喷头、薄膜制造装置以及制造方法

专利名称：喷头、薄膜制造装置以及制造方法
技术领域：
本发明涉及喷头、薄膜制造装置以及制造方法。
背景技术：
在以往的薄膜制造装置中，在为具有基板台升降机构的装置的情况下，由于升降机构的间隙，在真空时，基板台被拉至真空中，在大气时，调整的同心圆的排气口(排气路径)的平衡被打破。因此，为了达到向基板上的均一的膜厚分布，若膜厚分布在±3％以内，则单侧5mm以上，若±2％以内，则10mm以上的排气口是必需的(例如，参照专利文献1。)。另外，在具有该基板台升降机构的装置中，为了使基板台从基板运送位置上升到成膜位置，在成膜时，必需为在基板台下部设置很大的空间(例如13L)的构造。该下部空间是用于实现各向同性排气的空间，但由于升降机构的间隙，因为在真空时，基板台被拉至真空中，在大气时，调整的同心圆的排气口平衡被打破，所以需要所需以上的容积。
以往以来，为了在成膜槽的内壁上不引起成膜，设置有防粘板的装置也被公知。象这样的装置具有防粘板升降机构，该防粘板升降机构在成膜时，使防粘板上升，在运送基板时，使防粘板下降，但因为在成膜时，仅使成膜气体流动，所以在构成反应空间的防粘板的内侧引起成膜，成为粒子的产生源，缩短了批量生产的装置的保养循环。
在具有该防粘板的装置的情况下，成膜气体也迂回到防粘板的外侧，在成膜槽内壁上产生少许的成膜，另外，在不具有防粘板的装置的情况下，也在成膜槽内壁上直接产生成膜。若在该成膜槽内壁上产生的膜达到某一厚度，则引起膜剥落，成为粒子产生的原因。
在以往的薄膜制造装置中，在对用于将成膜气体导入成膜槽中的喷头进行温度控制的情况下，需要根据基板、原料的种类，调整喷头和基板的距离。但是，由于喷嘴作为可动部(例如，参照专利文献2)，给予了在喷头周围产生对流、湍流的不需要的空间，这成为粒子的产生源，缩短了批量生产的装置的保养循环。
另外，在这样的进行温度控制的薄膜制造装置中，一般喷头(喷淋板)的表面和基板之间的距离在40mm以下，在通过极端辐射进行对喷头表面加热的环境中，使用通过油循环冷却喷头的方法。但是，没有考虑到喷头表面的热充分散掉的构造，即，充分地进行热交换的构造，迫于需要，极端地降低循环的油温度。而且，在该情况下，即使喷头表面的温度达到最佳温度，也会使喷头表面以外的位置为低温，产生原料的析出，成为粒子产生的原因。
现状是，在进行上述温度控制的装置中，在温媒温度超过120℃的环境中，由于铝(Al)的强度开始极度下降，从安全面出发，温媒路径的材质必需是SUS。众所周知，SUS热传导率不良(热传导率相对于SUS约为16W/mK，Al约为240W/mK)，热移动迟钝。因此，在温媒路径的零件为SUS制的喷头构造、喷头表面作为板状的其他零件的情况下，为了有效地进行板的热交换，需要下述的构造，即，充分扩大板和温媒路径零件的热交换面积，而且，使温媒路径位于板接触面附近。
再有，以往的薄膜制造装置对与热源接触的基板台部件使用耐热性优异的石英或氧化铝。但是，由于氧化铝在热冲击特性上有缺点，所以由于各基板的升降，裂纹的产生或破损频度增高，另外，石英在高温的还原反应氛围中，产生O2分离，石英透失、劣化，使基板的成膜环境变化。这些也成为粒子的产生源。其结果为，存在缩短了装置的保养循环，不能进行长期稳定地成膜的问题。
再有，在以往的薄膜制造装置中，在对装置内进行通气的情况下，因为是从下部空间向上方通气，所以在通气时，引起在成膜时产生的粒子的卷起，每次通气都需要进行反应室内部的清洁。例如，如在本申请人所提出的以前的申请2003-61391号中所记载，即使在基板处理批次之间气体停止，在基板上所测定的粒子数也在增加。因此，从装置的向下吹风状态开始，需要使气体不停止地进行向下吹风的通气的系统。
上述以往的装置相对于气体流动，对于湍流、对流、热对流没有特别考虑，存在容易引起成膜中的膜剥离、产生粒子的状况。
象上述那样，在对形成于成膜槽内壁等上的膜进行清洁时，在通过等离子或化学气体等产生的反应处理中，不能有效地清除该膜的情况下，工作人员必需使用硝酸等的化学药品进行直接清除，是很危险的。或者，作为其他的清洁方法，是取下成膜槽，送至清洗厂家，因此，存在产生清洁这一大规模作业的情况。因此，可以说这样的薄膜制造装置，作为以可以安全有效地使用为前提的批量生产装置，是不实用的。
WO 03/048413 A1(19页，图8。)[专利文献2]特开平9-316644号公报(专利要求的范围，实施例)本发明的课题就是解决上述以往技术的问题点，特别是，提供一种可在生产性、批量生产性上优异的薄膜制造装置以及制造方法，该薄膜制造装置再现具有充分的热交换的构造、根据成膜条件可进行温度控制的构造的喷头、良好的膜厚分布、组成分布、成膜速率，同时，可以稳定地进行粒子数少的连续成膜。

发明内容
