(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にプロセスガス流路を形成する内管と、該内管との間に熱媒体流路を形成する外管と、前記内管と外管との間の開口した両端部を塞ぐとともに外管より大きい外周を有する鍔状の二つのフランジとを有し、前記熱媒体流路に連通する熱媒体入口を前記一方のフランジに形成するとともに前記熱媒体流路に連通する熱媒体出口を前記他方のフランジに形成した二重配管エレメントを備え、前記二重配管エレメントには、二重配管構造の弁を一体化した弁一体型二重配管エレメントが含まれており、前記二つのフランジには、それぞれ前記熱媒体流路に面する凹部が設けられ、前記熱媒体入口および前記熱媒体出口は、それぞれ前記フランジの外周面よりフランジの内部を半径方向に延びて前記凹部内で開口していることを特徴とするプロセスガス搬送用配管。
【請求項２】
前記二重配管エレメントは複数個設けられ、これら複数の二重配管エレメントはプロセスガス流路を互いに連通させつつ前記フランジを介して互いに連結されていることを特徴とする請求項１記載のプロセスガス搬送用配管。
【請求項３】
原料ガスを発生させるガス発生装置と、
前記ガス発生装置で発生した原料ガスを用いて基板上に成膜を行う気密な成膜室と、
請求項１または２記載のプロセスガス搬送用配管で構成され、前記ガス発生装置と成膜室とを連絡する原料ガス搬送流路と、
を備えていることを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、又はチタン酸バリウムストロンチウム（以下、チタン酸バリウム／ストロンチウムと総称する）等の高誘電体又は強誘電体薄膜を基板表面に形成する時に使用される原料ガス等の安定温度領域の狭いプロセスガスを温度制御しつつ処理室等に搬送するのに使用されるプロセスガス搬送用配管及び該搬送用配管を使用した成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体産業における集積回路の集積度の向上はめざましく、現状のメガビットオーダから、将来のギガビットオーダを睨んだＤＲＡＭの研究開発が行われている。かかるＤＲＡＭの製造のためには、小さな面積で大容量が得られるキャパシタ素子が必要である。このような大容量素子の製造に用いる誘電体薄膜として、比誘電率が１０以下であるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜に替えて、比誘電率が２０程度である五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）薄膜、あるいは比誘電率が３００程度であるチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はチタン酸バリウムストロンチウム等の金属酸化物薄膜材料が有望視されている。また、さらに誘電率が高いＰＺＴ、ＰＬＺＴ、Ｙ１等の強誘電体の薄膜材料も有望視されている。
【０００３】
ところで、このような素材の成膜を行う方法として、化学気相成長法（ＣＶＤ）が有望とされている。図３は、この種のチタン酸バリウム／ストロンチウム等の高誘電体又は強誘電体薄膜を形成するための成膜装置の全体構成を示す図である。図３に示すように、原料容器１０に貯蔵された液体原料１１は、加圧ガス容器１２内の加圧ガスで原料容器１０内を加圧することにより、流量制御器１３で所定の流量に制御され、液体原料供給管１４を通過して気化器１５に送られて気化される。この気化器１５で気化した原料ガスは、原料ガス搬送経路１６からガス供給ヘッド１７に導入され、このガス供給ヘッド１７に酸化ガス導入管１８から導入された酸化ガスとともに、密閉可能な成膜室（処理室）２０内に配置された基板保持・加熱台（サセプタ）２１に載置保持され且つ所定の温度に加熱された基板Ｗに向けて噴射され、これにより、基板Ｗの表面に薄膜が成長する。
【０００４】
成膜に使用された排ガスは、排気管２２内に流入し、この排気管２２に設けられたトラップ装置２３ａの内部を流れて排気ガス中の固形化成分や未分解ガスがトラップ又は凝縮して除去され、残りのガスは真空ポンプ２４から外部に排気される。この排気管２２には、開閉弁２５と、成膜室２０内の圧力を検知する圧力計２６により開度が制御される圧力制御弁２７がトラップ装置２３ａを挟んでその上流側と下流側に設けられている。
