JP2020516775A - 堆積プロセスにおける化学前駆体のバブリングのためのエーロゾルフリー型ベッセル - Google Patents

Abstract

エーロゾルフリー型ベッセル、供給用容器、堆積プロセスのためのそれらの容器における前駆体の利用の改善を提供すること、ならびにそれらの容器の洗浄および再充填のためにそれらを用いる装置および方法が記載されている。いずれかの前駆体蒸気が分解することによるバルブおよびパイプの閉塞が最小化される。本発明は、ミストが形成されることを防止し、そしてそれによって閉塞や、エーロゾルからのウエハの汚染を防止する。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１７年４月１０日出願の米国仮出願第６２／４８３，７８４号に対する出願であり、その全体をここに参照することによって本明細書の内容とする。

電子装置製造工業においては、集積回路および他の電子装置を製造するために、種々の化学薬品が原材料または前駆体として必要とされる。堆積プロセス、例えば化学気相堆積（ＣＶＤ）および原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスが、半導体装置の製造の間の１つもしくは２つ以上の工程において、基材の表面上に、１つもしくは２つ以上の膜またはコーティングを形成させるために用いられる。典型的なＣＶＤまたはＡＬＤプロセスでは、固体および／または液体相であることができる前駆体が、１つもしくは２つ以上の基材をその中に容れた反応チャンバへと運ばれ、そこでその前駆体は、特定の条件、例えば温度または圧力の下で反応して、基材表面上にコーティングまたは膜を形成する。

前駆体蒸気を処理チャンバへと供給するための幾つかの容認された技術が存在する。１つのプロセスでは、液体前駆体は、処理チャンバへと液体形態で、液体質量流量制御器（ＬＭＦＣ）によって制御された流量で供給され、そして次いでその前駆体は、使用の時点で、ベッセルによって蒸発される。第２のプロセスは、加熱によって蒸発された液体前駆体を含み、そして結果として得られた蒸気は、チャンバへと、質量流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された流量で供給される。第３のプロセスは、キャリアガスを、液体前駆体を通して上方にバブリングさせることを含んでいる。第４のプロセスは、キャリアガスが、キャニスタ内に容れられた前躯体の表面上を流れることを可能にさせること、そして前駆体の蒸気をキャニスタの外に、そして続いてプロセス装置へと運ぶことを含んでいる。

分解を受け易く、そして閉塞の問題を引き起こす前駆体の蒸気の供給を増やすために著しい努力がなされてきた。例えば、バブリング流を真空へと低減させる「浸漬管」の設計（本願出願人自身の米国出願公開第2016/0333477明細書、その全体をここに参照することによって本明細書の内容とする）。キャリアガスを、前駆体液体の床（bed）に衝突する層流として供給する「ジェット管」の設計（本願出願人自身の米国出願第62/335396号明細書、その全体をここに参照することによって本明細書の内容とする）、ならびに蒸気の掃引効果を与える「非浸漬管」の設計。

しかしながら、それらの設計は、潜在的に幾つかの問題に直面している。

浸漬管の設計では、堆積速度は、容認できないほどに低い可能性がある。そして、流量が低下されない場合には、分解された材料が蓄積して、そしてバルブの閉塞が起こる可能性がある。

ジェット管の設計は、キャリアガスを、前駆体液の床に衝突する層流の流れとして供給する。一方で、この解決策は、真空へのバブリングが引き起こすエーロゾルと閉塞の問題を解決するが、それは、液体面が低下するに連れて、変動する堆積速度をもたらす。

非浸漬管の設計では、化学蒸気の供給が、容認できないほどに低い堆積速度をもたらす。

従って、当技術分野では、上記の欠点を克服することを目的とした、前駆体の堆積もしくはプロセスチャンバへの供給のシステムおよび方法への必要性が存在する。

本発明の目的は、化学前駆体を堆積もしくは処理位置へと供給し、そして上記の欠点を克服するための、エーロゾルフリー型ベッセル（aerosol-free vessel）、蓋に取り付けられたエーロゾルフリー型ベッセルを有する容器（container）、蓋に取り付けられたエーロゾルフリー型ベッセルを有する容器を用いた装置ならびに方法を提供することである。

１つの態様では、本発明は、化学前駆体をプロセス装置へと供給するための、容器の蓋に取り付けられるエーロゾルフリー型ベッセルであり、
開始点、終点、および開始点と終点との間の方向転換を有する流管、および、
開始点から流れるエーロゾルを含む流体、
を含んでおり、その方向転換は、蒸気への相転移のために、エーロゾルフリー型ベッセル中のエーロゾルの滞留時間を最大化し、そして流管は、開始点から終点へと漸次に上昇している。

