JPH03183779A - 化学的気相成長方法とその装置 - Google Patents

化学的気相成長方法とその装置

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JPH03183779A
JPH03183779A JP89322266A JP32226689A JPH03183779A JP H03183779 A JPH03183779 A JP H03183779A JP 89322266 A JP89322266 A JP 89322266A JP 32226689 A JP32226689 A JP 32226689A JP H03183779 A JPH03183779 A JP H03183779A
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誠 永島
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洋 西里
Hirofumi Ono
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (従来の技術とその問題点) 従来、化学的気相成長方法に於いては、その取り扱いの
簡単さ並びに正確な流量制御の容易さから気体を原料と
した方法が主として用いられて来た。換言すれば、液体
原料を気化して気化原料とする化学的気相成長方法は、
原料の正確な量の供給及び供給配管温度の制御等の点で
困難さがあり余り普及していなかった。しかしながら、
液体原料の精密流量制御が可能となり、容易に気化供給
出来るようになれば原料選択の幅が著しく増え、例えば
半導体デバイスの微細化、高S積化に伴うより厳しい被
膜形成の要求に対応出来るようになるものであり、現在
、かかる要望が次第に大きくなって来ている。
第9図にその液体原料供給装置の従来例を示す第9図の
従来例では、恒温槽(^1)内に原料タンク(T)と気
体用質量流量制御器(GIFC)を設置したもので、気
体用質量流量制御器(GIFC)を反応炉(B1)に接
続しである。反応炉(B1)には真空ポンプ(P)が接
続されている。
さて、原料タンク(T)に液体原料(L)を収納した後
、液体原料(L)をタンク用ヒータ(TH)にて加熱し
て蒸気(G)を発生させ、この蒸気(G)を高温気体用
質量流量制御器(Gl[FC)によって流量制御し、反
応炉(B1)に搬送する。
このような従来の液体原料(L)の供給装置では、■す
べての装置を恒温槽(入1)内に収納しなければならな
いために、装置が大掛かりとなり、設備費用が高くなる
。■ヒータ(TH)により原料タンク(T)部分で気化
し、この高温原料ガス(G)を気体用質量流量制御器(
Gl[FC)にて制御しなければならないために液体を
制御する場合に比べて大量のガス制御を行わねばならず
、装置が大型化して高価である上高温のために信頼性が
低い。■高温蒸気(G)となるため液体原料(L)が熱
分解し易い。■原料タンク(T)においてガス化し、こ
の原料ガス(G)を気体用質量流量制御器(GI(FC
)で制御しつつ反応炉(B1)に供給するため原料タン
ク(T)から反応炉(B1)迄のガス系統が長くなり、
原料供給開始からの立ち上がり又は原料供給停止からの
立ち下がりにおいて流量の安定化までに時間が掛かる(
第10図参照)など、種々の問題点があった。
(本発明の目的) 本発明は、かかる従来例の欠点に鑑みてなされたもので
、その目的とする処は、装置のコンパクト化、液体原料
の正確な流量制御の実現、気体原料供給時の立ち上がり
、立ち下がりの時間の短縮化、各種原料の自由な混合な
ど様々なメリットのある液体原料が使用可能な化学的気
相成長方法とその装置を提供するにある。
(問題点を解決するための手段) 本発明の第1方法は上記問題点を解決するために、請求
項(1)において、 ■液体原料(L)を一定量づつ連続的に気化領域(^)
