JP2016186111A - 原料供給方法、原料供給装置及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＷＣｌ６を昇華して原料を成膜処理部１Ａ〜１Ｃに供給するにあたって、成膜処理部１Ａ〜１Ｃに供給される原料の流量を安定させる技術を提供すること。【解決手段】原料容器３内の原料を第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に一旦捕捉（再固化）させ、次いで第１及び第２の原料捕捉部４１、４２から成膜処理部１Ａ〜１Ｃに原料を供給している。そして原料を第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に捕捉させるにあたっては、先ず原料の捕捉を行ってその前後における原料の捕捉量を測定することにより捕捉量の増加分を求め、この増加分と原料捕捉に要した時間と原料捕捉の終了時における捕捉量とに基づいて、捕捉量が目標値に至るまでの補充充填時間を求めている。即ち、単位時間当たりの原料の捕捉量を把握し、現在の捕捉量が目標値に達するまでの補充充填時間を求めている。【選択図】図２

Description

本発明は、固体原料を気化して原料の消費区域に供給する技術に関する。

半導体製造プロセスの一つである成膜処理としては、原料ガスと、原料ガスを例えば酸化、窒化あるいは還元する反応ガスと、を交互に供給するいわゆるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）や、原料ガスを気相中で分解あるいは反応ガスと反応させるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などがある。このような成膜処理に用いられる原料ガスとしては、成膜後の結晶の緻密度を高めると共に基板に取り込まれる不純物の量を極力減らすために、固体原料を昇華させたガスを用いることがあり、例えば高誘電体膜をＡＬＤで成膜するときに用いられる。

固体原料を用いる原料供給装置としては、特許文献１に記載されているように、ヒータにより囲まれた原料容器内に不活性ガス例えば窒素ガスであるキャリアガスを供給し、昇華したガスをキャリアガスと共にガス供給路を介してプロセスチャンバ内に供給する構成が知られている。

ところで原料容器内の固体原料を昇華させて供給するにあたって、原料容器内の固体原料の表面においては、キャリアガスにより吹き付けられる部位の温度が気化熱により下がることや原料容器の内壁が加熱されることなどに起因して、昇華効率の時間的な変化が存在し、特に固体原料が減少したときにおいて、原料の昇華効率が低くなる傾向がある。そのため原料容器から消費区域である処理容器内に供給される原料の供給量が安定しない問題がある。原料の供給が安定しないと、基板間における薄膜の膜質や膜厚の均一性が悪くなり、歩留まりの低下の一因となることから、安定して原料を処理容器に供給できる技術の確立が望まれている。

特開２００８−２４０１１９号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、固体原料を昇華して原料を消費区域に供給するにあたって、消費区域に供給される原料の流量を安定させる技術を提供することにある。

本発明の原料供給方法は、固体原料を収容する原料容器と、当該原料容器から送られた原料が一旦捕捉される原料捕捉部と、を用い、
前記原料容器内の固体原料を昇華させ、昇華した原料をキャリアガスと共に送り出して前記原料捕捉部に捕捉させる原料捕捉工程と、
前記原料捕捉工程の前後における前記原料捕捉部の原料の捕捉量を測定することにより前記原料捕捉部の原料の捕捉量の増加分を求める工程と、
前記原料の捕捉量の増加分と前記原料捕捉工程の所要時間と前記原料捕捉工程終了時における原料の捕捉量とに基づいて、原料捕捉部における原料の捕捉量が目標値に至る補充時間及び捕捉速度の少なくとも一方を求める工程と、
前記工程で求めた補充時間及び前記捕捉速度の少なくとも一方に基づいて前記原料容器から前記原料捕捉部に原料を補充供給する工程と、
その後、前記原料捕捉部から原料を昇華させてキャリアガスと共に前記消費区域に供給する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の記憶媒体は、固体原料を収容する原料容器と、当該原料容器から送られた原料が一旦捕捉される原料捕捉部と、を備えた原料供給装置に用いられるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体であって、
コンピュータプログラムは、上述の原料供給方法を実行するようにステップ群が組まれていることを特徴とする。

本発明の原料供給装置は、固体原料を加熱して昇華させ、昇華した原料をキャリアガスと共に消費区域に供給する原料供給装置において、
固体原料を収容する原料容器と、
前記原料容器の下流側に設けられ、当該原料容器から送られた原料が一旦捕捉され、捕捉された原料を昇華して前記消費区域に供給するための原料捕捉部と、
前記原料捕捉部の上流側及び下流側に夫々設けられる上流側バルブ及び下流側バルブと、
前記原料容器から送られた原料が前記原料捕捉部に捕捉されるときに当該原料捕捉部からガスを排出するために前記下流側バルブの上流側に設けられる排出部と、
前記原料捕捉部に捕捉されている原料の捕捉量を測定する測定部と、
前記原料容器から原料を送り出して前記原料捕捉部に捕捉させるステップと、このステップの前後における前記原料捕捉部の原料の捕捉量を測定することにより、前記原料捕捉部における原料の捕捉量の増加分を求め、当該増加分と前記ステップの所要時間と前記ステップ終了時の原料の捕捉量とに基づいて、原料の捕捉量が目標値に至るまでの所要時間及び捕捉速度の少なくとも一方を求めるステップと、前記ステップで求めた所要時間及び捕捉速度の少なくとも一方に基づいて前記原料容器から前記原料捕捉部に原料を補充供給するステップと、その後、前記原料捕捉部から原料を昇華させてキャリアガスと共に前記消費区域に供給するステップと、を実行するよう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。

