专利名称：气体喷头、成膜装置及成膜方法
技术领域：
本发明涉及对半导体晶片等基板供给气体的气体喷头、使用该气体喷头，在上述基板表面上进行成膜的成膜装置和成膜方法。
背景技术：
在半导体装置的一个制造过程中，有利用CVD(Chemical vapordeposition)处理，在被处理体上进行成膜的过程。进行这种成膜过程的装置中的一种，为单片式的成膜装置。这种成膜装置具有处理容器和气体喷头。该处理容器具有用来载置半导体晶片(以下简称晶片)的放置台；该气体喷头则与该放置台相对设置，向着晶片表面供给成膜气体。在该喷头内形成气体流路，可将多种成膜气体均匀地供给晶片表面，这些气体互相不混合，而且在横方向扩散。另外，喷头是将金属板(金属制的扩散板)堆积成三层构成的。这些金属板用螺钉互相固定，并安装在处理容器中。从上面供给的成膜气体，沿着贯通三层金属板内的流路，向下方流动，通过在下端面上形成的多个孔，均匀地供给整个晶片的表面。多种成膜气体同时供给至气体喷头。例如，为了形成氮化钛(TiN)膜，将TiCl4气体和NH3气体互相不混合地通过气体喷头内，供给至处理容器内。
然而，上述供给多种成膜气体用的气体喷头中存在以下的问题。
如图7所示，在由紧固螺钉固定的各层金属板的接触面(接合面)P2上，具有用机械研磨不能去除的微小的凹凸。因此，即使拧紧螺钉也不能完全紧密贴合，如图8所示，会产生数微米的微小的间隙。这样，TiCl4气体和NH3气体，通过该间隙混合，在这种情况下，在气体喷头内产生不希望的生成物。
即由于热能作用，使两种成膜气体起反应，通常在从背面加热的晶片表面附近起反应，但由于气体喷头和晶片接近，晶片放射的热，使气体喷头加热，这样，两种成膜气体的一部分在气体喷头内起反应。这样生成的反应物可能成为颗粒产生的原因。
另一方面，还有在扩散板接合时，通过在该扩散板的接合面上涂敷焊料而防止上述间隙产生的方法。但是，当采用这种方法时，在扩散板内的流路附近部位上，焊料和成膜气体起反应，其反应生成物也可能成为颗粒。具体地说，在上述结构的装置中，例如，在使用Ag、Cu、Zn等气体喷头构成基本材料以外的焊料的情况下，成膜气体中的Cl和F等，与焊料起反应，可能会生成反应生成物。另外，当使用焊料时，分解各扩散板困难。因此，在进行清洗作业时，不方便。
发明内容
本发明是基于上述问题而提出的，其目的是要提供一种在将多种金属构件重合构成，可将多种成膜气体供给基板的气体喷头中，可防止因存在着各个金属构件的接触面之间产生的间隙而使不同种类的成膜气体混合的技术。本发明的另一个目的是将上述气体喷头用在成膜装置中，抑制颗粒的产生。
本发明的一种气体喷头，它与基板的表面相对地设置，同时，在与上述基板相对的表面上设置多个孔，通过这些孔将从气体供给通路送出的多种成膜气体同时供给上述基板，该气体喷头具有喷头本体和多个气体流路，该喷头本体有多个金属构件，通过在将该多个金属构件上下重合的状态下，在给定的温度条件下加热，各金属构件的接触面彼此局部地金属扩散接合，该多个气体流路横切贯通上述喷头本体内的上述接触面，而且按照每种成膜气体均不混合的方式独立地形成；其特征为，上述温度条件是通过之后的再加热，局部地金属扩散接合的部分可分离的温度条件。
根据本发明，由于通过加热，可以局部地使构成气体喷头的金属构件的接触面化学结合，在该接合面上，可显著减小以机械结合不能完全消除的微小的凹凸形成的微小间隙。因此，可以抑制各个气体流路的气体泄露，同时，可以防止在气体喷头内不同的成膜气体彼此混合，产生不希望的反应生成物。
例如，多个金属构件由镍或镍合金制成。特别是，多个金属构件优选由镍制成。
本发明的成膜装置，其特征为，它具备具有用于放置基板的载置台的处理容器，用于加热放置在上述载置台上的基板的加热部，和设在上述处理容器中的、具有上述特征的气体喷头。
