KR20120101165A - 성막 장치 - Google Patents

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KR20120101165A
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노리히코 즈지
마사유키 모로이
아츠시 사와치
테루오 이와타
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 진공 용기 내에서, 제1 반응 가스와 제2 반응 가스를 교대로 공급하여 배기하는 사이클을 복수회 실행함으로써, 기판의 표면에 박막을 성막하는 성막 장치에 있어서, 상기 진공 용기 내에 설치되고, 각각 기판의 배치 영역을 포함하는 복수의 하부 부재와, 상기 복수의 하부 부재의 각각에 대향하여 설치되며, 상기 배치 영역과의 사이에 처리 공간을 형성하는 복수의 상부 부재와, 상기 처리 공간 내에 가스를 공급하기 위한, 제1 반응 가스 공급부, 제2 반응 가스 공급부, 및, 상기 제1 반응 가스를 공급하는 타이밍과, 상기 제2 반응 가스를 공급하는 타이밍 사이에 퍼지 가스를 공급하기 위한 퍼지 가스 공급부와, 상기 처리 공간의 둘레 방향을 따라 형성되고, 그 처리 공간 내와 그 처리 공간의 외부인 상기 진공 용기 내의 분위기를 연통하기 위한 배기용 개구부와, 상기 처리 공간을, 상기 배기용 개구부 및 상기 진공 용기 내의 분위기를 통해 진공 배기하기 위한 진공 배기 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 장치이다.

Description

성막 장치{FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 제1 반응 가스와 제2 반응 가스를 교대로 공급하여 배기하는 사이클을 복수회 실행함으로써, 반응 생성물의 층을 다수 적층하여 박막을 형성하는 성막 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스에서의 성막 방법으로서, 기판인 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라고 함) 등의 표면에 진공 분위기 하에서 제1 반응 가스를 공급하여 그 제1 반응 가스를 흡착시킨 후, 공급하는 가스를 제2 반응 가스로 전환하여, 양가스의 반응에 의해 1층 또는 복수층의 원자층이나 분자층을 기판 상에 형성하고, 그 사이클을 다수회 행하여 이들 층을 적층함으로써 기판 상에의 성막을 행하는 성막 프로세스가 알려져 있다. 이 프로세스는, 예컨대 ALD(Atomic Layer Deposition)나 MLD(Molecular Layer Deposition) 등으로 불리고 있고, 사이클수에 따라 막 두께를 고정밀도로 제어할 수 있으며, 막질의 면내 균일성도 양호하고, 반도체 디바이스의 박막화에 대응할 수 있는 유효한 방법이다.
이러한 성막 프로세스가 적합한 예로서는, 예컨대 게이트 산화막에 이용되는 고유전체막의 성막을 들 수 있다. 일례를 들면, 실리콘 산화막(SiO₂막)을 성막하는 경우에는, 제1 반응 가스(원료 가스)로서, 예컨대 비스터셜부틸아미노실란(bistertial butylamino silane)(이하 「BTBAS」라고 함) 가스 등이 이용되고, 제2 반응 가스로서, 산소 가스 등이 이용된다.
전술한 바와 같은 성막 프로세스를 실시하는 장치로서, 진공 용기의 상부 중앙에 가스 샤워 헤드를 구비한 매엽식의 성막 장치가 이용되고 있다. 그리고, 기판의 중앙부 상방측으로부터 반응 가스가 공급되고, 미반응의 반응 가스 및 반응 부생성물이 처리 용기의 바닥부로부터 배기된다고 하는 양태가 검토되고 있다. 그러나, 상기 성막 프로세스는, 퍼지 가스에 의한 가스 치환에 긴 시간이 걸리고, 또한, 사이클수가 예컨대 수백회나 되기 때문에, 처리 시간이 길게 걸린다. 또한, 기판을 1장 처리할 때마다, 처리 용기 내에의 기판의 반입출이나 처리 용기 내의 진공 배기 등을 행할 필요가 있기 때문에, 이들 동작에 따른 시간적인 손실도 크다.
여기서, 일본 특허 제3144664호 공보(특히, 도 1, 도 2, 청구항 1)나 일본 특허 공개 제2001-254181호 공보(특히, 도 1, 도 2)에 기재되어 있는 바와 같이, 예컨대 원형의 배치대 상에 둘레 방향에 복수매의 기판을 배치하고, 그 배치대를 회전시키면서 그 배치대 위의 기판에 반응 가스를 전환하여 공급하여, 각 기판 상에 성막을 행한다고 하는 장치가 알려져 있다. 예컨대 일본 특허 제3144664호 공보에 기재된 성막 장치에서는, 배치대의 둘레 방향에 구획되어 서로 다른 반응 가스가 공급되는 복수의 처리 공간이 설치되어 있다. 한편, 일본 특허 공개 제2001-254181호 공보에 기재된 성막 장치에서는, 배치대의 상방에 배치대 직경 방향을 따라 신장되어 다른 반응 가스를 배치대를 향하여 토출하는 예컨대 2개의 반응 가스 공급 노즐이 설치된다. 그리고, 배치대를 회전시킴으로써, 그 배치대 위의 기판을, 상기 복수의 처리 공간 내 내지 상기 반응 가스 노즐의 하방 공간 내를 통과시켜, 각 기판에 교대로 반응 가스를 공급하여 성막을 행하고 있다. 이들 성막 장치에서는, 반응 가스의 퍼지 공정이 없고, 1회의 반입출 동작이나 진공 배기 동작으로 복수매의 기판을 처리할 수 있다. 따라서, 이들 공정·동작에 따른 시간이 삭감되어, 작업 처리량이 향상된다.
그러나, 최근의 기판의 대형화에 따라, 예컨대 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼라고 함)의 경우에는 직경이 300 ㎜나 되는 기판에 대하여 성막이 행해진다. 이 때문에, 공통의 배치대 상에 복수의 웨이퍼를 배치하면, 인접하는 웨이퍼끼리의 사이에 형성되는 간극이 비교적 커져 버려, 반응 가스 공급 노즐로부터는 이 간극을 향하여서도 반응 가스가 공급되게 되어, 성막에 기여하지 않는 반응 가스의 소비량이 증가하여 버린다.
또한, 예컨대, 배치대의 중심으로부터 반경 150 ㎜의 원을 그리는 위치에, 직경 300 ㎜의 원반형의 웨이퍼의 일단을 외접시켜 배치하고, 이 배치대를 60 rpm의 속도로 회전시켰다고 한다. 이 경우, 배치대의 둘레 방향의 웨이퍼의 이동 속도는, 배치대의 중앙측과 둘레 가장자리부측 사이에서 약 3배나 다른 것이 된다. 따라서, 반응 가스 공급 노즐의 하방을 통과하는 웨이퍼의 속도도, 위치에 따라 최대로 3배 다르게 된다.
여기서, 반응 가스 공급 노즐로부터 공급되는 반응 가스의 농도가 배치대의 직경 방향에 대하여 일정한 경우에는, 그 노즐의 밑을 통과하는 웨이퍼의 속도가 커짐에 따라, 웨이퍼 표면에서 성막에 관여할 수 있는 반응 가스의 양은 적어진다. 이 때문에, 반응 가스 공급 노즐의 하방을 통과하는 속도가 가장 빨라지는 배치대의 둘레 가장자리부의 위치에서의 웨이퍼 표면에서 성막에 필요한 반응 가스 농도를 얻을 수 있도록, 그 노즐로부터 공급되는 반응 가스의 양이 결정된다. 그러나, 통과 속도가 가장 빨라지는 배치대의 둘레 가장자리부의 필요량에 맞추어 반응 가스를 공급하면, 그 둘레 가장자리부보다도 이동 속도가 느린 내측의 영역에는, 필요량 이상으로 높은 농도의 반응 가스가 공급되게 되어 버려, 성막에 관여하지 않는 반응 가스가 그대로 배기되게 된다. 여기서, ALD 등에 이용되는 원료 가스는, 액체 원료를 기화시켜, 또는 고체 원료를 승화시켜 얻어지는 것이 많지만, 이들 원료는 고가이다. 따라서, 전술한 배치대를 회전시키는 방식의 성막 장치에서는, 웨이퍼의 작업 처리량은 향상되지만, 이러한 비싼 반응 가스를 성막에 필요한 양 이상으로 소비하여 버린다고 하는 결점이 있다.
본 발명은 이러한 사정에 기초하여 행해진 것으로, 그 목적은, 작업 처리량을 향상시키면서, 반응 가스의 소비를 억제한 성막 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 진공 용기 내에서, 제1 반응 가스와 제2 반응 가스를 교대로 공급하여 배기하는 사이클을 복수회 실행함으로써, 이들 반응 가스를 반응시켜 기판의 표면에 박막을 성막하는 성막 장치에 있어서, 상기 진공 용기 내에 설치되고, 각각 기판의 배치 영역을 포함하는 복수의 하부 부재와, 상기 복수의 하부 부재의 각각에 대향하여 설치되며, 상기 배치 영역과의 사이에 처리 공간을 형성하는 복수의 상부 부재와, 상기 처리 공간 내에, 제1 반응 가스 및 제2 반응 가스를 각각 공급하기 위한 제1 반응 가스 공급부 및 제2 반응 가스 공급부와, 상기 처리 공간 내에, 상기 제1 반응 가스를 공급하는 타이밍과, 상기 제2 반응 가스를 공급하는 타이밍 사이에 퍼지 가스를 공급하기 위한 퍼지 가스 공급부와, 상기 처리 공간의 둘레 방향을 따라 형성되고, 그 처리 공간 내와 그 처리 공간의 외부인 상기 진공 용기 내의 분위기를 연통하기 위한 배기용 개구부와, 상기 처리 공간을, 상기 배기용 개구부 및 상기 진공 용기 내의 분위기를 통해 진공 배기하기 위한 진공 배기 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 성막 장치이다.
본 발명에 따르면, 제1 반응 가스 및 제2 반응 가스를 교대로 기판에 공급하여 소위 ALD(또는 MLD)에 의해 성막을 행하는 장치에 있어서, 배치 영역을 포함하는 하부 부재와 상부 부재를 대향시켜 양자 간에 처리 공간을 형성하며, 이들 하부 부재 및 상부 부재의 복수의 그룹을 공통의 진공 용기 내에 배치하고, 배기용 개구부를 통해 상기 처리 공간을 진공 배기하는 구성으로 되어 있다. 이 때문에, 복수매의 기판을 배치 가능한 대형 회전 테이블을 준비하여, 그 회전 테이블의 상면측에 공통의 처리 공간을 설치하는 경우와 비교하여, 합계의 처리 공간의 용적을 작게 할 수 있다. 그리고, 기판끼리의 간극 등, 성막에는 관여하지 않는 영역에 반응 가스가 공급되는 일이 없어지므로, 성막 처리에 필요한 반응 가스의 공급량을 삭감시킬 수 있다. 이 결과, 성막에 요하는 비용을 저감시킬 수 있다. 또한, 합계의 처리 공간의 용적이 작기 때문에, 그 처리 공간에의 반응 가스의 공급 시간이나 배기 시간도 삭감되어, 전체 성막 시간이 짧아진다. 즉, 성막 장치의 작업 처리량의 향상에도 공헌할 수 있다.
바람직하게는, 상기 상부 부재의 내주면은 상부로부터 하방을 향하여 부채꼴 형상으로 형성되어 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 배기용 개구부는 상기 상부 부재의 하측 가장자리와 하부 부재 사이에 둘레 방향으로 형성된 간극으로 형성되어 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 상부 부재의 중앙부에는, 제1 반응 가스, 제2 반응 가스 및 퍼지 가스를 공급하기 위한 가스 공급구가 형성되어 있다.
