JP2013048227A - Shower head device and deposition device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shower head device which enables high in-plane uniformity of the film thickness.SOLUTION: A shower head device 46, introducing a gas into a processing container 4 housing a workpiece W on which a thin film is formed, has a shower head body 50 where a gas diffusion chamber 48, diffusing the gas, is formed therein; and multiple gas jet holes 54 provided on a gas jet plate 52 of the shower head body. The multiple gas jet holes are arranged along multiple spiral curve lines 84, each of which is virtually formed with a center part of the gas jet plate located at the center. This structure uniformly diffuses the gas in the planar direction and improves the in-plane uniformity of the film thickness.

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の表面に薄膜を形成するためのシャワーヘッド装置及び成膜装置に関する。   The present invention relates to a shower head device and a film forming apparatus for forming a thin film on the surface of an object to be processed such as a semiconductor wafer.

一般に、半導体デバイス等を製造するためには、半導体ウエハ等の被処理体に対して、成膜処理、エッチング処理、アニール処理等の各種の処理が繰り返し行われる。例えば半導体ウエハを1枚ずつ処理する枚葉式の成膜装置を例にとれば、真空排気可能になされた処理容器内に半導体ウエハを設置し、このウエハを加熱しながら、処理容器の天井部に設けたシャワーヘッドのガス噴射孔から各種の成膜用のガスを噴射し、これによりウエハの表面に所望の膜種の薄膜を堆積するようになっている。   In general, in order to manufacture a semiconductor device or the like, various processes such as a film forming process, an etching process, and an annealing process are repeatedly performed on an object to be processed such as a semiconductor wafer. For example, in the case of a single wafer type film forming apparatus that processes semiconductor wafers one by one, a semiconductor wafer is placed in a processing container that can be evacuated and heated while the wafer is heated. Various film forming gases are ejected from the gas ejection holes of the shower head provided in the substrate, thereby depositing a thin film of a desired film type on the surface of the wafer.

そして、最近にあっては、半導体デバイスの更なる高集積化、及び微細化等が要請されており、これに伴って薄自体をより薄膜化すること及び膜厚の面内均一性をより向上させることが求められている。   Recently, there has been a demand for further higher integration and miniaturization of semiconductor devices. Along with this, the thin film itself is made thinner and the in-plane uniformity of the film thickness is further improved. It is demanded to make it.

上述のように、膜厚の面内均一性を向上させるためには、従来よりシャワーヘッドのガス噴射孔の配列や形状や大きさ等を最適化することが種々検討されている(例えば特許文献1、2、3)。例えば特許文献1ではガス噴射孔を多重の円周上や螺旋状に配置しており、特許文献2ではガス噴射孔を螺旋状に配置しており、特許文献3ではシャワーヘッドに区画部材により筒状に形成された多数のガス流路を形成し、この出口であるスリット状のガス噴射孔から処理容器内へガスを供給するようにしている。   As described above, in order to improve the in-plane uniformity of the film thickness, various studies have been made on optimizing the arrangement, shape, size, and the like of the gas injection holes of the showerhead (for example, Patent Documents). 1, 2, 3). For example, in Patent Document 1, the gas injection holes are arranged on multiple circumferences or in a spiral shape, in Patent Document 2, the gas injection holes are arranged in a spiral shape, and in Patent Document 3, the shower head is formed by a partition member. A large number of gas flow paths formed in a shape are formed, and gas is supplied from the slit-shaped gas injection holes, which are the outlets, into the processing container.

特開平03−248431号公報Japanese Patent Laid-Open No. 03-248431 特開2009−152603号公報JP 2009-152603 A 特開2009−239082号公報JP 2009-239082 A

しかしながら、上述したような従来のシャワーヘッドにあっては、ガス噴射孔の配列や形状は十分に最適化されているとはいい難く、膜厚の面内均一性が劣ってしまう、といった問題があった。特に最近にあっては、有機金属材料を用いて高誘電率(high−k)の薄膜を形成する場合のように、成膜ガスの供給方法として、原料ガスとオゾン等の反応ガス(酸化ガス)とを間欠的に互いに交互に繰り返し供給して原子レベル或いは分子レベルの厚さの薄膜を積層するようにした、いわゆるALD(Atomic Layer Deposition)法が採用されている。   However, in the conventional shower head as described above, it is difficult to say that the arrangement and shape of the gas injection holes are sufficiently optimized, and the in-plane uniformity of the film thickness is inferior. there were. Particularly recently, as a method for supplying a film forming gas as in the case of forming a high dielectric constant (high-k) thin film using an organic metal material, a source gas and a reactive gas such as ozone (oxidizing gas) ) Are intermittently and repeatedly supplied to each other, and a so-called ALD (Atomic Layer Deposition) method is employed in which thin films having a thickness of atomic level or molecular level are stacked.

このALD法では、数秒程度の短時間でシャワーヘッド内や処理容器内におけるガスの切り替えを上述したように行わなければならないが、膜厚の面内均一性を高く維持しつつシャワーヘッドのコンダクタンスを高くしてガスの切り替えを迅速に行うことは困難であった。   In this ALD method, the gas switching in the shower head and the processing vessel must be performed in a short time of about several seconds as described above. However, the conductance of the shower head can be increased while maintaining high in-plane film thickness uniformity. It was difficult to switch the gas quickly at a high value.

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明は、膜厚の面内均一性を高くすることが可能なシャワーヘッド装置及び成膜装置である。   The present invention has been devised to pay attention to the above problems and to effectively solve them. The present invention is a shower head apparatus and a film forming apparatus capable of increasing in-plane uniformity of film thickness.

本発明に係るシャワーヘッド装置及び成膜装置によれば、次のような優れた作用効果を発揮することができる。
薄膜が形成される被処理体を収容する処理容器内へガスを導入するシャワーヘッド装置において、ガスを処理空間に均一に分散させて供給することができる。従って、被処理体に形成される膜厚の面内均一性を向上させることができる。
According to the shower head apparatus and the film forming apparatus according to the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited.
In a showerhead apparatus that introduces gas into a processing container that accommodates an object to be processed on which a thin film is formed, the gas can be supplied in a uniformly dispersed manner in the processing space. Therefore, the in-plane uniformity of the film thickness formed on the object to be processed can be improved.

本発明に係るシャワーヘッド装置を用いた成膜装置を示す断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram which shows the film-forming apparatus using the shower head apparatus which concerns on this invention. シャワーヘッド装置のガス噴射板の下面を示す平面図である。It is a top view which shows the lower surface of the gas injection plate of a shower head apparatus. 図1中のA部を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows the A section in FIG. ガス噴射板のガス噴射孔の配置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating arrangement | positioning of the gas injection hole of a gas injection plate. 各ガスの供給のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows an example of the timing of supply of each gas. シャワーヘッド装置の変形実施例に用いる螺旋の態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect of the spiral used for the deformation | transformation Example of a shower head apparatus.

以下に、本発明に係るシャワーヘッド装置及びこれを用いた成膜装置の一例を、添付図面に基づいて詳述する。図1は本発明に係るシャワーヘッド装置を用いた成膜装置を示す断面構成図、図2はシャワーヘッド装置のガス噴射板の下面を示す平面図、図3は図1中のA部を示す拡大断面図、図4はガス噴射板のガス噴射孔の配置を説明するための図である。   Hereinafter, an example of a shower head device according to the present invention and a film forming apparatus using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a film forming apparatus using a shower head device according to the present invention, FIG. 2 is a plan view showing a lower surface of a gas injection plate of the shower head device, and FIG. 3 shows a portion A in FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view, and FIG. 4 is a view for explaining the arrangement of gas injection holes of the gas injection plate.

図1に示すように、本発明の成膜装置2は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレススチール等により筒体状に成形された処理容器4を有している。この処理容器4の底部6は、その中心部が下方向へ突状に窪ませて成形されており、この底部側壁に排気口8が設けられている。   As shown in FIG. 1, a film forming apparatus 2 according to the present invention includes a processing container 4 formed into a cylindrical shape from, for example, aluminum, aluminum alloy, stainless steel, or the like. The bottom portion 6 of the processing container 4 is formed such that its center portion is recessed downward so as to protrude downward, and an exhaust port 8 is provided on the bottom side wall.

この排気口8には、処理容器4内の雰囲気を排気する真空排気系10が設けられる。具体的には、この真空排気系10は、上記排気口8に接続された排気通路12を有している。この排気通路12には、その上流側より下流側に向けて上記処理容器4内の圧力を調整する圧力調整弁14及び真空ポンプ16が順次介設されている。   The exhaust port 8 is provided with a vacuum exhaust system 10 that exhausts the atmosphere in the processing container 4. Specifically, the vacuum exhaust system 10 has an exhaust passage 12 connected to the exhaust port 8. In the exhaust passage 12, a pressure adjusting valve 14 and a vacuum pump 16 for sequentially adjusting the pressure in the processing container 4 are provided in order from the upstream side to the downstream side.