に供給し、 ■当該気化領域(A)にて高温搬送ガス(H)に液体原
料(L)を接触させて気化して液体原料(L)を原料ガ
ス(G)にし、 ■前記高温搬送ガス(G)と混合して次の反応領域CB
)に供給する。
という技術的手段を採用しており、 本発明の第2方法は、請求項(2)に示すように、■液
体原料(L)を一定量づつ連続的に恒温気化領域(^)
に供給し、 ■当該恒温気化領域(A)にて液体原料(L)を気化さ
JJ−丁ri5 *−I JJ M fl’ )r−1
■この恒温気化領域(A)に供給された搬送ガス(f[
)と混合して混合ガス(In)とし、 ■この混合ガス(In)を次の反応領域(B)に供給す
る。
という技術手段を採用しており、 請求項(3)の液体原料(L)の気化供給装置は前記第
1方法を具体的に実施するために、 ■液体原料(L)を貯溜すると共に液体用質量流量制御
器(LIiFC)に前記液体原料(L)を供給する原料
タンク(T)と、 ■原料タンク(T)から供給を受けた液体原料(L)を
所定質量流量だけ供給する液体用質量流量制御器(Ll
[FC)と、 ■液体用質量流量制御器(LMFC)から供給された一
定の液体原料(L)を、高温搬送ガス(tl)と接触さ
せて気化し、 ■この原料ガス(G)と搬送ガス(II)とを混合して
一定量の混合ガス(In)として次工程の反応炉(B1
)に供給する3方向弁(C)とで構成する。
請求項(4)の液体原料(L)の気化供給装置は前記第
2方法を具体的に実施するために、 ■液体原料(L)を貯溜すると共に液体用質量流量制御
器(LIFC)に前記液体原料(L)を供給する原料タ
ンク(T)と、 ■原料タンク(T)から供給を受けた液体原料(L)を
所定質量流量だけ供給する液体用質量流量制御器(Ll
[FC)と、 ■恒温槽(A1)内に収納されており、液体原料(L)
を加熱して気化させて原料ガス(G)にし、搬送ガス(
H)とこの原料ガス(G)とを混合し、■この混合ガス
(In)を一定量づつ次工程の反応炉(B1)に供給す
る3方向弁(C)とで構成する。
という技術手段を採用している。
(作  用) ■不活性ガス(F)を原料タンク(T)に供給して原料
タンク(T)内の液体原料(L)をサイフオンの原理に
て押し出し、液体用質量流量制御器(L口FC)に液体
原料(L)を供給する。
■液体原料(L)が液体用質量流量制御器(Ll[FC
)に供給されると「1Jの質量流量の液体原料(L)が
センサ管(1)に流れ、そのrNj倍の質量流量の液体
原料(L)がバイパス管(2)を流れ、合流管路部(4
1)にて両者が合流し、正確にrN+IJ倍となって第
1実施例の高温搬送ガス(I()が供給される3方向弁
(C)又は恒温槽(A1)内に配置された第2実施例の
3方向弁(C)に供給される。液体原料(L)の制御は
液体用質量流量制御器(Ll[FC)のコントロールバ
ルブ部(3)が行う。
■一方、搬送ガス(f[)は供給配管(11)を流れ、
3方向弁(C)に供給される。この搬送ガス(H)は第
1実施例では搬送途中で加熱され、第2実施例では勿論
第1実施例と同様搬送中に加熱しておいても良いが、そ
のまま3方向弁(C)に供給してもよいものである。こ
の場合は、後述するように恒温槽(A1)を用いるので
、恒温槽(A1)の温度で液体原料(L)が気化される
事になる。
■3方向弁(0では、第1実施例では加熱された搬送ガ
スヒータ(6)Dが液体原料(L)の露頭に接してこれ
を加熱し、この露頭部分から原料液体(L)が若干量づ
つ連続して蒸発させ、続いて3方向弁(C)に供給され
た搬送ガス(11)と混合され、恒温化された気体供給
配管(GP)を通って反応炉(B1)に供給される。
■反応炉(B1)内では、高温に熱せられた被処理基板
(S)上に前記気化混合ガスQn)が供給され、被処理
基板(S)の表面に成膜する。
■反応炉(Bl)の稼働が終了すると直ちに3方向弁(
C)が閉じて液体原料(L)の供給を停止する。これに
