JP6792786B2 - ガス混合装置および基板処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数種のガスを混合する技術分野に関する。
半導体プロセスにおいて処理ガスにより基板を処理する装置、例えば成膜装置では、複数種の処理ガスを均一に混合して基板に供給することが要請される場合がある。基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に成膜を行う手法として、原料ガス、及び原料ガスと反応する反応ガスをウエハに対して順番に供給してウエハの表面に反応生成物の分子層を堆積させて薄膜を得るいわゆるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法などと呼ばれている手法が知られている。ＡＬＤにおいては、キャリアガスを流している状態で成膜用のガスである第１のガスと第２のガスとを交互に供給するが、成膜処理についてウエハの面内均一性を良好にするためには、成膜ガスがキャリアガスに均一に混合された状態で基板に供給されることが必要である。
このような複数種のガスを混合する手法としては、例えば特許文献１には、第１のガス流と第２のガス流とを渦巻き状のガス流混合体として均一に混合する技術が記載されている。また特許文献２には、ガス流出路から見て周方向一方に流した後、ガス流出路側に垂直に屈曲させてガス流出路の周縁に向けて流し旋回流を形成する技術が記載されている。さらに特許文献３には、原料ガスをガス混合部の中央部分に供給し、その周囲から一様に希釈ガスを同じ流れ方向に供給してガス拡散部を通過させることで原料ガスを一様に拡散させながら混合する技術が記載されている。
しかし公知の混合手法は、広範囲の流量比においてガスの偏りを少なくしようとする場合には不向きである。特に大流量のガス、例えばキャリアガスに小流量の成膜ガスを供給する場合には、ガスの均一化を図ることは困難である。またガス混合装置内にスタティックミキサーを設け、強制的に混合しようとするとガス混合装置における圧力損失が大きくなる。ＡＬＤ法のように処理容器内をパージガスにより置換しながら複数種のガスを順番に供給するには、大流量のガスを高速で流す必要があるため適さない。
また合流流路を長くすることで少量のガスが混合されやすくなるが、合流流路が長い場合には、ガスの温度が下がり、例えばある種のプリカーサにおいては、温度の低下により液化して、パーティクルの発生を引き起こす懸念がある。従って合流経路は極力短くすることが要請されている。
特開２０００−２６０７６３号公報 米国特許出願公開第２００９／００４７４２６号 特開２００３−１３３３００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、複数種のガスを混合するにあたって、ガスを均一に混合する技術を提供することにある。
本発明のガス混合装置は、複数種のガスを混合するためのガス混合装置において、
上面が塞がれた円筒部と、
前記円筒部の底面の中央部に開口し、下方に伸びるガス流出路と、
前記ガス流出路における前記底面の開口縁に沿って周方向に互いに間隔を置いて配置されると共に前記円筒部の中心に対して回転対称に設けられ、前記上面に向かって突出した複数のガス流案内壁と、
前記ガス流案内壁と円筒部の内周面との間に設けられ、前記ガス流案内壁の前後方向の中央よりも後方側にガス流入位置が位置するように構成された混合すべきガスが流入するガス流入部と、
前記円筒部の周方向において時計回り及び反時計回りの一方で見たときに、当該一方の方向を向いた側を前方と定義すると、前記ガス流案内壁は、円筒部の内周面とガス流案内壁との間に流入したガスを当該ガス流案内壁の外周面に沿って前記ガス流出路に案内し、これにより旋回流を形成するように、前方側に向かうにつれて前記円筒部の中心部寄りに屈曲していることを特徴とする。
また本発明のガス混合装置は、複数種のガスを混合するためのガス混合装置において、
上面が塞がれた円筒部と、
前記円筒部の底面の中央部に開口し、下方に伸びるガス流出路と、
前記ガス流出路における前記底面の開口縁に沿って周方向に互いに間隔を置いて配置されると共に前記円筒部の中心に対して回転対称に設けられ、前記上面に向かって突出し、その内周面は、下方に向かうにつれて円筒部の中心部に近づくように傾斜している傾斜面を形成した複数のガス流案内壁と、
前記ガス流案内壁と円筒部の内周面との間に設けられ、混合すべきガスが流入するガス流入部と、
前記円筒部の周方向において時計回り及び反時計回りの一方で見たときに、当該一方の方向を向いた側を前方と定義すると、前記ガス流案内壁は、円筒部の内周面とガス流案内壁との間に流入したガスを当該ガス流案内壁の外周面に沿って前記ガス流出路に案内し、これにより旋回流を形成するように、前方側に向かうにつれて前記円筒部の中心部寄りに屈曲していることを特徴とする。
本発明の基板処理装置は、互いに異なる処理ガスが互いに異なる位置から流入してこれら処理ガスを混合するガス混合装置と、
前記ガス混合装置にて混合された処理ガスが供給される処理容器と、
前記処理容器内に設けられ、前記処理ガスにより処理される基板を載置するための載置部と、
前記処理容器内を真空排気する排気部と、を備え、
前記ガス混合装置は、上述のガス混合装置であることを特徴とする。
