JP2007254869A - 原料ガス噴出用ノズル及び化学的気相成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＶＤ法によって基板に膜を形成するのに用いられた際、基板表面に生成される膜の表面粗度が低く、大型基板の成膜にも用いることができるエアロゾル浮遊ガスにも適用が可能な原料ガス噴出用ノズル、及び、これを備えた化学的気相成膜装置を得る。
【解決手段】原料ガス噴出用ノズル１は、下面用板部材２、背面用板部材３、第１の上面用板部材４、第２の上面用板部材５、第３の上面用板部材６、側面用部材７、８からなるガスだまり部９及び原料ガス噴出部１０と、原料ガス供給管１１、１２とを備えている。また、原料ガス噴出用ノズル１は、原料ガスの噴出方向が基板載置台上に載置された基板の平面に平行な方向と垂直となるように、化学的気相成膜装置内の成膜室に設置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＶＤ法（化学的気相成膜法）によって基板に膜を形成する際の原料ガスの整流に用いられる噴出用ノズル、及び、これを備えた化学的気相成膜装置であり、特に、エアロゾル浮遊ガスを原料ガスとするときに好適なものに関する。

従来の流体の整流が可能なノズルとしては、次のような特許文献が開示されている。
特開２０００−３３４３３３号公報

具体的には、上記特許文献１に、矩形筒体の上流側中央付近に流体の導入部を備え、この導入部から流入した流体を整流する整流部を筒体内に配置し、この整流部で整流した流体を矩形筒体の導出部位置に設けた噴射ノズルから噴射する流体の整流機構において、前記流体の導入部と整流部の間の領域に、筒体の中央部方向に流れる流体を筒体の四隅部及び四辺部方向に分散させるための分散整流板を設けたことを特徴とする流体の整流機構が開示されている。この特許文献１の整流機構を備えた噴射ノズルによると、製品の乾燥、熱処理又は焼付け、水切り、エアカーテン、流体シャワー、除塵等の現場で、流体を噴射する際に、流体の流速及び温度分布を均一に揃えることができる。

しかし、特許文献１に記載の噴射ノズルでは、ＣＶＤ法（化学的気相成膜法）によって基板に膜を形成するのに好適なエアロゾル浮遊ガス（成膜成分である微粒子又は微粒化された溶液と、これらのいずれか若しくは両方を運搬するキャリヤーガスとの混合ガスであり、いわゆるミストと呼ばれる状態のものも含む）の整流に用いると、ある程度の整流を行うことはできるものの、障害物となる分散整流板などが流動途中に存在することによって、エアロゾル浮遊ガス中のエアロゾルが障害物に付着し、結露しやすくなる。この結果として、噴射ノズルの各穴から噴出されるエアロゾル浮遊ガス中のエアロゾル濃度が一定でなくなるので、基板表面に形成された膜の表面粗度が高くなったり、膜を形成するのに時間がかかったりするといった問題がある。

一方、特許文献１に代表されるような整流機構がないノズルでは、整流性能が低いものとなってしまい、基板表面に形成された膜の表面粗度が高くなってしまう。

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決し、ＣＶＤ法によって基板に膜を形成するのに用いられた際、基板表面に生成される膜の表面粗度が低く、大型基板の成膜にも用いることができるエアロゾル浮遊ガスにも適用が可能な原料ガス噴出用ノズル、及び、これを備えた化学的気相成膜装置の提供を課題とするものである。

課題を解決するための手段及び効果

（１） 本発明の原料ガス噴出用ノズルは、原料ガスを内部に供給するための１つ以上の原料ガス供給口を有するガスだまり部と、一端に形成された開口部と、前記ガスだまり部から前記開口部まで原料ガスを導出する導出部とを有する原料ガス噴出部とを備え、前記開口部の断面が扁平形状である。

