(57)【要約】【課題】  簡単な構造でかつ低コストで製作でき、その上、乱流、対流及び熱対流の発生を押えて混合ガスのガス流を均一にできるようにＣＶＤ装置を構成する。【解決手段】  円筒形状の真空反応室５２内部に、基板が載置されるステージ５３を設け、ステージに対向して該真空反応室上面の中央部に、混合ガスを真空チャンバ内に導入するガスヘッド３を配設する。ステージの周囲を、所定の長さを有する円筒形状のスリーブ部材６１で囲い、スリーブ部材と真空チャンバ内壁面との間の間隙を介して、排ガスがガスヘッドとステージとが形成する第１空間内で対流することなく該第１空間から等方排気されるように、真空排気手段２が接続されたステージ下側の第２空間の容積が第１空間の容積より大きくなる位置にステージの高さ位置を設定する。【選択図】  図５
2008133545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が載置されるステージを備えた円筒形状の真空反応室を有し、前記ステージに対向させて真空反応室上面に原料ガスと反応ガスとの混合ガスを真空反応室内に導入するガスヘッドを設けた薄膜形成装置において、
前記ステージの側壁に密接させて円筒形状のスリーブ部材を設け、前記スリーブ部材の下端部が真空排気手段が接続されたステージ下方の第２空間まで延出され、前記第２空間の容積がガスヘッドとステージとで区画された第１空間の容積より大きくなる位置に前記ステージを位置させ、第１空間内の排ガスが前記スリーブ部材と真空反応室内壁面との間の間隙を介して排気されるように構成したことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記真空反応室の内壁面に沿って不活性ガスを均等に導入するガスリングを前記真空反応室上面に設けたことを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記ガスリングに供給される不活性ガスの温度を変更自在とする温度調節手段を設けたことを特徴とする請求項２記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記ステージを真空反応室で昇降自在に設け、前記ステージの上昇位置で成膜処理が行なわれ、前記ステージの下降位置で真空反応室側壁に形成した基板搬送口を介して前記ステージへの基板の受け渡しが行われるように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
前記混合ガスの温度を変更自在とする温度調節手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
【請求項６】
前記スリーブ部材と前記真空反応室内壁面との間の間隙を１０ｍｍ以上に設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
【請求項７】
前記スリーブ部材の高さ寸法を７０ｍｍ以上に設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
【請求項８】
ＭＯＣＶＤ法による薄膜形成が可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
【請求項９】
基板が載置されたステージを備えた円筒形状の真空反応室内で、真空排気手段が接続されたステージ下方の第２空間の容積が真空反応室の上面の中央部に設けたガスヘッドとステージとで区画される第１空間の容積より大きくなる位置に前記ステージを位置させ、
前記ガスヘッドを介して原料ガスと反応ガスとの混合ガスを導入すると共に、前記真空反応室の上面に設けたガスリングからその内壁面に沿って均等に不活性ガスを導入し、前記原料ガスと反応ガスとの反応により基板上に薄膜を形成することを特徴とする薄膜製造方法であって、
前記ステージの側壁に密接して設けられた円筒形状のスリーブ部材と前記真空反応室の内壁面との間の間隙を介して第１空間から第２空間に排ガスが流れて真空反応室外へと排気されるようにしたことを特徴とする薄膜製造方法。
【請求項１０】
中空円筒形状でその内部が仕切り板により撹拌室及び拡散室とに仕切られた混合器にて、前記撹拌室の上方部分で互いに対向するように配置された原料ガス導入用のガス導入口及び反応ガス導入用のガス導入口から原料ガス及び反応ガスの両ガスを撹拌室内にそれぞれ導入し、導入された両ガスを攪拌・混合し、この混合された原料ガスと反応ガスとの成膜ガスを仕切板に設けた１つのガス吹き出し口を介して攪拌室より大きい容積を有する拡散室内に導入して拡散させ、この拡散された成膜ガスを真空反応室の上部に設けられたガスヘッドに供給することを特徴とする請求項９記載の薄膜製造方法。
【請求項１１】
前記ガスリングから真空反応室に導入する不活性ガスの流量を７００〜１５００ｓｃｃｍの範囲に設定することを特徴とする請求項９又は請求項１０記載の薄膜製造方法。
【請求項１２】
前記ガスリングから真空反応室に導入する不活性ガスの流量を、ＰＺＴ膜を形成する場合は１０００〜１５００ｓｃｃｍの範囲に設定し、また、ＢＳＴ膜を形成する場合は７００〜１２００ｓｃｃｍの範囲に設定することを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載の薄膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜形成装置、特に、ＣＶＤ（Chemical Vaper Dipsition）装置及び薄膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＶＤ装置は、シリコンウェハーなどの基板上に所定の薄膜を形成するのに利用される。該ＣＶＤ装置は真空排気手段を設けた真空チャンバを有する。該真空チャンバ内部には基板が載置されるステージが配設されている。該ステージに対向して真空チャンバの上部にはガスヘッドが配設されている。該ガスヘッドにはガス混合器が付設され、該ガス混合器にはガス配管を介して反応ガスと原料ガスとが供給される。
