JP2016084498A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】良質な成膜を安定して行うことが可能な成膜装置及び成膜方法を提供する。【解決手段】 この成膜装置は、処理容器１内に設けられ、基板（ウェハ）Ｗが載置される載置部２（載置台）と、載置部２に対向配置された天井部と、載置部２と天井部３１との間の処理空間に連通した反応ガス供給部（ＧＳ１，３２１，３２２）とを備え、載置部２の外周部と天井部３１の外周部との間には、これらの周方向に亘って、平面視（Ｚ方向から見た場合）において環状に隙間が存在しており、反応ガス供給部から天井部３１を介して処理空間内に供給された反応ガスは、環状の隙間を介して、処理空間の外部に流出し、隙間を与える天井部３１の外周部には、複数のガス流壁形成用のガス流路Ｈが設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスに好適な成膜装置に関する。
従来の成膜装置は、例えば、特許文献１に記載されている。この成膜装置は、処理容器内に設けられ、基板が載置される載置部と、載置部に対向配置された天井部と、載置部と天井部との間の処理空間に連通した反応ガス供給部とを備え、下側に凹部を有する天井部が、載置部に接触して、閉塞空間を画成している。この処理容器内には、第１の反応ガスと第２の反応ガスとが交互に供給され、ＡＬＤの成膜が行われる。
この成膜装置においては、閉塞空間にガス排気孔を連通させており、このガス排気孔内への別経路のガス供給を制御して、排気のコンダクタンスを制御している。
特開２０１２−２３７０２６号公報
しかしながら、従来の成膜装置は、良質な成膜を安定して行うには、不十分であった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、良質な成膜を安定して行うことが可能な成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。
本願発明者らが、良質な成膜を安定して行う手法を鋭意検討した結果、従来の成膜装置においては、以下のような原因が発見された。すなわち、従来の成膜装置においては、下側に凹部を有する天井部が、載置部に接触して、閉塞空間を画成しているため、これらの接触に起因した粉塵等が発生し、成膜の品質及び装置の耐久性に影響を与えていることを発見した。
そこで、上述の課題を解決するため、第１の成膜装置は、処理容器内に設けられ、基板が載置される載置部と、載置部に対向配置された天井部と、載置部と天井部との間の処理空間に連通した反応ガス供給部と、を備え、載置部の外周部と天井部の外周部との間には、これらの周方向に亘って、平面視において環状に隙間が存在しており、反応ガス供給部から天井部を介して処理空間内に供給された反応ガスは、環状の隙間を介して、処理空間の外部に流出し、隙間を与える天井部の外周部には、複数のガス流壁形成用のガス流路が設けられていることを特徴とする。
この成膜装置によれば、反応ガス供給部から基板が配置された処理空間内に反応ガスが供給されることにより、基板上に成膜が行われる。ここで、処理空間の外周部には、環状に隙間が形成されているため、反応ガスを排気する際には、高速に排気することができる一方、隙間には、複数のガス流壁形成用のガス流路から、ガス流壁形成用ガスが導入されるため、これによりガス流壁（ガスカーテン）が形成され、成膜時には、処理空間内に反応ガスを保持することができる。この構造では、高速な排気が可能であると共に、環状の隙間が載置部と天井部との間に存在しているため、これらの接触に起因した粉塵等の発生が無く、したがって、良質な成膜を安定して行うことが可能である。
なお、従来の閉塞空間におけるガス流制御と比較して、環状の隙間を有する開放空間を採用した構造では、上述の利点があるものの、遮断性の高いガス流壁の形成という観点からは、更なる改良の余地がある。
そこで、第２の成膜装置においては、前記ガス流壁形成用のガス流路は、天井部における外周部の載置部に対向する面から、上方に向けて、載置部の載置表面に対して垂直な方向に延びていることを特徴とする。
この構造の場合、載置表面或いは載置部を被覆するカバー部材の上面にガスを当てる事で乱流を発生させ易いという利点がある。
第３の成膜装置においては、ガス流壁形成用のガス流路は、天井部における外周部の載置部に対向する面から、上方に向けて延びており、且つ、ガス流壁形成用のガス流路のガス出射開口端上の少なくとも３点を含む平面に垂直な方向は、上方に向かうに従って、天井部の中央部に近づく方向に延びていることを特徴とする。
この構造の場合、乱流を発生させ、且つ処理空間内への流壁ガスの流れ込みを低減させるという利点がある。
第４の成膜装置においては、ガス流壁形成用のガス流路は、天井部における外周部の載置部に対向する面から、上方に向けて延びており、且つ、上方に向かうに従って、天井部の中央部に近づく方向に延びていることを特徴とする。
この構造の場合、第３の成膜装置の構造より、更に流壁ガスの処理空間内への流れ込みを低減させるという利点がある。
第５の成膜装置においては、載置部の外周部を被覆する環状のカバー部材を更に備え、カバー部材は、ガス流壁形成用のガス流路から出射されたガスが、カバー部材に当たるように、配置されていることを特徴とする。
