(57)【要約】【課題】基板の表面処理性能の低下を抑制し、且つ表面処理装置の内壁への堆積物の堆積を抑制することが可能な表面処理装置を提供する。【解決手段】原料流体流入部２８の下方端から、試料保持台１２の側方外周を取り囲むように、原料流体３２の下流側に向かって広がる流路である原料流体排出部３０と、原料流体排出部３０に設けられ、副流体２２が原料流体排出部３０の内壁に沿って流れるように、原料流体流入部２８を流れる原料流体３２の流れ方向に対して垂直又は略垂直に配置される副流体導入部２６と、を備える表面処理装置１。【選択図】図１
2014203863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、前記反応容器の内部に設けられ、表面処理を行う対象物である基板を保持して回転する試料保持台と、前記反応容器において前記試料保持台の上方に設けられ、前記基板に対し原料流体を供給する原料流体流入部と、前記反応容器において前記試料保持台の側方に設けられ、前記原料流体が前記基板に対して表面処理を行った後の原料排流体を排出する原料流体排出部と、エッチング流体を含む副流体を前記反応容器内の前記原料流体排出部に導入する導入部と、前記原料流体が前記基板に対して表面処理を行う際に、前記副流体を前記導入部に供給する供給手段と、を備え、
前記原料流体排出部は、前記原料流体流入部の下方端から、前記試料保持台の側方外周を取り囲むように、前記原料流体の下流側に向かって広がる流路であり、
前記導入部は前記原料流体排出部に設けられ、前記副流体が前記原料流体排出部の内壁に沿って流れるように、前記原料流体流入部を流れる前記原料流体の流れ方向に対して垂直又は略垂直に配置されることを特徴とする表面処理装置。
【請求項２】
前記供給手段により供給される前記副流体中の前記エッチング流体の流量は、前記排出部の内壁において、前記原料流体と前記副流体との混合状態での前記エッチング流体の濃度が、予め求められた成膜速度が零となるエッチング流体の濃度以上となるように設定されることを特徴とする請求項１記載の表面処理装置。
【請求項３】
前記原料流体流入部を流れる前記原料流体の圧力は０．９気圧以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の表面処理装置。
【請求項４】
前記原料流体流入部を流れる原料流体濃度は、１％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面処理を行う表面処理装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体素子等を製造するために、適当な反応ガス等の原料流体を基板上に供給して、基板上に半導体層や絶縁膜、導電体層等を形成し、あるいは、基板の表面をエッチングし、あるいはコーティング材料を形成することが行われる。このような処理は半導体素子の製造以外にも広く行われており、これらの処理を広義の表面処理と呼ぶことができ、この表面処理を行う装置を広義の表面処理装置と呼ぶことができる。
【０００３】
例えば、半導体ウェハあるいは絶縁体ウェハ等に半導体層をエピタキシャル成長させるエピタキシャル装置、半導体ウェハ上に適当な酸化膜等の絶縁膜を堆積させる気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）装置、半導体ウェハ上に形成された薄膜等を除去するドライエッチング装置等は、広義の表面処理装置である。
【０００４】
このような表面処理装置を用いて、例えば製品量産時等に長時間の表面処理を行うと、表面処理装置の内壁でも表面処理が行われ、表面処理装置の内壁に堆積物が堆積する場合がある。そして、この堆積物が剥がれて基板に付着することで、被処理物の品質が劣化する等の問題が生じる虞がある。
【０００５】
このような堆積物を化学的或いは物理的に除去するために、従来から、表面処理後にクリーニング処理が実施されている。クリーニング処理は、表面処理装置内に堆積した堆積物にクリーニング処理用の流体を接触させ、化学反応等により堆積物を除去する方法、表面処理装置を取り外して洗浄する方法等である。しかし、このようなクリーニング処理を実施すると、装置の稼働率の低下、表面処理コストの増大が引き起こされる。
【０００６】
例えば、特許文献１，２には、表面処理装置の内壁に不活性ガスを供給して、表面処理装置の内壁に反応ガスが接触することを抑制して、堆積物の堆積を低減する表面処理装置が開示されている。
【０００７】
表面処理装置の内壁への堆積物の堆積を抑制する目的ではないが、例えば、特許文献３には、基板を保持する試料保持台に反応ガスの反応を阻害する阻害ガスを供給して、基板と試料保持台とが堆積物により貼り付くことを抑制する表面処理装置が開示されている。
【０００８】
