JP6320903B2 - ノズル及びこれを用いた基板処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ノズル及びこれを用いた基板処理装置に関する。
従来から、半導体製造プロセスにおける成膜手法として、半導体ウェハー（以下「ウェハー」という）等の基板の表面に真空雰囲気下で第１の反応ガスを吸着させた後、供給するガスを第２の反応ガスに切り替えて、両ガスの反応により１層あるいは複数層の原子層や分子層を形成し、このサイクルを多数回行うことにより、これらの層を積層して、基板上への成膜を行うプロセスが知られている。このプロセスは、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法やＭＬＤ（Molecular Layer Deposition）法などと呼ばれており、サイクル数に応じて膜厚を高精度にコントロールすることができると共に、膜質の面内均一性も良好であり、半導体デバイスの薄膜化に対応できる有効な手法である。
このような成膜方法が好適である例としては、例えばＭＯＳトランジスタのゲートに用いられるゲート酸化膜の成膜が挙げられる。一例を挙げると、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を成膜する場合には、第１の反応ガス（原料ガス）として、例えばビスターシャルブチルアミノシラン（以下「ＢＴＢＡＳ」という）ガス等が用いられ、第２の反応ガス（酸化ガス）としてオゾン（Ｏ３）ガス等が用いられる。
かかるＡＬＤ法又はＭＬＤ法を実施する成膜装置として、例えば、処理容器内に設けられた円形の載置台上に周方向に複数枚の基板を載置し、載置台の周方向に、処理容器の側壁に設けたガスノズルから互いに異なる反応ガスが供給される複数の互いに区画された処理領域を設け、この載置台を回転させながら基板に対して処理領域毎に異なる反応ガスを供給することにより成膜を行う装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、近年の基板の大型化に伴い、例えばウェハーＷの場合には直径が３００ｍｍにもなる基板に対して成膜が行われる。従って既述のようにガスノズルを処理容器の側壁に設ける構成では、回転テーブルに載置されたウェハー全面に反応ガスを供給するために、側壁から回転テーブルの中央近傍までガスノズルを設ける必要があり、ガスノズルの長さが長くなってしまう。従って、処理容器の側壁にてガスノズルの基端側を固定すると、ガスノズルの先端側ではモーメントが大きくなり、自重によって下降し易くなってしまう。
ガスノズルが長いと、ガス供給源に近いガスノズルの基端側の方がその先端側よりもガスの吐出量が多くなり、処理容器の中央領域においては周縁領域よりも反応ガスの濃度が低くなるという問題を生ずる。そこで、ガスノズルの水平軸に対する傾きを調整して、ガスノズルの長さ方向におけるウェハーＷ表面との距離を調整することができる構成の成膜装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
ところで、近年、高誘電体膜を成膜するHigh-kプロセスが多用されるようになっているが、High-kプロセスに用いられる成膜ガス種においては、原料耐性が悪く、処理容器内の高温に原料が低温と同じ状態を維持できず、ウェハー吸着前の気相中で自己分解が発生し、成膜特性悪化を引き起こすという問題を生じた。具体的には、ガスノズルが処理容器の側壁に設けられ、回転テーブルの中心に向かって延在している場合、側壁側から原料ガスが供給されると、処理容器内部の高温により、原料ガスがガスノズルの先端に到達する前に自己分解が発生し、回転テーブルの中央付近で十分な成膜がなされず、膜厚の面内均一性が悪化するという問題を生じた。
このような問題は、上述の特許文献２に記載された単なるガスノズルの傾き調整で解消できるレベルの問題ではなく、原料ガスの自己分解を抑制するような構造のノズルを用いることが要請される。
そこで、本発明は、原料ガスの自己分解を抑制し、原料ガスを良好な状態で供給することができるノズル及びこれを用いた基板処理装置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ノズルは、流体を供給するためのノズルであって、
内部に管路が形成され、該管路の長手方向に沿って複数の流体吐出孔が形成された平面状の流体吐出面を有する管状部と、
前記管路内に前記長手方向に沿って延在して設けられ、前記管路を前記流体吐出面を含む第１の領域と、前記流体吐出面を含まず、前記流体吐出面から最も遠い位置に配置された領域を含む第２の領域とに仕切り、前記長手方向において前記複数の流体吐出孔よりも少ない数の分散穴が形成された仕切板と、
前記第２の領域に連通する流体導入路と、を有し、
前記管状部の先端は閉じており、
前記仕切板は前記管路の先端には形成されておらず、前記管路の先端に前記流体が前記第２の領域から前記第１の領域に折り返し進入可能な折り返し流路が形成されている。
内部に管路が形成され、該管路の長手方向に沿って複数の流体吐出孔が形成された平面状の流体吐出面を有する管状部と、
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前記管状部の先端は閉じており、
前記仕切板は前記管路の先端には形成されておらず、前記管路の先端に前記流体が前記第２の領域から前記第１の領域に折り返し進入可能な折り返し流路が形成されている。
本発明によれば、原料ガスを良好な状態で供給することができる。
