特開 2024-115901 原子層堆積装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024115901

(43)【公開日】2024-08-27

(54)【発明の名称】原子層堆積装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 16/455 20060101AFI20240820BHJP

   C23C 16/18 20060101ALI20240820BHJP

【ＦＩ】

C23C16/455

C23C16/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023021800

(22)【出願日】2023-02-15

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山下 秀一

(72)【発明者】

【氏名】大西 真司

(72)【発明者】

【氏名】片山 雅之

【テーマコード（参考）】

4K030

【Ｆターム（参考）】

4K030AA11

4K030AA14

4K030AA18

4K030BA01

4K030BA02

4K030BA42

4K030BA43

4K030CA04

4K030CA12

4K030EA01

4K030EA12

4K030FA10

4K030JA10

(57)【要約】

【課題】原料ガスの回収効率を向上できるＡＬＤ装置を提供する。
【解決手段】被対象物１が配置され、所定温度に加熱された状態で被対象物１に薄膜層２を成長させる反応チャンバ１１と、反応チャンバ１１に原料ガスを供給する原料ガス供給部２１と、反応チャンバ１１に反応ガスを供給する反応ガス供給部２３と、反応チャンバ１１からガスを排気する第１排気管７１と、第１排気管７１に備えられた捕集部３０と、捕集部３０に備えられ、捕集部３０のガスを排気する第２排気管７２と、を備え、薄膜層２を成長させる際、原料ガスおよび反応ガスが反応チャンバに順に供給され、捕集部３０は、容器３１１と、容器３１１に配置された粉体とを有する捕集器３１と、薄膜層２を成長させる際に捕集器３１を反応チャンバ１１の温度以上に加熱する加熱部３２と、を有する構成とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子層堆積装置であって、
被対象物（１）が配置され、所定温度に加熱された状態で前記被対象物に薄膜層（２）を成長させる反応チャンバ（１１）と、
前記反応チャンバに原料ガスを供給する原料ガス供給部（２１）と、
前記反応チャンバに反応ガスを供給する反応ガス供給部（２３）と、
前記反応チャンバからガスを排気する第１排気管（７１）と、
前記第１排気管に備えられた捕集部（３０）と、
前記捕集部に備えられ、前記捕集部のガスを排気する第２排気管（７２）と、を備え、
前記薄膜層を成長させる際、前記原料ガスおよび前記反応ガスが前記反応チャンバに順に供給され、
前記捕集部は、容器（３１０）と、前記容器に配置された粉体（３１３）とを有する捕集器（３１）と、前記薄膜層を成長させる際に前記捕集器を前記反応チャンバの温度以上に加熱する加熱部（３２）と、を有する原子層堆積装置。

【請求項2】

前記反応ガス供給部は、供給管（６４）を介して前記捕集器と接続され、前記薄膜層を成長させる際、前記捕集器にも前記供給管を介して前記反応ガスを供給する請求項１に記載の原子層堆積装置。

【請求項3】

前記第１排気管は、前記薄膜層を成長させる際、前記反応チャンバおよび前記捕集部よりも低温とされる請求項１に記載の原子層堆積装置。

【請求項4】

前記粉体は、金属酸化物、金属窒化物、または、前記原料ガスに含まれる金属成分を含む材料である請求項１に記載の原子層堆積装置。

【請求項5】

前記捕集器は、一端部および他端部が開口部とされた前記容器と、前記一端部側に配置される第１フィルタ部（３１１）と、前記他端部側に配置される第２フィルタ部（３１２）と、前記粉体とを有し、前記一端部側が天地方向における天側となると共に前記他端部側が前記天地方向における地側となる状態で配置され、
前記第１排気管は、前記第２フィルタ部側に備えられ、
前記第２排気管は、前記第１フィルタ部側に備えられている請求項１に記載の原子層堆積装置。

【請求項6】

前記捕集器は、一端部が開口部とされた有底筒状の前記容器と、前記一端部側に配置されるフィルタ部（３１１）と、前記粉体とを有し、前記一端部側が天地方向における天側となる状態で配置され、
前記第１排気管は、前記フィルタ部側から先端部が前記粉体内に埋設される状態で配置され、
前記第２排気管は、前記フィルタ部側に備えられている請求項１に記載の原子層堆積装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、原子層堆積装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、原子装置堆積（以下では、ＡＬＤともいう）装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、ＡＬＤは、Atomic Layer Depositionの略である。具体的には、このＡＬＤ装置は、反応チャンバと、反応チャンバに原料ガスを供給する原料ガス供給部、および反応チャンバに反応ガスを供給する反応ガス供給部を備えている。また、ＡＬＤ装置は、排気ポンプと反応チャンバとを繋ぐ排気管を備え、排気管には、多孔質体を含む捕集器が備えられている。

