JP6321200B2 - ガス噴射装置 - Google Patents

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Description

この発明は、減圧雰囲気中の処理チャンバーに設置した被処理体に対して処理に有用な非加熱、加熱および放電ガスのガス種を指向性があり、かつ、高速度噴出を可能にした噴射方式を有した非加熱、加熱および放電ガスのガス噴射装置に関するものである。
半導体製造分野を含む多用途の分野において、多機能で高品質の薄膜(たとえば、高絶縁薄膜、半導体薄膜、高誘電体薄膜、発光薄膜、高磁性体薄膜、超硬薄膜等)が求められている。
たとえば、半導体装置の製造の場面においては、半導体チップ内において、回路配線相当になる低インピーダンスの高導電膜、回路の配線コイル機能や磁石機能を有する高磁性膜、回路のコンデンサ機能を有する高誘電体膜、および電気的な漏洩電流の少ない高絶縁機能を有する高絶縁膜などが、設けられている。
これらの膜の成膜する従来技術として、たとえば、熱CVD(化学気相成長:Chemical Vapor Deposition)装置、光CVD装置またはプラズマCVD装置が用いられており、特に、プラズマCVD装置が多々使用されている。これは、たとえば、熱・光CVD装置よりも、プラズマCVD装置の方が、成膜温度を低く、かつ、成膜速度が大きく短時間での成膜処理が可能なためである。
たとえば、窒化膜(SiON、HfSiONなど)や酸化膜(SiO2,HfO2)などのゲート絶縁膜を、半導体基板に成膜する場合には、減圧雰囲気でのプラズマCVD装置を用いた以下の技術が一般的に採用されている。
つまり、NH(アンモニア)やN、O、O(オゾン)などのガスと、シリコンやハフニウムなどの前駆体ガス(非加熱ガス)とが、CVD処理が実施される処理チャンバー装置に直接供給される。処理チャンバー装置内では、前駆体ガスを熱や放電を利用して解離させ、金属粒子を生成し、当該金属粒子と、上述したNH(アンモニア)などの非加熱ガスとの熱や放電を利用した化学反応により、被処理体上に、窒化膜または酸化膜などの薄膜が成膜される。
一方で、プラズマCVD装置では、処理チャンバー装置内で、直接的に、高周波プラズマやマイクロ波プラズマが発生させていた。したがって、被処理体は、ラジカルガスや、高エネルギーを有したプラズマイオン(または電子)に晒される。
なお、プラズマCVD装置に関する技術が開示されている先行文献として、たとえば特許文献1が存在する。
しかしながら、プラズマCVD装置内の成膜処理では、上記のように、被処理体がプラズマに直接晒される。したがって、当該被処理体は、プラズマ(イオンや電子)により、半導体機能の性能を低下させる等のダメージを大きく受けていた。
他方、熱・光CVD装置を用いた成膜処理では、被処理体はプラズマ(イオンや電子)によるダメージを受けず、高品質の、窒化膜や酸化膜等が成膜される。しかしながら、当該成膜処理では、高濃度で、かつ多量のラジカルガス源を得ることが困難であり、結果として、成膜時間が非常に長く要するという問題がある。
最近の熱・光CVD装置では、原料ガスとして、熱や光の照射によって解離しやすい、高濃度の、NHガスやOガスを用いている。さらに、CVDチャンバー装置内には、加熱触媒体が設けられている。これにより、当該熱・光CVD装置では、触媒作用により、ガスの解離が促進し、窒化膜や酸化膜等を短時間で成膜することも可能となっている。しかしながら、当該時間の短縮化は限定的であり、大幅な成膜時間の改善は困難であった。
そこで、プラズマによる被処理体に対するダメージを軽減でき、成膜時間のさらなる短縮化が可能な装置として、リモートプラズマ型成膜処理システムが存在する(たとえば、特許文献2参照)。
当該特許文献2に係る技術では、プラズマ生成領域と被処理材処理領域とが、隔壁(プラズマ閉込電極)により分離されている。具体的に、特許文献2に係る技術では、高周波印加電極と被処理体が設置された対向電極との間に、当該プラズマ閉込電極を設けている。これにより、特許文献2に係る技術では、中性活性種だけが、被処理体上に供給される。
また、特許文献3に係る技術では、リモートプラズマ源において、原料ガスの一部をプラズマにより活性化させている。ここで、ガスの流路は、当該リモートプラズマ源内において、周回されている。リモートプラズマ源において生成された活性ガスは、放出され、被処理体の存する装置側へと供給される。
特許文献3のような薄膜技術においては、窒素、酸素、オゾンまたは水素等の様々な原料ガスが、利用されている。そして、当該原料ガスから、活性化されたラジカルガスが生成され、当該ラジカルガスにより、被処理体上に薄膜が成膜される。
ラジカルガスは、非常に反応性が高い。したがって、微量(約1%:10000ppm)以下の濃度のラジカルガスを、被処理体に当てることで、被処理体での化学反応が促進させ、窒化薄膜、酸化薄膜または水素結合薄膜などを、短時間で効率的に、作り出すことができる。
ラジカルガス生成装置では、放電セルが配設されており、当該放電セルにおいて、大気圧プラズマに相当する誘電体バリア放電によって、高電界なプラズマを実現させる。これにより、放電セルのプラズマに晒された原料ガスから、高品質なラジカルガスが生成される。
また、CVD装置内おいて、被処理体(ウェハー基板)に対してガスを利用した処理を施す場合、被処理体が配設されているCVD装置内を加熱および減圧状態にする。そして、当該CVD装置内に、有機金属化合物蒸気ガス(プリカーサガス)を充満させるとともに、酸化・窒化・還元の促進のために、オゾンガス、水蒸気、水素ガス、またはラジカルガス(酸素ラジカルガス、窒素ラジカルガス、水素ラジカルガス等)を供給する。これにより、CVD装置内おいて、被処理体面上に堆積した酸化・窒化物質等を熱拡散することで、被処理体面に半導体膜または絶縁膜等の機能膜を結晶成長させることができる。
なお、上記において、CVD装置内に、プリカーサガスと共に供給される各種ガス(オゾンガス、水蒸気、水素ガス、またはラジカルガス)を、以後、成膜処理ガスと称することとする。
特開2007−266489号公報 特開2001−135628号公報 特開2004−111739号公報
従来、被処理体上に半導体等の機能素子(2D(dimension)素子)を構成するものであったため、CVD処理容器内にプリカーサガスや成膜処理ガスを充満させた、表面成膜が主体であった。
たとえば、被処理体が1枚または複数枚配設されている、減圧されたCVD装置内において、所定の口径で短いガス供給配管から複数のノズル孔を介して、ガスがシャワー状に噴出させていた。所定の口径で短いガス供給配管から供給されたガスは、十分に整流化されずに噴出されるため、噴出されたガスは、雰囲気ガス圧力やガス濃度差に依存する拡散速度で四方に拡散される。
一方、より高密度な機能素子が求められていることから、機能素子を多層に渡って形成させた三次元の機能素子(3D素子)が要望されている。つまり、高アスペクト比である溝内に、所望の膜を均一に成膜することが要望されている。
しかしながら、上記のように、四方にガスを拡散させて噴射させたガスの場合には、高アスペクト比である溝内において、ガスが均等に照射されない。これでは、当該溝内において、均一に成膜を行うことができない。
したがって、被処理体における、高アスペクト比である溝内に、均等にガスを噴射できる成膜技術が求められている。
そこで、本発明は、高アスペクト比である溝を有する被処理体においても、当該溝内に、均等にガスを噴射できるガス噴射装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係るガス噴射装置は、容器部と、前記容器部にガスの供給を行う、ガス供給部と、前記容器部内に配設され、被処理体に対して、ガスの噴射を行うガス噴射セル部とを、備えており、前記ガス供給部は前記ガス噴射セル部から離散して配置され、前記ガス噴射セル部は、第一の錐体形状部材と、前記第一の錐体形状部材を側面方向から囲繞し、前記第一の錐体形状部材の側面との間に隙間が形成されるように配置される第二の錐体形状部材とを、有しており、前記第一の錐体形状部材の頂部側および前記第二の錐体形状部材の頂部側は、前記被処理体に対面しており、前記ガス供給部から供給されたガスは、前記第一の錐体形状部材の底面側および前記第二の錐体形状部材の底面側から、前記隙間に侵入し、前記隙間を通って、前記第一の錐体形状部材の頂部側および前記第二の錐体形状部材の頂部側から、前記被処理体に向けて噴射される。
また、容器部と、前記容器部にガスの供給を行う、ガス供給部と、前記容器部内に配設され、被処理体に対して、ガスの噴射を行うガス噴射セル部とを、備えており、前記ガス供給部は前記ガス噴射セル部から離散して配置され、前記ガス噴射セル部は、扇型形状であり、第一の平板と、前記第一の平板と隙間が形成されるように対面して配置される第二の平板とを、有しており、前記ガス噴射セル部の頂部側は、前記被処理体に対面しており、前記ガス供給部から供給されたガスは、前記扇型形状の前記ガス噴射セル部における幅の広い側の開口部から、前記隙間に侵入し、前記隙間を通って、前記ガス噴射セル部の頂部側から、前記被処理体に向けて噴射される。
