JP2006100737A - 気化器、成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 気化器にて、高い効率で液体原料を気化して、処理ガスの流量の増大化を図り、成膜装置に大流量の処理ガスを供給すること。
【解決手段】 気液混合部３にて液体原料の一部を気化して気化原料ガスと液体原料とを含む気液混合流体を得、気化器４では気液混合流体をさらに気化して気化原料ガスを得ると共に、この気化原料ガスに含まれる処理ガスとミストとを分離する。つまり気化器４では、加熱された気化器本体４１の内部に３本の気化ノズル４５から気液混合流体を拡散した状態で供給することにより、効率よく熱交換を行い、高い気化率を確保する。また処理ガスは、重力方向に対して屈曲する通気路を介して成膜処理部１００へ通気していき、ミストは、屈曲部にて重力により落下してミスト溜まり部に溜まるので、処理ガスとミストとが分離される。これにより成膜処理部１００に、大流量の処理ガスを供給することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば減圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置などの成膜装置に、液体原料を気化して得た処理ガスを供給する際に好適な気化器、成膜装置及び成膜方法に関する。

半導体製造プロセスの一つとして、半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗの表面に所定の膜を形成する成膜工程があり、この工程は例えば減圧ＣＶＤ装置を用いて行われている。この減圧ＣＶＤ装置は、原料をガス状態で供給し、化学反応を進行させて、ウエハ表面に薄膜を堆積させるものであるが、液体原料を気化して得た処理ガスを成膜ガスとして装置内に導入する場合がある。

前記液体原料を気化して得た処理ガスを用いた成膜処理の例としては、処理ガスとしてＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ ｅｔｈｏｘｙ ｓｉｌａｎｅ）を気化して得た処理ガスと酸素（Ｏ2）ガスとを用いてＳｉＯ2膜を成膜する例や、処理ガスとしてＳｉ2Ｃｌ6を気化して得た処理ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスとを用いてシリコンナイトライド（Ｓｉ3Ｎ4）膜を成膜する例がある。

ここで液体原料の気化システムとしては、ベーキングタイプやＶＣ（Ｖａｐｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）タイプが知られている。前記ベーキングタイプは液体原料を加熱槽に導入し加温して気化させるものであり、前記ＶＣタイプはベーキングタイプの簡略タイプであって、液体原料を直接気化部に当てて気化させるものである。前記ベーキングタイプは、約８５℃での蒸気圧が５．６ｋＰａ（４２Ｔｏｒｒ）のＴＥＯＳや、約８５℃での蒸気圧が１４．４ｋＰａ（１０８Ｔｏｒｒ）のＨＣＤ（Ｓｉ2Ｃｌ6）等、前記ＶＣタイプは、前記ＴＥＯＳや、約８５℃での蒸気圧が６．７ｋＰａ（５０Ｔｏｒｒ）のＢＴＢＡＳ（ＳｉＨ2〔ＮＨ（Ｃ4Ｈ9）〕2）等の気化に夫々適している。

ところで本発明者らは、約８５℃での蒸気圧が０．０２７ｋＰａ（０．２Ｔｏｒｒ）と蒸気圧が低いＨＥＡＤ（ヘキサエチルアミノジシラン）や、約８５℃での蒸気圧が０．１１ｋＰａ（０．８５Ｔｏｒｒ）程度のＴｅｔｒａｋｉｓ（Ｎ−ｅｔｈｙｌ−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｈａｆｎｉｕｍ（ＴＥＭＡＨ）や、約８５℃での蒸気圧が０．５５ｋＰａ（４．１２Ｔｏｒｒ）程度のｈａｆｎｉｕｍ ｔｅｔｒａ−ｔ−ｂｕｔｏｘｉｄｅ（ＨＴＢ）等の、蒸気圧が低いハフニウム材料を液体原料として用いることを検討している。しかしながらベーキングタイプやＶＣタイプ等の気化システムは、例えばＴＥＯＳ、ＢＴＢＡＳ等の蒸気圧が高く、ガスの分解温度が高いものに適しているが、ＨＥＡＤやハフニウム材料のように低蒸気圧であって、分解温度が低い液体原料は十分に気化することができず、処理ガスとして用いるために十分な供給量を確保できない。ベーキングタイプは、液体材料ソースを長時間高温でタンク内に保持するため材料変質の懸念があり、加熱槽の温度よりも分解温度が低い液体原料の気化には用いることができず、また供給量を増やすためにはタンクの表面積を大きくする必要があるからである。

一方、ＶＣタイプは構造上液体材料ソースは常時高温に晒され、また気化を小さい空間での温度だけに頼るため、必要十分な流量を確保するためにはかなり高温に設定する必要があり、材料変質の懸念がある。

ところで特許文献１には、気液混合部とキャリアガスとを組み合わせた気化システムを用いる技術が提案されている。このシステムは、図８に示すように、気化器１１の内部に液体原料とキャリアガスとを夫々導入し、液体原料をキャリアガス例えば窒素（Ｎ2）ガスに衝突させてミストを発生させ、出口１２を広くして霧吹きの原理で気化させて処理ガスを得、この処理ガスをキャリアガスにより減圧ＣＶＤ装置１３に搬送するものである。