例えば、特許文献４には、反応ガスを横流しにする横流し型表面処理装置において、不活性ガスを基板と対向する上壁付近に流すことにより、上壁への堆積物の堆積を低減する表面処理装置が開示されている。また、例えば、特許文献５には、エッチングガスを基板と対向する上壁付近に流すことにより、上壁への堆積物の堆積を低減する横流し型表面処理装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１６００８号公報
【特許文献２】特開平１０−５０６１５号公報
【特許文献３】特開２０１０−１５３４８３号公報
【特許文献４】特開平６−３３８４６６号公報
【特許文献５】特開２０１１−２１２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１，２，４の表面処理装置では、表面処理装置の内壁に接触する反応ガスの濃度を不活性ガスにより低減させるものであるため、時間経過と共に表面処理装置の内壁に堆積物は堆積していくこととなる。
【００１１】
特許文献３の表面処理装置は、基板と試料保持台とが堆積物により貼り付くことを抑制することを目的とするものであるため、該装置構成をそのまま、表面処理装置の内壁への堆積物の堆積を抑制する手段に適用することは困難である。
【００１２】
特許文献５の表面処理装置では、表面処理装置の内壁に堆積物が堆積することは抑制されるものの、基板へのエッチングガスの影響は考慮されておらず、成膜速度の低下、又は成膜の面内均一性等の表面処理性能の低下が考えられる。
【００１３】
本発明の目的は、基板の表面処理性能の低下を抑制し、且つ表面処理装置の内壁への堆積物の堆積を抑制することが可能な表面処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の表面処理装置は、反応容器と、前記反応容器の内部に設けられ、表面処理を行う対象物である基板を保持して回転する試料保持台と、前記反応容器において前記試料保持台の上方に設けられ、前記基板に対し原料流体を供給する原料流体流入部と、前記反応容器において前記試料保持台の側方に設けられ、前記原料流体が前記基板に対して表面処理を行った後の原料排流体を排出する原料流体排出部と、エッチング流体を含む副流体を前記反応容器内の前記原料流体排出部に導入する導入部と、前記原料流体が前記基板に対して表面処理を行う際に、前記副流体を前記導入部に供給する供給手段と、を備え、前記原料流体排出部は、前記原料流体流入部の下方端から、前記試料保持台の側方外周を取り囲むように、前記原料流体の下流側に向かって広がる流路であり、前記導入部は前記原料流体排出部に設けられ、前記副流体が前記原料流体排出部の内壁に沿って流れるように、前記原料流体流入部を流れる前記原料流体の流れ方向に対して垂直又は略垂直に配置される。
【００１５】
また、前記表面処理装置において、前記供給手段により供給される前記副流体中の前記エッチング流体の流量は、前記排出部の内壁において、前記原料流体と前記副流体との混合状態での前記エッチング流体の濃度が、予め求められた成膜速度が零となるエッチング流体の濃度以上となるように設定されることが好ましい。
【００１６】
また、前記表面処理装置において、前記原料流体流入部を流れる前記原料流体の圧力は０．９気圧以上であることが好ましい。
【００１７】
また、前記表面処理装置において、前記原料流体流入部を流れる原料流体濃度は、１％以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、基板の表面処理性能の低下を抑制し、且つ表面処理装置の内壁への堆積物の堆積を抑制することが可能な表面処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る表面処理装置の構成の一例を説明するための模式図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は、エッチング流体による内壁の堆積物の堆積を妨げるメカニズムの一例である。
【図３】ある温度条件において、基板上の各原料濃度に対して基板の成膜速度が零となる基板上のＨＣｌ濃度の結果の一例を示す図である。
【図４】（Ａ）は、実施例１−１の原料流体排出部におけるＨＣｌ濃度分布を示す図であり、（Ｂ）は、Ａ点からの距離における原料流体排出部内の流体のモル分率を示す図である。
【図５】（Ａ）は、比較例１−１の原料流体排出部におけるＨＣｌ濃度分布を示す図であり、（Ｂ）は、比較例２−１の原料流体排出部におけるＨＣｌ濃度分布を示す図である。