【０００３】
そして、成膜時に、所定の混合比に混合した反応ガスと原料ガスとから構成される混合ガスを、ガスヘッドを介して所定の真空度に保持されたチャンバ内部に導入し、気相化学反応させて基板上に所定の薄膜を生成させる。また、プロセスに寄与しない混合ガス等を含む排ガスは真空排気手段により外部に排出される。
【０００４】
この場合、基板上の薄膜の膜厚分布及び組成分布を均一にすると共に、その再現性を高めるには、真空チャンバ内での混合ガスの流れを均一にする必要がある。また、真空チャンバ内での混合ガスのガス流が不均一になって真空チャンバの内壁面で膜成長が起こると、頻繁にメンテナンスをしなければならないだけでなく、成膜ダストによりＣＶＤプロセスに悪影響を与える場合がある。
【０００５】
このため、真空排気手段で排気しつつ混合ガスを真空チャンバ内に導入するＣＶＤプロセスでは制御不能な真空チャンバ内での対流、乱流の発生を防止する必要がある。これには基板の周囲から排ガスを等方排気することが重要になる。また、加熱下でＣＶＤプロセスを行う場合、熱対流が生じたのではガス流が不均一になるので、熱対流対策も必要となる。
【０００６】
このような問題の解決策として、例えば、ステージにフィンを設けると共に、成膜時に該ステージを回転させて、乱流、対流及び熱対流の影響を最小限に押させることが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６１−２３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ステージを回転させる機構を真空チャンバ内に設けたのでは、ＣＶＤ装置の構造が複雑になると共にコスト高を招くという問題が生じる。また、基板を搬送する際、フィンを回避してステージまで基板を搬送する必要があり、複雑な基板搬送手段が必要になる。
【０００８】
他方で、ロードロックチャンバを設けて枚葉式に構成した従来のＣＶＤ装置では、ゲートバルブを設けた基板搬送口がステージの上側に位置していたので、この基板搬送口の存在によって対流、乱流が生じるという問題があった。この場合、対流、乱流の影響を小さくするため、真空チャンバを大きくすることが考えられるが、排気能力の大きな真空ポンプが必要になる等非経済的であると共に装置の小型化に対応できないという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、簡単な構造でかつ低コストで製作でき、その上、乱流、対流及び熱対流の発生を押えて混合ガスのガス流を均一にできる薄膜形成装置及び薄膜形成方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の薄膜形成装置は、基板が載置されるステージを備えた円筒形状の真空反応室を有し、前記ステージに対向させて真空反応室上面に原料ガスと反応ガスとの混合ガスを真空反応室内に導入するガスヘッドを設けた薄膜形成装置において、前記ステージの側壁に密接させて円筒形状のスリーブ部材を設け、前記スリーブ部材の下端部が真空排気手段が接続されたステージ下方の第２空間まで延出され、前記第２空間の容積がガスヘッドとステージとで区画された第１空間の容積より大きくなる位置に前記ステージを位置させ、第１空間内の排ガスが前記スリーブ部材と真空反応室内壁面との間の間隙を介して排気されるように構成したことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、基板上に所定の薄膜を形成するために、真空反応室の第１空間にガスヘッドを介して混合ガスを導入すると、混合ガスの一部が基板に到達し、プロセスに寄与しない混合ガス等を含む排ガスはステージの周囲の囲うスリーブ部材と真空チャンバ内壁面との間の間隙を通過して第２空間へと達する。そして、真空チャンバに設けた真空排気手段によって外部に排気される。
【００１２】
この場合、第２空間の容器は第１空間のものより大きく設定しているので、スリーブ部材と真空チャンバ内壁面との間の間隙を通過する排ガスが、スリーブ部材の周囲から等方排気され、第１空間での乱流、対流の発生を防止して真空反応室内でのガス流を均等にできる。
【００１３】
また、本発明においては、前記真空反応室の内壁面に沿って不活性ガスを均等に導入するガスリングを前記真空反応室上面に設けておけば、加熱下で熱対流が発生する恐れがある場合に、その不活性ガスの強制的な整流作用により、スリーブ部材と真空チャンバ内壁面との間の間隙を通過して第２空間に案内される排ガスがスリーブ部材の周囲からより確実に等方排気がされ、特に第１空間での熱対流の発生を防止できる。
【００１４】
この場合、前記ガスリングに供給される不活性ガスの温度を変更自在とする温度調節手段を設けておくことが好ましい。
【００１５】
ところで、第１空間を臨むように基板搬送口を設けたのでは、該基板搬送口の存在によって対流、乱流が生じる。このため、前記ステージを真空反応室で昇降自在に設け、前記ステージの上昇位置で成膜処理が行なわれ、前記ステージの下降位置で真空反応室側壁に形成した基板搬送口を介して前記ステージへの基板の受け渡しが行われるように構成しておくのがよい。
【００１６】
また、成膜ダストの発生を防止するために、前記混合ガスの温度を変更自在とする温度調節手段を設けるのがよい。
【００１７】
尚、該スリーブ部材とチャンバの内壁面との間の間隙を１０ｍｍ以上に、また、スリーブ部材の高さ寸法を７０ｍｍ以上に設定するのがよい。
【００１８】
上記薄膜形成装置は、特に、ＭＯＣＶＤ法によって薄膜形成するのに適している。
【００１９】