他の態様では、本発明は、化学前駆体をプロセス装置へと供給するための容器であって、
側壁、
基底部、
蓋、
少なくとも１つの開示された、その蓋に取り付けられたエーロゾルフリー型ベッセル、
その蓋を通過する入口管、および、
その蓋を通過する出口、
を含む容器であり、ここで出口は、最後のエーロゾルフリー型ベッセルの出口と流体連結されている。

更に他の態様では、本発明は、化学前駆体をプロセス装置へと供給する装置であって、
少なくとも１つの開示されたエーロゾルフリー型ベッセル、
化学前駆体をプロセス装置へと供給するための容器であって、
側壁、
基底部、
蓋、および、
この蓋を通過する出口、
ここで、この蓋は、開示された少なくとも１つのエーロゾルフリー型ベッセルが取り付けられており、そしてこの出口は、最後のエーロゾルフリー型ベッセルの出口と流体連結されている、ならびに、
容器の出口からの化学前駆体の蒸気、
を含んでいる容器、
を含む装置である。

更に他の態様では、本発明は、化学前駆体をプロセス装置へと供給する方法であって、
少なくとも１つのエーロゾルフリー型ベッセルを準備する工程、
容器であって、
側壁、
基底部、
蓋、および、
この蓋を通過する出口、
ここで、この蓋は、開示された少なくとも１つのエーロゾルフリー型ベッセルに取り付けられており、そしてこの出口は、最後のエーロゾルフリー型ベッセルの出口と流体連結されている、
を含む容器を準備する工程、
化学前駆体の蒸気を、前記容器の前記出口からプロセス装置へと供給する工程、
を含む方法である。

エーロゾルフリー型ベッセルの流管は、少なくとも円形の一部、少なくとも楕円形の、少なくとも正方形の一部、少なくとも矩形の一部、およびそれらの組み合わせ、あるいは当技術分野で用いられるいずれかの他の形状からなる群から選択された形状を有する横断面を有している。

エーロゾルフリー型ベッセルは、流管を覆うように蓋を更に含んでいる。

幾つかの態様では、エーロゾルフリー型ベッセルの流管は、螺旋または蛇行した形状を有する管であることができる。

幾つかの態様では、エーロゾルフリー型ベッセルは、上部表面を含んでおり、このベッセルのこの上部表面は、円形、楕円、正方形（squire）、矩形、蛇行した形状、およびそれらの組み合わせから選択された形状を有している。

エーロゾルフリー型ベッセルは、そのエーロゾルフリー型ベッセルを、容器の蓋または他のエーロゾルフリー型ベッセルの少なくとも１つに取り付けるための取り付け用穴を更に含んでいる。

エーロゾルフリー型ベッセルは、流管の開始点に、エーロゾルフリー型ベッセルに入るエーロゾルのサイズを低減させるように、スクリーンを更に含んでいる。

エーロゾルフリー型ベッセルは、蒸気への相転移を促進させるためのヒータを更に含んでいる。

この容器は、いずれかの形状を有することができる。その形状としては、限定するものではないが、円筒形、矩形直方体（rectangular cuboid）、正直方体（right cuboid）、角箱（rectangular box）、矩形六面体（rectangular hexahedron）、正直角プリズム（right rectangular prism）、または直方体（rectangular parallelepiped）、ならびに円形、楕円形、正方形、矩形もしくは当技術分野で用いられるいずれかの他の形状の横断面を有するもの、が挙げられる。

本発明は、以下に添付の図面に関連付けて説明され、図面において同じ符号は同じ要素を示す。

図１には、エーロゾルフリー型ベッセルの１つの略図が与えられている。

図２には、エーロゾルフリー型ベッセルの他の略図が与えられている。

図３には、図１に示されたエーロゾルフリー型ベッセル（蓋を開放した）をベッセルの蓋に取り付ける方法が描かれている。

図４には、エーロゾルフリー型ベッセルを閉じた蓋を有する、図３に示されたのと同じ取り付けが描かれている。

図５には、図２に示されたエーロゾルフリー型ベッセル（蓋を開放した）をベッセルの蓋に取り付ける方法が描かれている。

図６には、エーロゾルフリー型ベッセルを閉じた蓋を有する、図５に示された同じ取り付けが描かれている。

本明細書には、エーロゾルフリー型ベッセル、容器の蓋に据え付けられた、取り付けられた、または機械加工されたエーロゾルフリー型ベッセルを有する容器、ならびにその容器を含む装置、ならびにプロセス装置、例えば化学気相堆積（ＣＶＤ）もしくは原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスにおける堆積反応器のための化学前駆体、ならびにその装置の使用方法、が記載されている。

