JP2017179397A - 基板処理装置、ガスの供給方法、基板処理方法及び成膜方法 - Google Patents

基板処理装置、ガスの供給方法、基板処理方法及び成膜方法 Download PDF

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Abstract

【課題】圧力を制御することで流量を制御しつつ、短時間で大量のガス供給を行うことができる基板処理装置、ガスの供給方法、基板処理方法及び成膜方法の提供。【解決手段】基板Ｗを収容可能な処理容器１０と、処理容器１０内の圧力を測定する圧力検出手段８１と、処理容器１０内を排気する排気管に設けられた排気側バルブ１００と、処理容器１０にガス供給管２０を介して接続されたガス貯留タンク４０と、ガス貯留タンク４０に貯留されたガス量を測定するガス量測定手段５０、１２１と、ガス供給管２０に設けられ、圧力検出手段８１で検出された処理容器１０内の圧力に基づいてバルブ開度を変化させ、ガス貯留タンク４０から処理容器１０に供給されるガスの流路面積を制御することにより、処理容器１０内の圧力を制御可能な制御バルブ３０と、を有する基板処理装置。【選択図】図１

Description

本発明は、基板処理装置、ガスの供給方法、基板処理方法及び成膜方法に関する。
従来から、真空チャンバと、真空チャンバにガスを供給するガス供給源と、真空チャンバとガス供給源とを接続するためのガス供給配管と、真空チャンバ内の圧力値を検出するための圧力センサと、圧力センサの出力を受けてガス供給配管上に設置される比例弁を制御する圧力コントローラと、ガス供給配管上に設置される流量計と、流量計の出力を受けて排気配管上に設置される絞り弁を制御する流量コントローラと、を有する流体制御システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる特許文献１に記載の流体制御システムでは、圧力コントローラと流量コントローラの双方が独立して設けられ、真空チャンバ内の圧力を圧力コントローラで制御するとともに、排気配管上の絞り弁により真空チャンバを介してプロセスガスの流量を流量コントローラで各々独立して制御している。
また、原料ガスと、原料ガスと反応して反応生成物を生成する反応ガスと、を真空雰囲気とされた反応容器内に交互に供給して、当該反応容器内における基板上に薄膜を成膜する装置において、反応容器内に原料ガスを供給するために原料ガスの供給路と、原料ガスの供給路の途中に設けられ、原料ガスを昇圧した状態で貯留するためのタンクと、原料ガスの供給路におけるタンクの下流側に設けられた流量調整用のバルブとを備え、原料ガスを、タンクを介して大流量で且つ短時間に反応容器内に供給するようにした成膜装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。なお、原料ガスの供給路におけるタンクの下流側に設けられた流量調整用のバルブは、設定流量の調整が可能なバルブであるが、運転時には開閉動作しか行わず、リアルタイムで開度を制御できるバルブではない。
特開２０１３−２２９００１号公報 特開２０１５−１９１９５７号公報
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、圧力と流量が別々に制御されているが、圧力と流量は無関係ではなく、相互に影響を与えるため、制御時のハンチング等が多くなり易いという問題があった。また、圧力コントローラと流量コントローラの両方が必要となるため、装置が大型化するとともにコストが増加するという問題もあった。
また、特許文献２に記載の構成では、原料ガスを大流量かつ短時間で反応容器内に供給することが可能となり、そのような用途には有効であるが、タンクから反応容器内に供給される原料ガスの流量はフィードバック制御されていないため、原料ガスを大流量、短時間で、且つ流量をリアルタイムに制御しながら供給するという要請には応えることができないという問題があった。
そこで、本発明は、圧力を制御することで流量を制御しつつ、短時間で大量のガス供給を行うことができる基板処理装置、ガスの供給方法、基板処理方法及び成膜方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る基板処理装置は、基板を収容可能な処理容器と、
該処理容器内の圧力を測定する圧力検出手段と、
該処理容器内を排気する排気管に設けられた排気側バルブと、
前記処理容器にガス供給管を介して接続されたガス貯留タンクと、
該ガス貯留タンクに貯留されたガス量を測定するガス量測定手段と、
前記ガス供給管に設けられ、前記圧力検出手段で検出された前記処理容器内の圧力に基づいてバルブ開度を変化させ、前記ガス貯留タンクから前記処理容器に供給されるガスの流路面積を制御することにより、前記処理容器内の圧力を制御可能な制御バルブと、を有する。