特開平８−１７７４９号公報

しかしながらこのシステムでは、キャリアガスと液体原料とを混合して、出口１２を広げて霧吹きの原理で気化するという単純な構造であるため、例えばＴＥＯＳ等の蒸気圧が高い液体材料に対しては、成膜処理に十分な量の処理ガスを確保することができるものの、ハフニウム材料等の低蒸気圧材料では、枚葉式の成膜処理装置での処理に用いる量の処理ガスは確保できるかもしれないが、バッチ式の成膜処理装置での処理に用いる量の処理ガスは到底確保することができない。つまり液体材料の量を多くすると、完全に気化することはできず、ミストが残ってしまう。このため処理ガスの量が十分ではなく、スループットの低下が予測される。

本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、液体原料を高い効率で気化することができ、このため処理ガスの流量の増大化を図ることができる気化器を提供することにある。また他の目的は、この気化器を用いることにより処理効率を高めることができる成膜装置及び成膜方法を提供することにある。

このため本発明の気化器は、液体原料の一部が気化した気液混合流体をさらに気化して気化原料ガスを得ると共に、気化原料ガスに含まれる処理ガスとミストとを分離する気化器において、
上方側に気液混合流体供給路が接続されると共に、下端部の側面に処理ガス供給路が接続された縦型の筒状部と、
この筒状部を加熱する加熱手段と、
前記気液混合流体供給路に接続され、前記気液混合流体を前記筒状部内に吐出する複数の吐出口を有する流体供給部と、
前記筒状部内にて処理ガスから分離されたミストを貯留するミスト溜まり部と、を備えたことを特徴とする。

ここで前記流体供給部の複数の吐出口は、下方側であってかつ互いに異なる方向に向いていることが望ましい。ここで前記下方側は下方斜め方向や鉛直方向を含むものとする。また前記流体供給部は、一端側が気液混合流体供給路に接続され、他端側が筒状体内部に設けられた複数のノズルであってもよい。また前記筒状体の内部における流体供給部の下方側には、各々筒状体の軸方向に沿って伸びる複数の管路が並行状に設けられていることが望ましい。さらに気化器は、前記ミスト溜まり部に貯留するミストを除去する排出口を備えるようにしてもよいし、前記ミストの排出口に接続され、前記ミスト溜まり部に貯留されるミストを除去するための吸引路を備えるようにしてもよい。さらに前記筒状部の外側に設けられ、前記筒状部に超音波振動を与えるための超音波振動子を備えるようにしてもよい。

また本発明の成膜装置は、液体原料を貯留する貯留槽と、
前記貯留槽の下流側に気液混合流体供給路により接続され、液体原料の一部が気化した気液混合流体をさらに気化して気化原料ガスを得ると共に、気化原料ガスに含まれる処理ガスとミストとを分離するための上述の気化器と、
この気化器の下流側に設けられ、気化器から送られた処理ガスを用いて基板に成膜処理を行う成膜処理部と、を備えたことを特徴とする。

ここで前記貯留槽の下流側であって、前記気化器の上流側に、液体原料の一部を気化して気液混合流体を得る気液混合部を設けるようにしてもよいし、前記気液混合流体供給路の外側に設けられ、この供給路に超音波振動を与えるための超音波振動子を備えるようにしてもよい。また前記気化器の内部にパージガスを供給する供給路や、前記気化器の内部に洗浄液を供給する供給路を設けるようにしてもよい。

また本発明の成膜方法は、気化器にて、加熱された筒状体の内部に複数の吐出口から液体原料の一部を気化した気液混合流体を吐出して気化原料ガスを得ると共に、気化原料ガスに含まれる処理ガスとミストとを分離し、分離されたミストを排出口から排出する工程と、
次いで気化器の下流側に処理ガス供給路により接続された成膜処理部にて、前記処理ガスを用いて基板に成膜処理を行う工程と、を含むことを特徴とする。ここで前記気化器の筒状体の内部に、各々筒状体の軸方向に沿って伸びる複数の管路を並行状に設けるようにしてもよい。

本発明によれば、気化器にて液体原料の一部が気化した気液混合流体を気化して気化原料ガスを得ると共に、気化原料ガスに含まれる処理ガスとミストとを分離して得た処理ガスを成膜処理部に供給するにあたり、前記気液混合流体を、複数の吐出口を供えた流体供給部を介して気化器を構成する筒状部内に供給しているので、前記気液混合流体が拡散した状態で前記筒状部内に万遍なく行き渡り、熱交換しやすい状態となって、高い気化効率を確保することができる。また気化器では処理ガスとミストとを分離し、分離されたミストを排出しているので、成膜装置にはミストを含まない処理ガスのみを供給することができる。これらによりこの気化器を用いた成膜装置では、大流量の処理ガスを成膜処理部に供給することができるので、処理効率を高めることができる。