本发明的喷头，是从可进行真空控制的成膜槽的上部，通过喷头将成膜气体导入槽内的上部空间，在基板上成膜的薄膜制造装置的喷头，其特征在于，其构成为，喷头构造组装在成膜槽的上盖上，通过在上盖上设置热交换装置，对上盖进行温度控制，在构成喷头表面的圆盘状的喷淋板与该上盖的接触面上进行热交换，根据成膜条件，可对喷头进行温度控制。通过这样的构成，根据成膜条件，可以对喷头进行温度控制。
在上述喷淋板中，其特征在于，其构成为，喷淋板的热交换部分的面积是喷淋板的成膜气体通过部分的面积的2.4倍以上；喷淋板在大气压力下，被以每单位面积28.4kgf/cm2以上的力，推压到成膜槽上盖；喷淋板的成膜气体通过部分的厚度小于等于5mm；在喷淋板和成膜槽上盖的热交换部分中的喷淋板的厚度比喷淋板的成膜气体通过部分的厚度厚。
本发明的薄膜制造装置，是从可进行真空控制的成膜槽的上部，通过喷头将成膜气体导入槽内的上部空间，在基板上成膜的薄膜制造装置，其特征在于，其构成为，喷头构造组装在成膜槽的上盖上，通过在上盖上设置热交换装置，对上盖进行温度控制，在构成喷头表面的圆盘状的喷淋板与该上盖的接触面上进行热交换，根据成膜条件，可对喷头进行温度控制。
根据本发明，在抑制湍流·对流·热对流的装置构造，即，缩短喷头表面-基板间距离，且控制气体的流动的装置构造中，因为根据成膜条件，可以对受到大量的辐射热的喷头(喷淋板)表面的温度进行温度控制，所以抑制了成膜气体的分解·析出·成膜，减少了粒子的产生，可以长期稳定地形成膜质、膜性能稳定的薄膜。
其特征在于，上述喷淋板的热交换部分的面积是喷淋板的成膜气体通过部分的面积的2.4倍以上。若热交换部分的面积小于此，则存在增大喷淋板的温度分布的不均匀的可能。该热交换部分的面积的下限依照基板尺寸而变化。例如，为了根据基板尺寸，获得所需的冷却效果，最好是在150mm基板、200mm基板的情况下，可以为2.4倍以上，在300mm基板时，可以为4倍以上。另外，热交换部分的面积的上限虽然可以依照基板尺寸，适当地设计，但若考虑装置构成的平衡等，一般在10倍以下。
其特征在于，上述喷淋板在大气压力下，被以每单位面积28.4kgf/cm2以上的力，推压到成膜槽上盖。若低于该推压力，则喷淋板和上盖的热交换效率变差，同时若开始热循环，则对于喷淋板固定螺栓容易产生“松动”。
其特征在于，其构成为，上述喷淋板的成膜气体通过部分的厚度小于等于5mm。若超过5mm，则喷淋孔的导电性变差。
其特征在于，在上述喷淋板和成膜槽上盖的热交换部分中的喷淋板的厚度比喷淋板的成膜气体通过部分的厚度厚。这是为了提高在整个方向的热交换的效率。
其特征在于，上述成膜槽的内径比喷头表面的直径大，还有，喷头表面的直径比成膜槽内的上部空间的内径大。因为是上部空间的顶部比上盖面积小，喷头表面比上部空间顶部面积大的构成，所以是没有凹凸，不会使湍流·对流产生的最小空间构造。
其特征在于，上述成膜槽的内径与喷头表面的直径的差在20mm以内。若超过20mm，则不能获取充足的接触面积，气体的流动变得不规则。另外，该差的下限也可以考虑是因上盖的开闭动作而产生的[旷量]和外周的惰性气体出口，进行适当地设计。例如，在4mm以上也可以。
一般，在薄膜制造装置中，在消除不必要的空间，使上部空间为最小空间的不会产生湍流·对流·热对流的构造中，喷头表面-基板间距离应该最短。但是，该距离越近，喷头表面越受到来自基板的强烈的辐射热，从而使喷头表面温度上升。为了解决该问题，在本发明中，将喷头构造组装在成膜槽上盖内，且循环温媒，将上盖控制在最恰当的温度，同时，上盖是能耐高温的温媒循环的SUS制，在上盖表面上安装开有喷淋孔的Al制板(即，喷淋板)。充分确保上盖和喷淋板的热交换面积，以便散掉强烈的辐射热，通过提高热交换效率，来散掉喷淋板的热，于是，成为可以控制在目的温度范围的构造，同时是可将喷淋板切实地固定在上盖上的构造。
在该情况下，上盖的温媒流路最好重点地设置在与喷淋板的接触/固定侧上，以便有效地进行上盖和喷淋板的热交换，在喷淋板和上盖上不致产生很大的温度差。
其特征在于，具有可将上述成膜槽内的温度进行温度控制在室温～250℃的范围的装置。
其特征在于，设置与上述喷淋板和成膜槽上盖连通的贯通孔，在该孔上连结设置压力测定器。据此，可以简单地测定成膜时的槽内压力。
如上所述，根据本发明，提供了一种可在生产性·批量生产性上优异的薄膜制造装置，该薄膜制造装置再现了专利文献1所记载的良好的膜厚分布、组成分布、成膜速率，同时可以更长期稳定地进行粒子少的连续成膜。该装置作为在产业上、低粉尘、良好的再现性等所要求的批量生产装置，发挥了很大的威力。特别是，在利用热能的工序中，发挥了巨大的威力。另外，因为通过防止膜附着在成膜槽、防粘板等的侧壁上，降低了成膜粉尘，延长了保养周期，所以对减少装置的停机时间，提高生产性·批量生产性作出了很大的贡献。
