孔の数は前記した値に局限されず加工上の難易度、或いは蒸着均一性のような性能仕様によって決められる。
一方、図４Ｅに示すように、反応ガス流路の出口４４５にはチューブ形態の出口延長部４４４を連結して反応ガス流路の出口を基板９側へ適当な距離だけ延長することがより望ましい。具体的に、出口延長部４４４の端部をパージガスシャワーヘッドモジュールの底面から０〜１０ｍｍだけ延長すれば、パージガスシャワーヘッドの底面における粒子沈着に因る汚染を防止するに一層効果的になる。
このようなプロセスにおいて反応ガス流路１４４が当該反応ガスシャワーヘッドモジュール１４０の底面１４２の出口１４３とシール状態で連結されるためにはレーザー溶接を行うことが望ましく、反応ガス流路１４４がその下方にあるもう１つの反応ガスシャワーモジュール２４０の上面２４７及び底面２４２、そしてパージガスシャワーヘッドモジュール４４０の上面４４７を密封しながら貫通するためには、Ｏリング２７６を用いた漏れ防止を施した方が好ましい。ここで、Ｏリング座２７５はフライス加工のような機械加工法によって外径はＯリング２７６の外径より略０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度大きく、深さはＯリングの厚さより０．６ｍｍ〜０．９ｍｍ程度浅く設けるのが適宜である。
本発明で提示している方法によれば、ボルト５０１でシャワーヘッドモジュール１４０、２４０、４４０を互いに締める過程において、Ｏリング２７６、反応ガス流路１４４、上部シャワーヘッドモジュール１４０の底面１４２のＯリング座２７５及び下部シャワーヘッドモジュール２４０の上面２４７とが組み合わせられて漏れ防止の役割を果たし、これによってＣＶＤ装置の反応室１の内部及び各シャワーヘッドモジュール１４０、２４０、４４０の内部が互いに隔離できる。
反応ガス流路１４４に沿って供給される反応ガスは、他の反応ガスシャワーヘッドモジュール２４０を経て究極的にパージガスシャワーヘッドモジュール４４０を通過するまでは他の反応ガスやパージガスとは互いに混合されず、パージガスシャワーヘッドモジュール４４０の底面４４２と基板９との間で初めて各反応ガスとパージガスとの混合が起こる。かかる過程で夫々の反応ガスシャワーヘッドモジュール内には純粋に当該反応ガスだけが存在し、他の反応ガスはもちろん、パージガスや水分などの不純物は存在しないようになる。更に、パージガスシャワーヘッドモジュール内には純粋にパージガスだけが存在し、他の如何なる反応ガスはもちろん水分などの不純物は存在しないようになる。
ところが、パージガスシャワーヘッドモジュール４４０の底面４４２において、出口４４５の間に連結されて該出口４４５を基板側に延長させる出口延長部４４４の形状が前述したような形状、例えば円形の断面を有する形状を少し変更して断面の形状を多角形に形成しても基本的にその構造がパージガスが反応ガスを取り囲みながら流れるようにすれば、その効果はほとんど等しいことと予想されるので、本発明が効力を及ぼす領域は図示した構造のみに局限されるわけではない。
一方、蒸着均一性を最上に達成するためには前記パージガスシャワーヘッドモジュール４４０の底面４４２と基板間の距離は所定の距離だけ離れなければならないが、その離隔距離は７０ｍｍ〜１２０ｍｍが望ましい。
図５Ａ乃至図５Ｆは、本発明の第２実施形態を示す。本発明の第２実施形態によるシャワーヘッドは、２つのシャワーヘッドモジュール、つまり一つの反応ガスシャワーヘッドモジュール６４０と、一つのパージガスシャワーヘッドモジュール７４０とからなる。夫々の反応ガスはそれぞれの分配ヘッド（図示せず）を介してチューブ形態の多数個の反応ガス供給管（図示せず）に分配され、それぞれのチューブ形態の反応ガス供給管は反応ガスシャワーヘッドモジュール６４０の上面に具備された多数の流入ポート６５５に適宜な配列順番で連結される。
