JP4387190B2 - 汚染防止と膜成長速度増進機能を備える化学気相蒸着方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は化学気相蒸着(ＣＶＤ)方法及びその装置に係り、さらに詳しくは膜形成のための原料物質が反応室の中央側に集まるよう誘導してサセプタ上方の原料物質濃度を増大させると共に、反応室内壁または反応室内の構造物に原料物質が接触しないようにすることで、蒸着速度を高め汚染粒子の生成を防止する化学気相蒸着方法及びその装置に関する。

化学気相蒸着(ＣＶＤ)とは、原料物質(普通、反応性ガス)を使って基板の表面上に固体の物質を形成する薄膜蒸着工程を指す。従来の一般の化学気相蒸着装置は図１に示した通り、真空雰囲気を維持する反応室３と、該反応室に原料物質を供給するための注入口７と、注入された原料物質を化学反応させるための加熱手段、焼尽したガスを排出させるための排気口６及び反応室の中央に置かれて、その上に基板が配置され膜蒸着が行なわれるサセプタ（加熱台）５を含んで構成される。膜形成に直接に関与する主原料物(主に反応性ガス)と、主原料物の運搬、気化または稀釈に関与する補助原料物(普通、不活性ガス)との混合物である、与えられた濃度の気体状態の原料物質を真空状態の反応室３に噴射する瞬間、原料物質は四方に拡散され、反応室内全体で主原料物濃度が有限な値を有するようになる。特に、サセプタの上部近傍で主原料物は、高温のサセプタによって励起され、基板上で化学反応を起こして膜が蒸着される。

しかし、従来の化学気相蒸着装置は蒸着速度が遅いため、厚さ３μｍ以下の薄膜を蒸着するのに主に使われ、それ以上の厚さ(３μｍ以上)を有する厚膜を蒸着するためには、反応室内の主原料物質の濃度をかなり増加させる必要がある。しかし、反応室３に注入された主原料物質は、反応室の内壁、シャワーヘッド、基板加熱手段、照射窓などの構造物上に不所望の膜や粉を生成する。さらに、反応室内壁などに蒸着された膜は、反復的な熱膨張と収縮、それから内壁などとの格子定数の不整合よって小粒子になって脱離し、蒸着中の膜が汚染される場合もある。反応室内部の汚染粒子数が増加すれば膜製造工程における信頼度は大幅に低下する。例えば、汚染粒子は、大規模集積回路(ＶＬＳＩ)を製作する場合、配線間ショートや断線によってパターン不良を引き起こす。

また、従来の化学気相蒸着装置では、膜の蒸着に使われるサセプタ上部における反応性ガスの濃度を高めるために、他の部分にまで反応性ガスをさらに供給する必要があり、これは過剰な原料物質の消耗に繋がって経済性に劣るという欠点があった。
反応室３内における汚染及び不所望の蒸着を防止するために、反応室内壁の温度を適正に調節して蒸着と凝縮を同時に抑えることが考えられるが、この温度領域は極めて狭いだけではなく、色々の原料物質が混合されている場合は、その領域が存在しない場合もありうる。このため、実質的に反応室の温度を調節して汚染粒子の発生を防止することは殆ど不可能である。

そして、従来の化学気相蒸着装置では、反応室３の内側壁とサセプタ５との温度差が大きくて、反応室内に対流現象が発生する問題点があった。これは、反応性ガスのサセプタ５への拡散を均一に維持することを困難にし、形成される膜の品質を低下させるだけではなく、発生した汚染粒子が自然対流によって再循環することによって、粒子汚染が深刻になる問題点があった。

従って、３μｍ以上の厚膜を迅速で経済的に蒸着するために、反応室内部に高濃度の反応性ガスを注入しても汚染粒子を生成させないこと、そして、反応性ガスの供給量を増やさなくてもサセプタ上の反応性ガス濃度を大幅に増大させられる新たな形態の化学気相蒸着方法及び装置が求められている。
後述する二つの従来の方法は反応室３のサセプタ近傍で反応性ガスの濃度を増加させ汚染粒子の生成を防止する。しかし、本発明の立場では従来の技術として認知される方法に関する。

まず、図２に示した通り、アメリカ特許第５，８５１，５８９の装置では、主に反応性ガスを含む第1のガスが注入口２を通して基板５の表面上に平行に供給され、主に不活性ガスを含む第２のガスが注入板１を通して基板５の表面に向かって垂直に吹き込まれて第１のガスの流れを安定化させ層流を形成させることが説明されている。次いで、図３に示した通り、アメリカ特許第６，３０１，４３４号の装置では、二重ガスマニフォールド(manifold)があって、上方のシャワーヘッド６を介して供給されるパージガスはウィンドウ８における蒸着を防止し、下方のシャワーヘッド７を介して供給される反応性ガスは基板５上に膜を蒸着する。この二つの従来の技術では、従来の汚染問題を軽減するためパージガスの使用を積極的に考慮していたが、汚染の緩和は反応室の全体からみて一部分でだけなされている。

図２では、基板の前縁（Leading edge）近傍に不可避的な渦が存在し、また反応性ガスが反応室の壁側に拡散していくことを抑え難く、これにより引用装置の効率が低下する。さらに、反応性ガスの流れを安定化するためのパージガス流量の外部調節は、数多くの試行錯誤を経ることもある。なぜならば、反応性ガスの層流の厚さは極めて薄い一方、パージガスの流れはこの層流領域を垂直に抑えているので、流れの潜在的な不安定性を含むためである。図３では、パージガス調節システムがランプシステムのウィンドウにおける蒸着を防ぐのに有効であるかもしれないが、この引用装置が反応室壁のような反応室の構成要素の表面、特にパージガス用シャワーヘッドから遠い領域において粒子の形成を防止できるかどうかは明らかでない。このような問題点は長い蒸着時間あるいは高い蒸着速度が求められる時は深刻になる。