本発明の他の態様に係るガスの供給方法は、容器にガス供給管を介して接続されたガス貯留タンクにガスを供給して貯留する工程と、
該ガス貯留タンクに貯留された前記ガスが所定量に達したことを検出する工程と、
前記容器に接続された排気管のコンダクタンスを一定にする工程と、
前記容器内の圧力を検出する工程と、
前記ガス供給管に設けられた制御バルブが、検出された前記容器内の圧力に基づいてバルブ開度を変化させ、前記ガス貯留タンクから前記処理容器に供給されるガスの流路面積を変化さることにより、前記容器内の圧力が所定の一定圧力となるように制御する工程と、を有する。
本発明によれば、圧力を制御することで流量を一定に保ちつつ、短時間で大流量のガスの供給を行うことができる。
本発明の実施形態に係る基板処理装置の一例を示した図である。 ガス貯留タンク及び処理容器内の圧力の時間経過を説明するための図である。 圧力と流速との関係を示した図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置を用いたガスの供給方法を説明するための図である。図４（ａ）は、ガス貯留タンクにガスを貯留する段階を示した図である。図４（ｂ）は、ガス貯留タンクへのガスの貯留が終了し、処理容器へのガス供給の準備をしている段階を示した図である。図４（ｃ）は、ガス貯留ダンクから処理容器にガスを供給しつつ、制御バルブによる圧力制御を行う段階を示した図である。 本発明の実施例１に係る圧力制御性を示した図である。図５（ａ）は、６０秒における圧力制御性能を示した図である。図５（ｂ）は、５秒における圧力制御性能を示した拡大図である。 本発明の実施例２に係る圧力制御性を示した図である。図６（ａ）は、６０秒における圧力制御性能を示した図である。図６（ｂ）は、５秒における圧力制御性能を示した拡大図である。 本発明の実施例３に係る圧力制御性を示した図である。図７（ａ）は、６０秒における圧力制御性能を示した図である。図７（ｂ）は、５秒における圧力制御性能を示した拡大図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
図１は、本発明の実施形態に係る基板処理装置の一例を示した図である。図１に示される通り、本実施形態に係る基板処理装置は、処理容器１０と、ガス供給路２０、２１と、制御バルブ３０と、ガス貯留タンク４０と、マスフローコントローラ５０と、ガス供給源６０と、遮断弁７０、７１と、圧力センサ８０、８１と、排気管９０と、排気側バルブ１００と、真空ポンプ１１０と、制御部１２０と、電空レギュレータ１３０と、ホストコンピュータ１４０とを備える。また、処理容器１０内には、インジェクタ１１が設置され、基板処理を行う際に処理容器１０内に搬入されるウエハボート１２及びウエハＷが示されている。更に、処理容器１０の外部にはヒータ１３が設けられている。また、コントローラ１２０は、積算流量カウント部１２１と、圧力制御部１２２とを含む。
処理容器１０は、ウエハＷ等の基板を内部に収容し、基板処理を行うための容器である。なお、基板処理は、ガスを処理容器１０内に供給して基板を処理する種々の処理が含まれ、成膜処理、エッチング処理、クリーニング等を含む。成膜処理には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition、原子層堆積法）等の種々の成膜方法が存在するが、いずれの成膜にも適用可能である。但し、本実施形態においては、ウエハＷを鉛直方向に所定間隔を置いて積載可能なウエハボート１２を用いて複数枚のウエハＷを保持し、ウエハＷに成膜用の原料ガス及びこれと反応して反応生成物を生成する反応ガスを供給するとともに、処理容器１０を加熱して成膜を行う縦型熱処理装置に適用する例を挙げて説明する。インジェクタ１１は、処理容器１０内に処理ガスを供給するためのガス供給手段であり、鉛直方向に延びた石英管から構成される。ヒータ１３は、処理容器１０の外部からウエハＷを加熱し、熱処理（成膜処理）を行う。処理容器１０、インジェクタ１１等の処理ガス供給手段、ウエハボートのような基板保持手段は、基板処理装置の用途や目的に応じて種々構成することができるが、ここでは、縦型熱処理装置により成膜処理を行う例に挙げて説明する。
なお、基板処理を行う前には、ウエハボート１２に複数枚のウエハＷが保持された状態で処理容器１０内に搬入され、基板処理を行う。基板処理後は、処理容器１０からウエハボート１２を搬出することにより、処理後のウエハを搬出する。搬送機構については、図１では省略されているが、ウエハボート１２を搬入出可能な種々の搬送機構を用いることができる。
