KR100666040B1 - 가스 공급 장치 및 성막 장치 - Google Patents

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Abstract

CVD 장치 등에 사용할 수 있는 가스 샤워 헤드(가스 공급 장치)에 있어서, 제 1 가스가 흐르는 공급로와 제 2 가스가 흐르는 공간 사이의 밀봉을 확실히 실행한다.
가스 샤워 헤드의 상측 부분에 해당하는 베이스 부재의 예컨대 중앙부에, 제 1 가스용 상부 공급로를 이루는 가스 공급관을 접속해서 그 하단이 해당 베이스 부재의 하부측에 개방되도록 하고, 베이스 부재의 편심 위치에 가스의 확산 공간으로 개방되는 제 2 가스 공급로를 접속한다. 그리고 가스 샤워 헤드의 하측 부분에 해당하는 샤워 플레이트의 중앙부에 형성된 제 1 가스용 하부 공급로의 상부 측에 제 1 가스의 통로를 이루는 내측 파이프를 설치하고, 이 내측 파이프를 제 1 가스용 상부 공급로를 이루는 가스 공급관 내에 삽입하고, 내측 파이프와 상기 제 1 가스용 상부 공급로 사이에 수지제의 링 형상의 밀봉 부재를 개재시킨다.

Description

가스 공급 장치 및 성막 장치{GAS SUPPLYING DEVICE AND FILM FORMING DEVICE}
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 가스 공급 장치를 내장한 CVD장치를 도시한 종단 측면도,
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 가스 공급 장치를 도시한 종단면도,
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 가스 공급 장치의 주요부를 도시한 종단면도,
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 가스 공급 장치의 주요부의 분해 사시도를 도시한 종단면도,
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 가스 공급 장치의 샤워 플레이트의 상부 부재를 도시한 저면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 가스 공급 장치의 주요부를 도시한 종단면도,
도 7은 종래의 가스 공급 장치를 도시한 종단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 처리 용기 4 : 가스 샤워 헤드(가스 공급 장치)
5 : 베이스 부재 6 : 샤워 플레이트
21 : 스테이지(기판 탑재대) 50 : 가스의 확산 공간
53 : 제 1 가스 공급관 54 : 제 2 가스 공급관
73 : 금속 개스킷 75 : O 링
80 : 제 2 가스 공급 구멍 91 : 제 1 가스 공급 구멍
본 발명은 예컨대 기판에 대하여 성막(成膜) 처리를 실행하기 위해서, 기판에 대향하는 다수의 가스 공급 구멍으로부터 복수 종류의 가스를 개별적으로 처리 용기 내에 공급하는 가스 공급 장치 및 이 가스 공급 장치를 사용하는 성막 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스 중 하나가 성막 처리이고, 이 프로세스는 보통 진공 분위기 하에서 처리 가스를 예컨대 플라즈마화 혹은 열분해 함으로써 활성화하고, 기판 표면상에 활성종(activated species) 혹은 반응 생성물을 퇴적시킴으로써 실행된다. 그리고 성막 처리 중에는 복수 종류의 가스를 반응시켜서 성막 처리하는 프로세스가 있고, 이 프로세스로서는 Ti, Cu, Ta 등의 금속, 또는 TiN, TiSi, WSi등의 금속 화합물, 혹은 SiN, SiO2 등의 절연막과 박막의 형성을 들 수 있다.
이러한 성막 처리를 실행하기 위한 장치는 진공 챔버를 이루는 처리 용기 내에 기판을 탑재하기 위한 탑재대가 배치되는 동시에 처리 용기의 상부에 상기 탑재대와 대향하도록 일반적으로 가스 샤워 헤드(shower head)라고 지칭하는 가스 공급 장치가 설치되고, 또 처리 용기 내의 가스에 에너지를 공급하기 위한 수단인 가열 장치나 플라즈마 발생 수단 등이 조합되어 설치된다. 여기서 가스 샤워 헤드로부터 복수 종류의 가스를 처리 용기 내에 공급하는 수법으로서, 복수의 가스를 공통인 가스 공급로로부터 처리 용기 내에 공급하면 가스 샤워 헤드 내에서 반응 생성물이 발생하는 경우가 있으므로, CVD(chemical vapor deposition) 성막 장치에 사용되는 샤워 헤드는 일반적으로 제 1 가스와 제 2 가스를 개별적인 가스 공급 구멍으로부터 분출시켜 처리 용기 내에 공급하는 구조가 사용되고 있다.
