JP6531487B2 - 成膜装置、成膜方法及び記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、固体の原料を昇華して被処理体に供給し、成膜処理を行う技術に関する。

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を交互に供給するいわゆる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）などがある。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、例えば特許文献１に記載されているような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成膜するときに用いられる。

成膜装置においては、処理容器内に供給された処理ガスの反応生成物が基板の表面に堆積することにより成膜されるが、処理容器内に供給された処理ガスの内、基板の成膜に寄与するガスは、例えば１０数％あるいは、それ以下の場合があり、処理ガスの大部分が排気されている。
近年では、基板の表面に複雑な３次元パターンを形成するために、基板の表面に形成される膜の多層化が進んでいる。このため基板上の被成膜領域の面積が増大しており、処理ガスの使用量が多くなっていることから、排気される処理ガスの量も多くなっている。こうしたことから原料のコスト高を招いていると共に、今後資源の消費を抑制する要請も強まっていくものと思われる。

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、固体の原料を昇華して得られた原料により被処理体に対して成膜処理を行うにあたって、原料の消費量を抑えることのできる技術を提供することにある。

本発明の成膜装置は、原料供給源の固体の原料を昇華してキャリアガスと共に真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して行われる成膜処理であって、副生成物の蒸気圧が前記原料の蒸気圧よりも高い成膜処理を行うための成膜装置において、
各々ガス中の原料を捕捉し、原料供給源となる第１の原料捕捉部及び第２の原料捕捉部と、
前記第１及び第２の原料捕捉部にキャリアガスを供給し、原料捕捉部に捕捉された原料を昇華して原料供給路を介して前記処理容器内に供給するためのキャリアガス供給部と、
前記第１及び第２の原料捕捉部の温度を、原料を捕捉するための温度と捕捉した原料を昇華させるための温度との間で調整するための温度調整部と、
前記処理容器内を前記第１の原料捕捉部を介して真空排気機構により真空排気するための第１の排気路と、
前記処理容器内を前記第２の原料捕捉部を介して真空排気機構により真空排気するための第２の排気路と、
前記第１の原料捕捉部を用いて被処理体に対して成膜処理を行っているときには前記第２の排気路により真空排気を行い、前記第２の原料捕捉部を用いて被処理体に対して成膜処理を行っているときには前記第１の排気路により真空排気を行うように排気路を切り替える切替え部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の成膜方法は、原料供給源の固体の原料を昇華してキャリアガスと共に真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して行われる成膜処理であって、副生成物の蒸気圧が前記原料の蒸気圧よりも高い成膜処理を行うための成膜方法において、
各々ガス中の原料を捕捉し、原料供給源となる第１の原料捕捉部及び第２の原料捕捉部を用い、
前記第１の原料捕捉部の固体の原料を昇華してキャリアガスと共に真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して成膜処理を行い、当該成膜処理を行っているときに、前記処理容器内を前記第２の原料捕捉部を介して真空排気し、原料を捕捉するための温度に設定された前記第２の原料捕捉部に排気ガス中の原料を捕捉する工程と、
その後、前記第２の原料捕捉部の温度を原料を昇華するための温度に設定する工程と、
原料を昇華するための温度に設定された前記第２の原料捕捉部にキャリアガスを供給し、当該第２の原料捕捉部に捕捉された原料を昇華して真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して成膜処理を行い、当該成膜処理を行っているときに、前記処理容器内を前記第１の原料捕捉部を介して真空排気し、原料を捕捉するための温度に設定された前記第１の原料捕捉部に排気ガス中の原料を捕捉する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の記憶媒体は、原料供給源の固体の原料を昇華してキャリアガスと共に真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して成膜処理を行う成膜装置に用いられるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは、上述の成膜方法を実行するようにステップ群が組まれていることを特徴とする。

本発明は、原料供給源の固体の原料を昇華してキャリアガスと共に真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して成膜処理を行うにあたって、処理容器から排気された排気ガス中の原料を原料捕捉部により捕捉して再利用している。このため原料の消費量を抑えることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る成膜装置を示す全体構成図である。 成膜装置に設けられた原料供給系を示す構成図である。 原料捕捉部を示す斜視図である。 原料捕捉部を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る成膜装置の作用を説明する説明図である。 第１の実施の形態に係る成膜装置の作用を説明する説明図である。 第１の実施の形態に係る成膜装置の作用を説明する説明図である。 第１の実施の形態に係る成膜装置の作用を説明する説明図である。 第２の実施の形態に係る成膜装置の作用を説明する説明図である。 第２の実施の形態に係る成膜装置の作用を説明する説明図である。 第２の実施の形態に係る成膜装置の作用を説明する説明図である。