それゆえ、本発明は前述した従来の技術における問題点を解決した新たな化学気相蒸着方法と装置を提供するためになされたものである。すなわち、本発明に係るＣＶＤ方法と装置は、反応室の中央側に高濃度の反応性ガスを吹き込み、反応室内の外側部分にパージガスを流し、その間に反応性ガス溜め手段を設けて反応性ガスとパージガスとの相互拡散抑制作用効果を用いて境界面を設けたことにより、優れた反復性、均一性、調節性、それから高い蒸着速度を実現すると共に３μｍ以上の厚膜を形成可能である。

本発明の主な目的は、自体として分解したり副産物を作り難いパージガスを反応室内に注入し、注入されたパージガスを数多くの孔が開いた反応性ガス溜め手段の内側に流れ込むよう誘導し、基板上で膜を形成するのに直接に関与する気体状態の原料物質(反応性ガス)を反応室の中心側、すなわち反応性ガス溜め手段の内側に取り入れてパージガスと反応性ガスとの相互拡散抑制によって内部に境界面を形成する工程を備えた化学気相蒸着方法を提供することにある。この化学気相蒸着方法によれば、反応性ガスの濃度をただ基板近傍でだけ実質的に増加させ、膜形成速度を画期的に増加させることができる。

より詳しくは、本発明の目的は、前記反応室の壁及び反応性ガス溜め手段が、前記パージガスの一部が前記反応性ガス溜め手段の表面に対する垂直方向から貫通孔を通過して前記反応性ガス溜め手段内で拡散させるべく互いに離間し、前記反応室内部を前記原料物質の濃度が高い内側領域と前記原料物質の濃度が極端に低い外側領域とに境界面を介して区分する化学気相蒸着方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、貫通孔を介してパージガスが反応性ガス溜め手段の内側に流れ込むようにし、反応性ガスが反応性ガス溜め手段の外側に拡散されることを阻止して、反応性ガスが反応性ガス溜め手段の内側壁に当らないようにすべく前記境界面を形成する化学気相蒸着方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、反応性ガス溜め手段の外側に注入されるパージガスの流量が反応性ガス溜め手段の内側に流入される反応性ガスの流量より遥かに多く設定して前記境界面を反応性ガス溜め手段の内側に形成させ、反応性ガスが反応性ガス溜め手段の内側壁に当らないようにする工程を備えた化学気相蒸着方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、真空状態の反応室内側にサセプタを設けて、その上に基板を配置し膜蒸着を行わせるＣＶＤシステムを提供するもので、本装置の構成は、反応性ガス溜め手段がサセプタを包む形態で反応室の中心側に設けられ、この反応性ガス溜め手段には反応性ガスを注入するための少なくとも一つ以上の注入ポートがあり、反応性ガス溜め手段の表面には数多くの貫通孔が開いており、パージガスを注入するための注入ポートが反応性ガス溜め手段の外側に設けられており、消耗したガス及び反応室内で生成された副産物ガスを排出するための排出口が反応性ガス溜め手段と反応室外壁との間に設けられ、そして、前記反応室の壁及び前記反応性ガス溜め手段は、前記パージガスの一部が前記反応性ガス溜め手段の表面に対する垂直方向から前記貫通孔を通過して前記反応性ガス溜め手段内で拡散させるべく互いに離間している。

本発明のさらに他の目的は、反応室の内側に水平方向に置かれたボートを設けて、ボート上に複数枚のウエハーを置いて膜蒸着を行うＣＶＤシステムを提供するもので、本装置の構成は、反応室内側にボートを包むために水平方向に反応性ガス溜め手段が設けられ、この反応性ガス溜め手段には反応性ガスを注入するための少くとも一つ以上の注入口があり、反応性ガス溜め手段の表面には複数のの孔が開いており、パージガスを注入するための注入口が反応性ガス溜め手段の外側に設けられており、消耗したガスを排出するための排出口が反応性ガス溜め手段と反応室の外壁との間に設けられる。

以下、添付した図面に基づき本発明に係る化学気相蒸着方法及びその装置を詳述する。
図４ないし図６を参照すれば、反応室３内にパージガスを注入するためのパージガス注入口２７が設けられ、反応室３内に反応性ガスを注入するための反応性ガス注入口７が設けられ、基板を支持し加熱するためのサセプタ５が設けられ、反応室３内の副産物を排出するための排出口２８が設けられる。予め設定された反応性ガスが低い圧力に維持される反応室３内に注入されれば、反応性ガスは即座に全ての方向に広がる。同様に、パージガスも反応室３内に注入されれば全方向に広がる。しかし、図６に示した通り、パージガスで充填された反応室３中央に原料物質を注入する場合、パージガスと原料物質は相互拡散抑制作用によって反応室３全体に拡散できず、反応室の中心部に境界面Ｂを形成し、反応室３の内部がＡとＣの二つの領域に分けれられる。

パージガスは、自体として分解したり副産物を作り難い気体状態の物質であって、例えばＡｒ、Ｎ₂、Ｈｅなどのような不活性物質、または反応に関与しても自らは分解したり副産物を作り難いＨ₂、Ｏ₂などを指す。これらパージガスは、分子量が小さくて拡散し易く、真空ポンプの作用による強制循環の影響をほとんど受けない。
一方、反応性ガスとは、膜形成に直接に関与する主原料物質と、主原料物質を運搬、気化、稀釈するための補助原料物質との混合物、または補助原料物質を含まない純粋な蒸気状態の主原料物質、例えば韓国特許登録第２２５５９２号の装置で説明する、金属有機化学気相装置(ＭＯＣＶＤ)で運搬気体を含まずに気化、運搬された主原料物質を指す。

