JP5792215B2 - ホットワイヤ式処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、ホットワイヤで生成した活性種の失活を抑え、かつ、ホットワイヤからの輻射熱による基板などの処理対象の温度上昇を抑え、ホットワイヤによって生成される活性種を用いた均一な成膜処理や、還元、エッチングなどの表面処理を高効率かつ精度よく行うことができるホットワイヤ式処理装置に関する。

各種半導体デバイスや液晶ディスプレイなどを製造する際の成膜法としては、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ法）が広く知られている。このＣＶＤ法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが知られている。また、近年、通電加熱したタングステンなどの素線（ホットワイヤ）を触媒体として、この触媒体の触媒作用により反応室内に供給される原料ガスを分解することによって基板上に薄膜を堆積させるホットワイヤＣＶＤ法（触媒ＣＶＤ法、Ｃａｔ−ＣＶＤ法とも呼ばれる）が実用化されている。

このホットワイヤＣＶＤ法は、熱ＣＶＤ法に比べて低温で成膜することができる。また、ホットワイヤＣＶＤ法は、プラズマＣＶＤ法に比べて、プラズマの発生による基板へのダメージが少ないという利点がある。一方、ホットワイヤによって生成された原子状水素などの活性種は、反応性が高いため、シリコン化合物の成膜、金属酸化膜の還元、フォトレジストの除去などにも利用することができる。

ここで、特許文献１には、成膜室と、加熱触媒体を有して活性化した窒素ラジカルを生成する容器とがバルブを介して接続されたものが記載されている。この特許文献１では、原料ガス供給部から供給される原料ガスと、反応ガス供給部から窒素ガスが容器内に供給され容器内で活性化した窒素ラジカルとを成膜室に交互に供給して、基板上に窒化層を堆積して薄膜を形成するものが記載されている。

また、特許文献２には、通電により発熱する触媒体（ホットワイヤ）の作用を利用して原料ガスを分解することによって基板上に薄膜を堆積させる触媒体化学気相成長装置が記載されている。この装置は、処理室内の基板とシャワープレートとが対向する空間を筒状周壁で囲繞し、この筒状周壁の内側である成膜領域内の圧力がその他の領域よりも高くする真空排気を行うようにしている。これによって、成膜領域外の圧力が低圧となって温度上昇が抑えられ、吸着ガス分子による放出ガスの発生が減少し、この放出ガスの成膜領域への混入が抑えられるため、所望膜質の成膜を行うことができる。また、成膜領域外での原料ガス、堆積種、反応種の量が少なくなり、この領域でのこれらの付着量が少なくなり、これによるパーティクル発生を抑制するとともに、このパーティクルの成膜領域への侵入を抑えることができる。

特開２０１１−１９８８８５号公報 特開２００７−２８４７１７号公報

しかしながら、活性化した窒素ラジカルを生成する容器を備える特許文献１のものでは、生成された窒素ラジカルが容器からバルブを介して成膜室に輸送されるまでに失活する確率が大きく、成膜室に流入する窒素ラジカル密度が低下してしまう。そもそも、窒素ラジカルなどの活性種は溜めておくことが困難である。しかも、特許文献１では、さらにバルブが介在するため、生成された窒素ラジカルはこのバルブで失活する確率が高くなり、高い密度の窒素ラジカルが保存された状態で成膜室に到達させることは困難である。また特許文献１では、成膜室から離隔した容器を設けることになるため、装置全体の小型化を阻害する。