また、成膜方法については、ＡＬＤ法を用いた例について説明する。ＡＬＤ法とは、Ｓｉ等の原料ガスをまずインジェクタ１１から処理容器１０内に所定時間供給し、その後、窒素等のパージガスを別のインジェクタ１１から所定時間供給し、その後、原料ガスと反応する酸化ガスや窒化ガス等の反応ガスを所定時間供給し、その後、パージガスを所定時間供給する、というサイクルを繰り返し、原料ガスと反応ガスとの反応生成物の原子層（より正確には分子層）をウエハＷ上に徐々に堆積させてゆく成膜方法である。一度に総ての種類のガスを供給するのではなく、原料ガス、パージガス、反応ガス、パージガスの順にサイクルをなして処理容器１０内に供給する必要があるため、各ガスの供給は短時間で、かつ高い流量で行う必要がある。短時間というのは、上述のようなサイクルをなして順番に異なる種類のガスを供給する必要があるため、成膜処理の生産性を高めるために要求される。また、高い流量というのは、バッチ処理で複数枚（例えば、５０〜１００枚というレベルで）のウエハＷを同時に処理するため、総てのウエハＷに十分に処理ガスを供給するために要求される。特に、処理ガスの中でも、シリコン、金属等を含む原料ガスは、酸化ガス（例えば、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ）や窒化ガス（例えばＮＨ３）と比較して、短時間に多量に供給するのが困難である。
本実施形態に係る基板処理装置では、原料ガスを含むガスを、短時間に大量に、かつ流量を制御しつつ処理容器１０内に供給することができ、上述のＡＬＤを用いた成膜に非常に有効である。
処理容器１０の上流側には、ガス供給管２０、２１が接続されている。また、処理容器１０の下流側には、排気管９０が接続されている。
ガス供給管２０、２１は、反応容器１０内にガスを供給するためのガス供給用の配管である。ガス供給管２０は、処理容器１０内のインジェクタ１１に接続され、インジェクタ１１にガスを供給する。ガス供給管２０は、処理容器１０とガス貯留タンク４０との間を接続する配管であり、その間に制御バルブ３０と、遮断弁７０とが設けられる。
また、ガス供給管２１は、ガス貯留タンク４０よりも上流側のガス供給用の配管であり、上流端には、ガス供給源６０が接続される。ガス供給源６０は、ガス貯留タンク４０及び処理容器１０にガスを供給する供給源であり、例えば、ガスが充満されたタンクであってもよいし、ガスが供給される接続口であってもよい。
ガス供給源６０とガス貯留タンクとの間には、例えば、マスフローコントローラ５０と、遮断弁７１とが設けられる。
マスフローコントローラ５０は、ガス供給源６０からガス貯留タンク４０に貯留されるガスの質量流量を計測し、流量制御を行う手段である。本実施形態では、ガス貯留タンク４０に貯留されたガス量の総量を計測する必要があることから、マスフローコントローラ５０は、瞬間流量を測定するのみならず、ガス貯留タンク４０に供給されたガスの積算流量を測定できることが好ましい。マスフローコントローラ５０がそのような機能を有していればそれでもよいし、マスフローコントローラ５０自体が瞬間流量しか測定できない場合であっても、コントローラ１２０の流量積算カウント部１２１に流量情報を送信し、流量積算カウント部１２１で積算流量を測定、把握するような構成であってもよい。この場合には、マスフローコントローラ５０と、コントローラ１２０の積算流量カウント部１２１が協働して、積算流量計の役割を果たす。
また、本実施形態においては、ガス貯留タンク４０に貯留されたガスが所定量に到達したことを把握できればよいので、そのような測定、演算処理等が可能であれば、マスフローコントローラ５０でなく、他の手段を用いてもよい。
遮断弁７１は、ガス供給源６０からガス貯留タンク４０へのガスの供給を行うか否かに応じて、ガス供給源６０とガス貯留タンク４０との間のガス供給路２１の接続を行うか遮断するかを定める開閉弁である。遮断弁７１は、必要に応じて設けるようにしてよい。
ガス貯留タンク４０は、ガスを貯留するためのタンクであり、多量のガスを短時間で処理容器１０内に供給するために設けられるバッファタンクである。即ち、現存する流量制御器では、ガス種の供給を連続的に切り替えるＡＬＤのような成膜方法を用いる場合には対応できず、短時間で多量のガスを供給できるような構造が必要とされる。ガス貯留タンク４０は、多量のガスを一旦貯留し、これを短時間で一気に処理容器１０内に供給することにより、そのような短時間での多量のガス供給を可能とする。ガス貯留タンク４０の容積は、用途に応じて適切な大きさに定められてよいが、例えば、１〜３リットル程度の容積とされてもよい。
圧力センサ８０は、ガス貯留タンク４０内の圧力を監視するための圧力検出手段である。圧力センサ８０は、ガス貯留タンク４０内の圧力が所定圧力に到達したことを検出するセンサであってもよいし、ガス貯留タンク４０内の圧力を測定できる測定センサであってもよい。ガス貯留タンク４０の設定圧力は、処理容器１０の容積、用途等に応じて適宜適切な値に設定されてよいが、例えば、５０〜６００Ｔｏｒｒ程度の値に設定されてもよいし、一例として、１．５リットルの容積を有するガス貯留タンク４０において、１００Ｔｏｒｒ（１３ｋＰａ）に設定されてもよい。なお、ガス貯留タンク４０内の圧力は、ガス貯留タンク４０の体積が既知であり、ガス貯留タンク４０内に貯留されたガス量を把握することにより求めることができ、管理することが可能である。本実施形態では、把握したガス量に基づいて制御を行うので、圧力センサ８０は必須ではなく、必要に応じて設けるようにしてよい。