より具体的には、本明細書には、エーロゾルフリー型ベッセルが記載されている。エーロゾルフリー型ベッセルは、既存の容器の蓋に取り付けられることができ、それは、エーロゾルをその容器の外に運ぶことなく真空へのバブリングを可能とさせる。キャリアガスと化学物資の蒸気のみがその容器から出て行くので、分解された化学物質の蓄積は制限され、そして閉塞は防止されることができる。また、化学物質のエーロゾルは、ウエハに到達せず、そして汚染を引き起こすことがない。

本発明を説明することを援けるために、本明細書では幾つかの用語が定義され、そして用いられる。

用語「管」は、明細書および特許請求の範囲で用いられて、それを通して流体が、装置の２つもしくは３つ以上の部品の間を運ばれることができる１つもしくは２つ以上の構造を表す。例えば、管としては、液体、蒸気および／またはガスを移送する、管、送管、通路、およびそれらの組み合わせを挙げることができる。

本明細書および特許請求の範囲で用いられる用語「エーロゾル」は、ガス中に懸濁された小さな液体の液滴、例えば、空気中に懸濁された水の非常に細かい粒子からなるミストを表す。

本明細書および特許請求の範囲で用いられる用語「流動連結（flow communication）」は、液体、蒸気および／またはガスが部品間を制御された方法で（すなわち、漏洩なしで）移送されることを可能にさせる２つもしくは３つ以上の部品間の接続の性質を表す。２もしくは３つ以上の部品を、それら互いに流動連結されるように連結することには、当技術分野で知られているいずれかの好適な方法、例えば溶接、フランジ付きの管、ガスケット、およびボルトの使用を挙げることができる。

本明細書および特許請求の範囲で用いられる用語「電気的な連結」は、ここに記載され、そして流量、温度および他の物理的特性を制御するように別々の装置として構成されることができる、装置または方法を操作するための電子機器の使用を表す。

幾つかの方向を示す用語は、本明細書および特許請求の範囲において、本発明の部分（例えば、上部、下部、左、右、など）を説明するように用いられることができる。それらの方向を表す用語は、単に、本発明を説明し、そして特許請求することを援けることが意図されているのであり、本発明を何ら限定することは意図されてはいない。更に、図面と併せて本明細書中に導入された参照番号は、他の特徴との前後関係を与えるために、本明細書中で更なる説明なしに、１つもしくは２つ以上の後続の図中で繰り返される可能性がある。

開示された態様は、エーロゾルの形成および入口管の固形物での閉塞を回避させる構造を提供することによって、当技術分野における必要性を満足させる。

開示された態様の１つでは、エーロゾルフリー型ベッセルが図１に示されている。図１のエーロゾルフリー型ベッセルは、詳細を示すために上下が逆さまに示されていることに注意しなければならない。

図１に示されているように、エーロゾルフリー型ベッセルは、流管（または流路）、入口（この管の開始点）、および出口（この管の終点）を有している。エーロゾルを含む流体は、開始点から終点に向かって流れる。

また、エーロゾルフリー型ベッセルは、それ自体を容器の蓋に取り付けるための、取り付け用穴を有することができる。

この流路は、いずれかの形状、例えば、少なくとも円形の一部、少なくとも楕円形の、少なくとも正方形の一部、少なくとも矩形の一部、およびそれらの組み合わせ、あるいは当技術分野で用いられるいずれかの他の形状からなる群から選択された形状の横断面（蓋の表面に直角に管を真っ直ぐに切断することによる）を有する管であることができる。

流管は、入口において大きな開口（すなわち、より大きな横断面積）で始まり、そして徐々にサイズが小さくなり（減少した、もしくはより小さな横断面積）、そして出口で終わる。すなわち、流管は、開始点から終点まで、減少した横断面積を有している。

流管は、開始点と終点との間で多くの方向転換を有していて、ベッセル中のエーロゾルの滞留時間を最大化して、蒸気への相転移を促進させる。

この流路は、開始点から終点まで、徐々に上昇されている。

また、方向転換は、エーロゾルまたは、蒸気への相転移を経ないいずれかの凝縮した材料の、繰り返された表面との接触を与え、それによってそれらは、懸濁から落下し、そして上昇された流路から逆方向に、液体として、流れ／滑り落ち、そして最後には開始点（入口）から容器中への滴り戻ることができる。

