KR101989256B1 - 가스 분사 장치 - Google Patents

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겐스케 와타나베
신이치 니시무라
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도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 고애스펙트비인 홈을 갖는 피처리체에 있어서도, 당해 홈 내에, 균등하게 가스를 분사할 수 있는 가스 분사 장치를 제공한다. 그리고, 본 발명에 따른 가스 분사 장치(100)는 피처리체(202)에 대하여 가스의 분사를 행하는 가스 분사 셀부(1)를 갖는다. 가스 분사 셀부(1)는 제1 뿔체 형상 부재(3)와 제2 뿔체 형상 부재(2)를 갖는다. 제1 뿔체 형상 부재(3)의 측면과 제2 뿔체 형상 부재(2)의 측면의 사이에는, 간극(do)이 형성되어 있다. 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 정상부 측은 피처리체(202)에 대면하고 있다.

Description

가스 분사 장치{GAS JETTING DEVICE}
본 발명은 감압 분위기 중의 처리 챔버에 설치한 피처리체에 대하여 처리에 유용한 비가열, 가열 및 방전 가스의 가스종을, 지향성이 있으며, 또한, 고속도 분출을 가능하게 한 분사 방식을 가진 비가열, 가열 및 방전 가스의 가스 분사 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 분야를 포함하는 다용도의 분야에 있어서, 다기능이고 고품질의 박막(예를 들어, 고절연 박막, 반도체 박막, 고유전체 박막, 발광 박막, 고자성체 박막, 초경 박막 등)이 요구되고 있다.
예를 들어, 반도체 장치의 제조 장면에 있어서는, 반도체 칩 내에서, 회로 배선에 상당되는 저임피던스의 고도전막, 회로의 배선 코일 기능이나 자석 기능을 갖는 고자성막, 회로의 콘덴서 기능을 갖는 고유전체막, 및 전기적인 누설 전류가 적은 고절연 기능을 갖는 고절연막 등이 형성되고 있다.
이들 막을 성막하는 종래 기술로서, 예를 들어 열 CVD(화학 기상 성장: Chemical Vapor Deposition) 장치, 광 CVD 장치 또는 플라즈마 CVD 장치가 사용되고 있으며, 특히, 플라즈마 CVD 장치가 많이 사용되고 있다. 이것은, 예를 들어 열·광 CVD 장치보다도, 플라즈마 CVD 장치 쪽이, 성막 온도가 낮고, 또한, 성막 속도가 빨라 단시간에 성막 처리가 가능하기 때문이다.
예를 들어, 질화막(SiON, HfSiON 등)이나 산화막(SiO2, HfO2) 등의 게이트 절연막을, 반도체 기판에 성막하는 경우에는, 감압 분위기에서의 플라즈마 CVD 장치를 사용한 이하의 기술이 일반적으로 채용되고 있다.
즉, NH3(암모니아)나 N3, O2, O3(오존) 등의 가스와, 실리콘이나 하프늄 등의 전구체 가스(비가열 가스)가, CVD 처리가 실시되는 처리 챔버 장치에 직접 공급된다. 처리 챔버 장치 내에서는, 전구체 가스를 열이나 방전을 이용하여 해리시켜, 금속 입자를 생성하고, 당해 금속 입자와, 상술한 NH3(암모니아) 등의 비가열 가스 사이의 열이나 방전을 이용한 화학 반응에 의해, 피처리체 상에 질화막 또는 산화막 등의 박막이 성막된다.
한편, 플라즈마 CVD 장치에서는, 처리 챔버 장치 내에서, 직접적으로 고주파 플라즈마나 마이크로파 플라즈마를 발생시키고 있었다. 따라서, 피처리체는, 라디칼 가스나, 고에너지를 가진 플라즈마 이온(또는 전자)에 노출된다.
또한, 플라즈마 CVD 장치에 관한 기술이 개시되어 있는 선행 문헌으로서, 예를 들어 특허문헌 1이 존재한다.
그러나, 플라즈마 CVD 장치 내의 성막 처리에서는, 상기한 바와 같이 피처리체가 플라즈마에 직접 노출된다. 따라서, 당해 피처리체는, 플라즈마(이온이나 전자)에 의해, 반도체 기능의 성능을 저하시키는 등의 대미지를 크게 받고 있었다.
한편, 열·광 CVD 장치를 사용한 성막 처리에서는, 피처리체는 플라즈마(이온이나 전자)에 의한 대미지를 받지 않고, 고품질의, 질화막이나 산화막 등이 성막된다. 그러나, 당해 성막 처리에서는, 고농도이고, 또한 다량의 라디칼 가스원을 얻는 것이 곤란하여, 결과적으로, 성막 시간을 매우 길게 요한다는 문제가 있다.
최근의 열·광 CVD 장치에서는, 원료 가스로서, 열이나 광의 조사에 의해 해리되기 쉬운, 고농도의, NH3 가스나 O3 가스를 사용하고 있다. 또한, CVD 챔버 장치 내에는, 가열 촉매체가 마련되어 있다. 이에 의해, 당해 열·광 CVD 장치에서는, 촉매 작용에 의해, 가스의 해리가 촉진되어, 질화막이나 산화막 등을 단시간에 성막하는 것도 가능하게 되었다. 그러나, 당해 시간의 단축화는 한정적이어서, 대폭적인 성막 시간의 개선은 곤란하였다.
그래서, 플라즈마에 의한 피처리체에 대한 대미지를 경감할 수 있고, 성막 시간의 추가적인 단축화가 가능한 장치로서, 리모트 플라즈마형 성막 처리 시스템이 존재한다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).
당해 특허문헌 2에 관한 기술에서는, 플라즈마 생성 영역과 피처리재 처리 영역이, 격벽(플라즈마 봉입 전극)에 의해 분리되어 있다. 구체적으로, 특허문헌 2에 관한 기술에서는, 고주파 인가 전극과 피처리체가 설치된 대향 전극의 사이에, 당해 플라즈마 봉입 전극을 형성하고 있다. 이에 의해, 특허문헌 2에 관한 기술에서는, 중성 활성종만이 피처리체 상에 공급된다.
또한, 특허문헌 3에 관한 기술에서는, 리모트 플라즈마원에 있어서, 원료 가스의 일부를 플라즈마에 의해 활성화시키고 있다. 여기서, 가스의 유로는, 당해 리모트 플라즈마원 내에서 주회되고 있다. 리모트 플라즈마원에 있어서 생성된 활성 가스는, 방출되고, 피처리체가 존재하는 장치측으로 공급된다.
특허문헌 3과 같은 박막 기술에 있어서는, 질소, 산소, 오존 또는 수소 등의 다양한 원료 가스가 이용되고 있다. 그리고, 당해 원료 가스로부터, 활성화된 라디칼 가스가 생성되어, 당해 라디칼 가스에 의해, 피처리체 상에 박막이 성막된다.
라디칼 가스는 매우 반응성이 높다. 따라서, 미량(약 1％: 10000ppm) 이하의 농도의 라디칼 가스를, 피처리체에 닿게 함으로써, 피처리체에서의 화학 반응이 촉진되어, 질화 박막, 산화 박막 또는 수소 결합 박막 등을, 단시간에 효율적으로 만들어 낼 수 있다.
라디칼 가스 생성 장치에서는, 방전 셀이 배치되어 있고, 당해 방전 셀에 있어서, 대기압 플라즈마에 상당하는 유전체 배리어 방전에 의해, 고전계인 플라즈마를 실현시킨다. 이에 의해, 방전 셀의 플라즈마에 노출된 원료 가스로부터, 고품질의 라디칼 가스가 생성된다.
또한, CVD 장치 내에 있어서, 피처리체(웨이퍼 기판)에 대하여 가스를 이용한 처리를 실시하는 경우, 피처리체가 배치되어 있는 CVD 장치 내를 가열 및 감압 상태로 한다. 그리고, 당해 CVD 장치 내에, 유기 금속 화합물 증기 가스(전구체 가스)를 충만시킴과 함께, 산화·질화·환원의 촉진을 위해, 오존 가스, 수증기, 수소 가스, 또는 라디칼 가스(산소 라디칼 가스, 질소 라디칼 가스, 수소 라디칼 가스 등)를 공급한다. 이에 의해, CVD 장치 내에 있어서, 피처리체면 상에 퇴적된 산화·질화 물질 등을 열 확산시킴으로써, 피처리체면에 반도체막 또는 절연막 등의 기능막을 결정 성장시킬 수 있다.
또한, 상기에 있어서, CVD 장치 내에, 전구체 가스와 함께 공급되는 각종 가스(오존 가스, 수증기, 수소 가스, 또는 라디칼 가스)를, 이후, 성막 처리 가스라 칭하기로 한다.
일본 특허 공개 제2007-266489호 공보 일본 특허 공개 제2001-135628호 공보 일본 특허 공개 제2004-111739호 공보
종래, 피처리체 위에 반도체 등의 기능 소자(2D(dimension) 소자)를 구성하는 것이었기 때문에, CVD 처리 용기 내에 전구체 가스나 성막 처리 가스를 충만시킨, 표면 성막이 주체였다.
예를 들어, 피처리체가 1매 또는 복수매 배치되어 있는, 감압된 CVD 장치 내에 있어서, 소정의 구경이고 짧은 가스 공급 배관으로부터 복수의 노즐 구멍을 통하여, 가스가 샤워상으로 분출되고 있었다. 소정의 구경이고 짧은 가스 공급 배관으로부터 공급된 가스는, 충분히 정류화되지 않고 분출되기 때문에, 분출된 가스는, 분위기 가스 압력이나 가스 농도 차에 의존하는 확산 속도로 사방으로 확산된다.
한편, 보다 고밀도인 기능 소자가 요구되고 있는 점에서, 기능 소자를 다층에 걸쳐서 형성시킨 삼차원의 기능 소자(3D 소자)가 요망되고 있다. 즉, 고애스펙트비인 홈 내에, 원하는 막을 균일하게 성막할 것이 요망되고 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 사방으로 가스를 확산시켜서 분사시킨 가스의 경우에는, 고애스펙트비인 홈 내에서, 가스가 균등하게 조사되지 않는다. 이렇게 되면, 당해 홈 내에서, 균일하게 성막을 행할 수 없다.
따라서, 피처리체에 있어서의, 고애스펙트비인 홈 내에, 균등하게 가스를 분사할 수 있는 성막 기술이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 고애스펙트비인 홈을 갖는 피처리체에 있어서도, 당해 홈 내에, 균등하게 가스를 분사할 수 있는 가스 분사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 가스 분사 장치는, 용기부와, 상기 용기부에 가스의 공급을 행하는, 가스 공급부와, 상기 용기부 내에 배치되며 피처리체에 대하여 가스의 분사를 행하는 가스 분사 셀부를 구비하고 있고, 상기 가스 분사 셀부는, 제1 뿔체 형상 부재와, 상기 제1 뿔체 형상 부재를 측면 방향으로부터 둘러싸고, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 측면과의 사이에 간극이 형성되도록 배치되는 제2 뿔체 형상 부재를 갖고 있고, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 정상부 측 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 정상부 측은, 상기 피처리체에 대면하고 있고, 상기 가스 공급부로부터 공급된 가스는, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 저면 측 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 저면 측으로부터, 상기 간극에 침입하고, 상기 간극을 통과하여, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 정상부 측 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 정상부 측으로부터, 상기 피처리체를 향하여 분사된다.
