JP7002542B2 - 化学蒸着反応器の中にガスを搬送するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、導管に流れるガスを電気的に調整するための化学蒸着反応器の中にガスを搬送するための装置に関する。より詳細には、本発明は、このような導管に流れるガスが、反応器の中に開口する該導管の出口で課された電位に起因して、過度の電場を局所的に受けることを防止することを可能にする、このような装置に関する。

化学蒸着は、そのアングロサクソン語の名称「Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」（ＣＶＤ）によって一般的に参照される。特に、この方法は、特に半導体製造のために、反応ガスから化学反応を介して基板の表面に薄膜を堆積させるために使用されることができる。この場合、反応ガスは、例えば第１の注入路によって反応器の堆積チャンバの中に注入された前駆体ガスと、例えば第１の注入路とは別の第２の注入路によって反応器の堆積チャンバの中に注入された反応性ガスとを含んで、それが該堆積チャンバに入った後にのみそれは混合する。

ＣＶＤ法の既存の変形の中においては、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法が特に興味深い。それは、２つの電極間又は電極として作用する装置の２つの部分間に充分に高い無線周波数電位（ＲＦＶ）差を発生させる無線周波数源から電気エネルギーを供給することによる反応ガスからのプラズマの形成を含む。プラズマは、電子を高レベルの励起に維持することによって、熱エネルギーの供給を制限しながら、基板の表面における薄膜の堆積に必要なエネルギーを提供する。この結果、ＰＥＣＶＤ法は、ＣＶＤ法の他の変形より著しく低い温度で実施されることができ、良質の層堆積を達成することを可能にする。

実際には、反応ガスをチャンバの中に注入するガス導管の出口は、一般的に無線周波数源によって無線周波数電位にされる。処理される基板は、ゼロの電位、又は少なくとも電気回路の接地電位に対応する電位を有する。この電位差は、プラズマをチャンバの内側に、反応ガスの電離を引き起こすことによって発生させる。後者は、前駆体ガスを解離させ、そして前駆体ガスの反応性ガスとの反応によって基板において所望の層を形成させ、この結果、基板の表面において層を形成させる。

しかし、ガス導管出口におけるＶＲＦ電位の存在は、反応ガスの、特に前駆体ガス及び／又は反応性ガスの、それらが反応器のチャンバに入る前であっても、それらのそれぞれの循環導管における部分電離を引き起こす可能性があるという欠点を有する。実際、導管の入口又は少なくともその出口の上流の部分がまた、電気回路の接地電位に対応するゼロ電位にある。導管の出口と導管の上流部分との間のこの電位差が、ガス循環導管においてガスプラズマを形成させ、堆積の品質を低下させる可能性がある。

この問題を解決するために、ガス循環導管を取り囲む電気抵抗材料から作られたシースの形態を取ることができる抵抗スリーブを使用することが知られている。スリーブの総電気抵抗は、ガスにおけるエネルギー供給を制限し、この結果、絶縁破壊及びプラズマ形成の危険性を回避するように選択される。

例えば、特許文献１は、ガス導管の周りに該ガス導管に沿って線形勾配の電圧を形成するための抵抗シースの使用を説明する。

しかし、このような抵抗シースは、特に導管における圧力が（例えばパルスガス注入に起因して）変動するＰＥＣＶＤプロセスにおいては、導管においてプラズマ形成の危険性を防止することには充分ではない。実際、導管におけるガスの局所インピーダンスは圧力に依存するので、線形電圧勾配を課すことによっても局所的に絶縁破壊電圧に達する可能性がある。

米国特許第６，１７０，４３０号明細書 仏国特許第２９３０５６１号明細書

従って、本発明の目的は、該ガス循環導管におけるプラズマの形成を防止することが意図された導管に流れるガスの電気的調整を可能にするガス循環装置を提案することによって従来技術の不利な点を改善することである。

