KR100810783B1 - 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
반응 용기를 배기하는 배기 포트의 컨덕턴스를 ALD 프로세스중은 상기 반응 용기내에 층류가 형성되도록 작게 설정할 수 있고, 퍼지 프로세즈중은 상기 반응 용기내를 단시간에 퍼지할 수 있도록 크게 설정할 수 있는 기판 처리 장치를 제공한다. 기판 처리 장치(40)의 배기 포트(201a, 201b)는 상기 층류가 흐르는 방향에 대하여 대략 직교하는 방향으로 연장되는 슬릿 형상을 갖는다. 상기 배기 포트에는 상기 슬릿 형상에 대응한 슬릿형 개구부를 갖는 밸브체를 구비한 로터리 밸브(25A, 25B)가 결합되어 있다. 상기 로터리 밸브에 있어서의 밸브체의 회전에 수반하여, 컨덕턴스가 변화한다.
Description
도 1은 종래의 ALD 성막 장치의 개요를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 ALD 성막 장치에서 사용되는 처리 용기의 구성을 도시한 도면,
도 3은 도 2의 처리 용기의 일부를 상세하게 도시한 도면,
도 4는 도 1의 ALD 장치를 사용하여 실행되는 ALD 프로세스의 예를 나타내는 도면,
도 5는 도 2의 처리 용기내에 실행되는 ALD 프로세스를 도시한 도면,
도 6은 도 2의 처리 용기내에 실행되는 ALD 프로세스를 도시하는 별도의 도면,
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 ALD 성막 장치에서 사용되는 처리 용기의 구성을 도시한 도면,
도 8은 도 7의 처리 용기의 구성을 도시하는 사시도,
도 9a 및 도 9b는 도 7의 처리 용기에 있어서 사용되는 고속로터리 밸브의 구성을 나타내는 사시도,
도 10은 상기 고속 로터리 밸브의 구성을 도시하는 분해도,
도 11a 내지 도 11d는 상기 고속 로터리 밸브에서 사용되어지는 밸브체의 구성을 도시한 도면,
도 12a 내지 도 12d는 상기 고속 로터리 밸브의 동작을 설명하는 도면,
도 13은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 ALD 성막 장치의 개요를 도시한 도면,
도 14는 도 13의 ALD 성막 장치를 사용한 본 발명의 제 2 실시예에 의한 ALD 성막 프로세스를 도시하는 흐름도,
도 15는 본 발명의 고속 로터리 밸브의 동작 특성을 도시한 도면,
도 16은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 ALD 성막 장치의 구성을 도시한 도면,
도 17은 도 16의 성막 장치를 사용한 본 발명의 제 3 실시예에 의한 ALD 성막 프로세스를 나타내는 도면,
도 18은 본 발명의 제 4 실시예에 의한 ALD 성막 장치의 구성을 도시한 도면,
도 19는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 성막 장치의 클리닝 방법을 도시하는 흐름도,
도 20a 및 도 20b는 도 19에 대응하는, 본 발명의 제 4 실시예에 의한 클리닝 단계를 나타내는 도면,
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 제 5 실시예에 의한 성막 장치의 구성 및 단 계를 도시한 도면,
도 22는 도 21a 및 도 21b의 성막 장치를 사용한 성막 단계를 도시하는 흐름도,
도 23a 및 도 23b는 제 5 실시예의 변형예를 도시한 도면,
도 24a 및 도 24b는 제 5 실시예의 다른 변형예를 도시한 도면,
도 25는 본 발명의 제 6 실시예에 의한 성막 장치의 구성을 도시한 도면,
도 26은 도 25의 성막 장치를 사용한 성막 단계를 도시한 도면,
도 27은 도 25의 성막 장치를 사용한 성막 단계를 도시하는 별도의 도면,
도 28은 도 27의 일부를 확대하여 도시하는 도면,
도 29는 도 25의 성막 장치를 사용한 성막 단계를 도시하는 또 다른 도면,
도 30은 도 25의 성막 장치를 사용한 성막 단계를 도시하는 흐름도,
도 31은 도 25의 성막 장치의 전체를 도시하는 일부 절재 사시도,
도 32는 본 발명의 제 7 실시예에 의한 성막 장치의 구성을 도시한 도면,
도 33은 도 32의 성막 장치에서 사용되는 처리 가스 도입구의 구성을 도시한 도면,
도 34a 내지 도 34c는 도 32의 성막 장치에서 사용되는 고속 로터리 밸브를 설명하는 도면,
도 35a 내지 도 35h는 도 32의 성막 장치를 사용하여 실행되는 성막 단계를 도시한 도면,
도 36a 및 도 36b는 제 7 실시예의 변형예를 도시한 도면,
도 37은 도 36의 변형예를 설명하는 도면,
도 38a 내지 도 38c는 본 발명의 제 8 실시예에 의한 성막 장치의 구성을 도시한 도면,
도 39a 내지 도 39h는 도 38a의 성막 장치를 사용하여 실행되는 성막 단계를 도시하는 도면,
도 40은 본 발명의 제 9 실시예에 의한 성막 장치의 구성을 도시한 도면,
도 41은 도 40의 실시예에서 사용되는 노즐의 구성을 도시하는 도면,
도 42는 본 발명의 고속 로터리 밸브의 동작 특성예를 도시한 도면,
도 43은 본 발명의 제 10 실시예에 의한 성막 장치의 구성을 도시한 도면,
도 44는 도 43의 성막 장치의 동작을 설명하는 도면,
도 45는 도 43의 성막 장치의 동작을 설명하는 다른 도면,
도 46a 및 도 46b는 본 발명의 제 11 실시예에 의한 성막 장치의 일부를 나타내는 도면,
도 47은 본 발명 제 11 실시예에 의한 성막 장치의 일부를 도시하는 다른 도면.
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 특히 고유전체막을 갖는 초미세화 고 속 반도체 장치의 제조에 사용되는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것이다.
최근의 초고속 반도체 장치에서는, 미세화 프로세스의 진보와 함께, 0.1㎛ 이하의 게이트 길이가 가능하게 되어 있다. 일반적으로 미세화와 함께 반도체 장치의 동작 속도는 향상되지만, 이와 같이 매우 미세화된 반도체 장치에서는, 게이트 절연막의 막 두께를, 미세화에 의한 게이트 길이의 단축에 따라, 스케일링측을 따라 감소시킬 필요가 있다.
그러나 게이트 길이가 0.1㎛ 이하로 되면, 게이트 절연막의 두께도 SiO2를 사용한 경우 1㎚ 내지 2㎚ 또는 그 이하로 설정할 필요가 있지만, 이와 같이 매우 얇은 게이트 절연막에서는 터널 전류가 증대하고, 그 결과 게이트 리크 전류가 증대하는 문제를 회피할 수 없다.
이러한 사정으로 종래부터 비유전률이 SiO2막의 것보다도 매우 크고, 이 때문에 실제의 막두께가 커도 SiO2막으로 환산한 경우의 막두께가 작은 Ta2O5, Al2O3, ZrO2, HfO2, ZrSiO4, HfSiO4와 같은 고유전체 재료를 게이트 절연막에 대하여 적용 하는 것이 제안되고 있다. 이와 같은 고유전체 재료를 사용함으로써, 게이트 길이가 0.1㎛ 이하로, 매우 미세한 초고속 반도체 장치에 있어서도 1㎚ 내지 2nm 또는 그 이하의 막두께의 게이트 절연막을 사용할 수 있고, 터널 효과에 의한 게이트 리크 전류를 억제할 수 있다.
이와 같은 고유전체 게이트 절연막을 Si 기판상에 형성할 때에는, 고유전체 게이트 절연막을 구성하는 금속 원소가 Si 기판중에 확산하는 것을 억제하기 위해서, 두께가 1㎚ 이하, 전형적으로는 0.8㎚ 이하의 SiO2막을 상기 Si 기판상에 베이스 산화막으로 형성하고, 이러한 매우 얇은 SiO2 베이스 산화막상에 상기 고유전체 게이트 절연막을 형성할 필요가 있다. 그 때, 상기 고유전체 게이트 절연막을 막중에 계면 준위 등의 결함이 형성되지 않도록 형성해야만 한다. 또한, 이러한 고유전체 게이트 절연막을 상기 베이스 산화막상에 형성할 때에, 조성을 상기 베이스 산화막에 접하는 측으로부터 고유전체 게이트 절연막상 주면을 향하고, SiO2를 메인으로 하는 조성으로부터 고유전체를 메인으로 하는 조성으로 서서히 변화시키는 것이 바람직하다.
고유전체 게이트 절연막을 결함을 포함하지 않도록 형성하고자 하면, 하전 입자가 관여하는 플라즈마 프로세스를 사용할 수는 없다. 예컨대 이러한 고유전체 게이트 절연막을 플라즈마 CVD법으로 형성하면, 막중에 핫캐리어의 트랩으로서 작용하는 결함이 플라즈마 손상의 결과로서 형성되게 된다.
한편, 이러한 고유전체 게이트 절연막을 열 CVD법에 의해 형성하고자 하면, 기판의 온도를 높게 설정할 필요가 있기 때문에, 결정화하기 쉽고, 표면의 조도(粗度)가 커진다. 또한, 기판의 온도에 의해 성막 속도가 변화되기 쉽고, 기판 온도의 균일성에 의해 균일한 막두께 분포를 얻는 것이 어렵다는 것이 본 발명의 발명자에 의해 발견되어 있다. 바꾸어 말하면, 이와 같은 고유전체 게이트 절연막을 종래의 CVD법으로 형성하고자 하면 막표면의 조도가 증대하기 쉽고, 또한 막두께의 균일성을 확보하기 어렵다. 따라서, 고밀도에서의 막두께 제어를 요구받는 MOS 트랜지스터의 게이트 절연막에 적용한 경우, 반도체 장치의 동작 특성에 심각한 영향이 발생한다.
따라서 본 발명의 발명자는 앞서, 상기 과제를 해결하기 위해서, 일본 특허 공개 공보 제 2002-151489 호에서, 이하에 설명하는 기판 처리 방법 및 처리 장치를 제안했다.
도 1은 본 발명의 발명자가 앞서 제안한 ALD 성막 프로세스를 실행하는 기판 처리 장치(ALD 성막 장치)(10)의 구성을 도시한다. ALD 성막 프로세스에서는, 피처리 기판상에 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스를 교대로 피처리 기판 표면을 따라 흐르는 층류의 형태로 공급하고, 제 1 원료 가스중의 원료 가스 분자를 피처리 기판 표면에 흡착시키며, 이것을 제 2 원료 가스중의 원료 가스 분자와 반응시킴으로써 1 분자층분의 두께의 막을 형성한다. 이러한 프로세스를 반복함으로써, 피처리 기판 표면에 게이트 절연막으로서 사용 가능한 고품질의 유전체막, 특히 고유전체막이 형성된다.
도 1을 참조하면, 상기 기판 처리 장치(10)는 피처리 기판(12)을 사이에 두고 서로 대향하는 처리 가스 도입구(13A 및 13B)와, 상기 피처리 기판(12)을 사이에 두고 상기 처리 가스 도입구(13A 및 13B)에 각각 대향하는 가늘고 긴 슬릿 형상의 배기구(14A, 14B)를 구비한 처리 용기(11)를 포함하고, 상기 배기구(14A 및 14B)는 각각 컨덕턴스 밸브(15A 및 15B)를 거쳐서 트랩(100)에 접속되고, 상기 처리 용기(11)는 상기 트랩(100)을 거쳐서 배기된다.
또한, 상기 처리 용기(11)에는 상기 처리 가스 도입구(13A)에 인접하여, 별도의 처리 가스 도입구(13C)가 상기 배기구(14A)에 대향하도록 형성되어 있다.
상기 처리 가스 도입구(13A)는 전환 밸브(16A)의 제 1 출구에 접속되고, 상기 전환 밸브(16A)는 밸브(17A), 질량 유량 컨트롤러(18A) 및 별도의 밸브(19A)를 포함하는 제 1 원료 공급 라인(16a)을 거쳐서 ZrCl2를 유지하는 원료 용기(20A)에 접속된다. 또한, 상기 제 1 원료 공급 라인(16a)에 인접하여, 밸브(21A, 22A)를 포함하고, Ar 등의 불활성 가스를 공급하는 퍼지 라인(21a)이 설치된다.
또한, 상기 전환 밸브(16A)에는, Ar 등의 불활성 가스원에 접속되고, 질량 유량 컨트롤러(23A 및 24A)를 포함하는 밸브 퍼지 라인(23a)이 접속되고, 상기 전환 밸브(16A)의 제 2 출구는 퍼지 라인(100a)을 거쳐서 상기 트랩(100)에 접속된다.
마찬가지로, 상기 처리 가스 도입구(13B)는 전환 밸브(16B)의 제 1 출구에 접속되고, 상기 전환 밸브(16B)는 밸브(17B), 질량 유량 컨트롤러(18B) 및 별도의 밸브(19B)를 포함하는 제 1 원료 공급 라인(16b)을 거쳐서 H2O를 유지하는 원료 용기(20B)에 접속된다. 또한, 상기 제 1 원료 공급 라인(16b)에 인접하여, 밸브(21B, 22B)를 포함하고, Ar 등의 불활성 가스를 공급하는 퍼지 라인(21b)이 설치된다.
또한, 상기 전환 밸브(16B)에는, Ar 등의 불활성 가스원에 접속되고, 질량 유량 컨트롤러(23B 및 24B)를 포함하는 밸브 퍼지 라인(23b)이 접속되며, 상기 전 환 밸브(16B)의 제 2 출구는 퍼지 라인(100b)을 거쳐서 상기 트랩(100)에 접속된다.
또한 상기 처리 가스 도입구(13C)는 전환 밸브(16C)의 제 1 출구에 접속되고, 상기 전환 밸브(16C)는 밸브(17C), 질량 유량 컨트롤러(18C) 및 별도의 밸브(19C)를 포함하는 제 1 원료 공급 라인(16c)을 거쳐서 SiCl4를 유지하는 원료 용기(20C)에 접속된다. 또한, 상기 제 1 원료 공급 라인(16c)에 인접하여, 밸브(21C, 22C)를 포함하고, Ar 등의 불활성 가스를 공급하는 퍼지 라인(21c)이 설치된다.
또한, 상기 전환 밸브(16C)에는, Ar 등의 불활성 가스원에 접속되고 질량 유량 컨트롤러(23C 및 24C)를 포함하는 밸브 퍼지 라인(23c)이 접속되고, 상기 전환 밸브(16C)의 제 2 출구는 퍼지 라인(100c)을 거쳐서 상기 트랩(100)에 접속된다.
또한, 도 1의 기판 처리 장치(10)에는 성막 프로세스를 제어하는 제어 장치(10A)가 설정되고, 상기 제어 장치(10A)는 나중에 도 4 내지 도 7에 설명하는 바와 같이, 상기 전환 밸브(16A 내지 16C) 및 컨덕턴스 밸브(15A 및 15B)를 제어한다.
도 2는 도 1의 처리 용기(11)를 포함하는 부분의 상세도이다. 단, 도 2에서 도 1에 대응하는 부분은 동일한 참조 부호로 표시되어 있다.
도 2를 참조하면, 상기 처리 용기(11)는 Al 등으로 이루어지는 외측 용기(201)와 석영 유리로 이루어지는 내측 반응 용기(202)를 갖고, 상기 내측 반응 용기(202)는 상기 외측 용기(201)중에 구획 형성되며, 상기 외측 용기(201)의 일부를 구성하는 커버 플레이트(201A)에 의해 커버되는 오목부 중에 수납된다.
상기 내측 반응 용기(202)는 상기 오목부내에 있어서 상기 외측 용기(201)의 바닥면을 커버하는 석영 바닥판(202A)과, 상기 오목부내에 있어서 상기 석영 바닥판(202A)을 커버하는 석영 커버(202B)로 이루어지고, 또한 상기 외측 용기의 바닥부에는, 피처리 기판(W)을 유지한 디스크형의 기판 유지대(203)가 수납되는 원형의 개구부(201D)가 형성되어 있다. 상기 기판 유지대(203)중에는, 도시를 생략하는 가열 기구가 설치되어 있다.
상기 기판 유지대(203)는 상기 외측 처리 용기(201)의 하부에 설치된 기판 반송부(204)에 의해 회전 가능하게, 또한 동시에 상하 이동 가능하게 유지되어 있다. 상기 기판 유지대(203)는 최상위의 프로세스 위치와 최하위의 기판 출입 위치의 사이를 상하 이동 가능하게 유지되어 있고, 상기 프로세스 위치는 상기 유지대(203)상의 피처리 기판(W)의 표면이 상기 석영 바닥판(202A)의 표면과 대략 일치하도록 결정되어 있다.
한편, 상기 기판 출입 위치는 상기 기판 반송부(204)의 측벽면에 형성된 기판 반입출 개구부(204A)에 대응하여 설정되고 있고, 상기 기판 유지대(203)가 상기 기판 출입 위치까지 하강했을 경우, 상기 기판 반입출구(204A)로부터 반송 아암(204B)이 삽입되고, 리프터 핀(도시하지 않음)에 의해 기판 유지대(203) 표면으로부터 들어 올려진 피처리 기판(W)을 유지하여 취출하고, 다음 단계로 보낸다. 또한, 상기 반송 아암(204B)은 새로운 피처리 기판(W)을, 상기 기판 반입출 개구 부(204A)를 거쳐서 상기 기판 반송부(204)중에 도입하고, 이것을 상기 기판 유지대(203)상에 탑재한다.