[第１の実施の形態]
本発明の成膜装置に係る第１の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、被処理体、例えば基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に対して、例えばいわゆるＡＬＤ法による成膜処理を行なうための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タンク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。

原料タンク３は例えばステンレスで構成され、原料となる常温では固体（粉体）のＷＣｌ_６を固体の原料（固体原料）３００として収容している。原料タンク３の天井部には、原料タンク３にキャリアガスとなる不活性ガス、例えばＮ_２（窒素）ガスが流入するキャリアガス供給路６４の下流端部と、原料タンク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の上流端部と、が接続されている。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。

原料タンク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。原料タンク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、原料タンク３の温度を調節できるように構成されている。原料タンク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、処理容器である真空容器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は、例えばアルミニウムで構成され、内面は例えばアルマイトによりコーティングがされている。また真空容器１０には、内部の圧力を測定する圧力計１１０が設けられている。

さらに真空容器１０には、ウエハ１００を搬入出するための搬入出口１９が設けられている。搬入出口１９は、ゲートバルブ２０を介して（図示しない）真空搬送室に接続されている。なお真空搬送室には、ロードロック室などが接続されており、例えば１ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）以下の高真空下において、真空搬送室内に設けられた搬送アームにより、ウエハ１００の受け渡しが行われる。また真空容器１０の内壁には図示しないヒータが埋設されており、例えば真空容器１０を１６０℃に加熱して原料の析出を抑制している。

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供給用の配管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が合流されている。また真空容器１０側を下流とすると原料供給用の配管３７と反応ガス供給管７０との合流点の上流側には、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、Ｈ_２ガスの供給源である反応ガスの供給源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。また原料供給用の配管３７には、マスフローメータ７７が設けられている。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、原料タンク３において昇華し、キャリアガスと共に供給された原料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２個の原料捕捉部４１、４２を備えている。原料捕捉部４１、４２は、各々図３、４に示すように、例えばステンレスにより、上面側が開口した高さ１３０ｍｍ、幅１３０ｍｍ、長さ１７５ｍｍの概略箱型に形成された下部ケース５１と、下部ケース５１の上面に溶接されて、下部ケース５１の開口を塞ぐステンレス製の蓋部５２と、から構成される角筒状のケース体４０を備えている。以下明細書中においてはケース体４０の長さ方向の一端側を前面４０Ａ、他端側を後面４０Ｂとして説明する。

ケース体４０の内周面に表面が固化面となる板状の捕捉部４３が成形されている。捕捉部４３は、下部ケース５１を前方側から見て、右側の壁部から左側の壁部に向けて伸びる捕捉部４３と、左側の壁部から右側の壁部に向けて伸びる捕捉部４３と、が下部ケース５１の長さ方向に交互に並べ合わせて複数枚設けられている。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。

ケース体４０の高さ方向中央よりも上方の位置には、ケース体４０の前面４０Ａの右寄りの位置から、右側の壁部内を後方に伸び、更に後面側（背面側）の壁部及び左側の壁部を介して、ケース体４０の前面４０Ａの左寄りの位置まで引き回される冷媒流路５３が形成されている。図３中５４は、冷媒流路５３の入口、５５は冷媒流路５３の出口であり、入口５４には、冷媒がチラー４６から供給される供給管４４が接続され、出口５５には、冷媒をチラー４６に排出する排出管４５が接続されている。このように冷媒流路５３は、ケース体４０内を一周し、冷媒である例えば冷却水が通流する。冷却水の通流により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、一方及び他方の原料捕捉部４１、４２が強制的に冷却される。冷媒流路５３、供給管４４、排出管４５及びチラー４６は冷却部を構成する。

またケース体４０の左壁部の上方及び右壁部の下方には、ケース体４０の前後方向に伸びる、例えば抵抗加熱体で構成された加熱部４９が埋設されている。冷却部及び加熱部４９は温度調整部を構成し、本発明の実施の形態においては、温度調整部は、冷却水を通流しながら、加熱部４９の出力を変更することにより、一方及び他方の原料捕捉部４１、４２の温度を原料を捕捉するための温度と、原料を昇華させるための温度との間で調整する。

