JP6477044B2 - 原料ガス供給装置、原料ガス供給方法及び成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体原料を気化して原料の消費区域に供給する技術に関する。

半導体製造プロセスの一つである成膜処理としては、原料ガスと原料ガスを例えば酸化、窒化あるいは還元する反応ガスと交互に供給するＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）や原料ガスを気相中で分解あるいは反応ガスと反応させるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などある。このような成膜処理に用いられる原料ガスとしては、成膜後の結晶の緻密度を高めると共に基板に取り込まれる不純物の量を極力減らすために、固体原料を昇華させたガスを用いることがあり、例えば高誘電体膜をＡＬＤで成膜するときに用いられる。

固体原料を用いる原料ガス供給装置としては、特許文献１に記載されているように、ヒータにより囲まれた原料容器内に不活性ガス例えば窒素ガスであるキャリアガスを供給し、昇華したガスをキャリアガスと共にガス供給路を介してプロセスチャンバ内に供給する構成が知られている。
このような固体原料を用いたシステムにおいては次のような問題がある。成膜処理は真空雰囲気で行われるため、固体原料の消費により原料容器を交換するときには、真空系から切り離す作業が必要であり、また切り離したときに原料ガスが作業雰囲気に漏洩しないように原料容器内及び配管内を切り離し前にパージする作業が必要である。更に原料容器を加熱しているヒータをオフした後、原料容器内が冷えるのを待たなければならず、こうしたことから、原料容器を交換する作業に長い時間がかかり、装置の稼働率を低くする要因になる。原料容器の交換周期を長くするため、大きな原料容器を設置しようとすると、半導体製造工場内では複数のプロセスチャンバが並行して稼働していることから、各プロセスチャンバごとに大きな原料容器を設置することになり、広いスペースが必要になる。

また原料容器を２つ用意して、プロセスを継続しながら原料容器を交換するシステムを採用しようとすると、次の課題がある。安全なインターロックを確保するためには、原料容器ごとにパージ系統及び真空排気系統が必要になることから、設備が大掛かりになり、装置のコストアップの要因になる。更に設置スペースを考慮すると、１個のプロセスチャンバに用意される２個の原料容器としては小型なものを用いらざるを得ないことから、原料容器の交換周期が短くなる。原料容器を交換する作業は、既述の作業に加えて、配管から切り離された原料容器を洗浄し、固体原料を再充填しなければならないことから、頻繁な原料容器の交換作業は、作業者に大きな負担を強いることになる。

更に原料容器内の固体原料の表面においては、キャリアガスにより吹き付けられる部位の温度が気化熱により下がることや原料容器の内壁が加熱されることなどに起因して、昇華効率の時間的な変化が存在し、特に固体原料が減少したときにおいて、前記変化の程度が大きくなる。このため安定した原料の流量を確保するための特段の制御システムが必要になる。

特開２００８−２４０１１９号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、固体原料を昇華して原料を消費区域に供給するにあたって、原料容器の交換に伴う装置の稼働率の低下を抑えることができる技術を提供することにある。

本発明の原料ガス供給装置は、固体原料を昇華した原料を不活性ガスであるキャリアガスと共に消費区域に供給する原料ガス供給装置において、
キャリアガス供給路がその上流側に接続されると共に、固体原料の昇華温度以上に加熱され、固体原料を収容する原料容器と、
前記原料容器の下流側に補充用流路を介して接続され、当該原料容器から流出したキャリアガスと昇華した原料とを含む原料ガス中から前記原料を再固化して捕捉するための原料捕捉部と、
前記固体原料の昇華温度以上に前記原料捕捉部を加熱するための加熱部と、
前記原料容器と原料捕捉部との間に接続され、前記原料捕捉部に捕捉されている固体原料が昇華した原料とキャリアガスとを供給用流路を介して消費区域に供給するために、キャリアガスを前記原料捕捉部に供給する原料捕捉部用のキャリアガス供給路と、
前記原料容器から原料ガスが原料捕捉部に送られているときに原料捕捉部からガスを排出するための排出路と、
前記原料容器から原料を補充するために原料ガスが原料捕捉部に送られているときに供給用流路を遮断するバルブ及び前記原料捕捉部から消費区域に原料ガスを供給するときに補充用流路を遮断するバルブと、を備えたことを特徴とする。

上述の原料ガス供給装置と、
内部に基板が載置される載置部を備え、固体原料が昇華した原料とキャリアガスとが供給用流路を介して供給される処理容器と、
前記処理容器内の雰囲気を排気するための排気機構と、を備えたことを特徴とする成膜装置。

本発明の原料ガス供給方法は、固体原料を昇華した原料を不活性ガスであるキャリアガスと共に消費区域に供給する原料ガス供給方法において、
固体原料を収容する原料容器を加熱して固体原料を昇華させ、昇華した原料をキャリアガスと共に、当該原料容器の下流側に補充用流路を介して接続した原料捕捉部に供給して、当該原料捕捉部に原料を再固化させる工程と、
次いで、前記補充用流路のバルブを閉じ、前記原料捕捉部を加熱して、再固化した固体原料を昇華させ、昇華した原料を前記原料容器と原料捕捉部との間に接続されたキャリアガス供給路から供給されるキャリアガスと共に、供給用流路を介して消費区域に供給する工程と、を繰り返し行うことを特徴とする。