상기 새로운 피처리 기판(W)을 유지한 기판 유지대(203)는 베어링부(205)중에 자기 실(seal)(205A)에 의해 유지된 회전축(205B)에 의해 회전 가능하게, 또한 상하 이동 가능하게 유지되어 있으며, 상기 회전축(205B)이 상하 이동하는 공간은, 벨로우즈(206) 등의 격벽에 의해 밀폐되어 있다. 그 때, 상기 공간은 도시를 생략한 배기구를 거쳐서 상기 내측 용기(202) 내부보다도 고진공 상태로 배기되고, 상기 내측 용기(202)내에서 실행되는 기판 처리 프로세스로의 오염이 회피된다.
이러한 차동 배기를 확실하게 실행하기 위해서, 상기 기판 유지대(203)에는 피처리 기판(W)을 둘러싸도록 석영 유리로 이루어지는 가드 링(203A)이 설치되어 있다. 이러한 가드 링(203A)은 상기 기판 유지대(203)와 상기 외측 용기(201)중에 상기 기판 유지대를 수용하도록 형성된 상기 개구부(201D)의 측벽면 사이의 컨덕턴스를 억제하고, 이로써 상기 벨로우즈(206)로 구획 형성된 공간내를 고진공으로 배기한 경우에 상기 내측반응 용기(202)와의 사이에 차압이 확실히 형성된다.
상기 외측 용기(201)의 바닥부에 형성된 상기 개구부(201D)는 측벽면이 석영 라이너(201d)에 의해 커버되어 있고, 상기 석영 라이너(201d)는 더 하방으로 연장되어 상기 기판 반송부(204)의 내벽을 커버한다.
상기 외측 용기(201)의 바닥부에는, 상기 개구부(201D)의 양측에 각각 배기 장치에 접속된 배기홈부(20la 및 201b)가 형성되어 있고, 상기 배기홈부(201a)는 도관(207a) 및 컨덕턴스 밸브(15A)를 거쳐서, 또한 상기 배기홈부(201b)는 도 관(207b) 및 컨덕턴스 밸브(15B)를 거쳐서 배기된다. 도 2의 상태에서는, 상기 컨덕턴스 밸브(15A)가 개방 상태로, 또는 상기 컨덕턴스 밸브(15B)가 대략 폐쇄 상태로 설정되어 있다. 상기 컨덕턴스 밸브(15A, 15B)는 신뢰성이 높은 개폐 상태를 실현하기 위해서, 폐쇄 상태라 해도 완전히 폐쇄하는 것이 아니고 3% 정도의 밸브 개방도를 남겨 둔다.
상기 배기홈부(201a 및 201b)는 석영 유리로 이루어지는 라이너(208)에 의해 커버되어 있고, 상기 배기 홈부(201a, 201b)에 대응하여 슬릿 형상의 개구부(209A, 209B)가 상기 석영 바닥판(202A)에 형성된다. 도 2의 실시예에서는, 이러한 슬릿 형상의 개구부(209A, 209B)에, 도 1에 설명한 배기구(14A 또는 14B)가 형성된 정류판(209)이 상기 내측 반응 용기(202) 내부의 배기를 촉진할 목적으로 형성되어 있다.
또한, 상기 내측 반응 용기(202)내에는, 석영 가스 노즐(13A 및 13B)이 각각 상기 배기홈부(201a 및 201b)에, 상기 웨이퍼(12)를 사이에 두고 대향하도록 설치되어 있다. 따라서, 상기 가스 노즐(13A)로부터 도입된 제 1 처리 가스는, 상기 내측 반응 용기(202)내를 상기 피처리 기판(12)의 표면을 따라 흐르고, 대향하는 배기구(14A)로부터 상기 컨덕턴스 밸브(15A)를 거쳐서 배기된다. 마찬가지로 상기 가스 노즐(15B)로부터 도입된 제 2 처리 가스는, 상기 내측 반응 용기(202)내를 상기 피처리 기판(W)의 표면을 따라 흐르고, 대향하는 배기구(14B)로부터 상기 컨덕턴스 밸브(15B)를 거쳐서 배기된다. 이와 같이 제 1 및 제 2 처리 가스를 교대로 상기 가스 노즐(13A)로부터 배기구(14A)로, 또는 상기 가스 노즐(13B)로부터 배기 구(14B)로 흘림으로써, 앞서 설명한 분자층을 기본 단위로 하는 막 형성이 가능해진다.
도 3은 상기 내측 반응 용기(202)를 구성하는 석영 바닥판(202A)의 구성을 상세하게 도시한다.
도 3을 참조하면, 상기 석영 바닥판(202A)에는 상기 피처리 기판(W)에 대응한 원형의 개구부(202a)가 형성되어 있고, 상기 개구부(202a)의 양측에는, 상기 배기홈부(201a, 201b)에 대응한 개구부(209A 및 209B)가 형성되어 있다. 또한 도 3의 예에서는, 상기 개구부(209A, 209B)에 대응하여 상기 배기구(14A 또는 14B)를 구성하는 슬릿을 갖는 정류판(209)이 설치되어 있다. 또한 상기 석영 바닥판(202A)에는, 상기 가스 노즐(13A)에 대응하여 개구부(210a)가, 또한 상기 가스 노즐(13B)에 대응하여 개구부(210b)가 형성되어 있다. 상기 석영 바닥판(202A)에 상기 개구부(210a 또는 210b)를 여러개 형성함으로써, 상기 내측 처리 용기(202)내에 상기 가스 노즐(13A 또는 13B)을 여러개 설치하는 것이 가능해진다.
도 4는 도 1 및 도 2의 기판 처리 장치(10)에 있어서 피처리 기판(12)상에 ZrO2막을 1 분자층씩 형성할 때에, 상기 제어 장치(10A)의 제어하에 실행되는 ALD 프로세스 시퀀스를 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 최초의 단계 1에 있어서, 상기 컨덕턴스 밸브(15A, 15B)는 개방되고, 상기 전환 밸브(16A 및 16B)는 모두 처리 가스 공급 라인(16a, 16b)중의 처리 가스를 각각 퍼지 라인(100a 및 100b)을 거쳐서 트랩(100)에 공급하도록 제 1 상태, 즉 퍼지 상태로 제어된다. 그 결과, 상기 석영 반응 용기(202)중에는 상기 퍼지 라인(23a)중의 Ar 가스가, 또한 상기 퍼지 라인(23b)중의 Ar 가스가 각각 처리 가스 도입구(13A 및 13B)를 거쳐서 공급된다. 이렇게 하여 공급된 Ar 퍼지 가스는 각각 상기 배기구(14A 및 14B)로부터 트랩(100)으로 배출된다.
다음으로 단계 2에 있어서, 상기 컨덕턴스 밸브(15A)의 개방도가 증대되고, 컨덕턴스 밸브(15B)의 개방도가 감소된다. 그 결과, 상기 석영 반응 용기(202)중에는, 상기 가스 도입구(13A)로부터 배기구(14A)로 흐르는 가스류가 발생한다.
다음으로 단계 3에 있어서, 상기 전환 밸브(16A)가 상기 제 1 상태로부터 제 2 상태로 전환되고, 상기 처리 가스 공급 라인(16a)중의 ZrCl4 가스가 상기 제 1 처리 가스 도입구(13A)로부터 상기 석영 반응 용기(202)중에, 도 5에 도시하는 바와 같이 가스류(LF1)로서 도입된다. 이와 같이 하여 도입된 ZrCl4 가스류(LF1)는 앞서 설명한 바와 같이, 층류로 되어서 상기 피처리 기판(12)의 표면을 흐르고, 상기 배기구(14A)로부터 배출된다. 이러한 단계에 의해, 상기 피처리 기판(12)의 표면에는 ZrCl4가 1 분자층 정도 흡착된다. 상기 단계 3에 있어서는, 상기 제 2 전환 밸브(16B)는 상기 제 1 상태에 있고, 라인(23a)중의 Ar 퍼지 가스가 상기 제 2 처리 가스 도입구(13B)로부터 상기 석영 반응 용기(202)중에 도입된다. 그 결과, 상기 제 1 처리 가스 도입구(13A)로부터 도입된 ZrCl4 처리 가스가 상기 제 2 처리 가스 도입구(13B)로 침입하고, 석출물을 발생시키는 문제는 발생하지 않는다.
다음으로 단계 4에 있어서, 상기 전환 밸브(16A)가 원래의 제 1 상태로 복귀 되고, 상기 반응 용기(202) 내부가 Ar 가스에 의해 세정된다.
또한 단계 5에 있어서, 상기 컨덕턴스 밸브(15A)의 개방도가 감소되고, 컨덕턴스 밸브(15B)의 개방도가 증대된다. 그 결과, 상기 석영 반응 용기(202)중에는, 상기 가스 도입구(13B)로부터 배기구(14B)로 흐르는 가스류가 발생한다.
다음으로 단계 6에 있어서, 상기 전환 밸브(16B)가 상기 제 1 상태로부터 제 2 상태로 전환되고, 상기 처리 가스 공급 라인(16b)중의 H2O 가스가 상기 제 2 처리 가스 도입구(13B)로부터 상기 석영 반응 용기(202)중에, 도 6에 도시하는 바와 같이 가스류(LF2)로서 도입된다. 이렇게 해서 도입된 H2O 가스류(LF2)는 앞서 설명한 바와 같이, 층류로 되어서 상기 피처리 기판(12)의 표면을 흘러 상기 배기구(14B)로부터 배출된다. 이러한 단계에 의해, 상기 피처리 기판(12)의 표면에 있어서, 앞서 흡착하고 있던 ZrCl4이 가수 분해되고, 약 1 분자층 두께의 ZrO2막이 형성된다. 상기 단계 6에 있어서는, 상기 제 1 전환 밸브(16A)는 상기 제 1 상태에 있고, 라인(23a)중의 Ar 퍼지 가스가 상기 제 2 처리 가스 도입구(13A)로부터 상기 석영 반응 용기(202)중에 도입된다. 그 결과, 상기 제 2 처리 가스 도입구(13B)로부터 도입된 H2O 가스가 상기 제 1 처리 가스 도입구(13A)로 침입하고, 석출물을 발생시키는 문제는 발생하지 않는다.
그런데 이와 같은 ALD 프로세스에서는, 상기 석영 반응 용기(202)내에 원료 가스의 층류를 형성하는 것이 바람직하기 때문에, 가스 노즐(13A, 13B)은 가늘고 긴 슬릿 형상의 노즐 개구부를 갖고, 이에 대응하여 배기구(14A, 14B)도 가늘고 긴 슬릿 형상으로 형성되어 있다.
이 때문에, 도 4의 단계 1에서 반응 용기(202)를 세정하는 경우, 퍼지 가스는 상기 배기구(14A 및 14B)로부터 배기되지만, 슬릿 형상의 배기구(14A, 14B)의 컨덕턴스는 한정되어 있고, 이 때문에 기판 처리 장치(10)가 피처리 기판(12)으로서 대직경의 기판, 예컨대 30㎝ 직경의 웨이퍼를 취급하도록 설계된 것인 경우, 가령 컨덕턴스 밸브(15A 및 15B)를 완전 개방해도 대용적의 반응 용기(202)를 배기하는데도 시간이 걸리고, 기판 처리의 처리 효율이 저하하게 된다. 한편, 배기시의 효율을 향상시키기 위해, 상기 배기구(14A, 14B)의 개구부 면적, 특히 가스 흐름 방향을 따라서 측량한 폭을 증대시키면, 상기 반응 용기(202)중에 있어서의 원료 가스의 흐름이 흐트러져, 1 분자층의 원료 가스의 흡착을 확실하게 실행할 수 없게 될 우려가 있다.
또한, 이와 같은 H2O를 ZrCl4 등이 흡착된 금속 분자종의 산화에 사용하는 ALD법에서는, H2O가 처리 용기 내벽이나 전환 밸브(16A, 16B)에 흡착하기 쉽고, 이 때문에, 도 4의 단계 S6에 있어서, 상기 전환 밸브(16B)로부터 H2O를 처리 용기내로 도입한 후, 단계 S1에 있어서 긴 퍼지 시간이 필요했다. 그 결과, 이러한 분자층의 흡착에 의한, 이른바 원자층 ALD 장치에 의한 성막 처리에서는, 통상의 CVD 장치에 의한 성막 처리에 비해 기판 처리의 처리 효율을 향상시키는 것이 어려웠다.
미국 특허 제 516365 호에는 피처리 기판을 수평으로 유지하는 처리 용기의 일단으로부터 기상(氣相) 원료를 도입하고, 다단으로부터 배기하는 구성의 CVD 장 치에 있어서, 원료 공급원중 하나로서 라디칼(radical)원을 설치한 구성이 개시되어 있다.
따라서, 도 2의 기판 처리 장치에 있어서 라디칼원으로부터 공급되는 산소 라디칼에 의해, 피처리 기판 표면에 흡착한 금속 분자층을 산화시키는 것이 고려되지만, 도 2의 장치는 반응 용기(202)내에 기상 원료의 층류를 형성할 필요가 있기 때문에 반응 용기(202)의 높이가 매우 작고, 이러한 라디칼원을 설치하기 어렵다.
또한 상기 미국 특허 제 516365 호는 이러한 라디칼원을 원료 공급 라인의 일부에 밸브를 거쳐서 접속하고 있지만, 이러한 구성을, 본 발명과 같은 기상 원료를 교대로 반복해서 공급하는 형식의 기판 처리 장치에 적용하려고 하면, 처리 가스와 라디칼을 처리 용기 내부에 있어서 바람직하게는 0.1초 이하의 매우 단시간에, 게다가 반복해서 전환할 필요가 있지만, 이와 같은 가스의 고속 전환을 가능하게 하는 기술은 종래 알려져 있지 않았다.
그런데 일반적으로 성막 장치에서는, 처리 용기 또는 반응 용기내에 성막시에 퇴적된 석출물을 정기적으로 클리닝을 실행하여 제거할 필요가 있지만, 이러한 클리닝에는, 종래부터 염소계 또는 불소계의 가스가 사용되고 있다. 특히 이와 같은 클리닝 가스를 플라즈마 처리에 의해 활성화하고, 형성된 라디칼을 사용함으로써, 클리닝의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
그런데, 도 1 및 도 2의 ALD 프로세스를 목적으로 한 기판 처리 장치(10)에서는, 석영 반응 용기(202)의 높이가 반응 용기(202)내에 층류를 형성할 필요가 있기 때문에, 겨우 5내지20㎜ 정도로 설정되어 있고, 앞서 설명한 바와 같이 라디칼 원을 설치하는 것이 어려웠다. 이 때문에, 상기 기판 처리 장치(10)에서는, 라디칼을 사용한 효율이 좋은 클리닝이 어려웠다.