本発明に係るガス噴射装置は、容器部と、前記容器部にガスの供給を行う、ガス供給部と、前記容器部内に配設され、被処理体に対して、ガスの噴射を行うガス噴射セル部とを、備えており、前記ガス供給部は前記ガス噴射セル部から離散して配置され、前記ガス噴射セル部は、第一の錐体形状部材と、前記第一の錐体形状部材を側面方向から囲繞し、前記第一の錐体形状部材の側面との間に隙間が形成されるように配置される第二の錐体形状部材とを、有しており、前記第一の錐体形状部材の頂部側および前記第二の錐体形状部材の頂部側は、前記被処理体に対面しており、前記ガス供給部から供給されたガスは、前記第一の錐体形状部材の底面側および前記第二の錐体形状部材の底面側から、前記隙間に侵入し、前記隙間を通って、前記第一の錐体形状部材の頂部側および前記第二の錐体形状部材の頂部側から、前記被処理体に向けて噴射される。
また、容器部と、前記容器部にガスの供給を行う、ガス供給部と、前記容器部内に配設され、被処理体に対して、ガスの噴射を行うガス噴射セル部とを、備えており、前記ガス供給部は前記ガス噴射セル部から離散して配置され、前記ガス噴射セル部は、扇型形状であり、第一の平板と、前記第一の平板と隙間が形成されるように対面して配置される第二の平板とを、有しており、前記ガス噴射セル部の頂部側は、前記被処理体に対面しており、前記ガス供給部から供給されたガスは、前記扇型形状の前記ガス噴射セル部における幅の広い側の開口部から、前記隙間に侵入し、前記隙間を通って、前記ガス噴射セル部の頂部側から、前記被処理体に向けて噴射される。
したがって、ガス噴射セル部の隙間において、ガスは整流・加速される。したがって、ガス噴射セル部からは、指向性を有するビーム状のガスを噴射させることができる。よって、ガス噴射装置は、高アスペクト比である溝を有する被処理体においても、当該溝内に、均等にガスを噴射でき、結果として、当該溝内に均質な膜を成膜させることができる。
高アスペクト比の溝202Aを有する被処理体202の一部の断面構成を示す拡大断面図である。 実施の形態1に係るガス噴射装置100と処理チャンバー200とから構成されるリモートプラズマ型成膜処理システムの構成を、模式的に示した斜視図である。 ガス噴射セル部1の構成を示す拡大斜視図である。 ガス噴射セル部1内におけるガスの流れを示す図である。 ガス噴射セル部1により、ガスが指向性を有するビームとして噴出される様子を示す図である。 ガス噴射セル部1により、ガスが指向性を有するビームとして噴出される様子を示す図である。 ガス圧力と拡散速度との関係を示す図である。 ガス圧力とガス噴出加速度との関係を示す図である。 実施の形態2に係るガス噴射セル部1の構成を、模式的に示した斜視図である。 実施の形態3に係るガス噴射セル部1の構成を、模式的に示した斜視図である。 実施の形態4に係るガス噴射セル部1の構成を、模式的に示した斜視図である。 バッチ型の処理チャンバー200に対して、複数のガス噴射セル部1A,1Bが配設されているリモートプラズマ型成膜処理システムの構成を、模式的に示した斜視図である。 バッチ型の処理チャンバー200に対して、複数のガス噴射セル部1A,1Bが配設されているリモートプラズマ型成膜処理システムの他の構成を、模式的に示した斜視図である。 枚葉型の処理チャンバー200に対して、複数のガス噴射セル部1A,1Bが配設されているリモートプラズマ型成膜処理システムの構成を、模式的に示した斜視図である。 実施の形態7に係るガス噴射セル部1の構成を、模式的に示した斜視図である。 実施の形態8に係るガス噴射セル部1の構成を、模式的に示した斜視図である。 実施の形態9に係るガス噴射セル部1の構成を、模式的に示した斜視図である。
図1は、高アスペクト比の溝202Aを有する被処理体202の一部の断面構成を示す拡大断面図である。
図1において、Dxは、溝202Aの口径であり、Dyは、溝202Aの深さである。たとえば、口径Dxは、約数十μm径程度であり、深さDyは、口径Dxの数倍〜数十倍程度である。図1に示す高アスペクト比(Dy/Dx)である溝202Aに対して、均質な成膜が求められる(換言すれば、ガス噴射により、高アスペクト比の溝202Aの底まで、均等なガスを供給できることが求められる)。
従来のような、所定の口径で短いガス供給配管からガスを噴射する方式は、装置内に万遍なくガスを充満させる場合に適している。しかしながら、当該方式のガス噴出では、ガス供給配管において、ガスの整流化やガスの加速化が成されず、噴出ガスの指向性およびガス速度が弱いため、高アスペクト比の溝202A内部まで、ガスが入り込まず、溝202Aの底面および側面に対して、均質な膜を成膜することは困難である。また、供給したラジカルガスは、ガス寿命が非常に短いため、溝202Aの底面に到達する前に消滅する。したがって、均質な膜を成膜することは困難である。
したがって、高アスペクト比の溝202A内に均質な膜を成膜するためには、噴出ガスに指向性を持たせ、かつ加速化させガスの高速度化を図る必要がある。つまり、噴出ガスのビーム角度αは、溝202Aのアスペクト比が大きくなるほど、小さくする必要がある(つまり、より指向性を有し、ガスの高速度化をすることで、噴出するガスが拡散速度に打ち勝ちガスの広がりを抑制したガス噴射が必要になる)。
本発明に係る非加熱ガス、加熱ガスおよび放電ガスのガス噴射装置(以下、単にガス噴射装置と称する)は、高アスペクト比の溝202A内に均質な膜を成膜するために、プリカーサガスまたは成膜処理ガスを、ビーム状に噴出することができる。以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
<実施の形態1>
図2は、本実施の形態に係るガス噴射装置100と処理チャンバー200とから構成されるリモートプラズマ型成膜処理システムの構成を、模式的に示した斜視図である。
ガス噴射装置100と処理チャンバー200とは、フランジ22によって区画されている。つまり、フランジ22は、ガス噴射容器100と処理チャンバー200とを結合させるための部材であり、フランジ22の一方主面は、ガス噴射装置100の底面を構成しており、フランジ22の他方主面は、処理チャンバー200の上面を構成している。ここで、ガス噴射装置100内と処理チャンバー200内とは、噴出孔102を介して、接続されている。
図2に示すように、ガス噴射装置100は、容器部100D、ガス供給部101およびガス噴射セル部1を有している。
ガス供給部101は、容器部100D内にガスG1の供給を行う。ここで、容器部100D内のガス圧力P1は、10kPa〜50kPaの範囲において、一定に維持されている。また、容器部100D内には、ガスの噴射を行う、中空円錐形状のガス噴射セル部1が配設されている。ガス噴射セル部1は、噴出孔102を有しており、当該噴出孔102を介して、ガスG2は、処理チャンバー200内に対して噴射される(より具体的には、処理チャンバー200内の被処理体202に対して噴射される)。ここで、噴出孔102の開口径は、たとえば1mm以下である。
CVD装置である処理チャンバー200内には、テーブル201が配設されている。そして、当該テーブル201上には、被処理体202が載置される。ここで、被処理体202は、図2に示すように、高アスペクトである溝202Aを有する。
処理チャンバー200には、排気口203を介して、真空ポンプ300に接続されている。当該真空ポンプにより、処理チャンバー200内のガス圧力P0は、30Pa〜400Pa程度に維持されている。
図2において、プリカーサガスG1もしくはラジカルガスとなり得る原料ガスG1が、ガス供給部101を介して、所定の流量で、容器部100D内に供給される。当該原料ガスG1は、ガス噴射セル部1を通って、噴出孔102から処理チャンバー200内へ、プリカーサガスG2またはラジカルガスG2として噴出させる。ガスG2は、テーブル201上に載置された被処理体202に対して、ビーム状に照射され、当該照射された領域において、膜成膜される。
図3は、ガス噴射装置100内に配設されるガス噴射セル部1の構成を示す、拡大斜視図である。なお、以下では、ガス噴射セル部1は、中空の円錐形状である場合について説明する。しかし、ガス噴射セル部1は、中空の多角錐形状であっても良い。
ガス噴射セル部1は、内管である第一の錐体形状部材3と、外管である第二の錐体形状部材2と、噴出部5とから構成されている。
第一の錐体形状部材3は、円錐台形状(円錐形状であっても良い)であり、第一の中空部を有する。ここで、当該第一の中空部も円錐台形状である。また、当該第一の錐体形状部材3を、側面側より囲繞するように、第二の錐体形状部材2が配設されている。ここで、第二の錐体形状部材2は、円錐台形状であり、第二の中空部を有する。なお、当該第二の中空部も円錐台形状である。また、第一の錐体形状部材3の円錐角および第二の錐体形状部材2の円錐角は、同じである。つまり、後述する隙間doの幅Δdは一定である。
