(57)【要約】【解決手段】  反応器室（９５０）と、反応器室内に配置されている基板保持器（４６）と、基板保持器上に回転する気体流れを作り出すように配列されている気体導入システム（９２２）と、気体排気口（９３０）と、を備えている化学蒸着（ＣＶＤ）反応器（９００）。先駆物質の気体の流れの特性は、気体が基板上を移動する際に気体をより小さな容積内に押し込むことによって、基板表面に亘って薄膜の厚さが等しくなるように制御される。中央排気式になっているので、この特性は、反応器室の高さ（１５０６，１５２４）を、反応器室の中心（１５０８）に近づくにつれて低くし、気体が入口から排気口へ移動するにつれて、単位距離当たりの反応器の容積を減少させることによって作り出されている。
2005511895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学蒸着法において、
基板面を画定する基板保持器（４６、４８）を含む反応器室（９５０）を提供する段階と、
前駆物質の気体を、前記反応器室を通して、気体入口（９４２）から排気口（９３０）の方向（Ｒ）へ、前記基板面に実質的に垂直な軸（１５０８）回りの円形運動として、且つ前記前駆物質の気体が前記方向に移動する際に前記前駆物質の気体が使用できる単位距離当たりの反応器容積を減少させながら、移動させる段階と、
前記蒸気を反応させて、前記基板の表面上に固体薄膜を蒸着させる段階と、から成る方法。
【請求項２】
前記移動させる段階は、螺旋状運動を提供する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記移動させる段階は、前記前駆物質の気体が前記反応器室に近づくにつれて、前記前駆物質の気体の速度を増大させる段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記移動させる段階は、前記移動する前駆物質の気体の流れの特性を制御して、前記移動する前駆物質の気体内の試薬の減損を補償する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記移動させる段階は、前記移動する前駆物質の気体の流れの特性を制御して、前記基板表面に亘り前記膜の厚さを実質的に均一にする段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記移動させる段階は、前記反応器室の中心に近づくにつれて、前記基板表面に亘る気体前駆物質の流れの境界層厚さを低減させる段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記移動させる段階は、前記反応器室の中心に近づくにつれて、試薬の、前記前駆物質の気体から前記基板表面への拡散率を高める段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記反応器を提供する段階は、実質的に円形の反応器室を提供する段階を含んでおり、前記方向は、実質的に半径方向内向きである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記減少させることは、前記反応器室の中心に近づくにつれてて、前記反応器室の高さを減少させることを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板を、実質的に静止状態に維持する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記反応器室の温度を、前記前駆物質の気体の分解温度より下に維持する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記維持する段階は、前記反応器室の側壁の温度を実質的に２００℃に維持する段階を含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記維持する段階は、前記前駆物質の気体の温度を実質的に２００℃に維持する段階を含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記反応器室内の圧力を、１０トール（平方メートル当たり１３３３ニュートン）未満に維持する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記反応器室内の圧力を、実質的に１トール（平方メートル当たり１３３．３ニュートン）に維持する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板の温度を、３２０℃と３６０℃の間に維持する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板の温度を、実質的に３４０℃に維持する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記移動させる段階は、前記前駆物質の気体を、前記反応器室に、前記基板面のレベルの上方１０ｃｍ以下で進入させる、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記移動させる段階は、前記前駆物質の気体を、前記反応器室に、前記基板面のレベルの上方５ｃｍ以下で進入させる、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記移動させる段階は、前記前駆物質の気体を、前記反応器室に、前記基板面のレベルの上方２．５ｃｍ以下で進入させる、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
化学蒸着（ＣＶＤ）反応器（９００）において、
反応器室（９５０）と、
前記反応器室内に配置され、基板面を画定する基板保持器（４６、４８）と、
気体入口（９４２）を含む気体導入システム（９２２）と、
気体排気口（９３０）と、を備えており、
前記反応器室は、単位距離当たりの反応器の容積が、前記気体入口から前記気体排気口への方向（Ｒ）に減少するように形成されている、化学蒸着反応器。
【請求項２２】
前記反応器室は円形壁を含み、前記気体導入システムは、前記円形壁に実質的に接線方向に向けられた気体入口を備えている、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項２３】
前記反応器室は実質的に円形であり、前記方向は半径方向内向きである、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項２４】
前記反応器は頂部壁を含んでおり、前記室の中心からの距離が増加するにつれて、前記基板保持器上方の前記反応器室の頂部壁の高さが増加する、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項２５】
前記基板保持器上方の前記反応器室の頂部壁の高さは、前記室の前記中心からの距離に実質的に線形に変化する、請求項２４に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項２６】
前記反応器は頂部壁を含んでおり、前記基板上方の前記反応器室の頂部壁の高さは、前記室内の試薬の減損率の関数である、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項２７】
前記反応器は頂部壁を含んでおり、前記基板上方の前記反応器室の頂部壁の高さは、気体が前記室を通って流れる間の試薬の減損率を補償するように、半径方向位置によって変化する、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項２８】
前記反応器は頂部壁を含んでおり、前記室の前記形状は、前記基板保持器上に載置されている基板上の膜成長が実質的に均一になるように設計されている、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項２９】
前記基板保持器は、前記基板保持器が実質的に静止状態となるように、前記反応器内に実質的に固定されている、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項３０】
