JP2014150144A - 原料ガス供給装置、成膜装置、原料の供給方法及び記憶媒体 - Google Patents
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Abstract
【課題】応答性や原料ガスの流量安定性に優れた原料ガス供給装置等を提供する。
【解決手段】原料ガス供給装置は、基板Ｗに対する成膜を行う成膜装置に用いられ、キャリアガス供給部４１は、液体または固体の原料を収容した原料容器２に対してキャリアガスを供給し、流量測定部は、原料ガス供給路２１０を介して成膜装置に供給される気化した原料の流量を測定する。制御部５は、気化した原料の流量測定値と、予め設定された目標値とを比較し、流量測定値が目標値よりも高い場合には、原料容器３内の圧力を上昇させ、目標値よりも低い場合には、原料容器３内の圧力を低下させるように圧力調節部ＰＣ１を制御する。
【選択図】図１
【解決手段】原料ガス供給装置は、基板Ｗに対する成膜を行う成膜装置に用いられ、キャリアガス供給部４１は、液体または固体の原料を収容した原料容器２に対してキャリアガスを供給し、流量測定部は、原料ガス供給路２１０を介して成膜装置に供給される気化した原料の流量を測定する。制御部５は、気化した原料の流量測定値と、予め設定された目標値とを比較し、流量測定値が目標値よりも高い場合には、原料容器３内の圧力を上昇させ、目標値よりも低い場合には、原料容器３内の圧力を低下させるように圧力調節部ＰＣ１を制御する。
【選択図】図１
Description
本発明は、成膜装置に供給される原料の流量を調節する技術に関する。
半導体ウエハなどの基板（以下「ウエハ」と言う）に対して成膜を行う手法には、ウエハの表面に原料ガスを供給し、ウエハを加熱することなどにより原料ガスを反応させて成膜を行うＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法や、ウエハの表面に原料ガスの原子層や分子層を吸着させた後、この原料ガスを酸化、還元する反応ガスを供給して反応生成物を生成し、これらの処理を繰り返して反応生成物の層を堆積させるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法などがある。これらの処理は、ウエハを収容し、真空雰囲気が形成された反応チャンバーに原料ガスを供給することにより行われる。
ここで、ＣＶＤやＡＬＤなどで利用される原料には蒸気圧の低いものが多く、この場合、原料ガスは、液体や固体の原料を収容した原料容器にキャリアガスを供給し、このキャリアガス中に原料を気化させることにより得ている。しかしながらこの方式によって供給される原料ガスは、原料容器内の原料の減少や、原料容器内におけるキャリアガスの滞留時間の変化などに起因して、単位時間当たりの原料の気化量（気化流量）が経時的に変化してしまう場合がある。
このような気化流量の変化に対しては、原料容器の加熱温度を調節したり、キャリアガスの流量を変化させたりすることにより、気化流量を一定に維持する調節が行われる。しかしながら、加熱温度の調節は、応答性が悪く、また、キャリアガスの流量調節の場合には、キャリアガス流量の増加時等に発塵を引き起こしてしまうおそれがある。
ここで引用文献１には、バブラー内の液体原料にバブリングガスをバブリングさせて、成膜用の原料ガスを反応室へ供給する化学気相成長装置が記載されている。この装置においては、バブラー内の圧力が反応室内の圧力よりも高い圧力に保たれるようにバブラーの圧力制御を行い、原料ガスの逆流を防止している。しかしながら引用文献１には、バブラーの圧力と原料の気化流量との関係は何ら記載されていない。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、原料を気化させる際の応答性や流量安定性に優れた原料ガス供給装置、成膜装置、原料ガスの供給方法及びこの方法を記憶した記憶媒体を提供することにある。
本発明に係る原料ガス供給装置は、基板に対する成膜を行う成膜装置に用いられる原料ガス供給装置において、
液体または固体の原料を収容した原料容器と、
前記原料容器内の気相領域にキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給部と、
前記原料容器から、気化した原料を含む原料ガスを前記成膜装置に供給するための原料ガス供給路と、
前記原料ガス供給路を流れる前記気化した原料の流量を測定する流量測定部と、
前記原料容器内の圧力を調節する圧力調節部と、
前記流量測定部にて測定した気化した原料の流量測定値と、予め設定された目標値とを比較し、流量測定値が目標値よりも高い場合には、前記原料容器内の圧力を上昇させ、流量測定値が目標値よりも低い場合には、前記原料容器内の圧力を低下させるように前記圧力調節部に制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
液体または固体の原料を収容した原料容器と、
前記原料容器内の気相領域にキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給部と、