本発明は、複数種のガスを混合するにあたって、底面中央部にガス流出路が開口する円筒部内に各々周方向に沿って円筒部の中心部寄りに屈曲し、円筒部の中心に対して回転対称となる複数のガス流案内壁をガス流出路の開口縁に沿って、周方向に間隔を置いて配置している。そのためガス流案内壁と、円筒部の内周面との間に流入したガスが、ガス流案内壁の外周面に沿って流れ、旋回流となって、ガス流出路に案内される。従って各ガスが旋回流となって、ガス流出路にて合流するので混合ガスの濃度のムラができにくくなり均一に混合することができる。
本発明の実施の形態に係る成膜装置の縦断面図である。 本発明の実施の形態に係るガス混合装置の断面図である。 ガス拡散部の分解斜視図である。 ガス混合装置の断面斜視図である。 ガス混合装置の縦断面図である。 ガス混合装置の平面図である。 本発明の実施の形態におけるガスの供給の推移を示す説明図である。 ガス混合装置におけるガスの流れを説明する説明図である。 ガス混合装置におけるガスの流れを説明する説明図である。 比較例および実施例にかかるガス混合装置を示す断面斜視図である。 比較例および実施例におけるガスの質量の標準偏差を示す特性図である。 実施例におけるガスの質量流量比に対するガスの質量の標準偏差を示す特性図である。
本発明の実施の形態に係るガス混合装置を適用した基板処理装置の一例である成膜装置の構成について説明する。成膜装置は、ウエハＷの表面に、塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスと酸素（Ｏ２）ガスを順番に供給して、いわゆるＡＬＤ法により酸化窒化チタン（ＴｉＯＮ）膜を成膜する装置として構成されている。なお明細書中では、キャリアガスも処理ガスに含むものとする。
図１に示すように成膜装置は、アルミニウム等の金属により構成され、平面形状が概ね円形の真空容器である処理容器１を備え、この処理容器１内には、ウエハＷが載置される載置台２が設けられている。処理容器１の側面には、ウエハＷの搬入出口１１と、この搬入出口１１を開閉するゲートバルブ１２とが設けられている。
前記搬入出口１１よりも上部側の位置には、縦断面の形状が角型のダクトを円環状に湾曲させて構成した排気ダクト１３が、処理容器１の本体を構成する側壁の上に積み重なるように設けられている。排気ダクト１３の内周面には、周方向に沿って伸びるスリット状の開口部１３１が形成されている。排気ダクト１３の外壁面には排気口１３２が形成されており、この排気口１３２には真空ポンプなどからなる排気部１４が接続されている。
処理容器１内には、前記排気ダクト１３の内側の位置に、載置台２が配置されている。載置台２の内部には、ウエハＷを例えば３５０℃〜５５０℃の成膜温度に加熱するための図示しないヒータが埋設されている。載置台２には、載置台２の周縁部及び載置台２の側周面を周方向に亘って覆うように設けられたカバー部材２２が設けられている。載置台２の下面側中央部には、処理容器１の底面を貫通し、上下方向に伸びる支持部材２３が接続されている。この支持部材２３の下端部は、処理容器１の下方側に水平に配置された板状の支持台２３２を介して昇降機構２４に接続されている。昇降機構２４は、搬入出口１１から進入してきたウエハ搬送機構との間でウエハＷを受け渡す受け渡し位置（図１に一点鎖線で記載してある）と、この受け渡し位置の上方側であって、ウエハＷへの成膜が行われる図１中実線で示す処理位置との間で載置台２を昇降させる。この支持部材２３が貫通する処理容器１の底面と、支持台２３２との間には、処理容器１内の雰囲気を外部と区画し、支持台２３２の昇降動作に伴って伸び縮みするベローズ２３１が、前記支持部材２３を周方向の外側から覆うように設けられている。
載置台２の下方側には、外部のウエハ搬送機構とのウエハＷの受け渡し時に、ウエハＷを下面側から支持して持ち上げる例えば３本の支持ピン２５が設けられている。支持ピン２５は、昇降機構２６に接続されて昇降自在となっており、載置台２を上下方向に貫通する図示しない貫通孔を介して載置台２の上面から支持ピン２５を突没させることにより、ウエハ搬送機構との間でのウエハＷの受け渡しを行う。
排気ダクト１３の上面側には、載置台２に載置されたウエハＷに向けてガスを供給するためのガス供給部５が円形の開口を塞ぐように設けられている。ガス供給部５について図２を参照して説明する。ガス供給部５は、天板部５０を備え、天板部５０の下方位置には、上方が開口した扁平な有底円筒形のシャワーヘッド５１が設けられている。ガス供給部５の内部には、後述するガス混合装置４が設けられ、ガス混合装置４で混合されたガスがガス流出路４１を介して、天板部５０の下面中央に開口した開口部５２からシャワーヘッド５１内に供給されるよう構成されている。
シャワーヘッド５１内における開口部５２の周囲には、ガス混合装置４から供給されたガスを拡散する扁平な円筒形の拡散室５３が設けられている。拡散室５３の下面には、平面的に見て載置台２に載置されたウエハＷの中心部を中心する円に沿って等間隔に複数のガス拡散部５４が配置され、さらにウエハＷの中心部の上方にガス拡散部５４が配置されている。図３に示すようにガス拡散部５４は、円筒形の部材で構成され、拡散室５３の底面から下方に向けて突出するように設けられる。拡散室５３の底面５３Ａには、各ガス拡散部５４にガスを供給するための孔部５５が形成されており、ガス拡散部５４の側面には、周方向に沿って間隔をおいて設けられた複数のガス吐出口５６が形成されており、拡散室５３からガス拡散部５４に流れ込んだガスは、各ガス吐出口５６から水平方向へ向けて均一に広がるように吐出される。そしてシャワーヘッド５１内に吐出されたガスは、シャワーヘッド５１に形成されたガス噴出孔５７を介して、ウエハＷに供給される。
