(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の成膜用ガスを合流混合して真空槽内に供給するための混合器を有する成膜装置であって、
前記混合器が、前記成膜用ガスのうち所定の成膜用ガスを、その合流部分において渦流を形成するための渦流形成部と、前記成膜用ガスのうち所定の成膜用ガスを前記渦流に向って導入するガス導入部とを有し、前記ガス導入部は、その断面形状が環状に形成されている成膜装置。
【請求項２】
請求項１記載の発明において、前記渦流形成部は、曲面形状に形成された渦流形成面と、該渦流形成面に対して前記所定の成膜用ガスを吹き付けるように構成された渦流形成用導入部とを有する成膜装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、前記渦流形成用導入部は、各渦流形成用導入部から導入した成膜用ガスが同方向の渦流を形成するように構成されている成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中で膜を形成する成膜装置に関し、特にＭＯＣＶＤ装置における膜特性の均一化を図る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体基板の大口径化によって、基板上に形成される薄膜の厚さ分布の均一化や多元素系プロセスにおける組成分布の均一化を実現することが重要な課題となっている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法によって成膜を行う場合、酸化物薄膜の膜厚や組成の面内均一化の重要なパラメータの一つとしてガスの混合がある。すなわち、成膜の際に酸素ガスと原料ガスが十分に混合されないと、成膜ガスに濃度分布が生じ、成膜速度や濃度比率が不均一になって基板上における面内分布が大きくなってしまうという問題がある。
【０００４】
従来、ガスの混合方法については、種々の提案がなされているが、そのほとんどが各成膜対象物に最適化されたものであり、製造装置の設計が異なると最適の条件で混合することができない。
【０００５】
一方、ＭＯＣＶＤ法においては、気相中のＭＯガスと反応ガスとの反応を極力抑え基板表面におけるガス種の化学反応を利用するフローモジュレーション法やＡＬＤ法により膜の化学的純度（組成）と物理的純度（結晶性、付き周り性）の向上が検討されている。
【０００６】
このようなプロセスにおいては、ＭＯガスと反応ガスの不活性ガスによる希釈、置換等を速やかに行うことが必要とされており、高速ガス混合、希釈及び置換を可能にする気化器が求められている。
【０００７】
図７は、従来の成膜装置の概略構成を示すものである。
図７に示すように、この成膜装置１０１においては、成膜室１０２内に配置された基板１０３に対し、シャワーヘッド１０４を介して導入された反応ガス１０５が基板の表面の近傍に供給されるようになっている。
【０００８】
この場合、気化器１０６によって気化され配管１０７によって導かれた原料ガスと、配管１０８によって導かれた反応ガスとが、Ｙ字状の混合部１０９において混合され、シャワーヘッド１０４に供給される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＭＯＣＶＤ法による成膜は、低真空で行われる場合が多く、ガス流は層流を形成する場合が多い。層流の場合、従来のＹ字状のような単純な配管の結合では、複数の成膜用ガスは層状のまま合流するのみで、良好な混合が行われないという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、複数の成膜用ガスを円滑に合流し均一な濃度分布で混合された反応ガスが得られる成膜装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、複数の成膜用ガスを合流混合して真空槽内に供給するための混合器を有する成膜装置であって、前記混合器が、前記成膜用ガスのうち所定の成膜用ガスを、その合流部分において渦流を形成するための渦流形成部と、前記成膜用ガスのうち所定の成膜用ガスを前記渦流に向って導入するガス導入部とを有し、前記ガス導入部は、その断面形状が環状に形成されている成膜装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記渦流形成部は、曲面形状に形成された渦流形成面と、該渦流形成面に対して前記所定の成膜用ガスを吹き付けるように構成された渦流形成用導入部とを有する成膜装置である。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、前記渦流形成用導入部は、各渦流形成用導入部から導入した成膜用ガスが同方向の渦流を形成するように構成されている成膜装置である。