또한, 용기부와, 상기 용기부에 가스의 공급을 행하는, 가스 공급부와, 상기 용기부 내에 배치되며 피처리체에 대하여 가스의 분사를 행하는 가스 분사 셀부를 구비하고 있고, 상기 가스 분사 셀부는, 부채꼴 형상이며, 제1 평판과, 상기 제1 평판과 간극이 형성되도록 대면하여 배치되는 제2 평판을 갖고 있고, 상기 가스 분사 셀부의 정상부 측은, 상기 피처리체에 대면하고 있고, 상기 가스 공급부로부터 공급된 가스는, 부채꼴 형상의 상기 가스 분사 셀부(1)에 있어서의 폭이 넓은 측의 개구부로부터, 상기 간극에 침입하고, 상기 간극을 통과하여, 상기 가스 분사 셀부의 정상부 측으로부터, 상기 피처리체를 향하여 분사된다.
본 발명에 따른 가스 분사 장치는, 용기부와, 상기 용기부에 가스의 공급을 행하는, 가스 공급부와, 상기 용기부 내에 배치되며 피처리체에 대하여 가스의 분사를 행하는 가스 분사 셀부를 구비하고 있고, 상기 가스 분사 셀부는, 제1 뿔체 형상 부재와, 상기 제1 뿔체 형상 부재를 측면 방향으로부터 둘러싸고, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 측면과의 사이에 간극이 형성되도록 배치되는 제2 뿔체 형상 부재를 갖고 있고, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 정상부 측 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 정상부 측은, 상기 피처리체에 대면하고 있고, 상기 가스 공급부로부터 공급된 가스는, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 저면 측 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 저면 측으로부터, 상기 간극에 침입하고, 상기 간극을 통과하여, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 정상부 측 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 정상부 측으로부터, 상기 피처리체를 향하여 분사된다.
또한, 용기부와, 상기 용기부에 가스의 공급을 행하는, 가스 공급부와, 상기 용기부 내에 배치되며 피처리체에 대하여 가스의 분사를 행하는 가스 분사 셀부를 구비하고 있고, 상기 가스 분사 셀부는, 부채꼴 형상이며, 제1 평판과, 상기 제1 평판과 간극이 형성되도록 대면하여 배치되는 제2 평판을 갖고 있고, 상기 가스 분사 셀부의 정상부 측은, 상기 피처리체에 대면하고 있고, 상기 가스 공급부로부터 공급된 가스는, 부채꼴 형상의 상기 가스 분사 셀부(1)에 있어서의 폭이 넓은 측의 개구부로부터, 상기 간극에 침입하고, 상기 간극을 통과하여, 상기 가스 분사 셀부의 정상부 측으로부터 상기 피처리체를 향하여 분사된다.
따라서, 가스 분사 셀부의 간극에 있어서, 가스는 정류·가속된다. 따라서, 가스 분사 셀부로부터는, 지향성을 갖는 빔상의 가스를 분사시킬 수 있다. 따라서, 가스 분사 장치는, 고애스펙트비인 홈을 갖는 피처리체에 있어서도, 당해 홈 내에 균등하게 가스를 분사할 수 있으며, 결과적으로, 당해 홈 내에 균질한 막을 성막시킬 수 있다.
도 1은 고애스펙트비의 홈(202A)을 갖는 피처리체(202)의 일부의 단면 구성을 도시하는 확대 단면도이다.
도 2는 실시 형태 1에 따른 가스 분사 장치(100)와 처리 챔버(200)를 포함하는 리모트 플라즈마형 성막 처리 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 가스 분사 셀부(1)의 구성을 도시하는 확대 사시도이다.
도 4는 가스 분사 셀부(1) 내에 있어서의 가스의 흐름을 도시하는 도면이다.
도 5는 가스 분사 셀부(1)에 의해, 가스가 지향성을 갖는 빔으로서 분출되는 모습을 도시하는 도면이다.
도 6은 가스 분사 셀부(1)에 의해, 가스가 지향성을 갖는 빔으로서 분출되는 모습을 도시하는 도면이다.
도 7은 가스 압력과 확산 속도의 관계를 도시하는 도면이다.
도 8은 가스 압력과 가스 분출 가속도의 관계를 도시하는 도면이다.
도 9는 실시 형태 2에 따른 가스 분사 셀부(1)의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 10은 실시 형태 3에 따른 가스 분사 셀부(1)의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 11은 실시 형태 4에 따른 가스 분사 셀부(1)의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 12는 배치형의 처리 챔버(200)에 대하여 복수의 가스 분사 셀부(1A, 1B)가 배치되어 있는 리모트 플라즈마형 성막 처리 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 13은 배치형의 처리 챔버(200)에 대하여 복수의 가스 분사 셀부(1A, 1B)가 배치되어 있는 리모트 플라즈마형 성막 처리 시스템의 다른 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 14는 낱장형 처리 챔버(200)에 대하여 복수의 가스 분사 셀부(1A, 1B)가 배치되어 있는 리모트 플라즈마형 성막 처리 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 15는 실시 형태 7에 따른 가스 분사 셀부(1)의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 16은 실시 형태 8에 따른 가스 분사 셀부(1)의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 17은 실시 형태 9에 따른 가스 분사 셀부(1)의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 1은 고애스펙트비의 홈(202A)을 갖는 피처리체(202)의 일부의 단면 구성을 도시하는 확대 단면도이다.
도 1에 있어서, Dx는 홈(202A)의 구경이며, Dy는 홈(202A)의 깊이다. 예를 들어, 구경 Dx는 약 수십㎛ 직경 정도이고, 깊이 Dy는 구경 Dx의 수배 내지 수십배 정도이다. 도 1에 도시하는 고애스펙트비(Dy/Dx)인 홈(202A)에 대하여 균질한 성막이 요구된다(환언하면, 가스 분사에 의해 고애스펙트비의 홈(202A)의 바닥까지, 균등한 가스를 공급할 수 있을 것이 요구된다).
종래와 같은, 소정의 구경이고 짧은 가스 공급 배관으로부터 가스를 분사하는 방식은, 장치 내에 남김없이 가스를 충만시키는 경우에 적합하다. 그러나, 당해 방식의 가스 분출에서는, 가스 공급 배관에 있어서, 가스의 정류화나 가스의 가속화가 이루어지지 않고, 분출 가스의 지향성 및 가스 속도가 약하기 때문에, 고애스펙트비의 홈(202A) 내부까지 가스가 인입되지 않아, 홈(202A)의 저면 및 측면에 대하여 균질한 막을 성막하는 것은 곤란하다. 또한, 공급한 라디칼 가스는, 가스 수명이 매우 짧기 때문에, 홈(202A)의 저면에 도달하기 전에 소멸한다. 따라서, 균질한 막을 성막하는 것은 곤란하다.
따라서, 고애스펙트비의 홈(202A) 내에 균질한 막을 성막하기 위해서는, 분출 가스에 지향성을 갖게 하고, 또한 가속화시켜 가스의 고속도화를 도모할 필요가 있다. 즉, 분출 가스의 빔 각도 α는, 홈(202A)의 애스펙트비가 커질수록, 작게 할 필요가 있다(즉, 보다 지향성을 갖고, 가스의 고속도화를 함으로써, 분출되는 가스가 확산 속도를 극복하여 가스의 확대를 억제한 가스 분사가 필요하게 됨).
본 발명에 따른 비가열 가스, 가열 가스 및 방전 가스의 가스 분사 장치(이하, 간단히 가스 분사 장치라고 칭함)는 고애스펙트비의 홈(202A) 내에 균질한 막을 성막하기 위해, 전구체 가스 또는 성막 처리 가스를, 빔상으로 분출할 수 있다. 이하, 본 발명을, 그 실시 형태를 나타내는 도면에 기초하여 구체적으로 설명한다.
<실시 형태 1>
도 2는 본 실시 형태에 따른 가스 분사 장치(100)와 처리 챔버(200)를 포함하는 리모트 플라즈마형 성막 처리 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
가스 분사 장치(100)와 처리 챔버(200)는, 플랜지(22)에 의해 구획되어 있다. 즉, 플랜지(22)는 가스 분사 장치(100)와 처리 챔버(200)를 결합시키기 위한 부재이며, 플랜지(22)의 한쪽 주면은, 가스 분사 장치(100)의 저면을 구성하고 있고, 플랜지(22)의 다른 쪽 주면은, 처리 챔버(200)의 상면을 구성하고 있다. 여기서, 가스 분사 장치(100) 내와 처리 챔버(200) 내는, 분출 구멍(102)을 통하여 접속되어 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 가스 분사 장치(100)는 용기부(100D), 가스 공급부(101) 및 가스 분사 셀부(1)를 갖고 있다.
가스 공급부(101)는 용기부(100D) 내에 가스 G1의 공급을 행한다. 여기서, 용기부(100D) 내의 가스 압력 P1은, 10㎪ 내지 50㎪의 범위에서 일정하게 유지되고 있다. 또한, 용기부(100D) 내에는, 가스의 분사를 행하는, 중공 원뿔 형상의 가스 분사 셀부(1)가 배치되어 있다. 가스 분사 셀부(1)는 분출 구멍(102)을 갖고 있고, 당해 분출 구멍(102)을 통하여 가스 G2는 처리 챔버(200) 내에 대하여 분사된다(보다 구체적으로는, 처리 챔버(200) 내의 피처리체(202)에 대하여 분사됨). 여기서, 분출 구멍(102)의 개구 직경은, 예를 들어 1㎜ 이하이다.
CVD 장치인 처리 챔버(200) 내에는 테이블(201)이 배치되어 있다. 그리고, 당해 테이블(201) 상에는 피처리체(202)가 적재된다. 여기서, 피처리체(202)는 도 1에 도시하는 바와 같이, 고애스펙트인 홈(202A)을 갖는다.
처리 챔버(200)에는, 배기구(203)를 통하여 진공 펌프(300)에 접속되어 있다. 당해 진공 펌프에 의해, 처리 챔버(200) 내의 가스 압력 P0은 30㎩ 내지 400㎩ 정도로 유지되어 있다.
도 2에 있어서, 전구체 가스 G1 또는 라디칼 가스가 될 수 있는 원료 가스 G1이, 가스 공급부(101)를 통하여 소정의 유량으로, 용기부(100D) 내에 공급된다. 당해 원료 가스 G1은, 가스 분사 셀부(1)를 통하여 분출 구멍(102)으로부터 처리 챔버(200) 내로, 전구체 가스 G2 또는 라디칼 가스 G2로서 분출시킨다. 가스 G2는, 테이블(201) 상에 적재된 피처리체(202)에 대하여 빔상으로 조사되고, 당해 조사된 영역에서 막 성막된다.
도 3은 가스 분사 장치(100) 내에 배치되는 가스 분사 셀부(1)의 구성을 도시하는 확대 사시도이다. 또한, 이하에서는, 가스 분사 셀부(1)는 중공의 원뿔 형상일 경우에 대하여 설명한다. 그러나, 가스 분사 셀부(1)는 중공의 다각뿔 형상이어도 된다.
가스 분사 셀부(1)는 내관인 제1 뿔체 형상 부재(3)와, 외관인 제2 뿔체 형상 부재(2)와, 분출부(5)를 포함하고 있다.