制御バルブ３０は、ガス供給管２０の流路の通過面積を制御可能なバルブであり、バルブ開度を変化させることができる。ガス貯留タンク４０から処理容器１０にガスが供給される際、制御バルブ３０のバルブ開度を変化させることにより、ガス供給管２０内の流路をガスが通過可能な面積が変化し、これによりガスの流量を変化させることができる。しかしながら、本実施形態では、ガスの流量を変化させるのではなく、ガスの流量が一定となるような制御を行う。このような制御を行うためには、処理容器１０内の圧力が、所定の一定の圧力、つまり目標圧力となるように制御を行う。処理容器１０内の圧力が一定となるように制御バルブ３０のバルブ開度を変化させることにより、ガス供給管２０を介してガス貯留タンク４０から処理容器１０に供給されるガスの流量を一定とすることができる。なお、その原理の詳細については後述する。
制御バルブ３０は、処理容器１０内の圧力を一定とするように、圧力センサ８１で検出された圧力に基づいてフィードバック制御を行うことが可能であれば、種々のバルブを用いることができる。
電空レギュレータ１３０は、電気信号に基づいて、制御バルブ３０のバルブ開度を空圧で制御するための制御バルブ３０の駆動手段である。例えば、電気信号に比例して空気圧力を無段階に（連続的に）変化させることにより、空圧で駆動する制御バルブ３０のバルブ開度を滑らかに制御することができる。
遮断弁７０は、制御バルブ３０とガス貯留タンク４０との間のガス供給管２０に設けられ、ガス貯留タンク４０にガスと貯留しているときに閉とされ、ガス供給管２０とガス供給管２１とを遮断するためのバルブである。ガス貯留タンク４０から処理容器１０にガスを供給するときには、遮断弁７０は開とされる。ガス貯留タンク４０にガスと貯留するときには、制御バルブ３０を閉としても同じ機能を果たすことができ、また、ガス貯留タンク４０から処理容器１０にガスを供給するときには、制御バルブ３０を開としてバルブ開度を制御すればよいので、遮断弁７０は必須ではなく、必要に応じて設けるようにしてもよい。制御バルブ３０のバルブ開度をあまり大きく変化させたくない場合には、制御バルブ３０のバルブ開度をガス貯留タンク４０から処理容器１０にガスを供給するときの開度付近に設定しておいて制御に専念させ、ガス貯留タンク４０へのガスの貯留と、ガス貯留タンク４０から処理容器１０へのガスの供給の開始は遮断弁７０の開閉操作で行うようにすることもできる。例えば、このようなバルブ操作を行う場合に、遮断弁７０は設けられる。
圧力センサ８１は、処理容器１０内の圧力を検出、測定するための手段である。処理容器１０内と、排気側バルブ１００との間の排気管９０内は、同じ圧力を示すので、処理容器１０と排気側バルブ１００との間の排気管９０内の圧力を測定することにより、処理容器１０内の圧力を測定することができる。圧力センサ８１は、処理容器１０内の圧力を検出できればよいので、処理容器１０内に設けてもよいし、排気側バルブ１００よりも上流側の排気管９０のいずれに設けてもよいが、本実施形態では、排気管９０に設けた例を示している。なお、圧力センサ８１は、排気管９０内、即ち処理容器１０内の圧力を正確に測定できれば、用途に応じて種々の圧力検出手段を用いることができる。
真空ポンプ１１０は、排気管９０を介して処理容器１０内を真空排気するための手段である。真空ポンプ１１０は、処理容器９０内を基板処理に必要とされる真空度で排気できれば、種々の排気手段を用いることができる。
排気側バルブ１００は、排気管９０に設けられた排気管９０の排気量を調整するためのバルブである。排気側バルブ１００は、ガス貯留タンク４０から処理容器１０にガスを供給する際、開度が一定となるように設定され、排気管９０のコンダクタンスを一定に設定する役割を果たす。上述のように、ガス貯留タンク４０から処理容器１０にガスを供給するときには、処理容器１０内の圧力が一定となるように制御されるため、排気管９０のコンダクタンスが変動すると、そのような制御が困難になる。よって、ガス貯留タンク４０から処理容器１０にガスを供給する際には、排気側バルブ１００のバルブ開度は一定の所定開度に設定される。なお、排気側バルブ１００は、特に限定は無く、種々のバルブを用いることができる。例えば、ＡＰＣ（Automatic Pressure Controller、自動圧力制御機器）バルブが用いられても良い。また、手動で操作されてもよいし、コントローラ１２０から制御可能に構成してもよい。
圧力制御部１２２は、圧力センサ８１が検出した処理容器１０内の圧力に基づいて、制御バルブ３０のバルブ開度をフィードバック制御し、処理容器１０内の圧力が所定の目標圧力となるように制御する手段である。なお、上述のように、制御バルブ３０の制御は、電空アクチュエータ１３０を介して行うようにしてもよい。
