JP2023034003A - 基板に成膜を行う装置及び基板に成膜を行う方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱部により加熱された載置台に基板を載置して成膜処理を行うにあたり、成膜処理の面内均一性を改善すること。【解決手段】 真空雰囲下で基板の表面に反応ガスを供給して成膜処理が行われる処理容器内に配置された昇降軸は、基板の載置台を下面から支持した状態で上下方向に伸びるように設けられ、処理容器に設けられた貫通口を通って外部の昇降機構に接続されている。ケーシングは昇降軸の周囲を覆い、蓋部材は隙間を介して昇降軸を囲むように配置される。ケーシングにパージガス供給部から供給されたパージガスが、前記隙間を介して処理容器へと流れ込んだ後、載置台の裏面へ向かう方向から逸れて流れるように案内する案内部材を設ける。これによりパージガスは載置台から逸れて流れるので、載置台の温度が面内において揃い、成膜処理の面内均一性が改善する。【選択図】 図３

Description

本開示は、基板に成膜を行う装置及び基板に成膜を行う方法に関する。

基板である例えば半導体ウエハ（以下、「ウエハ」と記載する）に成膜を行う手法として、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法や、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法が知られている。特許文献１には、基板処理チャンバ内に、基板を受容する受容面を備えたプレートに基板を設け、ＣＶＤ法により成膜処理を行う成膜装置が記載されている。また特許文献２には、処理容器内に配置された載置台上にウエハを載置して、ＡＬＤ法により成膜処理を行う成膜装置が記載されている。これらは、処理対象のウエハに対して１枚ずつ成膜を行う枚葉式の成膜装置である。

特表平９－５０９５３４号公報 国際公開第２０１４／１７８１６０号公報

本開示は、加熱部により加熱された載置台に基板を載置して成膜処理を行うにあたり、成膜処理の面内均一性を改善することができる技術を提供する。

本開示は、基板に成膜を行う装置であって、
真空雰囲下で基板の表面に反応ガスを供給して成膜処理が行われる処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、前記基板が載置されると共に、当該基板を加熱するための加熱部が設けられた載置台と、
前記載置台を下面側から支持した状態で上下方向に伸びるように設けられ、前記処理容器に設けられた貫通口を通って外部の昇降機構に接続された昇降軸と、
前記処理容器と、前記昇降機構との間に設けられ、前記昇降軸の周囲を覆うケーシングと、
前記昇降軸の側周面との間に隙間を介して当該昇降軸を囲むように配置され、その下方側空間と上方側空間との連通が前記隙間以外の部位においては阻止されるように全周に亘って前記処理容器に取り付けられた蓋部材と、
前記ケーシング内にパージガスを供給するパージガス供給部と、
前記処理容器内へ向けて開口する前記隙間の端部と対向する位置に配置され、前記ケーシングに供給された前記パージガスが、前記隙間を介して前記処理容器へと流れ込んだ後、前記載置台の裏面へ向かう方向から逸れて流れるように案内する案内面が形成された案内部材と、を備えたことを特徴とする。

本開示によれば、加熱部により加熱された載置台に基板を載置して成膜処理を行うにあたり、成膜処理の面内均一性を改善することができる。

本開示の基板に成膜を行う装置の一実施形態を示す縦断側面図である。 前記装置を構成する処理容器に設けられた蓋部材と案内部材等を示す分解斜視図である。 前記装置を構成する処理容器とベローズとの接続部における縦断側面図である。 案内部材の作用を示す縦断側面図である。 案内部材が設けられていない比較例の作用を示す縦断側面図である。 載置台に載置された基板の温度分布を示す平面図である。 案内部材の他の例を示す縦断側面図である。 案内部材のさらに他の例を示す縦断側面図である。

＜成膜装置＞
本開示の実施形態に係る、基板に成膜を行う装置（以下、「成膜装置」と記載する）の構成について、図１を参照して説明する。成膜装置１は、成膜対象であり、例えば直径が３００mmの円形のウエハ１０の表面に、真空雰囲気下で反応ガスを供給して成膜処理を行う装置として構成されている。
図１に示すように、成膜装置１は、例えばアルミニウム等の金属により構成され、平面形状が概ね円形の処理容器２を備えている。処理容器２の側面には、外部の図示しない真空搬送室との間でウエハ１０の受け渡しを行うための搬入出口２２が、ゲートバルブ２３により開閉自在に設けられている。

搬入出口２２よりも上方には、縦断面形状が角型の排気ダクト２４が、処理容器２の本体を構成する側壁２１１の上に積み重なるように設けられている。排気ダクト２４の内周面は、その周方向に沿って処理容器２内に向けてスリット状に開口しており、排気ダクト２４の外壁面には排気口２５が形成されている。この排気口２５には、排気路２６１を介して、真空ポンプや圧力調節バルブ等からなる排気機構２６が接続され、処理容器２内が真空雰囲気に設定されるように構成されている。排気ダクト２４の上面には、円形の開口を塞ぐように円板状の天板２７がＯリング２７２を介して設けられている。

＜載置台＞
処理容器２内の排気ダクト２４の内側の位置には、ウエハ１０が載置される載置台３が配置されている。載置台３は、ウエハ１０よりも一回り大きい円板からなり、例えばセラミックスや金属により構成されている。載置台３の内部には、ウエハ１０を加熱するための加熱部３１が埋設され、載置台３の側方には、載置台３の側周面を囲むカバー部材３２が設けられている。