上記（１）の構成によれば、開口部から原料ガスを基板の幅方向全体に対して均等に噴射できるので、ＣＶＤ法によって基板に膜を形成するのに用いた際、基板表面に生成される膜の表面粗度が中心から端部に至るまで非常に低く、大型基板の成膜にも適用できる原料ガス噴出用ノズルを提供できる。また、流路途中に内部壁面以外有しないように形成されている場合には、開口部から噴出される原料ガス中のエアロゾル濃度がどの部分でもほぼ一定となる。なお、これらのような効果は原料ガスとして、エアロゾル浮遊ガスを使用した際でも発揮される。

（２） 本発明の原料ガス噴出用ノズルは、前記原料ガス供給口の総断面積Ｓ_ｉと前記開口部の断面積Ｓ_ｏとが、１≦Ｓ_ｉ／Ｓ_ｏ≦４の関係を有していることが好ましい。

上記（２）の構成によれば、原料ガス供給口の総断面積Ｓ_ｉと開口部の断面積Ｓ_ｏとが、１≦Ｓ_ｉ／Ｓ_ｏ≦４の関係を有しているので、ガスだまり部内の圧力を開口部外部と同等或いはより高く制御でき、常温でも、開口部外部に原料ガスを安定して供給できるとともに容易に整流できる。さらに、原料ガス供給口から原料ガスがガスだまり部に供給された際、原料ガスがガスだまり部に一旦たまるので、ＣＶＤ法によって基板に膜を形成するのに用いられた際、原料ガスの供給速度の分布が基板表面に沿って流動する原料ガスの流速分布に影響しない。したがって、ＣＶＤ法によって基板に膜を形成するのに用いた際、基板表面に生成される膜の表面粗度が非常に低く、大型基板の成膜にも適用できる原料ガス噴出用ノズルを確実に提供できる。なお、Ｓ_ｉ／Ｓｏ＞４となると原料ガスが内部壁面において結露し始める傾向にあるので、原料ガス噴出用ノズルとして使用できないことはないが、好ましいものであるとはいえない。

（３） 別の観点として、本発明の原料ガス噴出用ノズルは、原料ガスを内部に供給するための１つ以上の原料ガス供給口と、前記原料ガス供給口から供給された原料ガスが衝突する内壁面とともに、９０°未満の内角を有する乱流発生空間を形成する第１の平面、及び、前記第１の平面とテーパー形状を形成する第２の平面を有している突起部と、を備えているガスだまり部、並びに、一端に形成された開口部と、前記ガスだまり部から前記開口部まで原料ガスを導出する導出部とを有する原料ガス噴出部、
を備えているものである。

（４） 上記（３）の原料ガス噴出用ノズルにおいては、前記導出部内部の壁面に平面を有しており、前記第２の平面と前記導出部の平面とが、同一平面上に形成されていることが好ましい。

上記（３）の構成によれば、原料ガス供給口から供給された原料ガスが内壁面と衝突した際に発生する偏流を、意図的に内部全体に拡散させるような乱流に変換することができる。したがって、上記偏流を緩和して、開口部の原料ガスの空間分布を一定化することができるので、原料ガスの整流精度を向上させることができる。また、上記（４）の構成によれば、拡散後の原料ガスの流れを乱さないように原料ガスを導出部へと導くことができるので、上記（３）の構成よりも開口部の原料ガスの空間分布をより一定化することができる。また、流路途中に内部壁面以外有しないように形成されている場合には、開口部から噴出される原料ガス中の膜成分の濃度が一定となる。さらに、原料ガス供給口から原料ガスがガスだまり部に供給された際、原料ガスがガスだまり部に一旦たまるので、ＣＶＤ法によって基板に膜を形成するのに用いられた際、原料ガスの供給速度の分布が基板表面に沿って流動する原料ガスの流速分布に影響しない。その結果として、ＣＶＤ法によって基板に膜を形成するのに用いた際、基板表面に生成される膜の表面粗度が非常に低く、大型基板の成膜にも適用できる原料ガス噴出用ノズルを提供できる。また、これらの効果は原料ガスとして、エアロゾル浮遊ガスを使用した際でも発揮される。