続いてガス混合装置４について図４〜図６を参照して説明する。ガス混合装置４は、下部材４０Ａと下部材４０Ａの上方を塞ぐ上部材４０Ｂとで構成される円筒部４０を備えている。下部材４０Ａは底面部４６と円筒部４０の周壁をなす環状壁の外壁４７とを備え、外壁４７の外周には、フランジ４６Ａが形成されている。上部材４０Ｂは、下部材４０Ａの環状壁である外壁４７の上方を覆う天板部分４８を備え、周縁が下方に向けて屈曲して壁部４９となっている。そして上部材４０Ｂを下部材４０Ａに上方から係合させることにより外壁４７が天板部分４８に密接し、扁平な円筒形の円筒部４０を構成する。なお図４、図６のグレー部分は、下部材４０Ａにおける上部材４０Ｂの天板部分４８に密接する部分を示している。
図４〜図６に示すように下部材４０Ａは、底面部４６の下面側の中心部に上下方向に伸びるガス流出路４１が接続されている。なおガス混合装置４は、ガス流出路４１が水平に伸びるように配置されてもよいが、明細書中では、円筒部４０の中心軸の伸びる方向を上下方向とする。下部材４０Ａの内部には、ガス流出路４１の開口縁に沿って、周方向に伸びるように形成された３つのガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃが設けられている。各ガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃは、互いに円筒部４０の中心に対して回転対称になるように形成されている。３つのガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃは、同じ構造であるためここでは、代表してガス流案内壁４２Ａについて説明する。
円筒部４０の周方向における時計回りの方向を前方、反時計回りの方向を後方とすると、ガス流案内壁４２Ａは、下部材４０Ａの底面から上部材４０Ｂの天板部分４８に向けて突出し、下部材４０Ａと上部材４０Ｂとを係合させたときに、ガス流案内壁４２Ａの上面が上部材４０Ｂの天板部分４８に密接するように設けられている。またガス流案内壁４２Ａは、円筒部４０の内周面に対向する面が、前方側に向かうにつれて円筒部４０の中心寄りに屈曲しており、図６に示すように平面で見たときに円筒部４０の内周面の円弧形状よりも小径の円弧形状となっている。
さらにガス流案内壁４２Ａにおいて円筒部４０の内周と対向する面をガス流案内壁４２Ａの外周面、ガス流案内壁４２Ａにおいて円筒部４０の中心側の面をガス流案内壁４２Ａの内周面とすると、ガス流案内壁４２Ａの外周面の前方側の端部と、当該ガス流案内壁の前方に設けられたガス流案内壁４２Ｂの内周面の後方側の端部とが互いに隙間を介して対向するように配置され、後方側のガス流案内壁４２Ａの外周面の前方側の端部と、前方側のガス流案内壁４２Ｂの内周面の後方側の端部と挟まれた領域は、ガス流の案内路４３になる。
またガス流案内壁４２Ａの内周面の前方側の部分は、下方に向かって傾斜する傾斜面となっており、ガス流案内壁４２Ａの内周面の後方側は、立った面となっている。また傾斜面は、ガス流出路４１の内周面と連続する曲面となっており、図５に示すようにガス流出路４１の内周面は、円筒部４０の底面における開口部から下方に向かって徐々に狭くなるように傾斜している。
図６に示すように円筒部４０における各ガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃと円筒部４０の内周面との間であって、ガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃを前方後方に見て、中央よりも後方の位置には、各ガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃに対応する第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃの一端側が上部材４０Ｂの天板部分４８を貫通して接続されている。第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃは、円筒部４０の中心に対して互いに回転対称となるように配置されている。また下部材４０Ａにおける、円筒部４０の内周面及び各ガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの外周面は、第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃの開口部分の輪郭に沿って湾曲している。円筒部４０内における第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃの開口部分は、ガス流入部に相当する。