本発明は、原料容器内の原料を原料捕捉部に一旦捕捉（再固化）させ、次いで原料捕捉部から消費区域に原料を供給している。そして原料を原料捕捉部に捕捉させるにあたっては、先ず原料の捕捉を行って、その前後における原料の捕捉量（充填量）を測定することにより捕捉量の増加分を求め、この増加分と原料捕捉に要した時間と原料捕捉の終了時における捕捉量とに基づいて、捕捉量が目標値に至るまでの補充時間及び捕捉速度の少なくとも一方を求めている。即ち、単位時間当たりの原料の捕捉量を把握し、現在の捕捉量が目標値に達するまでの補充時間及び捕捉速度の少なくとも一方を求めている。こうして求められた補充時間及び捕捉速度の少なくとも一方に基づいて原料容器から原料捕捉部に原料を補充供給しているため、原料容器から原料捕捉部への原料捕捉において、各捕捉時における捕捉量が揃い、消費区域へ原料を安定して供給することができる。

本発明の実施の形態に係る原料供給装置を適用した成膜装置を示す全体構成図である。 原料供給装置に設けられた原料供給系を示す構成図である。 第１及び第２の原料捕捉部を温調するヒータと冷却部を示す断面図である。 原料供給装置に設けられた制御部を示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る原料供給装置の作用を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る原料供給装置の作用を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る原料供給装置の作用を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る原料を補充する工程を示すフローチャートである。 ビルドアップ法におけるＮ_２ガスの供給量と圧力の関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態に係る原料供給装置の作用を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る原料供給装置の作用を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る原料供給装置の作用を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る原料供給装置の作用を説明する説明図である。

本発明の原料供給装置を成膜装置に適用した実施の形態について図１〜図４を参照して説明する。図１に示すように成膜装置は、基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に対して、例えばいわゆるＡＬＤ法による成膜処理を行なうための原料ガスの消費区域である複数、例えば３つの成膜処理部１Ａ〜１Ｃと、各成膜処理部１Ａ〜１Ｃに原料ガスを供給する原料供給系２Ａ〜２Ｃと、各原料供給系２Ａ〜２Ｃに対して後述のように原料を補充するための共通の原料容器３と、を備えている。この例ではＡＬＤ法として、原料ガスであるＷＣｌ_６（六塩化タングステン）と、反応ガス（還元ガス）である水素（Ｈ_２）とを処理ガスとしてＷ（タングステン）膜を成膜する例を挙げている。

原料容器３は例えばステンレスで構成され、原料となる常温では固体（粉体）のＷＣｌ_６を固体原料３００として収容している。原料容器３の天井部には、原料容器３にキャリアガスとなる不活性ガス、例えばＮ_２（窒素）ガスが流入するキャリアガス供給路６４の下流端部と、原料容器３から原料ガスを各原料供給系２Ａ〜２Ｃに供給して原料を補充する原料補充用の配管３０の上流端部と、が接続されている。キャリアガス供給路６４には、キャリアガスの流量を調整するためのマスフローコントローラ６５と、バルブＶ６４と、が介設されている。

原料容器３の周囲はヒータ８、例えば抵抗発熱体を備えたジャケット状のマントルヒータで覆われている。原料容器３のヒータ８は、図示しない電源から供給される電力の調整により、原料容器３の温度を調節できるように構成されている。原料容器３のヒータ８の設定温度は、固体原料３００が昇華し、且つＷＣｌ_６が分解しない範囲の温度、例えば１５０℃に設定される。

続いて成膜処理部１Ａ〜１Ｃ、及び原料供給系２Ａ〜２Ｃについて、成膜処理部１Ａ及び成膜処理部１Ａに接続された原料供給系２Ａを例に挙げて説明する。図２に示すように成膜処理部１Ａは、真空容器１０内に、ウエハ１００を水平保持すると共に、不図示のヒータを備えた載置台１２と、原料ガス等を真空容器１０内に導入するガス導入部１１（具体的にはガスシャワーヘッド）と、を備えている。真空容器１０内は排気管１３を介して接続された真空ポンプなどからなる真空排気部２４により真空排気され、原料ガスが導入されることにより、加熱されたウエハ１００の表面にて成膜が進行するように構成されている。

ガス導入部１１にはガス供給管１５が接続され、このガス供給管１５には、原料供給系２ＡからＷＣｌ_６を含む原料ガスを供給する供給用流路となる原料供給用の配管３７、原料ガスと反応する反応ガスを供給する反応ガス供給管７０及び置換ガスを供給する置換ガス供給管７５が合流されている。反応ガス供給管７０の他端側は、反応ガスの供給源７１に接続されたガス供給管７３と、不活性ガス例えば窒素（Ｎ_２）ガスの供給源７２に接続されたガス供給管７４とに分岐されている。また置換ガス供給管７５の他端側は置換ガス例えばＮ_２ガスの供給源７６に接続されている。図中のＶ７３〜Ｖ７５は、夫々ガス供給管７３、ガス供給管７４及び置換ガス供給管７５に設けられたバルブである。

原料供給系２Ａは、原料容器３において昇華し、キャリアガスと共に供給された原料ガスを再固化して捕捉し、成膜処理部１Ａに対して原料供給源となる第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２を備えている。第１及び第２の原料捕捉部４１、４２は、例えば円筒形状のステンレスなどの部材で構成されたケース体４０と、その表面が固化面となる捕捉部材４３と、を備えている。ケース体４０の内周面には、円の一部を弦に沿って、かまぼこ型に切り欠いた形状に成形された板状の捕捉部材４３がケース体４０の長さ方向に棚状に設けられている。各捕捉部材４３は、互いに上下に隣接する捕捉部材４３の切り欠き部分の向きが１８０度逆に設定されており、従ってケース体４０内には迷路構造である屈曲した流路が形成される。

