JP2007146270A - ガス供給装置及び基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＣＶＤ装置などに用いられ、ニッケル部材を組み立てて構成されるガスシャワーヘッド（ガス供給装置）において、高温によるニッケル部材同士の貼り付きを防止すること。
【解決手段】多数のガス供給孔が形成されたニッケル部材からなるシャワープレートと、このシャワープレートとの間に処理ガスの通流空間が形成されると共に処理容器の天井部の開口部の周縁部に気密に取り付けられるニッケル部材からなるベース部材と、を互いに周縁部にてネジで接合するにあたり、互いの接合面の間にニッケル部材とは異なる材質例えばハステロイやカーボンなどの中間部材を介在させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば基板に対して所定の成膜処理を行うために、基板に対向する多数のガス供給孔から処理ガスを処理容器内に供給するガス供給装置、及びこのガス供給装置を用いた基板処理装置に関する。
半導体製造プロセスの一つに成膜処理があり、このプロセスは通常真空雰囲気下で処理ガスを例えばプラズマ化あるいは熱分解することで活性化し、基板表面上に活性種あるいは反応生成物を堆積させることにより行われる。そして成膜処理の中には、複数種類のガスを反応させて成膜するプロセスがあり、このプロセスとしては、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｔａなどの金属、またはＴｉＮ、ＴｉＳｉ、ＷＳｉなどの金属化合物、あるいはＳｉＮ、ＳｉＯ2などの絶縁膜といった薄膜の形成を挙げることができる。
このような成膜処理を行うための装置は、真空チャンバをなす処理容器内に基板を載置するための載置台が配置されると共に処理容器にガス供給装置が設けられ、更にガスにエネルギーを与えるための手段である加熱装置やプラズマ発生手段などが組み合わせて設けられている。そしてガス供給装置は一般にガスシャワーヘッドと呼ばれ、処理容器の天井部に形成された開口部を塞ぐようにかつ前記載置台と対向するように設けられている。このガスシャワーヘッドは例えば特許文献１に記載されており、図１０に示すように、処理容器の上部の開口部を塞ぐ扁平な有底筒状体からなるベース部材１１と、このベース部材１１の底面部の下方側に設けられたシャワープレート１２と、を備えている。ベース部材１１は処理容器内の真空雰囲気と大気雰囲気とを仕切る役割もあることから、上端周縁部のフランジ部１３と処理容器の開口部の周縁部１４とがリング状の樹脂シール部材であるＯリング１５により気密に接合されている。
シャワープレート１２の周縁部には起立した側壁が設けられていて、この側壁の上縁がフランジ部１２ａとして構成され、前記フランジ部１２ａとベース部材１１の底面部１５ａの周縁部とがボルト１６により接合されている。またベース部材１１の中央部には、２本のガス供給管１７ａ及び１７ｂが接続されており、これらガス供給管１７ａ及び１７ｂのガスが夫々分離されたシャワープレート１２のガス供給孔１８ａ及び１８ｂから噴出するように構成されている。
そしてガスシャワーヘッドの材質としては、ニッケルが用いられている。その理由については、ニッケルは例えば５００℃程度の高温下においても耐食性が高いこと、また基板に対するメタルコンタミのおそれが少ないこと、更にプラズマ処理を行うときには電極を兼用し、その導電性が大きいことなどである。しかしながらこのようなガスシャワーヘッドは、次のような問題がある。
プロセスの種別によっては処理雰囲気の温度が高く、ガスシャワーヘッドが例えば４２０℃以上の高温になる場合があるが、高温によりシャワープレート１２とベース部材１１との接合部分が互いに貼り付くおそれがある。後述のように実験の上で４５０℃で強固な貼り付きが起きてしまうことから、４２０℃以上の高温で使用すると、使用の態様や接合面の状態によっては貼り付きの起こるおそれは大きい。このため装置のメンテナンス時に、ガスシャワーヘッドの内部を洗浄するためにガスシャワーヘッドを分解するときに、両者の分離ができないかあるいは大きな力を加えなければならない事態が生じる。このように貼り付きがおこる理由は、ニッケル材の表面原子が接合界面を介して拡散し、表面には微細ではあるが凹凸が存在するのでアンカー効果により接合面同士が接着することに基づく。このためメンテナンス作業が困難な作業になるか、あるいはこれらを例えば定期的に交換しなければならなくなり、ガスシャワーヘッドはニッケル材で構成されていることもあってランニングコストの高騰の要因になる。
更にまたニッケルは熱伝導率が大きいことから、ベース部材１１の側壁を伝って放熱する熱量が大きく、そのためガスシャワーヘッドに設けられるヒータの発熱量を大きくしなければならないことから、消費電力が大きくなるし、Ｏリング１５が温度上昇により劣化するという問題もある。Ｏリング１５の劣化を避けるためには冷却機構を設ければよいが、ベース部材１１側からの放熱量が大きいため、冷却のための消費エネルギーが大きくなる。