図２に戻って、一方の原料捕捉部４１におけるケース体４０には、長さ方向の一端側（上流側）に原料補充用の配管３０から分岐した分岐管３１、３３の一方の分岐管３１の下流端が接続され、他方の原料捕捉部４２におけるケース体４０には、長さ方向の一端側（上流側）に他方の分岐管３３の下流端が接続されている。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。なお図中Ｖ０はバルブである。

また一方の原料捕捉部４１におけるケース体４０には、長さ方向の他端側（下流側）に原料供給用の配管３７から分岐した分岐管３２、３４の一方の分岐管３２の上流端が接続され、他方の原料捕捉部４２におけるケース体４０には、長さ方向の他端側（下流側）に他方の分岐管３４の上流端が接続されている。従って、一方の原料捕捉部４１及び他方の原料捕捉部４２は、原料タンク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。一方及び他方の原料捕捉部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、一方及び他方の原料捕捉部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には一方及び他方の原料捕捉部４１、４２から成膜処理部１Ａに原料ガスを供給するために、一方及び他方の原料捕捉部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。

続いて真空容器１０から排気される原料ガスを含む排気ガスを一方及び他方の原料捕捉部４１、４２に供給する排気路について説明する。真空容器１０には、主排気路１３が設けられ、例えば真空ポンプからなる真空排気機構２４により真空排気される。主排気路１３には、真空容器１０側から、バルブＶ１３、及び真空容器１０内の圧力を調整するための圧力調整部１６が介設されている。
また主排気路１３におけるバルブＶ１３よりも真空容器１０側には、例えばステンレスで構成された戻り管路８０の一端が接続されている。戻り管路８０の他端側は、戻り管路８１、８２に分岐されており、戻り管路８１は分岐管３１におけるバルブＶ１の下流側に接続され、戻り管路８２は分岐管３３におけるバルブＶ３の下流側に接続されている。戻り管路８１、８２には夫々バルブＶ９、Ｖ１０が介設されている。

さらに原料供給系２Ａには一方及び他方の原料捕捉部４１、４２の冷却時に一方及び他方の原料捕捉部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、その一端側が、主排気路１３における、圧力調整部１６よりも真空排気機構２４側の位置に接続されている。合流管３８の他端側は、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が介設されている。また排気管３５、３６には、夫々一方及び他方の原料捕捉部４１、４２内の圧力を調整する圧力調整部１７、１８が介設されている。また圧力調整部１７は、真空容器１０から、一方の原料捕捉部４１を通過させて排気するときに真空容器１０内の圧力を調整し、圧力調整部１８は、真空容器１０から、他方の原料捕捉部４２を通過させて排気するときに真空容器１０内の圧力を調整する。

第１の実施の形態においては、真空容器１０から、戻り管路８０及び戻り管路８１を介して、一方の原料捕捉部４１を通過し、排気管３５、合流管３８、主排気路１３を介して排気される排気経路が、一方の原料捕捉部４１から見たときの第１の排気路に相当する。また真空容器１０から戻り管路８０及び戻り管路８２を介して、他方の原料捕捉部４２を通過し、排気管３６、合流管３８、主排気路１３を介して排気される排気経路が一方の原料捕捉部４１から見たときの第２の排気路に相当する。

また真空容器１０から、戻り管路８０及び戻り管路８２を介して、他方の原料捕捉部４２を通過し、排気管３６、合流管３８、主排気路１３を介して排気される排気経路が、他方の原料捕捉部４２から見たときの第１の排気路に相当する。さらに真空容器１０から戻り管路８０及び戻り管路８１を介して、一方の原料捕捉部４１を通過し、排気管３５、合流管３８、主排気路１３を介して排気される排気経路が他方の原料捕捉部４２から見たときの第２の排気路に相当する。
従って真空排気を行う排気路を第１の排気路と第２の排気路との間で切り替えるバルブＶ５、Ｖ６、Ｖ９、Ｖ１０及びＶ１３は切替え部に相当する。