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ノズルの一例の構成を示した断面図である。本発明の実施形態に係るノズル３０は、管状部３００と、管路３１０と、流体導入路３２０と、流体吐出孔３３０と、仕切板３４０とを有する。管状部３００は、内部に管路３１０を有し、管路３１０の下面には、流体吐出孔３３０が形成されている。管路３１０の内部の上面と下面との間には、仕切板３４０が設けられている。仕切板３４０により、管路３１０は、流体吐出孔３３０が形成された流体吐出面３３１を含む流体吐出領域３１１と、流体吐出孔３３０が形成された面を含まない流体通流領域３１２とに仕切られ、更に管路３１０は、先端付近で流体吐出領域３１１と流体通流領域３１２とを連通する折り返し流路３１３を含む。仕切板３４０は、板状に構成された仕切部３４１を有し、仕切部３４１の所定箇所には、分散穴３４２が形成されている。また、管状部３００の根元側の端部は、流体導入部３２０に接続されている。なお、ノズル３０は、基板処理装置等に用いられる場合には、処理容器内にガス等の流体を注入する手段として用いられることが多いので、ノズル３０をインジェクターと呼んでもよい。
管状部３００は、内部に流体が通流可能な管路３１０を有する管状の部分である。管状部３００の断面形状は、用途により種々の形状に構成されてよいが、例えば四角形状、好ましくは長方形状に構成されてもよい。本実施形態に係るノズルは、流体を供給する種々の用途に用いることができるが、例えば、ウェハー等の処理を行う基板処理装置に用いられてもよい。基板処理装置に本実施形態に係るノズルが用いられ、ノズルがウェハーの表面に対して水平に対向して設けられる場合であって、流体吐出孔３３０が管状部３００の長手方向のみならず幅方向についても複数設けられる場合、複数の流体吐出孔３３０からのウェハーの表面への距離を総て一定にすることが好ましい。よって、ウェハーと対向する管状部３００の外側の下面とウェハーとの距離が管状部３００の下面の総ての領域で一定となるように、つまり、ウェハーとの平行面を形成できるように、管状部３００は、長方形のような四角形に構成されてもよい。また、管状部３００を円管状又は円筒状に構成することも当然に可能であり、用途に応じて管状部３００の形状は種々の形状とすることができる。
管状部３００の下面には、複数の流体吐出孔３３０が設けられる。流体吐出孔３３０は、管状部３００の下面を貫通して外部と連通し、管路３１０を通流する流体を流体吐出孔３３０の対向領域に吐出供給するための孔である。流体吐出孔３３０は管状部３００の壁面を垂直に貫通する貫通孔として形成されてよい。流体吐出孔３３０の数は、用途により種々適切な数が選択されてよいが、例えば、ウェハーの表面上に成膜用の原料ガスを供給する場合には、数百個レベルで設けられ、例えば７００個程度設けられる。なお、流体吐出孔３３０の形状は、用途により種々の形状としてよいが、例えば、円形の断面形状を有してもよい。
流体吐出孔３３０は、種々の配置とされてよいが、例えば、長手方向において所定の間隔を有して構成されてもよい。ノズル３０の長手方向において均一な流体供給を確保するため、流体吐出孔３３０は、長手方向において所定の距離を有して等間隔で形成されてもよい。また、流体吐出孔３３０は、ノズル３０の幅方向において複数形成されてもよく、流体吐出孔３３０の長手方向に沿って配列された列が、複数列形成されてもよい。なお、この点の詳細については後述する。
仕切板３４０は、管路３１０の内部空間及び内周面を仕切るように、管路３１０の上側の面と下側の面との間の中間位置に、管路３１０を形成する管状部３００の内周面に接合固定して設けられる。具体的には、仕切板３４０は、管路３１０の内部空間及び内周面を、流体吐出孔３３０を含む流体吐出孔３３０側の流体吐出領域３１１と、流体吐出孔３３０を含まない流体吐出孔３３０と反対側の流体通流領域３１２とに仕切り、分離区画する。更に、仕切板３４０は、管路３１０の先端部には形成されず、これにより、流体吐出領域３１１と流体通流領域３１２とを連通する折り返し流路３１３が形成される。
仕切板３４０は、板状の仕切部３４１と、仕切部３４１に形成された分散穴３４２とを有する。分散穴３４２は、管状部３００及び管路３１０の長手方向において、流体吐出孔３３０よりも少ない数だけ形成される。より詳細には、分散穴３４２は、流体吐出孔３３０よりも径が大きく、管状部３００及び管路３１０の長手方向において隣接する流体吐出孔３３０同士の間隔よりも広い間隔を有して形成される。よって、必然的に、分散穴３４２の数は、流体吐出孔３３０の数よりも少なくなる。
仕切板３４０は、流体導入路３２０から原料ガス等の流体が導入されたときに、流体が管路３１０の途中で自己分解してしまい、先端側に原料ガスが到達できないことを防ぐために設けられている。つまり、仕切板３４０を設けない従来のノズルを用いて処理室内でウェハー上に成膜処理等を行う場合、成膜用の原料ガスをノズルから供給する際、処理室内の高温、圧力、供給する原料ガスの流量等の関係から、原料ガスがノズルの先端に到達する前に自己分解してしまう現象が発生し、先端に原料ガスが十分に供給されず、ウェハー上に成膜された膜の膜厚面内均一性が低下してしまう場合がある。そのような事態を防ぐべく、本実施形態に係るノズル３０では、管路３１０内に仕切板３４０を設け、原料ガスの自己分解を防止している。具体的には、仕切板３４０を設けることにより、流体導入路３２０から導入された原料ガスは、流体通流領域３１２に入り込み、原料ガスの一部は流体通流領域３１２に沿って進み、折り返し流路３１３を経て流体吐出領域３１１に到達し、ノズル３０の先端側から根元側に向かって順に流体吐出孔３３０に到達し、吐出される。つまり、仕切板３４０を設けたことにより、折り返し構造を有する管路３１０を形成することができ、ノズル３０の先端側の流体吐出孔３３０から根元側の流体吐出孔３３０に向かって原料ガスを供給してゆく流れを作ることができる。一方、流体導入路３２０から導入されて流体通流領域３１２に到達した原料ガスの一部は、ノズル３０の根元側から先端側に向かって流体通流領域３１２を進んでいる途中に、分散穴３４２から流体吐出領域３１１に到達し、吐出される。