도 7은 일본 특허 공개 제 2002-327274 호 공보(도 3)에 기재된 가스 샤워 헤드의 구조를 도시한 도면이며, 이 가스 샤워 헤드는 처리 용기의 상부의 개구부를 막는 베이스 부재(11)와, 이 베이스 부재(11)의 하부측에 설치된 샤워 플레이트(shower plate)(12)를 구비하고 있다. 베이스 부재(11)의 중앙부에는 제 1 가스용 상부 공급로(13)가 형성되어, 이 상부 공급로(13)의 상부는 관로부(14)에 연통한다. 베이스 부재(11)에 있어서의 상기 상부 공급로(13)의 출구를 둘러싸는 영역은 오목부(15)로서 형성되는 한편, 샤워 플레이트(12)의 중앙부에는 제 1 가스용 하부 공급로(16)가 관형으로 돌출해서 그 상단부가 플랜지(17)로서 형성되어, 이 플랜지(17)가 오목부(15)에 수납된 상태에서 상부 공급로(13)와 하부 공급로(16)가 연통한다. 즉 샤워 플레이트(12)는 주연부에서 베이스 부재(11)에 나사 고정됨으로써 플랜지(17)가 오목부(15)의 수평면을 가압하고, 플랜지(17)와 베이스 부재(11) 사이에 링 형상의 금속 개스킷(metal gasket)(18)(도면의 편의상 해칭을 생략해서 흐리게 기재되어 있음)을 개재시키는 것으로, 제 1 가스용 공급로(13, 16)와 베이스 부재(11) 및 샤워 플레이트(12) 사이의 가스 확산 공간(19) 간격을 기밀하게 밀봉한다.
또 베이스 부재(11)에 있어서 편심 위치에는 상기 가스 확산 공간(19)에 개방되는 제 2 가스 공급로(10)가 접속되어 있다. 또 샤워 플레이트(12)는 제 1 가스용 하부 공급로(16)에 공급된 가스가 서로 연통하는 공간(1a)을 거쳐서 하면에 개방되도록 제 1 가스 공급 구멍(1b)으로부터 하방 측에 분출하는 동시에, 제 2 가스 공급로(10)로부터 가스 확산 공간(19)에 유출한 가스가 제 2 가스 공급 구멍(1c)으로부터 하방 측에 분출하도록 구성된다. 베이스 부재(11)의 오목부(15)에 있어서 금속 개스킷(18)을 사용하고 있는 이유에 있어서는, 처리 용기 내에서 플라즈마를 발생시켜서 CVD 처리를 실행할 경우 혹은 열 CVD를 실행할 경우에는, 처리 분위기의 온도가 높고, 이 때문에 해당 부분의 온도도 예컨대 300∼400℃ 정도가 되므로 수지제의 링 형상의 밀봉재인 이른바 O 링을 사용할 수 없고, 이 때문에 금속 개스킷(18)을 이용하여 제 1 가스용 공급로(13, 16)와 제 2 가스가 확산하는 가스 확산 공간(19) 사이를 기밀하게 밀봉해서 제 1 가스와 제 2 가스가 혼합되지 않도록 하고 있는 것이다.
그런데 샤워 플레이트(12)와 베이스 부재(11)의 고정 위치는 주연부에 있지만, 밀봉 위치는 중앙부로부터 양자가 떨어져 있고, 이 때문에 가열 상태 혹은 열 사이클 등에 의해 금속 개스킷(18), 플랜지(17) 혹은 베이스 부재(11)의 중앙 부분 등에 비뚤어짐이 생기고, 이 결과 밀봉부에 간극이 발생해서, 제 1 가스용 공급로(13, 16) 내의 가스가 미소하지만 가스 확산 공간(19)으로 누출된다. 또한 간극을 없애기 위해서는, 밀봉부 근방에 나사 고정을 실행하는 것이 유효하지만, 예컨대 Ti(티탄) 성막 프로세스 등과 같이 플라즈마 CVD를 실행할 경우에는 샤워 플레이트(12)의 하면측은 이상 방전의 방지를 위해 평탄성이 높은 면에 하지 않으면 안 되고, 이 때문에 처리 공간 측에 나사를 설치할 수는 없으며, 또 상측으로부터 나사 고정하는 것은 대기 분위기와 진공 분위기를 연통시키게 되므로 역시 채용할 수 없다.