また、上記課題を解決するために、本発明の薄膜形成方法は、基板が載置されたステージを備えた円筒形状の真空反応室内で、真空排気手段が接続されたステージ下方の第２空間の容積が真空反応室の上面の中央部に設けたガスヘッドとステージとで区画される第１空間の容積より大きくなる位置に前記ステージを位置させ、前記ガスヘッドを介して原料ガスと反応ガスとの混合ガスを導入すると共に、前記真空反応室の上面に設けたガスリングからその内壁面に沿って均等に不活性ガスを導入し、前記原料ガスと反応ガスとの反応により基板上に薄膜を形成することを特徴とする薄膜製造方法であって、前記ステージの側壁に密接して設けられた円筒形状のスリーブ部材と前記真空反応室の内壁面との間の間隙を介して第１空間から第２空間に排ガスが流れて真空反応室外へと排気されるようにしたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明においては、中空円筒形状でその内部が仕切り板により撹拌室及び拡散室とに仕切られた混合器にて、前記撹拌室の上方部分で互いに対向するように配置された原料ガス導入用のガス導入口及び反応ガス導入用のガス導入口から原料ガス及び反応ガスの両ガスを撹拌室内にそれぞれ導入し、導入された両ガスを攪拌・混合し、この混合された原料ガスと反応ガスとの成膜ガスを仕切板に設けた１つのガス吹き出し口を介して攪拌室より大きい容積を有する拡散室内に導入して拡散させ、この拡散された成膜ガスを真空反応室の上部に設けられたガスヘッドに供給すればよい。
【００２１】
上記方法によれば、攪拌室から拡散室に通じるガス吹き出し口を一つとし、攪拌室内で互いに対向する２箇所のガス導入口から重量の異なる各ガスを導入するようにしたため、一方のガス導入口からのガス流が、他方のガス導入口からのガス流により分断されて当該攪拌室内で対流することで各ガスが攪拌・混合される。そして、ガス吹き出し口に達した混合ガスが拡散室へと流入し、拡散室にて混合ガスが拡散される。
【００２２】
即ち、仕切られた空間（攪拌室）内で互いに対向するように配置したガス導入口から重量の異なるガスを噴出した場合、一方のガス導入口からのガス流が、他方のガス導入口からのガス流により分断されて当該攪拌室内で対流することで各ガスが攪拌・混合されるが、前記空間内では、いずれか一方のガスの濃度が局所的に濃い場所と、薄い場所とができてしまう。このような場合に、拡散室に通じるガス吹き出し口を複数個設けたのでは、濃度の異なる混合ガスが拡散室に流入する不具合が生じる。このため、攪拌室と拡散室とを仕切る仕切り板のうち各ガス導入口を結ぶ直線の鉛直方向下側の所定位置に一つのガス吹き出し口を形成しておくことで、濃度が略一定の混合ガスが拡散室への導入でき、拡散室にて濃度が略一定の混合ガスが拡散されるようにでき、その結果、基板表面に形成される薄膜の膜厚分布及び組成分布を一層均一にできる。
【００２３】
なお、前記仕切り板が、混合器の底部に対して凸状の２次曲線形状を有する構成を採用しておけば、ガス導入口から攪拌室に導入された各ガスが仕切り板の表面等に沿って攪拌室の上部まで移動することで、一層均一に攪拌・混合されるようになる。その結果、より濃度が略一定な混合ガスとして拡散室へ導入することが可能になる。
【００２４】
また、前記ガスリングから真空反応室に導入する不活性ガスの流量を７００〜１５００ｓｃｃｍの範囲に設定すればよい。
【００２５】
さらに、前記ガスリングから真空反応室に導入する不活性ガスの流量を、ＰＺＴ膜を形成する場合は１０００〜１５００ｓｃｃｍの範囲に設定し、また、ＢＳＴ膜を形成する場合は７００〜１２００ｓｃｃｍの範囲に設定すればよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に図面を参照して、先ず、本発明の薄膜製造装置に用いることが可能な混合器について原料ガスと反応ガスとを混合する場合を例に説明する。尚、図１乃至図３において、同じ構成要素は同じ参照符号で示す。また、図２（Ａ）及び（Ｂ）において、実線及び点線、並びに一点鎖線及び二点鎖線の矢印線は、それぞれ、反応ガス流並びに原料ガス流のコンピューターシミュレーションによる流体解析結果の傾向を、それぞれのガスの流れとガス分布とに関して例示するものである。
【００２７】
図１に示すように、混合器１は、所定の大きさの中空円筒形状を有し、撹拌室２、拡散室３、及び撹拌室２と拡散室３との間を仕切る仕切り板４から構成され、得られた成膜ガスを用いて次の処理を行うための反応室に直接連結されるようになっている。撹拌室２の上方部分には、複数の原料ガスを導入するための導入管５、及び反応ガス導入管６が取り付けられ、そのガス導入口５ａ及び６ａが互いに対向するように配置されている。仕切り板４には、混合された原料ガスと反応ガスとからなる成膜ガスを撹拌室２から拡散室３へ効率よく導入するために、ガス導入口５ａと６ａとを結ぶ直線の鉛直方向下側で、仕切り板４の周縁部分からその底部までの鉛直距離の１／２程度に相当する位置に所定の大きさの一つのガス吹き出し口７が設けられている。また、仕切り板４は、２次曲線形状の凹面状仕切面を有する半球形状に形成されたものであり、原料ガス導入管５及び反応ガス導入管６が取り付けられた混合器の上方壁面側に隙間のないように取り付けられている。
【００２８】
原料ガス導入管５及び反応ガス導入管６は、混合器１の上側壁面に、仕切り板４の中央部分（変曲点近傍）に対応する位置で、仕切り板４の中心点に対して点対称の位置に取り付けられ、ガス導入口５ａと６ａとは上記したようにそのガス導入方向が対向するように配置されている（図１、図２（Ａ）図及び（Ｂ）参照）。
【００２９】
混合器１の内部で仕切り板４によって仕切られた攪拌室２と拡散室３とは、拡散室３の容積が攪拌室２の容積よりも大きくなるように構成されている。この場合、攪拌室２の容積と拡散室３の容積との比は特に限定されないが、攪拌・混合と拡散とを満足に行うという観点からは、通常、１：５〜１：２程度とすることが好ましい。
【００３０】