この構造の場合、カバー部材と載置部との境界において、渦流が発生しやすくなるため、処理空間からガスが流出しにくくなる。
第６の成膜装置においては、反応ガス供給部からは、処理容器内に、第１及び第２の反応ガスが交互に供給され、ガス流壁形成用のガス流路からは、隙間に、流壁ガスが、第１及び第２の反応ガスの供給に同期して間欠的に供給されることを特徴とする。この場合、第１及び第２の反応ガスを交互に供給することにより、ＡＬＤ膜等を成膜することができる。また、第１及び第２反応ガスが供給される場合には、これに同期して、ガス流壁が形成され、供給されない場合には、ガス流壁が解除され、速やかな成膜と排気プロセスが実行される。
第７の成膜装置においては、第１の反応ガスの処理容器内への導入開始時刻から、遅延して、流壁ガスの隙間内への供給が開始され、第１の反応ガスの処理容器内への導入終了時刻から、遅延して、流壁ガスの隙間内への供給が終了することを特徴とする。第２の反応ガスの場合も同様とすることができる。このような流壁ガスの遅延供給により、高速に、処理空間内を反応ガスで充満させることができ、遅延供給終了により、成膜時間の制御性を高めることができる。
第８の成膜装置においては、隙間の最小値（Ｄ１）は、０．３ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることを特徴とする。なぜならば、最小値Ｄ１が、下限値未満の場合は、部材の熱膨張に起因して、又は、処理容器内を大気圧から真空状態に減圧する過程に於ける処理容器の伸縮に起因して、載置部とカバーとが近接し、これらが干渉することが考えられる。また、一方で、最小値Ｄ１が、上限値を超える場合には、処理空間内におけるガスの閉じ込め効果が無くなるからである。したがって、隙間の最小値Ｄ１が、上記規定範囲内の場合には、高速排気とガスの閉じ込めの両立という効果を奏する。
また、本発明の成膜方法は、上述のいずれかの成膜装置を用いて行う成膜方法であり、上述の作用効果を奏する。また、この成膜方法では、特に、反応ガス供給部から、処理容器内に、第１及び第２の反応ガスが交互に供給され、ガス流壁形成用のガス流路からは、上記隙間に、流壁ガスが、第１及び第２の反応ガスの供給に同期して供給されることが好ましい。第１及び第２反応ガスが供給される場合には、これに同期して、ガス流壁が形成され、供給されない場合には、ガス流壁が解除されるためである。
本発明の成膜装置及び成膜方法によれば、良質な成膜を安定して行うことが可能である。
成膜装置の構造を、縦断面を用いて示す図である。 天井部の外周部近傍の構造（Ａタイプ）を拡大して示す図である。 天井部の外周部近傍の構造（Ｂタイプ）を拡大して示す図である。 天井部の外周部近傍の構造（Ｃタイプ）を拡大して示す図である。 天井部を上から見た場合における下面の構造を示す図である。 プロセスガス（反応ガス）と流壁ガスの導入タイミングチャートである。 天井部の外周部近傍の構造（第１変形Ａタイプ）を拡大して示す図である。 天井部の外周部近傍の構造（第１変形Ｂタイプ）を拡大して示す図である。 天井部の外周部近傍の構造（第１変形Ｃタイプ）を拡大して示す図である。 天井部の外周部近傍の構造（第２変形Ａタイプ）を拡大して示す図である。 天井部の外周部近傍の構造（第２変形Ｂタイプ）を拡大して示す図である。 天井部の外周部近傍の構造（第２変形Ｃタイプ）を拡大して示す図である。
以下、実施の形態に係る成膜装置及び成膜方法について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、成膜装置の構造を、縦断面を用いて示す図である。この成膜装置は、ＡＬＤ（原子層堆積）或いはＭＬＤ（分子層堆積）成膜装置である。
この成膜装置では、処理容器１内の載置部２上に基板Ｗを配置し、基板Ｗの露出表面上に反応ガスを交互に供給して、当該露出表面上に成膜を行う。処理対象の基板Ｗは、例えば直径が３００ｍｍの円形のウェハである。
本例では、基板Ｗの表面には、互いに反応する塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガス（第１の反応ガス）と、アンモニア（ＮＨ３）ガス（第２の反応ガス）とを交互に供給し、ＡＬＤ又はＭＬＤ法により、窒化チタン（ＴｉＮ）膜を成膜する。
処理容器１は、平面形状が概ね円形であり、アルミニウム等の金属からなる真空容器である。この成膜装置は、処理室を構成する処理容器１と、この処理容器１内に設けられ、基板Ｗが載置される載置部（載置台）２と、載置部２と対向するように設けられ、載置部２との間に処理空間３１３を形成するための天井部（天板部材）３１とを備えている。処理容器１の側面には、載置部２との間で基板Ｗの受け渡しを行う際に、外部の真空搬送路に設けられた基板搬送機構を処理容器１内に進入させるための搬入出口１１と、この搬入出口１１を開閉するゲートバルブ１２とが設けられている。処理空間３１３内には、二次元状に配置された複数の孔を有する開口部材ＳＷが設けられており、処理空間内に供給されたガスを分散させて基板Ｗに伝達する機能を有する。