これにより、本発明のようにパージガスと反応性ガスを分離して反応室３に注入すれば、サセプタ５が置かれた反応室３の中央(Ａ領域)は反応性ガスの濃度が極めて高くなり、反応室３内壁側(Ｃ領域)にはパージガスの濃度が高まる。このようにパージガスで充填された反応室３の中央に反応性ガスを注入すれば境界面Ｂが形成され、反応室３の内部が反応性ガスの濃度分布が大幅に違うＡとＣの二つの部分に区画される。

従って、反応室３の中央では反応性ガスの濃度が増大され、膜蒸着速度を高めることができ、反応室３の縁部では反応性ガスの濃度が低く、汚染粒子の生成を防止することができる。しかし、一般に、反応室３には温度差による対流があるため、反応性ガスとパージガスとの相互拡散抑制作用で形成された境界面Ｂを安定的に維持し難い。すなわち、反応性ガスとパージガスとの境界面Ｂは、反応性ガス及びパージガスの流量変化や反応室３の対流によって撹乱され易い。この結果、不安定な境界面Ｂに基づく方法を、高い反復性及び均一度が求められる化学気相蒸着装置に適用するのには無理がある。

本発明は、反応性ガスとパージガスによって形成された境界面Ｂを安定して維持できる補助手段として反応性ガス溜め手段を提供する。図７に示した通り、反応性ガス溜め手段１は反応室３内に設けられたサセプタ５を包めるよう反応室３の中央に設けられている。そして、反応性ガス溜め手段１は、原料物質とパージガスによって形成された境界面Ｂをその内部に包むことができるサイズと形態を有する。反応性ガス注入口７は、反応性ガス溜め手段１の上部に設けられ、パージガス注入口９は、反応性ガス溜め手段１の外部に設けられ、基板や蒸着対象物が配置されるサセプタ５は、前記反応性ガス溜め手段１の内部に位置される。そして、前記反応室３壁と反応性ガス溜め手段１との間には反応ガスを排出するための排気口１８が形成されている。

本発明に係る反応性ガス溜め手段１は、パージガスと反応性ガスとの間に形成しようとする所望の境界面を基準にしてさらに外側に設けられ、パージガスと反応性ガスとの相互拡散抑制作用を補い、パージガスと反応性ガスが撹乱される、すなわち相互に特定不能な境界面を基準に区分されたり境界面が曖昧になることを防止して境界面を明確にすると同時に、安定に維持する。さらに詳しく説明すれば、反応室３内部に注入されたパージガスは反応性ガス溜め手段１の表面に至った後、貫通孔１３を介して反応性ガス溜め手段１の内部に拡散される。この際、反応性ガスが反応性ガス注入口７を通して前記反応性ガス溜め手段１の内部に注入される。すると、反応性ガス溜め手段１の内部で反応性ガスがパージガスを押し出しながら所定の境界面を形成する。この際、反応性ガス溜め手段１の効果によって、パージガスのうち一部が貫通孔１３を通して反応性ガス溜め手段１の内側に拡散するので、反応室３内の対流やパージガスの流量変化に大幅に左右されず、境界面が極めて安定に維持される。

以下、本発明に係る反応性ガス溜め手段１の多様な実施例を説明する。先ず、図８に示した反応性ガス溜め手段１はパージガスと反応性ガスの境界面の形態に最も類似して作られ、且つ、サセプタ５を十分に包めるように作られている。すなわち、反応性ガス溜め手段１は、上部から混合部２１、拡散部２３及び蒸着部２５が一体に形成され、反応性ガスを迅速に混合し拡散させ、また均一な厚さの膜を蒸着できるよう、水平方向に反応性ガスの濃度等高線を平行にする。反応性ガス溜め手段１は耐熱性と耐腐食性に優れたステンレススチールなどのような金属、またはセラミック、石英、強化ガラスなどのような無機材料を用いて作られ、その材質によって絞り加工(spinning)、鋳造、鍛造、成形などのような多様な方法で形成することができる。そして、貫通孔１３は、金属材質についてはドリリングで開けられ、無機材質については鋳型またはその他成形工程により一体に形成することができる。この際、貫通孔１３の直径と間隔は、反応性ガス溜め手段１の特有の効果の一つであって、生成される境界面を維持し易いように設置される。この境界面が安定に維持されることによって、反応性ガス溜め手段１の内部に注入された反応性ガスが反応性ガス溜め手段１の外部に拡散しない。このため、貫通孔１３は直径が３ｍｍであり、その間隔は２０ｍｍでありうる。しかし、貫通孔１３のサイズ及び配列構造はパージガスと反応性ガスの流量、反応性ガスの濃度、装置の全体サイズなど様々な変数によって変化し、前述した寸法に限定されることではない。

一方、図７に示した通り、パージガスを反応室３上部に置かれたパージガス用シャワーヘッド９を通して注入する場合、パージガス用シャワーヘッド９はパージガスと反応性ガスとの境界面形成を補助するためにパージガス用シャワーヘッド９に形成された流通通路１９の間隔を変化させることができる。例えば、パージガス用シャワーヘッド９の中心部では流通通路１９の間隔を広くし、縁部ではその間隔を狭くすることもできる。しかし、実際に反応性ガス溜め手段１だけでもパージガスの流量を反応性ガス溜め手段１の内側に適切に分配できるため、パージガスをパージガス用シャワーヘッド９を用いず、反応室３の一側に設けられたパージガス注入口２７を介して供給しても同様な効果が得られる。

再び図８を参照すれば、混合部２１は直径が相対的に小なので、反応性ガス注入口７を通して注入された主原料物と補助原料物を狭い空間で迅速に混合させられる。また、混合部２１の表面に形成された貫通孔１３を通して流入したパージガスの影響によって、原料物質が混合部２１の中央部で混合されるため、混合部２１の壁面に汚染粒子が生成しなくなる。