本発明は、固体原料を昇華して原料の消費区域に供給するにあたって、固体原料を収容する原料容器と原料の消費区域との間に原料捕捉部を設け、原料を昇華した原料ガスを原料容器から原料捕捉部に供給して再固化させ、次いで原料捕捉部を加熱して、再固化している原料を昇華させて消費区域に供給している。従って原料容器を交換する作業に並行して原料捕捉部から原料を消費区域に供給できるので、原料容器の交換に伴う装置の稼働率の低下を抑えることができる。

本発明の実施の形態に係る原料ガス供給装置を適用した成膜装置を示す全体構成図である。 原料ガス供給装置に設けられた原料供給系を示す構成図である。 第１及び第２の原料捕捉部を温調するヒータと冷却部を示す断面図である。 原料ガス供給装置に設けられた制御部を示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る原料ガス供給装置の作用を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る原料ガス供給装置の作用を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る原料ガス供給装置の作用を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る原料ガス供給装置の作用を説明する説明図である。 本発明の実施の形態の他の例に係る原料ガス供給装置を示す構成図である。

本発明の原料ガス供給装置を成膜装置に適用した実施の形態について図１〜図４を参照して説明する。図１に示すように成膜装置は、基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に対して例えばＡＬＤ法による成膜処理を行なうための原料ガスの消費区域である複数、例えば３つの成膜処理部１Ａ〜１Ｃと、各成膜処理部１Ａ〜１Ｃに原料ガスを供給する原料供給系２Ａ〜２Ｃと、各原料供給系２Ａ〜２Ｃに対して後述のように原料を補充するための共通の原料容器３と、を備えている。この例ではＡＬＤ法として、原料ガスであるＷＣｌ_６（六塩化タングステン）と、反応ガス（還元ガス）である水素（Ｈ_２）とを処理ガスとしてＷ（タングステン）膜を成膜する例を挙げている。

原料容器３は、例えば高さ５０ｃｍの円筒形のステンレスの容器であり、原料となる常温では固体（粉体）のＷＣｌ_６を固体原料３００として、２０〜８０ｋｇ、例えば２０ｋｇ収容している。原料容器３の天井部の中心部には、ノズル部６６が設けられている。ノズル部６６には、キャリアガスとなる不活性ガス、例えばＮ_２（窒素）ガスを供給するキャリアガス供給路６４の下流端部が接続されており、ノズル部６６の先端から固体原料３００に向けて、例えば１０ｓｌｍ（リットル／分）の流量でキャリアガスを吹き付けるように構成されている。なお、ノズル部６６の内径は、例えば０．４〜０．８ｍｍのものを使用する。また、キャリアガスは、ノズル部６６を介して原料容器３内に供給されるため、断熱膨張を考慮して、例えば１５０〜３００℃に温めて供給する必要がある。

また原料容器３の天井部には、原料容器３から原料ガスを各原料供給系２Ａ〜２Ｃに供給して原料を補充する原料補充用の配管３０の上流端部が接続されている。さらに原料容器３内におけるノズル部６６の吐出口と原料補充用の配管３０の取り込み口との間には、容器３の横断面を塞ぐように面状のフィルタ部６７が取り付けられている。このフィルタ部６７は、ノズル部６６から吐出されたＮ_２ガス流によって舞い上がる固体原料３００の粉体が原料補充用の配管３０に侵入することを抑える役割を持っている。キャリアガス供給路６４には、キャリアガスの流量を調整するためのマスフローコントローラ６５と、バルブＶ６４と、が介設されている。

原料容器３の周囲はヒータ８、例えば抵抗発熱体を備えたジャケット状のマントルヒータで覆われている。原料容器３のヒータ８は、図示しない電源から供給される電力の調整により、原料容器３の温度を調節できるように構成されている。原料容器３のヒータ８の設定温度は、固体原料３００が昇華し、且つＷＣｌ_６が分解しない範囲の温度、例えば１５０℃に設定される。

続いて成膜処理部１Ａ〜１Ｃ、及び原料供給系２Ａ〜２Ｃについて、成膜処理部１Ａ及び成膜処理部１Ａに接続された原料供給系２Ａを例に挙げて説明する。図２に示すように成膜処理部１Ａは、真空容器１０内に、ウエハ１００を水平保持すると共に、不図示のヒータを備えた載置台１２と、原料ガス等を真空容器１０内に導入するガス導入部１１（具体的にはガスシャワーヘッド）と、を備えている。真空容器１０内は排気管１３を介して接続された真空ポンプなどからなる真空排気部２４により真空排気され、原料ガスが導入されることにより、加熱されたウエハ１００の表面にて成膜が進行するように構成されている。