搬入出口１１よりも上部側の位置には、アルミニウム等の金属からなり、縦断面の形状が角型のダクトを円環状に湾曲させて構成した排気ダクト１３が、処理容器１の本体を構成する側壁の上に積み重なるように設けられている。排気ダクト１３の内周面には、周方向に沿って伸びるスリット状の開口部１３１が形成されており、処理空間３１３から流れ出たガスはこの開口部１３１を介して排気ダクト１３内に排気される。排気ダクト１３の外壁面には排気口１３２が形成されており、この排気口１３２には真空ポンプなどからなる排気部６５が接続されている。排気口１３２や排気部６５は、処理空間３１３内の真空排気を行う排気部に相当する。
処理容器１内には、排気ダクト１３の内側の位置に、載置部２が配置されている。載置部２は、基板Ｗよりも一回り大きい円板からなり、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、石英ガラス（ＳｉＯ２）等のセラミックスやアルミニウム（Ａｌ）、ハステロイ（登録商標）等の金属により構成されている。載置部２の内部には、基板Ｗを例えば３５０℃〜４５０℃の成膜温度に加熱するためのヒーター２１が埋設されている。また必要に応じて、基板Ｗを当該載置部２の上面側の載置領域内に固定するための図示しない静電チャックを設けても良い。
この載置部２には、載置領域の外周側の領域、及び載置部２の側周面を周方向に亘って覆うように構成されたカバー部材２２が設けられている。カバー部材２２は、例えばアルミナなどからなり、上下端が各々開口する概略円筒形状（環状）に形成されると共に、その上端部は、周方向に亘って、内側に向かって水平方向に屈曲している。この屈曲部は、載置部２の周縁部にて係止されており、当該屈曲部の厚み寸法は、基板Ｗの厚み寸法（０．８ｍｍ）よりも厚く、例えば１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内の３ｍｍとなっている。カバー部材２２の外周には、インナーリングＲＧが設けられている。
載置部２の下面側中央部には、載置部２の底面を貫通し、上下方向に伸びる支持部材２３が接続されている。この支持部材２３の下端部は、処理容器１の下方側に水平に配置された板状の支持板２３２を介して昇降機構２４に接続されている。昇降機構２４は、搬入出口１１から進入してきた基板搬送機構との間で基板Ｗを受け渡す受け渡し位置（図１に一点鎖線で記載してある）と、この受け渡し位置の上方側であって、基板Ｗへの成膜が行われる処理位置との間で載置部２を昇降させる。
この支持部材２３が貫通する載置部２の底面と、支持板２３２との間には、処理容器１内の雰囲気を外部と区画し、支持板２３２の昇降動作に伴って伸び縮みするベローズ２３１が、支持部材２３を周方向の外部側から覆うように設けられている。
載置部２の下方側には、外部の基板搬送機構との基板Ｗの受け渡し時に、基板Ｗを下面側から支持して持ち上げる例えば３本の支持ピン２５が設けられている。支持ピン２５は、昇降機構２６に接続されて昇降自在となっており、載置部２を上下方向に貫通する貫通孔２０１を介して載置部２の上面から突没することにより、基板搬送機構との間での基板Ｗの受け渡しを行う。
排気ダクト１３の上面側には、円形の開口を塞ぐように円板状の支持板３２が設けられており、これら排気ダクト１３と支持板３２との間には処理容器１内を気密に保つためのＯリング１３３が設けられている。支持板３２の下面側には、処理空間３１３に反応ガスや置換ガスを供給するための金属製の天井部３１が設けられており、天井部３１はボルト３２３によって支持板３２に支持固定されている。
天井部３１の下面側には凹部（図５の凹部ＤＰ参照）が形成されており、この凹部の中央側の領域は平坦になっている。この平坦な領域の外周側には、中央側から外周側へ向けて末広がりの形状の傾斜面が形成されている。この傾斜面のさらに外側には、平坦なリム３１４（外周部）が設けられている。なお、凹部の形状は、単純な円筒形など、傾斜のないものであってもよいし、凹部の底面（天井部の下面）は、平坦でなくてもよい。
載置部２を処理位置まで上昇させたとき、天井部３１は、載置部２に設けられたカバー部材２２の上面と、リム３１４の下面とが隙間を介して互いに対向するように配置される。天井部３１の凹部と載置部２の上面とによって囲まれた空間は、基板Ｗに対する成膜が行われる処理空間３１３となる。前記凹部が設けられた天井部３１は、本成膜装置の天井部を構成している。
図２〜図４に示すように、天井部３１のリム３１４の下面Ｓ３１と、カバー部材２２の屈曲部の上面との間には高さＤ１の隙間が設定されている。排気ダクト１３の開口部１３１は、この隙間に向けて開口している。リム３１４の下面Ｓ３１とカバー部材２２との隙間の高さＤ１、すなわち、隙間の最小値Ｄ１は、例えば０．３ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下の範囲の０．５ｍｍに設定される。
天井部３１を下方側から平面でみたとき、凹部の中央部には処理空間３１３内へガスを吐出する中央ガス吐出部４ｂが設けられており、またこの中央ガス吐出部４ｂの周囲には、例えば８個のガス分散部４ａが間隔をおいて円環状に配置されている。本成膜装置において、これら中央ガス吐出部４ｂ、ガス分散部４ａは共通の構造を有するガス分散器によって構成されている。