図１、図２に戻って、第１のガス流入管４５Ａは、その他端側が２本に分岐し、各分岐端には、夫々窒素（Ｎ２）ガス供給源６１と、塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガス供給源６２が接続されている。また第２のガス流入管４５Ｂは、その他端側が２本に分岐し、各分岐端には、夫々窒素（Ｎ２）ガス供給源６３と、アンモニア（ＮＨ３）ガス供給源６４が接続されている。さらに第３のガス流入管４５Ｃは、その他端側が２本に分岐し、各分岐端には、夫々窒素（Ｎ２）ガス供給源６５と、酸素（Ｏ２）ガス供給源６６が接続されている。なお図中のＭ１〜Ｍ６は流量調整部であり、Ｖ１〜Ｖ６は、バルブである。第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃは例えば図示しないヒータにより２００℃に加熱するように構成されている。この例では、Ｎ２ガスがキャリアガスに相当し、ＴｉＣｌ４ガス、ＮＨ３ガス及びＯ２ガスが成膜ガスに相当する。
成膜装置は、図１に示すように制御部９と接続されている。制御部９は例えば図示しないＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部には成膜装置の作用、即ち載置台２上に載置されたウエハＷを処理位置まで上昇させ、ウエハＷに向けて決められた順番で反応ガス、酸化ガス及び置換用のガスを供給してＴｉＯＮの成膜を実行し、成膜が行われたウエハＷを搬出するまでの制御についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。
続いて、本発明の実施の形態に係る成膜装置の作用について説明する。図７は、ＡＬＤ法によるＴｉＯＮ膜の成膜処理におけるガスの供給の推移を示す説明図である。なお図７の横軸は、各ガスの供給、停止の時間間隔を正確に示すものではない。はじめに、予め処理容器１内を所定の真空雰囲気に減圧した後、載置台２を受け渡し位置まで降下させる。そして、ゲートバルブ１２を開放し、搬入出口１１と接続された、例えば真空搬送室に設けられたウエハ搬送機構の搬送アームを進入させ、支持ピン２５との間でウエハＷの受け渡しを行う。しかる後、支持ピン２５を降下させ、ヒータによって、例えば４４０℃に加熱された載置台２上にウエハＷを載置する。
次いで、ゲートバルブ１２を閉じ、載置台２を処理位置まで上昇させる。さらに図７に示す時刻ｔ０において、ガス混合装置４のバルブＶ１、Ｖ３及びＶ５を開く。なお以下のシーケンスの説明に記載した流量や時間は説明のための一例に過ぎない。これにより第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃから円筒部４０内に各々５０００ｓｃｃｍの流量のＮ２ガスが供給される。従ってガス混合装置４から処理容器１内には、合計１５０００ｓｃｃｍの流量のＮ２ガスが供給される。
次いで処理容器１内の圧力をプロセスレシピによりきめられた圧力に調整した後、時刻ｔ１からバルブＶ２を０．０５秒間開く。これにより第１のガス流入管４５Ａから円筒部４０内にＮ２ガスとともに、例えば５０ｓｃｃｍの流量のＴｉＣｌ４ガスが供給される。そして第１のガス流入管４５Ａから流入したＴｉＣｌ４ガスと、Ｎ２ガスと、の混合ガスは、円筒部４０にて、第２のガス流入管４５Ｂおよび第３のガス流入管４５Ｃから各々流入するＮ２ガスと混合され、ガス流出路４１を介して処理容器１内に供給される。
また時刻ｔ１から０．０５秒経過後にバルブを閉じることにより、第１のガス流入管４５Ａから円筒部４０に流入するガスがＮ２ガスのみになり、ガス混合装置４から処理容器１内には、Ｎ２ガスのみが供給される。これにより処理容器１内のＴｉＣｌ４ガスがＮ２ガスに置換される。続いてバルブＶ２を閉じた後、０．２秒経過後の時刻ｔ２からバルブＶ４を０．２秒間開く。これにより第２のガス流入管４５Ｂから円筒部４０にＮ２ガスとともに２７００ｓｃｃｍの流量のＮＨ３ガスが供給される。そして第２のガス流入管４５Ｂから供給されるガスは、円筒部４０内にて、第１のガス流入管４５Ａおよび第３のガス流入管４５Ｃの各々から流入するＮ２ガスと混合され、処理容器１に供給される。
さらにバルブＶ４を閉じることで、第２のガス流入管４５Ｂから流入するガスがＮ２ガスのみになり、ガス混合装置４から処理容器１にＮ２ガスが供給され処理容器１内のＮＨ３ガスがＮ２ガスに置換される。またバルブＶ４を閉じた後３．３秒経過後の時刻ｔ３からバルブＶ６を０．２秒間開く。これにより第３のガス流入管４５Ｃから円筒部４０にＮ２ガスとともに５０ｓｃｃｍの流量のＯ２ガスが供給され、円筒部４０内にて、第１のガス流入管４５Ａおよび第２のガス流入管４５Ｂの各々から流入するＮ２ガスと混合され、処理容器１に供給される。さらにバルブＶ６を閉じることで、第３のガス流入管４５Ｃから流入するガスがＮ２ガスのみになり、ガス混合装置４から処理容器１内にＮ２ガスが供給され処理容器１内のＯ２ガスがＮ２ガスに置換される。
このようにして、ＴｉＣｌ４ガス→Ｎ２ガス→ＮＨ３ガス→Ｎ２ガス→Ｏ２ガス→Ｎ２ガスの順番で反応ガス（ＴｉＣｌ４ガス、ＮＨ３ガス）及び酸化ガス（Ｏ２ガス）と置換用のガス（Ｎ２ガス）とを供給する。ウエハＷにＴｉＣｌ４ガス及びＮＨ３ガスを供給することにより、ウエハＷの表面に窒化チタン（ＴｉＮ）の分子層が積層され、さらにＯ２ガスを供給することにより窒化チタン（ＴｉＮ）の分子層が酸化されてＴｉＯＮの分子層になる。これを繰り返すことによりＴｉＯＮが積層されＴｉＯＮの膜が成膜される。