更に上述のガスシャワーヘッドは、次のような課題も抱えている。ガスシャワーヘッドの温度制御を行うために、ベース部材１１の底面部の上側に面状のヒータを設け、またベース部材１１の底面部にその先端が埋設される熱電対を用いた温度検出部を設け、その温度検出値に基づいてヒータの供給電力量を制御している。温度検出部は、絶縁材を充填したシース金属の中に熱電対を挿入した構造となっており、プラズマ処理をおこなうときには、ガスシャワーヘッドからの高周波がシース金属と熱電対との間に印加され、絶縁破壊が起こる懸念がある。そこで、ベース部材１１と温度検出部との間に絶縁材を設けることもあるが、絶縁材の誘導加熱による発熱が温度検出値に影響を及ぼし、温度制御が不安定になるおそれがある。
特開２００２−３２７２７４号公報：図３
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、処理容器内に処理ガスを供給するガス供給装置において、高温によるニッケル部材同士の貼り付きを防止することができ、メンテナンス性のよいガス供給装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、このガス供給装置を用いた基板処理装置を提供することにある。
本発明は、基板を処理するための処理容器の天井部に形成された開口部を気密に塞ぐように設けられると共に複数のニッケル部材を組み合わせて構成され、下面に形成された多数のガス供給孔から処理容器内に処理ガスを供給するガス供給装置において、
前記ニッケル部材同士の接合面の間に、ニッケル部材とは異なる材質からなる貼り付き防止用の中間部材を設けたことを特徴とする。
より具体的なガス供給装置の発明としては、多数のガス供給孔が形成されたニッケル部材からなるシャワープレートと、
このシャワープレートの周縁部の上面とその周縁部の下面とが互いに気密に接合されて、当該シャワープレートとの間に処理ガスの拡散空間が形成されると共に処理容器の前記開口部の周縁部に気密に取り付けられ、少なくともシャワープレートと対向する部分がニッケル部材からなるベース部材と、
前記シャワープレートの周縁部の上面と前記ベース部材の周縁部の下面との間に介在し、ニッケル部材とは異なる材質からなる貼り付き防止用の中間部材と、を備えた構成を挙げることができる。
ニッケル部材とは、ニッケル１００％の部材に限らず、ニッケルを主成分とする部材も含む意味である。前記中間部材は、ハステロイまたはカーボンなどを挙げることができる。例えばベース部材は、上端周縁部が処理容器の前記開口部の周縁部に気密に取り付けられ、底面部の周縁部がシャワープレートの周縁部に気密に接合された扁平な有底筒状体として構成されている。また前記ベース部材の側壁部は、例えばニッケル部材よりも熱伝導率が小さい材質により構成されている。この材質としてはハステロイが好ましい。また前記ベース部材は、側壁部を補強するためにニッケル部材よりも熱伝導率が小さい材質からなる補強部材を備えていることが好ましい。前記ベース部材の上端周縁部は冷媒流路例えばエアー流路が形成されていることが好ましい。
本発明のガス供給装置は、例えばいわゆるプリミックス型として構成される。この場合、処理ガスは、互いに反応して成膜成分を生成する第１のガスと第２のガスとを含み、ガス供給装置はこれらガスが予め混合されてその中に導入され、その混合ガスを処理容器内に供給するように構成されている。
本発明は、基板処理装置例えば成膜装置としても成り立ち、この装置は、気密な処理容器と、この処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、処理容器内のガスを排気する排気手段と、本発明のガス供給装置と、を備え、ガス供給装置から供給される処理ガスにより載置台上の基板を処理することを特徴とする。この場合、ベース部材の上端周縁部は処理容器の前記開口部の周縁部とは、樹脂シール部材を介して気密に接合される構成を挙げることができる。
他の発明に係る基板処理装置は、気密な処理容器と、この処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、処理容器内のガスを排気する排気手段と、本発明のガス供給装置と、を備え、
前記ベース部材の上端部は、高周波絶縁のためのアルミナからなる上側絶縁部材を介して処理容器に固定され、
前記上側絶縁部材の下方側には、前記処理容器における前記ベース部材と横方向に対向する部位を囲むように高周波絶縁のための石英からなる下側絶縁部材が設けられ、
前記ガス供給装置から供給される処理ガスにより載置台上の基板を処理することを特徴とする。
更に本発明は、気密な処理容器と、この処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、処理容器内のガスを排気する排気手段と、請求項１ないし９のいずれか一つに記載のガス供給装置と、基板を加熱するために載置台に設けられた第１の温調手段と、前記ガス供給装置における処理雰囲気に接する面の温度を制御するためにガス供給装置に設けられた第２の温調手段と、前記第１の温調手段及び第２の温調手段を制御する制御部と、を備え、基板上にチタン膜を成膜するためにガス供給装置から四塩化チタンガスと水素ガスとを処理容器内に供給し、続いて基板上のチタン膜を窒化するためにアンモニアガスを処理容器内に供給するようにガス供給制御を行う基板処理装置であって、
前記制御部は、前記ガス供給装置における処理雰囲気に接する面の温度が、ニッケルとアンモニアとが反応して固体生成物が生成される温度よりも低くかつＴｉＣｌx（ｘは１、２または３）の分解温度領域となるように、第２の温調手段の設定温度が決められていることを特徴とする。
