JP4097372B2 - High concentration ozone-containing gas storage method, high concentration ozone-containing gas storage device, oxidation treatment method and oxidation treatment device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高濃度オゾン含有ガスを貯蔵する高濃度オゾン含有ガスの貯蔵方法と高濃度オゾン含有ガスの貯蔵装置、及び貯蔵した高濃度オゾンガスを用いて効率よく各種の酸化処理を行う酸化処理方法と酸化処理装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、オゾン(元素記号:O3)の強い酸化力を利用した酸化処理が、上下水処理を始めとする種々の分野で進展しており、中でも半導体素子の製造分野では、Siウエーハ洗浄やTEOS−CVD( Tetra Ethyl Ortho Silicate-Chemical Vapor Deposition)への適用が検討されつつある。
【0003】
Siウエーハ洗浄は、オゾンガスを純水に溶かしたオゾン水を洗浄液として用いるもので、希ふっ酸水溶液等と併用することでSiウエーハ上の重金属や有機物を除去できることが発表されている。
【0004】
また、TEOS−CVDは、半導体素子を多層配線化する際の層間絶縁膜の形成に用いられ、電極によるウエーハ表面の凹凸を絶縁膜で平坦化できることが特長であり、このTEOS−CVDにオゾンを添加することによって平坦化の性能が向上することが報告されている。
【0005】
これらの発表や報告は、10%程度の比較的低濃度のオゾンガスを利用した例であるが、80%以上の比較的高濃度のオゾンガスを利用することで、従来の低濃度オゾンガスの利用では考えられなかった新たな応用の可能性が指摘され始めており、その一例として特開平8−335576号公報に半導体デバイス等のシリコン酸化膜の形成が開示されている。そして、この公開公報によれば、比較的高濃度のオゾンガスを利用することで、従来の熱酸化法では為し得ない室温等の比較的低温での酸化膜形成が可能で、亜酸化層や欠陥構造の少ない良質な酸化膜の形成が可能となることが紹介されている。
【0006】
図15に示す装置に基づいて、従来のシリコン酸化膜の形成方法について説明する。図中、20は真空チャンバー、21は高純度オゾン発生装置、22は高純度オゾンを真空チャンバー20に供給するための輸送管である。
【0007】
先ず、第一工程として、例えば白木法により、被酸化試料27の表面を化学的に水素終端処理を行う。白木法に代え、試料表面の7×7清浄面を出した後、真空チェンバ20内で試料温度380℃に保って試料27を水素ガスに露出し(水素ガス供給系は図示省略)、一方で試料27に対向する位置に設けたタングステンフィラメント(図示せず)を高温加熱して水素分子を原子状に解離させることでも水素終端処理が図れる。ただし、900℃にも及ぶような従来の熱酸化法における高温環境に比せば十分に低いとは言え、380℃程度の温度でも試料27を加熱することが望ましくない場合には、前者の白木法等、化学的手法による方が望ましい。このようにして水素終端処理された試料27の表面は極めて平滑であり、原子層オーダで平坦である。
【0008】
そして、第二の工程として、図15に示すように、オゾン発生装置21にて発生させた高純度オゾンを、輸送管22を介してビーム状のオゾンジェット23として真空チェンバー20内に導き、被酸化試料27に吹き付けることで酸化処理を行うことで、亜酸化層や欠陥構造の少ない良質な酸化膜を形成することができる。
【0009】
ここで、高純度オゾン発生装置21としては、オゾンと酸素との低温における蒸気圧の差を利用することによりほぼ100%の純オゾンを貯蔵,発生させる方法が知られており、その一例として、発生したオゾンガスを一旦液化貯蔵して、その後気化させることによりほぼ100%の高濃度オゾンガスを生成する特公平5−17164号公報に紹介されている装置を用いることがでる。
【0010】
そして、このような高純度オゾン発生装置を用いることにより、真空チェンバー20内に導入された時の状態で80%以上の高いオゾン濃度を得ることができ、オゾンジェット23の照射時間も1mS単位で制御可能である外、オゾンジェット23の圧力変動も10%程度以内に抑えることができる。
【0011】
なお、25は試料表面の分析等を行うXPS(X-ray photoemission spectroscopy)解析装置であり、24はX線源,26はX線であり、この種酸化処理装置の周辺機器として設けられているものである。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、オゾン生成装置でほぼ100%の高濃度オゾンガスを発生できたとしても、輸送管を経由する間に20%程度は酸素に分解してしまう。但し、ここでの分解は輸送管をできる限り太く且つ短くすることで、ある程度のオゾン分解率を下げることは可能である。
【0013】
しかし、真空チャンバー内に吹き出したオゾンガスは拡散により広がるため、実際に被酸化試料上に衝突、反応する成分は一部である。そして、効率を上げるためには、配管口先端から被酸化試料までの距離をなるべく近づけるしか方法はない。
【0014】
また、オゾンジェットを被酸化試料に吹き付ける方法を用いる装置では、真空チャンバー内に取り付けてある表面分析装置への影響等の関係から、真空度をある値以上に悪くできない、真空ポンプなどに酸化力の強いオゾンガスによる負荷をかけたくない等の理由でどうしてもオゾン供給量(供給速度)に限界があり、いくら酸化力の強いオゾンでも被酸化試料が室温では数原子層(数nm)の酸化に10時間以上かかってしまい、高速に酸化を起こすためには被酸化試料を数百度に過熱することが必要となる。
【0015】
以上のように、従来の吹きつけ法では一定割合分解したオゾンガスしか供給できず、また供給量、供給速度に制限があり、さらにガスの有効利用率が低かったことから、オゾンガスの強い酸化力を利用しても従来の酸素ガスによる熱酸化膜に対して優位な酸化膜を形成することが困難であった。
【0016】
そこで本発明はこれらの問題を解決し、オゾンガス濃度低下を防止すると共にその強い酸化力を有効に利用することができる高濃度オゾン含有ガスの貯蔵方法と高濃度オゾン含有ガスの貯蔵装置、及び酸化処理方法と酸化処理装置を提供するものである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
第1発明は、真空チャンバー内に配置されたオゾンに対して不活性で且つ熱伝導性の良い材料から成るターゲット基板を冷却する工程と、ターゲット基板上に高純度オゾンガスを供給することで高純度オゾンガスをターゲット基板上に固体オゾンとして吸着する工程と、高純度オゾンガスの供給を止めると共にターゲット基板温度をオゾン蒸気圧が真空チャンバー内の圧力と同じになるまで昇温することによりターゲット基板上に吸着していたオゾン以外のガスを除去する工程を有することを特徴とする高濃度オゾン含有ガスの貯蔵方法に関する。
【0018】
第2発明は、第1発明のオゾンガス以外のガスを除去する工程において、ターゲット基板温度を40〜60Kに昇温することを特徴とする。
【0019】