本发明的薄膜制造方法，其特征在于，通过组装在可进行真空控制的成膜槽的上盖上的喷头构造，将成膜气体导入到由基板台和喷头及防粘板构成的槽的上部空间，在载置于被成膜压力控制的该上部空间内的基板上成膜，通过排气系统，将剩余的成膜气体以及副生成物气体作为排气气体，进行排气成膜；另外，通过设置在上盖上的热交换装置，对上盖进行温度控制，在构成喷头表面的圆盘状的喷淋板和上盖的接触面上进行热交换，根据成膜条件，控制喷淋板的温度，进行成膜。该成膜气体是原料气体、用于分压控制的惰性气体等的混合气体。
上述薄膜制造方法可以使用上述的任一项的本发明的装置进行。
发明的效果根据本发明的喷头、使用该喷头的薄膜制造装置以及制造方法，可达到如下的效果，即，可以再现良好的膜厚分布、组成分布、成膜速率，同时，可以更长期的稳定地进行粒子数少的连续成膜。本发明的薄膜制造装置以及制造方法在生产性、批量生产性上优异。


图1是表示薄膜制造装置的一例的构成的概略剖视图。
图2是表示图1的构成要素的配置关系的图，(A)是表示基板台、基板台罩、气体排气路径以及防粘板的配置关系的俯视图，图2(B)是其剖视图。
图3是表示一般的气体源的回路图。
图4是表示气体源的回路图。
图5是表示气体路径的回路图。
图6是表示薄膜制造装置的一例的构成的概略图，(A)是成膜槽的上方部分的剖视图，(B)是在规定的位置，切割成膜槽的上方部分的整体的俯视图，(C)是在规定的位置，切割成膜槽的上方部分的中心部的俯视图。
图7是表示排气间隙和膜厚分布的关系的图表。
图8是表示排气间隙和基板中心的成膜速率的关系的图表。
图9是表示相对于基板温度的喷淋板的中心温度的关系的图表。
图10是表示喷淋板-基板间距离和喷淋板中心温度的关系的图表。
图11是表示喷淋板的温度分布的图表。
图12是表示成膜槽上盖和喷淋板的关系的概略图，(A)是表示成膜槽上盖和喷淋板的配置的概略剖视图，(B)是其俯视图。
具体实施例方式
下面，以CVD装置为例，参照附图进行说明。本发明的薄膜制造装置是虽然包括作为化学方法的CVD装置，也包括在物理方法(例如，真空蒸镀法等)中使用的PVD装置等的薄膜制造装置，但对于作为本发明的特征的喷头，由于二者没有差别，所以以CVD装置为例，进行说明。
图1是标准地表示成膜槽的构成的剖视图，该成膜槽是薄膜制造装置的一例的主要部位。
图1所示的成膜槽1，在其上盖2上组装有喷头3，基板台4与该喷头3相对地设置在下方。下面，对于该基板台4构成为不可旋转或升降的固定式的情况进行说明，但在本发明中也可以是升降式。在该基板台4的外周侧壁上，最好安装基板台罩5。在基板台4的侧壁附近，以规定的间隔，配置防粘板6，该防粘板可自由升降地被安装，通过作为升降机构的防粘板升降杆6a，在成膜时上升，在基板运送时下降。成膜时的反应空间A是由这样的喷头3和基板台4及防粘板6构成的。由该防粘板6和基板台4构成的间隙构成同心圆的气体排气路径7。在该成膜槽1中，其构造为，惰性气体从在上盖2的外周上设置的开口部8被导入到成膜槽内，通过惰性气体的喷出口9，从气体排气路径7的上游侧沿防粘板6的内壁面向下游侧流动。据此，其构成为，将比反应空间A容积大的下部空间B直接连结设置在由防粘板6和基板台4所构成的气体排气路径7上，实现各向同性排气。成膜时的成膜槽内的压力控制，其构成为，将压力从安装在上盖2上的压力测定器10反馈到压力调整阀11，根据工序，可进行压力的选择。
另外，在成膜槽1上，通过阀12a连接有真空排气系统12，可以控制成膜槽内的压力。另外，在设置于成膜槽的上部的成膜气体导入口和喷头3之间，存在具有反应空间功能的空间，该空间为被导入气体扩张的空间。再有，虽没有图示，但在该成膜槽1上，为了向组装在上盖2内的喷头3供给成膜气体，而设置有离开成膜气体配管连接的混合器，和通过原料气体配管与混合器连接的汽化系统(汽化器)。在包括从该汽化系统到成膜槽的气体配管、各种阀、混合器等的装置构成物上，为将汽化的原料气体保持在不会液化/析出/成膜的温度，而设置加热器等的加热装置或热交换器。在汽化系统和混合器之间的配管上，如下面根据图5详细说明的那样，设置阀V3，另外，在汽化系统和排气系统之间的配管上设置阀V4，据此，构成为可以隔断汽化系统、混合器、排气系统。其目的在于，因为汽化系统、混合器以及排气系统的构成要素的各自的保养循环不同，为了避免因大气开放，而对成膜造成不良影响的水分等的物质附着在这些构成要素上。其构成为，在将1个构成要素向大气开放，进行保养的情况下，其他的2个构成要素也不向大气开放，可以保持真空。
使用图1所示的装置，象以下那样，可以制造薄膜。将成膜气体(由用于化学反应的原料气体、反应气体、用于控制成膜槽内的分压的惰性气体等构成的混合气体或各个气体)从成膜槽1的上盖2的上部，经其导入口导入，从喷头3将成膜气体喷附到载置于基板台4上的基板上，在这里成膜。多余的成膜气体或副生成物等经气体排气路径7被各向同性地排出到槽外。在成膜时，将惰性气体从设置在上盖2的外周上的开口部8导入成膜槽1内，通过惰性气体的喷出口9，从排气路径7的上游侧沿防粘板6的内壁流动。因为比反应空间A容积大的下部空间B被设置为与由防粘板6和基板台4构成的气体排气路径7直接连结，所以可实现各向同性排气。