前記基板保持器は、加熱器を備えている、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項３１】
前記気体導入システムは、気体を導管へ送るために配置されている複数の管を備えている、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項３２】
前記気体導入システムは、前記反応器室の外周回りに配置されている導管を備えている、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項３３】
前記気体導入システムは、前記反応器室に亘り複数のチャネルを備えている、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項３４】
前記チャネルは、前記反応器室の側壁に実質的に接線方向に向けられている、請求項３３に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項３５】
前記入口は、前記反応器室の周辺にある、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項３６】
前記気体導入システムと、前記反応器室と、前記気体排気口は、協働して、前記室の内部周辺から、前記基板保持器上を通り、前記気体排気口へ到る螺旋状の気体流れを提供する、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項３７】
前記排気口は、前記反応器内の実質的に中央に位置している、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項３８】
前記室は頂部壁を含んでおり、前記室の周辺では、前記頂部壁は前記基板面のレベル上方１０ｃｍ以下にあり、前記排気口近くでは、前記頂部壁は前記基板面のレベル上方５ｃｍ以下にある、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【請求項３９】
前記室は頂部壁を含んでおり、前記室の周辺では、前記頂部壁は前記基板面のレベル上方５ｃｍ以下にあり、前記排気口近くでは、前記頂部壁は前記基板面のレベル上方２．５ｃｍ以下にある、請求項２１に記載のＣＶＤ反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には、化学蒸着（ＣＶＤ）反応器に関しており、厳密には、望ましい気相化学量論的組成及び有効な基板保証範囲を提供するＣＶＤ反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＶＤは、金属酸化物、強誘電体、超電導体、高誘電率材料、宝石等の様な錯化合物の薄膜を蒸着させる際の一般的な方法である。既存の化学蒸着の方法は、段差被覆性は良好なものの、一般的に、錯体材料を蒸着させるのに使用する場合、集積回路の収率は比較的低い。先行技術によるＣＶＤ法では、１つ又は複数の液体又は固体の先駆物質が、気体状態に変換される。十分な量の先駆物質を商業的に採用可能な速度で気体化するためには、通常、先駆物質を加熱する必要がある。しかしながら、先駆物質に液相又は固相から気相へ十分な物質移動を起こさせるのに必要な高温では、先駆物質は、通常、物理的に不安定である。物理的な不安定さは、先駆物質の溶液は沸騰が早過ぎるという現象で現れる。その結果、先駆物質化合物は、一般的に、分離、分解又は析出を呈することになる。分離が早過ぎると、プロセスストリーム及び最終製品の化学量論における望ましくない制御不可能な変化、ＣＶＤ反応器内の基板の不均一な蒸着、ＣＶＤ装置の汚損を引き起こし、影響を被った設備の構成要素を洗浄するためＣＶＤ設備の作動を混乱させるという費用が掛かり非常に不都合な事態となる。更に、粒子状物質がウェーハ上に落下し、デバイスに欠陥が生じ生産が低下することになりかねない。加えて、先駆物質試薬の早過ぎる分離は、一般的に全ての先駆物質の構成要素に均一に起こるわけではないので、選択された試薬が気体先駆物質から不均等に取り除かれることになり、残った気体先駆物質は化学量論的に変化し、その結果ウェーハ表面上に役に立たない化学的組成物が生じることになる。
【０００３】
既存のＣＶＤシステムに関わるもう１つの問題は、先駆物質が完全には気体化しないことである。１つ又は複数の先駆物質が蒸着室に繋がる装置内で適切に気体化しないと、その１つ又は複数の先駆物質は、ＣＶＤ装置内で他の先駆物質と適切に反応することなく基板上に蒸着することになる。これは或る種の先駆物質の間の相互依存性を持った成長のためである。この様に不適切な蒸着が起こると、未反応先駆物質材を浪費し、その様な蒸着層の下になる回路は機能不全に陥りかねない。
【０００４】
或る既存のウェーハ処理の方法では、加熱された回転している基板上に回転シャワーヘッド気体ディスペンサを配置したＣＶＤ反応器が使用されている。基板は、通常、基板上にほぼ均一な試薬濃度状態を作り出す自由に流れる気体の下で、実質的に均一な境界層を作り出すように回転される。シャワーヘッドは、高温処理ではうまく行くが、ストロンチウムビスマスチタン酸塩（ＳＢＴ）及び他の層状超格子材料の形成に用いられるような重い分子の蒸着と組み合わせたシャワーヘッド設計を使用する場合には、問題が起こる。層状超格子材料の前駆物質は、一般的に蒸気圧が低く、従って蒸発温度が高い。しかしながら、層状超格子材料の前駆物質は、一般的に分解温度が低いので、ＣＶＤ反応器に必要な要求雰囲気温度範囲に厳しい制約を課すことになる。高い蒸発温度は、通常、層状超格子材料前駆物質の過早分解を引き起こし、上に要約した問題に繋がる。これらの問題を回避するために温度を下げると、溶媒のボイルオフと析出のため、不完全な気化が起こりかねない。
【０００５】
或る既存の方法では、改質された重い分子の前駆物質を、既存のＣＶＤ装置と組み合わせて使用している。その理論は、高い成分蒸気圧を示すよう改質された前駆物質は、ＣＶＤ処理で高い蒸発温度を必要としないので、析出と過早分解の問題を避けることができるというものである。しかしながら、得られた前記物質は、高い蒸気圧有してはいるが、ウェーハ上に層を成長させるための特性に劣っており、それらの特性の内の１つは低い粘着係数である。
【０００６】
従って、当該技術では、過早分解と不完全な気化の問題を引き起こさない、ＳＢＴ及び他の重い又は複雑な分子をウェーハ上に信頼性できる様式で蒸着させることのできるＣＶＤシステム及び方法が必要とされている。
【特許文献１】米国特許第６，０５６，９９４号
【特許文献２】米国特許第５，６１４，２５２号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前駆物質の気体を反応器室内へ導入し、前駆物質の気体を基板上で循環させ、基板の表面上に材料の層を、基板の表面に亘って実質的に均一な速さで成長させることによって、技術を進歩させ、且つ上記問題の克服に貢献する。反応器の形状が、重要な役割を果たす。好適な実施形態では、形状は、前駆物質の気体が減損してゆくにつれ前駆物質の気体の容積が少なくなるような形状である。
【０００８】
或る実施形態では、ＳＢＴ及び／又は他の金属酸化物の分子を含んでいる気体前駆物質がウェーハ上を流れるようにし、その気体の流れは、制御された境界層の厚さを有し、ウェーハの表面に亘って材料が実質的に一定の速さで成長できるようにする、ＣＶＤ反応器が提供されている。上記蒸着は、ウェーハ又は基板上を流れている気体前駆物質の過早分解、及び前記気体前駆物質からの粒子状物質の析出を起こすことなく、行われることが望ましい。上記論議は、ＳＢＴ及び他の金属酸化物の分子を含む前駆物質に使用するＣＶＤ反応器の適合性について述べているが、本明細書に開示するＣＶＤ反応器は、シリコンを含め、広範囲の前駆物質及び試薬に使用できるものと理解頂きたい。
【０００９】
或る実施形態では、前駆物質の気体は、反応器室の周辺で、室の円周に対しほぼ接線方向にＣＶＤ反応器内に導入されるので、望ましくは静止している基板上に前駆物質の気体の回転する場を作る。この方法では、既存のＣＶＤシステムのシャワーヘッド式ディスペンサが不要になり、それに伴う粒状物質蓄積の問題も消失する。静止している基板を使用すると、基板を回転させるための装置が不要になり、基板の温度の測定が簡単にできるようになるので、反応器の設計に有利である。先行技術では、そのような温度測定は、高温計によって温度を測定しなければならないこと、遠隔測定器を使用すること、又は温度測定リード線を回転装置から延ばすこと、によって複雑になっていた。