図３に示すように第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の周囲には、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を加熱し、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に捕捉された原料を昇華温度以上に加熱するための電熱線４５を備えた加熱部となる各々筒状のヒータ４４が冷却ガス流路４６を介して囲むように設けられている。
またヒータ４４の外側を覆い、冷却ガス流路４６が密閉された空間となるようにカバー部材４７が設けられている。カバー部材４７には、冷却ガス流路４６に、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を原料ガスの主成分であるＷＣｌ_６の凝固点以下であって、ＷＣｌ_６に含まれる不純物であるＷＣｌ_２Ｏ_２（二塩化二酸化タングステン）やＷＣｌ_４Ｏ（四塩化酸化タングステン）が凝固しない温度まで強制的に冷却するための冷却ガス、例えばＮ_２ガスを供給するためのＮ_２ガス供給管４８と、冷却ガス流路４６からＮ_２ガスを排出するためのＮ_２ガス排出管４９と、が接続されている。Ｎ_２ガス供給管４８及びＮ_２ガス排出管４９には、夫々冷却ガスの供給及び停止を切り替える冷却用バルブＶ４８，Ｖ４９が設けられている。

図２に戻って、第１の原料捕捉部４１におけるケース体４０には、長さ方向の一端側（上流側）に原料補充用の配管３０から分岐した分岐管３１、３３の一方の分岐管３１の下流端が接続され、第２の原料捕捉部４２におけるケース体４０には、長さ方向の一端側（上流側）に他方の分岐管３３の下流端が接続されている。原料補充用の配管３０及び分岐管３１、３３は、補充用流路に相当する。なお図中Ｖ０はバルブである。

また第１の原料捕捉部４１におけるケース体４０には、長さ方向の他端側（下流側）に原料供給用の配管３７から分岐した分岐管３２、３４の一方の分岐管３２の上流端が接続され、第２の原料捕捉部４２におけるケース体４０には、長さ方向の他端側（下流側）に他方の分岐管３４の上流端が接続されている。従って、第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２は、原料容器３と成膜処理部１Ａとの間の流路に並列に接続されていることになる。第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の上流側の分岐管３１、３３には、夫々バルブＶ１、Ｖ３が介設され、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の下流側の分岐管３２、３４には、夫々バルブＶ２、Ｖ４が介設されている。原料供給用の配管３７及び分岐管３２、３４は供給用流路に相当する。

また原料供給系２Ａには第１及び第２の原料捕捉部４１、４２から成膜処理部１Ａに原料ガスを供給するために、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に不活性ガス例えばＮ_２ガスであるキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管６０が設けられている。キャリアガス供給管６０は、配管６１、６２に分岐しており、配管６１は、分岐管３１におけるバルブＶ１の下流側に接続され、配管６２は、分岐管３３におけるバルブＶ３の下流側に接続されている。またキャリアガス供給管６０にはキャリアガスの流量を調整するためのマスフローコントローラ６３が設けられている。なおＶ７、Ｖ８はバルブである。

さらに原料供給系２Ａには第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の冷却時に第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を通過したガスを排気するための合流管３８が設けられる。合流管３８の基端側は、排気管３５、３６に分岐されており、排気管３５は分岐管３２におけるバルブＶ２の上流側に接続され、排気管３６は分岐管３４におけるバルブＶ４の上流側に接続されている。排気管３５、３６、合流管３８には夫々バルブＶ５、Ｖ６、Ｖ９が介設されている。また合流管３８には、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２内の圧力や、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２から排気されるガスの圧力を測定する圧力計７が介設されている。
また原料ガスを含むガスが通過する原料補充用の配管３０、分岐管３１、３３、原料供給用の配管３７、分岐管３２、３４、排気管３５、３６及び合流管３８は、例えば、図示しないテープヒータなどにより覆われており、テープヒータで覆われた領域は、原料ガスが析出しない温度、例えば１６０℃に加熱されている。

制御部９は、バス９０に接続されたメモリ９１、ＣＰＵ９２及びプログラム格納部９３を備えている。図４中、バルブはバルブＶ０等の各バルブに相当する。プログラム格納部９３は、原料容器３から原料供給系２Ａ〜２Ｃへの原料の供給、及び原料供給系２Ａ〜２Ｃから成膜処理部１Ａ〜１Ｃへの原料の供給を行うためのシーケンスプログラム２０１が格納されている。原料供給系２Ａ及び成膜処理部１Ａに関して述べれば、シーケンスプログラム２０１は、原料容器３内の原料を昇華させて第１、第２の原料捕捉部４１、４２へ捕捉させる手順、第１、第２の原料捕捉部４１、４２に捕捉されている原料を昇華させて真空容器１０内へ供給する手順に関するステップが組まれている。またプロセスレシピ２０３は成膜処理ここではＡＬＤ法による成膜処理を行うためのステップが組まれている。

図４において、原料捕捉プログラム２０２は、シーケンスプログラム２０１の一部をなし、原料容器３内の原料を昇華させて第１、第２の原料捕捉部４１、４２へ捕捉させる手順に関するステップの群から構成される。原料捕捉プログラム２０２は原料容器３から送り出された原料を第１（第２）の原料捕捉部４１（４２）に捕捉させて捕捉量の増加分を求め、この増加分と所要時間とから単位時間当たりの原料の捕捉量（原料の捕捉速度）を求め、この捕捉速度から捕捉量の目標値に到達するまでの時間を求めるステップ群を含んでいる。このステップ群及び第１、第２の原料捕捉部４１、４２における原料の捕捉量の測定法については後述の動作説明で詳述する。

上述の実施の形態の作用について説明するが、まず本発明の原料供給装置を備えた成膜装置について、原料供給系２Ａを例に図５〜図７を参照して説明する。これから成膜処理を行うための装置の運転を開始するものとし、原料容器３内の固体原料３００は、未だ消費されておらず第１及び第２の原料捕捉部４１、４２には、固体原料３００が未だ捕捉されていないものとして説明を進める。まず原料容器３のヒータ８をオンにして、原料容器３を例えば１５０℃に加熱し、固体原料３００を気化（昇華）させて、原料容器３内の原料の濃度を飽和濃度に近い濃度まで高める。またヒータ４４をオンにして、第１の原料捕捉部４１を例えば６０℃に加熱する。なお装置の立ち上げ時に最初に運転するときには、第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２の両方に原料を捕捉させておいてもよいが、ここでは、第１の原料捕捉部４１に捕捉させることとして説明を進める。

