JP2006228813A - ラジカル生成装置、および処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理物の処理において、触媒で発生する高熱の影響を受けることなく、かつ、触媒で発生したラジカルを効果的に利用できる構造を提供することである。
【解決手段】原料ガスを高温の触媒１３に接触させることで、当該原料ガスのラジカルを生成する構成であって、前記触媒１３から発生する熱線に対する熱遮断部材１４を有し、この熱遮断部材１４は、触媒１３から発生する熱を反射あるいは吸収する金属製部材１５と、この金属製部材１５の少なくとも熱線照射面に絶縁部材１６を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明はラジカル生成装置および処理装置に関する。特に、タングステンなどの高融点金属を熱触媒として水素などのラジカルを生成し、このラジカルで種々部品の汚染を除去するためのラジカル生成装置および処理装置に関する。

従来から薄膜形成技術として触媒気相成長法（Ｃａｔ−ＣＶＤ法）が知られる。これは、シランガスなどの原料ガスを加熱した触媒体に接触させて、その表面で接触分解反応を利用して分解し、これらの分解種（ラジカル）を低温に保持された基板まで輸送して膜を形成する方法である。この触媒気相成長法は、プラズマ化学気相成長法に比べて、熱などのプラズマ損傷がなく、高品質の薄膜を生成できる利点を有している。
また、ラジカルの用途は、薄膜生成に限るものではなく、汚染除去などにも活用される。

図６は、従来のラジカル生成装置の構造を概念的に示す。
処理装置１の内部にはラジカル生成部１０と処理台１１を有し、装置内部にガス導入管１２が導かれて、このガス導入管１２の先端に触媒１３が配置する。触媒１３は、例えば、タングステン等の線状部材がコイル状に形成したものであり、図示略の電源を通電することで加熱される。ガス導入管１２からは、シランと水素の混合ガスが供給されて、高温に加熱された触媒１３を通過するときに、触媒１３に接触することで、原料ガスのラジカルを発生する。ラジカルは被処理物Ｗである基板に到達するが、原料ガスとして、例えばシランを流すときはシリコン薄膜形成ができ、また、水素のみを流すときは洗浄処理ができる。

上記触媒反応を円滑に進めるためには触媒に対する加熱温度がきわめて重要となる。その一方で、被処理物に薄膜を形成したり、洗浄処理を施すためには、被処理物においても、これら作用を行うための特有の温度制御がきわめて重要な要素となる。
従って、触媒の加熱温度が被処理物の温度に影響を与えないことが重要であるが、一方では、ラジカルを被処理物まで効果的に輸送するためには、触媒と被処理物の距離を短くする必要がある。

上記問題を解決するために、例えば、特許２６９２３２６号においては、触媒と被処理物の間に、触媒に対する輻射遮断部材を配置することが提案される。
この技術は、触媒で発生した熱の影響を被処理物が受けない点ではそれなりに効果があるものの、触媒に接触することで発生したラジカルが十分に被処理物において利用できないという問題を生じる。

特許２６９２３２６号 特許２５９５８９４号

この発明が解決しようとする課題は、被処理物の処理において、触媒で発生する高熱の影響を受けることなく、かつ、触媒で発生したラジカルを効果的に利用できる構造を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のラジカル生成装置は、原料ガスを高温の触媒に接触させることで、当該原料ガスのラジカルを生成する構成であって、上記触媒から発生する熱線に対向した熱遮断部材を有し、この熱遮断部材は、触媒から発生する熱線を反射あるいは吸収する金属製部材と、この金属製部材の少なくとも熱線が照射される面に絶縁部材を有することを特徴とする。
さらに、前記熱遮断部材は、板状の金属製部材の少なくとも熱線が照射される面を絶縁部材が被覆されることを特徴とする。
さらに、被処理物の処理装置において、前記熱遮断部材は、前記触媒から発生する熱線が、実質的に被処理物に対して直射しないよう配置していることを特徴とする。
さらに、被処理物の処理装置において、前記熱遮断部材は、複数個の部材が整列配置して構成され、各部材は被処理物に熱線が直射しないように傾斜していることを特徴とする。
さらに、前記触媒は、原料ガス供給口とラジカル排出口を有する反応室の中に区画して配置され、この反応室の少なくとも一部が絶縁部材から構成されて、その外表面に金属製部材が設けられたことを特徴とする。