本発明の目的は、化学蒸着反応器の中にガスを搬送するためのガス循環装置であって、該装置は、無線周波数電位で分極されながら該反応器の中に開口することが意図された第１の端部と、基準電位で電気的に分極された第２の端部とを有する導管を備え、該装置は、無線周波数電位と基準電位との間の中間電位で該導管におけるガスを局所的に分極するように、第１の端部と第２の端部との間で導管に少なくとも１つの決定された電位を局所的に印加するための電位印加手段を更に備えることを特徴とする。

本明細書において、「電気的調整」は、導管に流れるガスに１つ以上の決定された電圧を課すことを意味する。

本発明による装置はまた、ガス注入圧力の著しい変動がある場合に、例えば該ガスのパルス注入の間に、ガス循環導管におけるプラズマの形成を防止することを目的とする。

一実施形態によれば、電位印加手段は、導管の一部に電位を課すように配置された少なくとも１つの電圧源を含む。

別の実施形態によれば、電位印加手段は、２つの端子に従って導管の第１の端部及び第２の端部の電位にそれぞれ電気的に接続された分圧器を備え、該分圧器は、直列に接続された複数の電気インピーダンスモジュールを備え、２つの連続する電気インピーダンスモジュール間の少なくとも１つの接合部は、導管に電気的に接続される。

装置は、有利には、抵抗、インダクタ、コイル、キャパシタという構成要素のうちの少なくとも１つを有する電気インピーダンスモジュールを備える。

一実施形態によれば、導管は、該導管に流れるガスと接触するように配置され、且つ電気絶縁部分によって囲まれるように配置された少なくとも１つの導電性部分を備える。

導管は、該導管の断面の形状を有する電気絶縁部分を備えてもよい。

加えて、導管は、該導管の断面の形状を有する導電性部分を備えてもよい。

一実施形態によれば、導管は、実質的に均一の内側断面を有する。

特に、導管は、管断面の形状を有する電気絶縁部分を備えてもよい。

一実施形態によれば、導管は、少なくとも１つのガス循環貫通チャンバを有する、導電性材料から作られた部品の形状を有する少なくとも１つの導電性部分を備える。

該貫通チャンバは、該導電性部分において非直線ガス経路を画定することができる。

一実施形態によれば、導管は、ガス循環を可能にする複数の開口を有する、導電性材料から作られた部品の形状を有する少なくとも１つの導電性部分を備える。

本発明の別の目的は、１つ以上のガス循環導管におけるプラズマの形成を回避することを可能にする、このような電気的調整装置を有する１つ以上のガス循環装置を備える、化学ガス堆積のための反応器を提案することである。

一実施形態によれば、該反応器は２つの電極を備え、その第１の電極が無線周波数源に接続され、且つその第２の電極が接地されて、第１の電極と前記第２の電極との間の電位差が、反応器の中に注入されたガスのプラズマを形成することを可能にする。

本発明の第３の目的は、上記反応器のような化学蒸着反応器のガス注入導管におけるプラズマの形成を回避するための方法に関し、該反応器は、該反応器に開口し、無線周波数電位に分極されている第１の端部、及び基準電位に電気的に分極されている第２の端部を有する導管を備える。該方法は、無線周波数電位と基準電位との間の中間電位で該導管においてガスを局所的に分極させるように、第１の端部と第２の端部との間で導管に少なくとも１つの所定の電位を局所的に印加するステップを含むことを特徴とする。

本発明の第４の主題は、上記の反応器によって実施される化学蒸着のための方法に関する。

この方法は、上記のようにガス循環装置を介して反応器の反応チャンバに予め位置決めされた基材の表面において反応することが意図された１つ以上のガスの注入を含む。

この結果、本発明は、導管における位置に従ってガスに所定の電位を課すことを可能にする。この結果、それは、導管に沿って任意の電位プロファイルを課すことを可能にする。

この結果、電位プロファイルは、線形、非線形、二次式、対数、等とすることができる。

電位プロファイルはまた、導管における位置に応じて、比例、反比例、又はガス圧力プロファイルの関数とすることができる。

課された電位プロファイルは、本質的に別々に線形である。特定の電位を各導電性部分に印加することによって、同様の決定された電位差が、２つの連続する導電性部分間のガスに課される。これが、導電性部分間の距離及び電位差に依存する局所電場を発生させる。