以下、本発明に係る成膜装置の実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る成膜装置の主な構成を示すブロック図であり、１００は基板例えばウエハＷに対して所定の成膜処理が行われる成膜装置、２００は前記成膜装置に、所定の処理ガスを供給するためのガス供給系である。前記成膜処理部１００は、この例ではバッチ式の減圧ＣＶＤ装置であり、例えば反応容器（処理容器）である縦型の反応管１１０内に、ウエハＷを多数枚搭載したウエハボート１２０を搬入して、反応管１１０の外側に設けられた加熱手段１３０により加熱すると共に、反応管１１０内を真空排気手段である真空ポンプ１５０を介して所定の真空度に維持し、後述する処理ガス供給路から反応管１１０内に所定の処理ガスを導入して、基板に対して所定の成膜処理が行われる。

ガス供給系２００は、例えば８５℃での蒸気圧が０．５５Ｐａ以下の低蒸気圧の液体原料例えば前記ＴＥＭＡＨやＨＴＢ等のハフニウム材料を貯留するための貯留槽２と、貯留槽２からの液体原料の一部をキャリアガスを用いて気化して、液体原料の気化ガス（気化原料ガス）と液体原料との混合流体である気液混合流体を得る気液混合部３と、気液混合部３により得られた前記気液混合流体をさらに気化して前記気化原料ガスを得ると共に、気化原料ガスに含まれる処理ガスとミストとを分離するための気化器４と、これらを結ぶ配管系により構成されている。

前記貯留槽２は、前記気液混合部３と第１の供給路（液体原料供給路）５１により接続されており、この供給路５１の貯留槽２側の端部は貯留槽２内の液体原料と接触するように設けられていて、この第１の供給路５１には、上流側（貯留槽２側）から順に、第１バルブＶ１、液体マスフローメータＭ、第２バルブＶ２が介設されている。またこの貯留槽２には、バルブＶａを介設した加圧気体供給路２１が接続されており、この加圧気体供給路２１の一端側は、貯留槽２の液体原料の液面の上方側に位置するように設けられている。

この加圧気体供給路２１の他端側は、加圧気体例えばＮ2ガスの供給源２２と接続されており、貯留槽２から気液混合部３に液体原料を供給するときには、貯留槽２内に例えば１．０ｋｇ／ｃｍ2程度のＮ2ガスを供給して、これにより液体原料を加圧し、この加圧によって液体原料を貯留槽２から下流側の気液混合部３に送圧するようになっている。ここで加圧気体としては、Ｎ2ガスの他にヘリウム（Ｈｅ）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを用いることができる。

前記気液混合部３は第２の供給路（気液混合流体供給路）５２を介して気化器４に接続されると共に、キャリアガス供給路２３を介してキャリアガス例えばＮ2ガスの供給源２４が接続されており、これにより前記気液混合部３にキャリアガスであるＮ2ガスが供給されるようになっている。

また第２の供給路５２の周囲には、図２、図３に示すように、当該供給路５２に超音波振動を与えるための第１の超音波振動子５０が設けられている。この超音波振動子５０は、例えば直方体状の複数の振動子が第２の供給路５２の外周に、周方向に沿って、振動子の内面が供給路５２の外面と接触するように設けられており、この超音波振動子５０には電力供給部４９ｂから電力供給が行われるようになっている。前記キャリアガス供給路２３には、キャリアガス供給源２４側から順に第１マスフローコントローラＭ１、バルブＶｂが介設されており、所定流量のキャリアガスが気液混合部３に供給されるようになっている。ここでキャリアガスとしては、Ｎ2ガスの他に例えばＨｅガスやアルゴンガス等の不活性ガスを用いることができる。

続いて気液混合部３の一例について図２を用いて説明すると、図中３１は気液混合部本体であり、この気液混合部本体３１は、内部を屈曲可能に構成された薄い円板状の金属板よりなる弁体３２により２分割され、下方側の空間が気化室３３として構成されている。図中３４は前記気化室３３へキャリアガスを供給するためのキャリアガス導入路であり、このキャリアガス導入路３４の他端側には前記キャリアガス供給路２３が接続されていて、キャリアガスをキャリアガス導入路３４の一端側に形成されたガス導入口３４ａより気化室３３に導入するようになっている。

また図中３５は前記気化室３３へ液体原料を供給するための液体原料導入路であり、この液体原料導入路３５の他端側には前記第１の供給路５１が接続されていて、圧送されてくる液体原料を液体原料導入路３５の一端側に形成された弁口３５ａより吐出させるようになっている。図中３６は液体原料の一部を気化して得られた前記気液混合流体を排出するガス排出路であり、この排出路３６の他端側は前記第２の供給路５２に接続されている。

前記弁体３２は、前記弁口３４ａを開閉し、流量制御を行うように機能するものであり、例えば電磁式のアクチュエータ手段３７により、駆動軸３８の先端で前記弁体３２を押圧することによって、前記弁口３４ａの開閉及び弁開度を制御できるようになっている。またこの気液混合部３全体は、図示しない加熱ヒータにより所定の温度に加熱されており、液体原料を加熱して気化し易くしている。

この気液混合部３では、気化室３３内は、成膜装置（減圧ＣＶＤ装置）１００側の真空引きにより減圧雰囲気になされており、圧送されてきた液体原料は、弁口３５ａより流出して、減圧雰囲気の気化室３３内にて断熱膨張によりミスト化と気化が同時に生じて液体原料の一部が気化する。これにより気液混合部３では、液体原料の気化ガス（気化原料ガス）と液体原料との混合流体である気液混合流体が得られ、この気液混合流体はキャリアガスにより運ばれてガス排出路３６、第２の供給路５２を介して排出され、次工程の気化器４へ搬送される。

