JP4044810B2

JP4044810B2 - 表面処理用ガス供給装置

Info

Publication number: JP4044810B2
Application number: JP2002249105A
Authority: JP
Inventors: 光秀野上; 聡真弓
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2004087952A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体基板等の表面処理に用いる原料ガスを処理装置へ供給するガス供給装置に関し、特に、常圧下でグロー放電によりプラズマを生成して被処理物に吹き付け、ＣＶＤ、洗浄、アッシング、エッチング等の表面処理を行なうシステムにおいて、液体の第１原料を気化させるとともに第２原料ガスと混合して供給するのに適した装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板のプラズマ表面処理の一例として、液体の第１原料を気化させ、更に他の第２原料ガスと混合する等して、プラズマ処理装置へ供給するものがある。この処理装置のプラズマ化空間が減圧されている場合には、気化後の再液化等の問題があまり無く、原料供給の装置構成が比較的容易である。一方、減圧設備を要し、コストもかさむため、近年、そのような設備が不要な常圧下でプラズマ処理する装置が種々開発されている。かかる常圧の処理装置では、液体原料の供給量等の精度を確保するのが難しく、改善の余地が残されている。
【０００３】
ところで、表面処理用の液体原料供給手段として、液体原料を微粒化させて噴霧する所謂液体噴霧方式（特開２０００−１９９０６６号公報等参照）や、液体原料中にガスを注入して泡立たせ、液体原料を気泡中に蒸発させて飽和蒸気を作る所謂バブリング方式（特開平４−２６１０２０号公報、特開平４−１４８２７号公報等参照）や、液体原料を液体マスフローコントローラー（以下「ＭＦＣ」という。）で計量後、気化器で気化させる所謂液体計量方式等が知られている。しかし、液体噴霧方式は、微粒とは言ってもガス状態に比べると粒径が大きく、噴霧濃度のばらつきも大きいので、高精度プロセスには不向きである。バブリング方式は、原料の温度、圧力、液面高さ、気泡の径などの細かい条件で蒸発量が変わり、管理が難しい。液体計量方式は、液体の小さな計量誤差が気化されると１０００倍もの大きな誤差となる。また、計量した液体を１００％気化させることを要する。
【０００４】
以上の各方式に対して、所謂直接気化方式は、高精度が期待でき、常温プラズマ処理装置の原料供給手段として適していると考えられる。この方式では、液体の第１原料を気化させた後、気体ＭＦＣで計量し、別途、第２原料ガスを他の気体ＭＦＣで計量し、これら計量後の第１、第２原料を混合して処理装置へ導入する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の直接気化方式では、気化後の第１原料を通す管の外周にリボンヒータを巻き付けて加熱している。しかし、リボンヒータの巻きむらがあると、その部分の管内周面に第１原料が結露（再液化）し、混合割合や流量等の供給精度を確保できなくなってしまう。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、所謂直接気化方式において、常圧プラズマ等の表面処理装置への処理用混合ガスの供給精度を確実に高く維持することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明に係る表面処理用ガス供給装置は、容器状の装置本体と、気化されるべき液相の第１原料を溜めたタンクと、このタンクから気化した第１原料ガスを計量して所望流量にする第１計量手段と、この第１計量手段から延びる第１原料ガス路と、第２原料源からの第２原料ガスを計量して所望流量にする第２計量手段と、この第２計量手段から延び、上記第１原料ガス路と合流される第２原料ガス路と、これら原料ガス路の合流部から表面処理装置へ延びる混合ガス路とを備え、上記タンク、及び上記第１計量手段、並びに上記第１原料ガス路の上記合流部を含む全長域が、上記装置本体に収容され、この装置本体の内部が、上記第１原料の気化温度より高温に保持されていることを特徴とする。これによって、計量後の第１原料ガスが第２原料ガスと合流する前に再液化（結露）するのを確実に防止でき、ひいては表面処理装置への処理用混合ガスの供給精度を確実に高く維持することができ、高精度な表面処理を行なうことができる。
