(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザであり、
前記ガスが通過する前記ノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために、前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなり、
前記拡散板は外部と接する拡散板の下面が水平面である、ことを特徴とする半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項２】
前記拡散板は、該拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなる拡散板の厚さ増加分が中心からの長さに比例して増加することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項３】
前記拡散板は、該拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなる拡散板の厚さ増加分が中心からの長さの自乗に比例して増加することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項４】
前記拡散板は、該拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなる拡散板の厚さ増加分が中心からの長さの自乗以上の次数に比例して増加することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項５】
前記拡散板を貫通するノズルの形態は垂直で形成された直管状であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項６】
前記各ノズルの半径が同一であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項７】
前記ガスはエッチングガスであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項８】
前記ガスは蒸着ガスであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項９】
内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザであり、
前記ガスが通過する前記ノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために、前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなり、
前記拡散板は外部と接する拡散板の下面が水平面である、半導体素子製造用ガスディヒューザであって、
前記拡散板の中心の直下を基準にして半径方向にｒ程度離れた拡散板の直下の特定位置での噴射ガス速度分布が Ｖ(r) ＝ Ｖ０(１−(ｒ/ｒ０)２ ）となることを特徴とする半導体素子製造用ガスディヒューザ。
（ここで、ｒ０ は拡散板の中心の直下から拡散板の終点の直下までの距離を表し、Ｖ０ は拡散板の中心の直下の速度を表す。)
【請求項１０】
前記ガスはエッチングガスであることを特徴とする請求項９に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項１１】
前記ガスは蒸着ガスであることを特徴とする請求項９に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項１２】
内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザであり、
前記ガスが通過する前記ノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために、前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなり、
前記拡散板は外部と接する拡散板の下面が水平面である、半導体素子製造用ガスディヒューザであって、
前記拡散板の中心の直下を基準にして、半径方向にｒ離れた拡散板の直下の特定位置での噴射ガス濃度分布をノズルとノズルとの間の前記拡散板の半径方向への配置密度を調整して［数１］とした、ことを特徴とする半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【数１】
0004036982.tif 000005
（ここで、φｋ(ｒ) と Nｋ は各々Chebyshev 多項式と多項式の個数を表し、 aｋ は比例定数である。前記式で適用した幾何学的な形状と境界条件 ｒ=０ で対称の点を考慮して偶数次数の多項式だけを使用するので、φｋ(ｒ)は 2(k-1)次のChebyshev 多項式を表す。)
【請求項１３】
前記ノズルとノズル間の前記拡散板の半径方向への配置密度が前記拡散板の中心部は低く、中間部は高く、周辺部は低くなるように、前記ノズルとノズル間の半径方向距離が、前記拡散板の中心から遠ざかるほど次第に短くなり、途中からは次第に広がる、ことを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項１４】
前記拡散板を貫通するノズルの形態は垂直で形成された直管形であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項１５】