より液体原料(L)の蒸発は停止する。
一方、搬送ガス(II)は引き続いて3方向弁(C)内
を流れて反応炉(B1)へ供給され、その結果、3方向
弁(C)以降のガス系統内から原料ガスCG)を含む排
ガスが追い出される。
■これにより、速やかに第10図のように排出プロセス
が急激に立ち下がり、次のロフトの作業に迅速に移る事
が出来る。
(実施例) 以下、本発明を図示実施例に従って詳述する。
筆1[!21は木を明の箪1宙施伊1のフローチャート
で、まず、液体原料(L)の気化供給装置の構成に付い
て説明する。第1図から分かるように気化供給装置は、
原料タンク(T)、液体質量流量制御器(LMFC)、
3方向弁(C)並びに搬送ガス(H)を所定温度に加熱
するためのガスヒータ(GH)及び3方向弁(C)の出
入り口(24) (25)側にそれぞれに配設されたラ
インヒータ(Lll)とで構成されている。
原料タンク(T)には例えばTE01(・テトラエトキ
シシラン)のような液体原料(L)が気密状に収納され
ていてその上部空間(JI)に、レギュレータ(RG)
を有する不活性ガス供給配管(FP)が接続されており
、不活性ガスCF)を前記上部空間(H)に供給するよ
うになっている。液体原料(L)の加圧用不活性ガス(
F)としては例えばヘリウムガスが用いられる。この不
活性ガス(F)を原料タンク(T)の上部空間(J[)
に供給して上部空間(JK)の内圧を高めると液体原料
(L)内に挿入された原料供給配管(LP)を通して液
体用質量流量制御器(Ll[FC)に液体原料(L)が
供給される。
次に、本発明で使用する液体用質量流量制御器(LMF
C)の一実施例を第3.4図に従って説明する。
液体用質量流量制御器(Ll[FC)のケーシング(3
2)の中央に制御用の電気回路(E)が配置されている
電気回路(E)の説明は本発明と直接関係がないので省
略する。ケーシング(32)の上部には例えばアルミニ
ウム製又はステンレス製のボディ(33)が配置されて
おり、第4図から分かるように同一水平面内にバイパス
管(2)とセンサ管(1)とが配設されており、両者の
分岐管路部(34)が、ボディ(33)の−mに取り付
けられた液体流入側継ぎ手(35)に接続されている。
前記液体流入側継ぎ手(35)には前述のように原料供
給配管(LP)を介して原料タンク(T)が接続されて
いる。ボディ(33)の下面には上下流1対の周囲温度
検出抵抗(Rtu) (Rtd)とが取着されており、
ボディ(33)と同一材質で形成されたベースプレート
(40)にて挟持されている。又、周囲温度検出抵抗(
Rtu) (Rld)は感熱センサ(Ru) (Rd)
とほぼ同一の抵抗温度係数を有する薄膜抵抗体を用いて
いる。これによって周囲温度が変化しても両者の温度差
は一定に保たれる。バイパス管(2)とセンサ管(1)
の出口は合流しており、この合流管路部(41)はボデ
ィ(33)の下方に向かって穿設されており、ボディ(
33)の下面に取着れたコントロールバルブ部(3)の
バルブ室(6)の天井面(9)に開口(流入口(4))
している。バルブ室(6)の天井面(9)には更に流出
口(5)が穿設されており、液体流出側継ぎ手(36)
に接続されており、更に反応炉(B1)に接続されてい
て液体原料(L)の質量流量を精密にコントロールしつ
つ供給するようになっている。
コントロールバルブ部(3)のバルブ室(6)内には弁
体(7)が配設されており、駆動部(8)である積層圧
電アクチュエータの伸縮にて弁体(7)が昇降して流入
口(4)の開度をコントロールするようになっている。
本発明に使用する3方向弁(C)に付いて説明する。第
5図は本発明に係る3方向弁(C)の拡大断面図であり
、第6図はその液体原料(L)の蒸発の状態を示す説明
図である。弁本体(14)には上面開口凹所(15)が
穿設されており、この上面開口凹所(15)を閉塞する
ように駆動部(16)が設置されている。3方向弁(C