이와 같이 제 1 가스가 가스 확산 공간(19)에 누출되면, 다음과 같은 문제가 일어난다. 예컨대 Ti의 성막 프로세스는, TiCl4(사염화 티탄) 가스 및 Ar 가스를 제 1 가스용 가스 공급로(13, 16)로부터 공급하고, 또 H2 가스를 제 2 가스 공급로(10)로부터 공급하고 있지만, 처리 용기 내의 피처리 기판에 Ti막을 성막한 후에 Ti막의 표면부를 질화하는 경우가 있고, 그 경우 제 2 가스 공급로(10)에 NH3 가스를 흐르도록 하고 있다. 이 때 처음의 프로세스 가스인 TiCl4 가스가 누출에 의해 가스 확산 공간(19)에 떠돌고 있으면, NH3 가스와의 반응에 의해 NH4Cl(염화암모늄)이 생성되어서 처리 분위기 내에 유입되어 기판의 파티클 오염의 요인이 된다.
또 다른 프로세스에 있어서, 열 CVD를 실행할 경우에는, 가스 샤워 헤드 내 에서 제 1 가스와 제 2 가스가 누출에 의해 접촉하면 반응 생성물이 생성되어, 역시 파티클 오염을 야기하게 된다.
본 발명은 이러한 사정 하에 이루어진 것으로서, 그 목적은 하면측에 다수의 가스 공급 구멍을 구비하고, 서로 다른 제 1 가스와 제 2 가스를 개별적인 가스 공급 구멍으로부터 공급하는 것으로서, 제 1 가스가 흐르는 공급로와 제 2 가스가 흐르는 공간 사이의 밀봉을 확실하게 실행할 수 있는 가스 공급 장치를 제공하는 것이다. 또 본 발명의 다른 목적은 이 가스 공급 장치를 이용하여 파티클 오염을 저감할 수 있는 성막 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 처리 용기의 상부에 설치된 베이스 부재와, 이 베이스 부재의 하부측에 가스의 확산 공간을 이루는 간극을 거쳐서 기밀하게 장착된 제 1 가스용 공급로를 구비한 샤워 플레이트를 구비하고, 상기 샤워 플레이트는 하부측에 다수의 가스 공급 구멍이 개방되는 동시에, 베이스 부재 측에서 상기 제 1 가스용 공급로에 공급된 제 1 가스와 상기 가스의 확산 공간에 공급된 제 2 가스가 서로 다른 가스 공급 구멍으로부터 분출하도록 구성된 가스 공급 장치에 있어서, 상기 베이스 부재의 상하 방향으로 신장하도록 설치되고 그 하부측이 해당 베이스 부재의 하부측에 개방되는 제 1 가스용 상부 공급로와, 상기 베이스 부재에 설치되고 상기 가스의 확산 공간에 개방되는 제 2 가스 공급로와, 상기 제 1 가스용 상부 공급로 내에 삽입되어 제 1 가스의 통로가 되는 내측 파이프와, 이 내측 파이프의 외주면과 상기 제 1 가스용 상부 공급로의 내주면 사이를 기밀하게 밀봉하기 위한 밀봉 부재와, 상기 샤워 플레이트에 설치되고 상기 내측 파이프의 하부측과 기밀하게 접속된 제 1 가스용 하부 공급로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 있어서 「상부」,「하부」등 위, 아래를 특별히 정하는 용어는 기재의 편의상 사용하고 있는 것이며, 가스 공급 장치가 가령 처리 용기의 측면부에 설치될 경우여도, 본 발명의 구성 요건과 실질적으로 동일하면(처리 용기의 방향을 바꾸면 본 발명의 구성 요건을 구비하게 되는 것이라면), 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
본 발명에서는, 내측 파이프의 하단부와 샤워 플레이트 측의 제 1 가스용 하부 공급로 사이는, 예컨대 금속 개스킷에 의해 밀봉된다. 또한 내측 파이프의 하단부는 플랜지로서 구성되고, 해당 플랜지와 샤워 플레이트 측의 제 1 가스용 하부 공급로의 상단부는 베이스 부재와 샤워 플레이트 사이에 수납되는 나사에 의해 서로 고정되어 있는 구성이어도 좋다. 더욱이 내측 파이프의 외주면과 상기 제 1 가스용 상부 공급로의 내주면 사이를 기밀하게 밀봉하기 위한 밀봉 부재는 수지제의 밀봉 부재인 것이 바람직하다.
또 본 발명은 상기 샤워 플레이트 측의 제 1 가스용 하부 공급로와 내측 파이프는 기밀하게 접속되는 대신에 일체화되어도 좋다.
또한 다른 발명은 기밀인 처리 용기와, 이 처리 용기 내에 설치되고, 기판을 탑재하기 위한 탑재대와, 처리 용기 내의 가스를 배기하는 배기 수단과, 청구항 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에서 기재된 가스 공급 장치를 구비하며, 가스 공 급 장치로부터 공급되는 제 1 가스와 제 2 가스를 처리 용기 내에서 반응시켜서 그 반응 생성물을 탑재대 상의 기판에 퇴적시켜서 성막하는 것을 특징으로 하는 성막 장치이다.