第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃから流入するガスは、ガス混合装置４にて混合されて処理容器１に供給されるが、背景技術にて述べたように、上述の実施の形態に示すＯ２ガスなどの流量の少ないガスを大流量のＮ２ガスと混合するときには、均一に混ざりにくくなる問題がある。ここで上述の実施の形態に係るガス混合装置４におけるガスの混合について、時刻ｔ３からＯ２ガスを供給する例で説明する。
図８に示すように第３のガス流入管４５Ｃから円筒部４０内に供給されたガスは、ガス流案内壁４２Ｃに規制されるため、円筒部４０の周方向（前後方向）に流れる。ガス流案内壁４２Ｃは、前方側が円筒部４０の中心側に向けて屈曲し、ガス流案内壁４２Ｃの外周面の前端側は、当該ガス流案内壁４２Ｃの前方に位置するガス流案内壁４２Ａの内周面の後端側と対向するように配置され、ガス流案内壁４２Ｃの外周面の前端側と、ガス流案内壁４２Ａの内周面の後端側との間は、ガスを案内する案内路４３になっている。またガス流案内壁４２Ｃは、円筒部４０の内周面よりも小径の円弧となっている。従って第３のガス流入管４５Ｃから円筒部４０に流入し、ガス流案内壁４２Ｃの外周面に沿って前方側に流れたガスは、円筒部４０の中心方向に曲がりながら流れ、案内路４３から一つ前方のガス流案内壁４２Ａの内周面側に進入する。
ガス流案内壁４２Ａの内周面側に進入したガスは、ガス流案内壁４２Ａの内周面に沿って流れる。ガス流案内壁４２Ａの内周面の前方側は、ガス流出路４１の内面と連続する曲面となっているため、ガス流案内壁４２Ａの内周面側に進入したガスは、ガス流案内壁４２Ａの内周面の湾曲に沿って曲がりながら、ガス流出路４１に進入する。このときガスは、ガス流案内壁４２Ｃの外周面及びガス流案内壁４２Ａの内周面に沿って流れることにより、ガス流出路４１の周縁を周方向に流れながらガス流出路４１に進入するため、図８に示すようにガス流出路４１の内周面を周方向に流れる旋回流となる。
また第３のガス流入管４５Ｃから円筒部４０に供給されたガスの一部は、ガス流案内壁４２Ｃの外周面を後方に向けて流れ、第２のガス流入管４５Ｂから供給され、ガス流案内壁４２Ｃよりも一つ後方のガス流案内壁４２Ｂに沿って前方に向けて流れるガスとともにガス流案内壁４２Ｃの内周面側に流れ、ガス流出路４１の内周面を周方向に流れる旋回流となる。
またガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの内面とガス流出路４１の内周面とで囲まれる空間は、下方に向かうに従って狭くなるように構成されている。そのため図９に示すようにガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの内面に沿って流れ、ガス流出路４１の内周面に沿って流れる旋回流は、ガス流出路４１の下方側に向かうにしたがって、その回転半径が徐々に短くなり、流速が上昇する。
そして第１のガス流入管４５Ａおよび第２のガス流入管４５Ｂから円筒部４０に供給されるＮ２ガスも第３のガス流入管４５Ｃから円筒部４０に供給されるガスと同様に旋回流となり、徐々に流速を増しながらガス流出路４１を流れる。
これらの第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃから供給されたガスが各々旋回流となり、徐々に流速を増しながらガス流出路４１を流れる。後述の実施例に示すようにＴｉＣｌ４ガスとＮ２ガス、ＮＨ３ガスとＮ２ガスとの混合だけでなく、成膜ガスに対応するＮ２ガスとの流量比が小さいガスをＮ２ガスに混合する場合においても均一に混合される。従って第３のガス流入管４５Ｃから供給された少量のＯ２を含むガスと、第１のガス流入管４５Ａおよび第２のガス流入管４５Ｂから供給されるＮ２ガスと、が互いに混合されて均一な濃度の混合ガスとなり処理容器１に供給される。そしてガス拡散部５４にて拡散され、シャワーヘッド５１を介して、ウエハＷに供給される。
こうしてＴｉＣｌ４ガスの供給とＮＨ３ガスの供給とＯ２ガスの供給とを例えば数十回〜数百回繰り返し、所望の膜厚のＴｉＯＮの膜を成膜した後、置換用の窒素ガスを供給して最後のＯ２ガスを排出した後、載置台２を受け渡し位置まで降下させる。そしてゲートバルブ１２を開いて搬送アームを進入させ、搬入時とは逆の手順で支持ピン２５から搬送アームにウエハＷを受け渡す。
上述の実施の形態においては、大流量のＮ２ガスに小流量のＯ２ガスを混合するにあたって、底面中央部にガス流出路４１が設けられ、上面が塞がれた円筒部４０において、前方側の端部が円筒部４０の中心部寄りに屈曲され、円筒部４０の中心に対して回転対称となる複数のガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃをガス流出路４１の開口縁に沿って間隔を置いて配置している。そのためガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃと、円筒部４０の内周面との間に設けた第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃから流入したガスが、ガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの外周面に沿って流れ、旋回流となって、ガス流出路４１に案内される。第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃから流入するガスを各々旋回流とすることで、ガス流出路４１にて各ガス流合流させたときに混合ガスの濃度のムラができにくくなり均一に混合することができる。