以上の構成により、この発明のラジカル生成装置および処理装置は、
第一に、金属製部材を有することで、触媒により発生した熱線（熱輻射）が被処理物などに照射することを防止できる。このため、被処理物は触媒からの熱の影響を受けることなく、また、独立に温度制御することが可能となる。
第二に、絶縁部材を有することでラジカルの消滅を防止できる。すなわち、金属製部材を触媒の近傍に配置すると、上記のように熱を遮蔽する効果は有するものの、ラジカルの消滅を増加させるという弊害も生じる。本発明は金属製部材に絶縁部材を施すことで、このようなラジカル消滅という問題を解消することができる。

図１は、この発明に係るラジカル生成装置を使った処理装置の構造を示す。
処理装置は、例えばステンレスからなり箱状のケーシング１を有する。ケーシングの内部には、ラジカル生成部１０（ラジカル生成装置に相当する）と処理台１１が構成される。ガス導入管１２がケーシングの外部からラジカル生成部１０に導かれる。このガス導入管１２の先端は、ノズル形状のガス噴射口が複数個形成され、ガスをして、例えば水素が導入される。

触媒１３は、例えば、タングステン等の線状部材がコイル状に形成したものであり、図示略の電源を通電することで、例えば１８００℃程度に加熱される。ガス導入管１２からは、水素ガスが供給されて、高温に加熱された触媒１３を通過するときに、水素ガスと触媒１３に接触作用により水素ラジカル（水素原子）が発生する。
なお、ガス導入管１２のガス噴射口と触媒１３は、比較的近接配置しており、その距離は、例えば１００ｍｍである。
また、触媒１３は、紙面垂直方向に多数並列配置していてもよい。

処理台１１の上には、例えば半導体ウエハなどの被処理物Ｗが載置する。原料ガスとして水素ガスを供給して、水素ラジカルを生成したときは、被処理物Ｗの表面では汚染を除去する、いわゆる洗浄処理が行われる。
処理台１１には、個別の温度調整機構を設けることができる。この温度調整機構は、水冷式の冷却機構であり、これら機構によって、被処理物Ｗを所定温度に制御することができる。

触媒１３と処理台１１の間には熱遮断部材１４が配置される。この熱遮断部材１４は金属製部材１５と絶縁部材１６からなる。絶縁部材１６は、金属製部材１５が触媒１３を向かっている面、すなわち、触媒１３から放射される熱線が直射する面に対し、少なくとも設けられる。

金属製部材１５は、触媒１３から放射される熱線（熱輻射）を反射あるいは吸収するものであり、被処理物Ｗに対して当該熱線が直射することなく、熱遮断する機能が求められる。
材料は、モリブデン、タングステン、ステンレスなどが採用される。形状は、薄板状、より好ましくは箔状が採用される。箔状が好ましい理由は、熱遮断部材１４の全体を薄くできることであり、材料はモリブデンが最も好ましい。なぜなら、熱線の反射機能を十分に有するとともに、箔形状の加工が容易にできるからである。
箔状のモリブデンを採用した場合の金属性部材１５の厚みは、例えば０．０５〜０．５ｍｍ程度である。また、金属性部材１５は赤外線反射多層膜でもよい。