ガス分散器は、内部が中空の円筒形状のヘッド部と、ヘッド部の上面側に形成された開口を塞ぐようにヘッド部上に設けられ、ガスを旋回流にしてヘッド部内に導入する旋回流形成部とを備えている。ヘッド部は、扁平な円筒形状の金属製の部材であり、天井部３１の下面から下方側へ向けて突出するように前記凹部内に設けられている。円筒形状のヘッド部の側面には、周方向に間隔をおいて設けられた複数のガス吐出口が形成されている。ガス吐出口は例えば３個以上設けることが好ましく、本例では８個設けられている。また、ヘッド部の下面は塞がれていてガス吐出口が設けられていない一方、ヘッド部の上面側は開口していて、旋回流形成部に接続されている。
旋回流形成部は、筒状の外筒部の内側に、この外筒部よりも直径の小さな内筒部を配置した二重円筒形状の金属製の部材であり、外筒部の下端部と内筒部の下端部とは連結部によって連結されている。また、内筒部の上端部は外筒部の上端部よりも上方側に伸び出すように突出している。一方、天井部３１側には内筒部の上端部や外筒部の外面形状に沿うように形成された挿入孔が設けられている。
そして、外筒部及び内筒部を天井部３１の挿入孔内に挿入することにより、予め設定された位置に各ガス分散器が配置される。例えば外筒部の外周面と前記挿入孔の内周面には各々、不図示の雄ネジ、雌ネジが切ってあり、これにより挿入孔内に挿入された外筒部が天井部３１に支持、固定される。内筒部の上面は、天井部内に形成されたガス供給路に向けて開口しており、この開口部を介して内筒部内にガスが流れ込む。
上述の中央ガス吐出部４ｂ及びガス分散部４ａには、処理ガス源ＧＳ１から、処理ガスが供給される。支持板３２には、拡散空間３１１にアンモニアガス及び置換用の窒素ガスを供給するためのアンモニア供給路３２１、及び同じく拡散空間３１１に塩化チタンガス及び置換用の窒素ガスを供給するための塩化チタン供給路３２２が形成されている。アンモニア供給路３２１及び塩化チタン供給路３２２は、配管を介してアンモニアガス供給部６２、塩化チタンガス供給部６４に接続されており、これらの配管は、各々途中で分岐して窒素ガス供給部６１、６３に接続されている。各配管には、ガスの給断を行う開閉バルブ６０２と、ガス供給量の調整を行う流量調整部６０１とが設けられている。なお図示の便宜上、図１においては窒素ガス供給部６１、６３を別々に示したが、これらは共通の窒素供給源を用いてもよい。
また、天井部３１の外周部の位置（リムの位置）には、支持板３２及び天井部３１を貫通するガス流壁形成用のガス流路Ｈが、設けられており、ガス流壁形成用ガス源ＧＳ２から、当該ガス流路Ｈ内に不活性ガスが供給される。不活性ガスとしては、ＡｒやＮ２を用いることができる。このガスが、高さＤ１の隙間内に供給されることにより、天井部３１と載置部２との間にガス流壁を形成することができる。
以上に説明した構成を備えた成膜装置は、図１に示すように制御部７と接続されている。制御部７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、即ち載置部２上に載置された基板Ｗを処理位置まで上昇させ、処理空間３１３内に予め決められた順番で反応ガス、置換用のガス、ガス流壁形成用のガスを供給してＴｉＮの成膜を実行し、成膜が行われた基板Ｗを搬出するまでの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。
続いて、本成膜装置の作用について説明する。はじめに、予め処理容器１内を真空雰囲気に減圧した後、載置部２を受け渡し位置まで降下させる。そして、ゲートバルブ１２を開放し、基板搬送機構の搬送アームを進入させ、支持ピン２５との間で基板Ｗの受け渡しを行う。しかる後、支持ピン２５を降下させ、ヒーター２１によって既述の成膜温度に加熱された載置部２上に基板Ｗを載置する。
次いで、ゲートバルブ１２を閉じ、載置部２を処理位置まで上昇させると共に、処理容器１内の圧力調整を行った後、塩化チタンガス供給部６４より塩化チタンガスを供給する。供給された塩化チタンガスは、塩化チタン供給路３２２及び拡散空間３１１を介して、各ガス分散部４ａ、中央ガス吐出部４ｂへ流れ込む。
中央ガス吐出部４ｂ内に流れ込んだ塩化チタンガスは、ガス吐出口を介して処理空間３１３に供給される。一方、各ガス分散部４ａ内に流れ込んだ塩化チタンガスは、ヘッド部を介して周囲ガス供給部５内に流入し、さらに周囲ガス供給部５に形成されたガス吐出口を介して処理空間３１３内に供給される。
処理空間３１３に供給された塩化チタンガスは、天井部３１の中央部側から外周部側へ向け、処理空間３１３を径方向に放射状に広がっていく。また、処理空間３１３内を流れる塩化チタンガスは、下方側に向けても広がり、載置部２上の基板Ｗの表面に接触すると、塩化チタンガスは基板Ｗに吸着する。そして、処理空間３１３内を流れ、リム３１４とカバー部材２２との間の隙間に到達した塩化チタンガスは、当該隙間から処理容器１内に流れ出た後、排気ダクト１３を介して外部へ排出される。
次に、塩化チタンガスの供給を停止すると共に、窒素ガス供給部６３から置換用のガスである窒素ガスを供給する。窒素ガスは、塩化チタンガスと同様の経路を通って処理空間３１３内に供給され、当該経路及び処理空間３１３内の塩化チタンガスが窒素ガスと置換される。
その後、窒素ガスの供給を停止し、アンモニアガス供給部６２からアンモニアガスを供給する。供給されたアンモニアガスは、アンモニア供給路３２１、拡散空間３１１を介して、各ガス分散部４ａ、中央ガス吐出部４ｂへ流れ込む。そして、中央ガス吐出部４ｂからは直接、ガス分散部４ａからは周囲ガス供給部５を介して処理空間３１３内にアンモニアガスが供給される点は、塩化チタンガスの場合と同様である。