【0003】

このようなＡＬＤ装置では、捕集器において、反応チャンバで未反応となった原料ガスが吸着すると共に、吸着した原料ガスが反応ガスと反応して薄膜層を構成する。そして、捕集器で成長させられた薄膜層は、次回以降の薄膜層を成長させる際の原料ガスを構成する材料として再利用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５２８４２９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記のＡＬＤ装置では、捕集器の温度について特に考慮されていないため、捕集器での薄膜層の生成が不十分になる可能性がある。つまり、原料ガスを効率的に回収できない可能性がある。

【0006】

本発明は上記点に鑑み、原料ガスの回収効率を向上できるＡＬＤ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するための請求項１は、ＡＬＤ装置であって、被対象物（１）が配置され、所定温度に加熱された状態で被対象物に薄膜層（２）を成長させる反応チャンバ（１１）と、反応チャンバに原料ガスを供給する原料ガス供給部（２１）と、反応チャンバに反応ガスを供給する反応ガス供給部（２３）と、反応チャンバからガスを排気する第１排気管（７１）と、第１排気管に備えられた捕集部（３０）と、捕集部に備えられ、捕集部のガスを排気する第２排気管（７２）と、を備え、薄膜層を成長させる際、原料ガスおよび反応ガスが反応チャンバに順に供給され、捕集部は、容器（３１０）と、容器に配置された粉体（３１３）とを有する捕集器（３１）と、薄膜層を成長させる際に捕集器を反応チャンバの温度以上に加熱する加熱部（３２）と、を有する。

【0008】

これによれば、薄膜層を成長させる際、捕集器が反応チャンバの温度以上に加熱されるため、粉体の表面に原料ガスを吸着させ易くなる。また、捕集器で粉体の表面に吸着した原料ガスと反応ガスを反応させ易くなる。したがって、捕集器の粉体に薄膜層を成長させ易くなり、粉体に成長した薄膜層から得られる原料ガスの回収効率を向上できる。

【0009】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態におけるＡＬＤ装置の模式図である。

【図2】捕集器の構成を示す模式図である。

【図3】薄膜層を成長させる際のタイミングチャートである。

【図4】第２実施形態におけるＡＬＤ装置の模式図である。

【図5】第３実施形態における捕集器の構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0012】

（第１実施形態）
第１実施形態のＡＬＤ装置について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、ＡＬＤ装置を用いて酸化ルテニウムの薄膜層を成膜する例について説明する。但し、成長させる薄膜層は、適宜変更可能であり、例えば、アルミナの薄膜層等であってもよい。

【0013】

ＡＬＤ装置は、図１に示されるように、成膜部１０、原料ガス供給部２１、パージガス供給部２２、反応ガス供給部２３、捕集部３０、および排気ポンプ４０等を備えている。

【0014】

成膜部１０は、反応チャンバ１１および加熱部１２等を備えている。反応チャンバ１１は、基板１が配置されて基板１上に薄膜層２を成長させるものである。なお、基板１は、例えば、シリコン基板等が用いられる。本実施形態では、基板１が被対象物に相当する。加熱部１２は、反応チャンバ１１内が所定温度となるように反応チャンバ１１を加熱するものであり、例えば、電熱ヒータ等で構成される。

【0015】

原料ガス供給部２１は、第１開閉弁５１を備えた第１供給管６１を介して原料ガスを反応チャンバ１１に供給できるように備えられている。パージガス供給部２２は、第２開閉弁５２を備えた第２供給管６２を介してパージガスを反応チャンバ１１に供給できるように備えられている。反応ガス供給部２３は、第３開閉弁５３を備えた第３供給管６３を介して反応ガスを反応チャンバ１１に供給できるように備えられている。

【0016】

なお、原料ガス供給部２１は、本実施形態では、Ｎ_２で希釈したＲｕ（ＥｔＣｐ）_２を反応チャンバ１１に供給する。ＥｔＣＰは、ethylcyclopentadienyl（エチルシクロペンタジエニル）の略である。パージガス供給部２２は、本実施形態では、Ｎ_２を反応チャンバ１１に供給する。反応ガス供給部２３は、本実施形態では、Ｏ_２を反応チャンバ１１に供給する。