【００１２】
このような構成を有する本発明の場合、成膜時に混合器の合流部分において渦流が形成され、この渦流に向って所定の成膜用ガスを導入することによって、複数の成膜用ガスが円滑に合流され、均一な濃度分布で混合された反応ガスが得られる。
【００１３】
そして、この反応ガスを真空槽内の成膜対象物に供給すれば、均一な膜厚及び組成の薄膜を形成することが可能になる。
【００１４】
本発明においては、渦流形成部を、曲面形状に形成された渦流形成面と、この渦流形成面に対して所定の成膜用ガスを吹き付けるように構成された渦流形成用導入部とを有するようにすれば、簡素な構成の混合器を得ることができる。
【００１５】
また、本発明にあっては、上述した渦流形成用導入部を複数（例えば二つ）設ければ、簡素な構成で十分の混合能力を有する成膜装置を得ることができる。
【００１６】
さらに、渦流形成用導入部を、各渦流形成用導入部から導入した成膜用ガスが同方向の渦流を形成するように構成すれば、より円滑なガスの混合を行うことが可能になる。
【００１７】
一方、ガス導入部として、その断面形状が環状に形成されているものを用いれば、混合器の合流部分に形成された渦流の外周部分に所定の成膜用ガスが供給され、このガスは渦流によって中心部分に向って拡散して混合される。
【００１８】
その結果、本発明によれば、成膜用ガスをより円滑に合流して均一な濃度分布で混合された反応ガスを得ることができる。
【００１９】
さらにまた、渦流形成用導入部を、真空槽に供給されるガス流に対し下流側に傾斜させて設けるようにすれば、成膜用ガスがガス流の下流側に向って導入されるので、合流部分においてガスが逆流することなく、効率良く反応ガスを導入することが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る成膜装置の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態であるＭＯＣＶＤ装置の概略全体構成図である。
図１に示すように、本実施の形態のＭＯＣＶＤ装置１は、成膜対象物である基板２に対して成膜を行うためのほぼ円筒形状の真空槽３を有し、この真空槽３は、図示しない真空排気系に接続されている。
【００２２】
真空槽３内の成膜室３０にはステージ４が設けられ、このステージ４上に基板２が載置される。成膜室３の上部ににはシャワーヘッド５が設けられている。
【００２３】
そして、原料供給器（図示せず）から送出された有機金属材料を気化するための気化器６が、後述するガス導入管（ガス導入部）７５、混合器７及び配管８を介してシャワーヘッド９に接続されている。
【００２４】
本実施の形態にあっては、酸素供給源１０、１１が二つ設けられ、各酸素供給源１０、１１は、マスフローコントローラ１２、１３及び渦流形成用導入管７１、７２を介してそれぞれ混合器７に接続されている。
【００２５】
そして、混合器７によって混合され、シャワーヘッド９に供給された反応ガス２０は、シャワーヘッド９に設けた多数のノズルを介して基板２の表面に向って吹き出され、これにより基板２の表面に反応ガス２０を供給するようになっている。
【００２６】
なお、基板２の表面に供給された反応ガス２０は、図示しない排気管を介して成膜室３０の外部に排出されるようになっている。
【００２７】
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の参考の実施の形態の混合器の構成を示すもので、図２（ａ）は、同混合器の外観を示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図２（ｃ）は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。
また、図３は、本実施の形態の作用を示す説明図である。
【００２８】
図１及び図２（ｂ）に示すように、本実施の形態の混合器７Ａは、鉛直方向に延びる円筒形状の本体部７０を有し、この本体部７０に対して直交するように、すなわち、Ｔ字状に水平に延びるように渦流形成用導入管（渦流形成用導入部）７１、７２が連結されている。
【００２９】
本実施の形態の場合、各渦流形成用導入管７１、７２は、同じ高さ位置に設けられている。
【００３０】
一方、図２（ａ）に示すように、渦流形成用導入管７１、７２の水平方向の位置関係については、その中心軸を所定距離だけずらして平行に配設されている。
【００３１】
本発明の場合、渦流形成用導入管７１、７２のずらす距離については特に限定されることはないが、良好な気体の混合を行う観点からは、本体部７０内径をＤ70、渦流形成用導入管７１、７２の内径をＤ71、Ｄ72とした場合、Ｄ71＝Ｄ72≦Ｄ70／２とすることが好ましい。