【０００７】
上記第１、第２計量手段によって、上記第１原料ガス路と第２原料ガス路の流量比がこれらの流路断面積比と略等しくなるように調節されていることが望ましい。これによって、第１原料ガス路における第１原料ガスの流速と、第２原料ガス路における第２原料ガスの流速を互いに等しくすることができ、ひいては第１、第２原料ガスどうしを安定的に混合させることができる。
【０００８】
上記合流部において、上記第１原料ガス路と第２原料ガス路の一方の下流端が、他方の路の内部に該他方の路と同軸をなして、しかも該他方の路の下流方向へ開口するようにして収容され、他方の路に上記混合ガス路がストレートに連なっていることが望ましい。これによって、一方のガスを他方のガスに均一に、しかもスムーズに混合でき、合流部の辺りで一方のガスが滞留しないようにすることができ、滞留による再液化を確実に防止することができる。ひいては、混合ガスの供給精度を一層確実に確保することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るプラズマ表面処理システムＳ１を示したものである。システムＳ１は、常圧プラズマ表面処理装置１０と、この処理装置１０へのガス供給装置２０とを備えている。処理装置１０には、常圧環境下において半導体基板Ｗ（被処理物）と対向されるノズルヘッド１１が設けられている。このノズルヘッド１１内の一対の電極（図示せず）間に、上記供給装置２０からの表面処理用ガスが導入されるとともに、電極間に例えばパルス状の電界が印加されて、上記導入ガスがグロー放電によりプラズマ化される。このプラズマ流が、半導体基板Ｗに吹付けられ、エッチング等の表面処理が施されるようになっている。
【００１０】
表面処理用ガス供給装置２０について説明する。
ガス供給装置２０は、装置本体としての恒温槽２１（気化器）と、この恒温槽２１内に収容された貯水タンク２２（第１原料タンク）及び水蒸気ＭＦＣ２３（第１計量手段）と、恒温槽２１の外部に配置されたプロセスガスタンク３０（第２原料源）及びプロセスガスＭＦＣ３１（第２計量手段）とを備えている。
【００１１】
槽２１外のタンク３０には、プロセスガス（第２原料ガス）として例えばＣＦ₄が貯留されている。タンク３０は、ＭＦＣ３１の入口ポートに連なっている。ＭＦＣ３１は、タンク３０からのＣＦ₄ガスの質量を計量し、所望流量にする。ＭＦＣ３１の出口ポートは、槽２１の外面に配されたインレットポート２１_INに連ねられている。槽２１の内部には、インレットポート２１_INから延びるプロセスガス管２６（第２原料ガス路）が配管されている。プロセスガス管２６には、エアコントロールバルブＶ₂₆が設けられている。
【００１２】
恒温槽２１では、水が気化されて上記プロセスガスに添加、混合され、表面処理用の混合ガスが作られるようになっている。詳述すると、恒温槽２１は、外部から断熱されるとともに、槽内ヒータ４０（槽内加温手段）が組み込まれている。これによって、槽２１の内部全体が、一定の温度に保たれている。この温度は、水の常圧下での気化温度より高くなるように（例えば１１０℃に）設定されている。
【００１３】
槽２１内のタンク２２には、例えば電気伝導率０．１μＳ／ｃｍの純水（液相の第１原料）が貯えられている。水面より上側のタンク２２内には、水から蒸発した水蒸気（第１原料ガス）のみが存在し、空気等の不純ガスは殆ど含まれていない。槽２１内において、タンク２２の上端部からＭＦＣ２３へ向けて計量前水蒸気管２４が延びている。水蒸気管２４には、２つのエアコントロールバルブＶ₂₄₁，Ｖ₂₄₂が上流側から順次設けられている。各バルブＶ₂₄₁，Ｖ₂₄₂には、リボンヒータ４１，４２（バルブ加温手段）が巻き付けられている。これらバルブＶ₂₄₁，Ｖ₂₄₂の間の水蒸気管２４から排出管２９が延び、槽２１の外面に配された排出ポート２１_EXに連なっている。排出管２９には、エアコントロールバルブＶ₂₉が設けられている。水蒸気管２４と排出管２９との接合部には、圧力センサＰ₁が設けられている。槽２１の外面には、パージポート２１_PGが設けられ、このパージポート２１_PGから延びるパージ管２８が、バルブＶ₂₄₂より下流側の水蒸気管２４に連なっている。パージ管２８には、エアコントロールバルブＶ₂₈が設けられている。