第3発明は、第1又は第2発明のターゲット基板は透光性を有することを特徴とする。ここで使用できる基板としては、サファイア,溶融石英,フッ化カルシウム,フッ化マグネシウム,フッ化リチウム,方解石等を用いることが可能であり、塩化カリウム,塩化ナトリウム,臭化カリウム,水晶,ダイアモンド,フッ化ナトリウム,フッ化バリウム,ベリリウム等についても使用できる可能性が考えられる。
【0020】
第4発明は、第1乃至第3発明のいずれか一つの発明のターゲット基板として、最適と考えられるサファイア基板を用いたことを特徴とする。
【0021】
第5発明は、真空チャンバー内に配置されたオゾンに対して不活性で且つ熱伝導性の良い材料から成るターゲット基板と、ターゲット基板を冷却する冷却手段と、ターゲット基板上に高純度のオゾンガスを供給する輸送管と、ターゲット基板の温度を昇温する加熱手段を有することを特徴とする。
【0022】
第6発明は、第5発明のターゲット基板は透光性を有することを特徴とする。ここで使用できる基板としては、サファイア,溶融石英,フッ化カルシウム,フッ化マグネシウム,フッ化リチウム,方解石等を用いることが可能であり、塩化カリウム,塩化ナトリウム,臭化カリウム,水晶,ダイアモンド,フッ化ナトリウム,フッ化バリウム,ベリリウム等についても使用できる可能性が考えられる。 第7発明は、第5及び第6発明の高濃度オゾン含有ガスの貯蔵装置において、最適と考えられるサファイア基板を用いたことを特徴とする。
【0023】
第8発明は、第1乃至第4発明のいずれか一つの発明の高濃度オゾン含有ガスの貯蔵方法により貯蔵した固体オゾン表面にレーザ光を照射してアブレーションを行うことにより、真空チャンバー内にターゲット基板と対向配置した被酸化試料表面に向けてオゾンビームを照射する工程とから成る酸化処理方法に関する。
【0024】
第9発明は、第8発明におけるレーザ光として、オゾンの吸収が強く起こる紫外光付近の200〜370nmの波長を有することを特徴とする。また、オゾンの吸収スペクトルの最も強い220〜300nm(Hartleyバンド)が更に好ましいと考えられる。
【0025】
第10発明は、第7及び第8発明におけるレーザ光の絞り,照射位置、又はターゲット基板と被酸化試料との距離を調節することによって、被酸化試料の酸化領域を調整することを特徴とする。
【0026】
第11発明は、第1乃至第4発明のいずれか一つの発明の記載の高濃度オゾン含有ガスの貯蔵方法により貯蔵した固体オゾンを、ターゲット基板の温度をオゾン蒸気圧が真空チャンバー圧力より高くなる温度まで上昇させて気化させることにより、オゾンガスとして真空チャンバー内にターゲット基板と対向配置した被酸化試料表面に向けて導く工程とから成る酸化処理方法に関する。
【0027】
第12発明は、第5乃至第7発明のいずれか一つの発明の高濃度オゾン含有ガスの貯蔵装置の真空チャンバー内にターゲット基板と対向して被酸化試料を配置し、ターゲット基板表面へレーザ光を照射するレーザ光照射装置を設けて構成したことを特徴とする酸化処理装置に関する。
【0028】
第13発明は、第12発明の酸化処理装置において、レーザ光照射装置を真空チャンバー外に配置し、真空チャンバーにレーザ光を透過し且つ前記真空チャンバー内の真空状態を保持する窓を形成し、レーザ光照射装置からのレーザ光をこの窓を介してターゲット基板に照射するよう構成したことを特徴とする。
【0029】
第14発明は、第12発明の酸化処理装置において、レーザ光照射装置を真空チャンバー外に配置し、真空チャンバー内の真空状態を保持した状態で真空チャンバーを貫通する光ファイバーを設け、レーザー光照射装置からのレーザ光を光ファイバーを介してターゲット基板に照射するよう構成したことを特徴とする。
【0030】
第15発明は、第5乃至第7発明のいずれか一つの発明の高濃度オゾン含有ガスの貯蔵装置の真空チャンバー内において、ターゲット基板と対向して被酸化試料を配置することを特徴とする酸化処理装置に関する。
【0031】
第16発明は、第15発明の酸化処理装置において、ターゲット基板を底面として、オゾンに対して不活性で且つ熱伝導性の良い材料により、上方に被酸化試料に対応した開口部を有する拡散防止室を形成し、前記拡散防止室と輸送管とを連通して構成したことを特徴とする。
【0032】
第17発明は、第16発明の酸化処理装置におけるオゾンに対して不活性で且つ熱伝導性の良い材料としてアルミニウムを用いたことを特徴とする。
【0033】
第18発明は、請求項12乃至17のいずれか一つの発明に記載の酸化処理装置において、真空チャンバー内で被酸化試料を移動する移動手段を有することを特徴とする。
【0034】
第19発明は、第18発明における移動手段としてマニプレータを用いたことを特徴とする。
【0035】
【発明の実施の形態】
出願人等は、組成,運動量の制御された指向性の高いオゾンビームを被酸化試料表面に供給することができれば、さらにオゾンの利点を引き出すことができると考え、高い並進エネルギーを持った粒子放出が確認されているレーザアブレーションプロセスに着眼した。
【0036】
そして、先ずオゾンを一旦固体化し、アブレーション条件を変えたときに生じるビームの組成,運動量を分析し、金属銅の酸化実験を試みた。
【0037】
図1に実験装置の概略を示す。図1中、1は真空チャンバ−であり、2はオゾン発生装置(図示省略)にて発生させた高純度オゾンを供給する輸送管である。3はレーザ光を照射するレーザ光照射装置として用いるエキシマレーザであり、レーザ光源にはKrFエキシマレーザを用いた。4はターゲット基板であり、本実施形態においてはオゾンとの相互作用が少なくレーザ光を吸収しないサファイアを用いている。このターゲット基板4は熱伝導度がよくオゾンガスと反応しない材質が好ましく、ターゲット基板4の材質としてはサファイアが最も好ましいが、溶融石英,フッ化カルシウム,フッ化マグネシウム,フッ化リチウム,方解石等を用いることが可能であり、塩化カリウム,塩化ナトリウム,臭化カリウム,水晶,ダイアモンド,フッ化ナトリウム,フッ化バリウム,ベリリウム等についても使用できる可能性が考えられる。また、オゾンとの反応の少ないガラス,アルミニウム等を用いることも考えられる。但し、固体オゾンが存在しない状態でのレーザー光照射の際の影響等を考慮すると、ターゲット基板としては、レーザー光を透過する透光性を有する材料である方が好ましい。
【0038】
5はターゲット基板4と熱的に結合した銅ブロックであり、ターゲット基板4はこの銅ブロック5を介して加熱手段であるヒーター6,冷却手段である冷凍機を有するコールドヘッド7と各々接続され、これらによってターゲット基板4の温度が制御される。8はターゲット基板4の温度を測定する温度計であり、9は放出される粒子の組成,速さ分布を測定するためにターゲット基板4と対向して設けられた四重極分析管(QMS)である。10はQMS9の出力(コレクタ電流)を増幅するプリアンプであり、11はデジタルオシロスコープである。
【0039】
なお、真空チャンバー1には、レーザ光を透過し且つ真空チャンバー1内の真空状態を保持する窓1aが形成されており、エキシマレーザ3からのレーザ光をこの窓を介してターゲット基板4上に照射されるよう構成されている。
【0040】