そして、混合部２１の上端に設けられた反応性ガス注入口７は多様な形態を有することができるが、例えば図９Ａに示した通り、膜形成に直接に関与する主原料物と補助原料物とを予め混合した原料物質(反応性ガス)、または運搬気体を含まない純粋な蒸気状態の主原料物を一つの反応性ガス注入口７を介して垂直方向に注入する方式(図９Ａ)と、混合されたり分離された多種の原料物質を複数の反応性ガス注入口７を介して垂直方向に注入する方式(図９Ｂ)、及び混合されたり分離された多種の原料物質を接線方向に傾斜して設置された複数個の反応性ガス注入口７を介して注入する方式(図９Ｃ)などがある。この際、傾斜方向に注入された原料物質は、図１０に示した通り、混合部２１内に渦現象(サイクロン効果)を誘導して原料物質の進行距離が延びるため、原料物質を十分に混合させられる効果がある。従って、原料物質が十分な進行距離を必要としたり反応室３の縦方向長さが短い場合、原料物質を傾斜方向に注入することが良い。一方、反応性ガス注入口７は普通内径が数ｍｍ程度であり、ステンレススチール、テフロン（登録商標）、セラミックまたはその他の材質のチューブであって、断面が一定であるかその先端が拡がるよう加工した形状を有する。そして、この反応性ガス注入口は、図示されていない公知のバブラー、気化器などと連結され、原料物質が反応性ガス溜め手段１の内部に注入されうるようになる。

拡散部２３はその直径が下方に行くほど次第に大きくなるが、混合部２１で主原料物と補助原料物とが混合された高濃度の原料物質が、傾斜した方向に拡散しつつ濃度等高線が平らになる区間である。しかし、混合部２１において高濃度で存在した原料物質は、拡散部２３を通して下部に向かって下降する間、混合部２１の容積が大きくなりながらパージガスが一定量拡散され内側に入って来るので、原料物質が一定量外方向に拡散され出ていって濃度が次第に薄くなる。この際、拡散部２３の傾斜角と高さは原料物質の拡散速度と密接な関係を有する。例えば、使用する原料物質の拡散速度が早ければ拡散部２３の傾斜角は水平に近く大きくなり、その高さは低くなる場合がある。

次いで、垂直蒸着部２５は原料物質の濃度等高線が水平方向に平坦になってサセプタ５の上面１５と平行になる領域である。従って、実質的に膜が形成されるサセプタ上面１５は、原料物質の濃度が適当であり濃度等高線が十分に広がった領域、すなわち水平方向(半径方向)の均一度が保障できる領域に位置付けられるべきである。従って、垂直蒸着部２５は、サセプタ上面１５を包むことができるよう、適当な長さを確保することが望ましい。また、蒸着部２５の高さは、反応室３の大きさと排ガスの円滑な排出まで考慮して出来る限り高くすることが望ましい。

そして、反応性ガス溜め手段１の表面に形成された複数の貫通孔１３は、反応性ガス溜め手段１の外部に供給されたパージガスの一部が反応性ガス溜め手段１の表面に対して垂直方向に拡散するのを可能にする。従って、外側から内側に拡散されるパージガスの全体流量を適切に調節することによって、原料物質が反応性ガス溜め手段１の外部に拡散することが抑えられる。また、パージガスは内側から外側に拡散しようとする原料物質によって、反応性ガス溜め手段１の内部に一定深さ以上拡散することが抑えられる。このようにパージガスと原料物質の流量及びこれによる拡散速度を適切に調節すれば、相互拡散抑制作用で反応室３の内部に境界面を形成するようになり、原料物質が反応性ガス溜め手段１の内壁面に接触されないようにしつつ反応性ガス溜め手段１内に原料物質を溜められるようになる。これにより、本発明に係る化学気相蒸着装置では反応室３の内壁だけではなく、反応性ガス溜め手段１の内外壁でも汚染粒子が生成しなくなる。

しかし、本発明に係る反応性ガス溜め手段１は図７及び図８に示した形態に限らず、原料物質の特性と反応室の与件によって多様な形態に適用できる。例えば、図１１に示されている反応性ガス溜め手段１は、混合部２１を設けず、拡散部２３の傾斜角をさらに大きくした場合である。これは、原料物質の拡散速度が大きいか、原料物を予め混合して注入する場合に可能なもので、特に大面積の基板を使用する際積極的に考慮できる。一方、図１１に示した反応性ガス溜め手段１の残りの部分は、図８で示した反応性ガス溜め手段１と同一の機能を有する。また、図１２に示されている反応性ガス溜め手段１は混合部２１だけではなく拡散部２３もない場合であって、ただ所定高さの円筒形の蒸着部２５だけで構成されている。この場合、複数の貫通孔１３によってパージガス流れを形成することは同一であるが、反応性ガス溜め手段１の内部に注入された原料物質が迅速に拡散されず、原料物質濃度の水平方向(半径方向)の均一度が低下する場合がある。

以上のような点を考慮して、図１３及び図１４に示した通り、原料物質を迅速に拡散させられるよう反応性ガス注入口７を備えることが望ましい。まず、図１３に示した反応性ガス注入口７は多数の反応性ガス供給通路３７を反応性ガス溜め手段１の上部に一定間隔に設けて、原料物質を反応性ガス溜め手段１の内側に均等に供給するようにしたものである。そして、図１４に示した反応性ガス溜め手段１は、反応性ガス注入口７の端部に原料物質供給用シャワーヘッド２９を設けて原料物質を広い範囲に亘って均等に噴射するようにしたものである。