제1 뿔체 형상 부재(3)는 원뿔대 형상(원뿔 형상이어도 됨)이며, 제1 중공부를 갖는다. 여기서, 당해 제1 중공부도 원뿔대 형상이다. 또한, 당해 제1 뿔체 형상 부재(3)를 측면 측으로 둘러싸도록, 제2 뿔체 형상 부재(2)가 배치되어 있다. 여기서, 제2 뿔체 형상 부재(2)는 원뿔대 형상이며, 제2 중공부를 갖는다. 또한, 당해 제2 중공부도 원뿔대 형상이다. 또한, 제1 뿔체 형상 부재(3)의 원뿔각 및 제2 뿔체 형상 부재(2)의 원뿔각은 동일하다. 즉, 후술하는 간극 do의 폭 Δd는 일정하다.
즉, 제2 뿔체 형상 부재(2)의 제2 중공부 내에, 제1 뿔체 형상 부재(3)가 배치되어 있고, 제1 뿔체 형상 부재(3)의 측면부와 제2 뿔체 형상 부재(2) 측면부의 사이에는, 평면으로 보아 환상인 간극 do가 형성되어 있다. 또한, 제1 뿔체 형상 부재(3)의 중심축과, 제2 뿔체 형상 부재(2)의 중심축은 일치하고 있다.
여기서, 제1 뿔체 형상 부재(3)의 간극 do에 면하는 부분 및 제2 뿔체 형상 부재(2)의 간극 do에 면하는 부분은, 예를 들어 사파이어 또는 석영을 포함하고 있다. 또한, 간극 do의 폭 Δd(즉, 제1 뿔체 형상 부재(3)의 측면으로부터 제2 뿔체 형상 부재(2)의 측면까지의 거리)는, 예를 들어 뿔체의 직경 D를 φ40㎜로 하고, 가스 통로인 뿔체의 간극 do의 폭 Δd를 0.3㎜ 이상, 3㎜ 이하로 한다. 또한, 용기부(100D) 내의 가스 압력 P1은, 10㎪ 이상, 50㎪ 이하의 범위에서 일정하게 유지되고 있으므로, 간극 do에 있어서의 가스 압력도, 10㎪ 이상, 50㎪ 이하의 범위에서 일정하게 유지되고 있다. 가스 분사 셀부(1)를 간극 do의 폭을 Δd로 한 뿔체상(원뿔체)으로 하고, 가스 압력을 P1로 감압한다. 이에 의해, 가스 분사 장치(100)에 공급하는 가스 유량 Q를 1L/min으로 하면, 가스 분사 셀부(1)에 유입되는 가스는, 다음 식과 같이, 고속화된 유속 Vs0을 갖는 가스가 된다. Vs0=100/P1·[1000·Q/{(D/10)·π·(Δd/10)}](㎝/s). 당해 유속 Vs0을 갖는 가스는, 가스 분사 셀부(1)에서, 소정 방향의 가스 흐름으로 정류화됨과 함께, 셀 내를 통과함으로써, 가속되어, 보다 고속도화된 가스 속도 Vs로서 가스가 분출된다.
상기와 같이, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)는 원뿔대 형상이다. 용기부(100D) 내에 가스 분사 셀부(1)가 배치되어 있는 상태에 있어서, 용기부(100D) 내의 상측으로부터 하측(처리 챔버(200) 측)으로 진행됨에 따라서, 각 원뿔대 형상의 직경은 작아지고 있다.
또한, 도 3에 도시하는 바와 같이, 처리 챔버(200) 측(즉, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 뿔체의 정상부가 될 수 있는 측)에 있어서, 피처리체(202)에 대하여 가스의 분사를 행하는 분출부(5)가 설치되어 있다. 도 2, 3의 구성으로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 정상부가 될 수 있는 측(환언하면, 분출부(5))이 피처리체(202)에 대면하고 있다. 당해 분출부(5)의 측면에는, 환상으로 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 상기 정상부가 될 수 있는 측이 접속되어 있다. 또한, 도면 설명의 관점에 의해, 당해 접속되어 있는 부분에 있어서, 분출부(5)의 내부를 투시적으로 도시하고 있다.
분출부(5)의 측면부에는, 환상으로 슬릿이 형성되어 있고, 당해 슬릿에, 제1 뿔체 형상 부재(3)와 제2 뿔체 형상 부재(2)에 의해 형성되는 간극 do가 접속되어 있다. 또한, 분출부(5)의 내부에는, 공간부(5H) 및 분출 구멍(102)이 형성되어 있다. 당해 공간부(5H)는, 상기 환상의 슬릿과 접속되어 있고, 또한, 분출 구멍(102)과도 접속되어 있다.
도 2에 있어서, 전구체 가스 G1 또는 라디칼 가스가 될 수 있는 원료 가스 G1이, 가스 공급부(101)를 통하여, 소정의 유량으로, 용기부(100D) 내에 공급된다. 그러면, 도 2, 4를 참조하여, 용기부(100D) 내의 압력이, 원하는 가스 압력 P1로 유지된 상태에서, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 상부 측(즉, 분출부(5)가 배치되어 있지 않은 측이며, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 뿔체 저면이 될 수 있는 측)으로부터, 가스 G1은 간극 do에 침입한다. 여기서, 도 4는 가스 분사 셀부(1)에 있어서의 가스 G1, G2의 흐름을 모식적으로 도시한 도면이다.
그리고, 당해 가스 G1은, 길이 Lxs이고, 또한 좁은 간극 do를 통과함으로써, 사방으로부터 가스 분사 셀부(1)에 유입된 가스 G1은, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 원뿔대 형상에 기인하여 일정 방향의 가스 흐름 방향으로 정류화되고 가속된다. 그리고, 가스는 가스 G2로서, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 정상부 측으로부터(즉, 분출부(5)의 분출 구멍(102)을 통해), 피처리체(202)를 향하여 분사된다(환언하면, 가스 압력 P0으로 유지되어 있는 처리 챔버(200) 내에 분사됨). 여기서, 도 4에 도시하는 바와 같이, 가스 분사 셀부(1)로부터 분사되는 가스 G2는, 빔 각도 α를 갖는 빔상이다.
도 5를 참조하여, 간극 do에 있어서의, 통로 거리 Lx는, 간극 do의 폭 Δd의 수십배 이상, 예를 들어 20㎜ 내지 100㎜ 정도로 설정된다. 도 5를 참조하여, 가스 분사 셀부(1)의 간극 do에 유입되는 가스의 흐름 방향에 변동이 있어도, 가스 분사 셀부(1)의 정점 측(즉, 분출부(5) 부근)에서의 가스의 흐름 방향은, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 측면을 따른 방향으로 정렬되어, 정류화된다. 또한, 가스 분사 셀부(1)의 형상에 기인하여, 환상의 간극 do의 단면적은, 분출부(5)에 근접함에 따라 작아진다. 따라서, 가스 분사 셀부(1) 내를 전반하는 가스는, 가속(가속도 a)되어, 분출부(5) 부근에서는 속도 Vs가 된다.
도 5를 참조하여, 정류·가속되고, 속도 Vs로 분출부(5)에 입력된 가스는, 분출 구멍(102)에서 더 압축되어 고속화된다. 여기서, 분출 구멍(102)에 있어서, 압력차 ΔP(=용기부(100D) 내의 가스압 P1-처리 챔버(200) 내의 가스압 P0)가 발생하고 있으며, 당해 압력차 ΔP를 이용하여, 분출 구멍(102)으로부터 처리 챔버(200)에 가스 G2가 분사된다.
여기서, 도 6의 속도 성분도를 참조하여, 분출부(5)에 입력되는 가스의 속도를 Vs라 하고, 당해 속도 Vs의 축 방향 성분을 Vsy라 하고, 당해 속도 Vs의 직경 방향 성분을 Vsx라 한다. 또한, 분출부(5)로부터 출력된 가스의 속도를 V0이라 하고, 당해 속도 V0의 축 방향 성분을 Vy0이라 하고, 당해 속도 V0의 직경 방향 성분을 Vx0이라 한다.
그러면, 속도 V0={(가스압 P1)/(가스압 P0)}×속도 Vs가 되고, 속도 Vy0={(가스압 P1)/(가스압 P0)}×속도 Vsy가 되고, 속도 Vx0={(가스압 P1)/(가스압 P0)}×속도 Vsx가 된다.
처리 챔버(200) 내의 압력은 진공압에 가까운 압력(가스 압력 P0=약 30㎩ 내지 400㎩)이기 때문에, 분출부(5)로부터 분출시키는 가스의 확산 속도 VD(도 6 참조)는 매우 커진다. 게다가, 피처리체(202)에 분출되는 가스의 속도 Vs는, 원뿔체 부분에서 가속되고, 또한, 용기부(100D) 내의 가스압 P1과 처리 챔버(200) 내의 가스압 P0의 압력차에 의해, 초음속을 초과하는 속도로 지향성이 있는 빔상의 가스가 분출된다. 도 7은 가스종으로서, 산소 가스 또는 질소 가스로 했을 경우에 있어서의, 가스 압력 P0에 대한 확산 속도 VD 특성을 나타낸 특성도이다. 이 도 7로부터 가스 분사 셀부(1)에 있어서는, P1을 30㎪로 하면, 가스의 확산 속도 VD는, 약 0.04m/s 정도이지만, 처리 챔버(200)의 가스 압력 분위기 P0에 있어서는, 3m/s 내지 40m/s가 되어, 상당히 가스의 확산 속도 VD가 크다. 처리 챔버에서의 확산 속도 VD가 크기 때문에, 처리 챔버(200)로 분출되는 가스가 지향성을 갖지 않고, 분출 속도가 확산 속도에 비해, 충분히 높지 않으면, 처리 챔버(200)로 분출된 가스는, 바로 사방 팔방으로 확산되게 된다. 그에 반해 본원 발명의 뿔체 형상으로 한 가스 분사 셀부(1)로부터 처리 챔버로 분출된 경우에는, 분출 가스 G2의 분출 속도 V0은, 초음속을 초과하는 속도로 지향성이 있는 빔상이 된다. 그로 인해, 도 7에 도시하는 확산 속도 VD에 비해, 매우 높은 가스 유속을 갖기 때문에, 분출 가스의 사방으로의 확산이 억제되어, 고속도로 피처리체면에 빔상으로 분사 가스를 조사할 수 있다.
분출부(5)로부터 분출시키는 가스는, 확산 속도 VD를 초과하는 속도로 가스 G2가 분출된다. 따라서, 보다 큰 속도 Vsy, Vsx를 갖도록 가스 G2를 분출부(5)로부터 분사시킴으로써, 가스 분사 셀부(1)로부터 지향성이 있는 빔상의 가스 G2를 분출시킬 수 있다. 또한, 속도 Vsx는, 가스 분사 셀부의 형상이 원뿔상이기 때문에, 내부를 향한 가스 속도 벡터가 되므로, 분출된 가스에 대해서도, 내부를 향한 가스 속도 벡터 Vx0이 되고, 확산 속도 VD를 억제하는 방향이 되는 효과가 있다.
가스 분사 셀부(1)에 있어서, 간극 do의 폭 Δd는 1㎜이며, 간극 do의 체적은 50㎤인 것으로 한다. 또한, 가스 분사 셀부(1)의 간극 do에 공급되는 가스 유량은, 1L(리터)/min인 것으로 한다. 그렇게 하면, 가스 분사 셀부(1)에 있어서, 분출부(5)에 입력되는(도 5에 있어서, 가스 분사 셀부(1)의 간극 do의 입구로부터, 약 0.9Lx의 위치에 있어서의) 정류화된 가스의 가속도 a는, 용기부(100D) 내의 가스압 P1에 의존한다.