また、特許文献２のものは、ホットワイヤと基板との距離が近いため、ホットワイヤから基板への輻射熱を回避することができず、基板温度が上昇して精度の高い成膜ができず、また基板温度制御が困難になるという問題がある。特に、MEMSデバイスなどでは片持ち梁構造を有しており、この片持ち梁構造では熱の逃げ場が狭く、片持ち梁構造部分が他の部分に比べて勢い高温になってしまう。この結果、均一な成膜や均一なエッチングなどの表面処理が困難になる。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ホットワイヤで生成した活性種の失活を抑え、かつ、ホットワイヤからの輻射熱による基板などの処理対象の温度上昇を抑え、ホットワイヤによって生成される活性種を用いた均一な成膜処理や、還元、エッチングなどの表面処理を高効率かつ精度よく行うことができるホットワイヤ式処理装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるホットワイヤ式処理装置は、内部に処理対象が載置される載置台が設けられ、真空状態に維持されるメインチャンバと、内部空間が円柱形状をなし、該内部空間の一端から流入した反応ガスを接触させて少なくとも活性種を生成するホットワイヤが該内部空間に設けられ、該内部空間の他端が前記メインチャンバの内部空間に直結し、前記活性種を粘性流として前記メインチャンバ側に一方向的かつ直線的に輸送するサブチャンバと、前記サブチャンバの一端から前記反応ガスを流入する反応ガス供給部と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるホットワイヤ式処理装置は、上記の発明において、前記ホットワイヤは、前記サブチャンバの内部空間の円柱軸方向を軸とするスパイラル構造であることを特徴とする。

また、この発明にかかるホットワイヤ式処理装置は、上記の発明において、前記サブチャンバは、側壁を冷却する冷却部を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるホットワイヤ式処理装置は、上記の発明において、前記サブチャンバの内壁は、非金属材料で形成されたことを特徴とする。

また、この発明にかかるホットワイヤ式処理装置は、上記の発明において、前記メインチャンバ及び前記サブチャンバの圧力は、１０〜３０００Ｐａに維持されることを特徴とする。

また、この発明にかかるホットワイヤ式処理装置は、上記の発明において、前記ホットワイヤと前記処理対象との距離は、１００〜５００ｍｍであることを特徴とする。

また、この発明にかかるホットワイヤ式処理装置は、上記の発明において、前記メインチャンバ内に原料ガスを供給する原料ガス供給部をさらに備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるホットワイヤ式処理装置は、上記の発明において、前記反応ガスは、水素であり、前記活性種は、原子状水素であることを特徴とする。

この発明によれば、サブチャンバは、内部空間が円柱形状をなし、該内部空間の一端から流入した反応ガスを接触させて少なくとも活性種を生成するホットワイヤが該内部空間に設けられ、該内部空間の他端が前記メインチャンバの内部空間に直結し、前記活性種を粘性流として前記メインチャンバ側に一方向的かつ直線的に輸送するようにしている。ホットワイヤで生成した活性種は粘性流として輸送されるため失活が抑えられ、かつ、円柱形状の内部空間を形成されるため基板などの処理対象から離隔し、ホットワイヤから輻射熱による処理対象の温度上昇を抑える。この結果、ホットワイヤによって生成される活性種を用いた均一な成膜処理や、還元、エッチングなどの表面処理を高効率かつ精度よく行うことができる。

図１は、この発明の実施の形態であるホットワイヤ式処理装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、サブチャンバの詳細構成を示す模式図である。 図３は、図２に示したサブチャンバのＡ−Ａ線断面図である。 図４は、サブチャンバによって輸送される原子状水素密度の圧力依存性を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（ホットワイヤ式処理装置の全体構造）
図１は、この発明の実施の形態であるホットワイヤ式処理装置１の全体構造を示す模式図である。このホットワイヤ式処理装置１は、処理対象である基板２１の表面に、活性化した原子状水素のアシストによりＺｎＳｅを成膜する装置である。図１に示すように、ホットワイヤ式処理装置１は、メインチャンバ２、サブチャンバ３、原料ガス供給部４、反応ガス供給部５を有する。

メインチャンバ２は、内部に、ＳｉやＧａＡｓなどの基板２１が載置される載置台２０が設けられ、真空状態に維持される。この真空状態は、１０〜３０００Ｐａである。また、メインチャンバ２内には、原料ガス供給部４から、原料ガスであるジエチル亜鉛（ＤＥＺ）及びジエチルセレン（ＤＥＳｅ）が供給される。メインチャンバ２内の真空状態の形成は、可変バルブＶ２３を有した管路１９を介したロータリーポンプ４１の排気によってなされる。載置台２０にはヒータが内蔵され、図示しない温度センサの値をフィードバックしつつ、電源２２からヒータへの電源供給によって載置台２０は温度制御される。たとえば、載置台２０は、約３００℃に温度制御される。