【0017】

捕集部３０は、捕集器３１および加熱部３２等を備えている。捕集器３１は、構成については後述するが、第４開閉弁５４を備えた第１排気管７１を介して反応チャンバ１１に備えられている。加熱部３２は、捕集器３１内が所定温度となるように捕集器３１を加熱するものであり、例えば、電熱ヒータ等で構成される。

【0018】

なお、第１排気管７１は、薄膜層２を成長させる際には、反応チャンバ１１および捕集器３１よりも低温となる状態とされる。例えば、第１排気管７１は、長さが調整されることにより、自然冷却によって反応チャンバ１１および捕集器３１よりも低温となる状態とされる。また、第１排気管７１は、例えば、冷却水等が循環する冷却部が近傍に配置され、冷却部で冷却されることにより、反応チャンバ１１および捕集器３１よりも低温となる状態とされる。

【0019】

排気ポンプ４０は、反応チャンバ１１内を所定圧力に維持するものであり、第２排気管７２を介して捕集器３１に接続されている。つまり、排気ポンプ４０は、第１排気管７１、捕集器３１、第２排気管７２を介して反応チャンバ１１に接続されている。

【0020】

ここで、本実施形態の捕集器３１の構成について、図２を参照しつつ説明する。

【0021】

捕集器３１は、図２に示されるように、一端部および他端部が開口している筒状の容器３１０と、容器３１０の一端部側を閉塞する第１フィルタ部３１１と、容器３１０の他端部側を閉塞する第２フィルタ部３１２と、容器３１０内に配置される粉体３１３と、を有する構成とされている。第１フィルタ部３１１および第２フィルタ部３１２は、多孔質体で構成されている。但し、第１フィルタ部３１１および第２フィルタ部３１２は、多孔質体における孔部の大きさが、粉体３１３が漏れ出ない大きさとされている。このような第１フィルタ部３１１および第２フィルタ部３１２は、例えば、金属焼結体等で構成される。

【0022】

粉体３１３は、化学的に安定な金属酸化物、金属窒化物、原料ガスに含まれる金属成分を有する材料等で構成される。金属酸化物としては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア等が挙げられる。金属窒化物としては、例えば、窒化アルミニウム等が挙げられる。原料ガスに含まれる金属成分を有する材料は、上記のように原料ガスがＲｕ（ＥｔＣｐ）_２を含む場合、ルテニウムが挙げられる。

【0023】

なお、粉体３１３とは、固体微粉子の集合体ということもできる。そして、粉体３１３は、後述するように反応チャンバ１１で未吸着となった原料ガスが吸着されるものであり、より多くの原料ガスを吸着できるように、吸着可能な表面積が基板１よりも大きくされることが好ましい。

【0024】

本実施形態の捕集器３１は、第１フィルタ部３１１が天地方向における天側に向けて配置され、第２フィルタ部３１２が天地方向における地側に向けて配置される。そして、捕集器３１には、第２フィルタ部３１２に第１排気管７１が接続され、第１フィルタ部３１１に第２排気管７２が接続される。これにより、捕集器３１に供給されるガスの圧力損失を低減できる。すなわち、捕集器３１では、地側に位置する第２フィルタ部３１２側からガスが供給されることにより、粉体３１３を構成するそれぞれの固体微粒子は、ガスによって浮上した状態となり易い。このため、例えば、第１フィルタ部３１１側からガスを供給する場合と比較して、ガスが容器３１０を通過し易くなり、圧力損失が大きくなることを抑制できる。したがって、ガスの排気をし易くなり、ガスの切り替え時に必要な時間を削減できることによって製造時間の短縮化を図ることができる。

【0025】

以上が本実施形態におけるＡＬＤ装置の構成である。次に、上記ＡＬＤ装置を用いた薄膜層２の製造方法について、図３を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、酸化ルテニウムで構成される薄膜層２を成長させる例について説明する。また、本実施形態では、上記のように、原料ガスは、Ｎ_２で希釈したＲｕ（ＥｔＣｐ）_２であり、パージガスは、Ｎ_２であり、反応ガスは、Ｏ_２である。