도 8은 가스압 P1과 가속도 a의 관계 특성을 도시하는 도면이다. 도 8에 있어서, 특성 2000은 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 원뿔각 β(도 5 참조)를 22.4°로 했을 경우에 있어서의, 가스압 P1과 가속도 a의 관계 특성을 나타내고, 특성 3000은 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 원뿔각 β를 32.3°로 했을 경우에 있어서의, 가스압 P1과 가속도 a의 관계 특성을 나타내고 있다.
그런데, 발명자들은, 실험·시뮬레이션을 행한 결과, 처리 챔버(200) 내의 가스압 P0을 성막에 적합한 30㎩ 내지 400㎩ 정도로 설정한 경우, 가스 G2의 지향성의 관점에서, 분출부(5) 부근의 가스의 가속도는 약 200m/s2 이상 확보할 수 있으면 바람직하다는 것을 알아내었다. 또한, 더욱 양질의 빔 형상의 가스 G2를 분출시키기 위해서는, 가스 G2의 가속도는 약 400m/s2 이상 확보하는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 원뿔각을 약 20° 내지 40° 부근으로 설정한 가스 분사 셀부(1)에 있어서는, 상기 가속도를 확보하는 관점에서, 용기부(100D) 내(가스 분사 셀부(1) 내)의 가스압 P1은, 약 80㎪ 이하가 바람직하고, 더욱 양질의 빔 형상의 가스 G2를 분출시키기 위해서는, 당해 가스압 P1은, 약 50㎪ 이하인 것이 바람직하다는 것을 발명자들은 알아내었다.
한편, 처리 챔버(200) 내의 가스압 P0(30㎩ 내지 400㎩)에 대하여 수십배 이상의 압력 손실을 갖게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 분출부(5)에 있어서, 분출 구멍(102)의 직경을 0.03㎜ 내지 1㎜로 하고, 분출부(5)의 길이 L1을 5㎜ 이상으로 했을 경우에는, 용기부(100D) 내(가스 분사 셀부(1) 내)의 가스압 P1은, 약 20㎪ 정도인 것이 바람직하다.
또한, 양질의 빔상의 가스를 분출시키기 위해서는, 도 5에 있어서, 뿔체 형상 부분을 크게 함으로써, 가스의 흐름을 정류화하고, 정류화된 가스를 분출시키기 위해서, 분출부(5)의 사이즈(직경 D1 및 길이 L1)를 가능한 한 작게 설계하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 분사 장치(100)에서는, 각 뿔체 형상(원뿔 또는 다각뿔) 부재(2, 3)를 포함하는 가스 분사 셀부(1)를 갖는다.
따라서, 가스 분사 셀부(1)의 뿔체 형상의 길이가 Lx이면(길이 Lx가, 간극 do의 폭에 비하여 충분히 길면), 간극 do의 부분에 있어서, 가스의 흐름은 정류화되고 가속된다. 따라서, 가스 분사 셀부(1)로부터는, 지향성을 갖는 빔상의 가스 G2를 분사시킬 수 있다. 따라서, 가스 분사 장치(100)는 고애스펙트비인 홈을 갖는 피처리체에 있어서도, 당해 홈 내에 균등하게 가스를 분사할 수 있고, 결과적으로, 당해 홈 내에 가스를 도달시켜, 균질한 막을 성막시킬 수 있다. 가스 분사 셀부(1)가 원뿔체일 경우의 효과에 대하여 설명했지만, 뿔체 형상을 각뿔로 해도, 원뿔체 형상과 거의 동등한 효과를 발할 수 있다. 뿔체 형상(원뿔 또는 다각뿔) 부재(2, 3)를 포함하는 가스 분사 셀부(1)를 가짐으로써, 빔 형상의 가스 G2를 분출할 수 있다.
또한, 가스 분사 셀부(1)의 뿔체 형상의 길이 Lx, 간극 do의 부분에 있어서, 가스는 정류·가속되므로, 결과적으로, 가스 분사 셀부(1)로부터는 고속의 가스 G2를 분사할 수 있다. 따라서, 예를 들어 가스 G2가, 수명이 짧은 라디칼 가스를 포함하는 가스일 경우에는, 단시간에 피처리체까지 가스를 도달시키는 것이 가능하게 되기 때문에, 고농도의 라디칼을 유지한 상태에서, 피처리체(202)에 대하여 라디칼 가스 G2를 조사할 수 있다. 따라서, 피처리체(202) 상에 고품질의 막을 성막하는 것이 가능하게 되고, 또한, 성막 온도를 낮출 수도 있다.
가스 분사 셀부(1)를 뿔체 형상(원뿔각<180°)인 제1, 2의 뿔체 형상 부재(2, 3)를 사용하여 구성하고, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)에 의해 간극 do를 형성하고, 당해 간극 do 내에 가스를 흘리면, 가스 분사 셀부(1) 내에서 가스는, 정류(확산 속도 VD를 상쇄하는 방향의 속도가 생성됨)·가속(분사되는 가스 G2의 고속화)된다. 따라서, 가스 분사 셀부(1)로부터는, 상기 지향성이 있는 가스 G2가 분사된다.
한편, 원뿔각 β가 너무 크면, 간극 do에 있어서의 가스 충돌이 많이 발생하고, 간극 do 내에서 라디칼 가스를 생성할 경우에는, 라디칼 가스가 간극 do 내에서 많이 소멸한다. 또한, 원뿔각 β가 너무 크면, 가스 분사 셀부(1)의 점유 면적이 커진다. 이러한 사항들을 감안하면, 원뿔각은 60° 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 이미 설명한 바와 같이, 원뿔 형상의 제1, 2의 뿔체 형상 부재(2, 3) 대신에 다각뿔 형상의 제1, 2 뿔체 형상 부재를 채용해도, 상기와 동일한 효과는 얻어진다. 이후의 실시 형태에 있어서도, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)가 원뿔 형상일 경우를 예로 들어 설명을 행하지만, 하기 각 실시 형태에 있어서도, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 형상은, 다각뿔 형상이어도 당연히 된다.
또한, 간극 do의 폭 Δd는, 0.3㎜ 내지 3㎜의 범위 내이면, 가스 분사 셀부(1)에 있어서의 정류화는 충분히 달성할 수 있다. 단, 간극 do의 폭 Δd가 작을수록, 정류화를 보다 향상시킬 수 있고, 가스 분사 셀부(1)로부터 분사되는 가스 G2의 고속화도 가능하게 된다.
또한, 상기와 같이, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)의 간극 do에 면하는 부분은, 라디칼 가스의 벽과의 충돌에 의한 소멸이 적은 사파이어 또는 석영을 포함하고, 통로면은 요철이 적은 면으로 하는 것이 바람직하다.
이에 의해, 가스가 통과하는 간극 do의 벽면에 가스에 기인한 부식물 등이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 가스 분사 셀부(1)로부터, 가스 G2 이외에, 불순물이 출력되는 것을 방지해야 한다. 즉, 가스 분사 셀부(1)로부터, 항상 고순도의 가스 G2를 분출시킬 수 있다.
<실시 형태 2>
도 9는 본 실시 형태에 따른 가스 분사 장치와 처리 챔버를 포함하는 리모트 플라즈마형 성막 처리 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다. 또한, 도 9에서는, 도면 간략화를 위해, 용기부의 구성, 처리 챔버(200)의 하우징 및 플랜지(22) 등의 도시를 생략하고 있다.
일부 부재는 생략하고 있지만, 도 2에 도시하는 구성과 도 9에 도시하는 구성은, 이하의 점을 제외하고 동일한 구성이다. 즉, 도 2에 도시하는 구성에서는, 분출부(5)에 형성되는 분출 구멍(102)은 하나였지만, 도 9에 도시하는 구성에서는, 분출부(5)에 형성되는 분출 구멍(102)은 복수이다.
본 실시 형태에서는, 가스 공급부로부터 공급되어, 용기부 내에 충만한 가스 G1은, 가스 분사 셀부(1)의 간극 do에 입력된다. 그리고, 당해 가스 G1은 간극 do를 통과하여, 분출부(5) 내의 공간부(5H)에 공급된다. 그리고, 복수의 분출 구멍(102)을 통하여, 가스 G2는 피처리체(202)를 향하여 분사된다. 여기서, 실시 형태 1에서도 설명한 바와 같이, 각 분출 구멍(102)으로부터는, 지향성을 갖는 빔상의 가스 G2가 분출된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 분사 장치에서는, 하나의 가스 분사 셀부(1)에 있어서, 복수의 분출 구멍(102)이 형성되어 있다.
따라서, 하나의 가스 분사 셀부(1)는 가스 G2를, 보다 큰 범위에서 출력시킬 수 있다. 즉, 피처리체(202)에 있어서의 가스 G2의 조사 면적은, 실시 형태 1과 비교하여 확대된다. 따라서, 보다, 넓은 범위의 피처리체(202)에 있어서, 막의 성막이 가능하게 된다.
또한, 도 9에 도시하는 바와 같이, 테이블(201)을 수평 방향으로 이동시키고, 및/또는, 회전시킴으로써, 대면적의 피처리체(202)여도, 피처리체(202)의 전체면에 가스 G2를 조사시킬 수 있다.
<실시 형태 3>
본 실시 형태에서는, 가스 분사 셀부(1)에 있어서, 가스 G1을 가열시킴으로써, 가스 G1을 라디칼 가스화시킨다. 그리고, 본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)는 라디칼 가스 G2를 분사한다.
가열시켜서 라디칼 가스 G2를 생성하는 가스종으로서는, 오존 가스가 있다(즉, 도 2에 있어서, 가스 공급부(101)로부터 용기부(100D) 내에 공급되는 가스 G1은 오존 가스임).
일반적으로, 오존 발생기에서는, 유전체 배리어 방전을 이용하여, 오존 가스를 발생시키고 있다. 최근에는, 질소 가스를 포함하지 않고, 또한 400g/㎥ 정도의 고농도 오존화 가스를 CVD 장치에 공급함으로써, 오존 가스를 이용한 산화막의 성막 기술이 이미 확립되어 있다.
이러한 성막 기술은, 예를 들어 CVD 장치 내를 감압 분위기이며 또한 가열 분위기로 한다. 그리고, 당해 CVD 장치에, 전구체 가스(예를 들어, TEOS(Tetraethyl orthosilicate) 등의 실리콘 유기 화합물)와 고농도 오존 가스를 교대로 공급하여, CVD 장치 내의 피처리체에 대하여 산화막이 성막된다.
여기서, 전구체 가스를 공급하는 공정에서, 실리콘 유기 화합물로부터 Si 금속을 열 해리시키고, 또한, 오존 가스를 공급하는 공정에 있어서, 오존 가스의 일부를 열해리시킴으로써 산소 원자(산소 라디칼)를 생성시킨다. 당해 산소 라디칼은 산화력이 강하고, 열해리한 Si 금속과의 산화 반응에서, 피처리체 상에 SiO2막이 성막된다.
본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)는 오존 가스로부터 산소 라디칼 가스를 생성하고, 당해 산소 라디칼 가스를, 지향성을 갖는 빔상의 가스 G2로서 분출한다. 본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)의 구성을 도 10에 도시한다.
실시 형태 1에서 설명한 가스 분사 셀부(1)와 본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)는, 하기의 부재가 추가되어 있는 것 이외에는 동일한 구성이다.