また、図１５に示されている反応性ガス溜め手段１は混合部、拡散部及び蒸着部を全て省略し、低い高さのドーム状の一部だけが残されている場合である。すなわち、パージガスが充填された反応室３の中央に原料物質とパージガスを区分して注入すればサセプタ５の上部と周囲に境界面が形成されるため、ドーム状の一部だけが残されている反応性ガス溜め手段１を用いて境界面が分散することを防止するものである。この際、前記反応性ガス溜め手段１の上部にパージガス用シャワーヘッド９を設けると、さらに安定的な境界面が得られる。

一方、図１６は参考例として反応性ガス溜め手段１を炉型の低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ：Low Pressure Chemical Vapor Deposition)装置に適用した場合であって、水平方向に設けられたボート４５上に多数のウエハー４７を立設した後、反応室３内に反応性ガスを供給する。この際、本発明に係る反応性ガス溜め手段１は前記ボート４５を包めるように水平方向に設けられている。すなわち、反応性ガス溜め手段１は水平方向に延びた円筒形であってその周りには多数の貫通孔１３が形成されており、一側には原料物質が注入される注入口が形成され、他側には反応ガスが排出される排気口４８が形成されている。従って、パージガスは前記反応性ガス溜め手段１の外部に注入され、反応性ガスは前記反応性ガス溜め手段１の内部に注入され、外部に注入されたパージガスは反応性ガス溜め手段１の貫通孔１３を通して内部に拡散し、前記反応性ガス溜め手段１の内部にパージガスと反応性ガスとの境界面を形成する。従って、ウエハー４７が設けられたボート４５周辺の原料物質の濃度は高くなる一方、反応室３と反応性ガス溜め手段１の内側との空間には原料物質が殆んど存在しなくなって汚染粒子が生成されなくなる。

本発明によって反応性ガス溜め手段１と拡散防止境界面を用いた化学気相蒸着装置は、反応性ガス溜め手段１の内側に膜形成に関与する原料物質(反応性ガス)を供給すると同時に、反応性ガス溜め手段１の外側にはパージガスを供給することによって、反応室３の中央領域における原料物質濃度が外側領域における原料物質濃度に比べて数倍あるいは数十倍以上高くなるようにする。

また、反応室３の各部分の構造の不一致によって発生する再循環や相対的に冷たい反応室３壁と相対的に熱いサセプタ５との温度差による自然対流は反応性ガス溜め手段１の内側ではほとんど発生しないとみられるが、その理由は次の通りである。本発明に係る反応性ガス溜め手段１は、熱溜めの役割を果たしてその内部をさらに小さい温度差に維持し得るだけではなく、反応性ガス流量より遥かに大きい、例えば数倍流量のパージガスを反応性ガス溜め手段１の外側から内側に流して、反応性ガスを反応性ガス溜め手段１の内側に溜めておき、基板近傍で反応性ガスが層流状態になるよう誘導するからである。

従って、本発明において反応性ガス溜め手段１の形態、サセプタ５の位置などを含む反応室３の構造を最適化し、パージガスの流量、反応性ガスの混合、拡散、排出を適切に調節すれば、膜成長速度及び膜厚さの均一度が増加するようになり、汚染物質の生成が最小化される。
以下、本発明に基づき反応室汚染を防止し、膜蒸着速度が増加する化学気相蒸着方法及びその装置の具体的な実施例を説明する。

<化学気相蒸着装置の構成>
本発明に係る図７に示したような望ましい実施例では、反応性ガス溜め手段１は、直径が３００ｍｍ、総高さが４４５ｍｍであってサセプタ５を包んでいる形態を有しているが、サセプタ５の直径は２４０ｍｍであり、サセプタ５の上表面の位置が床面から８０ｍｍ上にあり、反応室真空度は１３３Ｐａである。反応性ガス溜め手段１の形態は傘状であり、パージガスが反応性ガスの内側に拡散して入り込むる。反応性ガス注入口７は反応性ガス溜め手段１の上部に設けられており、パージガス注入口９は反応性ガス溜め手段１の上部の向こう側にパージガス用シャワーヘッドの形態で設置されている。

<ＴｉＯ₂蒸着>
前述した実施例１の化学気相蒸着装置を用いてＴｉＯ₂を蒸着した。次の式はＴｉＯ₂がＴＩＰから熱分解反応によって生成される反応式を示したものである。
ＴＩＰ → ＴｉＯ₂ + ４Ｃ₃Ｈ₆ + ２Ｈ₂Ｏ
チタニウムイソプロポキシド(titanium iso-propoxide、ＴＩＰ、Ｔｉ(ＯＣ₃Ｈ₇) ₄)がＴｉＯ₂を蒸着するための主原料物として使われた。ＴＩＰの蒸気圧は７０℃で２６６Ｐａである。ＴＩＰは８５℃で加熱され、反応室真空度は１３３Ｐａであった。ＴＩＰは、加熱により純粋蒸気状にて運搬気体の助けなしに反応性ガス溜め手段１の内側に１×１０^-6kg/secの流量で注入された。一方、パージガスとしてＡｒが１０×１０^-6ｋｇ/ｓｅｃの流量で反応性ガス溜め手段１の外側に注入された。適当な加熱温度、例えば７０℃から１００℃までの加熱温度で、ＴＩＰはＴＩＰ加熱容器内で蒸発しやすくても分解はあまり起らない。純粋蒸気状態のＴＩＰは、ＴＩＰ蒸気圧より低い圧力に維持される反応室３内に、運搬気体の助けなしに流入することができる。一方、ＴＩＰの物性、例えば拡散係数、熱伝導度、比熱などをキネティック理論(kinetic theory)で予測可能にする物理的な仮想の定数、例えばレナードジョーンズパラメータ(Lennard Jones parameter)などがよく知られている。以上の反応式とＴＩＰについて推定可能な物性に基づき、よく知られている流体解析プログラムであるフルエント(Fluent)を使ってＴｉＯ₂の蒸着挙動についてシミュレーションするようになった。