图2(A)是表示构成图1所示的成膜槽的基板台、基板台罩、气体排气路径以及防粘板的配置关系的俯视图，图2(B)是其剖视图。如图2(A)以及(B)所示，在基板台4的外周设置基板台罩5，在其外周设置气体排气路径7以及防粘板6，由防粘板和基板台构成的气体排气路径7的构成为其尺寸(宽度)是r。另外，如图2(B)所示，气体排气路径的垂直方向的长度构成为L。
在成膜气体导入口的1次侧，连接有图3所示那样的可以控制气体流量的气体源(原料气体源、反应气体源、惰性气体源等)，这些气体源的构成为聚集在一起，从1个气体源放出多种气体。
图4是表示上述聚集在一起的气体源的例。气体源A、气体源B连接在与各自的需要相应的管路上。即，气体源A以及B分别通过阀、主控制器(MFC1、MFC2、MFC3)，与反应气体管路以及惰性气体管路连接。再有，在气体源B的管路上，通过通风孔V，连接有通风管，该通风孔V也可以是减缓通风孔V。
在本发明中，也可以在上述气体源(图4)和成膜气体导入口(图1)之间，设置图5所示的气体路径系统。该系统的构成为，在实施成膜工序时，从原料气体源和气体源A分别向混合器内供给各自的气体，因而均一地混合，该原料气体源通过汽化系统，将(液体)原料汽化，作为原料气体；该气体源A可以供给按工序所需的反应气体(将惰性气体和反应气体以适用于工序的比例混合的气体。以后，将其简称为[反应气体]。)。该混合器的构造为，将原料气体和反应气体相对地导入，经过搅拌·扩散，使其均一混合，可以得到成膜气体(特愿平13-369279号)。该成膜气体通过阀V1的开放，经成膜气体导入口，被导入图1的成膜槽1内，经喷头3到达基板上。惰性反应气体从气体源B，通过阀V6的开放，从成膜槽1的上盖2的外周的开口部8被导入槽内。同样，在对成膜槽内通风的情况下，通过开放减缓通风孔V那样的通风孔V和阀V5，从成膜气体导入口通过喷头3将通风气体导入槽内。另外，从图5中的热交换器到1次侧气体路径(也包括混合器)全部具有加热器等的加热装置或热交换器那样的温度控制装置，以便可温度控制在室温～250℃之间。另外，从原料气体源出来的所有配管同样也都有同样的温度控制装置，以便可温度控制在室温～250℃之间。
接着，对图5所示的气体路径的动作进行详细说明。混合器通过设置有阀V3的配管，与汽化系统连接，同时，通过阀V5以及热交换器、然后是主控制器(无图示)，也分别与气体源(例如，反应气体源、惰性气体源)连接。在混合器内被均一混合的成膜气体经设置有阀V1的配管，被运送到成膜气体导入口，供给到基板的表面，该基板是载置于成膜槽内的基板台上的成膜对象物。在该反应气体源上，除反应气体源以外，也连接有载体气体等的惰性气体(例如N2等)的供给系统，各供给系统的构成为，通过阀要素的调节，通过配管，将反应气体或载体气体从气体源经主控制器、热交换器，运送到混合器。在反应气体中，有与用于制造作为目的的膜的原料气体相应的气体，例如，还原反应时是H2等，氮化反应时是NH3等，氧化反应时是O2等。原料气体是将有机金属化合物等溶解在有机溶媒中的原料液进行汽化而得到的气体。
在混合器中，从反应气体源供给的经适度加热的反应气体和原料气体被导入、混合，获得成膜气体(反应气体+原料气体等)，该原料气体由汽化系统产生，经保持在不会液化/析出/成膜的温度的配管被送出。该原料气体是混合了一个种类或多个种类气体的气体。这样获得的成膜气体经配管，被导入成膜槽内。
该汽化系统和混合器之间的配管以及混合器和成膜气体导入口之间的配管也可以通过VCR接头连接，一部分的配管各接头的VCR衬垫也可以不是单单的环，而是孔的部分成为粒子捕集器的VCR型的粒子捕集器。具有该VCR型粒子捕集器的接头部，最好被设定·保持在比原料气体不会液化/析出的温度高，而且，不会附着·捕集反应所需要的特定的汽化后的原料元素。
在混合器和成膜槽之间的成膜气体管路中，进行成膜气体的转换的阀(V1以及V2)设置在混合器5的2次侧。阀V1以及V2的下游侧分别与成膜槽以及排气系统连接。在成膜时，打开阀V1，关闭阀V2，在成膜结束后，打开阀V2，关闭阀V1。在将原料气体或反应气体导入混合器初期的几个瞬间，因为混合不均一，不稳定，所以关闭阀V1，打开阀V2，使原料气体和反应气体的混合气体流向排气系统，在混合气体的供给稳定后，关闭阀V2，打开阀V1，通过喷头，可以将成膜气体导入反应空间。另外，其构成为，在成膜结束时，瞬时间打开阀V2，关闭阀V1，通过使没有用于混合器内的反应的剩余的成膜气体流向排气系统，瞬时终止成膜气体向反应空间的导入，从而不会被导入反应空间内。