ガス導入部１１にはガス供給管１５が接続され、このガス供給管１５には、原料供給系２ＡからＷＣｌ_６を含む原料ガスを供給する供給用流路となる原料ガス供給管３７、原料ガスと反応する反応ガスを供給する反応ガス供給管７０及び置換ガスを供給する置換ガス供給管７５が合流されている。反応ガス供給管７０の他端側は、反応ガスの供給源７１に接続されたガス供給管７３と、不活性ガス例えば窒素（Ｎ_２）ガスの供給源７２に接続されたガス供給管７４とに分岐されている。また置換ガス供給管７５の他端側は置換ガス例えばＮ_２ガスの供給源７６に接続されている。図中のＶ７３〜Ｖ７５は、夫々ガス供給管７３、ガス供給管７４及び置換ガス供給管７５に設けられたバルブである。

原料供給系２Ａは、原料容器３において昇華し、キャリアガスと共に供給された原料ガスを再固化して捕捉し、成膜処理部１Ａに対して原料供給源となる第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２を備えている。第１及び第２の原料捕捉部４１、４２は、例えばステンレスにより形成された縦型の円筒形状のケース体４０と、その表面が固化面となる捕捉部材４３と、を備えている。ケース体４０の内周面には、円の一部を弦に沿って、かまぼこ型に切り欠いた形状に成形された板状の捕捉部材４３がケース体４０の長さ方向に棚状に設けられている。各捕捉部材４３は、互いに上下に隣接する捕捉部材４３の切り欠き部分の向きが１８０度逆に設定されており、従ってケース体４０内には迷路構造である屈曲した流路が形成される。

図２及び図３を参照して説明すると、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の周囲には、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を加熱し、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に捕捉された原料を昇華温度以上に加熱するための電熱線４５を備えた加熱部となる各々筒状のヒータ４４が冷却ガス流路４６を介して囲むように設けられている。
またヒータ４４の外側を覆い、冷却ガス流路４６が密閉された空間となるようにカバー部材４７が設けられている。カバー部材４７には、冷却ガス流路４６に、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を原料ガスの主成分であるＷＣｌ_６の凝固点以下であって、ＷＣｌ_６に含まれる不純物であるＷＣｌ_２Ｏ_２（二塩化二酸化タングステン）やＷＣｌ_４Ｏ（四塩化酸化タングステン）が凝固しない温度まで強制的に冷却するための冷却ガス、例えばＮ_２ガスを供給するためのＮ_２ガス供給管４８と、冷却ガス流路４６からＮ_２ガスを排出するためのＮ_２ガス排出管４９と、が接続されている。Ｎ_２ガス供給管４８及びＮ_２ガス排出管４９には、夫々冷却ガスの供給及び停止を切り替える冷却用バルブＶ４８，Ｖ４９が設けられている。

第１の原料捕捉部４１におけるケース体４０には、長さ方向の一端側（下端側）に原料補充用の配管３０から分岐した直径３／８インチの配管で構成された分岐管３１、３３の一方の分岐管３１の下流端がベローズ管５０を介して、接続されている。第２の原料捕捉部４２におけるケース体４０には、長さ方向の一端側（下端側）に他方の分岐管３３の下流端がベローズ管５０を介して、接続されている。原料補充用の配管３０及び分岐管３１、３３は、補充用流路に相当する。なおＶ０はバルブである。

また第１の原料捕捉部４１におけるケース体４０には、長さ方向の他端側（上端側）に原料供給用の配管３７から分岐した直径３／８インチの配管で構成された分岐管３２、３４の一方の分岐管３２の上流端がベローズ管５０を介して、接続されている。第２の原料捕捉部４２におけるケース体４０には、長さ方向の他端側（上端側）に他方の分岐管３４の上流端がベローズ管５０を介して、接続されている。ベローズ管５０は、図３に示すように、例えば肉厚が０．２ｍｍのステンレスやハステロイ（登録商標）などにより、長さ方向に伸縮可能に構成されている。従って、第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２は、原料容器３と成膜処理部１Ａとの間の流路に並列に接続されていることになる。
第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の上流側の分岐管３１、３３には、夫々バルブＶ１、Ｖ３が介設され、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の下流側の分岐管３２、３４には、夫々バルブＶ２、Ｖ４が介設されている。原料供給用の配管３７及び分岐管３２、３４は供給用流路に相当する。

また原料供給系２Ａには第１及び第２の原料捕捉部４１、４２から成膜処理部１Ａに原料ガスを供給するために、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に不活性ガス、例えばＮ_２ガスであるキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管６０が設けられている。キャリアガス供給管６０は、配管６１、６２に分岐しており、配管６１は、分岐管３１におけるバルブＶ１の下流側に接続され、配管６２は、分岐管３３におけるバルブＶ３の下流側に夫々接続されている。またキャリアガス供給管６０にはキャリアガスの流量を調整するためのマスフローコントローラ６３が設けられている。

さらに原料供給系２Ａには第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の冷却時に第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を通過したガスを排気するための合流管３８が設けられる。合流管３８は、排気管３５、３６に分岐されており、排気管３５は分岐管３２におけるバルブＶ２の上流側に接続され、排気管３６は分岐管３４におけるバルブＶ４の上流側に接続されている。排気管３５、３６、合流管３８には夫々バルブＶ５、Ｖ６、Ｖ９が介設されている。また合流管３８には、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２から排気されるガスの圧力を測定する圧力計７が介設されている。
また原料ガスを含むガスが通過する原料補充用の配管３０、分岐管３１、３３、原料供給用の配管３７、分岐管３２、３４、排気管３５、３６及び合流管３８は、例えば、図示しないテープヒータなどにより覆われており、テープヒータで覆われた領域は、原料ガスが析出しない温度、例えば１６０℃に加熱されている。