前記各ノズルの半径が同等であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項１６】
前記ガスはエッチングガスであることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項１７】
前記ガスは蒸着ガスであることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項１８】
内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザであって、
前記拡散板は外部と接する拡散板の下面が水平面であり、
前記ガスが通過する前記ノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために、前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなり、かつ前記ノズルとノズル間の前記拡散板の半径方向への配置密度が前記拡散板の中心部は低く、中間部は高く、周辺部は低くなるように、前記ノズルとノズル間の半径方向距離が、前記拡散板の中心から遠ざかるほど次第に短くなり、途中からは次第に広がる、ことを特徴とする半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項１９】
前記拡散板は、該拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなる拡散板の厚さ増加分が、中心からの長さに比例して増加することを特徴とする請求項１８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項２０】
前記拡散板は、該拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなる拡散板の厚さ増加分が中心からの長さの自乗に比例して増加することを特徴とする請求項１８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項２１】
前記拡散板は、該拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなる拡散板の厚さ増加分が、中心からの長さの自乗以上の次数に比例して増加することを特徴とする請求項１８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項２２】
前記拡散板は、該拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど前記ノズルとノズル間の半径方向距離が次第に短くなり、途中から次第に広くなる、それらの減少分および増加分が、前記拡散板の中心からの長さに比例してそれぞれ減少および増加させられている、ことを特徴とする請求項１８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項２３】
前記拡散板は、該拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど前記ノズルとノズル間の半径方向距離が次第に短くなり、途中から次第に広くなる、それらの減少分および増加分が、前記拡散板の中心からの長さの自乗以上の次数に比例してそれぞれ減少および増加させられている、ことを特徴とする請求項１８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項２４】
前記拡散板を貫通するノズルの形態は垂直で形成された直管形であることを特徴とする請求項１８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項２５】
前記各ノズルの半径が同一であることを特徴とする請求項１８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項２６】
前記ガスはエッチングガスであること特徴とする請求項１８に記載の前記半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項２７】
前記ガスは蒸着ガスであることを特徴とする請求項１８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項２８】
内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザであり、
前記ガスが通過する前記ノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために、前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなり、
前記拡散板は外部と接する拡散板の下面が水平面である、半導体素子製造用ガスディヒューザであって、
前記拡散板の中心の直下を基準にして、半径方向にｒ程度離れた拡散板の直下の特定位置での噴射ガス速度分布が  Ｖｘ ＝ Ｖ０(１−(ｒ/ｒ０)２）となり、かつ前記拡散板の中心の直下を基準に、半径方向にｒ離れた拡散板の直下の特定位置での噴射ガス濃度分布をノズルとノズルとの間の前記拡散板の半径方向への配置密度を調整して［数２］とした、ことを特徴とする半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【数２】