前記気化器４は、第３バルブＶ３を備えた第３の供給路（処理ガス供給路）５３により前記成膜処理部１００をなす反応容器を含む減圧ＣＶＤ装置本体に接続されている。この気化器４は、上下方向に伸びるように配置され、前記第１の供給路５１や第２の供給路５２よりも内径が大きい縦型の筒状部からなる気化器本体４１を備えており、気化器本体４１の上端部に前記第２の供給路５２が接続されると共に、気化器本体４１の下端部の側面には第３の供給路５３が気化器４に対して重力方向（上下方向）ではない方向、この例では気化器本体４１に対して略９０度の角度で接続されている。これにより下方側に伸び、次いで略Ｌ字型に屈曲する通気路が形成されていると共に、底部にはミスト排出路４２が接続され、当該ミスト排出路４２と気化器本体４１との接続領域がミスト排出口４３になる。またミスト排出路４２には気化器本体４１の底部近傍にミスト排出用のミスト排出バルブＶｍが設けられており、これにより前記ミスト排出口４３が開閉されるようになっていて、ミスト排出口４３が閉じられたときに、当該排出口４３近傍にミストが貯留していき、ここがミスト溜まり部になる。前記ミスト排出路４２の他端側には排気手段をなす排気ポンプ４４が接続され、これらミスト排出路４２と排気ポンプ４４とにより吸引路が構成されている。なお図１、図３では、ミスト排出路４２は直管状、図２ではミスト排出路４２は屈曲した状態で夫々記載されているが、これは図示の便宜上であり、実際にはいずれの場合であってもよい。

前記気化器４を構成する気化器本体４１は、例えば内径が３０ｍｍのステンレス製の管路より構成され、長さは例えば２５０ｍｍ程度に設定されている。さらに気化器本体４１に接続される前記第３の供給路５３は、気化器本体４１の底部に貯留するミストを引き込まないように、前記ミストと接触しない位置に接続されている。

気化器本体４１の内部において、前記第２の供給路５２の先端には、流体供給部をなす、複数本例えば３本の気化ノズル４５が接続されている。前記第２の供給路５２は気化器本体４１の中心部に位置しており、気化ノズル４５は下方に向かうに連れて気化器本体４１の中心軸から離れ、かつ互いに離れるように設けられている。従って各気化ノズル４５の吐出口は、気化器本体４１の中心軸の周りに周方向に等間隔に配置され、かつ吐出方向が真下ではなく、気化器本体４１の中心軸から見て外側に向けられている。言い換えれば各供給ノズル４５は、斜め下方でかつ互いに異なる方向に流体を吐出するように構成されている。これら気化ノズル４５はオリフィスを備えており、これら気化ノズル４５から液体原料を噴出させることにより、液体原料が拡散した状態で気化器本体４１内に供給される。

また気化器本体４１内部の気化ノズル４５の下方側には、気化器本体４１の長さ方向に沿ってハニカムパイプ（集合管）４６が設けられている。このハニカムパイプ４６は、多数のＳＵＳ ３１６Ｌ製の、内径が１ｍｍ、長さが５０ｍｍ程度の直管であるパイプ４７が並行状に配置された集合体であり、これらパイプとしては、外面や内面を研磨したものを用いることが好ましい。

さらに前記気化器本体４１の周囲には、例えば気化器本体４１の長さ方向に沿って、複数個例えば３個の加熱手段４８（４８ａ、４８ｂ、４８ｃ）が、気化器本体４１を囲むように設けられていて、これら加熱手段４８は夫々電力供給部４９ａに接続されている。

このような気化器４では、加熱手段４８により例えば内部が８０℃程度に加熱されており、ここに気化ノズル４５から液体原料を供給すると、液体原料は拡散された状態で気化器本体４１内に供給され、加熱されたパイプの内部やパイプ同士の間を通って下方側に通流していき、この間に熱交換により効率よく気化される。

また気化器４には、前記気化器本体４１内部を含めて洗浄するために、前記気化器本体４１に洗浄液を供給する洗浄液供給手段６が設けられている（但し図２には便宜上洗浄液供給手段６は描いていない）。この洗浄液供給手段６は、前記気化器本体４１の上部に接続され、洗浄液供給バルブＶｃを備えた洗浄液供給路６１と、この洗浄液供給路６１に接続され、洗浄液を貯留するための洗浄液槽６２とにより構成されている。前記洗浄液としては、例えば液体原料や液体原料の固化物を溶解する溶剤例えばエタノールやヘキサン等のアルコール系の薬液が用いられる。洗浄液槽６２より洗浄液供給路６１を介して気化器本体４１内に供給された洗浄液は、ミスト排出バルブＶｍを開くことによりミスト排出路４２を介して排出されるようになっている。