또한, 바람직하게는, 복수의 상기 상부 부재와 상기 하부 부재의 그룹이, 진공 용기의 둘레 방향을 따라 배치되어 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 진공 용기의 둘레 방향에 배치된 복수의 상기 상부 부재 및 상기 하부 부재의 그룹을 그 둘레 방향으로 일체적으로 회전시켜, 상기 진공 용기의 측벽면에 설치된 전달구를 통해 그 진공 용기의 외부의 기판 반송 수단과 상기 배치 영역 사이에서 기판의 전달을 가능하게 하기 위한, 공통의 회전 수단을 더 구비하고 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 진공 용기의 외부의 기판 반송 수단과, 상기 배치 영역 사이에서 기판의 전달을 하기 위한 간극을 형성하기 위해, 상기 하부 부재를 상기 상부 부재에 대하여 상대적으로 승강시키기 위한 승강 수단을 더 구비하고 있다. 이 경우, 상기 승강 수단은 복수의 상기 하부 부재에 대하여 공통화되어 설치되면 좋다.
본 발명에 따르면, 복수매의 기판을 배치 가능한 대형 회전 테이블을 준비하여, 그 회전 테이블의 상면측에 공통의 처리 공간을 설치하는 경우와 비교하여, 합계의 처리 공간의 용적을 작게 할 수 있다. 그리고, 기판끼리의 간극 등, 성막에는 관여하지 않는 영역에 반응 가스가 공급되는 일이 없어지므로, 성막 처리에 필요한 반응 가스의 공급량을 삭감시킬 수 있다. 이 결과, 성막에 요하는 비용을 저감시킬 수 있다. 또한, 합계의 처리 공간의 용적이 작기 때문에, 그 처리 공간에의 반응 가스의 공급 시간이나 배기 시간도 삭감되어, 전체 성막 시간이 짧아진다. 즉, 성막 장치의 작업 처리량의 향상에도 공헌할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 성막 장치의 종단면도이다.
도 2는 본 실시형태의 성막 장치의 내부의 개략 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 실시형태의 성막 장치의 횡단 평면도이다.
도 4는 본 실시형태의 성막 장치에서의 처리 영역을 나타내는 종단면도이다.
도 5는 도 4의 처리 영역을 구성하는 천장판 부재를 나타내는 바닥면도이다.
도 6은 인젝터의 종단면도이다.
도 7은 본 실시형태의 성막 장치의 가스 공급 경로도이다.
도 8은 본 실시형태의 성막 장치의 제1 작용도이다.
도 9a는 본 실시형태의 성막 장치의 제2 작용도이다.
도 9b는 본 실시형태의 성막 장치의 제2 작용도이다.
도 10a는 본 실시형태의 성막 장치에 의한 성막 처리의 가스 공급 시퀀스도이다.
도 10b는 본 실시형태의 성막 장치에 의한 성막 처리의 가스 공급 시퀀스도이다.
도 11은 가스가 매니폴드부로부터 처리 공간을 향하는 모습을 나타낸 설명도이다.
도 12는 본 실시형태의 성막 장치의 제3 작용도이다.
도 13a는 본 실시형태의 성막 장치의 작용에 관한 설명도이다.
도 13b는 본 실시형태의 성막 장치의 작용에 관한 설명도이다.
도 13c는 본 실시형태의 성막 장치의 작용에 관한 설명도이다.
도 14a는 성막 장치의 변형예를 나타내는 횡단 평면도이다.
도 14b는 도 14a의 성막 장치를 나타내는 종단 측면도이다.
도 15는 성막 장치의 다른 변형예를 나타내는 종단 측면도이다.
도 16은 배치대 및 천장판 부재의 다른 예를 나타내는 종단 측면도이다.
도 17a는 천장판 부재의 또 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 17b는 천장판 부재의 또 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 18a는 배치대의 또 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 18b는 배치대의 또 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 19는 성막 장치의 또 다른 예를 나타내는 종단 측면도이다.
도 20은 성막 장치의 다른 예를 나타내는 종단 측면도이다.
도 21a는 매니폴드부의 다른 일례를 나타내는 설명도이다.
도 21b는 매니폴드부의 다른 일례를 나타내는 설명도이다.
도 22는 지지부에 지지된 성막 장치의 외관 사시도이다.
도 23a는 바닥판의 하면측 사시도이다.
도 23b는 유지부의 상면측 사시도이다.
도 24는 성막 장치의 진공 용기의 바닥판의 하강 동작을 나타낸 작용도이다.
도 25는 진공 용기의 하방 공간으로부터 인출된 배치대 및 바닥판을 나타낸 사시도이다.
도 26은 바닥판이 떨어진 진공 용기의 하측 사시도이다.
도 27은 성막 장치를 포함한 진공 처리 장치이다.
본 발명의 일실시형태에 따른 성막 장치는, 도 1(도 2의 I-I'선을 따른 종단면도) 내지 도 3에 나타내는 바와 같이, 평면 형상이 대략 원형인 편평한 진공 용기(1)와, 이 진공 용기(1) 내에 설치되고, 그 진공 용기(1)의 둘레 방향을 따라 배치된 복수, 예컨대 5개의 배치대(2)와, 각 배치대(2)에 대향하는 위치에 설치되며, 그 배치대(2)와의 사이에 처리 공간을 형성하기 위한 상부 부재인 천장판 부재(22)를 구비하고 있다. 배치대(2)가, 이 예에서는, 기판의 배치 영역을 갖는 하부 부재이다. 진공 용기(1)는, 천장판(11) 및 바닥판(14)을 측벽부(12)로부터 분리할 수 있도록 구성되어 있다. 천장판(11) 및 바닥판(14)은, 밀봉 부재 예컨대 O링(13)을 통해 기밀 상태를 유지하면서, 나사 등의 도시하지 않는 고정구에 의해, 측벽부(12)에 고정되어 있다.
측벽부(12)로부터 천장판(11), 바닥판(14)을 분리할 때에는, 천장판(11)을 도시하지 않는 구동 기구에 의해 들어 올리거나, 또한, 바닥판(14)을 후술하는 승강 기구에 의해 강하시킬 수 있게 되어 있다.
배치대(2)는, 예컨대 알루미늄이나 니켈 등으로 이루어지는 원형상의 판부재이다. 그 배치대(2)의 직경은, 본 성막 장치로 처리되는 기판인 예컨대 직경 300 ㎜의 웨이퍼(W)보다도, 한층 크게 형성되어 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 각 배치대(2)의 상면에는, 오목부(26)가 설치되어 있고, 웨이퍼(W)를 배치하기 위한 배치 영역(배치면)으로 되어 있다. 또한, 각 배치대(2)에는, 배치면 상의 웨이퍼(W)를 가열하기 위한, 예컨대 시트형의 저항 발열체로 구성되는 가열 수단을 이루는 스테이지 히터(21)가 매설되어 있다. 이에 따라, 도시하지 않는 전원부로부터 공급되는 전력에 의해, 배치대(2) 상의 웨이퍼(W)를 예컨대 300℃∼450℃ 정도로 가열할 수 있게 되어 있다. 또한, 필요에 따라, 배치대(2) 내에 도시하지 않는 정전척을 설치하여, 배치대(2) 상에 배치된 웨이퍼(W)를 정전 흡착하여 고정시킬 수도 있다. 또한, 도 3에서는, 편의 상, 1개의 배치대(2)에만 웨이퍼(W)가 도시되어 있다.
각 배치대(2)는, 바닥면측의 중앙부에서 지지 아암(23)에 의해 지지되고 있다. 이들 지지 아암(23)의 기단(基端)측은, 바닥판(14)의 중앙부를 수직 방향으로 관통하는 지주(支柱)(24)의 꼭대기부에 접속되어 있다. 본 예에서는, 예컨대 5개의 지지 아암(23)의 선단측이, 배치대(2)를 지지하도록, 진공 용기(1)의 직경 방향을 따라 거의 수평으로 신장되어 있어, 인접하는 지지 아암(23)끼리는, 둘레 방향에 거의 등각도의 간격을 두고 방사형으로 배치되어 있다. 이 결과, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 지지 아암(23)의 선단부에 지지된 배치대(2)가, 지주(24)의 주위에 진공 용기(1)의 둘레 방향을 따라 등간격으로 배치된 상태로 되어 있다. 그리고, 각 배치대(2)의 중심은, 지주(24)를 중심으로하는 원의 둘레 위에 위치하게 된다.
바닥판(14)을 관통하는 지주(24)의 하단측은, 구동부(51)와 접속되어 있다. 이에 따라, 지지 아암(23)을 통해 그 지주(24)에 접속된 모든 배치대(2)를 동시에 상하로 승강시킬 수 있게 되어 있다. 즉, 본 예에서는, 지지 아암(23), 지주(24) 및 구동부(51)가, 각 배치대(2)의 공통의 승강 수단을 구성하고 있다. 또한, 구동부(51)는, 지주(24)를 수직축 주위에 예컨대 1회전시킬 수 있는 회전 수단으로서의 역할도 갖추고 있다. 이에 따라, 지지 아암(23)에 지지된 배치대(2)를 그 수직축 주위에 둘레 방향으로 이동시킬 수 있다. 또한, 도 1에 나타내는 슬리브(25)는, 지주(24)를 수납하여 진공 용기(1)의 기밀 상태를 유지하는 역할을 완수하는 것이다. 그리고, 자기(磁氣) 시일(seal)(18)은, 그 지주(24) 내지 슬리브(25)로 둘러싸인 공간 내의 분위기와, 진공 용기(1) 내의 분위기를 기밀로 구획하는 역할을 완수하는 것이다.
진공 용기(1)의 측벽부(12)에는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 외부의 기판 반송 수단인 반송 아암(101)과 각 배치대(2) 사이에서 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 전달구를 이루는 반송구(15)가 형성되어 있다. 이 반송구(15)는, 도시하지 않는 게이트 밸브에 의해 개폐되도록 되어 있다. 각 배치대(2)는, 지주(24)를 회전시킴으로써 진공 용기(1) 내를 둘레 방향으로 이동하여, 반송구(15)에 면하는 위치에서 순차적으로 정지할 수 있다. 그 위치에서, 각 배치대(2)에 대한 웨이퍼(W)의 전달을 행할 수 있다. 그 전달 위치의 하방측의 바닥판(14)에는, 각 배치대(2)에 설치된 도시하지 않는 관통 구멍을 통해 그 배치면으로부터 돌출되고 함몰되어, 웨이퍼(W)를 이면측으로부터 들어 올려 반송 아암(101)과 각 배치대(2) 사이의 전달을 행하기 위한 예컨대 3개의 승강핀(16)이 설치되어 있다. 승강핀(16)은 그 바닥부가 승강판(53)에 지지되어 있다. 이 승강판(53)을 구동부(52)에 의해 상하로 승강시킴으로써, 승강핀(16) 전체를 승강시킬 수 있다. 벨로우즈(17)는, 승강핀(16)을 덮어, 바닥판(14)의 바닥면과 승강판(53)에 접속되어 있고, 진공 용기(1) 내의 기밀 상태를 유지하는 역할을 완수한다.