そして、ノズル３０から原料ガスを供給する際、処理室内な一般的に高温とされているが、流体吐出孔３３０はノズル３０の筒状部３００の下面側に形成されており、それらが仕切板３４０で覆われた形状となっているので、流体吐出孔３３０を経てノズル３０の管路３１０内に伝達される熱は、仕切板３４０で遮蔽されることになり、流体通流領域３４２にある原料ガスの直接的な加熱を防ぐことができる。よって、流体通流領域３４２にある原料ガスは、自己分解しない状態で管路３１０の先端まで到達することができ、管路３１０の先端側の流体吐出孔３３０から順次原料ガスが吐出される流れを形成することができる。上述のように、分散穴３４２から流体吐出領域３１１に到達する原料ガスもあるので、ノズル３０の根元側の流体吐出孔３３０からの原料ガスの供給と、先端側の流体吐出孔３３０からの原料ガスの供給の２つの流れを同時に形成することができ、原料ガスの供給をノズル３０の長手方向において均一化することができる。
また、仕切板３４０の分散穴３４２の大きさ、配置を用途に応じて種々変更することにより、ノズル３０の先端側と根元側における原料ガスの吐出量の分布、管路３１０内の圧力及びその分布、管路３１０内の温度及びその分布等を種々調整することができる。例えば、分散穴３４２の間隔を、ノズル３０の根元側から先端側に移動するにつれて、広くなるような配置としてもよい。
仕切板３４０は、流体導入路３２０との接合部においては、分散穴３４２を有さず、仕切部３４１と流体導入路３２０の内周面とが連続的に接続される構成とすることが好ましい。基本的に、ノズル３０の根元側は原料ガスの供給量が先端側と比して多くなる傾向にあるので、流体導入路３２０から導入された原料ガスを一旦流体流通領域３１２内に保持し、調整可能な分散穴３４２を経てノズル３０の根元側にも原料ガスを供給した方が、原料ガスのノズル３０の長さ方向における供給バランスを調整し易いからである。
また、仕切板３４０は、種々の配置とされてよいが、流体吐出孔３３０が形成されている流体吐出面３３１が平面の場合には、流体吐出面３３１と平行となるように配置されることが好ましい。また、流体吐出面３３１が曲面の場合には、流体吐出孔３３０に関して対称となるように仕切板３４０を配置することが好ましい。これにより、流体吐出領域３１１及び流体通流領域３１２を流体吐出孔３３０に対して対称な配置とすることができ、均一な原料ガスの供給が可能となる。
なお、上述の例は、成膜装置の原料ガス供給ノズルに本実施形態に係るノズル３０を適用する例を挙げて説明したが、本実施形態に係るノズルは、気体のみならず液体をも含む流体に適用可能である。
また、仕切板３４０は、流体の進行を妨げ、流体の流れを調整する板でもあるので、邪魔板又はバッフルと呼んでもよい。
流体導入路３２０は、流体供給源から流体をノズル３０内の管路３１０に導くための流路であり、管路３１０の流体通流領域３１２と接続される。よって、流体導入流路３２０は、断面形状が、流体通流領域３１２の断面形状と同一であることが好ましいが、流体通流領域３１２と連通していれば、種々の構成とすることができる。
流体吐出孔３３０を含む筒状部３００と流体導入路３２０とは、一体的に構成されることが好ましい。仕切板３４０も、筒状部３００と別体構成とし、管路３１０内に接合するか取り付け固定することも可能であるが、仕切板３４０と筒状部３００の内周面との間に隙間等が生じないように、最初から筒状部３３０及び流体導入路３２０とともに一体的に形成されることが好ましい。これらの材料については、用途に応じて種々の材料から選択することが可能であるが、例えば、石英が選択されてもよい。成膜処理装置等の基板処理装置のノズルには、石英が用いられる場合が多いので、基板処理装置用のノズル３０として用いる場合には、ノズル３０全体を石英で一体構成してもよい。
図２は、本発明の実施形態に係るノズル３０の一例の構成を示した透過的斜視図である。図２で示したノズル３０は、図１で説明したノズル３０と同様の構成要素を有するが、図１で簡略的に示された部分をより詳細に示している。なお、図２は、ノズル３０の先端部分を示している。
図２に示すように、流体吐出孔３３０は、ノズル３０の長手方向のみならず、幅方向においても複数設けられてもよい。これにより、流体吐出孔３３０の長手方向に沿った列が、複数列構成され、ノズル３０の幅方向においても均一な流体の吐出供給が可能となる。また、図２に示すように、ノズル３０の幅方向に隣接する流体吐出孔３３０同士は、長手方向における位置（長手方向に投影した正射影）が異なるように配置されてもよい。図２においては、長手方向に所定間隔を有して配列された流体吐出孔３３０の列が４列形成された例が示されているが、４列同士の流体吐出孔３３０の配置は、長手方向において僅かにずれ、幅方向において４個の流体吐出孔３３０による斜めの列が形成され、これが平行に多数並んだ配置となっている。このように、長手方向に沿って所定間隔を有して配置された流体吐出孔３３０の列同士は、長手方向において互いに僅かにずれた異なる位置に配置され、長手方向においても幅方向においても全体を均一にカバーするように配置されてもよい。これにより、より均一な流体の供給が可能となる。