サブチャンバ３は、内部空間が円柱形状を形成する円筒構造である。この円柱形状の内部空間の一端（図上上側）から、反応ガスである水素が反応ガス供給部５から供給される。円柱形状の内部空間の他端（図上下側）は、メインチャンバ２の内部空間に直結している。また、サブチャンバ３内には、タングステンによって形成されたホットワイヤ３１が設けられる。ホットワイヤ３１は、電源３２の通電により１０００〜２５００℃ぐらいに加熱され、流入した水素を活性種である原子状水素に分解する。分解生成された原子状水素は、不対電子を有しており活性化されている。この活性化された原子状水素は、１０〜３０００Ｐａの圧力範囲ではサブチャンバ３の内部空間広がりに比べて平均自由行程が短く、粘性流としてメインチャンバ２側に一方向的かつ直線的に輸送される。また、サブチャンバ３の側壁は、二重管構造の冷却部３３を構成し、外側側壁と内側側壁との間に冷媒Ｌ（図２参照）が流れ、この冷媒Ｌによって側壁を冷却して内部空間を冷却する。この冷媒Ｌは、冷却器３４によって冷却されるとともに循環される。さらに、サブチャンバ３は、非金属材料で形成され、例えば、ガラスで形成される。原子状水素は、金属に衝突すると失活して水素分子になりやすいが、非金属である場合には失活しにくいからである。

原料ガス供給部４は、バルブＶ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ２１が開状態、バルブＶ１１、Ｖ１３、Ｖ１４、Ｖ１５が閉状態、調整バルブＶ７が圧力調整状態で、キャリアガスとして窒素ガスを、マスフローコントローラ１２を介して液状ＤＥＺが満たされた容器１４に流入する。容器１４では、バブリングによって原料ガスであるジエチル亜鉛ガスが生成される。ジエチル亜鉛ガスは、管路１７を介して、メインチャンバ２内に供給される。

また、原料ガス供給部４は、バルブＶ３、Ｖ４、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ２２が開状態、バルブＶ１１、Ｖ１３、Ｖ１６、Ｖ１７が閉状態、調整バルブＶ１０が圧力調整状態で、キャリアガスとして窒素ガスを、マスフローコントローラ１３を介して、液状ＤＥＳｅが満たされた容器１５に流入する。容器１５では、バブリングによって原料ガスであるジエチルセレンガスが生成される。ジエチルセレンガスは、管路１８を介して、メインチャンバ２内に供給される。

反応ガス供給部５は、バルブＶ１、Ｖ２が開状態、バルブＶ１１、Ｖ１２が閉状態で、反応ガスである水素がマスフローコントローラ１０及び管路１６を介してサブチャンバ３内に供給される。

なお、バルブＶ３、Ｖ４、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３、Ｖ１４、Ｖ１５、Ｖ１６、Ｖ１７Ｖ２１、Ｖ２２が開状態、バルブＶ１、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ８、Ｖ９が閉状態、調整バルブＶ７、Ｖ１０が閉状態で、パージガスとしての窒素ガスがマスフローコントローラ１１などを介してメインチャンバ２及びサブチャンバ３側に流れる。

（成膜処理）
まず、基板２１を載置台２０に載置する。その後、ロータリーポンプ４１を起動してメインチャンバ２及びサブチャンバ３内を排気するとともにパージガスを流して真空状態にする。その後、載置台２０を約３００℃にして基板２１の温度も約３００℃にする。また、ホットワイヤ３１を約１８００℃にする。その後、反応ガス供給部５から反応ガスとしての水素を流量３０〜５０ｓｃｃｍでサブチャンバ３に流入し、サブチャンバ３で生成した原子状水素を粘性流としてメインチャンバ２に輸送する。一方、原料ガス供給部４から原料ガスとしてのジエチレン亜鉛ガス及びジエチレンセレンガスをメインチャンバ２内に供給する。ジエチレン亜鉛ガス生成のキャリアガス流量は１〜５ｓｃｃｍであり、ジエチレンセレンガス生成のキャリアガス流量は５〜１０ｓｃｃｍである。