以上のように構成された実験装置を用いて、高純度オゾン発生装置から適量のオゾンガスを真空チャンバ−1内で50K程度に冷やされたサファイア基板4上に供給し、その後、サファイア基板4温度を任意の温度に保ったまま、エキシマレーザ3によりレーザ光をサファイア基板4表面45度の方向から照射し、レーザパルスごとに放出される粒子の組成,速さ分布をサファイア基板4に対向した位置に設けた四重極分析管(QMS)9で測定を行った。QMS9の出力(コレクタ電流)はプリアンプ10で増幅し、デジタルオシロスコープ11でレーザパルス印加からの時間の関数として記録した。S/N比向上のため100パルスの積算を行った。以下に、具体的な実験について説明する。
【0041】
先ず、にサファイア基板4上への固体オゾンを吸着させることを試み、その吸着量(成長速度),固体オゾンの純度を調べた。サファイア基板4温度を33Kに冷却して高純度オゾンガスを供給し始めると、サファイア基板4上に同心円状の干渉縞が出現し、時間の経過とともに縞数が増え外へ広がっていくのが確認できた。
【0042】
ここで、高純度オゾンを供給する高純度オゾン発生装置としては、前述の特公平5−17164号公報に紹介されている装置を用いたが、その他にモレキュラーシーブ等を用いてオゾン分子を一旦吸着貯蔵し、その後脱着気化させることで高純度オゾンを得る方法を利用した装置等を用いることもできる。
【0043】
次に、高純度オゾンガスの供給を止めその後ゆっくりサファイア基板4の温度を上げていくと図2に示す圧力変化が確認された。
【0044】
図2において、QMS9の(m/e=)32と48の信号強度比及び蒸気圧により、40K付近での圧力上昇は(輸送管2でのオゾン分解による)酸素によるものであり、また、60〜80Kでの圧力上昇はオゾンの気化によるものであることが確認された。また後者のQMS9の信号強度比から、純度60%以上のオゾンがサファイア基板4上に固体オゾンとして吸着していることが確認できた。
【0045】
十分な量の固体オゾンが吸着しているのを確認した後、エキシマレーザ3によりアブレーションを行い放出粒子の組成、速度分布等を調べた。その際レーザパワー密度、サファイア基板4温度を変えての実験も行った。
【0046】
図3にオゾン,酸素の典型的な速度分布(信号強度とレーザー印可からの時間との関係)を示す。図3からオゾンは略一定の速度をもって飛び出しているが、酸素はかなり早い成分から遅い成分までばらついているのがわかる。これはサファイア基板4に吸着した段階で酸素に分解したもの、アブレーション時に酸素に分解したもの、ビーム状態でQMS9に向かう途中で分解したもの、何度も真空チャンバ1の壁に衝突した後検出されたもの等があるためと考えられる。
【0047】
図4にレーザパワー密度を変えたときのオゾン速度分布の変化を示す。いずれの場合も300ms前後にピークを持っており、この速度分布は放出粒子が900Kという高温で熱平衡にあるものが並進してきている(ボルツマン近似)と考えると、実験結果はこれにほぼ一致した。なお、レーザパワー密度を弱くすると全体のオゾン放出量が減少しているが、依然として速い速度を持つ成分は存在していることがわかる。
【0048】
図5にサファイア基板4の温度を変えてレーザ光照射によるアブレーションを行ったときのオゾンと酸素の信号強度積算比の変化を示す。サファイア基板4の温度が下がるほどこの比は減少している。これは温度の低下に従い、サファイア基板4上の固体オゾンの純度が下がること以外に、アブレーション時のオゾン分解率が上がっているためと考えられる。
【0049】
以上の実験結果から出願人は、先ず、前記実験で用いたサファイア基板上への固体オゾンを吸着させ、固体オゾン吸着後にターゲット基板温度をオゾン蒸気圧が真空チャンバー内の圧力と同じになる温度(実験では40〜60Kが最適値)まで昇温することによりターゲット基板上に吸着していたオゾン以外のガスを除去してオゾンの濃度を向上することができ、この方法,構成により高濃度オゾン含有ガスの貯蔵方法,貯蔵装置が得られることを確認した。
【0050】
更に、レーザ光照射によるアブレーションの実験から、被酸化試料へ分解率の低い高温,高純度オゾンガスを供給し、オゾンガスを無駄なく最大限有効利用し、更にオゾンガス供給量、供給速度を厳密に制御できること、更に最適条件でオゾンガスを供給することにより、オゾンガスの酸化力の高さを有効に引き出すことができ、酸化処理装置として使用することができると考えた。以下に本実施形態に係る酸化処理装置について説明する。
(第1実施形態)
図6に基づいて本発明に係る酸化処理装置の第1実施形態を説明する。第1実施形態は、ターゲット基板上に吸着させた固体オゾンの気化にレーザ光照射を用いた酸化処理装置に関するものである。
【0051】
図中、1は真空チャンバーであり、2は高純度オゾン発生装置から真空チャンバー1内へ高純度オゾンガスを供給する輸送管である。3はレーザ光を照射するエキシマレーザであり、4はターゲット基板(本実施形態においてもサファイア基板を使用)、5は銅ブロック、6は加熱手段として用いるヒータ、7は冷却手段として用いる冷凍機である。なお、真空チャンバー1には、レーザ光を透過し且つ真空チャンバー1内の真空状態を保持する窓1aが形成されており、エキシマレーザ3からのレーザ光をこの窓を介してターゲット基板4に照射されるよう構成されている。また、冷凍機7としては、前述の実験と同様にコールドヘッドを有するものを用いても良い。12はオゾンガスの吹き出し口、13は高純度オゾン発生装置、14は酸化処理される被酸化試料である。更に、被酸化試料試料表面の分析等を行うXPS,X線源、及び真空チャンバーを真空とするための真空ポンプ等の周辺機器については図示及び説明を省略する。
【0052】
以上の構成で先ず、前述の実験と同様に真空チャンバー1内のオゾンガス吹き出し口12近く配置したサファイア基板4を銅ブロック5を介して冷凍機7によりオゾンの融点である80K以下で、かつ可能な限り下げる。温度としては、酸素の蒸気圧が真空チャンバー1内の圧力に比べ十分低くなる温度が良く、本実施形態においては33Kであった。
【0053】
そして、高純度オゾン発生装置13からの高純度のオゾンガスを、吹き出し口12よりサファイア基板4に向かって吹き付ける。この時、吹き出し口12がターゲット基板4の近くに設けてあるため、吹き出し口12から出てきたオゾンガスのほとんどを固体化してサファイア基板4上にトラップすることができるため、真空チャンバー1内の圧力上昇はほとんど引き起こすことなく、サファイア基板4上に必要十分な量のオゾン含有ガス(酸素含む)を吸着させることができる。 サファイア基板4にオゾンを吸着させている間被酸化試料14は、図6中点線で示すように、サファイア基板4の対向位置から遠ざけておくことが好ましい。なお、オゾン含有ガスを吸着する時間,ターゲット基板の大きさを変えるなどにより、その吸着量を調節することができる。
【0054】
必要な量の吸着が完了した後バルブを閉めてオゾンガスの供給を止め、サファイア基板4の温度をヒーター6により、オゾン蒸気圧が真空チャンバー1内の圧力と同等に高くなる温度(40〜60K)までゆっくり温度を上げた。これによりサファイア基板4上に吸着していたオゾン以外のガス(オゾンより融点の低いガス、特に酸素)を除去し、サファイア基板4上の固体オゾンの純度を上げることができる。
【0055】
次に、サファイア基板4の温度を一定に保った状態で、エキシマレーザ3によりサファイア基板4上の固体オゾンに一定周波数で発振(あるいは連続発振)させたレーザ光を、真空チャンバー1に形成した窓1aを介して照射する。照射するレーザ光としては、オゾンの吸収がもっとも大きい紫外光付近の波長を持つものが好ましく、具体的には200〜370nmが好ましく、オゾンの吸収スペクトルの最も強い220〜300nm(Hartleyバンド)等が更に好ましい。