原料供給系２Ａ〜２Ｃの各機器及び原料容器３は、図４に示す制御部９によりコントロールされるように構成されている。制御部９は、第１の原料捕捉部４１のヒータ４４、第２の原料捕捉部４２のヒータ４４及び原料容器３のヒータ８の各々のオン、オフの制御や各バルブＶ０〜Ｖ９、Ｖ４８、Ｖ４９、Ｖ６４の開閉制御及びマスフローコントローラ６３、６５による流量の制御等を実行するためのステップ（命令）群が組まれたプログラム９３と、メモリ９２と、プログラムを実行するためのＣＰＵ９１と、バス９０と、を備えている。プログラムは、コンピュータ記憶媒体、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、光磁気ディスク等に格納され制御部９にインストールされる。

続いて上述の実施の形態の作用について、原料供給系２Ａを例に図５〜図８を参照して説明する。これから成膜処理を行うための装置の運転を開始するものとすると、まず原料容器３のヒータ８をオンにして、原料容器３を例えば１５０℃に加熱し、固体原料３００を気化（昇華）させて、原料容器３内の原料の濃度を飽和濃度に近い濃度まで高める。またヒータ４４をオンにして、第１の原料捕捉部４１を例えば６０℃に加熱する。なお装置の立ち上げ時に最初に運転するときには、第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２の両方に原料を捕捉させておいてもよいが、ここでは、第１の原料捕捉部４１に捕捉させることとして説明を進める。

次いで図５に示すようにバルブＶ０、Ｖ１、Ｖ５、Ｖ６４を開く。すると図５に示すようにノズル部６６から原料容器３内に固体原料３００に向けて例えば１５０℃に加熱されたキャリアガスが１０ｓｌｍの流量で吐出される。これにより固体原料３００の昇華が促進され原料容器３内にて原料が飽和し、飽和している原料がキャリアガスと共に原料補充用の配管３０、分岐管３１を介して、第１の原料捕捉部４１のケース体４０に供給される。ケース体４０を通過したガスは、分岐管３２から排出され、排気管３５を介して図２に示す排気管１３から排気される。

第１の原料捕捉部４１のケース体４０内の温度は、原料であるＷＣｌ_６の凝固点よりも低い６０℃に設定されている。このため多段の捕捉部材４３により形成された迷路である屈曲路を、ガスである原料が通過するときに捕捉部材４３及びケース体４０の内面に捕捉されて析出し（再固化し）、捕捉部材４３の表面にＷＣｌ_６が薄膜状に付着する。第１の原料捕捉部４１は、キャリアガスと原料とを含む原料ガスを第１の原料捕捉部４１を通過させたときに原料ガス中の原料がすべて再固化されるようにケース体４０の大きさや捕捉部材４３管の離間寸法、段数などが設定されている。

ここで市販のＷＣｌ_６の固体原料には、通常ＷＣｌ_６と共に微量のＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏが含まれている。ＷＣｌ_６は凝固点が６０℃よりも高いので、６０℃に冷却すると再固化をするが、ＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏは、凝固点が６０℃よりも低いので、６０℃では凝固しない。そのため、第１の原料捕捉部４１の温度を６０℃に設定し、原料ガスを第１の原料捕捉部４１を通過させて再固化させたときに、ＷＣｌ_６は、第１の原料捕捉部４１に析出し、ＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏは第１の原料捕捉部４１を通過してキャリアガスと共に排気される。

第１の原料捕捉部４１に析出した原料が、例えば１０〜８００ｇを超えたときにバルブＶ１を閉じる。原料が第１の原料捕捉部４１に設定量析出した時点については、例えば第１の原料捕捉部４１内へのガスの通流時間により管理される。こうして第１の原料捕捉部４１は成膜処理部１Ａに対する原料供給源として準備が整ったことになる。次いで成膜処理部１Ａにおいて載置台１２上にウエハ１００が載置され、真空容器１０内が真空排気され、ウエハ１００が加熱される。その後、例えばＡＬＤ法により成膜処理が行われるが、原料ガスの供給は次のようにして行われる。先ず成膜を開始する前に第１の原料捕捉部４１のヒータ４４をオンにして、ケース体４０内を設定温度である１５０〜２００℃、例えば１５０℃まで上昇し、既述のようにして第１の原料捕捉部４１に析出した原料を昇華させる。そしてバルブＶ７を開いて、第１の原料捕捉部４１にキャリアガスを供給し、原料ガスを第１の原料捕捉部４１から成膜処理部１Ａを迂回させて真空排気部２４により排気する。ＡＬＤ法は既述のように原料ガスと反応ガスとを交互に供給する手法であるが、原料ガスについては、間欠的な一連の供給を行う前に原料ガスの原料濃度を安定させるために、このように予め設定した時間だけ第１の原料捕捉部４１から排気し、その後バルブＶ５を閉じ、バルブＶ２を開いて、成膜処理部１Ａに原料の供給を開始する。