【００３２】
このような構成により、各渦流形成用導入管７１、７２の中心軸の延長線が、本体部７０の内壁によって構成される円筒面状の渦流形成面７３、７４と対向するようになっている（図２（ｃ）参照）。
【００３３】
一方、ガス導入管７５は、本体部３０と平行に、すなわち、本実施の形態の場合は鉛直方向に延びるように本体部３０に連結されている。
【００３４】
これにより、本実施の形態においては、渦流形成用導入管７１、７２とガス導入管７５とが、互いに直交するように構成されている。
【００３５】
上述した構成を有する本実施の形態において成膜時に各渦流形成用導入管７１、７２から酸素ガスを導入すると、酸素ガスは、それぞれ円筒面状の渦流形成面７３、７４に吹き付けられて渦流形成面７３、７４に沿う方向に偏向され、図３に示すように、時計回り方向に進む渦状のガス流が形成される。
【００３６】
この場合、各渦流形成用導入管７１、７２から導入する酸素の量をマスフローコントローラ１２、１３によって所定の値となるように調整する。
【００３７】
さらに、この渦状の酸素ガス流に対して鉛直上方から原料ガスを供給すると、原料ガスと酸素ガスとが円滑に合流され、これらが均一な濃度分布で混合された反応ガス２０が得られる。
【００３８】
そして、この反応ガス２０をシャワーヘッド９を介して基板に供給すれば、均一な膜厚及び組成の薄膜を形成することが可能になる。
【００３９】
図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の他の参考の実施の形態の混合器を示すもので、図４（ａ）は、同混合器の外観を示す平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、図４（ｃ）は、図４（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。以下、上記実施の形態と対応する部分については同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
【００４０】
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施の形態の混合器７Ｂは、一つの渦流形成用導入管７１が設けられたものである。この渦流形成用導入管７１は、上記実施の形態のものと同様の構成を有している。また、ガス導入管７５も、上記実施の形態のものと同様の構成を有している。
【００４１】
本実施の形態において成膜時に渦流形成用導入管７１から酸素ガスを導入すると、図４（ｃ）に示すように、酸素ガスは、本体部３０の渦流形成面７３、７４に吹き付けられて渦流形成面７３、７４に沿う方向に偏向され、時計回り方向に進む渦状のガス流が形成される。
【００４２】
さらに、この渦状の酸素ガス流に対して鉛直上方のガス導入管７５から原料ガスを供給すると、原料ガスと酸素ガスとが円滑に合流され、これらが均一な濃度分布で混合された反応ガス２０が得られる。
【００４３】
そして、この反応ガス２０をシャワーヘッド９を介して基板に供給すれば、上記実施の形態と同様に、均一な膜厚及び組成の薄膜を形成することができる。その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００４４】
図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態の混合器を示すもので、図５（ａ）は、同混合器の外観を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＦ−Ｆ線断面図である。以下、上記実施の形態と対応する部分については同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
【００４５】
本実施の形態の混合器７Ｃは、断面形状が環状のガス導入管７５Ｃを用いて原料ガスを導入するようにした点が上記実施の形態と異なるものである。
【００４６】
この場合、ガス導入管７５Ｃの外径は、本体部７０の外径と同一となるように設定されている。
【００４７】
このような構成を有する本実施の形態にあっては、混合器７Ｃの合流部分に形成された渦状酸素ガス流の外周部分に原料ガスが供給され、この原料ガスは渦状酸素ガス流によって中心部分に向って拡散して混合される。
【００４８】
その結果、本実施の形態によれば、原料ガスと酸素ガスとがより円滑に合流され、均一な濃度分布で混合された反応ガス２０が得られるので、均一な膜厚及び組成の薄膜を形成することができる。その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００４９】
