JP7479808B2 - 基板処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は基板処理装置に関する。
チャンバの上に、チャンバの内部空間に通じるマニフォールドを設けることがある。マニフォールドは、複数の導入管から導入されたガスを混合させた上で、チャンバに提供するものである。混合されたガスはチャンバの中において、例えば、基板への成膜、膜のエッチング、又は膜の改質などに用いられる。
米国特許出願公開第２０１５／２４０３５９号明細書
マニフォールドの内部においてガスの混合が不十分であると様々な弊害が生じえる。例えば、ガスをプレカーサとして提供してプラズマを生成する場合には、プラズマ空間に導入されるプレカーサの濃度が不均一となる。不均一なプレカーサ濃度は、基板に成膜される膜厚の分布を悪化させたり、気相中でパーティクルを発生させたりする。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガスを十分混合させることができるマニフォールドを有する基板処理装置を提供することを目的とする。
本願の発明に係る基板処理装置は、チャンバと、該チャンバの上方に設けられた筒状部と、該筒状部の側面に設けられた第１導入管と、該筒状部の側面に設けられた第２導入管と、該第１導入管と該第２導入管から該筒状部の中に導入されたガスを一旦該チャンバと逆方向に導いた後に該チャンバに導入する、該筒状部の中に設けられたガスガイド部と、を有するマニフォールドと、該第１導入管にガスを供給する第１ガス源と、該第２導入管にガスを提供する第２ガス源と、を備えたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明によれば、ガスを十分混合することができる。
基板処理装置の構成例を示す断面図である。 マニフォールドの構成例を示す斜視図である。 マニフォールドの構成例を示す底面図である。 マニフォールドの構成例を示す斜視図である。 マニフォールドの中のガスの流れを例示する断面図である。 マニフォールドの別の構成例を示す斜視図である。 マニフォールドの内部のガスの流れを示す斜視図である。 マニフォールドの別の構成例を示す斜視図である。 マニフォールドの別の構成例の斜視図である。 マニフォールドの別の構成例を示す斜視図である。 マニフォールドの別の構成例の斜視図である。 マニフォールドの種類と、マニフォールドから提供されるガスの均一性との関係を示す図である。
基板処理装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態．
図１は、基板処理装置の構成例を示す断面図である。基板処理装置１０は、例えば基板に対しＰＥＡＬＤ(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)を施す成膜装置として構成されている。基板処理装置１０ではＡＬＤに限らず、ＣＶＤ処理をしたり、膜をエッチングしたり、膜を改質したりすることができる。基板処理装置１０はチャンバ（Reactor Chamber）１２を備えている。チャンバ１２の内には、ＲＦ電力が印加されるシャワーヘッド１４が設けられている。シャワーヘッド１４は、上方に１つの開口があり、下方に複数のスリット１４ａがあるものである。
チャンバ１２の中には、シャワーヘッド１４と対向するステージ１６が設けられている。ステージ１６は、例えば滑動シャフト１８に支持されたサセプタである。シャワーヘッド１４とステージ１６で平行平板構造が形成されている。ステージ１６の上の空間は、ステージ１６にのせられた基板に対し例えば成膜などの処理を施す空間であるので、処理空間１７と称する。
