KR20230157469A - 성막 장치 및 성막 방법 - Google Patents

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KR20230157469A
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씨브이 리사치 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 ALD, 에피택셜 성장, CVD에 의한 성막을 행할 때, 균일성이 우수하고, 처리 속도가 크며, 면적 생산성이 높은 성막 장치 및 성막 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
이를 해결하기 위해, 반응실(3) 내부의 도넛 형상의 오목 공간에, 경사면(9)에 기판 재치면으로서의 스폿 페이싱부(10)를 설치한 복수의 서셉터(8)가 서셉터 홀더(17) 위에 수평 방향으로 방사상으로 나란히 배치되어 있다. 뚜껑(21)에는, 가스 공급관이 둘레 방향으로 퍼지 가스 공급관(22), 프리커서를 포함하는 가스 공급관(23), 퍼지 가스 공급관(24), 산화제를 포함하는 가스 공급관(25)의 순서로 설치되어 있다. 가스 분출공(21)으로부터 반응실(3) 내에 공급된 가스는, 2개의 서셉터(8) 사이의 V홈 형상의 공간을 지나, 반응실(3)의 하방으로부터 배기된다. 서셉터 홀더(17)를 둘레 방향으로 회전시킴으로써 ALD 성막을 행한다.

Description

성막 장치 및 성막 방법
본 발명은 반도체, 플랫 패널 디스플레이, 태양 전지, 발광 다이오드 등의 전자 디바이스 제조에 사용되는 성막 장치 및 성막 방법, 특히 원자층 퇴적(ALD: Atomic Layer Deposition)이나 에피택셜 성장, 화학 기상 성장(CVD: Chemical Vapor Deposition)에 의한 성막 장치 및 성막 방법에 관한 것이다.
ALD, 에피택셜 성장, CVD에 의한 성막 기술은, 널리 반도체, 플랫 패널 디스플레이, 태양 전지, 발광 다이오드 등의 전자 디바이스 제조에 이용되고 있다. 특히 최근에는, 매우 고가의 극단 자외선(EUV: extreme ultraviolet) 노광 장치를 사용하지 않고 매우 미세한 패턴 형성을 가능하게 하는 더블 패터닝 기술이 개발되고 있으며, ALD는 그 열쇠를 쥐고 있는 기술로서 주목받고 있다. 이는, 패터닝된 유기 레지스트막 위에, 이것이 열화되지 않도록 200℃ 정도 이하의 온도에서, 균일하고 스텝 커버리지가 좋은 성막 방법에 의해, 10~20㎚ 정도의 두께의 실리콘 또는 금속의 산화막을 성막하는 기술이다. 그 밖에도 ALD 기술은 High-k/Metal 게이트 형성, TiN이나 Ru 등을 이용한 DRAM 커패시터 상하 전극 형성, SiN을 이용한 게이트 전극 사이드월 형성, 콘택트 및 스루홀에 있어서의 배리어 시드 형성, NAND 플래시 메모리의 High-k 절연막이나 차지 트랩막 형성 등의 많은 공정에서 이용되고 있다. 또한, ALD 기술은 플랫 패널 디스플레이, LED, 태양 전지에 있어서도, ITO막 형성이나 패시베이션막 형성에 있어서 이용되고 있다.
종래의 ALD에 있어서, 매엽식, 배치식(예를 들면, 특허문헌 1 참조)이 널리 알려져 있지만, 종종 처리 속도(단위 시간당 처리할 수 있는 기판수)가 낮은 것이 문제가 되어, 지금까지 다양한 연구가 이루어져 왔다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 연구의 하나로서 회전형 세미 배치 ALD 장치가 개발되었다. 회전형 세미 배치 ALD 장치에 있어서, 원통형 진공 용기가 2개의 반응 가스실과, 이들 사이에 배치된 2개의 퍼지 가스실로 이루어진 총 4개의 부채형 서브 챔버로 분할되어, 각 서브 챔버 중심부 상방에 반응 가스 공급 수단이 배치되고, 가스 배기부는 2개의 퍼지 가스실의 하부에 설치되어 있다. 디스크 형상의 테이블을 회전함으로써, 테이블 위의 복수의 피처리 기판이 각 서브 챔버를 통과하여, ALD 성막이 행해진다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).
개량형의 회전형 세미 배치 ALD 장치로서 가스 커튼식이 있다. 가스 커튼식 회전형 세미 배치 ALD 장치에 있어서는, 반응 가스 공급 수단 사이에 퍼지 가스를 커튼과 같이 흐르게 함으로써, 반응 가스의 혼합이 억제된다(예를 들면, 특허문헌 4 참조).
한편, 기판을 상하에서 분사하는 가스의 흐름에 의해 중공으로 유지하면서, 수평 방향으로 기판을 반송하면서 성막하는 방식이 고안되었다. 이 방식에 있어서, 상부로부터 프리커서, 퍼지 가스 및 산화제 가스가 존마다 기판을 향하여 위에서 분사되고, 퍼지 가스가 기판을 향하여 아래에서 분사된다. 복수의 존으로 이루어지는 장치 내에서 기판이 수평 이동함으로써, 처리 속도가 우수한 ALD 처리를 행한다(예를 들면, 특허문헌 5 참조).
에피택셜 성장 장치로서는, 기판을 수직으로, 전체적으로 도넛 형상의 영역에 나열하는 방식이 개발되었다. 이 방식에서는, 웨이퍼 캐리어의 원형 클러스터에 테이퍼 형상의 캐비티가 형성되고, 각 캐비티에 2개의 웨이퍼가 마주보고 배치된다. 프로세스 가스는 캐비티의 외측에서 유입되고, 캐비티의 중심을 향해 흐른다. 즉, 가스 유속은 캐비티의 중심에 가까울수록 빨라지기 때문에, 하류에 있어서의 프로세스 가스의 고갈이 완화되어, 캐비티의 외측과 내측의 성막 속도의 차가 작아진다(예를 들면, 특허문헌 6, Fig.8, 및 비특허문헌 1, 56-57페이지 참조).
성막 장치로서는, 연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면을 나열하는 방식이 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 7~9 참조). 또한, 기판을 수직으로 유지하는 ALD 장치가 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 10 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허공개 2004-6801호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허공개 2014-201804호 공보 [특허문헌 3] 미국 특허공보 5225366호 [특허문헌 4] 미국 특허공보 6576062호 [특허문헌 5] 미국 특허공보 10837107호 [특허문헌 6] 일본 특허공개 평01-144617호 공보 [특허문헌 7] 일본 특허공개 소62-023983호 공보 [특허문헌 8] 일본 특허공개 평08-139031호 공보 [특허문헌 9] 일본 특허공개 소48-054868호 공보 [특허문헌 10] 일본 특허공개 2004-292852호 공보
[비특허문헌 1] Krishna Seshan편, Handbook of Thin Film Deposition Techniques Principles, Methods, Equipment and Applications, Second Editon(Materials and Processing Technology), CRC Press, 2001년
그러나, 종래예에 나타낸 특허문헌 1에 기재된 배치식 ALD 기술에서는, 한 번에 처리할 수 있는 기판수가 많지만, 진공 용기 전체에 프로세스 가스를 채울 필요가 있기 때문에, 복수의 가스종을 전환하는데에 시간이 걸려 처리 속도가 작다는 문제점이 있었다. 또한, 기판의 표면뿐만 아니라 이면에도 박막이 형성되기 때문에, 많은 어플리케이션에 있어서, 이면을 에칭하는 공정을 추가할 필요가 있다는 문제점이 있었다.
또한, 종래예에 나타낸 특허문헌 2~4에 기재된 ALD 기술에서는, 한 번에 처리할 수 있는 기판수가 적어, 처리 속도가 작다는 문제점이 있었다.
또한, 특허문헌 5에 기재된 ALD 기술은, 태양 전지셀과 같은 매우 얇은 기판(200㎛ 정도 이하)에는 적용 가능하지만, 반도체 집적 회로용 웨이퍼와 같이 두꺼운 기판(700㎛ 정도 이상)에는, 기판의 중량이 너무 커서 안정적으로 기판 반송을 행할 수 없기 때문에 적용이 어렵다. 또한, 처리 속도를 크게 하기 위해서는, 장치의 전체 길이를 현저하게 길게 해야 해서, 면적 생산성(단위 시간·단위 면적당 처리할 수 있는 기판수)이 낮다는 문제점이 있었다.
또한, 특허문헌 6 및 비특허문헌 1에 기재된 에피택셜 성장 기술은, 한 번에 처리할 수 있는 기판수를 한정된 공간에서 최대로 하기 위해서 고안된 것이지만, 캐비티의 외측과 내측의 성막 속도의 차가 작은 한편, 샤워 헤드를 사용하지 않기 때문에, 상하 방향의 성막 속도가 불균일해진다는 문제점이 있었다. 특히, 가스가 주로 상방에서 공급된다는 점에서, 기판의 상방에서 성막 속도가 높아지는 경향이 있다는 문제점이 있었다. 또한, 특허문헌 6의 Fig. 8에 있어서, 종류가 다른 가스 A 및 가스 B를 공급하는 구성이 개시되어 있지만, 마주보는 2개의 기판 사이의 공간끼리가 서로 넓은 개구를 통해 연통되어 있다. 따라서, ALD에 의한 성막을 행할 경우, 가스 A와 가스 B의 혼합을 피하기 위해서는, 진공 용기 전체에 가스 A 또는 가스 B 중 어느 하나의 가스를 채울 필요가 있기 때문에, 복수의 가스종을 전환하는 데에 시간이 걸려 처리 속도가 작아진다는 문제점이 있었다.
또한, 특허문헌 7~10에 기재된 성막 장치에 있어서도, 마주보는 2개의 기판 사이의 공간끼리가 서로 넓은 개구를 통해 연통되고, 2개의 기판마다 독립된 가스 유로가 설치되어 있지 않기 때문에, ALD에 의한 성막을 행할 경우, 복수의 가스종을 전환하는 데에 시간이 걸려 처리 속도가 작아진다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, ALD, 에피택셜 성장, CVD에 의한 성막을 행할 때에, 균일성이 우수하며, 처리 속도가 크고, 면적 생산성이 높은 성막 장치 및 성막 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본원의 제 1 발명의 성막 장치는, 반응실을 구비하고, 상기 반응실 내에 연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면과, 상기 기판 재치면을 구비한 서셉터를 구비한 성막 장치로서, 상기 복수의 기판 재치면 중 2개의 기판 재치면이, 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고 있고, 상기 반응실 내에 마주보는 상기 2개의 기판 재치면 사이에, 하방을 향해 가스를 분출하는 가스 노즐을 구비하고, 상기 가스 노즐이 상기 기판 재치면의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 관통 면적이 큰 관통공을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본원의 제 2 발명의 성막 장치는, 반응실을 구비하고, 상기 반응실 내에 연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면과, 상기 기판 재치면을 구비한 서셉터를 구비하고, 상기 복수의 기판 재치면 중 2개의 기판 재치면이 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고 있고, 상기 반응실 내에 마주보는 상기 2개의 기판 재치면 사이에, 하방을 향해 가스를 분출하는 가스 노즐을 구비하고, 상기 서셉터를, 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구를 구비하고, 상기 가스 노즐이 상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수의 가스 노즐군으로 분할되어, 상기 가스 노즐군마다 다른 종류의 가스가 분출 가능한 구성으로 되어 있으며, 상기 서셉터를 복수 구비하고, 복수의 상기 서셉터가 나란히 배치되고, 상기 이동 기구가, 복수의 상기 서셉터가 배치되어 있는 방향으로 상기 서셉터를 이동시키는 성막 장치로서, 복수의 상기 서셉터가 상기 반응실 내의 직육면체 형상의 공간에 배치되고, 복수의 상기 서셉터를, 상기 직육면체 형상의 공간 내에서 직선 운동시키는 슬라이드 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본원의 제 3 발명의 성막 장치는, 반응실을 구비하고, 상기 반응실 내에, 연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면과, 상기 기판 재치면을 구비한 서셉터를 구비하고, 상기 복수의 기판 재치면 중 2개의 기판 재치면이 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고 있고, 상기 서셉터를, 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구를 구비하고, 상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수의 군으로 분할된 가스 노즐군으로부터, 상기 가스 노즐군마다 다른 종류의 가스를 분출시키는 성막 장치로서, 상기 가스 노즐군은, 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 리액턴트를 포함하는 가스 중 어느 하나를 분출시키도록 구성되며, 상기 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군과, 상기 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군 사이에, 상기 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐군이 배치되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본원의 제 4 발명의 성막 방법은, 반응실 내에 설치된, 연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면에, 상기 반응실 밖에서부터 기판을 이동시켜 재치하는 스텝과, 상기 반응실 내에 가스를 공급하면서 상기 반응실로부터 가스를 배기하는 스텝과, 상기 기판 재치면으로부터 상기 기판을 상기 반응실 밖으로 이동시켜 취출하는 스텝을 포함하며, 상기 복수의 기판 재치면 중 2개의 기판 재치면이, 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고 있고, 상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구에 의해, 상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키면서, 상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수의 군으로 분할된 가스 노즐군으로부터, 상기 가스 노즐군마다 다른 종류의 가스를 분출시키는 성막 방법으로서, 상기 복수의 기판 재치면이 상기 반응실 내의 직육면체 형상의 공간에 배치되고, 상기 복수의 기판 재치면을 상기 직육면체 공간 내에서 직선 운동시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
본원의 제 5 발명의 성막 방법은, 반응실 내에 설치된, 연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면에, 상기 반응실 밖에서부터 상기 기판을 이동시켜 재치하는 스텝과, 상기 반응실 내에 가스를 공급하면서 상기 반응실로부터 가스를 배기하는 스텝과, 상기 기판 재치면으로부터 상기 기판을 상기 반응실 밖으로 이동시켜 취출하는 스텝을 포함하며, 상기 복수의 기판 재치면 중 2개의 기판 재치면이 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고 있고, 상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구에 의해, 상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키면서, 상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수의 군으로 분할된 가스 노즐군으로부터, 상기 가스 노즐군마다 다른 종류의 가스를 분출시키는 성막 방법으로서, 상기 가스 노즐군은, 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 리액턴트를 포함하는 가스 중 어느 하나를 분출시키도록 구성되며, 상기 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군과, 상기 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군 사이에, 상기 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐군이 배치되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본원의 제 6 발명의 성막 장치는, 반응실을 구비하고, 상기 반응실 내에, 연직면에 대하여 기울어진 기판 재치면을 갖는 서셉터를 복수 구비하고, 상기 복수의 서셉터는 수평 방향으로 나열되어 있으며, 상기 복수의 서셉터 중 2개의 서셉터가 상방일수록 서셉터 사이의 거리가 넓어지도록 배치되어 있고, 상기 서셉터를 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구를 구비하며, 상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수 배치된 가스 노즐로부터 상기 가스 노즐마다 다른 종류의 가스를 분출시키는 성막 장치로서, 상기 가스 노즐은, 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 리액턴트를 포함하는 가스 중 어느 하나를 분출시키도록 구성되고, 상기 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐과, 상기 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐 사이에, 상기 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐이 배치되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본원의 제 1, 3 또는 6 발명의 성막 장치에 있어서, 바람직하게는, 복수의 상기 서셉터가 상기 반응실 내의 도넛 형상의 공간에 방사상으로 배치되고, 복수의 상기 서셉터를 상기 도넛 형상의 공간 내에서 도넛 형상의 둘레 방향으로 회전시키는 회전 기구를 구비하는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 복수의 상기 서셉터가 서셉터 홀더 위에 배치되며, 상기 서셉터 홀더의 지름이 상기 반응실의 내벽면의 지름보다 크고, 상기 서셉터 홀더의 최외부가 상기 반응실의 내벽면에 전체 둘레에 걸쳐 형성된 홈에 끼워 맞춰져 있는 것이 바람직하다.