この基板処理装置においては、前記第２の温調手段は前記ガス供給装置における処理雰囲気に接する面の温度が４００〜４５０℃になるよう制御されることが好ましい。この場合、前記第１の温調手段は基板温度を４５０〜６００℃の範囲で加熱するように制御されるとともに、前記第２の温調手段は前記基板温度に応じて１８０〜４７５℃の温度範囲で制御されることが好ましい。
本発明によれば、複数のニッケル部材を組み合わせて構成したガス供給装置において、ニッケル部材同士の接合面の間に、ニッケル部材とは異なる材質からなる貼り付き防止用の中間部材を設けているため、例えばシャワープレートの周縁部の上面と、このシャワープレートとの間に処理ガスの通流空間を形成するベース部材の下面との間に貼り付き防止用の中間部材を設けているため、高温によるニッケル部材同士の貼り付きを防止することができる。従ってメンテナンス時にガスシャワーヘッドを容易に分解することができるので、内部の洗浄や点検などを行うことで再使用することができ、メンテナンスを行わずに交換するといった不具合を解消することができる。
本発明のガス供給装置をプラズマＣＶＤにより成膜を行うための成膜装置に組み込んだ実施の形態について説明する。先ず成膜装置の全体構成について、図１の概略図に基づいて構成の概略を説明しておく。図１において２は例えばアルミニウムからなる真空チャンバである処理容器であり、この処理容器２は、上側が大径の円筒部２ａでその下側に小径の円筒部２ｂが連設されたいわばキノコ形状に形成され、その内壁を加熱するための図示しない加熱機構が設けられている。処理容器２内には、基板である例えば半導体ウエハ（以下ウエハという）Ｗを水平に載置するための基板載置台をなすステージ２１が設けられ、このステージ２１は、小径部２ｂの底部に支持部材２２を介して支持されている。
ステージ２１内にはウエハＷの温調手段をなすヒータ２１ａ（図２参照）及び後述する下部電極となる図示しない導電部材が設けられている。また必要に応じてウエハＷを静電吸着するための図示しない静電チャックが設けられる。更にステージ２１には、ウエハＷを保持して昇降させるための例えば３本の支持ピン２３がステージ２１の表面に対して突没自在に設けられ、この支持ピン２３は、支持部材２４を介して処理容器２の外の昇降機構２５に接続されている。処理容器２の底部には排気管２６の一端側が接続され、この排気管２６の他端側には真空排気手段である真空ポンプ２７が接続されている。また処理容器２の大径部２ａの側壁には、ゲートバルブ２８により開閉される搬送口２９が形成されている。
更に処理容器２の天井部には開口部３１が形成され、この開口部３１を塞ぐようにかつステージ２１に対向するように本発明のガス供給装置であるガスシャワーヘッド４が設けられている。ここでガスシャワーヘッド４及びステージ２１は夫々上部電極及び下部電極を兼用しており、ガスシャワーヘッド４は整合器３２を介して高周波電源部３３に接続されると共に、下部電極であるステージ２１は接地されている。なお図１では配線図は略解的に記載してあるが、実際にはステージ２１は処理容器２に電気的に接続され、処理容器２の上部から図示しないマッチングボックスを介して接地され、高周波の導電路が処理空間を包み込むようになっている。
ガスシャワーヘッド４は、図２に示すように大きく分けると上部分であるベース部材５と下部分であるシャワープレート６とからなる。ベース部材５は、上面が開口し、下面が閉じられた扁平な有底筒状体（言い換えれば円形状プレートの周縁を垂直に起立させた形状）として構成され、この筒状体の上端周縁部は外側に屈曲されてフランジ部５１を形成している。処理容器２の前記開口部３１の内周縁部には、上部電極であるガスシャワーヘッド４と処理容器２の金属本体部分とを絶縁（高周波絶縁）するための絶縁部材３４が設けられ、ベース部材５のフランジ部５１は図示しないネジにより前記絶縁部材３４の上面に固定されている。より詳しくは、絶縁部材３４の上面に形成されたリング状の溝内には、リング状の樹脂シール材であるＯリング３５が密合され、フランジ部５１の下面と絶縁部材３４の上面とがこのＯリング３５を介して気密に接合されている。またフランジ部５のネジによる固定部位はＯリング３５の外側部位となる。なお３６は、フランジ部５１を絶縁部材３４側に押しつけるように設けられた絶縁材からなる押圧リング部材である。このようにベース部材５は、前記開口部３１を気密に塞ぐように設けられていることになる。
前記絶縁部材３４は、上側部分（上側絶縁部材）３４ａと下側部分（下側絶縁部材）３４ｂとからなる２層構造として構成されており、上側部分３４ａの材質はアルミナが用いられ、下側部分３４ｂの材質は石英が用いられている。下側部分３４ｂは、前記処理容器における前記ベース部材と横方向に対向する部位を囲むように設けられる。このように２層構造を採用している理由は、次の通りである。即ちシャワーヘッド４を囲む下側部分３４ｂを比誘電率の低い石英で構成することにより、シャワーヘッド４と処理容器２の壁部との間の高周波インピーダンスをできるだけ大きくして、両者の間における高周波のリークを抑え、電力のロスやノイズの漏洩を低減し、また異常放電を起こりにくくしている。一方石英は加工性が悪いので、上側部分３４ａを比誘電率は高いが加工性の良いアルミナで構成し、これによりシャワーヘッド４のフランジ部５１を固定するためのネジ孔加工を容易にしている。従って上側部分３４ａにネジ孔を加工することができる範囲内でできるだけ下側部分３４の上端位置を上方側に位置させ、シャワーヘッド４を囲む下側部分３４ｂの領域を大きくすることが望ましい。