次いで図５に示すようにバルブＶ０、Ｖ１、Ｖ５、Ｖ９を開き、更にＶ６４を開くことで原料容器３内にキャリアガスを供給する。これにより原料容器３内にて昇華し、飽和している原料がキャリアガスと共に原料補充用の配管３０、分岐管３１を介して、第１の原料捕捉部４１のケース体４０に供給される。ケース体４０を通過したガスは、分岐管３２から排出され、排気管３５を介して図２に示す排気管１３から排気される。

第１の原料捕捉部４１のケース体４０内の温度は、原料であるＷＣｌ_６の凝固点よりも低い６０℃に設定されている。このため多段の捕捉部材４３により形成された迷路である屈曲路を、ガスである原料が通過するときに捕捉部材４３及びケース体４０の内面に捕捉されて析出し（再固化し）、捕捉部材４３の表面にＷＣｌ_６が薄膜状に付着する。第１の原料捕捉部４１は、キャリアガスと原料とを含む原料ガスを第１の原料捕捉部４１を通過させたときに原料ガス中の原料がほぼすべて捕捉（再固化）されるようにケース体４０の大きさや捕捉部材４３間の離間寸法、段数などが設定されている。

ここで市販のＷＣｌ_６の固体原料には、通常ＷＣｌ_６と共に微量のＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏが含まれている。ＷＣｌ_６は凝固点が６０℃よりも高いので、６０℃に冷却すると再固化をするが、ＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏは、凝固点が６０℃よりも低いので、６０℃では凝固しない。そのため、第１の原料捕捉部４１の温度を６０℃に設定し、原料ガスを第１の原料捕捉部４１を通過させて再固化させたときに、ＷＣｌ_６は、第１の原料捕捉部４１に析出し、ＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏは第１の原料捕捉部４１を通過してキャリアガスと共に排気される。

第１の原料捕捉部４１に析出した原料が、例えば４００ｇとなったときにバルブＶ１を閉じる。設定量の原料が第１の原料捕捉部４１に析出した時点については、例えば第１の原料捕捉部４１内へのガスの通流時間により管理される。こうして第１の原料捕捉部４１は成膜処理部１Ａに対する原料供給源として準備が整ったことになる。次いで成膜処理部１Ａにおいて載置台１２上にウエハ１００が載置され、真空容器１０内が真空排気され、ウエハ１００が加熱される。その後、例えばＡＬＤ法により成膜処理が行われるが、原料ガスの供給は次のようにして行われる。先ず成膜を開始する前に第１の原料捕捉部４１のヒータ４４をオンにして、ケース体４０内を設定温度である１５０〜２００℃、例えば２００℃まで上昇し、既述のようにして第１の原料捕捉部４１に析出した原料を昇華させる。そしてバルブＶ７を開いて、第１の原料捕捉部４１にキャリアガスを供給し、昇華した原料とキャリアガスとの混合ガスである原料ガスを第１の原料捕捉部４１から成膜処理部１Ａを迂回させて真空排気部２４により排気する。ＡＬＤ法は既述のように原料ガスと反応ガスとを交互に供給する手法であるが、原料ガスについては、間欠的な一連の供給を行う前に原料ガスの原料濃度を安定させるために、このように予め設定した時間だけ第１の原料捕捉部４１から排気し、その後バルブＶ５を閉じ、バルブＶ２を開いて、成膜処理部１Ａに原料の供給を開始する。

成膜処理部１Ａにおける成膜処理について原料供給源として第１の原料捕捉部４１を使用する例について説明すると、先ず前記原料ガス及びキャリアガスを真空容器１０に例えば１秒間供給した後、バルブＶ２を閉じ、ウエハ１００表面にＷＣｌ_６を吸着させる。次いでバルブＶ７５を開き、置換ガス（Ｎ_２ガス）を真空容器１０に供給して、真空容器１０内の雰囲気を置換する。続いてバルブＶ７５を閉じ、バルブＶ７３、Ｖ７４を開いて反応ガス（Ｈ_２ガス）を希釈ガス（Ｎ_２ガス）と共に真空容器１０に供給し、ウエハ１００に吸着されているＷＣｌ_６をＨ_２により還元して、１原子層のＷ膜を成膜する。バルブＶ７３、Ｖ７４を閉じた後、バルブＶ７５を開き、置換ガスを真空容器１０に供給して、真空容器１０内の雰囲気を置換する。こうしてバルブＶ２、Ｖ７３、Ｖ７４、Ｖ７５のオン、オフ制御によって真空容器１０内に、ＷＣｌ_６を含む原料ガス→置換ガス→反応ガス→置換ガスを供給するサイクルを複数回繰り返すことにより、所定の厚さのＷ膜の成膜を行う。成膜処理が終了した後、ウエハ１００は成膜装置から搬出される。

一方第１の原料捕捉部４１を原料の供給源として用いている間に、図６に示すようにバルブＶ３、Ｖ６を開き、第２の原料捕捉部４２に原料を補充する。補充プロセスは第１の原料捕捉部４１における原料の補充と同様に行う。そして第１の原料捕捉部４１を原料の供給源として使用し、例えば一つのロットの２５枚のウエハ１００を処理した後、図７に示すように、バルブＶ２、Ｖ７を閉じ第１の原料捕捉部４１から成膜処理部１Ａへの原料ガスの供給を停止する。そして続くロットの２５枚のウエハ１００の処理を行うにあたって、バルブＶ３、Ｖ６を閉じ、バルブＶ４、Ｖ８を開き、第２の原料捕捉部４２を原料の供給源として使用する。

第２の原料捕捉部４２を原料供給源として使用している間に、第１の原料捕捉部４１に原料を補充する工程について説明する。図８は、第１の原料捕捉部４１に原料を補充する工程のフローチャートを示す。第１の原料捕捉部４１には、ウエハ１００の処理の開始前に例えば４００ｇの原料が充填されているものとする。１枚のウエハ１００に対して、例えば１３ｇの原料を使用して、成膜処理が行われるとすると、１ロット、２５枚のウエハ１００の処理を行うと、３２５ｇの原料が消費されている。