진공 용기(1)의 천장판(11)의 하면에는, 이미 설명한 배치대(2)와 마찬가지로, 진공 용기(1)의 중심의 주위에 둘레 방향으로 배열되도록, 배치대(2)와 동일 갯수의 예컨대 5개의 천장판 부재(22)가 고정되어, 5개의 그룹[배치대(2)와 천장판 부재(22)의 그룹]을 구성하고 있다. 성막을 행할 때에는, 각 천장판 부재(22)는, 각각 하나의 배치대(2)에 대향하여 처리 공간(20)을 형성한다. 이미 설명한 바와 같이, 배치대(2)는, 지주(24)를 중심으로 하여 둘레 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있기 때문에, 이들 배치대(2)를 미리 정한 위치(이하, 이 위치를 「처리 위치」라고 함)에 정지시킨 경우에, 천장판 부재(22)의 각각이 대응하는 배치대(2)와 대향하게 된다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 각 천장판 부재(22)는, 상면이 평탄면인 원주체의 하면을 둘레 가장자리에서부터 중심부를 향함에 따라 연속적으로 깊어지도록 움푹 패이게 하여 이루어지는, 상부에서부터 밑을 향함에 따라 부채꼴의 원추 형상의 공간을 형성하는 오목형의 면(나팔 형상의 오목부)을 갖는 본체 부분(22a)과, 이 본체 부분(22a)의 외주에, 이것을 밀착하여 둘러싸도록 하여 설치되어 있으며, 그 하단면이 평탄면을 이루고, 상기 본체 부분(22a)의 둘레 가장자리의 높이와 동일한 높이 치수로 형성된 슬리브(22b)를 구비하고 있다. 이들 본체 부분(22a)과 슬리브(22b)는, 예컨대 알루미늄 등으로 구성되어 있다. 상기 오목부는, 예컨대 배치대(2) 상에 배치되는 웨이퍼(W)의 전체를 덮도록, 그 웨이퍼(W)보다도 한층 큰 직경을 갖는 원형상으로 개구하고 있다. 도 4에서는, 천장판 부재(22)의 하단으로부터 배치대(2)의 상면까지의 거리는「h」로서 표시되어 있다. 슬리브(22b)의 바닥면이, 천장판 부재(22)의 하단과 동일한 높이 위치로 되어 있고, 배치대(2)가 천장판 부재(22)에 대향할 때, 천장판 부재(22)의 하측 가장자리와 배치대(2) 사이에, 둘레 방향에 높이 「h」의 간극이 형성되게 된다.
전술한 바와 같은 오목부를 구비한 천장판 부재(22)와 원반형의 배치대(2)를 대향시킴으로써, 배치대(2)와 천장판 부재(22)의 각 그룹의 사이에, 본 예에서는 원추형의 공간이 형성된다. 본 실시형태에 따른 성막 장치에서는, 이들 처리 공간(20)에 공급된 복수 종류의 반응 가스가 각각 확산된다. 그리고, 각 가스가 그 처리 공간(20) 내의 웨이퍼(W) 표면에서 흡착되고, 미리 결정된 반응이 발생하여, 성막이 행해진다. 처리 공간(20) 내에 공급된 각종 가스는, 그 처리 공간(20)의 둘레 방향을 따라, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이에 형성된 전술한 간극을 통해 진공 용기(1) 내에 유출된다. 본 실시형태에 따른 성막 장치에서의 그 간극은, 처리 공간(20) 내와 그 처리 공간(20)의 외부인 진공 용기(1) 내의 분위기[후술하는 배기 공간(10)에 상당함]를 연통하기 위한 배기용 개구부에 상당한다.
각 천장판 부재(22)의 원추형으로 형성된 오목부의 꼭대기부에, 가스 공급구(221)가 형성되어 있다. 이 가스 공급구(221)로부터 처리 공간(20) 내에, 반응 가스 및 그 반응 가스를 퍼지하는 퍼지 가스가 공급되도록 되어 있다.
천장판(11)의 중앙부 상에는, 각 처리 공간(20)에 가스를 공급하기 위한 매니폴드부(3)가 설치된다. 매니폴드부(3)는, 가스 공급로(32)를 형성하는 수직인 통형상의 유로 부재(31a)와, 이 가스 공급로(32)의 하류단이 그 상면 중앙부에 접속된 대직경의 편평한 원통 부재(31b)를 구비하고 있다. 원통 부재(31b)는, 수직인 가스 공급로(32)로부터 도입되는 가스를 확산시켜 5개의 가스 공급관(34)에 공급하기 위한 가스 확산실(33)을 구성하고 있다.
가스 공급관(34)은, 각각 마찬가지로 구성되어 있고, 큰직경의 원통 부재(31b)의 측벽으로부터 둘레 방향으로 대략 등각도의 간격을 두고 방사형으로 신장되어 있다. 그리고, 각 가스 공급관(34)의 하류단은, 상기 가스 공급구(221)에 접속되어 있다.
유로 부재(31a)에는, 액체 원료를, 횡방향으로부터 가스 공급로(32)에 공급하는 인젝터(4)가 설치되어 있다. 인젝터(4)로부터 공급된 액체 원료는, 기화하여 성막을 행하기 위한 원료 가스인 제1 반응 가스가 된다. 원료 가스에 대해서는, 후술한다. 이 인젝터(4)에는, 액체 원료의 공급 배관(713)이 접속되어 있다. 공급 배관(713)의 상류측은, 후술하는 제어부(100)에 의해 그 동작이 제어되는 펌프(711)를 통해, BTBAS 등의 액체 원료가 저류된 원료 가스 공급원(71)에 접속되어 있다(도 7 참조). 이 원료 가스 공급원(71)은, 예컨대 인젝터(4)의 상방에 배치되어 있다(도 7 참조). 이에 따라, 원료 가스 공급원(71)으로부터 인젝터(4)까지의 공급로가 길어지는 것을 억제하고 있다. 이러한 배치에 의해, 액체 원료의 열화, 즉 휘발이나 분해에 의한 액체 원료 내의 BTBAS의 농도 저하가 억제되어, 장치의 운전 비용의 저하가 도모되고 있다. 액체 원료의 열화를 효과적으로 억제하기 위해, 원료 가스 공급원(71)으로부터 인젝터(4)까지의 공급 배관의 길이는, 예컨대 2 m 이하로 구성되어 있다.
이 인젝터(4)로서는, 종래 공지의 것이 이용된다. 그 구성의 주요부를 종단면도인 도 6을 참조하면서 이하에 간단히 설명한다. 인젝터(4)는, 본체부(41)를 구비하고 있고, 본체부(41)에는, 액체 원료가 공급되는 공급 통로(42)가, 그 길이 방향에 설치되어 있다. 도면 중의 화살표는, 액체 원료의 흐름을 나타내고 있다. 액체 원료는, 펌프(711)에 의해 가압된 상태로 이 공급 통로(42)를 유통한다.
공급 통로(42)의 상류측에는, 액체 성막 원료를 정화하기 위한 필터(44A)가 설치되어 있다. 또한, 공급 통로(42)의 하류측은, 직경 축소되어 직경 축소부(42A)를 이루고 있고, 그 직경 축소부(42A)의 하류단에, 니들 밸브(44)에 의해 개폐되는 토출구(45)가 형성되어 있다. 니들 밸브(44)는, 플런저(46)를 통해, 리턴 스프링(47)에 의해 하류측을 향하여 압박되고 있다. 이에 따라, 니들 밸브(44)가 직경 축소부(42A)에 접촉하여, 토출구(45)가 막혀 있다. 또한, 플런저(46)를 둘러싸도록 설치된 솔레노이드(48)가, 전류 공급부(49)에 접속되어 있고, 전류가 공급됨으로써 전자석으로서 기능하도록 되어 있다. 전류 공급부(49)는, 제어부(100)로부터의 제어 신호를 받아, 솔레노이드(48)에의 전류의 공급 중단을 제어하도록 되어 있다.
솔레노이드(48)에 전류가 공급되어, 그 주위에 자계가 형성되면, 플런저(46)가 공급 통로(42)의 상류측으로 끌려간다. 이에 따라, 니들 밸브(44)가 상류측으로 끌려가, 토출구(45)가 개방된다. 그러면, 공급 통로(42)에 가압된 상태로 저류되어 있던 액체 원료가, 그 토출구(45)로부터 가스 공급로(32)를 향하여 토출된다. 도 6 중, 일점 쇄선의 동그라미로 둘러싼 부분에, 토출구(45)가 개방되어 액체 원료가 가스 공급로(32)에 토출될 때의 상태를, 확대하여 나타내고 있다.
인젝터(4)에 의한 액체 원료의 토출이 행해질 때, 가스 공급로(32)는 감압되어 있다. 따라서, 액체 원료는 감압 비등하여 가스가 되고, 그 가스가 하류에 유통되게 된다. 솔레노이드(48)에 의한 자계의 형성이 정지되면, 리턴 스프링(47)에 의해 플런저(46)가 하류측으로 되밀려, 니들 밸브(44)에 의해 토출구(45)가 재차 막힌다. 펌프(711)의 압력과 토출구(45)의 개구 시간에 의해, 가스 공급로(32)에서 생성되는 제1 반응 가스의 양이 제어된다. 또한, 이상과 같이 하여 인젝터(4)로부터 액체 원료를 감압된 가스 공급로(32)에 공급하여 기화시키는 양태 외에, 공급 배관(713)에 기화기를 설치하여 그 기화기에 의해 액체 원료를 통류 공간에 공급하기 전에 미리 기화시켜 반응 가스를 생성시키고, 그 반응 가스를 가스 공급로(32)에 공급한다고 하는 양태도 채용될 수 있다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 매니폴드부(3)에는, 액체 원료를 공급하는 공급 배관(713) 외에, 각종 가스를 가스 공급로(32)에 공급하기 위한 가스 공급 배관(723, 733)이 상하에 접속되어 있다. 이들 가스 공급 배관(723, 733)은, 상류측에서, 각각 각종 가스 공급원(72, 73)과 접속되어 있다. 이 예에서는, 가스 공급 배관(723, 733)은, 인젝터(4)에 의한 액체 원료의 공급 방향과는 다른 방향으로부터, 각 가스를 가스 공급로(32)에 공급할 수 있도록 매니폴드부(3)에 접속되어 있다.
본 실시형태에 따른 성막 장치는, 금속 원소, 예컨대 주기표의 제3 주기의 원소인 Al, Si 등, 주기표의 제4 주기의 원소인 Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge 등, 주기표의 제5 주기의 원소인 Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag 등, 주기표의 제6 주기의 원소인 Ba, Hf, Ta, W, Re, lr, Pt 등의 원소를 포함하는 박막을 성막시킬 수 있다. 웨이퍼(W) 표면에 흡착시키는 금속 원료로서는, 이들 금속 원소의 유기 금속 화합물이나 무기 금속 화합물 등을 반응 가스(이하, 원료 가스라고 함)로서 이용하는 경우를 들 수 있다. 금속 원료의 구체예로서는, 전술한 BTBAS 외에, 예컨대 DCS[디클로로실란], HCD[헥사디클로로실란], TMA[트리메틸알루미늄], 3DMAS[트리스디메틸아미노실란] 등을 들 수 있다.
또한, 웨이퍼(W) 표면에 흡착한 원료 가스를 반응시켜, 원하는 막을 얻는 반응에는, 예컨대 O2, O3, H2O 등을 이용한 산화 반응, H2, HCOOH, CH3COOH 등의 유기산, CH3OH, C2H5OH 등의 알코올류 등을 이용한 환원 반응, CH4, C2H6, C2H4, C2H2 등을 이용한 탄화 반응, NH3, NH2NH2, N2 등을 이용한 질화 반응 등의 각종 반응을 이용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 배경기술에서 예시한 BTBAS 가스를 원료 가스로 하여, 산소 가스를 이용하여, 산화 반응에 의해 SiO₂막을 성막하는 예에 대해서 설명한다.
산소 가스 공급 배관(723)은, 산소 가스 공급원(72)과 접속되어 있고, 제2 반응 가스인 산소 가스를 이미 설명한 가스 공급로(32)에 공급할 수 있다. 퍼지 가스 공급 배관(733)은, 퍼지 가스 공급원(73)과 접속되어 있고, 퍼지 가스인 아르곤 가스를 이미 설명한 가스 공급로(32)에 공급할 수 있다. 여기서, 이들 산소 가스나 아르곤 가스를 가스 공급로(32)에 공급하는 가스 공급 배관(723, 733)에는, 예컨대 다이어프램식의 압력 조정 밸브(721, 731)와, 예컨대 디스크형의 플런저를 채용한 전자 밸브로 이루어지는 개폐 밸브(722, 732)가 개재되어 설치되어 있다. 이에 따라, 일정 압력의 각종 가스를, 대유량 또한 높은 응답 속도로 공급할 수 있게 되어 있다.