つまり、第二の錐体形状部材2の第二の中空部内に、第一の錐体形状部材3が配設されており、第一の錐体形状部材3の側面部と第二の錐体形状部材2側面部との間には、平面視で環状である、隙間doが形成されている。なお、第一の錐体形状部材3の中心軸と、第二の錐体形状部材2の中心軸とは、一致している。
ここで、第一の錐体形状部材3の隙間doに面する部分および第二の錐体形状部材2の隙間doに面する部分は、たとえば、サファイアまたは石英で構成されている。また、隙間doの幅Δd(つまり、第一の錐体形状部材3の側面から第二の錐体形状部材2の側面までの距離)は、たとえば、錐体の径Dをφ40mmとし、ガス通路である錐体の隙間doの幅Δdを0.3mm以上、3mm以下である。また、容器部100D内のガス圧力P1は、10kPa以上、50kPa以下の範囲で一定に維持されているので、隙間doにおけるガス圧力も、10kPa以上、50kPa以下の範囲で一定に維持されている。ガス噴射セル1を、隙間doの幅をΔdにした錐体状(円錐体)にし、ガス圧力をP1に減圧する。これにより、ガス噴射装置100に供給するガス流量Qを1L/minにすると、ガス噴射セル1に流れ込むガスは、次式のように、高速化された流速Vs0を有するガスとなる。Vs0=100/P1・[1000・Q/{(D/10)・π・(Δd/10)}] (cm/s)。当該流速Vs0を有するガスは、ガス噴射セル1で、所定方向のガス流れに整流化されるとともに、セル内を通過することで、加速され、より高速度化したガス速度Vsとして、ガスが噴出される。
上記の通り、各錐体形状部材2,3は、円錐台形状である。容器部100D内にガス噴射セル部1が配設されている状態において、容器部100D内の上側から下側(処理チャンバー200側)に進むに連れて、各円錐台形状の径は、小さくなっている。
また、図3に示すように、処理チャンバー200側(つまり、各錐体形状部材2,3の錐体の頂部となり得る側)において、被処理体202に対してガスの噴射を行う噴出部5が設けられている。図2,3の構成から分かるように、各錐体形状部材2,3の頂部と成り得る側(換言すると、噴出部5)が、被処理体202に対面している。当該噴出部5の側面には、環状に、各錐体形状部材2,3の前記頂部と成り得る側が接続されている。なお、図面説明の観点により、当該接続している部分において、噴出部5の内部を透視的に図示されている。
噴出部5の側面部には、環状に、スリットが形成されており、当該スリットに、第一の錐体形状部材3と第二の錐体形状部材2とによって形成される隙間doが接続されている。また、噴出部5の内部には、空間部5Hおよび噴出孔102が形成されている。当該空間部5Hは、前記環状のスリットと接続されており、かつ、噴出孔102とも接続されている。
図2において、プリカーサガスG1もしくはラジカルガスとなり得る原料ガスG1が、ガス供給部101を介して、所定の流量で、容器部100D内に供給される。すると、図2,4を参照して、容器部100D内の圧力が、所望のガス圧力P1に保持された状態で、各錐体形状部材2,3の上部側(つまり、噴出部5が配設されていない側であり、各錐体形状部材2,3の錐体の底面となり得る側)から、ガスG1は、隙間doに侵入する。ここで、図4は、ガス噴射セル部1におけるガスG1,G2の流れを、模式的に示した図である。
そして、当該ガスG1は、長さLxsで、かつ狭い隙間doを通ることにより、四方からガス噴射セル1に流れ込んだガスG1は、各錐体形状部材2,3の円錐台形状に起因して、一定方向のガスの流れの向きに整流化され、加速される。そして、ガスは、ガスG2として、各錐体形状部材2,3の頂部側から(つまり、噴出部5の噴出孔5を介して)、被処理体202に向けて噴射される(換言すれば、ガス圧力P0で保持されている処理チャンバー200内に噴射される)。ここで、図4に示すように、ガス噴射セル部1から噴射されるガスG2は、ビーム角度αを有するビーム状である。
図5を参照して、隙間doにおける、通路距離Lxは、隙間doの幅Δdの数十倍以上、たとえば20mm〜100mm程度に設定される。図5を参照して、ガス噴射セル部1の隙間doに流入するガスの流れ方向にばらつきがあっても、ガス噴射セル部1の頂点側(つまり、噴出部5付近)でのガスの流れ方向は、各錐体形状部材2,3の側面に沿った向きに整い、整流化される。また、ガス噴射セル部1の形状に起因して、環状の隙間doの断面積は、噴出部5に近づくに連れて小さくなる。したがって、ガス噴射セル部1内を伝搬するガスは、加速(加速度a)され、噴出部5付近では速度Vsとなる。
図5を参照して、整流・加速され、速度Vsで噴出部5に入力されたガスは、噴出孔102で、さらに圧縮され、高速化する。ここで、噴出孔102において、圧力差ΔP(=容器部100D内のガス圧P1−処理チャンバー200内のガス圧P0)が生じており、当該圧力差ΔPを利用して、噴出孔102から処理チャンバー200へと、ガスG2が噴射される。
ここで、図6の速度成分図を参照して、噴出部5へ入力されるガスの速度をVsとし、当該速度Vsの軸方向成分をVsyとし、当該速度Vsの径方向成分をVsxとする。また、噴出部5から出力されたガスの速度をV0とし、当該速度V0の軸方向成分をVy0とし、当該速度V0の径方向成分をVx0とする。
すると、速度V0={(ガス圧P1)/(ガス圧P0)}×速度Vsとなり、速度Vy0={(ガス圧P1)/(ガス圧P0)}×速度Vsy、となり、速度Vx0={(ガス圧P1)/(ガス圧P0)}×速度Vsx、となる。
処理チャンバー200内の圧力は真空圧に近い圧力(ガス圧力P0=約30Pa〜400Pa)であるため、噴出部5から噴出させるガスの拡散速度VD(図6参照)は非常に大きくなる。ちなみに、被処理体202へ噴出されるガスの速度Vsは、円錐体部分で加速され、かつ、容器部100D内のガス圧P1と処理チャンバー200内のガス圧P0との圧力差によって、超音速を超える速度で指向性のあるビーム状のガスが噴出される。図7は、ガス種として、酸素ガスもしくは窒素ガスとした場合における、ガス圧力P0に対する拡散速度VD特性を示した特性図である。この図7からガス噴射セル1部においては、P1を30kPaとすると、ガスの拡散速度VDは、約0.04m/s程度であるが、処理チャンバ200ーのガス圧力雰囲気P0においては、3m/s〜40m/sとなり、非常にガスの拡散速度VDが大きい。処理チャンバーでの拡散速度VDが大きいため、処理チャンバー200へ噴出するガスが指向性を持たず、噴出速度が拡散速度に比べ、十分に高くなければ、処理チャンバー200へ噴出したガスは、すぐに、四方、八方に拡散されることになることになる。それに対し、本願発明の錐体形状にしたガス噴射セル1から処理チャンバーへ噴出した場合は、噴出ガスG2の噴出速度V0は、超音速を超える速度で指向性のあるビーム状となる。そのため、図7に示す拡散速度VDに比べ、非常に高いガス流速を有するため、噴出ガスの四方への拡散が抑制され、高速度で、被処理体面にビーム状に噴射ガスを照射できる。
噴出部5から噴出させるガスは、拡散速度VDを超える速度でガスG2が噴出される。したがって、より大きな速度Vsy,Vsxを有するようにガスG2を噴出部5から噴射させることにより、ガス噴射セル部1から指向性のあるビーム状のガスG2を噴出させることができる。また、速度Vsxは、ガス噴射セルの形状が円錐状であるため、内向きのガス速度ベクトルになるため、噴出したガスに対しても、内向きガス速度ベクトルVx0になり、拡散速度VDを抑制する方向になる効果がある。
ガス噴射セル部1において、隙間doの幅Δdは1mmであり、隙間doの体積は50cm3であるとする。また、ガス噴射セル部1の隙間doに供給されるガス流量は、1L(リットル)/minであるとする。そうすると、ガス噴射セル部1において、噴出部5に入力される(図5において、ガス噴射セル部1の隙間doの入り口から、約0.9Lxの位置における)整流化されたガスの加速度aは、容器部100D内のガス圧P1に依存する。
図8は、ガス圧P1と加速度aとの関係特性を示す図である。図8において、特性2000は、各錐体形状部材2,3の円錐角β(図5参照)を22.4°にした場合における、ガス圧P1と加速度aとの関係特性を示し、特性3000は、各錐体形状部材2,3の円錐角βを32.3°にした場合における、ガス圧P1と加速度aとの関係特性を示している。
さて、発明者らは、実験・シミュレーションを行った結果、処理チャンバー200内のガス圧P0を成膜に適した30Pa〜400Pa程度に設定した場合、ガスG2の指向性の観点から、噴出部5付近のガスの加速度は、約200m/s以上確保できれば好ましいことを見出した。また、さらに良質なビーム形状のガスG2を噴出させるためには、ガスG2の加速度は、約400m/s以上確保することが望ましい。
よって、上記円錐角を約20°〜40°付近に設定されたガス噴射セル部1においては、上記加速度を確保する観点から、容器部100D内(ガス噴射セル部1内)のガス圧P1は、約80kPa以下が好ましく、さらに良質なビーム形状のガスG2を噴出させるためには、当該ガス圧P1は、約50kPa以下であることが望ましい、ことを発明者らは見出した。