또한, 복수의 상기 서셉터가 서셉터 홀더 위에 배치되고, 복수의 상기 서셉터의 상방에 상기 서셉터 홀더와 일체의 천판이 설치되고, 상기 천판이 상기 서셉터 및 상기 서셉터 홀더와 함께 회전하는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 상기 천판의 지름이 상기 반응실의 내벽면의 지름보다 크고, 상기 천판의 최외부가 상기 반응실의 내벽면에 전체 둘레 전체에 걸쳐 형성된 홈에 끼워 맞춰지며, 상기 천판과 상기 반응실의 천장면 사이에 퍼지 가스 또는 불활성 가스를 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는, 상기 서셉터와 함께 회전하는 2개의 상기 서셉터 사이의 공간을 배기하는 회전 배기구를 구비하는 것이 바람직하다.
본원의 제 7 발명의 성막 방법은, 반응실 내에 설치된, 연직면에 대하여 기울어진 기판 재치면을 구비한 복수의 서셉터 위의 상기 기판 재치면에 상기 반응 실 밖에서부터 기판을 이동시켜 재치하는 스텝과, 상기 반응실 내에 가스를 공급하면서 상기 반응실로부터 가스를 배기하는 스텝과, 상기 기판 재치면으로부터 상기 기판을 상기 반응실 밖으로 이동시켜 취출하는 스텝을 포함하며, 상기 복수의 서셉터는 수평 방향으로 나열되어 있고, 상기 복수의 서셉터 중 2개의 서셉터가 상방일수록 서셉터 사이의 거리가 넓어지도록 배치되어 있으며, 상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구에 의해, 상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키면서, 상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수 배치된 가스 노즐로부터, 상기 가스 노즐마다 다른 종류의 가스를 분출시키는 성막 방법으로서, 상기 가스 노즐은 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 리액턴트를 포함하는 가스 중 어느 하나를 분출시키도록 구성되고, 상기 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐과, 상기 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐 사이에, 상기 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐이 배치되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본원의 제 4, 5 또는 7 발명의 성막 방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 복수의 기판 재치면이 상기 반응실 내의 도넛 형상의 공간에 방사상으로 배치되고,
상기 복수의 기판 재치면을 상기 도넛 형상의 공간 내에서 도넛 형상의 둘레 방향으로 회전시키는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 의해, 균일성이 우수하며, 처리 속도가 크고, 면적 생산성이 높은 성막 장치 및 성막 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, ALD, 에피택셜 성장, CVD에 의한 성막을 행할 때에, 균일성이 우수하며, 처리 속도가 크고, 면적 생산성이 높은 성막 장치 및 성막 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 서셉터의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 서셉터의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 서셉터의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면 전개도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 4에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 4에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 14는 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 서셉터의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 15는 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 16은 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 17은 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 실시형태 6에 있어서의 가스 노즐의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 19는 본 발명의 실시형태 7에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 20은 본 발명의 실시형태 7에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 실시형태 7에 있어서의 가스 노즐의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 22는 본 발명의 실시형태 8에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 23은 본 발명의 실시형태 9에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 24는 본 발명의 실시형태 9에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 25는 본 발명의 실시형태 10에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 있어서의 성막 장치 및 방법에 대하여 도면을 이용해서 설명한다.
(실시형태 1)
이하에, 본 발명의 실시형태 1에 대해서, 도 1~도 8을 참조하여 설명한다.
　도 1은 실시형태 1에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반송계도 포함시킨 장치 전체의 평면도이다.
또한, 이하의 설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 각 도면 중에 x, y, z의 축 방향을 나타내는 도면을 넣고 있다. 도 1의 경우, x축은 도면의 왼쪽에서 오른쪽을 향하는 방향이고, y축은 도면의 아래에서 위를 향하는 방향이며, z축은 지면의 안쪽에서 앞쪽을 향하는 방향이다.
　도 1에 있어서, 예비실(1 및 2)과 반응실(3 및 4)이 게이트(5)를 통해 로봇실(6)에 접속되어 있다. 로봇실(6)은 로봇(7)을 구비하고 있고, 예비실(1 또는 2)과 반응실(3 또는 4) 사이에서 기판의 반송을 행한다. 예비실(1 및 2)을 로드록실로 하고, 반응실(3 및 4)과 로봇실(6)을 상시 진공 상태로 운전해도 되고, 예비실(1 및 2)과 로봇실(6)을 상시 대기 상태로 하고, 반응실(3 및 4)을 대기 상태로 하여 기판의 출입을 행하고, 진공 상태로 하여 성막하는 구성으로 해도 된다. 또한, 「진공」이란 감압 상태를 말하며, 대기압보다 낮은 압력을 의미한다. 또한, 로봇실(6)이 기판의 얼라인먼트를 하는 기능을 더 구비해도 된다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 서셉터의 구성을 나타내는 사시도이며, 기판을 서셉터에 재치하고 있지 않은 상태를 나타내는 도면이다.
도 2에 있어서, 서셉터(8)는, 경사면(9)에 설치된 기판 재치면으로서의 스폿 페이싱부(10) 및 수평면 양쪽에 수직인 평면으로 자른 단면이, 수평면에 평행한 변을 저변으로 하는 이등변 삼각형에 근사하는 형상이다(윗변이 아랫변보다 짧은 사다리꼴에 근사하는 형상이기도 함). 즉, 기판 재치면은 연직면에 대하여 기울어져 있다. 경사각은 연직면에 대하여 3~10도가 바람직하고, 전형적으로 5도이다. 경사각이 너무 작으면, 로봇 암을 2개의 서셉터(8) 사이에 넣기 위해서, 서셉터(8)를 상당히 큰 치수로 하여, 최상부의 2개의 서셉터(8) 사이의 거리를 확보할 필요가 생기기 때문에 바람직하지 않으며, 반대로 경사각이 너무 크면, 반응실(3) 내에 필요수의 기판 재치면을 설치하기 위해서는 반응실(3)을 상당히 큰 치수로 할 필요가 생기기 때문에 바람직하지 않다. 후술하는 바와 같이, 반응실(3)의 내벽은 당해 원통 형상이며, 그 내부의 도넛 형상의 오목 공간을 따르도록 서셉터(8)를 배치하기 때문에, x축 방향의 단면(11)은 원통의 일부를 이룬다. 도면에서는 보이지 않는 측의 단면도 원통의 일부를 이룬다. 또한, 이 이등변 삼각형의 2개의 등변을 포함하는 면으로서의 경사면(9)에 스폿 페이싱부(10)가 설치되어 있다. 즉, 도면에서 보이지 않는 측의 경사면에도 마찬가지로 스폿 페이싱부(10)가 설치되어 있다. 스폿 페이싱부(10)의 주변에, 기판 반송용 로봇(7)의 로봇 암의 클로를 빼내기 위한 도피부(12)가 4개 설치되어 있다. 도피부(12)의 경사면(9)에 대한 깊이는 스폿 페이싱부(10)보다 약간 깊고, 스폿 페이싱부(10)가 이루는 원의 내측으로 조금 들어간 형상으로 되어 있다. 로봇 암으로서는 여러 가지를 적당히 이용할 수 있지만, 베르누이 척 방식의 것을 사용하면, 원활한 기판 재치를 실현할 수 있다. 서셉터(8)의 재질로서는, 열전도율이 높고, 변형· 변질되기 어려운 것이 바람직하며, 알루미늄, 스테인리스강, 탄화규소 등을 사용할 수 있다.
이 이등변 삼각형의 저변을 따라 서셉터 바닥부(13)가 설치되어 있다. 또한, 서셉터 바닥부(13)의 중앙 부근에 가스 배출구가 되는 슬릿(14)이 설치되어 있다. 스폿 페이싱부(10)와 마찬가지로, 슬릿(14)도 도면에서 보이지 않는 측에도 설치되어 있다. 후술하는 바와 같이, 반응실(3)의 내벽은 당해 원통 형상이며, 그 내부의 도넛 형상의 오목 공간을 따르도록 서셉터(8)를 배치하기 때문에, 서셉터(8)의 상면(15)은 당해 부채 형상으로 되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 서셉터의 구성을 나타내는 사시도이며, 기판을 서셉터에 재치한 상태를 나타내는 도면이다.
도 3에 있어서, 스폿 페이싱부(10)에 기판(16)이 재치되어 있다.
도 4는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 사시도이며, 반응실의 구성을 나타내는 분해도이다. 후술하는 바와 같이, 서셉터(8)는 반응실(3) 내부의 도넛 형상의 공간 내에서 도넛 형상의 둘레 방향으로 회전하지만, 도 4에서는 그 회전의 방향을 θ로 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 서셉터의 배치를 나타내는 평면도이며, 반응실(3) 위에서 본 상태를 나타낸다. 간단하게 하기 위해서 서셉터(8)의 상면(15)만을 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반응실의 중심을 포함하는 xz 평면에 평행한 면으로 절단했을 때의 반응실의 구성을 나타내는 단면도이다. 또한, 단면의 안쪽에 보이는 구조(게이트 개구, 서셉터, 스폿 페이싱부 등)를 점선으로 모식적으로 나타내고 있다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 나란히 배치된 복수의 서셉터(8) 위의 복수의 스폿 페이싱부(10)의 중심을 지나고, 수평면에 수직인 원통면으로 절단했을 때의 반응실의 구성을 나타내는 단면도를 전개한 것의 일부이며, 스폿 페이싱부(10) 위에 기판(16)을 재치한 상태를 나타낸다.
도 3~도 7에 있어서, 반응실(3)은 전체적으로 직육면체를 이루지만, 내벽은 당해 원통 형상이다. 반응실(3) 내부의 도넛 형상의 오목 공간에 복수의 서셉터(8)가 서셉터 홀더(17) 위에, 수평 방향으로 방사상으로 나란히 배치되어 있다. 샤워 플레이트(18)에 형성된 가스 분출공(19)은 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 높은 밀도로 형성되고, 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 관통 면적이 큰 관통공으로 되어 있다. 반응실(3)의 상부에는, 오링(20)을 통해 뚜껑(21)이 배치되어 기밀성이 확보된다. 즉, 진공 상태에서 성막 처리를 실행할 수 있다. 뚜껑(21)에는, 가스 공급관이 둘레 방향으로 퍼지 가스 공급관(22), 프리커서를 포함하는 가스 공급관(23), 퍼지 가스 공급관(24), 산화제를 포함하는 가스 공급관(25)의 순서로 설치되어 있다. 반응실(3) 내에 공급된 가스는 2개의 서셉터(8) 사이의 V홈 형상의 공간(26)에서부터 슬릿(14)을 지나 배기 매니폴드에서 합류한 후, 배기구(27 및 28)로부터 배기된다.