따라서 본 발명은 상기 과제를 해결한, 신규하고 유용한 기판 처리 장치 및 이러한 기판 처리 장치에서 사용되는 밸브 장치를 제공하는 것을 개괄적 목적으로 한다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은, ALD 프로세스를 실행하는 기판 처리 장치로서, 반응 용기를 배기할 때의 배기 포트의 컨덕턴스를, ALD 프로세스중에는 상기 반응 용기내에 층류 또는 층형상의 안정된 원료 가스류가 형성되도록 작게 설정할 수 있고, 퍼지 프로세스중에는 상기 반응 용기내를 단시간에 세정할 수 있도록 크게 설정할 수 있는 기판 처리 장치 및 이것에 사용되는 고속 가변 컨덕턴스 밸브 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 분자층의 흡착 및 산화를 교대로 반복하는 기판 처리 장치에 있어서, 상기 산화 처리를 플라즈마 여기된 라디칼에 의해 실행함으로써, 기판 처리의 처리 효율을 향상시킬 수 있는 기판 처리 장치 및 이러한 기판 처리 장치를 사용한 기판 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 그 밖의 목적은, ALD 프로세스를 실행하는 기판 처리 장치에 있어서, 라디칼을 사용하여 효율적으로 클리닝을 실행하는 것이 가능한 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 그 밖의 목적은, 피처리 기판을 유지하는 기판 유지대를 구비하고, 배기 포트에 있어서 배기되는 처리 용기와, 상기 처리 용기에 복수의 원료 가스를 각각 층류의 형태로 공급하는 원료 가스 공급계를 구비한 기판 처리 장치에 있어서, 상기 배기 포트는 상기 층류가 흐르는 방향에 대하여 대략 직교하는 방향으로 연장되는 슬릿 형상을 갖고, 상기 배기 포트에는 상기 배기 포트의 슬릿 형상에 대응한 슬릿 형상 개구부를 갖는 밸브체를 구비한 밸브가 결합하고, 상기 슬릿 형상 개구부는, 상기 배기 포트에 대하여, 상기 배기 포트의 연장 방향에 대략 직교하는 방향으로 변위 가능하게 설치되고, 상기 밸브는 상기 슬릿 형상 개구부가 변위함으로써 개방도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 피처리 기판을 유지하는 기판 유지대를 구비한 처리 용기와, 상기 처리 용기내에 있어서 상기 기판 유지대의 제 1 측에 형성된 처리 가스 도입구와, 상기 처리 용기의, 상기 기판 유지대에 대하여 상기 제 1 측과는 다른 제 2 측에 형성된 라디칼원과, 상기 처리 용기내에 있어서 상기 제 1 측에 형성된 제 1 배기구와, 상기 처리 용기 중에 있어서 상기 제 2 측에 형성된 제 2 배기구와, 상기 제 1 배기구에 제 l 가변 컨덕턴스 밸브를 거쳐서 결합되어, 상기 제 2 배기구에 제 2 가변 컨덕턴스 밸브를 거쳐서 결합된 배기계로 이루어지는 기판 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 피처리 기판을 유지하는 기판 유지대를 구비하고, 배기 포트에 있어서 배기되는 처리 용기와, 상기 처리 용기내에 있어서 상기 기판 유지대의 제 1 측에 형성되고, 제 1 처리 가스를 제 1 층류의 형태로 상기 처리 용기내에 도입하는 제 1 원료 공급 노즐과, 상기 처리 용기내에 있어서 상기 기판 유지대의 제 2 측에 형성되고, 제 2 처리 가스를 제 2 층류의 형태로 상기 처리 용기내에 도입하는 제 2 원료 공급 노즐과, 상기 처리 용기내에 있어서 상기 제 2 측에 형성되고, 상기 제 1 층류를 배기하는 슬릿 형상의 제 1 배기구와, 상기 처리 용기내에 있어서 상기 제 1 측에 형성되고, 상기 제 2 층류를 배기하는 슬릿 형상의 제 2 배기구와, 상기 제 1 배기구에 결합된 제 1 배기관과, 상기 제 2 배기구에 결합되어, 컨덕턴스 가변 밸브를 설정된 제 2의 배기관과, 상기 제 2 배기관에, 상기 제 2 배기구와 상기 컨덕턴스 가변 밸브의 사이에서 결합된 클리닝 가스 공급원으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 원통 형상의 내부 공간과, 상기 원통 형상의 내부 공간에 평행하게 연장되고, 상기 내부 공간과 연통하는 슬릿 형상의 흡기구와, 상기 내부 공간에 연통한 배기구가 형성된 본체와, 상기 본체중에 상기 내부 공간에 결합하여 회전 가능하게 설치된 중공 원통 형상의 밸브체와, 상기 밸브체를 임의인 위치로 회전시키는 회전 기구를 구비한 고속 로터리 밸브로서, 상기 밸브체에는, 상기 흡기구에 대응한 슬릿 형상의 형상을 갖는 제 1 개구부와, 상기 배기구에 대응한 제 2 개구부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고속 로터리 밸브를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, ⓐ 처리 용기내를 세정하는 단계와, ⓑ 상기 처리 용기내에 처리 가스를 상기 피처리 기판의 제 1 측으로부터 도입하고, 상기 피처리 기판 표면에 처리 가스 분자를 흡착시킨 후, 상기 피처리 기판에 대하여 상기 제 1 측에 대향하는 제 2 측으로부터 배기하는 단계와, ⓒ 상기 단계 ⓑ 다음에, 상기 처리 용기내를 세정하는 단계와, ⓓ 상기 단계 ⓒ 다음에, 상기 처리 용기내에 라디칼을 상기 피처리 기판의 상기 제 1 측으로부터 도입하고, 상기 피처리 기판 표면에 흡착되어 있는 상기 처리 가스 분자를 산화시키고, 상기 제 2 측으로부터 배기하는 단계로 이루어지는 기판 처리 방법에 있어서, 상기 라디칼은 라디칼원에 의해 형성되고, 상기 라디칼은 상기 단계 ⓐ 내지 ⓒ에 있어서는 상기 라디칼원으로부터 배기계로 흐르고, 상기 단계 ⓓ에 있어서, 상기 처리 용기내에 공급되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 처리 용기내에 있어서, 상기 처리 용기내에 유지되어 있는 피처리 기판의 표면을 따라 제 1 측으로부터 상기 제 1 측에 대향하는 제 2 측에 처리 가스를 흘리고, 상기 피처리 기판 표면에 처리 가스 분자를 흡착시키는 단계와, 상기 처리 용기내를 세정하는 단계와, 상기 처리 용기내에 있어서, 상기 피처리 기판의 표면을 따라 상기 제 1 측으로부터 상기 제 2 측으로 산화 처리 가스를 흘리고, 상기 피처리 기판 표면에 흡착한 처리 가스 분자를 산화하는 단계로 이루어지는 기판 처리 방법에 있어서, 상기 산화 처리 가스를, 상기 처리 용기내에 있어서, 상기 피처리 기판의 상기 제 1 측에 있어서 자외광 여기 단계에 의해 활성화하고, 라디칼을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 피처리 기판을 유지하는 기판 유지대를 구비하고, 배기 포트에 있어서 배기되는 처리 용기와, 상기 처리 용기에 제 1 및 제 2 원료 가스를 각각 층류의 형태로 공급하는 원료 가스 공급계를 구비한 기판 처리 장치를 사용한 기판 처리 방법으로서, 상기 배기 포트는 상기 층류가 흐르는 방향에 대하여 대략 직교하는 방향으로 연장되는 슬릿 형상을 갖고, 상기 배기 포트에는, 상기 배기 포트의 슬릿 형상에 대응한 슬릿 형상 개구부를 갖는 밸브체를 구비한 밸브가 결합하고, 상기 슬릿 형상 개구부는 상기 배기 포트에 대하여 상기 배기 포트의 연장 방향에 대략 직교하는 방향으로 변위 가능하게 설치되고, 상기 밸브는 상기 슬릿 형상 개구부가 변위함으로써 개방도를 변화시키며, 상기 배기 포트는 상기 처리 용기의 서로 대향하는 제 1 및 제 2 단부에 각각 형성된 제 1 및 제 2 배기 포트로 이루어지고, 상기 제 1 및 제 2 배기 포트의 각각에 있어서 상기 밸브체는 상기 배기 포트의 연장 방향에 평행한 방향으로 연장되는 회전축 주위로 회전 가능한 중공 원통 부재로 구성되어 있고, 또한 각각 상기 회전축 방향으로 연장되는 제 1, 제 2 및 제 3 개구부가 형성되어 있고, 상기 처리 용기의 상기 제 1 및 제 2 단부에는 상기 제 1 및 제 2 배기 포트보다도 상기 기판 유지대상의 피처리 기판에 가까운 측에, 상기 제 1 및 제 2 배기 포트로부터 상기 피처리 기판을 향해서 연장되는 새의 부리 형상의 제 1 및 제 2 노즐이 상기 원료 가스 공급계로서 각각 설치되어 있고, 상기 기판 처리 장치는 상기 제 1 배기 포트에 결합되는 라디칼원을 갖고, 상기 제 1 배기 포트에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 개구부는, 상기 제 1 개구부가 상기 처리 용기를 상기 제 1 단부에 있어서 배기하는 제 1 배기관에 연통되어 있는 제 1 상태에 있어서 상기 제 2 개구부가 상기 제 1 단부에 연통하고, 상기 제 3 개 구부가 폐쇄되어 있는 위치 관계로 형성되어 있고, 또한 상기 제 1 내지 제 3 개구부는 상기 제 1 개구부가 상기 라디칼원에 연통하고 있는 제 2 상태에서 상기 제 3 개구부가 상기 제 1 단부에 연통하며, 상기 제 2 개구부가 폐쇄되어 있는 위치 관계로 형성되어 있고, 상기 제 2 배기 포트에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3개구부는, 상기 제 1 개구부가 상기 처리 용기를 상기 제 2 단부에 있어서 배기하는 제 2 배기관에 연통하고 있는 제 3 상태에 있어서 상기 제 2 개구부가 상기 제 2 단부에 연통하고 있는 상기 제 3 개구부가 폐쇄되어 있는 위치 관계로 형성되어 있고, 또한 상기 제 1 내지 제 3 개구부는 상기 제 1 및 제 2 슬릿 형상 개구부가 폐쇄되어 있는 제 4 상태에 있어서 상기 제 3 슬릿 형상 개구부가 상기 제 2 노즐에 연통하는 위치 관계로 형성되어 있고, 상기 제 2 배기 포트에는, 상기 밸브체를 구성하는 중공 원통 부재중에 가스 공급 라인이 설치되어 있고,
상기 기판 처리 방법은, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트를 각각 상기 제 1 및 제 3 상태로 설정하고, 상기 처리 용기 내부의 처리 공간을 배기하는 제 1 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 제 2 배기 포트를 상기 제 1 및 제 4 상태로 설정에 설정하고, 또한 상기 가스 공급 라인으로부터 원료 가스를 상기 처리 용기 내부에, 상기 제 2 배기 포트의 상기 제 3 개구부 및 상기 제 2 노즐을 거쳐서 도입하는 제 2 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 제 2 배기 포트를 각각 상기 제 1 및 제 3 상태로 설정하고, 상기 처리 용기 내부의 처리 공간을 배기하는 제 3 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 제 2 배기 포트를 각각 상기 제 2 상태 및 제 3 상태로 설정하고, 상기 라디칼원으로부터 라디칼을 상기 처리 용기내로 도입하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 피처리 기판을 유지하는 기판 유지대를 구비하고, 배기 포트에 있어서 배기되는 처리 용기와, 상기 처리 용기에 제 1 및 제 2 원료 가스를 개별적으로, 층류의 형태로 공급하는 원료 가스 공급계를 구비한 기판 처리 장치를 사용하여 실행하는 기판 처리 방법으로서, 상기 배기 포트는 상기 층류가 흐르는 방향에 대하여 대략 직교하는 방향으로 연장되는 슬릿 형상을 갖고, 상기 배기 포트에는, 상기 배기 포트의 슬릿 형상에 대응한 슬릿 형상 개구부를 갖는 밸브체를 구비한 밸브가 결합하고, 상기 슬릿 형상 개구부는, 상기 배기 포트에 대하여, 상기 배기 포트의 연장 방향에 대략 직교하는 방향으로 변위 가능하게 설치되고, 상기 밸브는 상기 슬릿 형상 개구부가 변위함으로써 개방도를 변화시키고, 상기 배기 포트는 상기 처리 용기의 서로 대향하는 제 1 및 제 2 단부에, 각각 제 1 배기 포트 및 제 2 배기 포트로서 형성되어 있고, 상기 제 1 및 제 2 배기 포트의 각각에 있어서 상기 밸브체는, 상기 배기 포트의 연장 방향에 평행한 방향으로 연장되는 회전축 주위로 회전 가능한 중공 원통 부재로 구성되어 있고, 또한 상기 밸브체는 각각 상기 회전축 방향으로 연장되는 적어도 제 1, 제 2 및 제 3의 개구가 형성되어 있으며, 상기 처리 용기의 상기 제 1 및 제 2 단부에는, 상기 제 1 및 제 2 배기 포트보다도 상기 기판 유지대상의 피처리 기판에 가까운 측에, 대응하는 배기 포트로부터 상기 피처리 기판을 향해서 연장되는 새의 부리 형상의 제 1 및 제 2 노즐이, 상기 원료 가스 공급계로서 각각 설치되어 있고, 상기 제 1 및 제 2 노즐의 각각에는, 원료 가스 공급 라인과 퍼지 가스 라인이 설치되어 있으며, 상기 제 1 배기 포트에 있어서 상기 제 1 내지 제 3 개구부는, 상기 제 3 개구부가 상기 처리 용기 내부를 상기 제 1 단부측에서 배기하는 제 1 배기관으로 연통한 제 1 상태에 있어서 상기 제 1 개구부가 상기 제 1 단부에 연통하고 제 2 개구부가 상기 제 1 노즐에 연통하는 위치 관계로 형성되어 있고, 또한 상기 제 1 내지 제 3 개구부는, 상기 제 1 개구부가 상기 제 1 배기관에 연통하는 제 2 상태에 있어서 상기 제 2 및 제 3 개구부 중 모두가, 상기 제 1 단부에도 상기 제 1 노즐에도 상기 제 1 배기관에도 연통하지 않는 위치 관계로 형성되어 있고, 상기 제 2 배기 포트에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 개구부는, 상기 제 3 개구부가 상기 처리 용기 내부를 상기 제 2 단부측에서 배기하는 제 2 배기관에 연통하는 제 3 상태에 있어서 상기 제 1 개구부가 상기 제 2 단부에 연통하며 상기 제 2 개구부가 상기 제 2 노즐에 연통하는 위치 관계로 형성되어 있고, 또한 상기 제 1 내지 제 3 개구부는 상기 제 1 개구부가 상기 제 2 배기관에 연통하고 있는 제 4 상태에 있어서 상기 제 2 및 제 3 개구부 중 모두가, 상기 제 2 단부에도 상기 제 2 노즐에도 상기 제 2 배기관에도 연통하지 않는 위치 관계로 형성되어 있고, 상기 기판 처리 방법은, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트의 상태를 상기 제 1 및 제 3 상태로 각각 설정하고, 상기 처리 용기 내부를 배기하는 제 1 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트의 상태를 상기 제 1 및 제 4 상태로 각각 설정하고, 상기 제 2 노즐로부터 상기 제 2 원료 가스를 상기 처리 용기 내부에 도입하는 제 2 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트의 상태를 상기 제 1 및 제 4 상태로 각각 설정하고, 상기 제 2 노즐로부터 퍼지 가스를 상기 처리 용기 내부에 도 입하는 제 3 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트의 상태를 상기 제 2 및 제 3 상태로 각각 설정하며, 상기 처리 용기 내부를 배기하는 제 4 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트의 상태를, 상기 제 2 및 제 3 상태로 각각 설정하고, 상기 제 1 노즐로부터 제 2 원료 가스를 상기 처리 용기 내부로 도입하는 제 5 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트의 상태를 상기 제 2 및 제 3 상태로 설정하고, 상기 제 1 노즐로부터 퍼지 가스를 상기 처리 용기 내부로 도입하는 제 6 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 피처리 기판을 유지하는 기판 유지대를 구비하고, 배기 포트에 있어서 배기되는 처리 용기와, 상기 처리 용기에 제 1 및 제 2 원료 가스를 개별적으로, 층류의 형태로 공급하는 원료 가스 공급계를 구비한 기판 처리 장치를 사용한 기판 처리 방법으로서, 상기 배기 포트는 상기 층류가 흐르는 방향에 대하여 대략 직교하는 방향으로 연장되는 슬릿 형상을 갖고, 상기 배기 포트에는, 상기 배기 포트의 슬릿 형상에 대응한 슬릿 형상 개구부를 갖는 밸브체를 구비한 밸브가 결합하고, 상기 슬릿 형상 개구부는, 상기 배기 포트에 대하여, 상기 배기 포트의 연장 방향에 대략 직교하는 방향으로 변위 가능하게 설치되고, 상기 밸브는, 상기 슬릿 형상 개구부가 변위함으로써 개방도를 변화시키고, 상기 배기 포트는 상기 처리 용기가 서로 대향하는 제 1 및 제 2 단부에, 각각 제 1 배기 포트 및 제 2 배기 포트로서 형성되어 있으며, 상기 기판 처리 장치는 상기 제 2 배기 포트에 결합된 라디칼원을 갖고 있고, 상기 제 1 및 제 2 배기 포트의 각각에 있어 서 상기 밸브체는, 상기 배기 포트의 연장 방향에 평행한 방향으로 연장되는 회전축 주위로 회전 가능한 중공 원통 부재로 구성되어 있고, 또한 상기 밸브체는 각각 상기 회전축 방향으로 연장되는 적어도 제 1, 제 2 및 제 3 개구부가 형성되어 있고, 상기 처리 용기의 상기 제 1 및 제 2 단부에는, 상기 제 1 및 제 2 배기 포트보다도 상기 기판 유지대상의 피처리 기판에 가까운 측에, 대응하는 배기 포트로부터 상기 피처리 기판을 향해서 연장되는 새의 부리 형상의 제 1 및 제 2 노즐이, 상기 원료 가스 공급계로서 각각 설치되어 있고, 상기 제 1 및 제 2 노즐의 각각에는, 원료 가스 공급 라인과 퍼지 가스 라인이 설치되어 있으며, 상기 제 1 배기 포트에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 개구부는, 상기 제 3 개구부가 상기 처리 용기 내부를 상기 제 1 단부측에서 배기하는 제 1 배기관에 연통하는 제 1 상태에 있어서 상기 제 1 개구부가 상기 제 1 단부에 연통하고 상기 제 2 슬릿 형상 개구부가 상기 제 1 노즐에 연통하는 위치 관계로 형성되어 있고, 또한 상기 제 1 내지 제 3 개구부는, 상기 제 1 개구부가 상기 제 1 배기관에 연통하고 있는 제 2 상태에 있어서 상기 제 2 및 제 3 개구부가 상기 제 1 단부에도 상기 제 1 노즐에도, 또한 상기 제 1 배기관에도 연통하지 않는 위치 관계로 형성되어 있고, 상기 제 2 배기 포트에 있어서 상기 제 1 내지 제 3 개구부는, 상기 제 2 개구부가 상기 처리 용기 내부를 상기 제 2 단부측에서 배기하는 제 2 배기관에 연통하는 제 3 상태에 있어서 상기 제 1 개구부가 상기 제 2 단부에 연통하고 상기 제 3 개구부가 상기 제 2 노즐에도 상기 라디칼원에도 연통하지 않는 위치 관계로 형성되어 있고, 또한 상기 제 1 내지 제 3 개구부는, 상기 제 3 개구부가 상기 제 2 배기관에 연통한 제 4 상태에 있어서 상기 제 2 개구부가 상기 제 2 단부에 연통하고, 또한 상기 제 1 개구부가 상기 라디칼원에 연통하는 위치 관계로 형성되어 있고, 또한 상기 제 1 내지 제 3 개구부는, 상기 제 1 개구부가 상기 제 2 배기관에 연통하고 있는 제 5 상태에 있어서 상기 제 3 개구부가 상기 라디칼원에 연통하는 위치 관계로 형성되어 있고, 또한 상기 제 1 내지 제 3 개구부는, 상기 제 3 개구부가 상기 제 2 단부에 연통하는 제 6 상태에 있어서, 상기 제 2 개구부가 상기 라디칼원에 연통하는 위치 관계로 형성되어 있고, 상기 기판 처리 방법은, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트를 상기 제 1 상태 및 제 3 상태로 각각 설정하고, 상기 처리 용기 내부를 배기하는 제 1 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트를 상기 제 2 상태 및 제 4 상태로 각각 설정하고, 또한 상기 제 1 노즐로부터 상기 처리 용기 내부로 상기 제 1 원료 가스를 공급하는 제 2 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트를 상기 제 2 상태 및 제 3 상태로 각각 설정하고, 상기 제 1 노즐로부터 상기 처리 용기 내부에 퍼지 가스를 도입하는 제 3 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트를 상기 제 1 상태 및 제 3 상태로 각각 설정하고, 상기 처리 용기 내부를 배기하는 제 4 단계와, 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트를 상기 제 1 상태 및 제 6 상태로 각각 설정하고, 상기 라디칼원으로부터 상기 처리 용기 내부로 라디칼을 도입하는 제 5 단계와, 상기 제 1 배기 포트 및 상기 제 2 배기 포트를 상기 제 1 상태 및 제 6 상태로 각각 설정하고, 상기 라디칼원으로부터 상기 용기 내부에 퍼지 가스를 도입하는 제 6 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 피처리 기판을 유지하는 기판 유지대를 구비하고, 상기 기판 유지대의 제 1 및 제 2 측에 각각 형성된 제 1 및 제 2 배기 포트에 있어서 배기되는 처리 용기와, 상기 처리 용기에 제 1 및 제 2 원료 가스를 교대로, 각각 상기 제 2 측으로부터 상기 제 1 측에, 또한 상기 제 1 측으로부터 상기 제 2 측에, 층류의 형태로 공급하는 원료 가스 공급계를 구비한 기판 처리 장치의 클리닝 방법에 있어서, 상기 처리 용기를 상기 제 1 배기구에 있어서 배기하고 있는 상태에 있어서, 상기 처리 용기내에 클리닝 가스를, 상기 제 2 배기구에 결합된 배기관으로부터, 상기 제 2 배기구를 통과하여 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 클리닝 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 원료 가스를 교대로 전환하면서 막성장을 실행하는 ALD 성막 장치에 있어서, 처리 용기에 설치된 배기구의 컨덕턴스가 고속 로터리 밸브에 의해 가변으로 제어되기 때문에, 상기 컨덕턴스를 소정의 값으로 제어함으로써, 소망하는 1 분자층의 막 성장을 안정적으로 실행하는 동시에, 상기 컨덕턴스를 최대로 제어함으로써, 상기 처리 용기내를 고속으로 세정하는 것이 가능해지고, ALD 프로세스에 의한 막성장을 효율적으로 실행하는 것이 가능해진다. 또한 본 발명에서는, 배기구의 컨덕턴스를 연속적으로 변화시키는 것이 가능하기 때문에, 사용되는 원료 가스에 따라 상기 배기구의 컨덕턴스를 변화시키는 것이 가능해지고, ALD 프로세스를 더 안정화시키는 것이 가능하다.