도 10에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)에서는, 제2 뿔체 형상 부재(2)의 외측면(즉, 간극 do에 면하고 있지 않은 측의 측면) 상에는, 히터(가열부)(51)가 환상으로 배치되어 있다. 또한, 제1 뿔체 형상 부재(3)의 내측면(즉, 간극 do에 면하고 있지 않은 측의 측면) 상에는, 히터(가열부)(52)가 환상으로 배치되어 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 가스 분사 장치는, 히터(51)를 가열하기 위한 전원 H2와 히터(52)를 가열하기 위한 전원 H1을 갖고 있다.
히터(51, 52)를 가열시킴으로써, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)를 수십℃ 내지 100℃ 정도까지 가열시켜, 결과적으로 가스 분사 셀부(1)에 있어서의 간극 do 내를 수십℃ 내지 100℃까지 가열한다. 당해 가열 상태의 간극 do에 오존 가스가 통과하면, 오존 가스는 열 해리되고, 산소 라디칼 가스가 생성되어, 산소 라디칼 가스로부터 산소 가스로 복귀되는 수명까지의 단시간에, 피처리체(202)에 산소 라디칼 가스를 포함한 가스 G2를 분사시킨다.
가스 공급부로부터 공급되어, 용기부 내에 충만한 고농도의 오존 가스 G1은, 가스 분사 셀부(1)의 간극 do에 입력된다. 그리고, 수십℃ 내지 100℃ 정도까지 가열하고 있는 간극 do 내에서, 오존 가스 G1은 전반한다. 간극 do 내에서 전반중인 오존 가스는 부분적으로 열 해리한다. 즉, 가열되고 있는 간극 do 내에서 산소 라디칼 가스가 생성된다. 당해 산소 라디칼 가스는, 분출부(5) 내의 공간부(5H)에 공급된다. 그리고, 분출 구멍(102)을 통하여, 산소 라디칼 가스 G2는, 피처리체(202)를 향해 분사된다. 여기서, 실시 형태 1에서도 설명한 바와 같이, 분출 구멍(102)으로부터는, 지향성을 갖는 빔상의 산소 라디칼 가스 G2가 분출된다.
또한, 상기 설명에서는, 분출 구멍(102)이 하나인 구성을 예로 들어서 설명했지만, 실시 형태 2에서 설명한 바와 같이, 복수의 분출 구멍(102)을 갖는 가스 분사 셀부(1)에 대하여 히터(51, 52)를 마찬가지로 배치시켜도 된다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)는 가열을 행하는 히터(51, 52)를 갖고 있다.
이와 같이, 좁은 간극 do 내를 히터(51, 52)로 직접 가열할 수 있으므로, 보다 저온(수십℃ 내지 100℃ 정도)에서, 간극 do에 있어서 오존 가스를 열 해리시킬 수 있다. 그리고, 생성된 산소 라디칼 가스 G2를, 지향성을 갖는 빔으로서 피처리체에 조사시킬 수 있다.
또한, 가스 G1로서, 오존 가스 대신에 질소 화합물 가스나 수소 화합물 가스를 채용해도 된다. 이러한 경우에는, 가열 상태의 간극 do 내에서, 열해리에 의해, 질소 라디칼 가스나 수소 라디칼 가스가 생성된다. 가스 분사 셀부(1)로부터 피처리체에, 질소 라디칼 가스 G2가 조사되면, 질화막이 성막되고, 수소 라디칼 가스 G2가 조사되면, 수소 환원막(수소 결합을 촉진시킨 금속막)이 성막된다.
또한, 도 10에 도시하는 가스 분사 셀부(1)의 간극 do 내에, 가스 G1로서, 전구체 가스를 입력시켜도 된다. 이 경우에는, 가열된 전구체 가스가, 가스 분사 셀부(1)로부터 빔상으로 분출된다.
<실시 형태 4>
본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)에서는, 간극 do 내에서, 유전체 배리어 방전을 발생시키고, 당해 유전체 배리어 방전을 이용하여, 양질의 라디칼 가스를 생성한다. 그리고, 본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)는 지향성을 갖는 빔상의 고속도 라디칼 가스를 분출한다.
전극면에 고전압의 교류 전압을 인가하여, 유전체 배리어 방전을 발생시키고, 당해 유전체 배리어 방전 이용해서 가스를 해리시켜, 라디칼 가스를 생성하는 것은 잘 알려져 있다. 본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)는 유전체 배리어 방전에 의해 생성되는, 매우 고에너지를 가진 양질의 라디칼 가스를 취출할 수 있는, 유효한 수단으로서 이용할 수 있다.
본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)에 있어서, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)는 유전체이며, 예를 들어 사파이어 또는 석영으로 형성되어 있다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)에서는, 제2 뿔체 형상 부재(2)의 외측면(즉, 간극 do에 면하고 있지 않은 측의 측면) 상에는, 제2 전극부(61)가 환상으로 배치되어 있다. 또한, 제1 뿔체 형상 부재(3)의 내측면(즉, 간극 do에 면하고 있지 않은 측의 측면) 상에는, 제1 전극부(62)가 환상으로 배치되어 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 가스 분사 장치는, 제1 전극부(62)과 제2 전극부(61)의 사이에 교류 전압을 인가하기 위한, 교류 전원(9)을 갖고 있다. 여기서, 제1 전극부(62)는 고전위 HV 측이며, 제2 전극부(61)는 저전위(접지 전위) LV 측이다.
교류 전원(9)에 의해, 제2 전극부(61)와 제1 전극부(62)의 사이에, 고전압의 교류 전압을 인가한다. 그러면, 제1 뿔체 형상 부재(2)와 제2 뿔체 형상 부재(3)의 사이에 형성된 간극 do(방전 공간이라고 해석할 수 있음) 내에서, 유전체 배리어 방전이 발생한다. 당해 유전체 배리어 방전이 발생하고 있는 간극 do에 가스가 통과하면, 가스는 전리되고, 매우 고에너지를 가진 양질의 라디칼 가스가 생성된다. 여기서, 본 실시 형태에서는, 간극 do는 고전계이며 저온이다.
가스 공급부로부터 공급되어 용기부 내에, 예를 들어 질소 가스 G1을 충만시켰다고 하자. 그러면, 당해 질소 가스 G1은, 가스 분사 셀부(1)의 간극 do에 입력한다. 그리고, 유전체 배리어 방전이 발생하고 있는 간극 do 내에서, 질소 가스 G1은 전반한다. 유전체 배리어 방전에 의해, 간극 do 내에서 전반 중인 질소 가스로부터 질소 라디칼 가스가 생성된다. 당해 질소 라디칼 가스는, 분출부(5) 내의 공간부(5H)에 공급된다. 그리고, 분출 구멍(102)을 통하여 질소 라디칼 가스 G2는, 피처리체(202)를 향하여 분사된다. 여기서, 실시 형태 1에서도 설명한 바와 같이, 분출 구멍(102)으로부터는, 지향성을 갖는 빔상의 고속도를 갖는 질소 라디칼 가스 G2가 분출된다.
또한, 상기 설명에서는, 분출 구멍(102)이 하나인 구성을 예로 들어서 설명했지만, 실시 형태 2에서 설명한 바와 같이, 복수의 분출 구멍(102)을 갖는 가스 분사 셀부(1)에 대하여 전극부(61, 62)를 마찬가지로 배치시켜도 된다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)는 전극부(61, 62)를 갖고 있다.
따라서, 가스 분사 셀부(1)의 간극 do 내에 있어서 유전체 배리어 방전을 발생시킬 수 있다. 따라서, 당해 간극 do 내에 가스 G1을 공급시키면, 당해 간극 do 내에서 라디칼 가스를 생성할 수 있다. 가스 분사 셀부(1)로부터는, 지향성을 갖는 빔상의 라디칼 가스 G2가 출력된다. 여기서, 실시 형태 1에서도 설명한 바와 같이, 간극 do 내를 전반하는 가스는 정류·가속된다. 따라서, 가스 분사 셀부(1)로부터는, 고속의 빔화된 라디칼 가스 G2가 출력된다. 따라서, 라디칼 가스 G2가 피처리체에 도달할 때까지의 시간은 단축화되고, 고농도를 유지한 상태에서, 라디칼 가스 G2는 피처리체에 조사된다.
여기서, 유전체 배리어 방전에 의해 발생한 방전 열을 제거하기 위해, 도시를 생략하고 있지만, 각 전극부(61, 62) 내에, 냉매가 순환하는 유로를 설치해도 된다. 당해 유로 내에 물 등의 냉매를 순환시킴으로써, 전극부(61, 62), 각 뿔체 형상 부재(2, 3) 및 간극 do를 냉각시킬 수 있다. 당해 냉각된 간극 do 내에서는, 보다 양질의 라디칼 가스가 생성된다.
유전체 배리어 방전을 이용하여 양질의 라디칼 가스를 생성하기 위해서, 간극 do에서의 플라즈마 상태를 고전계로 할 필요가 있다. 고전계의 플라즈마 상태를 실현하기 위해서는, P·d(㎪·㎝) 적(積)을, 소정값 이하의 조건으로 하는 것이 요구된다. 여기서, P는 간극 do 내의 가스 압력(상기 가스 압력 P1이라고 파악할 수 있음)이며, 또한 d는 간극 do의 폭(상기 Δd라고 파악할 수 있음)이다.
라디칼 가스의 경우에 있어서, P·d 적이 동일한 값일 때, 대기압+짧은 갭 길이(폭 Δd가 작음)의 조건(전자의 경우라고 칭함)과, 감압+긴 갭 길이(폭 Δd가 큼)의 조건(후자의 경우라고 칭함)의 경우는, 후자의 경우 쪽이 하기의 점에서 유익하다. 즉, 후자의 경우 쪽이, 간극 do 내를 흐르는 가스 유속이 높아지고, 또한, 갭 길이(방전면의 벽)가 넓어져, 라디칼 가스의 벽에 대한 충돌량에 의한 손실을 억제한다(즉, 발생한 라디칼 가스량(라디칼 가스 농도)의 분해를 억제할 수 있음).
이상과 같은 점에서, 유전체 배리어 방전을 안정적으로 구동할 수 있고, 양호한 라디칼 가스가 얻어진다는 관점에서, 가스 분사 셀부(1)는 이하의 조건을 만족하는 것이 바람직하다는 것을, 발명자들은 알아내었다.
즉, 라디칼 가스 생성 장치(100)에 있어서, 가스 분사 장치 내부(환언하면, 간극 do 내)의 가스 압력 P1을, 약 10㎪ 내지 30㎪ 정도로 설정하고, 간극 do 내의 폭 Δd를, 약 0.3 내지 3㎜로 설정함으로써, P·d 곱셈 값을, 약 0.3 내지 9(㎪·㎝)로 하는 것이 바람직하다. 가스 압력 P1 및 폭 Δd를 상기 값의 범위로 설정함으로써, 유전체 배리어 방전의 전계 강도를 높일 수 있고, 양질의 라디칼 가스를 생성할 수 있다.
또한, 상기에서는, 일례로서, 가스 G1로서 질소 가스를 채용하는 경우에 대하여 언급하였다. 그러나, 질소 가스 대신 질소 화합물 가스를 채용해도 된다. 또한, 가스 분사 셀부(1)의 간극 do 내에 공급되는 가스 G1로서, 산소 화합물 가스(산소 가스나 오존을 포함)나 수소 화합물 가스(수소 가스를 포함) 등을 채용해도 된다. 이 경우에는, 간극 do 내에서는 전리에 의해, 산소 화합물 가스로부터 산소 라디칼 가스가 생성되고, 수소 화합물 가스로부터 수소 라디칼 가스가 생성된다.