여기서, 「스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분」이란, 도 6에 있어서 화살표 H로 나타내는 바와 같이, 가스 분출공(19)으로부터 가스 흐름이 직진한 경우에, 스폿 페이싱부(10)의 중심 근방을 지나지 않고 스폿 페이싱부(10)의 주변 근방만을 통과하는 방향으로 가스를 분출시키는 부분이다. 또한, 「스폿 페이싱부(10)의 중심을 향하는 부분」이란, 도 6에 있어서 화살표 G로 나타내는 바와 같이, 가스 분출공(19)으로부터 가스 흐름이 직진한 경우에, 스폿 페이싱부(10)의 중심 근방을 통과하는 방향으로 가스를 분출시키는 부분이다. 또한, 스폿 페이싱부(10)와 기판(16)이 장방형 등, 원과는 다른 경우에도 마찬가지로, 「스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분」이란, 가스 분출공(19)으로부터 가스 흐름이 직진한 경우에, 스폿 페이싱부(10)의 중심 근방을 지나지 않고, 스폿 페이싱부(10)의 주변 근방만을 통과하는 방향으로 가스를 분출시키는 부분이며, 「스폿 페이싱부(10)의 중심을 향하는 부분」이란, 가스 분출공(19)으로부터 가스 흐름이 직진한 경우, 스폿 페이싱부(10)의 중심 부근을 통과하는 방향으로 가스를 분출시키는 부분이다.
또한, 여기서, 「관통 면적이 큰 관통공으로 되어 있다」란, 관통공 또는 관통공군이 차지하는 비율이 높은, 즉, 단위 면적당 관통 부분의 면적이 차지하는 비율이 높은 것을 의미한다. 관통 부분의 면적이 차지하는 비율은, 관통공군의 밀도, 관통공의 크기, 관통공의 폭 등, 여러 가지 방법으로 바꿀 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 본 실시형태에 있어서는, 일사례로서, 동일한 크기의 원형 관통공의 밀도에 따라, 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 관통 면적이 큰 관통공이 되도록 구성하고 있다.
반응실(3)의 측면, 서셉터(8)의 측방에, 기판(16) 교환을 위한 게이트 개구(29)가 설치되어 있다. 로봇실(6)에 설치된 로봇(7)의 로봇 암이 게이트 개구(29)를 통해 기판(16)을 스폿 페이싱부(10)에 재치하거나, 스폿 페이싱부(10)에 재치된 기판(16)을 로봇실(6)로 취출한다. 서셉터(8)는, 반응실(3) 내에서 수평 방향으로, 복수의 서셉터(8)가 배치되어 있는 방향으로 이동하는, 즉, 도넛 형상의 공간 내에서 도넛 형상의 둘레 방향으로 회전시키는 회전 기구에 의해 회전하므로, 로봇 암은 게이트 개구(29)를 통해 모든 서셉터(8)에 액세스 가능하게 되어 있다. 여기서, 「복수의 서셉터(8)가 배치되어 있는 방향」이란, 수평 방향으로 나열된 서셉터(8)의 중심을 연결함으로써 표현할 수 있는 배치의 방향을 말하며, 본 실시형태에 있어서는, 도 4의 화살표 F의 방향(θ 방향)이다.
반응실(3)의 하부에, 서셉터 홀더(17)의 중심에 접속된 회전축(30)이 설치되고, 서셉터 홀더(17) 전체가 모든 서셉터(8)와 함께 도넛 형상의 공간 내에서 도넛 형상의 둘레 방향으로 회전한다.
뚜껑(21)에는, 복수의 가스 분출공(19)을 구비한 가스 노즐로서의 샤워 플레이트(18)가 설치되고, 퍼지 가스 공급 매니폴드(31 및 32)로부터 가스 분출공(19)을 지나, 마주보는 2개의 스폿 페이싱부(10) 사이의 V홈 형상의 공간(26)에 하방을 향해 가스가 분출된다. 가스 도입구로서의 가스 분출공(19)이 스폿 페이싱부(10)보다 상방에서 반응실(3) 내에 가스를 공급하는 구성이다.
또한, 도 7에서 알 수 있듯이, 반응실(3) 내에 복수의 서셉터(8)가 수평 방향으로 방사상으로 나란히 배치되어 있고, 이에 따라, 경사면(9)에 설치된 복수의 스폿 페이싱부(10) 중 2개의 스폿 페이싱부(10)가, 상방일수록 스폿 페이싱부(10) 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고, 마주보는 2개의 스폿 페이싱부(10) 사이에 V홈 형상의 공간(26)을 구성한다.
도 8은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 도 6의 E-E 단면도이다.
도 8에 있어서, 뚜껑(21)에 형성된 4개의 오목부와 샤워 플레이트(18)에 둘러싸인 4개의 당해 부채꼴 형상의 공급 매니폴드, 즉, 퍼지 가스 공급 매니폴드(31 및 32), 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33), 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)가 설치되어 있다. 즉, 가스 노즐로서의 샤워 플레이트(18)가 도넛 형상의 둘레 방향으로 복수의 가스 노즐군으로 분할되어, 가스 노즐군마다 다른 종류의 가스가 분출 가능한 구성으로 되어 있다. 즉, 이동 기구의 이동 방향(수평 방향)으로 복수의 군으로 분할된 가스 노즐군을 구비한다. 또한, 필요에 따라, 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33), 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)에는 퍼지 가스만을 공급할 수도 있다.
간단하게 하기 위해, 예비실(1 및 2)을 로드록실로 하고, 반응실(3 및 4)과 로봇실(6)을 상시 진공 상태로 운전하는 경우에 대해서 동작을 설명한다. 기판 재치면으로서의 스폿 페이싱부(10)의 온도를 미리 소정의 온도로 해 둔다. 이용하는 반응에 따라 적절한 온도는 다르지만, 레지스트 위에 ALD(원자층 퇴적) 반응에 의해 산화막을 형성하는 경우는 50~250℃, 전형적으로 80℃이다. 스폿 페이싱부(10)의 온도를 상온보다 높고 일정하게 유지하는 방법은 다양한 가열 방법에서 적당하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 서셉터(8)에 저항 가열 히터를 설치해도 되고, 램프 가열, 유도 가열 등의 방법을 이용하는 것도 가능하다. 예비실(1 또는 2)과 로봇실(6) 사이의 게이트(5)를 연 상태에서, 예비실(1 또는 2)로부터 로봇(7)으로 기판(16)을 취출하고, 로봇실(6)과 반응실(3) 사이의 게이트(5)를 연 상태에서, 게이트 개구(29)를 통해 기판(16)을 반응실(3) 내의 스폿 페이싱부(10)에 재치한다. 즉, 반응실(3) 내에 설치된, 연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면으로서의 스폿 페이싱부(10)에 반응실(3) 밖에서부터 기판(16)을 이동시켜 재치한다. 이때, 서셉터 홀더(17)의 회전은 정지해 둔다.
다음으로, 서셉터 홀더(17)를 회전시켜, 옆의 스폿 페이싱부(10)에 기판(16)을 재치한다. 이 조작을 반복 실행함으로써, 반응실(3) 내의 모든 스폿 페이싱부(10)에 기판(16)을 재치한다. 여기에서는, 스폿 페이싱부 1개당 1회씩 서셉터 홀더(17)를 회전하는 경우를 예시했지만, 장치의 구성에 따라서는 복수의 스폿 페이싱부(10)에 기판(16)을 재치할 때마다 서셉터 홀더(17)를 회전시켜도 된다. 또한, 이미 성막 처리가 완료된 기판(16)을 스폿 페이싱부(10)로부터 취출하고, 미성막의 기판(16)을 스폿 페이싱부(10)에 재치하는 기판 교환의 조작을, 스폿 페이싱부(10) 1개마다 연속해서 행해도 되고, 반응실(3) 내의 모든 성막 완료 기판(16)을 스폿 페이싱부(10)로부터 취출한 후, 미성막의 기판(16)을 스폿 페이싱부(10)에 순차적으로 재치해도 된다. 기판(16)의 교환 또는 재치 조작을 실행하는 중에는, 모든 샤워 플레이트로부터 소량의 퍼지 가스 또는 불활성 가스를 반응실(3)에 공급하여, 반응실(3)이 로봇실(6)에 대해서 양압이 되도록 해 둔다. 이렇게 함으로써, 게이트(5)를 개방함으로써 로봇실(6)로부터 반응실(3) 내에 혼입할 수 있는, 불필요한 가스의 농도를 최소한으로 할 수 있다.
반응실(3) 내의 모든 스폿 페이싱부(10)에 기판(16)을 재치한 후, 게이트(5)를 닫고, 몇 초 동안 모든 샤워 플레이트로부터 소량의 퍼지 가스 또는 불활성 가스를 반응실(3) 내에 공급해 둔다. 이렇게 함으로써, 게이트(5)를 개방함으로써 로봇실(6)로부터 반응실(3) 내에 혼입할 수 있는, 불필요한 가스의 농도를 저감시킬 수 있다.
다음으로, 회전 기구를 동작시켜 서셉터 홀더(17)를 회전시키면서, 뚜껑(21)에 형성된 4개의 오목부와 샤워 플레이트(18)에 둘러싸인 4개의 공급 매니폴드, 즉, 퍼지 가스 공급 매니폴드(31 및 32), 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33), 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)로부터, 각각 퍼지 가스, 프리커서를 포함하는 가스, 산화제를 포함하는 가스를 반응실(3) 내에 공급하면서, 배기구(27 및 28)로부터 배기한다. 여기에서는, 2개의 배기구가 설치되어 있는 것을 예시했지만, 4개의 공급 매니폴드에 대응하는 형태로, 4개의 배기구를 설치해도 된다. 혹은, 더욱 배기구마다 각기 다른 펌프로 배기하는 구성으로 해도 되고, 배기구마다 각기 다른 조압 밸브를 사용하여 세밀하게 조압을 행할 수 있도록 해도 된다.
이때 사용하는 퍼지 가스의 유량은 10~1000sccm(standard cubic centimeters per minute) 정도, 전형적으로는 100sccm이다.
프리커서는 성막하고자 하는 막 종류에 맞춰서 적당히 선택할 수 있다. 예를 들면, Al2O3를 성막하는 경우는 TMA(트리메틸알루미늄), ZrO2를 성막하는 경우는 TEMAZ(테트라키스에틸메틸아미노지르코늄), TiO2를 성막하는 경우는 메틸시클로펜타 디에닐트리스디메틸아미노티탄, SiO2를 성막하는 경우에는 3DMAS(트리스디메틸아미노실란)를 사용할 수 있다. 프리커서는 버블러, 기화 장치, 초음파 진동, 인젝션 등을 사용하여 공급하지만, 그 공급량은 3~30mg/회 정도, 전형적으로는 10mg/회가 되도록 회전 속도에 따라 조정한다. 프리커서를 단독으로 반응실(3)에 공급하는 것은 곤란하기 때문에, 통상은 희가스 등의 불활성 가스로 희석한다. 전형적으로 Ar 가스로 희석하지만, 희석 가스의 유량은 10~1000sccm 정도, 전형적으로는 100sccm이다. V홈 형상의 공간(26)에 있어서의 가스 유속은, 그 하방일수록 빨라지기 때문에, 하류에 있어서의 프리커서의 고갈이 완화되어, 스폿 페이싱부(10)의 상측과 하측의 성막 속도의 차가 작아진다. 또한, 프리커서의 액화를 방지하기 위해, 희석 가스를 가열하는 것이 바람직하다. 희석 가스의 온도는 40~150℃ 정도, 전형적으로는 80℃이다. 기판(16)이 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드의 하방을 통과하면, 기판(16)의 표면에 프리커서 분자가 흡착된다. 그 반응은 자기 제어적이며, 기판(16) 표면에 흡착 가능한 사이트가 없어진 시점에서 흡착 반응은 종료된다. 즉, 기판(16) 표면에 있어서, 거의 균일하게 원자 1층분의 프리커서 분자가 흡착된 상태가 얻어진다.
스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이, 기판(16)의 표면에 흡착되는 프리커서 분자의 비율이 높아지지만, 본 발명에 있어서는 샤워 플레이트(18)에 형성된 가스 분출공(19)이 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 높은 밀도로 형성되고, 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 관통 면적이 큰 관통공으로 되어 있기 때문에, 종래 기술, 예를 들면 비특허문헌 1에 기재된 성막 장치를 사용하는 경우에 비해, 보다 균일하게, 보다 단시간에 흡착 스텝을 완료시킬 수 있다.