局所電位又は電場のプロファイルは、例えば、
－ 連続する導電性部分を非等距離に配置することによって、又は言い換えれば、導電性部分間に可変若しくは異なる長さの絶縁部分を挿入することによって、及び／又は
－ 異なる絶縁部分に対して異なる電位差を発生させるように導電性部分に電位を印加することによって
変調されることができる。この目的のために、例えば、分圧器は、異なる値の連続する電気インピーダンスモジュールと共に使用されることができる。

勿論、本発明はまた、
－ 導管の全部又は一部において同じ長さを有する絶縁部分、及び／又は
－ 導管の全部又は一部に亘って同じ値の連続する電気インピーダンスモジュール
で実施されることができる。

好ましくは、導電性部分はガスと直接接触し、これは、導管の印加電位の区分に亘って電荷の最適な流れ及び良好な均一性を保証する。

本発明の他の利点及び特徴は、添付の図面を参照して、例示的且つ非網羅的な例として与えられる以下の説明を読解する場合に明らかになる。

本発明の第１の目的によるガス循環導管の電気的調整装置の構造図であって、導管は、本発明の第２の目的によるプラズマ支援化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）反応器の中に開口する。 導管の導電性部分の一実施形態を概略的に示す。

本発明の第１の主題は、化学蒸着反応器の中にガスを搬送するためのガス循環装置１に関し、その構造が図１に示される。

装置はガス導管２を備え、ガス導管２は、ガスを（図示されない）ソースから反応器のチャンバに、該導管の対称軸線と混同される矢印の方向に運ぶことが意図される。

ガス導管の入口３は、第１の端部に位置付けられ、示された実施形態においては電気回路の接地Ｇに対応する基準電位に接続される。従って、その電位Ｖ_ｏはゼロである。

導管の出口４は、第２の端部に位置付けられ、高周波（典型的には１３．５６ＭＨｚ）において電位Ｖ_５＝Ｖ_ＲＦを課す無線周波数源ＲＦに接続される。

この結果、ガス導管２は、その端子３と４との間にＶ_５－Ｖ_０に等しい電位差を受ける。

導管に流れるガスの電気的調整は、該ガスにおいて決定された少なくとも１つの電位を局所的に課すことからなり、該電位は、無線周波数電位Ｖ_５と基準電位Ｖ_０との中間にある。

導管に流れるガスは、電位が課される２つのゾーンの間で、導管内でのプラズマの発生の危険性を最小化するように充分に低い、電位差Ｖ_５－Ｖ_０より低い電位差を受ける。

電位差Ｖ_５－Ｖ_０は、有利には、導管に沿って位置付けられた、必要に応じて多くの電位差に分割されることができる。これは、導管における電場の局所値をより良好に監視又は制御することを可能にし、この電場が局所的であってもプラズマを発生させるための充分な強度に達しないことを保証することを可能にする。

この目的のために、導管は、該導管に流れるガスと接触するように配置され、且つ電気絶縁部分によって囲まれるように配置された少なくとも１つの導電性部分を備える。図１の実施形態においては、導電性部分は灰色で符号１１によって示され、電気絶縁部分は白色で符号１２によって示される。

好ましくは、各導電性部分は、チャネルを介して少なくとも１つのガス循環を内部に画定する導電性材料で作られた部品の形状を有する。外部的には、該導電性部分は、電位を印加するために適合された任意の手段を含む。当業者は、この目的のために任意の適切な電気コネクタを設計することができる。

ガスと導電性部分との間の接触表面が大きいほど、ガスへの該電位の印加がより効果的になる。従って、導電性部分がガス流の特定の長さに亘って該ガス流を完全に取り囲むことによって延伸することを保証することが好ましい。