（５） 上記（１）〜（４）の原料ガス噴出用ノズルにおいては、前記導出部の内部空間が、前記ガスだまり部からつば状に突き出た形状であることが好ましい。

上記（５）の構成によれば、安定した整流が可能という効果を有する。特に、つば状空間における原料ガスの流動方向長さが長いほど、整流度合いが高い（整流の偏差率が低い）という効果を有する。

（６） 上記（１）〜（５）の原料ガス噴出用ノズルにおいては、前記ガスだまり部が、前記原料ガス供給口側から前記導出部側へ向かって断面積が減少する平滑な誘導面を有していることが好ましい。

上記（６）の構成によれば、より滑らかに整流することができるという効果を有する。

（７） 上記（１）〜（６）の原料ガス噴出用ノズルにおいては、前記原料ガス噴出部の前記開口部を含む先端部分が先細り形状となるように形成されていることが好ましい。

上記（７）の構成によれば、開口部から基板へ噴出した際に跳ね返ってくる原料ガスを、開口部の脇に逃ガスことができるので、開口部における乱流の発生を抑制できる。したがって、ＣＶＤ法によって基板に膜を形成するのに用いた際、基板表面に生成される膜の表面粗度を上記（１）〜（６）の原料ガス噴出用ノズルに比べさらに低くできる。

（８） 上記（１）〜（７）の原料ガス噴出用ノズルにおいては、前記原料ガス供給口が複数設けられており、これらの前記原料ガス供給口からの原料ガス供給方向が、交差又は対向していることが好ましい。

上記（８）の構成によれば、ガスたまり部での混合が原料ガス同士の衝突混合となるので、気体分子同士の衝突又は気体分子間の引力で双方の流速が互いに緩和され、方向も相手と異なる方向に分散するとともに、ガスたまり部内の圧力を開口部外部の圧力よりも高くすることができ、原料ガスの安定した整流が容易になるという効果を有する。

（９） 上記（１）〜（８）の原料ガス噴出用ノズルにおいては、前記ガスだまり部又は／及び原料ガス噴出部の内部における原料ガスを加温して、該原料ガスをミスト化させるとともに整流するための加温器を有していることが好ましい。

上記（９）の構成によれば、原料ガスの内部壁面への結露がなくなるとともに、原料ガス中の成膜成分から余分な分子などを分離でき、基板表面に生成される膜の表面粗度を上記（１）〜（８）の構成のものに比べ低くできる。

（１０） 本発明の化学的気相成膜装置は、上記（１）〜（９）のいずれか１つに記載の原料ガス噴出用ノズルと、前記ガスだまり部に接続され開口された１つ以上の原料ガス供給管と、前記開口部に接続されている成膜室とを備え、前記成膜室に配置した基板の表面に前記原料ガス噴出用ノズルから原料ガスを噴出させ、基板の表面に膜を生成するものである。

上記（１０）の構成によれば、上記（１）〜（９）のいずれか１つに記載の原料ガス噴出用ノズルの効果を有する化学的気相成膜装置を提供できる。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係る原料ガス噴出用ノズルを備えた化学的気相成膜装置について図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る化学的気相成膜装置に用いられている原料ガス噴出用ノズルの斜視外観図である。なお、図１においては、説明の便宜上、一部のみ投影させている部分（点線で表示した部分）がある。図２は、図１の原料ガス噴出用ノズルを化学的気相成膜装置内の成膜室に設置した際の基板との関係を示す図であるとともに、図１の原料ガス噴出用ノズルにおける中央付近のＸ−Ｚ断面をＹ軸方向に見た際の図である。なお、化学的気相成膜装置の全体を図示してはいないが、本実施形態に記載した事項以外の基本的な構成は、一般的な従来のものとほぼ同様であるので、ここでは省略する。