另外，本发明的成膜方法，它可从与该基板相对的气体喷头，将成膜气体供给载置在处理容器内的载置台上的基板，进行成膜处理；该方法具有气体喷头的装配工序和处理工序；该气体喷头装配工序可在将构成气体喷头的多个金属构件重合的状态下，在给定温度条件下，加热金属构件，使各金属构件的接触面彼此局部地金属扩散接合；该处理工序可通过上述气体喷头，按照在该喷头内不混合的方式将多种成膜气体供给基板；其特征为，上述温度条件是通过之后的再加热，局部地金属扩散接合的部分可分离的温度条件。
上述装配工序优选包含使多个金属构件重合，以给定的扭矩按压的按压工序；和之后将喷头安装在处理容器中的安装工序。
上述按压工序是通过螺钉固定进行的。上述给定的扭矩为15kg/cm2以下的扭矩。上述给定的扭矩，为大约30kg/cm2的扭矩。
在上述装配工序中，利用加热基板用的加热部和设在气体喷头上的加热部的至少一个对气体喷头进行加热。
上述装配工序的温度条件优选为500℃以上。特别在500℃～550℃。
在上述装配工序中，上述温度条件继续大约12小时。
优选还包含在上述处理工序后，加热气体喷头，使多个金属构件互相分离的分离工序。
在这种情况下，在上述分离工序中，利用加热基板用的加热部和设在气体喷头上的加热部中的至少一个对气体喷头进行加热。
在上述分离工序中，优选将气体喷头加热到550℃以上。
图1为表示本发明的成膜装置的一个实施方式的纵截面图；图2为表示设在上述成膜装置中的喷头本体的结构的纵截面图；图3为分解表示上述喷头本体的纵截面图；图4为表示本实施方式的作用的工序图；图5为表示为了确认本实施方式的效果而进行试验的结果的特性图；图6为表示本发明的成膜装置的另一个实施方式的喷头本体的结构的纵截面图；图7为表示现有技术的气体喷头的问题的概略说明图；图8为表示现有技术的气体喷头的问题的概略说明图。
具体实施例方式
以下，参照图1～图3来说明采用本发明的气体喷头的成膜装置的实施方式。11为构成用铝制成的处理容器的腔。在该腔11内设有圆板形的载置台12和在下面支承该载置台12的支承体13。该载置台12比放置作为基板的晶片W稍微大些。在载置台12内埋入构成由电阻加热体组成的加热部的第一加热器14。在成膜处理时，第一加热器14，在整个表面上，使晶片W均等地升温。或者，在后述的气体喷头装配和分解的各个作业时，第一加热器14将气体喷头加热至给定温度。为了这个目的，设在成膜装置外面的电力供给部15，根据各种用途，控制第一加热器14的温度。
在腔11的顶部设有气体喷头本体30，所述气体喷头本体30由气体喷头本体30、支撑该气体喷头本体30的侧面的盖30a、绝缘密封件30c和石英填料30b构成。如后所述，气体喷头本体30由三块金属板3a，3b，3c构成。金属板3a的外边缘，通过绝缘密封件30c支承在盖30a上。绝缘密封件30c为当供给高频电力时，用于使腔11和气体喷头3绝缘的构件，它可由Al2O3等构成。另外，在气体喷头本体30的外周和腔11之间设有环形的石英填料30b。这样，腔11的未利用空间被填补，可以进行良好的成膜处理。
该气体喷头3与构成气体供给通路的气体供给管21，22连接。在气体喷头3的下端面上形成多个孔33，34(参见图2和图3)。成膜气体可通过这些孔，供给放置在上述载置台12上的晶片W的表面上。另外，在气体喷头3的上表面上设有第二加热器23。第二加热器23，与上述第一加热器14同样，可由电力供给部15进行温度控制。另外，高频电源部20b，通过匹配器20a，与气体喷头3连接。这样，成膜片理时，供给晶片W的成膜气体等离子体化，可促进成膜方法。