ベース部材５は、フランジ部５１及び底面部５２がニッケル部材により構成されている。ニッケル部材とは、ニッケルが１００％の材質からなる部材及びニッケル以外の成分を含むがニッケルを主成分とする部材のいずれも含む。そしてベース部材５の側壁部５３は、ニッケル部材よりも熱伝導率が小さい材質、この例ではハステロイにより構成されている。この側壁部５３は、ガスシャワーヘッド４の処理雰囲気側の部位を加熱することにより発熱した熱が上部に伝熱される部位であるため、その伝熱を抑えるために厚さを小さく例えば１ｍｍに設定してある。ハステロイは熱伝導率が小さい上に強度も大きいため、ニッケル部材と同等の強度を得ながら厚さを小さくできるが、処理容器２内は真空雰囲気であり、この側壁部５３に大きな力が加わるため、変形防止のために補強構造を採用している。
即ち、後述の図４の分解斜視図にも示されているように、ベース部材５の上端の内周縁部に内側に突出する突出部５４が周方向に沿って複数個所例えば等間隔に４個所設けられ、この突出部５４とベース部材５の底面部５２とを連結する補強部材例えば補強パイプからなる支柱５５が設けられている。突出部５４及び支柱５５は、下部側から上部側に伝熱する部位でもあるため、この例ではニッケル部材よりも熱伝導率が小さい材質例えばハステロイにより構成されている。なおニッケル部材にハステロイからなる部材を組み合わせるための手法としては、例えばロー付けなどが行われる。
またＯリング３５の昇温を抑えるためにフランジ部５１には冷却機構をなす冷媒流路である空冷流路５１ａが形成されており、この空冷流路５１ａには冷媒である冷却用エアーが通流されるようになっている。
次ぎにガスシャワーヘッド４の下部分であるシャワープレート６について述べる。シャワープレート６は、ステージ２１に対向する部位に相当する円形のプレート部の周縁部を起立させ、その起立縁の上部を外側に屈曲してフランジ部６０を形成してなり、ネジ止めされる個所は外周面から内側に切り欠かれている。シャワープレート６には、ベース部材５と接合されることでその間に形成されるガスの拡散空間６２に連通し、処理容器２内に処理ガスを供給するための多数のガス供給孔６１が穿設されている。またシャワープレート６は、既述したニッケル部材により構成され、図２及び図３に示すように、フランジ部６０の上面とベースプレート５の底面部５２の周縁部の下面とが、その間にリング状の中間部材６３を介在させた状態で互いに接合され、ネジ６４により固定されている。この中間部材６３は、ニッケル部材同士の貼り付き防止のためのものであり、ニッケル部材とは異なる材質が用いられるが、その中でも金属汚染を引き起こすおそれのない材質が好ましく、例えばハステロイやカーボンなどが挙げられる。この例では中間部材６３は、例えばハステロイからなり、厚さ２．６ｍｍに成形されている。
この実施の形態のガスシャワーヘッド６２は、複数の処理ガスが予め混合された混合ガスが導入され、その混合ガスである処理ガスを処理容器２内に供給するいわゆるプリミックスタイプのものとして構成されている。このためベース部材５の底面部５２の中央部には、処理ガス（混合ガス）を供給するためのガス導入ポート５６が穿設され、このガス導入ポート５６に連続するように起立したガス導入管５７が設けられている。図１に示すようにガス導入管５７の上流端側にはガス混合部５８が接続され、ガス混合部５８には、ガス供給路１０１を介して例えばＴｉＣｌ4ガス源１０２、Ａｒガス源１０３及びＣｌＦ3ガス源１０４に接続されていると共に、ガス供給路１０５を介して例えばＨ2ガス源１０６及びＮＨ3ガス源１０７に接続されている。なお鎖線で囲んだ１０８で示す部分は、各ガス供給路に設けられたバルブやマスフローコントローラなどのガス供給機器の群である。
ベース部材５の底面部５２の上には、ガスの拡散空間６２や処理雰囲気に面しているシャワープレート６の温度を調整するための温度調整機構が設けられている。この温度調整機構について図４も参照しながら述べると、前記底面部５２の上には、絶縁部材例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる例えば厚さ４ｍｍの絶縁プレート７が設けられ、この絶縁プレート７の上に面状のヒータ７１が載置されている。これら絶縁プレート７及びヒータ７１は平面方向に複数に分割できる構造とすることがメンテナンス性が良好である観点から望ましく、この例では、夫々４分割構造及び２分割構造として構成されている。面状のヒータ７１は、図５を参照すると、絶縁材である例えばマイカからなるコアプレート７２に抵抗発熱線７２ａを巻回し、このコアプレート７２を２枚のマイカからなる保護プレート７３、７４により挟んでサンドイッチ構造としたものである。
またシャワーヘッド４のベース部材５とヒータ７１との関係については、両者の中心が一致していてかつベース部材５の表面積に対するヒータ７１の表面積の割合が８０％以上であることが、シャワープレート６の温度を安定化させる上で好ましい。
このようにベース部材５とヒータ７１との間にＡｌＮからなる絶縁プレートを介在させることにより、プラズマ処理を行う場合には、ベース部材５を流れる高周波がヒータ７１に影響を及ぼすことを抑えることができ、このためヒータ７１のマイカの絶縁破壊を防止できる。またＡｌＮは熱伝導率が大きいので、ヒータ７１からの熱を効率よくベース部材５側に伝熱することができる。