前記原料容器から、気化した原料を含む原料ガスを前記成膜装置に供給するための原料ガス供給路と、
前記原料ガス供給路を流れる前記気化した原料の流量を測定する流量測定部と、
前記原料容器内の圧力を調節する圧力調節部と、
前記流量測定部にて測定した気化した原料の流量測定値と、予め設定された目標値とを比較し、流量測定値が目標値よりも高い場合には、前記原料容器内の圧力を上昇させ、流量測定値が目標値よりも低い場合には、前記原料容器内の圧力を低下させるように前記圧力調節部に制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする。
前記原料ガス供給装置は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記圧力調節部は、前記原料ガス供給路に設けられ、開度調節可能な圧力調節弁であること。
（ｂ）前記圧力調節部は、前記原料ガス供給路に圧力調節用のガスを供給する圧力調整ガス供給部であること。このとき、前記原料ガス供給路における圧力調節用のガスの供給位置よりも下流側に、当該圧力調節用のガスの供給量の変動の影響を抑えるためのバッファーガスを供給するバッファーガス供給部を備え、前記制御部は、前記圧力調節用のガスの供給量と、バッファーガスの供給量との合計が一定となるように、前記圧力調節ガス供給部及び原料ガス供給路に制御信号を出力すること。また、前記原料ガス供給路には、前記圧力調節ガス供給部から圧力調節用のガスが供給される位置と、前記バッファーガス供給部からバッファーガスが供給される位置との間の圧力差を大きくするための差圧形成部が設けられていること。
（ａ）前記圧力調節部は、前記原料ガス供給路に設けられ、開度調節可能な圧力調節弁であること。
（ｂ）前記圧力調節部は、前記原料ガス供給路に圧力調節用のガスを供給する圧力調整ガス供給部であること。このとき、前記原料ガス供給路における圧力調節用のガスの供給位置よりも下流側に、当該圧力調節用のガスの供給量の変動の影響を抑えるためのバッファーガスを供給するバッファーガス供給部を備え、前記制御部は、前記圧力調節用のガスの供給量と、バッファーガスの供給量との合計が一定となるように、前記圧力調節ガス供給部及び原料ガス供給路に制御信号を出力すること。また、前記原料ガス供給路には、前記圧力調節ガス供給部から圧力調節用のガスが供給される位置と、前記バッファーガス供給部からバッファーガスが供給される位置との間の圧力差を大きくするための差圧形成部が設けられていること。
（ｃ）前記流量測定部は、前記原料容器にキャリアガスを供給するためのキャリアガス流路に設けられ、当該キャリアガス流路を流れるキャリアガスの流量を測定するための第１の流量測定部と、前記原料ガス供給路を流れる原料ガスの流量を出力するための第２の流量測定部と、これら第１の流量測定部にて得られたキャリアガスの流量測定値と、第２の流量測定部にて得られた原料ガスの流量測定値との差分値に基づいて前記気化した原料の流量測定値を求める流量演算部と、を備えたこと。
（ｄ）前記流量測定部は、前記原料を収容した原料容器の重量を測定する重量測定部と、前記重量測定部から得られた重量測定値の経時変化に基づいて前記気化した原料の流量測定値を求める流量演算部と、を備えたこと。
（ｄ）前記流量測定部は、前記原料を収容した原料容器の重量を測定する重量測定部と、前記重量測定部から得られた重量測定値の経時変化に基づいて前記気化した原料の流量測定値を求める流量演算部と、を備えたこと。
また、他の発明に係る成膜装置は、上述のいずれかの原料ガス供給装置と、
この原料ガス供給装置の下流側に設けられ、当該原料ガス供給装置から供給された原料ガスを用いて基板に成膜処理を行う成膜処理部と、を備えたことを特徴とする。
この原料ガス供給装置の下流側に設けられ、当該原料ガス供給装置から供給された原料ガスを用いて基板に成膜処理を行う成膜処理部と、を備えたことを特徴とする。
本発明は、原料を気化させる原料容器の圧力を調節することにより、気化した原料の流量を調節するので、応答性の高い制御を行うことができる。また、原料容器の圧力を操作することにより、キャリアガスの流量を一定に保ったままでも気化した原料の流量を調節することができるので、流量安定性の高い原料ガス供給を実現できる。
以下、図１を参照しながら、本発明の原料ガス供給装置を備えた成膜装置の構成例について説明する。成膜装置は、基板例えばウエハＷ対してＣＶＤ法による成膜処理を行うための成膜処理部１と、この成膜処理部１に原料ガスを供給するための原料ガス供給装置と、を備えている。
成膜処理部１は、バッチ式のＣＶＤ装置の本体として構成され、例えば縦型の反応チャンバー１１内に、ウエハＷを多数枚搭載したウエハボート１２を搬入した後、真空ポンプなどからなる真空排気部１５により、排気ライン１１０を介して反応チャンバー１１内を真空排気する。しかる後、原料ガス供給装置から原料ガスを導入して、反応チャンバー１１の外側に設けられた加熱部１３によりウエハＷを加熱することによって成膜処理が行われる。