滞留時間がなお十分でない場合には、その場合は、ヒータ、例えばヒータカートリッジが取り付けられることができ、そしてエーロゾルフリー型ベッセルを加熱するのに用いられることができる。従って、このヒータからの熱伝導が、エーロゾルから蒸気への相転移を完了させることを確実にさせる。

このベッセルに入るエーロゾルを減少させるように、スクリーンを入口に加えることもできる。

エーロゾルフリー型ベッセルは、蒸気が、ベッセルの出口でエーロゾルがないことを確実にするように、積み重ねられることができる。

エーロゾルフリー型ベッセルの異なる設計のための他の種類の流路が、図２に示されている。この流路または流管は、螺旋型の管の形状またはいずれかの蛇行管の形状である。

循環型の形状を有する流管が、例として、図２、５および６に示されている。

エーロゾルフリー型ベッセルは、そのベッセルを表面に取り付けるための取り付け装置を有することができる。また、エーロゾルフリー型ベッセルは、全体の流路を覆う、１つの蓋を有しており、それは図１に示されていないが、しかしながら図３および４には示されている。

図５および６に示されているように、エーロゾルフリー型ベッセルはまた、流路を保持するように中心円錐形状の部分を有しており、それによってその流路は、開始点（入口）から終点（出口）まで徐々に上昇している。エーロゾルフリー型ベッセルは、全体の経路を覆うように蓋を有している。

らせん状の管または蛇行した形状の管は、重ねて、蒸気への相転移を経ていないエーロゾルまたはいずれかの凝縮された材料に繰り返された表面への接触を与え、それによってそれらは懸濁から落下し、そして流路を、逆の方向に、液体として流れ／滑り落ちて、そして最後には開始点（入口）から容器中に滴り落ちる。

エーロゾルフリー型ベッセルは、円形、楕円、正方形、矩形、蛇行した形状、およびそれらの組み合わせから選択された形状を有する、上部表面を有している。

エーロゾルフリー型ベッセルまたはエーロゾルフリー型ベッセルの積層体は、既存の容器の蓋に設置または取り付けられることができ、それが、エーロゾルを容器の外に運ぶことなく真空へのバブリングを可能とさせる。

キャリアガスおよび化学薬品の蒸気のみが容器を出て行くので、分解された化学薬品の蓄積は制限され、そして閉塞は防止されることができる。

化学前駆体を供給するのに用いられる容器は、それらの蓋に取り付けられた、エーロゾルフリー型容器またはエーロゾル容器の積層体を有している。

これらの容器は、いずれかの形状、例えば、限定するものではないが、円筒形、矩形直方体（rectangular cuboid）、正直方体（right cuboid）、角箱（rectangular box）、矩形六面体（rectangular hexahedron）、正直角プリズム（right rectangular prism）、または直方体（rectangular parallelepiped）、ならびに円形、楕円形、正方形、矩形もしくは当技術分野で用いられるいずれかの他の形状の横断面を有するもの、が挙げられる。このプロセス装置のこの容器の体積は、１００ミリリットル（ｍＬ）〜１０リットルの範囲である。ここに記載された容器は、貯蔵器を最初に充填し、そして洗浄するための手段を更に含むことができる。

このベッセルの構築のための材料は、典型的にはステンレス鋼であるが、しかしながら、対象の材料との前駆体の反応性に応じて、他の材料で作られていることができる。ここに記載された装置の構築の材料は、以下の特徴の１つもしくは２つ以上を示す：前駆体での腐食または反応を防ぐような化学的な適合性がある、用いられる圧力および真空力を支持するのに十分な強度がある、そして用いられるプロセスの化学薬品および／または溶媒に応じて、１ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒの真空を保持するように概して漏れがない。また、これらの容器は、前駆体の利用を可能にさせるような、１つまたは複数のバルブおよび出入口およびセンサを含んでいる。

特定の態様では、これらの容器は、貯蔵器の上部に、ねじもしくは他の手段によって固定され、そしてエラストマーまたは金属製ｏ−リングおよび／またはガスケットで封止された、大きなキャップ、蓋、または栓を有している。この蓋は、エーロゾルフリー型ベッセルまたはエーロゾルフリー型ベッセルの積層体を取り付けるために、そして他の部品、例えばレベルセンサ探針の設置のために、用いられる平坦な表面を有している。