이들 각 가스 공급원(71∼73)에 접속된 펌프(711), 압력 조정 밸브(721, 731), 및 개폐 밸브(722, 732)는, 성막 장치의 가스 공급 제어부(7)를 구성하고 있고, 후술하는 제어부(100)로부터의 지시에 기초하여 각종 가스의 공급 타이밍 등을 제어할 수 있다. 또한, 본 예에서는, 이상에 설명한 각 구성 요소 중, 원료 가스 공급원(71), 펌프(711), 원료 가스 공급 배관(713), 인젝터(4), 매니폴드부(3) 및 가스 공급관(34)이 제1 반응 가스 공급부에 상당하고, 산소 가스 공급원(72), 압력 조정 밸브(721), 개폐 밸브(722), 산소 가스 공급 배관(723), 매니폴드부(3) 및 가스 공급관(34)이 제2 반응 가스 공급부에 상당하며, 퍼지 가스 공급원(73), 압력 조정 밸브(731), 개폐 밸브(732), 퍼지 가스 공급 배관(733), 매니폴드부(3) 및 가스 공급관(34)이 퍼지 가스 공급부에 상당하고 있다.
또한, 유로 부재(31a)의 상측에는, 처리 공간(20) 내에 플라즈마 가스를 공급하기 위한 리모트 플라즈마 공급부(54)가 설치되어 있다. 장치의 메인터넌스를 행하는데 있어서, 후술하는 바와 같이 배기를 행하면서 NF3 가스를 리모트 플라즈마 공급부(54)에 공급하고, 이 리모트 플라즈마 공급부(54)에 의해 그 NF3 가스를 플라즈마화시킨다. 생성한 플라즈마를 처리 공간(20)에 공급하면, 그 플라즈마에 의해, 처리 공간(20) 내의 부착물을 처리 공간(20)의 벽면으로부터 제거하여, 처리 공간(20) 내에 형성되는 배기류에 실어 처리 공간(20)으로부터 제거할 수 있다. 또한, 리모트 플라즈마 공급부(54) 대신에, 인젝터(4)를 유로 부재(31a)의 상측에 설치하여, 유로 부재(31a)의 가스 공급로(32)의 형성 방향을 따라 인젝터(4)로부터 액체 원료를 공급하여도 좋다.
진공 용기(1)의 설명으로 돌아가면, 도 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 예컨대 바닥판(14)에는, 지주(24)를 사이에 두고 반송구(15)와는 반대측의 위치에, 각 반응 가스 및 퍼지 가스를 배기하기 위한 공통의 배기구(61)가 설치되어 있다. 이 배기구(61)는, 배기관(62)과 접속되어 있고, 그 배기관(62)은, 진공 용기(1) 내의 압력 조정을 행하는 압력 조정 수단(63)을 개재시켜 진공 배기 수단을 이루는 진공 펌프(64)에 접속되어 있다. 여기서, 진공 용기(1) 내에는, 이미 설명한 바와 같이 성막이 행해지는 처리 공간(20)을 구성하는 5조의 배치대(2), 천장판 부재(22)가 배치되어 있다. 그리고, 이들 5개의 처리 공간(20)으로부터 유출되는 각종 가스는, 진공 용기(1) 내를 통과하여, 공통의 배기구(61)에 배기된다. 즉, 그 진공 용기(1)는, 반응 가스의 배기 공간(10)을 구성하고 있다고 말할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 따른 성막 장치에서는, 공통의 배기 공간(10) 내에 복수의 처리 공간(20)이 배치된 구조로 되어 있다고 말할 수있다.
이상에서 설명한 구조를 구비하는 성막 장치는, 이미 설명한 가스 공급원(71∼73)으로부터의 가스 공급 동작, 배치대(2)의 회전 및 승강 동작, 진공 펌프(64)에 의한 진공 용기(1)의 배기 동작, 각 스테이지 히터(21)에 의한 가열 동작 등을 제어하는 제어부(100)를 구비하고 있다. 제어부(100)는, 예컨대 도시하지 않는 CPU와 기억부를 구비한 컴퓨터로 이루어진다. 이 기억부에는, 그 성막 장치에 의해 웨이퍼(W)에의 성막을 행하는데 필요한 제어, 예컨대 가스 공급원(71∼73)으로부터의 각종 가스 공급의 공급 중단 타이밍이나 공급량 조정에 따른 제어, 진공 용기(1) 내의 진공도를 조절하는 제어, 배치대(2)의 승강 내지 회전 동작의 제어, 각 스테이지 히터(21)의 온도 제어 등에 대한 스텝(명령)군이 짜여진 프로그램이 기록되어 있다. 이 프로그램은, 예컨대 하드 디스크, 컴팩트 디스크, 자기 광학 디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체에 저장되고, 그것으로부터 컴퓨터에 인스톨되는 것이 일반적이다.
이하, 본 실시형태에 따른 성막 장치의 동작에 대해서 설명한다. 우선, 배치대(2)를 웨이퍼(W)의 전달 위치에 하강시킨 상태로, 도 8에 나타내는 바와 같이, 도시하지 않는 게이트 밸브에 의해 반송구(15)가 개방되고, 외부의 반송 아암(101)이 반송구(15)로부터 진입하여 진공 용기(1) 내에 웨이퍼(W)를 반입한다. 이때, 진공 용기(1) 내의 반송구(15)에 대향하는 위치[웨이퍼(W)의 전달 위치]에는, 지주(24)를 회전시킴으로써, 다음에 웨이퍼(W)를 배치하여야 하는 배치대(2)가 대기하고 있다. 그리고 도시하지 않는 관통 구멍을 통해 승강핀(16)을 배치대(2)로부터 돌출시켜, 반송 아암(101)으로부터 승강핀(16)에 웨이퍼(W)를 전달하고, 반송 아암(101)을 진공 용기(1) 밖으로 후퇴시키고 나서 승강핀(16)을 배치대(2)의 하방으로 몰입시킴으로써, 배치면인 오목부(26) 내에 웨이퍼(W)가 배치된다. 그리고, 웨이퍼(W)는 도시하지 않는 정전척에 의해 흡착 고정된다.
이와 같이 하여, 5개의 배치대(2)에 순차적으로 웨이퍼(W)를 배치하는 동작을 반복하여 웨이퍼(W)의 반입이 완료하면, 각 배치대(2)를 대응하는 처리 위치까지 이동시켜 천장판 부재(22)에 대향시킨 상태로 정지시킨다. 이때, 각 배치대(2)는, 스테이지 히터(21)에 의해, 미리 예컨대 300℃∼450℃로 가열되어 있기 때문에, 웨이퍼(W)는 그 배치대(2)에 배치됨으로써 가열된다. 그리고, 웨이퍼(W)의 반입 위치까지 하강하고 있던 배치대(2)가 상승되고, 예컨대 그 성막 처리의 레시피에 따라 선택된 높이 위치에서 정지된다.
여기서, 본 실시형태에 따른 성막 장치는, 배치대(2)를 정지시키는 높이 위치를 조절함으로써, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이에 형성되는 간극의 폭(간극의 높이)을, 예컨대 「h=1 ㎜∼6 ㎜」의 범위에서 변화시킬 수 있다. 예컨대, 도 9a에는, 상기 간극의 폭을 「h=4 ㎜」라고 한 경우를 나타내고, 도 9b에는, 상기 간극의 폭을 「h=2 ㎜」라고 한 경우를 나타내고 있다.
이와 같이 하여, 각 배치대(2)를 천장판 부재(22)에 대향시켜, 간극의 폭을 조절한 후, 반송구(15)를 폐쇄하여, 진공 용기(1) 내를 기밀인 상태로 한다. 그 후, 진공 펌프(64)를 가동시켜, 진공 용기(1) 내의 진공 처리를 행한다. 그리고, 진공 용기(1) 내가 미리 결정된 압력, 예컨대 13.3 ㎩(0.1 Torr)까지 진공 배기되고, 또한, 웨이퍼(W)의 온도가 이미 설명한 온도 범위의 예컨대 350℃까지 승온되면, 성막을 개시한다.
본 실시형태에 따른 성막 장치를 이용한 소위 ALD 프로세스에서는, 성막은, 예컨대 도 10a, 도 10b에 나타내는 가스 공급 시퀀스에 기초하여 실행된다. 도 10a는 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극의 폭이 「h=4 ㎜」(도 9a에 대응)인 경우에서의 가스 공급 시퀀스를 나타낸 모식도이다. 도 10b는 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극의 폭이 「h=2 ㎜」(도 9b에 대응)인 경우에서의 가스 공급 시퀀스를 나타낸 모식도이다. 이들 도면에서, 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 처리 공간(20) 내의 압력을 나타내고 있다.
예컨대 도 10a(h=4 ㎜)의 경우를 보면, 우선 원료 가스(제1 반응 가스: BTBAS)를 각 처리 공간(20) 내에 공급하여 배치대(2) 상의 웨이퍼(W)에 흡착시키는 공정이 실행된다(원료 가스 흡착 공정: 이하, 「흡착 공정」이라고 약기함. 도 10a 중 「a 공정」으로 기재하고 있음). 이때, 원료 가스 공급원(71)에 저류되어 있는 BTBAS의 액체 원료는, 예컨대 인젝터(4)의 토출구(45)가 예컨대 1 ㎳간만큼 개방됨으로써, 감압된 가스 공급로(32)에 토출되어 감압 비등하여, 제1 반응 가스인 BTBAS 가스가 되고, 도 11에 화살표로 나타내는 바와 같이 하류측의 가스 확산실(33)에 공급된다. 그리고, BTBAS 가스는, 가스 확산실(33) 내에서 확산하여, 더욱 하류측을 향한다.
그리고, 기화된 원료 가스는, 가스 공급구(221)를 통해 각 처리 공간(20)에 도입된다. 이에 따라, 도 10a 중 a 공정에 나타내는 바와 같이, 처리 공간(20) 내의 압력이 예컨대 133.32 ㎩(1 Torr)까지 상승된다. 한편, 이미 설명한 바와 같이, 각 처리 공간(20)은 배기 공간(10) 내에 배치되어 있기 때문에, 처리 공간(20) 내에 공급된 원료 가스는, 처리 공간(20) 내보다도 압력이 낮은 배기 공간(10)을 향하여 흘러, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극을 통해 배기 공간(10)으로 유출된다.
이 결과, 도 12에 나타내는 바와 같이, 원료 가스는, 원추형의 처리 공간(20)의 꼭대기부, 즉, 웨이퍼(W) 중앙부의 상방에 설치된 가스 공급구(221)로부터 처리 공간(20) 내에 공급되고, 그 처리 공간(20) 내를 퍼지면서, 웨이퍼(W)의 표면을 상기 간극을 향하여 직경 방향으로 흐른다. 이 동안, 그 웨이퍼(W)의 표면에 흡착하여, BTBAS의 분자층을 형성한다. 그리고, 간헐적으로 공급되는 원료 가스가 처리 공간(20) 내에서 배기 공간(10)을 향하여 배기됨에 따라, 도 10a의 a 공정에 나타내는 바와 같이, 처리 공간(20) 내의 압력은 저하되어 간다.