汽化系统没有图示出，是由原料供给部和汽化部构成的。该汽化系统其构成为，是通过加压气体(例如，He气体等的惰性气体)，对将液体·固体原料溶解到有机溶媒的原料液进行加压·运送，通过各液体流量控制器，控制被加压运送的原料液的各自的流量，将其运到汽化部。汽化部的构成为，使进行流量控制的原料液有效地汽化，可以将汽化后所得的原料气体供给到混合器。在该汽化部中，在液体原料为1种的情况下，可以使单液汽化，在液体原料为多种的情况下，可以将多种原料液混合，使之汽化。在使原料液汽化时，最好是不单单使原料液的液滴汽化，而是或是使气体接触液滴，或是施加物理的振动，或是接触超音波，或是通过设置在汽化部的壁面上的喷嘴，作为更细的液粒，导入到汽化部内使之汽化，提高汽化效率。在汽化部的内部，为了使液滴或液粒在应有效地汽化的位置可以尽量汽化，且减轻因粒子捕集器而产生的液粒器化负载，最好配置由Al等的热传导良好的材料制作的汽化部件。另外，在汽化部的内部，为了使以原料液汽化时产生的残渣为根源的粒子不会被排出到汽化部外，或为了使少量流入的液滴不会被真空吸到汽化器外，而是可以汽化，也可以设置粒子捕集器。在该汽化部件和粒子捕集器中，为了使与这些接触的液滴、细的液粒可以切实地汽化，且使反应所需的特定汽化后的原料元素不致附着·捕集，最好将汽化条件保持在恰当的温度。另外，该汽化系统也可以构成为，具有原料用的溶媒，通过流量控制器控制其流量，将其导入汽化部，在汽化部汽化，从而可以制造该溶媒气体。
另外，通过喷头3，将成膜气体导入到作为成膜对象物的加热后的基板上，开始反应，但没有在反应中使用的剩余的成膜气体，或因反应产生的副生成物气体，或反应物气体通过排气系统被排出。也可以在组装在真空槽1的上盖2内的喷头3上配设粒子捕集器，该粒子捕集器作为用于捕集存在于成膜气体中的粒子的滤清器。喷头3被适度加热，保持在不会使导入气体液化/析出/成膜的温度。另外，最好将粒子捕集器适当地调整到使反应所必需的特定的汽化后的原料元素不会附着·捕集的温度。
通过设置在上述排气系统和成膜槽之间的压力调整阀，可以容易地对应各种各样的成膜压力条件。
在本发明的薄膜制造装置中，其构成为，喷淋板表面-基板间的距离被固定，在成膜时和运送时都是同样的距离，但也可以是下述的构成，在组成基板台的阶段，通过选择垫片，可以选择任意的距离，例如从10mm，25mm，40mm3种中选择。
接着，参照图6，就在本发明的薄膜制造装置中的成膜槽上盖以及喷淋板进行说明。图6中，对于与图1相同的构成要素赋予相同的参照号码。图6(A)表示成膜槽1的上方部分的剖视图，图6(B)表示在规定的位置，切割成膜槽的上方部分的整体的俯视图，于是，图6(C)表示在规定的位置，切割成膜槽的上方部分的中心部的俯视图。
如图6所示，也可以是将包括气体扩展部分13的喷头构造组装在上盖2上，使上盖2和喷头3为一体化的构造。另外，喷淋板3的尺寸可以设计为与成膜槽1的顶部面积同程度的大小。如图6所示，通过采用这样的构造，确保了喷淋板3进行热交换的区域(接触面积)，可以使热交换有效地进行。
喷淋板3的面积，其构成为，大于由图1所示的喷淋板3和基板台4及防粘板6包围的反应空间A的顶部面积。成为缩小反应空间(即，喷淋板受到辐射的面积)，同时充分确保用于喷淋板3的热交换的面积的构造。
该上盖2是SUS制，如图6所示，其构成为，通过从进油到出油的油循环路径14，能进行温度控制。油循环路径14的构成为座跨上盖内部广大的范围，另外，固定喷淋板3的螺丝孔3a以岛状存在于充满油的范围内部，因为油循环路径扩大，所以可以使上盖2的温度均一，同时也使温度控制性良好。另外，油循环路径14的大部分的构成为，被配置为与组装在上盖2上的喷淋板3的表面接触，可以提高热交换效率。因此，特别是即使是在成膜时的基板温度高、喷淋板-基板间距离近、喷淋板3被强烈的辐射加热的环境中，也可以成为实现可对应的优异的热交换效率的构造。在该循环路径中使用的媒质即使不是油，只要是具有同样作用的公知的温媒质等的媒质，就没有特别限制。
该喷淋板3从侧面看为凹形，气体通过部分最好具有使喷淋孔的导电性为最佳的厚度(一般是大约5mm左右)。
喷淋板3和上盖2的热交换部分由于提高喷淋板热交换部分的温度均一性的目的，而被较厚地(例如，约10mm左右)设计，通过将热交换部分的喷淋板的热扩散到喷淋板整体后进行热交换，可以提高热交换效率。
下面，举了通过MOCVD法，用于制造PZT膜的标准的成膜条件，使用本发明的装置，以该条件进行成膜。
(原料) (浓度) (设定流量)Pb(dpm)2/THF 0.3mol/L1.16mL/minZr(dmhd)4/THF 0.3mol/L0.57mL/minTi(iPrO)2(dpm)2/THF 0.3mol/L0.65mL/minN2(载体气体) 500sccm(反应气体)O22500sccm(气体头周围惰性气体)N21500sccm成膜压力通过压力调整阀，一直调整在5Torr恒定。