また、カバー部材３２と、処理容器２の側壁２１１との間にはインナーリング３３が設けられ、これにより、処理容器２の内部が、載置台３の上方の空間１１と、載置台３の下方のボトムエリア１２とに区画される。これらカバー部材３２とインナーリング３３との間には、ボトムエリア１２内の雰囲気を排気ダクト２４に連通させるための通流路３４が形成されている。
載置台３の下方には、ウエハ１０の受け渡し時に、ウエハ１０を下面側から支持して持ち上げる複数の支持ピン２８が、昇降機構２８１により昇降自在に設けられている。図１中符号３５は、支持ピン２８用の貫通孔を指している。

＜昇降軸及び昇降機構＞
載置台３の下面中央には、処理容器２の底面を貫通し、上下方向に伸びる棒状の昇降軸４１が接続され、処理容器２の外部には、昇降軸４１を上下方向に移動させる昇降機構４が設けられている。昇降機構４は、処理容器２の下方に水平に配置され、昇降軸４１の下端が接続される昇降板４２と、シリンダロッド４３と、モーター４４とを備えている。こうして、載置台３は、昇降機構４により、ウエハ１０への成膜が行われる処理位置（図１に示す位置）と、この処理位置の下方であって、搬入出口２２を介して外部の図示しない搬送機構との間でウエハ１０の受け渡しを行う受け渡し位置との間で昇降自在に構成される。

＜貫通口及びケーシング＞
図１、図３に示すように、処理容器２の底面２１２には、昇降軸４１を通すための貫通口２０が形成されている。また、処理容器２と昇降機構４との間、例えば、貫通口２０の口縁と昇降板４２との間には、昇降機構４の周囲を覆うケーシングが設けられている。この例におけるケーシングは、処理容器２内の雰囲気を外部と区画し、昇降板４２の昇降動作に伴って伸び縮みするベローズ４５よりなり、このベローズ４５は昇降軸４１の周囲を側方から覆うように取り付けられている。

＜シャワーヘッド＞
処理容器２における天板２７の下面には、載置台３に載置されるウエハ１０と対向するように、シャワーヘッド５が配置されている。このシャワーヘッド５は、ガス拡散空間５１を備え、その下面には多数のガス吐出口５２が分散して形成されている。シャワーヘッド５には、天板２７に形成されたガス導入路２７１を介してガス供給系６からガスが供給される。また、シャワーヘッド５の外縁は下方に伸び、カバー部材３２との間に排気用の開口５３を形成すると共に、載置台３とシャワーヘッド５の間に処理空間１３を形成するように構成されている。こうして、載置台３の上面は処理空間１３、載置台３の下面はボトムエリア１２に、夫々晒されている。

＜ガス供給系＞
ガス供給系６について、ウエハ１０にタングステン膜（Ｗ膜）を成膜する場合を例にして説明する。この例の成膜装置１は、反応ガスとして、２種類のガスを交互に処理容器２に供給し、ＡＬＤ法によりＷ膜を成膜するように構成されている。反応ガスとしては、Ｗを含む原料ガスと、水素を含む還元性の反応ガス（還元ガス）を用いることができる。

原料ガスとしては、例えば五塩化タングステン（ＷＣｌ_５）ガスが用いられ、ＷＣｌ_５の供給源６１が原料ガス供給路６１１、ガス導入路２７１を介してシャワーヘッド５に接続されている。
還元ガスとしては、例えば水素ガス（Ｈ_２ガス）が用いられ、Ｈ_２ガスの供給源６２が反応ガス供給路６２１、ガス導入路２７１を介してシャワーヘッド５に接続されている。

原料ガス供給路６１１及び反応ガス供給路６２１には、夫々ガスの給断を行うバルブＶ１、Ｖ２と、ガス供給量の調整を行う流量調整部６１２、６２２と、貯留タンク６１３、６２３とが設けられている。ＷＣｌ_５ガス及びＨ_２ガスは、夫々貯留タンク６１３、６２３に一旦貯留され、これら貯留タンク６１３、６２３内にて所定の圧力に昇圧された後、処理容器２内に供給される。

また、原料ガス供給路６１１及び反応ガス供給路６２１は、夫々置換ガス供給路６３１、６４１を介して置換ガスの供給源６３、６４に接続されている。置換ガスとしては、窒素ガス（Ｎ_２ガス）やアルゴンガス（Ａrガス）等の不活性ガスを用いることができる。置換ガス供給路６３１、６４１は、夫々流量調整部６３２、６４２及びガス給断用のバルブＶ３、Ｖ４を備えている。

＜蓋部材＞
図１及び図３に示すように、貫通口２０には、昇降軸４１を囲むように蓋部材７１が配置されており、この蓋部材７１は、処理容器２と昇降軸４１との間に、貫通口２０を塞ぐように挿入されている。また、蓋部材７１とベローズ４５との間には筒状部材７２が配置され、さらに、処理容器２の底面２１２には、これら蓋部材７１、筒状部材７２を支持するリング部材７３が設けられている。

蓋部材７１は、処理容器２の底面２１２に設けられた貫通口２０と、昇降軸４１との間の空間を塞ぐ筒状の部材である。図２にも示すように、蓋部材７１の本体を成す円筒部材７１１の上端にはフランジ７１２が形成されており、蓋部材７１はこのフランジ７１２の下面をリング部材７３に係止させて貫通口２０と昇降軸４１との間に配置される。フランジ７１２の上面は、略水平に形成されている。

この例における蓋部材７１は、円筒部７１１の下部が、厚さ寸法の小さいスリーブ７１０として形成されている。円筒部７１１の内周面とスリーブ７１０の内周面は連続しており、これらにより蓋部材７１の内周面が形成される。
また、蓋部材７１の上面は、下方側から上方側へ向けて次第に開口径が大きくなるテーパー面７１３を有する凹部７１４を備えている。この凹部７１４は、蓋部材７１の中央に形成され、昇降軸４１から離れるにつれて開口径が大きくなり、開口の縁部７１５（テーパー面７１３の上縁）がフランジ７１２に接続されるように形成される。