そして、この処理容器4内には、被処理体である例えば半導体ウエハWを保持する保持手段18が設けられている。ここでは上記保持手段18は、処理容器4の底部6の中心に起立された支柱20を有しており、この支柱20の上端には円板状になされた載置台22が設けられ、この載置台22上に上記半導体ウエハWが載置されるようになっている。この半導体ウエハWの直径は、例えば300mmに設定されている。   And in this processing container 4, the holding means 18 which hold | maintains the to-be-processed object, for example, the semiconductor wafer W is provided. Here, the holding means 18 has a support column 20 erected at the center of the bottom 6 of the processing container 4, and a mounting table 22 having a disk shape is provided at the upper end of the support column 20. The semiconductor wafer W is mounted on the mounting table 22. The diameter of the semiconductor wafer W is set to 300 mm, for example.

上記載置台22は、例えばAlN等のセラミック材やアルミニウム合金等により形成されており、この内部には、半導体ウエハWを加熱するための加熱手段24が設けられている。この加熱手段24としては、例えばカーボンワイヤヒータ等の抵抗加熱ヒータが用いられ、ウエハ温度をコントロールできるようになっている。上記加熱手段24として加熱ランプを用いるようにしてもよい。   The mounting table 22 is formed of, for example, a ceramic material such as AlN, an aluminum alloy, or the like, and a heating unit 24 for heating the semiconductor wafer W is provided therein. As the heating means 24, for example, a resistance heater such as a carbon wire heater is used so that the wafer temperature can be controlled. A heating lamp may be used as the heating means 24.

上記載置台22には、上記半導体ウエハWを搬入、搬出する際にウエハWを持ち上げ又は持ち下げるリフタ機構25が設けられる。このリフタ機構25は、載置台22の周辺部に設けられた貫通孔26内に昇降される複数の昇降ピン28を有しており、この昇降ピン28の下端部は昇降リング30に支持されている。   The mounting table 22 is provided with a lifter mechanism 25 that lifts or lifts the wafer W when the semiconductor wafer W is loaded and unloaded. The lifter mechanism 25 has a plurality of elevating pins 28 that are moved up and down in through holes 26 provided in the periphery of the mounting table 22, and the lower ends of the elevating pins 28 are supported by an elevating ring 30. Yes.

そして、処理容器4の底部6にベローズ32を介して貫通させて設けられる昇降ロッド34により上記昇降リング30を上下動させることによって、上記昇降ピン28を載置台22の上面より上方に出没させてウエハWを持ち上げたり、持ち下げたりできるようになっている。上記昇降ロッド34は、この下端部に設けたアクチュエータ36により昇降される。上記昇降ピン28は載置台22の周方向に沿って均等に複数本、例えば3本(図示例では2本のみ記す)設けられている。   Then, by moving the lifting ring 30 up and down by a lifting rod 34 provided penetrating the bottom 6 of the processing container 4 via a bellows 32, the lifting pin 28 is caused to appear above and below the upper surface of the mounting table 22. The wafer W can be lifted or lowered. The lifting rod 34 is lifted and lowered by an actuator 36 provided at the lower end portion. A plurality of, for example, three (e.g., only two are shown in the drawing) are provided as the lifting pins 28 along the circumferential direction of the mounting table 22.

そして、処理容器4の側壁には、ウエハWを搬出入するための搬出入口38が設けられ、この搬出入口38にはウエハの搬出入時に気密に開閉されるゲートバルブ40が設けられている。また処理容器4の天井部には、Oリング等のシール部材42を介して天井板44が設けられている。この天井板44には、処理容器4内へガスを導入する本発明に係るシャワーヘッド装置46が上記載置台22と対向させるようにして設けられている。   A loading / unloading port 38 for loading / unloading the wafer W is provided on the side wall of the processing container 4, and a gate valve 40 is provided at the loading / unloading port 38 that is opened and closed airtightly when the wafer is loaded / unloaded. A ceiling plate 44 is provided on the ceiling of the processing container 4 via a sealing member 42 such as an O-ring. A shower head device 46 according to the present invention for introducing gas into the processing container 4 is provided on the ceiling plate 44 so as to face the mounting table 22.

具体的には、このシャワーヘッド装置46は、内部にガスを拡散させるガス拡散室48が形成されたシャワーヘッド本体50と、このシャワーヘッド本体50の下面であるガス噴射板52に設けた複数のガス噴射孔54とにより主に構成されている。上記天井板44は、上記ガス拡散室48を区画するシャワーヘッド本体50の一部として形成され、この天井板44には、各種のガスを導入するガス導入口56が形成されている。尚、このガス導入口56をガス種に応じて複数個設けるようにしてもよい。   Specifically, the shower head device 46 includes a shower head main body 50 in which a gas diffusion chamber 48 for diffusing gas is formed, and a plurality of gas injection plates 52 provided on the lower surface of the shower head main body 50. The gas injection hole 54 is mainly configured. The ceiling plate 44 is formed as a part of a shower head body 50 that defines the gas diffusion chamber 48, and the ceiling plate 44 is formed with a gas inlet 56 for introducing various gases. A plurality of gas inlets 56 may be provided according to the gas type.

上記ガス導入口56には、成膜に必要な各種のガス供給系が接続されている。具体的には、ここでは原料ガス供給系60と反応ガス供給系62とパージガス供給系64とが接続されて各ガスを必要に応じてそれぞれ流量制御しつつ流すようになっている。上記原料ガス供給系60は、上記ガス導入口56に接続されるガス通路66を有している。このガス通路66には、開閉弁68及びマスフローコントローラのような流量制御器70が順次介設されており、後述するように原料ガスを間欠的に且つ流量制御しつつ流すようになっている。ここで原料ガスとしては、例えばハフニウム金属を含む有機金属材料であるテトラキス(エチルメチルアミノ)ハフニウム(TEMAHf)を用いている。   Various gas supply systems necessary for film formation are connected to the gas inlet 56. Specifically, here, the source gas supply system 60, the reaction gas supply system 62, and the purge gas supply system 64 are connected so that each gas flows while controlling the flow rate as necessary. The source gas supply system 60 has a gas passage 66 connected to the gas inlet 56. The gas passage 66 is sequentially provided with an on-off valve 68 and a flow rate controller 70 such as a mass flow controller so that the source gas is allowed to flow intermittently while controlling the flow rate as will be described later. Here, for example, tetrakis (ethylmethylamino) hafnium (TEMAHf), which is an organic metal material containing hafnium metal, is used as the source gas.

また、上記反応ガス供給系62は、上記ガス導入口56に接続されるガス通路72を有している。このガス通路72には、開閉弁74及びマスフローコントローラのような流量制御器76が順次介設されており、後述するように反応ガスを間欠的に且つ流量制御しつつ流すようになっている。ここで反応ガスとしては、酸化ガスである例えば水蒸気(H O)を用いている。 The reaction gas supply system 62 has a gas passage 72 connected to the gas inlet 56. The gas passage 72 is sequentially provided with an on-off valve 74 and a flow rate controller 76 such as a mass flow controller so that the reaction gas is allowed to flow intermittently while controlling the flow rate as will be described later. Here, as the reaction gas, for example, water vapor (H 2 O) which is an oxidizing gas is used.

また、上記パージガス供給系64は、上記ガス導入口56に接続されるガス通路78を有している。このガス通路78には、開閉弁80及びマスフローコントローラのような流量制御器82が順次介設されており、後述するようにパージガスを間欠的に且つ流量制御しつつ流すようになっている。ここでパージガスとしては、例えば希ガスのArを用いている。尚、パージガスとしては、He等の他の希ガスや不活性ガスであるN ガスを用いるようにしてもよい。 The purge gas supply system 64 has a gas passage 78 connected to the gas inlet 56. The gas passage 78 is sequentially provided with an on-off valve 80 and a flow rate controller 82 such as a mass flow controller so that a purge gas is allowed to flow intermittently while controlling the flow rate as will be described later. Here, for example, a rare gas Ar is used as the purge gas. As the purge gas, other rare gas such as He or N 2 gas which is an inert gas may be used.

上記のような各ガスは、ガス拡散室48内で周辺方向へ拡散されつつ各ガス噴射孔54よりガス噴射板52と載置台22との間の処理空間Sへ流すようになっている。上記ガス噴射板52と載置台22の上面(ウエハ載置面)との間の距離H1は、処理空間Sにおけるガスの切り替えを容易にするためにできるだけ狭くなされており、例えば10mm程度に設定されている。   Each gas as described above is allowed to flow from the gas injection holes 54 to the processing space S between the gas injection plate 52 and the mounting table 22 while being diffused in the gas diffusion chamber 48 in the peripheral direction. A distance H1 between the gas injection plate 52 and the upper surface (wafer mounting surface) of the mounting table 22 is made as small as possible in order to facilitate gas switching in the processing space S, and is set to about 10 mm, for example. ing.