一方、処理チャンバー200内のガス圧P0(30Pa〜400Pa)に対して、数十倍以上の圧力損失を持たせることが望ましい。そこで、噴出部5において、噴出孔102の径を0.03mm〜1mmとし、噴出部5の長さL1を5mm以上とした場合には、容器部100D内(ガス噴射セル部1内)のガス圧P1は、約20kPa程度であることが望ましい。
なお、良質なビーム状のガスを噴出させるには、図5において、錐体形状部分を大きくすることで、ガスの流れを整流化し、整流化したガスを噴出させるため、噴出部5のサイズ(径D1および長さL1)を出来る限り小さく設計することが望ましい。
以上のように、本実施の形態に係るガス噴射装置100では、各錐体形状(円錐または多角錐)部材2,3から構成されるガス噴射セル部1を有する。
したがって、ガス噴射セル部1の錐体形状の長さLx(長さLxが、隙間doの幅に比べて十分に長いと)、隙間doの部分において、ガスの流れは整流化され、加速される。したがって、ガス噴射セル部1からは、指向性を有するビーム状のガスG2を噴射させることができる。よって、ガス噴射装置100は、高アスペクト比である溝を有する被処理体においても、当該溝内に、均等にガスを噴射でき、結果として、当該溝内にガスを到達させ、均質な膜を成膜させることができる。ガス噴射セル部1が円錐体である場合の効果について説明したが、錐体形状を角錐としても、円錐体形状とほぼ同等の効果を発することが出来る。錐体形状(円錐または多角錐)部材2,3から構成されるガス噴射セル部1を有することで、ビーム形状のガスG2を噴出出来る。
また、ガス噴射セル部1の錐体形状の長さLx、隙間doの部分において、ガスは整流・加速されるので、結果として、ガス噴射セル部1からは高速のガスG2を噴射できる。よって、たとえば、ガスG2が、寿命の短いラジカルガスを含むガスである場合には、短時間で、被処理体までガスを到達させることが可能になるため、高濃度のラジカルを維持した状態で、被処理体202に対してラジカルガスG2を照射することができる。よって、被処理体202上に、高品質の膜を成膜することが可能となり、また、成膜温度を下げることもできる。
ガス噴射セル部1を、錐体形状(円錐角<180°)である第一、二の錐体形状部材2,3を用いて構成し、各錐体形状部材2,3により隙間doを形成し、当該隙間do内にガスを流せば、ガス噴射セル部1内においてガスは、整流(拡散速度VDを打ち消す方向の速度が生成され)・加速(噴射されるガスG2の高速化)される。よって、ガス噴射セル部1からは、上記指向性のあるガスG2が噴射される。
一方、円錐角βが大きすぎると、隙間doにおけるガス衝突が多く発生し、隙間do内でラジカルガスを生成する場合には、ラジカルガスが隙間do内で多く消滅する。また、円錐角βが大きすぎると、ガス噴射セル部1の占有面積が大きくなる。これらの事項を勘案すると、円錐角は、60°以下にすることが望ましい。
なお、既に述べたように、円錐形状の第一、二の錐体形状部材2,3の代わりに、多角錐形状の第一、二錐体形状部材を採用しても、上記と同じ効果は得られる。以降の実施の形態においても、各錐体形状部材2,3が円錐形状である場合を例にとり説明を行うが、下記の各実施の形態においても、各錐体形状部材2,3の形状は、多角錐形状であっても当然良い。
また、隙間doの幅Δdは、0.3mm〜3mmの範囲内であれば、ガス噴射セル部1における整流化は十分達成できる。ただし、隙間doの幅Δdが小さいほど、整流化をより向上させることができ、ガス噴射セル部1から噴射されるガスG2の高速化も可能となる。
また、上記の通り、各錐体形状部材2,3の隙間doに面する部分は、ラジカルガスの壁との衝突による消滅の少ないサファイアまたは石英で構成され、通路面は凹凸の少ない面にすることが望ましい。
これにより、ガスが通過する隙間3の壁面にガスに起因した腐食物等が生成されることを抑制することができる。よって、ガス噴射セル部1から、ガスG2以外に、不純物が出力されることを防止すべきである。つまり、ガス噴射セル部1から、常に、高純度のガスG2を噴出させることができる。
<実施の形態2>
図9は、本実施の形態に係るガス噴射装置と処理チャンバーとから構成されるリモートプラズマ型成膜処理システムの構成を、模式的に示した斜視図である。なお、図9では、図面簡略化のために、容器部の構成、処理チャンバー200の筐体およびフランジ22等の図示を省略している。
一部部材は省略しているが、図2に示す構成と図9に示す構成とは、以下の点を除いて同じ構成である。つまり、図2に示す構成では、噴出部5に形成される噴出孔102は一つであったが、図9に示す構成では、噴出部5に形成される噴出孔102は、複数である。
本実施の形態では、ガス供給部から供給され、容器部内に充満したガスG1は、ガス噴射セル部1の隙間doに入力する。そして、当該ガスG1は隙間doを通って、噴出部5内の空間部5Hに供給される。そして、複数の噴出孔102を介して、ガスG2は、被処理体202に向けて噴射される。ここで、実施の形態1でも説明したように、各噴出孔102からは、指向性を有するビーム状のガスG2が噴出する。
このように、本実施の形態に係るガス噴射装置では、一つのガス噴射セル部1において、複数の噴出孔102が形成されている。
したがって、一つのガス噴射セル部1は、ガスG2を、より大きな範囲において出力させることができる。つまり、被処理体202におけるガスG2の照射面積は、実施の形態1と比べて、拡大する。したがって、より、広い範囲の被処理体202において、膜の成膜が可能となる。
なお、図9に示すように、テーブル201を、水平方向に移動させ、および/または、回転させることにより、大面積の被処理体202であっても、被処理体202の全面にガスG2を照射させることができる。
<実施の形態3>
本実施の形態では、ガス噴射セル部1において、ガスG1を加熱させることにより、ガスG1をラジカルガス化させる。そして、本実施の形態に係るガス噴射セル部1は、ラジカルガスG2を噴射する。
加熱させてラジカルガスG2を生成するガス種としては、オゾンガスがある(つまり、図2において、ガス供給部101から容器部100D内に供給されるガスG1は、オゾンガスである)。
一般的に、オゾン発生器では、誘電体バリア放電を利用して、オゾンガスを発生させている。最近においては、窒素ガスを含まず、かつ400g/m程度の高濃度オゾン化ガスをCVD装置に供給することで、オゾンガスを利用した酸化膜の成膜技術が既に確立されている。
このような成膜技術は、例えば、CVD装置内を減圧雰囲気かつ加熱雰囲気とする。そして、当該CVD装置へ、プリカーサガス(たとえば、TEOS(Tetraetheylorthosilicate)等のシリコン有機化合物)と高濃度オゾンガスとを交互に供給し、CVD装置内の被処理体に対して酸化膜が成膜される。
ここで、プリカーサガスを供給する工程で、シリコン有機化合物からSi金属を熱解離させ、かつ、オゾンガスを供給する工程において、オゾンガスの一部を熱解離させることによって、酸素原子(酸素ラジカル)を生成させる。当該酸素ラジカルは酸化力が強く、熱解離したSi金属との酸化反応で、被処理体上にSiO膜が成膜される。
本実施の形態に係るガス噴射セル部1は、オゾンガスから酸素ラジカルガスを生成し、当該酸素ラジカルガスを、指向性を有するビーム状のガスG2として噴出する。本実施の形態に係るガス噴射セル部1の構成を、図10に示す。
実施の形態1で説明したガス噴射セル部1と本実施の形態に係るガス噴射セル部1とは、下記の部材が追加されている以外は、同じ構成である。
図10に示すように、本実施の形態に係るガス噴射セル部1では、第二の錐体形状部材2の外側面(つまり、隙間doに面していない側の側面)上には、ヒータ(加熱部)51が環状に配設されている。また、第一の錐体形状部材3の内側面(つまり、隙間doに面していない側の側面)上には、ヒータ(加熱部)52が環状に配設されている。
なお、本実施の形態では、図10に示すように、ガス噴射装置は、ヒータ51を加熱するための電源H2とヒータ52を加熱するための電源H1とを有している。
ヒータ51,52を加熱させることにより、各錐体形状部材2,3を数十℃〜100℃程度まで加熱させ、結果として、ガス噴射セル部1における隙間do内を数十℃〜100℃まで加熱する。当該加熱状態の隙間doにオゾンガスが通過すると、オゾンガスは熱解離し、酸素ラジカルガスが生成され、酸素ラジカルガスから酸素ガスに戻る寿命までの短時間に、被処理体202に酸素ラジカルガスを含んだガスG2を噴射させる。
ガス供給部から供給され、容器部内に充満した高濃度のオゾンガスG1は、ガス噴射セル部1の隙間doに入力する。そして、数十℃〜100℃程度まで加熱している隙間do内を、オゾンガスG1は伝搬する。隙間do内を伝搬中のオゾンガスは、部分的に熱解離する。つまり、加熱されている隙間do内において酸素ラジカルガスが生成される。当該酸素ラジカルガスは、噴出部5内の空間部5Hに供給される。そして、噴出孔102を介して、酸素ラジカルガスG2は、被処理体202に向けて噴射される。ここで、実施の形態1でも説明したように、噴出孔102からは、指向性を有するビーム状の酸素ラジカルガスG2が噴出する。