上記混合器においては、これに直結された反応室内を真空にした状態で、原料ガス導入管５及び反応ガス導入管６から、それぞれ、ガス導入口５ａ及び６ａを介して、複数の原料ガスと反応ガスとを混合器１の攪拌室２内に導入することができる。これにより、攪拌室２内において、原料ガス流が反応ガス流により分断され、かつ仕切り板４の表面では両ガスとも仕切り板４に沿って流れ、その結果、対流が発生して原料ガスと反応ガスとが攪拌され、混合される（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）。次いで、この混合された原料ガスと反応ガスとからなる成膜ガスは、ガス吹き出し口７を介して拡散室３内に円滑に導入され、拡散される（図１参照）。上述したように攪拌室２の容積より拡散室３の容積の方が大きいため、成膜ガスは、攪拌室２から拡散室３内に導入される際に、その容積の差によって拡散現象が起こり、均一な混合ガス流として導入され、拡散される。
【００３１】
このような混合器が用いられる薄膜形成装置としては、第３図に示すように、真空排気システム３１に接続された真空処理槽の反応室３２には、成膜対象物を支持するためのウェハステージ３３が配設されている。反応室の上部にはガスヘッド３４が設けられ、このガスヘッドは、真空処理槽の上部に取り付けられた混合器３５に直接接続されている。そして、この混合器３５は、原料ガスの気化システム３６に連結されるとともに、反応ガス源にも連結されている。上記のようにして均一に混合された成膜ガスは、第３図に示すように、混合器３５に隣接配置され、直接接続されたガスヘッド３４に対して最短距離で導入され、反応室内において層流になることなくウェハステージ３３上に載置された成膜対象物表面に供給される。
【００３２】
上述した混合器によれば、原料ガスと反応ガスとを攪拌室２において攪拌・混合した後、この攪拌・混合されて得られた成膜ガスを拡散室３において拡散させるようにしたことから、原料ガスと反応ガスとの分子量が大きく異なる場合であっても、原料ガスと反応ガスとを均一に混合することができ、従来のように容積の大きな混合器を用いる必要がない。したがって、成膜ガスの流量や種類によって混合器の容積が左右されることはなく、混合器と反応室である真空処理槽とを直結することができるので、均一に混合された成膜ガスが再び層流になることはない。
【００３３】
上述の混合器を使用する場合、仕切り板４に設けられたガス吹き出し口７は、原料ガス導入管５の近傍に設けられており、この部分で激しく対流する成膜ガスは、ガス吹き出し口７を介して円滑に拡散室３内に導入される（図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）。なお、仕切り板４に設けられたガス吹き出し口７は、反応ガス導入管６の近傍に設けられていても良い。そして、上述したように攪拌室２の容積より拡散室３の容積の方が大きいため、成膜ガスが攪拌室２から拡散室３内に導入される際に、その容積の差によって拡散現象が起こり、均一に混合される。この均一に混合された成膜ガスは、隣接配置され、直接接続されたガスヘッドに対して最短距離で導入され、反応室内において層流に戻ることなく基板に供給される。
【００３４】
上記の薄膜形成装置においては、特定形状の仕切板が配設された混合器を備えているため、また、混合器の攪拌室において攪拌・混合されて得られる成膜ガスが拡散室に導入される際に、攪拌室と拡散室との容積の差に起因する拡散現象によって自然に拡散されるため、この薄膜製造装置を用いれば、非常に簡単な構成で本発明の方法を実施することができる。
【００３５】
また、上記薄膜製造装置を用いて行う薄膜製造方法によれば、均一に混合されている成膜ガスを反応室に直接導入することができるため、成膜ガスが制御不能の乱流となることはなく、形成される薄膜の膜質及び膜厚分布を向上及び安定化させることが可能になる。
【００３６】
なお、上述の混合器の形態は上記のものに限られるものではなく、種々の変更を行うことができる。例えば、仕切り板について、上記実施の形態においては半球形状の仕切り板を用いたが、この仕切り板の曲率、形状（例えば、円柱形状、立方体形状、円錐形状）、大きさ等は、使用するガスの種類やプロセスに応じて適宜設計変更することが可能である。
【００３７】
また、仕切り板に設けられるガス吹き出し口の位置や形状についても、原料ガスと反応ガスが攪拌・混合された後に拡散室に均一に導入されるように構成されている限り、プロセスに応じて適宜設計変更することができる。攪拌室内の成膜ガスが激しく対流する部分の近傍にガス吹き出し口を設けるようにすれば、成膜ガスを円滑に拡散室内に導入することができる。例えば、原料ガスの導入口と反応ガスの導入口とを結ぶ直線の中心点からその直線の上下方向に４５°以内の範囲内にガス吹き出し口を設ければ、両ガスを均一に混合し、円滑に拡散室内に導入することが可能である。
【００３８】
また、仕切り板を混合器のガス導入側壁面に対して隙間が生じないように設けたが、成膜ガスが十分に攪拌・混合される限り、仕切り板の周縁部と混合器のガス導入側壁面との間に隙間を設けるようにすることも可能である。
【００３９】
さらに、それぞれ１つの攪拌室と拡散室とを設けた場合を例にとって説明したが、２つ以上の攪拌室と拡散室とを設けて成膜ガスの混合を行うようにすることも可能である。その上、目的とする混合状態の程度によっては、拡散室を設けずに、攪拌室から成膜ガスを直接に反応室に導入して、反応を行わせることも可能である。
【００４０】
上記した薄膜製造方法によれば、原料源としてＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ等を用いて電極膜、また、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ等の原料を用いて窒化物膜や酸化物膜からなるバリア膜、また、ＰＺＴ、ＢＳＴ、ＳＢＴを代表とする誘電体膜等を形成することができる。また、形成される薄膜の膜特性をさらに改善するために、添加材（原料源）として、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ等を使用しても良い。
【００４１】
上述の混合器は、ＭＯＣＶＤ法において、常温で液体である原料を用いる場合に、格別な効果がある。常温で液体である原料は、気化しても重いからである。
【００４２】