また、圧力制御部１２２が行うフィードバック制御は、例えば、ＰＩＤ制御（Proportional Integral Differential Control）であってもよい。入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、及び微分の３要素によって行うことにより、きめ細かくスムーズな制御が可能となる。
コントローラ１２０は、制御を含む演算処理を行うための手段であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶手段を備え、プログラムを実行することにより動作するマイクロコンピュータ等により構成されてもよいし、特定の用途向けに複数機能の回路を１つにまとめたＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の集積回路により構成されてもよい。
また、基板処理の具体的な内容を記述したレシピが記憶媒体に記憶され、その内容をダウンロードしてコントローラ１２０でレシピに記述された基板処理を行う構成としてもよい。
コントローラ１２０は、必要に応じて、圧力制御部１２２による制御バルブ３０の圧力制御や、積算流量カウント部１２１によるガス貯留タンク４０に貯留されたガス量の算出の他、基板処理装置全体を制御してもよい。例えば、遮断弁７０、７１の動作、処理容器１０の動作、排気側バルブ１００の動作等も必要に応じて制御してもよい。
ホストコンピュータ１４０は、コントローラ１２０に指令を与える上位のコンピュータであり、基板処理装置とその他のプロセス装置との関係も含めて、工場全体の制御及び管理を行うコンピュータである。
次に、本実施形態に係る基板処理装置が行うガス供給方法の原理について説明する。即ち、処理容器１０内の圧力を一定の目標圧力に保つようにガス供給管に設けられた制御バルブのバルブ開度で圧力を制御することにより、流量を一定に保ってガスを処理容器１０内に供給できる原理について説明する。
図２は、ガス貯留タンク及び処理容器内の圧力の時間経過を説明するための図である。
気体の状態方程式に当てはめた説明を、以下に記載する。なお、ガス貯留タンク４０を省略してバッファタンク４０と呼び、処理容器１０を省略してChamber１０と呼ぶこととする。
まず、バッファタンク圧力をPb、バッファタンク体積をVb、Chamber圧力をPc、Chamber体積をVcとすると、気体の状態方程式PV=nRTにおいて、n、R、Tは同一であるから、（１）式が成立する。
Pb×Vb＝Pc×Vc （１）
Pb（バッファ圧力）については、圧力計８０が存在し、Vbが分かっていて流量が積算流量計で一定量に管理されているので、Pbは管理される。または、圧力計８０が無くても、Vbが分かっていて、かつ流量も分かっているので、Pbは管理される。
Vb（バッファ体積）について、バッファタンク４０は機械加工品なので、体積は一定である。
Pc（Chamber圧力）が、本実施形態では制御対象となる。
Vc（Chamber体積）について、真空ポンプ１１０によって常時一定に真空化されているので、一定とみなす。
（１）式より、（２）式が成り立つ。
Pb（一定に制御）×Vb（一定）＝Pc（一定に制御）×Vc（一定） （２）
ここで、Pb×Vbは、バッファタンク４０内のガス量（分子の総量）である。即ち、貯留しているガス量である。
Vcが一定のため、バッファタンク４０からchamber１０へ供給されるガス量はPc（chamber制御圧力）と反比例の関係が成立する。
例えば、バッファタンク４０に蓄えたガス量（Pb×Vb）を1,000sccmとする。Vbが一定なので、Pbはガス量に比例する。
Pcを仮に3Torrとして制御した場合に10秒で使い切ったとする。そうすると、
1,000sccm（ガス量）＝3Torr（圧力）×10sec（時間）×ガス流速α（＝ガス量/圧力×時間）が成立する。
ここで、「使い切る時間（sec）＝1,000sccm/（Pc×ガス流速α）」となり、使い切る時間とPcとは反比例の関係となる。
つまり、半分の1.5Torr制御すれば20secで使い切り、三分の一の1.0Torrであれば30secで使い切ることになる。
図２には、そのような関係が示されている。即ち、横軸の時間と圧力Ｐｃとは反比例の関係となっている。
図３は、圧力と流速との関係を示した図である。
今までの説明と同様に、「ガス流速α＝ガス量/（使い切る時間×Pc）」が成立する。よって、ガス量と使い切る時間を一定とすると、ガス流速αはPcとは反比例の関係となる。
図３は、そのような関係を示している。つまり、横軸の圧力Ｐｃと、縦軸の流速αとは反比例の関係にある。
ここで、流速αは、流量と類似した概念であり、ともに単位時間当たりのガスの進行度合いを示している。つまり、流速αは単位時間当たりの移動距離、流量は単位時間当たりの移動体積を示しており、ほぼ同義の概念と捉えることができる。