さらに後述の実施例に示すように例えば成膜ガスとキャリアガスとの混合比（成膜ガスの質量流量／キャリアガスの質量流量）が大きい場合にも十分に混合することができる。従って第１のガス流入管４５ＡからＴｉＣｌ４ガスを供給し、第２及び第３のガス流入管４５Ｂ、４５ＣからＮ２ガスを供給する場合、あるいは、第２のガス流入管４５ＡからＮＨ３ガスを供給し、第１及び第３のガス流入管４５Ａ、４５ＣからＮ２ガスを供給する場合においても均一に混合される。
また成膜ガスとキャリアガスとの混合比が小さくなることでガスは混合されにくくなることから、成膜ガスとキャリアガスとの混合比が０．４以下となるガスを混合する場合には、より効果が大きいといえる。なお混合比は、一のガス流入管から円筒部４０に供給するガスにおける（成膜ガスの質量流量／キャリアガスの質量流量）の値であり、他のガス流入管からは一のガス流入管から流入するキャリアガスと同量の質量流量のキャリアガスが円筒部４０に流入するものとする。
なお一のガス流入管から少流量の成膜ガスのみ流入させ、他のガス流入管から大流量のキャリアガスを流入させる場合にも同様の効果を得ることができる。
また後述の実施例に示すように第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃをガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃと円筒部４０の内周面との間に設けるにあたってガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの中央部よりも後方側に設けることで混合ガスがより均一に混合される。これは、第１〜第３ガス流入管４５Ａ〜４５Ｃから円筒部４０に流入するガスの一部がガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの後方側に向けて流れ、後方側のガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの外周面に沿って流れるガスと合流することにより、混合されやすくなるためと推測される。
さらにガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの内周面及びガス流出路４１の円筒部４０底面における開口部から下方に向かうにつれて、円筒部４０の中心部に近づくように傾斜する傾斜面としている。このように構成することで旋回流の速度を徐々に速くすることができる。そのため後述の実施例に示すように混合ガスをより均一に混合することができる。
さらに隣接するガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃのうち前方側のガス流案内壁、例えばガス流案内壁４２Ａの内周面の後端部と、後方側のガス流案内壁４２Ｃの外周面の前端部とを対向するように配置し、ガス流案内壁４２Ａの内周面の後端部と、ガス流案内壁４２Ｃの外周面の前端部と、の間をガス流の案内路４３としている。そのため後方側のガス流案内壁４２Ｃの外周面に沿って流れるガスをより確実に前方側のガス流案内壁４２Ａの内周面側に案内することができるため、より確実に旋回流を形成することができる。
また既述のようにガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの内周面に傾斜をつけることで旋回流の速度を増すことができるため、混合ガスがより均一に混合されるが、ガス流案内壁４２Ａの内周面の後端部側まで傾斜面にすると、ガス流案内壁４２Ａの内周面の後端部とガス流案内壁４２Ｃの外周面の前端部とが近づきすぎるため、前方側のガス流案内壁４２Ａの内周面側に案内されにくくなる。そのためガス流案内壁４２Ａの内周面の後方側を前方側よりも立った面とすることで案内路４３にガスが進入しやすくなる。
さらに３本のガス供給管４５Ａ〜４５Ｃの内の一のガス流入管のガスを停止し、他の２本のガス供給管からガスを供給して、ガスを混合してもよい。例えばガス供給管４５Ａのガスの供給を停止し、ガス供給管４５ＢからＮ２ガス、ガス供給管４５ＣからＮ２ガス及びＯ２ガスを夫々供給する。このような場合にもガス供給管４５Ｂ、及びガス供給管４５Ｃから供給されるガスが各々旋回流となり、混合されるため、均一に混合されるため効果が得られる。
またガス混合装置は、プラズマ処理装置に適用してもよい。例えば図１、図２に示した成膜装置において、シャワーヘッド５１に高周波電力を印加できるように構成し、載置台２を接地電位に接続する。そして上部電極となるシャワーヘッド５１と下部電極となる載置台２との間に容量結合型のプラズマを発生させるように構成し、ガス混合装置により混合されたガスをシャワーヘッド５１と載置台２との間に供給するように構成すればよい。
さらにガス混合装置が混合する処理ガスは、原料ガスと、原料ガスと反応する反応ガスと、であってもよく、原料ガスと反応ガスとを混合したガスをウエハＷに供給するＣＶＤ装置に適用してもよい。