본 발명의 그 밖의 과제 및 특징은, 이하 도면을 참조하면서 실행하는 본 발명의 상세한 설명으로 명확해질 것이다.
[제 1 실시예]
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 기판 처리 장치(ALD 성막 장치)(40)의 구성을 도시한다. 단, 도면에 있어서, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에서는 도 1 내지 도 3에 설명한 기판 처리 장치(10)에서 사용되고 있는 컨덕턴스 밸브(15A, 15B)가 철거되고, 그 대신에 상기 배기구(14A, 14B)에 인접하며, 상기 배기홈부(201a 또는 201b)중에, 고속 로터리 밸브(25A, 25B)가 설치된다. 또한 상기 고속 로터리 밸브(25A 및 25B)는 각각 배관(207a 및 207b)을 거쳐서 상기 트랩(100)에 결합된다.
도 8은 상기 처리 용기(11)의 구성을, 도 3의 석영 바닥판(202A)을 제거한 상태로 도시한다.
도 8을 참조하면, 상기 처리 용기(11)를 구성하는 외측 용기(201)중에는 상기 석영 반응 용기(202)가 수납되는 공간이 형성되어 있고, 상기 공간중에 피처리 기판(12)의 표면이 노출되며, 또한 피처리 기판(12)의 양측에 앞의 배기구(14A, 14B) 대신에 배기구(26A, 26B)를 갖는 고속 로터리 밸브(25A, 25B)가 설치되어 있다. 본 실시예에서는, 상기 배기구(26A, 26B)는 원료 가스의 흐름 방향에 직교하는 방향으로 측정한 폭(W)이 종래의 배기구(14A, 14B)의 경우보다도 실질적으로 크게 설정되어 있고, 그 결과 상기 석영 반응 용기(202)로부터 상기 배기구(26A, 26B)를 거쳐서 다량의 가스를 효율적으로 배기하는 것이 가능해진다.
도 9a 및 도 9b는 상기 고속 로터리 밸브(25A)의 구성을 도시한다. 단 도 9a는 로터리 밸브(25A)의 전체를 비스듬히 위에서 본 사시도이고, 도 9b는 동일한 로터리 밸브(25A)를 비스듬히 아래에서 본 사시도이다. 상기 고속 로터리 밸브(25A)는 고속 로터리 밸브(25B)와 동일한 구성을 갖기 때문에, 이하에는 고속 로터리 밸브(25A)만을 설명한다.
도 9a를 참조하면, 고속 로터리 밸브(25A)는 상기 배기구(26A)가 형성된 본체(251)와, 상기 본체(251)중에 회전 가능하게 설치된 밸브체(252)(도 10 참조)와, 상기 밸브체(252)를 회전시키는 서보 모터(253)로 이루어지고, 또한 상기 본체(251)의 일부에는, 히터를 수납한 가열부(254)가 설치되어 있다. 또한, 도 9b에 도시하는 바와 같이, 상기 본체(251)의 바닥면에는 도관(207a)에 결합되는 배기구(255)가 형성되어 있다.
도 10은 도 9a 및 도 9b의 고속 로터리 밸브(25A)의 분해도를 도시한다.
도 10을 참조하면, 상기 본체(251)의 일단은 베어링을 구비한 캡(251A)으로 폐쇄되고, 상기 본체(251)의 타단에는 상기 서보 모터(253)를 갖는 구동 블록(253A)이 실(253B)을 거쳐서 결합된다.
상기 본체(251)중에는, 상기 배기구(26A 및 255)에 연통한 원통 형상의 개구부가 형성되어 있고, 상기 원통형 개구부중에는 대응하여 중공 원통 형상을 한 세라믹 또는 금속으로 이루어지는 밸브체(252)가, 회전 가능하게 삽입되어 있다. 상기 밸브체(252)에는 길이 방향으로 연장되는 개구부(252A) 및 상기 개구부(252A)에 직경 방향상에서 대향하는 위치에 다른 개구부(252B)(도 11d 참조)가 형성되어 있 고, 밸브체(252)는 상기 서보 모터(253)에 밸브체(252)의 단부에 설치된 축(252X)에 있어서 결합되고, 상기 서보 모터(253)에 의해, 시계 회전 방향 및 반시계 회전 방향으로 회전된다. 또한 상기 가열부(254)에는 히터(254A)가 삽입되어 있다. 상기 밸브체(252)의 타단에는 도시는 생략하지만 상기 축(252X)과 동일한 회전축이 설치되고, 상기 캡(251A)에 설치된 베어링에 있어서 회전 가능하게 유지된다.
도 11a 내지 도 11d는 상기 밸브체(252)의 구성을 도시한다. 단 도 11a는 밸브체(252)의 사시도, 도 11b는 밸브체(252)의 평면도이고, 도 11c는 밸브체(252)의 단면도이고, 또한 도 11d는 밸브체(252)의 저면도를 도시한다.
도 11a 내지 도 11d를 참조하면, 상기 밸브체(252)에는 상기 2개의 개구부(252A)가 중간부(252a)를 사이에 두고 형성되어 있고, 각각의 개구부(252A)는 상기 밸브체(252) 내부의 공간을 거쳐서 상기 중간부(252a)와 대향하는 위치에 형성된 개구부(252B)와 연통한다.
도 12a 내지 도 12d는 본 실시예의 기판 처리 장치(40)에서 사용되는, 상기 고속 로터리 밸브(25A)의 4개의 상태를 도시한다.
도 12a를 참조하면, 상기 서보 모터(253)는 상기 밸브체(252)를 상기 밸브체(252)중의 개구부(252A)가 상기 배기구(26A)에 있어서 6㎜의 폭(W)을 갖는 개구를 형성하도록 회전시키고, 그 결과 도 1의 구성에 있어서 도 7의 기판 처리 장치(40)를 사용하며, 상기 석영 반응 용기(202) 내부를 상기 개구부(255)에 결합된 도관(207a)을 거쳐서 배기했을 경우, 배기시의 컨덕턴스가 제한되고, 상기 반응 용기(202)내는 서서히 배기되며, 소망하는 원료 가스의 상기 피처리 기판(12) 표면으 로의 흡착이 발생한다.
한편, 도 12b의 상태에서는, 상기 밸브체(252)는 서보 모터(253)에 의해, 상기 개구부(252A)가 8㎜의 폭(W)을 갖는 개구를 형성하도록 구동되어 있고, 그 결과, 밸브(25A)의 도 12a의 상태보다도 커진다.
도 12c의 상태에서는, 상기 밸브체(252)는 서보 모터(253)에 의해, 상기 개구부(252A)가 개구부(26A)와 일치하도록 구동되어 있고, 그 결과 상기 밸브(25A)는 완전 개방된 상태로 되어 있다. 도 12c의 상태에서는, 상기 개구부(252A)는 폭(W)이 40㎜인 개구부를 형성한다.
이에 반해, 도 12d의 상태에서는, 상기 밸브체(252)는 서보 모터(253)에 의해, 상기 개구부(252A)가 개구부(26A)로부터 완전히 분리되도록 구동되어 있고, 그 결과 상기 밸브(25A)는 폐쇄된 상태로 되어 있다.
도 42는 본 실시예에 의한 고속 로터리 밸브(25A, 25B)에 있어서의 밸브체(252)의 회전에 따른 컨덕턴스 변화의 예를 나타낸다.
도 42를 참조하면, 밸브체(252)의 회전각이 0°인 경우에 3000 l/s를 넘는 컨덕턴스가 얻어짐에 반해, 회전각이 약40°를 초과하면 컨덕턴스는 제로로 되고, 또한 회전각이 120°를 초과한 정도부터 다시 증대하며, 170°정도에서 600 l/s 정도의 값까지 증대한다는 것을 알 수 있다. 본 발명에서는, 밸브체(252)를 단순히 회전시킴으로써, 도 42에 도시하는 컨덕턴스 변화를 0.1초 이내의 매우 짧은 시간에 실현하는 것이 가능해진다.
[제 2 실시예]
도 13은 도 7의 기판 처리 장치(40)를 사용하여 상기 피처리 기판(12) 표면에 Al2O3 막을 ALD법에 의해 형성하는 본 발명의 제 2 실시예의 구성을 나타낸다. 단, 도 13에 있어서, 앞서 먼저 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 13을 참조하면, 본 실시예에서는 상기 원료 용기(20A)에 TMA(트리메틸 알루미늄)가 유지되고, 상기 원료 용기(20A)중의 TMA는 전환 밸브(16A) 및 노즐(13A)을 거쳐서, 상기 처리 용기(11)중의 석영 반응 용기(202)내에 도입된다. 또한, 도 13의 시스템에서는, 원료 용기(20C)를 포함하는 원료 공급계는 사용되지 않기 때문에, 도시를 생략하고 있다.
도 14는 도 13의 시스템을 사용하여 실행되는 ALD 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 14를 참조하면, 단계 10의 단계에 있어서 상기 고속로터리 밸브(25A, 25B)가 모두 도 12c의 상태로 완전 개방되고, 상기 밸브(16A 및 16B)로부터 각각 상기 노즐(13A 및 13B)을 거쳐서 Ar 가스가 상기 석영 반응 용기(202)중에 도입되고, 반응 용기(202) 내부가 세정된다.
다음으로, 단계 11에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A)가 도 12d의 상태로 폐쇄되고, 동시에 상기 고속 로터리 밸브(25B)가 도 12a의 상태로 부분적으로 개방된다. 또는, 상기 고속 로터리 밸브(25B)는 상기 반응 용기(202)의 내부가 소정의 압력으로 되도록 제어된다. 또한 상기 밸브(16B) 및 노즐(13B)을 거쳐서 상기 석영 반응 용기(202)내에 H2O 가스가 도입된다. 도입된 H2O 가스는 상기 피처리 기판(12)의 표면에 따라 층류로 되어 흐르며, 상기 로터리 밸브(25B)로부터 배출된다. 이에 수반하여, H2O 분자가 상기 기판 표면에, 1 분자층만 흡착된다. 상기 단계 11 동안, 상기 노즐(13A)에는 밸브(16A)로부터 소량의 Ar 가스가 공급되고, 노즐(13A) 내부가 세정된다.
다음으로, 단계 12의 단계에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A, 25B)가 모두 도 12c의 완전 개방 상태로 설정되고, 또한 상기 밸브(16A, 16B)로부터 노즐(13A 및 13B)을 거쳐서 Ar 가스를 도입함으로써, 상기 노즐(13A, 13B) 및 상기 석영 반응 용기(202)의 내부가 세정된다.
다음으로 단계 13의 단계에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25A)가 도 12b의 상태로 부분적으로 개방되고, 또한 고속로터리 밸브(25B)가 도 12d의 상태로 폐쇄된다. 또는, 상기 고속 로터리 밸브(25A)는 상기 처리 용기(22) 내부에 소정의 압력이 발생하도록 제어된다. 또한, 이 상태에 있어서 상기 전환 밸브(16A)로부터 가스 노즐(13A)을 거쳐서 TMA가 상기 석영 반응 용기(202)내로 도입되고, 도입된 TMA는 상기 피처리 기판(12)의 표면을 층류로 되어 흐르며, 상기 로터리 밸브(25A)로부터 배출된다. 그 결과, 상기 피처리 기판(12)의 표면에는 1 분자층의 Al2O3 막이 형성된다. 그 동안, 상기 가스 노즐(13B)은 Ar 가스에 의해 세정되어 있다.
또한, 단계 14의 단계에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A, 25B)는 모두 도 12c의 상태로 완전 개방되고, 상기 노즐(13A 및 13B)로부터 Ar 가스를 도입함으로써, 상기 노즐(13A, 13B)의 내부 및 상기 석영 반응 용기(202) 내부가 세정된다.
단계 10 내지 단계 14의 단계를 반복함으로써, 상기 피처리 기판 표면에 1 분자층씩 고품질의 Al2O3 막을 형성하는 것이 가능하다.
도 15는 도 14의 단계 10 또는 단계 12에 있어서의 석영 반응 용기(202)내의 퍼지 속도를, 본 발명의 고속 로터리 밸브(25A, 25B)를 사용한 경우와, 도 2의 종래의 컨덕턴스 밸브(15A, 15B)를 사용한 경우와 비교하여 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 잔류 가스 농도가 당초의 5% 정도까지 감소하는데 필요한 시간이, 본 발명의 고속 로터리 밸브(25A, 25B)를 사용한 경우 0.1초 정도로 완료되고, 이것은 종래의 경우의 1/5 정도까지 단축되어 있다는 것을 알 수 있다. 또한 도 16으로부터, 상기 석영 반응 용기(202)를 진공 세정한 경우라도, 본 발명의 고속 로터리 밸브(25A, 25B)를 사용하면, 1초의 세정 시간으로 잔류 가스 농도를 5% 정도까지 낮출 수 있다는 것을 알 수 있다.
[제 3 실시예]
도 16은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 기판 처리 장치(50)의 구성을 도시한다. 단 도 16 중, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 16을 참조하면, 본 실시예에서는 한쪽의 고속 로터리 밸브(25B)가 철거되 어 있고, 또한 이에 수반하여 대응하는 원료 가스 공급 노즐(13B) 및 이에 협동하는 원료 가스 공급계가 철거되어 있다.
이러한 구성의 기판 처리 장치(50)에 있어서도, 도 17의 흐름도에 도시하는 바와 같이, 단계 21에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A)를 완전 개방하고, 노즐(13A)로부터 Ar 가스를 공급함으로써, 상기 석영 반응 용기(202) 내부가 고속으로 세정된다. 따라서, 단계 22에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A)를 6㎜의 개방도로 설정하고, 또한 상기 노즐(13A)로부터 H2O 가스를 도입함으로써, 상기 피처리 기판(12)의 표면에 1 분자층만 H2O 분자를 흡착시킨다. 또한, 단계 22에 있어서, 밸브(25A)의 개방도를 설정하지 않고, 처리 압력을 설정하며, 이 압력에 맞추어 슬릿 폭을 제어하도록 해도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 단계 23에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A)가 완전 개방되고, 노즐(13A) 및 석영 반응 용기(202) 내부가 Ar 가스에 의해 세정된다.
또한 단계 24에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A)가 8㎜의 개방도로 설정되고, 또한 상기 노즐(13A)로부터 TMA 가스를 도입함으로써, 상기 피처리 기판(12)의 표면에 1 분자층의 Al2O3 막이 형성된다. 또한, 단계 24에 있어서 밸브(25A)의 개방도를 설정하지 않고, 처리 압력을 설정하고, 이 압력에 맞추어 슬릿폭을 제어하도록 해도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
[제 4 실시예]
도 18은 본 발명의 제 4 실시예에 의한 기판 처리 장치(60)의 구성을 도시한다. 단, 도 18에 있어서, 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
도 18을 참조하면, 기판 처리 장치(60)에서는, 상기 도관(207b)에 상기 고속 로터리 밸브(26B)의 하류측에 있어서 도 2의 컨덕턴스 밸브(15B)가 더 설치되고, 상기 도관(207b)에는 또한 상기 고속 로터리 밸브(26B)와 상기 컨덕턴스 밸브(15B)의 중간 부분에 개폐 밸브(61)를 거쳐서 리모트 플라즈마원(62)이 설치된다.
