(57)【要約】  薄膜形成のため、及び、半導体表面上に膜を析出するための析出チャンバー（２６、８４、１３０）に蒸気を導入するための蒸発系（５０、９２、９２ａ、９２ｂ、１８０）であって、この系は蒸発チャンバー（５２、１１６、１９２）を有し、蒸発チャンバーには、ガスストリーム中で運ばれる少なくとも２つの異なる独立した液状前駆物質（５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ、１１０Ａ、１１０Ｂ、１８６）が選択的に提供される。ガスストリームは、ガス供給源（１２、６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、９８Ａ、９８Ｂ、１８４）からの単一のキャリヤガスか、又は複数のキャリヤガスのうち選択された１つであってもよい。導入しようとする液体が、高温表面との接触により熱分解を受けやすい場合は、蒸発チャンバー（５２、１１６、１９２）の入口で噴霧器（９４、１４２Ａ、１４２Ｂ、１５４Ａ、１５４Ｂ、１８２）を使用して、蒸発チャンバー（５２、１１６、１９２）に同時又は連続的に導入するためのガス供給源１２、６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ、９８Ａ、９８Ｂからの１種又はそれより多い個々のキャリヤガスから、蒸発チャンバー（５２、１１６、１９２）にエアロゾルを提供する。蒸発チャンバー（５２、１１６、１９２）は、蒸発させたガス／蒸気混合物が蒸発チャンバー（５２，１１６，１９２）から出る前に、加熱された通路（１９８、１２４、２０２、２１２）を通る再循環ガスフローを組み込むことにより、完全な蒸発が確実になるように設計してもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流れ入口及びエアロゾル出口、該ガス流れ入口に連結されたガスの供給源、該入口と該出口との間にガスジェットを形成するオリフィス、及び、該ガスジェット中に導入されるように連結された噴霧すべき液体の供給源を有する噴霧器であって、該供給源の少なくとも１つが、該噴霧器にそれぞれ選択的に提供される複数の異なるガス又は液体を含む、前記噴霧器。
【請求項２】
複数の異なるガス又は液体を提供する供給源が、ガスの供給源を含み、該ガスの供給源が、噴霧器のガス流れ入口に連結され、更に、該入口に導入可能な複数の異なるタイプのガスを有する、請求項１記載の噴霧器。
【請求項３】
複数の異なるガス又は液体を含む供給源が、液体の供給源であり、噴霧器に選択的に導入可能な複数の異なる液体の供給源である、請求項１記載の噴霧器。
【請求項４】
噴霧器が、その中に規定された複数の通路を有し、複数のガス又は液体を有する供給源が、複数のガス供給源を含み、そして、各々のガス供給源が、別個の通路に連結され、ここで、液体の供給源が、複数の異なるタイプの液体を含み、該異なるタイプの液体の各々の供給源が、該噴霧器の複数の通路のうち選択された１つに連結されている、請求項１記載の噴霧器。
【請求項５】
両方の供給源が、それぞれの供給源からの複数のガス材料又は液体材料を含む、請求項１記載の噴霧器。
【請求項６】
ガス流れ中に保持される材料を蒸発させるための蒸発系であって、蒸発チャンバーを規定する外部ハウジングと、該チャンバー中の加熱された表面部材と、該チャンバーに連結された少なくとも１種のガスの第一の供給源と、該ガス中に保持され該チャンバーに運ばれる少なくとも１種の液体の第二の供給源とを含み、ここで、該第一及び第二の供給源のうち少なくとも１つが複数の異なる材料を含み、これら材料が該チャンバーへ導入して加熱された表面部材上の熱により該チャンバー中で蒸発させるためのそれぞれのガス及び液体のうち１つからなる、前記系。
【請求項７】
第一及び第二の供給源が、噴霧器を介して蒸発チャンバーに連結される、請求項６に記載の蒸発系。
【請求項８】
蒸発チャンバーが入口を有し、ガスが該蒸発チャンバーへの該入口に向かって動くにつれて該第一の供給源からのガスが該第二の供給源からの液体と接触するように、第一及び第二の供給源が該入口に連結される、請求項６又は７に記載の蒸発系。
【請求項９】
第一及び第二の供給源からの材料の流れを制御し、更に、蒸発チャンバー中の加熱された表面部材上の熱を制御するためのコントローラーを含む、請求項７に記載の噴霧系。
【請求項１０】
蒸発させた液体をプロセスチャンバーに提供する方法であって、その中に加熱された表面部分を内包する蒸発チャンバーを提供する工程、該蒸発チャンバーの入口へ導入するための少なくとも２つの独立した液体供給源を提供する工程、１種又はそれより多い供給源から該入口への液体の流れを選択的に制御する工程、及び、該液体及びガスを該蒸発チャンバーに導入する前に、該選択された液体とキャリヤガスとを混合する工程を含む、前記方法。
【請求項１１】
液体を蒸発チャンバーに導入する前に、ガスからガスジェットを形成し、そして、該ガスジェットに液滴を導入して、エアロゾルを形成することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ガスジェットを形成することが、噴霧器装置においてガスジェットを形成し、そして、蒸発チャンバーへ導入する前に噴霧化するため、少なくとも２つの液体を、該噴霧器装置に、連続して、又は同時に選択的に提供することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