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、合流管３８、戻り管路８０、８１、８２及び主排気路１３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の各機器及び原料タンク３は、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、一方の原料捕捉部４１の加熱部４９、他方の原料捕捉部４２の加熱部４９及び原料タンク３のヒータ８の各々のオン、オフの制御や各バルブＶ０〜Ｖ１０、Ｖ１３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、圧力調整部１６〜１８による圧力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７を参照して説明する。なお図５〜図１１において、開状態のバルブを白抜きで示し、閉状態のバルブはハッチングを付して示した。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し、原料タンク３内の固体原料３００は、未だ消費されておらず一方及び他方の原料捕捉部４１、４２には、固体原料３００が未だ捕捉されていないものとして説明を進める。まず原料タンク３のヒータ８をオンにして、原料タンク３を例えば１５０℃に加熱し、固体原料３００を気化（昇華）させて、原料タンク３内の原料の濃度を飽和濃度に近い濃度まで高める。また加熱部４９をオンにして、一方の原料捕捉部４１を例えば６０℃に加熱する。

次いで図５に示すように原料タンク３に接続されたキャリアガス供給路６４のバルブＶ６４、原料タンク３と一方の原料捕捉部４１との間を結ぶ配管３０のバルブＶ０、Ｖ１及び一方の原料捕捉部４１側の排気管３５のバルブＶ５を開く。これにより原料タンク３にキャリアガスが供給され、原料タンク３内にて昇華し、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、一方の原料捕捉部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を介して主排気路１３から排気される。

一方の原料捕捉部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４３の表面にＷＣｌ_６が薄膜状に付着する。原料捕捉部４１、４２は、キャリアガスと原料とを含む原料ガスを原料捕捉部４１、４２を通過させたときに原料ガス中の原料がほぼすべて捕捉（再固化）されるようにケース体４０の大きさや捕捉部４３間の離間寸法、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、一方の原料捕捉部４１の温度を０℃〜６０℃例えば６０℃に設定し、原料ガスを一方の原料捕捉部４１を通過させて再固化させたときに、ＷＣｌ_６は、一方の原料捕捉部４１に析出し、ＷＣｌ_２Ｏ_２やＷＣｌ_４Ｏは一方の原料捕捉部４１を通過してキャリアガスと共に排気される。

一方の原料捕捉部４１に析出した原料が、例えば４００ｇとなったときにバルブＶ１を閉じる。設定量の原料が一方の原料捕捉部４１に析出した時点については、例えば一方の原料捕捉部４１内へのガスの通流時間により管理される。こうして一方の原料捕捉部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。

次いで成膜を開始する前に一方の原料捕捉部４１の加熱部４９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１６０℃まで上昇し、既述のようにして一方の原料捕捉部４１に析出した原料を昇華させる。そしてキャリアガス用の配管６１のバルブＶ７を開いて、一方の原料捕捉部４１にキャリアガスを供給し、昇華した原料とキャリアガスとの混合ガスである原料ガスを一方の原料捕捉部４１から成膜処理部１Ａを迂回させて排気管３５及び合流管３８を介して真空排気機構２４により排気させ、原料ガスの流量を安定させる。また主排気路１３から分岐した戻り管路８１、８２のバルブＶ９、Ｖ１０を閉状態、主排気路１３のバルブＶ１３を開状態とし、真空容器１０内の真空排気を行って、真空容器１０内の圧力を例えば１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）以下に設定する。その後ゲートバルブ２０を開き、真空搬送室内の図示しない搬送アームにより、真空容器１０内にウエハ１００搬入し、載置台１２に載置する。

その後、ゲートバルブ２０を閉じ、例えば図２に示すバルブＶ７５を開いて真空容器１０内にＮ_２ガスを供給し、成膜処理時の圧力と同程度の圧力、例えば１０〜５０Ｔｏｒｒ（１.３３ＫＰａ〜６．６７ＫＰａ）程度の圧力に上昇させる。一方ウエハ１００は載置台１２に設けられた図示しないヒータにより例えば５００℃に加熱される。

続いて圧力が１０Ｔｏｒｒ（１.３３ＫＰａ）以上に上昇し、ウエハ１００が十分に加熱された後、図６に示すように分岐管３２に設けられたバルブＶ２及びキャリアガス用の配管６１のバルブＶ７を開くと共に、図２に示すバルブＶ７５を閉じる（図２参照）。これにより一方の原料捕捉部４１にキャリアガスが供給され、一方の原料捕捉部４１からから真空容器１０にキャリアガスと原料とを含む原料ガスが供給され、ウエハ１００表面にＷＣｌ_６が吸着する。