)の駆動部(16)は、例えば精密な制御の出来るエア
ー弁その他が用いられる。駆動部(16)の下面中央に
プランジャ(17)が突設されており、駆動部(16)
の作用にて昇降するようになっている。更に上面開口凹
所(15)の中央にダイヤプラム(18)が張設されて
おり、その周囲が上面開口凹所(15)の内周に配設さ
れた内周枠(19)に気密状に固着されている。更に弁
本体(14)の底部中央に液体原料入り口(20)が穿
設されており、この液体原料入り口(20)に合致して
弁本体(14)の上面に弁シート(22)が装着されて
いる。そして前記プランジャ(17)も弁シート(22
)の開口に一致して配設されており、ダイヤプラム(1
8)を介して前記開口を開閉するようになっている。又
、ダイヤプラム(18)の下方において弁シート(22
)の周囲が制御室(23)となっている。液体原料入り
口(20)の両側にはL字型の搬送ガス入り口(24)
と混合ガス出口(25)とが穿設されており、前記制御
室(23)に開口している。そして前記液体原料入り口
(20)は液体質量り口(24)はガスヒータ(G■)
並びにラインヒータ(LH)を介して搬送ガスボンベや
反応ガスボンベ(BBI)・・・(BBN)に接続され
ている。又、混合ガス出口(25)はもう一方のライン
ヒータ(LH)を介して反応炉(B1)に接続されてい
る。
本発明で使用される搬送ガス(H)は、勿論これに限ら
れる事はないが本実施例ではHeである。更に、反応ガ
ス(RG)として、酸素やC2F、、NF、などが使用
され、それぞれボンベ(BBI)・・・(BBN)に収
納されていて気体用質量流量制御器(GIFC)を介し
て前記3方向弁(C)に送られるようになっている。
従って、必要に応じて気体用質量流量制御器(Gl[F
C)を開閉すれば適宜のガスの組み合わせが得られる。
本発明で使用される反応炉(B1)は、勿論これに限ら
れないが例えばCVD3Iftのような半導体製造装置
である。
而して、ヘリウムや窒素などの不活性ガス(F)を原料
タンク(T)の上部空間(Jl)に供給して原料液体用
質量流量制御器(LMFC)に供給する。液体用質量流
量制御器(LI[FC)では前記で詳述したように周囲
温度の変化に影響れる事なくコントロールバルブ部(3
)の制御作用にて一定量の液体原料(L)が3方向弁(
C)に供給される事になる。
液体原料(L)が3方向弁(C)に供給されると、液体
原料入り口(20)を通って弁シート(22)の中央の
通孔から液体原料(L)の先端が露出して弁シート(2
2)上を濡らす。この時、3方向弁(C)は例えば70
℃に加熱された高温搬送ガス([1)やこれに必要に応
じて混入された反応ガス(RG)がこの制御室(23)
に流入して前記流出液体原料(L)の露頭部分並びに弁
シート(22)上の濡れている液体原料(L)と接触し
てこれを加熱し、気化蒸発させると同時に互いに混合す
る。この混合ガス(【n)は、混合ガス出口(25)か
ら流出して反応炉(B1)に所定量づつ供給される。反
応炉(B1)内では例えばシリコンウェハーのような被
処理基板(S)が高温で保持されており、この基板(S
)上に気化した反応ガス(RG) (ここではTE01
と酸素など)及び搬送ガス(H)が供給され、基板(S
)表面で下記の化学反応が起こり、SiO□が成膜され
る。
Si (OC2H6)4 +140z=SiOz + 
8CO2+ 10■20この際、FI!i膜速度を向上
させるには被処理基板(S)にR,F、パワーを印加す
る事で実現できる。
反応炉(B1)内で生じた反応副生成物あるいは未反応
ガス(RG)及び搬送ガス(H)等は排気系を通して反
応炉(B1)から外へ放出される。
なお、3方向弁(C)での蒸発メカニズムを詳述すれば
、弁シート(22)の上端に達した液体原料(L)は高
温搬送ガス(H)と接して加熱され、その表面から順次
蒸発気化する。この蒸気(即ち、原料ガス(G))は、