ガス及び液体の小滴を含むエアロゾルのための蒸発器であって、前記蒸発器が、入口及び出口を有する内部蒸発チャンバーを規定するハウジングと、それを通る複数の通路を有する第一の金属ブロックと、該入口と並べられた該第一の金属ブロックを通る内腔であって、それを通って該エアロゾルが排出される該内腔と、該入口と一直線に並べられた該第一の金属ブロック中のオリフィスとを含み、前記オリフィスが、該第一の金属ブロック中の該内腔につながる開口部を形成する、前記蒸発器。
【請求項１４】
オリフィスが、内腔と実質的に同じ寸法よりも大きくない寸法である、請求項１３に記載の蒸発器。
【請求項１５】
エアロゾルは、入口を通るガスジェットを形成する、請求項１３に記載の蒸発器。
【請求項１６】
それを通る複数の通路を有する内部蒸発チャンバー中に第二の金属ブロックが存在し、該第二の金属ブロックが、第一の金属ブロックと間隔が開けられ、更に、該第一の金属ブロックと蒸発器の出口との間に位置する、請求項１３に記載の蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
発明の背景
本発明は、１種より多くの液状前駆化学物質を、１つの蒸発器で、同時に、又は連続して蒸発させることができ、更に、１種又はそれより多いキャリヤガスを１種又はそれより多い前駆化学物質とともに、同時に、又は連続して使用することができる、液状前駆物質の化学的蒸発系を提供する。複数の前駆物質材料を提供する性能が単一の蒸発器に組込まれており、コストと材料の節約、ならびに、化学蒸着（ＣＶＤ）チャンバーにおける膜の品質とウェーハのスループットの改良につながる。
【０００２】
液状前駆化学物質を半導体デバイス製造に使用する場合、一般的には、その液体を蒸発させ、次いでその蒸気を半導体ウェーハを収容するプロセスチャンバー中に導入して、ウェーハ表面上に薄膜を形成することが必要である。最も広く使用されているウェーハ上への薄膜形成方法は、化学蒸着（ＣＶＤ）によるものである。ＣＶＤ法は、プラズマと組み合わせて用いられることが多く、これは、プラズマエンハンストＣＶＤ又はＰＥＣＶＤ法と称される。析出が起こるチャンバーは、ほぼ大気圧（すなわち約７６０トル）であってもよく、又は、減圧（すなわち真空圧）でもよい。チャンバー圧力は、１トル〜７６０トルの範囲でもよいし、７６０トルを超える範囲でもよいし、ミリトルレベルの範囲でもよいし、又は、１ミリトルを下回る高真空の圧力であってもよい。
【０００３】
半導体デバイス製造に用いられる多くの最先端の液状前駆化学物質は、一定の具体的な所望の膜特性が提供されるように特別に配合されるため、これらはかなり脆いことが多く、加熱すると熱分解しやすい。熱分解を避けるための方法は、圧縮ガスを用いて液状前駆化学物質を噴霧して、前駆物質の液滴を含有するエアロゾルを形成し、次いでこのエアロゾルを加熱された金属表面の上を通過させて熱をこのガスに伝達し、この液滴を蒸発させることである。これにより、直接的な金属と液体との接触と、その結果として、液体が高温の熱された金属表面に接触することにより起こり得る熱分解が回避されるか、又は大いに低減される。
【０００４】
本明細書において、エアロゾルという用語は、ガス中に懸濁されている、噴霧された液体の小滴又は固体粒子を意味するものとして用いられる。所望の前駆化学物質が固体の場合、前駆化学物質を液体溶媒中に溶解し、さらに噴霧することによって、溶液の小滴を形成することができる。ガスを加熱して溶液の小滴から溶媒が蒸発すると同時に、残存する固体粒子の残留物が、その固体自体が蒸発する前にガス中に懸濁されるが、この固体（本質的には乾燥粒子）が懸濁されたガスもエアロゾルと称される。このように、エアロゾルは、液体の小滴又は固体粒子のいずれかが懸濁されたガスである。懸濁された液体の小滴又は固体粒子の寸法は、通常、直径１〜１０μｍであるが、１００μｍほどの大きいもの、又は、０．００２μｍほどの小さい懸濁された液体の小滴又は固体粒子を含有するガスでも、エアロゾルと称することがある。０．００２μｍ未満の小滴又は粒子は、通常、分子クラスターと称されるが、本発明の目的においては、１００μｍ未満の任意の粒状物質を懸濁状態で保持しているガスをエアロゾルと称する。
【０００５】
米国特許第６，４０９，８３９号で開示された先の発明には、図１に示す系、及び、図２に示す蒸発チャンバーが含まれている。簡単に言えば、図１の系は、試薬液１４と共に導入される供給源１２からのキャリヤガスをエアロゾル発生器１６に提供して、エアロゾルを形成し、次いでこれを、ライン又は通路１８に沿って、加熱された蒸発チャンバー２４に導入して、ガス／蒸気混合物を形成する。次いで、このガス及び蒸気の混合物を加熱されたフィルター２５を通過させてろ過し、気相中に残存したためにガス／蒸気混合物に混合されている可能性のある粒状の汚染物質を除去する。次いで、このガス／蒸気混合物を、膜析出のためのＣＶＤチャンバー２６に導入する。コントローラー２８は、加熱されたガスフィルター２５から、加熱された流れ制限装置２９と加熱されたコントロールバルブ３０を通過して、ＣＶＤチャンバー２６に入る、加熱されたガス／蒸気混合物の流れを制御するために用いられる。米国特許第６，４０９，８３９号で詳述されているように、この系では、センサー及びフローコントローラーが用いられる。
【０００６】