【００１０】
或る実施形態では、１つ又は複数の管が、前駆物質の気体を、反応器室の外周回りに配置されている導管に送る。外周の導管から出ている１つ又は複数のチャネルは、前駆物質の気体を、反応器室の外周に対しほぼ接線方向に沿って反応器室内に送るのが望ましい。入口は、各チャネルの室側端部に配置されているのが望ましい。開口部は、前駆物質の気体を排出するため、反応器室のほぼ中心に配置されているのが望ましい。この方法は、反応器の外周内側に沿う均一な気体の流れを好適に提供する。或る実施形態では、前駆物質の気体流れが入っている反応器室の高さは、反応器気体流れの中心からの半径方向距離が減少するのにほぼ比例して低くなる。従って、２つの要因が、反応器室の中心に向かう気体の流速を高めるように働く。先ず、角運動量の保存には、室中心からの気体の流れの半径方向距離が減少するにつれ、気体の線速度が増す必要がある。第二に、室高が低くなると室中心に向かう気体流れの断面積が小さくなるので、一定の質量流量を維持するため気体流れの線速度が増す必要がある。好適にも、気体の流速が増すと、流れの境界層の厚さが、室中心に向かって減ることになり、その結果、気体の拡散によって、試薬の基板に対する露出が、室中心に向かって増すことになる。好適にも、半径方向距離が短くなるにつれて試薬の露出が増すことにより、前駆物質の気体が中心に向かって基板の上を流れるにつれて前駆物質の気体試薬の減損が増すという現象が補償される。好適にも、試薬拡散を増して試薬減損を正確に補償することによって、基板表面に亘って膜の成長速度がほぼ均一になる。上記議論は、主に、水平面で円形の反応器室について行っているが、反応器室は、円形又は水平な形状には限定されず、広範囲の形状及び／又は姿勢を想定することができる。
【００１１】
本発明は、基板面を画定する基板が入っている反応器室を提供する段階と、前駆物質の気体を、基板面に対してほぼ垂直な軸回りの円形運動で、気体入口から排気口方向へ、しかも前駆物質の気体が前記方向へ移動する際に前駆物質の気体が使用できる単位距離当たりの反応器容積を減らしながら室内を通して移動させる段階と、蒸気を反応させて基板表面上に固体の薄膜を蒸着させる段階と、から成る化学蒸着法を提供している。前記移動させる段階は、らせん形の運動を提供する段階を含んでいるのが望ましい。前記移動させる段階は、前駆物質の気体が反応器室の中心へ近づくにつれて、前駆物質の気体の速度を増す段階を含んでいるのが望ましい。前記移動させる段階は、移動する前駆物質の気体の流れ特性を制御して、移動する前駆物質の気体内の試薬の減損を補償する段階を含んでいるのが望ましい。前記移動させる段階は、移動する前駆物質の気体の流れ特性を制御して、基板表面に亘って膜厚を実質的に均一にする段階を含んでいるのが望ましい。前記移動させる段階は、反応器室の中心へ近づくにつれて、基板表面上の気体前駆物質の流れの境界層厚さを減じる段階を含んでいるのが望ましい。前記移動させる段階は、反応器室の中心へ近づくにつれて、試薬の、前駆物質の気体から基板表面への拡散速度を増す段階を含んでいるのが望ましい。前記反応器室を提供する段階は、実質的に円形の反応器室を提供する段階を含んでおり、前記方向は実質的に半径方向内向きであるのが望ましい。前記減らすことには、反応器室の中心へ近づくにつれて、反応器室の高さを減らすことが含まれているのが望ましい。基板は、実質的に静止状態に維持されるのが望ましい。前記方法は、更に、反応器室の温度を前駆物質の気体の分解温度より低く維持する段階を含んでいるのが望ましい。前記方法の維持する段階は、反応器室の側壁の温度をほぼ２００℃に維持する段階を含んでいるのが望ましい。前記維持する段階は、前駆物質の気体の温度をほぼ２００℃に維持する段階を含んでいるのが望ましい。本方法は、更に、反応器室内の圧力を１０トールより低く維持する段階を含んでいるのが望ましい（１平方メートル当たり１３３．３ニュートン）。本方法は、反応器室内の圧力をほぼ１トールより低く維持する段階を含んでいるのが更に望ましい（１平方メートル当たり１３３．３ニュートン）。前記方法は、更に、基板の温度を３２０℃と３６０℃との間に維持する段階を含んでいるのが望ましい。基板の温度は、ほぼ３４０℃の基板の温度に維持されるのが最も望ましい。
【００１２】
本発明は、更に、反応器室と、前記反応器室内に配置されている基板保持器と、気体入口を含む気体導入システムと、気体排気口とを備えている化学蒸着（ＣＶＤ）反応器を提供しており、前記反応器室は、単位距離当たりの反応器の容積が、気体入口から気体排気口に向く方向に減少するよう形成されている。反応器室は円形の壁を含み、気体導入システムは円形の壁にほぼ接線方向に向けられた気体入口を備えているのが望ましい。反応器室はほぼ円形であり、方向は半径方向内向きであるのが望ましい。反応器は上部壁を含んでおり、基板保持器上方の反応器室上部壁の高さは、室の中心からの距離が増すにつれて増すのが望ましい。基板保持器上方の室上部壁の高さは、室の中心からの距離に対しほぼ線形に変化するのが望ましい。反応器は、上部壁を含んでおり、基板上方の反応器室上部壁の高さは、室内の試薬減損率の関数であるのが望ましい。反応器は、上部壁を含んでおり、基板上方の反応器室上部壁の高さは、半径方向位置によって変化し、気体が室内を通って流れる間の、試薬の減損率を補償するのが望ましい。反応器は上部壁を含んでおり、室の形状は、基板保持器上に位置している基板上に、ほぼ均一な膜成長速度を提供するのが望ましい。基板保持器は、実質的に静止状態となるように、反応器内に実質的に固定されているのが望ましい。基板保持器は、加熱器を備えているのが望ましい。気体導入システムは、反応器室に亘って複数のチャネルを備えているのが望ましい。チャネルは、反応器室の側壁にほぼ接線方向に向けられているのが望ましい。入口は、反応器室の外周にあるのが望ましい。気体導入システムと、反応器室と、気体排気口は、協働して、室の内側周辺部から、基板保持器上を通り、気体排気口へ流れる螺旋状の気体流れを提供するのが望ましい。排気口は、反応器のほぼ中央に配置されているのが望ましい。上部壁は、室の周辺部では基板保持器のレベルの上方１０ｃｍ以下にあり、排気口近くでは基板保持器のレベルの上方５ｃｍ以下にあるのが望ましい。室は、上部壁を含んでおり、上部壁は、室の周辺部では基板保持器のレベルの上方５ｃｍ以下にあり、排気口近くでは基板保持器のレベルの上方２．５ｃｍ以下にあるのが望ましい。
【００１３】
以上、上記実施形態について説明し、その重要な態様及び特徴を述べてきたように、前駆物質を基板上に均一に蒸着させる渦式ＣＶＤ反応器を提供することが、好適な実施形態の根本的な目的である。以下の本発明の説明を、図面と結び付けて読めば、本発明の上記及びその他の利点をよく理解頂けるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ここで使用する「霧」という用語は、気体に担持されている液体及び／又は固体の細かな小滴又は粒子を指すものと定義する。用語「霧」は、一般的には気体内の固体又は液体の粒子のコロイド懸濁状態と定義されるエアロゾルを含む。用語「霧」は、煙霧、並びに他の気体内の先駆物質溶液の霧状の懸濁状態も含んでいる。気体内の懸濁状態に適用される上記及びその他の用語は、一般的な用途から生じているため、定義は正確ではなく、重複しており、著者次第で別様に使用されている。一般的に、用語「エアロゾル」は、１９８３年ニューヨーク州マグロウヒル社から発行されたParkerC.Reistの「Aerozol Science and Technology」に含まれている全ての懸濁状態を含むよう意図されている。ここで使用する用語「霧」は、用語「エアロゾル」よりも広い意味を意図しており、用語「エアロゾル」又は「煙霧」には含まれない懸濁状態も含んでいる。用語「霧」は、気体化された液体、即ち気体とは区別されるものである。本発明の目的は、ベンチュリを使用して液体先駆物質ブレンドから霧を作り、それも、出来た先駆物質の霧の小滴の平均直径が１ミクロン未満、望ましくは０．２ミクロンから０．５ミクロンの範囲に入るようにすることである。
【００１５】