気化と同時に搬送ガス(H)によって運び去られるので
、この原料ガス(G)の分圧は低下する。そこで、この
分圧低下を補うために液体原料(L)が次々に気化する
。この一連の作用にて液体原料(L)は連続的かつスム
ーズに気化・搬送が起こり、反応炉(C)への流量の一
定な原料ガス(G)の供給が行われる事になる。
又、第7.8図によって、ガスの流れを説明すれば、弁
シート(22)が閉じている場合(第7図)には、弁シ
ート(22)の周囲を通って搬送ガス(tl)のみが流
れ、弁シー) (22)が開いている場合には弁シート
(22)の周囲並びにその上面を流れて原料ガス(G)
を運び去る事になる。
次に第10.11図により、本発明と従来例との性能を
比較してみる。
第1O図は従来例の液体原料気化供給装置の性能グラフ
であり、第11図は本発明の液体原料気化供給装置の性
能グラフである。
従来例の液体原料気化供給装置は、第9図のように原料
タンク(T)を加熱して液体原料(L)を蒸発させ、こ
の原料ガス(G)を気体用質量流量制御器(61[Fc
)のコントロールバルブ部によって流量制御しているた
めに反応炉(C)迄のガス配管経路が非常に長く、その
結果、ガス供給の立ち上がり時には、ガス供給の安定化
が遅れるものであり、又、原料供給停止時には反応炉(
C)で排気を行っていてもコントロールバルブ部から反
応炉(C)までのガスがf4築誇lご旧Uガス((”、
)が残留1□τ鴛に至る穿ち下がりが遅く、開始から停
止迄のプロセス全体における時間が長い。
一方、本発明の液体原料気化供給装置は、第5図のよう
に、3方向弁(C)によって液体原料(L)の液面を直
接開閉するものであるため、反応炉(C)迄のガス配管
経路が短く、原料ガス(G)の供給開始後、安定領域に
達する迄の立ち上がり時間が従来例の約1/2に短縮さ
れ、しかも弁閉鎖後も搬送ガス(G)を流し続けている
ので、反応炉(C)内並びに3方向弁(C)から反応炉
(B1)に至る配管経路中原料ガス(G)の残留量が急
激に希薄化し、原料ガス(G)の排出の立ち下がり時間
色従来例の約1110と極めて短くなり、プロセス全体
の時間短縮が可能となる。
第2図は、本発明の第2実施例で、ガスヒータ(GH)
とラインヒータ(Lll)の代わりに恒温槽(A1)を
用いており、それ以外の点では第1実施例と構成は同じ
である。又、液体原料CL、Jの蒸発は恒温に保持され
た3方向弁(C)からの熱により蒸発するものである。
(本発明の効果) 本発明方法は請求項(1)に示すように、液体原料を一
定量づり気化領域に連続的に気化領域に供給し、当該気
化領域にて高温搬送ガスに液体原料を接触させて気化し
、液体原料を原料ガスにすると共に前記高温搬送ガスと
混合して次の反応領域に供給するものであり、請求項(
2)は、液体原料を一定量づつ連続的に恒温気化領域に
供給し、当該恒温気化領域にて液体原料を気化させて原
料ガスにすると共に恒温気化領域に供給された搬送ガス
と混合して混合ガスとし、この混合ガスを次の反応領域
に供給するので、いずれの方法においても液体原料のガ
ス化領域から反応領域迄の距離が非常に短く、その結果
反応領域においてガス供給開始から安定するまでの立ち
上がり時間並びにガス供給停止から供給が零になる迄の
立ち下がり時間を極めて短くする事が出来て生産性の向
上を図る事が出来るという利点があり、又、常温で液体
原料を供給を行うのであるから液体原料の熱分解を避け
る事力咄来、しかも、特性の異なる各種液体原料を使用
したり、各種の液体原料を混合して使用する事が出来る
等の利点がある。また、上記のように原料ガスの排気の
立ち下がりが速いので、排気を十分に行う事が出来、原
料ガスの種類を変えて行う次工程での汚染の影響も少な
く又切り替えも迅速に行う事が出来るという利点がある
又、本発明装置の第1実施例は請求項(3)に示すよう
に、液体原料を貯溜すると共に液体用質量流量制御器に
前記液体原料を供給する原料タンクと、原料タンクから