図２は、蒸発チャンバー２４の詳細な設計を示す。発生器１６からのエアロゾルは、ライン又は通路１８、さらに、ヒーター３８が備え付けられたブロック３６中の多数の加熱された通路３４を通過して、蒸発チャンバー中に導入され、キャリヤガスが加熱されてエアロゾル中の液滴が蒸発し、出口チャンバー４０において所望の加熱されたガス／蒸気混合物が形成される。次いで、この加熱されたガス／蒸気混合物は、加熱されたコントロールバルブ３０を通過してＣＶＤチャンバー２６（図１）に導入される前に、加熱された多孔質の金属又はセラミックフィルター２５、続いて、コイル状キャピラリー管の形態の加熱された流れ制限装置２９を通過させて、ろ過する。同様に、構造の詳細は、米国特許第６，４０９，８３９号に記載されている。これまでに説明した従来技術の装置や類似の装置は、単一の液状前駆化学物質を単一のキャリヤガスの補助によって蒸発させるように設計されている。１種より多くの液状前駆化学物質を必要とする用途においては、それぞれの前駆化学物質の適用に対して１つずつ、上述の蒸発器を複数用いることが必要である。このことは、物理的な構成部品の不必要な重複、扱いにくい設備、操作の困難さ、及び高いコストにつながる。
【０００７】
発明の要旨
本発明は、１種より多くの液状前駆化学物質を、同時に、又は連続して蒸発させることができる蒸発チャンバーを有する液状前駆物質の化学的蒸発系を提供する。更に、１種又はそれより多いキャリヤガスを、１種又はそれより多い前駆化学物質とともに、同時に、又は連続して使用することができる。単一の蒸発器にこの性能が組込まれており、ここで、前駆物質及びキャリヤガスの選択と配列決定は要求に応じて制御可能であり、このことが、半導体ウェーハ製造器具の設計、取付及び操作の簡易化、ならびに、コスト低減につながる。このように、本発明は、材料の節約、構築、取付、維持コストの節約をもたらし、より重要なことには、膜の品質とウェーハのスループットの改良がもたらされる。
【０００８】
図面の簡単な説明
図１は、半導体上への薄膜析出のための従来技術の装置のブロック図であり；
図２は、図１の系で用いられるエアロゾル蒸発チャンバーの概略横断面図であり；
図３は、本発明の第一の形態にしたがって製造された蒸発系のブロック図であり；
図３Ａは、噴霧器をより詳細に示す図３の系の概略図であり；
図４は、本発明の第二の形態にしたがって製造された蒸発系のブロック図であり；
図５は、本発明の更に変更された形態の概略ブロック図であり；
図６は、変更された噴霧器を含む図５に類似した系の概略ブロック図であり；
図７は、本発明に関して有用な二段階の蒸発チャンバーの断面図であり；そして、
図８は、部分的な切り欠きを含む図７のチャンバーの概略上面図である。
【０００９】
好ましい態様の詳細な説明
図３は、一つのその最も簡単な形態である複数の液状前駆物質の化学的蒸発系５０の概略図である。この系は、単一の加熱された蒸発チャンバー５２を含み、このチャンバーは、各々が所望の化学的性質をもつ液状前駆化学物質を含んでいる液体５４Ａ、５４Ｂ及び５４Ｃの異なる前駆物質のうち２種又はそれより多い供給源を含む液体の投入供給源に連結されている。典型的な液状前駆化学物質は、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及びテトラエチルホウ酸塩（ＴＥＢ）であり、これらは、低誘電率のホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）薄膜を作製するために用いることができる。これらの化学物質は比較的安定であり、いくつかの用途においては、直接的な液体と金属との接触によって蒸発させることができる。これら液状前駆化学物質は、通常、個々の独立した液体フローコントローラー５６Ａ、５６Ｂ及び５６Ｃを通して供給され、これらのコントローラーは各々、慣用的には、液体流れの速度を感知するためのフローセンサー、及び、調節又は変化させて蒸発器５２への所望の液体流速を提供することが可能なフローコントロールバルブが備えられている。また、これらのフローコントローラーから蒸発器５２へのラインには、押し込み式の遮断バルブ５８Ａ、５８Ｂ及び５８Ｃも含まれ、維持又は修復のために系が使用されていないか、又は停止している場合、あるいは、選択された１種又は２種の液状前駆物質のみが必要な場合は、これらのバルブを閉めて液体供給源から蒸発器５２への液体流れを止めることができる。遮断バルブ５８Ａ〜５８Ｃの出力の連結部は、ノズル６１を介して１又はそれより多い蒸発器の入口管６０に連結されている。
【００１０】
また、１種又はそれより多いキャリヤガス供給源６２Ａ、６２Ｂ及び６２Ｃを含むガス供給源も、入口管６０を介して蒸発器５２に連結されており、これらのキャリヤガス供給源は、それぞれガスフローコントローラー６４Ａ、６４Ｂ又は６４Ｃを介して入口管（単数又は複数）６０へガスを提供する。ガスフローコントローラーは、望ましい設定値に応じて供給源からのガス流れの速度を制御する慣用的なユニットである。各ガスフローラインはまた、ユニットへのそれぞれのガス供給を押し込み式で遮断するための遮断バルブ６６Ａ、６６Ｂ又は６６Ｃも備えている。入口管は、供給源にて提供された圧力下で、例えばノズル６１を介して、ガス供給源の１つからのガスに液体を導入し、チャンバー５２に液体の小滴を運ぶ。これらノズルは、液体をガス流れと一緒に運ぶことができる小滴へと分裂するように設計されている。
【００１１】
また、蒸発チャンバー５２は、チャンバー内部空間を所望の温度に維持するための温度センサー６８とヒーター７０も備えている。