各流入ポート６５５は円筒を放射状の種々の片に仕切ったときに得られる形状の反応ガスシャワーヘッドモジュール内部の隔室６５６と連結されている。シール材６５８によってそれぞれ密封、分離される各隔室６５６内に入った反応ガスは、各隔室６５６内部の拡散板６５７を経て隔室６５６の底面、即ち反応ガスシャワーヘッドモジュールの底面６４２に至る。反応ガスシャワーヘッドモジュールの底面６４２には多数の出口６４３があり、円形チューブ形態の反応ガス流路６４４が反応ガスシャワーヘッドモジュール６４０の出口６４３に連結されて延び出してパージガスシャワーヘッドモジュール７４０の上面７４７及び内部を貫通する。パージガスはパージガスシャワーヘッドモジュール７４０のパージガス入口７５３を介してパージガスシャワーヘッドモジュール７４０の内部に入って多孔性の拡散板７５７を通過する間、パージガスシャワーヘッドモジュール７４０の内部で十分に拡散され、パージガスシャワーヘッドモジュールの底面７４２に到達する。パージガスシャワーヘッドモジュールの底面７４２の構造、反応ガス流路６４４のパージガスシャワーヘッドモジュールの底面７４２に連結される方式及び構造、並びにシャワーヘッドの効果については前述した第１実施形態の当該部分に十分に説明されているので、その詳細な説明を省略する。
図５Ａに示すように、反応ガスシャワーヘッドモジュール６４０に具備される隔室６５６の個数は４つである。そして、隔室６５６の個数は必要によっていくらでも増加させることができるが、ほぼ２４個、つまり１５度間隔で配列されていると結構であろう。ここで、反応ガスの数が２つであれば、各反応ガスはそれぞれ１２個の隔室６５６に交互に入り、反応ガスの数が３つであれば、各反応ガスはそれぞれ８個の隔室６５６に交互に入ることになる。
図５Ｄ及び図５Ｅは、それぞれ扇状の隔室６５６及び円周方向に次第にシフトされた変形断面（配列の中心に行くほど円周方向に所定の長さだけ段差状に歪曲された断面）を有する他の扇状の隔室６５６を示しており、シャワーヘッドモジュール６４０の内部にＡ、Ｂ、Ｃ３つの反応ガスが交互に反応ガス流路６４４を介して流入されることを概念的に示す。
図５Ｄと図５Ｅとの相違点について察してみれば、図５Ｄでは各隔室６５６が標準扇状の形態に配列、即ち単純に配列の中心方向（半径方向）に配列される。しかし、隔室の底６４２と通じている反応ガス供給通路６４４の位置が配列の中心方向を一斉に向かうよりも、図５Ｅに示すように夫々の隔室６５６の形状を配列の中心方向に行くほど次第に円周方向にシフトさせて形成した方が、隔室の底６４２から反応ガス供給通路６４４の位置を円周方向に少しずつ移動（offset）させて配置することが円周方向への蒸着均一性をより高めることができる。
前述と同様に、図５Ｄに示すように、隔室６５６が円周方向に繰り返されることにつれ、（同図において、ＡとＡ´、ＢとＢ´、ＣとＣ´）、隔室の底から、反応ガス供給通路６４４の位置を配列の中心方向に所定の距離だけ移動（図５ＦのΔｒ）して配置することで、反応ガス供給通路６４４の配列の中心方向への蒸着均一性をより高めることができる。
図６は本発明によって形成されたシャワーヘッド１００を反応ガス封入装置９００に適用して一緒に使用する第１実施形態を示す。ここで、反応ガス封入装置９００とは、反応室１の内壁７と天井から十分な距離だけ離れており、基板９を屋根のあるドームの形態で取り囲みながら先端が反応室の底９６１と当接しており、その表面に多数の微細孔が穿孔されており、上部の中心部の一部を開放して、本発明によるシャワーヘッド１００の周縁部が開放部分に沿って亘るようにして、シャワーヘッド１００の底面と基板とが平行に向かい合うようにする装置をいう。