0004036982.tif 000006
（ここで、ｒ０ は拡散板の中心の直下から拡散板の終点の直下までの距離を示し、Ｖｏ  は拡散板の中心の直下の速度を示し、φｋ(ｒ) と Nｋ は各々Chebyshev 多項式と多項式の数を表し、 aｋ は比例定数である。前記式で適用した幾何学的な形状と境界条件 ｒ=０ で対称の点を考慮して偶数次数の多項式だけを使用するので、φｋ(ｒ)は 2(k-1)次のChebyshev 多項式を表す。)
【請求項２９】
前記ノズルとノズル間の前記拡散板の半径方向への配置密度が前記拡散板の中心部は低く、中間部は高く、周辺部は低くなるように、前記ノズルとノズル間の半径方向距離が、前記拡散板の中心から遠ざかるほど次第に短くなり、途中からは次第に広がる、ことを特徴とする請求項２８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項３０】
前記ガスはエッチングガスであることを特徴とする請求項２８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項３１】
前記ガスは蒸着ガスであることを特徴とする請求項２８に記載の半導体素子製造用ガスディヒューザ。
【請求項３２】
内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通され、このノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために、前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなり、前記拡散板は外部と接する拡散板の下面が水平面である、ことを特徴とするガスディヒューザを上方に設けて、ウェハの表面にガスを噴射させ、前記ウェハの表面と前記ガスディヒューザの拡散板との距離が前記ウェハの半径の１／２であることを特徴とする半導体素子製造用反応炉。
【請求項３３】
前記ガスディヒューザは、前記ノズルとノズル間の前記拡散板の半径方向への配置密度が前記拡散板の中心部は低く、中間部は高く、周辺部は低くなるように、前記ノズルとノズル間の半径方向距離が、前記拡散板の中心から遠ざかるほど次第に短くなり、途中からは次第に広がる、ことを特徴とする請求項３２に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項３４】
真空圧が形成され下方にガスを排出するガス排出口を前記ウェハの下方に設けることを特徴とする請求項３２に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項３５】
前記拡散板を貫通するノズルの形態は垂直で形成された直管形であることを特徴とする請求項３２に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項３６】
前記各ノズルの半径が同一であることを特徴とする請求項３２に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項３７】
前記ガスはエッチングガスであることを特徴とする請求項３２に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項３８】
前記ガスは蒸着ガスであることを特徴とする請求項３２に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項３９】
内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通され、このノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなり、前記拡散板は外部と接する拡散板の下面が水平面である、ことを特徴とするガスディヒューザを上方に設けて、ウェハの表面にガスを噴射させ、前記ウェハの表面と前記ガスディヒューザの拡散板との距離が前記ウェハの半径と等しいことを特徴とする半導体素子製造用反応炉。
【請求項４０】
前記ガスディヒューザは、前記ノズルとノズル間の前記拡散板の半径方向への配置密度が前記拡散板の中心部は低く、中間部は高く、周辺部は低くなるように、前記ノズルとノズル間の半径方向距離が、前記拡散板の中心から遠ざかるほど次第に短くなり、途中からは次第に広がる、ことを特徴とする請求項３９に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項４１】
真空圧が形成され下方にガスを排出するガス排出口を前記ウェハの下方に設けることを特徴とする請求項３９に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項４２】
前記拡散板を貫通するノズルの形態は垂直で形成された直管形であることを特徴とする請求項３９に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項４３】
前記各ノズルの半径が同等であることを特徴とする請求項３９に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項４４】
前記ガスはエッチングガスであることを特徴とする請求項３９に記載の半導体素子製造用反応炉。
【請求項４５】