図１及び図２に示した原料ガス噴出用ノズル１は、下面用板部材２、背面用板部材３、第１の上面用板部材４、第２の上面用板部材５、第３の上面用板部材６、側面用部材７、８からなるガスだまり部９及び原料ガス噴出部１０と、原料ガス供給管１１、１２とを備えている。また、原料ガス噴出用ノズル１は、図２に示すように、原料ガスの噴出方向が基板載置台１３上に載置された基板１４の平面に平行な方向と垂直となるように、図示しない化学的気相成膜装置内の成膜室に設置されている。なお、ここでは、原料ガスの噴出方向が基板１４の平面に平行な方向と垂直となるように、原料ガス噴出用ノズル１を化学的気相成膜装置内の成膜室に設置しているが、必ずしもこれに限られず、基板１４上に直接原料ガスを噴出できるのであれば、どのような設置の仕方であってもよい。

下面用板部材２、背面用板部材３、第１の上面用板部材４、第２の上面用板部材５、及び第３の上面用板部材６は、単なる長方体形状の板部材である。側面用部材７、８においては、断面が略台形の板部材と、該略台形の板部材の下辺に沿ってつば状に延設した長板部材とを有した同一形状のものとなっている。また、側面用部材７、８は、後述するガスだまり部９の内部空間９ａと原料ガス供給管１１、１２とを連通させるための原料ガス供給口７ａ、８ａをそれぞれ同位置に有している。

ガスだまり部９は、下面用板部材２の一部、背面用板部材３、第１の上面用板部材４、第２の上面用板部材５、及び側面用部材７、８の略台形部分からなる内部空間９ａを有している。なお、第２の上面用板部材５においては、原料ガス供給口７ａ、８ａ側から後述する導出部１０ｂ側へ向かって断面積が減少する平滑な誘導面５ａを有しており、第１の上面用板部材４の端部と第３の上面用板部材６の端部とに上下両端部が連設されている。

原料ガス噴出部１０は、下面用板部材２の一部、第３の上面用板部材６、側面用部材７、８における長板部材部分とからなり、ガスだまり部９と逆方向の一端に形成された開口部１０ａと、ガスだまり部９から開口部１０ａまで原料ガスを導出する導出部１０ｂとを有している。開口部１０ａにおいては、扁平長方形のＹ−Ｚ断面を有しているものであり、Ｚ軸方向の辺の長さが０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度のいずれかの長さとなるように形成されている。導出部１０ｂにおいては、その内部空間のＹ−Ｚ断面が開口部１０ａのＹ−Ｚ断面と同一の管部材である。導出部１０ｂにおける原料ガスの流動方向長さ（図１における第３の上面用板部材６のＸ軸方向長さ）は、導出部１０内でＹ軸方向に原料ガスが均一に拡散するのに十分な時間だけ滞留できるような長さとしている。

原料ガス供給管１１、１２は、ガスだまり部９の内部空間９ａと連通するように、側面用部材７、８の原料ガス供給口７ａ、８ａに接続された円筒部材であり、水平方向に対向するように配設されている。

なお、原料ガス供給口７ａ、８ａと開口部１０ａとは、原料ガス供給口７ａ、８ａの総断面積Ｓ_ｉと開口部１０ａの断面積Ｓ_ｏとが、１≦Ｓ_ｉ／Ｓ_ｏ≦４を有するように形成されている。なお、一変形例として、ガスだまり部９への流入温度をＴ_ｉ（Ｋ）、開口部１０ａ出口での温度をＴｏ（Ｋ）とすると、１≦（Ｓ_ｉ／Ｓ_ｏ）×（Ｔ_ｉ／Ｔｏ）≦４となるように形成してもよい。また、開口部１０ａにおける流速の範囲は、乱流にならないようなレイノルズ数Ｒｅを保持する程度とする。ここで、Ｒｅ＝（開口部１０ａにおける原料ガスの密度（ρ））×（開口部１０ａにおける原料ガスの速度（ｖ））×（開口部１０ａにおける流路高さ（ｈ）又は半径（ｄ））／（開口部１０ａにおける原料ガスの粘度（μ））である。流速がこのような範囲を外れると、入口開口における幅方向の流速分布の一様性が劣化する。