メインチャンバ２内では、サブチャンバ３から輸送された原子状水素と、ジエチル亜鉛及びジエチルセレンとの衝突によって分解が促進され、それぞれ反応前駆体を生成する。これらの反応前駆体は、化学活性が高く、基板２１上で疑似平衡を形成し、約３００℃という低い温度の基板２１上でＺｎＳｅが成膜される。成膜が終了すると、パージガスを流し、基板２１を取り出す。

（サブチャンバの詳細）
図２は、サブチャンバ３の詳細構成を示す模式図である。図２に示すように、ホットワイヤ３１は、サブチャンバ３の内部空間３Ｅの円柱軸方向を軸とするスパイラル構造である。なお、ホットワイヤ３１は、タングステンであるが、電極としての銅ロッド３１ａに接続されている。ホットワイヤ３１は、線径０．５ｍｍ、長さ２２０ｍｍである。スパイラル構造であることから、コンパクトであるにもかかわらず、ワイヤ全体の表面積を大きくでき、しかも、メインチャンバ２内の基板２１への輻射面積を小さくすることができる。すなわち、ホットワイヤ３１の巻き数をｎとすると、従来の平面配置に比べ、約１／ｎの輻射面積とすることができる。図３は、図２に示したサブチャンバ３のＡ−Ａ線断面図である。図３に示すように、メインチャンバ２側の１巻き分がメインチャンバ２側への輻射面積となる。これにより、ホットワイヤ３１から基板２１への輻射熱Ｒ１を小さくすることができる。

また、ホットワイヤ３１と基板２１との距離を１００〜５００ｍｍとしており、従来の５０ｍｍ程度の距離に比して大きくすることができる。例えば、図２に示すように、ホットワイヤ３１と基板２１との距離Ｄを３００ｍｍとしている。これにより、ホットワイヤ３１から基板２１への輻射熱Ｒ１を小さくすることができる。

このホットワイヤ３１から基板２１への輻射熱Ｒ１の低減は、基板温度に影響を与えないため、成膜精度を上げることができる。特に、片持ち梁構造などを有するデバイスでは、輻射熱Ｒ１の影響によって、片持ち梁構造部分の温度上昇が大きくなり、他の部分との熱拡散に差が出るが、この実施の形態では、デバイス上でそのような温度差が生じないため、成膜精度を高くすることができる。

さらに、ホットワイヤ３１は、基板２１から遠くなるとともに、メインチャンバ２の内部空間２Ｅからも離隔している。そして、サブチャンバ３内の圧力は、１０〜３０００Ｐａで粘性流領域であり、原子状水素は、図２に示すように、粘性流Ａ１として原子間の衝突のみで気体の集団（塊）としてメインチャンバ２側に一方向的かつ直線的に輸送される。すなわち、上述したホットワイヤ３１とメインチャンバ２との離隔及び原子状水素の流れによって、メインチャンバ２内の反応種などのサブチャンバ３側への逆拡散Ａ２を抑制することができる。これによって、ホットワイヤ３１と逆拡散した反応種などとの化合物合成などによるホットワイヤ３１の分解機能低下を抑止し、安定した原子状水素の生成を行うことができる。また、ホットワイヤ３１と反応種などとの酸化蒸発によって基板２１上への再付着を防止でき、純度の高い成膜を行うことができる。

また、ホットワイヤ３１と基板２１との距離を大きくすることができるとともに、サブチャンバ３は冷却部３３によって側壁３ａが冷却されているため、輸送される原子状水素の温度は、ほぼ基板２１の温度程度となって基板温度に影響を与えない。

さらに、この粘性流Ａ１に加えて、上述したように、サブチャンバ３は非金属材料で形成されているため、側壁３ａでの原子状水素の失活が少なくなり、生成した原子状水素を保存した状態で高効率でメインチャンバ２側に輸送することができる。なお、原子状水素の高効率の輸送に加えて、上述した表面積の大きいホットワイヤ３１によって原子状水素を高効率で生成することができるため、水素の消費を抑えることができる。