図７に示すように第１の原料捕捉部４１は、原料ガスの供給源として用いた直後は、第１の原料捕捉部４１に接続された分岐管３１、配管６１及び分岐管３２、排気管３５に設けられたバルブＶ１、Ｖ７及びＶ２、Ｖ５が各々閉じられて、密閉された状態になっている。また第１の原料捕捉部４１は、２００℃に加熱されているため、第１の原料捕捉部４１の内部においては、原料ガスが昇華して飽和している。そこで原料容器３内の原料を第１の原料捕捉部４１に捕捉させる前に、まず図８に示すステップＳ１において、第１の原料捕捉部４１を例えば６０℃に冷却する。これにより第１の原料捕捉部４１内に昇華している原料ガスが第１の原料捕捉部４１の内壁や捕捉部材４３の表面に析出（再固化）する。

続いてステップＳ２において、第１の原料捕捉部４１を６０℃に保ったまま、ビルドアップ法により、第１の原料捕捉部４１に析出している原料の重量Ｍ１を測定する。ステップＳ２も含めて、第１の原料捕捉部に析出している原料の重量、つまり第１の原料捕捉部４１における原料の捕捉量（充填量）の一連の測定については、ビルドアップ法により実施される。
ここでビルドアップ法について説明する。密閉された容器内に原料が析出すると容器の気相の体積が析出した原料の体積分小さくなる。温度を一定にして真空の容器内に一定の流速でガスを供給したときの圧力は、ボイルの法則に従うため、体積に反比例する。従って容器内に原料が析出していない状態において、容器内にＮ_２ガスを供給したときのＮ_２ガスの供給量と容器内の圧力との関係は、図９中のＧ１のようなグラフとなる。これに対して、容器内に原料を析出させて、容器内に気体、例えばＮ_２ガスを供給したときのＮ_２ガスの供給量と容器内の圧力との関係は、図９中のＧ２に示すように、析出した原料の体積分だけ気相の体積が小さくなるため、グラフの傾きが大きくなる。そして圧力と、気体の供給量とが分かることで、グラフの傾きにより容器内の気相の体積を算出することができる。

従って容器内に原料が析出していないときの容器内の気相の体積と、容器内に原料を析出させたときの容器内の気相の体積と、の差分により容器内に析出した原料の体積が求まる。更に原料の体積が求まることから、予め原料の密度を把握しておくことにより、析出した原料の重量が分かる。このため原料の体積を求めることは、原料の重量を測定することと同義といえる。よって、圧力計７は原料の捕捉量を測定する測定部を構成していることになる。

従って図８のフローチャートに戻ってステップＳ２においては、先ず図１０に示すようにバルブＶ５、Ｖ９を開き、予め設定された圧力まで真空排気する。次いで図１１に示すように、バルブＶ９を閉め、バルブＶ７を所定の時間開き所定の流量のＮ_２ガスを第１の原料捕捉部４１に供給する。そして上述のビルドアップ法に従い、バルブＶ９の上流側に設けられた圧力計７により、Ｎ_２ガスの供給開始以後の圧力の変化をモニターし、圧力の推移データを取得する。そして例えばメモリ９１内に事前に圧力の推移データの傾きと、第１の原料捕捉部４１内の容積との関係をテーブルとして記憶させておき、取得した圧力の推移データの傾きとテーブルとから第１の原料捕捉部４１内の容積、つまり第１の原料捕捉部４１内の気相の体積を求める。

続いて予め取得しておいた、第１の原料捕捉部４１内が空の状態（原料の捕捉量がゼロの状態）における第１の原料捕捉部４１内の気相の体積と、ステップＳ２にて算出された第１の原料捕捉部４１内の気相の体積と、の差を演算する。これにより第１の原料捕捉部４１内に析出している原料の体積、即ち１ロットの２５枚のウエハ１００の処理を行った後の残りの原料の体積が分かる。さらにこの原料の体積に、原料であるＷＣｌ_６の密度を乗算することにより、１ロットのウエハ１００の処理の終了時における、第１の原料捕捉部４１内の原料の残量（重量）Ｍ１が分かる

続いてステップＳ３において、第１の原料捕捉部４１に原料を捕捉させて１回目の原料の補充を行う第１の原料補充工程を行う。図１２に示すようにステップＳ３においてバルブＶ０、Ｖ１、Ｖ９及びＶ６４を開くと、原料容器３にキャリアガスが供給され、原料容器３内にて昇華し、飽和している原料がキャリアガスと共に原料補充用の配管３０、分岐管３１を介して、第１の原料捕捉部４１に供給される。第１の原料捕捉部４１を通過したガスは、分岐管３２、排気管３５及び合流管３８を介して図２に示す排気管１３から排気される。第１の原料捕捉部４１は、６０℃に保たれているため、原料容器３から供給される原料が第１の原料捕捉部４１にて析出し捕捉される。その後第１の原料捕捉部４１に原料ガスの供給を開始した時点から所定時間経過後、例えば２０分経過後に、バルブＶ０、Ｖ１及びＶ６４を閉じる。

次いでステップＳ４に示すように、第１の原料捕捉部４１の気相の体積を測定し、予め取得しておいた、原料が析出していない状態の第１の原料捕捉部４１内の気相の体積と、の差分を求める。この差分は、第１の原料補充工程後において第１の原料捕捉部４１に捕捉されている原料の体積に相当する。従って原料の体積に、原料（ＷＣｌ_６）の密度を乗算することにより、第１の原料補充工程の終了時に捕捉されている原料の重量Ｍ２が分かる。