前記ガスは蒸着ガスであることを特徴とする請求項３９に記載の半導体素子製造用反応炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子製造用ガスディヒューザ及びこれを設けた反応炉に係り、さらに詳しくはノズルの形状を改良して蒸着対象物に均一な膜を形成させる半導体素子製造用ガスディヒューザ及びこれを設けた反応炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にCVD 、ドライエッチャなどの半導体素子製造用反応炉の構造は、図１のように、ガスを下部に排出させる排出口10が形成された空間の上部に、ガスを噴射するガスディヒューザ(Gas  Diffuser)12 を設ける一方、前記空間の下部にウェハ１を支持するウェハ支持板14を設ける構成である。
【０００３】
このような反応炉において、ガスディヒューザ12は、内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部には前記ガスが流入されるガス流入管16が形成され、このガス流入管16を介して前記中空部にガスが供給され、一方、下面に設けられる円板型の拡散板18には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズル20が形成される構成である。
前記ノズル20が形成された下板、即ち、拡散板18は平板状であり、前記ノズル20は前記拡散板18に均一な密度で配置されている。
従って、前記ガスディヒューザ12から広がったガスまたは液滴等は反応炉で広がって下部蒸着対象物の表面に薄膜を均一に形成したり、均一なエッチング現象を誘発させる。それによって半導体工程が進行される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際は望みの均一度の薄膜を得るということは、非常に難しくて多くの試行錯誤にもかかわらず、満足した結果が得られていない。
このような難しさを解決するための従来の方法の一つとしては、ウェハ支持板14を回転させる方法があった。
しかし、前記ウェハ支持板14を回転させる方法は、ウェハの円周方向への薄膜蒸着の均一性を向上させる効果を奏でたこともあったが、ウェハが大口径化するにつれ一層重要視されているウェハ半径方向への薄膜蒸着の均一性を高めるには限界があるという問題点があった。
【０００５】
本発明は前記のような従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的はウェハ表面に蒸着される薄膜の均一度を向上させて工程の精度を高め、ウェハの歩留りを増加させることができる半導体素子製造用ガスディヒューザ及びこれを設けた反応炉を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の半導体素子製造用ガスディヒューザは、内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザにおいて、前記ガスが通過する前記ノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなることを特徴とする。
このガスディヒューザにおいて、前記拡散板は、該拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなる拡散板の厚さ増加分が中心からの長さに比例して増加したり、中心からの長さの自乗以上の次数に比例して増加することが可能である。
また、前記拡散板は、外部と接する拡散板の下面が水平面であり、この拡散板を貫通するノズルの形態は垂直で形成された直管形である。
また、前記各ノズルの半径は同等であるのが望ましい。
さらに、前記ガスはエッチングガスか、あるいは蒸着ガスが望ましい。
【０００７】
本発明の第２半導体素子製造用ガスディヒューザは、内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザにおいて、前記拡散板の中心の直下を基準にして半径方向にｒ程度離れた拡散板の直下の特定位置ｒでの噴射ガス速度分布がＶ(r) ＝ Ｖ０(１−(ｒ/ｒ０)２ ）となることを特徴とする。（ここで、ｒ０ は拡散板の中心の直下から拡散板の終点の直下までの距離を表し、Ｖ０ は拡散板の中心の直下の速度を表す。)
そのためとして、望ましくは、前記ガスが通過する前記ノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなるようにする。
【０００８】
本発明の第３の半導体素子製造用ガスディヒューザは、内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザにおいて、前記ノズルとノズル間の前記拡散板の半径方向への配置密度が前記拡散板の中心部は低く、中間部は高く、周辺部は低くなるように、前記ノズルとノズル間の半径方向距離が前記拡散板の中心から遠ざかるほど次第に短くなり、途中からは広がる傾向を持つことを特徴とする。
望ましくは、前記拡散板は、該拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど前記ノズルとノズル間の半径方向距離が次第に短くなったり、次第に広くなる減少分または増加分が前記拡散板の中心からの長さに比例して減少または増加したり長さの自乗以上の次数に比例して減少または増加するものとする。
【０００９】