図６に示すように、第１実施形態は反応ガスが反応ガス供給ポート９５４、分配ヘッド９５８、反応ガス供給管９５９を介してシャワーヘッド１００に流入し、パージガスはパージガス供給管９６４を介してシャワーヘッド１００に流入する。そして、パージガスが反応室１に連結されているパージガス流入ポート９６２を介して反応ガス封入装置９００の外側に流入して、更に反応ガス封入装置９００の表面に穿孔されている通孔９０１を介して反応ガス封入装置９００の内側へ流入する構造を有することにより、反応室１の内壁７はもちろん、反応ガス封入装置９００の表面でも所望しない粒子沈着を防止することができるようになる。このため、本発明の第１実施形態による効果として前述したシャワーヘッド１００における粒子沈着防止とともに反応室１の内壁７における粒子沈着を防止できるようになる。
また、第１実施形態では反応ガスを基板上に閉じ込めて（confining）、即ち基板の近くで反応ガスの濃度を高くして基板上で膜蒸着の速度を向上させることができる。従って、従来の化学気相蒸着装置で運搬ガスの利用を必要とするバブラー、或いは液体供給システム（Liquid Delivery System）で蒸発器を使用する場合とは異なり、原料物を運搬ガスの助け無しに純粋な蒸気で利用すると、例えば金属有機化合物気相蒸着（ＭＯＣＶＤ、Metal Organic Chemical Vapor Deposition）において、原料物である液相の金属有機化合物をほぼ６０〜１００℃の温度に加熱して純粋な蒸気に切り換えて反応ガスとして用いると、本発明によるシャワーヘッドと従来の反応ガス封入装置（例えば、特許文献１を参照）の作用により基板上で反応ガスを閉じ込めて反応ガスの濃度をより増加させることができるので、膜蒸着速度が増加する効果は一層著しい。
図７は本発明の技術が適用されない従来のＣＶＤ装置を示した図であり、従来の反応ガス封入装置（例えば、特許文献１を参照）９００の内側に単純に多数の原料物質供給管９０７の噴射口を設置した構成を示している。
ところが、従来は原料物質供給管９０７の噴射口部分における汚染防止方法を提示できない（例えば、特許文献１を参照）ことに対し、本発明によるシャワーヘッド技術をＣＶＤ装置に用いると、シャワーヘッドはもちろん、反応室内での汚染源発生、これによる基板上の蒸着膜の汚染、及び汚染源を取り除くための頻繁な工程中断などの問題点を解決することができるようになる。
図８は本発明によるシャワーヘッド１００を反応ガス封入装置９００に適用して一緒に使用する第２実施形態を示す。ここで、反応ガス封入装置９００というのは、反応室１の内壁７と天井から所定の距離だけ離れており、基板９を屋根のない円筒９６５の形態で取り囲みながら一端が反応室の底９６１と当接しており、その表面に多数の微細孔が穿孔されており、上部には中央部の開放された円板９６８を載置して円板９６８の周縁部が反応室の内壁７と当接しており、円板９６８の中心部に本発明によるシャワーヘッド１００の周縁が亘るように、前記シャワーヘッド１００の底面と基板９とが平行に向かい合うようにする反応ガス封入装置をいう。