【0026】

まず、排気ポンプ４０を作動させて反応チャンバ１１内を所定圧力としつつ、加熱部１２を作動させて反応チャンバ１１が３００℃となるようにする。また、加熱部３２を作動させ、捕集器３１の温度が反応チャンバ１１の温度以上となるようにする。例えば、捕集器３１は、反応チャンバ１１と同様に、３００℃とされる。

【0027】

そして、時点Ｔ１において、第１開閉弁５１、第４開閉弁５４、第５開閉弁５５を開状態とし、反応チャンバ１１に原料ガスを供給する。これにより、反応チャンバ１１では、基板１の表面に一層分の原料ガスが吸着される。また、第１排気管７１から未反応の原料ガスが捕集器３１に供給され、捕集器３１では、粉体３１３の表面に原料ガスが吸着される。この際、本実施形態では、捕集器３１が反応チャンバ１１の温度以上に加熱されるため、粉体３１３の表面に原料ガスを吸着させ易くなる。

【0028】

続いて、時点Ｔ２において、第１開閉弁５１を閉状態とし、原料ガスの供給を停止する。そして、時点Ｔ３において、第２開閉弁５２、第４開閉弁５４、第５開閉弁５５を開状態とし、反応チャンバ１１にパージガスを供給する。これにより、反応チャンバ１１内に残存する未反応の原料ガスが捕集器３１に供給され、捕集器３１では、さらに粉体３１３の表面に原料ガスが吸着される。

【0029】

その後、時点Ｔ４において、第２開閉弁５２を閉状態とし、パージガスの供給を停止する。次に、時点Ｔ５において、第３開閉弁５３、第４開閉弁５４、第５開閉弁５５を開状態とし、反応チャンバ１１に反応ガスを供給する。これにより、反応ガスが基板１の表面に吸着された原子層と反応して一層分の薄膜層２が形成される。また、第１排気管７１から未反応の反応ガスが捕集器３１に供給され、捕集器３１では、反応ガスが粉体３１３の表面に吸着された原子層と反応して薄膜層が形成される。この際、捕集器３１が反応チャンバ１１の温度以上に加熱されるため、粉体３１３の表面に吸着された原料ガスを反応ガスに反応させ易くなる。

【0030】

また、反応チャンバ１１から反応ガスを排気する際、反応ガスは、原料ガスが排気される第１排気管７１から排気される。つまり、反応ガスは、原料ガスと共通の第１排気管７１から排気される。このため、本実施形態では、第１排気管７１が反応チャンバ１１および捕集器３１よりも低温となるようにしている。これにより、第１排気管７１で原料ガスと排気ガスとが反応することを抑制でき、第１排気管７１が閉塞することを抑制できる。

【0031】

その後、時点Ｔ６において、第３開閉弁５３を閉状態とし、反応ガスの供給を停止する。そして、時点Ｔ７にて、第２開閉弁５２、第４開閉弁５４、第５開閉弁５５を開状態とし、反応チャンバ１１にパージガスを供給する。これにより、反応チャンバ１１内に残存する未反応の反応ガスが捕集器３１に供給され、捕集器３１では、薄膜層に成長しなかった原料ガスが反応ガスと反応して薄膜層が形成される。その後、時点Ｔ８において、第２開閉弁５２を閉状態とし、パージガスの供給を停止する。

【0032】

その後は、時点Ｔ１～Ｔ８の作動を繰り返すことにより、基板１上に所望の厚さの薄膜層２が成長させられる。

【0033】

また、捕集器３１で成長させられた薄膜層は、詳細は省略するが、ウェットエッチング等によって粉体３１３と分離した後に有機金属に変換される。そして、変換された有機金属は、再び原料ガス供給部２１から反応チャンバ１１へと供給される原料ガスを生成するのに用いられる。つまり、捕集器３１で成長させられた薄膜層は、再利用される。言い換えると、反応チャンバ１１に供給されたものの未反応となった原料ガスが再利用される。

【0034】

以上説明した本実施形態によれば、薄膜層２を形成する際には、捕集器３１が反応チャンバ１１の温度以上に加熱される。このため、捕集器３１において、粉体３１３の表面に原料ガスを吸着させ易くなる。また、捕集器３１において、粉体３１３の表面に吸着した原料ガスと反応ガスを反応させ易くなる。したがって、捕集器３１の粉体３１３に薄膜層を成長させ易くなり、粉体３１３に成長した薄膜層から得られる原料ガスの回収効率を向上できる。