ここで、本発明の特徴とするシャワーヘッド装置46における上記ガス噴射孔54の配置例について詳しく説明する。図2にも示すように、ガス噴射板52の直径D1は、半導体ウエハWの直径よりも大きい値、例えば360mm程度に設定され、上記ガス噴射孔54が形成されている円形領域83の直径D2も、半導体ウエハWの直径よりも大きい値、例えば310mm程度に設定されている。   Here, the example of arrangement | positioning of the said gas injection hole 54 in the shower head apparatus 46 which is the characteristics of this invention is demonstrated in detail. As shown also in FIG. 2, the diameter D1 of the gas injection plate 52 is set to a value larger than the diameter of the semiconductor wafer W, for example, about 360 mm, and the diameter D2 of the circular region 83 in which the gas injection holes 54 are formed. Also, a value larger than the diameter of the semiconductor wafer W, for example, about 310 mm is set.

そして、上記複数のガス噴射孔54は、ガス噴射板52の中心部を中心として仮想的に形成される複数の螺旋状の曲線84に沿うように配置されている。図2において、上記仮想的な螺旋状の曲線84を、本発明の理解を容易にするために一部可視化して示している。そして、この螺旋状の曲線84に沿って形成される各ガス噴射孔54の開口面積は、ガス噴射板52の周辺部より中心部に行くに従って次第に小さくなされている。   The plurality of gas injection holes 54 are arranged along a plurality of spiral curves 84 virtually formed around the center of the gas injection plate 52. In FIG. 2, the virtual spiral curve 84 is partially visualized for easy understanding of the present invention. The opening area of each gas injection hole 54 formed along the spiral curve 84 is gradually reduced from the periphery of the gas injection plate 52 toward the center.

この場合、ガス噴射孔54の開口面積は、ガス噴射板52の中心部に向かうに従って、1つ隣りに行く毎に少しずつ小さくてもよいし、複数個、例えば隣りに連続する2〜3個のガス噴射孔54の開口面積は同じに設定して、2〜3個ずつ中心部に行くに従って少しずつ小さくなるようにしてもよい。いずれにしても、平面的に隣り合うガス噴射孔54同士が連結しないように中心部に行くに従ってその開口面積が少しずつ小さくなるように設定している。   In this case, the opening area of the gas injection hole 54 may be slightly smaller as it goes to the center of the gas injection plate 52, or a plurality of, for example, two to three adjacent to each other. The opening area of the gas injection holes 54 may be set to be the same, and may be gradually reduced as they go to the center by two to three. In any case, the opening area of the gas injection holes 54 that are adjacent to each other in a plan view is set to be gradually reduced toward the center so as not to be connected.

図示例では各ガス噴射孔54の形状は円形になされている。そして、図2では各ガス噴射孔54の配列は、フィボナッチ数列の中で隣り合う任意の3つの数値を用いて形成されている。ここでフィボナッチ数列とは、以下に示すような数列であり、どの項(数値)もその前の2つの項の和となっている数列である。   In the illustrated example, each gas injection hole 54 has a circular shape. In FIG. 2, the arrangement of the gas injection holes 54 is formed using any three numerical values adjacent to each other in the Fibonacci sequence. Here, the Fibonacci number sequence is a number sequence as shown below, and any term (numerical value) is a number sequence that is the sum of the two preceding terms.

0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,233,……   0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, ...

このフィボナッチ数列は、自然界の現象に数多く出現し、例えばヒマワリの種の配列等に現れている。ここでは上記フィボナッチ数列の隣り合う3つの数値、例えば”13,21,34”を選択して用いている。   This Fibonacci sequence appears in many natural phenomena, for example in the arrangement of sunflower seeds. Here, three adjacent numerical values of the Fibonacci sequence, for example, “13, 21, 34” are selected and used.

具体的には、上記複数の螺旋状の曲線84の内で、上記ガス噴射板52の周辺部から中心部へ時計回り方向90で向かう螺旋状の曲線84Aの全体数は、カウントすると上記3つの選択された数値の内の最大値である”34”本になるように設定されている。そして、上記時計回り方向90の螺旋状の1本の曲線84A上には、ガス噴射孔54が上記3つの選択された数値の内の最小値である”13”個になるように設定されている。従って、ガス噴射板52に配置されるガス噴射孔54の数は”442”個(=34×13)となっている。   Specifically, among the plurality of spiral curves 84, the total number of spiral curves 84A heading in the clockwise direction 90 from the peripheral portion to the central portion of the gas injection plate 52 is the above three when counted. It is set to be “34” which is the maximum value among the selected numerical values. Then, on one spiral curve 84A in the clockwise direction 90, the gas injection holes 54 are set to be “13” which is the minimum value among the three selected numerical values. Yes. Accordingly, the number of gas injection holes 54 arranged in the gas injection plate 52 is “442” (= 34 × 13).

そして、前述したように、上記螺旋状の曲線84A上に配置されるガス噴射孔54の開口面積、すなわちここでは直径は、ガス噴射板52の周辺部から中心部に向かうに従って小さくなされており、隣り合う孔同士が連通しないようになっている。そして、上記ガス噴射板52の中心には、上記各ガス噴射孔54とは異なる中心ガス噴射孔94が形成されており、ウエハWの中心部における膜厚の面内均一性を改善するようになっている。   As described above, the opening area of the gas injection hole 54 arranged on the spiral curve 84A, that is, the diameter here is made smaller from the peripheral part to the center part of the gas injection plate 52, Adjacent holes do not communicate with each other. A central gas injection hole 94 different from each gas injection hole 54 is formed at the center of the gas injection plate 52 so as to improve the in-plane uniformity of the film thickness at the center of the wafer W. It has become.

尚、ここで上記複数の螺旋状の曲線84の内で、上記ガス噴射板52の周辺部から中心部へ反時計回り方向92で向かう螺旋状の曲線84Bの全体数は、カウントすると上記3つの選択された数値の内の中間値である”21”本になるように設定されている。すなわち、1つのガス噴射孔54は、上記2つの螺旋状の曲線84A、84B上に位置することになる。   Here, of the plurality of spiral curves 84, the total number of spiral curves 84B heading in the counterclockwise direction 92 from the peripheral portion to the central portion of the gas injection plate 52 is the above three when counted. It is set to be “21” which is an intermediate value among the selected numerical values. That is, one gas injection hole 54 is positioned on the two spiral curves 84A and 84B.

そして、各ガス噴射孔54の直径の大きさは、そのガス噴射孔54とその周辺に隣り合うガス噴射孔54との間の間隔以上の大きさとなるように設定されている。具体的には、図2中において、ある特定のガス噴射孔54Aに注目した場合、このガス噴射孔54Aの直径をX1とし、このガス噴射孔54Aに対して時計回り方向90で向かう螺旋状の曲線84A上において両方で隣り合うガス噴射孔54との間の間隔をそれぞれXa、Xbとし、上記ガス噴射孔54Aに対して反時計回り方向92で向かう螺旋状の曲線84B上において両方で隣り合うガス噴射孔54との間の間隔をそれぞれXc、Xdとすると、間隔Xa〜Xdのいずれもが直径X1以下の大きさとなるような寸法に設定する。従って、実際には、ガス噴射孔54の直径は図示されているよりも大きい。なお、図示するように、「間隔Xa〜Xd」とは隣接する2つのガス噴射孔54の周縁間の最短距離である。   The diameter of each gas injection hole 54 is set to be equal to or larger than the interval between the gas injection hole 54 and the adjacent gas injection hole 54. Specifically, in FIG. 2, when attention is paid to a specific gas injection hole 54A, the diameter of the gas injection hole 54A is set to X1, and a spiral shape directed in the clockwise direction 90 with respect to the gas injection hole 54A. The intervals between the gas injection holes 54 adjacent to each other on the curve 84A are Xa and Xb, respectively, and both are adjacent to each other on the spiral curve 84B directed in the counterclockwise direction 92 with respect to the gas injection holes 54A. If the intervals between the gas injection holes 54 are Xc and Xd, respectively, the intervals Xa to Xd are set to dimensions that have a diameter X1 or less. Therefore, in practice, the diameter of the gas injection hole 54 is larger than shown. As shown in the figure, the “intervals Xa to Xd” are the shortest distances between the peripheral edges of the two adjacent gas injection holes 54.

すなわち、上述したような寸法に設定することにより、各ガス噴射孔54に対して、これに隣り合う周辺部のガス噴射孔54との間の間隔が過度に広くならないようにして、すなわち隣接するガス噴射孔54の間の領域が広くなりすぎないようにして、膜厚の面内均一性の向上を図るようにしている。   That is, by setting the dimensions as described above, each gas injection hole 54 is adjacent to the adjacent gas injection holes 54 so as not to be excessively wide. The in-plane uniformity of the film thickness is improved by preventing the area between the gas injection holes 54 from becoming too wide.