処理空間３１３内を流れるアンモニアガスが基板Ｗの表面に到達すると、先に基板Ｗに吸着している塩化チタンガスの成分を窒化して窒化チタンが形成される。しかる後、ガス供給路に供給されるガスを窒素ガス供給部６１からの置換用の窒素ガスに切り替えて、アンモニアガスの供給経路及び処理空間３１３内のアンモニアガスを窒素ガスと置換する。
このようにして、塩化チタンガス、窒素ガス、アンモニアガス、窒素ガスの順番で反応ガス（塩化チタンガス、アンモニアガス）と置換用のガス（窒素ガス）とを繰り返し供給することにより、基板Ｗの表面に窒化チタン（ＴｉＮ）の分子層が積層され、窒化チタンの膜が成膜される。
処理空間３１３には、基板Ｗの径方向に互いに離れた位置に設けられた中央ガス吐出部４ｂとこの中央ガス吐出部４ｂを囲む周囲ガス供給部５とから分散して均一にガスが供給される。そして、このように多数のガス吐出口から分散して横方向にガスを供給することにより、反応ガス（塩化チタンガス、アンモニアガス）の場合には、各ガス吐出口から吐出されるガスの流量が小さくなる。この結果、基板Ｗの表面に到達する際の反応ガスの流速が低くなり、膜厚の面内均一性が向上する。
一方、置換用のガス（窒素ガス）の場合には、処理空間３１３内の容量に対して十分な流量を供給することで、広い領域に予め分散させた状態でガスが供給されるので、処理空間３１３内の反応ガスを速やかに排除し、置換用のガスと置換することができる。
こうして塩化チタンガスの供給とアンモニアガスの供給とを例えば数十回〜数百回繰り返し、所望の膜厚の窒化チタンの膜を成膜したら、置換用の窒素ガスを供給して最後のアンモニアガスを排出した後、載置部２を受け渡し位置まで降下させる。そしてゲートバルブ１２を開いて搬送アームを進入させ、搬入時とは逆の手順で支持ピン２５から搬送アームに基板Ｗを受け渡し、成膜後の基板Ｗを搬出させた後、次の基板Ｗの搬入を待つ。
次に、ガス流壁の形成について説明する。
上述のように、この成膜装置は、処理容器１内に設けられ、基板Ｗが載置される載置部２と、載置部２に対向配置された天井部３１と、載置部２と天井部３１との間の処理空間３１３に連通した反応ガス供給部（ＧＳ１，３２１，３２２）と、を備え、載置部２の外周部と天井部３１の外周部との間には、これらの周方向に亘って、平面視において環状に隙間が存在しており、反応ガス供給部から天井部３１を介して処理空間３１３内に供給された反応ガスは、環状の隙間を介して、処理空間３１３の外部に流出し、隙間を与える天井部３１の外周部には、複数のガス流壁形成用のガス流路Ｈが設けられている。
この成膜装置によれば、反応ガス供給部から基板Ｗが配置された処理空間３１３内に反応ガスが供給されることにより、基板Ｗ上に成膜が行われる。ここで、処理空間の外周部には、環状に隙間が形成されているため、反応ガスを排気する際には、高速に排気することができる一方、隙間には、複数のガス流壁形成用のガス流路Ｈから、ガス流壁形成用ガスが導入されるため、これによりガス流壁（ガスカーテン）が形成され、成膜時には、処理空間３１３内に反応ガスを保持することができる。この構造では、高速な排気が可能であると共に、環状の隙間が載置部２と天井部３１との間に存在しているため、これらの接触に起因した粉塵等の発生が無く、したがって、良質な成膜を安定して行うことが可能である。
図２は、天井部３１の外周部近傍の構造（Ａタイプ）を拡大して示す図である。
この構造の場合、ガス流壁形成用のガス流路Ｈは、天井部３１における外周部の載置部２に対向する面Ｓ３１から、上方に向けて、載置部２における基板の載置表面Ｓ２に対して垂直な方向に延びている。詳説すれば、ＸＹＺ直交座標系において、載置表面Ｓ２はＺ軸に垂直であり、ガス流壁形成用のガス流路Ｈは、Ｚ軸に平行に延びている。この場合、Ｘ軸に沿って、矢印Ｆ１の方向に、処理空間内から流れ出してきた処理ガスは、ガス流路Ｈから流出した流壁ガスによって遮断される。この構造の場合、載置表面或いは載置部を被覆するカバー部材の上面Ｓ２２にガスを当てる事で乱流を発生させ易いという利点がある。
この成膜装置は、載置部２の外周部を被覆する環状のカバー部材２２を更に備え、カバー部材２２は、ガス流壁形成用のガス流路Ｈから出射されたガスが、カバー部材２２に当たるように、配置されている。この構造の場合、カバー部材２２と載置部２との境界において、渦流Ｃが発生しやすくなるため、処理空間からガスが流出しにくくなる。特に、流壁ガスは、カバー部材２２に当たる一方で、カバー部材２２の上面Ｓ２２と載置表面Ｓ２との間には段差があり、段差の近傍では渦流Ｃが発生し、反応ガスの流出が抑制される。
カバー部材２２に隣接して、これの外側を囲むように設けられるインナーリングの上面ＲＧ（Ｓ）の高さは、カバー部材２２の表面Ｓ２２の高さと一致しており、抵抗なくガスが矢印Ｆ２に沿って、外側に向けて流れる。なお、載置表面Ｓ２と天井部３１の外周部の下面との間の距離Ｄ０は、Ｄ１に、カバー部材２２の厚みを加えた距離である。Ｄ０の値は、１３ｍｍ以下であることが好ましい。なぜならば、処理空間を最小にして、最小のガス量で最速の成膜効率を得る為だからである。