次に、図５乃至図７を参照して、本発明の実施の形態の薄膜製造装置について説明する。なお、図５乃至図７において同じ構成要素には同じ参照符号を用いている。薄膜製造装置５１は、円筒形状の真空反応室５２を有し、この真空反応室の内部には、シリコンウェハーなどの基板が載置される円筒形状のステージ５３が設けられている。このステージ５３には基板を加熱するためのヒータ等の加熱手段（図示せず）が組み込まれている。
【００４３】
真空反応室５２の下側には２個所の排気ポート５４が設けられ、この排気ポート５４には、ターボ分子ポンプ、ロータリポンプ等の真空ポンプから構成される真空排気手段５５が排気管５６を介して接続されている。真空反応室５２上面の中央部には、ステージ５３に対向してガスヘッド５７が設けられている。
【００４４】
このガスヘッド５７の上流側には混合器５８が連結されており、この混合器５８には、一端がガス源に接続された原料ガス用ガス管５９及び反応ガス用ガス管６０の他端がそれぞれ接続されている。そして、混合器５８に原料ガスと反応ガスとをマスフローコントローラ（図示せず）により流量制御して供給し、混合器５８内で所定の混合比に均一に混合された混合ガスがガスヘッド５７から基板の中央部に向かって噴出されるように構成されている。
【００４５】
ところで、ＭＯＣＶＤプロセス等のＣＶＤプロセスにより基板上に薄膜を形成する場合、原料ガスが気化温度以下に低下すると、原料ガスが粉体として析出し、真空反応室５２内での成膜ダストの原因になる。このため、原料ガス用ガス管５９に、温度調節手段である熱交換器５９ａを設けてある。また、原料ガスの析出を防止するため、真空反応室５２の外壁やステージにヒータ等の加熱手段を設けてもよい。
【００４６】
ここで、ＣＶＤプロセスにおいて基板上の薄膜の膜厚分布及び組成分布をさらに均一にすると共にその再現性を高めるには、プロセスに寄与しない混合ガス等を含む排ガスを基板の周囲から等方排気して、ガスヘッド５７から真空排気手段５５までのガス流れを均一にすることが重要になる。このため、特に、ガスヘッド５７の下方であってステージ５３の上方の第１空間５２ａでの対流、乱流の発生を防止する必要がある。
【００４７】
本実施の形態の薄膜製造装置では、所定の高さ寸法Ｌを有するスリーブ部材６１でステージ５３の周囲を囲うように構成する（つまり、ステージ５３の上面と面一となるようにスリーブ部材が取り付けられ、これにより、スリーブ部材６１の下側は、ステージ５３の下面から第２空間５２ｂに向かって延出するようになる（図５参照））。この場合、ステージ下側の第２空間５２ｂの容積を第１空間５２ａより大きく設定すれば、スリーブ部材６１と真空反応室５２内壁面とが形成する環状の間隙を介して排ガスが等方排気されるようになる。また、スリーブ部材６１とその外周の壁により構成される等方排気口は、その外周の部材が防着板で構成されても良い。また、ＣＶＤプロセスに応じて圧力条件を変更可能とするために、排気管５６に圧力調節バルブ５６ａを設けてもよい。
【００４８】
ステージ５３の高さ位置は、図７（Ａ）に示すように、ガスヘッド５７からステージ５３までの距離が長いと、排ガスが排気されず真空反応室５２の上方の隅部で対流Ｃが発生し得る。他方で、図７（Ｂ）に示すように、ガスヘッド５７からステージ５３までの距離が短いと、ガスヘッド５７から噴出された混合ガスが基板で反射して真空反応室５２の上方の隅部で対流Ｃが発生し得る。このため、成膜位置でのガスヘッド５７とステージ５３との距離はそのような対流Ｃが生じ難い距離に設定することが必要である。
【００４９】
また、ステージ５３まで基板を搬送するための基板搬送口６２を第１空間５２ａを臨む位置に設けたのでは、基板搬送口６２の周辺で乱流が発生し得る。このため、ステージ５３が、真空反応室５２の上側の成膜位置と下側の基板搬送位置との間で昇降自在となるように、ステージ５３に昇降手段を付設するとよい。そして、基板搬送位置に対応して真空反応室５２の側壁の所定の位置に基板搬送口６２を設ける。
【００５０】
ここで、基板を所定の温度まで加熱するためステージ５３に加熱手段を組み込んだ場合、基板の上方で熱対流が発生し得る。本実施の形態では、真空反応室５２の内壁面に沿って不活性ガスを真空反応室５２内に均等に導入するガスリング６３を、ガスヘッド５７を囲うように真空反応室５２の上部に設ける。
【００５１】
ガスリング６３から不活性ガスを噴射することで、その不活性ガスの強制的な整流作用により、スリーブ部材６１と真空反応室５２の内壁面との間の間隙を通過して第２空間５２ｂに排気される排ガスを、スリーブ部材６１の周囲からより確実に等方排気ができる。  これにより、第１空間での乱流、対流及び熱対流を防止できる。なお、本実施の形態では、ステージ６３の成膜位置における第１空間の容積が２．８Ｌ、第２空間の容積が１３Ｌとなるように設定されている。
【００５２】
尚、ＭＯＣＶＤプロセス等のＣＶＤプロセスにおいて原料ガスが粉体として析出せず、ガスリング６３から噴出される不活性ガスの温度が調節できるように、ガスリングに通じるガス管６４に、温度調節手段であるヒータ等の加熱手段や熱交換器６４ａを設けてもよい。以下に、本発明の実施例を比較例と共に詳細に説明する。
【００５３】
（実施例１）
強誘電体であるＰＺＴの原料ガスと反応ガスである酸素ガス（Ｏ２）とを混合する場合について、原料ガスの種類及び設定流量を以下に示すようにして、図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示した混合器１を備えた図３（図中の混合器３５に相当する）に示す薄膜製造装置を用いてＰＺＴ薄膜を製造した。
[原料]                 [濃度]                [設定流量]
Pb(DPM)2/THF              0.3 mol/L              0.6 ml/min
Zr(DPM)4/THF              0.3 mol/L              0.3 ml/min