なお、上記説明では、噴出孔102が一つの構成を例にとって説明したが、実施の形態2で説明したように、複数の噴出孔102を有するガス噴射セル部1に対して、ヒータ51,52を同様に配設させても良い。
以上のように、本実施の形態では、各錐体形状部材2,3は、加熱を行うヒータ51,52を有している。
このように、狭い隙間do内をヒータ51,52で直接加熱できるので、より低温(数十℃〜100℃程度)で、隙間doにおいてオゾンガスを熱解離させることができる。そして、生成された酸素ラジカルガスG2を、指向性を有するビームとして、被処理体に照射させることができる。
なお、ガスG1として、オゾンガスの代わりに、窒素化合物ガスや水素化合物ガスを採用しても良い。これらの場合には、加熱状態の隙間do内において、熱解離により、窒素ラジカルガスや水素ラジカルガスが生成される。ガス噴射セル部1から被処理体に、窒素ラジカルガスG2が照射されると、窒化膜が成膜され、水素ラジカルガスG2が照射されると、水素還元膜(水素結合を促進させた金属膜)が成膜される。
また、図10に示すガス噴射セル部1の隙間do内に、ガスG1として、プリカーサガスを入力させても良い。この場合には、加熱したプリカーサガスが、ガス噴射セル部1からビーム状に噴出させる。
<実施の形態4>
本実施の形態に係るガス噴射セル部1では、隙間do内において、誘電体バリア放電を発生させ、当該誘電体バリア放電を利用して、良質なラジカルガスを生成する。そして、本実施の形態に係るガス噴射セル部1は、指向性を有するビーム状の高速度のラジカルガスを噴出する。
電極面に高電圧の交流電圧を印加し、誘電体バリア放電を発生させ、当該誘電体バリア放電利用して、ガスを解離させ、ラジカルガスを生成することは良く知られている。本実施の形態に係るガス噴射セル部1は、誘電体バリア放電によって生成される、非常に高エネルギーを有した良質なラジカルガスを取り出すことができる、有効な手段として利用できる。
本実施の形態に係るガス噴射セル部1において、各錐体形状部材2,3は、誘電体であり、たとえば、サファイアもしくは石英で形成されている。
図11に示すように、本実施の形態に係るガス噴射セル部1では、第二の錐体形状部材2の外側面(つまり、隙間doに面していない側の側面)上には、第二の電極部61が環状に配設されている。また、第一の錐体形状部材3の内側面(つまり、隙間doに面していない側の側面)上には、第一の電極部62が環状に配設されている。
なお、本実施の形態では、図11に示すように、ガス噴射装置は、第一の電極部62と第二の電極部61との間に交流電圧を印加するための、交流電源9を有している。ここで、第一の電極部62は高電位HV側であり、第二の電極部61は低電位(接地電位)LV側である。
交流電源9により、第二の電極部61と第一の電極部62との間に、高電圧の交流電圧を印加する。すると、第一の錐体形状部材2と第二の錐体形状部材3との間に形成された隙間do(放電空間と解することができる)内において、誘電体バリア放電が発生する。当該誘電体バリア放電が発生している隙間doにガスが通過すると、ガスは電離し、非常に高エネルギーを有した良質なラジカルガスが生成される。ここで、本実施の形態では、隙間doは高電界であり、低温である。
ガス供給部から供給され、容器部内に、たとえば窒素ガスG1を充満させたとする。すると、当該窒素ガスG1は、ガス噴射セル部1の隙間doに入力する。そして、誘電体バリア放電が発生している隙間do内を、窒素ガスG1は伝搬する。誘電体バリア放電により、隙間do内を伝搬中の窒素ガスから、窒素ラジカルガスが生成される。当該窒素ラジカルガスは、噴出部5内の空間部5Hに供給される。そして、噴出孔102を介して、窒素ラジカルガスG2は、被処理体202に向けて噴射される。ここで、実施の形態1でも説明したように、噴出孔102からは、指向性を有するビーム状の高速度を有する窒素ラジカルガスG2が噴出する。
なお、上記説明では、噴出孔102が一つの構成を例にとって説明したが、実施の形態2で説明したように、複数の噴出孔102を有するガス噴射セル部1に対して、電極部61,62を同様に配設させても良い。
以上のように、本実施の形態では、各錐体形状部材2,3は、電極部61,62を有している。
したがって、ガス噴射セル部1の隙間do内において誘電体バリア放電を発生させることができる。よって、当該隙間do内にガスGqを供給させると、当該隙間do内においてラジカルガスを生成することができる。ガス噴射セル部1からは、指向性を有するビーム状のラジカルガスG2が出力される。ここで、実施の形態1でも説明したように、隙間do内を伝搬するガスは、整流・加速される。したがって、ガス噴射セル部1からは、高速のビーム化されたラジカルガスG2が出力される。よって、ラジカルガスG2が被処理体に到達するまでの時間は短縮化され、高濃度を維持した状態で、ラジカルガスG2は被処理体に照射される。
ここで、誘電体バリア放電により発生した放電熱を除去するために、図示を省略しているが、各電極部61,62内に、冷媒が循環する流路を設けても良い。当該流路内に水等の冷媒を循環させることにより、電極61,62、各錐体形状部材2,3および隙間doを冷却することができる。当該冷却された隙間do内では、より良質なラジカルガスが生成される。
誘電体バリア放電を利用して良質なラジカルガスを生成するために、隙間doでのプラズマ状態を高電界にする必要がある。高電界のプラズマ状態を実現するためには、P・d(kPa・cm)積を、所定値以下の条件にすることが要求される。ここで、Pは、隙間do内のガス圧力(上記のガス圧力P1と把握できる)であり、またdは、隙間doの幅(上記のΔdと把握できる)である。
ラジカルガスの場合において、P・d積が同じ値のとき、大気圧+短ギャップ長(幅Δdが小さい)の条件(前者の場合と称する)と、減圧+長ギャップ長(幅Δdが大きい)の条件(後者の場合と称する)との場合では、後者の場合の方が下記の点で有益である。つまり、後者の場合の方が、隙間do中を流れるガス流速が高められ、かつ、ギャップ長(放電面の壁)が広くなり、ラジカルガスの壁への衝突量による損失を抑制される(つまり、発生したラジカルガス量(ラジカルガス濃度)の分解を抑制できる)。
以上のようなことから、誘電体バリア放電を安定的に駆動出来、良好なラジカルガスが得られるという観点から、ガス噴射セル部1は以下の条件を満たすことが望ましいことを、発明者らは見出した。
つまり、ラジカルガス生成装置100において、ガス噴射装置内部(換言すれば、隙間do内)のガス圧力P1を、約10kPa〜30kPa程度に設定し、隙間do内の幅Δdを、約0.3〜3mmに設定することにより、P・d積値を、約0.3〜9(kPa・cm)とすることが望ましい。ガス圧力P1および幅Δdを前記値の範囲で設定することにより、誘電体バリア放電の電界強度を高めることができ、良質なラジカルガスを生成することができる。
なお、上記では、一例として、ガスG1として窒素ガスを採用する場合について言及した。しかしながら、窒素ガスの代わりに窒素化合物ガスを採用しても良い。また、ガス噴射セル部1の隙間do内に供給されるガスG1として、酸素化合物ガス(酸素ガスやオゾンを含む)や水素化合物ガス(水素ガスを含む)などを採用しても良い。この場合には、隙間do内では電離により、酸素化合物ガスから酸素ラジカルガスが生成され、水素化合物ガスから水素ラジカルガスが生成される。
ガス噴射セル部1から被処理体に、酸素ラジカルガスG2が照射されると、酸化膜が成膜され、水素ラジカルガスG2が照射されると、水素還元膜(水素結合を促進させた金属膜)が成膜される。
<実施の形態5>
本実施の形態では、上記で説明したガス噴射セル部が、ガス噴射装置内に複数配設されている。また、本実施の形態では、バッチ型の処理チャンバーを採用している。つまり、処理チャンバー内には、複数の被処理体が配置されている。また、一つのガス噴射装置内には、複数のガス噴射セル部が配設されているが、各ガス噴射セル部と各被処理体とは、一対一の関係にある。つまり、一つのガス噴射装置内に配設されている各ガス噴出セル部は、各被処理体に対してガスを噴出している。
図12は、本実施の形態に係るガス噴射装置100A,100Bと処理チャンバー200とから構成されるリモートプラズマ型成膜処理システムの構成を、模式的に示した斜視図である。
図12に示すように、本実施の形態では、処理チャンバー200内には、複数の被処理体202が多段に、上下方向に配置されている。つまり、本実施の形態に係る処理チャンバー200は、バッチ型CVD装置である。
当該処理チャンバー200の側面部には、第一のガス噴射装置100Aと第二のガス噴射装置100Bとが接続されている。具体的に、処理チャンバー200と第一のガス噴射装置100Aとは、真空フランジを介して接続されている。同様に、処理チャンバー200と第二のガス噴射装置100Bとは、真空フランジを介して接続されている。なお、各ガス噴射装置100A,100B内のガス圧力は、たとえば、10kPa〜50kPaの範囲内の所定圧力で一定に保持されている。