본 발명의 가스 공급 장치를 플라즈마 CVD에 의해 성막을 실행하기 위한 성막 장치에 내장한 실시형태에 대해서 설명한다. 이 성막 장치는 상측에 큰 직경의 원통부(2a)에서 그 하측에 작은 직경의 원통부(2b)가 연속 설치되는, 말하자면 버섯 형상의 처리 용기(2)를 구비하고, 이 처리 용기(2)는 예컨대 알루미늄으로 이루어지는 진공 챔버로서 구성되어, 그 내벽을 가열하기 위한 도시되지 않는 가열 기구가 설치된다. 처리 용기(2) 내에는 기판인, 예컨대 반도체 웨이퍼(이하 웨이퍼)(W)를 수평으로 탑재하기 위한 기판 탑재대를 이루는 스테이지(21)가 설치되고, 이 스테이지(21)는 작은 직경부(2b)의 바닥부에 지지 부재(22)를 거쳐서 지지되어 있다.
스테이지(21) 내에는 웨이퍼(W)의 온도 조절 수단을 이루는 도시되지 않는 히터 및 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 도시되지 않는 정전 지퍼가 설치된다. 더욱이 스테이지(21)에는 웨이퍼(W)를 유지해서 상승시키기 하기 위한, 예컨대 3개의 지지 핀(23)이 스테이지(21)의 표면에 대하여 돌출 가능하게 설치되고, 이 지지 핀(23)은 지지 부재(24)를 거쳐서 처리 용기(2) 외의 승강 기구(25)에 접속되어 있다. 처리 용기(2)의 바닥부에는 배기관(26)의 일단 측이 접속되고, 이 배기관(26) 의 타단 측에는 진공 배기 수단인 진공 펌프(27)가 접속되어 있다. 또 처리 용기(2)의 큰 직경부(2a)의 측벽에는 게이트 밸브(gate valve)(28)에 의해 개폐되는 반송구(29)가 형성되어 있다.
더욱이 처리 용기(2)의 천장부에는 개구부(31)가 형성되고, 이 개구부(31)를 막도록, 또 스테이지(21)에 대향하도록 본 발명의 가스 공급 장치인 가스 샤워 헤드(4)가 설치된다. 여기서 가스 샤워 헤드(4) 및 스테이지(21)는 각기 상부 전극 및 하부 전극을 겸용하고 있고, 가스 샤워 헤드(4)는 정합기(32)를 거쳐서 고주파 전원부(33)에 접속되는 동시에, 하부 전극인 스테이지(21)는 접지되어 있다. 또 도 1에서는 배선도는 개략적으로 기재되어 있지만, 실제로 스테이지(21)는 처리 용기(2)에 전기적으로 접속되고, 처리 용기(2)의 상부로부터 도시되지 않는 정합 상자(matching box)를 거쳐서 접지되어, 고주파의 도전로가 처리 공간을 감싸게 된다.
가스 샤워 헤드(4)는 도 2에 도시하는 바와 같이 크게 나누면 상측 부분인 베이스 부재(5)와 하측 부분인 샤워 플레이트(6)로 이루어진다. 베이스 부재(5)는 원형 형상의 플레이트(51)의 주연부가 기립하고, 그 기립 주연부(52)의 상단에는 플랜지(52a)가 형성되어 있다. 처리 용기(2)의 상기 개구부(31)의 내측 주연부에는, 상부 전극인 가스 샤워 헤드(4)와 처리 용기(2)를 절연하기 위한 절연 부재(34)가 설치되고, 베이스 부재(5)의 플랜지(52a)는 도시되지 않는 나사에 의해 상기 절연 부재(34)에 고정되어 있다. 즉 베이스 부재(5)는 상기 개구부(31)를 막도록 설치된다. 또 베이스 부재(5)의 상부 측에는 도 1에 도시하는 바와 같이 단열 부재(40)가 설치된다.
베이스 부재(5)의 상기 플레이트(51)는 복수의 부재를 조립해서 구성되고, 베이스 부재(5)의 중앙부[상세하게는 플레이트(51)의 중앙부]의 상세구조는 도 3에 도시되어 있다. 베이스 부재(5)의 중앙부에는 하면측에 원형 형상의 오목부(또는 기립 주연부)(52)가 형성되고, 또한 이 오목부(52)에 그 하단이 개방되는 동시에 상부로 신장하는 제 1 가스 공급관(53)이 설치된다. 이 제 1 가스 공급관(53)의 상단부는 도 1에 도시하는 바와 같이 가스 유로 블록(100) 및 가스 공급로(101)를 거쳐서, 예컨대 TiCl4 가스원(102) 및 Ar 가스원(103)에 접속되어 있다.