Ti(i-PrO)2(DPM) 2/THF      0.3 mol/L              0.3 ml/min
［キャリアガス］                             
N2                                                                                            500 sccm
[反応ガス] 
O2                                               2000 sccm
（注）  DPM：ジピバロイイルメタナト、Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２
THF：テトラヒドロフラン、Ｃ４Ｈ８Ｏ
i-PrO：イソプロポキシ基
【００５４】
反応室内の圧力を６Ｔｏｒｒに調圧した。この時の混合器の拡散室内の圧力は１３Ｔｏｒｒであり、原料ガスの気化部の圧力は１８Ｔｏｒｒであった。一般に液体原料の安定気化は３０Ｔｏｒｒ以下が望ましいため、十分にその要件を満足している。
【００５５】
図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示す半球型仕切り板４を設けた混合器１内に、上記原料ガス及び反応ガスを、それぞれ、ガス導入管５及び６を経てガス導入口５ａ及び６ａから導入して攪拌・混合・拡散し、混合器１から反応室内に成膜ガスを導入し、この反応室内で、ＭＯＣＶＤ方法によって通常の条件で基板上にＰＺＴ薄膜を形成した。
【００５６】
かくして形成された薄膜の膜厚分布の概略を図４（Ａ）に示す。図中１１は基板、１２は膜厚の厚い部分、１３は膜厚の薄い部分を示す。この図から明らかなように、混合器内に仕切り板４を設けたものを使用した場合は、基板１１上に形成された膜の厚さが均一の膜を連続的に形成することができた。この時の膜厚分布は±１．２％であり、デバイス製作上の観点から半導体チップの歩留まりを上げるために必要な±３％以下を充分に満足していた。この結果は、所定の仕切り板４を設けたことにより、撹拌室２及び拡散室３での対流・撹拌・混合・拡散が効率よく行われ、原料ガスと反応ガスとが均一に混合され、均一な厚さを有する薄膜が形成されたことを示している。
【００５７】
また、原料ガスの濃度及び反応ガスの設定流量を変化させて行ったが、上記と同様の結果が得られた。
【００５８】
（比較例１）
実施例１の場合と同様にしてＰＺＴ薄膜を形成した。ただし、仕切り板を有しない従来型の混合器を用い、混合器内に同じ原料ガス及び反応ガスを導入して混合・拡散し、ＭＯＣＶＤ方法によって薄膜を形成した。
【００５９】
かくして形成された薄膜の膜厚分布の概略を図４（Ｂ）に示す。図中、符号１１、１２、１３は図４（Ａ）の場合と同じである。この場合、基板１１上に形成された膜の厚さの厚い部分１２は反応ガス導入口側に偏っており、薄い部分１３は原料ガス導入口側に偏っていた。また、混合器内の空間（仕切り板を設けた場合の撹拌室と拡散室とを合わした空間）において、その空間の底では、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示した流体解析の場合と異なり、各導入口の位置に対する各ガス濃度の比較的濃い領域の反転現象が起こり、成膜ガス排出口からガスヘッドまでその反転現象を引きずったまま層流となり、基板へその濃度分布が転写されたものと推察される。この時の膜厚分布は±６．３％であり、デバイス製作上の観点から半導体チップの歩留まりを上げるために必要な±３％以下の倍以上であり、好ましくない。
【００６０】
また、仕切り板を設けない場合についても、原料ガスの濃度及び反応ガスの設定流量を実施例１のように変化させて行ったところ、膜の厚い部分と薄い部分の膜厚差は、原料ガス及び反応ガスの設定流量を増やすにつれて大きくなり、また、膜の厚い部分の領域・形状も変化すると共に、再現性も無かった。さらに、連続的に成膜した場合であっても、膜の厚い部分の広さは異なるもののこの膜の厚い部分が反応ガス導入口側に偏る傾向は変わらなかった。
【００６１】
（実施例２）
強誘電体であるＢＳＴの原料ガスと反応ガスである酸素ガス（Ｏ２）とを混合する場合について、原料ガスの種類及び設定流量を以下に示すようにして、実施例１の場合と同様にＢＳＴ薄膜を製造した。
[原料]                 [濃度]                [設定流量]
Ba(DPM )2/THF             0.1 mol/L              0.3 ml/min
Sr(DPM)２/THF              0.1 mol/L              0.3 ml/min
Ti(i-PrO)2(DPM) 2/THF      0.1 mol/L              0.6 ml/min
［キャリアガス］                             
N2                                                                                            250  sccm
[反応ガス] 
O2                                               1800 sccm
【００６２】
実施例１の場合と同様に、所定の仕切り板が設けられた混合器を備えた薄膜製造装置を用いてＢＳＴ薄膜を製造した結果、膜厚分布について実施例１と同じ傾向が得られ、本発明の混合器を備えた薄膜製造装置を用いれば、効率よく均一な膜厚分布を有する薄膜を連続的に製造することができた。膜厚分布は±３％を充分に満足していた。
【００６３】
（比較例２）
実施例２の場合と同様にしてＢＳＴ薄膜を形成した。ただし、仕切り板を有しない従来型の混合器を用い、その混合器内に同じ原料ガス及び反応ガスを導入して混合・拡散し、ＭＯＣＶＤ方法によって薄膜を形成した。かくして形成された薄膜の膜厚分布は比較例１の場合と同様に±３％を大幅に超えていた。