계속해서, 예컨대 처리 공간(20)의 압력이 원료 가스 도입 전과 거의 동일한 압력이 되는 타이밍(예컨대, 원료 가스를 공급하고 나서 미리 결정한 시간이 경과한 타이밍)에서, 처리 공간(20) 내에 체류하고 있는 원료 가스를 퍼지하는 공정으로 옮긴다(도 10a의 b1 공정). 여기서, 예컨대 퍼지 가스 공급원(73)의 하류에 설치된 압력 조정 밸브(731)는, 출구측의 이차압을 0.1 ㎫로 일정하게 하도록 조정되어 있고, 개폐 밸브(732)는 입구측에 그 압력이 가해진 상태로 「폐쇄」로 되어 있다. 그리고, b1 공정의 개시 타이밍으로부터 예컨대 100 ㎳간만큼, 개폐 밸브(732)가 「개방」으로 된다. 이에 따라, 그 개폐 밸브(732) 전후의 압력 밸런스, 및 개폐 밸브(732)의 개방 시간에 따른 양의 퍼지 가스가, 매니폴드부(3)를 통해 처리 공간(20)에 공급된다.
이 결과, 원료 가스의 경우와 마찬가지로, 도 12에 나타내는 바와 같이, 퍼지 가스는, 원추형의 각 처리 공간(20)을 퍼지면서 웨이퍼(W)의 표면을 흐르고, 처리 공간(20) 내에 체류하고 있던 원료 가스와 함께 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극을 통해 배기 공간(10)을 향하여 배기된다. 이때, 처리 공간(20) 내의 압력은, 도 10a의 b1 공정에 나타내는 바와 같이, 개폐 밸브(732)의 개폐 동작에 의해 공급된 퍼지 가스의 양에 따라, 예컨대 666.7 ㎩(5 Torr)까지 상승되고, 그 퍼지 가스가 배기 공간(10)을 향하여 배기됨에 따라 저하한다.
이렇게 하여, 처리 공간(20) 내에 체류하고 있는 원료 가스가 퍼지 가스와 함께 배기된 타이밍(예컨대, 퍼지 가스를 공급하고 나서 미리 결정한 시간 경과한 타이밍)에서, 웨이퍼(W)에 흡착한 원료 가스를 산화시키기 위해, 처리 공간(20) 내에 제2 반응 가스인 산소 가스를 공급하는 공정이 실행된다(이하, 「산화 공정」이라고 함. 도 10a 중「c 공정」이라고 기재하고 있음). 예컨대 산소 가스 공급원(72)의 하류에 설치된 압력 조정 밸브(721)는, 퍼지 가스의 압력 조정 밸브(731)와 마찬가지로, 출구측의 이차압을 0.1 ㎫로 일정하게 하도록 조정되어 있고, 개폐 밸브(722)는 입구측에 그 압력이 가해진 상태로 「폐쇄」로 되어 있다. 그리고, c 공정의 개시 타이밍으로부터 예컨대 100 ㎳간만큼, 개폐 밸브(722)가 「개방」으로 된다. 이에 따라, 그 개폐 밸브(722) 전후의 압력 밸런스, 및 그 개폐 밸브(722)를 개방으로 한 시간에 따른 양의 산소 가스가, 매니폴드부(3)를 통해 처리 공간(20)에 공급된다.
그리고, 지금까지의 가스 공급의 경우와 마찬가지로, 도 12에 나타내는 바와 같이, 산소 가스는, 원추형의 각 처리 공간(20)을 퍼지면서 웨이퍼(W)의 표면을 흐른다. 이에 따라, 그 산소 가스는, 웨이퍼(W) 표면에 흡착되고 있는 원료 가스를 산화하여, SiO₂의 분자층이 형성된다. 이때, 처리 공간(20) 내의 압력은, 도 10a의 c 공정에 나타내는 바와 같이, 개폐 밸브(722)의 개폐 동작에 의해 공급된 산소 가스의 양에 따라, 예컨대 666.7 ㎩(5 Torr)까지 상승하며, 그 산소 가스가 배기 공간(10)을 향하여 배기됨에 따라 저하한다.
계속해서, 예컨대 처리 공간(20)의 압력이 산소 가스 도입 전과 거의 동일한 압력이 되는 타이밍(예컨대, 산소 가스를 공급하고 나서 미리 결정한 시간이 경과한 타이밍)에서, 이미 설명한 b1 공정과 동일한 요령으로, 처리 공간(20) 내에 체류하고 있는 산소 가스를 퍼지하는 공정으로 옮긴다(도 10a의 b2 공정). 그리고, 도 10a에 나타내는 바와 같이, 이상에서 설명한 4개의 공정을 1사이클로 하여, 그 사이클을 미리 정해진 횟수, 예컨대 125회, 반복함으로써 SiO₂의 분자층을 다층화하고, 예컨대 합계로 10 ㎚의 막 두께를 갖는 막의 성막이 완료된다.
또한, 도 10a, 및 후술하는 도 10b는, 설명의 편의 상, 각 공정에서의 처리 공간(20) 내의 압력 패턴을 모식적으로 나타낸 것으로서, 그 처리 공간(20) 내의 엄밀한 압력을 나타내고 있는 것이 아니다.
성막을 끝내면, 가스의 공급이 정지되고, 웨이퍼(W)가 배치되어 있던 배치대(2)가 반송구(15)까지 강하되며, 진공 용기(1) 내의 압력이 진공 배기 전의 상태로 돌아간다. 그 후, 반입 시와는 반대의 경로로, 외부의 반송 아암(101)에 의해 웨이퍼(W)가 진공 용기(1)로부터 반출되어, 일련의 성막 동작이 종료한다.
이상에서 설명한 동작에 기초하여 성막을 행하는 본 실시형태에 따른 성막 장치는, 5개의 처리 공간(20)에 공통의 매니폴드부(3)로부터 반응 가스의 공급이 행해지고, 각 처리 공간(20)으로부터의 반응 가스의 배기가 공통의 배기 공간(10)을 향하여 행해지게 된다. 이 때문에, 5개의 처리 공간(20) 사이에서, 공급되는 반응 가스의 양에 약간의 차를 발생시키는 경우도 생각된다. 그러나, 본 성막 장치는, 웨이퍼(W) 표면에의 반응 가스의 흡착을 이용하는 ALD 프로세스를 채용하고 있기 때문에, 각 처리 공간(20)에의 반응 가스 공급량에 다소의 치우침 등이 있다고 해도, 분자층을 형성할 수 있는 충분한 양의 반응 가스를 웨이퍼(W) 표면에 공급하면, 막 두께 등의 막질이 웨이퍼(W)면 사이에서 균일한 막을 성막할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 성막 장치는, 이미 설명한 바와 같이, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극을 「h=1 ㎜∼6 ㎜」의 범위에서 변화시킬 수 있다. 지금까지 설명한 도 10a는 「h=4 ㎜」(도 9a)의 경우에 대한 가스 공급 시퀀스를 나타내고 있다. 그래서, 도 9b에 나타내는 바와 같이 「h=2 ㎜」로 하여 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극을 좁게 한 경우의 성막 장치의 작용과 가스 공급 시퀀스에의 영향에 대해서, 이하에 설명한다.
지금, 예컨대 처리 공간(20) 내의 압력이 일정(예컨대, 압력 P1)하게 되도록 인젝터(4)로부터의 원료 가스의 공급량을 조절한 후, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극을 좁게 해 가면, 이 간극을 가스가 통과할 때의 압력 손실이 커진다. 이에 따라, 처리 공간(20)으로부터 배기 공간(10)에의 가스의 배기 속도는 저하하고, 처리 공간(20) 내에서의 반응 가스의 체류 시간은 길어진다. 이때의 처리 공간(20) 내의 압력 변화의 모습을 모식적으로 나타내면, 도 13a에 나타내는 바와 같이, 간극을 좁게 하기 전의 처리 공간(20) 내의 압력은 실선 「S1」로 나타내는 바와 같이 단시간으로 급격하게 저하하는데 대하여, 간극을 좁게 한 후의 압력은 파선 「S2」로 나타내는 바와 같이 완만하게 저하한다. 여기서, 도 13a 내지 도 13c에서, 횡축(T)은 시간을 나타내고, 종축(P)은 처리 공간(20) 내의 압력을 나타내고 있다.
다음에, 처리 공간(20) 내의 압력이 상기 압력 「P1」보다도 낮은 압력(예컨대 압력 P2)이 되도록 인젝터(4)로부터의 원료 가스의 공급량을 조정한 후, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극을 변화시키면, 그 간극을 좁게 하기 전후에서의 처리 공간(20) 내의 압력은, 도 13b에 모식적으로 나타내는 것과 같이 된다. 즉, 이미 설명한 도 13a보다는 전체의 변화가 완만해지지만, 간극을 좁게 하기 전은 실선 「S3」으로 나타내는 바와 같이 비교적 단시간으로 압력이 저하하고, 간극을 좁게 한 후는 파선 「S4」로 나타내는 바와 같이 비교적 장시간에 걸쳐 저하한다.
이와 같이, 본 실시형태에 따른 성막 장치에서는, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극의 폭 「h」와, 인젝터(4)로부터의 원료 가스의 공급량의 쌍방을 조절함으로써, 원료 가스의 공급 시간이 짧으며 비교적 많은 원료 가스를 필요로 하는 공급 패턴(도 13c 중 실선 「S1」에 상당함)이나, 원료 가스의 공급 시간이 길며 원료 가스의 소비량이 적어도 되는 공급 패턴(도 13c 중 파선 「S4」에 상당함) 등, 처리 공간(20) 내의 압력 및 그 처리 공간(20) 내에서의 원료 가스의 체류 시간 중 적어도 한쪽을 조정할 수 있다. 즉, 원료 가스의 공급 패턴을 자유롭게 변경할 수 있다.
여기서, 도 10b에 나타내는 가스 공급 시퀀스에서는, 상기 간극이 「h=2 ㎜」로 고정되고, a 공정에서 형성되는 시간 대 압력의 삼각형의 면적이 도 10a의 a 공정에서 형성되는 동삼각형의 면적과 같아지도록, 원료 가스의 공급량이 결정되어 있다.
도 10a와 도 10b의 각 도면에서, 상기 삼각형의 면적이 같아지도록 원료 가스의 공급량이 결정되는 이유는, ALD 프로세스는 웨이퍼(W) 표면에의 원료 가스의 흡착을 이용한 성막 방법이기 때문에, 막 두께 등의 막질이 웨이퍼(W) 표면에의 원료 가스 분자의 충돌 횟수에 의존한다고 생각되기 때문이다. 원료 가스 분자의 웨이퍼(W) 표면에의 충돌 빈도는, 처리 공간(20) 내의 압력 즉, 처리 공간(20)에 공급되는 원료 가스 농도에 비례하여 커지고, 성막 기간 중의 전체 충돌 횟수는 그 충돌 빈도를 시간 적분한 값이 된다. 이 때문에, 그 적분값 즉, 전술한 삼각형의 면적을 동일하게 함으로써, 상기 간극의 폭을 변화시키기 전후에서의 막질을 균일하게 유지할 수 있다고 생각된다. 도 10b의 가스 공급 시퀀스에서는, c 공정, 및 b1, b2 공정에 대해서도, 동일한 사고 방식에 기초하여 각 가스의 공급량이 결정되어 있다.
여기서, 각 가스의 공급량은, 인젝터(4) 및 각 개폐 밸브(722, 732)를 「개방」으로 하는 시간을 증감시키는 것 등에 의해, 조절할 수 있다. 또한, 상기 간극의 폭을 변경하기 전의 가스 공급 시퀀스(본 예에서는 「h=4 ㎜」의 경우의 도 10a에 나타내는 시퀀스)에서의 상기 삼각형의 면적 등은, 예컨대 예비 실험 등에 의해, 양호한 막질을 얻을 수 있는 가스 공급량 등을 미리 파악해 두는 것에 의해 결정된다. 또한, 상기 간극의 폭을 변경하는 경우에, 도 10b에 나타낸 가스 공급 시퀀스를 결정하는 방법은, 전술한 방법에 한정되는 것이 아니다. 상기 간극의 폭을 변화시켜 예비 실험을 행하고, 그 실험 결과로부터 각각의 간극의 폭에 최적의 가스 공급량을 구함으로써, 각각의 간극의 폭에 맞는 가스 공급 시퀀스를 결정하여도 좋다.