図１７に示したグラフに見られるように、実施例１と実施例２に示した装置と条件下で、それから色々なサセプタ高さ位置について蒸着均一度を半径１００ｍｍ以内で±５％以内に確保しつつ、ＴｉＯ₂膜を蒸着することができた。この際、半径１００ｍｍを超える外側領域、すなわちサセプタの上表面の縁部における蒸着速度が急に大きくなることは、この付近で流動の方向が急激に変化し、ＴＩＰ濃度勾配がさらに急激に変化するからである。

図１８は反応性ガスとパージガスの混合物の移動速度を示す。この際、図１８に示す最高速度は１.５m/secであった。そして、反応性ガス溜め手段１の外側から内側に反応性ガスを反応室３の中央側に溜めながら境界面が形成されることが見られる。図１９は本発明に係るＣＶＤ装置におけるＴＩＰの濃度等高線を示す。最高濃度と最低濃度はそれぞれ１００％及び０％であり、等高線は１％の間隔に描かれている。図１９に示した通り、反応性ガス溜め手段１の内側に拡散するパージガスは、反応性ガス注入口を通して注入されたＴＩＰの混合部における濃度を大幅に低下させることはない。また、反応室３の内壁近傍では、境界面形成の影響によってＴＩＰの濃度がほとんど無視されるため、反応室内壁の内側表面で不所望の汚染粒子は生成しなかった。

また、反応性ガスとパージガスとの混合物の移動速度にＴＩＰの拡散速度を足したＴＩＰのネット速度（net velocity）を常に反応性ガス溜め手段１の外側から内側に向かわせることができるが、これは±５％以内のＴｉＯ₂蒸着均一度を確保するために選択可能なパージガスの流量範囲が、ＴＩＰ流量の数十倍になるほど極めて広いからである。

図２０は実施例１の装置において、純粋なＴＩＰ気体を反応性ガス溜め手段１の内側に１×１０^-6kg/secほど供給する際パージガスの流量変化によるＴｉＯ₂蒸着速度変化を示すグラフである。図示した通り、パージガスの流量が増加すれば溜め効果、すなわちＴＩＰを反応性ガス溜め手段１の内側領域に溜めて置こうとする効果が目立って、約２０×１０^-6kg/secのパージガス流量では、サセプタの半径方向でみて割合に均一な蒸着速度を示すと同時に、蒸着速度は最高になった。しかし、パージガスの流量が約３００×１０^-6kg/sec以上では、ＴＩＰが反応室の中央部に集まり過ぎて、ＴｉＯ₂蒸着速度が直径２００ｍｍ基板の中央では高くて、外側では著しく落ちた。

図２１は従来のシャワーヘッド方式のＣＶＤ装備と実施例１に示されている本発明に係るＣＶＤ装備でＴｉＯ₂蒸着速度を互いに比較したものである。ここで、主原料物であるＴＩＰの入力質量分率はＴＩＰ入力質量を総入力質量で割ったものである。示した通り、ＴＩＰの全ての入力質量分率において本発明(■●◆)が従来の方式(□○◇)より大きい蒸着速度を有するようになることが分かった。例えば、ＴＩＰ入力質量分率が１０％の時、本発明(●)が従来の方式(○)に比べて約３０％以上、入力質量分率が１％の時は本発明(◆)が従来の方式(◇)より３００％以上早い速度で蒸着されている。

図２２及び図２３は反応室の真空度に対するＴｉＯ₂蒸着速度の変化を示すグラフである。図示した通り、反応室圧力が増加するのに伴ない、蒸着速度は次第に増加して略１３３Ｐａで最大値を示し、以降は次第に減少する。そして、蒸着速度が最大値を示す１３３Ｐａ近傍の真空度では、蒸着速度は真空度にさほど敏感でないことが分かった。これは量産の際、ある程度の真空度変化は許容されることを示す。

図２４はＴＩＰ流量による蒸着速度変化を示す。図示した通り、本発明に係る反応性ガス溜め手段１を使用する場合、原料物質の供給量を増大させることによって蒸着速度を画期的に向上させうることが分かる。例えば、反応性ガス溜め手段１の内側に運搬気体の助けなしに純粋なＴＩＰ気体を流入させる場合、ＴＩＰ入力流量の増加に比例してＴｉＯ₂の蒸着速度が増加することが分かる。特に、運搬気体の助けなしにＴＩＰを流入することは、その流入量を増加させることが極めて容易なので、高い蒸着速度を確保する必要があるときに望ましい。

図２５は実施例１の装置を用いてベア(bare)シリコン上に蒸着したＴｉＯ₂層の電子顕微鏡写真である。ＴｉＯ₂膜は、１３３Ｐａの真空度の反応室において、約２０μｍ/ｈｒの蒸着速度で８μｍの厚さで形成された。本実施例で得られた蒸着速度は極めて高いが、この結果は厚い膜を蒸着しようとする場合における本発明の優秀性をよく示している。
そして、図２６はウエハーに形成したシリコンナイトライド(silicon nitride)層上にＰＺＴ/Ｎｉ/ＴｉＯ₂＋ＺｒＯ₂層を蒸着した断面電子顕微鏡写真を示す。先ず、ウエハーに形成したシリコンナイトライド層上に、実施例１の装置を用いてＴｉＯ₂＋ＺｒＯ₂層を蒸着した。この際、ＴｉＯ₂とＺｒＯ₂の原料物質としてはＴＩＰとジルコニウムtert-ブトキシド(Zirconium tert-butoxide、Ｚｒ(ＯＣ₄Ｈ₉) ₄)が使用された。その後、電極であるＮiをＲＦスパッタリング法で形成し、最後にこの電極層上に再び実施例１の装置を用いてＰＺＴ層を蒸着した。この際、テトラエチル鉛(tetra ethyllead、Ｐｂ(Ｃ₂Ｈ₅)₄)がＴＩＰとジルコニウムtert-ブトキシドと共に鉛化合物の原料物質として使われた。そして、ＰＺＴ蒸着時、鉛の酸化物を形成するために酸素が使われた。この写真から、ＴｉＯ₂＋ＺｒＯ₂層の厚さは約５μｍであり、ＰＺＴ層の厚さは約３μｍであった。