또한 베이스 부재(5)에 있어서의 오목부(52)보다도 조금 외측 위치(편심 위치)에는 제 2 가스 공급로를 이루는 제 2 가스 공급관(54)이 상방으로 신장하도록 접속되고, 이 제 2 가스 공급관(54)의 하단부에는, 예컨대 방사상에 가스가 베이스 부재(5)의 하방 측의 공간(50)(후술하는 가스 확산 공간)으로 유출하도록 복수의 토출구(55)를 구비한 토출 포트(56)가 끼워 맞춰져 있다. 제 2 가스 공급관(54)의 상단부는 도 1에 도시하는 바와 같이 가스 유로 블록(100) 및 가스 공급로(104)를 거쳐서, 예컨대 H2 가스원(105) 및 NH3 가스원(106)에 접속되어 있다. 또 쇄선에서 둘러싼 도시 부분(107)은 각 가스 공급로에 설치된 밸브나 유량 제어기 등의 가스 공급 기기의 군(群)이다.
한편 가스 샤워 헤드(4) 하측 부분인 샤워 플레이트(6)는 주연부가 기립해서 그 기립 주연부의 상단에 플랜지(61)가 형성되어 있어, 이 플랜지(61)가 베이스 부 재(5)에 있어서의 플레이트(51)의 하면에 나사(51a)에 의해 기밀하게 접합해서 고정되어 있다. 따라서 샤워 플레이트(6)는 베이스 부재(5)의 하방 측에 제 2 가스[제 2 가스 공급관(54)으로부터 토출되는 가스]의 확산 공간(50)에 해당하는 간극을 거쳐서 기밀하게 장착된 상태가 된다.
샤워 플레이트(6)의 중앙부에는 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 제 1 가스의 도입 포트(62)가 상방으로 돌출되고, 그 상단은 베이스 부재(5)의 상술한 오목부(52)의 구경보다도 조금 작은 플랜지(63)로서 형성되어 있다. 그리고 이 제 1 가스의 도입 포트(62)에는, 제 1 가스의 통로를 이루는 관형체인 내측 파이프(7)가 접합되어 있다. 보다 상세하게는, 내측 파이프(7)의 하단에는 플랜지(71)가 형성되고, 이 플랜지(71)의 중앙부는 두께가 두꺼운 원형 단부(72)로서 구성되어 있다. 그리고 내측 파이프(7) 측의 플랜지(71)와 제 1 가스 도입 포트(62) 측의 플랜지(63)는 나사(60)가 상측으로부터 삽입되어서 고정되는 동시에, 내측 파이프(7) 측의 원형 단부(72)의 하면측에는 금속 개스킷(73)이 수납되고, 이 금속 개스킷(73)을 거쳐서 플랜지(71)[상세하게는 원형 단부(72)의 하면]과 플랜지(63)가 기밀하게 밀봉된 구조로 되어 있다. 도 4 중 참조부호 (71a), (63a)는 나사구멍이다.
내측 파이프(7)는 베이스 부재(5)의 제 1 가스 공급관(53) 내에 삽입되고, 내측 파이프(7)의 상단 부근에는 전체 주위에 걸쳐서 홈(74)(도 4 참조)이 형성되어 있다. 그리고 O 링으로 불리는 수지제의 밀봉 부재(75)가 상기 홈(74)에 끼워 맞춰져 있고, 이 O 링(75)에 의해 제 1 가스 공급관(53)의 내주면과 내측 파이프(7)의 외주면 사이가 기밀하게 밀봉되게 된다. 또 O 링(75)에 의해 밀봉되는 부위 와 샤워 플레이트(6)의 하면의 높이 방향의 거리는 예컨대 130mm 정도이다.
이 실시예에 있어서, 베이스 부재(5) 측의 가스 공급관(53)과 샤워 플레이트(6) 측의 가스 도입 포트는, 각기 본 발명에서 말하는 제 1 가스용 상부 가스 공급로 및 제 1 가스용 하부 가스 공급로에 해당한다.