この結果、有利には、該導電性部分は導管の区分を形成する。

この導電性部分の両側において電気絶縁部分があって、それらの各々は好ましくは導管の区分を形成する。

各電気絶縁部分は、従来の導管のように、有利には管断面の形状を有する。

好ましくは、導管は、実質的に均一な内側区分を有する。特に、循環装置は、導電性部分と電気絶縁部分との間のガス通路の区分における変動を回避するように設計される。これは、導管におけるガス流の乱流、従って壁における残留物堆積の危険性を制限することを可能にする。

装置１は、各導電性部分においてその第１の高端部３とその第２の低端部４との間の導管に少なくとも１つの決定された電位を局所的に印加するための手段を備える。電位印加手段は、図１においてＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４で示される導管に沿って幾つかの電位が印加されることを可能にする。

２つの連続する電位Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４、及びＶ_５の間の差は、導管２が受ける電位差Ｖ_ＲＦの分画を表す。この結果、これらの電位差の合計は、ガス導管２の電位差Ｖ_ＲＦに等しい。

好ましくは、電位値は、導管におけるその第１の端部３からその第２の端部４のガス循環方向を考慮して、それに先行する電位値以上であってそれに続く電位値以下である。この場合、以下の不等式が検証される。

Ｖ_０＝０≦Ｖ_１≦Ｖ_２≦Ｖ_３≦Ｖ_４≦Ｖ_５＝Ｖ_ＲＦ

従って、（上流方向の）第１の導管部分は、Ｖ_１－Ｖ_０に等しい電位差を受け、連続する隣接する導管部分は、Ｖ_２－Ｖ_１、Ｖ_３－Ｖ_２、Ｖ_４－Ｖ_３、及びＶ_５－Ｖ_４に等しい電位差をそれぞれ受ける。

この結果、ガス導管２の電位差を少なくとも２つの分画に分割することによって、該導管に流れるガスに位置付けられた少なくとも１つの特定の電位を印加することによって、「電位ステップ」が形成される。

本発明の第１の実施形態（図示せず）によれば、電位印加手段は、ガス導管に沿って電位値を印加するための少なくとも１つの電圧源を備える。

本発明の第２の実施形態によれば、電位印加手段は、２つの連続する導電性部分間にガス導管に沿って分配され、直列に接続された複数のインピーダンスモジュールを備える。

「インピーダンスモジュール」は、電流の通過を妨げるという性質を有する任意の電気又は電子構成要素を参照する。

この結果、本発明の第２の実施形態によれば、インピーダンスモジュールは、例えば、抵抗、インダクタ、コイル、若しくはキャパシタ、又はこれらの構成要素の組み合わせを備えてもよい。

図１に示される実施形態において、電圧源は、ガス導管２の第１の端部３と第２の端部４との間に直列に接続された、符号１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、及び１０ｅの５つの抵抗を含む。２つの連続するインピーダンス間の各接合部は、ガスと接触する導管の導電性部分１１に電気的に接続される。

図１における管としての導管２の表示は純粋に概略的であることに留意すべきである。言うまでもなく、導管の内部及び／又は外部形状は、上記の中間電位の印加を可能にし、且つ／又は導管の異なる部分を互いに接続するように適合されることができる。当業者は、これらの適合を画定することができる。

その上、導管２は図１において直線に示されるが、言うまでもなく、当業者は、本発明の範囲を逸脱することなく導管の幾何学形状を変えることできる。

特に、本発明は、非直線ガス経路を画定するように配置されるという意味で、いわゆる「非直線」貫通チャンバを有する少なくとも１つの導電性部分１１を含んでもよい。

このような非直線貫通チャンバは、装置の長さに影響を与えることなく、一方では課された電位と接触するガス表面を増加させ、他方では課された電位と接触するガスの量を増加させるためにガス流に乱流を生じさせることを可能にする。