シャワーヘッド１４には、絶縁部品２０を介してマニフォールド５０が接続されている。マニフォールド５０は、シャワーヘッド１４とステージ１６の間に供給するガスを混合する部分である。一例によれば、マニフォールド５０は、筒状部５１、ガスガイド部５２、第１導入管５４及び第２導入管５６を備えている。筒状部５１は、チャンバ１２の上方に設けられ、例えば絶縁部品２０に固定された部分である。筒状部５１は、例えばOリングを介して又はOリングを介さずに絶縁部品２０にねじ締めされ得る。筒状部５１の側面に、第１導入管５４と第２導入管５６が設けられている。第１導入管５４と第２導入管５６は、筒状部５１の内部に通じる管である。
筒状部５１の中には、ガスガイド部５２が設けられている。ガスガイド部５２は、第１導入管５４と第２導入管５６から筒状部５１の中に導入されたガスを一旦チャンバ１２と逆方向に導いた後にチャンバ１２に導入するものである。図１において、チャンバ１２と逆方向というのはｚ正方向である。つまり、ガスガイド部５２は、ガスを一旦ｚ正方向に導き、その後ｚ負方向に導くことで、ガスをチャンバ１２の内に提供する。
図２は、マニフォールド５０の構成例を示す斜視図である。一例によれば、ガスガイド部５２は、底板部５２Ａとインナーチューブ５２Ｂを備える。底板部５２Ａは、中央に開口５２ａを有し外縁が筒状部５１に接する板である。そして、インナーチューブ５２Ｂは、底面が底板部５２Ａに接する筒である。インナーチューブ５２Ｂを円筒形とすることで、インナーチューブ５２Ｂの側面は曲面になっている。このようなガスガイド部５２を提供することで、開口５２ａだけを通じて、筒状部５１の内部空間と、チャンバ１２の内部がつながる。
図３は、マニフォールド５０の構成例を示す底面図である。インナーチューブ５２Ｂの直径ｘ１は例えば５０ｍｍであり、筒状部５１の直径ｘ２は例えば１００ｍｍである。別の数値を採用してもよい。図３に示されるように、第１導入管５４はガスガイド部５２の中央に向かってガスを導入し、第２導入管５６は第１導入管５４のガス導入方向とは正反対の方向から、ガスガイド部５２の中央に向かってガスを導入する。いいかえれば、第１導入管５４はｘ正方向に筒状部５１の中にガスを導入し、第２導入管５６はｘ負方向に筒状部５１の中にガスを導入するものである。この例では、第１導入管５４と第２導入管５６は平面視で一直線上に並んでいる。なお、平面視とは、ｚ正方向又はｚ負方向から対象を見たことをいう。
図４は、マニフォールド５０の構成例を示す斜視図である。インナーチューブ５２Ｂの高さｚ１は例えば７０ｍｍである。筒状部５１の高さｚ２は例えば１００ｍｍである。インナーチューブ５２Ｂと筒状部５１の間の距離ｘ３は例えば２５ｍｍである。この場合、インナーチューブ５２Ｂの高さ（７０ｍｍ）は、インナーチューブ５２Ｂと筒状部５１の間の距離（２５ｍｍ）の２．８倍である。つまり、ｚ１／ｘ３は２．８である。別の例によれば、上述のｚ１、ｘ３とは異なる値でｚ１／ｘ３を２．８以上とすることができる。
インナーチューブ５２Ｂの高さｚ１を６０ｍｍとして、インナーチューブ５２Ｂと筒状部５１の間の距離ｘ３を２５ｍｍとしてもよい。この場合、インナーチューブ５２Ｂの高さ（６０ｍｍ）は、インナーチューブ５２Ｂと筒状部５１の間の距離（２５ｍｍ）の２．４倍である。つまり、ｚ１／ｘ３は２．４である。別の例によれば、上述のｚ１、ｘ３とは異なる値でｚ１／ｘ３を２．４以上とすることができる。別の例では別の数値をとることができる。
図１の説明に戻る。マニフォールド５０の上にはゲートバルブ５８が設けられている。ゲートバルブ５８の上方にリモートプラズマユニット５９が設けられている。リモートプラズマユニット５９は、主としてチャンバ１２のクリーニングに用いるプラズマを生成する。ゲートバルブ５８を開いた状態で、リモートプラズマユニット５９から、マニフォールド５０とシャワーヘッド１４を経由してチャンバ１２内にプラズマを提供することで、チャンバ１２のクリーニングを行うことができる。クリーニング時以外は、ゲートバルブ５８を閉じておく。