本発明の第４の半導体素子製造用ガスディヒューザは、内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザにおいて、前記拡散板の中心の直下を基準にして、半径方向にｒ程度離れた拡散板の直下の特定位置での噴射ガス濃度分布が数３になることを特徴とする。
【数３】
0004036982.tif 000002
（ここで、φk (r) とN k は各々Chebyshev 多項式と多項式の個数を表し、a k は比例定数である。前記式で適用した幾何学的な形状と境界条件r = 0 で対称の点を考慮して偶数次数の多項式だけを使用するので、φk (r) は2(k-1)次のChebyshev 多項式を表す。)
このガスディヒューザにおいて、望ましくは、前記ノズルとノズル間の前記拡散板の半径方向への配置密度が前記拡散板の中心部は低く、中間部は高く、周辺部は低くなるように、前記ノズルとノズル間の半径方向距離が前記拡散板の中心から遠ざかるほど次第に短くなり、途中からは広がる傾向を持つようにする。
【００１０】
本発明の第５の半導体素子製造用ガスディヒューザは、内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザにおいて、前記ガスが通過する前記ノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなり、かつ前記ノズルとノズル間の前記拡散板の半径方向への配置密度が前記拡散板の中心部は低く、中間部は高く、周辺部は低くなるように、前記ノズルとノズル間の半径方向距離が前記拡散板の中心から遠ざかるほど次第に短くなり、途中からは広がる傾向を持つことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第６の半導体素子製造用ガスディヒューザは、内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通された半導体素子製造用ガスディヒューザにおいて、前記拡散板の中心の直下を基準にして、半径方向にｒ程度離れた拡散板の直下の特定位置ｒでの噴射ガス速度分布が Ｖ(r) ＝ Ｖ０(１−(ｒ/ｒ０)２ )となる、かつ前記拡散板の中心の直下を基準に、半径方向にｒ程度離れた拡散板の直下の特定位置での噴射ガス濃度分布が数４になることを特徴とする。
【数４】
0004036982.tif 000003
（ここで、ｒ０  は拡散板の中心の直下から拡散板の終点の直下までの距離を表し、Ｖ０  は拡散板の中心の直下の速度を表し、φｋ(r) と Nｋ  は各々Chebyshev 多項式と多項式の個数を表し、aｋ  は比例定数である。前記式で適用した幾何学的な形状と境界条件ｒ＝0 で対称の点を考慮して偶数次数の多項式だけを使用するので、φｋ(r)＝0 は 2(k-1)次のChebyshev 多項式を表す。)
【００１２】
本発明の第１の半導体素子製造用ガスディヒューザを設けた反応炉は、内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通され、このノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなることを特徴とするガスディヒューザを上方に設けてウェハの表面にガスを噴射させ、前記ウェハの表面と前記ガスディヒューザの拡散板との距離が前記ウェハ半径の1/2 であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の半導体素子製造用ガスディヒューザを設けた反応炉は、内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部にはガス流入管が形成され前記中空部にガスが供給され、下面に設けられた円板型の拡散板には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズルが貫通され、このノズルの貫通長さを前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために前記拡散板の厚さが前記拡散板の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなることを特徴とするガスディヒューザを上方に設けてウェハの表面にガスを噴射させ、前記ウェハの表面と前記ガスディヒューザの拡散板との距離が前記ウェハ半径と等しいことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の具体的な一実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明は下記の実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内で多様な変形及び修正が可能なのは当業者にとって明白なことであり、このような変形及び修正が特許請求の範囲に属することは当然なことである。
【００１５】
図２は本発明の望ましい一実施形態にともなう半導体素子製造用ガスディヒューザが反応炉に設けられた状態を表す構成図である。
図３は図２の半導体素子製造用ガスディヒューザの底面図である。
図４は図２の半導体素子製造用ガスディヒューザの側断面図である。
【００１６】
まず、図２を参照して説明すれば、本発明の一実施形態の半導体素子製造用ガスディヒューザ32は、ガスを下部に排出させる排出口30が形成され、下部にウェハ１を支持するウェハ支持板34が設けられた半導体素子製造用反応炉31の内部の上方に設けられる。