리액턴트로서의 산화제는 적당히 선택할 수 있지만, H2O, H2O2, 오존 등이 이용 가능하다. 또한, 질화막을 성막하기 위해서, 질화제, 예를 들면 NH3를 사용하는 것도 가능하다. 산화제가 상온에서 액체의 물질이면, 프리커서와 마찬가지로, 버블러, 기화 장치, 초음파 진동, 인젝션 등을 이용하여 공급한다. 예를 들어, H2O를 사용하는 경우, 그 공급량은 1~100mg/회 정도, 전형적으로는 10mg/회가 되도록 회전 속도에 따라 조정한다. 이 경우, 산화제를 단독으로 반응실(3)에 공급하는 것은 곤란하기 때문에, 통상은 희가스 등의 불활성 가스로 희석한다. 전형적으로는 Ar 가스로 희석하지만, 희석 가스의 유량은 10~1000sccm 정도, 전형적으로는 100sccm이다. 또한, 산화제가 상온에서 액체의 물질인 경우, 그 액화를 방지하기 위해서 희석 가스를 가열하는 것이 바람직하다. 희석 가스의 온도는 40~150℃ 정도, 전형적으로는 80℃이다. 기판(16)이 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드의 하방을 통과하면, 기판(16) 표면에 흡착된 프리커서와 산화제의 반응에 의해, 대략 원자 1층분의 박막이 기판(16) 표면에 성막된다. 예를 들면, 프리커서로서 TMA, 산화제로서 H2O를 사용할 경우, H2O가 프리커서의 메틸기와 반응하여 부생성물의 메탄이 발생하고, 메탄은 가스 배기구(27 및 28)로부터 반응실(3) 밖으로 배출되는 한편, 표면에 히드록실화된 Al2O3가 남아 박막이 된다.
반응실(3) 내의 압력은 10~2000mTorr 정도, 전형적으로는 100mTorr이다. 단, 대기압에 가까운 압력으로 ALD 성막을 행하는 것도 가능하고, 유효한 압력 범위는 상기에 한정되지 않는다. 기판(16)이 1회분 성막되는 동안(대략 원자 1층분의 박막이 형성되는 동안), 본 실시형태의 경우는, 기판(16)이 도넛 형상의 둘레 방향으로 1회전하는 동안, 각 기판(16)이 각 가스의 분출을 받는 시간이 0.1~10s, 전형적으로는 5s가 되도록 회전 속도를 설정한다. 예를 들면, 본 실시형태에서는, 뚜껑(21)에 형성된 4개의 오목부와 샤워 플레이트(18)에 둘러싸인 4개의 공급 매니폴드, 즉, 퍼지 가스 공급 매니폴드(31 및 32), 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33), 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)가 설치되어 있다. 즉, 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군과, 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군 사이에, 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐군이 배치되어 있다. 따라서, 각 기판(16)은 도넛 형상의 둘레 방향으로 1회전하는 동안에, 퍼지 가스, 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 산화제를 포함하는 가스의 순서로 각종 가스에 노출되는 프로세스가 1회만 발생한다. 각종 가스에 노출되는 시간을 5s로 하기 위해서는, 5×4=20s로 1회전하는 설정, 즉, 3rpm으로 회전시키면 된다. 서셉터 홀더(17)의 서셉터(8)가 놓여 있는 면보다 위에서, 각 가스가 가능한 한 혼합되지 않게 하기 위해서, 각 V홈 형상의 공간(26)에 공급되는 가스의 양이 동일해지도록 하고, 이웃하는 V홈 형상의 공간(26) 사이에 차압이 발생하기 어렵도록 한다. 혹은, 퍼지 가스의 양을, 프리커서를 포함하는 가스나 산화제를 포함하는 가스의 양보다 약간 많게 해 두면 좋다. 이와 같이 하면, 프리커서와 산화제가 각 V홈 형상의 공간(26) 내에서 혼합되는 것을 효과적으로 회피할 수 있다.
이와 같이 해서 서셉터 홀더(17)를 회전시킴으로써, 각 기판(16)은 퍼지 가스, 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 산화제를 포함하는 가스 순으로 각종 가스에 노출되어, 대략 원자 1층분의 산화물 박막이 기판(16) 표면에 형성된다. 이러한 프로세스는, 도넛 형상의 둘레 방향으로 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 산화제를 포함하는 가스, 퍼지 가스의 순서로 가스를 분출시키는 가스 노즐군이 배치됨으로써 실현되고 있다. 이 일련의 스텝을 반복 실시하기 위해서, 서셉터 홀더(17)를 반응실(3) 내에서 여러 번 회전시킴으로써 소정 두께의 산화물 박막을 얻을 수 있다. 여기서, 대략 원자 1층분이라는 표현을 사용했지만, 1사이클에서 형성되는 박막의 두께를 막 두께로 환산하면 대략 1∼2옹스트롬이기 때문에, 예를 들면 두께 20nm의 박막을 형성하고 싶은 경우는 100~200사이클의 프로세스가 필요하게 되므로, 본 실시형태의 경우, 서셉터 홀더(17)를 반응실(3) 내에서 100~200회 회전시킨다.
소정의 막 두께의 성막을 끝낸 기판(16)은, 기판 재치의 스텝과는 반대로, 스폿 페이싱부(10)로부터 게이트 개구(29)를 통해 반응실(3) 밖으로 취출되어, 로봇(7)을 사용하여 예비실(1 또는 2)에 수납된다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 2 개의 반응실(3, 4)이 설치되어 있고, 한쪽의 반응실에서 성막을 행하면서 다른 쪽의 반응실에서 기판 교환을 행할 수도 있다. 이와 같이, 복수의 반응실에 대하여, 로드 및 언로드와 성막이라고 하는, 모두 시간을 요하는 처리를 동시에 병행으로 실행함으로써, 더욱 처리 속도가 크고, 더욱 면적 생산성이 높은 성막 장치 및 방법을 실현할 수 있다.
본 실시형태에서는, 종래 기술, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 성막 장치와 달리, 기판(16)의 이면이 서셉터(8)에 의해 보호되기 때문에, 기판(16)의 이면에 박막이 형성되지 않는다. 따라서, 이면을 에칭하는 공정을 추가할 필요가 없다. 또한, 종래 기술, 예를 들면 특허문헌 1~4에 기재된 성막 장치에 비해, 가스를 공급해야 하는 에어리어(마주보는 2개의 스폿 페이싱부(10) 사이의 V홈 형상의 공간(26))의 체적이 매우 작고, 또한, 이 에어리어에 직접 가스 분출공(19)으로부터 각종 가스를 공급하므로, 흡착 반응, 산화 반응, 퍼지가 모두 매우 단시간에 완료되기 때문에, 총 성막 시간을 단시간화할 수 있다. 또한, 한번에 처리할 수 있는 기판수가 많아, 처리 속도가 크다. 또한, 좁은 면적에서 다수의 기판을 처리할 수 있기 때문에, 종래 기술, 예를 들면 특허문헌 5에 기재된 성막 장치에 비해 면적 생산성이 높다. 또한, 기판(16)을 서셉터(8) 위의 스폿 페이싱부(10)에 중력에 의해 유지하는 구성이기 때문에, 반도체 집적 회로용 웨이퍼와 같이 두꺼운 기판(700㎛ 정도 이상)에 있어서도 안정적으로 처리할 수 있다.
또한, 마주보는 2개의 기판 사이의 공간(마주보는 2개의 스폿 페이싱부(10) 사이의 V홈 형상의 공간(26))끼리는 서로 매우 좁은 개구를 통해서만 연통되어 있다. 이것은 서셉터(8)의 상면(15)과 반응실(3)의 상부 내벽면(본 실시형태에 있어서는 샤워 플레이트(18))과의 거리가 매우 작기 때문이다. 즉, 일렬로 나열된 일군의 가스 분출공(19)으로부터 V홈 형상의 공간(26)을 향해 분출되는 가스가 서셉터(8)의 상면을 넘어 옆의 V홈 형상의 공간(26)에 혼입될 우려가 매우 작다. 또한, 서셉터(8)와 함께 회전하는, 2개의 서셉터(8) 사이의 공간을 배기하는 회전 배기구로서의 슬릿(14)을 구비하고, 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군과, 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군 사이에 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐군이 배치되어 있다. 따라서, 프리커서를 포함하는 가스와 리액턴트를 포함하는 가스를 동시에 반응실(3) 내에 공급해도, 서로가 혼합될 우려는 매우 작고, 복수의 가스종을 전환할 필요가 없기 때문에, 특허문헌 6~10에 기재된 성막 장치에 비해, 성막 시간을 단시간화할 수 있다. 또한, 이러한 효과를 얻기 위해서는, 서셉터(8)의 최상부(상면(15))와 반응실(3)의 상부 내벽면의 거리는 1mm 이상 10mm 이하로 해야 한다. 서셉터(8)의 상면(15)과 반응실(3)의 상부 내벽면의 거리가 1mm 미만이면, 장치의 경년 변화 등에 의해 회전 정밀도가 저하되었을 때에, 서셉터(8)의 상면(15)과 반응실(3)의 상부 내벽면이 접촉될 우려가 있다. 반대로, 서셉터(8)의 상면(15)과 반응실(3)의 상부 내벽면의 거리가 10㎜보다 넓으면, 프리커서를 포함하는 가스와 리액턴트를 포함하는 가스가 혼합될 우려가 약간 높아진다. 본 실시형태에 있어서는, 반응실(3)의 상부 내벽면은 샤워 플레이트(18)의 하면이지만, 장치의 구성에 따라서는 뚜껑(21)의 하면이 해당되는 경우도 있을 수 있다.
본 실시형태에서는, 서셉터(8)를 20∼30개 정도 설치하고, 반응실(3) 내에 기판(16)을 40∼60개 정도 재치할 수 있는 것을 예시했지만, 반응실(3)에 설치하는 서셉터(8)의 수가 많을수록 면적 생산성이 높아진다. 예를 들면, 서셉터(8)를 13개 설치하고, 반응실(3) 내에 기판(16)을 26개 재치할 수 있는 구성으로 해도 된다. 혹은, 서셉터(8)를 100개 설치하고, 반응실(3) 내에 기판(16)을 200개 재치할 수 있는 구성으로 해도 된다.
기판 교환을 실시한 후, 서셉터 홀더(17)를 연속적으로 회전시키는 경우를 예시했지만, 각 가스 분출공(19)이 각 서셉터(8)의 상면(15) 바로 위에 위치하는 타이밍에서 가스 흐름이 흐트러져 버린다. 그래서, 회전과 정지를 반복하여 간헐적으로 프로세스를 실시해도 된다. 이 경우, 퍼지 가스에 의한 프리커서 및 산화제의 치환을 보다 확실하게 행할 수 있다는 이점이 있다. 혹은, 간헐적으로 프로세스를 실시할 경우, 회전 중에는 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33) 및 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)로부터도 퍼지 가스를 공급하거나, 각 가스 분출공(19)으로부터 공급하는 가스 유량을 감소시키거나 또는 각 가스 분출공(19)으로부터 공급되는 가스 유량을 정지하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 퍼지 가스에 의한 프리커서 및 산화제의 혼합을 효과적으로 회피할 수 있고, 또한 치환을 보다 더 확실하게 행할 수 있다는 이점이 있다. 또는, 연속적으로 회전시키거나 간헐적으로 회전과 정지를 반복하는지에 관계없이, 각 가스 분출공(19)이 각 서셉터(8)의 상면(15) 바로 위에 위치하는 타이밍에서 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33) 및 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)로부터도 퍼지 가스를 공급하거나, 각 가스 분출공(19)으로부터 공급하는 가스 유량을 감소시키거나, 또는 각 가스 분출공(19)으로부터 공급하는 가스 유량을 정지하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 퍼지 가스에 의한 프리커서 및 산화제의 혼합을 효과적으로 회피할 수 있고, 또한 치환을 보다 더 확실하게 행할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33), 퍼지 가스 공급 매니폴드(31 및 32), 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)의 각 공급 매니폴드가 거의 같은 크기인 경우를 예시했지만, 프로세스에 따라 크기를 바꿔도 된다. 예를 들면, 퍼지 가스 공급 매니폴드(31 및 32)를, 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33) 및 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)보다 크게 함으로써, 퍼지 가스에 의한 프리커서 및 산화제의 치환을 보다 확실하게 행할 수 있는 구성으로 해도 된다.
(실시형태 2)
이하에, 본 발명의 실시형태 2에 대해서, 도 9를 참조하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반응실의 중심을 포함하는 yz 평면에 평행한 면으로 절단했을 때의 반응실의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 9에 있어서, 뚜껑(21)에는 프리커서를 포함하는 가스 공급관(23), 산화제를 포함하는 가스 공급관(25)이 설치되어 있다. 뚜껑(21)에는 실시형태 1과 마찬가지로 4개의 공급 매니폴드가 설치되고, 이들에 대응하는 형태로 4개의 배기구가 설치되어 있다. 도 9에 있어서는, 프리커서를 포함하는 가스 공급관(23)의 하방에 배기구(40), 산화제를 포함하는 가스 공급관(25)의 하방에 배기구(41)가 설치되어 있다. 산화제를 포함하는 가스 공급관(25)은 부채꼴의 전극(42)에 접속되고, 전극(42)은 절연링(43 및 44)에 의해 뚜껑(21)과 전기적으로 절연되어 있다. 샤워 플레이트(18)도 산화제를 포함하는 가스 공급관(25)으로부터의 가스를 분출하기 위한 가스 분출공(19)을 포함하는 부채꼴 부분만 다른 부분과 분리되어 있다. 전극(42)은 도시하지 않은 고주파 전원에 접속되어 있고, 전극(42)에 고주파 전력을 공급함으로써 샤워 플레이트(18)와 서셉터(8) 사이의 공간에 플라즈마(45)를 발생시킬 수 있다.