第１導入管５４には、バルブＶ３を介して、第１ガス源４０が接続されている。第１ガス源４０は第１導入管５４にガスを供給するあらゆるガス源が該当する。第２導入管５６には、バルブＶａを介してキャリアガス源３２が接続され、複数のバルブＶ１を介して第２ガス源２２が接続されている。第２ガス源２２には例えば液体材料が保存されており、その液体材料の蒸気がキャリアガス源３２から提供されたキャリアガスによって、第２導入管５６に提供される。第２ガス源２２は、第２導入管５６にガスを提供するあらゆるガス源が該当する。第１ガス源４０と第２ガス源２２は、基板の処理に必要なあらゆるガスのガス源とすることができる。例えば、ＢＤＥＡＳ（Bis(diethylamino)silane）、Ｏ２、ＳｉＩ４、ＤＣＳ（dichlorosilane）、ＮＨ３又はＴＥＯＳなどのガス源とすることができる。第１ガス源４０と第２ガス源２２は、例えばＳｉＮなどの窒化膜の形成に必要なガスを提供することができる。第１ガス源４０と第２ガス源２２は異なるガスを提供する任意のガス源とすることができる。
シャワーヘッド１４とチャンバ１２の間に排気ダクト３０が設けられている。排気ダクト３０は例えばセラミックで形成されている。排気ダクト３０とシャワーヘッド１４の間には適度に圧縮されたＯリング３１が設けられている。排気ダクト３０とチャンバ１２の間には適度に圧縮されたＯリング３４が設けられている。
排気ダクト３０は、ステージ１６を囲むように、平面視で環状に形成されている。排気ダクト３０により、ステージ１６の上の処理空間１７を囲む環状流路３０ｂが提供されている。排気ダクト３０には、処理空間１７に供給されたガスを環状流路３０ｂに導く環状のスリット３０ａ、及び環状流路３０ｂのガスを外部に排出する排気口３０ｃが形成されている。
排気口３０ｃは、チャンバ１２の側面に設けられたガス排気部４１につながる。ガス排気部４１は、使用済のガスを排気するために設けられている。ガス排気部４１にはバルブ４２と真空ポンプ４４が接続されている。バルブ４２と真空ポンプ４４により排気量を調整することでチャンバ１２内の圧力を自在に制御できる。
次に、基板処理装置１０の動作例を説明する。図５は、マニフォールド５０の中のガスの流れを例示する断面図である。第１導入管５４から筒状部５１の中に提供された第１ガスは、インナーチューブ５２Ｂに当たり、矢印ａ１に示すとおりチャンバと逆方向であるｚ正方向に導かれる。その後、ｚ正方向の流れが弱まり、矢印ａ２で示すとおりインナーチューブ５２Ｂの中をｚ負方向に進む。他方、第２導入管５６から筒状部５１の中に提供された第２ガスは、インナーチューブ５２Ｂに当たり、矢印ａ３に示すとおり、チャンバと逆方向であるｚ正方向に導かれる。その後、ｚ正方向の流れが弱まり、矢印ａ４で示すとおりインナーチューブ５２Ｂの中をｚ負方向に進む。矢印ａ１、ａ２、ａ３、ａ４のとおり進む過程で第１ガスと第２ガスはｘｙ平面に広く拡散し、第１ガスと第２ガスが十分混合する。
こうしてマニフォールド５０から提供されたガスは、図１に示すシャワーヘッド１４のスリット１４ａを介して処理空間１７に供給される。つまり、シャワーヘッド１４によってマニフォールド５０から提供されたガスが基板の上に導かれる。そして、電力を印加したシャワーヘッド１４とステージ１６の間の電界によってガスのプラズマを生成し、ステージ１６上の基板にプラズマ処理を施す。プラズマ処理に使用されたガスは、平面視で放射状に広がり、排気ダクト３０のスリット３０ａを通って環状流路３０ｂに入り、排気口３０ｃから外部に排出される。
この動作例によれば、マニフォールド５０において第１ガスと第２ガスが十分に混合されるので、例えばプリカーサ濃度を均一に近づけることができる。これにより例えば、基板に形成される薄膜の膜厚分布を改善できる。
図６は、マニフォールドの別の構成例を示す斜視図である。第１導入管５４Ａと第２導入管５６Ａはガスガイド部５２の中央からずれた方向にガスを導入する。一例によれば、ｚ負方向から見ると、第１導入管５４Ａはガスガイド部５２の中央よりｙ座標の値が小さい位置に向かってガスを提供し、第２導入管５６Ａはガスガイド部５２の中央よりｙ座標の値が大きい位置に向かってガスを提供する。例えば、第１導入管５４Ａと第２導入管５６Ａは、平面視でガスガイド部５２の中央を挟んで平行に設けることができる。