【図６】実施例１−１、比較例１−１及び２−１の基板上のＳｉ成膜速度のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下で説明する表面処理装置は、表面処理用の原料流体を基板上に供給して、基板上に半導体層や絶縁膜、導電体層等を形成し、あるいはコーティング材料を形成する等の表面処理工程を実施するものである。例えば、シリコン単結晶のエピタキシャル成長を目的とする場合には、表面処理用の原料流体として、ＳｉＨＣｌ３＋Ｈ２の混合ガス等を用いる。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る表面処理装置の構成の一例を説明するための模式図である。図１に示すように、表面処理装置１は、反応容器１０と、反応容器１０の内部に設けられ、表面処理を行う対象物である基板１８を保持する円筒状の試料保持台１２と、を備える。なお、図１には、基板１８に向かって原料流体３２が流れる方向に平行な方向軸をｙ軸とし、基板１８の表面に平行な方向軸をｘ軸として示してある。そして、以下で上方、下方というときは、ｙ軸に沿った方向で、原料流体３２が流れる上流側の方向が上方で、下流側の方向が下方である。一般的には、上方から下方に向かう方向が鉛直方向（重力方向）である。
【００２２】
円筒状の試料保持台１２の上面には、不図示の試料保持機構が設けられ、その試料保持機構により、シリコン単結晶を成長させるシリコンウェハ等の基板１８が保持される。試料保持機構としては、例えば、基板１８の外形に合わせた窪み、機械的に基板１８の外周を固定する機構、真空で基板１８を吸引して固定する機構等が挙げられる。
【００２３】
円筒状の試料保持台１２には、ヒータ等の加熱機（不図示）を設置して、その加熱機により試料保持台１２を所定の温度に加熱することが望ましい。例えば、円筒状の試料保持台１２の下面側に凹部を形成し、その凹部の中にヒータ等を収納し、ヒータを通電制御して、試料保持台１２を予め定めた温度に制御する。
【００２４】
また、円筒状の試料保持台１２には回転部２４が設けられている。回転部２４は、モータ、試料保持台１２とモータとを接続するための動力伝達機構等から構成され、試料保持台１２の平面に垂直な回転軸周りに回転させる機能を有する回転機構である。
【００２５】
本実施形態の試料保持台１２の側方周囲には、隔壁１４が設置されることが好ましい。この隔壁１４により、試料保持台１２の保護、試料保持台１２の回転によって引き起こされる原料流体３２等の乱流等を抑制することが可能となる。
【００２６】
反応容器１０において試料保持台１２の上方に設けられる円筒状部分２８は、試料保持台１２上の基板１８に対し原料流体３２を供給する原料流体流入部となっている（以下、原料流体流入部２８とする）。
【００２７】
反応容器１０において試料保持台１２の側方に設けられる（本実施形態では、隔壁１４を介している）流路部は、原料流体排出部３０である。原料流体排出部３０は、原料流体流入部２８から基板１８に向かって供給される原料流体３２が基板１８の表面に沿って流れながら基板１８に対し表面処理を行った後に、使用済み流体である原料排流体として試料保持台１２の側方から流出させる機能を有する流路である。
【００２８】
本実施形態の原料流体排出部３０の形状は、原料流体流入部２８の下方端から、（隔壁１４を介して）試料保持台１２の側方外周を取り囲むように、原料流体３２の下流側に向かって広がる環状流路となっている。すなわち、本実施形態の原料流体排出部３０は、反応容器１０の原料流体流入部２８から見て、傘状あるいはスカート状に末広がりとなる流線型の流路である。原料流体排出部３０を流線型の流路にすることにより、原料流体３２が原料流体排出部３０で逆流して原料流体流入部２８に混入することをより抑制することが可能となる。
【００２９】
反応容器１０の原料流体流入部２８には、基板１８に表面処理を施すための原料流体３２を所望の圧力及び流量で供給する機能を有する反応ガス供給装置１６が設置されている。シリコン単結晶を結晶させる際の原料流体３２としては、例えば、反応ガス（ＳｉＨＣｌ３）単体、または反応ガス（ＳｉＨＣｌ３）＋キャリアガス（Ｈ２）の混合ガス等が用いられる。
【００３０】
反応容器１０の原料流体排出部３０の排出口には、原料流体排出部３０を通る流体を適当な排出無害化処理を施して外部に排出する機能を有する排出処理装置２０を設置することが望ましい。また、排出処理装置２０には、流体を外部に導きやすくするための排出ポンプ等を備えることが望ましい。また、排出無害化処理としては、例えば、希釈処理や原料流体排出部３０を通る流体中に含まれる有害成分を沈殿反応等によって取り除く除去処理等が挙げられる。
【００３１】
本実施形態の原料流体排出部３０には、エッチング流体を含む副流体２２を原料流体排出部３０に導入する副流体導入部２６が設けられている。本実施形態の副流体導入部２６は、副流体２２が原料流体排出部３０の内壁に沿って吐出されるように、原料流体流入部２８を流れる原料流体３２の流れ方向（図１のｙ軸）に対して垂直又は略垂直に配置されている。ここで、略垂直とは、副流体２２が原料流体排出部３０の内壁に沿って吐出される範囲において、図１のｙ軸に対して傾斜していることを言う。なお、図１に示すように、副流体導入部２６は、堆積物が堆積し易いと想定される箇所より上流側に設置されることは当然に理解されることである。