用語「霧化する」及び「霧状にする」は、ここでは、液体に適用する際に普通の意味で互換性のあるものとして用いており、噴霧又は霧を作るものであり、即ち、気体内に液体小滴の懸濁状態を作ることである。用語「蒸気」は、化学種の、その臨界温度より低い温度における気体を意味する。用語「蒸気化する」「蒸発」「気（体）化する」及び「気（体）化」は、本明細書では互換性のあるものとして用いる。
【００１６】
代表的なＣＶＤ処理では、所望する物質を形成するのに必要な試薬は、通常は、液体前駆物質溶液として準備され、前駆物質が蒸気化（即ち、気化）され、気化した試薬は、基板が入っている蒸着反応器内へ供給され、そこで分解して、基板上に所望する物質の薄膜を形成する。試薬の蒸気は、気体から形成することもできるし、固体を加熱し昇華によって蒸気を形成することもできる。
【００１７】
用語「薄膜」は、ここでは集積回路の技術分野で使用されているものとして用いる。薄膜は、厚さ１ミクロン未満の膜を意味する。ここに開示する薄膜は、全ての事例において厚さ０．５ミクロン未満である。ここに説明するＣＶＤ装置で形成される薄膜は、厚さ３００ｎｍ未満であり、最も好ましくは厚さ２００ｎｍ未満であるのが望ましい。２０ｎｍから１００ｎｍの膜は、本発明による装置で常套的に作られる。集積回路技術のこれら薄膜は、いわゆる膜コーティング、又はいわゆる「薄膜キャパシタ」の膜と混同してはならない。「薄」という言葉は、この様なコーティング及び膜を記述するのに使用されるが、これらは巨視的な材料に関してのみ「薄」いわけで、一般的に数十から数百ミクロンもの厚さがある。その様な「薄」いコーティングにおける不均一性は、ここで用いる薄膜の全厚よりも遙かに大きく、従って、その様なコーティング及び膜を作るプロセスは、集積回路技術の当業者には、集積回路技術とは互いに相容れないものと考えられる。
【００１８】
文献では、「試薬」「反応物質」及び「先駆物質」の様な用語が、しばしば幾分首尾一貫しない使われ方をしている。本出願では、用語「試薬」は、概ね、蒸着反応器内で反応し所望の薄膜を形成する化学種又はその誘導体を指すのに用いる。従って、本出願では、試薬は、例えば、先駆物質に含まれている金属含有化合物、化合物の蒸気、又はオキシダントガスを意味することもある。用語「先駆物質」は、ＣＶＤ法で用いられる、試薬を含む特定の化学組成物を指す。例えば、先駆物質は、固体、液体又は気体の形態をした純粋な試薬でもよい。通常、液体先駆物質は、溶媒中に１つ又は複数の試薬が入った溶液である。先駆物質は、組み合わせて他の先駆物質を形成することもできる。ここで、その様な組合せを形成するのに使用される元の先駆物質は先駆物質成分であり、一般的に、出来上がった組合せは先駆物質ブレンドである。先駆物質液体は、一般的に、時にはゾル−ゲル組成物と呼ばれるアルコキシド、時にはＭＯＤ組成物と呼ばれるカルボキシレート、時にはＥＭＯＤ組成物と呼ばれるアルコキシカルボキシレート及びその他の組成物を含む、金属有機先駆物質組成物の様な金属化合物を、溶媒内に含んでいる。代表的には、ＭＯＣＶＤ用の金属有機組成物は、金属アルキル、金属アルコキシド、β−ジケトナト、それらの組合せ、並びに他の多くの先駆物質組成物を含んでいる。或る実施形態では、多金属ポリアルコキシドが使用される。ＭＯＤ組成物は、２−エチルヘキサン酸の様なカルボキシル酸を金属又は金属化合物と溶媒内で反応させて形成することができる。上記組成物の何れかで使用できる溶媒としては、メチルエチルケトン、イソプロパノール、メタノール、テトラヒドロフラン、キシレン、ｎ−ブチルアセテート、ヘキサメチル−ジシラザン（ＨＭＤＳ）、オクタン、２−メトキシエタノール、エタノールが挙げられる。メチルエチルケトン（ＭＥＫ）の様な開始剤を加えてもよい。もっと完全な溶媒と開始剤の表、並びに金属化合物の具体的な例は、２０００年５月２日、Paz  de  Araujo他に発行された「層状の超格子構造材を製作する液体蒸着法」と題する米国特許第６，０５６，９９４号、及び１９９７年５月２５日、McMillan他に発行された「バリウムストロンチウムチタン酸塩を製作する方法」と題する米国特許第５，６１４，２５２号に含まれている。
【００１９】
ここで使用する「気化」された先駆物質は、例えば蒸発した試薬及び蒸発した溶媒の様な液体先駆物質に元から含まれていた全ての成分の気体状の形態を指す。用語「気化された先駆物質」は、単一の先駆物質の気化された形態、又は複数の先駆物質の気相混合物を指す。本出願では、用語「反応物質」及び「反応気体」は、一般的には、蒸着反応器内で基板上で生じる蒸着反応に関係する試薬を含んでいる気相の混合物を指すが、尤もこの混合物は、論理的には、蒸発した溶媒及び非反応性のキャリアガスの様な他の化学種も含んでいる。
【００２０】
液体先駆物質は、特に、霧化され、混ぜ合わされ、気化されることになる液体先駆物質の総数を減らすために、多金属ポリアルコキシド試薬を含有しているのが望ましい。ではあるが、単一金属ポリアルコキシド試薬を使用するのも、本発明の方法及び装置に完全に整合している。全てのポリアルコキシドが「アルコキシド」でもある。多金属ポリアルコキシドは、用語「金属アルコキシド」及び「金属ポリアルコキシド」に含まれている。用語「ポリアルコキシド」「金属ポリアルコキシド」及び「多金属ポリアルコキシド」は、従って、本仕様書では幾分互換性があるように使用されるが、具体的な文脈における意味は明確である。
【００２１】
本出願では、用語「過早分解」は、加熱された基板上で起きる分解を除く、全ての試薬の分解を指す。用語「過早分解」には、従って、ベーパライザの様々なステージにおける試薬の化学的分解が含まれ、そして蒸着反応器自体の中で起きる試薬の化学的分解でも、加熱された基板上で起こるのでなければ、これに含まれる。熱力学及び化学反応運動論の技術から、或る種の過早分解は、最適な作動条件下でも殆ど確実に不可避的に僅かに起きることが分かっているので、「実質的な過早分解」を防ぐのが望まれる。実質的な過早分解は、過早分解が、基板上に、連続した均一な固体物質の薄膜を形成するのではなく、固体物質の粒子を形成する場合に生じている。実質的な過早分解は、過早分解が、ＣＶＤ装置の運転を停止して、ウェーハを１００枚処理する度に１回よりも高い頻度で装置を洗浄する必要があるようなＣＶＤ装置の汚損を引き起こしている場合にも生じている。
【００２２】
ここで、「導管」とは、チューブ、パイプ、又は流体の流れが中を通っている他の装置である。導管の中は、液体、霧、又は気体の流れが通ることになる。ここで、「熱障壁」とは、ベーパライザの異なる部分の間の熱伝達に対する障害物である。「断熱材」とは、望ましくは断熱性のある固体材料を含む熱障壁の一部であるが、気体又は液体の断熱材を使ってもよい。熱障壁には、空隙も含まれる。
【００２３】
図１は、渦式ＣＶＤ（化学蒸着）反応器の斜視図であり、ＣＶＤ反応器１０である。図１に示す構成要素には、円形の反応器基部１２と、複数のクランプ１６ａ―１６ｎで反応器基部１２の上に配置され、嵌め込まれ、固定されている環状の側壁１４と、複数のハードウェアアッセンブリ２０ａ―２０ｎで反応器側壁１４の上に配置され、嵌め込まれ、固定されている円形反応器の蓋１８と、反応器の蓋１８に接線方向に固定され、反応器の蓋１８を貫通して伸張し、反応器内部２４と連通している（図２）複数の注入管２２ａ−２２ｎと、反応器の蓋１８の中心に位置し、反応器内部２４と連通している排気口２６と、反応器基部１２から外向きに伸張しフランジ３０を有している長方形の反応器基部伸張部２８と、長方形の反応器基部伸張部２８の中央に位置し、反応器内部２４と連通しているロボットアームのアクセスポート３２とが含まれている。
【００２４】