図７は、図６のマニフォールドの内部のガスの流れを示す斜視図である。第１導入管５４Ａと第２導入管５６Ａを上述のとおり設けることで、ガスガイド部５２と筒状部５１の間に矢印で示す渦を生じさせることができる。この渦が、第１ガスと第２ガスの混合を促進する。
図８は、マニフォールドの別の構成例を示す斜視図である。図８のマニフォールドは図６のマニフォールドと類似するが、図６のマニフォールドとの相違点は、第１導入管５４Ｂと第２導入管５６Ｂが筒状部５１に近づくほどチャンバ１２から離れることである。つまり、第１導入管５４Ｂと第２導入管５６Ｂのｚ座標は筒状部５１に近づくほど大きくなる。いいかえれば、第１導入管５４Ｂと第２導入管５６Ｂは、筒状部５１の側壁の法線よりも下方に傾いている。このような傾きは、第１ガスと第２ガスによって筒状部５１の中で生じる渦の速度を高めるので、第１ガスと第２ガスの混合がさらに促進される。
図９は、マニフォールドの別の構成例の斜視図である。図９のマニフォールドは図２のマニフォールドと類似するが、図２のマニフォールドとの相違点は、第１導入管５４Ｃと第２導入管５６Ｃが筒状部５１に近づくほどチャンバ１２から離れることである。この構成によって、第１ガスと第２ガスは筒状部５１の中において勢いよくチャンバ１２から離れる方向に進むので、第１ガスと第２ガスの混合が促進される。
図１０は、マニフォールドの別の構成例を示す斜視図である。インナーチューブ５２Ｂの側面は平面となっている。インナーチューブ５２Ｂは、例えば、４つの平面を側面とするものである。側面を構成する平面の数は３としたり、５以上としたりすることができる。
図１１は、マニフォールドの別の構成例の斜視図である。インナーチューブ５２Ｂの側面にはｚ方向のスリット５２ｂが形成されている。スリット５２ｂの数は特に限定されない。
図１２は、マニフォールドの種類と、マニフォールドから提供されるガスの均一性との関係を示す図である。縦軸は、マニフォールドの出口である開口５２ａにおけるガスの均一性を表す。縦軸は、開口５２ａの各場所のガス濃度がどの程度ばらついているかを示すということができる。Uniformityの値が小さいほどガスの均一性が高い。
全部で８つのマニフォールドに対して、ガスの均一性を測定した。左側の７つの結果は、図８に示す第１導入管５４Ｂと第２導入管５６Ｂを有するマニフォールドを用いて得られた。右端の１つの結果は図６に示す第１導入管５４Ａと第２導入管５６Ａを有するマニフォールドを用いて得られた。横軸に示された数値は、インナーチューブ５２Ｂの高さｚ１である。左側の５つのデータは、図２に示す円筒形状のインナーチューブ５２Ｂを用いて得られた。Rectangularと記載されたデータは図１０のインナーチューブ５２Ｂを用いて得られた。Slitと記載されたデータは図１１のインナーチューブ５２Ｂを用いて得られた。なお、Rectangularと記載されたデータを除き、インナーチューブ５２Ｂと筒状部５１の間の距離ｘ３は２５ｍｍである。
例えば、左から４つ目の６０ｍｍと記載されたデータは、距離ｘ３が２５ｍｍであり、ｚ１が６０ｍｍのマニフォールドで得られたものである。また、左から５つ目の７０ｍｍと記載されたデータは、距離ｘ３が２５ｍｍであり、ｚ１が７０ｍｍのマニフォールドで得られたものである。ｘ３とｚ１の比によって、ガスの拡散が促進されたり抑制されたりする。
図１２の各データは、第１導入管と第２導入管から、それぞれ１×１０－４ｋｇ／ｓの流量のＯ２とＮ２を筒状部５１に導入し、マニフォールド内の圧力を４００Ｐａ、マニフォールドの温度を８０℃として得た。
図１２のデータから、インナーチューブ５２Ｂの高さｚ１が高いほどガスの均一性を高めることができることが分かる。特に、ｚ１を６０ｍｍ以上としたり、７０ｍｍ以上としたりすることが、顕著な均一性改善効果を与える。７０ｍｍと記載された２つのデータがどちらも十分小さいユニフォーミティを与えることから、マニフォールドの中で渦を形成することが特に効果的であることが分かる。