이러한 구성에서는, 산화제를 포함하는 가스를 전리함으로써, 기체 형상의 산화제보다 산화력이 강한 라디칼이나 이온, 오존 등이 발생한다. 따라서, 프로세스를 보다 저온에서 실시하는 것이 가능해진다. 이는 질화 프로세스에 있어서도 마찬가지이며, NH3 가스를 포함하는 가스를 플라즈마화시킴으로써 생기는 라디칼이나 이온을 활용함으로써, 프로세스를 보다 저온에서 실시하는 것이 가능해진다. 프로세스의 저온화에 의해, 프리커서의 흡착이 신속하게 행해지기 때문에, 더욱 처리 속도를 크게, 면적 생산성을 높게 할 수 있다. 또한, 플라즈마를 활용함으로써 보다 치밀한 박막이 형성된다는 이점이 있다.
(실시형태 3)
이하에, 본 발명의 실시형태 3에 대해서, 도 10을 참조하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시형태 3에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반응실의 중심을 포함하는 xz 평면에 평행한 면으로 절단했을 때의 반응실의 구성을 나타내는 단면도이며, 도 6에 상당한다.
실시형태 1에 있어서는, 서셉터 홀더(17)의 중심의 최상부와 뚜껑(21)의 중심부 사이의 간극을 통해 종류가 다른 가스가 서로 혼합될 우려가 있지만, 도 10에 있서는 뚜껑(21)의 중심부의 관통 구멍을 상부 회전축(47)이 관통하는 구성으로 하고 있다. 이것에 의해, 반응실(3)의 중심 부근을 통해 종류가 다른 가스가 서로 혼합되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다는 이점이 있다.
(실시형태 4)
이하에, 본 발명의 실시형태 4에 대해서, 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다.
도 11 및 도 12는, 본 발명의 실시형태 4에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반응실의 중심을 포함하는 xz 평면에 평행한 면으로 절단했을 때의, 반응실의 구성을 나타내는 단면도이며, 도 6에 상당한다.
실시형태 1에 있어서는, 서셉터 홀더(17)의 중심의 최상부와 뚜껑(21)의 중심부 사이의 간극을 통해 종류가 다른 가스가 서로 혼합되어 버릴 우려가 있지만, 도 11에 있어서는, 중공의 원통(48)이 뚜껑(21)의 중심 부근에 일체화되어 설치되어 있다. 이것에 의해, 반응실(3)의 중심 부근을 통해 종류가 다른 가스가 서로 혼합되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다는 이점이 있다. 여기에서는, 반응실(3)의 중심 부근의 가스 경로를 길게 하기 위해서, 중공의 원통(48)이 뚜껑(21)의 중심 부근에 일체화되어 설치되어 있는 경우를 예시했지만, 서셉터 홀더(17)와 뚜껑(21)이 서로 끼워 맞춰지는 구성이면, 다른 구성이어도 동일한 효과를 발휘한다.
또한, 반응실(3)의 중심 부근을 통해 종류가 다른 가스가 서로 혼합되는 것을 더욱 효과적으로 방지하기 위해서, 도 12에 나타내는 바와 같이, 뚜껑(21)의 중심 부근에 형성한 중심부 가스 분출공(49)으로부터, 퍼지 가스 또는 불활성 가스를 분출시키는 구성으로 해도 된다. 서셉터 홀더(17)와 뚜껑(21)이 서로 끼워 맞춰지는 구성으로 하지 않고, 도 6의 구성에 있어서 반응실(3)의 중심 부근에 중심부 가스 분출공(49)을 형성하여, 퍼지 가스 또는 불활성 가스를 분출시키는 구성으로 해도 된다.
(실시형태 5)
이하에, 본 발명의 실시형태 5에 대해서, 도 13~도 17을 참조하여 설명한다.
도 13은 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반송계도 포함시킨 장치 전체의 평면도이며, 도 1에 상당한다.
도 13에 있어서, 예비실(1)과 반응실(52~56)이 게이트(5)를 통해 로봇실(6)에 접속되어 있다. 로봇실(6)은 로봇(7)을 구비하고 있고, 예비실(1)과 반응실(52~56) 중 어느 하나의 사이에서 기판의 반송을 행한다. 예비실(1)을 로드록실로 하고, 반응실(52~56)과 로봇실(6)을 상시 진공 상태로 운전해도 되고, 예비실(1)과 로봇실(6)을 상시 대기 상태로 하고, 반응실(52~56)을 대기 상태로 하여 기판의 출입을 행하고, 진공 상태로 하여 성막하는 구성으로 해도 된다. 또한, 로봇실(6)이 기판의 얼라인먼트를 하는 기능을 더 구비해도 된다.
도 14는, 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 서셉터의 구성을 나타내는 것으로, 기판을 서셉터에 재치하고 있지 않은 상태를 나타내는 사시도이며, 도 2에 상당한다.
도 14에 있어서, 서셉터(8)는, 경사면(9)에 설치된 기판 재치면으로서의 스폿 페이싱부(10) 및 수평면 양쪽에 수직인 평면으로 절단한 단면이, 수평면에 평행한 변을 저변으로 하는 직각 삼각형에 근사하는 형상이다(상변이 하변보다 짧은 사다리꼴에 근사하는 형상이기도 함). 즉, 기판 재치면은 연직면에 대하여 기울어져 있다. 경사각은 연직면에 대해 3~10도가 바람직하고, 전형적으로 5도이다. 경사각이 너무 작으면, 로봇 암을 2개의 서셉터(8) 사이에 넣기 위해, 서셉터(8)를 상당히 큰 치수로 하여, 최상부의 2개의 서셉터(8) 사이의 거리를 확보할 필요가 생기기 때문에 바람직하지 않고, 반대로 경사각이 너무 크면, 반응실(52∼56) 내에 필요수의 기판 재치면을 설치하기 위해서는 반응실(52∼56)을 상당히 큰 치수로 할 필요가 생기기 때문에 바람직하지 않다. 후술하는 바와 같이, 반응실(52∼56)의 내벽은 당해 직육면체 형상이며, 그 내부의 직육면체 형상의 오목 공간을 따르도록 서셉터(8)를 배치하기 때문에, y축 방향의 단면(11)은 평면이다. 도면에서는 보이지 않는 측의 단면도 평면이다. 또한, 실시형태 1과는 달리, 도면에서 보이지 않는 측의 수직면에는, 스폿 페이싱부는 설치되어 있지 않다. 스폿 페이싱부(10)의 주변에 기판 반송용 로봇(7)의 로봇 암의 클로를 빼내기 위한 도피부(12)가 4개 설치되어 있다. 도피부(12)의 경사면(9)에 대한 깊이는 스폿 페이싱부(10)보다 약간 깊고, 스폿 페이싱부(10)가 이루는 원의 내측으로 조금 들어간 형상으로 되어 있다. 로봇 암으로서는 여러 가지의 것을 적당히 이용할 수 있지만, 베르누이 척 방식의 것을 사용하면, 원활한 기판 재치를 실현할 수 있다. 서셉터(8)의 재질로서는, 열전도율이 높고, 변형·변질되기 어려운 것이 바람직하며, 알루미늄, 스테인리스강, 탄화규소 등을 사용할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 사시도이며, 반응실의 구성을 나타내는 분해도이다. 이하에, 일례로서 반응실(54)의 구성에 대하여 상세하게 기술하지만, 다른 반응실(52, 53, 55, 56)도 동일한 구성이다.
도 16은 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반응실의 중심을 포함하는 xz 평면에 평행한 면으로 절단했을 때의 반응실의 구성을 나타내는 단면도이며. 수평 방향으로 이동 가능한 서셉터 홀더(17)가 프리커서 처리 위치에 있는 상태를 나타내는 것이다.
도 17은 본 발명의 실시형태 5에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반응실의 중심을 포함하는 yz 평면에 평행한 면으로 절단했을 때의 반응실의 구성을 나타내는 단면도이다. 또한, 단면의 안쪽에 보이는 구조(게이트 개구, 서셉터, 스폿 페이싱부 등)를 점선으로 모식적으로 나타내고 있다. 또한, 수평 방향으로 이동 가능한 서셉터 홀더(17)가 퍼지 위치(58)에 있는 상태를 나타내는 것이다.
도 15~도 17에 있어서, 반응실(54)은 전체적으로 직육면체를 이루고, 내벽은 당해 직육면체 형상이다. 반응실(54) 내부의 직육면체 형상의 오목 공간에 2개의 서셉터(8)가 서셉터 홀더(17) 위에, 수평 방향으로 직선 형상으로 나란히 배치되어 있다. 샤워 플레이트(18)에 형성된 가스 분출공(19)은 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 높은 밀도로 형성되고, 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 관통 면적이 큰 관통공으로 되어 있다. 반응실(54)의 상부에는, 오링(20)을 통하여 뚜껑(21)이 배치되어, 기밀성이 확보된다. 즉, 진공 상태에서 성막 처리를 실행할 수 있다. 뚜껑(21)에는, 가스 공급관이 직선 방향으로 프리커서를 포함하는 가스 공급관(23), 퍼지 가스 공급관(22), 산화제를 포함하는 가스 공급관(25)의 순서로 설치되어 있다. 반응실(54) 내에 공급된 가스는 2개의 서셉터(8) 사이의 V홈 형상의 공간(26)으로부터 서셉터 홀더(17)에 설치된 슬릿(46)을 지나 배기구(27, 40, 41)로부터 배기된다.
반응실(54)의 측면, 서셉터(8)의 측방에, 기판(16) 교환을 위한 게이트 개구(29)가 설치되어 있다. 로봇실(6)에 설치된 로봇(7)의 로봇 암이 게이트 개구(29)를 통해 기판(16)을 스폿 페이싱부(10)에 재치하거나 또는 스폿 페이싱부(10)에 재치된 기판(16)을 로봇실(6)로 취출한다. 서셉터(8)는 반응실(54) 내에서 수평 방향으로 복수의 서셉터(8)가 배치되어 있는 방향으로 이동한다. 즉, 직육면체 형상의 공간 내에서 직선 운동시키는 슬라이드 기구에 의해 이동하므로, 로봇 암은 게이트 개구(29)를 통해 모든 서셉터(8)에 액세스 가능하게 되어 있다. 여기서, 「복수의 서셉터(8)가 배치되어 있는 방향」이란, 수평 방향으로 나열된 서셉터(8)의 중심을 연결함으로써 표현할 수 있는 배치의 방향을 말하며, 본 실시형태에 있어서는, 도 15의 화살표 F 방향(x방향)이다.
서셉터 홀더(17)에는, 서셉터 홀더(17)를 x축 방향으로 관통하는 2개의 관통 구멍(57)이 형성되고, 반응실(54)의 하부에 설치된 2개의 샤프트(59)가 삽입된다. 서셉터 홀더(17)는 구동원에 접속되고, 샤프트(59)를 가이드로 하여, 복수의 서셉터(8)가 배치되어 있는 방향으로 이동하여 서셉터(8)를 이동시킨다.
뚜껑(21)에는, 복수의 가스 분출공(19)을 구비한 가스 노즐로서의 샤워 플레이트(18)가 설치되고, 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33)로부터 가스 분출공(19)을 지나, 마주보는 2개의 스폿 페이싱부(10) 사이의 V홈 형상의 공간(26)에 하방을 향하여 가스를 분출한다. 가스 도입구로서의 가스 분출공(19)이 스폿 페이싱부(10)보다 상방에서 반응실(54) 내에 가스를 공급하는 구성이다.
서셉터 홀더(17)가 퍼지 위치(58)에 있을 때는, 퍼지 가스 공급 매니폴드(31)로부터 가스 분출공(19)을 지나, 마주보는 2개의 스폿 페이싱부(10) 사이의 V홈 형상의 공간(26)에, 하방을 향하여 퍼지 가스를 분출한다. 마찬가지로, 서셉터 홀더(17)가 산화 처리 위치(60)에 있을 때는, 산화 가스를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)로부터 가스 분출공(19)을 지나, 마주보는 2개의 스폿 페이싱부(10) 사이의 V홈 형상의 공간(26)에, 하방을 향해 산화 가스를 포함하는 가스를 분출한다. 즉, 가스 노즐로서의 샤워 플레이트(18)가, 직선 방향으로 복수의 가스 노즐군으로 분할되어, 가스 노즐군마다 다른 종류의 가스가 분출 가능한 구성으로 되어 있다. 즉, 이동 기구의 이동 방향(수평 방향)으로 복수 배치된 가스 노즐군을 구비한다. 또한, 필요에 따라, 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33), 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)에는 퍼지 가스만을 공급할 수도 있다.
또한, 도 16에서 알 수 있듯이, 반응실(54) 내에 2개의 서셉터(8)가 수평 방향으로 직선 형상으로 나란히 배치되어 있고, 이에 따라, 경사면(9)에 설치된 복수의 스폿 페이싱부(10) 중 2개의 스폿 페이싱부(10)가, 상방일수록 스폿 페이싱부(10) 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고, 마주보는 2개의 스폿 페이싱부(10) 사이에 V홈 형상의 공간(26)을 구성한다.