更に図２、図４及び図５に示すようにヒータ７１の上には、冷却機構である空冷パイプ７５が設けられている。この空冷パイプ７５は、リング状に形成され、リング部分から送気管７６が立ち上げられ、送気管７６の基端側はエアー源７６ａに接続されている。また空冷パイプ７５は、下部側において鉛直線に対して斜め４５度の内側及び外側方向に向けて例えば常温のエアーを吹き出すための吹き出し孔７７、７８が長さ方向（リング部分の周方向）に沿って間隔をおいて多数設けられている。この空冷パイプ７５からのエアー吹き出しによる冷却は、成膜プロセスからクリーニングプロセスに移行するときにベース部材５の底面部５２を急冷する場合に利用されるが、プロセス時例えばプリコート時などにおいてステージ２１からの輻射熱により底面部５２の検出温度が設定温度を越えてしまうとき等において常時利用するようにしてもよい。前記吹き出し孔７７、７８から吹き出したエアーは、夫々ヒータ７１における中央寄りの領域及び周縁側領域を冷却するが、空冷パイプ７５のリング状部分の大きさ（直径）は、適宜実験により決めることになる。
またベース部材５の底面部５２には、熱電対を備えた温度検出部８の先端部が埋設されている。この温度検出部８は、図６に示すようにシース金属８１の中に絶縁材である例えばマグネシア（酸化マグネシウム）８２を充填し更に熱電対８３が挿入されて構成されており、シース金属８１の先端部には、絶縁材であるアルミナを材質とする保護キャップ８４が被せられている。そして温度検出部８は、ヒータ７１から絶縁プレート７を介してベース部材５の底面部５２に亘って開けられた孔部の中に保護キャップ８４を挿入して、前記底面部５２に埋設された構造となっている。ヒータ７１の上には、保護管８５が起立して設けられ、この保護管８５の中にシース金属８１及び保護キャップ８４の一部が収まっている。シース金属８１の上部側は固定部材８６（図２参照）を介してベース部材５に固定されている。図２において８７は制御部、８８は電源部であり、制御部８７は、温度検出部８の温度検出値に基づいて電源部８８を介してヒータ７１の供給電力を調整して温度制御を行っている。８８ａは給電路である。
前記保護キャップ８４の役割は、シース金属８１をベース部材５（底面部５２）に接触させると、ベース部材５に流れる高周波がシース金属８１と熱電対８３との間に印加されてマグネシア（酸化マグネシウム）８２が絶縁破壊を起こすので、これを防止することにある。保護キャップ８４の材質としてはＡｌＮを用いることもできるが、ＡｌＮは誘電率が大きいために誘導加熱による発熱量が大きく、この発熱による温度上昇が温度検出値に影響を及ぼすので温度制御が不安定になる。これに対して保護キャップ８４の材質としてアルミナを用いれば、その誘電率が小さいため誘導加熱による発熱量が小さく、精度良く、安定した温度制御を実現できる。
次に上述の実施の形態の作用について、ウエハＷ表面にＴｉ膜を成膜する場合を例にとって述べる。今、処理容器２内がクリーニングされ、これからプロセスを行うものとすると、先ずウエハＷに対してプロセスを行う前に処理容器２内のプリコート処理を行う。このプリコート処理は、処理雰囲気にさらされる部材の表面に、ウエハＷに対して成膜しようとする膜と同じあるいは同種の膜を予め付けておくための処理であり、この例ではＴｉ膜が成膜される。
具体的には、ウエハＷをステージ２１に載せない状態でガス供給源１０２、１０３から第１のガスであるＴｉＣｌ4ガス及びＡｒガスの混合ガスがガス供給路１０１を介して混合部５８に送られ、またガス供給源１０６から第２のガスであるＨ2ガスがガス供給路１０５を介してガス混合部５８に送られ、これらのガスが混合されてガス導入管５７を介してガスシャワーヘッド４の拡散空間６２に吐出して拡散し、シャワープレート６のガス供給孔６１より処理雰囲気に供給される。
一方真空ポンプ２７により処理容器２内を真空排気し、排気管２６に設けられた図示しない圧力調整バルブを調整して処理容器２内の圧力を設定圧力にすると共に、高周波電源部３３から上部電極であるガスシャワーヘッド４と下部電極であるステージ２１との間に高周波電力を供給して、処理ガスつまり第１のガス及び第２のガスをプラズマ化し、ＴｉＣｌ4をＨ2により還元して処理雰囲気に接する部材の表面、具体的にはステージ２１、シャワープレート６の下面にＴｉを堆積して薄膜であるプリコート膜を形成する。このとき反応副生成物であるＨＣｌは未反応ガスとともに排気される。
この段階において、プリコート膜の膜質を良好なものつまり剥がれにくい緻密な膜とするためには、シャワープレート６の温度をある設定温度例えば４２０℃に設定することが必要であるが、ステージ２１の温度は例えば６５０℃に設定されており、ステージ２１からの輻射熱によりガスシャワーヘッド４が昇温する。ところで既述のようにガスシャワーヘッド４の一部（前記側壁部５３など）にハステロイを使用して熱の逃げを抑えていることから、シャワープレート６やベース部材５の底面部５２における蓄熱量が多くなるので昇温の程度が大きくなり、このままでは設定温度である４２０℃を越えてしまう。このためベース部材５の底面部５２の上方側に設けられた空冷パイプ７５からエアーを吹き出してガスシャワーヘッド４を冷却する。