成膜処理部１Ａにおける成膜処理について原料供給源として第１の原料捕捉部４１を使用する例について説明すると、先ず前記原料ガス及びキャリアガスを真空容器１０に例えば１秒間供給した後、バルブＶ２を閉じ、ウエハ１００表面にＷＣｌ_６を吸着させる。次いでバルブＶ７５を開き、置換ガス（Ｎ_２ガス）を真空容器１０に供給して、真空容器１０内の雰囲気を置換する。続いてバルブＶ７５を閉じ、バルブＶ７３、Ｖ７４を開いて反応ガス（Ｈ_２ガス）を希釈ガス（Ｎ_２ガス）と共に真空容器１０に供給し、ウエハ１００に吸着されているＷＣｌ_６をＨ_２により還元して、１原子層のＷ膜を成膜する。バルブＶ７３、Ｖ７４を閉じた後、バルブＶ７５を開き、置換ガスを真空容器１０に供給して、真空容器１０内の雰囲気を置換する。こうしてバルブＶ２、Ｖ７３、Ｖ７４、Ｖ７５のオン、オフ制御によって真空容器１０内に、ＷＣｌ_６を含む原料ガス→置換ガス→反応ガス→置換ガスを供給するサイクルを複数回繰り返すことにより、所定の厚さのＷ膜の成膜を行う。成膜処理が終了した後、ウエハ１００は成膜装置から搬出される。

一方第１の原料捕捉部４１を原料ガスの供給源として用いている間に、図６に示すようにバルブＶ３、Ｖ６を開き、第２の原料捕捉部４２に原料を補充する。補充プロセスは第１の原料捕捉部４１における原料の補充と同様に行う。そして第１の原料捕捉部４１を原料ガスの供給源として使用し、予め設定したウエハ１００の枚数だけ処理した後、図７に示すようにバルブＶ２、Ｖ３、Ｖ６、Ｖ７を閉め、バルブＶ１、Ｖ５、Ｖ４、Ｖ８を開く。これにより第１の原料捕捉部４１に代えて、第２の原料捕捉部４２が原料ガスの供給源として使用され、成膜処理部１Ａへの原料の供給が行われる。

原料ガスの供給源を第１の原料捕捉部４１と第２の原料捕捉部４２との間で切り替えるタイミングの指標としては、例えばウエハ１００の処理枚数が挙げられる。この場合例えば原料ガスの供給源として使用している第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の一方の原料の付着量が少なくなり、成膜処理部１Ａに供給される原料ガスの濃度が不安定になる前のタイミングを予め調べておくことにより設定される。

このように図６に示す第１の原料捕捉部４１を原料供給源として用いて、原料ガスを成膜処理部１Ａに供給すると共に、第２の原料捕捉部４２に原料容器３から原料を補充する工程を行う。次いで図７に示す第２の原料捕捉部４２を原料供給源として用いて原料ガスを成膜処理部１Ａに供給すると共に、第１の原料捕捉部４１に原料容器３から原料を補充する工程と、を交互に繰り返す。即ち原料供給源として第１の原料捕捉部４１と第２の原料捕捉部４２とを交互に使用する。
そして図１に示す他の原料供給系２Ｂ，２Ｃにおいても、同様にして成膜処理部１Ｂ，１Ｃに原料ガスの供給を行う。

ここで例えば固体原料３００の補充やメンテナンスのため原料容器３の交換を行う必要がある。このため図８に示すように原料容器３内の固体原料３００が少なくなった時に各原料供給系２Ａ〜２Ｃにおける第１の原料捕捉部４１または第２の原料捕捉部４２から原料ガスが成膜処理部１Ａ〜１Ｃに供給されている間に原料容器３の交換が行われる。

上述の実施の形態は、原料供給系２Ａ〜２Ｃにおける各々原料容器３と成膜処理部１Ａ〜１Ｃとの間に第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２を並列に設けている。そして第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２の間で原料容器３から昇華した原料を再固化させて原料を捕捉する補充するステップと捕捉した原料を昇華させて成膜処理部１Ａ（１Ｂ、１Ｃ）に供給する原料供給ステップとを交互に実行するようにしている。第１及び第２の原料捕捉部４１、４２から成膜処理部１Ａ（１Ｂ、１Ｃ）への原料の供給を原料容器３の交換作業と並行して行うことができるため、原料容器３の交換に伴う装置の稼働率の低下を抑えることができる。

また、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の温度を６０℃に設定し、原料ガスを第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を通過させて再固化させたときに、ＷＣｌ_６は、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に析出し、ＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏは第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を通過して、真空排気部２４により排気される。従って一旦第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を６０℃で冷却させて原料を析出させ、その後、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を１５０〜２００℃に加熱して成膜処理部１Ａに供給することで、より高純度のＷＣｌ_６ガスを成膜処理部１Ａに供給することができる。