そして他方の原料捕捉部４２を６０℃に設定すると共に、主排気路１３のバルブＶ１３を閉じ、他方の原料捕捉部４２側の排気管３６のバルブＶ６及び他方の原料捕捉部４２側の戻り管路８２のＶ１０を開いておく。これにより真空容器１０から排気された排気ガスが、主排気路１３、戻り管路８０、８２を介して、他方の原料捕捉部４２を通過し分岐管３６、合流管３８、主排気路１３を介して排気される。

この時排気ガスに含まれる原料であるＷＣｌ_６は凝固点まで冷やされるため、他方の原料捕捉部４２に析出する。続いてバルブＶ２を閉状態とし、図２に示すバルブＶ７５を開状態とする。これにより真空容器１０中に置換ガスであるＮ_２ガスが供給される。なお置換ガス、及び続くＨ２ガスを真空容器１０に供給するときにおいても排気経路は、図６に示す状態と同じである。即ち、置換ガスの供給時に真空容器１０中に残されていた原料を含む排気ガスが他方の原料捕捉部４２を通過して排気されるため、排気ガス中に含まれる原料が捕捉される。

続いて図２に示すバルブＶ７５を閉状態とし、バルブＶ７３、Ｖ７４を開状態とする。これにより反応ガスであるＨ_２ガスが真空容器１０に供給される。これによりウエハ１００に吸着されているＷＣｌ_６がＨ_２により還元され、１原子層のＷ膜が成膜される。
この時Ｈ_２と残留するＷＣｌ_６とにより、例えばＷＣｌ_４、ＷＣｌ_５、Ｈ_２，ＨＣｌ、Ｃｌ_２などの副生成物が生成され、排気ガスとして、他方の原料捕捉部４２を通過する。原料となるＷＣｌ_６と比較して、分解生成物であるＷＣｌ_４、ＷＣｌ_５、Ｈ_２、ＨＣｌ、Ｃｌ_２は、蒸気圧が高い。他方の原料捕捉部４２は、真空容器１０とおよそ同じ圧力である１０〜５０Ｔｏｒｒ（１.３３ＫＰａ〜６．６７ＫＰａ）となっており、更に０℃〜６０℃、例えば６０℃に設定されている。そのため、他方の原料捕捉部４２には、ＷＣｌ_６のみが析出し、ＷＣｌ_４、ＷＣｌ_５、Ｈ_２、ＨＣｌ、Ｃｌ_２などの分解生成物は、他方の原料捕捉部４２を通過して、排気される。そして図２に示すバルブ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。

１枚のウエハ１００当たり３０ｇ程度のＷＣｌ６を真空容器１０に供給すると、成膜には、例えばおよそ１．５ｇのＷＣｌ_６が寄与する。また例えば１．０ｇ程度のＷＣｌ_６が分解し、１．５ｇ程度のＷＣｌ_６が真空容器１０に付着してしまう。そして残りの２６ｇ及び１ｇの分解生成物、例えばＷＣｌ_４、ＷＣｌ_５、Ｈ_２、ＨＣｌ、Ｃｌ_２などが他方の原料捕捉部４２を通過して排気される。従って他方の原料捕捉部４２により、およそ９４％の原料が回収される。

また真空容器１０に原料ガス及び反応ガスを供給している際には、真空容器１０の温度が１６０℃程度となっており、真空容器１０内の圧力が１０〜５０Ｔｏｒｒ（１.３３ＫＰａ〜６．６７ＫＰａ）に設定されている。そのため真空容器１０内の金属の腐食は少なく、真空容器１０の排気に金属はほとんど含まれない。また上述の実施の形態においては、真空容器１０の内面をアルマイトにより覆っているため金属の腐食をより抑制することができる。

また戻り管路８０〜８２は、ステンレスで構成され、プロセス中の温度は１６０℃に設定されている。そのため真空容器１０から他方の原料捕捉部４２に排気が通流される間に金属の混入するおそれが少ない。従って他方の原料捕捉部４２には、主原料であるＷＣｌ_６が高純度で析出することになる。