ここで、第一のガス噴射装置100A内には、ラジカルガスを噴射する、複数のガス噴射セル部1Aが配設されている。また、第二のガス噴射装置100B内には、プリカーサガスを噴射する、複数のガス噴射セル部1Bが配設されている。
なお、ガス噴射セル部1A,1Bの構成は、実施の形態1または実施の形態2で説明した内容と同様である。さらに、ガス噴射セル部1Aは、実施の形態3で説明した技術的特徴、つまり、各錐体形状部材2,3を加熱するヒータ51,52をも有している(図12では、ヒータ51と、ヒータ51を加熱するための電源H2と、ヒータ52を加熱するための電源H1とが図示されている)。
上述したように、処理チャンバー200内に各被処理体202が多段に上下方向に配置されている。同様に、第一のガス噴射装置100A内には、各ガス噴射セル部1Aが上下方向に一列に配置されている。同様に、同様に、第二のガス噴射装置100B内には、各ガス噴射セル部1Bが上下方向に一列に配置されている。
また、第一のガス噴射装置100A内には、加熱によってラジカル化させるための原料ガスG1Aが供給される。第二のガス噴射装置100B内には、プリカーサガスG1Bが供給される。
最上段(1段目)のガス噴射セル1Aは、最上段(1段目)の被処理体202に対して、ラジカルガスG2Aを照射し、最上段(1段目)のガス噴射セル1Bは、最上段(1段目)の被処理体202に対して、プリカーサガスG2Bを照射する。
同様に、上から2段目のガス噴射セル1Aは、上から1段目の被処理体202に対して、ラジカルガスG2Aを照射し、上から2段目のガス噴射セル1Bは、上から2段目の被処理体202に対して、プリカーサガスG2Bを照射する。
同様に、上からn段目のガス噴射セル1Aは、上からn段目の被処理体202に対して、ラジカルガスG2Aを照射し、上からn段目のガス噴射セル1Bは、上からn段目の被処理体202に対して、プリカーサガスG2Bを照射する。
そして、最下段のガス噴射セル1Aは、最下段の被処理体202に対して、ラジカルガスG2Aを照射し、最下段のガス噴射セル1Bは、最下段の被処理体202に対して、プリカーサガスG2Bを照射する。
図12に示すように、処理チャンバー200内において、テーブル201には、2本の柱240が上下方向に延設されている。また、柱240の延設方向に沿って、上下方向に、載置台2010が配設されている。ここで、各柱240には、支持部230が取り付けられており、当該支持部230および図示してない部材により、回転可能なように各載置台2010が支持されている。
ここで、図12に示すように、載置台2010上には、被処理体202が載置される。また、被処理体202が、各ガス噴射セル部1A,1Bからのガス噴出方向に面するように、載置台2010は、支持部230および図示していない部材により、斜めに支持されている。
各載置台2010の側面部は、各回転ローラ250と接している。したがって、各回転ローラを回転させることにより、各載置台2010を回転させることができる。各回転ローラ250は、軸クランプ260に結合されている。当該軸クランプ260を軸回転させることにより、一定周期で各回転ローラ250(結果として各載置台2010)を回転させることができる。
なお、実施の形態1でも説明したように、処理チャンバー200内は、真空ポンプ300により排気され、成膜後のガスは、処理チャンバー200外へと排気され、処理チャンバー200内の圧力を成膜に最適な減圧雰囲気を維持される。一般的には、処理チャンバー200内は、約30Pa〜400Pa程度の範囲で、一定条件に設定されている。
なお、図示はされていないが、処理チャンバー200の側面にはヒータが接続されている。そして、当該ヒータにより、処理チャンバー200内の温度は、成膜に適した温度にコントロールされている。
各ガス噴射セル部1A,1Bから各被処理体202に対して、ビーム状の各ガスG2A,G2Bが照射されることより、各被処理体202面に所望の膜が成膜される。処理チャンバー200内への各ガスG2A,G2Bの供給パターンは、成膜させる条件によって決められ、マスフローコントローラや空圧バルブにより、ガス流量およびガスON−OFFが制御される。
実施の形態3で説明したように、各ガス噴射セル部1Aからは、熱解離により生成される、たとえば酸素ラジカルガスG2Aが噴射される。一方で、各ガス噴射セル部1Bからは、プリカーサガスG2Bが噴射される。各被処理体202において、酸素ラジカルガスG2AとプリカーサガスG2Bとが化学反応し、プリカーサガスG2Bの金属と酸素原子との結合により、各被処理体202上に金属酸化物質が堆積する。処理チャンバー200内は、減圧雰囲気であり、所望温度に加熱されている。これにより、堆積している金属酸化物質は被処理体202面で拡散結合し、結晶化膜が形成され、結果として、各被処理体202上において所望の金属酸化膜が成膜する。
なお、成膜処理の際には、上記のように、載置台2010は回転している。また、被処理体202において、より広範囲の領域に各ガスG2A,G2Bが照射されるように、当該載置台2010の回転に加えて、各載置台2010を上下方向(図12の上下方向)に繰り返し移動させてもよい。これにより、各被処理体202において、全面に均一な金属酸化膜を短時間で成膜することができる。
なお、図12に示した構成の代わりに、図13に示す構成を採用しても良い。図12と図13との比較から分かるように、図13に示す構成では、図12に示した構成に、ガス排出管2030A,2030Bが付加されている。
図13に示すように、ガス排出管2030Aおよびガス排出管2030Bは、処理チャンバー200内に配設されている。また、ガス排出管2030Aの一方の端部およびガス排出管2030Bの一方の端部は、真空ポンプ300に接続されている。ガス排出管2030Aは、各ガス噴射セル部1Aから噴出され、各被処理体202で反射されたラジカルガスG2Aを、排気する。ガス排出管2030Bは、各ガス噴射セル部1Bから噴出され、各被処理体202で反射されたプリカーサガスG2Bを、排気する。
より具体的には、ガス排出管2030Aの側面部には、複数の排気孔が穿設されている。つまり、各被処理体202に対応して、排気孔が各々設けられている。したがって、ガス排出管2030Aの各排気孔は、各ガス噴射セル部1Aから噴出され、各被処理体202で反射されたラジカルガスG2Aを、排気する。
また、ガス排出管2030Bの側面部には、複数の排気孔が穿設されている。つまり、各被処理体202に対応して、排気孔が各々設けられている。したがって、ガス排出管2030Bの各排気孔は、各ガス噴射セル部1Bから噴出され、各被処理体202で反射されたラジカルガスG2Bを、排気する。
図13に示すように、各ガス排出管2030A,2030Bを設けることにより、処理チャンバー200内におけるガスの流れを一定化させることができる。つまり、一方の被処理体202で反射されたガスG2A,G2Aが、他の被処理体202に照射されることを防止できる。これにより、各被処理体202において、より良質な膜を成膜することができる。
なお、図12,13に示すように、各ガス噴射装置100A,100B内には、複数のガス噴射セル部1A,1Bを多段に配設させる必要がある。したがって、各ガス噴射セル部1A,1Bが設置される占有面積を極力小さくすることが望ましく、上述した各ガス噴射セル部1A,1Bの円錐角βは、50°以下に設定することが望ましい。
以上のように、本実施の形態では、複数のガス噴射セル部1A,1Bを配設している。そして、ラジカルガス用の各ガス噴射セル部1Aは、各被処理体202に対してラジカルガスG2Aを照射し、プリカーサガス用の各ガス噴射セル部1Bは、各被処理体202に対してプリカーサガスG2Bを照射している。
したがって、一度の成膜工程により、複数枚の被処理体202に対して所望の膜を同時に成膜することができる。なお、本実施の形態では、複数のガス噴射セル部1A,1Bの形状として錐体形状のもので説明したが、他の実施例として、後述する扇状形状をしたガス空間断面、ガス加熱空間断面もしくは放電ガス空間断面にして、被処理チャンバーにガス噴射させるようにしても良い。
なお、上記例では、第一のガス噴射装置100A内には、実施の形態3で説明したガス噴射セル部が配設されていた。しかしながら、第一のガス噴射装置100A内に、実施の形態4で説明したガス噴射セル部を配設させても良い。つまり、第一のガス噴射装置100A内に、誘電体バリア放電を利用してラジカルガスを生成し、噴出する、複数のガス噴射セル部を配設させても良い。
<実施の形態6>
本実施の形態では、実施の形態1−4で説明したガス噴射セル部が、ガス噴射装置内に複数配設されている。また、本実施の形態では、枚葉型の処理チャンバーを採用している。つまり、処理チャンバー内には、一枚の被処理体が配置されている。また、一つのガス噴射装置内には、複数のガス噴射セル部が配設されているが、全てのガス噴射セル部1は、一枚の被処理体に対して、ガスを照射している。
図14は、本実施の形態に係るガス噴射装置100A,100Bと処理チャンバー200とから構成されるリモートプラズマ型成膜処理システムの構成を、模式的に示した斜視図である。