コントローラー７２は、アナログのコントローラーでもよいし、又は、マイクロプロセッサーに基づくデジタルコントローラーでもよい。コントローラーは、ライン７４に沿った温度センサー６８からの信号を受けとれるように連結されており、ライン７６に沿ったヒーター７０を制御して、蒸発チャンバーを蒸発に必要な所望の温度に加熱する。その温度は、蒸発すべき具体的な液状前駆物質の必要条件に従って調節可能であり、これらは、コントローラー７２に入力信号を提供するであろう任意の所望なタイプの設定制御装置８０を用いて設定可能である。
【００１２】
示した液体フローコントローラー及びガスフローコントローラーは、一般的には、内部フローセンサー及び調節可能なバルブを含む。各々のフローセンサーからの信号は、流速を所望の設定値に制御するための、電子コントローラーへの入力として用いることができる出力をもたらす。電子コントローラーは、通常、フローコントローラーの内部にある。あるいは、フローセンサーの出力は、外部コントローラー７２に連結されていてもよい。次に、コントローラー７２が順次連結され、液体又はガスフローコントローラーの各々において内部バルブを調節して、適切な流速を提供する。コントローラー７２はまた、遮断バルブ６６Ａ〜６６Ｃ及び５８Ａ〜５８Ｃを制御するためにも連結されている。
【００１３】
コントローラー７２は、任意の所望のタイプの電子コントローラーであることができる。これは、デジタルでもよいし、又はアナログでもよい。コントローラーは、上記液体又はガスのための個々のバルブにおいて流れを調節するために、フィードバック信号を感知し、出力を制御する。いくつかの簡単な用途においては、制御は手動で実施可能である。その場合、オペレーターが必要な手動調節を行って蒸発器に対して適切な流速及び温度を提供するように、同等の手動制御を提供することができる。
【００１４】
蒸発チャンバー５２の出力開口部は、半導体ウェーハなどの加工に用いることができるプロセスチャンバー８４への適切なライン又は通路８２と連結されている。プロセスチャンバー８４は、化学蒸着（ＣＶＤ）チャンバーであり、ヒーター８５と温度センサー８６を有し、これらはいずれも、プロセスチャンバー８４中の温度を制御するためにコンピューターコントローラー７２に連結されていてもよい。また、プロセスチャンバーには、半導体ウェーハの適切な加工に望ましい内部状態を提供するための真空供給源８８も連結されている。
【００１５】
図３において、液状前駆物質は、最初に小滴を形成するために噴霧することなく、蒸発チャンバーにフィードして、慣用的な様式で、加熱されたプレート９０の熱い金属表面との直接的な接触により蒸発させてもよいことに銘記すべきである。液状前駆物質が蒸発温度で十分安定な場合は熱分解しないため、噴霧は必要ではないだろう。安定な前駆物質を用いる場合は、噴霧及び蒸発よりむしろ、直接的な接触による蒸発が、複数の液状前駆物質を蒸発させるための代替法となるだろう。
【００１６】
図３の態様においては、高速のガスにより液体を噴霧する試行は含まれていない。液体は、比較的揮発性であり、蒸発が容易であるものとする。図３Ａの装置は、液体を容易に蒸発させて、図３に示される液体及びガス入口を用いた噴霧器とともに用いることができる。噴霧器６０からの液体及びガスのエアロゾルは、チューブ５３Ｂを通してハウジング５３の単一の加熱された蒸発チャンバー５３Ａに導入することができる。チューブ５３Ｂは、チャンバー５３Ａの底部付近でエアロゾルを放出する。ガスと液体が加熱された金属表面５３Ｃと接触し始めると、ガスは加熱され、液体が蒸発する。次いで、このガス蒸気混合物は上向きに流れ、その側面からＣＶＤチャンバーに出て行く。加熱されたチャンバー５３Ａは、円柱形の形態でなくてもよい。ガス及び液体が適切に加熱され得るような様々な幾何学な装置を作製でき、これらは、熱交換器の設計の当業者には明らかである。
【００１７】
図４は、複数の液状前駆物質の化学的蒸発のための噴霧器９４の使用を示す第二の系９２としての概略図である。これは、複数の前駆物質の化学的蒸発のための好ましい形態である。典型的な前駆化学物質としては、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラエチルホウ酸塩（ＴＥＢ）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＯＭＡＣＴＳ）、トリエチルオキシホスフィン及び酸化物（ＴＥＰＯ）が挙げられ、これらは、ＣＶＤ蒸着チャンバー中で適切に組み合わせて用いて、低誘電率（低いｋの絶縁体）のリンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）、ホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）、又はホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）の薄膜を析出させることができる。噴霧器９４は、模式的に示され、加圧された供給源である２つ（又はそれより多い）のガス供給源９８Ａ及び９８Ｂに連結された入力ライン９６を有する。各ガス供給源９８Ａ、９８Ｂは、それぞれ、ガスフローコントローラー１００Ａ、１００Ｂ、及び、押し込み式の遮断バルブ１０２Ａ、１０２Ｂを介して入力ライン９６に連結されている。複数のガス供給源により、１種より多いキャリヤガスを噴霧器９４で使用することが可能となる。噴霧器９４は、典型的に小さい直径のオリフィス開口部をもつ、オリフィス板１０４を含み、その結果、オリフィスを通過する際の圧力降下を、微細な小滴を噴霧するためのガスフローを音速で生産するのに必要とされる臨界的な圧力降下より大きくすることができる。