図８に示すように、第２実施形態はパージガスが反応室１に連結されているパージガス流入ポート９６２と円板９６８を介して反応ガス封入装置９００の外に流入し、反応ガス封入装置９００の表面に穿孔されている通路９０１を介して反応ガス封入装置９００の内側に流入する構造によって、反応室の内壁７はもちろん反応ガス封入装置９００の表面でも所望しない粒子沈着を防止することになる。これによって、前述したようなシャワーヘッド１００での粒子沈着防止とともに反応室１の内壁７での粒子沈着防止を一緒に具現化できるようになる。また、反応ガスを基板上に閉じ込めて、即ち基板の近くにおける反応ガスの濃度を高めて基板上での膜蒸着速度が向上できる。
図９に示すように、本発明による第３実施形態は前記反応ガスシャワーヘッドモジュールと前記パージガスシャワーヘッドモジュールに対して垂直な外壁を円筒形態で密封して囲むようにして、冷却ジャケット３０５０を設置することができるが、この冷却ジャケット３０５０はシャワーヘッドの温度を例えば１５０℃〜２００℃に一定に維持するために具備される。
反応室の壁の冷却剤入口ポート（図示せず）及び冷却ジャケット３０５０の冷却剤入口ポート３０５４を介して冷却ジャケット３０５０内に注入された冷却剤は、冷却剤出口ポート３０５３を介して冷却ジャケット３０５０を抜け出し、最終的に反応室の壁の冷却剤出口ポート（図示せず）を介して反応室を抜ける。ここで、冷却剤の種類には圧縮空気、冷水など如何なるものを用いても構わないが、冷却ジャケットから漏れないようにすることは絶対的に重要である。シャワーヘッド表面の適当な箇所に熱電対（図示せず）を設置することは温度調節のための通常の方法であるので、これに関連した詳しい説明は省略する。冷却ジャケットを設置する効果は、膜蒸着反復性の増進を図ることに限定されず、シャワーヘッドの内部温度があまり上がり、このため反応ガスが熱分解によりシャワーヘッドの内部で所望しない蒸着を招くことを防止することにも優れている。
以上、本発明を実施形態及び図面に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって本発明の技術思想及び請求範囲のカテゴリ内で多様な修正及び変形が可能であるのは明らかである。
１ 反応室
５ 排気口
７ 反応室の内壁
９ 基板
２０ 従来のシャワーヘッド
３０ サセプター
１００ シャワーヘッド
１４０ 上部反応ガスシャワーヘッドモジュール
１４２ 上部反応ガスシャワーヘッドモジュールの底面
１４３ 上部反応ガスシャワーヘッドモジュールの底面における出口
１４４ 反応ガス流路
１４７ 上部反応ガスシャワーヘッドモジュールの上面
１５３ 上部反応ガスシャワーヘッドモジュールにおける反応ガス流入ポート
１５７ 流入ポートに入った反応ガスを拡散させるための拡散板
２４０ 反応ガスシャワーヘッドモジュール
２５３ 下部反応ガスシャワーヘッドモジュールにおける反応ガス流入ポート
２７５ Ｏリング座
２７６ Ｏリング
４４５ パージガスシャワーヘッド底面に形成された大きなサイズを有する反応ガス流路の出口
４４６ パージガスシャワーヘッド底面に形成された小さなサイズを有する出口
４５３ パージガスシャワーヘッドモジュールにおけるパージガス流入ポート
６４４ 反応ガス供給通路
６５５ 反応ガスシャワーヘッドモジュールの上面における反応ガス流入ポート
６５６ 反応ガスシャワーヘッドモジュールを構成する個々の隔室
６５７ 反応ガスシャワーヘッドモジュール内部の拡散板
９００ 反応ガス封入装置
９０１ 反応ガス封入装置の表面に穿孔されている多数の通孔
５ 排気口
７ 反応室の内壁
９ 基板
２０ 従来のシャワーヘッド
３０ サセプター
１００ シャワーヘッド
１４０ 上部反応ガスシャワーヘッドモジュール
１４２ 上部反応ガスシャワーヘッドモジュールの底面
１４３ 上部反応ガスシャワーヘッドモジュールの底面における出口