이상에 예시한 방법에 기초하여, 상기 간극의 폭을 변화시킨 경우의 가스 공급 시퀀스가 결정되면, 예컨대 그 간극의 폭을 변화시킨 것에 따른 성막 시간의 변화, 즉 작업 처리량의 변화에 따른 수익에의 영향과, 각종 가스 소비량의 변화에 따른 비용에의 영향을 비교하고, 예컨대 이들의 수지가 최대가 되도록 상기 간극의 폭을 결정하면 좋다. 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 폭의 이러한 결정은, 예컨대 성막 장치의 가동 개시 시나 원료 가스 등의 프로세스 조건의 변경 시에 행해질 수 있다.
본 실시형태에 따른 성막 장치에 의하면 이하의 효과가 있다. 원료 가스(제1 반응 가스) 및 산소 가스(제2 반응 가스)를 교대로 웨이퍼(W)에 공급하여 소위 ALD(또는 MLD)에 의해 성막을 행하는 장치에서, 배치 영역을 포함하는 배치대(2)와 천장판 부재(22)를 대향시켜 양자의 사이에 처리 공간(20)을 형성하며, 이들 배치대(2) 및 천장판 부재(22)의 복수의 그룹을 공통의 배기 공간(10)을 이루는 진공 용기(1) 내에 배치하고, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이에 형성되는 간극을 통해 상기 처리 공간(20)을 진공 배기하는 구성으로 되어 있기 때문에, 복수매의 웨이퍼(W)를 배치 가능한 대형 회전 테이블을 준비하여, 그 회전 테이블의 상면측에 공통의 처리 공간을 설치하는 경우와 비교하여, 처리 공간(20)의 용적(의 합계)을 작게 할 수 있다. 또한, 웨이퍼(W) 끼리의 간극 등, 성막에는 관여하지 않는 영역에 반응 가스가 공급되는 일이 없어져, 성막 처리에 필요한 반응 가스의 공급량을 삭감시킬 수 있다. 이 결과, 성막에 요하는 비용을 저감시킬 수 있다. 또한, 합계의 처리 공간(20)의 용적이 작기 때문에, 그 처리 공간에의 반응 가스의 공급 시간이나 배기 시간도 삭감되어, 전체의 성막 시간이 줄어든다. 즉, 성막 장치의 작업 처리량의 향상에도 공헌할 수 있다.
또한, 본 성막 장치는, 정지되어 있는 상태의 웨이퍼(W)에 대하여 반응 가스를 공급하는 구성으로 되어 있기 때문에, 배경기술에서 설명한 복수의 웨이퍼(W)를 배치한 배치대를 회전시키는 타입의 성막 장치와 같이, 배치대의 회전 중심측과 둘레 가장자리측에서 웨이퍼(W)의 이동 속도가 다른 것에 기인하는 불필요한 반응 가스 소비가 발생하지 않는다.
또한, 처리 공간(20)을 형성하는 배치대(2)를 승강시키는 승강 기구[지지 아암(23), 지주(24), 구동부(51)]를 구비한 본 실시형태에 따른 성막 장치에 의하면, 이하의 효과가 있다. 천장판 부재(22)의 오목형의 면과 배치대(2) 사이에 형성되는 처리 공간(20) 내에 웨이퍼(W)를 배치하고, 이들 부재(2, 22) 사이에 형성되는 간극의 크기를 조정함으로써, 처리 공간(20) 내의 압력이나, 그 처리 공간(20) 내에서의 각종 반응 가스의 체류 시간을 조정할 수 있다. 이 때문에, 웨이퍼(W) 표면에 성막을 행하기 위해 필요한 조건을, 협소한 처리 공간(20) 내에 원하는 바로 만들어 낼 수 있다. 이 때문에, 배경기술에서 설명한 평탄한 가스 토출면을 갖는 가스 샤워 헤드를 배치대에 대하여 평행이 되도록 진공 용기 내에 배치하여 반응 가스를 공급하는 방식의 성막 장치와 비교하여, 보다 적은 반응 가스로 성막을 행할 수 있다.
또한, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극의 폭(높이)이 변화 가능한 것을 활용하여, 그 간극의 폭을 넓게 하는 것에 따른 성막 시간의 단축, 즉 작업 처리량의 향상의 영향과, 그 간극의 폭을 좁게 하는 것에 따른 원료 가스 소비량의 삭감의 영향을 비교 검토하는 등을 행하여, 목적으로 하는 프로세스에 가장 알맞은 간극의 폭을 선택할 수 있다. 이에 따라, 각종 프로세스에 대한 장치의 플렉시빌리티(flexibility)가 현저히 향상된다.
여기서, 이미 설명한 실시형태의, 도 10a, 도 10b에 나타낸 각 가스 공급 시퀀스에서는, 흡착 공정, 퍼지 공정 및 산화 공정의 각 공정에서, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 폭(높이)을 일정하게 하고 있다. 그러나, 본 실시형태에 따른 성막 장치의 운용예는, 그와 같은 양태에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 흡착 공정과 산화 공정에서 그 간극의 폭(높이)을 변화시킴으로써, 처리 공간(20) 내의 압력이나 반응 가스의 체류 시간을 각 공정에서 공급되는 반응 가스의 종류에 따라 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 보다 양질의 막을 성막할 수 있다.
또한, 상기 간극의 폭을 변화시키는 방법은, 이미 설명한 실시형태 중에 나타낸 것과 같은, 배치대(2)를 승강시키는 방법에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 천장판 부재(22)를 진공 용기(1)의 천장판으로부터 강하시킬 수 있게 구성하여, 그 천장판 부재(22)를 승강시킴으로써, 상기 간극의 폭을 변화시켜도 좋고, 배치대(2)와 천장판 부재(22)의 쌍방을 승강시킴으로써 간극의 폭을 변화시켜도 좋다.
다음에, 본 실시형태의 매니폴드부(3)에 의하면, 이하의 효과가 있다. 처리 가스 공급 기구인 인젝터(4) 및 가스 공급 배관(723, 733)으로부터 공급되는 각 가스는, 공통의 가스 공급로(32)를 통과하여, 가스 확산실(33)에서 확산되고, 가스 공급관(34)을 통해 각 처리 공간(20)에 공급된다. 이 때문에, 각 처리 공간(20)에 대하여 개별로 처리 가스 공급 기구를 설치하는 경우보다도, 부품의 갯수를 적게 할 수 있다. 따라서, 가스 공급 시스템의 구조가 간소화되어, 장치의 대형화 및 번잡화를 막을 수 있다. 이에 따라, 장치의 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
또한, 각 가스가 공급되는 처리 공간(20)은, 천장판 부재(22)와 배치대(2)로 구성되어 있고, 이들 사이에 형성되는 간극을 통해 배기된다. 따라서, 복수매의 기판을 배치할 수 있는 대형 회전 테이블을 준비하여 그 회전 테이블의 상면측에 공통의 처리 공간을 설치하는 경우와 비교하여, 처리 공간(20)의 전체의 용적을 작게 할 수 있다. 이에 따라, 기판끼리의 간극 등, 성막에는 관여하지 않는 영역에 반응 가스가 공급되는 일이 없어져, 성막 처리에 필요한 반응 가스의 공급량을 삭감하는 것이 가능해진다. 또한, 각 가스 공급원으로부터 공통의 가스 공급로(32) 및 공통의 가스 확산실(33)을 통해 각 가스가 처리 공간(20)에 공급되기 때문에, 각 처리 공간(20)에 공급되는 가스 유량 및 가스 농도에 변동이 생기는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 각 처리 공간(20)에서 처리되는 웨이퍼(W)의 막질이나 막 두께의 변동이 억제된다.
또한, 가스 확산실(33)은, 처리 공간(20)을 수용하는 진공 용기(1)의 바로 위에 설치되어 있기 때문에, 가스 확산실(33)로부터 처리 공간(20)까지의 가스의 유로를 짧게 구성할 수 있다. 이에 따라, 처리 공간에 도달하기까지의 BTBAS 가스의 재(再)액화를 억제할 수 있고, 또한, 단시간으로 대량의 가스를 처리 공간(20)에 공급하기 쉽다. 이 때문에, 성막 시간을 짧게 하여 작업 처리량을 높이는 것이 가능하다. 가스 확산실(33)로부터 각 처리 공간(20)까지의 유로의 길이는, 예컨대 0.3 m∼1.0 m이다.
여기서, 본 발명에 따른 성막 장치는, 도 1 내지 도 7에 나타내는 바와 같이 편평한 원통형의 진공 용기(1) 내에 복수의 배치대(2)와 천장판 부재(22)의 그룹을 둘레 방향에 배치하는 경우[진공 용기(1)와 중심을 같게 하는 원의 원주 상에 각 배치대(2)의 중심을 위치시키는 경우]에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 14a 및 도 14b에 나타내는 성막 장치와 같이, 가늘고 긴 직사각 형상의 배치대(2) 상에 가로 일렬로 복수의 웨이퍼(W)의 배치 영역을 마련하고, 각 배치 영역에 대향하도록 천장판 부재(22)를 설치하여, 이들 각 부재를 공통의 배기구(61)를 구비한 배기 공간(10)을 이루는 진공 용기(1) 내에 격납하여도 좋다. 또한, 도 15에 나타내는 성막 장치와 같이, 서로 대향하는 배치대(2)와 천장판 부재(22)의 복수의 그룹을 상하 방향에 배치하고, 배기 공간(10)을 이루는 진공 용기(1) 내에 이들 각 부재를 격납하여도 좋다. 또한, 본 명세서에서 설명되는 각 성막 장치에서, 도 1 내지 도 7을 이용하여 설명된 성막 장치와 동일한 역할을 완수하는 구성 요소에는, 이들 도면에 기재된 부호와 동일한 부호를 붙이고 있다.
또한, 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극은, 도 4 등을 이용하여 설명된 배치대(2)의 상면과 천장판 부재(22)의 하단부 사이에 형성되는 간극으로 한정되지 않는다. 즉, 예컨대 도 16에 나타내는 바와 같이, 상방측으로 돌출하도록 구성된 웨이퍼(W)의 배치 영역을 갖는 배치대(2)를 천장판 부재(22)의 오목부 내에 감합시켜 처리 공간(20)을 형성하고, 천장판 부재(22)의 내벽면과 배치대(2)의 측면 사이에 형성되는 간극을 통해 처리 공간(20) 내의 각종 가스를 배기하는 구성을 채용하여도 좋다.
또한, 처리 공간(20) 내의 반응 가스 등을 배기 공간(10)에 배기하는 배기용 개구부는, 이미 설명한 성막 장치와 같은 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극으로 한정되지 않는다. 예컨대, 도 17a 및 도 17b에 나타내는 바와 같이, 천장판 부재(22)를 하면이 개방된 편평한 원통 형상으로 구성하고, 예컨대 그 천장판 부재(22)의 측둘레벽 부분에 개구부(223)를 설치하여, 처리 공간(20) 내의 반응 가스 등을 그 개구부(223)를 통해 배기 공간(10)에 배기하도록 하여도 좋다. 또한, 도 18a 및 도 18b에 나타내는 바와 같이, 배치대(2)의 배치 영역의 주위에 개구부(27)를 설치하여, 이곳으로부터 배기 공간(10)에 반응 가스 등을 배기하도록 하여도 좋다.