【００６４】
（実施例３）
強誘電体であるＰＺＴの原料ガスとして、Ｚｒ（ＤＰＭ）４／ＴＨＦの代わりにＺｒ（ＤＭＨＤ）４／ＴＨＦを用いて、実施例１の方法を繰り返した。ここで、ＤＭＨＤはジメチルヘプタジオナト（Ｃ７Ｈ１３Ｏ２）を意味する。形成された薄膜の膜質も膜厚分布も実施例１と同じ傾向が得られ、本発明の混合器を備えた薄膜製造装置を用いれば、効率よく均一な膜厚分布を有する薄膜を連続的に製造することができた。膜厚分布は±３％を充分に満足していた。
【００６５】
（実施例４）
図５に示す本発明の薄膜製造装置５１を用いて、ＭＯＣＶＤ法によりＰＺＴ膜を成膜した例を説明する。Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉの各原料ガス濃度及び流量とキャリアガスＮ２及び反応ガスＯ２の流量は以下の条件とし、８インチの電極基板上にＰＺＴ膜を成膜した。なお、真空反応室５２内の圧力は、圧力調整バルブ５６ａで５Ｔｏｒｒに維持した。
[原料]                 [濃度]                [設定流量]
Pb(DPM )2/THF             0.3 mol/L              1．14 ml/min
Zr(DPM)4/THF              0.3 mol/L              0．58 ml/min
Ti(i-PrO)2(DPM) 2/THF      0.3 mol/L              0．67 ml/min
［キャリアガス］                             
N2                                                                                            500 sccm
[反応ガス] 
O2                                              2500 sccm
［不活性ガス］                             
N2                                                                                            0〜4000 sccm
【００６６】
図８には、真空反応室５２の内壁面とスリーブ部材６１との間の間隙（排気口の大きさ）の寸法ｒ（排気クリアランスｒ（ｍｍ））とスリーブ部材の高さ寸法Ｌ（ｍｍ）を変更して（３０、５０、７０、９０ｍｍ）、膜厚１００ｎｍのＰＺＴ膜を形成したときの膜厚分布（％）が示されている。図９には、間隙ｒと高さ寸法Ｌを変更して（３０、５０、７０、９０ｍｍ）、ＰＺＴ膜を形成したときの基板中央部の成膜レート（ｎｍ／ｍｉｎ）が示されている。
【００６７】
図８から明らかなように、膜厚分布を２％以内に維持するには、高さ寸法Ｌ７０ｍｍ以上の場合、間隙ｒを１０ｍｍ以上に設定する必要がある。他方で、量産性を考慮すると、成膜時間は３ｍｉｎ以下が望ましいので、膜厚１００ｎｍの薄膜を形成する場合、成膜レートが３５ｎｍ／ｍｉｎ以上でなければならない。従って、図９の測定結果から、間隙の寸法ｒを１０ｍｍ以上、好ましくは１０ｍｍから１７ｍｍに、高さ寸法Ｌを７０ｍｍ以上に設定しておけば、良好な膜厚分布と量産に適した成膜レートとが得られる。
【００６８】
次に、上記条件より間隙の寸法ｒを１５ｍｍ、高さ寸法Ｌを７０ｍｍに設定して、ガスヘッド５７の周辺に設けたガスリング６３からプロセスに寄与しない不活性ガスＮ２を真空反応室５２内に導入して膜厚分布と成膜ダストとを測定した。図１０は、不活性ガスを０〜４０００ｓｃｃｍの流量の範囲で変更しつつ、８インチの電極基板上にＰＺＴ膜の形成したときの膜厚分布と成膜ダストの関係を示す。これによれば、ガスリング６３から１０００〜２０００ｓｃｃｍの範囲で不活性ガスを流した場合、パーティクル数が最も小さくなった。このため、不活性ガスを流さない場合に比べて優位性を有する。
【００６９】
また、図１１は、上記と同様、間隙の寸法ｒを１５ｍｍ、高さ寸法Ｌを７０ｍｍに設定すると共に、ガスリング６３から不活性ガスＮ２を０〜４０００ｓｃｃｍの流量の範囲で変更しつつ真空反応室５２内に導入して、８インチの電極基板上にＰＺＴ膜を形成したときの組成比（線ａ）と膜厚分布（線ｂ）とを示す。これによれば、不活性ガスの流量を変更しても膜厚分布に変化は見られないが、不活性ガス流量が２０００ｓｃｃｍの近傍で組成比が乱れた。なお、組成比は、Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）の比のことをいう。
【００７０】
以上の測定結果から、上記実施の形態の薄膜製造装置では、間隙の寸法ｒを１０ｍｍ以上、スリーブ部材６１の高さ寸法Ｌを７０ｍｍ以上、また、ガスリング６３から真空反応室に導入される不活性ガスの流量を１０００〜１５００ｓｃｃｍの範囲にすると、ガスリング６３からの不活性ガス自体が乱流、対流の発生源とはならず、その整流作用を最大限に発揮させることができることが分かった。その結果、膜厚分布（２％以下）、組成比、組成分布及び成膜レートが良好であって安定すると共に、成膜ダスト（０．２μｍ以上のパーティクルが２０個以下）も少なく、連続成膜を行い得る。
【００７１】
（実施例５）
以下に示す条件でＢＳＴ膜の作製を行った。実施例４と同様に、間隙の寸法ｒを１０ｍｍ以上、スリーブ部材６１の高さ寸法Ｌを７０ｍｍ以上、また、ガスリング６３から真空反応室５２に導入される不活性ガスの流量を７００〜１２００ｓｃｃｍの範囲にすると、ガスリング６３からの不活性ガス自体が乱流、対流の発生源とはならず、その整流作用を最大限に発揮させることができた。この場合、真空反応室５２内の圧力は８Ｔｏｒｒに維持した。
[原料]                 [濃度]                [設定流量]