例えばポリイミド系の有機絶縁膜を成膜する場合を例に挙げると、成膜は、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ：Pyromellitic Dianhydride）と４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ：4,4'-Oxydianiline）との二種類の原料ガスを反応させることによって進行する。図１には、これらの原料ガスのうち、常温で固体のＰＭＤＡを加熱して昇華（気化）させ、キャリアガスと共に成膜処理部１へと供給する原料ガス供給装置の構成例を示してある。
本例の原料ガス供給装置は、原料のＰＭＤＡを収容した原料容器３と、この原料容器３にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部４１と、原料容器３にて得られた原料ガス（気化したＰＭＤＡとキャリアガスとを含む）を成膜処理部１に供給する原料ガス供給路２１０と、を備えている。
原料容器３は、固体原料３００であるＰＭＤＡを収容した容器であり、抵抗発熱体を備えたジャケット状の加熱部３１で覆われている。例えば原料容器３は、温度検出部３４にて検出した原料容器３内の気相部の温度に基づいて、給電部３６から供給される給電量を増減することにより、原料容器３内の温度を調節することができる。加熱部３１の設定温度は、固体原料３００が気化し、且つ、ＰＭＤＡが分解しない範囲の温度、例えば２５０℃に設定される。
原料容器３内における固体原料３００の上方側の気相部には、キャリアガス供給部４１から供給されたキャリアガスを原料容器３内に導入するキャリアガスノズル３２と、原料容器３から原料ガス供給路２１０へ向けて原料ガスを抜き出すための抜き出しノズル３３と、が開口している。
また、原料容器３には、気相部の圧力を計測する圧力検出部３５が設けられている。
また、原料容器３には、気相部の圧力を計測する圧力検出部３５が設けられている。
キャリアガスノズル３２は、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）４２が介設されたキャリアガス流路４１０に接続されており、このキャリアガス流路４１０の上流側にキャリアガス供給部４１が設けられている。キャリアガスは、例えば窒素（Ｎ２）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガスなどの不活性ガスが用いられる。本例ではＮ２ガスを用いる場合について説明する。
ＭＦＣ４２は、例えば熱式のＭＦＭ（マスフローメータ）と、このＭＦＭにて測定されたキャリアガスの流量測定値に基づいて、予め設定された設定値にキャリアガスの流量を調節する流量調節部とを備えている。ＭＦＣ４２のＭＦＭは、本実施の形態の第１の流量測定部に相当する。以下、このＭＦＭにて測定されたキャリアガスの流量測定値（後述のように、ＭＦＣ４２の流量設定値にほぼ一致する）をＱ１とする。
一方、前記抜き出しノズル３３は原料ガス供給路２１０に接続されており、原料容器３から抜き出された原料ガスは、この原料ガス供給路２１０を介して成膜処理部１に供給される。原料容器３の内部は、真空排気部１５により、原料ガス供給路２１０及び反応チャンバー１１を介して真空排気され、減圧雰囲気に保たれている。
原料ガス供給路２１０には、原料ガスの流量を測定するＭＦＭ（マスフローメータ）２と、原料容器３内の圧力調節を行う圧力調節部である圧力調節バルブＰＣ１と、開閉バルブＶ１とが、上流側からこの順に介設されている。ＭＦＭ２と圧力調節バルブＰＣ１との位置関係は、この例に限られるものではなく、圧力調節バルブＰＣ１をＭＦＭ２の上流側に配置してもよい。
図３に示すように、原料ガス供給路２１０に設けられたＭＦＭ２は、原料ガス供給路２１０の配管流路上に介設され、原料容器３から供給された原料ガスが通過する細管部２４と、この細管部２４の上流側位置及び下流側位置の管壁に巻きつけられた抵抗体２３１、２３２と、細管部２４内をガスが通流することに起因する細管部２４の管壁の温度変化を各抵抗体２３１、２３２の抵抗値の変化として取り出し、ガスの質量流量に対応する流量信号に変換して出力するブリッジ回路２２及び増幅回路２１と、を備えた熱式の流量計として構成されている。
本ＭＦＭ２はキャリアガス（Ｎ２ガス）によって校正されており、原料（ＰＭＤＡ）を含まないキャリアガスを通流させたとき、このキャリアガスの流量に対応する流量信号を出力する。流量信号は、例えば０〜５［Ｖ］の範囲で変化し、０〜フルレンジ［ｓｃｃｍ］（０℃、１気圧、標準状態基準）の範囲のガス流量に対応付けられている。これらの対応に基づき、流量信号をガス流量に換算した値が流量測定値となる。流量信号から流量測定値への換算は、後述の流量演算部５１で実行してもよいし、ＭＦＭ２内で実行してもよい。
このＭＦＭ２に原料ガス（ＰＭＤＡとキャリアガスとを含む）を通流させると、原料ガスの流量に対応する流量測定値を得ることができる。ＭＦＭ２は、本実施の形態の第２の流量測定部に相当する。以下、このＭＦＭ２にて測定された原料ガスの流量測定値をＱ３とする。