供給を受けた液体原料を所定質量流量だけ供給する液体
用質量流量制御器と、液体質量流量制御器から供給され
た一定の液体原料を、高温搬送ガスと接触させて気化し
、この原料ガスと搬送ガスとを混合して一定量の混合ガ
スとして次工程の反応炉に供給する3方向弁とで構成さ
れており、第2実施例は、液体原料を貯溜すると共に液
体用質量流量制御器に前記液体原料を供給する原料タン
クと、原料タンクから供給を受けた液体原料を所定質量
流量だけ供給する液体用質量流量制御器と、恒温槽内に
収納されており、液体原料を加熱して気化させて原料ガ
スにし、搬送ガスと前記原料ガスとを混合した混合ガス
を一定量づつ次工程の反応炉に供給する3方向弁とで構
成されているので、前記方法に於ける効果の他、第1実
施例の場合では恒温槽が不要であり、第2実施例の場合
は恒温槽を必要とするものの恒温槽内に収納するものが
3方向弁だけとなり、非常に小型の恒温槽で足り、装置
のコンパクト化、簡略化、低価格化が実現出来、それ故
メンテナンスも容易になる。又、反応炉も減圧(真空)
から高圧迄広範囲のものに適用出来るものである。
【図面の簡単な説明】
第1図・・・本発明方法の第1実施例のフロー図第2図
・・・本発明方法の第2実施例のフロー図第3図・・・
本発明に使用する液体用質量流量制御器の一実施例の概
略縦断面図 第4図・・・本発明に使用する液体用質量流量制御器の
一実施例の概略横断面図 第5図・・・本発明に使用する3方向弁の一実施例の鯉
I畝藝畳1!I;i’i丙穴ガ 第6図・・・本発明に使用する3方向弁における気化の
メカニズムを示す拡大断面図 第7図・・・本発明に使用する3方向弁における弁シー
ト閉成時の弁回りの横断面図 第8図・・・本発明に使用する3方向弁における弁シー
ト開成時の弁回りの横断面図 第9図・・・従来例のフロー図 第10図・・・従来装置による流量とサイクル時間の関
係を示すグラフ 第11図・・・本発明装置による流量とサイクル時間の
関係を示すグラフ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)液体原料を一定量づつ連続的に気化領域に供給し
    、当該気化領域にて高温搬送ガスに液体原料を接触させ
    て気化し、液体原料を原料ガスにすると共に前記高温搬
    送ガスと混合して次の反応領域に供給する事を特徴とし
    た化学的気相成長方法。
  2. (2)液体原料を一定量づつ連続的に恒温気化領域に供
    給し、当該恒温気化領域にて液体原料を気化させて原料
    ガスにすると共にこの恒温気化領域に供給された搬送ガ
    スと混合して混合ガスとし、この混合ガスを次の反応領
    域に供給する事を特徴とした化学的気相成長方法。
  3. (3)液体原料を貯溜すると共に液体用質量流量制御器
    に前記液体原料を供給する原料タンクと、原料タンクか
    ら供給を受けた液体原料を所定質量流量だけ供給する液
    体用質量流量制御器と、液体質量流量制御器から供給さ
    れた一定の液体原料を、高温搬送ガスと接触させて気化
    し、この原料ガスと搬送ガスとを混合して一定量の混合
    ガスとして次工程の反応炉に供給する3方向弁とで構成
    された事を特徴とする液体原料の気化供給装置。
  4. (4)液体原料を貯溜すると共に液体用質量流量制御器
    に前記液体原料を供給する原料タンクと、原料タンクか
    ら供給を受けた液体原料を所定質量流量だけ供給する液
    体用質量流量制御器と、恒温槽内に収納されており、液
    体原料を加熱して気化させて原料ガスにし、搬送ガスと
    前記原料ガスとを混合した混合ガスを一定量づつ次工程
    の反応炉に供給する3方向弁とで構成された事を特徴と
    する液体原料の気化供給装置。
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