絶縁部材１６は、触媒１３の近傍で生成したラジカルが、金属製部材１５と反応することを防止するものであり、金属製部材１５の表面が露出しないように被覆する機能が求められる。材料は、石英ガラス、アルミナ、ジルコニアなどが採用される。中でも、石英ガラスは、耐熱性や加工性の観点から最も好ましい。形態は、板状であって金属製部材を挟み込む形態や、金属製部材の表面に蒸着あるいは塗布する形態などが採用される。
絶縁部材１６は、電気的な意味の絶縁というよりは、ラジカルが金属製部材と反応することを防止するもので、ラジカル消滅防止やラジカル保護という意味あいを有する。構成材料として絶縁材料から構成される意味で絶縁部材と称される。
また、金属製部材としてモリブデンを使い、絶縁部材として石英ガラスを使った場合は、熱による両材料の熱膨張率が近いため、好ましい。
金属材部材１５と絶縁部材１６の組み合わせからなる熱遮断部材１４は、全体として、厚みが０．５〜１ｍｍ程度の薄いものとなる。

絶縁部材１６は、図１に示すように、金属製部材１５の全表面を覆いつくすように被覆できるが、少なくとも、触媒１３を望む面に設けることで、ラジカルと金属製部材１５の反応を防止できる。
この反応は、例えば、水素ラジカル（水素原子）が、モリブテンなどの金属製部材１５と接触することで、水素分子を形成するものである。つまり、触媒において水素分子から水素ラジカルを生成したところ、再び、水素分子に戻ることを意味しており、このような反応がラジカルの消滅となって被処理物との反応を鈍らせていた。
従って、前記特許２６９２３２６号に示す熱遮断部材は、触媒からの熱の影響を排除できるものの、ラジカルの消滅という新たな問題を生じる。
本発明は、触媒からの熱の影響を排除するとともに、ラジカルの消滅という新たな問題も解決する。

ここで、熱遮断部材として、金属製部材を採用することなく、絶縁部材（例えば、セラミックス）のみで構成することも考えられる。
しかし、絶縁部材のみで熱遮断機能を果たすためには、十分な厚み、具体的には３〜５ｍｍが必要になり実用的には向かない。
この点をもう少し詳述すると、触媒から放射される熱線は、波長０．８〜２．５μｍの近赤外線である。アルミナやジルコニアなどの一般的なセラミックスの場合は、この近赤外線を遮断するためには３〜５ｍｍが必要になる。従って、熱線の遮断機能としては、金属製部材を採用することが優れている。また、石英ガラスは近赤外線を遮断することはできない。

また、熱遮断部材として、金属製部材を採用することなく、セラミックスのみで構成した場合は、二次的に遠赤外線を放射するという問題を有する。この遠赤外線は被処理物を加熱するという意味で実質的に熱遮断の効果が没却される。
この点で、熱遮断部材が、金属製部材を使った上で絶縁部材としてセラミックスを採用した場合は、セラミックスは十分薄いものであり、実質的に被処理物を加熱するほどの遠赤外線を放射しない。熱遮断の機能は金属製部材に持たせているからである。

ここで、金属製部材も加熱されると遠赤外線を放射する。つまり、熱遮断部材を金属製部材のみで構成した場合は、前記セラミックスの場合と同様に、遠赤外線によって被処理物を加熱するという問題を生じる。
しかし、本発明は、熱遮断部材が金属製部材と絶縁部材の組み合わせのため、両者を薄くすることができ、遠赤外線の放射を少なくできる。
また、絶縁部材として石英ガラスを採用した場合は、仮に、金属製部材から遠赤外線は放射されたとしても外部への放射を遮断することができる。石英ガラスは遠赤外線の透過率が低いからである。