【００１８】
オリフィス板１０４の下流には、２つ又はそれより多い液体投入管１０８Ａ又は１０８Ｂが連結された噴霧器中のガス流れ通路１０６がある。それぞれの管１０８Ａ、１０８Ｂは、液体フローコントローラー１１２Ａ又は１１２Ｂ、及び、押し込み式の遮断バルブ１１４Ａ又は１１４Ｂを介して、液状前駆化学物質の別個の供給源１１０Ａ又は１１０Ｂに連結されている。供給源１１０Ａ又は１１０Ｂの１つからの液状前駆物質が、ガス流れ通路１０６に（供給源からの圧力下で）流れる場合、ノズルにより注入され、オリフィス板１０４から同じ通路１０６を通って流れる高速のガスジェット流により噴霧化され、それにより、小さい液滴が形成される。次いで、ガス及び液体の液滴混合物、すなわちエアロゾルは、ガス流れ通路から出て、加熱された蒸発チャンバー１１６に流れる。噴霧化のための液体圧力、ノズル、寸法及びガス流れなどの必要条件は周知である。
【００１９】
液状前駆物質とキャリヤガスのためのフローコントローラーは、従来のものであり、電子コントローラーに連結されたフローセンサーと調節可能なバルブを含み、これらは、フローコントローラーに対して内部にあってもよいし、又は、図３に示すように外部に位置していてもよい。
【００２０】
蒸発チャンバー１１６は、通常、電気的に加熱される。ヒーター１１８はキャリヤガスを加熱し、また、噴霧器９４にて形成されるエアロゾル中の液滴を蒸発させるのに必要なエネルギーを提供するように、蒸発チャンバー１１６の内部キャビティー１２１上のブロック１２０を所望の温度まで加熱するのに必要なエネルギーを提供する。温度を感知するために、温度プローブ又はセンサー１２２が提供される。図３に示されるものと同様のコントローラー７２などのコントローラーを使用して、ヒーターを制御し蒸発器のブロック１２０を設定値に維持する。
【００２１】
ブロック１２０には、多数の並行した通路１２４が提供され、これらを通してエアロゾルが流れ、蒸発させるために、まずガスに、次いで液滴に対する熱移動により加熱することができる。並行な通路１２４は、各々の通路を通るガス速度を減少させ、それにより、ガスを加熱し、液滴を蒸発させるための時間を多く与えることが可能になる。この手段によって、小さい体積でガスをより効率的に加熱することができるため、所与の速度のガス及び液体流れについて蒸発器をよりコンパクトにすることができる。
【００２２】
示された噴霧器９４は、１種又はそれより多いキャリヤガスとの使用のために、２種又はそれより多い液状前駆化学物質が必要とされる場合に特に便利である。全ての液状前駆物質に対して同じキャリヤガスを用いることができる場合は、キャリヤガスの供給は１つだけ提供されればよく、ガスフローコントローラー及びガス遮断バルブもそれぞれ１つずつ取り付けられていればよい。
【００２３】
運転中に、蒸発器１１６が所望の運転温度に達したら、１つ又はそれより多い供給９８Ａ又は９８Ｂからのキャリヤガスが供給を開始する。これは、遮断バルブ１０２Ａ又は１０２Ｂ（あるいはその両方）を開くための、コンピューター（図３に示されるコントローラー７２と同様）から送られる制御信号によって達成することができ、ガスフローコントローラー又はコントローラーへの信号は、所望の値でガス流れを提供する。次いで、例えば図３に示されるコントローラー７２などの同じコントローラーは、信号を送って、所望の液体遮断バルブ１１４Ａ又は１１４Ｂを開き、さらに、液体フローコントローラー１１２Ａ又は１１２Ｂを用いて液体流速を所望の設定値に設定することができる。
【００２４】
これらの調節は、同時に行ってもよいし、又は連続して行ってもよい。例えば、最初にガス流れを供給開始し、液体流れの供給開始してガス／液体混合物を形成する前に、短時間の遅延を与えて、ガス流れを安定化させることが望ましい場合がある。ガス／液体混合物、又は、液滴を含有するエアロゾルは、加熱された通路１２４を通過して、液滴が蒸発され、次いで、前駆物質を蒸発させた熱いキャリヤガスが、加熱されたフィルター１２６、続いて、膜析出のためのプロセスチャンバー１３０へ導入するための出力ライン又は通路１２８（これらも加熱されていてもよい）を通過する。
【００２５】
プロセスの適用が、キャリヤガス中に２種又はそれより多い前駆物質の蒸気混合物の導入を要求する場合において、キャリヤガス流れは、両方の（又は所望の数の）液状前駆物質流れと一緒に供給開始することができる。このように、噴霧器９４からのエアロゾルは、同じキャリヤガスに懸濁及び混合された２種又はそれより多い液状前駆物質の小滴を含む。エアロゾルが通路１２４に沿って進むにつれて、ガスが加熱され、液状前駆物質の小滴が蒸発すると、このガス／蒸気混合物は、２種又はそれより多い前駆化学物質からの蒸気が含有される。次いで、このガス混合物は、薄膜析出のためのプロセスチャンバー１３０に送ることができる。高速の噴霧器ガスにより、液滴を確実にキャリヤガスと均一に混合し、ガス／蒸気混合物が、空間及び時間のいずれに関しても確実に均一な組成物となる。
【００２６】
具体的な用途において、それぞれ固有の特定のキャリヤガスによる前駆物質蒸気の運搬が要求される場合、特定のガスと特定の液状前駆物質の流れを供給開始し、適切なキャリヤガス及び液体流れを提供するように制御して、所望の速度で所望の液滴のエアロゾルを生成することができ、蒸発チャンバー中で加熱及び蒸発すると、適切なキャリヤガス／前駆物質蒸気の混合物を生成することができる。それに続いて、キャリヤガス／液状前駆物質の組み合わせの第二の群を用いて、キャリヤガス／液状前駆物質のエアロゾルの第二の組み合わせを生成する第二の工程を行い、その後に蒸発させて、第二のキャリヤガス及び第二の蒸気混合物を生成することができる。