在腔11的侧面设置晶片W搬入搬出用的闸阀16。在载置台12上设有可自由突出和缩入的升降销(实际上为3根)，可以在通过闸阀16进入的图中没有示出的搬送臂之间，进行晶片W的交接。升降销17的升降可通过支承其下端的支承构件17a，利用升降机构17b的动作来进行。另外，如图1所示，在支承体13的周围，形成排气口11a。真空泵19通过排气管18和阀V1与该排气口11a连接。
其次，参照图2和图3来说明作为本实施方式主要部分的喷头本体30。图2为表示喷头本体30的整个结构的纵截面图。如图2所示，喷头本体30是将由镍制成的作为三个金属构件的金属板3a，3b，3c上下堆积构成的。各个金属板3a，3b，3c的接触面(接合面)通过机械加工、机械研磨、化学研磨或电解研磨等加工制成。其表面粗糙度为Ra3.2～0.2左右。
图3分解表示该三层金属板3a，3b，3c。当方便地将各个金属板称为上层3a，中层3b，下层3c时，上层3a和中层3b的接合面P1，以及中层3b和下层3c的接合面P2，都利用扩散结合无间隙地接合。在上层3a和中层3b之间形成空间31；在中层3b和下层3c之间形成空间41。在中层上3b上形成从空间31向下层3c贯通的多个第一气体流路32，以及与空间31不连通，而与空间41连通的第二气体流路42。在下层3c上，形成与第一气体流路32连通的多个第一孔33，以及与空间41连通的多个第二孔43。另外，上层3a和中层3b可用螺钉34a固定(拧紧)。同样，中层3b和下层3c可用螺钉34b固定。
如上所述，气体供给管21和气体供给管22分别与上层3a的上表面连接。气体供给管21与空间31连通，气体供给管22通过第二气体流路42与空间41连通。
再参照图3来说明空间31和空间41的形状。空间31为由在中层3b的上表面上形成的圆柱形的凹部35a，和上层3a的下表面35b围成的圆柱形空间，它为在横方向连通的一体的空间。空间41为由在中层3b的下表面36a上形成的多个圆柱形凸部41b构成。即与各个凸部41的相邻的空隙(槽)在横方向连通，空间41为在中层3b的下表面36a和下层3c的上表面36b之间，在横方向连通的一体的空间。
这样，从气体供给管21送出的成膜气体，在空间31中，在横方向均匀地分散，通过第一气体流路32，流向第一孔33。另一方面，从气体供给管22送出的成膜气体，通过第二气体流路42，流入空间41，在空间41中在横方向均匀地分散，流向第二孔43。即分别在气体供给管21和22中流动的两种成膜气体，在喷头本体30内不混合，而是独立地流向晶片W，最初在处理室内混合。这种气体喷头3称为矩阵式。
其次，说明气体供给管21，22的上游。第一个成膜气体(TiCl4)供给源21a，通过阀V2与气体供给管21的上游连接。另外，第二个成膜气体(NH3)供给源22a，通过阀V3与气体供给管22的上游连接。作为各成膜成份的源气体储留在第一和第二成膜气体供给源21a，22a中。在成膜处理时，第一成膜气体供给源21a利用载体气体，使各种液体源气化，变成蒸气，再将该蒸气通过气体供给管21，送至气体喷头3。第二成膜气体供给源22a则在成膜处理时，将第二成膜气体的蒸气，通过气体供给管22，送至气体喷头3。
其次，根据图4所示的工序图来说明本发明的上述实施方式的作用。首先，在对晶片W进行膜处理之前，要装配气体喷头3。这是结合为了清洗等而分解的喷头本体30的三块金属板的作业。首先，在腔11的外部，在给定的方向和位置上将上层3a，中层3b，下层3c贴紧。另外，在上层3a和中层3b之间，用螺钉34a，在中层3b和下层3c之间用螺钉34b，在各个部位以15kg/cm2以上(优选大约为30kg/cm2)的扭矩拧紧(步骤S1)。将拧紧的气体喷头3安装在腔11内的给定位置上，从图中没有示出的氮气供给装置，以3600cc/分钟的流量，将氮气供给至腔11内，同时，调节排气流量，使压力达到1.33322×102Pa(1Torr)。