여기서, 반응 가스는, 2종류인 경우로 한정되지 않는다. 예컨대, 티탄산스트론튬(SrTiO3)을 성막하는 경우와 같이, 3종류의 반응 가스, 예컨대 Sr 원료인 Sr(THD)₂(스트론튬비스테트라메틸헵탄디오나토)와, Ti 원료인 Ti(OiPr)₂(THD)₂(티타늄비스이소프로폭사이드비스테트라메틸헵탄디오나토)와, 이들의 산화 가스인 오존 가스를 이용하여 ALD에 의해 성막을 행하는 프로세스에도 본 성막 장치를 적용할 수 있다. 이 경우에는, 각 처리 공간(20) 내에 전환하여 공급되는 3종류의 반응 가스 중, 이어서 공급되는 2개의 원료 가스 중 한쪽측이 제1 반응 가스, 다른쪽측이 제2 반응 가스로서 이해된다. 즉, Sr(THD)₂가스→ Ti(OiPr)₂(THD)₂가스→ 오존 가스라고 하는 순서대로 반응 가스가 공급되는 경우에는(퍼지 가스의 공급에 대해서는 생략하고 있음), Sr(THD)₂가스와 Ti(OiPr)₂(THD)₂가스의 관계에서는 전자가 제1 반응 가스가 되고, 후자가 제2 반응 가스가 되며, Ti(OiPr)₂(THD)₂가스와 오존 가스의 관계에서는, 전자가 제1 반응 가스가 되고, 후자가 제2 반응 가스가 된다고 이해된다. 그리고, 오존 가스와 Sr(THD)₂가스의 관계에서는, 전자가 제1 반응 가스가 되고, 후자가 제2 반응 가스가 된다고 이해된다. 4종류 이상의 반응 가스를 이용하여 성막하는 경우에도, 동일한 사고 방식을 적용할 수 있다.
또한, 오목부를 갖는 천장판 부재(22)와 배치대(2)를 상하로 대향시켜 웨이퍼(W)의 처리 공간(20)을 형성하고, 이들 부재(22, 2)의 간극의 폭(높이)을 바꿈으로써 처리 공간(20) 내의 압력이나 그 처리 공간(20) 내에서의 반응 가스의 체류 시간을 조정한다고 하는 이미 설명한 성막 장치는, 소위 ALD 프로세스를 적용하는 경우에만 한정되지 않는다. 예컨대, 그 처리 공간(20) 내에 반응 가스를 연속적으로 공급하여 웨이퍼(W) 표면에 성막을 행하는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 프로세스에 대해서도, 본 성막 장치를 적용할 수 있고, 그 경우에도, 반응 가스의 소비량을 억제한다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
이 외에, 진공 용기(1) 내에서, 하부 부재인 배치대(2)를 상부 부재인 천장판 부재(22)에 대향시켜 처리 공간(20)을 형성하고, 배치대(2) 등을 자유롭게 승강시킴으로써 배기용 개구부를 이루는 배치대(2)와 천장판 부재(22) 사이의 간극의 폭을 조절 가능하게 한 구성의 성막 장치는, 진공 용기(1) 내에 배치대(2)와 천장판 부재(22)의 복수의 그룹을 설치하여 상기 간극을 공통의 동일한 폭으로 조절하는 양태에는 한정되지 않는다. 예컨대, 도 19에 나타내는 바와 같이, 진공 용기(1) 내에 배치대(2)와 천장판 부재(22)를 1그룹만 설치하는 성막 장치도, 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 또한, 진공 용기(1) 내에 이들 그룹을 복수 그룹 구비하는 성막 장치여도, 도 20에 나타내는 바와 같이, 예컨대 각 배치대(2)를 독립적으로 승강시킬 수 있는 구성으로 하고, 각각의 처리 공간(20)에서의 천장판 부재(22)와 각 배치대(2) 사이의 간극의 폭을 다르게 한 구성으로 하여도 좋다. 이 경우에는, 예컨대 처리 공간(20)마다 상기 간극의 폭을 다르게 하여, 예컨대 각종 반응 가스의 체류 시간이나 압력을 조절함으로써, 각각의 처리 공간(20)에서 막질이 다른 막을 성막하는 것도 가능하다. 또한, 예컨대 처리 공간(20)마다 다른 종류의 반응 가스를 공급하여 다른 종류의 막을 성막할 때에, 상기 간극이 각각의 반응 가스의 종류에 알맞은 폭이 되도록 배치대(2)를 승강시킬 수도 있다.
매니폴드부(3)의 구성으로서는, 도 14a 및 도 14b에 나타내는 바와 같이 가로 일렬로 배열된 복수의 처리 공간(20)에 가스를 공급하는 것이어도 좋고, 도 21a 및 도 21b는, 그와 같은 매니폴드부(3)의 일례를 나타내고 있다. 이 매니폴드부(3)의 가스 확산실(33)은, 처리 공간(20)의 배열에 대응하여, 그 처리 공간(20)의 배열 방향으로 신장되도록 형성되어 있다.
그런데, 매니폴드부(3)에 의해 가스가 공급되는 각 처리 공간(20)의 분위기는, 서로 기밀하게 구획되어도 좋다. 즉, 매니폴드부(3)는, 복수의 진공 용기 내에 각각 가스를 공급하도록 구성되어 있어도 좋다. 또한, 상기 각 예에서는, 매니폴드부(3)는 성막 장치에 설치되어 있지만, 예컨대 애싱, 에칭, 산화 처리, 질화 처리 등의 진공 분위기에서의 가스 처리를 행하는 것 이외의 타입의 가스 처리 장치에 설치되어, 그 가스 처리에 따른 가스를 공급하게 되어 있어도 좋다. 또한, 전술한 성막 장치에 의해 처리되는 피처리 기판은, 반도체 웨이퍼(W)에 한정되지 않고, LCD(액정 디스플레이)용 기판으로 대표되는 FPD(평판 디스플레이) 기판이나, 세라믹스 기판 등의 다른 기판이어도 좋다.
계속해서, 대기 분위기의 공장 내에 설치된 상태의 도 1의 성막 장치에 대해서, 그 외관 구성을 나타낸 도 22를 참조하면서 설명한다. 성막 장치는, 그 진공 용기(1)를 구성하는 측벽부(12) 및 천장판(11)이, 지지부(8)에 의해 평탄한 바닥면(8C) 상에 지지되어 있다. 이 이후, 이와 같이 지지부(8)에 지지된 성막 장치를 성막 장치(80)라고 기재한다.
지지부(8)는, 지지대(81), 지지 아암(82), 가로 부재(83) 및 고정 부재(84)를 구비하고 있다. 상기 진공 용기(1)를 구성하는 측벽부(12)의 하단에서는, 둘레 방향에 간격을 두고, 외측 방향으로 절편(12a)이 돌출하고 있다. 상기 지지대(81)는, 진공 용기(1)의 외주를 따르도록 형성되어, 각 절편(12a)의 이면을 지지하고 있다. 지지대(81)는, 진공 용기(1)의 바닥판(14)을 후술하는 바와 같이 하강시켜 측벽부(12)로부터 분리할 때에, 그 바닥판(14)과 간섭하지 않도록 구성되어 있다.
성막 장치(80)에서, 반송구(15)의 개구 방향을 안쪽측으로 하면, 지지대(81)의 좌우의 가장자리부에서, 앞쪽측으로부터 안쪽측을 향하여 간격을 두고 복수 라인의 지지 아암(82)이 설치되어 있다. 각 지지 아암(82)은, 하방을 향하여 신장하고 있다. 그리고, 진공 용기(1)로부터 보아 좌측, 우측에 각각 형성된 지지 아암(82)의 하단이, 각각 전방으로부터 안쪽측을 향하는 가로 부재(83)에 의해 서로 연결되어 있다. 가로 부재(83)의 하측 및 지지 아암(82)의 하측에는, 바닥면(8C)에 이들 지지 아암(82) 및 가로 부재(83)를 고정하기 위한 복수의 고정 부재(84)가, 서로 간격을 두고 설치되어 있다.
안쪽측의 좌우에 설치된 지지 아암(82)은, 지지대(81)의 상측으로 연장되도록 신장되고, 그 연장된 부분은, 지주(85)를 구성하고 있다. 지주(85)는, 지지판(86)과 상판(87)을, 밑에서부터 이 순서대로 지지하고 있다. 지지판(86) 상에는, 예컨대 성막 장치의 전원 유닛 등의 기기류가 배치되어 있다. 또한, 도시는 생략하고 있지만, 성막 장치(80)는, 착탈가능한 측판에 의해 그 외주가 둘러싸이고, 그 측판은, 상판(87)과 함께, 그 성막 장치(80) 내에 파티클이 진입하는 것을 막고 있다.
각 지지 아암(82) 및 가로 부재(83)에 의해 둘러싸인, 진공 용기(1)의 하방 공간(8A)에는, 진공 용기(1)의 바닥판(14)의 이면을 유지하는 유지부(91)가 설치되어 있다. 도 23a는 바닥판(14)의 하측을 나타내고 있고, 도 23b는 유지부(91)의 상측을 나타내고 있다. 도 23b에 나타내는 바와 같이, 유지부(91)는 개구부(92)를 구비하고 있고, 상기 슬리브(25) 및 구동부(51)를 둘러싸도록 통형상으로 형성되어 있다. 그리고, 유지부(91)의 상단에는, 그 유지부(91)의 둘레 방향을 따라 환형의 돌기(93)가 형성되어 있고, 상기 바닥판(14)의 하방측에는, 그 바닥판(14) 중앙부로부터 하방으로 돌출한 슬리브(25) 및 구동부(51)를 둘러싸도록 상기 돌기(93)의 형상에 대응한 홈(94)이 형성되어 있다. 돌기(93)와 홈(94)은, 서로 감합되며, 이에 따라 바닥판(14)에 대하여 유지부(91)가 위치 결정되고 있다.
유지부(91)의 하방에는, 승강 기구(95)가 설치되어 있다. 승강 기구(95)는, 예컨대 유지부(91)를 수직으로 승강시키기 위한 유압 실린더를 구비하고 있다. 유지부(91)의 승강에 따라, 진공 용기(1)의 바닥판(14)과, 이 바닥판(14)에 지주(24)를 개재시켜 설치된 배치대(2)가 승강된다. 또한, 도 24에 나타내는 바와 같이, 승강 기구(95)의 하측에는, 회전체인 캐스터(96)를 구비한 대차부(97)가 설치되어 있다. 이동체인 상기 대차부(97)에 의해, 승강 기구(95)는 바닥면(8C) 위를 이동할 수 있도록 되어 있다. 이 승강 기구(95)의 이동에 따라, 유지부(91)도 바닥면(8C) 위를 이동할 수 있다. 즉, 승강 기구(95), 유지부(91) 및 바닥판(14)은, 서로 정렬된 상태로, 바닥면(8C) 위를 이동할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 하방 공간(8A)에는, 진공 용기(1)의 바닥판(14)에 접속된 배기관(62)이 둘러쳐져 있다. 도면 중 도면 부호 62a는, 배기관(62)의 상류측과 하류측을 접속하는 이음매이다. 하방 공간(8A)의 전방에는, 장치의 사용자가 타고서 장치의 각 부를 조작하기 위한 발판(8B)이 배치되어 있다.
계속해서, 이미 설명한 성막 장치(80)의 진공 용기(1) 내를 개방하여 메인터넌스를 행하는 순서에 대해서 설명한다. 처리 공간(20)에의 각 가스 공급 및 처리 공간(20)으로부터의 배기를 정지시키고, 성막 처리를 정지시킨 후, 발판(8B)을, 하방 공간(8A)의 앞쪽측으로부터 예컨대 좌우 어느 한쪽으로 이동시켜, 하방 공간(8A)의 앞쪽측을 개방한다. 그리고, 이음매(62a)에 접속된 배기관(62)의 상류측을 그 이음매(62a)로부터 제거한다. 그리고, 이 이음매(62a)와 그 이음매(62a)에 접속된 배기관(62)의 하류측을, 바닥판(14)을 하강시킬 때에 바닥판(14)과 함께 하강하는 배기관(62)의 상류측이 간섭하지 않도록, 적절한 위치에 이동시켜 둔다.