更に、上記同一の螺旋状の曲線84上に隣り合うガス噴射孔54の間隔Xa〜Xdは、上記ガス噴射板52と上記載置台22との間の間隔H1(図1参照)以下、好ましくは間隔H1の0.9倍以下の大きさとなるように設定されており、複数のガス噴射孔54から噴射されたガスがウエハWに到達するまで処理空間S内において十分に拡散することからウエハW上でガスの濃淡が発生するのを防止して、膜厚の面内均一性の向上を図るようにしている。なお、後述するガス噴射孔54の配置規則によれば、一つの螺旋状の曲線84(84A,84B)上で隣り合うガス噴射孔54の中心間距離は外側ほど大きくなるが、外側のガス噴射孔54においても、上記の間隔H1と間隔Xa〜Xdとの関係が成立するように、外側のガス噴射孔54の方が直径が大きくなっている。   Further, the intervals Xa to Xd between the gas injection holes 54 adjacent on the same spiral curve 84 are not more than the interval H1 (see FIG. 1) between the gas injection plate 52 and the mounting table 22, preferably The wafer W is set to have a size of 0.9 times or less of the interval H1, and the gas injected from the plurality of gas injection holes 54 is sufficiently diffused in the processing space S until reaching the wafer W. The occurrence of gas concentration is prevented from occurring above, and the in-plane uniformity of the film thickness is improved. According to the arrangement rule of the gas injection holes 54 described later, the distance between the centers of adjacent gas injection holes 54 on one spiral curve 84 (84A, 84B) increases toward the outer side, but the outer gas injection Also in the hole 54, the outer gas injection hole 54 has a larger diameter so that the relationship between the interval H1 and the intervals Xa to Xd is established.

上記中心ガス噴射孔94は、図3に示すようにネジ部材96に上下方向へ貫通させて設けられており、このネジ部材96を、ガス噴射板52の中心部にネジにより着脱可能に取り付けるようになっている。この場合、中心ガス噴射孔94の内径が異なるネジ部材96を交換できるため必要に応じて最適な中心ガス噴射孔94を選択することができる。この中心ガス噴射孔94の内径の大きさは、1.0〜1.3mm程度であり、内径が1.0mmよりも小さいと、ガスの流量が少な過ぎてこの中心ガス噴射孔94を設けた効果がなくなり、逆に1.3mmよりも大きいと、ガスが過度に流れて膜厚の面内均一性に悪影響を与えてしまう。ここでは上記中心ガス噴射孔94の内径は1.2mm程度に設定されている。   As shown in FIG. 3, the central gas injection hole 94 is provided so as to penetrate the screw member 96 in the vertical direction. The screw member 96 is detachably attached to the central portion of the gas injection plate 52 with a screw. It has become. In this case, since the screw member 96 having a different inner diameter of the center gas injection hole 94 can be replaced, the optimum center gas injection hole 94 can be selected as necessary. The inner diameter of the central gas injection hole 94 is about 1.0 to 1.3 mm. If the inner diameter is smaller than 1.0 mm, the flow rate of the gas is too small and the central gas injection hole 94 is provided. If the effect is lost and the thickness is larger than 1.3 mm, the gas flows excessively and adversely affects the in-plane uniformity of the film thickness. Here, the inner diameter of the central gas injection hole 94 is set to about 1.2 mm.

ここで上記フィボナッチ数列を用いた各ガス噴射孔54の配列の幾何学的特徴について図4も参照して詳しく説明する。図4は図2中のガス噴射孔54のみを取り出して描いた図である。まず、複数のガス噴射孔54の内、最外周の特定の基準位置S0に位置させるべきガス噴射孔54を基準ガス噴射孔54Aとする。この基準ガス噴射孔54Aは、全てのガス噴射孔54の内でガス噴射板52の中心位置より最も遠い位置にある。   Here, the geometric feature of the arrangement of the gas injection holes 54 using the Fibonacci sequence will be described in detail with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating only the gas injection holes 54 in FIG. First, of the plurality of gas injection holes 54, the gas injection hole 54 to be positioned at a specific reference position S0 on the outermost periphery is defined as a reference gas injection hole 54A. This reference gas injection hole 54 </ b> A is located farthest from the center position of the gas injection plate 52 among all the gas injection holes 54.

そして、上記基準ガス噴射孔54Aを起点として、黄金角度又はその近似値に対応する回転角度だけ時計回り方向と反時計回り方向の内のいずれか一方、ここでは反時計回り方向92へ順次回転すると共に、回転の都度に1つの螺旋状の曲線上に隣り合うガス噴射孔のガス噴射板52(図4参照)の半径方向におけるピッチP1の1/[螺旋状の曲線の数]の長さだけ半径方向内側へずらした位置に新たなガス噴射孔を順次配置させるようにして全体が形成されている。そして、全てのガス噴射孔54を半径方向へ曲線状に連ねることにより、上記螺旋状の曲線が仮想的に形成されることになる。ここで、ピッチP1とは、1本の螺旋状の曲線84(84A、84B)上において隣接する2つのガス噴射孔54において、ガス噴射板52の中心からそれぞれのガス噴射孔54の中心までの距離の差を意味する。   Then, starting from the reference gas injection hole 54A, it rotates sequentially in one of the clockwise direction and the counterclockwise direction, here the counterclockwise direction 92, by the rotation angle corresponding to the golden angle or its approximate value. In addition, for each rotation, the length of 1 / [number of helical curves] of the pitch P1 in the radial direction of the gas injection plate 52 (see FIG. 4) of the gas injection holes adjacent to each other on one helical curve. The whole is formed so that new gas injection holes are sequentially arranged at positions shifted inward in the radial direction. Then, by connecting all the gas injection holes 54 in a curved shape in the radial direction, the spiral curve is virtually formed. Here, the pitch P1 refers to the distance from the center of the gas injection plate 52 to the center of each gas injection hole 54 in the two adjacent gas injection holes 54 on one spiral curve 84 (84A, 84B). It means the difference in distance.

具体的には、黄金比は”1:(1+√5)/2”であり、黄金角度は、黄金比で円周を分割したときの短い弧に対応する中心角として定義され、以下の式で求められる。
360度×1/[1+(1+√5)/2]=137.5077…
上記の回転角度は、厳密に黄金角度である必要はなく、黄金角度の近似値例えば136〜138度の範囲内の角度を用いることもできる。回転角度は、360度を割り切れない角度に設定される。
Specifically, the golden ratio is “1: (1 + √5) / 2”, and the golden angle is defined as a central angle corresponding to a short arc when the circumference is divided by the golden ratio. Is required.
360 degrees × 1 / [1+ (1 + √5) / 2] = 137.57077
The above rotation angle does not have to be strictly a golden angle, and an approximate value of the golden angle, for example, an angle in the range of 136 to 138 degrees can be used. The rotation angle is set to an angle that is not divisible by 360 degrees.

ここでは、上記回転角度として137.5度を用い、上記基準位置S0を起点(基準)として反時計回り方向92へ137.5ずつ回転し、回転の都度に曲線上に隣り合うガス噴射孔のガス噴射板中心方向におけるピッチの”1/34”(34:螺旋状の曲線の数)の長さだけガス噴射板の中心方向へ位置ずれさせた位置にガス噴射孔を配置するように設定されている。上述のようなガス噴射孔54の配列は、分数多角形で表現すると13分の34角形(21分の34角形でもある)となる。   Here, 137.5 degrees is used as the rotation angle, the reference position S0 is set as a starting point (reference), the rotation is performed 137.5 in the counterclockwise direction 92, and the gas injection holes adjacent to each other on the curve each time the rotation is performed. It is set so that the gas injection holes are arranged at positions shifted in the central direction of the gas injection plate by a length of “1/34” (34: the number of spiral curves) of the pitch in the gas injection plate central direction. ing. The arrangement of the gas injection holes 54 as described above is a 34/13 square (also a 34/21 square) when expressed in a fractional polygon.