【００１７】
ガスディヒューザ32は、内部が中空部となった密閉された円筒状であり、上部中心には前記ガスが流入されるガス流入管36が形成され前記中空部にガスが供給される。一方、ガスディヒューズ32の下面に設けられた円板型の拡散板38には前記中空部に充填されたガスを噴射させる通路として多数個のノズル40が貫通される。このノズル40の貫通長さを拡散板38の中心から半径方向に遠ざかるほど増やすために、拡散板38の厚さは拡散板38の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなる形状である。具体的には、拡散板38は、拡散板38の中心から半径方向に遠ざかるほど厚くなる拡散板38の厚さ増加分が中心からの長さの自乗以上の次数に比例して増加する。
【００１８】
また、拡散板38は、外部と接する拡散板38の下面が水平面であり、拡散板38を貫通するノズル40の形態は垂直で形成された直管形状である。
【００１９】
また、前記ガスディヒューザ32は、図３のように、前記ノズル40とノズル間の拡散板38の半径方向への配置密度が拡散板38の中心部は低く、中間部は高く、周辺部は低くなるように、前記ノズル40とノズル間の半径方向の距離が前記拡散板38の中心から遠ざかるほど次第に短くなり、途中からは広がる傾向を持つ。この際、具体的には、拡散板38の中心から半径方向に遠ざかるほど次第に短くなったり、次第に広くなる減少分または増加分が、拡散板38の中心からの長さの自乗以上の次数に比例して減少または増加する。
【００２０】
以上のように構成された半導体素子製造用ガスディヒューザ32の作動関係を説明する。まず、ガスディヒューザ32の拡散板38の半径方向の厚さを変化させることによって、半径方向の出口での速度を調節して図５のような速度分布を示す。即ち、図４のような座標において、半径方向の特定位置ｒでの速度分布をＶ(r) ＝ Ｖ０(１−(ｒ/ｒ０)２ ）としようとする時は、拡散板の半径方向の厚さを２次元関数形態で製作すればよい。この時の設計変数はＶ０ 1 個となる。（ここで、r は特定位置での拡散板中心から半径方向の距離を示し、ｒ０ は拡散板の中心から拡散板の終点までの距離を示し、Ｖ０  は拡散板の中央の出口速度を示す。)
拡散板の半径方向の厚さを２次元関数形態で製作すれば、中央部はノズル40の長さが短くて圧力降下が少ないのでガスが高速で噴射され、両終点部分ではノズルが長いので、圧力降下が大きくてガスが低速で噴射される。一般に、圧力降下は管の長さに比例するので、ノズル40の長さを変化させて望みの半径方向の速度を得ることができる。
【００２１】
また、前記半導体素子製造用ガスディヒューザ32は拡散板38の半径方向のノズル40の数の分布を調節することによって、拡散板の半径方向に噴射されるガスの濃度分布を図６の通り調節した。
即ち、図６のような特定位置(r) での濃度分布は数５のようなChebyshev 多項式を応用すればよい。
【数５】
0004036982.tif 000004
上記式において、φk (r) とN k はそれぞれChebyshev 多項式と多項式の個数を表す。
前記式で適用した幾何学的な形状と境界条件r = 0 で対称の点を考慮して偶数次数の多項式だけを使用するので、φk (r) は２(k-1) 次のChebyshev 多項式を表す。
この時の設計変数もN k 1 個となる。このような式に基づき前記半導体素子製造用ガスディヒューザ32のノズルの密度を決定することによって、前記ノズル出口での半径方向ガス濃度分布を実現する。
【００２２】
前記本発明において適用した半径方向の速度分布と濃度分布は各々独立的に適用することが可能であり、このようなガスディヒューザの設計変数を最小化して反応炉での作動関係をコンピュータ数値解析することによって確認することが可能である。
このような数値解析は試行錯誤の回数を減らし、短期間内に最適の設計を可能にする。
【００２３】
以下、本発明の半導体素子製造用ガスディヒューザの数値解析により現れた効果を添付された図面を参照して詳細に説明する。
図７はガスがウェハ１上に流入され排出口30に排出される一般の反応炉の概略図である。反応炉を図７のように単純化してこれを数値解析に必要な区間別に分けて格子系を使用して解析した。
図８はノズル出口からウェハまでの長さがウェハ半径の長さの半分の場合(Aケース) で図７の反応炉を数値解析するための格子系を表した図面である。
図９はノズル出口からウェハまでの長さがウェハ半径の長さの場合(Bケース) で図７の反応炉を数値解析するための格子系を表した図面である。
以上、ＡケースとＢケースに分けて解析する理由は、ウェハとガスディヒューザ間の距離にともなう本発明の半導体素子製造用ガスディヒューザの効果を類推してみるためである。
参考にすることは、流動と濃度に対する数値解析はFVM(Finite  Volume  Method) を使用し、設計変数(V0 、N K ）の最適化は局部任意探索技法(Local  Random  Search  Technique)を使用した。
【００２４】
図10(A) 、図10(B) 、図10(C) はＡケースにおいてガスの粘性係数に対するウェハ半径の初期流入速度比(Re 数) が各々1 、10、100 の時、数値解析したガスの流線を表した図面である。
ノズル出口における噴射速度が増加(Re 数が増加) するに伴い、ガスの流線が乱れることが分かる。