さらに第１の原料補充工程の終了時に捕捉されている原料の重量Ｍ２と、ステップＳ２にて算出された重量Ｍ１と、の差によりステップＳ３の第１の原料補充工程にて補充された原料の重量（Ｍ２−Ｍ１）が算出される。またステップＳ３にて析出した原料の重量（Ｍ２−Ｍ１）をステップＳ３において原料を析出させた時間である２０分で割ることにより、第１の原料捕捉部４１に、単位時間当たりに捕捉される原料の重量（原料の捕捉速度）ΔＭ（＝（Ｍ２−Ｍ１）／２０分）を求めることができる。

その後目標とする原料の重量、例えば４００ｇと、第１の原料補充工程の終了時に捕捉されている原料の重量Ｍ２との差を、原料の捕捉速度ΔＭで割り、続くステップＳ５の第２の原料補充工程において原料ガスを捕捉する捕捉時間（補充時間）ｔ（（４００−Ｍ２）／ΔＭ）を決定する。
そしてステップＳ５にて、第１の原料捕捉部４１に２回目の原料の補充を行う第２の原料補充工程を行う。ステップＳ５においては、バルブＶ０、Ｖ１、Ｖ９及びＶ６４をステップＳ４にて算出した原料ガスの捕捉時間ｔの間開き、第１の原料捕捉部４１に原料を捕捉する。従ってステップＳ５においては、ΔＭ×ｔ＝ΔＭ×（４００−Ｍ２）／ΔＭ＝４００−Ｍ２の原料が補充されることになる。Ｍ２は第１の原料補充工程の終了時に捕捉されている原料の重量であるため、第２の原料補充工程の終了時に捕捉されている原料の重量は計算上は捕捉量の目標値である４００ｇとなる。

その後ステップＳ６にて、第２の原料補充工程の終了後に捕捉された原料の重量が目標値に達しているかを確認する。なおこの場合の目標値とは、目標値に対する許容範囲も含めた意味である。第２の原料補充工程の終了時に捕捉されている原料の量が目標値よりも少ない場合には、ステップＳ７に進む前に、例えば不足分に原料の捕捉速度ΔＭを乗算した時間だけバルブＶ０、Ｖ１、Ｖ９及びＶ６４を開き、原料の不足分を捕捉するようにしてもよい。あるいは、原料容器３から供給されている原料の量が顕著に少なくなっていると判断した場合には、作業を中断して原因の究明を行うようにしてもよい。

そして第１の原料捕捉部４１に捕捉された原料の重量が目標値に達していることを再度確認した後、ステップＳ７にて、第１の原料捕捉部４１を２００℃に加熱する。これにより第１の原料捕捉部４１内に析出していた原料が昇華し、第１の原料捕捉部４１内が原料ガスで飽和する。その後ステップＳ８において、第１の原料捕捉部４１を加熱した状態で、第２の原料捕捉部４２を使用しているウエハ１００の処理が終了するまで待機する。

そして第２の原料捕捉部４２を原料供給源として用いて行っていた１ロットである例えば２５枚のウエハ１００の処理を終えると、図１３に示すようにバルブＶ４、Ｖ８を閉じて、第２の原料捕捉部４２から成膜処理部１Ａへの原料ガスの供給を停止する。さらに続くロットの２５枚のウエハ１００の処理を行うにあたっては、バルブＶ２、Ｖ７を開き、第１の原料捕捉部４１を原料ガスの供給源として使用する。また第１の原料捕捉部４１を原料ガスの供給源として使用している間に、同様に図８に示したフローチャートに従い第２の原料捕捉部４２に原料を補充する。

このように第１の原料捕捉部４１を成膜処理部１Ａに対して、原料供給源として用いながら、第２の原料捕捉部４２に原料容器３から原料を補充する工程と、第２の原料捕捉部４２を原料供給源として用いながら、第１の原料捕捉部４１に原料容器３から原料を補充する工程と、を交互に繰り返す。即ち原料供給源として第１の原料捕捉部４１と第２の原料捕捉部４２とを交互に使用する。そして図１に示す他の原料供給系２Ｂ，２Ｃにおいても、同様にして成膜処理部１Ｂ，１Ｃに原料ガスの供給を行う。

上述の実施の形態によれば成膜処理部１Ａへ原料を供給する原料供給源である第１及び第２の原料捕捉部４１、４２は、ケース体４０の壁面や捕捉部材４３の表面に原料を薄い膜状に析出させ、壁面及び捕捉部材４３の全体を加熱している。原料容器３においては、背景技術の項目にて記述したように固体原料３００の減少に従い、供給量が減少するおそれがある。原料を薄い膜状に析出させることで、原料の薄膜全体が均一に加熱されるため原料の昇華量が安定するため成膜処理部１Ａへの原料の供給量が安定する。

また第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を切り替えながら、ウエハ１００の処理を繰り返し行う場合には、原料容器３に充填された固体原料３００の減少に応じて、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に供給される原料が少なくなり、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に補充される原料の捕捉量が安定しなくなるおそれがある。そして第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に補充される原料の捕捉量が安定しないことにより、消費区域に供給される原料の供給量が変動するおそれがある。上述の実施の形態においては、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に原料を補充するにあたって、第１の原料補充工程における単位時間当たりの原料の捕捉量（充填量）に従い、第２の原料補充工程の原料捕捉時間を決定し、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に補充される原料の量が揃うようにしている。そのため各ロットのウエハ１００の処理を開始する際に第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に捕捉されている原料の重量が揃い、ウエハ１００に成膜処理を行うにあたって、各ロット間でウエハ１００に供給される原料の量が安定する。

また上述の実施の形態においては、原料供給装置を初めて使用するとき、あるいは原料供給装置のメンテナンス後において、原料容器３内の固体原料３００を初めて使用し、かつ第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を初めて使用するときには、原料容器３からの原料の供給時間を目標値である４００ｇに対応する一定の時間に設定している。これにより最初のウエハ１００の処理の開始時点の第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の捕捉量が目標値である４００ｇとなる。原料容器３内の原料の消費開始時には、固体原料３００の量が多く、昇華量が安定しているため、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に捕捉される原料の量が揃う。そのため第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に捕捉される原料の捕捉量を第１及び第２の原料捕捉部４１、４２内へのガスの通流時間により管理しても、目標値に対する捕捉量の誤差は少ない。しかし原料供給装置の運転開始時においても、図８に示すフローチャートに従って、第１の原料補充工程を行い、原料の捕捉量の測定結果に基づいて、第２の原料補充工程における原料捕捉時間を決定して、原料を補充するようにしてもよい。