ＡＬＤ法による成膜処理が終了した後、図７に示すように他方の原料捕捉部４２に接続されている戻り管路８２のバルブＶ１０を閉じると共に、主排気路１３のバルブＶ１３を開く。これにより真空容器１０からの排気が他方の原料捕捉部４２を通過せずに排気される。その後、圧力調整部１６により、真空容器１０内の圧力を１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）以下まで下げた後、ゲートバルブ２０を開きウエハ１００を取り出す。後述のように他方の原料捕捉部４２に対して原料タンク３から原料を補充する工程が行われるので、このバルブＶ１０を閉じている間に、配管３３のバルブＶ３を開き、当該工程の一部を行うようにしてもよい。

またウエハ１００の出し入れの際には、真空容器１０内の圧力を１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）以下の高真空にしている。１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）以下の高真空にした場合には、真空容器１０から成膜プロセス中には、昇華しない金属材料なども昇華するおそれがある。そのため真空容器１０にウエハ１００を搬入出させるにあたって、真空容器１０内の圧力を例えば１０Ｔｏｒｒ（１３３０Ｐａ）以下の圧力にする前に、バルブＶ１０を閉じ、Ｖ１３開き、その後圧力を下げることで、他方の原料捕捉部４２に金属が混入するおそれが低くなる。

その後、例えば１ロットのウエハＷの処理を終えた後、他方の原料捕捉部４２に捕捉された原料の量を測定する。原料の量の測定には、例えば公知のビルドアップ法を用いればよい。
ここでビルドアップ法について説明する。密閉された容器内に原料が析出すると容器の気相の体積が析出した原料の体積分小さくなる。温度を一定にして真空の容器内に一定の流速でガスを供給したときの圧力は、ボイルの法則に従うため、体積に反比例する。そのため容器内に原料が析出していない状態において、容器内にＮ_２ガスを供給したときのＮ_２ガスの供給量と圧力の変化とにより容器の体積を求める。そして容器内に原料を析出させて、容器内にＮ_２ガスを供給したときのＮ_２ガスの供給量と圧力の変化とにより求まる容器内気相の体積を差し引くことにより、析出している原料の体積が求まる。更に原料の体積が求まることから、予め原料の密度を把握しておくことにより、析出した原料の重量が分かる。その後バルブＶ３を開き、不足分の原料を原料タンク３から他方の原料捕捉部４２に補充する。

他方の原料捕捉部４２に原料が補充された後、あるいは補充されている途中で、続くロットのウエハ１００を真空容器１０に搬入するにあたっては、既述のウエハ１００の搬入時あるいは搬出時と同様にバルブＶ１３を開いて主排気路１３を介して真空容器１０を真空排気しながら、ウエハ１００を真空容器１０に搬入する。そして他方の原料捕捉部４２に原料の補充が完了し、他方の原料捕捉部を原料供給源として用いる準備が整った後、他方の原料捕捉部４２を１６０℃に加熱して、他方の原料捕捉部４２に捕捉された原料を昇華させる。その後他方の原料捕捉部４２に接続されている配管６１のバルブＶ８を開き、他方の原料捕捉部４２にキャリアガスを供給すると共に、一方の原料捕捉部４１を原料供給源としたときと同様にバルブＶ６を開いて原料ガスの流量を安定させた後、他方の原料捕捉部４２に接続されている分岐管３４のバルブＶ４を開き、バルブＶ６を閉じる。これにより他方の原料捕捉部４２から真空容器１０に原料が供給される。また一方の原料捕捉部４１の温度を６０℃に設定した後、バルブＶ１３を閉じると共に排気管３５のバルブＶ５、戻り管路８１のバルブＶ９を開く。これにより真空容器１０から排気される原料を含む排気ガスが、一方の原料捕捉部４１を通過して排気され、排気ガスに含まれる原料が一方の原料捕捉部４１に捕捉される。

このように一方の原料捕捉部４１を成膜処理部１Ａに対して、原料供給源として用いながら、他方の原料捕捉部４２に排気ガスを通流させて原料を捕捉させる工程と、他方の原料捕捉部４２を原料供給源として用いながら、一方の原料捕捉部４１に排気ガスを通流させて原料を捕捉させる工程と、を交互に繰り返す。即ち原料供給源として一方の原料捕捉部４１と他方の原料捕捉部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。