図２は、この発明に係るラジカル生成装置および処理装置の他の実施形態を示し、（ａ）は図１に相当する装置の全体図を示し、（ｂ）は熱遮断部材の１パーツを示す。図２（ａ）は図１の装置と比較して、熱遮断部材１４が複数個のパーツに分解し、また、傾斜配置している点が異なるのみであり、その他の構成は基本的に同一である。
熱遮断部材１４は、触媒１３が伸びる方向において複数に分割しており、各部材１４１ａ、１４１ｂ・・・は、傾斜配置している。
この構造の利点は、触媒１３の近傍で生成されたラジカルが、部材間の隙間を通過して被処理物Ｗまで到達するので、ラジカルの輸送距離がきわめて短くなる。
傾斜配置する理由は、隣り合う部材と重なるよう配置することで、触媒１３から放射される熱線の処理物Ｗへの直射を防止できる。また、傾斜配置によりラジカルをスムーズに処理物Ｗまで輸送できる。
６インチの半導体ウエハが処理物の場合の熱遮断部材１４について、数値例を挙げると、傾斜角度θは４０°、幅ａは１５ｍｍ、厚みｂは０．５〜１ｍｍであり、１５個程度整列配置する。
熱遮断部材１４は、図１に示すように、金属性部材と絶縁部材から構成される。

図３は、この発明に係るラジカル生成装置および処理装置の他の実施形態を示す。図１の装置と比較して、熱遮断部材１４が複数個のパーツに分解し、また、２列に整列配置している点が異なるのみであり、その他の構成は基本的に同一である。
熱遮断部材１４は、触媒１３が伸びる方向において複数に分割しており、部材１４２ａ、１４２ｂ・・・の第一の列と、部材１４２ａ’、１４２ｂ’・・・の第二の列が、２列になって整列配置している。
この構造の利点も、触媒１３の近傍で生成されたラジカルが、部材間の隙間を通過して被処理物Ｗまで到達するので、ラジカルの輸送距離がきわめて短くなる。
２列に整列配置する理由は、触媒１３から放射される熱線の処理物Ｗへの直射を防止するためである。また、傾斜配置の場合と同様にラジカルをスムーズに処理物Ｗまで輸送できる。
図３では、熱遮断部材１４が２列に配置するが、２列に限定されるわけではなく、３つ以上の列により構成してもかまわない。また、図２に示す傾斜配置を組み合わせてもかまわない。
熱遮断部材１４は、細長い平板形状の部材を並べて構成してもよいし、網目状の開口を有する矩形板に上下に配置してもよい。
なお、第一の列、すなわち、部材１４１ａ、１４１ｂ・・・のみで構成してもかまわない。この場合、第二の列は存在しないこととなり、各部材の隙間から熱線が処理物に対して直射するが、隙間の間隔が狭いなど直射量が実質的に処理物に影響を与えない場合に採用できる。

図４は、この発明に係るラジカル生成装置および処理装置の他の実施形態を示す。図１の装置と比較して、熱遮断部材１４が複数個のパーツに分解し、また、各パーツは金属製部材の全表面に絶縁部材が設けられていない点で異なるのみであり、その他の構成は基本的に同一である。
熱遮断部材１４は、触媒１３が伸びる方向において複数に分割しており、部材１４３ａ、１４３ｂ・・・が整列配置している。各部材１４３は、触媒１３と対向する表面および側面に絶縁部材が被覆している。部材１４３の被処理物側表面に絶縁部材が被覆しておらず、金属製部材が露出する構成になっている。
この構造の利点も、触媒１３の近傍で生成されたラジカルが、部材間の隙間を通過して被処理物Ｗまで到達するので、ラジカルの輸送距離がきわめて短くなる。
また、絶縁部材は、実質的に金属製部材がラジカルと反応を生じる確率の高い領域において形成するので、熱遮断部材を容易かつ安価に形成できる。特に、メッシュ状の金属製部材の表面に絶縁部材を塗布する構成はきわめて容易に製造できる。
なお、この構造に関する変形例として、全ての熱遮断部材１４３を同一の構造とするのではなく、例えば、触媒から距離的に遠い位置に配置された部材は側面においても絶縁部材を設けないなど、ラジカルと金属製部材の反応を考慮して部材ごとに絶縁部材の形成を変化することもできる。
図４に示す熱遮断部材の構造において、図２、図３に示す構造を組み合わせて採用することもできる。