図３に示すように、蓋部材７１は、昇降軸４１の側周面と蓋部材７１（円筒部７１１、スリーブ７１０）の内周面との間に、第１の隙間８１を形成するように配置されていることにより、昇降軸４１は蓋部材７１の内側を上下方向に移動自在に構成されている。
この蓋部材７１は、その下方側空間（ベローズ４５内の空間）と上方側空間（処理容器２内の空間）との連通が、前記第１の隙間８１以外の部位においては阻止されるように全周に亘って処理容器２に取り付けられている。

筒状部材７２は、円筒状の本体７２１の上端にフランジ７２２を設けた構造となっており、フランジ７２２をリング部材７３に係止させることにより、蓋部材７１と、ベローズ４５との間に配置される。図３に示すように、筒状部材７２は、蓋部材７１、筒状部材７２を所定位置に配置したとき、筒状部材７２の下端が蓋部材７１（スリーブ７１０）の下端よりも下方に位置する高さ寸法となっている。

リング部材７３は、処理容器２の底面２１２上の貫通口２０の周囲に配置、固定され、蓋部材７１及び筒状部材７２のフランジ７１２、７２２を係止させて、これら蓋部材７１及び筒状部材７２を支持するように構成されている。リング部材７３の上面側内周縁には、リング部材７３の上面と蓋部材７１のフランジ７１２の下面との間に、筒状部材７２のフランジ７２２を嵌め込んで固定するための段差７３１が形成されている。

＜パージガス供給部＞
また、成膜装置１は、図１及び図３に示すように、ベローズ４５内にパージガスを供給するパージガス供給部７４を備えている。リング部材７３の下面には、ベローズ４５の内側にパージガスである不活性ガス、例えばＮ_２ガスを供給するための図示しない溝部が形成されている。この溝部が形成されたリング部材７３を処理容器２の底面２１２上に固定することにより、これら溝部と処理容器２とで囲まれた空間がパージガス流路７４１となる。

パージガス流路７４１の基端側に設けられたポート部７４２は、処理容器２に形成されたパージガス供給路２１３に接続され、図１に示すようにこのパージガス供給路２１３は配管６５１を介してパージガス供給源６５に接続されている。この配管６５１にはガス給断用のバルブＶ５と流量調整部６５２とが設けられている。

パージガス流路７４１の末端には、リング部材７３の内周面に向けて開口する例えば４個のパージガス吐出孔７４３（図２参照）が設けられている。これらのパージガス吐出孔７４３は、リング部材７３の内周面の周方向に沿ってほぼ等間隔に配置される。
パージガス供給源６５やパージガス供給路２１３、パージガス流路７４１、パージガス吐出孔７４３等は、本実施の形態のパージガス供給部４を構成している。

パージガス供給部７４は、ベローズ４５を介して処理容器２のボトムエリア１２にパージガスを供給する。図３を参照して、ベローズ４５内のパージガスの流れを簡単に説明すると、パージガス吐出孔７４３からベローズ４５内に供給されたパージガスは、破線矢印にて示すように、筒状部材７２の外周面とベローズ４５の内周面との間に形成された隙間内を上から下へ向けて流れる。次いで、パージガスは筒状部材７２の下端に到達し、ベローズ４５の内側の空間内に広がると共に、昇降軸４１と蓋部材７１との間に形成された第１の隙間８１内に流入する。そして、第１の隙間８１内を上へ向けて通流して、後述するように処理容器２に流れ込み、ボトムエリア１２内に広がる。このようにボトムエリア１２にパージガスを供給することによって、シャワーヘッド５から供給された反応ガスが通流路３４を介してボトムエリア１２に侵入することを抑制し、載置台３の裏面への反応ガスの回り込みを抑えている。

＜案内部材＞
図１～図３に示すように、ボトムエリア１２における、蓋部材７１と載置台３との間には、パージガスの流れを案内する案内面を備えた案内部材９が設けられている。案内部材９は、処理容器２内へ向けて開口する第１の隙間８１の端部８１１と対向する位置に配置され、案内面は、パージガスを、載置台３の裏面へ向かう方向から逸れて流れるように案内する役割を果たしている。第１の隙間８１の端部８１１とは、図３に示すように、第１の隙間８１の上端であり、昇降軸４１の側周面と蓋部材７１の内周面との間に形成された環状の開口である。案内部材９は、この端部８１１の上方側の位置に配置されていることにより、当該端部８１１と対向した状態となる。

案内部材９は、図２に示すように、環状の部材により構成されている。この例では、環状の部材は厚みが揃った板状部材よりなり、その下面が案内面９１を成している。案内部材９の中央の開口部９２は、昇降軸４１を貫通させる領域を形成しており、案内部材９（開口部９２の内周面）は、昇降軸４１の側周面との間に形成される第２の隙間８２を介して、蓋部材７１の上方位置にて昇降軸４１を囲むように配置される。

また、案内部材９は、その内縁（開口部９２の内周面）が、蓋部材７１の内周面よりも昇降軸４１側に寄った位置に配置されている。従って、昇降軸４１の側周面と案内部材９の内縁との間に形成される第２の隙間８２の寸法Ｌ２（図４参照）は、昇降軸４１の側周面と蓋部材７１との間に形成される第１の隙間８１の寸法Ｌ１よりも小さくなるように形成されている。これによって、第１の隙間８１から上方に向かうパージガスは第２の隙間８２を通過する際の圧力損失が大きくなり、当該パージガスが載置台３の裏面に向かって流れることが抑制される。