次に、図２に示した化学的気相成膜装置内の成膜室に設置された原料ガス噴出用ノズル１の動作について説明する。まず、原料ガス供給管１１又は原料ガス供給管１２からのみ原料ガスが供給されている場合について説明する。原料ガス供給管１１又は原料ガス供給管１２を介して原料ガス供給口７ａ（図２には図示せず）又は原料ガス供給口８ａから、ガスたまり部９の内部空間９ａへと供給される。そして、原料ガスが内部空間９ａから、整流されながら原料ガス噴出部１０における導出部１０ｂへと流入し、開口部１０ａを介して化学的気相成膜装置の成膜室内に設置された基板１４へエアカーテン状に噴出される。この噴出された原料ガス中の成膜成分である微粒子は、予熱されている基板１４面上で加熱され熱分解し、基板１４上に付着して成膜される。

次に、原料ガス供給管１１、１２の両方から原料ガスが供給されている場合の原料ガス噴出用ノズル１の動作について説明する。予熱されている原料ガスが、原料ガス供給管１１、１２を介して原料ガス供給口７ａ（図２には図示せず）及び原料ガス供給口８ａから、ガスたまり部９の内部空間９ａへと供給されることによって、内部空間９ａ内で衝突混合する。そして、衝突混合した原料ガスが内部空間９ａから、原料ガス噴出部１０における導出部１０ｂへと流入し、開口部１０ａを介して化学的気相成膜装置の成膜室内に設置された基板１４へエアカーテン状に噴出される。この噴出された原料ガス中の成膜成分である微粒子は、予熱されている基板１４面上で加熱され熱分解し、基板１４上に付着して成膜される。

なお、本実施形態の化学的気相成膜装置の一変形例として、基板載置台１３に代えて、基板１４を所定速度で移動させるコンベア（図示せず）を用い、このコンベア上に基板１４を載置して所定方向に移動させることによって、所定の膜厚で基板１４上の広い範囲にわたって成膜を行うこととしてもよい。

上記構成の原料ガス噴出用ノズル１によれば、開口部１０ａが扁平長方形の断面を有しているので、開口部１０ａから原料ガスを基板の幅方向全体に対して均等に噴射できる。なお、開口部１０ａの原料ガスの流動方向に対する断面は、必ずしも扁平長方形である必要はなく、変形例として、扁平長方形に類似する形状（例えば、扁平長方形の角が丸いものなど）や扁平楕円形などであってもよい。

また、原料ガス供給口７ａ、８ａの総断面積Ｓ_ｉと開口部１０ａの断面積Ｓ_ｏとが、１≦Ｓ_ｉ／Ｓ_ｏ≦４の関係を有しているので、ガスだまり部９内の圧力を開口部１０ａ外部と同等或いはより高く制御でき、常温でも、開口部１０ａ外部に原料ガスを安定して供給できるとともに容易に整流できる。また、流路途中に内部壁面以外有しないように形成されているので、開口部１０ａから噴出される原料ガス中のエアロゾル濃度が一定となる。さらに、原料ガス供給口７ａ、８ａから原料ガスがガスだまり部に供給された際、原料ガスがガスだまり部に一旦たまるので、ＣＶＤ法によって基板に膜を形成するのに用いられた際、原料ガスの供給速度の分布が基板表面に沿って流動する原料ガスの流速分布に影響しない。