このとき例えばエアーを常時吹き出すようにすることにより、ガスシャワーヘッド４全体が４２０℃よりも低くなる状態とし、その上でヒータ７１を動作させてその発熱により、温度検出値が所定の温度になるように温度制御している。エアー吹き付けにより設定温度に合わせ込もうとすると、吸熱量の変化が鈍いことから、温度制御について高い安定性が得がたいが、上述のように設定温度の合わせ込みをヒータ７１に受け持たせることによりガスシャワーヘッド４の温度制御が安定し、その結果良好なプリコート処理が行える。
こうしてプリコート処理が終了すると、次いで図１に示すように基板であるウエハＷが図示しない搬送アームによりゲートバルブ２８を開とした搬送口２９を介して処理容器２内に搬入され、支持ピン２３との協働作用によりステージ２１上に受け渡される。ゲートバルブ２８を閉じた後、プリコート処理と同様にして成膜処理が行われ、ウエハＷにＴｉ膜が成膜されるが、このときにおいても同様にガスシャワーヘッド４の温度制御が行われる。
続いて第１のガスであるＴｉＣｌ4ガスと第２のガスであるＨ2ガスの供給を停止すると共にＮＨ3（アンモニア）ガスの供給を開始する。これによりＮＨ3ガスがガス拡散空間６２に吐出されて拡散し、ガス供給孔６１から処理空間に吐出する。このときにおいても高周波電力が処理空間に供給され、ウエハＷ上に既に形成されているＴｉ薄膜の表面がＮＨ3の活性種により窒化される。窒化終了後、高周波電力の供給とＮＨ3ガスの供給とを停止し、その後ウエハＷを既述の搬入動作と逆の動作で処理容器２から搬出する。
こうしてウエハＷの成膜処理が所定枚数行われた後、クリーニング処理を行う。このクリーニング処理は、プラズマを立てずにＣｌＦ3ガスをガス供給路１０１を介してガスシャワーヘッド４から処理容器２内に供給することにより行われるが、シャワープレート６の温度を２００〜２５０℃程度に設定する必要がある。空冷パイプ７５からは常時エアーが吹き出しているのでヒータ７１をオフにすると、後は空冷パイプ７５からのエアーによる冷却作用だけになり、この結果ガスシャワーヘッド４が急冷され、速やかにクリーニング処理に移行される。
上述の実施の形態によれば、シャワープレート６の周縁部の上面と、ベース部材の周縁部の下面との間に貼り付き防止用のハステロイからなるリング状部材である中間部材６３を設けているため、高温によるニッケル部材同士の貼り付きを防止することができる。従ってメンテナンス時にガスシャワーヘッドを容易に分解することができるので、作業者に大きな負担をかけることなく内部の洗浄や点検などを行うことで再使用することができ、メンテナンスを行わずにガスシャワーヘッド４を交換するといったランニングコストの高騰の要因になるような不具合を避けることができる。
また既述のようにベース部材５の側壁部５３及び補強部材である支柱５５を熱伝導率の小さいハステロイで構成しており、ハステロイは強度が大きいので側壁部５３を例えば１ｍｍ程度と肉薄にできることもあって、ベース部材５の底面部５２から外部への熱の逃げが少なくなり、シャワープレート６を効率よく加熱することができ、結果として消費電力を抑えることができる。またこれによりシャワープレート６がプロセスによっては蓄熱量が多くなって設定温度を越える場合もあるが、そのときは常時空冷して温度を設定温度よりも少し下げ、この状態でヒータ７１により温度調整を行うので、良好な温度制御ができる。なお、常時空冷することによる熱の逃げよりもベース部材５の全部をニッケル部材で構成したことによる熱の逃げの方が大きいため、このような温度制御を行っても消費電力を抑えることができる。
更に既述のようにＡｌＮからなる絶縁プレート７の上にヒータ７１を載せているのでヒータ７１の絶縁破壊のおそれもなく、また温度検出部８の先端部をアルミナキャップ８４で被覆しているので、安定した温度制御を行えるなど、優れたプリミックスタイプのガスシャワーヘッド４を提供することができる。
ここで上記の中間部材の効果を確認する実験結果について述べておく。この実験では、縦、横が夫々３４ｍｍ、１６ｍｍのニッケル部材からなる角型のブロックを用い、これらを重ねてトルクを３〜５Ｎ・ｍ程度として互いにボルト締めし、４５０℃、５００℃、の２通りの温度で５０時間加熱した。また厚さが０．１５ｍｍのハステロイからなる薄板をブロック間に介在させて同様に加熱を行った。いずれの実験も複数個用意して行った。その結果ニッケル部材同士を接合させた場合には４５０℃の加熱において２００Ｋｇｆもの引っ張り応力をかけないと外れないものもあった。これに対して中間部材を用いた場合には、４５０℃の加熱では貼り付きが起こらなかったか、貼り付きが起きたとしても簡単に手で外すことができ、５００℃おいては多少貼り付きのあるものが見られた程度であった。従って中間部材を介在させることでニッケル部材の高温による貼り付きを有効に抑えられることがわかる。
ここで上述の基板処理装置である成膜装置を用いてウエハＷを成膜するにあたっては、最終製品である集積回路の種類や成膜を施す部位などに応じてウエハＷの設定温度が複数用意される場合が多い。一方ＴｉＣｌ4ガス及びＨ2ガスを用いてＴｉ膜を成膜し更に続いてＮＨ3ガスによりＴｉ膜を窒化する連続処理を行う場合には、ガスシャワーヘッド４における処理雰囲気に接する温度（この温度をシャワープレート６の温度と呼ぶ）については注意を払う必要がある。先ずＴｉ膜の成膜プロセスではプラズマ中でＴｉＣｌ4ガスが分解され、低次の分解生成物ＴｉＣｌx（ｘ＝１，２，３）を生成する。このＴｉＣｌｘは処理容器内の低温部位に付着し、成膜プロセスの不安定要因となる。特にＴｉＣｌｘはプラズマに接するシャワープレート６に付着し、そのまま不安定な形態で残留すると、Tｉ成膜の際プラズマ中に余分なＴｉ原子を供給し、Ｔｉ成膜の再現性を著しく劣化させる。このためシャワープレート６の温度を、付着したＴｉＣｌｘが更に分解してＴｉ膜となり安定化する高い温度に維持する必要がある。ＴｉＣｌｘの分解（安定化）温度はＴｉ成膜に続く窒化処理にも依存するが、約４００℃以上である。