가스 분사 셀부(1)로부터 피처리체에, 산소 라디칼 가스 G2가 조사되면, 산화막이 성막되고, 수소 라디칼 가스 G2가 조사되면, 수소 환원막(수소 결합을 촉진시킨 금속막)이 성막된다.
<실시 형태 5>
본 실시 형태에서는, 상기에서 설명한 가스 분사 셀부가, 가스 분사 장치 내에 복수 배치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 배치형의 처리 챔버를 채용하고 있다. 즉, 처리 챔버 내에는, 복수의 피처리체가 배치되어 있다. 또한, 하나의 가스 분사 장치 내에는, 복수의 가스 분사 셀부가 배치되어 있지만, 각 가스 분사 셀부와 각 피처리체는 일대일의 관계에 있다. 즉, 하나의 가스 분사 장치 내에 배치되어 있는 각 가스 분출 셀부는, 각 피처리체에 대하여 가스를 분출하고 있다.
도 12는 본 실시 형태에 따른 가스 분사 장치(100A, 100B)와 처리 챔버(200)를 포함하는 리모트 플라즈마형 성막 처리 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 처리 챔버(200) 내에는, 복수의 피처리체(202)가 다단으로, 상하 방향으로 배치되어 있다. 즉, 본 실시 형태에 따른 처리 챔버(200)는 배치형 CVD 장치이다.
당해 처리 챔버(200)의 측면부에는, 제1 가스 분사 장치(100A)와 제2 가스 분사 장치(100B)가 접속되어 있다. 구체적으로, 처리 챔버(200)와 제1 가스 분사 장치(100A)는, 진공 플랜지를 통하여 접속되어 있다. 마찬가지로, 처리 챔버(200)와 제2 가스 분사 장치(100B)는, 진공 플랜지를 통하여 접속되어 있다. 또한, 각 가스 분사 장치(100A, 100B) 내의 가스 압력은, 예를 들어 10㎪ 내지 50㎪의 범위 내의 소정 압력으로 일정하게 유지되고 있다.
여기서, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에는, 라디칼 가스를 분사하는, 복수의 가스 분사 셀부(1A)가 배치되어 있다. 또한, 제2 가스 분사 장치(100B) 내에는, 전구체 가스를 분사하는, 복수의 가스 분사 셀부(1B)가 배치되어 있다.
또한, 가스 분사 셀부(1A, 1B)의 구성은, 실시 형태 1 또는 실시 형태 2에서 설명한 내용과 마찬가지이다. 또한, 가스 분사 셀부(1A)는, 실시 형태 3에서 설명한 기술적 특징, 즉, 각 뿔체 형상 부재(2, 3)를 가열하는 히터(51, 52)도 갖고 있다(도 12에서는, 히터(51)와, 히터(51)를 가열하기 위한 전원 H2와, 히터(52)를 가열하기 위한 전원 H1이 도시되어 있음).
상술한 바와 같이, 처리 챔버(200) 내에 각 피처리체(202)가 다단으로 상하 방향으로 배치되어 있다. 마찬가지로, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에는, 각 가스 분사 셀부(1A)가 상하 방향으로 일렬로 배치되어 있다. 마찬가지로, 제2 가스 분사 장치(100B) 내에는, 각 가스 분사 셀부(1B)가 상하 방향으로 일렬로 배치되어 있다.
또한, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에는, 가열에 의해 라디칼화시키기 위한 원료 가스 G1A가 공급된다. 제2 가스 분사 장치(100B) 내에는, 전구체 가스 G1B가 공급된다.
최상단(1단째)의 가스 분사 셀부(1A)는, 최상단(1단째)의 피처리체(202)에 대하여 라디칼 가스 G2A를 조사하고, 최상단(1단째)의 가스 분사 셀부(1B)는, 최상단(1단째)의 피처리체(202)에 대하여 전구체 가스 G2B를 조사한다.
마찬가지로, 위에서 2단째의 가스 분사 셀부(1A)는, 위에서 2단째의 피처리체(202)에 대하여 라디칼 가스 G2A를 조사하고, 위에서 2단째의 가스 분사 셀부(1B)는, 위에서 2단째의 피처리체(202)에 대하여 전구체 가스 G2B를 조사한다.
마찬가지로, 위에서 n단째의 가스 분사 셀부(1A)는, 위에서 n단째의 피처리체(202)에 대하여 라디칼 가스 G2A를 조사하고, 위에서 n단째의 가스 분사 셀부(1B)는, 위에서 n단째의 피처리체(202)에 대하여 전구체 가스 G2B를 조사한다.
그리고, 최하단의 가스 분사 셀부(1A)는, 최하단의 피처리체(202)에 대하여 라디칼 가스 G2A를 조사하고, 최하단의 가스 분사 셀부(1B)는, 최하단의 피처리체(202)에 대하여 전구체 가스 G2B를 조사한다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 처리 챔버(200) 내에서, 테이블(201)에는, 2개의 기둥(240)이 상하 방향으로 연장 설치되어 있다. 또한, 기둥(240)의 연장 설치 방향에 따라, 상하 방향으로 적재대(2010)가 배치되어 있다. 여기서, 각 기둥(240)에는, 지지부(230)가 설치되어 있고, 당해 지지부(230) 및 도시하고 있지 않은 부재에 의해, 회전 가능하도록 각 적재대(2010)가 지지되어 있다.
여기서, 도 12에 도시하는 바와 같이, 적재대(2010) 상에는, 피처리체(202)가 적재된다. 또한, 피처리체(202)가 각 가스 분사 셀부(1A, 1B)로부터의 가스 분출 방향에 면하도록, 적재대(2010)는 지지부(230) 및 도시하고 있지 않은 부재에 의해, 비스듬히 지지되어 있다.
각 적재대(2010)의 측면부는, 각 회전 롤러(250)와 접하고 있다. 따라서, 각 회전 롤러를 회전시킴으로써, 각 적재대(2010)를 회전시킬 수 있다. 각 회전 롤러(250)는 축 클램프(260)에 결합되어 있다. 당해 축 클램프(260)을 축 회전시킴으로써, 일정 주기로 각 회전 롤러(250)(결과적으로 각 적재대(2010))를 회전시킬 수 있다.
또한, 실시 형태 1에서도 설명한 바와 같이, 처리 챔버(200) 내는, 진공 펌프(300)에 의해 배기되고, 성막 후의 가스는, 처리 챔버(200) 밖으로 배기되고, 처리 챔버(200) 내의 압력을 성막에 최적인 감압 분위기로 유지한다. 일반적으로는, 처리 챔버(200) 내는, 약 30㎩ 내지 400㎩ 정도의 범위에서 일정 조건으로 설정되어 있다.
또한, 도시는 되어 있지 않지만, 처리 챔버(200)의 측면에는 히터가 접속되어 있다. 그리고, 당해 히터에 의해, 처리 챔버(200) 내의 온도는, 성막에 적합한 온도로 컨트롤되고 있다.
각 가스 분사 셀부(1A, 1B)로부터 각 피처리체(202)에 대하여 빔상의 각 가스 G2A, G2B가 조사됨으로써, 각 피처리체(202)면에 원하는 막이 성막된다. 처리 챔버(200) 내로의 각 가스 G2A, G2B의 공급 패턴은, 성막시키는 조건에 따라 결정되고, 매스 플로우 컨트롤러나 공기 압력 밸브에 의해, 가스 유량 및 가스 ON-OFF가 제어된다.
실시 형태 3에서 설명한 바와 같이, 각 가스 분사 셀부(1A)로부터는, 열해리에 의해 생성되는, 예를 들어 산소 라디칼 가스 G2A가 분사된다. 한편, 각 가스 분사 셀부(1B)로부터는, 전구체 가스 G2B가 분사된다. 각 피처리체(202)에 있어서, 산소 라디칼 가스 G2A와 전구체 가스 G2B가 화학 반응하고, 전구체 가스 G2B의 금속과 산소 원자의 결합에 의해, 각 피처리체(202) 상에 금속 산화 물질이 퇴적된다. 처리 챔버(200) 내는, 감압 분위기이며, 원하는 온도로 가열되어 있다. 이에 의해, 퇴적되어 있는 금속 산화 물질은 피처리체(202)면에서 확산 결합되고, 결정화막이 형성되어, 결과적으로 각 피처리체(202) 상에 있어서 원하는 금속 산화막이 성막된다.
또한, 성막 처리 시에는, 상기한 바와 같이 적재대(2010)는 회전하고 있다. 또한, 피처리체(202)에 있어서, 보다 광범위한 영역에 각 가스 G2A, G2B가 조사되도록, 당해 적재대(2010)의 회전에 더하여, 각 적재대(2010)를 상하 방향(도 12의 상하 방향)으로 반복해서 이동시켜도 된다. 이에 의해, 각 피처리체(202)에 있어서, 전체면에 균일한 금속 산화막을 단시간에 성막할 수 있다.
또한, 도 12에 도시한 구성 대신에 도 13에 도시하는 구성을 채용해도 된다. 도 12와 도 13의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 13에 도시하는 구성에서는, 도 12에 도시한 구성에, 가스 배출관(2030A, 2030B)이 부가되어 있다.
도 13에 도시하는 바와 같이, 가스 배출관(2030A) 및 가스 배출관(2030B)은, 처리 챔버(200) 내에 배치되어 있다. 또한, 가스 배출관(2030A)의 한쪽 단부 및 가스 배출관(2030B)의 한쪽 단부는, 진공 펌프(300)에 접속되어 있다. 가스 배출관(2030A)은, 각 가스 분사 셀부(1A)로부터 분출되어, 각 피처리체(202)에 의해 반사된 라디칼 가스 G2A를 배기한다. 가스 배출관(2030B)은, 각 가스 분사 셀부(1B)로부터 분출되어, 각 피처리체(202)에 의해 반사된 전구체 가스 G2B를 배기한다.
보다 구체적으로는, 가스 배출관(2030A)의 측면부에는, 복수의 배기 구멍이 뚫려 형성되어 있다. 즉, 각 피처리체(202)에 대응하여, 배기 구멍이 각각 형성되어 있다. 따라서, 가스 배출관(2030A)의 각 배기 구멍은, 각 가스 분사 셀부(1A)로부터 분출되고, 각 피처리체(202)에서 반사된 라디칼 가스 G2A를 배기한다.
또한, 가스 배출관(2030B)의 측면부에는, 복수의 배기 구멍이 뚫려 형성되어 있다. 즉, 각 피처리체(202)에 대응하여, 배기 구멍이 각각 형성되어 있다. 따라서, 가스 배출관(2030B)의 각 배기 구멍은, 각 가스 분사 셀부(1B)로부터 분출되어, 각 피처리체(202)에 의해 반사된 라디칼 가스 G2B를 배기한다.
도 13에 도시하는 바와 같이, 각 가스 배출관(2030A, 2030B)을 설치함으로써, 처리 챔버(200) 내에 있어서의 가스의 흐름을 일정화시킬 수 있다. 즉, 한쪽 피처리체(202)에 의해 반사된 가스 G2A, G2A가, 다른 피처리체(202)에 조사되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 각 피처리체(202)에 있어서, 보다 양질의 막을 성막할 수 있다.