また背景技術の項目にて記述したように固体原料３００を加熱した際に原料容器３の壁面から遠い固体原料３００は気化しにくく、またキャリアガスの吹き付けられる部位の温度が気化熱により下がるなどの理由から気化効率の安定性が良好ではない。
さらに複数の原料供給系２Ａ〜２Ｃ（成膜処理部１Ａ〜１Ｃ）に対して、共通の原料容器３から原料を供給するためには、原料容器３の交換頻度を少なくするため大型の原料容器３を用いることが得策である。
一方、原料容器３の形状については、加熱面積を増やすため扁平形状にすると、特殊仕様になってコストが高くなり、また設置スペースが広くなる。さらに原料容器３の壁面に近い固体原料３００と壁面から遠い固体原料３００との間で温度差が大きくなり昇華量が安定しにくくなることから、縦長のものが一般的である。このため大型の原料容器３を用いた場合には、フル充填時（原料メーカー側で決められた重量の固体原料３００を充填した状態）と残量が少なくなったときとでは、原料容器３内の空間の広さが大きく変わる。即ち、固体原料３００の表面の高さが大きく変わり、このため当該表面とキャリアガスの吐出口との距離の差が大きくなり、当該表面におけるキャリアガスの流速の差が大きくなる。

固体原料３００からの昇華は、その表面にキャリアガスが吹き付けられることにより、つまり当該表面の近傍の原料が常にキャリアガスに置き換わることにより、活発になる。このため固体原料３００の表面におけるキャリアガスの流速が大きいと、原料補充用の配管３０内に送り込まれる原料の濃度は大きいが、固体原料３００の表面におけるキャリアガスの流速が小さいと、当該原料の濃度は小さくなる。従ってキャリアガスの流量が例えば１００ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍ程度である場合には、フル充填時と残量が少なくなったときとの間で、固体原料３００の表面の近傍におけるキャリアガスの流速の差が大きくなり、原料の濃度が安定しなくなり、特に残量が僅かになったときには、原料の濃度が急激に低くなる。

上述の実施の形態に係る原料容器３においては、キャリアガスをノズル部６６の先端から１０ｓｌｍもの大流量で吐出して、固体原料３００に吹き付けていることから吐出流速が大きい。このためノズル部６６と固体原料３００の表面との距離が大きくても、当該表面における流速はかなり大きく、当該距離が小さい場合に対して固体原料３００の昇華の程度はそれほど変わらない。この結果、原料供給系２Ａ〜２Ｃに夫々設けられた第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に対して安定した供給量で原料を供給することができ、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に対する原料の補充のタイミングの管理が行いやすくなる。また補充に要する時間も短縮できる。
このように大型の原料容器３を用いる場合には、キャリアガスの流量を多くする（流速を上げる）ことが得策であり、固体原料３００の最大充填量（原料メーカーが決めたフル充填時の重量）が２０ｋｇ〜８０ｋｇであるときには、キャリアガスの流量は、３ｓｌｍ以上であることが好ましい。

またキャリアガスを速い流速で吐出するため、粉末の状態で充填されている固体原料３００は、飛散しやすくなる。そのため原料ガスと共に、飛散した粉末が原料補充用の配管３０へ流れ、原料補充用の配管３０への付着やバルブＶ０への噛み込みのおそれがある。そのため原料容器３内にフィルタ部６７を設け、原料補充用の配管３０への固体原料３００の流れ込みを抑制している。
上述の実施の形態に用いられる原料供給源である第１及び第２の原料捕捉部４１、４２は、ケース体４０の壁面や捕捉部材４３の表面に原料を薄い膜状に析出させ、壁面及び捕捉部材４３の全体を加熱している。このため原料の薄膜全体が均一に加熱されて、原料が昇華するため成膜処理部１Ａへの原料の供給量が安定する。

また上述の実施の形態においては、各原料供給系２Ａ〜２Ｃに第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を設け、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２に原料を析出させて、成膜処理部１Ａ〜１Ｃの原料供給源として利用している。そのため原料供給系２Ａ〜２Ｃごとに原料容器を設ける必要がなく、原料供給系２Ａ〜２Ｃに共通の原料容器３を設けることができる。このため、原料容器３として大型のものを用いることができ、メンテナンス頻度を少なくすることができる。
上述のように第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２は、ＷＣｌ_６を析出させるときには、その温度を６０℃に設定して、析出したＷＣｌ_６を昇華させるときには、その温度を１５０〜２００℃（例えば１５０℃）に設定している。第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２は、ステンレスで構成されているため、１５０℃と、６０℃と、の間で温度が変化すると、熱膨張・収縮によりその大きさが大きく変化する。従って第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２を口径が大きく、強度の大きい配管で固定した場合は、第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２の温度変化を繰り返すことにより接続部分にひずみによるストレスが生じ、配管の劣化や故障の原因となる。

上述の実施の形態においては、第１の原料捕捉部４１は、分岐管３１、３２と各々ベローズ管５０を介して接続され、第２の原料捕捉部４２と分岐管３３、３４とは、各々ベローズ管５０により接続されている。従って第１の原料捕捉部４１及び第２の原料捕捉部４２の温度変化を繰り返し行い、膨張及び収縮を繰り返した場合にも、ベローズ管５０が伸縮し、ひずみを吸収する。このため、分岐管３１、３２及び分岐管３３、３４にひずみによるストレスがかからず、劣化や故障を抑制できる。