図4においては、1の螺旋状の曲線上に隣り合うガス噴射孔のガス噴射板の中心方向におけるピッチP1は11.5mmに設定されており、従って、基準位置S0から反時計回り方向へ137.5度ずつ回転する毎に0.33mm(=11.5mm/34)だけガス噴射板の中心方向へ位置ずれさせる。
よって、各ガス噴射孔の位置は、極座標系を用いて以下のように表記することができる。
(rn,θn)=(r0−0. 33n,θ0+137. 5n)
但し、(r0,θ0)は基準位置S0の極座標、nは回転回数であり、回転角度は反時計回り方向を正方向とする。
図4中では、1回目の回転後の位置を位置S1、2回目の回転後の位置を位置S2、3回目の回転後の位置を位置S3として表している。そして、上記回転を繰り返し行って34回目(螺旋状の曲線84Aの本数と同じ回数)になると、その回転後の位置は位置S34として表される。ここで基準位置S0と位置S34とは、同一の螺旋状の曲線84A(図2参照)上における隣り合うガス噴射孔54同士の位置となる。この際、基準位置S0と位置S34とがガス噴射板中心に対してなす角度θは”5度”となる。
In FIG. 4, the pitch P1 of the gas injection holes adjacent to each other on the spiral curve of 1 in the center direction of the gas injection plate is set to 11.5 mm, and accordingly, 137 from the reference position S0 counterclockwise. Each time it rotates by 5 degrees, it is displaced by 0.33 mm (= 11.5 mm / 34) toward the center of the gas injection plate.
Therefore, the position of each gas injection hole can be expressed as follows using a polar coordinate system.
(Rn, θn) = (r0−0.33n, θ0 + 137.5n)
However, (r0, θ0) is the polar coordinate of the reference position S0, n is the number of rotations, and the rotation angle is the positive direction in the counterclockwise direction.
In FIG. 4, the position after the first rotation is represented as position S1, the position after the second rotation is represented as position S2, and the position after the third rotation is represented as position S3. When the rotation is repeated and the 34th time (the same number as the number of spiral curves 84A) is reached, the position after the rotation is represented as a position S34. Here, the reference position S0 and the position S34 are positions of the adjacent gas injection holes 54 on the same spiral curve 84A (see FIG. 2). At this time, an angle θ formed by the reference position S0 and the position S34 with respect to the center of the gas injection plate is “5 degrees”.

ここで、上記”5度”は次のようにして求まる。
137.5度×34(螺旋状の曲線の数)=4675度
4675度−(360度×12)=−355度
355度−360度=−5度
すなわち、ある一つの螺旋状の曲線84Aにおいて基準位置S0にあるガス噴射孔54Aに隣接するガス噴射孔54の角度位置は、基準位置S0から「5度」だけ時計回り方向へ戻った角度位置である。本実施形態では、上記操作により定められるガス噴射孔54の総数は、442個である。
また、前述のように、ある一つの螺旋状の曲線84Aにおいて隣接するガス噴射孔54の、ガス噴射板52の半径方向のピッチはP1(ここでは11.5mm)である。
従って、ある一つの螺旋状の曲線84Aにおける各ガス噴射孔54の位置は、極座標系を用いて以下のように表記することができる。
(rm,θm)=(ra−11.5(m−1),θa−5(m−1))
但し、「(ra,θa)」は当該螺旋状の曲線84A上に位置するもっとも外側のガス噴射孔54の極座標、「m」はそのガス噴射孔54が外側から何番目かをそれぞれ意味し、また、回転角度は反時計回り方向を正方向とする。
Here, the above “5 degrees” is obtained as follows.
137.5 degrees × 34 (number of spiral curves) = 4675 degrees 4675 degrees− (360 degrees × 12) = − 355 degrees 355 degrees−360 degrees = −5 degrees That is, in one spiral curve 84A The angular position of the gas injection hole 54 adjacent to the gas injection hole 54A at the reference position S0 is an angle position that is returned clockwise by “5 degrees” from the reference position S0. In the present embodiment, the total number of gas injection holes 54 determined by the above operation is 442.
Further, as described above, the pitch in the radial direction of the gas injection plate 52 of the gas injection holes 54 adjacent to each other in one spiral curve 84A is P1 (here, 11.5 mm).
Accordingly, the position of each gas injection hole 54 in one spiral curve 84A can be expressed as follows using a polar coordinate system.
(Rm, θm) = (ra-11.5 (m−1), θa-5 (m−1))
However, “(ra, θa)” means the polar coordinates of the outermost gas injection hole 54 located on the spiral curve 84A, and “m” means the number of the gas injection hole 54 from the outside. In addition, the rotation angle is positive in the counterclockwise direction.

上述したように、上記回転角度は黄金角度である137.5度に限らずに僅かにずれても膜厚の面内均一性に悪影響を与えることは少なく、その範囲は黄金角度の近似値である136〜138度の範囲内の角度を用いることもできる。但し、回転角度は360度を割り切れない数値である。この値で360度を割り切れると、ガス噴射孔54の配列が、ガス噴射板52の中心から複数の方向に沿って放射状に規則的に配列された状態となってしまい、周方向へ分散されて配列された状態とならず、この結果、面内におけるガス濃度に偏りが生じる危惧が発生してしまう。尚、ここでは上記最外周のガス噴射孔の直径は10mmに設定され、最内周のガス噴射孔の直径は2mmに設定され、ガス噴射孔の直径は同一の螺旋状の曲線上で外周より中心部側へ行くに従って、ほぼ0.5mm程度ずつ小さくしている。
このように、本実施形態のガス噴射孔54は、通常のシャワーヘッドのガス噴射板のガス噴射孔と比較して、かなりサイズが大きい。これにより、コンダクタンスを良くすることができ、ガスの導入及び置換を速やかに行うことができる。しかしながら、ガス噴射孔のサイズ(直径)を大きくしすぎると、ガス噴射孔の周辺のみでガス濃度が高くなり、均一性が悪くなる。本実施形態では、可能な限り大きな直径のガス噴射孔のサイズを大きくしてコンダクタンスを向上させる一方で、ガス噴射孔をフィボナッチ数列に基づいて配列することによりガス濃度の均一性も維持している。
As described above, the rotation angle is not limited to the golden angle of 137.5 degrees, and even if it is slightly shifted, there is little adverse effect on the in-plane uniformity of the film thickness, and the range is an approximate value of the golden angle. An angle within a certain range of 136 to 138 degrees can also be used. However, the rotation angle is a numerical value that cannot be divided by 360 degrees. When 360 degrees is divisible by this value, the arrangement of the gas injection holes 54 is regularly arranged radially from the center of the gas injection plate 52 along a plurality of directions, and is distributed in the circumferential direction. As a result, there is a fear that the gas concentration in the surface is biased. Here, the diameter of the outermost gas injection hole is set to 10 mm, the diameter of the innermost gas injection hole is set to 2 mm, and the diameter of the gas injection hole is the same spiral curve from the outer periphery. As it goes to the center side, it is reduced by about 0.5 mm.
Thus, the gas injection hole 54 of this embodiment is considerably larger in size than the gas injection hole of the gas injection plate of a normal shower head. Thereby, conductance can be improved and gas can be introduced and replaced quickly. However, if the size (diameter) of the gas injection hole is excessively increased, the gas concentration is increased only around the gas injection hole, and the uniformity is deteriorated. In the present embodiment, the gas injection hole with the largest possible diameter is increased to improve conductance, while the gas injection holes are arranged based on the Fibonacci number sequence to maintain the uniformity of the gas concentration. .

以上のように形成された成膜装置全体の動作は、例えばコンピュータ等よりなる装置制御部100により制御されるようになっており、この動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体102に記憶されている。この記憶媒体102は、例えばフレキシブルディスク、CD(Compact Disc)、ハードディスク、フラッシュメモリ或いはDVD等よりなる。具体的には、この装置制御部100からの指令により、各ガスの供給の開始、停止や流量制御、プロセス温度やプロセス圧力の制御等が行われる。   The operation of the entire film forming apparatus formed as described above is controlled by the apparatus control unit 100 including, for example, a computer. A computer program for performing this operation is stored in the storage medium 102. Yes. The storage medium 102 includes, for example, a flexible disk, a CD (Compact Disc), a hard disk, a flash memory, or a DVD. Specifically, in response to a command from the apparatus control unit 100, supply of each gas is started, stopped, flow rate is controlled, process temperature and process pressure are controlled, and the like.

<成膜方法>
次に、以上のように構成された成膜装置を用いて行われる成膜方法について図5も参照して説明する。図5は各ガスの供給のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。ここでは、成膜方法として各ガスを間欠的に交互に供給して薄膜を積層させるALD法を例にとって説明する。
<Film formation method>
Next, a film forming method performed using the film forming apparatus configured as described above will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a timing chart showing an example of the supply timing of each gas. Here, as an example of the film forming method, an ALD method in which each gas is intermittently supplied alternately to deposit thin films will be described.

まず、真空引きのなされた処理容器4内へウエハWを搬入してこれを載置台22上に載置したならば、この処理容器4内を密閉する。そして、載置台22に設けた加熱手段24によりウエハWを所定のプロセス温度まで昇温してこの温度を維持する。これと同時に、処理容器4の天井部に設けたシャワーヘッド装置46のガス噴射板52のガス噴射孔54より処理空間Sに向けて各ガスを図5に示すような順序に従って導入する。   First, when the wafer W is loaded into the evacuated processing container 4 and placed on the mounting table 22, the inside of the processing container 4 is sealed. Then, the heating means 24 provided on the mounting table 22 raises the wafer W to a predetermined process temperature and maintains this temperature. At the same time, the respective gases are introduced into the processing space S from the gas injection holes 54 of the gas injection plate 52 of the shower head device 46 provided on the ceiling portion of the processing container 4 in the order shown in FIG.