例えば第２の隙間８２の寸法Ｌ２に対する、第１の隙間８１の寸法Ｌ１の比（Ｌ１／Ｌ２）は０.５～２.５の範囲内の値、好適には、１よりも大きく２.５以下の範囲内の値に設定されている。寸法Ｌ２を小さくし過ぎると、成膜装置１の組み立て時に、昇降軸４１の周方向に沿って均一な第２の隙間８２を形成する位置調節が難しくなる。一方、寸法Ｌ２を大きくし過ぎると、案内部材９の作用が働きにくく、第２の隙間８２を通過するパージガスの量が増加するおそれがある。但し、寸法Ｌ１、寸法Ｌ２は成膜処理の種別や成膜装置のサイズ、後述する第３の隙間の寸法Ｌ３を考慮して設定され、夫々の寸法の一例を挙げると、第１の隙間８１の寸法Ｌ１は１ｍｍ～５ｍｍ、第２の隙間８２の寸法Ｌ２は２ｍｍである。

また、案内部材９は、上面側から見て、蓋部材７１の凹部７１４の開口を覆うように設けられ、案内部材９の外縁は、凹部７１４の開口の縁部７１５よりも外方位置に配置されている。この例において、案内部材９の外縁近傍の領域は、凹部７１４の外方に形成されたフランジ７１２の上面と対向するように設けられる。こうして、案内部材９の下面（案内面）９１と、蓋部材７１の凹部７１４との間には、図３及び図４に示すように、縦断面形状が略三角形の環状の空間７１６が形成される。

さらに、案内部材９は、蓋部材７１の上面との間に、パージガスが通流する隙間（第３の隙間）８３を形成するように、蓋部材７１の上方位置に配置されている。この第３の隙間８３は、平面的に見て、案内部材９が蓋部材７１（フランジ７１２）と重なる位置にて、案内部材９の下面と蓋部材７１（フランジ７１２）の上面との間に形成される隙間である。第３の隙間８３の寸法Ｌ３は、前記第２の隙間の寸法Ｌ２よりも大きくなるように設定されている。こうして、パージガスは、第２の隙間８２よりも圧力損失の小さな第３の隙間８３を介して流れて行きやすくなる。この構成により、パージガスは、案内部材９の案内面９１に案内され、処理容器２の底面２１２に沿って横方向に向けて流れることになる。

例えば第２の隙間８２の寸法Ｌ２に対する、第３の隙間８３の寸法Ｌ３の比（Ｌ３／Ｌ２）は、１.５～３.５の範囲内の値に設定されている。この比は、パージガスの流量や成膜処理の種別等に応じて設定されるが、前記の範囲の上限を越えると、パージガスの流れ方向を規制する案内部材９の作用が弱まるおそれがある。一方、Ｌ３／Ｌ２の値が前記範囲の下限を下回ると、第２の隙間８２、第３の隙間８３を流れる際の圧力損失の差異が小さくなり、第２の隙間８２を介してボトムエリア１２に流れ込むパージガスの割合が増加する懸念がある。このため、Ｌ３／Ｌ２の値は、既述の範囲内の値に設定することが好ましい。夫々の寸法の一例を挙げると、第２の隙間８２の寸法Ｌ２は２ｍｍ、第３の隙間８３の寸法Ｌ３は５ｍｍである。また、第１、第２及び第３の隙間８１、８２、８３の寸法Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の関係を纏めると、Ｌ２＜Ｌ１＜Ｌ３となることが好ましい。

このような案内部材９は、図１及図２に示すように、案内部材９と蓋部材７１のフランジ７１２とが対向する領域において、例えば棒状の支持部材９３により蓋部材７１の上面に取り付けられている。例えば支持部材９３は複数個設けられており、蓋部材７１の周方向の複数箇所に、周方向に等間隔に配置されている。案内部材９の大きさや、第１の隙間８１、第２の隙間８２、第３の隙間８３の寸法Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、処理容器２やボトムエリア１２、載置台３や昇降軸４１の大きさ、成膜処理の種別等に応じて適宜設定される。

＜制御部＞
図１に示すように、成膜装置１を構成する各部の動作を制御する制御部１００を備えている。この制御部１００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、後述するＷ膜の成膜を行うために必要な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憶されている。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、不揮発性メモリ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。

＜成膜装置におけるＷ膜の成膜＞
続いて、以上に説明した構成を備えた成膜装置１を用いてＷ膜の成膜処理を行う方法について説明する。
先ず、予め処理容器２内を真空雰囲気に減圧した後、載置台３を受け渡し位置まで降下させ、図示しない外部の搬送機構と支持ピン２８との協働作業により、加熱部３１によって成膜温度に加熱された載置台３上にウエハ１０を載置する。反応ガスとしてＷＣl_５ガスとＨ_２ガスを用いたＷ膜の成膜処理では、成膜温度は約４５０℃前後の温度である。また、パージガス供給部７４からはベローズ４５内へ４．５リットル／分～２８リットル／分の範囲内の２８リットル／分の流量でパージガス（Ｎ_２ガス）を供給する。

載置台３上にウエハ１０が載置されると、ゲートバルブ２３を閉じ、載置台３を処理位置まで上昇させて処理空間１３を形成すると共に、処理容器２内の圧力調整を行う。
成膜装置１内は、排気機構２６により排気ダクト２４を介して排気されているので、処理空間１３内の雰囲気は、シャワーヘッド５とインナーリング３２との間に形成された開口５３を介して排気ダクト２４へ流入し、成膜装置１の外部に排気される。一方、成膜装置１内のボトムエリア１２の雰囲気も、排気機構２６の排気より、通流路３４を介して排気ダクト２４から排気される。