以上に説明した構成を備えた成膜装置（成膜処理部１及び原料ガス供給装置）は、制御部５と接続されている。制御部５は例えば図示しないＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部には成膜装置の作用、即ちウエハボート１２を反応チャンバー１１内に搬入し、真空排気後、原料ガス供給装置から原料ガスを供給して成膜を行い、原料ガスの供給を停止してからウエハボート１２を搬出するまでの動作に係わる制御についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。
特にＰＭＤＡの気化量の調節に関し、制御部５は、原料容器３にて気化したＰＭＤＡの流量測定値を算出する機能と、算出したＰＭＤＡの流量測定値を原料容器３の圧力調節にフィードバックさせてＰＭＤＡの流量制御を行う機能と、を備えている。
先に、ＰＭＤＡの流量制御を行う手法について説明する。原料容器３内の圧力と、この原料容器３内で単位時間あたりに気化するＰＭＤＡの量（気化流量）との関係について述べると、図２に示すように、原料容器３内の圧力が上昇するとＰＭＤＡの気化流量は減少し、原料容器３内の圧力が低下するとＰＭＤＡの気化流量は増大する。気化したＰＭＤＡの全量が成膜処理部１に供給される場合には、この気化流量が原料ガス中のＰＭＤＡの流量となる。
そこで本例においては、原料容器３内の圧力を調節する操作量として圧力調節バルブＰＣ１の開度を採用している。即ち、圧力調節バルブＰＣ１の開度を絞ることにより、原料容器３内の圧力を上昇させてＰＭＤＡの気化流量を低下させ、圧力調節バルブＰＣ１の開度を開くことにより、原料容器３内の圧力を低下させてＰＭＤＡの気化流量を増大させることができる。
そこで制御部５は、予め設定された目標値と、気化したＰＭＤＡの流量測定値とを比較し、流量測定値が目標値よりも高い場合には、圧力調節バルブＰＣ１の開度を絞ってＰＭＤＡの気化流量を低下させる。また、流量測定値が目標値よりも低い場合には、圧力調節バルブＰＣ１の開度を開いてＰＭＤＡの気化流量を増大させる制御を行う。圧力制御時のハンチングの発生を防ぐため、ＰＭＤＡ流量の目標値に調節範囲を設定し、調節範囲の上限値を超えたとき圧力調節バルブＰＣ１の開度を絞り、下限値を下回ったとき圧力調節バルブＰＣ１の開度を開く構成としてもよい。
このように本例の制御部５は、ＭＦＭ２から取得した原料ガスの流量測定値に基づいて算出したＰＭＤＡの流量測定値を目標値と比較して原料容器３の圧力制御を行う。このため、ＰＭＤＡの流量制御を正確に行うためには、制御部５にて算出するＰＭＤＡの流量測定値が、原料容器３内で気化したＰＭＤＡの気化流量を正しく示している必要がある。
一方で、図３に示した熱式のＭＦＭ２は、通常、成分比が変化しないガスの流量測定に用いられる。ガスの成分比が変化した場合には、ＭＦＭ２の測定結果を実際の流量に換算するコンバージョンファクタの値を修正する必要がある。従って、刻々と変化する原料ガスの成分比に応じてコンバージョンファクタを変更しなければ、正しい流量測定値を把握することは困難である。
そこで本例の原料ガス供給装置においては、以下の手法によりＰＭＤＡの流量測定値を算出している。
そこで本例の原料ガス供給装置においては、以下の手法によりＰＭＤＡの流量測定値を算出している。
既述のように、ＭＦＭ２はキャリアガスによって校正されている。このＭＦＭ２に、ＰＭＤＡとキャリアガスとを含む原料ガスを通流させて得られた流量測定値Ｑ３は、そのときのＰＭＤＡやキャリアガスの成分比における原料ガスの流量を正しく示しているとは限らない。一方、このＭＦＭ２にＰＭＤＡを含まないキャリアガスを単独で通流させた場合には、正しい流量に対応した流量測定値を得ることができる。また当該ガス供給装置においては、原料容器３の上流側に設けられたＭＦＣ４２にて、キャリアガスは設定値に対応した流量Ｑ１に調節されていることが分かっている。
そこで図３に示すように、本例の制御部５は、ＭＦＭ２にて測定した原料ガスの流量測定値Ｑ３と、予め把握しているキャリアガスの流量Ｑ１とを利用して、原料ガス中に含まれる原料の気化流量Ｑ２を求める流量演算部５１の機能を備えている。
図４は、キャリアガスの流量Ｑ１及び原料の気化流量Ｑ２を変化させたとき、ＭＦＭ２にて測定される原料ガスの流量Ｑ３の変化を示している。図４の横軸はＰＭＤＡの気化流量Ｑ２［ｓｃｃｍ］、縦軸はＭＦＭ２にて検出された原料ガスの流量測定値Ｑ３［ｓｃｃｍ］を表している。この図では、キャリアガスの流量Ｑ１［ｓｃｃｍ］をパラメータとした対応関係が示されている。
例えばＱ１＝０［ｓｃｃｍ］の場合に示すように、ＰＭＤＡの気化流量Ｑ２と、このＰＭＤＡをＭＦＭ２に通流させて得られた流量測定値Ｑ３との間には、比例関係があると考える。また、このＰＭＤＡのガスに既知量Ｑ１＝１５０、２５０［ｓｃｃｍ］のキャリアガスを混合すると、キャリアガスにより校正されているＭＦＭ２は、Ｑ１＝０のときの流量測定値に、キャリアガスの流量を加算した値を流量測定値Ｑ３として出力するとする。
これらの関係が成り立つ場合には、ＭＦＭ２に原料ガスを通流させて得た流量測定値Ｑ３から、ＭＦＣ４２にて予め把握している設定値Ｑ１を差し引いた差分値Ｑ３−Ｑ１は、図４のＱ１＝０ときの値を示していることになる。そこで、ＰＭＤＡの気化流量Ｑ２と、このＰＭＤＡのガスをＭＦＭ２に通流させて得られた流量測定値Ｑ３との比例係数Ｃｆを予め求めておき、前記差分値に比例係数を乗じると、ＰＭＤＡの気化流量Ｑ２を求めることができる。