在这种状态下，利用第一加热器14和第二加热器23，开始腔11内的加热。这样，在喷头本体30内的上层3a(的下表面)和中层3b(的上表面)的接合面P1，以及中层3b的下表面36a的凸部41b的表面和下层3c的上表面36b的接合面P2上，镍彼此结合，将该接合面P1，P2的微小间隙填埋起来，在最表层进行扩散结合。继续加热，直至得到即使取下螺钉34a，36b，接合面P1或接合面P2也不分离的结合力为止。这样，完成了气体喷头3的装配。具体地说，接合面P1，P2需要得到给定的结合力。例如，当接合面P2的面积(中层3b的下表面36a的凸部41b的表面的面积)在50cm2以上，优选在为70cm2以上时，在500℃以上，优选为500℃～550℃的范围内(任何一个接合面的温度)，加热12个小时。
接着，对晶片W进行成膜处理。首先，打开闸阀16，图中没有示出的搬送臂进入腔11内，将晶片W从搬送臂转移至升降销17上。然后，升降销下降，晶片W放置在载置台12的中心，开始步骤S3的成膜处理工序。在这个工序中，首先，利用第一加热器14和第二加热器23，将晶片W的表面温度升高至给定的处理温度(例如450℃～700℃)。另外，打开阀V1，通过排气口11a，从真空泵19进行排气，以维持腔11内给定的真空度。然后，打开阀V2和V3，开始向气体喷头3供给成膜气体。这时，图中没有示出的控制部分，通过图中没有示出的流量调节装置调节各个成膜气体的流量，使TiCl4气体和NH3气体，以给定的流量流向气体喷头3。
TiCl4气体和NH3气体，在气体喷头3内，不会在各流路内向着下游分别混合，而是均匀地分散，通过互相不同地配置的第一孔33和第二孔43，均匀地供给整个晶片W的表面。另外，各个成膜气体，在晶片W的表面附近，接受和分解从该晶片W放出的热能。这样，在晶片W的表面上，热能引起的化学气相反应，使TiN薄膜成形。经过给定时间后，关闭阀V2和V3，停止成膜气体的供给；另外，第一加热器14的加热也停止，进行腔11内的给定的后续工序。然后，按照与搬入时相反的顺序，将晶片W搬出。
气体喷头3，在进行给定次数的成膜处理后，将从图中没有示出的气体供给源送出的清洗气体例如ClF3供给腔11内，将腔11内成膜不需要的膜除去(清洗)(步骤S4)。
然后，为了进行内部清洗，再次将气体喷头3解体(分解)(步骤S5)。这个气体喷头3的解体工序，基本上按与步骤S1和S2中说明的安装的工序相反的顺序进行。最初，从腔11中取出气体喷头3，使螺钉34a，36b比步骤S1拧紧时松开大约1mm。当再次将气体喷头3放回腔11内加热时，接合面P1和P2的结合力减弱，构成喷头本体30的各块金属板彼此脱离。
这时的加热条件，与步骤S2大致相同，但加热温度优选与装配时相同，或稍微高一点。在与上述例子相同的喷头本体30装配时的接合加热温度为500℃的情况下，分解时优选为500℃以上，特别优选是550℃以上。在加热停止、冷却后，上层3a，中层3b和下层3c分别分离，从腔11中取出，分别将螺钉34a和螺钉34b取出，这样，解体工序完成。
这样，采用本实施方式，由于构成气体喷头3(喷头本体30)的多个金属面，通过加热以化学方式结合，因此，可以显著减小用螺钉拧紧等机械结合所不能消除的金属面(接合面)之间的间隙，即用机械研磨不能消除的金属面(接合面)的微小凹凸构成的间隙。因此，在横截各个金属板的接合面形成的成膜气体流路中，可以完全抑制上述接合面上的气体泄漏。由于这样，可以抑制在气体喷头3内不同种类的成膜气体彼此混合，同时，可以完全抑制伴随着混合而产生的反应生成物。
即利用本实施方式，可完全防止上述成膜气体的混合，根据气体喷头3的孔32(32a，32b)的配置，各个成膜气体可以高精度地均匀地供给整个晶片W的表面上。这样，提高了薄膜的面内均匀性。另外，由于抑制了在气体喷头3内生成反应生成物，消灭了产生颗粒的原因。这样，完全没有由晶片W上的颗粒造成的污染，制品的合格率提高。