基板温度580℃喷淋板-基板间距离30mm使用图1所示的薄膜制造装置，在载置于基板台4上的8英寸电极基板上，使气体排出路径7的尺寸，即排气间隙(r3～20mm)和垂直方向的长度(L30、50、70、90mm)变化，以上述成膜条件制造PZT膜。其结果为，得到的膜的膜厚分布(％)与排气间隙的关系如图7所示。从图7可知，通过使排气路径的尺寸(r)＝3mm以上，垂直方向的长度(L)＝70mm以上，可以稳定地获得小于等于3％的良好的膜后分布。
另外，在8英寸的电极基板上，使气体排气路径即排气间隙的尺寸(r)和垂直方向的长度(L)变化，以上述成膜条件制造PZT膜。此时的排气间隙和成膜速率的关系如图8所示。由于条件不同，膜后分布产生差，所以求得基板中心的成膜速率进行比较。在批量生产装置中，若考虑生产能力，则最好成膜时间在3min以下。例如，在目标膜厚为100nm的情况下，需要大约35nm/min以上的成膜速率。从图8中可知，满足该成膜速率的条件是垂直方向的长度(L)＝70mm以上，排气路径的尺寸(r)＝3～15mm。
另外，图6中的气体扩展的空间(反应空间)或喷淋板的尺寸或成膜槽的顶部的尺寸的各部的尺寸被设计为R1＝200mm、R2＝370mm、R3＝390mm。喷淋板3为除了上盖2的外周惰性气体喷出口外，作为几乎所有的面积都可作为热交换面积使用的直径(R2)。据此，确保了上盖和喷淋板的热交换面积(φR2-φR1)为气体通过部(φR1＝喷淋板与上盖没有热交换)的约2.4倍。
另外，在图1所示的装置构成中，喷淋板-基板间的距离是40mm，不进行上盖的温度控制，确认改变基板温度时的喷淋板的中心温度变化。其结果如图9所示。反应空间被控制为惰性气体氛围5Torr。由于作为标准的上述成膜条件所示的材料中的原料在200℃以下析出，在250℃以上引起分解，所以需要将原料气体接触的位置控制在200℃～250℃的范围内。在抑制湍流·对流·热对流的图1所示的装置构造中，如图9所示，因为和基板以近距离相对的喷淋板的温度上升，所以喷淋板的温度控制是必需的项目。
另外，在图1所示的装置构造中，在惰性气体氛围、压力5Torr、基板温度580℃，进行上盖的温度控制的条件下，确认改变喷淋板-基板间距离时的喷淋板中心的温度变化。其结果如图10所示。从图10可知，喷淋板-基板间距离对喷淋板温度的影响与基板温度相比非常不明显，但是若缩短喷淋板-基板间距离，则喷淋板温度上升(从40mm变化到10mm，温度上升约16℃)。
接着，使215℃的油以大于等于5L/min，在具有图6所示构造的成膜槽上盖上循环。在惰性气体氛围、压力5Torr、基板温度580℃、喷淋板-基板间距离40mm时，喷淋板中心温度达到232℃，与油循环前相比，可以下降大约160℃。此时，从喷淋板中心开始的半径方向的温度分布如图11所示。从图11可知，喷淋板的温度分布进入±10℃的范围，另外，喷淋板温度在对成膜最有影响的成膜气体通过范围φ200mm(从中心开始的100mm半径)的温度分布大约为±5℃为良好。再有，油循环温度是215℃，上盖温度保持在210℃以上，在上盖的成膜气体被导入的空间中，不会产生原料析出。
另外，在图6的构造中，在使喷淋板-基板间距离为10mm的情况下，如图10所示，喷淋板表面的最高温度(喷淋板中心点)的温度上升即使最高也在16.2℃以下。因此，即使是在喷淋板-基板间距离为10mm时，也可以使喷淋板维持在200-250℃的温度范围内。再有，通过选择循环的油温度，也可以将喷淋板调整到最恰当的温度。
如图6所示的喷淋板固定螺钉(M6×24条)3a的紧固扭矩为各5N·m，一条螺钉的轴方向的力W由下面式子得出。在这里，F紧固的力、T紧固扭矩、d有效直径、l螺纹导程、μ摩擦系数。
F＝2T/DF＝W(1+μπd)/(πd-μ1)W×24(螺钉条数)的值除以喷淋板进行热交换的面积约为28.4kgf/cm2。因此，若不以28.4kgf/cm2以上的力，将喷淋板推压到上盖的热交换面，则不能期望如图11所示那样的冷却效果。
若使用本发明的装置(图1-6)进行成膜，则如上述(图7、8)所示，可以很好的再现性进行面内膜厚分布良好的成膜。
另外，上述构造在原料或反应气体在恰当的温度范围外分解·反应的工序，或原料在恰当的温度范围外析出的工序中，可以恰当地控制必须的喷淋板的温度控制。即，在金属配线的Cu、Al的膜、或TiN、TaN、ZrN、VN、NbN、WN的隔离膜、或SBT、BST、STO的电介质膜等的MOCVD的成膜中，发挥威力。
若根据图9～11所示的结果进行补充，在图1的装置构成中，如果不使用图6所示的成膜槽上盖和喷头为一体的构造，即，不使用下述对策，则可以说在喷头表面-基板间距离在40mm以下，基板温度在580℃以上的环境下，不能将喷淋板表面的温度降低到250℃以下，该对策为喷头构造组装在成膜槽上盖上，使喷淋板的表面积大致与成膜槽顶部的面积为相同程度，确保最大的接触面积，使喷淋板的热交换面积为成膜气体通路部的2.4倍以上，尽可能地将上盖内的油循环路径配置在固定喷淋板的面的附近，提高热交换效率，将螺丝孔加工为岛状，最大限度地获取油循环路径，提高热交换效率，该螺丝孔将喷淋板固定在上盖上。