前記第３の供給路５３には、気化器４の近傍に第３バルブＶ３が設けられ、処理ガスを、再液化を防いだ状態で成膜処理部１００に導くため、第３バルブＶ３から成膜処理部１００までの距離が例えば２０ｃｍ程度と短く設定されている。また実際には第３の供給路５３の第３バルブＶ３の上流側は極めて短く、気化器４の出口に第３バルブＶ３を連結するようになっている。このようにしないと、第３バルブＶ３の上流側がデッドゾーンとなり、当該領域にミストが溜まってしまうからである。さらに第３の供給路５３には、バルブＶ３の下流側にて、バルブＶｆ、マスフローコントローラＭ２を備えた供給路５５を介して窒素ガス供給源２５が接続されている。

さらにガス供給系２００では、一端側が洗浄液供給路６１に接続され、他端側がキャリアガス供給路２３のバルブＶｂと気液混合部３との間に接続される、バルブＶｄを備えた洗浄分岐路６３を設けると共に、一端側が第１の供給路５１の第１バルブＶ１の下流側であって液体マスフローメータＭの上流側に接続され、他端側がミスト排出路４２のバルブＶｍの下流側に接続されるバルブＶｅを備えた分岐路５４を設けるようにしてもよい。ここで第１の供給路５１や第２の供給路５２、第３の供給路５３、ミスト排出路４２等の配管系は、例えば内径が１０ｍｍ、外径が１２．７ｍｍの、いわゆる１／２インチのステンレス製管より構成されている。

このような成膜装置にて行われる成膜方法について図４を参照して説明すると、先ずバルブＶｍ，Ｖｃ，Ｖｄ，Ｖｅを閉じ、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖａ，Ｖｂを開くと共に、第１の超音波振動子５０に電力を供給して成膜処理を行う（ステップＳ１）。

つまりガス供給系２００では、加圧気体供給路２１を介して貯留槽２内へ加圧気体であるＮ2ガスを供給し、この加圧により貯留槽２内の低蒸気圧の液体原料例えばハフニウム材料を、第１の供給路５１を介して、液体マスフローメータＭにより流量を調整した状態で気液混合部３に圧送する。このとき第１の供給路５１内を通流する液体原料の温度は例えば４０℃程度に設定されている。

一方、キャリアガス供給路２３よりキャリアガスであるＮ2ガスを、第１のマスフローコントローラＭ１により流量を調整した状態で気液混合部３に供給する。ここで成膜処理部１００では反応管１１０内が所定の真空度に真空排気されているので、ガス供給系２００のガスは、供給路に設けられた各バルブを開くことにより下流側に通気していく。こうして気液混合部３には、液体原料とキャリアガスとが、例えばハフニウム材料：Ｎ2＝５ｓｃｃｍ：６００ｓｃｃｍの流量比で導入され、既述のように液体原料の一部が気化されて前記気液混合流体が得られる。

この気液混合流体はキャリアガスにより第２の供給路５２を介して気化器４へ搬送される。ここで第２の供給路５２では第１の超音波振動子５０により超音波振動が与えられているので、前記気液混合流体がここを通過する際、気体成分と液体成分とが均一に混合した状態となる。

気化器４では、前記気液混合流体は、３本の気化ノズル４５から拡散した状態で気化器本体４１内部に供給される。気化器本体４１は加熱手段４９により例えば内部が８０℃程度に加熱されているので、ここに気化ノズル４５から気液混合流体を供給すると、前記気液混合流体は気化器本体４１の内部に拡散した状態で供給され、加熱されたハニカムパイプ４６の内部やパイプ同士の間を通って下方側に通流していき、この間に効率よく熱交換され、これにより高い効率で気化される。こうして気化器４では、気液混合流体をさらに気化することにより、処理ガスとミストとを含む気化原料ガスが得られる。

また気化器４ではミスト排出バルブＶｍを閉じて、ミスト排出口４３を閉じた状態であるので、気化器４内の屈曲する通気路を通気する際、処理ガスは屈曲する通気路を慣性力によりそのまま通気していくが、処理ガス中に含まれるミストは屈曲部位よりも上流側から流れていき、慣性力によりそのまま進もうとして、当該屈曲部位にて重力により落下し、気体から分離されてしまう。

ここでハニカムパイプ４６を備えた場合には、既述のように高い効率で気化されるので、気化原料ガスのミストはここで大部分が除去され、残りのミストが慣性力で下方側に落下していき、ハニカムパイプ４６を設けない場合には、慣性力によりミストが下方側に落下してき、分離される。

こうして処理ガス中のミストは気化器本体４１内を落下して気化器本体４１の底部のミスト溜まり部に溜まって行き、一方処理ガスは屈曲する第３の供給路５３を介して成膜処理部１００へ搬送される。ここで気化器４内での処理ガスの温度は８０℃程度に設定されている。

そして成膜処理部１００においては、先ずウエハＷを所定枚数保持具１２０に搭載し、例えば所定温度に維持された反応管１１０内に搬入し、反応管１１０内を所定の真空度に真空排気する。そして反応管１１０内を所定温度、所定圧力に安定させた後、第３の供給路５３から処理ガスとしてハフニウム材料を気化して得た処理ガスと、酸素ガス（図示せず）とを供給して、ウエハＷ上にハフニウム酸化膜を形成する成膜処理が行われる。