【００３２】
副流体導入部２６には、エッチング流体を含む副流体２２を所定の流量で供給する機能を有する副流体供給装置３４が接続されている。副流体２２は、例えば、エッチング流体単体、エッチング流体＋キャリアガス（Ｈ２）の混合ガス等が用いられる。本明細書におけるエッチング流体とは、堆積物と反応して堆積物を除去（エッチング）するガス又は液体等であり、例えば、ＨＣｌガス、フッ素系ガス等が挙げられる。なお、後述するが、ＨＣｌガス、フッ素系ガス等は、主に堆積物を除去するエッチングとしての機能を備えるものであるが、堆積物表面に吸着する機能も備えていると考えられる。
【００３３】
次に、図１に示す表面処理装置１の動作について説明する。
【００３４】
まず、回転部２４により試料保持台１２を回転させ、不図示の加熱機により試料保持台１２を加熱させる。そして、反応ガス供給装置１６から原料流体３２を供給すると共に、副流体供給装置３４から副流体２２（エッチング流体）を供給する。原料流体３２は、原料流体流入部２８を通って基板１８と接触し、表面処理が行われる。表面処理を行った後の原料流体３２は原料排流体として原料流体排出部３０を通り、排出口から排出処理装置２０等を介して系外へ排出される。通常、このような表面処理を継続すると、原料流体排出部３０の内壁でも表面処理が行われ、内壁に堆積物が生成し堆積していく。しかし、本実施形態では、原料流体流入部２８を流れる原料流体３２の流れ方向（図１のｙ軸）に対して垂直又は略垂直に配置された原料流体排出部３０から吐出された副流体２２が、原料流体排出部３０の内壁に沿って流れるため、原料流体排出部３０の内壁への堆積物の堆積を抑制することができる。また、副流体２２は、原料流体排出部３０の内壁に沿って流れるため、基板１８側に流れることが抑制される。その結果、基板１８への表面処理性能の低下を抑制することができる。以下に、エッチング流体による、内壁の堆積物の堆積を抑制するメカニズムの一例を説明する。
【００３５】
図２（Ａ），（Ｂ）は、エッチング流体による内壁の堆積物の堆積を妨げるメカニズムの一例である。エッチング流体を原料流体排出部に供給した場合、図２（Ａ）に示すように、原料流体排出部の内壁に堆積した堆積物は、原料流体排出部に供給されたエッチング流体により、除去（エッチング）されるため、内壁への堆積物の堆積が妨げられる。例えば、原料流体としてＳｉＨＣｌ３＋Ｈ２の混合ガスを用い、エッチング流体としてＨＣｌガスを用いると、内壁に生成したＳｉ膜は、ＨＣｌガスと反応し、ＳｉＣｌ２が生成され、Ｓｉ膜が除去される。なお、エッチング流体としてのＨＣｌガスは、主に、堆積物をエッチングする機能を有するものであるが、例えば、図２（Ｂ）に示すように、Ｓｉ膜表面上にＣｌ原子が吸着する機能も備えていると考えられる。
【００３６】
本実施形態では、原料流体排出部３０内に供給される副流体２２中のエッチング流体の流量は、原料流体排出部３０の内壁において、原料流体３２と副流体２２との混合状態でのエッチング流体の濃度が、予め求められた成膜速度が零となるエッチング流体の濃度以上となるように設定される。以下に、具体的に説明する。
【００３７】
図３は、ある問題となる内壁の温度条件に対して、内壁上の各原料濃度（原料流体中）に対して内壁上の成膜速度が零となる内壁上のＨＣｌ濃度の結果の一例を示す図である。図３では、内壁上の各原料濃度に対して、内壁上の成膜速度を零とするためには、内壁上のＨＣｌ濃度がどれだけ必要かを表している。すなわち、問題となる内壁において、ある原料濃度の原料流体及び副流体の混合状態でのＨＣｌ濃度が、図３に示す曲線上または曲線より上側のＨＣｌ濃度の場合には、内壁の成膜速度が零になる。
【００３８】
図３はある内壁温度条件に対する基板上の各原料濃度に対する基板の成膜速度を零とする一例であるので、問題となる内壁の温度条件が変わった場合は、その温度に対応する図３と同様のグラフを作成すれば良い。なお、基板の成膜速度が零となるＨＣｌ濃度は、図３等で表される曲線上の値に設定してもよいし、曲線より上側の値に設定してもよい。そして、例えば、シミュレーション等により、ある原料流体の流量における原料流体排出部３０の内壁での原料濃度を求め、それを前述のマップに入力することで、成膜速度が零となるＨＣｌ濃度が求められる。
【００３９】
そして、原料流体排出部の内壁において、原料流体と副流体との混合状態でのエッチング流体の濃度が、上記のように予め求めた成膜速度が零となるエッチング流体の濃度（例えばＨＣｌ濃度）以上となるように、原料流体排出部に供給する副流体中のエッチング流体（ＨＣｌガス）の流量が設定される。この流量は、シミュレーション等の計算により求められる。これにより、原料流体排出部の内壁での堆積物の堆積がより抑制される。このように設定するエッチング流体の流量は、シミュレーション等の計算により求められる。