Ｑ２＝Ｃｆ（Ｑ３−Ｑ１） …（１）
Ｑ２＝Ｃｆ（Ｑ３−Ｑ１） …（１）
流量演算部５１は、制御部５の記憶部に記憶されたプログラムに基づき、上述の演算を実行してＰＭＤＡの気化流量Ｑ２を算出する。この手法によれば、原料ガス中のＰＭＤＡの濃度が変化し、当該原料ガスの正しい流量を測定するためのコンバージョンファクタが求められない場合であっても原料の気化流量を求めることができる。
例えばＣｆの値は、以下の手法により求めることができる。固体原料３００を収容した原料容器３の秤量を行いながら、加熱部３１の加熱温度を変化させると共に、流量Ｑ１のキャリアガスを供給して原料ガスを発生させる。固体原料３００の重量変化から気化流量Ｑ２を求めると共に、この原料ガスをＭＦＭ２に通流させて流量測定値Ｑ３を得る。これら気化流量Ｑ２及び流量測定値Ｑ３の測定をキャリアガスの流量Ｑ１や気化流量Ｑ２を変化させて、図４に示すように、複数本の気化流量Ｑ２と流量測定値Ｑ３との対応関係を得る。そして、これらの対応関係から、キャリアガスの流量Ｑ１が、キャリアガスが０のときの流量測定値Ｑ３に加算されている関係が成立することを確認したら、差分値Ｑ３−Ｑ１算出し、この差分値を気化流量Ｑ２で除して比例係数Ｃｆを求める。
このように前記（１）式を利用すれば、キャリアガスにて校正されたＭＦＭ２を用いて、原料ガス中の原料の気化流量を計測することが可能であることは、ＰＭＤＡ（粘度１．４×１０−５［Ｐａ・ｓ］、分子量２１８）の代替ガスを用いて実験的に確認している。ＰＭＤＡに粘度が近い水素（Ｈ２）ガス（粘度１．３×１０−５［Ｐａ・ｓ］、分子量２）、及びＰＭＤＡに分子量が近い六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガス（粘度２．５×１０−５［Ｐａ・ｓ］、分子量１４６）を代替ガスとして、各代替ガスをＭＦＣで流量調節（流量設定値Ｑ２）しながら、ＭＦＣで流量調節されたＮ２ガス（流量設定値Ｑ１）と混合し、この混合ガスの流量Ｑ３をＭＦＭ２で測定する実験を行った。
この実験において、最小二乗法により供給流量Ｑ２に対する差分値Ｑ３−Ｑ１近似直線を求めた。この近似直線に差分値Ｑ３−Ｑ１を入力して得た供給流量の推算値と実際の供給流量Ｑ２との誤差を算出したところ、いずれの代替ガスにおいても誤差は±２％以内であった。
以下、図１、図６、図７を参照しながら本例の成膜装置の作用について説明する。
はじめに、反応チャンバー１１にウエハボート１２を搬入した後、反応チャンバー内を真空排気する。そして、成膜処理を開始する準備が整ったら、開閉バルブＶ１を開くと共に、キャリアガス供給部４１から設定値の流量に調節されたキャリアガスを原料容器３に供給して原料ガスを発生させる。発生した原料ガスは成膜処理部１へ供給され、加熱部１３により加熱されたウエハＷの表面にて、この原料ガス中のＰＭＤＡと、不図示のＯＤＡの原料ガス供給ラインから供給されたＯＤＡとが反応してポリイミド系の有機絶縁膜が成膜される。
はじめに、反応チャンバー１１にウエハボート１２を搬入した後、反応チャンバー内を真空排気する。そして、成膜処理を開始する準備が整ったら、開閉バルブＶ１を開くと共に、キャリアガス供給部４１から設定値の流量に調節されたキャリアガスを原料容器３に供給して原料ガスを発生させる。発生した原料ガスは成膜処理部１へ供給され、加熱部１３により加熱されたウエハＷの表面にて、この原料ガス中のＰＭＤＡと、不図示のＯＤＡの原料ガス供給ラインから供給されたＯＤＡとが反応してポリイミド系の有機絶縁膜が成膜される。
このとき制御部５は、ＭＦＭ２から取得した原料ガスの流量測定値に基づき、気化したＰＭＤＡの流量測定値Ｑ２を算出し（図６のステップＳ１０１）、流量測定値Ｑ２と目標値とを比較してこれらの値のずれ量を解消する方向に圧力調節バルブＰＣ１の開度を調節する（ステップＳ１０２）。
ステップＳ１０１にて気化したＰＭＤＡの流量測定値Ｑ２を算出する動作について説明すると、抜き出しノズル３３から抜き出された原料ガスが、ＭＦＭ２を通流し、原料ガスの流量測定値Ｑ３が測定される（図７のステップＳ２０１）。流量演算部５１は、この流量測定値Ｑ３から、キャリアガスの設定値Ｑ１を差し引いて差分値Ｑ３−Ｑ１を算出する（ステップＳ２０２）。
ここで内部に設けられたＭＦＭを用いて測定したキャリアガスの流量測定値に基づいて流量調節を行うＭＦＣ４２においては、流量が安定しているとき、キャリアガスの流量が設定値に対して調整誤差の範囲内にあることが保証されている。そこで、上述の例においては、キャリアガスの流量Ｑ１としてＭＦＣ４２の設定値を用いた。この例に替えて、流量演算部５１がＭＦＣ４２内のＭＦＭから流量測定値を取得し、この流量測定値Ｑ１に基づいて差分値Ｑ３−Ｑ１を算出してもよいことは勿論である。
しかる後、流量演算部５１は、差分値Ｑ３−Ｑ１に比例係数Ｃｆを乗じてＰＭＤＡの流量測定値（気化流量）Ｑ２を算出する（ステップＳ２０３）。