샤워 플레이트(6)는 하면측, 즉 처리 용기(2) 내의 처리 공간 측과 상기 확산 공간(50)을 연통하도록 두께 방향으로 형성된 제 2 가스 공급 구멍(80)과, 제 1 가스의 도입 포트(62)의 하단부와 연통하고, 제 2 가스 공급 구멍(80)의 상부 측 부분을 형성하는 가느다란 통형부(82)를 둘러싸는 공간(81)과, 이 공간(81)과 상기 처리 공간 측을 연통하도록 두께 방향으로 천공된 제 1 가스 공급 구멍(91)을 구비하고 있다. 보다 상세하게는, 샤워 플레이트(6)는 상하 2단의 플레이트(8, 9)이며, 상단 플레이트(8)는 도 2의 A-A 선에 따른 도 5[상단 플레이트(8)의 저면도]에 도시하는 바와 같이, 전면에 걸쳐서 다수의 가느다란 돌기부(82)(상기의 통형부)가 매트릭스(matrix) 형상으로 형성되어 있고, 이 돌기부(82) 내에 제 2 가스 공급 구멍(80)의 상부 측에 해당하는 구멍이 천공되어 있다. 또한 이 실시예에서는 샤워 플레이트(6)에 있어서의 돌기부(82) 사이의 공간[상기의 공간(81)에 해당]에는 제 1 가스의 도입 포트(62)의 하단부에서 「H」형상으로 배관된 가스 토출관(83)이 설치되어 있고, 제 1 가스는 「H」형상 배관의 선단 부근에 설치된 구멍(합계 4개)으로부터 상측을 향해서 분사되고, 공간(81)에 분산되어서 처리 공간 내에 균일하게 공급되고 있다.
한편 하단 플레이트(9)는 상단 플레이트(8)의 돌기부(82)의 구멍에 대응하는 위치에 제 2 가스 공급 구멍(80)의 하부측에 해당하는 구멍이 뚫려 있는 동시에, 제 2 가스 공급 구멍(80) 사이의 위치에 제 1 가스 공급 구멍(91)이 뚫려 있다. 즉, 상단 플레이트(8)와 하단 플레이트(9)를 접합함으로써 형성되는 공간(81)에 제 1 가스 공급 구멍(91)이 연통하고, 이들 공간(81) 및 제 1 가스 공급 구멍(91)과는 기밀하게 격리된 상태에서 제 2 가스 공급 구멍(80)이 형성되게 된다. 바꿔 말하면, 이 가스 샤워 헤드(4)는 각각 매트릭스 형상으로 제 1 가스 공급 구멍(91)과 제 2 가스 공급 구멍(80)이 하면측에 개방되도록 배열되고, 제 1 가스의 도입 포트(62)로부터 토출되는 제 1 가스와 가스 확산 공간(50)에 유입된 제 2 가스가 서로 다른 가스 공급 구멍으로부터 공급되는 구조로 되어 있다.
다음에 상술의 실시형태의 작용에 대해서 설명한다. 우선, 도 1에 도시하는 바와 같이 기판인 웨이퍼(W)가 도시되지 않는 반송 암(arm)에 의해 반송구(29)를 거쳐서 처리 용기(2) 내에 반입되어, 지지 핀(23)과의 협력 작용에 의해 스테이지(21) 상에 주고 받는다. 그리고 가스 공급원(102, 103)으로부터 제 1 가스인 TiCl4 가스 및 Ar 가스의 혼합 가스가 각기 제 1 가스 공급관(53)에 보내져, 이들 제 1 가스가 내측 파이프(7) 및 제 1 가스의 도입 포트(62)를 경유해서 가스 샤워 헤드(4)의 샤워 플레이트(6) 내의 공간(81)에 확산되고, 제 1 가스 공급 구멍(91)으로부터 처리 용기(2) 내의 처리 공간에 토출된다. 또 가스 공급원(105)으로부터 제 2 가스인 H2 가스가 제 2 가스 공급관(54)에 보내져 이 제 2 가스가 토출포트(56)로부터 확산 공간(50)에 토출되어서 확산되고, 제 2 가스 공급 구멍(80)으로부터 처 리 공간에 토출된다.
한편 진공 펌프(27) 내에 의해 처리 용기(2) 내를 진공 배기하고, 배기관(26)에 설치된 도시되지 않는 압력 조정 밸브를 조정해서 처리 용기(2) 내의 압력을 설정 압력으로 하는 동시에, 고주파 전원부(33)로부터 상부 전극인 가스 샤워 헤드(4)와 하부 전극인 스테이지(21) 사이에 고주파 전력을 공급하고, 처리 가스, 즉 제 1 가스 및 제 2 가스를 플라즈마화하고, TiCl4을 H2에 의해 환원해서 웨이퍼(W) 상에 Ti을 퇴적해서 박막을 형성하고, 반응 부생성물인 HCl은 미반응 가스와 함께 배기된다.