【００４０】
図３を一例とする成膜速度が零となるＨＣｌ濃度は、基板位置での成膜を想定し、以下の式を用いることによって求めることができる。下式１は連続の式であり、下式２は運動量方程式であり、下式３はエネルギー式であり、下式４は各化学種の輸送方程式であり、下式５は状態方程式（低マッハ数近似の場合）である。
【００４１】
【数１】
2014203863.tif 000003
【数２】
2014203863.tif 000004
【数３】
2014203863.tif 000005
【数４】
2014203863.tif 000006
なお、式４の右辺第２項はＳｏｒｅｔ効果を表現するもので、熱拡散比を用いた近似表現である。
【数５】
2014203863.tif 000007
【００４２】
ここで、上式のτｉｊ及びＭは、下式６，７により表される。
【数６】
2014203863.tif 000008
【数７】
2014203863.tif 000009
【００４３】
また、上式において、ρは密度、uｊはｊ方向速度、Ｐ０は平均圧力、pは圧力（平均圧力からのずれ）、ｇは重力、Ｔは温度、Ｃｐは比熱、Ｙｉ：ｉ成分の質量分率、Ｒ０は普遍気体定数、Ｍｋはｋ成分の分子量、Ｍは混合流体の平均分子量、（ｗｇ）ｉは気相反応によるｉ成分の生成速度、（ｗｓ）ｉは表面反応によるｉ成分の生成速度、μは粘性係数、λは熱伝導率、Ｄｉはｉ成分の拡散係数、αｉｋはｉ成分とｋ成分間の熱拡散比、Ｄｉｋはｉ成分とｋ成分間の拡散係数、ｔは時間，ｘｊは空間座標を表している。
【００４４】
成膜速度が零となるＨＣｌ濃度等は、上記これらの式を解くことにより導き出せるが、特開２０１１−２９５９２号公報に開示されている基板処理面に垂直な方向の一次元計算式に変形した上で、原料流体中の原料濃度を仮定し、原料流体中のキャリアガスである水素を除々にＨＣｌに置き換えていった時に、基板上での成膜速度がゼロとなるＨＣｌ濃度を、基板の各温度条件に対してプロットすることによっても同様に導き出せる。
【００４５】
副流体の総流量は、混合流体（原料流体と副流体）が基板へ逆流して到達することを抑止するために、逆流する混合流体を押し返すのに十分な流量に設定されることが好ましい。ここで、副流体が、例えば、エッチング流体と、Ｈ２ガス等のキャリアガスとの混合ガスの場合には、副流体の総流量は、エッチング流体の流量と、キャリアガスの流量との和となる。なお、混合流体が基板へ逆流して到達するかしないかは、例えば、シミュレーションにおいて基板での成膜速度の半径方向分布が均一かどうかを見ることにより判断することができる。
【００４６】
以上のように、原料流体排出部３０の形状を原料流体流入部２８の下方端から試料保持台１２の側方外周を取り囲むように、原料流体３２の下流側に向かって広がる環状流路とすること（すなわち、原料流体排出部３０を反応容器１０の原料流体流入部２８から見て、傘状あるいはスカート状に末広がりとなる流線型の流路とすること）、また、原料流体流入部２８を流れる原料流体３２の流れ方向（図１のｙ軸）に対して垂直又は略垂直に配置し、原料流体排出部３０から吐出された副流体２２を原料流体排出部３０の内壁に沿って流すことにより、原料流体排出部３０の内壁への堆積物の堆積が抑制される、また、副流体２２が基板１８側に流れることが抑えられるため、成膜速度の低下、又は成膜の面内均一性等の表面処理性能の低下が抑制される。さらに、原料流体排出部３０の内壁への堆積物の抑制、副流体２２が基板１８側に流れることを抑制する観点等から、原料流体排出部３０内に供給される副流体２２中のエッチング流体の流量は、原料流体排出部３０の内壁において、原料流体３２と副流体２２との混合状態でのエッチング流体の濃度が、予め求められた成膜速度が零となるエッチング流体の濃度以上となるように設定されることが好ましい。
【００４７】
また、本実施形態の表面処理装置１は、原料流体の供給圧力を０．９気圧以上、原料流体濃度を１％以上に設定した高速成膜用の表面処理装置に好適である。本実施形態の表面処理装置１では、原料流体の供給圧力を０．９気圧以上、原料流体濃度を１％以上にしても、原料流体排出部３０の内壁への堆積物の堆積が抑制され、且つ副流体２２が基板１８側に流れることが抑えられる。本明細書における原料流体濃度とは、反応ガス及びキャリアガス中の反応ガス濃度である。
【００４８】
また、本実施形態の表面処理装置１は、原料流体排出部３０の内壁への堆積物の堆積を抑制し、且つ基板の表面処理性能の低下を抑制することができるため、装置のメンテナンス時間を大幅に削減し、装置の成膜稼働率を向上させ、処理コストの低減を図ることも可能である。
【００４９】
以下に原料流体３２の流量について説明する。
【００５０】