実施形態によれば、この貫通チャンバは、特に
－ ガス流の方向（すなわち反対でない方向）に対して（少なくとも）オフセットされたガス入口及びガス出口
－ ガス流の方向に対して（少なくとも）オフセットされたガス入口及びガス出口を有する円筒形の断面（又は他の任意の種類の断面）を有する空洞
を含むことができる。図２に示される別の実施形態によれば、導電性部分１１は、例えば１つ以上の顕著な屈曲部を備え、且つガス流の方向に対してオフセットされたガス入口及びガス出口を接続する、非直線１１０貫通チャネルの形態の貫通チャンバを備える。当然ながら、言及された幾何学形状、特に図２に提示される幾何学形状は、特定の実施形態にのみ対応し、当業者は、注入条件及びプラズマ発生の危険性に従ってガス経路を調整することができる。

他の実施形態によれば、本発明は、少なくとも１つの切欠き又は格子状の導電性部分１１を含んでもよく、或いは、ガスの該導電性部分１１の通過を可能にする複数の開口を含んでもよい。これらの開口は、それらがガス流と同じ方向に配向されるという意味で長手方向とすることができる。このような対処はまた、装置の長さに影響を与えることなく、課された電位と接触するガスの量を増加させることを可能にする。

その上、異なる導電性部分１１は、同じ幾何学形状を有する必要はない。同様に、異なる電気絶縁部分１２は、同じ幾何学形状又は長さを有する必要はない。

本発明の第２の主題は、上記の１つ以上の装置１を備える、プラズマ支援化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法を実施するための反応器５に関する。

反応器５は、有利には、反応器のチャンバ１３の中に開口してガスを分配するためのシャワーヘッド６を装備する。このシャワー６は、好ましくは２つのガス注入チャネルを備える。それは、１つ以上のガスライン２からガスを受け取り、それを反応器のチャンバの中に注入する。そうすることで、シャワーによって分配されたガスは、それが反応器のチャンバに入る場合にＲＦに等しい電位を有する。分配シャワーは、好ましくは、後続の堆積が実行される、反応チャンバ１３における基板ホルダ７に予め設置された基板９の表面にガスを均一に分配するように適合される。

本発明において使用されることができる分配シャワーは、特許文献２で説明される。

有利には、反応器は２つの平行な電極を有し、その第１の電極は無線周波数源に接続され、その第２の電極は接地される。第１の電極と第２の電極との間の電位差は、ガス注入導管を介して反応器５の中に注入されるガスのプラズマを形成することを可能にする。

好ましくは、第１の電極は、注入チャネルを有するガス分配シャワー６を備える。第２の電極は、基板９と基板ホルダ７とを備える。

上記のような１つ以上のガス循環装置を備える反応器の利点は、この反応器によって実施されるプラズマ支援ガス堆積（ＰＥＣＶＤ）法のパラメータに適合された電場プロファイルを形成する可能性である。

ＰＥＣＶＤ法のパラメータは、例えば、前駆体ガスの性質とその注入圧力、反応性ガスの性質とその注入圧力、方法の動作温度、反応器の大きさ、反応器のチャンバにおける電極、又はガス注入導管出口の無線周波数電位ＲＦによって発生する電場の強度を含む。

加えて、本発明は、ガスがインパルスに、又はパルスの形態で、経時的に同相又は異相で反応器のチャンバの中に注入される、プラズマ支援ガス堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスを効率的に実施することを可能にする。この場合においては、導管におけるガス密度は、ガスパルスが反応器のチャンバの中に注入されるか否かに応じて、経時的に非常に変動しやすい。この結果、導管における媒体の電気インピーダンスがまた、空間的及び／又は時間的に非常に変動しやすくなり、プラズマの点火を引き起こすための充分に強い電場の出現を局所的に可能にすることができる。この場合においては、本発明は、導管における任意の点に存在する電位差を局所的に制御することによって、このような過度の電場の出現を回避することを可能にする。

Claims (15)