次いで、成膜温度まで加熱されたウエハ１０の表面に、ガス供給系６及びシャワーヘッド５を介してＷＣl_５ガス→Ｎ_２ガス→Ｈ_２ガス→Ｎ_２ガスの順に反応ガス（ＷＣl_５ガス、Ｈ_２ガス）と置換用のガス（Ｎ_２ガス）との供給を繰り返す。この結果、ウエハ１０に吸着した２種類の反応ガスが互いに反応してタングステンの分子層が形成され、この分子層が積層されてタングステン膜（Ｗ膜）が成膜される。
こうして、上述の反応ガスや置換ガスの供給サイクルを数十回～数百回程度繰り返し、目的の膜厚のＷ膜を成膜する。この後、ガスの供給を停止し、載置台３を受け渡し位置まで降下させ、ゲートバルブ２３を開いてウエハ１０を取り出す。

続いて、パージガスの流れについて説明する。パージガス吐出孔７４３からベローズ４５内に流れ込んだパージガスは、既述のように、ベローズ４５の内側の空間全体に広がると共に、昇降軸４１と蓋部材７１との間に形成された第１の隙間８１内に流入する。ここで、原料ガス中のＷＣl_５は拡散しやすい性質を持ち、通流路３４を介して排気ダクト２４へと流入するパージガスの流れに抗して、ＷＣl_５分子の一部が拡散によりボトムエリア１２内に進入してしまう場合がある。ボトムエリア１２に進入したＷＣl_５分子は、載置台３の裏面側で分解し、堆積物が形成されると、載置台３の熱容量が面内で不均一となり、加熱部３１によるウエハＷの均一な加熱が阻害されるおそれがある。ウエハＷの加熱温度が面内で不均一になると、Ｗ膜の膜厚の面内均一性も低下してしまうおそれがある。

そこで、本例の成膜装置１は、ＷＣl_５分子の拡散に伴う、載置台３の裏面への堆積物の形成を抑えるため、従来流量の６倍程度の２８リットル／分の比較的大流量でパージガスの供給を行う。このような大流量のパージガスは、隙間寸法Ｌ１の狭い第１の隙間８１内を上方（載置台３）に向けて大きな流速で勢いよく流れる。そしてパージガスは、第１の隙間８１の端部８１１から上方に向けて噴出するが、パージガスの噴出する位置には案内部材９が配置されている。このため、パージガスは案内部材９の下面（案内面）に衝突し、図４に破線の矢印にて示すように、案内部材９の案内面９１に沿って、横方向に流れの向きを変えて第３の隙間８３を通流していく。

ここで、昇降軸４１と案内部材９との間にも第２の隙間８２が形成されているが、第２の隙間８２の寸法Ｌ２は第３の隙間８３の寸法Ｌ３よりも小さく設定されている。また、第３の隙間８３の寸法Ｌ３は、第１の隙間８１の寸法Ｌ１、第２の隙間８２の寸法Ｌ２よりも大きくなるように形成されている。
従って、第２の隙間８２は第３の隙間８３よりも圧力損失が大きく、パージガスが流れにくい。このため、パージガスの大部分については第１の隙間８１から第３の隙間８３へ向かう流れが形成されやすい。この結果、パージガスは、載置台３の裏面へ向かう方向から逸れて横方向に進路を変え、処理容器２の底面２１２に沿ってボトムエリア１２に流れ込む。そして、パージガスは、ボトムエリア１２内において緩やかに流れ方向を変えながら、通流路３４を介し排気ダクト２４に向けて通流していく。なお、一部のパージガスが第２の隙間８２を通過したとしても、その流量はごく僅かであって、流れの勢いが弱められたものとなっている。

さらに、案内部材９の案内面９１に衝突したパージガスの一部は、案内部材９と凹部７１４との間に形成される空間７１６内に向けて流れ方向を変えて渦を形成する。渦を形成したパージガスは、凹部７１４のテーパー面７１３に沿って下向きに流れ、次いで、昇降軸４１の側周面に沿って上昇し、再び案内部材９に到達する。パージガスは、この渦の形成により、より一層流れの勢いが弱められ、流速が小さくなった状態でボトムエリア１２へ流れ込む。以上に説明した作用により、第３の隙間８３を通流するときのパージガスの流速は、第１の隙間８１を通流するときのパージガスの流速よりも小さく、ボトムエリア１２に流れ込むときの流速はさらに小さくなって行く。

本願の発明者らが、パージガスの供給流量を２８ｓｌｍに設定した場合について流体シミュレーションを行ったところ以下のようなパージガスの流れを確認した。即ち、パージガスは、第３の隙間８３端部から処理容器２の底面２１２に沿って、横方向にボトムエリア１２に流れ込む。しかる後、第３の隙間８３と比較して広い空間に進入したパージガスは、流速が低下すると共に緩やかに流れ方向を変え、既述の通流路３４へ流れて行くことが認められた。また、第３の隙間８３を通流するときの流速は、第１の隙間８１を通流するときの流速の１／５程度に減少しており、ボトムエリア１２内に拡散するときの流速は、さらに小さいことが確認された。

このように、パージガスが処理容器２のボトムエリア１２に流れ込んで行く際の流速は小さいが、パージガスは大流量で供給されているので、ボトムエリア１２はパージガスで満たされ、処理空間１３よりも圧力が上昇した状態となる。これにより、成膜処理の期間中、パージガスが狭い通流路３４を通過する際の流速を上げ、ＷＣｌ_５が通流路３４を介してボトムエリア１２に進入することを抑制できる。従って、載置台３の裏面への反応ガスの回り込みが抑えられ、載置台３の裏面への堆積物の形成が抑制される。