なお、流体吐出孔３３０は、図２に示すように、筒状部３１０の下面を貫通するように円柱形の小さい孔として、筒状部３１０の下面を万遍なくカバーするように高密度で形成されている。流体吐出孔３３０の数は、用途に応じて種々変化してよいが、図２に示すように、流体吐出面３３１を万遍なく覆うような密度で形成されることが好ましく、長さが５０ｃｍ程度のノズル３０として構成される場合、約７００個の流体吐出孔３３０が形成されてもよい。
図２に示すように、仕切板３４０は、管路３１０の内周面の側面に端面が接合されるような板状の形状で、ノズル３０の長手方向に沿って延在して設けられてよい。長手方向に延び、流体吐出領域３１１と、流体通流領域井３１２とを長手方向に沿って仕切るとともに、途中に設けられた分散穴３４２で、流体吐出領域３１１と流体通流領域井３１２とを連通する。分散穴３４２は、流体吐出孔３３０よりも遥かに大きい径を有し、複数の流体吐出孔３３０を包含できる程の大きさである。また、分散穴３４２は、幅は仕切板３４０の仕切部３４１と同じ幅を有し、幅方向には１つのみ形成され、幅方向に複数形成可能な流体吐出孔３３０とは異なる。但し、用途によっては、分散穴３４２を幅方向に複数形成するような構成としてもよい。
また、分散穴３４２の形成間隔は、流体吐出孔３３０よりも遥かに大きい。分散穴３４０は、上述の５０ｃｍ程度のノズル３０であれば、１０個以下の個数が仕切板３４０に形成され、例えば、７個程度の分散穴３４２が形成されてもよい。なお、図２において、分散穴３４２の形状は、ノズル３０の長手方向に沿って長い長方形と円を合わせたような全体としては楕円に近い形状に構成されているが、用途に応じて種々の形状に構成してよい。
管路３１０の先端には、折り返し流路３１３が形成されているが、管路３１０の先端は、丸め加工されて曲面的な内周面を有してもよい。これにより、流体の折り返しをスムーズな流れとすることができる。
このように、本実施形態に係るノズル３０は、分散穴３４２を有する仕切板３４０を備える限り、種々の形状に構成することができる。
図３は、成膜装置の原料ガスノズルに要求される原料ガス吐出分布の一例を示した図である。図３において、横軸のＮはノズルの根元側を示し、ＡＮはノズルの先端側を示す。また、縦軸は原料ガス吐出量の分布及び成膜された膜の膜厚分布を示している。表面にトレンチ、ビア等の配線パターンが形成されたウェハーを成膜する場合、図３の実線で示す特性曲線Ｇのように、中央よりもやや先端側に原料ガス吐出量のピークがあり、そのピークに関して略対称に原料ガス吐出量が低下し、ノズルの根元側で最も原料ガスの吐出量が低くなるような上に凸の曲線の流量分布となった時に、破線に示すように膜厚の均一性が最も良好となることが知られている。
よって、ノズルの吐出量分布を測定し、図３の実線に示す特性曲線Ｇを再現できれば、良好な膜厚均一性が得られるノズルが実現できたことになる。
図４は、本発明の実施形態に係るノズル３０をシミュレートしたシミュレーション結果を示す図である。図４において、ドットＡが本実施形態に係るノズル３０を用いてＮ２ガスを３００ｓｃｃｍの流量で供給した場合の吐出量分布であり、ドットＢが本実施形態に係るノズル３０を用いてＡｒガスを１０００ｓｃｃｍの流量で供給した場合の吐出量分布である。また、比較例として、ドットＣが、仕切板３４０を有しない従来のノズルを用いてＮ２ガスを３００ｓｃｃｍの流量で供給した場合の吐出量分布であり、ドットＤが仕切板３４０を有しない従来のノズルを用いてＡｒガスを１０００ｓｃｃｍの流量で供給した場合の吐出量分布である。
図４に示されるように、本実施形態に係るノズル３０を用いたドットＡ及びドットＢは、特性曲線Ｇに近い分布をしている。一方、比較例に係るノズルを用いたドットＣ及びドットＤは、左肩上りかつ右肩下がりの特性曲線Ｇとは大きく異なる分布となっている。
よって、本実施形態に係るノズル３０は、膜厚面内均一性に優れた成膜を実現できるノズルであることがこのシミュレーション結果から分かる。このように、本実施形態に係るノズル３０によれば、管状部３００の内部の管路３１０内に調整可能な分散穴３４２を有する仕切板３４０を設けることにより、流体の吐出量分布を所望の分布とすることができ、種々の基板処理に適切な吐出量分布で流体を吐出供給することができる。
次に、図５乃至図９を用いて、本発明の実施形態に係るノズル３０を基板処理装置に適用した実施形態について説明する。ここで、本発明の実施形態に係る基板処理装置は、本所謂回転テーブル式（後述）のサセプタを用いた基板処理装置であって、流体を所定の供給領域に向けて供給することによって、複数の基板の表面上に成膜を行う成膜装置を例に挙げて説明するが、基板を載置するサセプタは必ずしも回転テーブル式である必要は無いし、基板処理の内容も成膜である必要は無く、ノズルを用いた種々の基板処理装置に適用可能である。
なお、図５は、基板処理装置の断面図であり、図７のＩ−Ｉ'線に沿った断面を示している。図６及び図７は、処理室１（後述）内の構造を説明する図である。図６及び図７は、説明の便宜上、天板１１（後述）の図示を省略している。
図８は、処理ガスノズル３０（後述）から処理ガスノズル３２（後述）までのサセプタ２（後述）の同心円に沿った処理室１の断面図である。図９は、天井面４４（後述）が設けられる領域を示す一部断面図である。処理ガスノズル３０は、本発明の実施形態に係るノズル３０と同様の構成を有し、分散穴３４２を有する仕切板３４０を管路３１０の内部に備えたノズル３０である。
図５乃至図７に示すように、本発明の第１の実施形態に係る基板処理装置は、ほぼ円形の平面形状を有する扁平な処理室１と、処理室１内に設けられるサセプタ２と、基板処理装置全体の動作（例えば処理ガスノズル３０、３２のガス供給タイミング）を制御する制御部１００（制御手段）とを備える。