【０００５】
一方、気化器１５の直下流位置で原料ガス搬送経路１６から分岐したベント経路３０が備えられ、原料ガス搬送経路１６とベント経路３０との分岐点の下流側には、各々原料ガス搬送経路１６とベント経路３０の切換を行う切換弁３１ａ，３１ｂが設けられている。ベント経路３０は、ガス中の固形化成分や未分解ガスをトラップ又は凝縮して除去するトラップ装置２３ｂを有し、このベント経路３０は排気管２２に圧力制御弁２７の上流側で接続されている。
【０００６】
上述のように構成された成膜装置において、原料ガスを成膜室２０内の被成膜基板Ｗに向けて安定的に供給する必要がある。原料ガスは、定常的に微量秤量可能にし且つ気化特性を安定させるために、常温で固体のＢａ（ＤＰＭ）２、Ｓｒ（ＤＰＭ）２などをテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）などの有機溶剤に溶解し、且つ常温で液体のＴｉ（ｉ−ＯＣ３Ｈ７）２（ＤＰＭ）２を同様にＴＨＦと混合して液体原料とし、これらを気化器１５で加熱して気化することによって生成される。
【０００７】
ところで、このような原料ガスにあっては、気相温度範囲が狭く、その搬送の過程で部分的に温度の低い部位が存在するとその部位に原料ガスが凝結して結果的に膜の組成ずれが発生したり、切換弁で凝結が発生すると、最悪の場合に切換え不能を招いてシステムの故障に陥ることにもなる。また、気化温度と分解温度が接近しているため、部分的に温度の高い部位があると原料ガスの分解を起こし、分解した成分が膜中に不足して膜質を悪化させるばかりでなく、分解したものがパーティクルとなって配管の内部に堆積し、これが成膜室内に流入すると膜質を更に悪化させることにもなる。
【０００８】
このため、図３に示すように、気化器１５とガス供給ヘッド１７とを結ぶ原料ガス搬送経路１６を、原料ガス搬送配管３２にリボン状の電気ヒータ（以下、リボンヒータという）３３を巻付けて構成し、原料ガス搬送配管３２とリボンヒータ３３との間に、図示しない温度センサ（熱電対）を挟み込んで、この温度センサでリボンヒータ３３をフィードバック制御することが行われていた。ベント経路３０にあっても、トラップ装置２３ｂの上流側は、ベント配管３４にリボンヒータ３３を巻き付けて構成されていた。
【０００９】
また、図４に示すように、原料ガス搬送流路１６及びベント経路３０のトラップ装置２３ｂの上流側を内管３５と外管３６からなる二重構造の配管で構成するとともに、切換弁３１ａ，３１ｂとして、内管３５ａと外管３６ａを有し内管３５ａの内部に仕切弁部３７を形成した二重管構造のものを使用し、この切換弁３１ａ，３１ｂの内管３５ａの一次側及び二次側に内管３５を、外管３６ａの一次側及び二次側に外管３６をそれぞれ溶接等で接合して、内管３５，３５ａで区画された空間内を原料ガスが流れ、内管３５，３５ａと外管３６，３６ａで区画された空間内を熱媒体が流れるようにしたものも知られている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リボンヒータを用いて原料ガスを加熱するようにした従来の技術にあっては、配管の形状が複雑になるとヒータが捲きずらくなって、局所的な加熱になり易いばかりでなく、表面積が大きく、放熱し易いため、温度が不均一になって、原料ガスの分解や凝縮が生じやすくなってしまう。しかも、継手部にもリボンヒータを巻き付ける必要があるため、分解・メンテナンス作業が困難であるばかりでなく、再組立て後の温度分布の再現性が悪くなってしまうといった問題があった。
【００１１】
一方、二重配管構造としたものは、リボンヒータを使用した場合と比較し温度分布を良好にすることができるものの、弁の内管及び外管が二重構造の内管及び外管に溶接等で接合されているために、弁の分解・メンテナンスや、弁の変更、配管系の変更等が著しく困難であるといった問題があった。