【００１４】
水蒸気管２４の下流端は、ＭＦＣ２３の入口ポートに連なっている。ＭＦＣ２３は、水蒸気管２４ひいてはタンク２２からの水蒸気の質量を計量し、所望流量にする。ＭＦＣ２３の出口ポートから計量後水蒸気管２５（第１原料ガス路）が延びている。水蒸気管２５の下流端は、上記プロセスガス管２６と合流している。この合流部を含む水蒸気管２５の全長域が、恒温槽２１の内部に収容されている。
水蒸気管２５には、エアコントロールバルブＶ₂₅が設けられている。バルブＶ₂₅には、リボンヒータ４３（バルブ加温手段）が巻き付けられている。
【００１５】
槽２１内において、上記合流部から混合ガス管２７（混合ガス路）が延びている。混合ガス管２７は、槽２１の外面に配されたアウトレットポート２１_OUTに連なっている。このアウトレットポート２１_OUTからガス導入管１３が延び、上記ノズルヘッド１１の電極間のプラズマ化空間に連なっている。
【００１６】
上記プロセスガス管２６と水蒸気管２５との合流構造を更に詳述する。図２に示すように、プロセスガス管２６と混合ガス管２７とは、１本の共通のガス管２０Ｘで構成されている。この共通ガス管２０Ｘのストレートな中途部に、上記水蒸気管２５の下流端部が接合されている。この接合部を境にして、それより上流側のガス管２０Ｘがプロセスガス管２６として提供され、下流側のガス管２０Ｘが混合ガス管２７として提供されている。
【００１７】
水蒸気管２５は、共通ガス管２０Ｘより細くなっている。すなわち、水蒸気管２５の流路断面積をＡ₂₅とし、プロセスガス管２６の流路断面積（＝混合ガス路の流路断面積）をＡ₂₆とすると、Ａ₂₅＜Ａ₂₆になっている。水蒸気管２５は、共通ガス管２０Ｘの管壁を貫通して、管２０Ｘ内に入り込むとともに、管２０Ｘの管軸Ｌ_20X上においてＬ字状に折り曲げられている。これにより、細い蒸気管２５の下流端が、太い共通ガス管２０Ｘと同軸をなして、下流の混合ガス管２７の側へ向けて開口されている。
【００１８】
上記のように構成された表面処理用ガス供給装置２０の動作について説明する。
予め、窒素ガス等のパージガスをパージポート２１_PGから送り込むことにより、管２４，２５等の内部をパージする。更に、排出ポート２１_EXに真空ポンプを接続して、水面より上側のタンク２２内や管２４，２５内の不明ガスを吸引、排気する。
【００１９】
そのうえで、槽内ヒータ４０をオンすることによって、恒温槽２１内を水の気化温度より高い所望温度（例えば１１０℃）まで加温していく。これによって、貯水タンク２２及びその内部の純水も加温されていく。この加温過程では、バルブＶ₂₄₁，Ｖ₂₉を開く一方、バルブＶ₂₄₂を閉じておく。これによって、貯水タンク２２内は、常圧に保たれる。また、リボンヒータ４１〜４３をオンし、蒸気管２４，２５のバルブＶ₂₄₁，Ｖ₂₄₂，Ｖ₂₅を上記槽２１内より高い所望温度（例えば１２０℃）まで個別的に加温していく。
【００２０】
恒温槽２１内ひいては貯水タンク２２が所望の１１０℃で平衡に達した時、タンク２２内の水は、１００℃になっている。これによって、水が蒸発、気化し、水面より上側のタンク２２内が飽和水蒸気で満たされる。ここで、蒸気管２４，２５のバルブＶ₂₄₁，Ｖ₂₄₂，Ｖ₂₅を開く。(バルブＶ₂₈，Ｖ₂₉は閉にする。）これにより、飽和水蒸気が、タンク２２から計量前蒸気管２４を通ってＭＦＣ２３へ送られていく。この時、蒸気管２４も１１０℃まで加温されているので、水蒸気が蒸気管２４の内周面に結露（再液化）することはない。更に、バルブＶ₂₄₁，Ｖ₂₄₂は、より高温の１２０℃に加温されているので、水蒸気がこれらバルブＶ₂₄₁，Ｖ₂₄₂内で結露するのを確実に防止できる。
【００２１】