図２は、図１の２−２線に沿う渦式ＣＶＤ反応器１０の断面図であり、先に述べた数字は、全て先に説明した各要素に対応している。反応器基部１２内に位置する空洞３４の中に、又は隣接して配置されている構成要素を特に図示している。空洞３４は、様々な構成要素を収容しており、それらの多くは、次に説明する図３及び図４にも示されている。取付リング３６は、Ｏリング４０と複数の機械スクリュー４２ａ−４２ｎを使って、反応器基部１２の下部平面領域３８に対してシールされている。接続支持カラー４４は、反応器基部１２の下部平面領域３８及び取付リング３６を貫通して垂直に伸張し、抵抗加熱チャック４６を支持している。取り外し可能な高密度化炭素サセプタ４８は、抵抗加熱チャック４６と密着整列しており、高密度化炭素サセプタ４８に密着しているウェーハ基板５０へ熱を均一に伝達する。空気シリンダリフトアーム５４で垂直方向に駆動されるリフトヨーク５２は、接続支持カラー４４付近に十分な隙間を取って整列している。複数の上向きのセラミックリフトピン５６ａ−５６ｎは、リフトヨーク５２に固定され、抵抗加熱チャック４６と高密度化炭素サセプタ４８内の相互に整列配置されている複数の穴５８ａ−５８ｎ及び６０ａ−６０ｎをそれぞれ貫通して自由に伸張している。リフトヨーク５２がその最高位置まで駆動されるときには、セラミックリフトピン５６ａ−５６ｎの頂部は、高密度化炭素サセプタ４８の上面を越えて伸張する。
【００２５】
セラミック材料で作られるのが望ましいリフトピン５６ａ−５６ｎは、ウェーハ基板５０を、処理又はロボットでの取り扱い何れかのために支持するのが望ましい。リフトヨーク５２は最下方位置で示されているので、ウェーハ基板５０は、処理に備え、高密度化炭素で作られるのが望ましいサセプタ４８に密着している。これも図３及び図４に示すように、リフトヨーク５２には、位置決め可能なシャッター６２も取り付けられている。シャッター６２は、反応器基部１２の下部領域の形状に沿うように形成され、反応器内部２４を均一で滑らかな形状にするのを支援するのが望ましい。多段曲げブラケット６４及び６６は、リフトヨーク５２に適切に固定され、反応器基部１２の下部領域内のチャネル６８及び７０（図３）内に配置され、位置決め可能なシャッター６２に取り付けられ、これを支持している。プレート７２及び７４は、チャネル６８及び７０の上及びその付近に固定され、多段曲げブラケット６４及び６６の上方向運動を制限し、それに対応して、オープンモードにおけるシャッター６２の上方向運動を制限している。ロボットでの取り扱いの際には、リフトヨーク５２が上方向に動かされ、リフトピン５６ａ−５６ｎがサセプタ４８の上面の上方に伸び出て、基板５０を上昇位置５０ａまで動かす。同時に、シャッター６２は、上昇位置６２ａまで動かされ、ロボットアームアクセスポート３２を通って入るロボット手段による、反応器内部２４へのアクセスが可能になる。ウェーハ基板挿入の際には、シャッター６２とリフトピン５６ａ−５６ｎを含むリフトヨーク５２は最上方位置を取り、ロボット取り扱い装置は、伸張したセラミックリフトピン５６ａ−５６ｎの上にウェーハ基板を降ろす。次いで、リフトヨーク５２が降ろされ、ウェーハ基板がサセプタ４８上に降ろされ、シャッター６２が閉じられる。
【００２６】
熱電対７６は、チャック４６内に配置され、蒸着処理の間、加熱され、チャック４６及びサセプタ４８の温度をサンプリングして制御するのが望ましい。加熱器７８は、望ましくは抵抗加熱器で、反応器の側壁１４を取り囲んでいる。反応器基部１２の上縁部にはフランジ８０が設けられており、Ｏリング８２で、反応器側壁１４の下部フランジ８４に対してシールされている。上部フランジ８６は、Ｏリング８８と共に、反応器の蓋１８に設けられたフランジ９０に対してシールされている。
【００２７】
図３は、反応器基部１２の上面図であり、全ての数字は、先に説明した要素に対応している。先に述べたリフトヨーク５２と取り付けられているシャッター６２の、反応器基部１２との関係が具体的に示されている。
【００２８】
図４は、反応器基部１２の斜視図であり、全ての数字は、先に説明した要素に対応している。リフトヨーク５２は、空気シリンダリフトアーム５４で上向きに持ち上げられ、ロボット取り扱い装置などによる基板５０の載置に備えた位置にある。リフトヨーク５２を上向きに持ち上げると、取付られたシャッター６２も多段曲げブラケット６４及び６６（図示せず）によって持ち上げられるので、ロボット装置がロボットアームアクセスポート３２を通ってＣＤＶ反応器１０の内部にアクセスし、ウェーハ基板５０を載置又は回収できるようになる。
【００２９】
作動モードについて以下に説明する。図５は、渦式ＣＶＤ反応器１０の断面図で、反応器内部２４の回転する気体の場９２を示しており、図中の数字は、全て先に説明した要素に対応している。化学物質の蒸気は、十分な圧力と適した温度の下で、注入管２２ａ−２２ｎを通して同時に反応器内部２４に導入される。化学物質の蒸気９４は、注入管２２ａ−２２ｎから放射され、回転する気体の場を作るのが望ましい。簡単明瞭にするため、注入管２２ａから放射されて作られる回転する気体の場９２だけを示しており、多数の相補的な回転する気体の場が、同じ様に残りの注入管２２ｂ−２２ｎから放射されて作られるのが望ましいと理解頂けるであろう。注入管２２ａ−２２ｎは、化学物質の蒸気９４を含んでいる回転する気体の場９２が、反応器の側壁１４の内部壁に対し接線方向に向くよう配位されるのが望ましい。回転する気体の場は、反応器の小さくなる直径（即ち、低圧領域）に従って下向きに動く。下向きの螺旋状を成す気体は、下部表面及び基板に当たり、引きずられる。引きずられるために速度が落ちるので、気体は、圧力が低い、内方向及び上方向へ流れる。その結果、気体は上方向に螺旋を成し、反応器排出口から出る。角運動量の保存により、螺旋の方向が継続的に維持され、低い乱流状態が維持される。図７（側面図）及び図８（基板面の上面図）を参照されたい。
【００３０】
図６は、渦式ＣＶＤ反応器１０の上面図であり、簡単明瞭にするため、反応器の蓋１８は示していないが、注入管２２ａ−２２ｎをＣＶＤ反応器１０の反応器内部２４上方に宙に浮かせて描いている。図５と同様に、そして簡単明瞭にするため、１つの注入管２２ａから放射されて作られる回転する気体の場９２だけを示しており、多数の相補的な回転する気体の場が、同じ様に残りの注入管２２ｂ−２２ｎから放射されて作られるものと理解頂けるであろう。全ての数字は、先に説明した要素に対応している。図６に示すように、気体は、内向きに螺旋を成し、円周方向の運動成分と、注入管２２ｃの入口６３端部から排気口２６（図５）までｄ方向のもう１つの成分とを有している。図５で垂直方向の運動成分もある。同じく、他の各入口からの気体も、３つの運動成分を有している。
【００３１】
図７は、提案する渦式ＣＶＤ反応器の流れのシミュレーションを示している。図８は、基板の面における気体の動きを示すシミュレーションであり、気体は、殆ど乱流なしに螺旋を形成している。平面上の回転している気体の場に関して、Ｓｃｈｌｉｃｔｉｎｇの境界層理論（以後「Ｓｃｈｌｉｃｔｉｎｇ」と呼ぶ）に数学的議論がある。Ｓｃｈｌｉｃｔｉｎｇは、均一な境界層について論じており、図８に示すシミュレーションと関連している。Ｓｃｈｌｉｃｔｉｎｇは、気体の境界層が、（Ｖ/Ｗ）の二乗に比例することを示しており、ここにＶは粘性、Ｗは回転速度である（角周波数及び角速度としても知られている）。図１-６の実施形態において、境界層の厚さは、反応器１０内の半径方向位置によって、概ね変わらない。
【００３２】
図９は、反応器９００と、連結されているベーパライザ１００の側断面図である。反応器９００と反応器１０の違いの大部分は、反応器蓋９５２と反応器基部９５８とを分ける分割線９０６の上方にある。反応器基部９５８と反応器１０の反応器基部１２との違いを先ず論じることとする。シャッター９０８が、加熱チャック４６の下に示されている。シャッター９０８は、必要に応じて、湾曲シャッター１１１２（図１１）と協働して、基板５０へのロボットアクセスのための開口部を提供するのが望ましい。
【００３３】
熱制御反応器９００で使用するのに好適な１つの加熱器は、マイカ加熱器である。しかしながら、加熱器について論じる以下の説明では、様々な異なる型式の加熱器を利用することができ、反応器９００の表面と物理的に接触していてもいなくてもよい旨理解頂きたい。更に、加熱器を他の形態の熱制御と入れ替えてもよい。例えば、反応器９００の選択された部分の温度を、選択された処理のために冷却しようとする反応器９００の別の実施形態では、１つ又は複数の加熱器を冷却機構に置き換えてもよい。この実施形態では、加熱器９４６は、反応器基部に取り付けられている。加熱器９１２は、反応器基部延長部２８の下向きの面に取り付けられているのが望ましい。加熱器９１４は、反応器基部延長部２８の外側垂直壁に取り付けられているのが望ましい。
【００３４】