こうして成膜処理を終了した後、気化器４のパージ処理を行う（ステップＳ２）。つまり第１の超音波振動子５０への電力供給を停止し、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｄ，Ｖｅを閉じ、バルブＶｂ，バルブＶｍを開いて、排気ポンプ４４を作動させる。これによりキャリアガス供給源２４からパージガスであるＮ2ガスがキャリアガス供給路２３、気液混合部３を介して気化器４に供給され、ミスト排出路４２を介して排出される。

このように気液混合部３、気化器４内にＮ2ガスをパージさせることにより、気液混合部３や気化器４内に残留する液体原料を完全に除去することができて、処理の再現性を向上させると共に、よりパーティクルの発生を抑えることができる。このパージ処理は、例えば成膜処理部１００における成膜処理を行う度に毎回行うようにしてもよいし、前記成膜処理を所定回数行う毎に、定期的に行うようにしてもよい。

また成膜処理を終了した後、第３の供給路５３の第３バルブＶ３の下流側のパージ処理を行うようにしてもよい。このパージ処理は、バルブＶｆを開くと共に、反応管１１０を真空ポンプ１５０により排気することにより、第３の供給路５３の第３バルブＶ３の下流側に、供給路５５を介して窒素ガス供給源２５からマスフローコントローラＭ２により流量制御された窒素ガスを供給することにより行われる。これにより第３の供給路５３の内壁面に付着する処理ガスの残留物や、処理ガスが変質した固体成分等の付着物が成膜処理部１００側へ押し出され、除去される。このパージ処理は、成膜処理部１００における成膜処理を行う度に行うようにしてもよいし、前記成膜処理を所定回数行う度に、定期的に行うようにしてもよい。

こうして気化器４がＮ2ガスによりパージされた後、気化器４へ洗浄液を供給し、洗浄を行うタイミングであるか否かが判断され（ステップＳ３）、洗浄を行わないタイミングであるときはステップＳ１に戻り、行うタイミングであるときはステップＳ４に進む。ここで気化器４の洗浄は、例えば成膜処理部１００における成膜処理を所定回数行った後、定期的に行われる。

そして気化器４の洗浄は、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｄ，Ｖｅを閉じ、バルブＶｃ，Ｖｍを開き、排気ポンプ４４を動作させて行う。これにより気化器本体４１に貯留するミストはミスト排出路４２を介して装置外部に排出され、洗浄液供給路６１より洗浄液が気化器４に供給される。ここで洗浄液は、液体原料や液体原料の固化物を溶解する溶剤であるので、これにより気化器４の気化器本体４１の内壁に付着するミストが洗い流されると共に、仮にミストが再液化し、一部が固体成分に変質したものであっても、洗浄液により溶解して除去される。

さらに洗浄処理では、バルブＶ２，Ｖｄ，Ｖｅを開き、排気ポンプ４４を作動させることにより、洗浄液を洗浄分岐路６３、気液混合部３、液体マスフローメータＭ、第１の供給路５１、分岐路５４、ミスト排出路４２に通流させ、これらの内壁に付着した液体原料や液体原料の固化成分等の付着物を除去するようにしてもよい。

このような気化器４では、気化器本体４１内に複数例えば３本の気化ノズル４５を設置し、気液混合流体を複数の吐出口から噴射しているので、気液混合流体が拡散された状態で気化器本体４１内に供給され、これにより気液混合流体が気化器本体４１の内部に偏らずに満遍なく行き渡る。このため、加熱された気化器本体４１により、気液混合流体中の液滴が均一に熱交換されやすくなり、前記液滴の気化効率（熱交換率）を高めることができる。

この際、第２の供給路５２の周囲に第１の超音波振動子５０を設け、当該供給路５２内を通流する気液混合流体に微振動や超音波等のエネルギーを与えているので、気体と液体とが混合する気液混合流体を緻密に撹拌して、均一な気液混合状態を作り、より気化を起こしやすい状態で気化器４に供給することができる。

つまり気液混合流体は、例えば図５のイメージ図に示すように、液体の中に気体が入り込んだ状態であるが、ここに超音波のエネルギーを与えると、液体が分散されて気泡を小さく分割し、これにより気体、液体を均一に混合した状態となり、気化効率を上げることができる。これは大きい液滴があると気化しにくく、また後でミスト分離を行う際、分離しにくいからである。また気液混合流体に超音波のエネルギーを与えることにより液滴の一部が霧化されることもあり、これによってもより気化を起こしやすい状態になる。ここで液体の供給量は５ｃｃ／分程度、気体の供給量は６００ｃｃ／分程度である。

さらにまた気化器４内部にハニカムパイプ４６を設置することにより、伝熱面積が広げられ、気化効率が高められると同時に、ハニカムパイプ４６は直管状であるので圧力損失を小さくすることができる。つまりハニカムパイプ４６は、直管が集束されて構成されているので、直管に均等に気液混合流体を振り分けられ、こうして気液混合流体は、加熱されたハニカムパイプ４６の各パイプの内部や、パイプ同士の間を通って下方側に流れていき、この際パイプ４６からの熱により熱交換されて気化される。従って複数のパイプを集合させて、これらの隙間に均等に気液混合流体を通流させることにより、気液混合流体と加熱媒体との接触面積が大きくなるので伝熱面積が広げられ、これにより高い気化効率を確保することができる。また圧力損失が小さいので、パイプの間を通る際に圧力が上がり、気化しにくい状態になるおそれがない。