処理室１は、有底の円筒形状を有する容器本体１２と、容器本体１２の上面に気密に着脱可能に配置される天板１１とを備える。天板１１は、例えばＯリングなどのシール部材１３（図５）を介して気密に着脱可能に配置され、処理室１内の気密性を確保する。
サセプタ２は、処理室１の中心を回転中心に、ケース体２０に収納されている円筒形状のコア部２１に固定される。サセプタ２は、複数の基板（以下、「ウェハーＷ」という。）が載置される載置部を上面に有する。
ケース体２０は、その上面が開口した筒状のケースである。ケース体２０は、その上面に設けられたフランジ部分を処理室１の底部１４の下面に気密に取り付けられている。ケース体２０は、その内部雰囲気を外部雰囲気から隔離する。
コア部２１は、鉛直方向に伸びる回転軸２２の上端に固定されている。回転軸２２は、処理室１の底部１４を貫通する。また、回転軸２２の下端は、回転軸２２を鉛直軸回りに回転させる駆動部２３に取り付けられる。更に、回転軸２２及び駆動部２３は、ケース体２０内に収納されている。
図７に示すように、サセプタ２の表面は、回転方向（周方向）に沿って複数（本実施形態では５枚）のウェハーＷを載置するための円形状の複数の凹部２４（基板載置領域）を有する。ここで、図７では、便宜上、１個の凹部２４だけにウェハーＷを図示する。なお、本発明に用いることができるサセプタ２は、複数の基板として、４枚以下又は６枚以上のウェハーＷを載置する構成であってもよい。
凹部２４は、本実施形態では、ウェハーＷの直径（例えば３００ｍｍ）よりも僅かに大きい内径（例えば４ｍｍ大きい内径）とする。また、凹部２４は、ウェハーＷの厚さにほぼ等しい深さとする。これにより、本実施形態に係る基板処理装置は、凹部２４にウェハーＷを載置すると、ウェハーＷの表面とサセプタ２の表面（ウェハーＷが載置されない領域）とを略同じ高さにすることができる。
本実施形態に係る基板処理装置において、処理ガスノズル３０は、第１のガス供給部であり、サセプタ２の上方において区画される第１の処理領域（後述）に配置される。上述のように、処理ガスノズル３０は、本実施形態に係るノズル３０であり、本実施形態に係る基板処理装置の原料ガスを供給する処理ガスノズル３０として用いられる。処理ガスノズル３２は、第２のガス供給部であり、サセプタ２の周方向に沿って第１の処理領域から離間する第２の処理領域（後述）に配置される。分離ガスノズル４１、４２は、分離ガス供給部であり、第１の処理領域と第２の処理領域との間に配置される。なお、処理ガスノズル３０等は、例えば石英からなるノズルを用いてもよい。
具体的には、図６及び図７に示すように、本実施形態に係る基板処理装置は、処理室１の周方向に間隔をおいて、基板搬送用の搬送口１５から時計回り（サセプタ２の回転方向）に処理ガスノズル３２、分離ガスノズル４１、処理ガスノズル３０及び分離ガスノズル４２の順に配列する。これらのノズル３０、３２、４１及び４２は、それぞれの基端部であるガス導入ポート３０ａ、３２ａ、４１ａ及び４２ａ（図７）を容器本体１２の外周壁に固定している。また、ガスノズル３０、３２、４１及び４２は、処理室１の外周壁から処理室１内に導入される。更に、ガスノズル３０、３２、４１及び４２は、容器本体１２の半径方向に沿ってサセプタ２の中心方向に、且つ、サセプタ２に対して平行に伸びるように取り付けられる。
処理ガスノズル３０、３２は、サセプタ２に向かって下方に開口する複数のガス吐出孔３３０（図８参照）を備える。処理ガスノズル３０、３２は、そのノズルの長さ方向に沿って、例えば１０ｍｍの間隔で開口を配列することができる。これにより、処理ガスノズル３０の下方領域は、ウェハーＷに第１の処理ガスを吸着させる領域（以下、「第１の処理領域Ｐ１」という。）となる。また、処理ガスノズル３２の下方領域は、ウェハーＷに吸着している第１の処理ガスに第２の処理ガスを反応させ、第１の処理ガスと第２の処理ガスとの反応生成物を堆積させる領域（以下、「第２の処理領域Ｐ２」という。）となる。なお、第１の処理ガスには、例えば、高誘電体膜（High-k膜）を成膜するために用いられる有機金属ガス等の原料ガスが用いられてもよく、例えば、トリ（ジメチルアミノ）シクロペンタジエニルジルコニウム（Ｃ１１Ｈ２３Ｎ３Ｚｒ）等のガスが用いられてもよい。また、第２の処理ガスには、酸化ガス（例えばＯ２ガス又はＯ３ガス）、窒化ガス（例えばＮＨ３ガス）等の反応ガスが用いられてもよい。一般に、自己分解は、高誘電体膜を成膜する際の有機金属ガスからなる原料ガスの供給において多く発生するので、High-k膜の成膜において、本実施形態に係る処理ガスノズル３０を用いるのは非常に効果的である。但し、第１の処理ガスには、上述のガスに限定されるものではなく、種々のガスが用いられてよい。
処理ガスノズル３２は、サセプタ２の上面の上方において区画される第２の処理領域Ｐ２に配置される。処理ガスノズル３２は、不図示の配管等を介して、第２の処理ガスの供給源（不図示）に接続されている。すなわち、処理ガスノズル３２は、サセプタ２の上面に向けて第２の処理ガスを供給する。処理ガスノズル３２は、本実施形態では、開閉バルブ（不図示）を相補的に開閉することにより、第２の処理ガスを処理室１（第２の処理領域Ｐ２）内へ供給する。
分離ガスノズル４１、４２は、周方向に沿って離間して設けられた第１の処理領域Ｐ１と第２の処理領域Ｐ２との間に夫々設けられる。分離ガスノズル４１、４２は、不図示の配管等を介して、分離ガスの供給源（不図示）に接続されている。すなわち、分離ガスノズル４１、４２は、サセプタ２の上面に対して分離ガスを供給する。
第２の処理ガスとしては、第１の処理ガスと反応する種々の反応ガスが用いられてよいが、例えば、酸素を含有するガスを用いてもよい。酸素を含有するガスは、例えば酸素ガス又はオゾンガスである。すなわち、処理ガスノズル３０から供給されて基板に吸着した第１の処理ガスは、処理ガスノズル３２から供給された第２の処理ガスにより酸化され、酸化物を生成する。