１４４ 反応ガス流路
１４７ 上部反応ガスシャワーヘッドモジュールの上面
１５３ 上部反応ガスシャワーヘッドモジュールにおける反応ガス流入ポート
１５７ 流入ポートに入った反応ガスを拡散させるための拡散板
２４０ 反応ガスシャワーヘッドモジュール
２５３ 下部反応ガスシャワーヘッドモジュールにおける反応ガス流入ポート
２７５ Ｏリング座
２７６ Ｏリング
４４５ パージガスシャワーヘッド底面に形成された大きなサイズを有する反応ガス流路の出口
４４６ パージガスシャワーヘッド底面に形成された小さなサイズを有する出口
４５３ パージガスシャワーヘッドモジュールにおけるパージガス流入ポート
６４４ 反応ガス供給通路
６５５ 反応ガスシャワーヘッドモジュールの上面における反応ガス流入ポート
６５６ 反応ガスシャワーヘッドモジュールを構成する個々の隔室
６５７ 反応ガスシャワーヘッドモジュール内部の拡散板
９００ 反応ガス封入装置
９０１ 反応ガス封入装置の表面に穿孔されている多数の通孔
Claims (23)
- 膜を蒸着させるために多数の原料ガスをシャワーヘッドを介して基板上に供給する化学気相蒸着方法において、
前記シャワーヘッドの底面を前記基板と対向するように所定の距離だけ離隔して配置する離隔段階；
前記原料ガスのうち反応ガスを前記シャワーヘッド内に注入するとき、前記シャワーヘッド内の各々の隔室に前記反応ガスのうち一種だけが充填されるように前記シャワーヘッド内の各々の隔室に互いに異なる種類の前記反応ガスを注入し、前記原料ガスの中でパージガスは前記シャワーヘッド内の他の隔室に充填されるように注入する注入段階；及び
前記反応ガス及び前記パージガスを前記シャワーヘッドの底面に形成された多数の反応ガス噴射口及び前記反応ガス噴射口の個数より多いパージガス噴射口を介して排出させる排出段階；を含むことを特徴とする
シャワーヘッドを用いた化学気相蒸着方法。 - 前記反応ガスは、相異なる前記反応ガス噴射口を介して抜け、前記反応ガス噴射口はそれぞれ前記パージガス噴射口の一部に含まれて前記反応ガスを排出することを特徴とする
請求項１に記載の化学気相蒸着方法。 - 前記排出段階において、前記反応ガス噴射口から噴射される前記反応ガスの流れが前記パージガス噴射口から噴射される前記パージガスの流れによって取り囲まれた状態で噴出され、前記反応ガス噴射口を含まない前記パージガス噴射口を介しては前記パージガスだけを排出することを特徴とする
請求項１又は２に記載の化学気相蒸着方法。 - 前記パージガスは、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ、Ｈ２及びＯ２からなる群より選択されるいずれか１つ以上のガスであることを特徴とする
請求項１から３のいずれか一項に記載の化学気相蒸着方法。 - 前記反応ガスは、液相の金属有機化合物を加熱して純粋な蒸気に変換されたガスであることを特徴とする
請求項１から４のいずれか一項に記載の化学気相蒸着方法。 - 前記反応ガスは、運搬ガスを用いて液相の原料物を蒸発器から気化させて前記運搬ガスと混合されたガスであることを特徴とする
請求項１から４のいずれか一項に記載の化学気相蒸着方法。 - 前記シャワーヘッドを取り囲む冷却ジャケットに冷却剤を注入して前記シャワーヘッドを冷却する冷却段階を更に含むことを特徴とする
請求項１から６のいずれか一項に記載の化学気相蒸着方法。 - 膜を蒸着させるための原料ガスをシャワーヘッドを介して基板上に供給する化学気相蒸着装置において、