【0056】
ところで、レーザ光をあるターゲットに照射した際に飛び出してくる粒子,イオンをターゲットに対向した基板上に成長させる方法はレーザアブレーション法として知られており、金属薄膜の形成にはよく用いられる。この方法はターゲットに存在する化学組成そのままの構成比の薄膜が形成できることで知られている。そして、オゾンの場合、光を吸収するといくらかの確率(数%)で(1)式に示す酸素への分解反応がおきてしまう。
【0057】
【数1】
O3+hn→O2+O(1D) …(1)
O(1D)は励起状態の原子状酸素
従って、酸化処理の際に高純度のオゾンガスを供給するには、図7に示すように「オゾン放出量−レーザエネルギー密度」,「ビームエネルギー−レーザエネルギー密度」の関係等を事前に調べ、レーザ光のエネルギー密度は最もオゾンの分解が起こらないところで行う必要がある。出願人等によるターゲット基板温度30K,照射面積9mm2の条件での実験においては、レーザエネルギー密度27mJ/cm2が最適値であることが確認できた。
【0058】
また、レーザアブレーション時のターゲット基板の温度もオゾンの分解確率に大きく影響を与え、出願人等の実験では前述の図5に示す結果のように、できる限りターゲット基板の温度を高くしたほうが分解率の少ないオゾンビームを取り出せることが確認されている。
【0059】
そして、レーザ光を照射して固体オゾンを気化させることにより、被酸化試料13にオゾンビームを照射して被酸化試料13の酸化処理を行ったところ、被酸化試料13の酸化初期における酸化速度が従来と比較して向上されていることが確認された。これは、レーザアブレーション法により飛び出してくる粒子群が、照射するレーザのエネルギー密度により高い並進エネルギーを持っていることから、この粒子が被酸化試料13表面と衝突した際にエネルギー交換をして被酸化試料13極表面温度が上昇したことにより酸化初期の酸化速度が向上されたものと考えられる。そして、被酸化試料13としてシリコンの酸化を行ったところ、従来の室温程度のエネルギーを持ったオゾンガスの吹き付け方法では、被酸化試料温度を数百℃まで上げないと現実的な時間での酸化は不可能であったが、このレーザアブレーション法ではオゾンガスビームが1000K程度の並進エネルギーを持って衝突するため被酸化試料温度が室温でも十分高速に初期酸化が進むことが確認できた。
【0060】
次に、レーザアブレーション法で飛び出してくる粒子群は指向性が高いことから、レーザの照射位置を変えることにより被酸化試料表面の一部のみを酸化することを試みた。図8に示すように被酸化試料13を可能な限りターゲット基板4に近づけ、ターゲット基板4の任意の場所で一定時間アブレーションを行ったところ、レーザの最小ビーム広がりと同程度の微細酸化膜パターン形成をすることができた。
【0061】
また、図9のように被酸化試料13の位置をなるべくターゲット基板4から遠ざけ、レーザの絞りを弱くしてターゲット基板4の広範囲でアブレーションを起こさせたところ、大口径の被酸化試料13全面を均一に酸化することができた。
【0062】
更に、エキシマレーザ3を任意の手段を、例えばガルバノミラー等を介在させるか、可動可能に支持することで、レーザ光の照射位置を固体オゾンが吸着しているターゲット基板上で走査させることができ、このように構成することでより広範囲の被酸化試料表面全体を酸化することができた。
【0063】
ここで、レーザ光を照射してアブレーションを行う面積と、放出オゾン量,オゾンビーム密度との関係を各々測定したところ、図10に示す結果が得られた。
【0064】
なお、実験条件としては、ターゲット基板温度30K,レーザエネルギー密度27mJ/cm2とした。図10の結果から、レーザ照射面積が4mm2より大きくなると放出オゾン量が照射面積にほぼ比例して増加すること、レーザー照射面積が大きくなると少しずつビーム純度が低下すること、が確認できた。このビーム純度の低下は、レーザが照射された極周辺部も微小に温度上昇して固体オゾンが気化を起こし、この影響によりビーム純度が低下したためと考えられ、この現象は単位面積あたりの放出オゾン量を現象させる原因となることも考えられるため、実際に酸化処理等を行う際にはレーザ照射面積による上記の現象について配慮が必要と考えられる。
【0065】
更にまた、レーザ光のエネルギー密度を一定に固定すると、一回(連続発振の場合単位時間)あたりのアブレーション量(固体オゾンが剥ぎ取られる量)が一定であることが確認できたことから、何回(又は時間)アブレーション反応を起こしたかにより、一意的に被酸化試料へのオゾンガス供給量を決めることができる。これを利用することによって、酸化速度の変化も定量的に制御でき、任意の酸化膜形成条件も導出することができる。
【0066】
以上のように本実施形態の酸化処理装置によれば、ターゲット基板上に吸着させた固体オゾンの気化にレーザー照射を用い、その際レーザエネルギー密度,ターゲット基板13温度等を適切な値とすることにより、オゾンの分解を最小限に抑えた運動エネルギーの高い、指向性の高いオゾンビームを被酸化試料に供給することができる。そして、この運動エネルギーの高さによりオゾンの活性度がさらに引き出され、たとえ被酸化試料の温度が室温程度に低くても初期酸化を高速に進めることができ、更に指向性の高さを利用して、大口径試料の酸化や表面の微細加工等も可能である。
【0067】
なお、本実施の形態においては、真空チャンバー1にレーザ光を透過し且つ真空チャンバー1内の真空状態を保持する窓を形成してレーザ光を照射するよう構成したが、図11に示すように、光ファイバー熔のコネクタ等を介して真空チャンバー1内の真空を保持した状態で真空チャンバー1を貫通する光ファイバー1bを設け、エキシマレーザ3からのレーザ光を光ファイバー1bを介してターゲット基板4上に照射するよう構成しても良い。
(第2実施形態)
第2実施形態は、固体化したオゾンを、ターゲット基板を昇温することにより気化し、酸化処理を行おうとするものである。
【0068】
次に図12に基づいて本発明の第2実施形態を説明する。なお、図12において、図6と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。また、XPS,X線源、及びポンプ等の周辺機器については、第1実施形態と同様に図示及び説明を省略する。
【0069】
図中15は拡散防止室であり、拡散防止室15は、ターゲット基板(本実施形態においてもサファイア基板)4を底面として、上方に被酸化試料14に対応した開口部15aを有して形成されており、輸送管2の吹き出し口12が連通して構成されている。拡散防止室15を形成する材質としては、熱伝導がよくオゾンとの反応性が低い例えばアルミニウム等が好ましい。なお、拡散防止室15は銅ブロック5と熱的に結合されている。
【0070】
先ず、前記の第1実施形態と同様に、サファイア基板4上に固体オゾンを吸着させた後、オゾン以外のガスの除去を行う。
【0071】
次に、ヒータ6によりサファイア基板4の温度をオゾンの蒸気圧が高くなる温度まで上げ、被酸化試料14を拡散防止室15の開口部15aへ移動する。この被酸化試料14の移動は、マニプレータ(図示省略)を使用して行われる。
【0072】