図２７は実施例１の装置を用いてベアシリコン上に蒸着したＰＺＴ層の断面電子顕微鏡写真である。ＰＺＴ膜は、２００Ｐａの真空度の反応室で約６μｍ/ｈｒの蒸着速度で６μｍの厚さで成長された。本発明によって形成されたＰＺＴ膜は形状(morphology)においてはさほど平坦でないと認められるが、ＭＯＣＶＤによって得たＰＺＴ膜の厚さとしては最も厚い範囲に属すると言える。

図２８は、図１１に示した混合部を持たない反応性ガス溜め手段１の他の実施例による、サセプタの高さ位置に対する蒸着速度変化を示すグラフである。本実施例において反応性ガス溜め手段１の総高さは３００ｍｍであり、残りの条件は実施例１の場合と同一であった。同図によれば、蒸着速度は相当に増加したが、蒸着均一度が多少低下することが分かる。これは、反応性ガス溜め手段１の縦方向長さを十分に延ばして原料物質の濃度等高線を平らにすることが蒸着均一度確保に有利であることを意味する。従って、反応性ガス溜め手段１の縦方向長さは、システムの構造的な効率性と蒸着均一度の満足という二つの観点から慎重に決定されるべきである。

以上述べたように、本発明は、パージガスを反応室内に注入し、膜蒸着が行なわれる反応室の中央側に原料物質を溜められる境界面を形成することによって、従来の化学気相装置と比較して原料物質の使用量を増やさず実質的に原料物質の濃度を増大させ、蒸着速度を画期的に向上する効果がある。
また、本発明は境界面形成効果によって、反応室の内壁に汚染粒子が生成することを防止する効果がある。

そして、本発明は、反応室３の中央に、サセプタ５を包めるよう適切な大きさと形状を有し、その表面にパージガスの流通が可能なように多数の貫通孔１３が形成された反応性ガス溜め手段１を設け、反応性ガス溜め手段１の外側に供給されたパージガスが反応性ガス溜め手段１の内側に拡散するようその流量または拡散速度を調節して、原料物質とパージガスとの相互拡散抑制作用によって境界面を形成する効果がある。

また、本発明は、反応室３内に温度差による自然対流を防止し原料物質の混合及び拡散を迅速で円滑に誘導する反応性ガス溜め手段１を設けることによって、工程の反復性及び再現性を高め、蒸着均一度を向上する効果がある。
本発明は、従来の技術による化学気相蒸着装置に比べて原料物質の損失なしに、膜を蒸着する反応室の中央側で原料物質濃度を著しく増加できるのみならず、高濃度の原料物質注入による汚染粒子の生成を防止できるため、超小型精密機械システム(ＭＥＭＳ)などで必要とする３μｍ以上の厚膜を効率よく蒸着できるようになる。

本発明の技術内容を十分に熟知した者は、反応室内の汚染を防止し、膜蒸着速度を増加させるＣＶＤ方法と装置において、本発明の趣旨や領域を逸脱せず種々の修正と変形を加えられることは明らかである。従って、このような修正と変形が添付した請求項、またはそれと同等な性格の範囲に属すれば、本発明はこれらも含める。

本発明は膜形成のための原料物質が反応室の中央側に集まるよう誘導してサセプタ上方の原料物質濃度を増大させると共に、反応室内壁または反応室内の構造物に原料物質が接触しないようにすることで、蒸着速度を高め汚染粒子の生成を防止する化学気相蒸着方法及びその装置に適用できる。

従来のＣＶＤ装置の一形態の概略図である。 従来のＣＶＤ装置の他の形態の概略図である。 従来のＣＶＤ装置の更に他の形態の概略図である。 反応室内に膜を形成するのに関与する反応性ガスが充填されている状態を示す概念図である。 反応室内にパージガスが充填されている状態を示す概念図である。 反応性ガスが反応室の中心側にパージガスによって溜められている状態を示す概念図である。 本発明の望ましい実施例であって、本発明に係るＣＶＤ装置の反応室を概略的に示す部分切断外形図である。 本発明に係る反応性ガス溜め手段の一例を示す外形図である。 本発明に係る反応性ガス溜め手段の上部に設けられる反応性ガス注入口の一形態を示す外形図である。 本発明に係る反応性ガス溜め手段の上部に設けられる反応性ガス注入口の他の形態を示す外形図である。 本発明に係る反応性ガス溜め手段の上部に設けられる反応性ガス注入口の更に他の形態を示す外形図である。 本発明の一実施例によって原料物質(反応性ガス)注入口を接線方向に設ける場合(図９Ｃ)に現れる渦現象を示すシミュレーション結果図である。 本発明に係る反応性ガス溜め手段の他の実施例を示す外形図である。 本発明に係る反応性ガス溜め手段の更に他の実施例を示す外形図である。 本発明に係る反応性ガス溜め手段が設けられたＣＶＤ装置の反応室を示す概略的な断面図である。 本発明に係る反応性ガス溜め手段が設けられたＣＶＤ装置の反応室を示す概略的な断面図である。 本発明に係る反応性ガス溜め手段が設けられたＣＶＤ装置の反応室を示す概略的な断面図である。 本発明に係る反応性ガス溜め手段が設けられたＣＶＤ装置の反応室を示す概略的な断面図である。 本発明の各構成要素のうち反応室内に置かれるサセプタ高さ位置によるＴｉＯ₂蒸着速度変化を比較したグラフである。 本発明に係るＣＶＤ装置の反応室内部で反応性ガスとパージガスが混合されたガスの速度を示すシミュレーション結果図である。 本発明に係るＣＶＤ装置の反応室内部の主原料物質(ＴＩＰ)の濃度分布を示すシミュレーション結果図である。 本発明においてパージガスの流量によるＴｉＯ₂蒸着速度変化を比較したグラフである。 本発明と従来のシャワーヘッド方式の装置でＴｉＯ₂蒸着速度を比較したグラフである。 本発明において反応室真空度によるＴｉＯ₂蒸着速度変化を比較したグラフである。 本発明において反応室真空度によるＴｉＯ₂蒸着速度変化を比較したグラフである。 本発明でＴＩＰ入力流量によるＴｉＯ₂蒸着速度変化を示すグラフである。 本発明によってベア(bare)シリコン上にＴｉＯ₂層を蒸着した結果を示す断面電子顕微鏡写真である。 本発明によってウエハーのシリコンナイトライド層上にＰＺＴ/Ｎi/ＴｉＯ₂＋ＺｒＯ ₂層を蒸着した結果を示す電子顕微鏡写真である。 本発明によってベアシリコン上に蒸着したＰＺＴ膜の断面電子顕微鏡写真である。 反応性ガス溜め手段の他の実施例(図７)でサセプタ高さ位置によるＴｉＯ₂蒸着速度変化を比較したグラフである。