本実施形態に係る基板処理装置は、分離ガスとして、不活性ガスを用いる。不活性ガスは、例えばＡｒやＨｅなどの希ガス又は窒素ガスである。分離ガスは、ウェハーＷをパージするパージガスとして用いられる。なお、本実施形態においては、パージガスとして一般的に用いられるＮ２ガスを分離ガスとして用いた例を挙げて説明する。
図６及び図７に示すように、本実施形態に係る基板処理装置の処理室１内には、２つの凸状部４が設けられている。凸状部４は、頂部が円弧状に切断された略扇型の平面形状を有する。凸状部４は、本実施形態では、内円弧が突出部５に連結する。また、凸状部４は、外円弧が処理室１の容器本体１２の内周面に沿うように配置されている。
具体的には、凸状部４は、図８に示すように、天板１１の裏面に取り付けられる。また、凸状部４は、その下面である平坦な低い天井面４４（第１の天井面）と、この天井面４４の周方向両側に位置する天井面４５（第２の天井面）とを有する。ここで、凸状部４の天井面４５は、天井面４４よりも高い天井面である。これにより、凸状部４は、処理室１内に、狭い空間である分離空間Ｈと、分離空間Ｈからガスを流入される空間４８１及び空間４８２とを形成する。すなわち、凸状部４は、形成した狭い空間である分離空間Ｈを後述する図６に示す分離領域Ｄとして機能させる。
また、図８に示すように、凸状部４は、周方向中央に溝部４３を有する。溝部４３は、サセプタ２の半径方向に沿って延びている。また、溝部４３は、分離ガスノズル４２が収容されている。もう一つの凸状部４にも同様に溝部４３が形成され、ここに分離ガスノズル４１が収容されている。
なお、分離ガスノズル４２の下面、即ちサセプタ２との対向面には、ガス吐出孔４２ｈが形成されている。ガス吐出孔４２ｈは、分離ガスノズル４２の長手方向に沿って所定の間隔（例えば１０ｍｍ）をあけて複数個形成されている。また、ガス吐出孔４２ｈの開口径は、例えば０．３から１．０ｍｍである。図示を省略するが、分離ガスノズル４１にも同様にガス吐出孔４２ｈが形成されている。
更に、図８に示すように、本実施形態に係る基板処理装置は、高い天井面４５の下方の空間に、処理ガスノズル３０、３２をそれぞれ設ける。これらの処理ガスノズル３０、３２は、天井面４５から離間してウェハーＷの近傍に設けられている。なお、図８に示すように、処理ガスノズル３０は空間４８１（高い天井面４５の下方の空間）内に設けられ、処理ガスノズル３２は空間４８２（高い天井面４５の下方の空間）に設けられている。
低い天井面４４は、狭い空間である分離空間Ｈをサセプタ２に対して形成している。分離ガスノズル４２から不活性ガス（例えばＮ２ガス）が供給されると、この不活性ガスは、分離空間Ｈを流通して、空間４８１及び空間４８２へ向かって流出する。ここで、分離空間Ｈの容積は空間４８１及び４８２の容積よりも小さいため、本実施形態に係る基板処理装置は、空間４８１及び４８２の圧力と比較して、供給した不活性ガスを用いて分離空間Ｈの圧力を高くすることができる。すなわち、空間４８１及び４８２の間隙において、分離空間Ｈは圧力障壁を形成する。
更に、分離空間Ｈから空間４８１及び４８２へ流出した不活性ガスは、第１の処理領域Ｐ１の第１の処理ガスと、第２の処理領域Ｐ２の第２の処理ガスとに対してカウンターフローとして働く。従って、本実施形態に係る基板処理装置は、分離空間Ｈを用いて、第１の処理領域Ｐ１の第１の処理ガスと、第２の処理領域Ｐ２の第２の処理ガスとを分離する。即ち、本実施形態の基板処理装置は、処理室１内において第１の処理ガスと、第２の処理ガスとが混合して反応することを抑制する。
なお、サセプタ２の上面に対する天井面４４の高さｈ１は、成膜時の処理室１内の圧力、サセプタ２の回転速度及び／又は供給する分離ガス（Ｎ２ガス）の供給量などに基づいて、分離空間Ｈの圧力を空間４８１及び４８２の圧力に比べて高くするのに適した高さとすることができる。また、サセプタ２の上面に対する天井面４４の高さｈ１は、基板処理装置の仕様及び供給するガスの種類に対応した高さとすることができる。更に、サセプタ２の上面に対する天井面４４の高さｈ１は、予め実験又は計算等で定められる高さとすることができる。
図６及び図７に示すように、天板１１の下面には、サセプタ２を固定するコア部２１の外周を囲むように突出部５が設けられている。突出部５は、本実施形態では、凸状部４における回転中心側の部位と連続しており、その下面が天井面４４と同じ高さに形成されている。
図６に示すように、略扇型の凸状部４の周縁部（処理室１の外縁側の部位）には、サセプタ２の外端面に対向するようにＬ字型に屈曲する屈曲部４６が形成されている。屈曲部４６は、サセプタ２と容器本体１２の内周面との間の空間を通して、空間４８１及び空間４８２の間でガスが流通するのを抑制する。扇型の凸状部４は天板１１に設けられる。
本実施形態に係る基板処理装置は、天板１１を容器本体１２から取り外すことができるので、屈曲部４６の外周面と容器本体１２との間には僅かな隙間を有する。基板処理装置は、屈曲部４６の内周面とサセプタ２の外端面との隙間、及び、屈曲部４６の外周面と容器本体１２との隙間を、例えばサセプタ２の上面に対する天井面４４の高さと同様の寸法に設定することができる。
再び図７を参照すると、サセプタ２と容器本体の内周面との間において、空間４８１（図８）と連通する第１の排気口６１０と、空間４８２（図８）と連通する第２の排気口６２０とが形成されている。第１の排気口６１０及び第２の排気口６２０は、図５に示すように、各々排気管６３０を介して、真空排気手段（例えば真空ポンプ６４０）に接続されている。なお、排気管６３０の真空排気手段６４０までの経路中に圧力調整器６５０が設けられる。