また４５０℃付近の温度において、ガスシャワーヘッド４の材質であるニッケルとＮＨ3ガスとが反応して固体生成物であるニッケル化合物が生成される。このニッケル化合物は５００℃付近の温度で昇華するため、この温度範囲における部位にはニッケル化合物が付着する。ＴｉＣｌxの分解温度、前記ニッケル化合物の生成温度及び当該ニッケル化合物の昇華温度を夫々ＴＡ、ＴＢ及びＴＣとすると、温度と化合物の状態との関係は図８のように表される。
本発明者は、既述の理由によりウエハＷの設定温度として４５０℃、５５０℃及び６００℃の３通りを含む運用を検討している。この場合、シャワープレート６にニッケル化合物が付着するとそれが剥がれてパーティクル汚染の要因となるので、シャワープレート６の温度としては、前記ニッケル化合物の生成温度ＴＢよりも低いかまたはその昇華温度ＴＣ以上とすることが必要であるが、前記ニッケル化合物の発生そのものが起こらないほうがシステムとしては安全サイドに働くので、前記ニッケル化合物の生成温度ＴＢよりも低い方が好ましい。またウエハＷの温度が前記ニッケル化合物の昇華温度ＴＣよりも低い場合には、必ずシャワープレート６の温度をＴＢよりも低くしなければならない。何故なら、シャワープレート６の温度をＴＣ以上としてニッケル化合物を昇華させても、その昇華物がウエハＷの表面に付着するからである。
本発明者が検討しているプロセスレシピにおいては、ＴｉＣｌxの分解温度領域が４００℃以上であり、前記ニッケル化合物の生成温度が４５０℃よりも高いことから、この場合におけるウエハの温度、シャワープレート６の温度（シャワー温度）及びヒータ７１の温度の設定例について示しておく。
ウエハ温度（℃） シャワー温度（℃） ヒータ７１の温度（℃）
４５０ ４００ ４００
４５０ ４５０ ４７５
５５０ ４００ ３２０
５５０ ４５０ ４１０
６００ ４００ １８０
６００ ４５０ ３００
なお本発明のガスシャワーヘッドは、プリミックスタイプのものに限らず、従来例として示した図１０に示したいわゆるポストミックスタイプ、つまり第１のガスと第２のガスとを別々に処理容器２内に供給するタイプのものにも適用できる。
また本発明は、Ｔｉの成膜に限られるものではなく、半導体製造プロセスで行われる高温下の成膜処理などのガス処理を行う場合、例えばＷ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｈｆなどの金属、またはＴｉＮ、ＴｉＳｉ、ＷＳｉなどの金属化合物、あるいはＳｉＮ、ＳｉＯ2などの絶縁膜といった薄膜の形成などに適用できる。更に本発明のガスシャワーヘッドを適用した基板処理装置としては、プラズマＣＶＤ装置に限らず熱ＣＶＤ装置、エッチング装置、アッシング装置、スパッタ装置、アニール装置などにも適用することができる。実施例では基板として半導体ウエハを例としたが、ＬＣＤ基板、ガラス基板にも用いることができる。そしてまたニッケル部材の接合部分については上述の例に限られるものではなく、例えばシャワープレートを２枚のプレートを重ねて構成される場合、その接合面に中間部材を介在させてもよい。即ち、本発明は、複数のニッケル部材を組み合わせて構成したガス供給装置に適用できる。
本発明の実施の形態に係るガス供給装置を組み込んだ成膜装置を示す縦断面図である。 上記の実施の形態に係るガス供給装置を詳細に示す縦断面図である。 上記の実施の形態に係るガス供給装置の一部を示す分解断面図である。 上記の実施の形態に係るガス供給装置の一部を示す分解斜視図である。 上記の実施の形態に係るガス供給装置のベース部材と温度調整手段とを拡大して示す断面図である。 上記の実施の形態のガス供給装置に用いられる温度検出部がベースプレートの底面部に埋設された状態を示す縦断面図である。 上記の温度検出部の先端構造を示す断面図である。 チタン化合物の生成と温度との関係を示す説明図である。 上記のガス供給装置の温度制御系を示す構成図である。 従来のガス供給装置示す縦断面図である。
符号の説明
２ 処理容器
２１ ステージ（基板載置台）
３１ 開口部
３４ 絶縁部材
３５ Ｏリング
４ ガスシャワーヘッド（ガス供給装置）
５ ベース部材
５１ フランジ部
５１ａ 空冷流路
５２ 底面部
５３ 側壁部
５５ 補強用の支柱
６ シャワープレート
６１ ガス供給孔
６３ 中間部材
５７ ガス導入管
５８ ガス混合部

Claims (17)

  1. 基板を処理するための処理容器の天井部に形成された開口部を気密に塞ぐように設けられると共に複数のニッケル部材を組み合わせて構成され、下面に形成された多数のガス供給孔から処理容器内に処理ガスを供給するガス供給装置において、
    前記ニッケル部材同士の接合面の間に、ニッケル部材とは異なる材質からなる貼り付き防止用の中間部材を設けたことを特徴とするガス供給装置。
  2. 基板を処理するための処理容器の天井部に形成された開口部を気密に塞ぐように設けられ、下面に形成された多数のガス供給孔から処理容器内に処理ガスを供給するガス供給装置において、