この場合、原料ガスであるTEMAHfガスは原料ガス供給系60によりシャワーヘッド本体50のガス拡散室48内へ供給され、反応ガス(酸化ガス)である水蒸気は反応ガス供給系62によりシャワーヘッド本体50のガス拡散室48内へ供給され、パージガスであるArガスはパージガス供給系64によりシャワーヘッド本体50のガス拡散室48内へ供給される。各ガスは、上記ガス拡散室48内へ水平方向へ拡散しつつ各ガス噴射孔54から下方の処理空間Sに向けて流れて行く。各ガスの供給の開始と供給の停止は、対応する各開閉弁68、74、80を開閉することにより行う。   In this case, the TEMAHf gas, which is a raw material gas, is supplied into the gas diffusion chamber 48 of the shower head main body 50 by the raw material gas supply system 60, and the water vapor, which is a reactive gas (oxidizing gas), is supplied by the reactive gas supply system 62. The Ar gas, which is a purge gas, is supplied into the gas diffusion chamber 48 of the shower head body 50 by the purge gas supply system 64. Each gas flows from the respective gas injection holes 54 toward the lower processing space S while diffusing horizontally into the gas diffusion chamber 48. The start and stop of the supply of each gas are performed by opening and closing the corresponding on-off valves 68, 74, and 80.

上記各ガスの供給のタイミングの一例は図5に示されており、原料ガスであるTEMAHf(図2(A))と反応ガスである水蒸気(図2(B))とを交互に間欠的に繰り返供給して、パルス状の供給態様としている。そして、原料ガスの供給休止期間と反応ガスの供給休止期間とが重なる期間にはパージガスであるArガスを流しており、処理容器4内の残留ガスの排出を促進させている。上記原料ガスの供給時にはTEMAHfガスがウエハWの表面に吸着し、そして、反応ガスの供給時には上記ウエハW上に吸着していたTEMAHfガスが反応ガスである水蒸気と反応して酸化させて薄い原子レベル、或いは分子レベルの厚さの酸化ハフニウムが形成されることになる。この操作を繰り返すことにより上記薄膜が積層されて、必要な回数(サイクル)だけ繰り返すことにより所望の厚さの酸化ハフニウム膜が得られる。   An example of the timing of supplying each gas is shown in FIG. 5, and the raw material gas TEMAHf (FIG. 2 (A)) and the reaction gas water vapor (FIG. 2 (B)) are alternately and intermittently. Repeated supply is used as a pulsed supply mode. Then, Ar gas, which is a purge gas, is allowed to flow during a period in which the supply gas supply suspension period and the reaction gas supply suspension period overlap, thereby facilitating the discharge of the residual gas in the processing container 4. When the source gas is supplied, the TEMAHf gas is adsorbed on the surface of the wafer W, and when the reaction gas is supplied, the TEMAHf gas adsorbed on the wafer W reacts with water vapor as a reaction gas and is oxidized to form thin atoms. A hafnium oxide having a thickness of a level or a molecular level is formed. By repeating this operation, the thin films are laminated, and a hafnium oxide film having a desired thickness is obtained by repeating the necessary number of times (cycles).

ここで原料ガスの供給期間の開始から次の原料ガスの供給期間の開始までの間が1サイクルとなる。一例として原料ガスの供給期間T1は、0.1〜5.0秒程度であり、反応ガスの供給期間T2は、0.1〜5.0秒程度であり、パージ期間T3は、0.1〜10.0秒程度である。また各ガスの供給量の一例は、TEMAHfガスが1〜500mg/min程度であり、水蒸気が1〜500mg/min程度であり、Arガスが100〜5000sccm程度である。またプロセス圧力は、1〜10Torrの範囲内であり、ここでは1〜3Torrの範囲内に設定している。また、プロセス温度は、200〜500℃程度である。尚、図2に示すALD法による各ガスの供給態様は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されない。   Here, one cycle is from the start of the source gas supply period to the start of the next source gas supply period. As an example, the supply period T1 of the source gas is about 0.1 to 5.0 seconds, the supply period T2 of the reaction gas is about 0.1 to 5.0 seconds, and the purge period T3 is 0.1 ˜10.0 seconds. Moreover, as an example of the supply amount of each gas, TEMAHf gas is about 1 to 500 mg / min, water vapor is about 1 to 500 mg / min, and Ar gas is about 100 to 5000 sccm. The process pressure is in the range of 1 to 10 Torr, and is set in the range of 1 to 3 Torr here. Moreover, process temperature is about 200-500 degreeC. In addition, the supply mode of each gas by the ALD method shown in FIG. 2 is merely an example, and is not limited to this.

ここで、本発明のシャワーヘッド装置46では、ガス噴射板52の中心部を中心として仮想的に形成される複数の螺旋状の曲線84に沿って各ガス噴射孔54を配置するようにしたので、この下方に位置する処理空間Sに向けて各ガスを平面方向に均一に分散させて供給することが可能となる。従って、半導体ウエハWの表面に形成される薄膜の面内均一性を向上させることができる。   Here, in the shower head device 46 of the present invention, each gas injection hole 54 is arranged along a plurality of spiral curves 84 virtually formed around the center of the gas injection plate 52. Each gas can be supplied while being uniformly dispersed in the plane direction toward the processing space S located below. Therefore, the in-plane uniformity of the thin film formed on the surface of the semiconductor wafer W can be improved.

特に、本実施例では、フィボナッチ数列の中で隣り合う任意の3つの数値の内の最大値が、ガス噴射板52の周辺部から中心部に例えば時計回り方向90で向かう螺旋状の曲線84Aをカウントした時の数値となるようにし、更に、この曲線84A上に上記3つの数値の内の最小値の数のガス噴射孔54を配置するようにしたので、半導体ウエハWの表面に形成される薄膜の面内均一性を一層向上させることができる。   In particular, in the present embodiment, the maximum value of any three adjacent numerical values in the Fibonacci sequence is a spiral curve 84A directed in the clockwise direction 90 from the peripheral portion of the gas injection plate 52 to the central portion, for example. Since the number of gas injection holes 54 corresponding to the minimum value of the above three values is arranged on the curve 84A, the number of gas injection holes 54 is formed on the surface of the semiconductor wafer W. The in-plane uniformity of the thin film can be further improved.

尚、図2及び図3に示す装置例では、螺旋状の曲線の数を時計回り方向90へカウントした場合に”34”とし、反時計回り方向92へカウントした場合に”21”となるように設定したが、両者を互いに逆方向となるように設定してもよい。   In the example shown in FIGS. 2 and 3, “34” is obtained when the number of spiral curves is counted in the clockwise direction 90, and “21” is obtained when counted in the counterclockwise direction 92. However, the two may be set in opposite directions.

<本発明の評価>
次に、上述したようにフィボナッチ数列の内の”13、21、34”の3つの数値を用いた本発明に係るシャワーヘッド装置を有する成膜装置を用いて実際に半導体ウエハの表面に薄膜を堆積する実験を行ったので、その評価結果について説明する。原料ガスとしてTEMAHfガスを用い、反応ガスとして水蒸気を用いてハフニウム酸化膜を成膜した。ここでTEMAHfの流量は100mg/min、水蒸気の流量は40mg/min、成膜のサイクル数は12回である。中心ガス噴射孔94の内径は1.2mmに設定し、プロセス圧力は80Pa、プロセス温度は350℃にそれぞれ設定した。
<Evaluation of the present invention>
Next, as described above, a thin film is actually formed on the surface of the semiconductor wafer by using the film forming apparatus having the shower head device according to the present invention using the three numerical values “13, 21, 34” in the Fibonacci sequence. Since the experiment to deposit was conducted, the evaluation result will be described. A hafnium oxide film was formed using TEMAHf gas as a source gas and water vapor as a reaction gas. Here, the flow rate of TEMAHf is 100 mg / min, the flow rate of water vapor is 40 mg / min, and the number of film formation cycles is 12. The inner diameter of the central gas injection hole 94 was set to 1.2 mm, the process pressure was set to 80 Pa, and the process temperature was set to 350 ° C.

比較例として、先の特許文献3に示されるようなスリット状のガス噴射孔を有するシャワーヘッドを備えた成膜装置を用いた。このシャワーヘッドの中心には内径が1.3mmの中心ガス噴射孔が形成されている。他のプロセス条件は、上記本発明のシャワーヘッド装置を用いた場合と同様になるように設定した。   As a comparative example, a film forming apparatus provided with a shower head having slit-like gas injection holes as disclosed in Patent Document 3 was used. A central gas injection hole having an inner diameter of 1.3 mm is formed at the center of the shower head. Other process conditions were set to be the same as in the case of using the showerhead device of the present invention.

この結果、従来のシャワーヘッドを用いた場合には、膜厚の平均が34.3Åのときに膜厚の面内均一性は1.04%であったのに対して、本願発明のシャワーヘッド装置を用いた場合には、膜厚の平均が36.1Åのときに膜厚の面内均一性は0.98%であった。このように、本発明のシャワーヘッド装置を用いた場合には、膜厚の面内均一性を向上させることができることを確認することができた。   As a result, when the conventional shower head was used, the in-plane uniformity of the film thickness was 1.04% when the average film thickness was 34.3 mm. When the apparatus was used, the in-plane uniformity of the film thickness was 0.98% when the average film thickness was 36.1 mm. Thus, when the shower head apparatus of this invention was used, it has confirmed that the in-plane uniformity of a film thickness could be improved.