サセプタ２と処理室１の底部１４との間の空間には、図５及び図９に示すように、加熱手段であるヒータユニット７が設けられる。サセプタ２を介してサセプタ２上のウェハーＷが、プロセスレシピで決められた温度（例えば４５０℃）に加熱される。サセプタ２の周縁付近の下方側には、サセプタ２の下方の空間へガスが侵入するのを抑えるために、リング状のカバー部材７１が設けられている。
図９に示すように、カバー部材７１は、サセプタ２の外縁部及び外縁部よりも外周側を下方側から臨むように設けられた内側部材７１ａと、この内側部材７１ａと処理室１の内壁面との間に設けられた外側部材７１ｂと、を備えている。外側部材７１ｂは、凸状部４の外縁部に形成された屈曲部４６の下方にて、屈曲部４６と近接して設けられる。内側部材７１ａは、サセプタ２の外縁部下方（及び外縁部よりも僅かに外側の部分の下方）において、ヒータユニット７を全周に亘って取り囲んでいる。
図５に示される制御部１００は、基板処理装置の各構成に動作を指示し、各構成の動作を制御する手段である。本実施形態に係る基板処理装置では、制御部１００は、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータから構成される。制御部１００は、例えば記憶部１０１に記憶されたプログラムを実行し、ハードウェアと協働することで、複数の基板の表面を成膜する。なお、制御部１００は、一般的なＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）及びメモリ（例えば、ROM、RAM）等を含む演算処理装置で構成することができる。
具体的には、制御部１００は、内蔵するメモリ内に、後述する基板処理方法を基板処理装置に実施させるためのプログラムを格納することができる。このプログラムは、例えばステップ群を組まれている。制御部１００は、媒体１０２（ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなど）に記憶されている上記プログラムを記憶部１０１へ読み込み、その後、制御部１００内にインストールすることができる。
次に、かかる基板処理装置を用いて成膜処理を行う手順について説明する。
まず、サセプタ２の上面に設けられた複数の凹部２４上の各々に、ウェハーＷが載置される。具体的には、先ず、図示しないゲートバルブを開き、搬送アーム１０（図４）を用いて、搬送口１５を介して、ウェハーＷをサセプタ２の凹部２４内に受け渡す。凹部２４が搬送口１５に臨む位置に停止したときに凹部２４の底面の貫通孔を介して、処理室１の底部側から不図示の昇降ピンを昇降させることによって、基板Ｗの受け渡しを行ってもよい。また、サセプタ２を間欠的に回転させ、サセプタ２の複数（本実施形態では、５つ）の凹部２４内に夫々ウェハーＷを載置する。
次に、処理室１内の所定の圧力に設定した後、分離ガスが処理室１内に供給される。より具体的には、ゲートバルブを閉じ、真空ポンプ６４０を用いて真空容器１を最低到達真空度まで排気した後に、分離ガスノズル４１，４２から分離ガス（例えばＮ２ガス）を所定の流量で供給させる。このとき、分離ガス供給管５１及びパージガス供給管７２、７２（図５）からも分離ガスを所定の流量で供給させる。また、圧力調整器６５０を用いて、処理室１内を予め設定した処理圧力に調整することができる。次に、サセプタ２を例えば時計回りの方向に回転させながら、ヒータユニット７を用いてウェハーＷを加熱する。
次に、第１の処理ガスノズル３０及び第２の処理ガスノズル３２から、処理ガスの供給が開始される。第１及び第２の処理ガス供給の開始により、ウェハーＷの処理が行われる。第１の処理領域Ｐ１内で第１の処理ガスノズル３０から原料ガスが供給されてウェハーＷの表面に吸着し、第２の処理領域Ｐ２内で第２の処理ガスノズル３２からウェハーＷ上に吸着した原料ガスと反応する反応ガスが供給される。そして、原料ガスと反応ガスとの反応生成物がウェハーＷ上に堆積し、分子層がウェハーＷ上に堆積する。なお、サセプタ２の回転により、ウェハーＷは、第１の処理領域Ｐ１、分離領域Ｄ、第２の処理領域Ｐ２、分離領域Ｄを周期的に通過し、通過する度に成膜が行われてゆく。第１の処理ガスノズル３０から供給される高誘電体膜の成膜用の原料ガスが供給された場合であっても、原料ガスは自己分解せず、図３、４で説明した吐出量分布で吐出供給される。そして、高い膜厚面内均一性を有して高誘電体膜の成膜が行われる。所定の膜厚に到達したら、第１の処理ガスノズル３０から第１の処理ガスである原料ガスの供給が停止され、第２の処理ガスノズル３２からは必要に応じて酸化ガス又は窒化ガスの供給が継続して行われ、膜のトリートメントが行われる。なお、トリートメントは、不要であれば行わず、第１の処理ガス及び第２の処理ガスの供給を同時に停止してもよい。
第１の処理ガスノズル３０及び第２の処理ガスノズル３２から処理ガスの供給を終了した後には、ウェハーＷの搬入と逆の手順でウェハーＷが処理室１から搬出される。具体的には、図示しないゲートバルブを開き、搬送アーム１０（図４）を用いて、搬送口１５を介して、成膜された基板Ｗを搬出する。搬入工程と同様に、不図示の昇降ピンなどを用いて、ウェハーＷを搬出する。
このようにして成膜が行われるが、原料ガスが自己分解されずに所望の吐出量分布で供給されるため、高い面内均一性を維持しつつ成膜を行うことができ、高品質な膜を成膜することができる。