また、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の温度を６０℃に設定し、原料を第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を通過させて捕捉させたときに、ＷＣｌ_６は、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に析出し、ＷＣｌ_２Ｏ_２は第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を通過して、真空排気部２４により排気される。従って一旦第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を６０℃で冷却させて原料を析出させ、その後、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を１５０〜２００℃に加熱して成膜処理部１Ａに供給することで、より高純度のＷＣｌ_６ガスを成膜処理部１Ａに供給することができる。
更に原料容器３に補充する固体原料３００を予め高純度のＷＣｌ_６を用いてもよい。高純度のＷＣｌ_６を用いる場合には、例えば第１及び第２の原料捕捉部４１、４２にて原料を捕捉する際の温度を６０℃よりも低い温度、例えば２３℃に設定して、原料の捕集効率が高くなるようにしてもよい。

あるいは第１及び第２の原料捕捉部４１、４２内にＷＣｌ_６を効率よく析出させたり、ＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏを析出させない状態にするには、ケース体４０の冷却温度を６０℃に設定することに限らず、ケース体４０内の圧力の調整やガスの流量を調整し、ＷＣｌ_６を効率よく析出させ、ＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏを析出させない状態としてもよい。

さらにステップＳ４にて、計測された原料の捕捉速度ΔＭに基づいて、原料容器３に供給されるキャリアガスの量を補正してもよい。原料容器３から送り出される原料の流量は、キャリアガスが一定である場合、固体原料３００の消費に伴って少なくなる。そして固体原料３００の残量が少なくなるほど、原料の流量の低下の程度が大きくなることから、残量がかなり少なくなると、原料の流量も大きく落ち込む。巨視的に見れば、このように原料容器３内の固体原料３００の消費に伴って原料の流量が低下するが、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に原料を捕捉している間においては、原料の流量が顕著に変化することはない。
このため第１及び第２の原料捕捉部４１、４２への原料の捕捉が繰り返され、原料の流量が予め設定した流量よりも小さくなったとき、つまり既述の原料の捕捉速度ΔＭが設定速度を下回ったときに、原料容器３内に供給されるキャリアガスの流量の補正が行われる。キャリアガスの流量の補正は、この場合にはリアルタイムで行われるのではなく、ある時間間隔をおいて行われることから、具体的には例えば予め決めた一定量だけキャリアガスの流量を増加させる手法が挙げられる。このようにキャリアガスの流量の補正を行うことにより、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２への原料の捕捉に要する時間の長期化を避けることができる。

また原料の捕捉速度ΔＭは、原料容器３から供給される原料の量に対応した値となるため、原料容器３における固体原料３００の昇華量に対応した値となる。更に原料容器３内における固体原料３００の昇華量は、原料容器３内の固体原料３００の残量に対応した値となる。従って、原料の捕捉速度ΔＭを測定することにより、原料容器３内の固体原料３００の残量が推定できることから、原料の捕捉速度ΔＭの値により、原料容器３を交換する時期を決定するようにしてもよい。
そして例えば原料容器３内の固体原料３００が事前に決めた量よりも少なくなった時に、各原料供給系２Ａ〜２Ｃにおける第１の原料捕捉部４１または第２の原料捕捉部４２から原料ガスが成膜処理部１Ａ〜１Ｃに供給されている間に原料容器３の交換を行うようにすればよい。

また第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に析出している原料の測定は、例えば第１及び第２の原料捕捉部４１、を秤量することにより測定してもよい。この手法は、例えば第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の各上流側及び下流側に接続される配管をベローズ構造として第１及び第２の原料捕捉部４１、４２が上下に動けるように設置し、例えば第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に設けた水平突片を重量計により支持することにより実施することができる。さらに本発明はＣＶＤ法による成膜装置に用いてもよい。

また第１及び第２の原料捕捉部４１、４２は、上述の実施の形態に示した構成に限らず、例えば、ケース体４０の内部に、内部が空洞で構成された六角柱型の配管をケース体４０の長さ方向に伸びるように平行に並べ、ケース体４０の長さ方向から見てハニカム状になるように設置してもよい。このように構成した場合にもケース体４０内の表面積が大きくなるため同様の効果がある。

さらに原料容器３の内部にノズルを設け、キャリアガス供給路６４から供給されるキャリアガスを固体原料３００に向けて、例えば１０ｓｌｍ程度の流量で吹き付けるように構成してもよい。固体原料３００からの昇華は、その表面にキャリアガスが吹き付けられることにより、つまり当該表面の近傍の原料が常にキャリアガスに置き換わることにより、活発になる。キャリアガスの流量が例えば１００ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍ程度である場合には、フル充填時と残量が少なくなったときとの間で、固体原料３００の表面の近傍におけるキャリアガスの流速の差が大きくなり、原料の濃度が安定しなくなる。そのためキャリアガスの流量を多くし、流速を速くすることで原料容器３から第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に供給される原料の量が安定するため、より第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に充填される原料の量が安定しやすくなる。この時のキャリアガスの流量は３ｓｌｍ以上とすることが好ましい。