또한, 도 12, 도 13에 도시하는 바와 같이, 각 가스 분사 장치(100A, 100B) 내에는, 복수의 가스 분사 셀부(1A, 1B)를 다단으로 배치시킬 필요가 있다. 따라서, 각 가스 분사 셀부(1A, 1B)가 설치되는 점유 면적을 최대한 작게 하는 것이 바람직하고, 상술한 각 가스 분사 셀부(1A, 1B)의 원뿔각 β는 50° 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 복수의 가스 분사 셀부(1A, 1B)를 배치하고 있다. 그리고, 라디칼 가스용 각 가스 분사 셀부(1A)는, 각 피처리체(202)에 대하여 라디칼 가스 G2A를 조사하고, 전구체 가스용 각 가스 분사 셀부(1B)는, 각 피처리체(202)에 대하여 전구체 가스 G2B를 조사하고 있다.
따라서, 한번의 성막 공정에 의해, 복수매의 피처리체(202)에 대하여 원하는 막을 동시에 성막할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 복수의 가스 분사 셀부(1A, 1B)의 형상으로서 뿔체 형상인 것으로 설명했지만, 다른 실시예로서, 후술하는 부채상 형상을 한 가스 공간 단면, 가스 가열 공간 단면 또는 방전 가스 공간 단면으로 해서, 피처리 챔버에 가스 분사시키게 해도 된다.
또한, 상기 예에서는, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에는, 실시 형태 3에서 설명한 가스 분사 셀부가 배치되어 있었다. 그러나, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에, 실시 형태 4에서 설명한 가스 분사 셀부를 배치시켜도 된다. 즉, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에, 유전체 배리어 방전을 이용하여 라디칼 가스를 생성하고, 분출하는, 복수의 가스 분사 셀부를 배치시켜도 된다.
<실시 형태 6>
본 실시 형태에서는, 실시 형태 1-4에서 설명한 가스 분사 셀부가, 가스 분사 장치 내에 복수 배치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 낱장형 처리 챔버를 채용하고 있다. 즉, 처리 챔버 내에는, 1매의 피처리체가 배치되어 있다. 또한, 하나의 가스 분사 장치 내에는, 복수의 가스 분사 셀부가 배치되어 있지만, 모든 가스 분사 셀부(1)는 1매의 피처리체에 대하여 가스를 조사하고 있다.
도 14는, 본 실시 형태에 따른 가스 분사 장치(100A, 100B)와 처리 챔버(200)를 포함하는 리모트 플라즈마형 성막 처리 시스템의 구성을, 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 14에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 처리 챔버(200) 내에는, 1매의 피처리체(202)가 배치되어 있다(구체적으로는, 처리 챔버(200) 내에 설치되어 있는 테이블(201) 상에 1매의 대면적 피처리체(202)가 적재되어 있음). 즉, 본 실시 형태에 따른 처리 챔버(200)는 낱장형 CVD 장치이다.
당해 처리 챔버(200)의 상면부에는, 제1 가스 분사 장치(100A)와 제2 가스 분사 장치(100B)가 접속되어 있다. 구체적으로, 처리 챔버(200)와 제1 가스 분사 장치(100A)는, 진공 플랜지를 통하여 접속되어 있다. 마찬가지로, 처리 챔버(200)와 제2 가스 분사 장치(100B)는, 진공 플랜지를 통하여 접속되어 있다. 또한, 각 가스 분사 장치(100A, 100B) 내의 가스 압력은, 예를 들어 10㎪ 내지 50㎪의 범위 내의 소정 압력으로 일정하게 유지되고 있다.
여기서, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에는, 라디칼 가스를 분사하는, 복수의 가스 분사 셀부(1A)가 배치되어 있다. 또한, 제2 가스 분사 장치(100B) 내에는, 전구체 가스를 분사하는, 복수의 가스 분사 셀부(1B)가 배치되어 있다.
또한, 가스 분사 셀부(1A, 1B)의 구성은, 실시 형태 1 또는 실시 형태 2에서 설명한 내용과 마찬가지이다. 또한, 가스 분사 셀부(1A)는, 실시 형태 4에서 설명한 기술적 특징, 즉, 각 뿔체 형상 부재(2, 3) 사이에 교류 전압을 인가하기 위한 전극부(61, 62)도 갖고 있다(도 14에서는, 전극부(61)와, 각 전극부(61, 62) 사이에 교류 전압을 인가하기 위한 교류 전원(9)이 도시되어 있음).
또한, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에는, 라디칼 가스의 원료가 되는 원료 가스 G1A가 공급된다. 제2 가스 분사 장치(100B) 내에는, 전구체 가스 G1B가 공급된다.
제1 가스 분사 장치(100A) 내에 배치되어 있는 모든 가스 분사 셀부(1A)는, 1매의 피처리체(202)의 상이한 영역에 대하여 라디칼 가스 G2A를 조사하고 있다. 또한, 제2 가스 분사 장치(100B) 내에 배치되어 있는 모든 가스 분사 셀부(1B)는, 1매의 피처리체(202)의 상이한 영역에 대하여 전구체 가스 G1B를 조사하고 있다.
테이블(201)은 회전 가능하고, 당해 테이블(201)의 회전에 수반하여, 피처리체(202)도 회전한다.
또한, 실시 형태 1에서도 설명한 바와 같이, 처리 챔버(200) 내는, 진공 펌프(300)에 의해 배기되고, 성막 후의 가스는, 처리 챔버(200) 밖으로 배기되어, 처리 챔버(200) 내의 압력을 성막에 최적인 감압 분위기로 유지한다. 일반적으로는, 처리 챔버(200) 내는, 약 30㎩ 내지 400㎩ 정도의 범위에서, 일정 조건으로 설정되어 있다.
또한, 도시는 되어 있지 않지만, 테이블(201)에는 히터가 접속되어 있다. 그리고, 당해 히터에 의해, 처리 챔버(200) 내의 온도는, 성막에 적합한 온도로 컨트롤되어 있다.
각 가스 분사 셀부(1A, 1B)로부터 피처리체(202)에 대하여 빔상의 각 가스 G2A, G2B가 조사됨으로써, 피처리체(202)면에 원하는 막이 성막된다. 처리 챔버(200) 내로의 각 가스 G2A, G2B의 공급 패턴은, 성막시키는 조건에 따라 결정되고, 매스 플로우 컨트롤러나 공기 압력 밸브에 의해, 가스 유량 및 가스 ON-OFF가 제어된다.
실시 형태 4에서 설명한 바와 같이, 각 가스 분사 셀부(1A)로부터는, 유전체 배리어 방전에 의해 생성되는, 예를 들어 질소 라디칼 가스 G2A가 분사된다. 한편, 각 가스 분사 셀부(1B)로부터는, 전구체 가스 G2B가 분사된다. 피처리체(202)에 있어서, 질소 라디칼 가스 G2A와 전구체 가스 G2B가 화학 반응하고, 전구체 가스 G2B의 금속과 질소 원자의 결합에 의해, 피처리체(202) 상에 금속 질화 물질이 퇴적된다. 처리 챔버(200) 내는, 감압 분위기이며, 원하는 온도로 가열되어 있다. 이에 의해, 퇴적되어 있는 금속 질화 물질은 확산되고, 결과적으로, 피처리체(202) 상에 있어서 원하는 금속 질화막이 성막된다.
또한, 성막 처리 시에는, 상기한 바와 같이 테이블(201)은 회전하고 있다. 이에 의해, 피처리체(202)에 있어서, 전체면에 균일한 금속 산화막을 성막할 수 있다.
또한, 도 14에 도시하는 바와 같이, 각 가스 분사 장치(100A, 100B) 내에는, 복수의 가스 분사 셀부(1A, 1B)를 배치시킬 필요가 있다. 따라서, 각 가스 분사 셀부(1A, 1B)가 설치되는 점유 면적을 최대한 작게 하는 것이 바람직하고, 상술한 각 가스 분사 셀부(1A, 1B)의 원뿔각 β는 50° 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 복수의 가스 분사 셀부(1A, 1B)를 배치하고 있다. 그리고, 모든 가스 분사 셀부(1A, 1B)는, 1매의 피처리체(202)에 대하여 각 가스 G2A, G2B를 조사하고 있다.
따라서, 대면적의 피처리체(202)이더라도, 단시간에 원하는 막을 성막할 수 있다.
또한, 상기 예에서는, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에는, 실시 형태 4에서 설명한 가스 분사 셀부가 배치되어 있었다. 그러나, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에, 실시 형태 3에서 설명한 가스 분사 셀부를 배치시켜도 된다. 즉, 제1 가스 분사 장치(100A) 내에, 히터 가열에 기인한 열해리를 이용하여 라디칼 가스를 생성하여 분출하는, 복수의 가스 분사 셀부를 배치시켜도 된다.
<실시 형태 7>
본 실시 형태는, 상기에서 나타낸 가스 분사 셀부(1)의 다른 형상을 나타내는 것이다. 상기에서 설명한 가스 분사 셀부(1)의 형상은, 원뿔이나 각뿔 등의 뿔체 형상이었다. 본 실시 형태에서는, 가스 분사 셀부(1)의 형상은, 두개의 평판을 사용하여 구성되어 있고, 가스의 흐름 방향의 정류화 및 가속화를 가능하게 한다.
도 15는, 본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)의 구성을 도시하는 사시도이다. 도 15에 도시하는 바와 같이, 가스 분사 셀부(1)는 두개의 평판(2, 3)을, 간격 Δd만큼 이격하여 대면시킴으로써, 구성되어 있다. 가스 분사 셀부(1)의 양측면을 형성하는 부재가, 두개의 평판(2, 3)의 간극 do 형성을 위한 스페이서로서 기능하고 있으며, 당해 부재에 의해, 간극 do 내의 모든 영역에서, 간격 Δd가 일정하게 유지되어 있다. 또한, 평판(2, 3)의 면을 평면으로 보았을 때, 가스의 입구(상부 측)로부터 가스의 출구(하부 측이며, 부채꼴 형상의 정상부 측이라고 파악할 수 있음)를 향하여, 폭이 감소되는 편평 형상을 갖고 있다(이하, 부채꼴 형상이라고 칭함). 따라서, 가스 분사 셀부(1)에 있어서, 가스의 입구 측의 폭은, 가스의 출구 측(정상부 측)의 폭보다도 넓다.
상술한 가스 공급부(101)로부터 공급된 가스 G1은, 가스 분사 셀부(1)의 상부에 형성된 개구부로부터, 당해 가스 분사 셀부(1) 내에 침입하고, 가스 분사 셀부(1) 내의 간극 do를 통과한다. 간극 do에 있어서의 간격 Δd는, 가스 분사 셀부(1) 내에서 일정하며, 가스 G1이, 부채꼴 형상의 간극 do를 하부 측을 향하여 흐른다. 부채꼴 형상에 기인하여 간극 do의 단면적은, 가스의 침입 측으로부터 가스의 출구 측을 향하여 작아진다. 따라서, 가스 분사 셀부(1) 내에 있어서의 가스 유속은 커진다.
가스 분사 셀부(1) 내를 통과한 가스 G1은, 가스 분사 셀부(1)의 하부 측에 설치된 분출부(5)에 뚫려 형성되어 있는 분출 구멍(102)을 통하여, 가스 G2로서 빔상으로 분사된다. 즉, 부채꼴 형상의 가스 분사 셀부(1)의 정상부 측(분출부(5) 배치 측)은 피처리체(202)에 면하고 있으며, 당해 빔상의 가스 G2는, 분출 구멍(102)을 통하여 피처리체(202)에 대하여 분사된다. 여기서, 분출부(5)에 배치된 상기 분출 구멍(102)은 한개 또는 복수이다.
또한, 두개의 평판(2, 3) 및 측면이 되는 부재는, 알루미나, 석영 및 사파이어 중 어느 것으로 형성되어 있고, 일체화 구성되어 있다.