상기 리모트 플라즈마원(62)은 Ar 등의 희가스와 Cl2나 CHF3 등의 염소계 또는 불소계의 NF3 등의 클리닝 가스가 공급되고, 상기 리모트 플라즈마원(62)에 협동하는 예컨대 주파수가 400㎑의 고주파원(62A)을 구동함으로써, 화학적으로 활성된 염소 라디칼 또는 불소 라디칼을 발생시킨다.
본 실시예에 의해 기판 처리 장치(60)에서는, 상기 고속로터리 밸브(25A 및 25B)를 완전 개방하고, 또한 상기 컨덕턴스 밸브(15B)를 폐쇄함으로써, 이와 같이 하여 형성된 염소 라디칼 또는 불소 라디칼을, 상기 도관(207b)으로부터 상기 고속 로터리 밸브(25B)를 거쳐서 상기 석영 반응 용기(202)에, 통상의 배기 방향과는 역 방향으로 도입하고, 이것을 또한 고속 로터리 밸브(25A)를 거쳐서 배기함으로써, 상기 석영 반응 용기(20)의 효율적인 클리닝이 가능하게 한다.
도 19는 클리닝 단계를 나타내는 흐름도를, 또한 도 20a 및 도 20b는 도 19의 흐름도에 대응하는 기판 처리 장치(60)의 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 19를 참조하면, 단계 21에 있어서 고속 로터리 밸브(25A)가 완전 개방되고, 고속 로터리 밸브(25B)가 폐쇄된다. 또한 상기 리모트 플라즈마원(62)에 Ar 가스 및 Cl2 가스를 공급하고, 상기 컨덕턴스 밸브(15B)를 완전 개방하고, 상기 개폐 밸브(61)를 개방하며, 상기 리모트 플라즈마원(62)을 고주파원(62A)에 의해 형성된 주파수가 400㎑이고 파워가 5㎾인 고주파로 구동함으로써, 리모트 플라즈마 및 이에 수반하는 염소 라디칼(Cl*)을 발생시킨다. 단계 21의 상태에서는, 형성된 염소 라디칼은 도 20a에 도시하는 바와 같이 그대로 배기계로 배기된다.
다음으로 단계 22에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25B)가 완전 개방되고, 컨덕턴스 밸브(15)가 폐쇄됨으로써, 단계 21에서 형성되어 있었던 염소 라디칼(Cl*)은 도 20b에 도시하는 바와 같이 상기 고속 로터리 밸브(25B) 및 배기구(26B)를 통과하여 석영 반응 용기(202)내에 도입된다. 도입된 염소 라디칼(Cl*)은 상기 석영 반응 용기(202)내를 상기 고속 로터리 밸브(25A)로 흐르고, 배기구(25A)를 통과하여 배출된다. 따라서, 단계 22의 상태를 소정 시간 유지함으로써, 상기 석영반응 용기(202)의 내벽면 등에 부착된 퇴적물이 클리닝된다.
다음으로 단계 23의 단계에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25B)가 다시 폐쇄되고, 상기 컨덕턴스 밸브(15B)가 완전 개방된다. 그 결과, 앞서 도 20A에 도시하는 바와 같이 상기 리모트 라디칼원(62)에서 형성된 염소 라디칼은 그대로 배기계로 배기된다.
또한 단계 24의 단계에 있어서 상기 고주파원(62A)이 차단되고, 리모트 라디칼 발생원(62)이 오프되며, 상기 개폐 밸브(61)가 폐쇄된다.
본 실시예에서는, 앞서 설명한 바와 같이 상기 배기구(26A, 26B)의 폭(W)을 종래의 배기구(14A, 14B)의 폭보다도 크게 설정하고, 또한 큰 컨덕턴스를 실현할 수 있는 고속 로터리 밸브(25A, 25B)를 조합시킴으로써, 다량의 라디칼을 석영 반응 용기(220)내로 외부로부터 도입할 때에, 라디칼이 활성을 잃는 것을 최소한으로 억제할 수 있고, 효율적인 클리닝이 가능하게 된다. 본 실시예에서는 라디칼원(62)이 배기계의 일부에 형성되어 있기 때문에, 상기 반응 용기(202)가 원료 가스의 층류를 형성하는데 적절한 편평한 형상을 갖는 것이어도, 라디칼원을 설치하는데 어려움은 없다.
[제 5 실시예]
도 18의 기판 처리 장치(60)에 있어서, 라디칼원(62)은 처리 용기(202)의 클리닝뿐만 아니라, 피처리 기판상에 흡착한 분자를 산화 또는 질화하는데도 효과적이다. 이 경우에는, 상기 라디칼원(62)에 클리닝 가스 대신에 산소 또는 질소 가스를 Ar 등의 희가스와 함께 공급한다.
이하, 도 18의 기판 처리 장치(60)를 사용하여 피처리 기판상에 A12O3 막을 형성하는 본 발명의 제 5 실시예에 의한 기판 처리 단계를, 도 21a 및 도 21b를 참조하면서 설명한다.
도 21a를 참조하면, 상기 기판 유지대(203)가 상기 서보 모터(253)에 의해 회전되고, 또한 상기 고속 로터리 밸브(25A)가 개방되며, 상기 반응 용기(202)내가 배기된다. 또한 상기 리모트 라디칼원(62)이 구동되고 있다. 또한 도 21a의 상태에서는 상기 고속 로터리 밸브(25B)가 폐쇄되고, 상기 처리 가스 도입구(13A)로부터 TMA 등의 처리 가스가 상기 반응 용기(202)내에 도입된다. 도입된 처리 가스는 상기 기판 유지대(203)상의 피처리 기판 표면을 따라 흐르고, 상기 고속 로터리 밸브(25A) 및 도관(207a)을 통과하여 배기된다. 그 결과, 상기 피처리 기판 표면에는 TMA 분자가 흡착하고, 거의 1 분자층 두께의 TMA층이 형성된다.
도 21a의 상태에서는, 상기 도관(207b)에 설치된 가변 컨덕턴스 밸브(15C)는 개방되어 있고, 그 결과 상기 리모트 라디칼원(62)으로 형성된 산소 라디칼은, 상기 반응 용기(202)에 도입되지 않고, 상기 가변 컨덕턴스 밸브(15C)를 통과하여 배출된다.
한편 도 21b의 상태에서는, 상기 처리 가스 도입구(13A)로의 TMA의 공급은 전환 밸브(16A)에 의해 차단되고, 또한 상기 가변 컨덕턴스 밸브(15C)를 폐쇄하고, 고속 로터리 밸브(25B)를 개방함으로써, 상기 반응 용기(202)내에 상기 리모트 라디칼원(62)으로 형성된 산소 라디칼(O*)이, 상기 배기구(26B)를 통과하여 역류하는 형태로 공급된다. 그 때, 도 21b의 상태에서는 상기 고속 로터리 밸브(25A)도 개방되어 있고, 그 결과 이렇게 해서 도입된 산소 라디칼(O*)은 상기 반응 용기(202)내를 상기 회전되어 있는 피처리 기판의 표면을 따라 흐르며, 상기 기판 표면에 흡 착되어 있는 TMA 분자를 산화하여, 1 분자층의 Al2O3 막을 형성한다.
도 21b의 단계 후, 또한 도 21a의 단계로 복귀하고, 도 21a 및 도 21b의 단계를 교대로 반복함으로써, Al2O3 막을 피처리 기판상에 1 분자층씩 성장시킬 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는, TMA 분자의 산화에 H2O 대신에 산소 라디칼을 사용한다. 이에 수반하여, H2O를 도입하는 처리 가스 공급구(13B) 및 전환 밸브(16B)는 사용하지 않는다. 그 결과, 반응 용기(202)의 내벽이나 전환 밸브(16B)에 있어서의 H2O 분자의 부착의 문제가 발생하지 않고, 도 21b의 상태로부터 도 21a의 상태로의 전환시의 퍼지 단계를 신속히 실행하는 것이 가능해진다.
특히 상기 배기구(26A 및 26B)에 앞서 설명한 고속 로터리 밸브(25A, 25B)를 사용함으로써, 상기 리모트 라디칼원(62)을 상기 배기구(26B)의 근방에 설치하는 것이 가능해지고, 산소 라디칼을 효율적으로 반응 용기(202)내에 도입하는 것이 가능해진다. 본 실시예에서는, 리모트 라디칼원(62)은 편평한 처리 용기(201) 또는 그 내부의 반응 용기(202)에 직접 설치할 필요가 없기 때문에 설계가 용이하다.
도 22는 도 21a 및 도 21b의 단계를 포함한, 도 18의 기판 처리 장치(60)에 의한 기판 처리 단계를 도시하는 흐름도이다.
도 22를 참조하면, 단계 S30에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A, 25B)가 완전 개방되고, 또한 상기 처리 가스 도입구(13A)로부터 Ar 가스를 도입함으로써, 상기 반응 용기(202)의 내부가 세정된다. 이 단계에서는 반응 용기(202)로부터 배출되는 잔류 처리 가스가 상기 리모트 플라즈마원(62)에 침입하여 퇴적을 발생시키는 것을 방지하기 위해서, 상기 밸브(61)는 도 23a에 도시하는 바와 같이 폐쇄해 둘 수도 있다. 단, 상기 잔류 처리 가스의 침입이 적은 경우에는, 도 23b에 도시하는 바와 같이 상기 단계 S30의 퍼지 단계에 있어서 상기 밸브(61)를 개방해 두는 것도 가능하다. 이 경우에는, 리모트 플라즈마원(62)내의 압력이 안정되고, 플라즈마를 안정시킬 수 있다.
다음으로, 도 23a의 단계에 대응하는 단계 S31에 있어서, 상기 로터리 밸브(25B)가 폐쇄되고, 상기 로터리 밸브(25A)의 밸브 해제도를 6㎜로 설정한다. 이 상태에서 상기 처리 가스 도입구(13A)로부터 TMA를 도입함으로써, 상기 피처리 기판의 표면에, 동일하게 거의 1 분자층 두께의 TMA 분자층을 흡착시킨다.
다음으로, 단계 S32에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A, 25B)가 다시 완전 개방되고, 상기 반응 용기(202)중에 잔류하고 있는 TMA가 세정된다. 이 단계에서도, 상기 리모트 플라즈마원(62)의 밸브(61)는 상기 도면(23A)에 도시하는 바와 같이 폐쇄해 둘 수도 있다. 단, 상기 잔류 처리 가스의 침입이 적을 경우에는, 도 23b에 도시하는 바와 같이 상기 단계 S30의 퍼지 단계에 있어서 상기 밸브(61)를 개방해 두는 것도 가능하다. 이 경우에는, 리모트 플라즈마원(62)내의 압력이 안정되고, 플라즈마를 안정시킬 수 있다.
또한, 도 21b의 단계에 대응하는 단계 S33에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25A 및 25B)가 개방되고, 또한 처리 가스 도입구(13A)로부터의 TMA의 도입을 차 단한다. 또한, 상기 가변 컨덕턴스 밸브(15C)를 폐쇄하고 밸브(61)를 개방함으로써, 상기 반응 용기(202)중에 산소 라디칼을 도입하고, 먼저 피처리 기판 표면에 흡착되어 있는 TMA 분자층을 산화한다. 그 결과, 상기 피처리 기판 표면에 1 분자층 두께의 Al2O3 막이 형성된다.
또한, 단계 S34에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25A, 25B)가 완전 개방되고, 상기 처리 가스 도입구(13A)로부터 Ar 가스를 도입하면서 상기 반응 용기(202)가 세정된다. 단, 단계 34에 있어서 상기 가변 컨덕턴스 밸브(15C)는 개방된 상태에 있다.
단계 S34는 앞서의 단계 S30와 동일한 단계이고, 따라서 계속되는 단계 31 내지 단계 34를 반복함으로써, 상기 피처리 기판 표면에 1 분자층씩 Al2O3 막을 성장시키는 것이 가능하다.
본 실시예에 의하면, TMA 분자층의 산화에 산소 라디칼을 사용함으로써, 상기 단계 S10, 즉 단계 S34에 있어서의 세정 시간을 단축 가능하고, 기판 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 형성되는 막은 Al2O3막에 한정되지 않고, ZrCl4 가스를 사용함으로써, ZrO2막이 HfCl4 가스를 더 사용함으로써 HfO2 막이 형성 가능하다.
또한, 상기 리모트 플라즈마원(62)은 질소 가스가 공급되어서 질소 라디칼을 형성하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는, 상기 리모트 플라즈마원(62)을 배기계의 일부에 설치함으로써, 처리 가스를 도입하여 피처리 기판 표면을 처리 가스 분자로 피복하는 도 22의 단계 S11와 같은 단계에 있어서, 리모트 플라즈마원(62)을 연속적으로 운전하고 있는 경우에도 반응 용기(202)내로의 라디칼의 침입이 발생하지 않기 때문에, 상기 리모트 플라즈마원(62)을 온/오프 제어할 필요가 없고, 기판 처리 장치를 짧은 사이클로 운전한 경우에도 안정된 플라즈마 공급이 가능하다. 이 때문에 도 5의 기판 처리 장치는 큰 처리 효율로 이른바 원자층(CVD) 프로세스를 실행하는 것이 가능하다.
도 24a는 상기 도 22의 단계 S31에 있어서, TMA 등의 처리 가스의 공급을, 상기 처리 가스 도입구(13A)에 대향하는 처리 가스 도입구(13B)로부터 실행하는 경우를 나타낸다.
이 경우에는, 상기 밸브(16B)로부터 처리 가스 도입구(13B)를 거쳐서 도입된 처리 가스는 상기 처리 용기(202)중을 처리 가스 도입구(13A)의 방향으로 흐르고, 완전 개방 상태인 고속 로터리 밸브(25A)를 거쳐서 배기 도관(207b)으로 배기된다. 그 때, 상기 도관(207b)에 설치된 가변 컨덕턴스 밸브(15C)도 완전 개방되어 있고, 그 결과 처리 가스는 밸브(15C)를 통과하여 배기된다.
도 24a의 상태에서는, 고농도의 처리 가스가 상기 도관(207b)을 흐르기 때문에, 상기 리모트 플라즈마원(62)의 밸브(61)는 폐쇄해 둘 필요가 있다. 그렇지 않으면, 도관(207b)중에 있어서 TMA 등의 처리 가스가 산소 라디칼로 산화되어, 퇴적이 발생하게 된다.
도 24b의 상태는, 도 22의 단계 S33에 대응하는 산화 처리 단계이고, 도 21b의 경우와 같이, 산소 라디칼이 상기 리모트 라디칼원(62)으로부터 완전 개방되어 있는 고속 로터리 밸브(25B)를 통과하여 처리 용기(202)내로 도입되고, 또한 상기 피처리 기판의 표면을 따라 흐른 후, 완전 개방되어 있는 고속 로터리 밸브(25A)를 통과하여 배기된다. 이 상태에서는 상기 가변 컨덕턴스 밸브(15C)는 폐쇄되어 있다.
[제 6 실시예]
도 25는 본 발명의 제 6 실시예에 의한 기판 처리 장치(80)의 구성을 도시한다. 단, 도면에 있어서 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다. 도 25는 상기 시료 유지대(203)가 처리 위치까지 들어 올려진 상태를 나타낸다. 도 25의 구성에서는 기판 반송부(204A)가 고속 로터리 밸브(25A, 25B)의 중간에 위치하도록 설치되어 있다.
도 25를 참조하면, 기판 처리 장치(80)는 앞서 설명한 기판 처리 장치(40)에 대략 대응하는 구성을 갖고 있지만, 본 실시예에서는 석영 반응 용기(202)가 피처리 기판(12)에 대응하는 부분에 있어서 피처리 기판(12)의 표면에 근접하고, 피처리 기판(12)과 석영 반응 용기(202) 사이에 높이가 낮은, 편평한 가스 통로가 형성된다. 또한, 이러한 석영 반응 용기(202)의 형상에 대응하여, 상기 커버 플레이트(201A)도 중앙부의 두께가 증대된 형상으로 형성되어 있다. 이와 같이 피처리 기판(12)의 표면에 매우 편평하고 높이가 낮은 가스 통로를 형성함으로써, 피처리 기판(12) 표면을 층류로서 통과하는 가스의 유속이 증대하여, 그 결과 피처리 기판(12) 표면에 있어서의 기상 원료 분자의 동일한 흡착이 보증된다. 또한 처리 용기(201)내의 실효적인 용적이 감소하기 때문에 퍼징 효율이 향상하고, 단시간에 처리 가스를 전환하면서, 원자층 CVD 프로세스를 효율적으로 실행하는 것이 가능해진다.
또한, 도 25의 기판 처리 장치(80)에는 처리 가스 도입구(13A, 13B) 대신에, 고속 로터리 밸브(25A, 25B)의 내측, 즉 피처리 기판(12)에 가까운 측에 새의 부리 형상의 처리 가스 도입구(83A, 83B)가 설치되어 있고, 또한 상기 커버 플레이트(201A)상에는 리모트 플라즈마원(82)이 설치되어 있다. 상기 리모트 플라즈마원(82)은 이하에 설명하는 바와 같이 도관(85A)에 의해 상기 고속 로터리 밸브(25B)에 결합되어 있고, 형성된 산소 라디칼 또는 질소 라디칼을 상기 반응 용기(202)중의 처리 공간에 도입한다. 이 때문에 밸브(25B)는 배기구(255)가 배기관(207b)에 접속되는 동시에, 상기 도관(85A)이 결합되는 도입구(26C)가 더 형성되어 있다.
상기 로터리 밸브(25A)는 배기구(26A)가 상기 반응 용기(202)의 측부에 결합되고, 이하에 설명하는 바와 같이 밸브체(252)의 회전에 따라 상기 반응 용기(202) 내부의 처리 공간을 배기한다. 마찬가지로 로터리 밸브(25B)는 배기구(26B)가 반응 용기(202)의 측부에 결합되어 있고, 밸브체(252)의 회전을 따라 반응 용기(202) 내부의 처리 공간을 배기한다.