次に、反応器の蓋９５２に注目しよう。ベーパライザ１００は、図９の上部に示されている。ベーパライザ１００は、共通譲渡され、同時出願され、係属中の関連出願第０１３１８０．１１４号「化学蒸着ベーパライザ」に詳細に論じられているので、ここではその詳細については述べない。ベーパライザ１００は、反応器コネクタインタフェース９２６で反応器９００に接続しているのが望ましい。図９の議論の残りは、気体導入システム９２２と、反応器室９５０と、排気口９２８の３つの大きな区分に関連している。
【００３５】
気体導入システム９２２は、反応器入口９２４と、管９３８と、導管９４０と、チャネル９６８と、チャネル９６８の内側（室）端部の入口９４２と、を含んでいるのが望ましい。排気口９２８は、排気口９３０と、排気管９３２と、排気管フランジ９３４とを含んでいるのが望ましい。この実施形態では、複数の管９３８が、反応器入口９２４に連結されており、気体を、反応器室９５０の外周回りに配置されているのが望ましい導管９４０へ送る。図９には導管を１つだけ示しているが、反応器９００内にそのような導管を２つ又はそれ以上採用することもできる。この実施形態では、気体を導管９４０へ送るのに６つの管９３８が採用されている。しかしながら、採用する管は、６本未満でも７本以上でもよい。
【００３６】
この実施形態では、望ましくは反応器室９５０の外周回りに等間隔で配置されている、１８本のチャネル９６８が、気体を、導管９４０から入口９４２を通して反応器室９５０へ送る。勿論、反応器９００のチャネル９６８と入口９４２は、１８個より少なくても多くてもよい。前駆物質の気体９５４は、入口９４２から流れ込み、基板５０と基板保護リング９２０の上を通り、排気口９３０を通って出てゆくのが望ましい。基板５０の上面と入口９４２の間の垂直距離は、１０ｃｍ（センチメートル）以下であるのが望ましく、５ｃｍ以下であれば更に望ましく、２．５ｃｍ以下であればなお望ましい。
【００３７】
この実施形態では、望ましくはマイカ加熱器である、加熱器９１６は、反応器の蓋９５２の上面回りに円周状に配置されている。別の円周状の加熱器９１８が、反応器室９５０の上方、且つ排気管９３２の下方の、反応器中央部分９５６の上部に配置されているのが望ましい。Ｏリング９４４及び９４８が、反応器の蓋９２８と反応器中央部分９５６の間に好適に配置されている。
【００３８】
反応器室９５０は、基板５０と支持ハードウェアを収容し、基板５０上に必要な気体流れ特性が得られるよう構造的に支援している。反応器室９５０は、室底部９６２、室頂部９６４及び室側壁９６６を含んでいる。一般的に、気体の流速は、反応器室９５０の中心１５０８へ近付くほど速くなるのが望ましい。角運動量保存則と、中心１５０８に向かって進むにつれ流れの半径方向距離が本来的に短くなることが組み合わさって、中心１５０８からの距離が減るにつれて速度が増す第１の要因が生まれる。室の頂部９６４の、中心１５０８に向かう下向きの傾斜は、好都合に、中心１５０８に向かって動くにつれ気体速度が増す第２の要因を作り出す。図９は、中心１５０８からの距離が短くなるにつれて室内高が直線的に減少する様子を示している。しかしながら、室底部９６２と室頂部９６４の両方が、広範囲の形状を取れるものと理解されたい。更に、線形及び非線形を含め、広範囲な数学的関係を、反応器室９５０の高さと半径方向位置（中心１５０８からの距離）を関係付ける関数に組み込むこともできる。この実施形態では、室頂部９６４が、水平方向に１４度（０．２４４ラジアン）傾斜している。
【００３９】
この実施形態では、排気口９３０は、反応器室９５０のほぼ中心に配置されており、反応器室９５０の中心１５０８上方の垂直又は実質的に垂直な中空領域である。排気口９３０は、水平方向管９３２に接続され、管９３２は、排気管フランジ９３４で終端しているのが望ましい。
【００４０】
図１０は、図９のベーパライザ１００と反応器９００の側断面図であり、反応器ハウジング１０１４を示している。図１０は、図９では論じなかった幾つかの雑多な部品を含んでいる。図２−６及び／又は図９と関連付けて先に述べた部品については、ここでは論じない。
【００４１】
図９と同じく、ベーパライザ１００は、反応器９００に接続されている。電気リード線１００２は、ベーパライザ１００用の加熱器の１つに繋がっている。反応器ハウジング１０１４は、反応器９００を取り囲んでいる。ヒンジアーム１００４は、反応器ハウジング１０１４（図１０で見て）の左側に接続されている。ヒンジアーム１００４は、反応器ハウジング１０１４を、反応器９００の邪魔にならない位置まで回転できるのが望ましい。ハウジングハンドル１００６は、反応器ハウジング１０１４の（図１０で見て）右側に接続されている。ハウジングハンドル１００６は、好適に、反応器ハウジング１０１４を所望の位置まで移動又は回転させるのに用いられる。この実施形態では、加熱器９１６の上方に載置された螺旋状に巻かれているアルミニウム配管１０１６の上に、配管板１０１０が配置されている。配管１０１６は、気体弁１００８に連結されている。気体弁１００８の出力は、ベーパライザ１００のキャリヤガス管１０１２の（図１０で見て）上部に導かれているのが望ましい。
【００４２】
図１１は、図９のベーパライザ１００と反応器９００の側断面図であり、一次排気接続部１１０６を示している。図１０は、図９では議論しなかった幾つかの雑多な部品を含んでいる。図２−６、９、１０と関連付けて先に述べた部品については、ここでは論じない。液体導管１１０２は、流体をベーパライザ１００に向けて送る。電気リード線１１０４は、ベーパライザ１００の加熱器（図示せず）に繋がっている。
【００４３】
この実施形態では、排気口９３０は、蒸発室９５０の中心上方に配置されている。排気口９３０は、排気管９３２に接続され、排気管９３２は一次排気接続部１１０６に繋がっている。この実施形態では、保護リングリンケージ１１０８は、反応器９００の左側で底部近くに配置されており、基板保護リング９２０（図９）を上下させるように作動する。保護リングリンケージ１１０８は、基板５０を反応器室９５０へ挿入し、又は反応器室９５０から取り外す際に、保護リング９２０を上昇させる。基板５０が反応器室９５０内の適所に載置されると、保護リングリンケージ１１０８は、保護リング９２０を降ろして基板５０を固定し保護する。ロボットアームアクセスポート１１１０は、（図１１で見て）反応器９００の左側で底部近くに配置されている。湾曲したシャッター１１１２は、アクセスポート１１１０の直ぐ上に配置されている。
【００４４】
図１２は、反応器９００の一部分の斜視図であり、複数のチャネル９６８が導管９４０から出ている様子を示している。この実施形態では、１８個のチャネル９６８が導管９４０から反応器室９５０へ通じている。チャネル９６８の数は、１８より少なくても多くてもよい。多数のチャンネル９６８を採用しているが、チャンネル９６８は、反応器室９５０の外周回りに導管９４０に沿って等間隔に配置されているのが望ましい。図１３は、導管９４０の一部分と、この部分から出ている２つのチャネル９６８の拡大等角図である。入口９４２は、各チャネル９６８の室９５０側端部に位置している。チャンネル９６８の軸と導管９４０の軸の間の角度は鋭角であることがお分かり頂けよう。チャンネル９６８の軸は、導管９４０の軸の方向に対しほぼ接線方向であるのが望ましい。図１４は、管９３８に接続されている導管９４０の一部分とチャンネル９６８の正面端部断面図である。この実施形態では、６つの管９３８が設けられており、反応器室９５０の外周回りに等間隔に配置されているのが望ましい。別の実施形態では、管９８３の数は、６より少なくても多くてもよい。更に又別の実施形態では、管９３８を、室９５０の外周回りに非均一に配設することもできる。
【００４５】
図１５は、図９に示す反応器室９５０の一部分の拡大側断面図である。図１５に示す装置構成要素の大部分は、図２−６及び９−１１と関連付けて論じたので、ここではその議論を繰り返さない。この実施形態では、基板５０はサセプタ上に配置されている。気体流れの境界層１５１２が、基板５０上に形成される。境界層１５１２の厚さは、気体９５４の速度を半径方向位置１５２０の関数として制御することによって制御される。
【００４６】