도 15에 도시하는 바와 같이, 가스 분사 셀부(1)를 부채꼴 형상으로 함으로써, 뿔체 형상의 가스 분사 셀부(1)와 같은 작용 효과를 가질 뿐만 아니라, 저렴하게 가스 분사 셀부(1)를 제작할 수 있다. 또한, 부채꼴 형상의 가스 분사 셀부(1)는 뿔체 형상의 가스 분사 셀부(1)보다도 적층 등에 적합하여, 좁은 영역에 많은 부채꼴 형상의 가스 분사 셀부(1)를 배치시킬 수도 있다.
<실시 형태 8>
도 16은, 본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 16에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 실시 형태 7에 따른 가스 분사 셀부(1)의 둘레를 둘러싸도록, 히터(51)가 감겨 있다. 또한, 가스 분사 셀부(1)의 윤곽이 시인될 수 있도록, 히터(51)는 투시적으로 도시되어 있다. 또한, 실시 형태 3과 마찬가지로, 히터(51)를 가열하기 위한 전원 H1이 배치되어 있다. 당해 히터(51)의 배치에 의해, 가스 분사 셀부(1) 내에서, 간극 do 내를 통과하는 가스 G1을 가열시킬 수 있다. 당해 가스 G1의 가열에 의해, 가스 G1을 라디칼화시킬 수 있고, 라디칼 가스 G2가 생성된다. 그리고, 분출 구멍(102)으로부터는, 빔상의 라디칼 가스 G2가 분사된다.
<실시 형태 9>
도 17은 본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 17에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 실시 형태 7에 따른 가스 분사 셀부(1)에 있어서, 각 평판(1, 2)의 외측면(간극 do에 면하지 않는 측의 면)에, 제1 전극(평판(3)에 배치되어 있고, 도 17에서는 평판(3)에 의해 윤곽이 숨겨져 있음)과 제2 전극(61)이 배치되어 있다.
제1 전극에는, 저압 급전판(620)이 배치되어 있고, 제2 전극(61)에는, 고압 급전판(610)이 배치되어 있다. 또한, 도 17에 도시하는 바와 같이, 교류 전원(9)의 고압 단자 HV는, 고압 급전판(610)에 접속되어 있고, 교류 전원(9)의 저압 단자LV는, 저압 급전판(620)에 접속되어 있다. 실시 형태 4와 마찬가지로, 교류 전원(9)은 고압 급전판(610)과 저압 급전판(620)의 사이에 교류 전압을 인가한다.
또한, 고압 급전판(610)과 저압 급전판(620) 내에는, 당해 부재를 포함하여 가스 분사 셀부(1)의 냉각을 위해, 냉각수를 흘릴 수 있는 유로가 형성되어 있어도 된다.
본 실시 형태에 따른 가스 분사 셀부(1)에서는, 고압 급전판(610) 및 저압 급전판(620)을 통하여, 교류 전원(9)은 유전체인 평판(2, 3) 사이에 교류 고전압을 인가한다. 이에 의해, 간극 do 내에서, 유전체 배리어 방전이 발생한다. 당해 유전체 배리어 방전을 이용함으로써, 가스 G1로부터, 양질의 라디칼 가스 G2가 생성된다. 그리고, 분출 구멍(102)으로부터는, 빔상의 라디칼 가스 G2가 분사된다.
또한, 실시 형태 7-9에 나타낸 부채꼴 형상의 가스 분사 셀부(1)는 뿔체 형상의 가스 분사 셀부(1)로 치환하는 것만으로, 실시 형태 1-6에 설명한 내용은, 당해 부채꼴 형상의 가스 분사 셀부(1)를 사용한 가스 분사 장치에도 성립된다. 따라서, 실시 형태 7-9에 나타낸 가스 분사 셀부(1)는 뿔체 형상의 가스 분사 셀부(1)를 대신하여, 실시 형태 5, 6에 있어서의 가스 분사 셀부(1)로서 사용하는 것은 당연히 가능하다.
또한, 상기한 바와 같이, 실시 형태 7-9에 나타낸 가스 분사 셀부(1)에 있어서, 간극 do의 간격 Δd(양쪽 평판(2, 3) 사이의 거리)는 0.3㎜ 이상, 3㎜ 이하이고, 용기부 내(즉, 가스 분사 셀부(1) 내)의 가스 압력은, 10㎪ 이상, 30㎪ 이하인 것이 바람직하다.
1, 1A, 1B: 가스 분사 셀부
2: 제2 뿔체 형상 부재, 평판
3: 제1 뿔체 형상 부재, 평판
5: 분출부
5H: 공간부
9: 교류 전원
22: 플랜지
51, 52: 히터
61: 제2 전극부
62: 제1 전극부
100: 가스 분사 장치
100A: 제1 가스 분사 장치
100B: 제2 가스 분사 장치
100D: 용기부
101: 가스 공급부
102: 분출 구멍
200: 처리 챔버
201: 테이블
202: 피처리체
202A: 홈
230: 지지부
240: 기둥
250: 회전 롤러
300: 진공 펌프
610: 고압 급전판
620: 저압 급전판
2010: 적재대
2030A, 2030B: 가스 배출관
do: 간극
G1: (가스 분사 장치에 공급되는) 가스
G2: (가스 분사 셀부로부터 출력되는) 가스
G1A: 원료 가스
G1B: 전구체 가스
G2A: 라디칼 가스
G2B: 전구체 가스
H1, H2: 전원
P0: (처리 챔버 내의) 가스 압력
P1: (용기부 내의) 가스 압력
α: 빔 각도
β: 원뿔각

Claims (17)

  1. 용기부(100D)와,
    상기 용기부에 가스의 공급을 행하는, 가스 공급부(101)와,
    상기 용기부 내에 배치되며 피처리체(202)에 대하여 가스의 분사를 행하는 가스 분사 셀부(1)를 구비하고 있고, 상기 가스 공급부는 상기 가스 분사 셀부에서 이산(離散)하여 배치되고,
    상기 가스 분사 셀부는,
    제1 뿔체 형상 부재(3)와,
    상기 제1 뿔체 형상 부재를 측면 방향으로부터 둘러싸고, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 측면과의 사이에 간극(do)이 형성되도록 배치되는 제2 뿔체 형상 부재(2)를 갖고 있고,
    상기 제1 뿔체 형상 부재의 정상부 측 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 정상부 측은,
    상기 피처리체에 대면하고 있고,
    상기 가스 공급부로부터 공급된 가스는,
    상기 제1 뿔체 형상 부재의 저면 측 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 저면 측으로부터, 상기 간극에 침입하고, 상기 간극을 통과하여, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 정상부 측 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 정상부 측으로부터, 상기 피처리체를 향하여 분사되는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 뿔체 형상 부재의 상기 간극에 면하는 부분 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 상기 간극에 면하는 부분은,
    사파이어 또는 석영을 포함하고 있는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 간극에 있어서의, 상기 제1 뿔체 형상 부재의 측면과 상기 제2 뿔체 형상 부재의 측면 사이의 거리는,
    0.3㎜ 이상, 3㎜ 이하이고,
    상기 용기부 내의 가스 압력(P1)은,
    10㎪ 이상, 30㎪ 이하인
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분사 셀부는,
    상기 피처리체에 대하여 가스의 분사를 행하는 분출부(5)를 더 갖고 있고,
    상기 제1 뿔체 형상 부재의 정상부 측 및 상기 제2 뿔체 형상 부재의 정상부 측은,
    상기 분출부의 측면 측과 접속되어 있고,
    상기 분출부는,
    내부에 형성된 공간부(5H)와,
    상기 공간부에 접속된 복수의 분출 구멍(102)을 갖고 있고,
    상기 가스 공급부로부터 공급된 가스는,
    상기 간극을 통하여, 상기 공간부에 공급되고, 상기 복수의 분출 구멍을 통하여 상기 피처리체를 향하여 분사되는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 뿔체 형상 부재 및 상기 제2 뿔체 형상 부재를 가열하는 가열부(51, 52)를 더 구비하고 있는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    교류 전압을 공급하는 교류 전원(9)을 더 구비하고 있고,
    상기 제1 뿔체 형상 부재 및 상기 제2 뿔체 형상 부재는,
    유전체이며,
    상기 제1 뿔체 형상 부재는,
    제1 전극부(62)가 배치되어 있고,
    상기 제2 뿔체 형상 부재는,
    제2 전극부(61)가 배치되어 있고,
    상기 교류 전원이, 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 사이에 교류 전압을 인가함으로써, 상기 간극에 있어서, 유전체 배리어 방전을 발생시키는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  7. 용기부(100D)와,
    상기 용기부에 가스의 공급을 행하는, 가스 공급부(101)와,
    상기 용기부 내에 배치되며 피처리체(202)에 대하여 가스의 분사를 행하는 가스 분사 셀부(1)를 구비하고 있고, 상기 가스 공급부는 상기 가스 분사 셀부에서 이산(離散)하여 배치되고,
    상기 가스 분사 셀부는,
    부채꼴 형상이며,
    제1 평판(2)과,
    상기 제1 평판과 간극(do)이 형성되도록 대면하여 배치되는 제2 평판(3)을 갖고 있고,
    상기 가스 분사 셀부의 정상부 측은,
    상기 피처리체에 대면하고 있고,
    상기 가스 공급부로부터 공급된 가스는,
    상기 부채꼴 형상의 상기 가스 분사 셀부에 있어서의 폭이 넓은 측의 개구부로부터 상기 간극에 침입하고, 상기 간극을 통과하여, 상기 가스 분사 셀부의 정상부 측으로부터 상기 피처리체를 향하여 분사되는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 평판 및 상기 제2 평판은,
    사파이어 또는 석영을 포함하고 있는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 간극에 있어서의 간격은,
    0.3㎜ 이상, 3㎜ 이하이고,
    상기 용기부 내의 가스 압력은,
    10㎪ 이상, 30㎪ 이하인
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 가스 분사 셀부는,
    상기 피처리체에 대하여 가스의 분사를 행하는 분출부(5)를 더 갖고 있고,
    상기 분출부는,
    복수의 분출 구멍(102)을 갖고 있고,
    상기 가스 공급부로부터 공급된 가스는,
    상기 간극을 통과하여, 상기 복수의 분출 구멍을 통하여 상기 피처리체를 향하여 분사되는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 평판 및 상기 제2 평판을 가열하는 가열부(51, 52)를 더 구비하고 있는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    교류 전압을 공급하는 교류 전원(9)을 더 구비하고 있고,
    상기 제1 평판 및 상기 제2 평판은,
    유전체이며,
    상기 제1 평판은,
    제1 전극부가 배치되어 있고,
    상기 제2 평판은,
    제2 전극부가 배치되어 있고,
    상기 교류 전원이, 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 사이에 교류 전압을 인가함으로써, 상기 간극에 있어서, 유전체 배리어 방전을 발생시키는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  13. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 가스 분사 셀부는
    복수인
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 피처리체는,
    복수이며,
    각 상기 가스 분사 셀부는,
    각 상기 피처리체에 대하여 가스를 분출하는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    복수의 상기 가스 분사 셀부는,
    하나의 피처리체에 대하여 가스를 분출하는
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  16. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 가스 공급부로부터 공급된 가스는,
    전구체 가스인
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
  17. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 가스 공급부로부터 공급된 가스는,
    라디칼 가스의 원료가 되는 원료 가스인
    것을 특징으로 하는 가스 분사 장치.
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