また第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃは、円筒部４０の側面に接続されていてもよい。円筒部４０の側面からガスが供給される場合にもガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃによってガス流が案内されるため同様の効果を得ることができる。
またガス流入管及びガス流案内壁の数が多くなると円筒部４０を大きくする必要があり、ガスが混合されにくくなる。そのためガス流入管及びガス流案内壁は、２個か３個であることが好ましい。またガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの内周面は、傾斜面でなく垂直な面であってもよい。
本発明の効果を検証するためにガス混合装置４を適用した成膜装置を用い、処理容器１内に混合したガスを供給し、載置台２の上方における均一性についてシミュレーションにより調べた。
（実施例１）
実施の形態にかかるガス混合装置４を適用した成膜装置を用い、第１のガス流入管４５Ａから供給する反応ガスとキャリアガスとの質量流量比（反応ガスの質量流量／キャリアガス質量流量）を０．３３８となるように設定した。また他の第２のガス流入管４５Ｂと、第３のガス流入管４５Ｃと、は、第１のガス流入管４５Ａから供給されるキャリアガスと同量のキャリアガスを流すものとした。また処理容器１内の圧力を３Ｔｏｒｒ（４００Ｐａ）、ガスの温度は、２００℃とした。
(実施例２)
図１０（ａ）に示すように、ガス流出路４１の内周面を垂直な面としたことを除いて実施例１と同様の構成としたガス混合装置４を適用した例を実施例２とした。
(実施例３)
図１０（ｂ）に示すように、円筒部４０における各ガスが流入する第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃの接続位置をガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの前後方向の中央部の間の位置に設定したことを除いて実施例２と同様の構成としたガス混合装置４を適用した例を実施例３とした。
(比較例)
図１０（ｃ）に示すように、実施例１に示す円筒部４０に代えて、第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃから供給されたガスを、ガス流出路４１から見て周方向一方に流した後、ガス流出路側に垂直に屈曲させてガス流出路４１から排出する流路９１を設けた構成としたガス混合装置を適用した例を比較例とした。なお図１０（ｃ）は、記載の煩雑化を避けるため、ガスの流れる部位のみ実線で示しており、下部材４０Ａにおける外壁、及び底面部は点線で示している。
実施例１〜３および比較例の各々においてガスを供給した時の載置台２の周縁部の上方における周方向等間隔に８か所の地点におけるガスの質量を測定し、８か所の地点におけるガスの質量の標準偏差（１σ）を求めた。図１１はこの結果を示し、実施例１〜３および比較例における標準偏差（１σ）を平均値に対する百分率（１σ％）で示した特性図である。なお比較例および実施例２、３については、拡散室５３内に溝を形成した構造を採用しているが、ガス混合装置４の効果の評価に影響を及ぼすものではない。
図１１に示すように比較例および実施例１〜３における１σ％は、夫々７．８％、１．０８％、２．９％、４．２％であった。この結果によれば、比較例に係るガス混合装置４と比べて、実施例１〜３に係るガス混合装置４は、１σ％が小さくなっており、載置台２の上方においてよりガスが均一に混合されていることが分かる。
また実施例２は、実施例３よりも１σ％が小さくなっている。従って円筒部４０における各ガスを供給する第１〜第３のガス流入管４５Ａ〜４５Ｃの接続位置をガス流案内壁４２Ａ〜４２Ｃの前後方向の中央部よりも後方側に設けることで、よりガスが均一に混合されるといえる。
さらに実施例１は、実施例２よりも１σ％が小さくなっており、ガス流出路４１の内周面を下方に向かうに従い、徐々に狭くなるように構成することで、よりガスが均一に混合されるといえる。
また実施例１に示したガス混合装置４を適用した成膜装置を用い、反応ガスとキャリアガスとの質量流量比を０．３３８、０．３４２、０．３６３、０．８３０、０．８４０及び０．９６に設定し、実施例１と同様にガスの質量の標準偏差（１σ）を求めた。
図１２はこの結果を示し、反応ガスとキャリアガスとの質量流量比に対する標準偏差（１σ％）を示す特性図である。図１２に示すように質量流量比を０．３３８から０．９６までのいずれにおいても、１σ％は、１.０８以下と極めて低くなっていた。この結果によれば、本発明の実施の形態に係るガス混合装置４を用いることで、質量流量比にかかわらず載置台２の上方においてガスが均一に混合されるといえる。
１ 処理容器
２ 載置台
４ ガス混合装置
４０ 円筒部
４１ ガス流出路
４２Ａ〜４２Ｃ ガス流案内壁
４３ 案内路
４５Ａ〜４５Ｃ 第１〜第３のガス流入管
５ ガス供給部
５１ シャワーヘッド
９ 制御部
Ｗ ウエハ

Claims (12)

  1. 複数種のガスを混合するためのガス混合装置において、
    上面が塞がれた円筒部と、
    前記円筒部の底面の中央部に開口し、下方に伸びるガス流出路と、
    前記ガス流出路における前記底面の開口縁に沿って周方向に互いに間隔を置いて配置されると共に前記円筒部の中心に対して回転対称に設けられ、前記上面に向かって突出した複数のガス流案内壁と、