随意の気体加熱操作について、図９−１１に関連付けて論じる。この実施形態では、気体加熱機構は、反応器９００から熱を得られることを利用して、キャリヤガスを、反応器室９５０を出た後で所望温度にするよう運用されている。この実施形態では、気体９５４は、反応器室９５０を離れた後、配管板１０１０と加熱器９１６（又は他の加熱器）の間に挟まれている配管１０１６（図１０）へ送られる。この時点では、この気体は、大部分の試薬が既に取り除かれているので、概ねキャリヤガスである。配管１０１６を通って進んだ後、キャリヤガスは、弁１００８に送られるのが望ましい。弁１００８は、キャリヤガスをベーパライザ１００のキャリヤガス導管１０１２へ向けて送り出すのを、好適に制御する。キャリヤガスは、約２００℃の温度になっているのが望ましい。この様にして、消散されることになるかもしれない熱を、有効に利用して、導管１０１２へ送られるキャリヤガスを「自由」加熱する。
【００４７】
ここに開示するＣＶＤ反応器の実施形態の作動について、図１−１５に関連付けて以下に論じる。図２−６の反応器１０と、図９−１５の反応器９００の特徴について、議論する。その後、図９−１５の実施形態の作動についての詳細に議論する。
【００４８】
図９の反応器９００実施形態は、図１−６の反応器１０よりかなり低い。反応器９００のこの高さ低減の１つの効果は、反応器９００の気体導入システム９２２が、前駆物質の気体９５４を、基板５０の上面のレベルに非常に近い垂直方向レベルで導入できるようになることである。この気体の導入と基板５０の間の垂直方向近接度が増すと、各室内で作られる渦内の気体速度が高まり好都合である。
【００４９】
反応器９００は、反応器１０で使用される気体よりも多くの気体を室９５０に導入するための修正されたシステムである。図５の反応器１０は、気体を直接反応器１０の内部に放射してらせん状の流れを作るのに複数の管を採用している。反応器９００（図９）は、気体を室９５０へ導入するため気体導入システム９２２を備えている。気体導入システム９２２は、気体を、前駆物質の気体９５４用の気体マニホルドの形として働く外周の導管９４０へと送る複数の管９３８を好適に含んでいる。前駆物質の気体９５４は、導管９４０を通って循環し、入口９４２に到り更に反応器室９５０内へと繋がっている複数のチャネル９６８を通して、反応器室９５０に導入される。気体導入システム９２２の構造は、好適に、反応器室９５０の内側周辺における気体流れの均一性を改善し、反応器室９５０へ導入される際の前駆物質の気体９５４の方向を良好に制御する。
【００５０】
反応器９００は、半径方向位置によって変わる高さを導入している。図１−６の反応器１０の内部高さは基本的に一定であるが、反応器室９５０（図９−１１、１５）の高さは、好適に、反応器室９５０の室中心１５０８からの半径方向距離１５２０の関数となっている。図９の実施形態では、反応器室９５０の底部面が実質的に平面なので、室の高さの変化は、専ら反応器室９５０の傾斜した内側上面によってもたらされる。しかしながら、別の実施形態では、反応器室９５０の底部内側表面も、室中心１５０８からの距離が減少するにつれ室の高さを低減するような形状とすることができる。別の実施形態では、底部表面及び上部表面を、これら２つの部分を分ける水平方向中心線に関して対称に設計することもできる。更に別の実施形態では、上部及び下部は、異なる、室内高が変わる形状を有していてもよい。
【００５１】
反応器室９５０内の気体の流れについて考える。管９３８から入口９４２を通る前駆物質の気体９５４の流れについては先に説明したので、ここでその議論は繰り返さない。同様に、配管１０１０（図１０）を通り最終的にベーパライザのキャリヤガス導管１０１２へ送られる減損した前駆物質の気体９５４の流れについても、先に説明したので、ここではその議論も繰り返さない。ここでは、入口９４２からの放出と排気口９３０の間の、反応器室９５０内の、前駆物質の気体９５４の雰囲気条件と流れ条件に関する議論を行う。
【００５２】
図１５では、前駆物質の気体９５４は入口９４２で反応器室９５０へ入るが、図ではその内各１つを反応器室９５０の各側に示している。或る好適な実施形態では、反応器室９５０には１８個の入口９４２が設けられている。図１５の実施形態では、室９５０の左側では、気体９５４は、図１５の面に垂直にページから出る方向１５０２に動く。同様に、右側では、気体９５４は、図１５の面に垂直にページに入る方向１５０４に動く。前駆物質の気体９５４は、入口９４２から放出される際には、毎秒約４メートルの線速度で動くのが望ましい。
【００５３】
この実施形態では、各種前駆物質試薬の感度のため、反応器室９５０内の圧力と温度条件は厳しく制御されている。具体的には、温度は、凝縮を回避できるほどに高く、過早分解を回避できるほどに低くなければならない。前駆物質の気体９５４には多くの試薬が含まれているので、そのような試薬全ての凝縮及び過早分解を回避できる雰囲気条件を選択しなければならない。前駆物質の気体９５４は、約２００℃に維持されるのが望ましい。室９５０内の静圧は、約１３３．３Ｎ／ｍ２（平方メートル当たりニュートン）（１トール）である。この低圧環境は、多くの既存のＭＯＣＶＤ（金属有機化学蒸着）反応器環境内で用いられている温度より低温でも、前駆物質の気体の凝縮を回避でき好都合である。反応器室９５０の室側壁９６６は、約１９０℃に保持されるのが望ましい。この実施形態では、基板５０は、３２０℃と３６０℃の間の温度に保持されるが、約３４０℃に保持されると更に望ましい。基板５０の比較的低い温度は、より高い基板温度を使っている幾つかの既存の反応器内では起こる前駆物質の気体９５４の分解及び前駆物質の気体９５４からの微粒子物体の析出を阻止し、好都合である。
【００５４】
加熱されるチャック４６が静止しているので、チャック４６を回転させるための装置を取り除くことができ、反応器９００の設計が簡単になり好都合である。これに対し、既存のシステムでは、チャック４６が回転するため、基板の温度測定に用いられる熱電対のケーブル又は他の機器のリード線の配線が複雑になりがちである。しかしながら、反応器９００内のチャック４６は静止しているので、機器のリード線がチャック４６と基板５０の回転に妨げられないため、基板温度測定があまり厄介なものにならず、好都合である。チャック４６とサセプタ４８を備えている基板保持器が、基板５０を保持している。
【００５５】
この実施形態では、前駆物質の気体は、入口９４２から室中心１５０８に向かって進む間に、幾つかの要因によって加速される。第１の要因は、角運動量の保存であり、高さ一定の室で、積Ｖ・Ｒが一定である必要があり、ここに、Ｖは速度、Ｒは、Ｖが測定される流れの半径方向位置である。反応器１０のように高さが一定の室では、この方法は、基板５０の上の流れの境界線層厚さを一定にする助けになった。この方法は、先行技術のシャワーヘッド式の気体分配システムに存在していた、静止したシャワーヘッドの下で基板を回転させる効果を複製するのに役立った。しかしながら、図２−６に示されているような螺旋形気体システムでは、前駆物質の気体内の試薬の濃度は、反応器１０の内部を移動する距離が増えれば徐々に減損していくことが分かった。つまり、試薬の濃度は、反応器１０の周辺より中心近くの方が低かった。反応器１０の中心付近の低い試薬レベルと、基板５０に亘るほぼ均一な境界層流れの厚さが組み合わさって、反応器１０内で基板５０の中心付近の膜成長速度が低くなった。具体的には、高さ一定の反応器内で実行された幾つかの処理では、基板５０の中心の膜成長速度は、基板５０の縁部で達成された膜成長速度の僅か２０％であった。基板５０の中心で達成された成長速度は、毎分約１０オングストロームであった。
【００５６】
従って、反応器の中心に向かう運動と共に生じる試薬の減損を補償するための機構が、追求された。特に、基板５０上の気体流れの速度及び境界層厚さ１５１２を含む前駆物質の気体９５４の流れの特性を制御することが、この作用に役立つことが分かった。１つの有効な方法は、反応器室９５０内の半径方向位置の関数として反応器室高さを変えて、反応器の中心１５０８からの距離が減少するにつれて速度が増す追加要因を加えることである。流れが速くなると、基板５０上の流れの境界層１５１２の厚さが減少し、その結果、境界層１５１２を通過して基板５０まで広がる試薬の拡散が増大し、好都合である。試薬の拡散率の増大は、試薬濃度の低下を適切に補償し、基板５０の表面上に実質的に均一な膜成長速度を作り出す。半径方向距離１５２０が減少するにつれて試薬の減損が進むが、半径方向距離１５２０が減少するにつれて気体９５４の流速を適切に増すことによって、この影響を補償することができる。