【0035】

（１）本実施形態では、薄膜層２を形成する際には、第１排気管７１が反応チャンバ１１および捕集器３１よりも低温となるようにしている。このため、第１排気管７１で原料ガスと排気ガスとが反応することを抑制でき、第１排気管７１が閉塞することを抑制できる。

【0036】

（２）本実施形態では、粉体３１３は、金属窒化物、金属酸化物、または原料ガスに含まれる金属成分を含む材料で構成されている。このため、捕集器３１で成長させた薄膜層２をウェットエッチング等によって容易に分離し易くなる。したがって、原料ガスの回収効率を向上しつつ、製造工程の簡略化を図ることもできる。

【0037】

（３）本実施形態では、捕集器３１は、第１フィルタ部３１１が天地方向における天側に向けて配置され、第２フィルタ部３１２が天地方向における地側に向けて配置される。そして、捕集器３１には、第２フィルタ部３１２に第１排気管７１が接続され、第１フィルタ部３１１に第２排気管７２が接続される。このため、捕集器３１に供給されるガスが容器３１０を通過し易くなり、圧力損失が大きくなることを抑制できる。したがって、ガスの排気をし易くなり、ガスの切り替え時に必要な時間を削減できることによって製造時間の短縮化を図ることができる。

【0038】

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、反応ガス供給部２３を捕集器３１にも接続したものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0039】

本実施形態のＡＬＤ装置では、図４に示されるように、反応ガス供給部２３は、第３供給管６３と連結された第４供給管６４を介して捕集器３１にも接続されている。つまり、反応ガス供給部２３は、反応チャンバ１１に反応ガスを供給して基板１上に薄膜層２を成長させる際、捕集器３１にも反応ガスを供給できるようになっている。

【0040】

以上説明した本実施形態によれば、薄膜層２を形成する際には捕集器３１が反応チャンバ１１の温度以上に加熱されるため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0041】

（１）本実施形態では、反応ガス供給部２３が捕集器３１にも接続されている。そして、薄膜層２を成長させる際には、捕集器３１にも反応ガスが直接供給される。このため、捕集器３１で薄膜層２を成長させ易くなり、粉体３１３に吸着した原料ガスが未反応となることを抑制できる。したがって、原料ガスの回収効率をさらに向上できる。

【0042】

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、捕集器３１の構成を変更したものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0043】

本実施形態の捕集器３１は、図５に示されるように、容器３１０が有底円筒状とされている。つまり、容器３１０は、一端部が開口部とされ、他端部が容器３１０の底部で構成されている。そして、容器３１０には、開口部を閉塞するように、第１フィルタ部３１１が配置されている。

【0044】

第１排気管７１は、第１フィルタ部３１１側から先端が粉体３１３に埋設されるように配置されている。つまり、第１排気管７１は、第１排気管７１から供給されるガスが粉体３１３内に供給されるように配置されている。言い換えると、第１排気管７１は、第１排気管７１から供給されるガスによって粉体３１３が流動するように配置されている。

【0045】

以上説明した本実施形態によれば、薄膜層２を形成する際には捕集器３１が反応チャンバ１１の温度以上に加熱されるため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0046】

（１）本実施形態のように、第１排気管７１の先端を粉体３１３に埋設するようにし、第１排気管７１から供給されるガスによって粉体３１３が流動するようにしても、粉体３１３による圧力損失を低減できる。

【0047】

（他の実施形態）
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【0048】

例えば、上記各実施形態において、パージガス供給部２２は備えられていなくてもよい。

【0049】

また、上記各実施形態において、加熱部１２および加熱部３２の構成は適宜変更可能である。

【0050】

さらに、上記各実施形態において、粉体３１３は、金属酸化物、金属窒化物、または、原料ガスに含まれる金属成分を含む材料以外で構成されていてもよい。但し、粉体３１３は、成長した薄膜層と分離し易い材料で構成されることが好ましい。

【0051】

そして、上記各実施形態を適宜組み合わせることもできる。例えば、上記第２実施形態を上記第３実施形態に組み合わせ、第４供給管６４を備えつつ、捕集部３０の構成を上記第３実施形態の構成に変更してもよい。

【符号の説明】

【0052】

１ 基板
２ 薄膜層
２１ 原料ガス供給部
２３ 反応ガス供給部
３０ 捕集部
３１ 捕集器
３２ 加熱部
７１ 第１排気管
７２ 第２排気管
３１１ 容器
３１３ 粉体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】