【００１２】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、配管の内部を流れるプロセスガスを所定の温度に均一に加熱制御でき、しかもメンテナンスが容易であるばかりでなく、配管系を容易に変更できるようにしたプロセスガス搬送用配管及び成膜装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のプロセスガス搬送用配管は、内部にプロセスガス流路を形成する内管と、該内管との間に熱媒体流路を形成する外管と、前記内管と外管との間の開口した両端部を塞ぐとともに外管より大きい外周を有する鍔状の二つのフランジとを有し、前記熱媒体流路に連通する熱媒体入口を前記一方のフランジに形成するとともに前記熱媒体流路に連通する熱媒体出口を前記他方のフランジに形成した二重配管エレメントを備え、前記二重配管エレメントには、二重配管構造の弁を一体化した弁一体型二重配管エレメントが含まれており、前記二つのフランジには、それぞれ前記熱媒体流路に面する凹部が設けられ、前記熱媒体入口および前記熱媒体出口は、それぞれ前記フランジの外周面よりフランジの内部を半径方向に延びて前記凹部内で開口していることを特徴とする。
【００１４】
このように構成した本発明によれば、各二重配管エレメントを連結してプロセスガス搬送用配管を構成することで、配管の分解・メンテナンスの便を図るとともに、配管系の変更を容易となし、しかも、各二重配管エレメント毎にフランジで区画された熱媒体流路を形成し該熱媒体流路内に熱媒体を流すことで、配管全体を所定の温度に均一に加熱制御できる。
【００１５】
そして、構造が複雑で温度制御が困難な弁であっても、弁の内部を流れるプロセスガスを熱媒体流路を流れる熱媒体で加熱することができる。
【００１６】
更に、前記フランジには、前記熱媒体流路に面する凹部が設けられていることを特徴とする。これにより、フランジに設けた凹部内を熱媒体が流れるようにすることで、フランジの内部に位置するプロセスガス流路を流れるプロセスガスに対して、フランジからの放熱に対し局部的に加熱が不足してしまうことが防止される。
【００１７】
本発明の成膜装置は、原料ガスを発生させるガス発生装置と、前記ガス発生装置で発生した原料ガスを用いて基板上に成膜を行う気密な成膜室と、請求項１または２記載のプロセスガス搬送用配管で構成され、前記ガス発生装置と成膜室とを連絡する原料ガス搬送流路と、を備えていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明に係る成膜装置の実施形態の全体構成を示す図であり、図２は図１の一部を拡大して示す一部拡大断面図である。
【００１９】
本実施形態に係る成膜装置は、チタン酸バリウム／ストロンチウム等の高誘電体又は強誘電体薄膜を形成するためのものであり、図１に示すように、原料容器１０に貯蔵された液体原料１１は、加圧ガス容器１２内の加圧ガスで原料容器１０内を加圧することにより、流量制御器１３から液体原料供給管１４を通過して気化器１５に送られて気化する。この気化器１５で気化した原料ガスは、原料ガス搬送経路１６からガス供給ヘッド１７に導入され、このガス供給ヘッド１７に酸化ガス導入管１８から導入された酸化ガスとともに、密閉可能な成膜室（処理室）２０内に配置された基板保持・加熱台（サセプタ）２１に載置保持された基板Ｗに向けて噴射され、これにより、基板Ｗの表面に薄膜が成長する。この基板保持・加熱台２１には、基板Ｗを原料ガスの分解温度以上に加熱するヒータが内蔵されている。
【００２０】
成膜に使用された以外の排ガスは、排気管２２内に流入し、この排気管２２に設けられたトラップ装置２３ａの内部を流れて排気ガス中の固形化成分や未分解ガスがトラップ又は凝縮して除去されて、真空ポンプ２４から外部に排気される。この排気管２２には、開閉弁２５と、成膜室２０内の圧力を検知する圧力計２６により開度が制御される圧力制御弁２７がトラップ装置２３ａを挟んでその上流側と下流側に設けられている。
【００２１】
一方、気化器１５の直下流位置で原料ガス搬送経路１６から分岐したベント経路３０が備えられ、原料ガス搬送経路１６及びベント経路３０の分岐点の下流側には、原料ガス搬送経路１６とベント経路３０の切換を行う切換弁３１ａ，３１ｂが設けられている。ベント経路３０にも、ガス中の固形化成分や未分解ガスをトラップ又は凝縮して除去するトラップ装置２３ｂを有し、このベント経路３０は排気管２２に圧力制御弁２７の上流側で接続されている。