図11(A) 、図11(B) 、図11(C) はＡケースにおいてRe数が各々1 、10、100 の時、従来の半導体素子製造用ガスディヒューザを使用して数値解析したガスの濃度分布を表した図面である。
図12(A) 、図12(B) 、図12(C) はＡケースにおいてRe数が各々1 、10、100 の時、本発明の半導体素子製造用ガスディヒューザを使用して数値解析したガスの濃度分布を表した図面である。
【００２５】
図11と図12を比較してみれば、図11の従来の半導体素子製造用ガスディヒューザの場合は、ウェハの中心部の密度が高く、ウェハ周辺部の密度が相対的に低くてウェハ中心部に形成された膜は厚く、ウェハ周辺部に形成された膜は薄くなることを予測できる。
しかし、図12の本発明の半導体素子製造用ガスディヒューザの場合は、ウェハ全面にかけてガスが均一な密度分布を示していて、ウェハに均一膜が形成されることを予測できる。
一方、図11の(A) 、(B) 、(C) と、図12の(A) 、(B) 、(C) とを比較してみれば、ノズル出口での噴射速度が増加(Re 数が増加) するに伴い、ウェハ近傍でのガス密度は均一になることが分かる。
【００２６】
図13(A) 、図13(B) はＡケースにおいてRe数が１の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図面である。
図14(A) 、図14(B) はＡケースにおいてRe数が10の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図面である。
図15(A) 、図15(B) はＡケースにおいてRe数が100 の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図面である。
【００２７】
図13、図14及び図15の(A) 、 (B)とを比較してみれば、多項式の個数が１の時(n = 1) 即ち、出口での密度が均一な従来の場合、むしろウェハ表面ではウェーハ中心部の密度が少なくなる趨勢を見せているが、多項式の個数が３以上の本発明の場合、即ち、出口では拡散板の中心部の密度が低い場合、ウェハの表面ではガスの密度が全面に均一に形成されることを確かめることができる。
また、図13、図14及び図15を比較すると、かかる本発明の効果はノズル出口での噴射速度が増加(Re 数が増加) するに伴い高まることを確認することができる。
【００２８】
次に、上記のＡケースより相対的にノズルとウェハ間の距離が２倍になるＢケースに本発明の半導体素子製造用ガスディヒューザを適用して数値解析した結果を説明する。
図16(A) 、図16(B) 、図16(C) はＢケースにおいてガスの粘性係数に対するウェハ半径の初期流入速度比(Re 数) が各々1 、10、100 の時、数値解析したガスの流線を表した図面である。
ノズル出口での噴射速度が増加(Re 数が増加) するに伴いガスの流線が乱れている途中でRe数が100 の時、うず巻き区間が生じることを分かる。.
図17(A) 、図17(B) 、図17(C) はＢケースにおいてRe数が各々1 、10、100 の時、従来の半導体素子製造用ガスディヒューザを使用して数値解析したガスの濃度分布を表した図面である。
図18(A) 、図18(B) 、図18(C) はＢケースにおいてRe数が各々1 、10、100 の時、本発明の半導体素子製造用ガスディヒューザを使用して数値解析したガスの濃度分布を表した図面である。
【００２９】
図17と図18を比較してみれば、図17の従来の半導体素子製造用ガスディヒューザの場合は、ウェハの中心部の密度が相変らず高く、ウェハ周辺部の密度が相対的に低くてウェハ中心部に形成された膜は厚く、ウェハ周辺部に形成された膜は薄くなることを予測できる。
しかし、図18の本発明の半導体素子製造用ガスディヒューザの場合は、ウェハ全面にかけてガスが均一な密度分布を見せていて、ウェハに均一膜が形成されることを予測できる。
一方、図17の(A) 、(B) 、(C) と図18の(A) 、(B) 、(C) とを比較してみれば、ノズル出口での噴射速度が増加(Re 数が増加) するに伴い、ウェハ近傍でのガス密度は均一になることが分かる。
また、図11と図12とを比較すると、ノズルとウェハ間の距離が広くなった場合、密度の均一性が改善されることが分かる。
【００３０】
図19(A) 、図19(B) はＢケースにおいてRe数が１の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図面である。
図20(A) 、図20(B) はＢケースにおいてRe数が10の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図面である。
図21(A) 、図21(B) はＢケースにおいてRe数が100 の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図面である。
【００３１】
図19、図20及び図21の(A) 、(B) を比較してみれば、多項式の個数が１の時(n = 1) 即ち、出口での密度が均一な従来の場合、むしろウェハ表面ではウェハ中心部の密度が少なくなる趨勢を見せているが、多項式の個数が３以上の本発明の場合即ち、出口では拡散板の中心部の密度が低い場合、ウェハの表面ではガスの密度が全面に均一に形成されることを確認することができる。