さらに上述の実施の形態においては、ステップＳ５の第２の原料補充工程における捕捉時間ｔを調整して、第２の原料補充工程における原料の補充量を調整しているが、捕捉時間ｔを調整することに代え、原料の捕捉速度ΔＭを調整するようにしてもよい。例えば第２の原料補充工程における原料の捕捉時間を一定に設定しておき、原料容器３に供給されるキャリアガスの流量の調整を介して原料容器３から供給される原料の重量を調整して原料の捕捉速度ΔＭを調整すればよい。原料の捕捉量は補充に要する時間と単位時間当たりの捕捉量（捕捉速度）との積で決定されるため、先の実施の形態では、捕捉速度を一定として補充に要する時間を決めていたが、この例は補充に要する時間を一定にして、捕捉速度を変える手法である。具体的には原料容器３に供給されるキャリアガスの流量と捕捉速度との関係を原料容器３内の固体原料３００の残量に応じてメモリ９１内に記憶させておくようにすればよい。なお既述のように固体原料３００の残量については、第１の原料補充工程の終了時に求めた捕捉速度に基づいて、事前に作成した対応関係により推定することができる。また捕捉時間ｔと捕捉速度ΔＭとの両方を調整して原料の補充量を調整してもよい。

また成膜処理に用いる原料は、ＷＣｌ_６に限られるものではなく、例えばＷＣｌ_５（五塩化タングステン）、ＭｏＣｌ_５（五塩化モリブデン）、ＺｒＣｌ_４（塩化ジルコニウム（ＩＶ））、ＨｆＣｌ_４（塩化ハフニウム（ＩＶ））、ＡｌＣｌ_３（塩化アルミニウム）などであってもよい。

１Ａ〜１Ｃ 成膜処理部
２Ａ〜２Ｃ 原料供給系
３ 原料容器
７ 圧力計
４１ 第１の原料捕捉部
４２ 第２の原料捕捉部
４３ 捕捉部材
４４ ヒータ
８ 原料容器のヒータ
９ 制御部
３００ 固体原料
Ｖ４８，Ｖ４９ 冷却用バルブ
Ｖ０〜Ｖ９ バルブ

Claims (8)

1. 固体原料を収容する原料容器と、当該原料容器から送られた原料が一旦捕捉される原料捕捉部と、を用い、
   前記原料容器内の固体原料を昇華させ、昇華した原料をキャリアガスと共に送り出して前記原料捕捉部に捕捉させる原料捕捉工程と、
   前記原料捕捉工程の前後における前記原料捕捉部の原料の捕捉量を測定することにより前記原料捕捉部の原料の捕捉量の増加分を求める工程と、
   前記原料の捕捉量の増加分と前記原料捕捉工程の所要時間と前記原料捕捉工程終了時における原料の捕捉量とに基づいて、原料捕捉部における原料の捕捉量が目標値に至る補充時間及び捕捉速度の少なくとも一方を求める工程と、
   前記工程で求めた補充時間及び前記捕捉速度の少なくとも一方に基づいて前記原料容器から前記原料捕捉部に原料を補充供給する工程と、
   その後、前記原料捕捉部から原料を昇華させてキャリアガスと共に前記消費区域に供給する工程と、を含むことを特徴とする原料供給方法。
2. 前記原料を補充供給する工程を行った後、前記原料捕捉部から原料を消費区域に供給する前に、原料捕捉部の原料の捕捉量を測定する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の原料供給方法。
3. 前記原料を補充供給する工程を行った後に原料の捕捉量を測定する工程を行った結果、原料の捕捉量が前記目標値よりも小さいときには、更に原料容器から原料捕捉部に原料を補充供給することを特徴とする請求項２記載の原料供給方法。
4. 前記増加分と前記原料捕捉工程の所要時間とに基づいて、前記原料容器に供給されるキャリアガスの流量を補正する工程を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の原料供給方法。
5. 前記原料捕捉部は、互いに並列に接続された第１の原料捕捉部及び第２の原料捕捉部を備え、
   前記第１の原料補足部及び第２の原料捕捉部の一方から昇華した原料を消費区域に供給する工程を行っているときに、前記原料容器から昇華した原料を前記第１の原料補足部及び前記第２の原料捕捉部の他方に補充することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の原料供給方法。
6. 固体原料を収容する原料容器と、当該原料容器から送られた原料が一旦捕捉される原料捕捉部と、を備えた原料供給装置に用いられるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体であって、
   前記コンピュータプログラムは、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の原料供給方法を実行するようにステップ群が組まれていることを特徴とする記憶媒体。
7. 固体原料を加熱して昇華させ、昇華した原料をキャリアガスと共に消費区域に供給する原料供給装置において、
   固体原料を収容する原料容器と、
   前記原料容器の下流側に設けられ、当該原料容器から送られた原料が一旦捕捉され、捕捉された原料を昇華して前記消費区域に供給するための原料捕捉部と、
   前記原料捕捉部の上流側及び下流側に夫々設けられる上流側バルブ及び下流側バルブと、
   前記原料容器から送られた原料が前記原料捕捉部に捕捉されるときに当該原料捕捉部からガスを排出するために前記下流側バルブの上流側に設けられる排出部と、
   前記原料捕捉部に捕捉されている原料の捕捉量を測定する測定部と、
   前記原料容器から原料を送り出して前記原料捕捉部に捕捉させるステップと、このステップの前後における前記原料捕捉部の原料の捕捉量を測定することにより、前記原料捕捉部における原料の捕捉量の増加分を求め、当該増加分と前記ステップの所要時間と前記ステップ終了時の原料の捕捉量とに基づいて、原料の捕捉量が目標値に至るまでの所要時間及び捕捉速度の少なくとも一方を求めるステップと、前記ステップで求めた所要時間及び捕捉速度の少なくとも一方に基づいて前記原料容器から前記原料捕捉部に原料を補充供給するステップと、その後、前記原料捕捉部から原料を昇華させてキャリアガスと共に前記消費区域に供給するステップと、を実行するよう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供給装置。
8. 前記原料捕捉部は、互いに並列に接続された第１の原料捕捉部及び第２の原料捕捉部を備え、前記上流側バルブ及び前記下流側バルブの組は、前記第１の原料捕捉部及び前記第２の原料捕捉部の各々に対応して設けられていることを特徴とする請求項７に記載の原料供給装置。

Images