原料流体排出部３０に流れた原料流体３２が逆流して原料流体流入部２８に混入することを抑制する観点等から、例えば、特開２０１１−２９５９２号公報に開示されているように、原料流体３２の設定流量を最適化することが好ましい。
【００５１】
原料流体３２の設定流量を最適化するためには、非特許文献（Ｄｒ．Ｈｅｒｍａｎｎ  Ｓｃｈｌｉｃｈｔｉｎｇ（Ｔｒａｎｓｌａｔｅｄ  ｂｙ  Ｄｒ．Ｊ．Ｋ．Ｋｅｓｔｉｎ）；Ｂｏｕｎｄａｒｙ−Ｌａｙｅｒ  Ｔｈｅｏｒｙ；Ｓｅｖｅｎｔｈ  Ｅｄｉｔｉｏｎ；ＵＳＡ；Ｍｃ  Ｇｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｂｏｏｋ  Ｃｏｍｐａｎｙ；１９７９；ｐ１０２−１０４）で説明されるナビエ・ストークス方程式を拡張した連立方程式（８）及び式（８）に関する境界条件である式（９）が用いられる。
【００５２】
【数８】
2014203863.tif 000010
【００５３】
【数９】
2014203863.tif 000011
【００５４】
ここで、回転する基板１８の径方向における流体の速度ｕ、回転する基板１８の周方向における流体の速度ｖ、回転する基板１８の平板面に垂直方向である軸方向における流体の速度ｗ及び圧力ｐは式（１０）の無次元距離ζで無次元化され（Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｐ）、温度ＴはΦで無次元化されている。
【００５５】
【数１０】
2014203863.tif 000012
【００５６】
また、λを熱伝導率、ｃを熱容量として、ｆは原料流体３２の流入時のときの値に対する原料流体３２の具体的な局所位置における値の比を示し、ｆρは流入時と局所の密度比、ｆλは流入時と局所の熱伝導率比、ｆｃは流入時と局所の熱容量比をそれぞれ示す。また、Ｐｒはプラントル数で、定圧比熱をｃＰとして、Ｐｒ＝ν／｛λ／（ρ×ｃＰ）｝で表される量である。また、添え字の∞は、原料流体３２の流入状態を示し、添え字のｗは、基板１８の表面での状態を示している。また、Ｔは試料保持台１２の温度、ωは試料保持台１２の角速度を示している。
【００５７】
そして、式（８）〜（１０）を用いて、ポンプ効果による各速度分布（Ｆ，Ｇ，Ｈ）を求める。Ｆは回転する基板１８の径方向のζについての速度分布であり、Ｇは回転する基板１８の周方向のζについての速度分布であり、Ｈは回転する基板１８の軸方向のζについての速度分布である。
【００５８】
次に、算出した速度分布Ｈにおいて、無次元距離ζ＝∞、すなわち、ｚ＝∞とした値を求め、これを軸方向速度ｗ（∞）として算出する。この軸方向速度ｗ（∞）に、流路に垂直な面の面積Ａを乗じることで、適正流量が求められる。
【００５９】
上記のように求めた原料流体３２の流量で原料流体３２を基板１８に供給することにより、原料流体排出部３０に流れた原料排流体が原料流体流入部２８へ逆流することが抑制される。これにより、エッチング流体が、逆流する原料排流体と共に、原料流体流入部２８へ流れ混むことがより抑制され、基板１８の成膜速度や成膜分布に悪影響を及ぼすことが抑制される。
【実施例】
【００６０】
以下、実施例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００６１】
（実施例１−１）
図１の装置構成において、原料流体の流量を式（８）〜（１０）により設定し、原料流体（ＳｉＨＣｌ３＋Ｈ２）の供給圧力を０．９気圧、原料流体濃度（ＳｉＨＣｌ３濃度）を３％、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を２５ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を２０％、副流体中のＨＣｌガス流量を５ＳＬＭに設定し、原料流体排出部３０におけるＨＣｌ濃度分布を、シミュレーション計算によって求めた。図４（Ａ）は、実施例１−１の原料流体排出部におけるＨＣｌ濃度分布を示す図であり、図４（Ｂ）は、Ａ点からの距離における原料流体排出部内の流体のモル分率を示す図である。実線はシミュレーションにより求めたＳｉＨＣｌ３のモル分率であり、一点鎖線は、温度条件が１０００℃の時に成膜速度が零となるＨＣｌのモル分率であり、破線はシミュレーションにより求めたＨＣｌのモル分率である。
【００６２】
原料流体流入部２８を流れる原料流体の流れ方向に対して垂直又は略垂直に配置し、副流体導入部２２から吐出される副流体を前述の流量条件で原料流体排出部３０の内壁に沿って流すことで、図４（Ａ）に示すように、基板１８側に副流体が逆流することが抑制された。また、図４（Ｂ）に示すように、シミュレーションにより求めたＨＣｌのモル分率は、成膜速度が零となるＨＣｌのモル分率より高い値を示していることから、原料流体排出部３０内の堆積物の堆積が抑制されたと言える。