在图1的构造中，喷淋板-基板间距离为40mm时，反应空间A是3.6L，下部空间B是4.7L。通过没有基板台的升降机构，固定基板台，作为同心圆的各向同性排气口的2次侧的下部空间所必要的容积为反应空间的约1.3倍左右，可以实现装置的小型化，而且由于排除了用于驱动系统动作的间隙，所以象上述那样，在排气路径的尺寸(r)＝3mm时(垂直距离L＝70mm以上)，可以稳定地再现性很好地获得面内3％以下的良好的膜厚分布。
在图1的制造装置中，因为是下述的构造，即，从上盖外周的开口部8供给到成膜槽1内的惰性气体，首先被导入防粘板6的外侧，在充满由防粘板外侧和成膜槽内壁包围的防粘板外周空间后，从喷出口9进入到反应空间A，所以可以防止成膜气体从反应空间A进入防粘板外周空间，其结果为，不会在成膜槽内壁引起成膜，无需成膜槽的清洁。
补充说明，在形成PZT、SBT、BST等的高·强电介质膜的情况下，若这些膜结晶化，则因为通过等离子清洁或化学干式清洁很难除去该膜，所以一般使用硝酸等的湿式化学清洁。因此，在膜附着在防粘板等的可拆卸的零件以外的情况下，会出现“需工作人员用硝酸擦除”等、在批量生产现场难以接受的作业。本装置具有不会使这些危险的作业产生的构造。
在图12中，(A)是表示成膜槽上盖和喷淋板的配置的概略剖视图，(B)是其俯视图。在图12中，对与图1相同的构成要素赋予相同的参照符号。如该图所示，SiC制的基板基座16配置在热源15的上面，基板S和基板台部件17配置在该SiC基座16的上面。基板台部件17是Si3N4制。基板S可以通过基板台部件17进行定位。与喷淋板相对的基板台平坦，载置的基板从唯一平面突起而构成。这样通过仅使基板为唯一突起，后面作为平坦的基板台，可以在基板台附近不会产生湍流·对流，从而成为可以再现性良好地稳定地成膜的构造。
该SiC制基座16热传导率良好，可以将来自热源15的热均一地传递到基板S上。再有，因为SiC难以因氧化而产生时效变化，所以这样的构成，适用于在反应气体中使用氧，而且基板温度为500℃以上的高温工序的情况。
因为SiC基座16位于热源15的正上方，与基板S相比，受到高温的曝晒，所以若与成膜气体接触，则膜以很快的速度附着在表面。因此，在本发明中，为了使SiC基座16的表面与成膜气体接触的面积最小，最好配置覆盖SiC基座的基板台部件17。
上述基板台部件17与基座16为同心圆，中央部分空心，中央部分的直径比基板直径稍大，为可进行基板S定位的构造。基板台部件17是热传导率低、且热冲击特性良好的Si3N4制，夺取SiC基座16的热，将打破SiC基座的均匀热的作用限制在最小限度，而且，考虑在热源15急剧加热的循环(在短时间，将基板从室温升温到成膜温度的循环)中，也不会破损。这样，通过使用为了均匀加热基板，而在热源上设置的SiC制的基座16以及基板台部件17，可以构成具有零件破损频度低，粒子产生少的基板台的薄膜制造装置，该基板台部件17由热传导率低、热循环以及相对于氧气的耐性良好的Si3N4部件构成。
另外，在上述装置的开发过程中，基板台部件使用了石英，但与SiC基座的接触部为高温，与在成膜气体中含有的Pb、氧反应，产生Pb向石英的扩散现象或石英的O2消失、透失的现象，特性产生变化。另外，在硝酸清洗零件中，也能明显地见到侵蚀。
另外，在上述装置的开发过程中，基板台部件使用了Al2O3，但在与SiC基座的接触部上产生因急剧的热循环而产生的微裂纹，从而破损。另外，微裂纹也是粒子的产生源。
上述Si3N4制的基板台部件17，要考虑下述要求进行选择，即，要考虑在批量生产装置中，可处理数1000张/月的基板的要求，另外，因为作为构成反应空间的部件的定期保养要反复进行酸清洗，所以要考虑耐酸性的要求。
根据本发明，除上述以外，通过没有凸凹的圆筒形的成膜槽内壁和圆筒形的基板台的外侧，构成气体排气路径，另外，在使用圆筒形以外的形状的基板台的情况下，也可以通过该基板台外侧和成膜槽内壁，构成气体排气路径，其结果为，使其发挥圆筒形的基板台的作用。通过调整气体排气路径的间隙、长度，在排气路径的2次侧，构成反应空间的1.3倍以上的排气空间，可以实现各向同性排气，获得良好的膜厚分布、成膜速率。
另外，利用将喷头构造组装到成膜槽上盖，将上盖作为成膜槽的顶部，使之具有最大的面积，通过在上盖内最大限度地获取温媒循环的路径；另外，成为可以将喷淋板固定在上盖上的构造；另外，使喷淋板为与成膜槽顶部大致相同的面积；另外，使喷淋板和上盖的热交换部分的面积为喷淋板的气体通过面积的2.4倍以上；另外，通过以28.4kgf/cm2以上的力，将喷淋板向上盖推压；可以成为即使喷淋板-基板间距离在40mm以下，也可以将喷淋板表面温度分布控制在±10℃以下的构造。即使上盖以及喷淋板为圆盘以外的形状，也可以得到同样的效果。