このベッセルを、ベッセルの蓋に取り付けるのには幾つかの方法がある。

幾つかの態様では、このベッセルは、図３および６に示されているように、ベッセルの蓋に、蓋の上にねじ止めされた複数のボルトで取り付けられることができる。このベッセルの出口は、管または、蓋の出口と位置を合わせた平坦な表面である。

幾つかの態様では、代替の取り付け方法は、このベッセルを支持するようにクリップを用いるものである。

幾つかの態様では、このベッセルの流路は、蓋に機械加工されることができ、そしてこれとは別に、この蓋に篏合するように、カバーが機械加工されることができる。

幾つかの改善された態様では、このベッセルおよび蓋は、単一の部品として製造されることができる。そのような方法の１つは、３Ｄ印刷を用いることによるものである。

特許請求の範囲においては、特許請求された方法の工程を識別するために文字（例えば、ａ、ｂ、およびｃ）が用いられる可能性がある。それらの文字は、本方法の工程を表すために参照することを援けるのに用いられており、そして、そのような順番が特許請求の範囲に特別に記載されていない限り、そして記載されている範囲においてしか、特許請求された工程が実施される順番を示すことを意図されてはいない。

Claims (11)

1. エーロゾルフリー型ベッセルであって、
   開始点、終点、および前記開始点と前記終点との間の方向転換を有する流管、ならびに、
   前記開始点から流れるエーロゾルを含む流体、
   を含んでなり、
   前記方向転換が、前記エーロゾルフリー型ベッセル中の前記エーロゾルの、蒸気への相転移のための滞留時間を最大化し、そして、
   前記流管が、前記開始点から前記終点まで徐々に上昇している、
   エーロゾルフリー型ベッセル。
2. 前記流管は、少なくとも円形の一部、少なくとも楕円形の、少なくとも正方形の一部、少なくとも矩形の一部、およびそれらの組み合わせ、からなる群から選択された形状を有する横断面を有しており、前記流路の横断面積は、前記開始点から前記終点まで減少している、請求項１記載のエーロゾルフリー型ベッセル。
3. 前記流路を覆う蓋を更に含む、請求項１記載のエーロゾルフリー型ベッセル。
4. 前記流路が、螺旋または蛇行した形状を有する管である、請求項１記載のエーロゾルフリー型ベッセル。
5. 上部表面をさらに含み、前記ベッセルの前記上部表面が、円形、楕円、正方形、矩形、蛇行した形状、およびそれらの組み合わせから選択された形状を有する、請求項１記載のエーロゾルフリー型ベッセル。
6. 前記流路の前記開始点が、前記エーロゾルフリー型ベッセルに入るエーロゾルを低減するようにスクリーンを含む、請求項１記載のエーロゾルフリー型ベッセル。
7. 蒸気への相転移を促進するためのヒータを更に含む、請求項１記載のエーロゾルフリー型ベッセル。
8. 前記エーロゾルフリー型ベッセルを容器の蓋または少なくとも１つの他のエーロゾルフリー型ベッセルに取り付けるための、取り付け用の穴をさらに含む、請求項１記載のエーロゾルフリー型ベッセル。
9. 化学前駆体をプロセス装置へと供給するための容器であって、
   側壁、
   基底部、
   蓋、
   前記蓋に取り付けられた、少なくとも１つの、請求項１〜８のいずれか１項記載のエーロゾルフリー型ベッセル、
   前記蓋を通過する入口管、ならびに、
   前記蓋を通過する出口、
   を含んでなり、
   前記出口が、最後の前記エーロゾルフリー型ベッセルの前記出口と流体連結されている、
   容器。
10. 化学前駆体をプロセス装置へ貯蔵および供給するための装置であって、
    化学前駆体をプロセス装置へと供給するための容器であって、
    側壁、
    基底部、
    蓋、
    前記蓋に取り付けられた、少なくとも１つの、請求項１〜８のいずれか１項記載のエーロゾルフリー型ベッセル、
    前記蓋を通過する入口管、ならびに、
    前記蓋を通過する出口、
    を含んでなり、
    前記出口が、最後の前記エーロゾルフリー型ベッセルの前記出口と流体連結されている、
    を含む容器、ならびに、
    前記容器の前記出口からの化学前駆体の蒸気、
    含んでなる、装置。
11. 化学前駆体をプロセス装置へ貯蔵および供給するための方法であって、
    請求項１０記載の装置を準備する工程、ならびに、
    前記化学前駆体の前記蒸気を、前記容器の前記出口から前記プロセス装置へと供給する工程、
    を含んでなる、方法