そして、サファイア基板4温度を適当な温度に上げオゾンを気化させ、被酸化試料14の表面にオゾンガスを導き、酸化処理を行う。オゾン分子の供給量はオゾンガスの蒸気圧で一意に決まるため、サファイア基板4の温度を調節することにより任意の値に設定することができる。サファイア基板4の温度としては、酸化の効率と、図示を省略した分析機器、真空ポンプへの負荷のバランス等を考慮して決定されるが、ある程度以上にサファイア基板4の温度を上げても被酸化試料14表面上で反応律速になるだけであるため、あまり望ましくない。ここでの温度設定については、例えば図2に示すオゾン吸着後の圧力変化を示すデータ等を基にして、図13に示すように「基板にオゾンを吸着させる温度」,「オゾン純度を上げる温度」,「被酸化試料にオゾンガスを供給する温度」のように適切な温度範囲を設定すればよい。
【0073】
なお、被酸化試料14に気化したオゾンが導かれる際、銅ブロック5と熱的に結合している拡散防止室15は、サファイア基板4の温度と同様に低温となっていることから、オゾン分子はこの拡散防止室15の内壁面に衝突しても酸素に分解されることはなく、オゾン分子のまま効率よく被酸化試料14まで導かれる。
【0074】
また、拡散防止室15は外部(真空チャンバー1内)と略完全に遮断されることになるため、被酸化試料14にオゾンガスを吹きかける時に、拡散防止室15内部のサファイア基板4と被酸化試料14表面とには図14に示す圧力差が生じ、オゾン分子は高速で被酸化試料14に衝突させることができる。
【0075】
以上のように本実施形態に係る酸化処理装置によれば、高純度のオゾンガスを効率よく任意の速さで被酸化試料表面に供給することができる。またターゲット基板と被酸化試料のどちらにも低温でオゾンガスを供給するため、室温で供給する場合に比べ真空チャンバー内の真空度を悪化させることがなく、周辺機器等への悪影響等の問題も防止することができる。
【0076】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ターゲット基板上への固体オゾンを吸着させることにより高濃度のオゾン含有ガスを貯蔵することができ、固体オゾン吸着後にターゲット基板温度をオゾン蒸気圧が真空チャンバー内の圧力と同じになる温度まで昇温することでターゲット基板上に吸着していたオゾン以外のガスを除去し、オゾンの濃度を向上することができる。
【0077】
また、本発明の貯蔵方法又は装置によりターゲット基板上に吸着させた固体オゾンの気化にレーザー照射を用いることにより、指向性及び活性度の極めて高いオゾンビームを被酸化試料に供給して、例えば被酸化試料の温度が室温程度に低くても初期酸化を高速に進めることのできる効率良い酸化処理を行うことができ、その際にレーザーエネルギー密度,ターゲット基板温度等を適切な値とすることにより、オゾンの分解を最小限に抑えることができ、更にその指向性の高さを利用することで、大口径の被酸化試料の酸化や表面の微細加工等を行うことも可能である。
【0078】
そして、本発明の貯蔵方法又は装置によりターゲット基板上に吸着させた固体オゾンの気化をターゲット基板の昇温により行うことでも、高純度のオゾンガスによる酸化処理を行うことができ、更に拡散防止室を設けることにより、高純度のオゾンガスを効率よく任意の速さで被酸化試料表面に供給することができ、この際ターゲット基板と被酸化試料のどちらにも低温でオゾンガスが供給されるため、室温で供給する場合に比べ真空チャンバー内の真空度を悪化させることがなく、周辺機器等への悪影響等の問題も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実験装置(高濃度オゾン含有ガスの貯蔵装置)の概略構成図。
【図2】オゾン吸着後の圧力変化を示すグラフ。
【図3】オゾン,酸素の速度分布を示すグラフ。
【図4】レーザパワー密度を変えたときのオゾンの速度分布を示すグラフ。
【図5】基板温度を変えたときの放出粒子の組成を示すグラフ。
【図6】本発明の第1実施形態に係る酸化処理装置の概略構成図。
【図7】オゾン分子と酸素分子の比とレーザエネルギー密度の関係を示すグラフ。
【図8】レーザアブレーションを用いた被酸化試料表面酸化の説明図。
【図9】レーザアブレーションを用いて大口径被酸化試料の表面酸化説明図。
【図10】アブレーション面積放出オゾン量,オゾンビーム密度との関係を締めかグラフ。
【図11】発明の第1実施形態に係る他のレーザー照射方法を用いた酸化処理装置の概略構成図。
【図12】発明の第2実施形態に係る酸化処理装置の概略構成図。
【図13】ターゲット基板温度制御方法の考え方を示す図。
【図14】ターゲット基板温度と被酸化試料間の圧力分布を示す図。
【図15】従来の酸化処理装置の概略構成図。
【符号の説明】
1、20…真空チャンバー
2、22…輸送管
3…エキシマレーザ
4…ターゲット基板(サファイア基板)
5…銅ブロック
6…ヒータ
7…コールドヘッド(冷凍機)
8…温度計
9…質量分析器
10…プリアンプ
11…オシロスコープ
12…吹き出し口
13、21…高純度オゾン発生装置
14、27…被酸化試料
15…拡散防止室
15a…開口部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-concentration ozone-containing gas storage method for storing a high-concentration ozone-containing gas, a high-concentration ozone-containing gas storage device, and an oxidation treatment method for efficiently performing various oxidation treatments using the stored high-concentration ozone gas. And an oxidation treatment apparatus.
[0002]
[Prior art]
Recently, ozone (element symbol: O Three ) Oxidation using strong oxidizing power is progressing in various fields including water and sewage treatment. In particular, in the field of semiconductor device manufacturing, Si wafer cleaning and TEOS-CVD (Tetra Ethyl Ortho Silicate-Chemical Vapor Deposition) is being studied.
[0003]
Si wafer cleaning uses ozone water in which ozone gas is dissolved in pure water as a cleaning liquid, and it has been announced that heavy metals and organic substances on Si wafer can be removed by using together with dilute hydrofluoric acid aqueous solution.