このようにして得られたＰＭＤＡの流量測定値Ｑ２に基づいて圧力調節バルブＰＣ１の開度を調節し、原料容器３の圧力制御をすることにより、例えば原料容器３の温度を変更してＰＭＤＡの流量を調節する場合よりも応答時間を短くすることができる。また、キャリアガスの増減によりＰＭＤＡの流量を調節する場合に比べて、原料容器３や各供給路４１０、２１０の配管内を通過するガスの流動状態が安定しているので、これらの部位の内壁面に付着したパーティクルが流量の変動に伴って飛散すること（発塵）を抑えることができる。
このようにして得られたＰＭＤＡの流量測定値Ｑ２に基づいて圧力調節バルブＰＣ１の開度を調節し、原料容器３の圧力制御をすることにより、例えば原料容器３の温度を変更してＰＭＤＡの流量を調節する場合よりも応答時間を短くすることができる。また、キャリアガスの増減によりＰＭＤＡの流量を調節する場合に比べて、原料容器３や各供給路４１０、２１０の配管内を通過するガスの流動状態が安定しているので、これらの部位の内壁面に付着したパーティクルが流量の変動に伴って飛散すること（発塵）を抑えることができる。
予め設定した時間が経過したら、キャリアガス供給部４１からのキャリアガスの供給を停止すると共に、開閉バルブＶ１を閉じ、ＰＭＤＡを含む原料ガスの供給を停止する。また、ＯＤＡを含む原料ガスの供給も停止した後、反応チャンバー１１内を大気雰囲気とする。しかる後、反応チャンバー１１からウエハボート１２を搬出して一連の動作を終える。
本実施の形態に係わる原料ガス供給装置によれば以下の効果がある。ＰＭＤＡを気化させる原料容器３の圧力を調節することにより、原料ガスに含まれるＰＭＤＡの流量を調節するので、応答性の高い制御を行うことができる。また、原料容器３の圧力を操作することにより、キャリアガスの流量を一定に保ったままでも気化した原料の流量を調節することができるので、流量安定性の高い原料ガス供給を実現できる。
次に他の実施の形態に係る原料ガ供給装置の構成について図８を参照しながら説明する。図８において、図１に示したものと共通の構成要素には、図１に使用したものと同じ符号を付してある。
図８に示した原料ガス供給装置は、圧力調節バルブＰＣ１に替えて、圧力調節ガス供給路６１０から原料ガス供給路２１０に圧力調節用のガスを供給することにより原料容器３内の圧力を調節する点が、図１に示した実施の形態と異なっている。また、原料ガスの流量測定値Ｑ３とキャリアガスの流量設定値Ｑ１との差分値Ｑ３−Ｑ１からＰＭＤＡの流量測定値Ｑ２を算出する手法に替えて、ＰＭＤＡを収容した原料容器３の重量変化に基づいて流量測定値Ｑ２を算出する点も異なる。
図８に示した原料ガス供給装置は、圧力調節バルブＰＣ１に替えて、圧力調節ガス供給路６１０から原料ガス供給路２１０に圧力調節用のガスを供給することにより原料容器３内の圧力を調節する点が、図１に示した実施の形態と異なっている。また、原料ガスの流量測定値Ｑ３とキャリアガスの流量設定値Ｑ１との差分値Ｑ３−Ｑ１からＰＭＤＡの流量測定値Ｑ２を算出する手法に替えて、ＰＭＤＡを収容した原料容器３の重量変化に基づいて流量測定値Ｑ２を算出する点も異なる。
圧力調節ガス供給路６１０は、ＭＦＣ６３を介してＮ２ガス供給部６５に接続されており、これらは本実施の形態の圧力調節ガス供給部を構成している。本例において圧力調節用のガスは、キャリアガスと同じＮ２ガスが採用されている。また、圧力調節用のガスが供給される位置は、原料容器３から当該位置までの配管の圧力損失などを考慮し、圧力調節用のガスの供給量の増減により、原料容器３内の圧力を所望の範囲で変化させることが可能な位置に設定されている。
次に、図９を参照しながら圧力調節ガス供給部のガスの供給量とＰＭＤＡの量（気化流量）との関係について述べる。例えば流量ｑ１［ｓｃｃｍ］の圧力調節用のガスが原料ガス供給路２１０に供給されているとき、この状態から圧力調節用のガスの供給量を増やすと、原料ガス供給路２１０を介して原料容器３内の圧力が上昇し、ＰＭＤＡの気化流量は減少する。一方、圧力調節用のガスの供給量を減らすと、原料容器３内の圧力が低下し、ＰＭＤＡの気化流量は増大する。
そこで制御部５は、予め設定された目標値と、ＰＭＤＡの流量測定値とを比較し、流量測定値が目標値よりも高い場合には、圧力調節用のガスの供給流量ｑ１を増やしてＰＭＤＡの気化流量を低下させる。また、流量測定値が目標値よりも低い場合には、前記供給流量ｑ１を減らしてＰＭＤＡの気化流量を増大させる制御を行う。圧力制御時のハンチングの発生を防ぐため、ＰＭＤＡ流量の目標値に調節範囲を設定してもよいことは、圧力調節バルブＰＣ１の開度調節の場合と同様である。
また本例では、制御部５は、ＰＭＤＡの気化流量（流量測定値）Ｑ２は、重量測定部である重量計３７にて、原料容器３の重量を測定し、この重量測定値の経時変化に基づいて算出する流量演算部としての機能も備えている。
なお、ＰＭＤＡの気化流量Ｑ２を求める手法は、特定の方法に限定されるものではなく、図２を用いて説明した原料ガスの流量測定値Ｑ３とキャリアガスの流量設定値Ｑ１との差分値Ｑ３−Ｑ１から算出してもよいし、他の手法を用いてもよい。これとは反対に、図１に示した圧力調節バルブＰＣ１を用いる方式の圧力調節において、重量計３７にて取得した重量測定値から算出したＰＭＤＡの流量測定値Ｑ２を用いてもよいことは勿論である。