<変形実施例>
次に、本発明のシャワーヘッド装置の変形実施例について説明する。ここではガス噴射孔を配置するための螺旋状の曲線としてアルキメデス螺旋と対数螺旋とを用いている。図6はシャワーヘッド装置の変形実施例に用いる螺旋の態様を示す図であり、図6(A)は第1変形実施例に用いる対数螺旋の一例を示し、図6(B)は第2変形実施例に用いるアルキメデス螺旋の一例を示している。
<Modified Example>
Next, a modified embodiment of the shower head device of the present invention will be described. Here, an Archimedean spiral and a logarithmic spiral are used as a spiral curve for arranging the gas injection holes. FIG. 6 is a diagram showing a spiral mode used in a modified embodiment of the showerhead device, FIG. 6 (A) shows an example of a logarithmic spiral used in the first modified embodiment, and FIG. 6 (B) is a second modified embodiment. An example of the Archimedes spiral used for an example is shown.

ここでアルキメデス螺旋とは、以下の極座標の式によって表される曲線である。
r=aθ
r:原点からの距離、a:定数、θ:回転角
対数螺旋とは、極座標表示(r、θ)で以下の式によって表される曲線である。
log(r)=bθ・log(ae)
r:原点からの距離、e:ネイピア数、a,b:固定された定数、θ:回転角
この場合、上記螺旋状の1の曲線(アルキメデス螺旋又は対数螺旋のいずれか)を、黄金角度又はその近似値に対応する角度だけ時計回り方向と反時計回り方向の内のいずれか一方の方向へ順次回転させることにより、ガス噴射孔を配置するための複数の螺旋状の曲線が定義されることになる。この点は、図2及び図4に示す場合と類似している。
Here, the Archimedean spiral is a curve represented by the following polar coordinate formula.
r = aθ
r: distance from the origin, a: constant, θ: rotation angle The logarithmic spiral is a curve represented by the following formula in polar coordinate display (r, θ).
log (r) = bθ · log (ae)
r: distance from the origin, e: Napier number, a, b: fixed constant, θ: rotation angle In this case, the above spiral one curve (either Archimedes spiral or logarithmic spiral) is expressed as a golden angle or A plurality of spiral curves for arranging the gas injection holes are defined by sequentially rotating in either the clockwise direction or the counterclockwise direction by an angle corresponding to the approximate value. become. This point is similar to the case shown in FIGS.

この場合、全体で形成される複数の螺旋状の曲線の数は、フィボナッチ数列の中で隣り合う任意の3つの数値の内の最大値となるように設定する。そして、1の螺旋状の曲線上には、ガス噴射孔が上記3つの数値の内の他の2つの数値の内のいずれか一方の数だけ配置されるようになっている。   In this case, the number of the plurality of spiral curves formed as a whole is set so as to be the maximum value of any three adjacent numerical values in the Fibonacci sequence. Then, on one spiral curve, the number of gas injection holes is set to any one of the other two numerical values among the above three numerical values.

具体的には、前述のようにフィボナッチ数列の中で隣り合う任意の3つの数値として”13、21、34”を選択した場合には、螺旋状の曲線の数を”34”に設定する。そして、全ての螺旋状の曲線に対して、1つの螺旋状の曲線上には、ガス噴射孔を”13”個配置するようにしてもよいし、或いは”21”個配置するようにしてもよい。   Specifically, as described above, when “13, 21, 34” is selected as any three adjacent numerical values in the Fibonacci sequence, the number of spiral curves is set to “34”. For all spiral curves, “13” gas injection holes or “21” gas injection holes may be arranged on one spiral curve. Good.

この場合、螺旋状の曲線を、例えば34本形成すると、互いに交差する場合も生ずるが、交差点上にガス噴射孔を配置する場合には、そのガス噴射孔は交差する2本の螺旋状の曲線上に共通に存在するように配置されることになる。そして、先の実施例と同様に、ガス噴射孔の開口面積は、ガス噴射板の周辺部より中心部に行くに従って次第に小さくなされている。   In this case, for example, when 34 spiral curves are formed, they may intersect each other. However, when gas injection holes are arranged at the intersection, the gas injection holes intersect with two spiral curves. It will be arranged so that it exists in common above. As in the previous embodiment, the opening area of the gas injection hole is gradually reduced from the peripheral part of the gas injection plate toward the central part.

また、螺旋状の曲線の回転角度は、先に図2及び図4を参照して説明した場合と同様に、136〜138度の範囲内であって、360度を割り切れない数値である。この第1及び第2実施例の場合にも、先に図2等を参照して説明した実施例と同様な作用効果を発揮することができる。   The rotation angle of the spiral curve is a numerical value that is in the range of 136 to 138 degrees and cannot be divided by 360 degrees, as in the case described with reference to FIGS. In the case of the first and second embodiments, the same operational effects as those of the embodiment described above with reference to FIG. 2 and the like can be exhibited.

尚、上記各実施例では、フィボナッチ数列から隣り合う任意の3つ数として”13、21、34”を選択した場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ガス噴射板の直径を考慮した場合、実用的には”8、13、21、34、55、89、144”の中から隣り合う任意の3つ数を選択するのがよい。   In each of the above-described embodiments, the case where “13, 21, 34” is selected as an arbitrary three number from the Fibonacci sequence is described as an example, but the present invention is not limited to this, and the diameter of the gas injection plate is considered. In this case, practically, any three adjacent numbers are preferably selected from “8, 13, 21, 34, 55, 89, 144”.

また、上記各実施例では、ガス噴射孔の形状は、これを円形に設定した場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ガス噴射孔の形状は三角形、四角形、楕円形状等に設定してもよい。また、上記各実施例では、成膜時の原料として、有機金属材料であるTEMAHfを用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、他の有機金属材料、例えばTEMAZr、La(amd)等を用いてもよいし、更には有機金属材料に限定されず、他の成膜用の原料を用いてもよい。   Further, in each of the above embodiments, the gas injection hole has been described as an example in which the shape is circular. However, the present invention is not limited to this, and the shape of the gas injection hole is set to a triangle, a quadrangle, an ellipse, or the like. May be. In each of the above embodiments, the case where TEMAHf, which is an organic metal material, is used as a raw material during film formation has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and other organic metal materials such as TEMAZr, La (amd) ) Or the like may be used. Furthermore, the material is not limited to the organometallic material, and other film forming materials may be used.

更には、上記各実施例では、反応ガスとして、酸化ガスである水蒸気を用いたが、他の酸化ガス、例えばO 、O 等を用いてもよいし、或いは反応ガスとして成膜すべき膜種によってはH 、SiH 、有機酸等の還元ガスやNH 等の窒化ガスを用いる場合もある。 Furthermore, in each of the above-described embodiments, water vapor, which is an oxidizing gas, is used as the reactive gas. However, other oxidizing gases such as O 2 and O 3 may be used, or a film should be formed as the reactive gas. Depending on the film type, a reducing gas such as H 2 , SiH 4 , or an organic acid, or a nitriding gas such as NH 3 may be used.

また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やGaAs、SiC、GaNなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。   Although the semiconductor wafer is described as an example of the object to be processed here, the semiconductor wafer includes a silicon substrate and a compound semiconductor substrate such as GaAs, SiC, GaN, and the like, and is not limited to these substrates. The present invention can also be applied to glass substrates, ceramic substrates, and the like used in display devices.