【００５７】
概括的には、反応器室９５０の高さ１５２４を半径方向位置１５２０の関数として減少させると、気体９５４の流速１５１６が、（流速１５１６に影響を与える他の要因に加えて）高さの減少に反比例して増大する。高さ１５２４は、指数関数を含む広範囲の線形及び非線形の関数を使って、半径方向位置Ｒｘ１５２０に対して変化させることができる。図９−１１及び図１５の実施形態では、室高さ１５２４は、半径方向位置１５２０と共に線形に変化する。しかしながら、当業者には理解頂けるように、室内高と半径方向位置の間に他の数学的関係を組み込んだ設計を採用してもよい。
【００５８】
図１５に注目すると、任意の半径方向位置Ｒｘにおける前駆物質の気体９５４の速度の値は、以下の式で与えられ、
（１）    Ｖｘ＝Ｖ０・（Ｈｉ／Ｈｘ）・（Ｒｉ／Ｒｘ）
ここに、Ｖｘ１５１６は気体速度、Ｖ０１５１２は初期の気体速度、Ｈｉ１５０６は、気体９５４が反応器室９５０に導入される場所の反応器室９５０の高さ、Ｈｘ１５２４は、半径方向位置Ｒｘ１５２０における反応器室９５０の高さ、Ｒｉ１５１０は反応器室９５０の半径、Ｒｘ１５２０は、図示のように気体速度Ｖｘ１５１６が測定される半径方向位置である。室内高１５２４と半径方向位置１５２０の関係は、先駆物質の気体９５６が被る試薬の減損に基づいて、必要な速度増加率が得られるように、室底部９６２及び／又は室頂部９６４の形状を修正することによって調整することができる。反応器室９５０の望ましい形状を決定するのに関わる変数は、実験及び／又は分析によって求めてもよい。これらの変数には、限定するわけではないが、半径方向位置１５２０の関数としての試薬濃度の割合と、境界層１５１２厚さと、半径方向位置１５２０による温度及び／又は圧力の変化と、基板５０上の位置の関数としての膜成長の割合とが含まれる。
【００５９】
この様に、前駆物質の気体９５４の速度は、室の中心１５０８に向かって進むにつれ、上記式（１）に従って加速される。Ｈｘ／Ｈｉの大きさが小さくなるつれて、境界層１５１２の厚さが減るので、Ｈｉ／Ｈｘが大きくなるにつれて、基板５０上の拡散率が増大し好都合である。小さくなってゆくＲｘ１５２０の関数としての、前駆物質の気体９５４から基板５０への拡散の増加率は、同一Ｒｘ１５２０範囲上の試薬濃度の下降率と実質的に等しいので、半径方向位置による試薬濃度の変化に必要な補償を行え、好都合である。この必要な補償を行うことによって、膜の成長速度が、基板５０の表面に亘って実質的に均一になり、好都合である。反応器室９５０内で蒸着処理を行った実験では、基板５０の中心における膜成長速度が、基板５０の縁部で得られた膜成長速度の９７％であり、高さ一定の反応器を使って得られたものから２０％を越える大幅な改良であった。更に、基板５０の中心で達成された成長速度は毎分約１００オングストロームであり、高さ一定の反応器室を使用した場合の成長速度を１０倍上回っている。
【００６０】
要約すると、本発明の特徴は、気体が入口９４２から排気口９３０へ移動する際に前駆物質の気体が使用できる反応器の容積が、本発明により低減されるということである。つまり、気体が入口９４２から排気口９３０までＲ方向に動く際に、この方向に沿う単位距離当たりの反応器の容積は低減し、即ち、方向Ｒに沿う距離１ｃｍ各に、そのｃｍを含む容積は、気体が入口９４２から排気口９３０へ動くにつれて小さくなる。本発明の好適な実施形態では、方向Ｒは、実質的に半径方向に内向きである。しかしながら、本発明は、方向Ｒが、実質的に半径方向に外向き、又は他の何れの方向であってもよいことを考慮している。重要なことは、蒸着によって気体が室から取り除かれる際に、基板の単位領域毎の蒸着速度が基本的に同じになるように、気体が使用できる容積を低減することである。
【００６１】
前駆物質の気体９５４は、室の中心１５０８、又は室の中心に実質的に近接する領域に達した後、排気口９３０を通り排気管９３２に沿って進む。
以上、現時点で本発明の好適な実施形態と考えられることについて説明してきた。本発明は、その精神及び基本的特性から逸脱することなく、この他の形態でも実施できるものと理解されたい。例えば、上に述べた各発明的特徴は、１つ又はそれ以上の他の発明的特徴と組み合わせることもできる。即ち、発明的特徴の考えられる全ての組合せに付いては、本開示が理不尽に冗長になることのないようにするため具体的に説明してはいないが、この他にも特徴は様々に組み合わせ得るものと理解されたい。これらの実施形態は、従って、説明のためのものと理解されたい。本発明の範囲は、特許性球の範囲に示す通りである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明による渦式ＣＶＤ反応器の斜視図である。
【図２】図１の２−２線に沿う渦式ＣＶＤ反応器の断面図である。
【図３】図１の反応器の基部の上面図である。
【図４】図３の反応器基部の斜視図である。
【図５】図１の渦式ＣＶＤ反応器の断面図で、反応器内部の回転する気体の場を示している。
【図６】図１の渦式ＣＶＤ反応器の上面図で、反応器内部の回転する気体の場を示している。
【図７】図１の反応器を通る気体の流れを、正確な寸法、気体の種類、及び温度を使ってシミュレートしたものを示している。
【図８】図７の回転する気体の場の基板の面における上面図で、らせん状の気体の良好な均一性を示している。
【図９】ベーパライザと連結されている、本発明の好適な実施形態による反応器の一部分の側断面図である。
【図１０】反応器のハウジングを示している、図９の反応器の一部分の側断面図である。
【図１１】一次排気接続部を示している、図９の反応器の一部分の側断面図である。
【図１２】複数のチャネルを示している、図９の反応器の一部分の斜視図である。
【図１３】図９の反応器の導管形成部分の一部分の拡大斜視図である。
【図１４】図９の反応器の導管部分の正面端部断面図である。
【図１５】図９に示す反応器室の一部分の拡大側断面図である。
【図１】
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【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年8月9日(2004.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学蒸着法において、
基板面を画定する基板保持器（４６、４８）を含む反応器室（９５０）を提供する段階と、
前駆物質の気体を、前記反応器室を通して、気体入口（９４２）から排気口（９３０）の方向（Ｒ）へ、前記基板面に実質的に垂直な軸（１５０８）回りの円形運動として、且つ前記前駆物質の気体が前記方向に移動する際に前記前駆物質の気体が使用できる単位距離当たりの反応器容積を減少させながら、移動させる段階と、
前記蒸気を反応させて、前記基板の表面上に固体薄膜を蒸着させる段階と、から成る方法。
【請求項２】
前記移動させる段階は、螺旋状運動を提供する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記移動させる段階は、前記前駆物質の気体が前記反応器室に近づくにつれて、前記前駆物質の気体の速度を増大させる段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記移動させる段階は、前記移動する前駆物質の気体の流れの特性を制御して、前記移動する前駆物質の気体内の試薬の減損を補償する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
化学蒸着（ＣＶＤ）反応器（９００）において、
反応器室（９５０）と、
前記反応器室内に配置され、基板面を画定する基板保持器（４６、４８）と、
気体入口（９４２）を含む気体導入システム（９２２）と、
気体排気口（９３０）と、を備えており、
前記反応器室は、単位距離当たりの反応器の容積が、前記気体入口から前記気体排気口への方向（Ｒ）に減少するように形成されている、化学蒸着反応器。
【請求項６】
前記反応器は頂部壁を含んでおり、前記室の中心からの距離が増加するにつれて、前記基板保持器上方の前記反応器室の頂部壁の高さが増加する、請求項５に記載のＣＶＤ反応器。
【国際調査報告】
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