간단히 하기 위해서, 예비실(1)을 로드록실로 하고, 반응실(52~56)과 로봇실(6)을 상시 진공 상태로 운전할 경우에 대해서 동작을 설명한다. 또한, 중복을 피하기 위해서, 실시형태 1과 동일한 부분에 대해서는 기재를 생략한다.
기판 재치면으로서의 스폿 페이싱부(10)의 온도를 미리 소정의 온도로 해 둔다. 이어서, 예비실(1)과 로봇실(6) 사이의 게이트(5)를 연 상태에서, 예비실(1)로부터 로봇(7)으로 기판(16)을 취출하고, 로봇실(6)과 반응실(54) 사이의 게이트(5)를 연 상태에서, 게이트 개구(29)를 통해 기판(16)을 반응실(54) 내의 스폿 페이싱부(10)에 재치한다. 즉, 반응실(54) 내에 설치된, 연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면으로서의 스폿 페이싱부(10)에, 반응실(54) 밖에서부터 기판(16)을 이동시켜 재치한다. 이때, 서셉터 홀더(17)는 퍼지 위치(58)에 배치해 둔다.
기판(16)의 교환 또는 재치 조작을 실행하는 중에는, 모든 샤워 플레이트로부터 소량의 퍼지 가스 또는 불활성 가스를 반응실(54) 내에 공급하여, 반응실(54)이 로봇실(6)에 대해서 양압이 되도록 해 둔다. 이렇게 함으로써, 게이트(5)를 개방함으로써 로봇실(6)로부터 반응실(54) 내에 혼입할 수 있는, 불필요한 가스의 농도를 최소한으로 할 수 있다.
반응실(54) 내의 2개소의 스폿 페이싱부(10)에 기판(16)을 재치한 후에, 게이트(5)를 닫고 몇 초 동안 모든 샤워 플레이트로부터 소량의 퍼지 가스 또는 불활성 가스를 반응실(54) 내에 공급해 둔다. 이렇게 함으로써, 게이트(5)를 개방함으로써 로봇실(6)로부터 반응실(54) 내에 혼입할 수 있는, 불필요한 가스의 농도를 저감시킬 수 있다.
다음으로, 슬라이드 기구를 동작시켜, 서셉터 홀더(17)를 x축 방향으로 왕복 운동시키면서, 뚜껑(21)에 형성된 각 3개의 오목부와 샤워 플레이트(18)에 둘러싸인 3개의 공급 매니폴드, 즉, 퍼지 가스 공급 매니폴드(31), 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33), 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)로부터 각각 퍼지 가스, 프리커서를 포함하는 가스, 산화제를 포함하는 가스를 반응실(54) 내에 공급하면서, 배기구(27, 40 및 41)로부터 배기한다. 여기에서는, 배기구가 3개 설치되어 있는 것을 예시했지만, 배기구는 1개여도 된다. 혹은, 배기구마다 각기 다른 펌프로 배기하는 구성으로 해도 되고, 배기구마다 각기 다른 조압 밸브를 사용하여 세밀하게 조압을 행할 수 있도록 해도 된다.
이때 사용하는 각종 가스의 종류, 유량이나 반응실(54) 내의 압력 등은 실시형태 1과 동일하다. 이와 같이 해서, 각종 가스를 반응실(54) 내에 공급하면서, 서셉터 홀더(17)를 x축 방향으로, 프리커서 처리 위치와 산화 처리 위치(60) 사이에서 왕복 운동시켜, 기판 재치면을 직육면체 공간 내에서 직선 운동시킨다.
기판(16)이 프리커서 처리 위치에 있을 때, 기판(16)의 표면에 프리커서 분자가 흡착된다. 그 반응은 자기 제어적이며, 기판(16) 표면에 흡착 가능한 사이트 가 없어진 시점에서 흡착 반응은 종료된다. 즉, 기판(16) 표면에 있어서, 거의 균일하게 원자 1층분의 프리커서 분자가 흡착된 상태가 얻어진다.
스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이, 기판(16)의 표면에 흡착되는 프리커서 분자의 비율이 높아지지만, 본 발명에 있어서는, 샤워 플레이트(18)에 형성된 가스 분출공(19)이 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 높은 밀도로 형성되고, 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 관통 면적이 큰 관통공으로 되어 있기 때문에, 종래 기술, 예를 들면 비특허문헌 1에 기재된 성막 장치를 사용하는 경우에 비해서, 보다 균일하게, 보다 단시간에 흡착 스텝을 완료시킬 수 있다.
기판(16)이 산화 처리 위치(60)에 있을 때, 기판(16) 표면에 흡착된 프리커서와 산화제의 반응에 의해, 대략 원자 1층분의 박막이 기판(16) 표면에 성막된다. 예를 들면, 프리커서로서 TMA, 산화제로서 H2O를 사용하는 경우, H2O가 프리커서의 메틸기와 반응하여 부생성물의 메탄이 발생하고, 메탄은 가스 배기구(27, 40 및 41)로부터 반응실(54) 외부로 배출되는 한편, 표면에 히드록실화된 Al2O3가 남아 박막이 된다.
기판(16)이 1회분 성막되는 동안(대략 원자 1층분의 박막이 형성되는 동안), 본 실시형태의 경우는, 기판(16)이 직선 방향으로 1번 왕복하는 동안, 각 기판(16)이 각 가스의 분출을 받는 시간이 0.1~10s, 전형적으로는 5s가 되도록 이동 속도를 설정한다. 예를 들면, 본 실시형태에서는, 뚜껑(21)에 형성된 3개의 오목부와 샤워 플레이트(18)에 둘러싸인 3개의 공급 매니폴드, 즉, 퍼지 가스 공급 매니폴드(31), 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33), 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)가 설치되어 있다. 즉, 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군과, 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군 사이에, 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐군이 배치되어 있다. 따라서, 각 기판(16)은, 직선 방향으로 1번 왕복하는 동안에, 퍼지 가스, 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 산화제를 포함하는 가스의 순서로 각종 가스에 노출되는 프로세스가 1회만 발생한다. 각종 가스에 노출되는 시간을 5s로 하기 위해서는, 5×4=20s로 1번 왕복하는 설정, 즉, 1분 동안에 3번 왕복하는 속도로 이동시키면 된다. 서셉터 홀더(17)의 서셉터(8)가 놓여 있는 면보다 위에서, 각 가스가 가능한 한 혼합되지 않게 하기 위해서, 각 V홈 형상의 공간(26)에 공급되는 가스의 양이 동일해지도록 하거나, 퍼지 가스의 양을, 프리커서를 포함하는 가스나 산화제를 포함하는 가스의 양보다 약간 많게 해 두면 좋다. 이와 같이 하면, 프리커서와 산화제가 각 V홈 형상의 공간(26) 내에서 혼합되는 것을 효과적으로 회피할 수 있다.
이와 같이 해서, 서셉터 홀더(17)를 직선 방향으로 왕복 운동시킴으로써, 각 기판(16)은 퍼지 가스, 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 산화제를 포함하는 가스의 순서로 각종 가스에 노출되어 대략 원자 1층분의 산화물 박막이 기판(16) 표면에 형성된다. 이러한 프로세스는, 직선 방향으로 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군과, 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군 사이에 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐군이 배치됨으로써 실현되어 있다. 이 일련의 스텝을 반복 실시하기 위해서, 서셉터 홀더(17)를 반응실(54) 내에서 여러 번 왕복시킴으로써 소정 두께의 산화물 박막을 얻을 수 있다. 여기에서, 대략 원자 1층분이라는 표현을 사용했지만, 1사이클에서 형성되는 박막의 두께를 막 두께로 환산하면 대략 1∼2옹스트롬이기 때문에, 예를 들면 두께 20nm의 박막을 형성하고 싶은 경우는, 100~200사이클의 프로세스가 필요하게 되므로, 본 실시형태의 경우, 서셉터 홀더(17)를 반응실(54) 내에서 100~200회 왕복시킨다.
소정의 막 두께의 성막을 끝낸 기판(16)은, 기판 재치의 스텝과는 반대로, 스폿 페이싱부(10)로부터 게이트 개구(29)를 통해 반응실(54) 밖으로 취출되고, 로봇(7)을 사용하여 예비실(1)에 수납된다. 또한, 본 실시형태에 있어서는 5개의 반응실(52~56)이 설치되어 있고, 4개의 반응실에서 성막을 하면서 1개의 반응실에서 기판 교환을 행할 수도 있다. 이와 같이, 복수의 반응실에 대하여, 로드 및 언로드와 성막이라고 하는, 모두 시간을 요하는 처리를 동시에 병행으로 실행함으로써, 처리 속도가 더욱 크고, 면적 생산성이 더욱 높은 성막 장치 및 방법을 실현할 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 성막 장치는, 실시형태 1에서 설명한 성막 장치에 비하면 처리 속도는 작지만 소형·소규모이며, 실시형태 1에서 설명한 성막 장치의 상세 설계를 행하기 위한 예비 실험을 행하는 장치로서도 유용하다. 또한, 처리 속도를 더욱 크게, 면적 생산성이 더욱 높은 성막 장치 및 방법을 실현하기 위해서, 예를 들면, 서셉터 홀더(17)를 x축 또는 y축 방향으로 복수 수평으로 나열하거나 해서, 반응실(54) 내에 배치하는 기판 재치면을 4개, 6개, 8개 등으로 늘리는 것도 가능하다.
기판 교환을 실시한 후, 서셉터 홀더(17)를 연속적으로 왕복 운동시키는 경우를 예시했지만, 각 가스 분출공(19)이 각 서셉터(8)의 상면(15)의 바로 위에 위치하는 타이밍에서, 가스 흐름이 흐트러져 버린다. 그래서, 운동과 정지를 반복하여 간헐적으로 프로세스를 실시해도 된다. 이 경우, 퍼지 가스에 의한 프리커서 및 산화제의 치환을 보다 확실하게 행할 수 있다는 이점이 있다. 혹은, 간헐적으로 프로세스를 실시할 경우, 운동 중에는 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33) 및 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)로부터도 퍼지 가스를 공급하거나, 각 가스 분출공(19)으로부터 공급하는 가스 유량을 감소시키거나 또는 각 가스 분출공(19)으로부터 공급하는 가스 유량을 정지하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 퍼지 가스에 의한 프리커서 및 산화제의 혼합을 효과적으로 회피할 수 있고, 또한 치환을 보다 더 확실하게 행할 수 있다는 이점이 있다. 또는, 연속적으로 운동시키거나 간헐적으로 운동과 정지를 반복하는지에 관계없이, 각 가스 분출공(19)이 각 서셉터(8)의 상면(15) 바로 위에 위치하는 타이밍에서, 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33) 및 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)로부터도 퍼지 가스를 공급하거나, 각 가스 분출공(19)으로부터 공급하는 가스 유량을 감소시키거나, 또는 각 가스 분출공(19)으로부터 공급하는 가스 유량을 정지하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 퍼지 가스에 의한 프리커서 및 산화제의 혼합을 효과적으로 회피할 수 있고, 또한 치환을 보다 더 확실하게 행할 수 있다는 이점이 있다. 혹은, 서셉터 홀더(17)가 프리커서 처리 위치에 있을 때만, 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33)로부터 프리커서를 포함하는 가스를 공급하고, 그 이외의 경우에는 프리커서를 포함하는 가스 공급 매니폴드(33)로부터 퍼지 가스를 공급하고, 서셉터 홀더(17)가 산화 처리 위치(60)에 있을 때만, 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)로부터 산화제를 포함하는 가스를 공급하고, 그 이외의 경우에는 산화제를 포함하는 가스 공급 매니폴드(34)로부터 퍼지 가스를 공급하도록 해도 된다. 이 경우, 프리커서 및 산화제의 혼합을 효과적으로 회피할 수 있고, 또한 치환을 보다 더 확실하게 행할 수 있다는 이점이 있다.
(실시형태 6)
이하에, 본 발명의 실시형태 6에 대해서, 도 18을 참조하여 설명한다.
도 18은 본 발명의 실시형태 6에 있어서의 가스 노즐의 구성을 나타내는 사시도이며, 도 15의 샤워 플레이트(18)에 상당한다. 또한, 가스 분출공(19)의 형상을 알기 쉽게 하기 위해서, 가장 좌측의 가스 분출공(19) 이외에는 샤워 플레이트(18)의 상면측의 개구 형상만을 도시하고 있다.
실시형태 1~5에 있어서는, 샤워 플레이트(18)에 형성된 가스 분출공(19)은 원형이며, 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 높은 밀도로 형성되어 있었지만, 본 실시형태에 있어서는, 가스 분출공(19)을 직사각형으로 하고, 그 y축 방향의 폭을, 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 넓어지도록 구성함으로써 스폿 페이싱부(10)의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 관통 면적이 큰 관통공으로 하고 있다. 그 밖에도 다양한 변형을 생각할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
(실시형태 7)
이하에, 본 발명의 실시형태 7에 대해서, 도 19~21을 참조하여 설명한다.