【００２７】
半導体デバイス製造に精通するものには明白と思われるが、これまでに説明した噴霧器及び蒸発器装置は、半導体デバイス製造プラント（又は「デバイス・ファブ（ｄｅｖｉｃｅ  ｆａｂ）」、又は、単に「ファブ（ｆａｂ）」としても知られている）に関する相当なフレキシビリティーを提供する。１種のキャリヤガスを、２種又はそれより多い液状前駆物質の供給系とともに用いて、プロセスチャンバーに導入することができるガスと２種又はそれより多い前駆物質蒸気との混合物を生成し、異なる液状前駆化学物質によって提供される複数の化学種の成分を含む薄膜を生成することができる。また、これらは、所望の膜特性を達成するために、キャリヤガス及び液状前駆物質を適切に選択することにより、異なる材料の層を連続して生成するのにも用いることができる。
【００２８】
図４の系を用いて、薄膜を生成し、さらにその膜に所望の化学種を、同時に、又は連続して「ドープ」し、特異な特性又は品質をもつ膜を生成することができる。液状前駆物質の化学的蒸発及び蒸発器に対するこのアプローチは、蒸発の技術においてだけでなく、半導体デバイス製造技術においても同様に顕著な進歩となる。蒸発器１１６において加熱されたフィルター１２６を使用することにより、蒸発器１１６に残留したガス／蒸気混合物に粒状の汚染物質がほとんど含まれなくなり、高い製品品質と装置の収率に必要とされる高い膜特性が確実に得られる。
【００２９】
噴霧器の運転圧力、すなわちオリフィス１０４上流の絶対圧力は、典型的には、下流の絶対圧力の２倍であり、その結果、オリフィスを通過して音速の流れが生じる。例えば、下流の圧力が１気圧又は７６０トルの場合、上流の圧力は、典型的には、約２気圧又は約１５００トル、あるいは、絶対圧力でそれより高くてもよい。噴霧器の出口は、蒸発チャンバーに連結されているため、噴霧器オリフィスの下流の圧力は、チャンバー中の圧力と同様であるものとする。場合によっては、蒸発チャンバーは、より低い圧力での運転を必要とすることがあり、オリフィスの上流の圧力もより低くなければならないであろう。例えば、チャンバー圧力がおよそ１００トルの場合、オリフィスの上流の圧力は、約２００〜３００トルであるものとする。この圧力は、オリフィスで音速の流れを確実にするように関係づけられる。
【００３０】
図５は、複数の液状液状前駆物質の蒸発のための、図４で示されたものと同じ蒸発チャンバー１１６への投入噴霧器の変更形態を有する変更された析出系９２Ａを示す。図５で示されるように、図４と同じ装置が開示されているが、独立した噴霧器１４２Ａ及び１４２Ｂが同じ噴霧器ヘッド１４０に形成されている点において異なる。明確にするために、噴霧器の通路は２つだけ示す。
【００３１】
各々の噴霧器１４２Ａ及び１４２Ｂには、ガス９８Ａ、９８Ｂの１つの供給源が備えられており、これらはそれぞれ別個のガスフローコントローラー１００Ａ、１００Ｂ、及び、別個の押し込み式の遮断バルブ１０２Ａ、１０２Ｂで制御される。各々の噴霧器は、それぞれ、オリフィス板１４４Ａ又は１４４Ｂを有する。同様に、液体供給管１０８Ａ又は１０８Ｂは、噴霧器１４２Ａ及び１４２Ｂの出力チャンバー又は通路を形成している別個のチャンバー１４６Ａ及び１４６Ｂに向かって開口している。このように、各々の噴霧器には、供給源１１０Ａ又は１１０Ｂからの１つの液体前駆物質の供給源、１つの液体フローコントローラー１１２Ａ又は１１２Ｂ、及び、押し込み式の遮断バルブ１１４Ａ、１１４Ｂが備えられている。
【００３２】
同じ噴霧器ヘッドに、実質的に同じ設計の追加の噴霧器通路及びオリフィス板を組込むことができる。液滴の前駆化学物質を蒸発させるための単一の噴霧器ヘッドに組込むことができる噴霧器の通路の数は、特定の設備での一体型の装置における、空間的な必要条件と、蒸発させる必要がある液状前駆物質の数によってのみ限定される。
【００３３】
図３及び４に示される設計と比較した、図５における蒸発器の設計の利点は、図５における各液体流れが、噴霧器中、及び、蒸発チャンバーに対する入口へのそれ自身の液体流れ通路に制限されていることである。このように、異なる液体は、噴霧され、蒸発のために別個の小滴のエアロゾルを形成する前には、互いに混合されない又は接触しない。いくつかの状況において、液状前駆化学物質の混合が望ましくない場合があり、回避する必要がある。図５における設計に基づく装置の不利点は、異なる液体を噴霧するのに別個に噴霧されるガス流れが用いられるため、キャリヤガス中の液滴のエアロゾルの質量濃度が図３及び４に示される設計より低くなることである。後者の場合、２種又はそれより多い液状前駆物質の小滴を噴霧するのに同じ噴霧されるガスが用いられる。このように、図５の複数の噴霧器を用いて、キャリヤガス中の液滴のエアロゾルの質量濃度を低くすることができる。
【００３４】
いくつかの用途において、液状前駆物質は、３００又はそれより高い高分子量を有していてもよい。また、これらの液状前駆物質のいくつかは高粘性を有する場合があり、それにより、液滴を形成するために噴霧し難くなる。ほとんどの（ただし全部ではないが）物質の粘度は温度の上昇に伴い減少するため、噴霧を容易にするため、液体をより高い温度に加熱してもよい。
【００３５】