図４は、サブチャンバ３によって輸送される原子状水素密度の圧力依存性を示す図である。なお、図４において○印は従来の装置による結果であり、●印は本実施の形態による結果である。また、図４では、水素流量を一定としている。図４に示すように、従来の装置では、原子状水素密度は圧力の上昇に伴って原子状水素のチャンバ壁面への入射頻度が高くなって、保存される原子状水素の密度が減少していた。本実施の形態では、サブチャンバ３内によって原子状水素を生成し、失活をなくしてメインチャンバ２内に輸送しているため、従来に比して大きな原子状水素の密度を得ることができた。具体的には、圧力２．７ｋＰａで１０^１３ｃｍ^−３という、従来に比して高い密度を得ている。

また、粘性流の流速は大きい方が好ましい。粘性流の流速が大きい場合は、サブチャンバ３での失活をさらになくして原子状水素を輸送することができ、メインチャンバ２からの逆拡散を防止することができるからである。

なお、サブチャンバ３内で生成される原子状水素は、流入される水素の数％程度である。

（金属酸化膜の還元及びフォトレジストの除去などの表面処理への応用）
上述した実施の形態では、成膜処理について説明したが、原料ガスを供給せず、反応ガスのみを供給することによって、活性種による金属酸化膜の還元やフォトレジストの除去などの表面処理を行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、反応ガスとして水素を例に挙げたが、これに限らず、ＮＨ_３やＮ_２、あるいはＺｎ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏなどを含む化合物材料を反応ガスとしてもよい。また、ホットワイヤ３１との酸化を抑えるため、反応ガスに酸素が含まれないことが望ましい。

また、ホットワイヤ３１は、タングステンであったが、これに限らず、イリジウムなどの他の素線であってもよい。

１ ホットワイヤ式処理装置
２ メインチャンバ
２Ｅ，３Ｅ 内部空間
３ サブチャンバ
４ 原料ガス供給部
５ 反応ガス供給部
１２，１３ マスフローコントローラ
１４，１５ 容器
１６，１７，１８，１９ 管路
２０ 載置台
２１ 基板
２２，３２ 電源
３１ ホットワイヤ
３１ａ 銅ロッド
３３ 冷却部
３４ 冷却器
４１ ロータリーポンプ
Ａ１ 粘性流
Ａ２ 逆拡散
Ｖ１〜Ｖ６，Ｖ８，Ｖ９，Ｖ１１〜Ｖ１７，Ｖ２１，Ｖ２２ バルブ
Ｖ７，Ｖ１０ 調整バルブ
Ｖ２３ 可変バルブ

Claims (8)

1. 内部に処理対象が載置される載置台が設けられ、真空状態に維持されるメインチャンバと、
   内部空間が円柱形状を形成する円筒構造であり、該内部空間の一端から流入した反応ガスを接触させて少なくとも活性種を生成するホットワイヤが該内部空間に設けられ、前記円筒構造の内径と前記メインチャンバの開口径とを同一にして該内部空間の他端が前記メインチャンバの内部空間に直結し、前記活性種を粘性流として前記メインチャンバ側に一方向的かつ直線的に輸送するサブチャンバと、
   前記サブチャンバの一端から前記反応ガスを流入する反応ガス供給部と、
   を備えたことを特徴とするホットワイヤ式処理装置。
2. 前記ホットワイヤは、前記サブチャンバの内部空間の円柱軸方向を軸とするスパイラル構造であることを特徴とする請求項１に記載のホットワイヤ式処理装置。
3. 前記サブチャンバは、側壁を冷却する冷却部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のホットワイヤ式処理装置。
4. 前記サブチャンバの内壁は、非金属材料で形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のホットワイヤ式処理装置。
5. 前記メインチャンバ及び前記サブチャンバの圧力は、１０〜３０００Ｐａに維持されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のホットワイヤ式処理装置。
6. 前記ホットワイヤと前記処理対象との距離は、１００〜５００ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のホットワイヤ式処理装置。
7. 前記メインチャンバ内に原料ガスを供給する原料ガス供給部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のホットワイヤ式処理装置。
8. 前記反応ガスは、水素であり、前記活性種は、原子状水素であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のホットワイヤ式処理装置。

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