なお、ＰＭＤＡの気化流量Ｑ２を求める手法は、特定の方法に限定されるものではなく、図２を用いて説明した原料ガスの流量測定値Ｑ３とキャリアガスの流量設定値Ｑ１との差分値Ｑ３−Ｑ１から算出してもよいし、他の手法を用いてもよい。これとは反対に、図１に示した圧力調節バルブＰＣ１を用いる方式の圧力調節において、重量計３７にて取得した重量測定値から算出したＰＭＤＡの流量測定値Ｑ２を用いてもよいことは勿論である。
また、上述のように圧力調節用のガスを供給して原料容器３内の圧力を調節する場合には、成膜処理部１に供給される原料ガス（キャリアガス、圧力理調節用のガス、ＰＭＤＡの総量）中のＰＭＤＡの濃度の濃度が変化してしまうおそれがある。そこで図８に示した実施の形態にでは、原料ガス供給路２１０において、圧力調節用のガスが供給される位置の下流側の位置に、当該圧力調節用のガスの供給量の変動の影響を抑えるためのバッファーガスを供給している。
バッファーガスは、バッファーガス供給路６２０を介して原料ガス供給路２１０に供給される。このバッファーガス供給路６２０は、ＭＦＣ６４を介してＮ２ガス供給部６５に接続されており、これらは本実施の形態のバッファーガス供給部を構成している。
そして、制御部５はＰＭＤＡの気化流量に応じて圧力調節ガス供給路６１０から供給される圧力調節用のガスの供給量ｑ１［ｓｃｃｍ］が変化すると、当該圧力調節用のガスの供給量ｑ１と、バッファーガス供給路６２０から供給されるバッファーガスの供給量ｑ２［ｓｃｃｍ］との合計ｑ１＋ｑ２が予め設定された値でほぼ一定となるようにバッファーガス用のＭＦＣ６４の流量調節を行う。
この結果、原料ガス中のキャリアガス、圧力調節用のガス、バッファーガスの合計流量がほぼ一定となるので、原料容器３の圧力を制御することによりＰＭＤＡの流量が目標値に調節されると、ＰＭＤＡの濃度が安定した原料ガスを成膜処理部１に供給することが可能となる。
図８には、圧力調節用のガスが供給される位置と、バッファーガスが供給される位置との圧力差を大きくするための差圧形成部であるオリフィス２２を原料ガス供給路２１０に介設した例が記載されている。オリフィス２２を設けることにより、圧力調節用のガスによる原料容器３内の圧力調節に対して、バッファーガスが与える影響（外乱）を抑えることができる。ここで差圧形成部の構成は、オリフィス２２の例に限られるものではなく、例えば開度調節されたバルブを設けてもよい。
また、原料ガス供給路２１０の配管径が細い場合や、圧力調節用のガスが供給される位置と、バッファーガスが供給される位置とが離れている場合などにおいて、配管自体の圧力損失が十分に大きく、バッファーガスの供給が原料容器３の圧力調節に与える影響が小さい場合には、差圧形成部は設けなくてもよい。
ここで図１、図８に示した例においては、圧力調節部として圧力調節バルブＰＣ１や圧力調節ガス供給部を個別に設けた例を示したが、１台の原料ガス供給装置に、これら圧力調節バルブＰＣ１と圧力調節ガス供給部との双方を設けて原料容器３内の圧力調節を行ってもよい。
以上に説明した各例においては、ポリイミド系の有機絶縁膜の原料であり、常温で固体のＰＭＤＡを、本発明の原料ガス供給装置を用いて供給する場合について説明した。しかしながら本発明を適用可能な原料の種類はＰＭＤＡの例に限られるものではない。例えば前記ポリイミド系の有機絶縁膜のもう一方の原料であり、常温で固体のＯＤＡを液体になるまで加温し、この液体にキャリアガスをバブリングして得た原料ガス中の原料の流量を上述の手法により求めてもよい。また、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、テトラジメチルアミノハフニウム（ＴＤＭＡＨ）、テトラキスエチルメチルアミノハフニウム（ＴＥＭＡＨ）、テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム（ＴＥＭＡＺ）など、アルミニウムやハフニウム、ジルコニウムなどの種々の金属を含む薄膜の成膜に用いる原料の流量測定に適用してもよい。
また図１、図８の各実施の形態に示した原料供給装置では、原料容器３の温度やキャリアガスの流量Ｑ１を一定とした場合について説明したが、必要に応じてこれらの値を増減してもよいことは勿論である。
ＰＣ１ 圧力調節バルブ
Ｗ ウエハ
１ 成膜処理部
２ ＭＦＭ（マスフローメータ）
２１０ 原料ガス供給路
２２ オリフィス
３ 原料容器
３００ 固体原料
３７ 重量計
４１ キャリアガス供給部
４２ ＭＦＣ（マスフローコントローラ）
４１０ キャリアガス流路
６１０ 圧力調節ガス供給路
６２０ バッファーガス供給路
Ｗ ウエハ
１ 成膜処理部
２ ＭＦＭ（マスフローメータ）
２１０ 原料ガス供給路
２２ オリフィス
３ 原料容器
３００ 固体原料
３７ 重量計
４１ キャリアガス供給部
４２ ＭＦＣ（マスフローコントローラ）
４１０ キャリアガス流路
６１０ 圧力調節ガス供給路
６２０ バッファーガス供給路
Claims (13)
- 基板に対する成膜を行う成膜装置に用いられる原料ガス供給装置において、
液体または固体の原料を収容した原料容器と、
前記原料容器内の気相領域にキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給部と、