2 成膜装置
4 処理容器
10 真空排気系
18 保持手段
22 載置台
46 シャワーヘッド装置
48 ガス拡散室
50 シャワーヘッド本体
52 ガス噴射板
54 ガス噴射孔
60 原料ガス供給系
62 反応ガス供給系
64 パージガス供給系
84 螺旋状の曲線
84A 時計回り方向の曲線
84B 反時計回り方向の曲線
94 中心ガス噴射孔
96 ネジ部材
W 半導体ウエハ(被処理体)

DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Film-forming apparatus 4 Processing container 10 Vacuum exhaust system 18 Holding means 22 Mounting stand 46 Shower head apparatus 48 Gas diffusion chamber 50 Shower head main body 52 Gas injection plate 54 Gas injection hole 60 Raw material gas supply system 62 Reaction gas supply system 64 Purge gas supply System 84 Helical curve 84A Clockwise curve 84B Counterclockwise curve 94 Center gas injection hole 96 Screw member W Semiconductor wafer (object to be processed)

Claims (17)

薄膜が形成される被処理体を収容する処理容器内へガスを導入するシャワーヘッド装置において、
内部に前記ガスを拡散させるガス拡散室が形成されたシャワーヘッド本体と、
前記シャワーヘッド本体のガス噴射板に設けられた複数のガス噴射孔とを有し、
前記複数のガス噴射孔は、前記ガス噴射板の中心部を中心として仮想的に形成される複数の螺旋状の曲線に沿うように配置されていることを特徴とするシャワーヘッド装置。
In a shower head device for introducing gas into a processing container containing a target object on which a thin film is formed,
A shower head body in which a gas diffusion chamber for diffusing the gas is formed;
A plurality of gas injection holes provided in the gas injection plate of the shower head body,
The shower head device, wherein the plurality of gas injection holes are arranged along a plurality of spiral curves virtually formed around a center portion of the gas injection plate.
前記ガス噴射孔の開口面積は、周辺部より中心部に行くに従って次第に小さくなされていることを特徴とする請求項1記載のシャワーヘッド装置。 2. The shower head device according to claim 1, wherein an opening area of the gas injection hole is gradually reduced from the peripheral part toward the central part. フィボナッチ数列の中で隣り合う任意の3つの数値の内の最大値が、前記ガス噴射板の周辺部から中心部に時計回りの方向又は反時計回りの方向で向かう前記螺旋状の曲線をカウントした時の数値となるように設定されていることを特徴とする請求項1又は2記載のシャワーヘッド装置。 The spiral curve in which the maximum value of any three adjacent numerical values in the Fibonacci sequence is directed in the clockwise direction or the counterclockwise direction from the peripheral portion to the central portion of the gas injection plate is counted. 3. The shower head device according to claim 1, wherein the shower head device is set to be a numerical value of hour. 前記最大値がカウントされる方向の螺旋状の曲線上には、前記3つの数値の内の最小値の数の前記ガス噴射孔が配置されていることを特徴とする請求項3記載のシャワーヘッド装置。 4. The shower head according to claim 3, wherein the gas injection holes of the minimum value among the three numerical values are arranged on a spiral curve in a direction in which the maximum value is counted. apparatus. 前記複数の螺旋状の曲線は、前記複数のガス噴射孔の内の最外周の特定の基準位置に位置するガス噴射孔を起点として、黄金角度又はこれに近似する近似値に対応する回転角度だけ時計回り方向と反時計回り方向の内のいずれか一方の方向へ順次回転させると共に、回転の都度に1の螺旋状の曲線上に隣り合うガス噴射孔の前記ガス噴射板の半径方向におけるピッチの1/[螺旋状の曲線の数]の長さだけ前記半径方向内側へずらした位置に新たなガス噴射孔を順次配置させ、前記ガス噴射孔を半径方向へ連ねることにより仮想的に形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。 The plurality of spiral curves have only a rotation angle corresponding to a golden angle or an approximate value approximating this starting from a gas injection hole located at a specific reference position on the outermost periphery of the plurality of gas injection holes. The pitch is sequentially rotated in either the clockwise direction or the counterclockwise direction, and the pitch in the radial direction of the gas injection plate of the gas injection holes adjacent to each other on one spiral curve is rotated at each rotation. It is virtually formed by sequentially arranging new gas injection holes at positions shifted inward in the radial direction by the length of 1 / [number of spiral curves] and connecting the gas injection holes in the radial direction. The showerhead device according to any one of claims 1 to 4, wherein the showerhead device is provided. 前記回転角度は、136〜138度の範囲内であって、360度を割り切れない数値であることを特徴とする請求項5記載のシャワーヘッド装置。 6. The shower head device according to claim 5, wherein the rotation angle is a value that is in a range of 136 to 138 degrees and is not divisible by 360 degrees. 前記螺旋状の曲線は、アルキメデス螺旋であることを特徴とする請求項1又は2記載のシャワーヘッド装置。 The showerhead device according to claim 1 or 2, wherein the spiral curve is an Archimedean spiral. 前記螺旋状の曲線は、対数螺旋であることを特徴とする請求項1又は2記載のシャワーヘッド装置。 The showerhead device according to claim 1 or 2, wherein the spiral curve is a logarithmic spiral. 前記複数の螺旋状の曲線は、1の前記螺旋状の曲線を黄金角度又はこれに近似する近似値に対応する回転角度だけ時計回り方向と反時計回り方向の内のいずれか一方の方向へ順次回転させることにより仮想的に形成されていることを特徴とする請求項7又は8記載のシャワーヘッド装置。 The plurality of spiral curves are sequentially rotated in one of a clockwise direction and a counterclockwise direction by a rotation angle corresponding to a golden angle or an approximate value approximate to the one spiral curve. 9. The shower head device according to claim 7, wherein the shower head device is formed virtually by rotating. 前記複数の螺旋状の曲線の数は、フィボナッチ数列の中で隣り合う任意の3つの数値の内の最大値の数値であり、1の螺旋状の曲線上には、前記ガス噴射孔は前記3つの数値の内の他の2つの数値の内のいずれか一方の数だけ配置されていることを特徴とする請求項7乃至9のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。 The number of the plurality of spiral curves is the maximum value of any three adjacent numerical values in the Fibonacci sequence, and the gas injection hole has the number 3 on the one spiral curve. The showerhead device according to any one of claims 7 to 9, wherein only one of the other two numerical values is arranged. 前記複数の螺旋状の曲線は、前記複数のガス噴射孔の内の最外周の特定の基準位置に位置するガス噴射孔を起点として、黄金角度又はこれに近似する近似値に対応する回転角度だけ時計回り方向と反時計回り方向の内のいずれか一方の方向へ順次回転させると共に、回転の都度に1の螺旋状の曲線上に隣り合うガス噴射孔の前記ガス噴射板の半径方向におけるピッチの1/[螺旋状の曲線の数]の長さだけ前記半径方向内側へずらした位置に新たなガス噴射孔を順次配置させ、前記ガス噴射孔を半径方向へ連ねることにより仮想的に形成されていることを特徴とする請求項7乃至10のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。 The plurality of spiral curves have only a rotation angle corresponding to a golden angle or an approximate value approximating this starting from a gas injection hole located at a specific reference position on the outermost periphery of the plurality of gas injection holes. The pitch is sequentially rotated in either the clockwise direction or the counterclockwise direction, and the pitch in the radial direction of the gas injection plate of the gas injection holes adjacent to each other on one spiral curve is rotated at each rotation. It is virtually formed by sequentially arranging new gas injection holes at positions shifted inward in the radial direction by the length of 1 / [number of spiral curves] and connecting the gas injection holes in the radial direction. The shower head device according to claim 7, wherein the shower head device is provided. 前記回転角度は、136〜138度の範囲内であって、360度を割り切れない数値であることを特徴とする請求項9又は11記載のシャワーヘッド装置。 The shower head device according to claim 9 or 11, wherein the rotation angle is a value that is in a range of 136 to 138 degrees and is not divisible by 360 degrees. 同一の前記螺旋状の曲線上に隣り合うガス噴射孔の最短周縁間距離は、前記ガス噴射孔の直径以下の大きさに設定されていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。 The distance between the shortest peripheral edges of adjacent gas injection holes on the same spiral curve is set to a size equal to or smaller than the diameter of the gas injection holes. The showerhead device according to item. 同一の前記螺旋状の曲線上において隣り合うガス噴射孔の最短周縁間距離は、前記ガス噴射板と、前記処理容器内に前記被処理体を保持させるために設置される保持手段の保持面との間の間隔以下に設定されていることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。 The distance between the shortest peripheral edges of the adjacent gas injection holes on the same spiral curve is the gas injection plate and the holding surface of the holding means installed to hold the object to be processed in the processing container. The shower head device according to any one of claims 1 to 13, wherein the shower head device is set to be equal to or smaller than an interval between the two. 前記ガス噴射板の中心には、前記複数の螺旋状の曲線に沿って形成される前記複数のガス噴射孔とは異なる中心ガス噴射孔が形成されていることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置。 The center gas injection hole different from the plurality of gas injection holes formed along the plurality of spiral curves is formed at the center of the gas injection plate. The showerhead device according to any one of the above. 前記ガス噴射板の中心部には、前記中心ガス噴射孔が形成されたネジ部材が取り付けられていることを特徴とする請求項15記載のシャワーヘッド装置。 The shower head device according to claim 15, wherein a screw member in which the central gas injection hole is formed is attached to a central portion of the gas injection plate. 被処理体に対して薄膜を形成する成膜装置において、
前記被処理体を収容する処理容器と、
前記被処理体を保持する保持手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
請求項1乃至16のいずれか一項に記載のシャワーヘッド装置と、
前記処理容器内の雰囲気を排気する真空排気系と、
成膜装置全体の動作を制御する装置制御部と、
を備えたことを特徴とする成膜装置。
In a film forming apparatus for forming a thin film on an object to be processed,
A processing container for containing the object to be processed;
Holding means for holding the object to be processed;
Heating means for heating the object to be processed;
The shower head device according to any one of claims 1 to 16,
An evacuation system for evacuating the atmosphere in the processing vessel;
An apparatus controller for controlling the operation of the entire film forming apparatus;
A film forming apparatus comprising:
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