よって、バッファタンク４０内のガス量と、これを使い切る時間を一定にすれば、圧力Ｐｃとガス流速αは比例するので、同様に、圧力Ｐｃと流量も比例関係となる。即ち、チャンバ１０内の圧力を一定にすれば、流量も一定となる。よって、処理容器１０内の圧力が一定となるように制御すれば、処理容器１０に供給されるガスの流量も一定とすることができる。
本実施形態に係る基板処理装置及びガス供給方法では、このような原理を利用し、処理容器１０内の圧力が所定の一定圧力（目標圧力）となるように制御することにより、ガス貯留タンク４０から処理容器１０に供給されるガスの流量を一定に制御する。即ち、ガス貯留タンク４０を用いて短時間に多量のガス供給を行いつつ、その流量を一定に制御することができる。
これにより、ＡＬＤ成膜を行う場合にも、バラツキの少ない均一なガス供給を行うことができ、複数のウエハＷ間の面間均一性及びウエハＷ内の面内均一性を高めることができる。
図４は、本発明の実施形態に係る基板処理装置を用いたガスの供給方法を説明するための図である。図４において、本実施形態に係る基板処理装置の主要構成要素が抽出されて示されている。
図４（ａ）は、ガス貯留タンク４０にガスを貯留する段階を示した図である。ガス貯留タンク４０にガスを貯留する段階では、マスフローコントローラ５０が開とされ、ガス貯留タンク４０に、ガス供給管２１を介してガスが供給される。この時、マスフローコントローラ５０は流量を測定し、コントローラ１２０が積算流量を測定又は算出する。また、この段階では、制御バルブ３０は閉とされる。処理容器１０内は基板処理が可能な状態で真空排気され、排気側バルブ１００は全開とされている。
図４（ｂ）は、ガス貯留タンク４０へのガスの貯留が終了し、処理容器へのガス供給の準備をしている段階を示した図である。この段階では、ガス貯留タンク４０には所定量以上のガスが充填されているので、マスフローコントローラ５０は閉とされる。一方、排気側バルブ１００は、排気管９０のコンダクタンスを一定とするため、所定のバルブ開度に固定される。また、制御バルブ３０は、まだ処理容器１０へのガスの供給は開始していない準備段階であるので、閉とされている。
図４（ｃ）は、ガス貯留ダンク４０から処理容器１０にガスを供給しつつ、制御バルブ３０による圧力制御を行う段階を示した図である。この段階では、制御バルブ３０が開とされ、圧力センサ８１で検出される処理容器１０内の圧力を所定の一定圧力、即ち所定の目標圧力に維持するように制御バルブ３０のバルブ開度が制御される。これにより、ガス貯留タンク４０内のガスが、短時間で、大量に、かつ一定の流量で処理容器１０内に供給される。なお、排気側バルブ１００は、一定のコンダクタンスを維持すべくバルブ開度は所定の開度に固定されたままであり、マスフローコントローラ５０も閉とされたままである。
図４（ｃ）の状態で所定時間ガスを供給したら、また図４（ａ）に戻り、図４（ａ）〜（ｃ）のサイクルを繰り返すことになる。これにより、短時間の一定流量のガスの供給が繰り返されることとなり、ＡＬＤ成膜に最適なガスの供給方法を実施することができる。
なお、ＡＬＤ成膜を行う場合には、図４（ａ）〜（ｃ）の１サイクルで原料ガスを処理容器１０内に供給した後、処理容器１０内へのパージガスの供給、酸化ガス又は窒化ガス等の反応ガスの供給、パージガスの供給を行った後、次のサイクルで再び原料ガスを処理容器１０内に供給することになる。そして、この一連のサイクルを実施することにより、ウエハＷ上に分子層を堆積させ、成膜を行うことができる。
次に、本実施形態に係る基板処理装置及びガスの供給方法を実施した実施例の圧力制御性能について説明する。
図５は、本発明の実施例１に係る圧力制御特性を示した図である。実施例１においては、ガス貯留タンク４０内のタンク充填圧を６００Ｔｏｒｒに設定し、処理容器１０内の目標圧力を３．０Ｔｏｒｒ、１．５Ｔｏｒｒ、０．１Ｔｏｒｒに設定してガスを供給し、処理容器１０内の圧力の時間変化を測定した。図５（ａ）は、６０秒における圧力制御性能を示した図であり、図５（ｂ）は、５秒における圧力制御性能を示した拡大図である。
図５（ａ）に示されるように、従来の基板処理装置及びガスの供給方法では、最初に大きく反応容器１０内の圧力が上昇し、その後急激に低下する圧力特性となるため、流量も同様の変化を示すことになる。
一方、処理容器１０内の圧力を３．０Ｔｏｒｒの一定圧力に制御した場合には、２０秒弱一定の３．０Ｔｏｒｒに処理容器１０内の圧力が制御される。この間は、図２、３で説明したように、ガス貯留タンク４０から処理容器１０にガス供給管２０を介して供給されるガスの流量も一定ということになる。
同様に、処理容器１０内の圧力を１．５Ｔｏｒｒの一定圧力に制御すると、４０秒以上の間、流量が一定に制御されることになる。０．１Ｔｏｒｒの場合には、更に長い時間、流量が一定となることは言うまでもない。
図５（ｂ）に示される通り、５秒間の拡大図においても、同様の結果が示されている。即ち、従来の基板処理装置及びガスの供給方法では、流量を一定とすることはできないが、圧力を一定に制御すると、流量も一定に制御されることが分かる。