また第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の上流側の分岐管３１、３２及び第１及び第２の原料捕捉部４１、４２の下流側の分岐管３３、３４は各々例えば１６０℃に加熱されているが、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２においては、６０℃から１５０〜２００℃まで温度が変化する。そのため第１及び第２の原料捕捉部４１、４２と、分岐管３１、３２及び分岐管３３、３４との間で大きな温度勾配を形成する（断熱する）必要がある。ベローズ管５０は薄いステンレスやハステロイ（登録商標）などにより蛇腹形状になっているため、一端側から他端側までの道のりが長く、熱が伝導しにくい。そのため第１の原料捕捉部４１と、分岐管３１、３２と、の間で温度勾配を形成しやすく、同様に第２の原料捕捉部４２と、分岐管３１、３２と、の間で温度勾配を形成しやすい。

また原料容器３は直接成膜処理部１Ａ（１Ｂ，１Ｃ）に原料を供給するものではないことから気化効率の安定性を考慮しなくて済むので原料容器の選定の自由度が大きい。しかも原料容器３は、原料供給系２Ａ〜２Ｃに対する共通の補充源であることから原料供給系２Ａ〜２Ｃとは独立したいわば補機システムとして原料容器３を取り扱うことができるため、設置領域の自由度が大きく、また原料容器３に付設された機器のメンテナンス作業が行いやすい。

さらにＷＣｌ_６を効率よく析出させ、ＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏを析出させない状態にするには、ケース体４０の冷却温度を６０℃に設定することに限らず、ケース体４０内の圧力の調整やガスの流量を調整し、ＷＣｌ_６を効率よく析出させ、ＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏを析出させない状態としてもよい。
さらに上述の実施の形態において、第１及び第２の原料捕捉部４１、４２を用いて成膜処理を行っている間に原料容器３の交換作業が終了すれば、成膜処理が停止しなくて済むが、複数の原料供給系（例えば３つの原料供給系２Ａ〜２Ｃ）のいずれかにおいて原料捕捉部４１、４２に捕捉されている原料が減少し、原料容器３の交換時に成膜処理を停止せざるを得ない場合であっても、本発明の範囲に含まれる。この場合であっても、原料容器の交換作業と成膜処理とを重ねて行うことができることから、装置の停止時間は、両者のタイミングを重ねない場合よりも短くなる効果がある。
[本発明の実施の形態の他の例]

また原料ガス供給装置は、原料捕捉部を３つ以上並列に接続し、順番に原料を補充し、原料供給源としてしてもよい。あるいは
また本発明の実施の形態の他の例に係る原料ガス供給装置は、一つの原料捕捉部と、原料容器３から、成膜処理部１Ａに原料ガスを供給する配管とが並列に設けられた原料供給系を備えていてもよい。図９に示すように上述の実施の形態に示した各原料供給系２Ａ〜２Ｃの第２の原料捕捉部４２を除き、原料容器３から原料ガスを第１の原料捕捉部４１を迂回して成膜処理部１Ａに供給するバルブＶ３９が介設された配管３９を設ける。

このように構成し、例えば成膜処理を行う際には、バルブＶ３９を開き、原料容器３から供給される原料ガスを第１の原料捕捉部４１を迂回させ、配管３９を介して成膜処理部１Ａに供給する。その後原料容器３内の固体原料が減少して原料容器３の交換を行う間には、第１の原料捕捉部４１内に析出させている固体原料を供給源として利用する。

第１の原料捕捉部４１に原料を析出させるタイミングの一例としては、例えば成膜処理部１Ａに他のガスを供給する間や、１枚のウエハ１００の成膜を終了し、成膜処理部１Ａからウエハ１００を取り出し、新たなウエハ１００を載置して成膜を開始するまでの間に、原料を第１の原料捕捉部４１に析出させておいてもよく、予めウエハ１００の成膜処理を行う前に第１の原料捕捉部４１に原料を析出させるようにしてもよい。このように構成することで、成膜装置の運転を停止せずに、原料容器３のメンテナンスや交換を行うことができる。

また第１及び第２の原料捕捉部４１、４２は、上述の実施の形態に示した構成に限らず、例えば、ケース体４０の内部に、内部が空洞で構成された六角柱型の配管をケース体４０の長さ方向に平行に並べ、ケース体４０の長さ方向から見てハニカム状になるように設置してもよい。このように構成した場合にもケース体４０内の表面積が大きくなるため同様の効果がある。
また成膜処理に用いる原料は、ＷＣｌ_６に限られるものではなく、例えば
ＷＣｌ_５（五塩化タングステン）、ＭｏＣｌ_５（五塩化モリブデン）ＺｒＣｌ_４（塩化ジルコニウム（ＩＶ））、ＨｆＣｌ_４（塩化ハフニウム（ＩＶ））、ＡｌＣｌ_３（塩化アルミニウム）などであってもよい。

１Ａ〜１Ｃ 成膜処理部
２Ａ〜２Ｃ 原料供給系
３ 原料容器
４１ 第１の原料捕捉部
４２ 第２の原料捕捉部
４３ 捕捉部材
４４ ヒータ
８ 原料容器のヒータ
９ 制御部
Ｖ４８，Ｖ４９ 冷却用バルブ
Ｖ１〜Ｖ５ バルブ

Claims (15)