なおトラップ装置２３ａ，２３ｂは、各々外気により冷却されている。
【００２２】
ここで、前記原料ガス搬送経路１６は、この例では、Ｔ字管型二重配管エレメント４０、弁一体型二重配管エレメント５０ａ及び単管型二重配管エレメント６０の３種類の二重配管エレメントを互いに連結して構成されている。また、ベント経路３０のトラップ装置２３ｂの上流側は、Ｔ字管型二重配管エレメント４０に弁一体型二重配管エレメント５０ｂを連結して構成され、下流側は、ベント配管３４で構成されている。
【００２３】
Ｔ字管型二重配管エレメント４０は、図１および図２に示すように、内部にプロセスガス流路４１を形成するＴ字状の内管４２と、該内管４２との間に熱媒体流路４３を形成するＴ字状の外管４４と、内管４２と外管４４との間の開口端部を塞ぐ３つのフランジ４５とから構成されている。そして、一つのフランジ４５には、熱媒体流路４３に連通する熱媒体入口４６が設けられ、他の一つのフランジ４５には、熱媒体流路４３に連通する熱媒体出口４７が設けられている。これにより、熱媒体入口４６から熱媒体流路４３内に熱媒体が導入されて、熱媒体出口４７から排出されるようになっている。フランジ４５には、プロセスガスの漏洩を防止するシール部材５９が当接する平滑なシール面４８が設けられている。なお内管４２と外管４４の端部は、各々フランジ４５に溶接され、熱媒体流路４３の気密を保っている。
【００２４】
弁一体型二重配管エレメント５０ａは、前記切換弁３１ａとして二重管構造の弁を使用し、これを一体化したものである。すなわち、図２に示すように、内部にプロセスガス流路５１を形成するとともに仕切弁部５２を内蔵した内管５３と、該内管５３との間で熱媒体流路５４を形成する外管５５との間の開口端部を各々一対のフランジ５６で塞ぎ（この場合は溶接による）、この一方のフランジ５６に熱媒体流路５４に連通する熱媒体入口５７を設け、他方のフランジ５６に熱媒体流路５４に連通する熱媒体出口５８を設けたものである。これにより、熱媒体入口５７から熱媒体流路５４内に熱媒体が導入されて、熱媒体出口５８から排出されるようになっている。フランジ５６には、プロセスガスの漏洩を防止するシール部材５９が設けられている。弁一体型二重配管エレメント５０ｂは、前記切換弁３１ｂとして二重管構造のものを使用し、これを一体化したものであり、構成は図２に示す弁一体型二重配管エレメント５０ａと同様である。
【００２５】
単管型二重配管エレメント６０は、内部にプロセスガス流路６１を形成する円筒状の内管６２と、該内管６２との間に熱媒体流路６３を形成する円筒状の外管６４と、内管６２と外管６４との間の開口端部を塞ぐ一対のフランジ６５とから構成されている。そして、一方のフランジ６５には、熱媒体流路６３に連通する熱媒体入口６６が設けられ、他方のフランジ６５には、熱媒体流路６３に連通する熱媒体出口６７が設けられている。これにより、熱媒体入口６６から熱媒体流路６３内に熱媒体が流入して、熱媒体出口６７から排出されるようになっている。フランジ６５には、プロセスガスの漏洩を防止するため、シール部材５９が当接するシール部材６８が設けられている。
【００２６】
ここに、前記各二重配管エレメント４０，５０ａ，５０ｂ，６０の各フランジ４５，５６，６５には、図２に示すように、各熱媒体流路４３，５４，６３に面した凹部４５ａ，５６ａ，６５ａが設けられ、各熱媒体入口４６，５７，６６及び熱媒体出口４７，５８，６７は、フランジ４５，５６，６５の内部を直径方向に貫通して、この凹部４５ａ，５６ａ，６５ａ内で開口するようになっている。これにより、フランジ４５，５６，６５に設けた凹部４５ａ，５６ａ，６５ａ内を熱媒体が流れるようにすることで、フランジ４５，５６，６５の内部に位置するプロセスガス流路４１，５１，６１を流れるプロセスガスに対して、局部的に加熱が不足してしまうことが防止される。
【００２７】