前記シャワーヘッドは、前記原料ガスのうち反応ガスと同数であり、互いに隔離される内部空間を有し、前記夫々の反応ガスが反応ガス流入ポートを介して内部に流入して前記基板へ供給するための多数の反応ガス流路を底面に備えた多数の反応ガスシャワーヘッドモジュール；及び
前記反応ガスシャワーヘッドモジュールの下方に設けられ、前記原料ガスのうちパージガスがパージガス流入ポートを介して内部に流入して前記パージガスのみが充填され、前記反応ガスとは隔離された内部空間を有し、上面にはシール部材を用いて前記反応ガス流路を取り囲んで貫通させる多数の流入口が具備され、下面には多数の反応ガス流路の出口と前記反応ガス流路の出口より小さな直径を有する多数のパージガス出口とが更に形成されるパージガスシャワーヘッドモジュール；を含み、
前記各々の反応ガスシャワーヘッドモジュールに具備された各々の反応ガス流路は前記反応ガスシャワーヘッドモジュールより下方にある反応ガスシャワーヘッドモジュールの内部及び前記パージガスシャワーヘッドの内部を貫通することを特徴とする
シャワーヘッドを用いた化学気相蒸着装置。 - 前記反応ガスシャワーヘッドモジュールの各々の内部には多孔性の拡散板を更に備えることを特徴とする
請求項８に記載の化学気相蒸着装置。 - 膜を蒸着させるための原料ガスをシャワーヘッドを介して基板上に供給する化学気相蒸着装置において、
前記シャワーヘッドは、内部空間が多数個の隔室に互いに隔離されて多数の反応ガスが個別的に夫々の隔室ごとに備えられた反応ガス流入ポートを介して流入し、前記夫々の隔室の底面に多数個の反応ガス出口が形成され、前記反応ガス出口に連結されて前記反応ガスを前記基板上に供給するための反応ガス流路を備えた１つの反応ガスシャワーヘッドモジュール；及び
前記反応ガスシャワーヘッドモジュールの下方に設けられ、前記原料ガスのうちパージガスがパージガス流入ポートを介して内部に流入して前記パージガスだけが充填され、前記反応ガスとは隔離された内部空間を有し、上面には前記反応ガス流路を密封しながら貫通させる多数の流入口が具備され、下面には多数の反応ガス流路の出口と前記反応ガス流路の出口より小さな直径を有する多数のパージガス出口とが更に形成されるパージガスシャワーヘッドモジュール；を含み、
前記反応ガスシャワーヘッドモジュールに具備された夫々の反応ガス流路は前記反応ガスシャワーヘッドモジュールより下方にある前記パージガスシャワーヘッドモジュールの内部を貫通することを特徴とする
シャワーヘッドを備えた化学気相蒸着装置。 - 前記隔室の内部には多孔性の拡散板を更に備えることを特徴とする
請求項１０に記載の化学気相蒸着装置。 - 前記隔室は、前記反応気体シャワーヘッドモジュールの内部において円周方向に多数配列され、前記それぞれの隔室は、扇状、すなわち配列の中心に行くほどその幅が狭まる形状を呈し、前記反応ガス供給通路は、前記隔室の半径方向に所定距離毎、ずれるように備えられる(offset)ことを特徴とする
請求項１０又は１１に記載の化学気相蒸着装置。 - 前記隔室は、前記反応気体シャワーヘッドモジュールの内部において円周方向に多数配列され、前記それぞれの隔室は、扇状、すなわち配列の中心に行くほど円周方向に所定の長さだけ段差状に歪曲された断面を有し、前記反応ガス供給通路は、前記隔室が円周方向に繰り返されることにつれ、配列の中心方向に不規則的に備えられる(offset)ことを特徴とする
請求項１０又は１１に記載の化学気相蒸着装置。 - 前記パージガス出口は、直径が０．８ｍｍ〜１．４ｍｍであり、前記反応ガス流路の出口は直径が３．５ｍｍ〜５ｍｍであり、前記パージガス出口からはパージガスだけが噴射され、前記反応ガス流路の出口からは前記反応ガス流路の下端部を取り囲みながらパージガスが噴射されることを特徴とする