図６において、系９２Ｂは、供給ライン中に、供給源１１０Ｂからの液状前駆物質（説明のために、高粘性を有すると仮定する）のためのヒーター１５０を含む。ヒーターは、必要に応じて、全ての液状前駆物質の供給ラインで用いることができる。液状前駆物質を適切に高い温度に加熱することによって、その液体の粘度を減少させることができ、それによって、噴霧を簡単にすることができる。しかしながら、加熱は、熱分解を引き起こすほど過剰にならないことが重要である。
【００３６】
変更された噴霧器ヘッド１５２は、室温で容易に噴霧できない液体を含む、より広い範囲の液体に適用可能な２つの噴霧器１５４Ａ及び１５４Ｂを有する。噴霧器ヘッド１５２には、取付けフランジ１５６が備えられており、これは、噴霧器ヘッド１５２と、ヘッドと接触する液状前駆物質とが、蒸発チャンバー１１６中において液滴の蒸発に用いられる高い温度により過熱されないように、絶縁体層１５８で蒸発チャンバー１１６から絶縁されている。絶縁体層１５８が、噴霧器ヘッド１５２を十分低温に維持するには不十分である場合、供給源１６０からの冷却ガス流れを噴霧器ヘッド１５２中の通路１６２を介して流すことによって、噴霧器ヘッドを中温から低温に維持することができる。いくつかの例では、噴霧器ヘッド温度を適度な運転範囲に維持するために供給源からの液状冷却剤を用いることが必要な場合もある。
【００３７】
既に説明したように、図２は、米国特許第６，４０９，８３９号で開示された先の発明に示される蒸発器の概略図である。本発明では、この従来技術の蒸発器をさらに改良している。
【００３８】
図７は、改良された蒸発器１８０を含む本発明の変更された形態の概略図である。噴霧器１８２を用いて、所望の液状前駆物質化学物質を含有する小滴のエアロゾルが形成される。明確にするために、１つのガス供給源１８４、及び、１つの液体供給源１８６が示されているが、当然ながら、噴霧器１８２は、１つより多くのガス供給源ソース、及び、１つより多くの液体供給源を含むように設計することができる。噴霧器は、オリフィス１８８（それを介して、これまでに示したようにガスが放出される）を含み、出口１８９を有する。このように、噴霧器１８２からの出力流れは、１つ、又は１つより多くの、小滴の形態の液体化学物質供給源を含有する。このエアロゾルが噴霧器１８２から放出されると、それらは、矢印１９０によって高速エアロゾルジェットの形態で示される。懸濁された液滴を含有するこのガスのジェットが、加熱された蒸発チャンバー１９２に入ると、１９４で模式的に示されたヒーターにより適切な方式で加熱される。エアロゾルは加熱されたガスと混合され、加熱されたエアロゾルジェットが形成される。小さい液滴は、この加熱されたガス混合物中で急速に蒸発し、大きい液滴は、それよりゆっくり蒸発し、部分的に蒸発した液滴をいくらか含有する可能性がある。その結果、蒸気と、いくらか部分的に蒸発した液滴とを含有する加熱されたガス混合物が得られる。この加熱されたガス混合物は、ガス流れ中の運動量保存の原理により、比較的高速で相当な距離を移動し続ける。次いで、この高速の加熱されたエアロゾル流れは、混合オリフィス１９６に向かい、オリフィス１９６の下流の加熱された金属ブロック１９９中に形成された円柱形の通路１９８に向かう。オリフィス１９６は、通路１９８と実質的に同じ寸法であるか、又は、それより小さくてもよい。
【００３９】
加熱されたエアロゾル流れが、混合オリフィス１９６を通って流れ、それと共に蒸発チャンバーから同伴される加熱されたガスが運ばれるので、蒸発チャンバー１９２の上部１９２Ａは陰圧になる。この陰圧は、再循環するガス流れの方向を示す矢印２００によって示されるように、連続的に再循環するガス流れを作動させる。この再循環ガスは、中央の大きな管状の通路１９８と同中心であり、通路１９８を取り囲む環状のライン２０３上に配置された個々の小さい円柱形の通路２０２を通って上方に流れるため（図８を参照）、各々の通路２０２におけるガス流れは、比較的低い値であり、さらに、比較的低いガス、低い速度で流れる。このように、加熱された金属ブロック１９９の底部から各々の円柱形の通路に入る再循環ガス流れ中の蒸発していない全ての液滴が、小さい円柱形の通路中で相当な時間を経過することになる。各々のガス流れが、ブロック１９９の頂部にある出口からチャンバー１９２の上部１９２Ａに出てくるため、ガス流れが最初に噴霧器からチャンバー１９２に入るときに、そのガス流れ中に含有される液滴は完全に蒸発するであろう。適切な混合オリフィス寸法、及び、オリフィス１９６と噴霧器出口１８９との距離を選択することによって、再循環ガス流れを高容量とすることができる。ポンプ又は機械的部分を動かすことを包含する他の装置を用いることなく、このようにして、噴霧器出口１８９のガス流れの１０倍又はそれより多いガス流れの再循環を容易に維持することができる。
【００４０】