上述の実施形態によれば、ベローズ４５内に供給されたパージガスが、昇降軸４１と蓋部材７１との間に形成された第１の隙間８１を介して、処理容器２内に流れ込んだ後、案内部材９により載置台３の裏面へ向かう方向から逸れて流れるように案内される。

このため、第１の隙間８１から噴出したパージガスが昇降軸４１に沿って上方に流れ、載置台３の裏面に衝突することが抑制される。これにより、パージガスが衝突した位置にて載置台３の温度が低下することが抑制され、載置台３の加熱状態の面内均一性の低下を抑えることができる。この結果、載置台３に載置されたウエハ１０は、加熱部３１により面内において良好な均一性を持って加熱されるので、成膜処理の面内均一性が維持され、ウエハＷに形成されるＷ膜の膜厚や膜質の面内均一性も良好となる。

ここで、比較形態として、案内部材９を備えない構成について、図５を参照して説明する。この場合には、大流量のパージガスが、隙間寸法Ｌ１の狭い第１の隙間８１を高速で流れた後、破線にて示すように、第１の隙間８１の端部８１１から上方に向けて勢いよく噴出する。そして、噴出したパージガスは、高い流速を維持したまま、載置台３の裏面に到達するため、載置台３の裏面では、その一部領域に集中してパージガスが衝突する状態となる。パージガスは載置台３に比べて温度が低いため、パージガスが衝突した領域では、パージガスにより熱が奪われて温度が低下する。このため、載置台３の面内において局所的に温度が低い領域が形成され、載置台３の過熱状態の面内均一性が悪化する。この結果、ウエハ１０の面内の温度分布にばらつきが発生し、成膜処理が面内において不均一に進行することになる。

半導体デバイスの微細化に伴い、アスペクト比の高い凹部に膜を埋め込むため、反応ガスの流量を増加する傾向がある。この場合、載置台３の裏面への反応ガス分子の回り込みを抑制するために、処理容器２のボトムエリア１２に供給されるパージガスの供給流量を従来の流量から６～７倍程度増量することが行われる。既述のように反応ガス分子の回り込みによって載置台３の裏面に堆積物が形成されると、載置台３の加熱むら生じ、載置台３の温度の面内均一性が悪化するためである。しかしながら、図５を用いて説明したように、何らの対策も講じずにパージガスの流量を増加すると、パージガスによって載置台３の温度の面内均一性が低下するという問題が顕在化する。

また、載置台３の裏面への堆積物の形成の影響を受けるほど、精密な温度調節が必要な成膜処理においては、ウエハ１０のわずかな温度変化が膜厚や膜質に与える影響が大きい。このため、成膜処理の面内均一性を維持するために、ウエハ温度について高い面内均一性が要求される処理もある。従って、昇降軸４１と蓋部材７１との隙間（第１の隙間８１）を介してパージガスを供給する構成において、パージガスの流量を増加しつつ、載置台３の温度について高い面内均一性を確保できる技術は、成膜処理の面内均一性を改善するために有効である。

この点、図１～図４を用いて説明した成膜装置１の構成では、パージガスが、第３の隙間８３から横方向に、低速でボトムエリア１２内に流れ込むようにすることができる。このため、大流量のパージガスを供給する場合であっても、パージガスが高速で載置台３に衝突する流れの形成を抑制し、載置台３の加熱状態の面内均一性を維持することができる。

また、成膜装置２を構成する部材は、公差の範囲内で加工誤差を有していることから、昇降軸４１と蓋部材７１との間に形成される第１の隙間８１の寸法Ｌ１が周方向に揃わない場合もある。この場合に、不均一な第１の隙間８１から噴出したパージガスが載置台３の裏面に衝突すると、当該パージガスが衝突する領域を周方向に沿って見ても、パージガスの衝突量の不均一が生じる。この結果、載置台３の加熱状態の面内均一性がさらに低下してしまう。

この点、本開示の成膜装置１では、案内部材９を設けることにより、第１の隙間８１から噴出したパージガスが載置台３の裏面に衝突することが避けられる。このため、寸法Ｌ１が周方向に不均一に形成されていたとしても、第１の隙間８１からパージガスが不均一に噴出することが、載置台３の温度の面内均一性に影響を与えるおそれは小さい。

＜評価試験＞
続いて、載置台温度の評価について図６を参照して説明する。図１に示す成膜装置１において、処理容器２内にパージガス供給部７４からパージガスであるＮ_２ガスを２８ｓｌｍの流量で供給した。また、加熱部３１により４４０℃に加熱された載置台３に対し、温度検出機能を備えたウエハを載置して、ウエハ温度の検出を行った。温度検出機能を備えたウエハでは、ウエハ面内の１２１箇所の温度が検出できる構成となっている。案内部材９は図１～図３を用いて説明した構成とし、第１の隙間８１の寸法Ｌ１は２ｍｍ、第２の隙間８２の寸法Ｌ２は２ｍｍ、第３の隙間８３の寸法Ｌ３は５ｍｍ、処理容器２内の圧力は４５Ｐａとした（実施例）。また、案内部材９を備えない構成においても同様の評価を行なった（比較例）。

実施例の結果を図６（ａ）、比較例の結果を図６（ｂ）に夫々示す。実際の測定結果は、ウエハの異なる温度範囲に異なる色彩を割り当てたカラー画像となっているが、図６には当該から画像をグレースケール変換した結果を示してある。同図中には、最も温度が高い高温領域１０１と、最も温度が低い低温領域１０２とに各々符号を付してある。