そして、各プロセスガス流路４１，５１，６１を連通させつつ、Ｔ字管型二重配管エレメント４０の一つのフランジ４５と気化器１５のフランジとを連結し、Ｔ字管型二重配管エレメント４０の他の一つのフランジ４５と弁一体型二重配管エレメント５０ａの一方のフランジ５６とを連結し、弁一体型二重配管エレメント５０ａの他方のフランジ５６と単管型二重配管エレメント６０の一方のフランジ６５とを連結し、さらに単管型二重配管エレメント６０の他方のフランジ６５とガス供給ヘッド１７のフランジとを連結することで、原料ガス搬送経路１６が構成されている。また、Ｔ字管型二重配管エレメント４０の更に他の一つのフランジ４５と弁一体型二重配管エレメント５０ｂの一方のフランジ５６とを連結し、弁一体型二重配管エレメント５０ｂの他方のフランジ５６とトラップ装置２３ｂのフランジ部とを連結することで、ベント経路３０のトラップ装置２３ｂの上流側が構成されている。
【００２８】
本実施の形態によれば、ベント経路３０の切換弁３１ｂを閉じ、原料ガス搬送経路１６の切換弁３１ａを開いて、気化器１５で気化した原料ガスをガス供給ヘッド１７に導入する時、原料ガスは、各二重配管エレメント４０，５０ａ，６０の各プロセスガス流路４１，５１，６１に沿って流れ、各熱媒体流路４３，５４，６３内に熱媒体を流すことで、所定の温度に精度良く加熱制御され、これにより、原料ガスの搬送の途中における凝縮・分解が防止される。原料ガスをベントする時にも、トラップ装置２３ｂに流入するまでの原料ガスを所定の温度に精度よく制御することで、原料ガスの凝縮・分解が防止される。しかも、各二重配管エレメント４０，５０ａ，６０を連結して原料ガス搬送経路（プロセスガス搬送用配管）１６を構成することで、配管の分解・メンテナンスの便を図るとともに、配管系の変更も容易となる。
【００２９】
なお、本実施の形態においては、３種類の二重配管エレメントを使用した例を示しているが、例えば十字管型二重配管エレメント等の任意の形状のものを使用しても良く、また個数は任意で良い。弁の構造も、弁座部を中心に周囲から熱媒体で加熱できる構造のものであれば良い。また、熱媒体入口と熱媒体出口とを直列に結ぶことで、熱媒体配管をよりシンプルにすることができる。
なお、熱媒体源については説明を省略したが、本成膜装置とは別に所定の温度に加熱された熱媒体を吐出する機能のものであれば簡単でよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱媒体流路に熱媒体を流すことで、配管全体を所定の温度に均一に加熱制御でき、これによって、安定温度領域が狭いプロセスガスであっても、この凝結や分解を抑制することができる。従って、チタン酸バリウム／ストロンチウム等の高誘電体又は強誘電体薄膜を形成する成膜装置に適用することで、膜の組成精度及び組成安定性を向上させ、原料の有効活用率を向上させるとともに、開閉弁の詰まりを防止して、装置としての稼働率を向上させることができる。しかも、弁や配管等のメンテナンスが容易であるばかりでなく、配管系を容易に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成膜装置の第１の実施形態の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１の一部を拡大して示す拡大断面図である。
【図３】従来の成膜装置の全体構成を示す概略図である。
【図４】従来の他の成膜装置の一部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１０  原料容器
１１  液体原料
１５  気化器
１６  原料ガス搬送経路
１７  ガス供給ヘッド
２０  成膜室
２３ａ，２３ｂ  トラップ装置
３０  ベント経路
３１ａ，３１ｂ  切換弁
４０  Ｔ字管型二重配管エレメント
４１，５１，６１  プロセスガス流路
４２，５３，６２  内管
４３，５４，６３  熱媒体流路
４４，５５，６４  外管
４５，５６，６５  フランジ
４５ａ，５６ａ，６５ａ  凹部
４６，５７，６６  熱媒体入口
４７，５８，６７  熱媒体出口
４８，６８  シール面
５９  シール部材
５０ａ，５０ｂ  弁一体型二重配管エレメント
５２  仕切弁部
６０  単管型二重配管エレメント
【図１】
0004007732.tif 000002
【図２】
0004007732.tif 000003
【図３】
0004007732.tif 000004
【図４】
0004007732.tif 000005