Ba(DPM)2/THF              0.1 mol/L              0.3 ml/min
Sr(DPM)2/THF              0.1 mol/L              0.3 ml/min
Ti(i-PrO)2(DPM) 2/THF      0.1 mol/L              0.6 ml/min
［キャリアガス］                             
N2                                                                                            250  sccm
[反応ガス] 
O2                                               1800 sccm
［不活性ガス］                             
N2                                                                                            1000 sccm
【００７２】
また、ステージ５３に昇降手段を付設しなくても、防着板を配置して、対流、乱流及び熱対流が生じることなく、等方排気するようにすれば、混合ガスのガス流を均一にできる。
産業上の利用の可能性
【００７３】
以上説明したように、上記混合器においては、二つのガス導入管がそれぞれのガス導入口を互いに対向するように設けられている攪拌室と、攪拌・混合されて得られた混合ガスを拡散させる拡散室とを有し、攪拌室と拡散室との間に特定の曲面形状を有する仕切り板を設け、この仕切り板には上記それぞれのガス導入口を結ぶ直線の鉛直方向下側の所定位置に一つのガス吹き出し口を設け、このガス吹き出し口を介して混合ガスが攪拌室から拡散室へと拡散されるように構成したので、重量の異なるガスを容易に均一に混合することが可能となり、ガス重量が異なっても用いる混合器の容積を大きくする必要が無く、また、ガス流量や種類によって混合器の容積を変える必要もない。そのため、この混合器を用いれば、ＭＯＣＶＤ等のＣＶＤプロセスによって均一な膜質及び膜厚分布を有する薄膜を効率よく製造することが可能である。この曲面形状を有する仕切り板には、その周縁部分からその底部までの鉛直距離の１／２に相当する位置にガス吹き出し口が設けられているので、重量の異なるガスを容易に均一に混合して、次の工程での処理に効率よく使用することができるようになる。
【００７４】
また、上記混合器を用いた薄膜製造装置によれば、当該混合器を真空反応室に直結すれば、構成を簡単にできる。また、上記混合器を備えたことで、混合中の内部圧力を低くすることができ、それにより気化器内部の圧力を所定の圧力以下にすることができる。そのため、気化部のメンテナンスサイクルを長くし、安定した成膜ガスを反応室に供給することができ、その結果、ＣＶＤプロセスによって均一な膜質及び膜厚分布を有する薄膜を製造することが可能となる。
【００７５】
また、本発明の薄膜製造装置では、簡単な構造でかつ低コストで製作でき、その上、乱流、対流及び熱対流の発生を押えて混合ガスのガス流を均一にできる。従って、基板上の薄膜の膜厚分布及び組成分布を均一にできると共に、その再現性も高く、ＭＯＣＶＤ等のＣＶＤプロセスにおいて有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の薄膜形成装置に利用可能な混合器の内部構成を模式的に示す断面図。
【図２】（Ａ）は、上記混合器の撹拌室の内部構成を模式的に示す断面図。（Ｂ）は、（Ａ）に示す撹拌室の内部構成を模式的に示す上面図。
【図３】上記混合器を連結した薄膜製造装置の概略の構成を示す構成図。
【図４】（Ａ）は実施例１で形成した薄膜の膜厚分布の概略を示す模式図。（Ｂ）は比較例１で形成した薄膜の膜厚分布の概略を示す模式図。
【図５】本発明の実施の形態に係わる薄膜製造装置の構成を説明する概略模式図。
【図６】（Ａ）は、図５に示す真空反応室の上部の平面図。Ｂ）は、図５に示すステージ周辺の断面図。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は図５に示す装置において真空反応室内でステージの位置を変化させたときの混合ガスのガスの流れを説明するための図。
【図８】図５に示す装置において間隙寸法及び高さ寸法を変更してＰＺＴ膜を成膜したときの膜厚分布を示すグラフ。
【図９】図５に示す装置において間隙寸法及び高さ寸法を変更してＰＺＴ膜を成膜したときの基板中央部の成膜レートを示すグラフ。
【図１０】図５に示す装置においてガスリングを介して不活性ガスＮ２を０〜４０００ｓｃｃｍの流量の範囲で変更しつつ８インチの電極基板上にＰＺＴ膜を形成したときの膜厚分布と成膜ダストとの関係を示すグラフ。
【図１１】図５に示す装置においてガスリングから不活性ガスＮ２を０〜４０００ｓｃｃｍの流量の範囲で変更しつつ真空反応室内に導入して８インチの電極基板上にＰＺＴ膜を形成したときの組成分布と膜厚分布とを示すグラフ。
【符号の説明】
【００７７】
５１    薄膜形成装置
５２    真空反応室
５２ａ  第１空間
５２ｂ  第２空間
５３    ステージ
５５    真空排気手段
５７    ガスヘッド
６１    スリーブ部材
【図１】
2008133545.tif 000003
【図２】
2008133545.tif 000004
【図３】
2008133545.tif 000005
【図４】
2008133545.tif 000006
【図５】
2008133545.tif 000007
【図６】
2008133545.tif 000008
【図７】
2008133545.tif 000009
【図８】
2008133545.tif 000010
【図９】
2008133545.tif 000011
【図１０】
2008133545.tif 000012
【図１１】
2008133545.tif 000013