前記原料容器から、気化した原料を含む原料ガスを前記成膜装置に供給するための原料ガス供給路と、
前記原料ガス供給路を流れる前記気化した原料の流量を測定する流量測定部と、
前記原料容器内の圧力を調節する圧力調節部と、
前記流量測定部にて測定した気化した原料の流量測定値と、予め設定された目標値とを比較し、流量測定値が目標値よりも高い場合には、前記原料容器内の圧力を上昇させ、流量測定値が目標値よりも低い場合には、前記原料容器内の圧力を低下させるように前記圧力調節部に制御信号を出力する制御部と、を備えたことを特徴とする原料ガス供給装置。 - 前記圧力調節部は、前記原料ガス供給路に設けられ、開度調節可能な圧力調節弁であることを特徴とする請求項１に記載の原料ガス供給装置。
- 前記圧力調節部は、前記原料ガス供給路に圧力調節用のガスを供給する圧力調整ガス供給部であることを特徴とする請求項１に記載の原料ガス供給装置。
- 前記原料ガス供給路における圧力調節用のガスの供給位置よりも下流側に、当該圧力調節用のガスの供給量の変動の影響を抑えるためのバッファーガスを供給するバッファーガス供給部を備え、
前記制御部は、前記圧力調節用のガスの供給量と、バッファーガスの供給量との合計が一定となるように、前記圧力調節ガス供給部及び原料ガス供給路に制御信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の原料ガス供給装置。 - 前記原料ガス供給路には、前記圧力調節ガス供給部から圧力調節用のガスが供給される位置と、前記バッファーガス供給部からバッファーガスが供給される位置との間の圧力差を大きくするための差圧形成部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の原料ガス供給装置。
- 前記流量測定部は、前記原料容器にキャリアガスを供給するためのキャリアガス流路に設けられ、当該キャリアガス流路を流れるキャリアガスの流量を測定するための第１の流量測定部と、前記原料ガス供給路を流れる原料ガスの流量を出力するための第２の流量測定部と、これら第１の流量測定部にて得られたキャリアガスの流量測定値と、第２の流量測定部にて得られた原料ガスの流量測定値との差分値に基づいて前記気化した原料の流量測定値を求める流量演算部と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の原料ガス供給装置。
- 前記流量測定部は、前記原料を収容した原料容器の重量を測定する重量測定部と、前記重量測定部から得られた重量測定値の経時変化に基づいて前記気化した原料の流量測定値を求める流量演算部と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の原料ガス供給装置。
- 請求項１ないし７のいずれか一つに記載の原料ガス供給装置と、
この原料ガス供給装置の下流側に設けられ、当該原料ガス供給装置から供給された原料ガスを用いて基板に成膜処理を行う成膜処理部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。 - 基板に対する成膜を行う成膜装置に供給される原料の供給方法において、
液体または固体の原料を収容した原料容器内の気相領域にキャリアガスを供給し、原料を気化させる工程と、
前記原料容器から、原料ガス供給路を介して、気化した原料を含む原料ガスを成膜装置に供給する工程と、
前記原料ガス供給路を流れる前記気化した原料の流量を測定する工程と、
前記気化した原料の流量測定値と、予め設定された目標値とを比較し、流量測定値が目標値よりも高い場合には、前記原料容器内の圧力を上昇させ、流量測定値が目標値よりも低い場合には、前記原料容器内の圧力を低下させるように原料容器内の圧力を調節する工程と、を含むことを特徴とする原料の供給方法。 - 前記原料容器内の圧力を調節する工程は、前記原料ガス供給路に設けられた圧力調節弁の開度を調節することにより行うことを特徴とする請求項９に記載の原料の供給方法。
- 前記原料容器内の圧力を調節する工程は、前記原料ガス供給路に圧力調節用のガスを供給することにより行われること特徴とする請求項９に記載の原料の供給方法。
- 前記圧力調節用のガスの供給量の変動の影響を抑えるため、前記原料ガス供給路における圧力調節用のガスの供給位置よりも下流側にバッファーガスを供給し、圧力調節用のガスの供給量と、バッファーガスの供給量との合計が一定となるようにこれらのガスの供給量を調節する工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の原料の供給方法。
- 基板に対する成膜を行う成膜装置に用いられる原料ガス供給装置に用いられるコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
前記プログラムは請求項９ないし１２のいずれか一つに記載された原料の供給方法を実行するためにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。
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