またハニカムパイプ４６を構成するパイプの外面や内面を研磨することにより、気化器４にパージガスを供給したときに、ガスが離脱しやすくなり、気化器４に付着した残渣を十分に除去し、高いパージ性能を確保することができる。このようにハニカムパイプ４６を用いることにより、熱交換と圧損、置換特性を高めることができる。

ここで伝熱面積を大きくするだけの発想だと屈曲路が考えられるが、この場合には圧損が大きくなるので、結果として気液混合部３内の圧力が高くなり、気化しにくくなる。また屈曲路では、ガス抜けが悪くなり、流路に液滴が付着しやすくなって、気化器４にパージガスを供給したときに、十分残渣を除去できなくなる。

このように気化器４は液体原料を高い効率で気化することができると共に、処理ガスとミストとを分離しているので、低蒸気圧の液体原料を用いた場合であっても、十分に気化が行われ、ミストが含まれない処理ガスを大量に得ることができる。このためこの気化器４を用いたガス供給系２００では、低蒸気圧の液体原料を用いた場合であっても大流量の処理ガスを成膜処理部１００に供給することができる。これにより成膜処理部３が枚葉式ではなくて、大量の気化原料ガスが要求されるバッチ式であっても、十分な量の処理ガスを確保することができるので、処理効率を高めることができる。

また、例えば成膜処理を行う毎に、または所定回数の成膜処理を行う毎に、パージガスをキャリアガス供給管２３を介して気液混合部３や気化器４に通気させることにより、これらの内部に残存する液体原料を除去しているので、次のロットの処理を行うときには、常にこれらの内部は付着物が存在せず乾燥した状態となっており、処理の再現性を向上させることができる。この場合成膜処理部１００への供給経路とは別系統の供給経路により気液混合部３、気化器４内にパージガスを供給しているので、パージする領域が当該気液混合部３、気化器４等に絞られ、これらのパージを効率的に行うことができ、これらの領域内の付着物を短時間で完全に除去することができる。また第３の供給路５３のバルブＶ３の下流側から成膜処理部１００までは小さい空間なので、成膜処理部１００の真空ポンプ１５０による排気により、これらの空間内の付着物が効率よく排出される。

さらにまた、所定のタイミングで気化器４からミストを吸引により排出した後、気化器４を洗浄しているので、ミストの排出後も気化器本体４１内やミスト溜まり部近傍領域に付着しているミストやミストが変質した付着物が除去され、次のロットの処理を行うときには、常に気化器４の内部は前記付着物が存在しない状態となっているので、パーティクルの発生をより抑えることができると共に、処理の再現性を向上させることができる。

続いて本発明の他の例について図６を用いて説明する。この例は、前記気化器本体４１の周囲に、気化器本体４１や気化器本体４１内部を通流する気体や流体に超音波振動を与えるための第２の超音波振動子７を設けたものである。この第２の超音波振動子７は、例えば直方体状の複数の振動子を、気化器本体４１の外周に、周方向に沿って、振動子の内面を気化器本体４１の外面に接触させるように設けられている。また振動子の内面を気化器本体４１の外面に沿う円弧上に形成して、複数の振動子を気化器本体４１の外面に接触させるように設けてもよい。第２の超音波振動子７には電力供給部４９ｂから電力供給が行われ、例えば気化器４にパージガスを供給する際や、洗浄液を供給する際に気化器本体４１に超音波振動を与えるように構成されている。

このように気化器４内へのパージガスの供給時に超音波振動を与えることにより、パージ時にガスの離脱を促進させ、パージ性能を向上させることができる。つまり気化器本体４１に超音波のエネルギーを与えることにより、この超音波振動によって気化器本体４１の内壁の表面吸着物が脱離しやすくなり、パージガスにより除去しやすい状態となって、高いパージ特性を得ることができる。また気化器４に洗浄液を供給して気化器本体４１の内部を洗浄するときにも、気化器本体４１に第２の超音波振動素子４７により超音波エネルギーを与えることにより、この超音波振動によって気化器本体４１の内部に付着した付着物が脱離しやすくなり、高い洗浄効率を得ることができる。

以上において、本発明の流体供給部の吐出口は２つでも４個以上であってもよく、前記流体供給部の吐出口は下方側を向いていれば、下方側斜め方向や下方側鉛直方向であってもよいし、互いに同じ方向を向くように構成されていてもよい。図７（ａ）に示す流体供給部７１は、吐出口が下方側鉛直方向で、かつ互いに同じ方向を向くように構成された例であり、下方側であって互いに同じ方向を向く複数本例えば３本のノズル７２を備えた例である。この例において、３本のノズル７２のいずれかが下方側斜め方向を向くように構成されていてもよい。また図７（ｂ）は下方側から見た底面図であり、この例の流体供給部７１は、４本に分岐されたノズル７３を備えた例である。