再有，通过组合上述的应用例，可以确立下述的薄膜制造装置，即，最大限度地发挥抑制成膜槽内，进一步是反应空间内的湍流·对流·热对流的整流作用，提高在基板上生成的薄膜的膜质或膜厚分布，进一步使膜厚分布、膜组成分布、成膜速率良好且稳定，可以减少成膜粉尘，减轻向成膜槽内部的成膜，可以连续稳定地进行成膜。
本发明是象上述那样，涉及一种薄膜制造装置以及薄膜制造方法，该薄膜制造装置根据成膜条件，是可进行温度控制的喷头，使用该喷头，基本不会产生粒子，或即使有也极少，可以长期稳定地形成膜质、膜性能稳定的薄膜。该喷头、装置以及方法在电气·电子领域，例如在制造金属氧化物膜等时，可以有效地利用。
该装置作为在产业上、低粉尘、良好的再现性等上所要求的批量生产装置，发挥了很大的威力。另外，特别是在利用热能的工序中发挥了巨大的威力。
权利要求
1.一种喷头，是从可进行真空控制的成膜槽的上部，通过喷头将成膜气体导入槽内的上部空间，在基板上成膜的薄膜制造装置的喷头，其特征在于，其构成为，喷头构造组装于成膜槽的上盖，通过在上盖上设置热交换装置，对上盖进行温度控制，在构成喷头表面的圆盘状的喷淋板与该上盖的接触面上进行热交换，根据成膜条件，可对喷头进行温度控制。
2.如权利要求1所述的喷头，其特征在于，其构成为，上述喷淋板的热交换部分的面积是喷淋板的成膜气体通过部分的面积的2.4倍以上；上述喷淋板在大气压力下，被以每单位面积28.4kgf/cm2以上的力，推压到成膜槽上盖；上述喷淋板的成膜气体通过部分的厚度小于等于5mm；在上述喷淋板与成膜槽上盖之间的热交换部分中的喷淋板的厚度比喷淋板的成膜气体通过部分的厚度厚。
3.一种薄膜制造装置，是从可进行真空控制的成膜槽的上部，通过喷头将成膜气体导入槽内的上部空间，在基板上成膜的薄膜制造装置，其特征在于，其构成为，喷头构造组装于成膜槽的上盖，通过在上盖设置热交换装置，对上盖进行温度控制，在构成喷头表面的圆盘状的喷淋板与该上盖的接触面上进行热交换，根据成膜条件，可对喷头进行温度控制。
4.如权利要求3所述的薄膜制造装置，其特征在于，上述喷淋板的热交换部分的面积是喷淋板的成膜气体通过部分的面积的2.4倍以上。
5.如权利要求3或4所述的薄膜制造装置，其特征在于，上述喷淋板在大气压力下，被以每单位面积28.4kgf/cm2以上的力，推压到成膜槽上盖。
6.如权利要求3至5中的任一项所述的薄膜制造装置，其特征在于，其构成为，上述喷淋板的成膜气体通过部分的厚度小于等于5mm。
7.如权利要求3至6中的任一项所述的薄膜制造装置，其特征在于，在上述喷淋板与成膜槽上盖之间的热交换部分中的喷淋板的厚度比喷淋板的成膜气体通过部分的厚度厚。
8.如权利要求3至7中的任一项所述的薄膜制造装置，其特征在于，上述成膜槽的内径比喷头表面的直径大，另外，喷头表面的直径比成膜槽内的上部空间的内径大。
9.如权利要求8所述的薄膜制造装置，其特征在于，上述成膜槽的内径与喷头表面的直径的差在20mm以内。
10.如权利要求3至9中的任一项所述的薄膜制造装置，其特征在于，进一步具有可将上述成膜槽内的温度进行温度控制在室温～250℃的范围的装置。
11.如权利要求3至10中的任一项所述的薄膜制造装置，其特征在于，设置与上述喷淋板和成膜槽上盖连通的贯通孔，在该孔上连结设置压力测定器。
12.一种薄膜制造方法，其特征在于，通过组装在可进行真空控制的成膜槽的上盖的喷头构造，将成膜气体导入到由基板台和喷头及防粘板构成的槽的上部空间，在载置于被成膜压力控制的该上部空间内的基板上成膜，通过排气系统，将剩余的成膜气体以及副生成物气体作为排气气体，进行排气并成膜；另外，通过设置在该上盖的热交换装置，对上盖进行温度控制，在构成该喷头表面的圆盘状的喷淋板与该上盖的接触面上进行热交换，根据成膜条件，控制喷淋板的温度，进行成膜。
13.如权利要求12所述的薄膜制造方法，其特征在于，上述薄膜制造方法使用如权利要求3至11中的任一项所述的装置进行。
全文摘要
提供一种可在生产性、批量生产性上优异的薄膜制造装置以及制造方法，该薄膜制造装置再现根据成膜条件可进行温度控制的喷头、良好的膜厚分布、组成分布、成膜速率，同时，可长期稳定地进行粒子数少的连续成膜。其构成为，将喷头构造组装到成膜槽的上盖，通过在上盖上设置热交换装置，对上盖进行温度控制，在构成喷头表面的喷淋板和上盖的接触面上进行热交换，根据成膜条件，可对喷头进行温度控制。是在成膜槽上具有该喷头的薄膜制造装置，使用该装置制造薄膜。
文档编号C23C16/455GK1584109SQ200410056309
公开日2005年2月23日 申请日期2004年8月6日 优先权日2003年8月6日
发明者山田贵一, 增田健, 梶沼雅彦, 西冈浩, 植松正纪, 邹红罡 申请人:爱发科股份有限公司