[0004]
In addition, TEOS-CVD is used to form an interlayer insulating film when a semiconductor element is formed into a multilayer wiring, and it is characterized in that the unevenness of the wafer surface due to the electrode can be flattened by the insulating film, and ozone is applied to this TEOS-CVD. It has been reported that the addition improves the planarization performance.
[0005]
These announcements and reports are examples of using a relatively low concentration ozone gas of about 10%, but using a relatively high concentration ozone gas of 80% or more is considered in the conventional use of low concentration ozone gas. The possibility of a new application that has not been started is pointed out, and as an example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-335576 discloses the formation of a silicon oxide film such as a semiconductor device. According to this publication, it is possible to form an oxide film at a relatively low temperature such as room temperature, which cannot be achieved by a conventional thermal oxidation method, by using a relatively high concentration ozone gas. It has been introduced that it is possible to form a high-quality oxide film with few defect structures.
[0006]
A conventional silicon oxide film forming method will be described based on the apparatus shown in FIG. In the figure, 20 is a vacuum chamber, 21 is a high-purity ozone generator, and 22 is a transport pipe for supplying high-purity ozone to the
[0007]
First, as a first step, the surface of the sample 27 to be oxidized is chemically subjected to hydrogen termination, for example, by the Shiraki method. Instead of the Shiraki method, after a 7 × 7 clean surface of the sample surface is exposed, the sample temperature is kept at 380 ° C. in the
[0008]
Then, as a second step, as shown in FIG. 15, high-purity ozone generated by the
[0009]
Here, as the high-
[0010]
By using such a high purity ozone generator, a high ozone concentration of 80% or more can be obtained when introduced into the
[0011]
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, even if high concentration ozone gas of almost 100% can be generated by the ozone generator, about 20% is decomposed into oxygen while passing through the transport pipe. However, the decomposition here can reduce the ozone decomposition rate to some extent by making the transport pipe as thick and short as possible.
[0013]
However, since the ozone gas blown into the vacuum chamber spreads by diffusion, some components that actually collide and react on the sample to be oxidized. In order to increase the efficiency, there is no other way but to make the distance from the end of the piping port to the sample to be oxidized as close as possible.
[0014]
In addition, in an apparatus using a method of spraying an ozone jet onto a sample to be oxidized, the degree of vacuum cannot be worse than a certain value due to the influence on the surface analyzer installed in the vacuum chamber. The amount of ozone supply (supply rate) is inevitably limited because it is not desired to apply a load with strong ozone gas, and the sample to be oxidized can oxidize several atomic layers (several nm) at room temperature even with ozone having strong oxidizing power. It takes time or more, and it is necessary to heat the sample to be oxidized to several hundred degrees in order to cause oxidation at high speed.
[0015]
As described above, the conventional spraying method can supply only ozone gas decomposed at a certain rate, and the supply amount and supply speed are limited, and the effective utilization rate of the gas is low. Even if it is used, it is difficult to form an oxide film superior to a conventional thermal oxide film using oxygen gas.
[0016]
Therefore, the present invention solves these problems, prevents a decrease in ozone gas concentration, and can effectively utilize its strong oxidizing power, a high-concentration ozone-containing gas storage device, a high-concentration ozone-containing gas storage device, and an oxidation A treatment method and an oxidation treatment apparatus are provided.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The first invention is a method of cooling a target substrate made of a material that is inert to ozone and has a good thermal conductivity and disposed in a vacuum chamber, and supplying high-purity ozone gas onto the target substrate. Adsorption of ozone gas on the target substrate as solid ozone, and supply to the target substrate by stopping the supply of high-purity ozone gas and raising the target substrate temperature until the ozone vapor pressure is the same as the pressure in the vacuum chamber The present invention relates to a method for storing a high-concentration ozone-containing gas, comprising a step of removing a gas other than ozone.
[0018]
The second invention is characterized in that in the step of removing a gas other than the ozone gas of the first invention, the temperature of the target substrate is raised to 40-60K.
[0019]
The third invention is characterized in that the target substrate of the first or second invention has translucency. As a substrate that can be used here, sapphire, fused quartz, calcium fluoride, magnesium fluoride, lithium fluoride, calcite, and the like can be used. Potassium chloride, sodium chloride, potassium bromide, crystal, diamond, fluorine The possibility of using sodium fluoride, barium fluoride, beryllium, etc. is also considered.
[0020]
The fourth invention is the first to third inventions. Any one of the inventions As the target substrate, a sapphire substrate considered to be optimal is used.
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a target substrate made of a material that is inert to ozone and has good thermal conductivity, disposed in a vacuum chamber, a cooling means for cooling the target substrate, and high-purity ozone gas on the target substrate. It has a transporting tube to be supplied and a heating means for raising the temperature of the target substrate.
[0022]
The sixth invention is characterized in that the target substrate of the fifth invention has translucency. As a substrate that can be used here, sapphire, fused quartz, calcium fluoride, magnesium fluoride, lithium fluoride, calcite, and the like can be used. Potassium chloride, sodium chloride, potassium bromide, crystal, diamond, fluorine The possibility of using sodium fluoride, barium fluoride, beryllium, etc. is also considered. The seventh invention is characterized in that in the storage device for high-concentration ozone-containing gas of the fifth and sixth inventions, a sapphire substrate considered to be optimal is used.
[0023]
The eighth invention is the first to fourth inventions. Any one of the inventions The solid ozone surface stored by the high-concentration ozone-containing gas storage method is irradiated with a laser beam and ablated to irradiate an ozone beam toward the surface of the sample to be oxidized in a vacuum chamber facing the target substrate. The present invention relates to an oxidation treatment method comprising steps.
[0024]
The ninth invention is characterized in that the laser light in the eighth invention has a wavelength of 200 to 370 nm in the vicinity of ultraviolet light where ozone absorption strongly occurs. Further, it is considered that 220 to 300 nm (Hartley band) having the strongest absorption spectrum of ozone is more preferable.
[0025]
The tenth invention is characterized in that the oxidation region of the sample to be oxidized is adjusted by adjusting the aperture, irradiation position, or distance between the target substrate and the sample to be oxidized in the seventh and eighth inventions. .
[0026]
The eleventh invention is the first to fourth inventions. Any one of the inventions The solid ozone stored by the storage method of the high-concentration ozone-containing gas described in (2) is vaporized by raising the temperature of the target substrate to a temperature at which the ozone vapor pressure becomes higher than the vacuum chamber pressure, so that the target is stored in the vacuum chamber as ozone gas. The present invention relates to an oxidation treatment method comprising a step of directing toward a surface of a sample to be oxidized disposed opposite to a substrate.
[0027]
The twelfth invention is the fifth to seventh inventions. Any one of the inventions A high-concentration ozone-containing gas storage device has a configuration in which a sample to be oxidized is placed facing a target substrate in a vacuum chamber of the gas storage device, and a laser beam irradiation device for irradiating the target substrate surface with laser light is provided. The present invention relates to an oxidation processing apparatus.