계속해서 제 1 가스의 공급을 정지하고, 제 2 가스인 H2 가스로부터 NH3 가스(암모니아)로 바꾸고, 이로써 NH3 가스가 제 2 가스 공급관(54), 토출 포트(56)를 거쳐서 가스 확산 공간(50)에 토출되어서 확산되고, 제 2 가스 공급 구멍(80)으로부터 처리 공간에 토출된다. 이 때에 있어서도 고주파 전력이 처리 공간에 공급되어 웨이퍼(W) 상에 이미 형성되어 있는 Ti 박막의 표면이 NH3의 활성종에 의해 질화된다. 질화 종료 후, 고주파 전력의 공급과 NH3 가스의 공급을 정지하며, 그 후 웨이퍼(W)를 상술한 반입 동작과 역 동작으로 처리 용기(2)로부터 반출한다.
상술한 실시형태에 따르면, 가스 샤워 헤드(4)의 하측 부분인 샤워 플레이트(6)의 중앙부로부터 상측으로 향해서 돌출하는 제 1 가스용 하부 공급로에 해당하는 제 1 가스의 도입 포트(62)에 내측 파이프(7)를 기밀하게 접속하고, 베이스 부 재(5)의 하방 측으로부터 제 1 가스용 상부 공급로에 해당하는 제 1 가스 공급관(53) 내에 내측 파이프(7)를 삽입하며, 내측 파이프(7)의 상부에 있어서 제 1 가스 공급관(53)의 내주면과 내측 파이프(7) 사이를 수지재의 밀봉 부재인 O 링(75)에 의해 기밀하게 밀봉하고 있기 때문에, 용이하면서 확실하게 양자를 기밀하게 밀봉할 수 있다. 그리고 이 밀봉 부위는 처리 공간으로부터 떨어진, 예컨대 170℃ 정도의 저온 부위에 위치하고 있으므로, O 링(75)이 열화할 우려가 없고, 또한 그 주변 부위가 가열이나 열 사이클에 의해 변형하는 불량도 일어나지 않기 때문에 장기간에 걸쳐서 확실하게 밀봉된다.
또 제 1 가스의 도입 포트(62)와 내측 파이프(7)의 접속 부분에 있어서 열 응력에 의해 비뚤어짐이 생겨도 밀봉 부위의 근방에 나사(60)에 의한 고정 부위가 위치하고 있기 때문에, 간극이 발생할 우려가 없고, 이 접속 부분으로부터 제 1 가스가 가스 확산 공간(50)에 누출할 걱정이 없다. 이상의 것으로부터, 제 1 가스 공급관(53) 내에 공급되는 제 1 가스가 제 2 가스의 통류(通流) 공간인 가스 확산 공간(50)에 누출될 우려가 없고, 이 때문에 Ti막의 질화 처리를 실행하기 위해서 제 2 가스 공급관(54)으로부터 가스 확산 공간(50)에 NH3 가스를 흘려도, 해당 공간(50)에는 TiCl4이 존재하지 않기 때문에 이들 가스가 반응해서 반응 생성물(NH4Cl)이 발생할 우려가 없다. 따라서 처리 공간에 고형의 반응 생성물이 비산(飛散)되는 것이 저감되므로, 웨이퍼(W)에 대한 파티클 오염을 억제할 수 있다.
상술한 실시형태와 같이 샤워 플레이트(6) 중앙부의 제 1 가스의 도입 포트 (62)와 내측 파이프(7)를 분리할 수 있게 하면, 조립과 분해 작업을 용이하게 실행할 수 있으므로 유지 보수가 실행되기 쉽지만, 본 발명에서는 이들이 일체화되어 있어도 좋다. 도 6은 이러한 실시형태를 도시하고, 샤워 플레이트(6)의 중앙부의 상측으로부터 내측 파이프(7)가 신장하여, 이 내측 파이프(7)의 하단 측은 샤워 플레이트(6)의 중앙부에 형성되는 한편 공간(81)에 연통하는 제 1 가스용 하부 공급로(70)에 연통하게 된다. 이러한 실시형태에서 있어서도, 제 1 가스 공급관(53) 내에 공급되는 제 1 가스가 제 2 가스의 통류 공간인 가스 확산 공간(50)에 누출할 우려가 없다.