또한 도 25의 기판 처리 장치(80)에서는, 고속 로터리 밸브(25A)의 내부에 처리 가스 도입관(25a)이 밸브(25A)의 회전축을 따라 형성되어 있고, 상기 처리 도입관(25a)은 도 7의 전환 밸브(16B)에 접속되어 있다.
도 26은 도 25의 기판 처리 장치(80)의 상태 1에 있어서 이루어지는 흡착 단계를 도시한다.
도 26을 참조하면, 고속 로터리 밸브(25A, 25B)는 밸브체(252C)중에 앞서 설명한 밸브 개구부(252A) 및 밸브 개구부(252B) 이외에, 별도의 큰 밸브 개구부(252C)를 갖고 있고, 밸브(25A)에서는 상기 개구부(252A 내지 252C)는 시계 회전 방향으로, 또한 밸브(25B)에서는 상기 개구부(252A 내지 252C)는 반시계 회전 방향으로 형성되어 있다. 또한, 본 실시예에서는 개구부(252B 및 252C)는 모두 도 11a에 도시한 개구부(252A)와 동일한 밸브체(252)의 축 방향으로 연장하는 가늘고 긴 형상을 갖는다.
도 26의 상태 1에서는, 고속 로터리 밸브(25B)는 상기 큰 개구부(252B)가 배기구(255)에 정합하도록 회전되어 있고, 이 상태에서는 다른 큰 개구부(252C)가 석영 반응 용기(202)중의 처리 공간에 연통하는 배기구(26B)에 정합하고 있다. 따라서 상기 처리 공간은 개구부(252C 및 252B)를 거쳐서 배기관(207b)으로 배기된다. 또한, 이 상태에서는 밸브(25B)의 리모트 플라즈마원(85)으로의 연통은 차단되어 있고, 또한 처리 가스 도입구(83A)로의 연통도 차단되어 있다.
도 26의 상태 1에서는 또한 상기 고속 로터리 밸브(25A)가, 상기 큰 개구부(252A)가 처리 가스 도입구(83B)에 정합하도록 회전되고, 또한 전환 밸브(16B)로부터 TMA 등의 처리 가스를 상기 처리 가스 도입관(25a)을 거쳐서 상기 밸브(25A) 중의 공간에 도입한다. 이와 같이 하여 도입된 처리 가스는, 상기 개구부(252A) 및 처리 가스 도입구(83B)를 통과하여 석영 처리 용기(222)내의 처리 공간에 도입되고, 처리 가스가 상기 배기구(26B) 및 밸브(25B)를 통과하여 배출되기까지의 사이에, 처리 가스 중의 분자가 피처리 기판(12)의 표면에 흡착된다.
도 27은 도 26의 단계에 계속해서 실행되는 배기 단계에 있어서의 기판 처리 장치(80)의 상태 2를 나타낸다.
도 27을 참조하면, 고속 로터리 밸브(25B)는 큰 밸브 개구부(252C)가 상기 배기구(26B)에 정합하도록 회전되어 있고, 이 상태에서 다른 큰 밸브 개구부(252B)가 배기구(255)에 정합한다. 또한 고속 로터리 밸브(25A)에서도 동일한 상태가 발생하고 있고, 그 결과 석영 반응 용기(202) 내부의 처리 공간이 상기 고속 로터리 밸브(25A 및 25B)를 거쳐서 빠르게 배기된다.
도 28은 도 27의 배기 단계에 있어서의, 고속 로터리 밸브(25B) 근방의 모양을 확대하여 도시한다.
도 28을 참조하면, 본 실시예에서는 앞서 설명한 바와 같이 처리 가스 도입구(83A)가 고속 로터리 밸브(25B)보다도 피처리 기판(12)에 가까운 위치에 형성되어 있다. 이 때문에, 도 27의 배기 단계에서는 처리 가스 도입구(83A)는 고속 로터리 밸브(25B)에 대하여, 배기되는 가스류의 상류측에 위치하고, 가스류는 배기구(26)와 새의 부리 형상의 처리 가스 도입구(83A)를 따라 흐르며, 밸브 개구부(252C)를 통과하여 밸브(25B)중에 유입된다. 이 때문에 가스 도입구 배후의 파선으로 나타낸 영역에 있어서 발생하기 쉬웠던 가스의 체류가 일소되고, 반응 용 기(202) 내부를 효율적으로 배기하는 것이 가능해진다.
도 27 및 도 28의 배기 단계 후, 기판 처리 장치(80)의 상태 3에 있어서 도 29에 도시하는 산화 처리 단계가 실행된다.
도 29를 참조하면, 산화 처리 단계에서는 상기 리모트 플라즈마원(85)에 Ar 가스와 산소 가스가 공급되고, 또한 예컨대 400㎑의 고주파로 이것을 여기함으로써, 산소 라디칼(O*)이 형성된다. 또한 도 29의 단계에서는 상기 고속 로터리 밸브(25B)가 밸브 개구부(252B)가 상기 개구부(26C)에 조정하도록 회전되고, 이 상태에 있어서 상기 밸브 개구부(252A)가 배기구(26B)에 정합한다.
그 결과, 상기 리모트 플라즈마원(85)에서 여기된 산소 라디칼(O*)은 상기 밸브 개구부(252A) 및 배기구(26B)를 역방향을 통하여 석영 처리 용기(202)중의 처리 공간에 도입된다. 그 때, 상기 고속 로터리 밸브(25A)는 도 27과 동일한 배기 위치에 설정되어 있고, 그 결과 상기 고속 로터리 밸브(25B) 및 처리 가스 도입구(83A)를 통과하여 도입된 산소 라디칼은 처리 용기(202)중을 피처리 기판(12)의 표면을 따라 고속 로터리 밸브(25A)의 배기구(26A)로 흐르고, 그 동안에 먼저 피처리 기판(12)상에 흡착한 원료 분자를 산화한다. 그 때, 상기 밸브 개구부(252A)를 대면적의 개구부로 해 두고, 상기 배기구(26B)를 거쳐서 라디칼을 도입함으로써, 라디칼 수명의 저감을 회피할 수 있다.
또한, 도 29의 단계 후에 도 27의 배기 단계를 실행하고, 도 26의 흡착 단계, 도 27의 배기 단계, 도 29의 산화 단계 및 도 27의 배기 단계를 반복함으로써, 피처리 기판(12)의 표면에 금속 산화물 등으로 이루어지는 고유전체막이 1 분자층씩 적층된다.
도 30은 도 25의 기판 처리 장치(80)를 사용한 기판 처리 단계의 예를 나타낸다.
도 30을 참조하면, 단계 41에 있어서 기판 처리 장치(80)는 도 27의 상태 1로 설정되고, 반응 용기(202) 내부의 처리 공간이 배기된다. 또한, 그 때 처리 가스 도입구(83A)로부터 Ar 퍼지 가스를 도입함으로써, 처리 가스 도입구(83A) 및 상기 처리 공간의 세정이 실행된다.
다음으로, 단계 42의 단계에 있어서, 기판 처리 장치(80)는 도 26의 상태 1로 설정되고, 반응 용기(202)내에 처리 가스 도입구(83B)로부터 TMA 등의 처리 가스가 도입되고, 피처리 기판(12)상에 원료 분자의 흡착이 발생한다.
다음으로, 단계 43의 단계에 있어서 기판 처리 장치(80)는 도 27의 상태 2로 복귀되고, 상기 반응 용기(202) 내부의 처리 공간이 배기된다. 그 때, 단계 43의 단계에서는 상기 처리 가스 도입구(83B)로부터 Ar 퍼지 가스가 도입되고, 처리 가스 도입구(83B) 및 처리 공간의 세정이 실행된다.
다음으로, 단계 44의 단계에 있어서 기판 처리 장치(80)는 도 29의 상태 3으로 설정되고, 상기 라디칼원(85)에서 형성된 산소 라디칼 등의 라디칼이 상기 고속 로터리 밸브(25B) 및 배기구(26B)를 거쳐 상기 처리 공간에 도입되고, 앞서 상기 피처리 기판(12)상에 흡착되어 있던 원료 분자를 산화한다.
또한 프로세스는 단계 41로 복귀되고, 단계 42 내지 단계 44를 반복함으로 써, 상기 피처리 기판(12)의 표면에 1 분자층씩 Al2O3 막이 형성된다.
도 31은 이상에 설명한 본 실시예에 의한 기판 처리 장치(80)의 커버 플레이트(201A)를 개방한 상태에 있어서의 부분 절재 단면도이다.
도 31을 참조하면, 고속 로터리 밸브(25A)중에는 가스 도입관(25a)이 축방향으로 연장되어 있고, 또한 개구부(26C)는 상기 도관(85A)의 형상으로 대응하여 대략 원형 형상을 갖고 있지만, 밸브 개구부(252A, 252B 또는 252C)는 밸브체(252)의 축방향으로 연장되는 가늘고 긴 형상을 갖는 것을 알 수 있다. 또한 상기 가스 도입관(25a)의 단부에는 원료 가스 배관의 접속부(25a1)가 설치되어 있고, 또한 상기 밸브(25A, 25B)중 어디에 있어도 밸브체(252)는 모터(253)에 의해 구동되는 것을 알 수 있다.
도 31에 도시하는 바와 같이, 커버 플레이트(201A)는 도시되어 있지 않은 지지점에 의해 개폐 가능하게 설치되어 있지만, 이렇게 구성함으로써 기판 처리 장치(80)에서는 유지 보수가 용이해진다.
[제 7 실시예]
도 32는 본 발명의 제 7 실시예에 의한 기판 처리 장치(90)의 구성을, 또한 도 33은 도 32의 기판 처리 장치(90)에서 사용되는 처리 가스 도입구의 구성을 도시한다. 단 도 32, 33중, 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 설명을 생략한다. 도 32는 기판 유지대(203)가 기판 반입·반출 구(204A)에 대응하는 위치까지 내려져 있고, 또한 피처리 기판(12)이 리프터 핀(204B)에 의해 들어올려진 상태를 도시하고 있다.
도 32를 참조하면, 기판 처리 장치(90)는 앞서의 실시예에 의한 기판 처리 장치(80)와 동일한 구성을 갖지만, 도 33에 도시하는 바와 같이 처리 가스 도입구(83A, 83B)에 원료 가스 라인이 밸브를 거쳐서 접속된다. 예컨대 처리 가스 도입구(83A)의 경우, 도 1에 있어서 라인(23a) 및 밸브(24A)를 거쳐서 공급되는 Ar 퍼지 가스와 라인(16a) 및 밸브(19A)를 거쳐서 공급되는 ZrCl2나 TMA 등의 원료 가스가 전환 밸브(16A)를 거쳐서 공급되고 있고, 또한 라인(23c) 및 밸브(24C)를 거쳐서 공급되는 Ar 퍼지 가스와 라인(16c) 및 밸브(19C)를 거쳐서 공급되는 ZrCl2나 TMA 등의 원료 가스가 전환 밸브(16C)를 거쳐서 공급되고 있다.
또한, 도 32의 기판 처리 장치(90)에서는, 기판 처리 장치(80)에서 사용된 리모트 플라즈마원(85)은 설치되어 있지 않다.
도 34a는 도 32의 기판 처리 장치(90)에서 사용되는 고속 로터리 밸브(25A, 25B)의 구성, 특히 각각의 밸브로 사용되는 밸브체(252)의 구성을 상세하게 도시한다.
도 34a를 참조하면, 고속 로터리 밸브(25A, 25B)에는 앞서 설명한 밸브 개구부(252A, 252B) 등에 대응하는 밸브 개구부 ① 내지 ③이 형성되어 있고, 도 34b는 밸브(25A)에 있어서의 상기 밸브 개구부 ① 내지 ③이 형성된 밸브체(252)의 전개도를 도시한다. 또한 동일하게 도 34c는 밸브(25B)에 있어서의 상기 밸브 개구부 ① 내지 ③이 형성된 밸브체(252)의 전개도를 도시한다.
도 34b 및 도 34c를 참조하면, 밸브(25B)의 개구부 ① 내지 ③은 도 34a의 상태에 있어서, 개구부 ①이 처리 용기(22)내의 처리 공간과 연통하도록, 또한 개구부(2)가 처리 가스 도입구(83A)에 연통하도록, 개구부 ③이 배기구(255)를 거쳐서 배기관(207a)으로 연통하도록, 위치 및 폭이 설정되어 있고, 밸브(25A)에 있어서도 개구부 ① 내지 ③이 동일하게 형성되어 있다.
본 실시예에서는, 상기 라인(16a) 및 밸브(19A)를 거쳐서 처리 가스 도입구(83A)에는 오존 가스(O3)가 공급되고, 또한 라인(16b) 및 밸브(19B)를 거쳐서 처리 가스 도입구(83B)에, 예컨대 Hf[N(C2H5)2]4 또는 Hf[N(CH3)2]4 등의 Hf 유기 금속 원료가 공급된다.
다음으로, 도 32의 기판 처리 장치(90)를 사용하여 실행하는 기판 처리 단계의 예를, 도 35a 내지 35H를 참조하면서 설명한다.
도 35a의 단계에서는 상기 고속 로터리 밸브(25A, 25B)는 도 35a의 상태로 설정되고, 그 결과 상기 석영 처리 용기(202) 내부의 처리 공간이, 밸브(25A, 25B)중 어느 것에 있어서도 개구부 ① 및 ③을 통과하는 경로에 의해 배기관(270a 또는 207b)에 배기된다. 또한, 도 35a의 상태에서는 밸브(25A, 25B)중 어느 것에 있어서도 개구부(2)가 처리 가스 도입구(83A 또는 83B)에 정합하고, 그 결과 처리 가스 도입구(83A, 83B)도 개구부 ③ 및 배기관(207a 또는 207b)을 통해 배기된다.
다음으로, 도 35B의 단계에서는 고속 로터리 밸브(25B)의 상태가 도 35a인 채로, 상기 고속 로터리 밸브(25A)의 밸브체(252)가, 상기 개구부 ①이 배기관(207a)에 연통하지만 개구부 ② 및 ③ 중 어느 것도 상기 처리 공간 또는 처리 가스 도입구(83B)에 연통하지 않는 위치로 회전되고, 또한 밸브(19B)가 개방되고, 라인(16b)중의 유기 금속 Hf 원료가 상기 처리 가스 도입구(83B)를 거쳐서 상기 처리 공간중에 도입된다. 도입된 유기 금속 Hf 원료는 상기 처리 공간중을 피처리 기판(12)의 표면을 따라 흘러, 피처리 기판(12) 표면에 흡착된다.
다음으로, 도 35C의 단계에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25A)중의 밸브체(252)의 위치를 그대로 두고, 상기 고속 로터리 밸브(25B)중의 밸브체(252)가 도 35a의 위치로 복귀되고, 처리 용기(202) 내부의 처리 공간이 배기관(207b)으로 배기된다. 또한 도 35C의 단계에서는 밸브(24B)가 개방되고, 라인(23b)중의 Ar 퍼지 가스가 상기 처리 가스 도입구(83B)에 도입되고, 그 결과 처리 가스 도입구(83B)가 세정된다.
또한, 도 35d의 단계에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A)중의 밸브체(252)가 도 35a의 상태로 복귀되고, 처리 용기(202) 내부의 처리 공간이, 고속 로터리 밸브(25A)의 개구부 ①, ② 및 ③을 통과하여 배기관(207a)으로 배기된다. 또한, 도 35d의 단계에서는 밸브(24A)가 개방되고, 라인(23a)중의 Ar 퍼지 가스가 상기 처리 가스 도입구(83A)로 도입되며, 그 결과 처리 가스 도입구(83A)가 세정된다.
다음으로, 도 35e의 단계에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25A, 25B)중의 밸브체(252)가 모두 도 35a의 상태로 복귀되고, 상기 처리 용기(202) 내부의 처리 공간이 배기된다.
다음으로, 도 35f의 단계에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25A)의 밸브체(252)는 도 35e의 상태로, 상기 고속 로터리 밸브(25B)중의 밸브체(252)가 도 35d와 동일한 위치로 회전되고, 또한 밸브(19A)가 개방되며, 라인(16a)중의 오존 가스가 상기 처리 가스 도입구(83A)를 거쳐서 상기 처리 공간중에 도입된다. 도입된 오존 가스는 상기 처리 공간중을 피처리 기판(12)의 표면을 따라 흐르고, 피처리 기판(12) 표면에 흡착된 유기 금속 Hf 원료 분자를 산화하고, 1 분자층 두께의 HfO2 막을 형성한다.
다음으로, 도 35g의 단계에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25A 및 25B)중의 밸브체(252)의 위치를 그대로 유지하고, 상기 처리 용기(202) 내부의 처리 공간이 배기관(207a)으로 배기된다. 또한, 도 35g의 단계에서는 밸브(24A)가 개방되고, 라인(23a)중의 Ar 퍼지 가스가 상기 처리 가스 도입구(83A)에 도입되고, 그 결과 처리 가스 도입구(83A)가 세정된다.
또한, 도 35h의 단계에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25A)중의 밸브체(252)가 도 35a의 상태로 복귀되고, 상기 개구부 ①이 배기관(207b)으로 연통하고 개구부(2)가 처리 가스 도입구(83A)에 연통하며 개구부 ③이 처리 공간에 연통한다. 그 결과, 처리 용기(202) 내부의 처리 공간이 개구부 ② 또는 ③으로부터 개구부 ①을 거쳐서 배기관(207b)으로 배기된다. 또한 도 35h의 단계에서는 밸브(24B)가 개방되고, 라인(23b)중의 Ar 퍼지 가스가 상기 처리 가스 도입구(83B)에 도입되고, 그 결과 처리 가스 도입구(83B)가 세정된다.