도 19는 본 발명의 실시형태 7에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 평면도이며, 후술하는 천판(104)보다도 하방을 위에서 본 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시형태 7에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반응실의 중심을 포함하는 xz 평면에 평행한 면으로 절단했을 때의, 반응실의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 실시형태 7에 있어서의 가스 노즐의 구성을 나타내는 분해 사시도이다.
또한, 본 실시형태의 기본적인 동작은 실시형태 1과 동일하다. 또한, 박판으로 이루어지는 서셉터(8)를 사용하고 있다.
도 19~도 21에 있어서, 반응실(3)은 전체적으로 팔각 기둥을 이루지만, 내벽은 당해 원통 형상이다. 반응실(3) 내부의 도넛 형상의 오목 공간에 복수의 서셉터(8)가 서셉터 홀더(17) 위에, 수평 방향으로 방사상으로 나란히 배치되어 있다. 각 가스 공급 노즐은 둘레 방향으로, 퍼지 가스 공급 노즐(105), 프리커서를 포함하는 가스 공급 노즐(106), 퍼지 가스 공급 노즐(105), 산화제를 포함하는 가스 공급 노즐(107), 퍼지 가스 공급 노즐(105)의 순서로, 반응실(3)의 측면에 설치되고, 각각 2개의 서셉터(8) 사이의 V홈 형상의 공간(26)에 가스를 분출한다. 반응실(3)의 상부에는, 오링(20)을 통해 뚜껑(21)이 배치되어 기밀성이 확보된다. 즉, 진공 상태에서 성막 처리를 실행할 수 있다. 반응실(3) 내에 공급된 가스는, 2개의 서셉터(8) 사이의 V홈 형상의 공간(26)으로부터 슬릿(46)(서셉터(8)와 함께 회전하는, 2개의 서셉터(8) 사이의 공간을 배기하는 회전 배기구)을 지나, 도시하지 않은 배기구로부터 배기된다.
반응실(3)의 측면, 서셉터(8)의 측방에, 기판(16) 교환을 위한 게이트 개구(29)가 설치되어 있다. 또한, 반응실(3)의 하부에 서셉터 홀더(17)의 중심에 접속된 회전축(30)이 설치되고, 서셉터 홀더(17) 전체가 모든 서셉터(8)와 함께 도넛형상의 공간 내에서 도넛 형상의 둘레 방향으로 회전한다.
각 가스 공급 노즐은 동일한 구조이며, 캡(108) 및 링(109)으로 이루어지는, 한 종류의 가스를 분출하는 노즐이다. 즉, 링(109)은 전체적으로 z방향(연직 방향)으로 긴 고리 형상을 이루는 띠 형상부(110) 및 전체적으로 z방향으로 긴 고리 형상을 이루고, 띠 형상부(110)와 일체이며, 띠 형상부(110)의 내벽면과 유사한 형태(본 실시형태에 있어서는 동일 형상)의 내벽면을 구비한 차양부(111)를 구비한다.
또한, 캡(108)은 링(109)의 띠 형상부(110)에 삽입된, 띠 형상부(110)의 내벽면과 유사한 형태(본 실시형태에 있어서는 동일 형상)의 외벽면을 구비한 판부(112) 및 판부(112)와 일체이며, 링(109)의 차양부(111)에 중첩되어 배치된 판부 일체 차양부(113)를 구비한다. 캡(108)의 판부(112)는, 링(108)의 띠 형상부(110) 및 차양부(111)의 내부로 이루어지는 긴 구멍(113)에 삽입되어 관통하고, 그 선단부는 반응실(3) 내에 노출되어 있다. 판부(112)의 x방향의 길이는 띠 형상부(110)의 x방향의 길이 및 차양부(111)의 x방향의 길이를 더한 것보다 약간 길기 때문에, 반응실(3) 내에 있어서 판부(112)의 선단부는 띠 형상부(110)의 선단부보다 약간 중심 방향으로 튀어나와 있다.
매스 플로우 컨트롤러나 밸브 등에 의해 구성되는, 제 1 가스 공급부(84)로부터 공급되는 제 1 가스는, 차양부(111)의 외벽면으로부터 차양부(111)의 내벽면에 관통하는 도입공(114) 및 띠 형상부(110)의 내벽면 및 판부(112)의 외벽면 사이의 간극을 지나, 차양부(111)와는 반대측에서 흘러나오도록 구성되어 있다. 즉, 마주보는 2개의 스폿 페이싱부(10) 사이의 V홈 형상의 공간(26)에, 반응실(3)의 중심 방향을 향하여 가스가 분출된다.
본 실시형태에 있어서는, 캡(108) 및 링(109)을 구성하는 각 부위가 상방일수록 y방향의 폭이 넓어지도록 구성되어 있다. 이는 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지는 것에 대응한다. 반경 방향에 대해서는, 기판 재치면 사이의 거리는 반응실(3)의 중심에서 멀어질수록 넓어지고 있다. 즉, 가스는 기판 재치면 사이의 거리가 넓은 쪽에서 좁은 쪽을 향해 흐르는 구성이다.
프리커서를 포함하는 가스 공급 노즐(106)의 대면에 플라즈마 발생 장치로서의 유도 결합 플라즈마 유닛(116)이 설치되어 있다. 유도 결합 플라즈마 유닛(116)은 석영 유리창(117)과 코일(118)로 이루어지고, 코일(118)에 고주파 전력을 공급함으로써 개구부(119)에 플라즈마를 발생시킨다. 또한, 코일(118)은 실드(120)에 의해 둘러싸여 전자(電磁) 노이즈의 발생이 억제된다. 개구부(119)에도 산화제를 포함하는 가스를 공급하는 구성으로 해도 된다.
또한, 각 서셉터(8)는 박판에 의해 구성되고, 서셉터(8)보다 하방에 배치된 램프(98)에 의해 그 이면이 가열된다. 램프(98)는, 반응실(3)의 반경 방향으로 길게 방사상으로 배치된 곧은 관이며, 램프(98)의 하방에 반사판(99)이 설치되어 있다. 램프(98)에서 나온 적외광을 포함하는 광은, 반사판(99)에서 반사된 광과 함께, 석영 유리창(100)을 통해 반응실(3) 내로 도입되고, 서셉터 홀더(17)에 설치된 개구부(115)를 통하여 서셉터(8)의 이면을 조사한다.
뚜껑(21) 바로 아래, 서셉터(8)의 상방에는 서셉터 홀더(17)와 일체의 천판(104)이 설치되어 있다. 천판(104)은 서셉터(8) 및 서셉터 홀더(17)와 함께 회전한다. 따라서, 서셉터(8)의 최상부와 천판(104)의 하면의 거리를 매우 작게 한 경우여도, 경년 변화 등에 의해 회전 정밀도가 저하되었을 때에 서셉터(8)의 최상부와 천판(104)이 접촉할 우려는 매우 적다. 혹은 서셉터(8)의 최상부와 천판(104)의 하면이 항상 접촉하는 설계로 할 수도 있다. 이에 따라, 반응실(3)의 중심 부근을 통하여 종류가 다른 가스가 서로 혼합되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
(실시형태 8)
이하에, 본 발명의 실시형태 8에 대해서, 도 22를 참조하여 설명한다.
도 22는, 본 발명의 실시형태 8에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 나란히 배치된 복수의 서셉터(8) 위의 복수의 스폿 페이싱부(10)의 중심을 지나고, 수평면에 수직인 원통면으로 절단했을 때의 반응실의 구성을 나타내는 단면도를 전개한 것의 일부이며, 도 7에 상당한다. 단, 실시형태 7과 마찬가지로, 박판으로 이루어지는 서셉터(8)를 램프(98)에 의해 가열하는 방식이다.
도 22에 있어서, 서셉터(8)는, 경사면(9)에 설치된 기판 재치면으로서의 스폿 페이싱부(10) 및 수평면 양쪽에 수직인 평면으로 절단한 단면이, 수평면에 평행한 변을 저변으로 하는 직각 삼각형에 근사하는 형상이다. 즉, 서셉터(8)는, 상방일수록 거리가 좁아지도록 마주보고 있는 2개의 평판으로 이루어지지만, 기판 재치면을 설치하지 않은 쪽의 평판은 연직면이며, 하나의 서셉터(8)에 기판(16)을 1개만 재치하는 구성이다.
이러한 구성에서는, 실시형태 7에 대하여, 하나의 반응실(3) 내에서 동시에 처리하는 기판수를 동일하게 하기 위해서는, 서셉터(8)의 수를 2배로 할 필요가 있지만, 기판(16)을 재치하거나 기판(16)을 취출하기 위한 로봇 암의 움직임이 단순해지기 때문에, 반송계를 포함한 장치 전체 구성이 단순화된다는 이점이 있다. 또한, 인접하는 서셉터(8)의 거리를 좁게 하는 것이 가능해지기 때문에, 설계의 연구에 따라서는 반응실(3)의 지름을, 실시형태 7에 있어서의 반응실(3)의 지름보다 작게 하는 것도 가능하며, 높은 면적 생산성을 실현할 수 있을 가능성이 있다.
(실시형태 9)
이하에, 본 발명의 실시형태 9에 대해서, 도 23 및 도 24를 참조하여 설명한다.
도 23은 본 발명의 실시형태 9에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 평면도이며, 천판(104)보다 하방을 위에서 본 도면이고, 도 19에 상당한다.
도 24는 본 발명의 실시형태 9에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반응실을, 도 23의 점선을 포함하는 연직면으로 절단했을 때의, 반응실의 구성을 나타내는 단면도이며, 도 20에 상당한다.
또한, 본 실시형태의 기본적인 동작은 실시형태 7과 동일하다. 또한, 실시형태 8에서 나타낸 것과 동일한, 박판으로 이루어지는 각 서셉터(8)에 기판(16)을 1개만 재치하는 구성이다.
도 23 및 도 24에 있어서, 반응실(3)은 전체적으로 십각 기둥을 이루지만, 내벽은 당해 원통 형상이다. 반응실(3) 내부의 도넛 형상의 오목 공간에 복수의 서셉터(8)가 서셉터 홀더(17) 위에, 수평 방향으로 방사상으로 나란히 배치되어 있다. 각 가스 공급 노즐은 둘레 방향으로 프리커서를 포함하는 가스 공급 노즐(106), 퍼지 가스 공급 노즐(105), 퍼지 가스 공급 노즐(105), 산화제를 포함하는 가스 공급 노즐(107), 산화제를 포함하는 가스 공급 노즐(107), 산화제를 포함 하는 가스 공급 노즐(107), 산화제를 포함하는 가스 공급 노즐(107), 산화제를 포함하는 가스 공급 노즐(107), 퍼지 가스 공급 노즐(105)의 순서로, 반응실(3)의 측면에 설치되고, 각각 2개의 서셉터(8) 사이의 V홈 형상의 공간(26)에 가스를 분출한다. 반응실(3)의 상부에는, 오링(20)을 통해 뚜껑(21)이 배치되어 기밀성이 확보된다. 즉, 진공 상태에서 성막 처리를 실행할 수 있다.
서셉터 홀더(17)의 중심의 원통부로부터 외측을 향하여, 서셉터 홀더(17)의 중심의 원통부와 각 서셉터(8) 사이에, 서셉터 홀더(17)와 일체의 벽(122)이 방사상으로 다수 설치되어 있다. 서셉터 홀더(17)에 있어서, 각 벽(122)의 근원부 근방에 배기 구멍(123)(서셉터(8)와 함께 회전하는 2개의 서셉터(8) 사이의 공간을 배기하는 회전 배기구)이 다수 형성되어 있다. 따라서, 반응실(3) 내에 공급된 가스는, 2개의 서셉터(8) 사이의 V홈 형상의 공간(26)으로부터, 2개의 벽(122) 사이의 공간을 지나고, 또한 배기 구멍(123)을 지나 배기구(27)로부터 배기된다.
서셉터 홀더(17)의 지름은, 반응실(3)의 내벽면의 지름보다 크고, 그 최외부(124)가, 반응실(3)의 내벽면에 전체 둘레에 걸쳐 형성된 홈(125)에 끼워 맞춰져 있다. 이러한 구조로 함으로써, 가스가 서셉터 홀더(17)의 외주부와 반응실(3)의 내벽면의 간극으로부터 배기되는 비율을 매우 작게 할 수 있다. 즉, 대부분의 가스는, 2개의 서셉터(8) 사이의 V홈 형상의 공간(26)으로부터, 2개의 벽(122) 사이의 공간을 지나고, 또한 배기 구멍(123)을 지나 배기구(27)로부터 배기된다.
(실시형태 10)
이하에, 본 발명의 실시형태 10에 대해서, 도 25를 참조하여 설명한다.
도 25는 본 발명의 실시형태 10에 있어서의 성막 장치의 구성을 나타내는 것으로, 반응실을, 도 23의 점선을 포함하는 연직면으로 절단했을 때의, 반응실의 구성을 나타내는 단면도이며, 도 24에 상당한다.