上述の実施の形態によれば、ＷＣｌ_６を昇華させて、キャリアガスと共に真空容器１０に供給して成膜処理を行うにあたって、真空容器１０から排気された排気ガス中の原料を一方の原料捕捉部４１、または他方の原料捕捉部４２にて、捕捉（再固化）させ、捕捉した原料を昇華させて処理ガスとして再利用している。従って、原料の消費量を減らすことができる。
既述のように半導体デバイスにおいて薄膜の多層化が進み、ウエハ１００の表面積が大きくなって原料の使用量が増大しているなどの事情から本発明は極めて有効である。
また、一方及び他方の原料捕捉部４１、４２の一方を原料供給源として使用しているときに、他方に真空容器１０からの排気ガスを通流させて排気ガス中の原料を捕捉して回収しているため、装置の稼働率の低下が抑えられる。

本発明では、２個の原料捕捉部４１、４２に加えて、原料捕捉部４１、４２と同様に構成された原料捕捉部１０１を設けるようにしてもよい。このような例においては、例えば図９〜図１１に示すように３個の原料捕捉部４１、４２、１０１が互いに並列に接続される。なお図９〜１１中の１０２は配管３０から分岐した分岐管、１０３は、原料供給用の配管３７から分岐した分岐管、１０４は、合流管３８の他端側にて分岐した排気管、１０５は、戻り管路８０の他端側にて分岐した分岐路である。また原料捕捉部１０１には、原料捕捉部４１、４２と同様にキャリアガス供給管（図示しない）が接続されている。なおＶ１０２〜Ｖ１０５はバルブである。また明細書中においては、図９〜図１１を正面に見て、左側の原料捕捉部４１、中央の原料捕捉部４２、右側の原料捕捉部１０１として示す。

このような第２の実施の形態では、図９に示すように、まず原料タンク３から左側の原料捕捉部４１及び中央の原料捕捉部４２に原料を補充する。その後成膜処理部１Ａに原料を供給するにあたって、まず図１０に示すようにバルブＶ２、Ｖ７を開いて、左側の原料捕捉部４１から真空容器１０に原料を供給する。即ち左側の原料捕捉部４１を原料供給源とする。そして、バルブＶ１０４、Ｖ１０５を開き、真空容器１０からの排気ガスを右側の原料捕捉部１０１に通流させて、右側の原料捕捉部１０１に原料を析出させるようにする。

このように左側の原料捕捉部４１を原料供給源として用いて原料の供給を行った後、図１１に示すように中央の原料捕捉部４２から真空容器１０に原料を供給して、真空容器１０からの排気ガスを左側の原料捕捉部４１を通流させて原料を析出させる。またこの間に右側の原料捕捉部１０１に不足分の原料を原料タンク３から補充する。その後、右側の原料捕捉部１０１から真空容器１０に原料を供給して、真空容器１０からの排気を中央の原料捕捉部４２に通流させて排気すると共に、左側の原料捕捉部４１に不足分の原料を捕捉する。このように構成することにより１ロットのウエハの処理を終えた時点で、続くロットのウエハ１０１を成膜処理するための原料捕捉部がスタンバイの状態（原料供給源として使用可能な状態）になっているため、原料捕捉部に原料の補充する待ち時間がない。従って成膜装置を連続運転することができ、稼働効率の点では有効である。

また原料捕捉部は一つであってもよい。例えば図２に示した原料供給系２Ａにおいて、一方の原料捕捉部４１を設けずに分岐管３１と、配管３７とを接続した例が挙げられる。この場合には、原料タンク３から原料をキャリアガスと共に分岐管３１と、配管３７と、を介して成膜処理部１Ａに供給して成膜処理を行い、真空容器１０の排気ガスを他方の原料捕捉部４２に通流させて、排気ガス中の原料を捕捉させる。その後原料供給源を原料タンク３から他方の原料捕捉部４２に切り替えて成膜処理を行うようにすればよい。
このような例においては、真空容器１０から、戻り管路８０及び戻り管路８２を介して、原料捕捉部４２を通過し、排気管３６、合流管３８、主排気路１３を介して排気される排気経路が第１の排気路に相当し、主排気路１３から真空排気機構２４により排気される排気経路が第２の排気路に相当する。