請求項８から１３のいずれか一項に記載の化学気相蒸着装置。 - 前記パージガスは、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ、Ｈ２及びＯ２からなる群より選択されるいずれか１つ以上のガスであることを特徴とする
請求項８から１４のいずれか一項に記載の化学気相蒸着装置。 - 前記反応ガスは、液相の金属有機化合物を加熱して純粋な蒸気に変換されたガスであることを特徴とする
請求項８から１５のいずれか一項に記載の化学気相蒸着装置。 - 前記反応ガスは、運搬ガスを用いて液相の原料物を蒸発器から気化させて前記運搬ガスと混合されたガスであることを特徴とする
請求項８から１５のいずれか一項に記載の化学気相蒸着装置。 - 前記基板と前記パージガスシャワーヘッドモジュールとの間の離隔距離は７０〜１２０ｍｍであることを特徴とする
請求項８から１７のいずれか一項に記載の化学気相蒸着装置。 - 前記シャワーヘッドを取り囲みながら前記シャワーヘッドを冷却剤を用いて冷却する冷却ジャケットを更に含むことを特徴とする
請求項８から１８のいずれか一項に記載の化学気相蒸着装置。 - 前記パージガスシャワーヘッドモジュールの下面において、前記反応ガス流路の出口が前記下面から１０ｍｍ以内に前記基板側に延設されていることを特徴とする
請求項８から１９のいずれか一項に記載の化学気相蒸着装置。 - 前記パージガスシャワーヘッドモジュールの下面において、前記反応ガス流路は前記反応ガス流路の出口の下端部に対して−３ｍｍ乃至＋３ｍｍの位置に凹設又は凸設されていることを特徴とする
請求項８から１９のいずれか一項に記載の化学気相蒸着装置。 - 反応室の内壁と天井から十分な距離だけ離れて、前記反応室の内部に位置しており、前記基板をドームの形態で取り囲みながら下端部が反応室の底と当接しており、その表面に多数の微細孔が穿孔されている反応ガス封入装置；
前記パージガスが、外部から前記反応室と前記反応ガス封入装置との間の空間へ供給できるように、前記反応室に形成されるパージガス流入ポート；及び
副産物を排出するために、前記反応ガス封入装置の内部に設けられる排気口；を更に含み、
前記反応ガス封入装置に前記シャワーヘッドが設けられるが、
前記シャワーヘッドの周縁部が、前記反応ガス封入装置の上面の中心部に形成された開放領域に沿って亘るようにして、前記シャワーヘッドの底面と基板とが向かい合うように設けられることを特徴とする
請求項８〜２１のいずれか一項に記載の化学気相蒸着装置。 - 反応室の内壁と天井から十分な距離だけ離れて、前記反応室の内部に位置しており、前記基板をドームの形態で取り囲みながら下端部が反応室の底と当接しており、その表面に多数の微細孔が穿孔されている円筒形ボディと、前記円筒形ボディの上端部に設けられ、周縁部が前記反応室の内壁と当接しており、中央部の開放された円板とを含んでなる反応ガス封入装置；
前記パージガスが、外部から前記反応室と前記反応ガス封入装置との間の空間へ供給できるように、前記反応室に形成されるパージガス流入ポート；及び
副産物を排出するために、前記反応ガス封入装置の内部に設けられる排気口；を更に含み、
前記反応ガス封入装置に前記シャワーヘッドが設けられるが、
前記シャワーヘッドの周縁部が、前記反応ガス封入装置の上面の中心部に形成された開放領域に沿って亘るようにして、前記シャワーヘッドの底面と基板とが向かい合うように設けられることを特徴とする
請求項８〜２１のいずれか一項に記載の化学気相蒸着装置。
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