【００６３】
（比較例１−１及び２−１）
比較例１−１では、副流体導入部を試料保持台１２に設け、副流体導入部から排出される副流体を鉛直方向下方から上方に向かって流したこと、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を１０ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を５０％、副流体中のＨＣｌガス流量を５ＳＬＭに設定しこと以外は、実施例１−１と同様の条件とし、原料流体排出部３０におけるＨＣｌ濃度分布を、シミュレーション計算によって求めた。比較例２−１では、副流体導入部を原料流体排出部３０に設け、副流体導入部から排出される副流体を鉛直方向上方から下方に向かって流したこと、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を１０ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を１０％、副流体中のＨＣｌガス流量を１ＳＬＭに設定しこと以外は、実施例１−１と同様の条件とし、原料流体排出部３０におけるＨＣｌ濃度分布を、シミュレーション計算によって求めた。図５（Ａ）は、比較例１−１の原料流体排出部におけるＨＣｌ濃度分布を示す図であり、図５（Ｂ）は、比較例２−１の原料流体排出部におけるＨＣｌ濃度分布を示す図である。
【００６４】
試料保持台１２に設けた副流体導入部から排出される副流体を鉛直方向下方から上方に向かって流した比較例１−１では、副流体の総流量を実施例１−１より低い条件にしても（副流体中のＨＣｌガス流量は実施例１と同じ）、副流体は原料流体と共に一端は下流に運ばれるが、反応容器の外壁に衝突して、基板１８まで逆流することがわかった。また、原料流体排出部３０に設けた副流体導入部から排出される副流体を鉛直方向上方から下方に向かって流した比較例２−１では、副流体の総流量及び副流体中のＨＣｌガス流量を実施例１−１より低い条件にしても、副流体は拡散して、基板１８まで到達することがわかった。また、比較例１−１及び比較例２−１はいずれも、実施例１−１と比較して原料流体排出部３０内の堆積物の堆積を抑制することができなかった。
【００６５】
図６は、実施例１−１、比較例１−１及び２−１の基板上のＳｉ成膜速度のシミュレーション結果を示す図である。図６に示すように、基板１８側への副流体の逆流が抑制された実施例１−１では、基板１８上のＳｉ成膜速度は、基板１８の中心から外縁までほとんど均一であった。すなわち、実施例１−１では、成膜速度の低下や成膜の面内均一性等の表面処理性能の低下を抑制することができることがわかった。一方、基板１８側に副流体が拡散した比較例１−１及び２−１では、基板１８上のＳｉ成膜速度は、基板１８の中心から外縁に向かうにしたがい、低下した。すなわち、比較例１−１及び２−１では、成膜速度の低下や成膜の面内均一性等の表面処理性能の低下を抑制することができないことがわかった。
【００６６】
（実施例１−２〜１−４）
実施例１−２では、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を１０ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を２０％、副流体中のＨＣｌガス流量を２ＳＬＭに設定しこと以外は実施例１−１と同様の条件とし、また、実施例１−３では、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を５０ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を１０％、副流体中のＨＣｌガス流量を５ＳＬＭに設定しこと以外は実施例１−１と同様の条件とし、実施例１−４では、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を１００ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を１０％、副流体中のＨＣｌガス流量を１０ＳＬＭに設定しこと以外は実施例１−１と同様の条件とし、各実施例における原料流体排出部３０におけるＨＣｌ濃度分布を、実施例１−１と同様に、シミュレーション計算によって求め、原料流体排出部３０内の堆積物の堆積の有無を評価した。また、実施例１−１と同様に、各実施例における基板上のＳｉ成膜速度のシミュレーションを実施し、成膜の面内均一性を評価した。実施例１−１〜１−４の副流体の流量条件を表１にまとめた。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