본 발명은 Ti의 성막, 계속되는 질화 처리에 한정되지 않고, 모노실란(monosilane) 가스 등의 실란계의 가스 및 암모니아 가스를 처리 용기 내에 개별적으로 공급해서 질화 실리콘 막을 형성할 경우 등에도 적용되는 것은 물론이며, 이 경우에는 가스 샤워 헤드 내에서 가스가 누출하면 고체성분인 NH4Cl이 내부에서 형성되므로 본 발명은 유효하다. 또 성막 장치로서는 플라즈마 CVD장치에 한정되지 않고 열 CVD장치 등에도 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스 샤워 헤드의 상측 부분인 베이스 부재에 제 1 가스용 상부 공급로와 제 2 가스 공급로를 설치하고, 샤워 플레이트 측의 제 1 가스용 하부 공급로에 연통하는 내측 파이프를 베이스 부재의 하방 측으로부터 제 1 가스 용 상부 공급로 내에 삽입하고, 해당 상부 공급로의 내주면과 내측 파이프의 외주면 사이를 밀봉하도록 하고 있기 때문에, 밀봉 부위를 처리 공간으로부터 떨어진 저온 부위에 위치시킬 수 있다. 따라서 밀봉 부재 및 그 주변 부위의 변형이나 열화(劣化)를 억제할 수 있으므로, 제 1 가스용 공급로와 제 2 가스가 확산되는 가스 확산 영역 사이를 장기간에 걸쳐서 확실하게 밀봉할 수 있다. 그리고 밀봉 부위를 저온 부위에 위치시킬 수 있기 때문에, 밀봉 부재로서 수지제의 링 형상의 밀봉 부재를 사용할 수 있고, 이 경우 용이하게 조립을 실행할 수 있으며, 보다 한층 확실한 밀봉 상태를 유지할 수 있다. 이와 같이 하여 확실한 밀봉 구조를 달성할 수 있음으로써, 가스 샤워 헤드 내에 있어서의 제 1 가스와 제 2 가스의 접촉을 방지할 수 있고, 그들 가스의 반응 생성물이 발생할 우려가 없으며, 파티클 발생의 저감화에 기여한다.

Claims (6)

  1. 처리 용기의 상부에 설치된 베이스 부재와, 이 베이스 부재의 하부측에 가스의 확산 공간을 이루는 간극을 거쳐서 기밀하게 장착된 제 1 가스용 공급로를 구비하는 샤워 플레이트를 구비하고, 상기 샤워 플레이트는 하부측에 다수의 가스 공급 구멍이 개방되는 동시에, 베이스 부재 측에서 상기 제 1 가스용 공급로에 공급된 제 1 가스와 상기 가스의 확산 공간에 공급된 제 2 가스가 서로 다른 가스 공급 구멍으로부터 분출하도록 구성된 가스 공급 장치에 있어서,
    상기 베이스 부재의 상하 방향으로 신장하도록 설치되고, 그 하부측이 상기 베이스 부재의 하부측에 개방되는 제 1 가스용 상부 공급로와,
    상기 베이스 부재에 설치되고, 상기 가스의 확산 공간에 개방되는 제 2 가스 공급로와,
    상기 제 1 가스용 상부 공급로 내에 삽입되고, 제 1 가스의 통로를 이루는 내측 파이프와,
    이 내측 파이프의 외주면과 상기 제 1 가스용 상부 공급로의 내주면 사이를 기밀하게 밀봉하기 위한 밀봉 부재와,
    상기 샤워 플레이트에 설치되고, 상기 내측 파이프의 하부측과 기밀하게 접속된 제 1 가스용 하부 공급로를 구비한 것을 특징으로 하는
    가스 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    내측 파이프의 하단부와 샤워 플레이트 측의 제 1 가스용 하부 공급로 사이는 금속 개스킷에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는
    가스 공급 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    내측 파이프의 하단부는 플랜지로서 구성되고, 상기 플랜지와 샤워 플레이트 측의 제 1 가스용 하부 공급로의 상단부는 베이스 부재와 샤워 플레이트 사이에 수납되는 나사에 의해 서로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는
    가스 공급 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    내측 파이프의 외주면과 상기 제 1 가스용 상부 공급로의 내주면 사이를 기밀하게 밀봉하기 위한 밀봉 부재는 수지제의 밀봉 부재인 것을 특징으로 하는
    가스 공급 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 샤워 플레이트 측의 제 1 가스용 하부 공급로와 내측 파이프는 기밀하게 접속되는 대신에 일체화되는 것을 특징으로 하는
    가스 공급 장치.
  6. 기밀인 처리 용기와, 이 처리 용기 내에 설치되고, 기판을 탑재하기 위한 탑재대와, 처리 용기 내의 가스를 배기하는 배기 수단과, 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 가스 공급 장치를 구비하며, 가스 공급 장치로부터 공급되는 제 1 가스와 제 2 가스를 처리 용기 내에서 반응시켜서 그 반응 생성물을 탑재대 상의 기판에 퇴적시켜서 성막하는 것을 특징으로 하는
    성막 장치.
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