図14に示すように、本実施の形態では、処理チャンバー200内には、一枚の被処理体202が配置されている(具体的には、処理チャンバー200内に設けられているテーブル201上に、一枚の大面積の被処理体202が載置されている)。つまり、本実施の形態に係る処理チャンバー200は、枚葉型CVD装置である。
当該処理チャンバー200の上面部には、第一のガス噴射装置100Aと第二のガス噴射装置100Bとが接続されている。具体的に、処理チャンバー200と第一のガス噴射装置100Aとは、真空フランジを介して接続されている。同様に、処理チャンバー200と第二のガス噴射装置100Bとは、真空フランジを介して接続されている。なお、各ガス噴射装置100A,100B内のガス圧力は、たとえば、10kPa〜50kPaの範囲内の所定圧力で一定に保持されている。
ここで、第一のガス噴射装置100A内には、ラジカルガスを噴射する、複数のガス噴射セル部1Aが配設されている。また、第二のガス噴射装置100B内には、プリカーサガスを噴射する、複数のガス噴射セル部1Bが配設されている。
なお、ガス噴射セル部1A,1Bの構成は、実施の形態1または実施の形態2で説明した内容と同様である。さらに、ガス噴射セル部1Aは、実施の形態4で説明した技術的特徴、つまり、各錐体形状部材2,3間に交流案圧を印加するための電極部61,62をも有している(図14では、電極部61と、各電極61,62間に交流電圧を印加するための交流電源9とが図示されている)。
また、第一のガス噴射装置100A内には、ラジカルガスの原料となる原料ガスG1Aが供給される。第二のガス噴射装置100B内には、プリカーサガスG1Bが供給される。
第一のガス噴射装置100A内に配設されている全てのガス噴射セル部1Aは、一枚の被処理体202の異なる領域に対して、ラジカルガスG2Aを照射している。また、第二のガス噴射装置100B内に配設されている全てのガス噴射セル部1Bは、一枚の被処理体202の異なる領域に対して、ラジカルガスG2Bを照射している。
テーブル201は回転可能であり、当該テーブル201の回転に伴い、被処理体202も回転する。
なお、実施の形態1でも説明したように、処理チャンバー200内は、真空ポンプ300により排気され、成膜後のガスは、処理チャンバー200外へと排気され、処理チャンバー200内の圧力を成膜に最適な減圧雰囲気を維持される。一般的には、処理チャンバー200内は、約30Pa〜400Pa程度の範囲で、一定条件に設定されている。
なお、図示はされていないが、テーブル201にはヒータが接続されている。そして、当該ヒータにより、処理チャンバー200内の温度は、成膜に適した温度にコントロールされている。
各ガス噴射セル部1A,1Bから被処理体202に対して、ビーム状の各ガスG2A,G2Bが照射されることより、被処理体202面に所望の膜が成膜される。処理チャンバー200内への各ガスG2A,G2Bの供給パターンは、成膜させる条件によって決められ、マスフローコントローラや空圧バルブにより、ガス流量およびガスON−OFFが制御される。
実施の形態4で説明したように、各ガス噴射セル部1Aからは、誘電体バリア放電により生成される、たとえば窒素ラジカルガスG2Aが噴射される。一方で、各ガス噴射セル部1Bからは、プリカーサガスG2Bが噴射される。被処理体202において、窒素ラジカルガスG2AとプリカーサガスG2Bとが化学反応し、プリカーサガスG2Bの金属と窒素原子との結合により、被処理体202上に金属窒化物質が堆積する。処理チャンバー200内は、減圧雰囲気であり、所望温度に加熱されている。これにより、堆積している金属窒化物質は拡散し、結果として、被処理体202上において所望の金属窒化膜が成膜する。
なお、成膜処理の際には、上記のように、テーブル201は回転している。これにより、被処理体202において、全面に均一な金属酸化膜を成膜することができる。
なお、図14に示すように、各ガス噴射装置100A,100B内には、複数のガス噴射セル部1A,1Bを配設させる必要がある。したがって、各ガス噴射セル部1A,1Bが設置される占有面積を極力小さくすることが望ましく、上述した各ガス噴射セル部1A,1Bの円錐角βは、50°以下に設定することが望ましい。
以上のように、本実施の形態では、複数のガス噴射セル部1A,1Bを配設している。そして、全てのガス噴射セル部1A,1Bは、一枚の被処理体202に対して、各ガスG2A,G2Bを照射している。
したがって、大面積の被処理体202であっても、短時間に、所望の膜を成膜することができる。
なお、上記例では、第一のガス噴射装置100A内には、実施の形態4で説明したガス噴射セル部が配設されていた。しかしながら、第一のガス噴射装置100A内に、実施の形態3で説明したガス噴射セル部を配設させても良い。つまり、第一のガス噴射装置100A内に、ヒータ加熱に起因した熱解離を利用してラジカルガスを生成し、噴出する、複数のガス噴射セル部を配設させても良い。
<実施の形態7>
本実施の形態は、上記で示したガス噴射セル部1の他の形状を示すものである。上記で説明したガス噴射セル部1の形状は、円錐や角錐などの錐体形状であった。本実施の形態では、ガス噴射セル部1の形状は、二つの平板を用いて構成されており、ガスの流れ方向を整流化および加速化を可能とする。
図15は、本実施の形態に係るガス噴射セル部1の構成を示す斜視図である。図15に示すように、ガス噴射セル部1は、二つの平板2,3を、間隔Δdだけ隔てて対面させることにより、構成されている。ガス噴射セル部1の両側面を形成する部材が、二つの平板2,3の隙間do形成のためのスペーサとして機能しており、当該部材により、隙間do内のすべての領域において、間隔Δdが一定に維持されている。また、平板2,3の面を平面視したとき、ガスの入口(上部側)からガスの出口(下部側であり、扇型形状の頂部側と把握できる)に向かって、幅が減少する扁平形状を有している(以下、扇形形状と称する)。したがって、ガス噴射セル部1において、ガスの入口側の幅は、ガスの出口側(頂部側)の幅よりも広い。
上述したガス供給部101から供給されたガスG1は、ガス噴射セル部1の上部に設けられた開口部から、当該ガス噴射セル部1内に侵入し、ガス噴射セル部1内の隙間doを通る。隙間doにおける間隔Δdは、ガス噴射セル部1内において一定であり、ガスG1が、扇形形状の隙間doを下部側に向かって流れる。扇型形状に起因して、隙間doの体積は、ガスの侵入側からガスの出口側に向かって、小さくなる。したがって、ガス噴射セル部1内におけるガス流速は大きくなる。
ガス噴射セル部1内を通過したガスG1は、ガス噴射セル部1の下部側に設けられた噴出部5に穿設されている噴出孔102を介して、ガスG2としてビーム状に噴射される。つまり、扇型形状のガス噴射セル部1の頂部側(噴出部5配設側)は、被処理体202に面しており、当該ビーム状のガスG2は、噴出孔102を介して、被処理体202に対して噴射される。ここで、噴出部5に配設された上記噴出孔102は、1つまたは複数である。
なお、二つの平板2,3および側面となる部材は、アルミナ、石英およびサファイヤーの何れかで形成されており、一体化構成されている。
図15に示すように、ガス噴射セル部1を扇型形状とすることにより、錐体形状のガス噴射セル部1と同じ作用効果を有するのみでなく、安価にガス噴射セル部1を作成することができる。また、扇型形状のガス噴射セル部1は、錐体形状のガス噴射セル部1よりも、積層等の向いており、狭い領域に多くの扇型形状のガス噴射セル部1を配設させることもできる。
<実施の形態8>
図16は、本実施の形態に係るガス噴射セル部1の構成を示す斜視図である。
図16に示すように、本実施の形態では、実施の形態7に係るガス噴射セル部1の周りを囲うように、ヒータ51が捲かれている。なお、ガス噴射セル部1の輪郭が視認できるように、ヒータ51は透視的に図示されている。また、実施の形態3と同様に、ヒータ51を加熱するための電源H1が配設されている。当該ヒータ51の配設により、ガス噴射セル部1内において、隙間do内を通過するガスG1を加熱させることができる。当該ガスG1の加熱により、ガスG1をラジカル化させることができ、ラジカルガスG2が生成される。そして、噴出孔102からは、ビーム状のラジカルガスG2が噴射される。
<実施の形態9>
図17は、本実施の形態に係るガス噴射セル部1の構成を示す斜視図である。
図17に示すように、本実施の形態では、実施の形態7に係るガス噴射セル部1において、各平板1,2の外側面(隙間doに面しない側の面)に、第一の電極(平板3に配設されており、図17では平板3により輪郭が隠れている)と第二の電極61が配設されている。
第一の電極には、低圧給電板620が配設されており、第二の電極61には、高圧給電板610が配設されている。また、図17に示すように、交流電源9の高圧端子HVは、高圧給電板610に接続されており、交流電源9の低圧端子LVは、低圧給電板620に接続されている。実施の形態4と同様に、交流電源9は、高圧給電板610と低圧給電板620との間に交流電圧を印加する。