各実施例における原料流体排出部３０におけるＨＣｌ濃度分布を、シミュレーション計算した結果、いずれの実施例においても、原料流体排出部３０内の堆積物の堆積は抑制された。また、各実施例における基板上のＳｉ成膜速度のシミュレーションを実施した結果、いずれの実施例においても、成膜の面内均一性の低下が抑制されたことを確認した。
【００６９】
（比較例１−２〜１−３）
比較例１−２では、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を１０ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を１０％、副流体中のＨＣｌガス流量を１ＳＬＭに設定しこと以外は比較例１−１と同様の条件とし、また、比較例１−３では、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を２５ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を２０％、副流体中のＨＣｌガス流量を５ＳＬＭに設定しこと以外は比較例１−１と同様の条件とし、比較例１−２〜１−３の原料流体排出部３０におけるＨＣｌ濃度分布を、シミュレーション計算によって求め、原料流体排出部３０内の堆積物の堆積の有無を評価した。また、比較例１−１と同様に、比較例１−２〜１−３における基板上のＳｉ成膜速度のシミュレーションを実施して、成膜の面内均一性を評価した。比較例１−１〜１−３の副流体の流量条件を表２にまとめた。
【００７０】
【表２】
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【００７１】
比較例１−２〜１−３の原料流体排出部３０におけるＨＣｌ濃度分布を、シミュレーション計算した結果、比較例１−２は、前述の比較例１−１と同様に、原料流体排出部３０内の堆積物の堆積を抑制することができなかったが、比較例１−３は、堆積物の堆積を抑制することができた。また、比較例１−２〜１−３における基板上のＳｉ成膜速度のシミュレーションを実施した結果、比較例１−２は、前述の比較例１−１とは異なり、成膜の面内均一性の低下は抑制されたが、比較例１−３は、成膜の面内均一性の低下を抑制することができなかった。
【００７２】
（比較例２−２〜２−４）
比較例２−２では、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を１０ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を３％、副流体中のＨＣｌガス流量を０．３ＳＬＭに設定しこと以外は比較例２−１と同様の条件とし、また、比較例２−３では、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を１０ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を３０％、副流体中のＨＣｌガス流量を３ＳＬＭに設定しこと以外は比較例２−１と同様の条件とし、また、比較例２−４では、副流体（ＨＣｌ+Ｈ２ガス）の総流量を３０ＳＬＭ、副流体中のＨＣｌ濃度を１０％、副流体中のＨＣｌガス流量を３ＳＬＭに設定しこと以外は比較例２−１と同様の条件とし、比較例２−２〜２−４の原料流体排出部３０におけるＨＣｌ濃度分布を、シミュレーション計算によって求め、原料流体排出部３０内の堆積物の堆積の有無を評価した。また、比較例２−１と同様に、比較例２−２〜２−４における基板上のＳｉ成膜速度のシミュレーションを実施して、成膜の面内均一性を評価した。比較例２−１〜２−４の副流体の流量条件を表３にまとめた。
【００７３】
【表３】
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【００７４】
比較例２−２〜２−４の原料流体排出部３０におけるＨＣｌ濃度分布を、シミュレーション計算によって求めた結果、比較例２−２は、比較例２−１と同様に、原料流体排出部３０内の堆積物の堆積を抑制することができなかったが、比較例２−３及び２−４は、原料流体排出部３０内の堆積物の堆積が抑制された。また、比較例２−２〜２−４における基板上のＳｉ成膜速度のシミュレーションを実施した結果、比較例２−２〜２−４においては、比較例２−１と同様に、成膜の面内均一性の低下を抑制することができなかった。
【符号の説明】
【００７５】
１  表面処理装置、１０  反応容器、１２  試料保持台、１４  隔壁、１６  反応ガス供給装置、１８  基板、２０  排出処理装置、２２  副流体、２４  回転部、２６  副流体導入部、２８  円筒状部分又は原料流体流入部、３０  原料流体排出部、３２  原料流体、３４  副流体供給装置。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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