1. 固体原料を昇華した原料を不活性ガスであるキャリアガスと共に消費区域に供給する原料ガス供給装置において、
   キャリアガス供給路がその上流側に接続されると共に、固体原料の昇華温度以上に加熱され、固体原料を収容する原料容器と、
   前記原料容器の下流側に補充用流路を介して接続され、当該原料容器から流出したキャリアガスと昇華した原料とを含む原料ガス中から前記原料を再固化して捕捉するための原料捕捉部と、
   前記固体原料の昇華温度以上に前記原料捕捉部を加熱するための加熱部と、
   前記原料容器と原料捕捉部との間に接続され、前記原料捕捉部に捕捉されている固体原料が昇華した原料とキャリアガスとを供給用流路を介して消費区域に供給するために、キャリアガスを前記原料捕捉部に供給する原料捕捉部用のキャリアガス供給路と、
   前記原料容器から原料ガスが原料捕捉部に送られているときに原料捕捉部からガスを排出するための排出路と、
   前記原料容器から原料を補充するために原料ガスが原料捕捉部に送られているときに供給用流路を遮断するバルブ及び前記原料捕捉部から消費区域に原料ガスを供給するときに補充用流路を遮断するバルブと、を備えたことを特徴とする原料ガス供給装置。
2. 前記原料容器から原料ガスが原料捕捉部に送られているときに原料ガス中の原料を前記原料捕捉部に再固化して捕捉するために、原料捕捉部を強制的に冷却する冷却部を備えていることを特徴とする請求項１記載の原料ガス供給装置。
3. 前記原料捕捉部は、その表面に原料を再固化させるための迷路構造を構成する捕捉部材を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の原料ガス供給装置。
4. 前記原料容器は、固体原料の最大充填量が２０ｋｇ以上であり、前記キャリアガス供給路から供給されるキャリアガスを収容した固体原料に向けて３ｓｌｍ以上の流量で吐出するノズル部を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の原料ガス供給装置。
5. 前記原料捕捉部は、互いに並列に接続された第１の原料捕捉部及び第２の原料捕捉部を備え、前記供給用流路を遮断するバルブ及び前記補充用流路を遮断するバルブの組は、第１の原料捕捉部及び第２の原料捕捉部の各々に対応して設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の原料ガス供給装置。
6. 第１の原料捕捉部及び第２の原料捕捉部の一方から消費区域に原料ガスが供給されているときに、他方に対して前記原料容器から原料ガスを供給して原料を補充するように制御信号を出力する制御部を備えたことを特徴とする請求項５記載の原料ガス供給装置。
7. 前記原料容器内の固体原料には、原料の構成元素の化合物である不純物が含まれ、
   前記原料捕捉部において、原料容器から送られる昇華された原料を再固化するときの温度は、前記不純物の昇華温度よりも高い温度に設定されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の原料ガス供給装置。
8. 前記固体原料は、ＷＣｌ_６であり、前記不純物はＷ、Ｃｌ及びＯを含む化合物であることを特徴とする請求項７記載の原料ガス供給装置。
9. 複数の消費区域に夫々対応して前記原料捕捉部を含む複数の原料供給系が設けられ、
   前記原料容器は、前記複数の原料供給系に共通化されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の原料ガス供給装置。
10. 前記原料容器から前記原料捕捉部を介さずに原料を供給するための流路を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の原料ガス供給装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の原料ガス供給装置と、
    内部に基板が載置される載置部を備え、固体原料が昇華した原料とキャリアガスとが供給用流路を介して供給される処理容器と、
    前記処理容器内の雰囲気を排気するための排気機構と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
12. 固体原料を昇華した原料を不活性ガスであるキャリアガスと共に消費区域に供給する原料ガス供給方法において、
    固体原料を収容する原料容器を加熱して固体原料を昇華させ、昇華した原料をキャリアガスと共に、当該原料容器の下流側に補充用流路を介して接続した原料捕捉部に供給して、当該原料捕捉部に原料を再固化させる工程と、
    次いで、前記補充用流路のバルブを閉じ、前記原料捕捉部を加熱して、再固化した固体原料を昇華させ、昇華した原料を前記原料容器と原料捕捉部との間に接続されたキャリアガス供給路から供給されるキャリアガスと共に、供給用流路を介して消費区域に供給する工程と、を繰り返し行うことを特徴とする原料ガス供給方法。
13. 前記原料捕捉部を加熱して、再固化した固体原料を昇華させた後、原料捕捉部を強制的に冷却する工程を行うことを特徴とする請求項１２記載の原料ガス供給方法。
14. 前記原料容器に収容された固体原料に向けて、ノズル部から３ｓｌｍ以上の流量でキャリアガスを吐出して固体原料を昇華させることを特徴とする請求項１２または１３に記載の原料ガス供給方法。
15. 前記原料捕捉部は、互いに並列に接続された第１の原料捕捉部及び第２の原料捕捉部を備え、
    前記第１の原料補足部及び第２の原料捕捉部の一方から昇華した原料を消費区域に供給する工程を行っているときに、前記原料容器から昇華した原料を前記第１の原料補足部及び第２の原料捕捉部の他方に供給する工程を行うことを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれか一項に記載の原料ガス供給方法。

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