併行して、プロセスガス管２６のバルブＶ₂₆を開くとともに、槽２１外のタンク３０からＣＦ₄ガスをＭＦＣ３１へ送る。
こうして飽和水蒸気又はＣＦ₄ガスを受け入れた２つのＭＦＣ２３，３１は、互いに協働して、次式が満たされるように各々からの送出流量を調節する。
Ｑ₂₅：Ｑ₂₆＝Ａ₂₅：Ａ₂₆ …（式１）
ここで、Ｑ₂₅は、ＭＦＣ２３から蒸気管２５へ送出される水蒸気の流量であり、Ｑ₂₆は、ＭＦＣ３１からインレットポート２１_INひいてはプロセスガス管２６へ送出されるＣＦ₄ガスの流量である。勿論、水蒸気流量Ｑ₂₅は、水蒸気ＭＦＣ２３によって調節され、ＣＦ₄ガスＱ₂₆は、プロセスガスＭＦＣ３１によって調節される。Ａ₂₅及びＡ₂₆は、上述した通り、各管２５，２６の流路断面積である。これによって、蒸気管２５における飽和水蒸気の流速と、プロセスガス管２６におけるＣＦ₄ガスの流速を互いに等しくすることができる。
【００２２】
ここで、蒸気管２５は、その全長にわたって１１０℃の高温に保たれているので、水蒸気が蒸気管２５の内周面に結露することはない。これによって、蒸気管２５を通過中の水蒸気の流量をＭＦＣ２３で計量した正確な値に維持することができる。更に、バルブＶ₂₅は、より高温の１２０℃に加温されているので、水蒸気がバルブＶ₂₅内で結露することはなく、水蒸気の流量を正確な値に一層確実に維持することができる。
この結果、管２５，２６どうしの合流部において、プロセスガス管２６からのＣＦ₄ガスに蒸気管２５からの水蒸気を正確な分量で添加、混合することができる。
【００２３】
しかも、上述したように、これらＣＦ₄ガス及び水蒸気は互いに等速になるように調節されているので、安定的に混合させることができる。また、蒸気管２５の下流端が、共通ガス管２０Ｘ内に同軸をなして収容されているので、水蒸気を均一に混合することができる。更に、蒸気管２５の下流端開口が、下流側の混合ガス管２７を向いているので、エジェクト効果によって、水蒸気の流速φ₁を混合ガス管２７のＣＦ₄ガスの流束φ₂内に吸い込まれるようにしてスムーズに溶け込ませることができる。これによって、合流部の辺りで水蒸気が局所的に滞留しないようにすることができ、滞留による水蒸気の結露を確実に防止することができる。
この結果、極めて高精度な混合比や流量の表面処理用混合ガスを確実に得ることができる。ひいては、この混合ガスを導入管１３を介して処理装置１０のノズルヘッド１１へ供給することにより、表面処理を高精度に行なうことができる。なお、混合ガス中の水蒸気は分圧が小さいので、導入管１３内で結露することはない。
表面処理用ガス供給装置２０では、貯水タンク２２での気化用の加温手段と蒸気管２４，２５での結露防止用の加温手段とが、共通のヒータ４０で構成されているので、部品点数の削減及び構成の簡素化を図ることできる。
【００２４】
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の改変が可能である。
例えば、上記実施形態では、第１原料ガス路（管２５）の下流端が第２原料ガス路（管２６）内に収容されて合流され、第２原料ガス路（管２６）が混合ガス路（管２７）とストレートに連なっているが、これに代えて、第２原料ガス路の下流端が、第１原料ガス路の内部に収容されて合流され、第１原料ガス路に混合ガス路がストレートに連なっていてもよい。
気化されるべき液体の第１原料は、洗浄、アッシング、エッチング、ＣＶＤ等の用途に応じて適宜選定することができる。例えば、純水の他、低級アルコール（メタノール、エタノール、プロパノール等）を用いてもよく、酸化膜原料としてはＴＥＯＳ、ＴＥＭＯＳを用いてもよく、ＭＯＣＶＤ用原料としてはβ−ジケトン系原料を用いてもよい。
本発明は、常圧下でのプラズマ表面処理に限定されず、真空チャンバー等を用いた減圧下でのプラズマ表面処理にも適用できる。
プラズマを用いた表面処理以外の表面処理にも広く適用できる。
【００２５】
【実施例】
本発明の実施例を説明する。
[実施例１]
図１に示すガス供給装置２０を用い、常温・常圧環境（２５℃、湿度４０％、７６０ｔｏｒｒ）で実験を行なった。プロセスガスとして３４０ｃｃｍのＣＦ₄を流し、これに添加する水蒸気量を変えて、プラズマ表面処理装置１０に入る直前の導入路１３で湿度（露点）を測定した。測定には鏡面式露点計を用いた。