以上において本発明では、低蒸気圧液体原料としては、ハフニウム材料やＨＥＡＤ以外に、例えば１４０℃での蒸気圧が４０Ｐａ以下のＴａ（ＯＣ2Ｈ5）5、１２０℃での蒸気圧が４０Ｐａ以下のＴＤＥＡＨ（ＨＦ｛Ｎ（Ｃ2Ｈ5）｝4）等を用いることができ、処理ガスとしてＨＥＡＤを気化して得た処理ガスとＮＨ3ガスとを用いてシリコンナイトライド膜を成膜する処理以外に、処理ガスとしてＴａ（ＯＣ2Ｈ5）5を気化して得た処理ガスとＯ3ガスとを用いてＴａ2Ｏ5膜を成膜する処理に適用できる。さらに成膜処理部としては、バッチ式の減圧ＣＶＤ装置の他に、枚葉式の成膜装置を用いてもよい。

本発明に係る成膜装置の一例を示す縦断断面図である。 本発明の気化器の一例を示す斜視図である。 前記成膜装置に用いられる気液混合部と気化器との一例を示す断面図である。 前記成膜装置にて行われる成膜方法を示すフローチャートである。 前記気液混合流体のイメージを示す断面図である。 本発明の気化器の他の例を示す断面図である。 本発明の気化器の流体供給部の他の例を示す側面図と底面図である。 従来の気化システムを示す構成図である。

符号の説明

Ｗ 半導体ウエハ
１００ 成膜装置
１１０ 反応管
１２０ ウエハボート
１３０ 加熱手段
１５０ 真空ポンプ
２００ ガス供給系
２ 貯留槽
２１ 加圧気体供給路
３ 気液混合部
４ 気化器
４２ ミスト排出路
４４ 排気ポンプ
５１ 第１の供給路（液体原料供給路）
５２ 第２の供給路（気液混合流体供給路）
５３ 第３の供給路（処理ガス供給路）
６ 洗浄液供給手段
６１ 洗浄液供給路
Ｖ１〜Ｖ３ バルブ
Ｖｍ ミスト排出バルブ

Claims (14)

1. 液体原料の一部が気化した気液混合流体をさらに気化して気化原料ガスを得ると共に、気化原料ガスに含まれる処理ガスとミストとを分離する気化器において、
   上方側に気液混合流体供給路が接続されると共に、下端部の側面に処理ガス供給路が接続された縦型の筒状部と、
   この筒状部を加熱する加熱手段と、
   前記気液混合流体供給路に接続され、前記気液混合流体を前記筒状部内に吐出する複数の吐出口を有する流体供給部と、
   前記筒状部内にて処理ガスから分離されたミストを貯留するミスト溜まり部と、を備えたことを特徴とする気化器。
2. 前記流体供給部の複数の吐出口は、下方側であってかつ互いに異なる方向に向いていることを特徴とする請求項１記載の気化器。
3. 前記流体供給部は、一端側が気液混合流体供給路に接続され、他端側が筒状体内部に設けられた複数のノズルであることを特徴とする請求項１又は２記載の気化器。
4. 前記筒状体の内部における流体供給部の下方側には、各々筒状体の軸方向に沿って伸びる複数の管路が並行状に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の気化器。
5. 前記ミスト溜まり部に貯留するミストを除去する排出口を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一に記載の気化器。
6. 前記ミストの排出口に接続され、前記ミスト溜まり部に貯留されるミストを除去するための吸引路を備えることを特徴とする請求項５記載の気化器。
7. 前記筒状部の外側に設けられ、前記筒状部に超音波振動を与えるための超音波振動子を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一に記載の気化器。
8. 液体原料を貯留する貯留槽と、
   前記貯留槽の下流側に気液混合流体供給路により接続され、液体原料の一部が気化した気液混合流体をさらに気化して気化原料ガスを得ると共に、気化原料ガスに含まれる処理ガスとミストとを分離するための請求項１ないし７のいずれか一の気化器と、
   この気化器の下流側に設けられ、気化器から送られた処理ガスを用いて基板に成膜処理を行う成膜処理部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
9. 前記貯留槽の下流側であって、前記気化器の上流側に、液体原料の一部を気化して気液混合流体を得る気液混合部を設けることを特徴とする請求項８記載の成膜装置。
10. 前記気液混合流体供給路の外側に設けられ、この供給路に超音波振動を与えるための超音波振動子を備えることを特徴とする請求項８又は９記載の成膜装置。
11. 前記気化器にパージガスを供給する供給路が設けられていることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか一に記載の成膜装置。
12. 前記気化器に洗浄液を供給する供給路が設けられていることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか一に記載の成膜装置。
13. 気化器にて、加熱された筒状体の内部に複数の吐出口から、液体原料の一部を気化した気液混合流体を吐出して気化原料ガスを得ると共に、気化原料ガスに含まれる処理ガスとミストとを分離し、分離されたミストを排出口から排出する工程と、
    次いで気化器の下流側に処理ガス供給路により接続された成膜処理部にて、前記処理ガスを用いて基板に成膜処理を行う工程と、を含むことを特徴とする成膜方法。
14. 前記気化器の筒状体の内部には、各々筒状体の軸方向に沿って伸びる複数の管路が並行状に設けられていることを特徴とする請求項１３記載の成膜方法。
    

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