図６は、本発明の実施例２に係る圧力制御特性を示した図である。実施例２においては、ガス貯留タンク４０内のタンク充填圧を３５０Ｔｏｒｒに設定し、処理容器１０内の目標圧力を２．０Ｔｏｒｒ、１．０Ｔｏｒｒ、０．１Ｔｏｒｒに設定してガスを供給し、処理容器１０内の圧力の時間変化を測定した。図６（ａ）は、６０秒における圧力制御性能を示した図であり、図６（ｂ）は、５秒における圧力制御性能を示した拡大図である。
図６（ａ）に示されるように、従来の基板処理装置及びガスの供給方法では、最初に大きく反応容器１０内の圧力が上昇し、その後急激に低下する圧力特性となるため、流量も同様の変化を示すことになる。
一方、処理容器１０内の圧力を２．０Ｔｏｒｒの一定圧力に制御した場合には、約１５秒間一定の２．０Ｔｏｒｒに処理容器１０内の圧力が制御される。この間は、図２、３で説明したように、ガス貯留タンク４０から処理容器１０にガス供給管２０を介して供給されるガスの流量も一定ということになる。
同様に、処理容器１０内の圧力を１．０Ｔｏｒｒの一定圧力に制御すると、４０秒以上の間、流量が一定に制御されることになる。０．１Ｔｏｒｒの場合には、更に長い時間、流量が一定となることは言うまでもない。
図６（ｂ）に示される通り、５秒間の拡大図においても、同様の結果が示されている。即ち、従来の基板処理装置及びガスの供給方法では、流量を一定とすることはできないが、圧力を一定に制御すると、流量も一定に制御されることが分かる。
図７は、本発明の実施例３に係る圧力制御特性を示した図である。実施例３においては、ガス貯留タンク４０内のタンク充填圧を１００Ｔｏｒｒに設定し、処理容器１０内の目標圧力を０．５Ｔｏｒｒ、０．１Ｔｏｒｒに設定してガスを供給し、処理容器１０内の圧力の時間変化を測定した。図７（ａ）は、６０秒における圧力制御性能を示した図であり、図７（ｂ）は、５秒における圧力制御性能を示した拡大図である。
図７（ａ）に示されるように、従来の基板処理装置及びガスの供給方法では、最初に大きく反応容器１０内の圧力が上昇し、その後急激に低下する圧力特性となるため、流量も同様の変化を示すことになる。
また、処理容器１０内の圧力を０．５Ｔｏｒｒの一定圧力に制御した場合には、約３０秒間一定の０．５Ｔｏｒｒに処理容器１０内の圧力が制御される。この間は、図２、３で説明したように、ガス貯留タンク４０から処理容器１０にガス供給管２０を介して供給されるガスの流量も一定ということになる。
同様に、処理容器１０内の圧力を０．１Ｔｏｒｒの一定圧力に制御すると、４０秒以上の間、流量が一定に制御されることになる。０．１Ｔｏｒｒの場合には、更に長い時間、流量が一定となることは言うまでもない。
図７（ｂ）に示される通り、５秒間の拡大図においても、同様の結果が示されている。即ち、従来の基板処理装置及びガスの供給方法では、流量を一定とすることはできないが、圧力を一定に制御すると、流量も一定に制御されることが分かる。
実施例１乃至３の実施結果を示す図５乃至図７で示したように、圧力及び流量が一定となるような所定時間内に１回のガスの処理容器１０内への供給が終わるような基板処理を行うようにすれば、一定流量で処理容器１０内にガスの供給を行うことができる。
このように、本発明の実施形態に係る基板処理装置及びガスの供給方法によれば、ガス貯留タンク４０と処理容器１０との間のガス供給管２０に制御バルブ３０を設け、処理容器１０内の圧力を所定の目標圧力となるように制御バルブ３０のバルブ開度を制御することにより、短時間に多量のガスを一定流量で処理容器１０内に供給することができる。これにより、高品質の基板処理方法及び成膜方法を実現することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
１０ 処理容器
１１ インジェクタ
１２ ウエハボート
１３ ヒータ
２０、２１ ガス供給管
３０ 制御バルブ
４０ ガス貯留タンク
５０ マスフローコントローラ
６０ ガス供給源
７０、７１ 遮断弁
８０、８１ 圧力センサ
９０ 排気管
１００ 排気側バルブ
１１０ 真空ポンプ
１２０ コントローラ
１２１ 流量積算カウント部
１２２ 圧力制御部
１３０ 電空レギュレータ
１４０ ホストコンピュータ

Claims (19)

  1. 基板を収容可能な処理容器と、
    該処理容器内の圧力を測定する圧力検出手段と、
    該処理容器内を排気する排気管に設けられた排気側バルブと、
    前記処理容器にガス供給管を介して接続されたガス貯留タンクと、
    該ガス貯留タンクに貯留されたガス量を測定するガス量測定手段と、
    前記ガス供給管に設けられ、前記圧力検出手段で検出された前記処理容器内の圧力に基づいてバルブ開度を変化させ、前記ガス貯留タンクから前記処理容器に供給されるガスの流路面積を制御することにより、前記処理容器内の圧力を制御可能な制御バルブと、を有する基板処理装置。