図５は、この発明に係るラジカル生成装置および処理装置の他の実施形態を示す。図１〜図４の装置と比較して、触媒と熱遮断部材の構成が異なっている。
処理装置１の内部に略管型白熱電球形状のガラス管２０を有し、このガラス管２０は石英ガラスからなり、ガス導入管２１、触媒２２、ガス排出管２３を有する。さらに、ガラス管２０の外表面の一部に金属製部材２４を被覆する。
ガス導入管２１から導かれた水素ガスはガラス管２０の内部で触媒２２と接触する。触媒２２は図示略の電源に接続されて通電加熱される。ガラス管２０の内部では水素ラジカルが発生して、ガス排出管２３から処理物Ｗに向かって排出される。
この構造では、金属製部材２４が被覆した部分のガラス管領域が絶縁部材に相当する。
また、この構造の利点は、ラジカルを直接、処理物表面まで導くことができるとともに、処理物の所望の領域にラジカルを照射できる。ガラス管２０もしくは処理台１１を可動式にすることで、ラジカルの照射領域を調整することもできる。

以上の実施例は、原料ガスとして水素ガスを使い、水素ラジカルによる被処理物の洗浄作用について説明したが、他のガス、例えばアンモニアなどを使うこともできる。
また、洗浄作用のみならず、処理物上に薄膜を形成する処理装置にも適用できる。

本発明に係るラジカル処理装置を示す。 本発明に係るラジカル処理装置を示す。 本発明に係るラジカル処理装置を示す。 本発明に係るラジカル処理装置を示す。 本発明に係るラジカル処理装置を示す。 ラジカル処理装置を示す。

符号の説明

１０ ラジカル生成装置
１１ 処理台
１２ ガス導入口
１３ 触媒
１４ 熱遮断部材
１５ 金属製部材
１６ 絶縁部材

Claims (6)

1. 原料ガスを高温の触媒に接触させることで、当該原料ガスのラジカルを生成する装置において、
   前記触媒から発生する熱線に対向した熱遮断部材を有し、
   この熱遮断部材は、触媒から発生する熱線を反射あるいは吸収する金属製部材と、この金属製部材の少なくとも熱線が照射される面に絶縁部材を有することを特徴とするラジカル生成装置。
2. 前記熱遮断部材は、板状の金属製部材の少なくとも熱線が照射される面を絶縁部材で覆うこと特徴とする請求項１のラジカル生成装置。
3. 前記触媒は、原料ガス供給口とラジカル排出口を有する反応室の中に区画して配置され、
   この反応室の少なくとも一部が絶縁部材から構成されて、その外表面の少なくとも一部に金属製部材が設けられたことを特徴とする請求項１のラジカル生成装置。
4. 原料ガスを高温の触媒に接触させることで、当該原料ガスのラジカルを生成して被処理物を処理する装置において、
   前記触媒から発生する熱線に対向した熱遮断部材を有し、
   この熱遮断部材は、触媒から発生する熱線を反射あるいは吸収する金属製部材と、この金属製部材の少なくとも熱線が照射される面に絶縁部材を有し、
   この熱遮断部材は、触媒から放射される熱線が、実質的に被処理物に対して直射しないよう配置していることを特徴とするラジカル処理装置。
5. 前記熱遮断部材は、複数個の部材が整列配置して構成され、各部材は被処理物に当該熱線が直射しないように傾斜していることを特徴とする請求項４のラジカル処理装置。
6. 前記触媒は、原料ガス供給口とラジカル排出口を有する反応室の中に区画して配置され、
   この反応室の少なくとも一部が絶縁部材から構成されて、その外表面の少なくとも一部に金属製部材が設けられたことを特徴とする請求項４のラジカル処理装置。
   

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