    前記多数のガス供給孔が形成されたニッケル部材からなるシャワープレートと、
    このシャワープレートの周縁部の上面とその周縁部の下面とが互いに気密に接合されて、当該シャワープレートとの間に処理ガスの拡散空間が形成されると共に処理容器の前記開口部の周縁部に気密に取り付けられ、少なくともシャワープレートと対向する部分がニッケル部材からなるベース部材と、
    前記シャワープレートの周縁部の上面と前記ベース部材の周縁部の下面との間に介在し、ニッケル部材とは異なる材質からなる貼り付き防止用の中間部材と、を備えたことを特徴とするガス供給装置。
  3. 前記ベース部材は、上端周縁部が処理容器の前記開口部の周縁部に気密に取り付けられ、底面部の周縁部がシャワープレートの周縁部に気密に接合された扁平な有底筒状体として構成されていることを特徴とする請求項２記載のガス供給装置。
  4. 前記ベース部材の側壁部は、ニッケル部材よりも熱伝導率が小さい材質により構成されていることを特徴とする請求項３記載のガス供給装置。
  5. 前記ベース部材は、側壁部を補強するためにニッケル部材よりも熱伝導率が小さい材質からなる補強部材を備えていることを特徴とする請求項４記載のガス供給装置。
  6. ニッケル部材よりも熱伝導率が小さい材質は、ハステロイであることを特徴とする請求項４または５記載のガス供給装置。
  7. 前記ベース部材の上端周縁部は冷媒流路が形成されていることを特徴とする請求項２ないし６の記載のガス供給装置。
  8. 前記冷媒流路にはエアーが流通することを特徴とする請求項７記載のガス供給装置。
  9. 前記ベース部材の上面には絶縁プレートを介して面状のヒーターが配置され、前記絶縁プレートとヒーターは各々平面方向に複数に分割されていることを特徴とする請求項２ないし８のいずれか一つに記載の供給装置。
  10. 中間部材は、ハステロイまたはカーボンからなることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一つに記載のガス供給装置。
  11. 処理ガスは、互いに反応して成膜成分を生成する第１のガスと第２のガスとを含み、これらガスが予め混合されてその中に導入され、その混合ガスを処理容器内に供給するように構成されている請求項１ないし１０のいずれか一つに記載のガス供給装置。
  12. 気密な処理容器と、この処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、処理容器内のガスを排気する排気手段と、請求項１ないし１１のいずれか一つに記載のガス供給装置と、を備え、ガス供給装置から供給される処理ガスにより載置台上の基板を処理することを特徴とする基板処理装置。
  13. 気密な処理容器と、この処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、処理容器内のガスを排気する排気手段と、請求項２記載のガス供給装置と、を備え、
    前記ベース部材の上端部は、高周波絶縁のためのアルミナからなる上側絶縁部材を介して処理容器に固定され、
    前記上側絶縁部材の下方側には、前記処理容器における前記ベース部材と横方向に対向する部位を囲むように高周波絶縁のための石英からなる下側絶縁部材が設けられ、
    前記ガス供給装置から供給される処理ガスにより載置台上の基板を処理することを特徴とする基板処理装置。
  14. ベース部材の上端周縁部は、処理容器の前記開口部周縁部に対して樹脂シール部材を介して気密に接合されるものであることを特徴とする請求項１２または１３に記載の基板処理装置。
  15. 気密な処理容器と、この処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、処理容器内のガスを排気する排気手段と、請求項１ないし１１のいずれか一つに記載のガス供給装置と、基板を加熱するために載置台に設けられた第１の温調手段と、前記ガス供給装置における処理雰囲気に接する面の温度を制御するためにガス供給装置に設けられた第２の温調手段と、前記第１の温調手段及び第２の温調手段を制御する制御部と、を備え、基板上にチタン膜を成膜するためにガス供給装置から四塩化チタンガスと水素ガスとを処理容器内に供給し、続いて基板上のチタン膜を窒化するためにアンモニアガスを処理容器内に供給するようにガス供給制御を行う基板処理装置であって、
    前記制御部は、前記ガス供給装置における処理雰囲気に接する面の温度が、ニッケルとアンモニアとが反応して固体生成物が生成される温度よりも低くかつＴｉＣｌx（ｘは１、２または３）の分解温度領域となるように、第２の温調手段の設定温度が決められていることを特徴とする基板処理装置。
  16. 前記第２の温調手段は前記ガス供給装置における処理雰囲気に接する面の温度が４００〜４５０℃になるよう制御されることを特徴とする請求項１５記載の基板処理装置。
  17. 前記第１の温調手段は基板温度を４５０〜６００℃の範囲で加熱するように制御されるとともに、前記第２の温調手段は前記基板温度に応じて１８０〜４７５℃の温度範囲で制御されることを特徴とする請求項１６記載の基板処理装置。
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