図６（ａ）（ｂ）は、本発明の他の参考の実施の形態の混合器を示すもので、図６（ａ）は、同混合器の外観を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＧ−Ｇ線断面図である。以下、上記実施の形態と対応する部分については同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
【００５０】
図６（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態の混合器７Ｄは、渦流形成用導入管７１、７２が、混合器７Ｄの合流部分において鉛直上方側、すなわち、ガス流の下流側に傾斜させて本体部３０に連結されている点が上記実施の形態と異なるものである。
【００５１】
このような構成を有する本実施の形態によれば、酸素ガスがガス流の下流側に向って導入されるので、合流部分においてガスが逆流することなく、効率良く反応ガスを導入することが可能になる。その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００５２】
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、上述の実施の形態においては、酸素ガス導入管から酸素ガスを導入する一方で、原料ガス導入管から原料ガスを導入するようにしたが、本発明はこれに限られず、導入するガスの組み合わせについて、種々の変更が可能である。
【００５３】
また、酸素ガス導入管から原料ガスと反応ガスを導入する一方で、反応ガス導入管から例えば不活性ガス等の希釈ガスを導入することも可能である。
【００５４】
この場合、マスフローコントローラーによって原料ガスと反応ガスの導入量を交互に増加、減少させ、基板表面における原料ガスと反応ガスの濃度を調整するようにすれば、基板表面における原料ガスと反応ガスの吸着乖離平衡と反応を制御でき、これにより膜の化学的純度（組成）と物理的純度（結晶性、付き周り性）の向上を図ることができる。
【００５５】
また、マスフローコントローラーの代わりにバルブを設け、原料ガスと反応ガスをタイミングをずらして交互に導入することによっても、基板表面における原料ガスと反応ガスの濃度を交互に増減させることができ、これにより膜の化学的純度（組成）と物理的純度（結晶性、付き周り性）の向上を図ることができる。
【００５６】
さらにまた、本発明はＭＯＣＶＤ装置に限らず、ガスの均一混合を必要とする他のＣＶＤ装置や種々の真空処理装置に適用することができる。
【００５７】
ただし、ガス流の制御が有効な１Ｐａ〜１００００Ｐａの圧力範囲で使用される減圧ＭＯＣＶＤ装置に適用した場合に最も有効なものである。
【００５８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、複数の成膜用ガスを円滑に合流し均一な濃度分布で混合された反応ガスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態であるＭＯＣＶＤ装置の概略全体構成図
【図２】（ａ）：本発明の参考の実施の形態の混合器の外観を示す平面図
（ｂ）：図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図
（ｃ）：図２（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図
【図３】  同実施の形態の作用を示す説明図
【図４】（ａ）：本発明の他の参考の実施の形態の混合器の外観を示す平面図
（ｂ）：図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図
（ｃ）：図４（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図
【図５】（ａ）：本発明の実施の形態の混合器の外観を示す平面図
（ｂ）：図５（ａ）のＥ−Ｅ線断面図
（ｃ）：図５（ｂ）のＦ−Ｆ線断面図
【図６】（ａ）：本発明の他の参考の実施の形態の混合器の外観を示す平面図
（ｂ）：図６（ａ）のＧ−Ｇ線断面図
【図７】  従来の成膜装置の概略構成図
【符号の説明】
１…ＭＯＣＶＤ装置  ２…基板（成膜対象物）  ３…真空槽  ７…混合器  ２０…反応ガス  ７１、７２…渦流形成用導入管（渦流形成用導入部）  ７３、７４…渦流形成面  ７５…ガス導入管（ガス導入部）
【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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