図６（ａ）の実施例の結果を見ると、ウエハの中心は低温領域１０１、周縁は高温領域１０２となっており、ウエハの面内温度はほぼ同心円状に同じ温度が変化し、温度のばらつきが小さいことが認められた。成膜処理では、ウエハの温度分布は同心円状となることが好ましいため、成膜処理に適した温度分布が形成されることが確認された。
一方、図６（ｂ）の比較例の結果からは、局所的に高温領域１０１と、低温領域１０２とが存在し、同心円状の温度分布にはならず、周方向に沿って不均一な温度分布が形成されている。また、ウエハ面内における温度差も大きい。

実施例及び比較例の結果から、案内部材９の有無により、ウエハの面内温度の均一性が大きく異なり、案内部材９を設けることにより、ウエハの面内温度の均一性が改善できることが理解される。また、図６（ｂ）の結果では、局所的に低温領域１０２が存在するため、パージガスが到達した載置台３の裏面では温度が低下し、載置台温度がそのままウエハに反映されることが認められた。さらに、図６（ｂ）の結果を見ると、低温領域１０２がウエハ１０の片側に集中していることが分かる。既述のように、昇降軸４１と蓋部材７１との取り付けの公差により、パージガスの吹き出し量が周方向に不均一になり、これが載置台温度を介してウエハの温度に反映され、ウエハに偏った温度分布が形成されるものと推察される。

一方、同じ成膜装置１にて、案内部材９を設けた構成では、図６（ａ）に示すように、ウエハ温度の面内均一性は改善されている。このことから、案内部材９を設けることによって、仮に昇降軸４１と蓋部材７１との取り付けの公差により、パージガスの吹き出し量が周方向に不均一になる場合でも、載置台温度へ影響を与えるおそれが小さいことが理解される。

また、実施例及び比較例について、パージガスの流体シミュレーションを行なった。これらのシミュレーション結果は、図４、図５を用いて説明したパージガスの流れと同様であった。即ち、実施例の構成では、第３の隙間８３を流れるパージガスの流速は小さく、ボトムエリア１２ではその流速がさらに低下して、載置台３の裏面におけるパージガスの流速は０．３ｍ／ｓ程度であった。一方、比較例の構成では、第１の隙間８１を介して、載置台３に向けて大きな流速でパージガスが噴出するため、載置台３の裏面に衝突するパージガスの流速は最大で６ｍ／ｓ程度であった。このように、流体シミュレーションの結果からも、案内部材９を設けることで、載置台３の裏面近傍のパージガスの流速が小さくなり、載置台３の温度へほとんど影響を与えないことが認められる。

さらに、実施例の構成及び比較例の構成において、載置台３にウエハ１０を載置し、反応ガスとしてＷＣl_５ガス及びＨ_２ガス、置換ガスとしてＮ_２ガスを用い、上述の手法でＷ膜を成膜し、膜厚の面内均一性を求めた。夫々複数枚のウエハに対して成膜を行い、その平均膜厚は２９Åとした。その結果、実施例の膜厚の面内均一性は３.６％であるのに対し、比較例は４.５％であり、実施例の構成によって膜厚の面内均一性が改善されることが認められた。また、載置台３裏面に対しての成膜は目視では認められず、ボトムエリア１２へのパージガスの供給により、反応ガスの載置台３裏面への回り込みが抑制されることが確認された。
実施例は、第１の隙間８１と第２の隙間８２を同じ寸法に設定したが、比較例に比べて、ウエハの面内温度や膜厚の面内均一性が改善されている。従って、第１の隙間８１の寸法Ｌ１を第２の隙間８２の寸法Ｌ２よりも小さく設定する場合には、ウエハの面内温度や膜厚の面内均一性のさらなる改善を見込むことができる。

以上に説明した実施形態において、案内部材の案内面は、必ずしも蓋部材７１のフランジと対向するように配置する必要はない。例えば図７及図８に示すように、環状の板状部材により構成された案内部材９４、９５を蓋部材７１に対して傾斜するように配置してもよい。図７に示す例は、案内部材９４の内縁よりも外縁の高さ位置が高くなるように配置した例である。また、図８に示す例は、案内部材９５の内縁よりも外縁の高さ位置が低くなるように配置した例である。これらの場合には、案内部材９４、９５の下面と蓋部材７１の上面との最も接近した部位の寸法が第３の隙間の寸法Ｌ３となる。このように案内部材９４、９５を配置しても、第１の隙間８１を介して処理容器２に流れ込んだパージガスは、図中に破線にて示すように、案内部材９４、９５の案内面により、載置台３の裏面に向かう方向から逸れて流れるように案内される。

また、案内部材は、必ずしも環状の部材には限らない。小片状の部材を昇降軸４１の周囲を囲むように、蓋部材７１の上方位置に並べて配置し、それらの裏面の集合により案内面を構成するようにしてもよい。小片状の部材同士の隙間を小さくすることにより、圧力損失を大きくし、これらの隙間を介して載置台３へ向かうパージガスの流れの勢いを低減して、パージガスの流れを側方に案内することができるからである。

さらに、案内部材を環状の部材により構成する場合には、案内部材を板状に形成する必要はなく、厚みが径方向に変化する部材であってもよいし、案内部材の下面に形成される案内面は曲面であってもよい。また、案内部材の外縁が、蓋部材７１の凹部７１４の開口の縁部７１５よりも内方位置に配置される構成であってもよい。これらの場合においても、案内部材の下面と、蓋部材７１の上面との間に形成される第３の隙間において、最も両者が接近した部位の寸法が第３の隙間の寸法Ｌ３となる。これらの案内部材では、パージガスの流れ方向を載置台３の裏面へ向かう方向から逸れて流れるように案内することができるので、結果として載置台３の温度の高い面内均一性を確保し、成膜処理の面内均一性を改善することができる。