그 후, 바닥판(14)과 측벽부(12)를 접속하는 나사 등의 도시하지 않는 고정구를 제거하고, 도 24에 나타내는 바와 같이, 승강 기구(95)에 의해 유지부(91)를 통해 진공 용기(1)의 바닥판(14)을 하강시키며, 바닥판(14)에 접속된 배치대(2)를, 그 상면의 높이가 측벽부(12)를 지지하는 지지대(81)의 하단보다도 낮아지도록 위치시킨다. 그러한 후, 도 25에 나타내는 바와 같이, 대차부(97)를 이용하여 승강 기구(95) 및 유지부(91)를 진공 용기(1)의 하방 공간(8A)의 앞쪽측으로 인출한다. 이 승강 기구(95) 및 유지부(91)의 이동에 따라, 바닥판(14), 배치대(2), 지지 아암(23), 지주(24) 및 배기관(62)의 상류측이, 하방 공간(8A)으로부터 앞쪽측으로 인출된다.
그리고, 이와 같이 하방 공간(8A)으로부터 인출된 바닥판(14) 및 그것에 부수되는 각 부재를, 사용자가 수건 세정하거나, 또는 추출된 각 부를 분해하여 미리 결정된 세정 장치에 의해 세정하거나 하여, 반응 가스에 의한 부착물을 제거할 수 있다. 또한, 이와 같이 바닥판(14)을 진공 용기(1)로부터 제거하였을 때, 도 26에 나타내는 바와 같이 진공 용기(1)의 하측이 하방 공간(8A)에 개방되어 있다. 사용자는, 이 하방 공간(8A)을 통해, 개방된 진공 용기(1)의 하측으로부터 진공 용기(1) 내의 각 부를 수건 세정하거나, 각 부품을 제거하여 미리 결정된 세정 장치에 의해 세정하거나 하여, 역시 반응 가스에 의한 부착물을 제거할 수 있다. 또한, 사용자는 이러한 세정 작업을 행하는 것 외에, 문제점이 있는 부품을 교환하는 등의 각종의 메인터넌스 작업을 행할 수 있다.
메인터넌스 종료 후, 진공 용기(1)로부터 바닥판(14)을 추출하였을 때와는 반대의 순서로, 바닥판(14)을 진공 용기(1)의 하부에 부착하고, 성막 장치(80)를 메인터넌스를 개시하기 전의 상태로 되돌려 놓는다.
또한, 이 성막 장치(80)의 진공 용기(1)는, 종래의 성막 장치와 같이 천장판(11)을 측벽(12)으로부터 제거하고, 그 진공 용기(1)의 상측도 개방할 수 있다. 또한, 천장판(11)에는, 각 처리 공간(20)에 대응한 위치에, 이 천장판(11)으로부터 제거 가능한 덮개 부재(11a)가 설치되어 있고, 덮개 부재(11a)의 하방측이 처리 공간(20)을 형성하는 천장판 부재(22)에 접속되어 있어, 덮개 부재(11a)와 함께 천장판 부재(22)를 진공 용기(1)로부터 인출할 수도 있다. 그리고, 이들 덮개 부재(11a) 및 천장판 부재(22)를 인출함(제거함)으로써, 배치대(2)를 노출시켜, 진공 용기(1)의 내부를 상기와 같이 세정하여 메인터넌스를 행할 수도 있다. 이와 같이 천장판(11)이나 덮개 부재(11a)를 제거할 때에는, 각 공급관으로부터 액체 원료 및 반응 가스를 제거하고, 각 가스 공급관(34)을 천장판(11)으로부터 제거하여 둘 필요가 있다. 그와 같이 천장판(11)이나 덮개 부재(11a)를 제거하여 메인터넌스를 행하는 것은, 예컨대 하방으로부터의 수건 세정으로는 충분히 생성물을 다 제거할 수 없는 경우나, 부재를 교환하는 경우 등이 생각된다.
진공 처리 장치의 일형태인 성막 장치(80)에 의하면, 진공 용기(1)의 천장판(11) 및 측벽부(12)에 대하여 착탈가능하게 설치되고, 웨이퍼(W)를 배치한 배치대(2)를 구비한 진공 용기(1)의 바닥판(14)과, 이 바닥판(14)을 승강시키는 승강 기구(95)와, 이 승강 기구(95)를 탑재하여 바닥면(8C)을 따라 이동 가능한 대차부(97)를 구비하고 있기 때문에, 측벽부(12)로부터 바닥판(14) 및 배치대(2)를 제거하고, 이들 측벽부(12), 바닥판(14) 및 배치대(2)의 각각의 메인터넌스를 실시 가능한 위치에까지 이동시킬 수 있다. 따라서, 천장판(11)을 진공 용기(1)로부터 제거할 필요가 없기 때문에, 매니폴드부(3)에 액체 원료 및 반응 가스를 공급하는 각 공급관으로부터 이들 액체 원료 및 반응 가스를 제거할 필요가 없어진다. 그 결과로서, 장치의 메인터넌스 작업을 용이하게 행할 수 있다.
그런데, 전술한 바와 같이 하방 공간(8A)의 안밖으로 이동되는 유지부(91), 승강 기구(95), 배치대(2) 및 바닥판(14)을 포함하는 유닛을 복수개 준비해 두고, 하나의 유닛의 메인터넌스 중에는 다른 유닛을 진공 용기(1)에 부착하여 성막 처리를 행하며, 다른 유닛의 메인터넌스 중에는 하나의 유닛을 진공 용기(1)에 부착하여 성막 처리를 행함으로써, 상기 유닛의 메인터넌스에 따른 장치의 가동률의 저하를 억제할 수 있다.
계속해서, 상기 성막 장치(80)를 예컨대 4개 포함한 반도체 제조 장치(100A)의 구성에 대해서, 도 27을 참조하면서 설명한다. 반도체 제조 장치(100A)는, 웨이퍼(W)의 로드, 언로드를 행하는 로더 모듈을 구성하는 제1 반송실(102)과, 로드록실(103a, 103b)과, 진공 반송실 모듈인 제2 반송실(104)을 구비하고 있다. 제1 반송실(102)의 정면에는 캐리어(C)가 배치되는 로드 포트(105)가 설치되어 있고, 제1 반송실(102)의 정면벽에는, 상기 로드 포트(105)에 배치된 캐리어(C)가 접속되어 그 캐리어(C)의 덮개와 함께 개폐되는 게이트 도어(GT)가 설치되어 있다. 그리고, 제2 반송실(104)에는, 전술한 4개의 성막 장치(80)가 기밀하게 접속되어 있다.
제1 반송실(102)의 측면에는, 웨이퍼(W)의 방향이나 편심의 조정을 행하는 얼라이먼트실(106)이 마련되어 있다. 로드록실(103a, 103b)에는, 각각 도시하지 않는 진공 펌프와 누출 밸브가 설치되어 있고, 대기 분위기와 진공 분위기를 전환할 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 제1 반송실(102) 및 제2 반송실(104)의 분위기가, 각각 대기 분위기 및 진공 분위기로 유지되고 있기 때문에, 로드록실(103a, 103b)은, 각각의 반송실 사이에서, 웨이퍼(W)를 반송할 때에 분위기를 조정하기 위한 것이다. 또한, 도면 중 G는, 로드록실(103a, 103b)과 제1 반송실(102) 또는 제2 반송실(104) 사이, 혹은, 제2 반송실(104)과 상기 성막 장치(80)의 반송구(15) 사이를 구획하는 게이트 밸브(구획 밸브)이다.
제1 반송실(102)에는, 제1 반송 수단(107)이 설치되어 있다. 제2 반송실(104)에는, 제2 반송 수단(108a, 108b)이 설치되어 있다. 제1 반송 수단(107)은, 캐리어(C), 로드록실(103a, 103b), 얼라이먼트실(106)과의 사이에서, 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 반송 아암이다. 제2 반송 수단(108a, 108b)은, 로드록실(103a, 103b)과 성막 장치 사이에서, 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 반송 아암이다.
장치의 동작에 대해서 설명하면, 캐리어(C)가 반도체 제조 장치(100A)에 반송되어, 로드 포트(105)에 배치되고, 제1 반송실(102)에 접속된다. 계속해서, 게이트 도어(GT) 및 캐리어(C)의 덮개가 동시에 개방되어, 캐리어(C) 내의 웨이퍼(W)가, 제1 반송 수단(107)에 의해 제1 반송실(102) 내에 반입된다. 계속해서, 웨이퍼(W)는, 얼라이먼트실(106)에 반송되어, 그 방향이나 편심의 조정이 행해진 후, 로드록실(103a 또는 103b)에 반송된다. 로드록실(103a 또는 103b) 내의 압력이 조정된 후, 웨이퍼(W)는 제2 반송 수단(108a 또는 108b)에 의해, 로드록실(103)로부터 제2 반송실(104)에 반입된다. 계속해서, 성막 장치(80)의 게이트 밸브(G)가 개방되고, 제2 반송 수단(108a 또는 108b)은 웨이퍼(W)를 그 성막 장치(80)에 반송한다.
성막 장치(80)에서 성막 처리가 종료하면, 그 성막 장치(80)의 게이트 밸브(G)가 개방되고, 제2 반송 수단(108a 또는 108b)이 그 성막 장치(80)의 진공 용기(1) 내에 진입한다. 이미 전술한 동작에서 처리가 실시된 웨이퍼(W)가 제2 반송 수단(108a 또는 108b)에 전달되고, 그러한 후, 그 제2 반송 수단(108a 또는 108b)은, 로드록실(103a 또는 103b)을 통해, 제1 반송 수단(107)에 웨이퍼(W)를 전달한다. 그리고, 제1 반송 수단(107)이, 캐리어(C)에 웨이퍼(W)를 되돌려 놓는다.
1 : 진공 용기 2 : 배치대
20 : 처리 공간 22 : 천장판 부재
221 : 가스 공급구

Claims (7)

  1. 진공 용기 내에서, 기판에 대하여 반응 가스에 의해 성막 처리를 행하는 성막 장치에 있어서,
    상기 진공 용기 내에 설치되고 기판의 배치 영역을 포함하는 하부 부재와,
    이 하부 부재의 상방측에 설치되고 상기 배치 영역과의 사이에 처리 공간을 형성하기 위하여 이 배치 영역에 대향하는 면이 오목형으로 형성되며, 상기 하부재에 있어서의 배치 영역의 외측과의 사이에, 처리 공간의 압력 또는 처리 공간 내에 있어서의 상기 반응 가스의 체류 시간의 적어도 하나를 조정하기 위한 간극이 형성되는 상부 부재와,
    상기 처리 공간에 적어도 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급부와,
    상기 간극의 크기를 조정하기 위하여 상기 하부 부재를 상부 부재에 대하여 상대적으로 승강시키는 승강 기구와,
    상기 처리 공간을 상기 간극 및 진공 용기 내의 분위기를 통해 진공 배기하기 위한 진공 배기 수단,
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 부재 및 상부 부재의 그룹이 상기 진공 용기 내에 복수조 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하부 부재 및 상부 부재의 그룹이 상기 진공 용기 내에 이 진공 용기의 둘레 방향으로 복수조 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 승강 기구는, 복수의 하부 부재에 대하여 공통화되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 부재에 있어서의 오목형의 면은, 상부로부터 하방을 향해 부채꼴 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 부재의 중앙부에는, 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급부는, 제1의 반응 가스를 공급하는 제1의 반응 가스 공급부와, 상기 제 1의 반응 가스와 반응하여 반응 생성물을 생성하는 제2의 반응 가스를 공급하기 위한 제 2의 반응 가스 공급부와, 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급부를 포함하고,
    상기 제 1의 반응 가스와 제2의 반응 가스를 처리 공간에 교대로 공급하고, 제1의 반응 가스의 공급의 타이밍과 제2의 반응 가스의 공급의 타이밍의 사이에 퍼지 가스를 상기 처리 공간에 공급하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 성막 장치.

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