なお、隙間の最小値（Ｄ１）は、０．３ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下である。なぜならば、最小値Ｄ１が、下限値未満の場合は、部材の熱膨張に起因して、又は、処理容器内を大気圧から真空状態に減圧する過程に於ける処理容器の伸縮に起因して、載置部とカバーとが近接し、これらが干渉することが考えられる。また、一方で、最小値Ｄ１が、上限値を超える場合には、処理空間内におけるガスの閉じ込め効果が無くなるからである。したがって、隙間の最小値Ｄ１が、上記規定範囲内の場合には、高速排気とガスの閉じ込めの両立という効果を奏する。
載置部２及び天井部３１の外周部は、環状の隙間が存在する領域であり、カバー部材２２の設けられた領域ＰＲで規定することができる。図５は、天井部を上から見た場合における下面の構造を示す図であり、環状の外周部の領域ＰＲは、天井部３１（及び載置部２）の周囲を囲んでいる。
また、図５に示すように、環状の外周部の領域ＰＲには複数のガス流壁形成用のガス流路Ｈが設けられている。この場合、ガス流路Ｈの近傍においては、反応ガスの流出は十分に抑制される。また、径方向に隣接するガス流路Ｈの間の領域ＭＩＸにおいては、ガス流壁が形成されない場合があるが、径方向に沿って隣接するガス流路Ｈの間隔を狭めると、ガス流壁が形成され、処理空間内にガスが閉じ込められる。
なお、図２における基本的なガス流路Ｈの構造は、以下の構造にも適用できる。したがって、以下では、別のタイプのガス流路Ｈについて説明するが、上述の構造と重複する点は、記載を省略する。
図３は、天井部３１の外周部近傍の構造（Ｂタイプ）を拡大して示す図である。
このガス流壁形成用のガス流路Ｈは、天井部３１における外周部の載置部２に対向する面Ｓ３１Ｌから、上方（＋Ｚ方向）に向けて延びており、且つ、ガス流壁形成用のガス流路Ｈのガス出射開口端上の少なくとも３点を含む平面ＰＬ１に垂直な方向は、上方に向かうに従って、天井部３１の中央部に近づく方向に延びている。換言すれば、隙間の最小値はＤ１であるが、ガス出射開口端の上端に平行な水平面Ｌ３とカバー部材２２の表面Ｓ２２との間の距離は、Ｄ１よりも大きい。このように、平面ＰＬ１によってガス出射開口端が斜めに向いて開放しているため、流壁ガスがスムーズに流れる。
この構造の場合、乱流を発生させ、且つ処理空間内への流壁ガスの流れ込みを低減させるという利点がある。
図４は、天井部の外周部近傍の構造（Ｃタイプ）を拡大して示す図である。
このガス流壁形成用のガス流路Ｈは、天井部３１における外周部の載置部２に対向する面Ｓ３１から、上方（＋Ｚ方向）に向けて延びており、且つ、上方に向かうに従って、天井部３１の中央部に近づく方向に延びている。この場合、流壁ガスがスムーズに流れるが、渦流Ｃの大きさは小さくなる。この構造の場合、Ｂタイプの成膜装置の構造より、更に流壁ガスの処理空間内への流れ込みを低減させるという利点がある。なお、ガス流路Ｈは、天井部３１内において、例えば垂直上方に屈曲することもできる。
図６は、プロセスガス（反応ガス）と流壁ガスの導入タイミングチャートである。ガス供給が行われている場合には、チャートのレベルは高くなっており、停止している場合には、チャートのレベルが低くなっている。
同図に示すように、反応ガス供給部からは、処理容器内に、第１及び第２の反応ガスが交互に供給される。一方、ガス流壁形成用のガス流路からは、上述の隙間に、流壁ガスが、第１及び第２の反応ガスの供給に同期して間欠的に供給される。なお、反応ガスを処理空間内から追い出すための置換ガスは、プロセスガスの供給が停止している間に供給される。
反応ガス、流壁ガス、置換ガスの制御は、図１に示した制御部７が、これらのガスの流通を制御するバルブを制御することによって行われる。
上述のように、第１及び第２の反応ガスを交互に供給することにより、ＡＬＤ膜等を成膜することができる。また、第１及び第２反応ガスが供給される場合には、これに同期して、ガス流壁が形成され、供給されない場合には、ガス流壁が解除され、速やかな成膜と排気プロセスが実行される。
ここで、第１の反応ガスの処理容器内への導入開始時刻から、Δｔ０（例：１０ミリ秒以下）だけ遅延して、流壁ガスの隙間内への供給が開始され、第１の反応ガスの処理容器内への導入終了時刻から、Δｔ１（例：１０ミリ秒以下）だけ遅延して、流壁ガスの隙間内への供給が終了する。第２の反応ガスの場合も同様とすることができる。このような流壁ガスの遅延供給により、高速に、処理空間内を反応ガスで充満させることができ、遅延供給終了により、成膜時間の制御性を高めることができる。なお、Δｔ０は、第１の反応ガスの処理容器内への導入開始時刻から、−１０ミリ秒以上に設定することもでき、Δｔ１は、第１の反応ガスの処理容器内への導入終了時刻から、−１０ミリ秒以上に設定することもできる。
なお、図２〜図４に示した構造は、以下の図７〜図９に示す構造に変形することができる。
図７は、天井部３１の外周部近傍の構造（第１変形Ａタイプ）を拡大して示す図である。
この構造と、図２に示したＡタイプとの相違点は、カバー部材２２の上面Ｓ２２に第１凸部Ｐｒ１が設けられ、天井部３１の下面Ｓ３１に第２凸部Ｐｒ２が設けられた点であり、その他の構造は同一である。第１凸部Ｐｒ１は、ガス流路Ｈを−Ｚ方向に延長線したカバー部材２２上の投影図に重なる位置に設けられており、ガスが直接的に当たる。これにより、乱流が発生し、ガス流壁を効率的に形成することができる。第２凸部Ｐｒ２は、カバー部材２２の処理空間側のエッジを、垂直上方に延ばした場合の天井部下面における投影線に重なる位置に設けられており、当該エッジ近傍の渦流を更に乱す乱流を発生させ、ガス流壁を効率的に形成することができる。