結果を図３に示す。理論値からのずれは１％以内に抑えることができ、正確な混合ガス供給を安定的に行ない得ることが判明した。
[実施例２]
同様にして、プロセスガスとして８０ｃｃｍのＣＦ₄を流し、露点測定を行なった。結果を図４に示す。理論値からのずれは１％以内に抑えることができ、正確な混合ガス供給を安定的に行ない得ることが判明した。プロセスガス小流量でも対応可能であることが確認できた。
【００２６】
[比較例１]
比較例１として、所謂バブリング方式の装置を用い、常温・常圧環境（２５℃、湿度４０％、７６０ｔｏｒｒ）で実験を行なった。１００ｃｃｍのプロセスガスを２つに分流し、０〜２５ｃｃｍをバブリング容器の純水中に送りバブリングさせて水蒸気を含ませる一方、残りの１００〜７５ｃｃｍはバブリング容器をバイパスさせ、その後、これら２つの分流を合流させ、プラズマ表面処理装置の直前で露点温度を測定した。
結果を図５に示す。バブリング量と露点温度との再現性は得られず、理論値からのずれは大きかった。特にバブリング量が多くなるとばらつきが一層広がってしまった。この方式では水添加量を正確に制御するのは困難であると判明した。
[比較例２]
比較例２として、所謂液体計量方式の装置を用い、常温・常圧環境（２５℃、湿度４０％、７６０ｔｏｒｒ）で実験を行なった。純水１ｃｃを液体ＭＦＣで計量した後、気化させ、これを１００ｃｃｍのプロセスガスと混合し、プラズマ表面処理装置へ供給することを試みた。しかし、配管内で結露（再液化）が生じ、混合ガスの安定供給は難しかった。プロセスガスが小流量では対応困難であると判明した。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、計量後の第１原料ガスが第２原料ガスと合流、混合される前に再液化するのを確実に防止でき、ひいては表面処理装置への処理用混合ガスの供給精度を高くすることができ、高精度な表面処理を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ表面処理システムの概略構成図である。
【図２】上記システムのプラズマガス管と蒸気管との合流部の断面図である。
【図３】本発明の実施例１の結果を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例２の結果を示すグラフである。
【図５】比較例２の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０プラズマ表面処理装置
２０表面処理用ガス供給装置
２１恒温槽（装置本体）
２２貯水タンク（第１原料タンク）
２３水蒸気ＭＦＣ（第１計量手段）
２５計量後蒸気管（第１原料ガス路）
２６プロセスガス管（第２原料ガス路）
２７混合ガス管（混合ガス路）
３０プロセスガスタンク（第２原料源）
３１プロセスガスＭＦＣ（第２計量手段）
Ｌ_20X プロセスガス管及び混合ガス管の共通の管軸

Claims

容器状の装置本体と、気化されるべき液相の第１原料を溜めたタンクと、このタンクから気化した第１原料ガスを計量して所望流量にする第１計量手段と、この第１計量手段から延びる第１原料ガス路と、第２原料源からの第２原料ガスを計量して所望流量にする第２計量手段と、この第２計量手段から延び、上記第１原料ガス路と合流される第２原料ガス路と、これら原料ガス路の合流部から表面処理装置へ延びる混合ガス路とを備え、
上記タンク、及び上記第１計量手段、並びに上記第１原料ガス路の上記合流部を含む全長域が、上記装置本体に収容され、この装置本体の内部が、上記第１原料の気化温度より高温に保持されており、
上記第１、第２計量手段によって、上記第１原料ガス路と第２原料ガス路の流量比がこれらの流路断面積比と略等しくなるように調節されていることを特徴とする表面処理用ガス供給装置。
上記合流部において、上記第１原料ガス路と第２原料ガス路の一方の下流端が、他方の路の内部に該他方の路と同軸をなして、しかも該他方の路の下流方向へ開口するようにして収容され、上記混合ガス路が、上記他方の路にストレートに連なっていることを特徴とする請求項１に記載の表面処理用ガス供給装置。