上述の再循環ガス流れ蒸発器１８０は、図７に示す二段階のうち第一段階２０５、及び、改良された蒸発系を形成する。蒸発系の第二段階２０８は、第一段階と同様に、円柱形の金属ブロック２１０中に多数の円柱形の流れ通路２１２を有するチャンバー１９２の低部１９２Ｂに、円柱形の金属ブロック２１０を含む。中央の管状の通路１９８の出口１９８Ａにおける加熱されたガス流れは、ブロック２１０の中心プラグ２１１の無孔表面の上である。出口１９８Ａにおける再循環しないガス流れは、第二段階の蒸発器のブロック２１０の通路２１２を通過するように方向付けられ、ブロック２１０の下流に位置する加熱されたフィルター２１４をガス流れが通過する前に液滴を完全に蒸発させる。フィルター２１４を通って流れるすべての蒸発していない液滴は、フィルターを詰まらせる原因となる。第二の蒸発段階２０８により、このようなことが起こらないようになり、比較的低い蒸発温度でも液滴が全く残らず、材料分解の可能性は最小化となるであろう。ガス／蒸気混合物は、出口２１６から流れ、次に、ＣＶＤチャンバーが蒸発器と同じ圧力で運転することができる場合は直接的に、又は、ガス／蒸気混合物が蒸発器より低い圧力で運転しているＣＶＤチャンバー中に導入される前は、フロー制限装置（これは、オリフィスの形態、ある長さの直径の小さいキャピラリー管の形態等であってよい）を介して、のいずれかで、下流に位置するＣＶＤチャンバー（図４で示されるような）に入ることができる。チャンバー１９２の入口１８９から出口２１６への流れは、蒸発チャンバー中の流れ方向又は流れ進路の主軸に続く。
【００４１】
用途
本明細書中に説明した改良された蒸発器系及び複数の液状前駆物質の蒸発系を用いることができる多種多様の用途が存在する。特に重要なのは、低誘電率又は高誘電率の絶縁性薄膜（また、低ｋ又は高ｋ絶縁体とも称される）である。これらの膜は、半導体デバイス製造において、ケイ素ウェーハ上の絶縁層として用いられる。低誘電率の単一の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）薄膜は、テトラエチルオキシシラン（ＴＥＯＳ）、又は、テトラメチクロテトラシロキサン（ＴＯＭＡＣＴＳ）のような単一の前駆化学物質を用いて製造できる。また、高誘電率の五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）薄膜も、タンタルテトラエトキシジメチルアミノエトキシド（ＴＡＴ−ＤＭＡＥ）のような単一の前駆化学物質を用いて製造できる。また、高誘電率の窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）薄膜は、前駆化学物質であるビス（テルブチルアミノ）シラン（ＢＴＢＡＳ）を用いたＬＰＣＶＤ法によっても製造できる。元素のケイ素、ホウ素及び／又はリンを含有する薄いガラス膜は、これらの元素を含有する適切な前駆化学物質を用いたＣＶＤ法によって製造できる。一般的な前駆化学物質としては、テトラエチルオキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラエチルホウ酸塩（ＴＥＢ）、及び、トリエチルオキシホスフィンオキシド（ＴＥＰＯ）が挙げられ、これらを適切な組み合わせで用いて、ホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）、リンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）、又は、ホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）の薄膜を製造することができる。他の液状前駆化学物質が絶えず開発されている。１種の単一の前駆化学物質の蒸発を必要とするものがある。また、２種又はそれより多い液状前駆物質化学物質を気化させることを必要とするものもある。同じ装置で複数の液状前駆物質を蒸発させるのに用いることができる方法及び装置を有することによって、装置のコストの節約につながり、半導体の薄膜析出のためにこれまで不可能であった一定程度の制御が提供される。
【００４２】
示された金属ブロックを貫通する穴を有する代わりに、熱伝導性金属ブロックは、熱伝導性多孔質材料から製造することができる。多孔質材料は、それを通って流れるガス／蒸気混合物へ熱を移動させるための通路を形成する。
【００４３】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細において変更をなすことが可能であると理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、半導体上への薄膜析出のための従来技術の装置のブロック図である。
【図２】図２は、図１の系で用いられるエアロゾル蒸発チャンバーの概略横断面図である。
【図３】図３は、本発明の第一の形態にしたがって製造された蒸発系のブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、噴霧器をより詳細に示す図３の系の概略図である。
【図４】図４は、本発明の第二の形態にしたがって製造された蒸発系のブロック図である。
【図５】図５は、本発明の更に変更された形態の概略ブロック図である。
【図６】図６は、変更された噴霧器を含む図５に類似した系の概略ブロック図である。
【図７】図７は、本発明に関して有用な二段階の蒸発チャンバーの断面図である。
【図８】図８は、部分的な切り欠きを含む図７のチャンバーの概略上面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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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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【国際調査報告】
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