図８は、天井部の外周部近傍の構造（第１変形Ｂタイプ）を拡大して示す図である。
この構造と、図３に示したＢタイプとの相違点は、カバー部材２２の上面Ｓ２２に第１凸部Ｐｒ１が設けられ、天井部３１の下面の水平領域の面Ｓ３１Ｌに第２凸部Ｐｒ２が設けられた点であり、その他の構造は同一である。第１凸部Ｐｒ１は、ガス流路Ｈを−Ｚ方向に延長線したカバー部材２２上の投影図に重なる位置に設けられており、ガスが直接的に当たる。これにより、乱流が発生し、ガス流壁を効率的に形成することができる。第２凸部Ｐｒ２は、カバー部材２２の処理空間側のエッジを、垂直上方に延ばした場合の天井部下面における投影線に重なる位置に設けられており、当該エッジ近傍の渦流を更に乱す乱流を発生させ、ガス流壁を効率的に形成することができる。
図９は、天井部の外周部近傍の構造（第１変形Ｃタイプ）を拡大して示す図である。
この構造と、図４に示したＣタイプとの相違点は、カバー部材２２の上面Ｓ２２に第１凸部Ｐｒ１が設けられ、天井部３１の下面Ｓ３１に第２凸部Ｐｒ２が設けられた点であり、その他の構造は同一である。第１凸部Ｐｒ１は、ガス流路Ｈを−Ｚ方向側に延長線したカバー部材２２上の投影図に重なる位置に設けられており、ガスが直接的に当たる。これにより、乱流が発生し、ガス流壁を効率的に形成することができる。第２凸部Ｐｒ２は、カバー部材２２の処理空間側のエッジを、垂直上方に延ばした場合の天井部下面における投影線に重なる位置に設けられており、当該エッジ近傍の渦流を更に乱す乱流を発生させ、ガス流壁を効率的に形成することができる。
図１０は、天井部の外周部近傍の構造（第２変形Ａタイプ）を拡大して示す図である。
この構造と、図７に示した第１変形Ａタイプとの相違点は、カバー部材２２の上面Ｓ２２設けられた第１凸部の代わりに、その位置に、第１凹部Ｄｒ１が形成されている点であり、その他の構造は同一である。これにより、ガス流路Ｈからのガスが、第１凹部Ｄｒ１に当たり、乱流が発生し、ガス流壁を効率的に形成することができる。
図１１は、天井部の外周部近傍の構造（第２変形Ｂタイプ）を拡大して示す図である。
この構造と、図８に示した第１変形Ｂタイプとの相違点は、カバー部材２２の上面Ｓ２２設けられた第１凸部の代わりに、その位置に、第１凹部Ｄｒ１が形成されている点であり、その他の構造は同一である。これにより、ガス流路Ｈからのガスが、第１凹部Ｄｒ１に当たり、乱流が発生し、ガス流壁を効率的に形成することができる。
図１２は、天井部の外周部近傍の構造（第２変形Ｃタイプ）を拡大して示す図である。
この構造と、図９に示した第１変形Ｃタイプとの相違点は、カバー部材２２の上面Ｓ２２設けられた第１凸部の代わりに、その位置に、第１凹部Ｄｒ１が形成されている点であり、その他の構造は同一である。これにより、ガス流路Ｈからのガスが、第１凹部Ｄｒ１に当たり、乱流が発生し、ガス流壁を効率的に形成することができる。
なお、上述の成膜装置では、既述のＴｉＮ膜の成膜の他に、金属元素、例えば周期表の第３周期の元素であるＡｌ、Ｓｉ等、周期表の第４周期の元素であるＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ等、周期表の第５周期の元素であるＺｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ等、周期表の第６周期の元素であるＢａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ｌｒ、Ｐｔ等の元素を含む膜を成膜してもよい。基板Ｗ表面に吸着させる金属原料としては、これらの金属元素の有機金属化合物や無機金属化合物などを反応ガス（原料ガス）として用いる場合が挙げられる。金属原料の具体例としては、上述のＴｉＣｌ４の他に、ＢＴＢＡＳ（（ビスターシャルブチルアミノ）シラン）、ＤＣＳ（ジクロロシラン）、ＨＣＤ（ヘキサジクロロシラン）、ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)、３ＤＭＡＳ（トリスジメチルアミノシラン）などが挙げられる。
また、基板Ｗの表面に吸着した原料ガスを反応させて、所望の膜を得る反応には、例えばＯ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ等を利用した酸化反応、Ｈ２、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ３ＣＯＯＨ等の有機酸、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ等のアルコール類等を利用した還元反応、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２等を利用した炭化反応、ＮＨ３、ＮＨ２ＮＨ２、Ｎ２等を利用した窒化反応等の各種反応を利用してもよい。