另外，在本实施方式中，由于在金属面的结合中不必使用焊料或焊接等，因此，可以用与气体喷头3的装配相同的顺序，简易地将接合面分离。这样，容易进行在气体喷头3内形成的各个气体流路的清洗等维修作业。
另外，在本实施方式中，气体喷头3的装配和解体任一个工序都是在进行成膜处理的腔11内进行的，这些作业也可以在与腔11分开设置的加热炉内进行。这样，维修时间可以大大减小，装置的驱动率提高，制品的合格率也提高。构成气体喷头3的金属板，若为不与成膜气体起反应，而且可以通过加热进行金属扩散接合及分离的金属，则也可以用镍以外的金属构成。例如，利用铝及其合金，或镍、铬系金属等，也可得到同样效果。另外，只要达到同样的效果，多块金属板不需要全部都是相同种类的金属。具体地说，例如可以采用镍制的金属板和铝制的金属板组合等。气体喷头3的装配和解体加热时所使用的加热器，用第一加热器14，和第二加热器23中任何一个即可以。
另外，喷头本体30的结构不是仅限于上述实施方式的结构。例如，利用Ti膜或TiN膜等的成膜所用的图6所示的喷头本体5，也可得到与上述实施方式同样的效果。以下，来简单地说明喷头本体5的结构。喷头本体5也由多个(例如三层)金属板构成。这些金属板，从上面起按顺序称为上层5a，中层5b和下层5c。在这种情况下，各个接合面Q1，Q2利用金属扩散接合贴紧，除此以外，三层金属板，还可利用从下层3c的下表面至上层3a贯通的螺钉50固定。在上层5a和中层5b之间形成空间51，该空间51在中层5b的上表面上形成凹部。在中层5b和下层5c之间形成空间61，该空间61在中层5b的下表面上形成凹部。
在中层5b上分别形成从空间51向着下层5c连通的多个第一气体流路52；和不与空间51连通，而从空间61向着上层5a连通的第二气体流路62。在下层5c上分别形成与第一气体流路52连通的多个第1孔53，和与空间61连通的多个第2孔63。第一孔53和第2孔63彼此配置得不同。
供给第一成膜气体的气体供给管54，和供给第二成膜气体的气体供给管64，与上层5a的上表面连接。另外，在上层5a内形成连通气体供给管54和空间51的第三气体流路55；和连通气体供给管64和第二流路62的第4气体流路65。因此，第一成膜气体按照气体供给管54→第三气体流路55→空间51→第1气体流路52→第1孔53的路径，向晶片W供给；而第二成膜气体，按照气体供给管64→第4气体流路65→第二气体流路62→空间61→第2孔63的路径，向晶片W供给，它们各自在喷头本体5内不混合。
喷头本体5所用的金属，与上述实施方式相同。因此，有关加热产生的接合，分离的各个工序，也可在与上述实施方式同样的条件下进行。
实施例为了确认上述实施方式的加热条件和镍彼此的结合力的关系，采用一组镍制的试验片，进行研究二者的结合力和加热温度的关系的试验。这个试验中所用的试验片彼此之间的接触面积为25cm2。作为加热装置，使用本实施方式的成膜装置。另外，该成膜装置腔内的压力，在3600cc/分钟的流量下供给氮气时，维持在1.33322×102Pa(1Torr)，加热时间取12个小时，进行试验。
图5为表示该试验结果的特性图。如图5所示，镍的结合力，在试验片的温度在450℃以上时，急剧升高。图中点划线所示的结合力α表示当本实施方式的气体喷头3中，接合面的面积在50cm2以上，优选在70cm2以上时，接合面P1不分离的结合力。这样，扩散接合的金属面彼此以高的结合力结合，即可以确认，接合面的微小间隙大大减小。
权利要求