さらに本発明は、原料ガスと、反応ガスとを真空容器１０に供給して成膜処理を行うＣＶＤ法に適用しても原料の消費量を抑制することができるが、ＡＬＤ法においては、原料ガスと反応ガスとを置換ガスで、置換して成膜処理を行うため、真空容器１０に供給した原料の成膜への寄与率が低く多くが排気される。そのため本発明はＡＬＤ法に適用した場合により効果が大きいと言える。

また固体原料は、主原料の蒸気圧が主たる副生成物の蒸気圧よりも低い原料であればよい。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 原料タンク
８ ヒータ
９ 制御部
１３ 主排気路
４１ 一方の原料捕捉部
４２ 他方の原料捕捉部
４３ 捕捉部
８０、８１、８２ 戻り管路
Ｖ１〜Ｖ１０ バルブ

Claims (6)

1. 原料供給源の固体の原料を昇華してキャリアガスと共に真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して行われる成膜処理であって、副生成物の蒸気圧が前記原料の蒸気圧よりも高い成膜処理を行うための成膜装置において、
   各々ガス中の原料を捕捉し、原料供給源となる第１の原料捕捉部及び第２の原料捕捉部と、
   前記第１及び第２の原料捕捉部にキャリアガスを供給し、原料捕捉部に捕捉された原料を昇華して原料供給路を介して前記処理容器内に供給するためのキャリアガス供給部と、
   前記第１及び第２の原料捕捉部の温度を、原料を捕捉するための温度と捕捉した原料を昇華させるための温度との間で調整するための温度調整部と、
   前記処理容器内を前記第１の原料捕捉部を介して真空排気機構により真空排気するための第１の排気路と、
   前記処理容器内を前記第２の原料捕捉部を介して真空排気機構により真空排気するための第２の排気路と、
   前記第１の原料捕捉部を用いて被処理体に対して成膜処理を行っているときには前記第２の排気路により真空排気を行い、前記第２の原料捕捉部を用いて被処理体に対して成膜処理を行っているときには前記第１の排気路により真空排気を行うように排気路を切り替える切替え部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
2. 前記処理容器に対して被処理体を搬入または搬出するときには、当該処理容器内の圧力は成膜処理時の圧力よりも低く設定されると共に、前記第１の排気路及び第２の排気路以外の排気路により真空排気を行って、排気ガスが原料捕捉部を通らないように排気路が切り替えられることを特徴とする請求項１記載の成膜装置
3. 前記成膜処理は、前記固体原料を昇華して得られた原料と水素ガスとを反応させて行われる処理であることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 原料供給源の固体の原料を昇華してキャリアガスと共に真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して行われる成膜処理であって、副生成物の蒸気圧が前記原料の蒸気圧よりも高い成膜処理を行うための成膜方法において、
   各々ガス中の原料を捕捉し、原料供給源となる第１の原料捕捉部及び第２の原料捕捉部を用い、
   前記第１の原料捕捉部の固体の原料を昇華してキャリアガスと共に真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して成膜処理を行い、当該成膜処理を行っているときに、前記処理容器内を前記第２の原料捕捉部を介して真空排気し、原料を捕捉するための温度に設定された前記第２の原料捕捉部に排気ガス中の原料を捕捉する工程と、
   その後、前記第２の原料捕捉部の温度を原料を昇華するための温度に設定する工程と、
   原料を昇華するための温度に設定された前記第２の原料捕捉部にキャリアガスを供給し、当該第２の原料捕捉部に捕捉された原料を昇華して真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して成膜処理を行い、当該成膜処理を行っているときに、前記処理容器内を前記第１の原料捕捉部を介して真空排気し、原料を捕捉するための温度に設定された前記第１の原料捕捉部に排気ガス中の原料を捕捉する工程と、を含むことを特徴とする成膜方法。
5. 前記処理容器に対して被処理体を搬入または搬出するときには、当該処理容器内の圧力は成膜処理時の圧力よりも低く設定されると共に、前記第１の排気路及び第２の排気路以外の排気路により真空排気を行って、排気ガスが原料捕捉部を通らないように排気路が切り替えられることを特徴とする請求項４記載の成膜方法。
6. 原料供給源の固体の原料を昇華してキャリアガスと共に真空雰囲気である処理容器内に供給して被処理体に対して成膜処理を行う成膜装置に用いられるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体であって、
   前記コンピュータプログラムは、請求項４または５に記載の成膜方法を実行するようにステップ群が組まれていることを特徴とする記憶媒体。

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