また、図19、図20及び図21を比較すると、このような本発明の効果は多項式の個数が３以上の本発明の場合、ノズル出口での噴射速度の増加(Re 数が増加) に関係なく同一であることを確かめられる。
従って、このようなコンピュータ数値解析結果によれば、一般に本発明の半導体素子製造用ガスディヒューザの効果はノズル出口とウェハ間の距離が近いほど絶対的であり、ノズルの出口でのガス噴射速度が増加することに伴い同一あるいは、その効果が上昇する結果を得た。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による半導体素子製造用ガスディヒューザ及びこれを設けた反応炉によれば、ウェハ表面に蒸着される薄膜の均一度を向上させ工程の精度を高め、ウェハの歩留りを増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体素子製造用ガスディヒューザが反応炉に設けられた状態を表した構成図。
【図２】本発明の望ましい一実施形態にともなう半導体素子製造用ガスディヒューザが反応炉に設けられた状態を表した構成図。
【図３】図２の半導体素子製造用ガスディヒューザの底面図。
【図４】図２の半導体素子製造用ガスディヒューザの側断面図。
【図５】図２の半導体素子製造用ガスディヒューザのノズル出口での速度傾向を表す図。
【図６】図２の半導体素子製造用ガスディヒューザのノズル出口での密度傾向を表す図。
【図７】一般的な反応炉の概略図。
【図８】ノズル出口からウェハまでの長さがウェハ半径の長さの半分の場合(Aケース) で図７の反応炉を数値解析するための格子系を表した面。
【図９】ノズル出口からウェハまでの長さがウェハ半径の長さの場合(Bケース) で図７の反応炉を数値解析するための格子系を表した図。
【図１０】Ａケースにおいてガスの粘性係数に対するウェハ半径の初期流入速度比(Re 数) が各々1 、10、100 の時、数値解析したガスの流線を表した図。
【図１１】ＡケースにおいてRe数が各々1 、10、100 の時、従来の半導体素子製造用ガスディヒューザを使用して数値解析したガスの濃度分布を表した図。
【図１２】ＡケースにおいてRe数が各々1 、10、100 の時、本発明の半導体素子製造用ガスディヒューザを使用して数値解析したガスの濃度分布を示した図。
【図１３】ＡケースにおいてRe数が１の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図。
【図１４】ＡケースにおいてRe数が10の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図。
【図１５】ＡケースにおいてRe数が100 の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図。
【図１６】Ｂケースにおいてガスの粘性係数に対するウェハ半径の初期流入速度比(Re 数) が各々1 、10、100 の時、数値解析したガスの流線を表した図。
【図１７】ＢケースにおいてRe数が各々1 、10、100 の時、従来の半導体素子製造用ガスディヒューザを使用して数値解析したガスの濃度分布を表した図。
【図１８】ＢケースにおいてRe数が各々1 、10、100 の時、本発明の半導体素子製造用ガスディヒューザを使用して数値解析したガスの濃度分布を表した図。
【図１９】ＢケースにおいてRe数が１の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図。
【図２０】ＢケースにおいてRe数が10の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図。
【図２１】ＢケースにおいてRe数が100 の時、ガスディヒューザ多項式の個数変化にともなう出口での濃度分布、ウェハ表面での濃度勾配を各々数値解析して表した図。
【符号の説明】
１    ウェハ
30    排出口
31    反応炉
32    ガスディヒューザ
34    ウェハ支持板
36    ガス流入管
38    拡散板
40    ノズル
【図１】
0004036982.tif 000007
【図２】
0004036982.tif 000008
【図３】
0004036982.tif 000009
【図４】
0004036982.tif 000010
【図５】
0004036982.tif 000011
【図６】
0004036982.tif 000012
【図７】
0004036982.tif 000013
【図８】
0004036982.tif 000014
【図９】
0004036982.tif 000015
【図１０】
0004036982.tif 000016
【図１１】
0004036982.tif 000017
【図１２】
0004036982.tif 000018
【図１３】
0004036982.tif 000019
【図１４】
0004036982.tif 000020
【図１５】
0004036982.tif 000021
【図１６】
0004036982.tif 000022
【図１７】
0004036982.tif 000023
【図１８】
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【図１９】
0004036982.tif 000025
【図２０】
0004036982.tif 000026
【図２１】
0004036982.tif 000027