[0028]
A thirteenth invention is the oxidation treatment apparatus according to the twelfth invention, wherein the laser beam irradiation device is disposed outside the vacuum chamber, a window that transmits the laser beam and maintains the vacuum state in the vacuum chamber is formed in the vacuum chamber, The present invention is characterized in that the target substrate is irradiated with laser light from a laser light irradiation device through this window.
[0029]
The fourteenth invention is the oxidation treatment apparatus according to the twelfth invention, wherein the laser beam irradiation device is disposed outside the vacuum chamber, and an optical fiber is provided that penetrates the vacuum chamber while maintaining the vacuum state in the vacuum chamber. It is characterized by irradiating the target substrate with the laser beam from the optical fiber via an optical fiber.
[0030]
15th invention is 5th-7th invention Any one of the inventions The present invention relates to an oxidation processing apparatus characterized in that a sample to be oxidized is arranged opposite to a target substrate in a vacuum chamber of a storage device for high-concentration ozone-containing gas.
[0031]
A sixteenth aspect of the present invention is the oxidation processing apparatus of the fifteenth aspect of the present invention, wherein the target substrate is the bottom surface and is made of a material which is inert to ozone and has a good thermal conductivity, and has an opening corresponding to the sample to be oxidized above A chamber is formed, and the diffusion prevention chamber and the transport pipe are communicated with each other.
[0032]
The seventeenth invention is characterized in that aluminum is used as a material that is inert to ozone and has good thermal conductivity in the oxidation treatment apparatus of the sixteenth invention.
[0033]
The eighteenth aspect of the present invention is claims 12 to 17. Any one of the inventions The oxidation processing apparatus described in (1) is characterized by having moving means for moving the sample to be oxidized in the vacuum chamber.
[0034]
The nineteenth invention is characterized in that a manipulator is used as the moving means in the eighteenth invention.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Applicants believe that if a highly directional ozone beam with controlled composition and momentum can be supplied to the surface of the sample to be oxidized, the advantages of ozone can be further extracted, and particle emission with high translational energy can be obtained. We focused on the laser ablation process that has been confirmed.
[0036]
First, ozone was solidified once, and the composition and momentum of the beam generated when the ablation conditions were changed were analyzed, and an oxidation experiment of metallic copper was attempted.
[0037]
FIG. 1 shows an outline of the experimental apparatus. In FIG. 1, 1 is a vacuum chamber, and 2 is a transport pipe for supplying high-purity ozone generated by an ozone generator (not shown).
[0038]
[0039]
The
[0040]
Using the experimental apparatus configured as described above, an appropriate amount of ozone gas is supplied from the high-purity ozone generator onto the
[0041]
First, it tried to adsorb | suck solid ozone on the
[0042]
Here, as a high-purity ozone generator for supplying high-purity ozone, the device introduced in the aforementioned Japanese Patent Publication No. 5-17164 was used, but in addition, ozone molecules were once adsorbed using a molecular sieve or the like. An apparatus using a method of obtaining high-purity ozone by storing and then desorbing and vaporizing can also be used.
[0043]
Next, when the supply of the high-purity ozone gas was stopped and then the temperature of the
[0044]
In FIG. 2, due to the signal intensity ratio of QMS9 (m / e =) 32 and 48 and the vapor pressure, the pressure rise near 40K is due to oxygen (due to ozonolysis in the transport tube 2), and 60 It was confirmed that the pressure increase at ˜80 K was due to the vaporization of ozone. Further, from the signal intensity ratio of the
[0045]
After confirming that a sufficient amount of solid ozone was adsorbed, ablation was performed with the
[0046]
FIG. 3 shows typical velocity distributions of ozone and oxygen (relationship between signal intensity and time from laser application). As can be seen from FIG. 3, ozone is ejected at a substantially constant speed, but oxygen varies from a fairly fast component to a slow component. This is the one that was decomposed into oxygen when adsorbed on the
[0047]
FIG. 4 shows changes in the ozone velocity distribution when the laser power density is changed. In any case, it has a peak at around 300 ms, and this velocity distribution is almost the same as the experimental result when it is considered that the emitted particles are in translation at high temperature of 900 K and in thermal equilibrium (Boltzmann approximation). Note that when the laser power density is decreased, the total ozone emission amount is reduced, but it can be seen that there are still components having a high speed.
[0048]
FIG. 5 shows changes in the signal intensity integration ratio of ozone and oxygen when ablation by laser light irradiation is performed while changing the temperature of the
[0049]
From the above experimental results, the applicant first adsorbs solid ozone onto the sapphire substrate used in the experiment, and after the solid ozone adsorption, the target substrate temperature is set to a temperature at which the ozone vapor pressure becomes the same as the pressure in the vacuum chamber ( In the experiment, it is possible to improve the ozone concentration by removing gas other than ozone adsorbed on the target substrate by raising the temperature to 40-60K (optimal value). It was confirmed that a gas storage method and storage device were obtained.
[0050]
Furthermore, it is possible to supply high-temperature, high-purity ozone gas with a low decomposition rate to the sample to be oxidized, to make the most effective use of ozone gas without waste, and to precisely control the amount and rate of ozone gas supply, from ablation experiments using laser light irradiation. Furthermore, it was considered that by supplying ozone gas under optimum conditions, the high oxidizing power of ozone gas can be effectively extracted and used as an oxidation treatment apparatus. The oxidation processing apparatus according to this embodiment will be described below.
(First embodiment)
A first embodiment of the oxidation processing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. The first embodiment relates to an oxidation processing apparatus that uses laser light irradiation to vaporize solid ozone adsorbed on a target substrate.
[0051]
In the figure, 1 is a vacuum chamber, and 2 is a transport pipe for supplying high-purity ozone gas from the high-purity ozone generator into the
[0052]
With the above configuration, first, the
[0053]
Then, high-purity ozone gas from the high-purity ozone generator 13 is blown toward the
[0054]
After the necessary amount of adsorption is completed, the valve is closed to stop the supply of ozone gas, and the temperature of the
[0055]
Next, the
[0056]
By the way, a method of growing particles and ions that jump out when a target is irradiated with a laser beam on a substrate facing the target is known as a laser ablation method, and is often used for forming a metal thin film. This method is known to be able to form a thin film having the same composition ratio as the chemical composition existing on the target. In the case of ozone, when light is absorbed, the decomposition reaction into oxygen shown in the formula (1) occurs with some probability (several percent).
[0057]
[Expression 1]
O Three + hn → O 2 + O ( 1 D) ... (1)
O ( 1 D) is the atomic oxygen in the excited state
Therefore, in order to supply high-purity ozone gas during the oxidation treatment, the relationship between “ozone emission amount—laser energy density”, “beam energy—laser energy density”, etc. is examined in advance as shown in FIG. The energy density of light must be measured where ozone decomposition does not occur. Applicant's target substrate temperature 30K, irradiation area 9mm 2 In the experiment under the conditions of the laser energy density of 27 mJ / cm 2 Was confirmed to be the optimum value.
[0058]
In addition, the temperature of the target substrate during laser ablation also greatly affects the probability of ozone decomposition. In the experiments conducted by the applicants and the like, as shown in FIG. It has been confirmed that an ozone beam with a small amount can be extracted.