1.一种气体喷头，它与基板的表面相对地设置，同时，在与所述基板相对的表面上设置多个孔，通过这些孔将从气体供给通路送出的多种成膜气体同时供给所述基板，其特征为，该气体喷头具有喷头本体和多个气体流路，该喷头本体有多个金属构件，通过在将该多个金属构件上下重合的状态下，在给定的温度条件下加热，各金属构件的接触面彼此局部地金属扩散接合，该多个气体流路横切贯通所述喷头本体内的所述接触面，而且按照每种成膜气体的种类均不混合的方式独立地形成，所述温度条件是通过之后的再加热，局部地金属扩散接合的部分可分离的温度条件。
2.如权利要求1所述的气体喷头，其特征为，多个金属构件由镍或镍合金制成。
3.如权利要求2所述的气体喷头，其特征为，多个金属构件由镍制成。
4.一种成膜装置，其特征为，它具备具有用于放置基板的载置台的处理容器；用于加热放置在所述载置台上的基板的加热部；以及设置在所述处理容器中、如权利要求1～3中任一项所述的气体喷头。
5.一种成膜方法，它可从与该基板相对的气体喷头，将成膜气体供给载置在处理容器内的载置台上的基板，进行成膜处理，其特征为，该方法具有气体喷头的装配工序和处理工序，该气体喷头装配工序可在将构成气体喷头的多个金属构件重合的状态下，在给定温度条件下加热金属构件，使各金属构件的接触面彼此局部地金属扩散接合，该处理工序可通过所述气体喷头，按照在该喷头内不混合的方式将多种成膜气体供给基板，在该基板表面上进行成膜处理，所述温度条件是通过之后的再加热，局部地金属扩散接合的部分可分离的温度条件。
6.如权利要求5所述的成膜方法，其特征为，所述装配工序包括使多个金属构件重合，以给定的扭矩按压的按压工序；以及之后将气体喷头安装在处理容器中的安装工序。
7.如权利要求6所述的成膜方法，其特征为，所述按压工序是通过螺钉固定而进行的。
8.如权利要求6或7所述的成膜方法，其特征为，所述给定的扭矩为15kg/cm2以上的扭矩。
9.如权利要求8所述的成膜方法，其特征为，所述给定的扭矩，为大约30kg/cm2的扭矩。
10.如权利要求5～9中任一项所述的成膜方法，其特征为，在所述装配工序中，使用加热基板用的加热部和设在气体喷头上的加热部中的至少一个对气体喷头进行加热。
11.如权利要求5～10中任一项所述的成膜方法，其特征为，所述装配工序的温度条件为500℃以上。
12.如权利要求11所述的成膜方法，其特征为，所述装配工序的温度条件为500℃～550℃。
13.如权利要求11或12所述的成膜方法，其特征为，在所述装配工序中，所述温度条件持续大约12小时。
14.如权利要求5～13中任一项所述的成膜方法，其特征为，它还包括在所述处理工序后，加热气体喷头，使多个金属构件互相分离的分离工序。
15.如权利要求14所述的成膜方法，其特征为，在所述分离工序中，使用加热基板用的加热部和设在气体喷头上的加热部中的至少一个对气体喷头进行加热。
16.如权利要求14或15所述的成膜方法，其特征为，在所述分离工序中，将气体喷头加热到550℃以上。
全文摘要
本发明的气体喷头，它与基板的表面相对地设置，同时，在与上述基板相对的表面上设置多个孔，从气体供给通路送出的多种成膜气体可通过这些孔同时供给上述基板，该气体喷头具有喷头本体和多个气体流路，该喷头本体有多个金属构件，通过在将该多个金属构件上下重合的状态下，在给定的温度条件下加热，各个金属构件的接触面彼此可以在局部金属扩散接合，该多个气体流路横切贯通上述喷头本体内的上述接触面，而且可使每种成膜气体均不混合地独立地形成，上述温度条件是通过之后的再加热，局部地金属扩散接合的部分可分离的温度条件。
文档编号C23C16/44GK1533447SQ0380069
公开日2004年9月29日 申请日期2003年2月20日 优先权日2002年2月20日
发明者村上诚志, 花田良幸, 幸 申请人:东京毅力科创株式会社