更に、反応ガスとして、３種類の反応ガスや４種類の反応ガスを用いてもよい。例えば３種類の反応ガスを用いる場合の例としては、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）を成膜する場合があり、例えばＳｒ原料であるＳｒ（ＴＨＤ）２（ストロンチウムビステトラメチルヘプタンジオナト）と、Ｔｉ原料であるＴｉ（ＯｉＰｒ）２（ＴＨＤ）２（チタニウムビスイソプロポキサイドビステトラメチルヘプタンジオナト）と、これらの酸化ガスであるオゾンガスが用いられる。この場合には、Ｓｒ原料ガス→置換用のガス→酸化ガス→置換用のガス→Ｔｉ原料ガス→置換用のガス→酸化ガス→置換用のガスの順でガスが切り替えられる。また、成膜処理を行う基板として円形の基板Ｗについて説明したが、例えば矩形のガラス基板（ＬＣＤ用基板）に対して本発明を適用してもよい。
Ｗ…基板、２…載置部、１…処理容器、３１…天井部、３１１…拡散空間、４ｂ…中央ガス吐出部、４ａ…ガス分散部、６５…排気部、ＧＳ１，３２１，３２２…反応ガス供給部、ＧＳ２…ガス流壁形成用ガス源、７…制御部、３１３…処理空間。

Claims (10)

  1. 処理容器内に設けられ、基板が載置される載置部と、
    前記載置部に対向配置された天井部と、
    前記載置部と前記天井部との間の処理空間に連通した反応ガス供給部と、
    を備え、
    前記載置部の外周部と前記天井部の外周部との間には、これらの周方向に亘って、平面視において環状に隙間が存在しており、前記反応ガス供給部から前記天井部を介して前記処理空間内に供給された反応ガスは、環状の前記隙間を介して、前記処理空間の外部に流出し、
    前記隙間を与える前記天井部の前記外周部には、複数のガス流壁形成用のガス流路が設けられている、
    ことを特徴とする成膜装置。
  2. 前記ガス流壁形成用のガス流路は、
    前記天井部における前記外周部の前記載置部に対向する面から、上方に向けて、前記載置部の載置表面に対して垂直な方向に延びている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
  3. 前記ガス流壁形成用のガス流路は、
    前記天井部における前記外周部の前記載置部に対向する面から、上方に向けて延びており、且つ、
    前記ガス流壁形成用のガス流路のガス出射開口端上の少なくとも３点を含む平面に垂直な方向は、上方に向かうに従って、前記天井部の中央部に近づく方向に延びている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
  4. 前記ガス流壁形成用のガス流路は、
    前記天井部における前記外周部の前記載置部に対向する面から、上方に向けて延びており、且つ、
    上方に向かうに従って、前記天井部の中央部に近づく方向に延びている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
  5. 前記載置部の外周部を被覆する環状のカバー部材を更に備え、
    前記カバー部材は、前記ガス流壁形成用のガス流路から出射されたガスが、前記カバー部材に当たるように、配置されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
  6. 前記反応ガス供給部からは、前記処理容器内に、第１及び第２の反応ガスが交互に供給され、
    前記ガス流壁形成用のガス流路からは、前記隙間に、流壁ガスが、前記第１及び第２の反応ガスの供給に同期して間欠的に供給される、
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の成膜装置。
  7. 前記第１の反応ガスの前記処理容器内への導入開始時刻から、遅延して、前記流壁ガスの前記隙間内への供給が開始され、
    前記第１の反応ガスの前記処理容器内への導入終了時刻から、遅延して、前記流壁ガスの前記隙間内への供給が終了する、
    ことを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
  8. 前記隙間の最小値は、０．３ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の成膜装置。
  9. 成膜装置を用いて行う成膜方法であって、
    前記成膜装置は、
    処理容器内に設けられ、基板が載置される載置部と、
    前記載置部に対向配置された天井部と、
    前記載置部と前記天井部との間の処理空間に連通した反応ガス供給部と、
    を備え、
    前記載置部の外周部と前記天井部の外周部との間には、これらの周方向に亘って、平面視において環状に隙間が存在しており、前記反応ガス供給部から前記天井部を介して前記処理空間内に供給された反応ガスは、環状の前記隙間を介して、前記処理空間の外部に流出し、
    前記隙間を与える前記天井部の前記外周部には、ガス流壁形成用のガス流路が設けられている、
    ことを特徴とする成膜方法。
  10. 前記反応ガス供給部からは、前記処理容器内に、第１及び第２の反応ガスが交互に供給され、
    前記ガス流壁形成用のガス流路からは、前記隙間に、流壁ガスが、前記第１及び第２の反応ガスの供給に同期して供給される、
    ことを特徴とする請求項９に記載の成膜方法。
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