또한, 도 35a 내지 도 35h의 단계를 반복함으로써, 피처리 기판(12)상에 HfO2 막의 원자층 성장이 실현된다.
또한, 본 실시예에 있어서 도 35b의 단계 후, 도 35f의 단계전까지 도 36a에 도시하는 노즐 퍼지 단계를 실행할 수도 있다. 또한, 도 35f의 단계 후, 다음 사이클에 있어서의 도 35b의 단계전까지 도 36b에 도시하는 노즐 퍼지 단계를 실행할 수도 있다.
도 36a를 참조하면, 고속 로터리 밸브(25B)에 있어서는 밸브체(252)가 개구부 ① 내지 ③ 중 모두가 처리 용기(202)중의 처리 공간에 연통하지 않는 위치로 회전되어 있고, 또한 고속 로터리 밸브(25A)에 있어서는 밸브체(252)가 도 35a의 위치로 설정되어 있다.
이 상태에 있어서 상기 밸브(24B)를 개방하면 퍼지 라인(23b)중의 Ar 가스가 처리 가스 도입구(83B)에 도입되지만, 도입된 Ar 가스는 고속 로터리 밸브(25A)의 작용에 의해 처리 가스 도입구(83B)중을, 처리 가스 도입구(83B)중에 있어서의 통상의 가스 흐름 방향과는 역의 방향으로 흐르고, 상기 개구부 ② 및 ③을 통해 배기관(207a)으로 배출된다.
또한, 도 36b의 예에서는 고속 로터리 밸브(25A)에 있어서 밸브체(252)가 개구부 ① 내지 ③ 모두가 처리 용기(202)중의 처리 공간에 연통하지 않는 위치로 회전되어 있고, 또한 고속 로터리 밸브(25B)에 있어서 밸브체(252)가 도 35a의 위치에 설정되어 있다.
이 상태에 있어서 밸브(24A)를 개방하면 퍼지 라인(23a)중의 Ar 가스가 처리 가스 도입구(83A)에 도입되지만, 도입된 Ar 가스는 고속 로터리 밸브(25B)의 작용에 의해 처리 가스 도입구(83A)중을, 처리 가스 도입구(83A)중에 있어서의 통상의 가스 흐름 방향과는 역의 방향으로 흐르고, 상기 개구부 ② 및 ③을 통과하여 배기관(207b)으로 배출된다.
도 37은 도 36a 및 도 36b에 있어서의 처리 가스 도입구(83A 또는 83B)의 퍼지 단계의 특징을 나타내는 도면이다.
도 37을 참조하면, 처리 가스 도입구(83A)중을 통상의 가스 흐름 방향과 역방향으로 퍼지 가스를 흘림으로써, 퍼지 가스는 컨덕턴스가 작은 영역으로부터 큰 영역으로 흐르고, 그 결과 상기 처리 가스 도입구(83A)는 효율적으로 세정된다. 도 37에서 작은 화살표는 컨덕턴스가 작은 영역을, 큰 화살표는 컨덕턴스가 큰 영역을 개략적으로 도시하고 있다.
또한, 도 37에 도시하는 노즐 역 퍼지 단계는, 예컨대 도 35c의 단계에 있어서 처리 가스 도입구(83A)에 대하여 밸브(24A)를 개방하고, Ar 가스를 도입함으로써도 실행할 수 있다. 마찬가지로 도 37의 노즐 역 퍼지 단계는, 도 35g의 단계에 있어서 처리 가스 도입구(83B)에 대하여 밸브(24B)를 개방하고, Ar 가스를 도입함으로써도 실행할 수 있다.
[제 8 실시예]
도 38a 내지 38c는 본 발명의 제 8 실시예에 의한 기판 처리 장치(120)의 개 략적 구성을 도시한다. 단, 도면에 있어서 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 38a를 참조하면, 기판 처리 장치(120)는 앞서 설명한 기판 처리 장치(100)와 유사한 구성을 갖지만, 도 25의 기판 처리 장치(80)에서 설명한 리모트 플라즈마원(85)이 고속 로터리 밸브(25A)에 도관(85A)을 거쳐서 결합되어 있는 점에서 상이하다. 도 25 또는 도 31의 실시예와 같이, 리모트 플라즈마원(85)은 개폐 가능한 커버 플레이트(201A)상에 설치되어 있고, 밸브(86A)를 거쳐서 라인(86a)으로부터 Ar 가스가, 또한 밸브(86B)를 거쳐서 라인(83b)으로부터 산소 가스가 공급된다. 또한 본 실시예에서는 라인(16a)으로부터 밸브(19A)를 거쳐서, 상기 처리 가스 공급구(83A)에 오존 가스 대신에 유기 금속(Hf) 원료가 공급된다.
도 38a에 도시하는 바와 같이, 고속 로터리 밸브(25A, 25B)에 있어서는, 각각의 밸브체(252)상에 밸브 개구부(252A, 252B)로서 도 38b 또는 도 38c의 전개도에 상세하게 도시하는 개구부 ① 내지 ③이 형성되어 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 고속 로터리 밸브(25B)에 대응하는 도 38b의 전개도에서는 상기 개구부 ① 내지 ③은 상기 개구부 ①이 상기 처리 용기(202)의 단부에 연통하고 있는 상태에서 상기 개구부 ②가 상기 가스 노즐(83A)에 연통하고, 또한 상기 개구부 ③이 배기관(207b)에 연통하도록 형성되어 있다. 또한, 도시한 예에서는 상기 개구부 ③은 원 또는 타원형의 개구 형상으로 형성되어 있지만, 이러한 개구부 ① 내지 ③ 모두를 슬릿 형상으로 하는 것도 가능하다.
한편, 상기 고속 로터리 밸브(25A)에 대응하는 도 38c의 전개도에서는, 상기 개구부 ① 내지 ③은 상기 라디칼원(85)에 연통 가능할 필요가 있고, 이 때문에 배치가 도 38b의 것과는 다소 상이하다.
즉, 도 38c에 있어서 상기 개구부 ① 내지 ③은 상기 개구부 ①이 배기 포트(25A)측에 있어서 상기 처리 용기(202)의 단부에 연통하고 있는 상태에서, 상기 개구부(2)가 배기관(207a)에 연통하도록, 또한 상기 개구부 ③이 상기 처리 용기(202)의 단부에 연통하는 상태에서 상기 개구부(2)가 상기 라디칼원(85)에 연통하도록 형성되어 있다.
본 실시예에서는 가스 노즐(83B)에는 원료 가스만이 공급되고, 산화 가스가 공급되지 않는다. 이 때문에, 앞서 실시예와 같이 가스 노즐(83B)을 역방향으로 세정할 필요는 없다. 그러나, 개구부 ①의 폭을 크게 설정하고, 상기 처리 용기(202)의 단부에 상기 개구부 ①이 연통했을 경우에, 상기 개구부 ①이 상기 가스 노즐(83B)에도 연통하도록 구성할 수도 있다. 이 상태에서는 상기 개구부 ③은 상기 배기관(207a)에 연통한다. 또한, 도 38c의 구성에서는, 개구부 ① 및 ②가 슬릿 형상으로, 또한 개구부 ③이 원 또는 타원 형상으로 형성되어 있지만, 개구부 ① 내지 ③ 모두를 슬릿 형상으로 형성하는 것도 가능하다.
이하, 도 38a 내지 38c의 기판 처리 장치(120)를 사용한 HfO2 막의 형성 단계에 대하여, 도 39a 내지 39h를 참조하면서 설명한다.
도 39a를 참조하면, 고속 로터리 밸브(25A, 25B)는 앞서 도 35a에 설명한 위치에 있고, 처리 용기(202)내의 처리 공간이 배기된다.
다음으로, 도 39b의 단계에 있어서 고속 로터리 밸브(25A)를 도 39a의 상태로 유지한 채, 상기 고속 로터리 밸브(25B)내의 밸브체(252)가, 상기 개구부 ①이 배기관(207b)에 연통하지만 개구부 ② 및 ③ 중 모두가 상기 처리 공간에 연통하지 않는 위치로 회전된다. 이 상태에서 상기 밸브(19A)가 개방되고, 상기 처리 공간내에 상기 처리 가스 도입구(83A)로부터 유기 금속(Hf) 원료가 도입된다.
이와 같이 하여 도입된 유기 금속(Hf) 원료는 상기 처리 공간중을 피처리 기판(12)의 표면을 따라 고속 로터리 밸브(25A)로 흐르고, 유기 금속(Hf) 원료 분자가 피처리 기판(12)의 표면에 흡착된다. 과잉 원료 가스는 상기 고속 로터리 밸브(25A)의 개구부 ①로부터 개구부(2)를 거쳐서 배기관(207a)으로 배기된다.
다음으로, 도 39c의 단계에 있어서 상기 고속 로터리 밸브(25A)를 도 39a 및 도 39b의 상태로 유지한 채, 또한 고속 로터리 밸브(25B)의 상태도 그대로 유지한 채, 상기 밸브(19A)가 폐쇄되고 밸브(24A)가 개방된다. 그 결과, 상기 처리 가스 도입구(83A)에는 라인(23a)중의 Ar 가스가 도입되고, 도입된 Ar 가스는 상기 처리 공간중을 피처리 기판(12)의 표면을 따라 고속 로터리 밸브(25A)로 흐르고, 밸브(25A)의 개구부 ①로부터 개구부 ②를 거쳐서 배기구(207a)로 배출된다. 이로써, 처리 가스 도입구(83A)가 퍼지된다.
다음으로, 도 39d의 단계에 있어서 고속 로터리 밸브(25B)가 도 39a의 상태로 복귀되고, 또한 고속 로터리 밸브(25A)중의 밸브체(252)가, 상기 밸브체상에 형성된 개구부 ①이 배기구(255)를 거쳐서 배기관(207a)에 연통하도록, 또한 개구부 ③이 리모트 플라즈마원(85)의 도관(85A)에 연통하도록 회전된다. 또한 동시에 밸 브(86A)가 개방되고, 라인(86a)중의 Ar 가스가 리모트 플라즈마원(85)에 공급된다.
또한, 도 39d의 단계에서는 밸브(24B)도 개방되고, 퍼지라인(24b)중의 Ar 가스가 처리 가스 공급구(83B)에 공급되고, 처리 가스 공급구(83B)의 세정이 실행된다. 처리 가스 도입구(83B)로부터 도입된 Ar 가스는 상기 처리 공간중을 고속 로터리 밸브(25B)로 흘러, 개구부 ① 또는 개구부 ②로부터 개구부 ③을 통과하여 배기관(207b)으로 배출된다.
다음으로, 도 39e의 단계에 있어서, 상기 고속 로터리 밸브(25B)의 상태는 그대로 두고, 고속 로터리 밸브(25A)중의 밸브체(252)가, 밸브체(252)상에 형성되어 있는 개구부(2)가 리모트 플라즈마원(85)의 도관(85A)에 관통하도록, 또한 개구부 ③이 상기 처리 공간에 관통하도록 회전된다. 그 결과, 상기 리모트 플라즈마원(85)으로 활성화된 Ar 라디칼을 포함하는 Ar 가스가, 상기 개구부 ② 및 ③을 통과하고, 상기 처리 공간중에 도입된다.
다음으로, 도 39f의 단계에 있어서, 고속 로터리 밸브(25B)의 상태는 그대로 두고, 또한 고속 로터리 밸브(25A)도 그 상태로 두고, 밸브(86A) 이외에 밸브(86B)가 개방되고, 라인(86b)중의 산소 가스가 라인(86a)중의 Ar 가스와 함께 리모트 플라즈마원(85)에 도입되어 활성화된다. 상기 리모트 플라즈마원(85)에 있어서의 산소 가스의 활성화의 결과, 리모트 플라즈마원(85)에 있어서는 산소 라디칼(O*)이 형성되고, 형성된 산소 라디칼(O*)은 상기 고속 로터리 밸브(25A)에 있어서 개구부(2)로부터 개구부 ③을 통과하여 상기 처리 공간내에 도입된다. 형성된 산소 라디 칼(O*)은 피처리 기판(12)의 표면을 따라 흐르고, 기판(12)의 표면에 흡착되어 있는 원료 분자를 산화한다. 그 결과, 상기 피처리 기판(12)의 표면에는 1 분자층의 HfO2 막이 형성된다.
다음으로, 도 39g의 단계에 있어서, 고속 로터리 밸브(25A, 25B)의 상태는 그대로이고, 상기 밸브(86B)가 폐쇄되고, 플라즈마원(85)이 정지되며, Ar 가스를 소정 시간 경과후 밸브(86A)도 폐쇄된다.
또한, 도 39h의 단계에 있어서, 고속 로터리 밸브(25A)의 상태가 도 39a의 상태로 복귀되고, 또한 고속 로터리 밸브(25B)를 도 39b의 상태로 설정한다. 또한 이 상태에 있어서 밸브(24A)를 개방함으로써 처리 가스 도입구(83A)에 Ar 가스를 퍼지 라인(23a)으로부터 도입하고, 처리 가스 도입구(83A)의 퍼지를 실행한다.
또한 도 39a 내지 39h의 단계를 반복함으로써, 피처리 기판(12)의 표면에 1 분자층씩 HfO2 막이 형성된다.
본 실시예에 의하면, 피처리 기판상에 흡착되어 있는 Hf 등의 유기 금속 원료 분자를 강한 산화력을 갖는 산소 라디칼에 의해 산화함으로써, 형성되는 막중으로의 C의 혼입을 1% 이하로 억제할 수 있다. 또한 H2O나 O2 등 다른 산화제를 사용한 경우보다도 산화제의 처리 용기(202) 표면으로의 부착을 억제할 수 있고, 간단한 퍼지에 의해 효과적인 처리 가스의 교체가 가능해진다. 그 결과, ALD 단계의 처리 효율이 향상된다. 또한 원료 분자의 산화에 산소 라디칼을 사용하기 때문에, 산화 처리에 필요한 시간을 단축 가능하고, 기판 처리 효율을 더 향상시킬 수 있 다.
또한 본 실시예에 있어서도, 앞서 도 37에서 설명한 노즐 역 퍼지 단계를 실행할 수 있다.
[제 9 실시예]
도 40은 본 발명의 제 9 실시예에 의한 기판 처리 장치(140)의 구성을 도시한다. 단, 도면에 있어서 앞서 설명한 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 40을 참조하면, 기판 처리 장치(140)는 앞서 도 7에서 설명한 기판 처리 장치(40)와 유사한 구성을 갖지만, 처리 가스 도입구(13A, 13B) 대신에 도 41에 도시하는 석영제의 노즐(143A, 143B)을 갖는다. 또한, 상기 커버 플레이트(201A)에는 상기 석영제 노즐(143A)에 대응하여 석영 윈도우(144)를 갖는 개구부(201a)가 형성되어 있고, 상기 커버 플레이트(201A)상에는 상기 개구부(201a)에 대응하여 자외광원(145)이 형성되어 있다.
도 41을 참조하면, 석영 노즐(143A, 143B)은 선단부가 편평한 형상을 갖고, 가스 토출측의 슬릿 형상 개구부를 향해서 점차 컨덕턴스가 감소하는 특성을 갖고 있다. 이러한 구성의 노즐을 사용함으로써, 처리 가스가 소망하는 시트 형상의 균일한 층류의 형태로 처리 공간에 공급된다. 이 구조는 기본적으로는 새의 부리형 가스 노즐이라 지칭되는 것으로, 가스 노즐내의 공간은 일체화된 공간으로 되어 있어, 가스 토출 방향의 단면적만이 토출측을 향해서 축소되는 특징을 갖고 있다.
따라서, 도 41의 구성에 있어서 상기 석영 노즐(143A)에 산소 가스를 공급하고, 이 상태에서 상기 자외광원(145)을 구동하면, 상기 석영 노즐(143A)중의 처리 가스가 여기되어 산소 라디칼(0*)이 형성된다.
따라서 이와 같이 하여 형성된 산소 라디칼(O*)에 의해 피처리 기판(12)의 표면에 흡착되어 있는 유기 금속(Hf) 등의 원료 분자를 산화함으로써, C의 혼입이 적은 고품질의 막을 1 분자층의 두께로 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 도 41의 석영 노즐(143A, 143B)에 있어서, 내부의 가스 통로에 핫 필라멘트를 설치함으로써, 또는 내부의 가스 통로 벽면에 Al2O3막 또는 TiO2막을 피복함으로써, 라디칼의 여기를 촉진하는 것도 가능하다.
[제 10 실시예]
다음으로, 도 25의 기판 처리 장치(80)에 있어서, 상기 석영 반응 용기(202)와 바닥판(202A), 따라서 피처리 기판(12) 표면의 사이의 갭(G)을 최적화한 본 발명의 제 10 실시예에 의한 기판 처리 장치(150)에 대하여, 도 43을 참조하면서 설명한다.
도 43을 참조하면, 본 실시예는 상기 갭(G)을 최적화함으로써, 상기 석영 반응 용기(202)내의 처리 공간에 공급되는 원료 가스의 이용 효율을 최적화하고, 따라서 기판 처리 장치의 운전 비용을 저감하는 것을 과제로 한다.
도 44는 도 43의 기판 처리 장치(150)중, 석영 반응 용기(202)와 기판(12)을 포함하는 부분을 확대하여 도시한다. 단, 도 43 및 도 44는 상기 피처리 기판(12) 의 표면이 석영 바닥판(202A)과 동일면을 이루는 처리 위치에 위치한 상태를 도시하고 있다.