도 25에 있어서, 천판(104)의 지름은, 반응실(3)의 내벽면의 지름보다 크고, 그 최외부(126)가, 반응실(3)의 내벽면에 전체 둘레에 걸쳐 형성된 홈(127)에 끼워 맞춰져 있다. 또한, 천판(104)과 반응실의 천장면(뚜껑(21)의 하면) 사이에 퍼지 가스 또는 불활성 가스를 공급하기 위한 가스 도입공(128)이 형성되어 있다. 이러한 구조로 함으로써, 가스가 서셉터 홀더(17)의 외주부와 반응실(3)의 내벽면의 간극으로부터 돌아 들어가, 복수의 V홈 형상의 공간(26)에서 가스가 혼합되는 비율을 매우 작게 할 수 있다. 즉, 반응실(3)의 상부를 통해 종류가 다른 가스가 서로 혼합되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
이상 기술한 성막 장치 및 방법은, 본 발명의 적용 범위 중 전형적인 예를 예시한 것에 지나지 않고, 본 발명은 상술한 것 이외에도 다양한 범위에 대해서 적용이 가능하다.
예를 들면, ALD에 의한 성막 방법을 실시하는 경우를 예시했지만, CVD나 에피택셜 성장에 의한 성막을 실시해도 된다. V홈 형상의 공간(26)에 있어서의 가스 유속은, 그 하방일수록 빨라지기 때문에, 하류에 있어서의 프로세스 가스의 고갈이 완화되어, 스폿 페이싱부(10)의 상측과 하측의 성막 속도의 차가 작아진다. 이 효과는 특히 에피택셜 성장에 있어서 현저하다.
또한, 기판 재치면을 서셉터(8)에 형성한 스폿 페이싱부(10)로 하는 경우에 대해서 예시했지만, 기판 재치면의 주변의 몇 개소에 핀을 세워 기판이 낙하되지 않도록 한 것에 의해, 기판 재치면을 규정해도 된다.
또한, 서셉터(8)를 도넛 형상의 둘레 방향으로 회전시키는 구성에 있어서, 산화제를 포함하는 가스 공급관(25)으로부터의 가스가 분출되는 부채꼴 부분에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치를 구비하는 경우 및 반응실의 측면에 설치된 개구부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치를 구비하는 경우를 예시했지만, 다른 실시형태에 있어서, 반응실 내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치를 구비해도 된다. 이 경우에 있어서도, 산화제를 포함하는 가스를 플라즈마화함으로써, 프로세스의 저온화나 막의 치밀화를 도모할 수 있다.
또한, 플라즈마 발생 장치로서, 전극(42)에 고주파 전력을 공급함으로써 샤워 플레이트(18)와 서셉터(8) 사이의 공간에 플라즈마(45)를 발생시키는 경우, 코일(118)에 고주파 전력을 공급함으로써 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 경우를 예시했지만, 플라즈마의 발생 방법으로서, 펄스 전력을 이용하는 방법, 마이크로파를 이용하는 방법 등, 여러 가지 방법을 적용해도 된다. 또한, 플라즈마 발생 장치는 기판 재치면보다 가스 흐름에 있어서의 상류에 설치하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 이온이나 라디칼 등의 활성 입자를 효율적으로 이용할 수 있다.
본 발명의 여러 가지 구성에 의해 다양한 성막 처리가 가능해진다. 예를 들면, 반도체, 플랫 패널 디스플레이, 태양 전지, 발광 다이오드 등의 전자 디바이스 제조에의 적용이 효과적이다. 특히 반도체 집적 회로 제조에 있어서의 더블 패터닝 공정이나, High-k/Metal 게이트 형성, TiN이나 Ru 등을 이용한 DRAM 커패시터 상하 전극 형성, SiN을 이용한 게이트 전극 사이드월 형성, 콘택트 및 스루홀에 있어서의 배리어 시드 형성, NAND 플래시 메모리의 High-k 절연막이나 차지 트랩막 형성 등, 많은 공정에서 이용 가능하다. 또한, 플랫 패널 디스플레이, LED, 태양 전지에 있어서도, ITO막 형성이나 패시베이션막 형성에 있어서 이용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은, 다양한 전자 디바이스의 제조에 이용 가능하고, 반도체, 플랫 패널 디스플레이, 태양 전지, 발광 다이오드 등의 전자 디바이스 제조에의 적용이 효과적이다. 특히 반도체 집적 회로 제조에 있어서의 더블 패터닝 공정이나, High-k/Metal 게이트 형성, TiN이나 Ru 등을 이용한 DRAM 커패시터 상하 전극 형성, SiN을 이용한 게이트 전극 사이드월 형성, 콘택트 및 스루홀에 있어서의 배리어 시드 형성, NAND 플래시 메모리의 High-k 절연막이나 차지 트랩막 형성 등의 많은 공정에서 이용 가능하다. 또한, 플랫 패널 디스플레이, LED, 태양 전지에 있어서도, ITO막 형성이나 패시베이션막 형성에 있어서 유용한 발명이다.
3: 반응실
8: 서셉터
9: 경사면
10: 스폿 페이싱부
11: 단면
15: 서셉터의 상면
17: 서셉터 홀더
18: 샤워 플레이트
19: 가스 분출공
20: 오링
21: 뚜껑
22: 퍼지 가스 공급관
23: 프리커서를 포함하는 가스 공급관
24: 퍼지 가스 공급관
25: 산화제를 포함하는 가스 공급관
29: 게이트 개구

Claims (13)

  1. 반응실을 구비하고,
    상기 반응실 내에,
    연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면과,
    상기 기판 재치면을 구비한 서셉터,
    를 구비한 성막 장치로서,
    상기 복수의 기판 재치면 중 2개의 기판 재치면이, 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고 있고,
    상기 반응실 내에, 마주보는 상기 2개의 기판 재치면 사이에, 하방을 향해 가스를 분출하는 가스 노즐을 구비하고,
    상기 가스 노즐이, 상기 기판 재치면의 주변을 향하는 부분보다 중심을 향하는 부분이 관통 면적이 큰 관통공을 구비하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  2. 반응실을 구비하고,
    상기 반응실 내에,
    연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면과,
    상기 기판 재치면을 구비한 서셉터,
    를 구비하고,
    상기 복수의 기판 재치면 중 2개의 기판 재치면이, 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고 있고,
    상기 반응실 내에, 마주보는 상기 2개의 기판 재치면 사이에 하방을 향해 가스를 분출하는 가스 노즐을 구비하고,
    상기 서셉터를 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구를 구비하고,
    상기 가스 노즐이 상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수의 가스 노즐군으로 분할되고,
    상기 가스 노즐군마다 다른 종류의 가스가 분출 가능한 구성으로 되어 있고,
    상기 서셉터를 복수 구비하고,
    복수의 상기 서셉터가 나란히 배치되고,
    상기 이동 기구가, 복수의 상기 서셉터가 배치되어 있는 방향으로 상기 서셉터를 이동시키는 성막 장치로서,
    복수의 상기 서셉터가 상기 반응실 내의 직육면체 형상의 공간에 배치되고,
    복수의 상기 서셉터를 상기 직육면체 공간 내에서 직선 운동시키는 슬라이드 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  3. 반응실을 구비하고,
    상기 반응실 내에,
    연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면과,
    상기 기판 재치면을 구비한 서셉터,
    를 구비하고,
    상기 복수의 기판 재치면 중 2개의 기판 재치면이, 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고 있고,
    상기 서셉터를, 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구를 구비하고,
    상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수의 군으로 분할된 가스 노즐군으로부터,
    상기 가스 노즐군마다 다른 종류의 가스를 분출시키는 성막 장치로서,
    상기 가스 노즐군은 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 리액턴트를 포함하는 가스 중 어느 하나를 분출시키도록 구성되고,
    상기 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군과, 상기 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군 사이에, 상기 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐군이 배치되는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  4. 반응실 내에 설치된, 연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면에, 상기 반응실 밖에서부터 기판을 이동시켜 재치하는 스텝과,
    상기 반응실 내에 가스를 공급하면서 상기 반응실로부터 가스를 배기하는 스텝과,
    상기 기판 재치면으로부터 상기 기판을 상기 반응실 밖으로 이동시켜 취출하는 스텝,
    을 포함하고,
    상기 복수의 기판 재치면 중 2개의 기판 재치면이, 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고 있고,
    상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구에 의해, 상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키면서,
    상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수의 군으로 분할된 가스 노즐군으로부터,
    상기 가스 노즐군마다 다른 종류의 가스를 분출시키는 성막 방법으로서,
    상기 복수의 기판 재치면이 상기 반응실 내의 직육면체 형상의 공간에 배치되고,
    상기 복수의 기판 재치면을 상기 직육면체 공간 내에서 직선 운동시키는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  5. 반응실 내에 설치된, 연직면에 대하여 기울어진 복수의 기판 재치면에 상기 반응실 밖에서부터 기판을 이동시켜 재치하는 스텝과,
    상기 반응실 내에 가스를 공급하면서 상기 반응실로부터 가스를 배기하는 스텝과,
    상기 기판 재치면으로부터 상기 기판을 상기 반응실 밖으로 이동시켜 취출하는 스텝,
    을 포함하고,
    상기 복수의 기판 재치면 중 2개의 기판 재치면이, 상방일수록 기판 재치면 사이의 거리가 넓어지도록 마주보고 있고,
    상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구에 의해, 상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키면서,
    상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수의 군으로 분할된 가스 노즐군으로부터,
    상기 가스 노즐군마다 다른 종류의 가스를 분출시키는 성막 방법으로서,
    상기 가스 노즐군은, 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 리액턴트를 포함하는 가스 중 어느 하나를 분출시키도록 구성되고,
    상기 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군과, 상기 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐군 사이에 상기 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐군이 배치되는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  6. 반응실을 구비하고,
    상기 반응실 내에 연직면에 대하여 기울어진 기판 재치면을 갖는 서셉터를 복수 구비하고,
    상기 복수의 서셉터는 수평 방향으로 나열되어 있고,
    상기 복수의 서셉터 중 2개의 서셉터가, 상방일수록 서셉터 사이의 거리가 넓어지도록 배치되어 있고,
    상기 서셉터를 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구를 구비하고,
    상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수 배치된 가스 노즐로부터,
    상기 가스 노즐마다 다른 종류의 가스를 분출시키는 성막 장치로서,
    상기 가스 노즐은, 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 리액턴트를 포함하는 가스 중 어느 하나를 분출시키도록 구성되고,
    상기 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐과, 상기 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐 사이에 상기 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐이 배치되는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  7. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서, 복수의 상기 서셉터가 상기 반응실 내의 도넛 형상의 공간에 방사상으로 배치되고,
    복수의 상기 서셉터를, 상기 도넛 형상의 공간 내에서 도넛 형상의 둘레 방향으로 회전시키는 회전 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 복수의 상기 서셉터가 서셉터 홀더 위에 배치되고,
    상기 서셉터 홀더의 지름이 상기 반응실의 내벽면의 지름보다 크고,
    상기 서셉터 홀더의 최외부가 상기 반응실의 내벽면에 전체 둘레에 걸쳐 형성된 홈에 끼워 맞춰져 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 복수의 상기 서셉터가 서셉터 홀더 위에 배치되고,
    복수의 상기 서셉터의 상방에, 상기 서셉터 홀더와 일체의 천판이 설치되고,
    상기 천판이 상기 서셉터 및 상기 서셉터 홀더와 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 천판의 지름이 상기 반응실의 내벽면의 지름보다 크고,
    상기 천판의 최외부가 상기 반응실의 내벽면에 전체 둘레에 걸쳐 형성된 홈에 끼워 맞춰지고,
    상기 천판과 상기 반응실의 천장면 사이에 퍼지 가스 또는 불활성 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 서셉터와 함께 회전하는, 2개의 상기 서셉터 사이의 공간을 배기하는 회전 배기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  12. 반응실 내에 설치된, 연직면에 대하여 기울어진 기판 재치면을 구비한 복수의 서셉터 위의 상기 기판 재치면에 상기 반응실 밖에서부터 기판을 이동시켜 재치하는 스텝과,
    상기 반응실 내에 가스를 공급하면서 상기 반응실로부터 가스를 배기하는 스텝과,
    상기 기판 재치면으로부터 상기 기판을 상기 반응실 밖으로 이동시켜 취출하는 스텝,
    을 포함하고,
    상기 복수의 서셉터는 수평 방향으로 나열되어 있고,
    상기 복수의 서셉터 중 2개의 서셉터가, 상방일수록 서셉터 사이의 거리가 넓어지도록 배치되어 있고,
    상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키는 이동 기구에 의해, 상기 기판 재치면을 상기 반응실 내에서 수평 방향으로 이동시키면서,
    상기 이동 기구의 이동 방향으로 복수 배치된 가스 노즐로부터,
    상기 가스 노즐마다 다른 종류의 가스를 분출시키는 성막 방법으로서,
    상기 가스 노즐은, 프리커서를 포함하는 가스, 퍼지 가스, 리액턴트를 포함하는 가스 중 어느 하나를 분출시키도록 구성되고,
    상기 프리커서를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐과, 상기 리액턴트를 포함하는 가스를 분출시키는 가스 노즐 사이에, 상기 퍼지 가스를 분출시키는 가스 노즐이 배치되는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
  13. 제 4 항, 제 5 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 복수의 기판 재치면이 상기 반응실 내의 도넛 형상의 공간에 방사상으로 배치되고,
    상기 복수의 기판 재치면을 상기 도넛 형상의 공간 내에서 도넛 형상의 둘레 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
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