1. 化学蒸着反応器の中にガスを搬送するためのガス流装置（１）であって、
   無線周波数電位（Ｖ_５）で分極されながら前記反応器の中に開口する第１の端部（４）と、基準電位（Ｖ_０）で電気的に分極された第２の端部（３）とを有する導管（２）を備え、
   前記導管は、少なくとも１つの導電性部分（１１）及び電気絶縁部分（１２）を備え、前記少なくとも１つの導電性部分（１１）及び前記電気絶縁部分（１２）は、前記導管の異なる区分を形成し、導電性部分の両側に電気絶縁部分があるように配置され、前記少なくとも１つの導電性部分は、前記導管を流れる前記ガスと接触するように配置され、
   前記装置は、前記無線周波数電位と前記基準電位との間の中間電位で前記導管における前記ガスを局所的に分極するように、前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記導管（２）に少なくとも１つの決定された電位を局所的に印加するための電位印加手段（１０ａ～１０ｅ）を更に備えることを特徴とする、装置。
2. 前記電位印加手段は、前記導管の一部に電位を課すように配置された少なくとも１つの電圧源を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記電位印加手段は、２つの端子に従って前記導管の前記第１の端部及び前記第２の端部の電位にそれぞれ電気的に接続された分圧器を備え、前記分圧器は、直列に接続された複数の電気インピーダンスモジュールを備え、２つの連続する電気インピーダンスモジュール間の少なくとも１つの接合部は、前記導管に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記装置は、抵抗、インダクタ、コイル、キャパシタという構成要素のうちの少なくとも１つを有する電気インピーダンスモジュールを備えることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記導管は、前記導管の断面の形状を有する電気絶縁部分を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記導管は、前記導管の断面の形状を有する導電性部分を備えることを特徴とする、請求項１～５の何れか一項に記載の装置。
7. 前記導管は、実質的に均一の内側断面を有することを特徴とする、請求項１～６の何れか一項に記載の装置。
8. 前記導管は、管断面の形状を有する電気絶縁部分を備えることを特徴とする、請求項１～７の何れか一項に記載の装置。
9. 前記導管は、ガス流のための少なくとも１つの貫通チャンバ（１１０）を有する、導電性材料から作られた部品の形状を有する少なくとも１つの導電性部分を備えることを特徴とする、請求項１～８の何れか一項に記載の装置。
10. 前記貫通チャンバは、前記導電性部分において非直線ガス経路を画定することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 前記導管は、ガス流を可能にする複数の開口を有する、導電性材料から作られた部品の形状を有する少なくとも１つの導電性部分を備えることを特徴とする、請求項１～１０の何れか一項に記載の装置。
12. 化学蒸着法を実施するための反応器であって、反応チャンバと少なくとも１つの請求項１～１１の何れか一項に記載のガス流装置とを備えることを特徴とする反応器。
13. 前記反応器は２つの電極を備え、その第１の電極が無線周波数源に接続され、且つその第２の電極が接地されて、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電位差が、前記反応器の中に注入された前記ガスのプラズマを形成することを可能にすることを特徴とする、請求項１２に記載の反応器。
14. 化学蒸着反応器にガスを搬送するためのガス流装置におけるプラズマ形成を防止するための方法であって、前記ガス流装置は、無線周波数電位（Ｖ_５）で分極されながら前記反応器の中に開口する第１の端部と、基準電位（Ｖ_０）で電気的に分極された第２の端部とを有する導管を備え、
    前記導管は、少なくとも１つの導電性部分（１１）及び電気絶縁部分（１２）を備え、前記少なくとも１つの導電性部分（１１）及び前記電気絶縁部分（１２）は、前記導管の異なる区分を形成し、導電性部分の両側に電気絶縁部分があるように配置され、前記少なくとも１つの導電性部分は、前記導管を流れる前記ガスと接触するように配置され、
    前記方法は、前記無線周波数電位と前記基準電位との間の中間電位に前記導管における前記ガスを局所的に分極するように、前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記導管に少なくとも１つの決定された電位を局所的に印加するステップを含むことを特徴とする、方法。
15. 化学蒸着のための方法であって、前記方法は、請求項１２又は１３に記載の反応器において実施され、請求項１～１１の何れか一項に記載のガス流装置を介して、前記反応器の反応チャンバに予め位置決めされた基板の表面における反応のためのガスを注入するステップを含む方法。

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