さらに、ケーシングはベローズ４５には限定されず、例えば昇降機構４全体を囲む筐体により構成してもよい。さらにまた、蓋部材７１の上面には、必ずしも凹部７１４を形成する必要はない。また、凹部７１４を形成する場合であっても、上述の構成のテーパー面７１３を有する凹部７１４であることには限定されず、例えば縦断面が矩形状の切り欠きであってもよい。

さらにまた、成膜装置に反応ガスを供給する構成はシャワーヘッドに限らず、単一の開口であってもよい。このほか、成膜装置において、ウエハの表面に成膜を行う手法は、ＡＬＤ法に限られるものではない。ＣＶＤ法を実行する成膜装置にも本発明は適用することができる。ＣＶＤやＡＬＤの実施に当たっては、反応ガスの活性化手段としてプラズマを用いてもよい。

また、上述の成膜装置１にてＷ膜を成膜する場合、原料ガスとしては、ＷＣｌ_５ガス以外に六塩化タングステン（ＷＣｌ_６）ガスを用いることができ、還元ガスとしては、Ｈ_２ガス以外にモノシラン（ＳｉＨ_４）ガス、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）ガス、アンモニア（ＮＨ_３）ガス、ホスフィン（ＰＨ_３）ガス、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）ガスを用いることができる。

今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

１ 成膜装置
１０ 半導体ウエハ
２ 処理容器
２０ 貫通口
３ 載置台
３１ 加熱部
４ 昇降機構
４１ 昇降軸
４５ ベローズ
７１ 蓋部材
７４ パージガス供給部
８１ 隙間（第１の隙間）
９ 案内部材
９１ 案内面

Claims (8)

1. 基板に成膜を行う装置であって、
   真空雰囲下で基板の表面に反応ガスを供給して成膜処理が行われる処理容器と、
   前記処理容器内に設けられ、前記基板が載置されると共に、当該基板を加熱するための加熱部が設けられた載置台と、
   前記載置台を下面側から支持した状態で上下方向に伸びるように設けられ、前記処理容器に設けられた貫通口を通って外部の昇降機構に接続された昇降軸と、
   前記処理容器と、前記昇降機構との間に設けられ、前記昇降軸の周囲を覆うケーシングと、
   前記昇降軸の側周面との間に隙間を介して当該昇降軸を囲むように配置され、その下方側空間と上方側空間との連通が前記隙間以外の部位においては阻止されるように全周に亘って前記処理容器に取り付けられた蓋部材と、
   前記ケーシング内にパージガスを供給するパージガス供給部と、
   前記処理容器内へ向けて開口する前記隙間の端部と対向する位置に配置され、前記ケーシングに供給された前記パージガスが、前記隙間を介して前記処理容器へと流れ込んだ後、前記載置台の裏面へ向かう方向から逸れて流れるように案内する案内面が形成された案内部材と、を備えた、装置。
2. 前記昇降軸の側周面と前記蓋部材との間の前記隙間を第１の隙間と呼ぶとき、
   前記案内部材は、前記昇降軸の側周面との間に形成される隙間である第２の隙間を介して当該昇降軸を囲むように配置されると共に、前記第２の隙間の寸法が、前記第１の隙間の寸法よりも小さくなるように形成された環状の部材である、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の隙間の寸法に対する、前記第１の隙間の寸法の比が１よりも大きく２.５以下の範囲内の値である、請求項２に記載の装置。
4. 前記案内部材は、前記案内面と、前記蓋部材の上面との間に形成される隙間である第３の隙間を介して当該蓋部材の上方位置に配置されると共に、前記第３の隙間の寸法が、前記第２の隙間の寸法よりも大きくなるように配置されている、請求項２または３に記載の装置。
5. 前記第２の隙間の寸法に対する、前記第３の隙間の寸法の比が１．５～３．５の範囲内の値である、請求項４に記載の装置。
6. 前記蓋部材の上面には、下方側から上方側へ向けて次第に開口径が大きくなるテーパー面を有する凹部が形成され、前記案内部材は、上面側から見てこの凹部の開口を覆うように配置されていることにより、前記案内部材と前記凹部との間に形成される空間内に、前記パージガスの渦を形成する、請求項１ないし５のいずれか一つに記載の装置。
7. 前記案内部材の外縁は、前記凹部の開口の縁部よりも外方位置に配置されている、請求項６に記載の装置。
8. 基板に成膜を行う方法であって、
   真空雰囲下で基板の表面に反応ガスを供給して成膜処理が行われる処理容器と、
   前記処理容器内に設けられ、前記基板が載置されると共に、当該基板を加熱するための加熱部が設けられた載置台と、
   前記載置台を下面側から支持した状態で上下方向に伸びるように設けられ、前記処理容器に設けられた貫通口を通って外部の昇降機構に接続された昇降軸と、
   前記処理容器と、前記昇降機構との間に設けられ、前記昇降軸の周囲を覆うケーシングと、
   前記昇降軸の側周面との間に隙間を介して当該昇降軸を囲むように配置され、その下方側空間と上方側空間との連通が前記隙間以外の部位においては阻止されるように全周に亘って前記処理容器に取り付けられた蓋部材と、
   前記処理容器内へ向けて開口する前記隙間の端部と対向する位置に配置され、気体の流れ方向を案内するための案内面が形成された案内部材と、を備えた装置を用い、
   前記載置台に載置された基板を加熱する工程と、
   前記基板の加熱が行われている期間中、前記ケーシング内にパージガスを供給する工程と、
   前記ケーシングに供給された前記パージガスが、前記隙間を介して前記処理容器へと流れ込んだ後、前記載置台の裏面へ向かう方向から逸れて流れるように、前記案内部材の案内面により前記パージガスの流れを案内する工程と、を含む方法。

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