  2. 前記制御バルブは、前記処理容器内の圧力が所定の一定圧力となるように前記バルブ開度を変化させる請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記圧力検出手段は、前記処理容器と前記排気側バルブとの間の前記排気管に設けられた請求項１又は２に記載の基板処理装置。
  4. 前記ガス貯留タンクに接続された第２のガス供給管を更に有し、
    前記ガス量測定手段は、該第２のガス供給管を介して前記ガス貯留タンクに供給されたガスの積算流量を測定する積算流量計である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  5. 前記制御バルブは、前記排気側バルブが所定の開度に固定され、かつ前記ガス量測定手段により測定された前記ガス量が所定量に達したときに、前記処理容器の圧力が前記所定の一定圧力となるように前記バルブ開度を変化させる制御を行う請求項１乃至４のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  6. 前記制御バルブは、前記ガス貯留タンクに前記ガスが貯留されるときには閉とされる請求項５に記載の基板処理装置。
  7. 前記ガス貯留タンクと前記制御バルブとの間には遮断弁が設けられ、前記ガス貯留タンクに前記ガスが貯留されるときには該遮断弁が閉とされる請求項５又は６に記載の基板処理装置。
  8. 前記ガス貯留タンクから前記処理容器に前記ガスを供給する時間は、前記ガス貯留タンクに貯留された前記所定量の前記ガスが、前記処理容器内において前記所定の一定圧力を維持可能な所定時間に設定されている請求項６又は７に記載の基板処理装置。
  9. 前記ガス貯留タンクへの前記所定量の前記ガスの供給と、前記ガス貯留タンクから前記処理容器への前記ガスの供給とが、複数回繰り返される請求項８に記載の基板処理装置。
  10. 前記圧力検出手段で検出された前記処理容器内の圧力に基づいて、前記制御バルブの開閉動作の制御を行う制御手段を更に備えた請求項１乃至９のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  11. 前記制御手段は、前記排気側バルブの制御を行うとともに、前記ガス量測定手段で測定した前記ガス量に基づいて、前記制御バルブの開閉動作の制御を行う請求項１０に記載の基板処理装置。
  12. 前記ガス貯留タンクは、成膜用の原料ガスを貯留する請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の基板処理装置。
  13. 容器にガス供給管を介して接続されたガス貯留タンクにガスを供給して貯留する工程と、
    該ガス貯留タンクに貯留された前記ガスが所定量に達したことを検出する工程と、
    前記容器に接続された排気管のコンダクタンスを一定にする工程と、
    前記容器内の圧力を検出する工程と、
    前記ガス供給管に設けられた制御バルブが、検出された前記容器内の圧力に基づいてバルブ開度を変化させ、前記ガス貯留タンクから前記容器に供給されるガスの流路面積を変化さることにより、前記容器内の圧力が所定の一定圧力となるように制御する工程と、を有するガスの供給方法。
  14. 前記ガス貯留タンクに接続された第２のガス供給管を介して前記ガスは前記ガス貯留タンクに供給され、
    前記第２のガス供給管に設けられた積算流量計により前記ガス貯留タンクに貯留された前記ガスが前記所定量に達したことを検出する請求項１３に記載のガスの供給方法。
  15. 前記制御バルブは、前記ガス貯留タンクに前記ガスを供給する工程では閉とされている請求項１３又は１４に記載のガスの供給方法。
  16. 前記ガス貯留タンクから前記容器に前記ガスを供給する時間は、前記ガス貯留タンクに貯留された前記所定量の前記ガスが、前記容器内において前記所定の一定圧力を維持可能な所定時間に設定されている請求項１５に記載のガスの供給方法。
  17. 前記制御バルブを閉にする前記ガス貯留タンクへの前記所定量の前記ガスの充填と、前記ガス貯留タンクから前記容器への前記ガスの供給とが、複数回繰り返される請求項１６に記載のガスの供給方法。
  18. 処理容器に基板を搬入する工程と、
    該処理容器に、請求項１３乃至１７のいずれか一項に記載されたガスの供給方法を用いて、基板を処理する処理ガスを供給する工程と、を有する基板処理方法。
  19. 処理容器に基板を搬入する工程と、
    該処理容器に、請求項１６に記載されたガスの供給方法を用いて、成膜用の原料ガスを供給する工程と、
    前記処理容器に、前記原料ガスと反応して反応生成物を生成可能な反応ガスを供給する工程と、
    前記処理容器に、前記原料ガス及び前記反応ガスをパージするパージガスを供給する工程と、を有する成膜方法。
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