なお、高圧給電板610と低圧給電板620内には、当該部材を含みガス噴射セル部1の冷却のために、冷却水を流せる流路が形成されていてもよい。
本実施の形態に係るガス噴射セル部1では、高圧給電板610および低圧給電板620を介して、交流電源9は、誘電体である平板2,3間に交流高電圧を印加する。これにより、隙間do内において、誘電体バリア放電が発生する。当該誘電体バリア放電を利用することにより、ガスG1から、良質なラジカルガスG2が生成される。そして、噴出孔102からは、ビーム状のラジカルガスG2が噴射される。
なお、実施の形態7−9に示した扇形形状のガス噴射セル部1は、錐体形状のガス噴射セル部1に置き換えるのみで、実施の形態1−6に説明した内容は、当該扇型形状のガス噴射セル部1を用いたガス噴射装置にも成立する。したがって、実施の形態7−9に示したガス噴射セル部1は、錐体形状のガス噴射セル部1に代わって、実施の形態5,6におけるガス噴射セル部1として、用いることは当然にできる。
また、上記したように、実施の形態7−9に示したガス噴射セル部1において、隙間doの間隔Δd(両平板2,3間の距離)は、0.3mm以上、3mm以下であり、容器部内(つまり、ガス噴射セル部1内)のガス圧力は、10kPa以上、30kPa以下であることが、望ましい。
1,1A,1B ガス噴射セル部
2 第二の錐体形状部材、平板
3 第一の錐体形状部材、平板
5 噴出部
5H 空間部
9 交流電源
22 フランジ
51,52 ヒータ
61 第二の電極部
62 第一の電極部
100 ガス噴射装置
100A 第一のガス噴射装置
100B 第二のガス噴射装置
100D 容器部
101 ガス供給部
102 噴出孔
200 処理チャンバー
201 テーブル
202 被処理体
202A 溝
230 支持部
240 柱
250 回転ローラ
300 真空ポンプ
610 高圧給電板
620 低圧給電板
2010 載置台
2030A,2030B ガス排出管
do 隙間
G1 (ガス噴射装置に供給される)ガス
G2 (ガス噴射セル部から出力される)ガス
G1A 原料ガス
G1B プリカーサガス
G2A ラジカルガス
G2B プリカーサガス
H1,H2 電源
P0 (処理チャンバー内の)ガス圧力
P1 (容器部内の)ガス圧力
α ビーム角度
β 円錐角

Claims (17)

  1. 容器部(100D)と、
    前記容器部にガスの供給を行う、ガス供給部(101)と、
    前記容器部内に配設され、被処理体(202)に対して、ガスの噴射を行うガス噴射セル部(1)とを、備えており、前記ガス供給部は前記ガス噴射セル部から離散して配置され、
    前記ガス噴射セル部は、
    第一の錐体形状部材(3)と、
    前記第一の錐体形状部材を側面方向から囲繞し、前記第一の錐体形状部材の側面との間に隙間(do)が形成されるように配置される第二の錐体形状部材(2)とを、有しており、
    前記第一の錐体形状部材の頂部側および前記第二の錐体形状部材の頂部側は、
    前記被処理体に対面しており、
    前記ガス供給部から供給されたガスは、
    記第一の錐体形状部材の底面側および前記第二の錐体形状部材の底面側から、前記隙間に侵入し、前記隙間を通って、前記第一の錐体形状部材の頂部側および前記第二の錐体形状部材の頂部側から、前記被処理体に向けて噴射される、
    ことを特徴とするガス噴射装置。
  2. 前記第一の錐体形状部材の前記隙間に面する部分および前記第二の錐体形状部材の前記隙間に面する部分は、
    サファイアまたは石英で構成されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載のガス噴射装置。
  3. 前記隙間における、前記第一の錐体形状部材の側面と前記第二の錐体形状部材の側面との距離は、
    0.3mm以上、3mm以下であり、
    前記容器部内のガス圧力(P1)は、
    10kPa以上、30kPa以下である、
    ことを特徴とする請求項1に記載のガス噴射装置。
  4. 前記ガス噴射セル部は、
    前記被処理体に対してガスの噴射を行う噴出部(5)を、さらに有しており、
    前記第一の錐体形状部材の頂部側および前記第二の錐体形状部材の頂部側は、
    前記噴出部の側面側と接続されており、
    前記噴出部は、
    内部に形成された空間部(5H)と、
    前記空間部に接続された複数の噴出孔(102)とを、有しており、
    前記ガス供給部から供給されたガスは、
    前記隙間を通って、前記空間部に供給され、前記複数の噴出孔を介して、前記被処理体に向けて噴射される、
    ことを特徴とする請求項1に記載のガス噴射装置。
  5. 前記第一の錐体形状部材および前記第二の錐体形状部材を加熱する加熱部(51,52)を、さらに備えている、
    ことを特徴とする請求項1に記載のガス噴射装置。
  6. 交流電圧を供給する交流電源(9)を、さらに備えており、
    前記第一の錐体形状部材および前記第二の錐体形状部材は、
    誘電体であり、
    前記第一の錐体形状部材は、
    第一の電極部(62)が配設されており、
    前記第二の錐体形状部材は、
    第二の電極部(61)が配設されており、
    前記交流電源が、前記第一の電極部と前記第二の電極部との間に交流電圧を印加することにより、前記隙間において、誘電体バリア放電を発生させる、
    ことを特徴とする請求項1に記載のガス噴射装置。
  7. 容器部(100D)と、
    前記容器部にガスの供給を行う、ガス供給部(101)と、
    前記容器部内に配設され、被処理体(202)に対して、ガスの噴射を行うガス噴射セル部(1)とを、備えており、前記ガス供給部は前記ガス噴射セル部から離散して配置され、
    前記ガス噴射セル部は、
    扇型形状であり、
    第一の平板(2)と、
    前記第一の平板と隙間(do)が形成されるように対面して配置される第二の平板(3)とを、有しており、
    前記ガス噴射セル部の頂部側は、
    前記被処理体に対面しており、
    前記ガス供給部から供給されたガスは、
    前記扇型形状の前記ガス噴射セル部における幅の広い側の開口部から、前記隙間に侵入し、前記隙間を通って、前記ガス噴射セル部の頂部側から、前記被処理体に向けて噴射される、
    ことを特徴とするガス噴射装置。
  8. 前記第一の平板および前記第二の平板は、
    サファイアまたは石英で構成されている、
    ことを特徴とする請求項7に記載のガス噴射装置。
  9. 前記隙間における間隔は、
    0.3mm以上、3mm以下であり、
    前記容器部内のガス圧力は、
    10kPa以上、30kPa以下である、
    ことを特徴とする請求項7に記載のガス噴射装置。
  10. 前記ガス噴射セル部は、
    前記被処理体に対してガスの噴射を行う噴出部(5)を、さらに有しており、
    前記噴出部は、
    複数の噴出孔(102)を、有しており、
    前記ガス供給部から供給されたガスは、
    前記隙間を通って、前記複数の噴出孔を介して、前記被処理体に向けて噴射される、
    ことを特徴とする請求項7に記載のガス噴射装置。
  11. 前記第一の平板および前記第二の平板を加熱する加熱部(51,52)を、さらに備えている、
    ことを特徴とする請求項7に記載のガス噴射装置。
  12. 交流電圧を供給する交流電源(9)を、さらに備えており、
    前記第一の平板および前記第二の平板は、
    誘電体であり、
    前記第一の平板は、
    第一の電極部が配設されており、
    前記第二の平板は、
    第二の電極部が配設されており、
    前記交流電源が、前記第一の電極部と前記第二の電極部との間に交流電圧を印加することにより、前記隙間において、誘電体バリア放電を発生させる、
    ことを特徴とする請求項7に記載のガス噴射装置。
  13. 前記ガス噴射セル部は、
    複数である、
    ことを特徴とする請求項1または請求項7に記載のガス噴射装置。
  14. 前記被処理体は、
    複数であり、
    各前記ガス噴出セル部は、
    各前記被処理体に対してガスを噴出する、
    ことを特徴とする請求項13に記載のガス噴射装置。
  15. 複数の前記ガス噴出セル部は、
    一つの被処理体に対してガスを噴出する、
    ことを特徴とする請求項13に記載のガス噴射装置。
  16. 前記ガス供給部から供給されたガスは、
    プリカーサガスである、
    ことを特徴とする請求項1または請求項7に記載のガス噴射装置。
  17. 前記ガス供給部から供給されたガスは、
    ラジカルガスの原料となる原料ガスである、
    ことを特徴とする請求項1または請求項7に記載のガス噴射装置。
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