Claims (11)

1. 化学気相蒸着方法(ＣＶＤ)において、
   反応室内部の中央に多数の貫通孔が形成された反応性ガス溜め手段を設けて、この反応性ガス溜め手段の内部に基板への膜形成に関与する原料物質の溜めを可能とすべく準備する工程と、
   前記反応性ガス溜め手段の外部に自らは分解したり副産物を生成し難いパージガスを供給する工程と、
   前記反応性ガス溜め手段の内部に前記原料物質を気体状態にて供給する工程と
   を含み、
   前記反応室の壁及び反応性ガス溜め手段は、前記パージガスの一部が前記反応性ガス溜め手段の表面に対する垂直方向から前記貫通孔を通過して前記反応性ガス溜め手段内で拡散させるべく互いに離間し、前記反応室内部を前記原料物質の濃度が高い内側領域と前記原料物質の濃度が極端に低い外側領域とに境界面を介して区分することを特徴とする化学気相蒸着方法。
2. 前記原料物質は、膜形成に直接に関与する主原料物と、ただ前記主原料物を運搬したり気化させたり稀釈させる補助原料物との混合物であることを特徴とする請求項１に記載の化学気相蒸着方法。
3. 前記原料物質は運搬気体が要らない純粋蒸気状態の主原料物だけよりなることを特徴とする請求項１に記載の化学気相蒸着方法。
4. 前記パージガスはＡｒ、Ｎ_２、Ｈｅ、Ｈ_２、Ｏ_２のうちいずれか一つまたはこれらの混合物であることを特徴とする請求項１に記載の化学気相蒸着方法。
5. 前記境界面は、前記反応性ガス溜め手段の外部に供給された前記パージガスが前記貫通孔を通して前記反応性ガス溜め手段の内部に流入して前記原料物質が前記内側領域の外部に拡散することを防止すると同時に、前記原料物質が前記反応性ガス溜め手段に接触することを防止する前記境界面を形成することを特徴とする請求項１に記載の化学気相蒸着方法。
6. 前記境界面は、前記反応性ガス溜め手段の外部に流入する前記パージガスの流量を前記反応性ガス溜め手段の内部に流入する前記原料物質の流量より常に大きくすることで、前記反応性ガス溜め手段の内側に置かれ、前記原料物質が前記反応性ガス溜め手段に当らないようにすることを特徴とする請求項１又は５に記載の化学気相蒸着方法。
7. 外部と隔離され真空状態を維持する反応室内に位置し、膜蒸着が行われる基板が配置されるサセプタを含んで構成される化学気相蒸着装置において、
   前記サセプタの上部にそれぞれ設けられ、原料物質を供給する一つ以上の原料物質注入ポート及びその表面に形成された複数の貫通孔を有する反応性ガス溜め手段と、
   該反応性ガス溜め手段の外側にパージガスを供給するパージガス注入ポートと、
   前記反応室で発生した排ガスを排出する排ガス排気ポートと
   を含んで構成され、
   前記反応室の壁及び前記反応性ガス溜め手段は、前記パージガスの一部が前記反応性ガス溜め手段の表面に対する垂直方向から前記貫通孔を通過して前記反応性ガス溜め手段内で拡散させるべく互いに離間していることを特徴とする化学気相蒸着装置。
8. 前記原料物質注入ポートは、予め混合されたり分離された主原料物と補助原料物とを垂直方向に注入するよう設けられた一つ以上の筒状の導管であることを特徴とする請求項７に記載の化学気相蒸着装置。
9. 前記サセプタは、前記反応性ガス溜め手段の内部に、前記サセプタの上面を前記反応性ガス溜め手段の底から一定距離にて離隔して配置されていることを特徴とする請求項７に記載の化学気相蒸着装置。
10. 前記排気ポートは前記反応性ガス溜め手段と前記サセプタとの間に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の化学気相蒸着装置。
11. 前記反応性ガス溜め手段は、その上部に複数の原料物質通路または原料物質供給用シャワーヘッドを有し、前記原料物質を広範囲に亘って均等に供給して迅速に拡散させることを特徴とする請求項７に記載の化学気相蒸着装置。