도 44를 참조하면, 이러한 구조에 있어서 상기 석영 반응 용기(202)와 피처리 기판(12) 사이의 좁은 공간을, 상기 노즐(83A)로부터 공급되는 TMA 등의 처리 가스류(F)를 통과시켰을 경우, 상기 처리 기판(12)의 표면 및 석영 반응 용기(202)의 표면에는 경계층(B)이 형성되고, 처리 가스류(F)중을 캐리어 가스를 타고 수송되고 있는 TMA 분자 등의 처리 가스 분자는 이러한 경계층(B)중을 확산함으로써 상기 기판(12)의 표면에 도달한다.
이와 같은 경계층(B)의 두께(6)는 상기 TMA 가스류(F)의 유속에 의해 변화되고, 두께(δ)는 유속이 감소하면 증대하고, 유속이 증대하면 감소한다. 상기 경계층(B)의 두께(δ)가 감소하면, 상기 TMA 가스류(F)로부터 방출된 TMA 분자가 상기 경계층(B)중을 확산하여 피처리 기판(12)의 표면에 도달할 때까지의 시간이 단축되고, 소정 시간에 보다 많은 TMA 분자가 피처리 기판(12)의 표면에 도달하게 된다. 그 결과, 원료의 이용 효율이 향상한다.
이러한 TMA 가스류(F)의 유속은 상기 프로세스 공간의 높이, 즉 상기 갭(G)을 감소시킴으로써 증대시킬 수 있다.
도 45는 이러한 갭(G)과 상기 피처리 기판(12)의 표면이 TMA 분자로 포화되기까지의 TMA 가스 공급 시간의 관계를 도시한다. 단, 도 45에 있어서 횡축은 상기 석영 반응 용기(202)내의 처리 공간의 용적을 도시하고 있지만, 상기 처리 공간의 직경은 동일하게 유지되므로, 상기 처리 공간의 용적은 상기 갭(G)에 대응한다. 한편, 도 45에 있어서 종축은 피처리 기판 표면이 흡착된 TMA 분자로 포화되기까지의 TMA 가스의 공급 시간을 도시하고 있고, 이 값이 작은 만큼, 단시간에 포화 흡착이 실현되고, 또한 공급한 TMA 가스 중 기판 표면에 흡착되었지만 비율을 도시하는 흡착율이 증대한다.
도 45는 TMA의 버블러 온도를 25℃, 증기압을 1.5㎪(11Torr)로 설정한 경우의 시뮬레이션 결과이지만, 갭(G)이 40㎜인 경우에 TMA 분자의 흡착율은 13%인 것에 반해, 갭(G)이 20㎜인 경우에는 흡착율은 14%에 향상된다는 것을 알 수 있다. 또한 상기 갭(G)이 8㎜까지 감소한 경우, 흡착율은 30%까지 향상된다. 도 45에 있어서, ①은 피처리 기판(12)에 흡착되는 TMA 분자의 비율을, ②는 피처리 기판(12)에 흡착되지 않고 배출되는 TMA 분자의 비율을 도시하고 있다.
이와 같이, 상기 갭(G)을 감소시킴으로써 상기 프로세스 공간에 있어서 피처리 기판(12)의 표면에 형성되는 경계층(B)의 두께(δ)가 감소하고, 흡착율이 향상됨으로써 성막 단계시의 원료 가스의 이용 효율이 향상되는 것이 확인된다.
한편, 상기 갭(G)을 더 감소시키고, 0.5 내지 1.0㎜ 정도로 설정한 경우에는, 진공 배기 성능이 충분히 높을 경우에는, 원료 가스의 유속이 음속에 이르기 때문에, 그 이상의 고속화를 달성할 수 없게 된다. 또는, 진공 배기 성능이 부족한 경우에는 마찬가지로 가스 유속은 감소하게 된다. 따라서, 진공 배기 성능에 의존하지만, 0.5 내지 1.0㎜ 정도까지의 갭의 축소에 대해서는, 통상, 원료 가스의 유속의 증가가 있기 때문에, 경계층의 폭이 단축되고, 이 결과 원료 가스의 확산이 증가하고, 흡착되는 효율이 증대한다. 한편, 더 이상의 갭의 축소는 이러한 원료 의 이용 효율의 개선을 얻을 수는 없다.
이러한 상황에서, 상기 편평한 프로세스 공간의 높이(G)는 0.5 내지 8㎜, 보다 바람직하게는 0.5 내지 3.5㎜의 범위로 설정하는 것이 바람직하다고 사료된다.
[제 11 실시예]
도 46a 및 도 46b는 도 32의 기판 처리 장치(90)에서 사용되는 처리 가스 도입구(83B) 근방의 구성을 상세하게 도시한다. 또한, 동일한 구성이 처리 가스 도입구(83A)에 대해서도 사용되지만, 처리 가스 도입구(83A)에 대한 설명은 생략한다.
도 46a를 참조하면, 처리 가스 도입구(83A)는 고속 로터리 밸브(25A)에, 처리 용기의 일부에 형성된 원통 형상의 공간(83C)을 거쳐서 연통되어 있고, 상기 원통 형상의 공간(83C)에는 도 46b에 도시하는 바와 같이 다수의 미세한 개구부(83d)가 형성된 파이프(83D)가 삽입되어 있다.
상기 파이프(83D)중에는, 밸브(19B 또는 24B)를 거쳐서 퍼지 가스 또는 원료 가스가 공급되지만, 공급된 가스는 상기 개구부(83d)로부터 상기 공간(83C)중에 유출되고, 유출된 가스는 상기 공간(83C)으로부터 상기 새의 부리 형상의 노즐(83B)로부터 상기 석영 반응 용기(202)내의 프로세스 공간중에 층류가 되어서 공급된다.
도 47은 도 46a의 구성의 평면도이다.
도 47을 참조하면, 상기 개구부(83d)는 상기 파이프(83D)중, 상기 노즐(83B)과는 역방향으로 형성되어 있고, 그 결과 상기 개구부(83d)를 통해 유출된 가스는, 상기 원통 형상공간(83C)중에 있어서 균일화되고, 상기 노즐(83B)로부터는 파이프(83D)의 축 방향으로 유량의 변동이 없는 동일한 층류를 얻을 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명을 HfO2 막 또는 Al2O3 막의 형성을 예로 설명했지만, 본 발명은 이러한 특정 계의 성막에 한정되는 것이 아니고, ZrO2 막, HfSiO4 막, ZrSiO4 막, Ta2O5 막 등 여러 막의 형성에 적용이 가능하다.
또한, 이상에 설명한 본 발명의 기판 처리 장치 및 처리 방법은, 피처리 기판 표면에 막을 1 분자층씩 적층하는 이른바 ALD 프로세스에 있어서 매우 유용하지만, MOCVD법 등의 원자층 성장에 한정되지 않는 성막 프로세스에 대해서도 효과적이다.
또한, 이상에 설명한 고속 로터리 밸브(25A, 25B)를 갖는 기판 처리 장치를 운전하는 경우, 하나의 로트(lot)의 작업과 다음 로트의 작업 사이에, 통상은 5분 이상의 대기 시간이 발생하는 경우가 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 고속 로터리 밸브(25A 또는 25B)에서는 밸브체(252)는 소정의 각도 범위내, 예컨대 0° 내지 90°의 범위내에 있어서 전후로 고속으로 반복 회전되기 때문에, 베어링부에 비대칭의 마모가 발생하기 쉽다.
이 문제를 피하기 위해서, 본 발명의 기판 처리 장치를 운전할 때에는, 상기 대기 시간 사이에, 상기 밸브체(252)를 100RPM 이하, 바람직하게는 10RPM 정도의 저속으로 연속적으로 회전시켜 두는 것이 바람직하다.
이와 같은 기판 처리 장치의 아이들링 상태에서는, 처리 용기(201) 내부는 진공 배기해 두는 것이 바람직하고, 또한 기판 유지대(203)는 하강한 반송 위치(홈 포지션)에 유지해 두는 것이 바람직하다. 또한 기판 유지대(203)는 프로세스의 재개에 구비하여 통상의 프로세스 실행 온도, 예컨대 400℃로 유지하고, 상기 처리 용기(201)의 내부에는 퍼지 가스를 저유량으로 흘려두는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이러한 특정한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 특허 청구의 범위에 기재한 요지내에 있어서 여러 변형·변경이 가능하다.
본 발명에 의하면, 원료 가스를 교대로 변경하면서 막성장을 실행하는 ALD 성막 장치에 있어서, 처리 용기에 설치된 배기구의 컨덕턴스가 고속 로터리 밸브에 의해 가변적으로 제어되기 때문에, 상기 컨덕턴스를 소정의 값으로 제어함으로써, 소망하는 1 분자층의 막 성장을 안정적으로 실행하는 동시에, 상기 컨덕턴스를 최대로 제어함으로써, 상기 처리 용기내를 고속으로 세정하는 것이 가능해지고, ALD 프로세스에 의한 막 성장을 효율적으로 실행하는 것이 가능해진다. 또한 본 발명에서는 배기구의 컨덕턴스를 연속적으로 변화시키는 것이 가능하기 때문에, 사용되는 원료 가스에 따라 상기 배기구의 컨덕턴스를 변화시키는 것이 가능해서, ALD 프로세스를 더욱 안정화시키는 것이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면, 복수의 슬릿 형상 개구부가 형성된 회전 가능한 밸브체를 갖는 고속 로터리 밸브를 사용함으로써, 처리 용기 내부에 처리 가스와 라 디칼을, 상기 밸브체를 회전시킴으로써, 고속으로 변경하면서 교대로 반복 도입하는 것이 가능해진다. 그 결과, 피처리 기판 표면에 흡착된 처리 가스 분자를 라디칼 처리함으로써, 피처리 기판 표면에 1 원자층씩, 고품질의 막을 효율적으로 성장시키는 것이 가능해진다. 그 때, 라디칼원에 배기계에 접속된 바이패스 라인을 설치하고, 처리 용기내에 처리 가스가 도입되고 있는 상태에서는 라디칼을 상기 바이패스 라인으로 배기하며, 라디칼을 흡착한 처리 가스 분자에 산화 등의 반응을 실행할 경우에만 상기 라디칼원으로부터 처리 용기에 라디칼을 도입하도록 구성함으로써, 리모트 플라즈마 등의 라디칼원을 연속하여, 안정적으로 운전할 수 있고, 원자층 CVD 처리 등의 때의 사이클 시간을 단축한 경우에도, 라디칼 형성이 불안정해지는 문제는 발생하지 않는다. 그 결과, 기판 처리시의 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 라디칼원으로서 온 오프를 실행해도 안정적으로 동작하는 자외광원을 사용함으로써, 실리콘 기판 표면에의 산화막 형성에 사용되는 자외광 라디칼 산화 처리 장치를 사용하여, 효율적으로 원자층 CVD 처리를 실행하는 것이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면, 처리 용기를 배기하는 배기구에 접속된 배기계의 일부에 클리닝 가스의 라디칼원을 결합하고, 클리닝 가스의 라디칼을 상기 배기계를 역행하여 상기 처리 용기에 도입함으로써, 상기 처리 용기내를 효율적으로 클리닝하는 것이 가능해진다.
Claims (22)
- 피처리 기판을 유지하는 기판 유지대를 구비한 처리 용기와,상기 처리 용기내에 있어서 상기 기판 유지대의 제 1 측에 형성된, 상기 피처리 기판에 처리 가스를 층류의 형태로 공급하는 처리 가스 도입구와,상기 처리 용기의, 상기 기판 유지대에 대하여 상기 제 1 측과는 다른 제 2 측에 형성되고, 라디칼을 상기 피처리 기판에 대하여 층류의 형태로 공급하는 라디칼원과,상기 처리 용기내에 있어서 상기 제 1 측에 형성된 제 1 배기구와,상기 처리 용기내에 있어서 상기 제 2 측에 형성된 제 2 배기구와,상기 제 1 배기구에 제 1 가변 컨덕턴스 밸브를 거쳐서 결합되고, 상기 제 2 배기구에 제 2 가변 컨덕턴스 밸브를 거쳐서 결합된 배기계를 포함하는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 라디칼원은 리모트 라디칼원인 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 피처리 기판을 회전시키는 회전 기구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 라디칼원은 제 3 가변 컨덕턴스 밸브를 거쳐서 상기 배기계에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 라디칼원은 제 1 분지(分枝) 및 제 2 분지를 갖는 분기 배관에 의해 상기 처리 용기 및 상기 배기계에 결합되어 있고, 상기 제 1 분지는 상기 제 2 가변 컨덕턴스 밸브를 거쳐서 상기 처리 용기에, 또한 상기 제 2 분지는 상기 제 3 가변 컨덕턴스 밸브를 거쳐서 상기 배기계에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 가변 컨덕턴스 밸브는 동일한 구성을 갖는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 처리 용기는 편평한 형상을 갖고, 상기 처리 가스 도입구는 상기 처리 용기내에 있어서 편평한 시트 형상의 처리 가스류를 형성하는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 처리 용기는 상기 피처리 기판상에 높이가 0.5mm 내지 8㎜인 프로세스 공간을 구획 형성하는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 처리 용기는 상기 피처리 기판상에 높이가 0.5mm 내지 3.5㎜인 프로세스 공간을 구획 형성하는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 처리 가스의 가스류는 상기 처리 용기내에 있어서 층류를 형성하는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- ⓐ 처리 용기내를 퍼지하는 단계와,ⓑ 상기 처리 용기내에 처리 가스를 피처리 기판의 제 1 측으로부터 도입하고, 상기 피처리 기판의 표면에 처리 가스 분자를 흡착시킨 후, 상기 처리 용기내를 상기 제 1 측에 대향하는 제 2 측으로부터 배기하는 단계와,ⓒ 상기 단계 ⓑ 후, 상기 처리 용기내를 퍼지하는 단계와,ⓓ 상기 단계 ⓒ 후, 상기 처리 용기내에 라디칼을 상기 피처리 기판의 상기 제 1 측으로부터 도입하고, 상기 피처리 기판의 표면에 흡착되어 있는 상기 처리 가스 분자를 산화시키며, 상기 제 2 측으로부터 배기하는 단계로 이루어지는 기판 처리 방법에 있어서,상기 라디칼은 라디칼원에 의해 형성되고,상기 라디칼은 상기 단계 ⓐ 내지 ⓒ에 있어서는 상기 라디칼원으로부터 배기계로 흐르고, 상기 단계 ⓓ에 있어서 상기 처리 용기내에 공급되는 것을 특징으로 하는기판 처리 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 라디칼원은 상기 단계 ⓐ 내지 ⓓ의 동안 연속적으로 구동되는 것을 특징으로 하는기판 처리 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 단계 ⓐ 및 ⓒ에 있어서, 상기 퍼지 단계는 상기 처리 용기를, 상기 라디칼을 상기 라디칼원으로부터 상기 처리 용기에 공급하는 경로의 일부를 사용하여 배기하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는기판 처리 방법.
- 처리 용기내에 있어서, 상기 처리 용기내에 유지되어 있는 피처리 기판의 표면을 따라 제 1 측으로부터 상기 제 1 측에 대향하는 제 2 측으로 처리 가스를 흘리고, 상기 피처리 기판 표면에 처리 가스 분자를 흡착시키는 단계와,상기 처리 용기내를 퍼지하는 단계와,상기 처리 용기내에 있어서, 상기 피처리 기판의 표면을 따라 상기 제 1 측으로부터 상기 제 2 측으로 산화 처리 가스를 흘리고, 상기 피처리 기판 표면에 흡착된 처리 가스 분자를 산화하는 단계로 이루어지는 기판 처리 방법에 있어서,상기 산화 처리 가스를, 상기 처리 용기내에 있어서, 상기 피처리 기판의 상기 제 1 측에 있어서 자외광 여기 단계에 의해 활성화하고, 라디칼을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는기판 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 처리 가스는 상기 기판 유지대의 제 1 측으로부터 상기 피처리 기판의 표면을 따라 층류의 형태로 공급되는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 라디칼원은 상기 처리 가스가 상기 처리 용기내에 도입되고 있는 동안은 소세(消勢)되는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 라디칼원에는 산화 처리 가스가 공급되고, 상기 산화 처리 가스는 상기 처리 가스가 상기 처리 용기내에 도입되고 있는 동안은 차단되는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 라디칼원에는 산화 처리 가스가 공급되고, 상기 처리 가스가 상기 처리 용기내에 도입되고 있는 동안은 상기 제 1 가변 컨덕턴스 밸브는 폐쇄되고, 상기 제 2 가변 컨덕턴스 밸브는 소정의 개방도로 설정되며, 상기 라디칼원에 상기 산화 처리 가스가 공급되고 있는 동안은 상기 제 1 가변 컨덕턴스 밸브는 소정의 개방도 로 설정되고, 상기 제 2 가변 컨덕턴스 밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 가변 컨덕턴스 밸브는 상기 처리 용기내를 퍼지할 때에 동시에 개방되는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 라디칼원은 제 3 가변 컨덕턴스 밸브를 거쳐서 상기 배기계에 결합되어 있고, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 가변 컨덕턴스 밸브는 상기 처리 용기내를 퍼지할 때에 동시에 개방되는 것을 특징으로 하는기판 처리 장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 라디칼원은 산소 가스를 공급받아 산소 라디칼을 형성하는 리모트 라디칼원이며, 상기 라디칼을 형성하는 단계는, 상기 리모트 라디칼원에 산소 가스를 공급하고, 상기 리모트 라디칼원을 구동함으로써 산소 라디칼을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는기판 처리 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 라디칼원은 질소 가스를 공급받아 질소 라디칼을 형성하는 리모트 라디칼원이며, 상기 라디칼을 형성하는 단계는 상기 리모트 라디칼원에 질소 가스를 공급하고, 상기 리모트 라디칼원을 구동함으로써 질소 라디칼을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는기판 처리 방법.
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