このように、マニフォールドの下部を２重管構造とし、ガスを一旦上方向に導き、中央の孔から下方向に流すことが、良好な均一性を有するガスの提供を可能とする。ガス導入管の接続は様々な方法が可能である。
１２ チャンバ、 １４ シャワーヘッド、 ５０ マニフォールド、 ５１ 筒状部、 ５２ ガスガイド部、 ５４ 第１導入管、 ５６ 第２導入管

Claims (13)

  1. チャンバと、
    前記チャンバの上方に設けられた筒状部と、前記筒状部の側面に設けられた第１導入管と、前記筒状部の側面に設けられた第２導入管と、前記第１導入管と前記第２導入管から前記筒状部の中に導入されたガスを一旦前記チャンバと逆方向に導いた後に前記チャンバに導入する、前記筒状部の中に設けられたガスガイド部と、を有するマニフォールドであって、前記ガスガイド部が、中央に開口を有し外縁が前記筒状部に接する底板部と、底面が前記底板部に接し、前記筒状部の中に導入されたガスが流入する開口を上面に有するインナーチューブと、を備える、マニフォールドと、
    前記第１導入管にガスを供給する第１ガス源と、
    前記第２導入管にガスを提供する第２ガス源と、を備えたことを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記チャンバの中に設けられたステージと、
    前記チャンバの中に設けられ、前記マニフォールドから提供されたガスを前記ステージの上に導くシャワーヘッドと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記第１導入管は前記ガスガイド部の中央に向かってガスを導入し、
    前記第２導入管は、前記第１導入管のガス導入方向とは正反対の方向から、前記ガスガイド部の中央に向かってガスを導入することを特徴とする請求項１又は２に記載の基板処理装置。
  4. 前記第１導入管と前記第２導入管は、平面視で一直線上に並ぶことを特徴とする請求項３に記載の基板処理装置。
  5. 前記第１導入管と前記第２導入管は前記ガスガイド部の中央からずれた方向にガスを導入し、前記ガスガイド部と前記筒状部の間に渦を生じさせることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板処理装置。
  6. 前記第１導入管と前記第２導入管は、平面視で前記ガスガイド部の中央を挟んで平行になっていることを特徴とする請求項５に記載の基板処理装置。
  7. 前記第１導入管と前記第２導入管は、前記筒状部に近づくほど前記チャンバから離れることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  8. 前記インナーチューブの高さは、前記インナーチューブと前記筒状部の間の距離の２．４倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  9. 前記インナーチューブの高さは、前記インナーチューブと前記筒状部の間の距離の２．８倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  10. 前記インナーチューブは円筒形であることを特徴とする請求項１、８、９のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  11. 前記インナーチューブの側面は曲面であることを特徴とする請求項１、８、９のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  12. 前記インナーチューブの側面は平面であることを特徴とする請求項１、８、９のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  13. 前記第１ガス源と前記第２ガス源は異なるガスを提供することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の基板処理装置。
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