[0059]
Then, by irradiating the sample to be oxidized 13 with an ozone beam by irradiating the laser beam to vaporize solid ozone, the oxidation rate of the sample to be oxidized 13 is oxidized. It was confirmed that it was improved compared to the conventional case. This is because the particle group popping out by the laser ablation method has a higher translational energy due to the energy density of the laser to be irradiated, so that when this particle collides with the surface of the sample 13 to be oxidized, It is considered that the oxidation rate at the initial stage of oxidation was improved by increasing the surface temperature of the oxidized sample 13. Then, when silicon was oxidized as the sample to be oxidized 13, in the conventional ozone gas spraying method having energy of about room temperature, if the sample temperature to be oxidized is not raised to several hundred degrees Celsius, oxidation in a realistic time is not possible. Although it was not possible, it was confirmed that in this laser ablation method, the ozone gas beam collides with a translational energy of about 1000 K, so that the initial oxidation proceeds sufficiently fast even at the sample temperature to be oxidized.
[0060]
Next, since the particle group popping out by the laser ablation method has high directivity, an attempt was made to oxidize only a part of the surface of the sample to be oxidized by changing the laser irradiation position. As shown in FIG. 8, the sample 13 to be oxidized is brought as close to the
[0061]
Further, as shown in FIG. 9, the position of the sample to be oxidized 13 is moved away from the
[0062]
Furthermore, the
[0063]
Here, when the relationship between the area to be ablated by irradiating the laser beam, the amount of released ozone, and the ozone beam density was measured, the result shown in FIG. 10 was obtained.
[0064]
As experimental conditions, the target substrate temperature is 30K, and the laser energy density is 27 mJ / cm. 2 It was. From the results shown in FIG. 10, it was confirmed that when the laser irradiation area was larger than 4
[0065]
Furthermore, when the energy density of the laser beam was fixed at a constant level, it was confirmed that the amount of ablation (amount of solid ozone stripped) per one time (unit time for continuous oscillation) was constant. The amount of ozone gas supplied to the sample to be oxidized can be uniquely determined depending on whether the ablation reaction has occurred once (or time). By utilizing this, a change in the oxidation rate can be controlled quantitatively, and an arbitrary oxide film forming condition can be derived.
[0066]
As described above, according to the oxidation processing apparatus of the present embodiment, laser irradiation is used for vaporization of solid ozone adsorbed on the target substrate, and at that time, the laser energy density, the temperature of the target substrate 13 and the like are set to appropriate values. Thus, a highly directional ozone beam with high kinetic energy with minimal ozone decomposition can be supplied to the sample to be oxidized. This high kinetic energy further draws out the ozone activity, allowing the initial oxidation to proceed at a high speed even when the temperature of the sample to be oxidized is as low as room temperature, and using the high directivity. Thus, oxidation of a large-diameter sample and fine processing of the surface are possible.
[0067]
In the present embodiment, the laser beam is transmitted through the
(Second Embodiment)
In the second embodiment, solidified ozone is vaporized by raising the temperature of a target substrate, and an oxidation process is to be performed.
[0068]
Next, a second embodiment of the present invention will be described based on FIG. In FIG. 12, the same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. Further, illustration and description of the peripheral devices such as the XPS, the X-ray source, and the pump are omitted as in the first embodiment.
[0069]
In the figure,
[0070]
First, similarly to the first embodiment, after solid ozone is adsorbed on the
[0071]
Next, the temperature of the
[0072]
Then, the temperature of the
[0073]
Note that when the vaporized ozone is introduced into the sample to be oxidized 14, the
[0074]
Further, since the
[0075]
As described above, according to the oxidation processing apparatus according to the present embodiment, high-purity ozone gas can be efficiently supplied to the surface of the sample to be oxidized at an arbitrary speed. Since ozone gas is supplied to both the target substrate and the sample to be oxidized at a low temperature, the degree of vacuum in the vacuum chamber is not deteriorated compared to the case of supplying at room temperature, and problems such as adverse effects on peripheral devices are prevented. can do.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to store a high-concentration ozone-containing gas by adsorbing solid ozone onto the target substrate, and the target substrate temperature after the solid ozone adsorption is changed to the ozone vapor pressure in the vacuum chamber. It is possible to remove the gas other than ozone adsorbed on the target substrate and raise the ozone concentration by raising the temperature to the same temperature.
[0077]
In addition, by using laser irradiation to vaporize solid ozone adsorbed on the target substrate by the storage method or apparatus of the present invention, an ozone beam with extremely high directivity and activity is supplied to the sample to be oxidized, for example, Even if the temperature of the oxidized sample is as low as room temperature, it is possible to perform an efficient oxidation process that can proceed with the initial oxidation at a high speed. Ozone decomposition can be suppressed to a minimum, and furthermore, by utilizing its high directivity, it is possible to oxidize a large-diameter sample to be oxidized or to finely process the surface.
[0078]
And even if the solid ozone adsorbed on the target substrate by the storage method or apparatus of the present invention is vaporized by raising the temperature of the target substrate, the oxidation treatment with high-purity ozone gas can be performed, and the diffusion prevention chamber is further provided. By providing it, high purity ozone gas can be efficiently supplied to the surface of the sample to be oxidized at an arbitrary speed. At this time, ozone gas is supplied to both the target substrate and the sample to be oxidized at a low temperature. The degree of vacuum in the vacuum chamber is not deteriorated compared to the case of supply, and problems such as adverse effects on peripheral devices can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an experimental apparatus (a high-concentration ozone-containing gas storage apparatus) according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a pressure change after ozone adsorption.
FIG. 3 is a graph showing the velocity distribution of ozone and oxygen.
FIG. 4 is a graph showing the velocity distribution of ozone when the laser power density is changed.
FIG. 5 is a graph showing the composition of emitted particles when the substrate temperature is changed.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an oxidation processing apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the ratio of ozone molecules to oxygen molecules and the laser energy density.
FIG. 8 is an explanatory diagram of surface oxidation of a sample to be oxidized using laser ablation.
FIG. 9 is an explanatory view of surface oxidation of a large-diameter sample to be oxidized using laser ablation.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the ablation area release ozone amount and the ozone beam density.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an oxidation processing apparatus using another laser irradiation method according to the first embodiment of the invention.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of an oxidation processing apparatus according to a second embodiment of the invention.
FIG. 13 is a view showing the concept of a target substrate temperature control method.
FIG. 14 is a graph showing the pressure distribution between the target substrate temperature and the sample to be oxidized.
FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a conventional oxidation treatment apparatus.
[Explanation of symbols]
1, 20 ... Vacuum chamber
2, 22 ... Transport pipe
3. Excimer laser
4 ... Target substrate (sapphire substrate)
5 ... Copper block
6 ... Heater
7 ... Cold head (refrigerator)
8 ... Thermometer
9 ... Mass spectrometer
10 ... Preamplifier
11 ... Oscilloscope
12 ... Outlet
13, 21 ... high purity ozone generator
14, 27 ... Oxidized sample
15 ... Diffusion prevention room
15a ... opening
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