    前記ガス流案内壁と円筒部の内周面との間に設けられ、前記ガス流案内壁の前後方向の中央よりも後方側にガス流入位置が位置するように構成された混合すべきガスが流入するガス流入部と、
    前記円筒部の周方向において時計回り及び反時計回りの一方で見たときに、当該一方の方向を向いた側を前方と定義すると、前記ガス流案内壁は、円筒部の内周面とガス流案内壁との間に流入したガスを当該ガス流案内壁の外周面に沿って前記ガス流出路に案内し、これにより旋回流を形成するように、前方側に向かうにつれて前記円筒部の中心部寄りに屈曲していることを特徴とするガス混合装置。
  2. 複数種のガスを混合するためのガス混合装置において、
    上面が塞がれた円筒部と、
    前記円筒部の底面の中央部に開口し、下方に伸びるガス流出路と、
    前記ガス流出路における前記底面の開口縁に沿って周方向に互いに間隔を置いて配置されると共に前記円筒部の中心に対して回転対称に設けられ、前記上面に向かって突出し、その内周面は、下方に向かうにつれて円筒部の中心部に近づくように傾斜している傾斜面を形成した複数のガス流案内壁と、
    前記ガス流案内壁と円筒部の内周面との間に設けられ、混合すべきガスが流入するガス流入部と、
    前記円筒部の周方向において時計回り及び反時計回りの一方で見たときに、当該一方の方向を向いた側を前方と定義すると、前記ガス流案内壁は、円筒部の内周面とガス流案内壁との間に流入したガスを当該ガス流案内壁の外周面に沿って前記ガス流出路に案内し、これにより旋回流を形成するように、前方側に向かうにつれて前記円筒部の中心部寄りに屈曲していることを特徴とするガス混合装置。
  3. 前記ガス流案内壁の外周面の円弧形状は、平面で見たときに前記円筒部の内周面の円弧形状よりも小径の円弧形状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス混合装置。
  4. 前記ガス流入部は、前記円筒部内に上面側からガスが流入するように構成されてい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ガス混合装置。
  5. 前記ガス流出路は、開口部から下方に向かうにつれて円筒部の中心部に近づくように傾斜し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ガス混合装置。
  6. 互いに隣接するガス流案内壁のうち前方側のガス流案内壁における後端寄りの内周面と後方側のガス流案内壁における前端寄りの外周面とが対向し、当該内周面と外周面とに挟まれた空間が旋回流を形成するためのガス流の案内路として構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のガス混合装置。
  7. 前記ガス流案内壁における前端側の内周面は傾斜面であり、前記ガス流案内壁における後端側の内周面は、前記前端側の内周面よりも立っ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ガス混合装置。
  8. 前記ガス流案内壁の配置数は、２個または３個であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のガス混合装置。
  9. 前記ガス流入部は、各ガス流案内壁毎に設けられた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ガス混合装置。
  10. 互いに異なる処理ガスが互いに異なる位置から流入して、これら処理ガスを混合するガス混合装置と、
    前記ガス混合装置にて混合された処理ガスが供給される処理容器と、
    前記処理容器内に設けられ、前記処理ガスにより処理される基板を載置するための載置部と、
    前記処理容器内を真空排気する排気部と、を備え、
    前記ガス混合装置は、請求項１ないし９のいずれか一項に記載のガス混合装置であることを特徴とする基板処理装置。
  11. 前記ガス混合装置は、キャリアガスと原料ガスとが流入する一のガス流入部と、キャリアガスと前記原料ガスと反応する反応ガスとが流入する他のガス流入部とを備え、
    前記基板処理装置にて行う処理は、基板が置かれている真空雰囲気とされた処理容器内に、前記ガス混合装置において一のガス流入部から流入するキャリアガス及び原料ガスと他のガス流入部から流入するキャリアガスとを混合したガスと、前記ガス混合装置において一のガス流入部から流入するキャリアガスと他のガス流入部から流入するキャリアガス及び反応ガスとを混合したガスと、を交互に複数サイクル供給して成膜する成膜処理であることを特徴とする請求項１０に記載の基板処理装置。
  12. 前記ガス混合装置は、原料ガスが流入する一のガス流入部と、前記原料ガスと反応する反応ガスが流入する他のガス流入部とを備え、
    前記基板処理装置にて行う処理は、前記一のガス流入部から流入する原料ガスと他のガス流入部から流入する反応ガスとを混合したガスを基板に供給して成膜する成膜処理であることを特徴とする請求項１０に記載の基板処理装置。
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