また、基板処理装置は、成膜に限らず種々の基板処理を行う基板処理装置であってよいし、流体も、ガスに限らず液体等を用いた場合であっても、本実施形態に係るノズルを適用することができる。その場合、理想的な吐出量分布は処理の種類に応じて異なるので、処理毎に適切な吐出量分布を有するように仕切板３４０、分散穴３４２等のノズルの構造、処理室内の温度、圧力といったプロセス条件を種々適切に調整してよい。本実施形態に係るノズル３０は、仕切板３４０の分散穴３４２の大きさ、配置等を種々調整できるので、そのような種々の条件に柔軟かつ適切に対応することができる。また、本実施形態においては、ノズル３０が原料ガスに用いられる例を挙げて説明したが、ガスの種類も問わず、酸化ガス、窒化ガス等の反応ガスに適用することも可能である。
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。
１ 処理室
２ サセプタ
２４ 凹部（基板載置領域）
３０、３２ 処理ガスノズル
４１、４２ 分離ガスノズル
１００ 制御部
３００ 管状部
３１０ 管路
３１１ 流体吐出領域
３１２ 流体通流領域
３１３ 折り返し流路
３２０ 流体導入路
３３０ 流体吐出孔
３４０ 仕切板
３４１ 仕切部
３４２ 分散穴
Ｐ１、Ｐ２ 処理領域
Ｗ ウェハー
２ サセプタ
２４ 凹部（基板載置領域）
３０、３２ 処理ガスノズル
４１、４２ 分離ガスノズル
１００ 制御部
３００ 管状部
３１０ 管路
３１１ 流体吐出領域
３１２ 流体通流領域
３１３ 折り返し流路
３２０ 流体導入路
３３０ 流体吐出孔
３４０ 仕切板
３４１ 仕切部
３４２ 分散穴
Ｐ１、Ｐ２ 処理領域
Ｗ ウェハー
Claims (20)
- 流体を供給するためのノズルであって、
内部に管路が形成され、該管路の長手方向に沿って複数の流体吐出孔が形成された平面状の流体吐出面を有する管状部と、
前記管路内に前記長手方向に沿って延在して設けられ、前記管路を前記流体吐出面を含む第１の領域と、前記流体吐出面を含まず、前記流体吐出面から最も遠い位置に配置された領域を含む第２の領域とに仕切り、前記長手方向において前記複数の流体吐出孔よりも少ない数の分散穴が形成された仕切板と、
前記第２の領域に連通する流体導入路と、を有し、
前記管状部の先端は閉じており、
前記仕切板は前記管路の先端には形成されておらず、前記管路の先端に前記流体が前記第２の領域から前記第１の領域に折り返し進入可能な折り返し流路が形成されているノズル。 - 前記分散穴の径は、前記流体吐出孔の径よりも大きい請求項１に記載のノズル。
- 前記複数の流体吐出孔は、所定間隔を有して形成されている請求項１又は２に記載のノズル。
- 前記複数の流体吐出孔は、前記管路の幅方向に複数の列をなして形成されている請求項３に記載のノズル。
- 前記複数の列の各列をなす前記複数の流体吐出孔は、前記長手方向においては異なる位置に形成されている請求項４に記載のノズル。
- 前記分散穴は、前記所定間隔よりも広い間隔を有して形成されている請求項３乃至５のいずれか一項に記載のノズル。
- 前記間隔は所定間隔である請求項６に記載のノズル。
- 前記間隔は、前記管路の先端に近づく程広くなる請求項６に記載のノズル。
- 前記分散穴は、前記流体導入路と前記仕切板の接合部には形成されていない請求項１乃至８のいずれか一項に記載のノズル。
- 前記流体導入路と前記第２の領域の断面形状は同一であり、前記流体導入路と前記第２の領域とは連続的に接続されている請求項９に記載のノズル。
- 前記流体吐出面から最も遠い位置に配置された領域は、平面状の領域である請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のノズル。
- 前記折り返し流路は、前記分散穴よりも大きな開口を形成している請求項１１に記載のノズル。
- 前記管状部は、長方形の断面形状を有する請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のノズル。
- 前記管状部、前記仕切板及び前記流体導入路は、石英で一体構成されている請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のノズル。
- 処理室と、
該処理室内に設けられ、表面上に基板を載置支持可能なサセプタと、
該サセプタの表面に、前記流体吐出面が対向するように設けられた請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のノズルと、を有する基板処理装置。 - 前記サセプタは、回転可能であるとともに周方向に沿って複数の基板を載置支持可能であり、
前記ノズルは、前記サセプタの半径方向に沿って延在して設けられ、前記流体導入路が前記サセプタの外周側、前記管状部の先端が前記サセプタの回転中心側となるように配置された請求項１５に記載の基板処理装置。 - 前記処理室内の前記サセプタの上方に、前記周方向に沿って、前記サセプタに原料ガスを供給する第１の処理領域、前記原料ガスと反応可能な処理ガスを供給する第２の処理領域とを有し、前記ノズルが前記第１の処理領域内に設けられた請求項１６に記載の基板処理装置。
- 前記サセプタの前記周方向における前記第１の処理領域と前記第２の処理領域との間には、パージガスを供給する分離領域が設けられた請求項１７に記載の基板処理装置。
- 前記ノズルの前記流体導入路は、高誘電体膜を成膜する原料ガスを供給可能なガス供給源に接続された請求項１８に記載の基板処理装置。
- 前記第２の処理領域には前記処理ガスを供給可能な処理ガス供給ノズルが設けられ、
前記分離領域には前記パージガスを供給可能なパージガス供給ノズルが設けられ、
前記処理ガス供給ノズル及び前記パージガス供給ノズルは、前記仕切板を有さないノズルである請求項１９に記載の基板処理装置。
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