また、導出部１０ｂの内部空間が、ガスだまり部９からつば状に突き出た形状であるので、安定した原料ガスの整流が可能という効果を有する。

さらに、ガスだまり部９が、原料ガス供給口７ａ、８ａ側から導出部１０ｂ側へ向かって断面積が減少する平滑な誘導面５ａを有しているので、より滑らかに整流することができるという効果を有する。

また、対向している原料ガス供給口７ａ、８ａが設けられているので、ガスたまり部９での混合が原料ガス同士の衝突混合となるので、気体分子同士の衝突又は気体分子間の引力で双方の流速が互いに緩和され、方向も相手と異なる方向に分散するとともに、ガスたまり部９内の圧力を開口部１０ａ外部の圧力よりも高くすることができ、原料ガスの安定した整流が容易になるという効果を有する。

したがって、ＣＶＤ法によって基板３６に膜を形成するのに用いた際、基板表面に生成される膜の表面粗度が非常に低く、大型基板の成膜にも適用できる原料ガス噴出用ノズル１と、これを備えた化学的気相成膜装置とを提供できる。

ここで、図示しないが、上記実施形態の一変形例として、供給される原料ガスの方向が交差するように、原料ガス供給口７ａ、８ａの配設の方向を変更しても良い。この場合でも、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、原料ガス供給口７ａ、８ａがどちらか１つであってもよい。このときは、ガスたまり部９の内部壁面に原料ガスが衝突することにより、流速が緩和されるので、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第１実施形態の側面用部材７、８と、これに設けた原料ガス供給口７ａ、８ａとの代わりに、背面用板部材のみに原料ガス供給口を設けたものとしてもよい。

また、図示しないが、上記実施形態の他の変形例として、ガスだまり部９又は／及び原料ガス噴出部１０の内部における原料ガスを加温して、原料ガス中の溶媒成分を気化させるための加温器を有していてもよい。これにより、原料ガスの内部壁面への結露がなくなるとともに、原料ガス中の成膜成分から余分な分子などを分離でき、基板表面に生成される膜の表面粗度をより低くできる。これは後述する第２実施形態においても同様である。なお、加温しなくとも（温度の影響を考えなくとも）、つば状の導出部１０ｂの内部空間における原料ガスの流動方向長さが、原料ガスを導出部１０ｂの内部空間Ｙ軸方向に均一に拡散できるほど十分な時間、滞留できるようなものであれば、安定した整流を行うことができる。これも後述する第２実施形態において同様である。

また、図示しないが、上記実施形態の他の変形例として、開口部１０ａを含む先端部分が先細り形状となるように形成されていてもよい。これにより、乱流が開口部１０ａの外部付近において発生することを抑止できるので、ＣＶＤ法によって基板に膜を形成するのに用いる際、基板表面に生成される膜の表面粗度をさらに低くできる。これは後述する第２実施形態においても同様である。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る原料ガス噴出用ノズルを備えた化学的気相成膜装置について図面に基づいて説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る化学的気相成膜装置に用いられている原料ガス噴出用ノズルの斜視外観図である。なお、図３においては、説明の便宜上、一部のみ投影させている部分（点線で表示した部分）がある。図４は、図３の原料ガス噴出用ノズルを化学的気相成膜装置内の成膜室に設置した際の基板との関係を示す図であるとともに、図３の原料ガス噴出用ノズルにおける中央付近のＸ−Ｚ断面をＹ軸方向に見た際の図である。ここでは、第１実施形態の符合１、３、５、６、１０と同様の部分について、順に符号２１、２３、２５、２６、３０を付け、その説明を省略することがある。また、化学的気相成膜装置の全体を図示してはいないが、本実施形態に記載した事項以外の基本的な構成は、一般的な従来のものとほぼ同様であるので、ここでは省略する。

図１及び図２に示した原料ガス噴出用ノズル２１は、（１）原料ガス供給口２４ａを有している第１の上面用板部材２４を用いている点、（２）原料ガス供給口を有していない側面用部材２７、２８を用いている点、（３）板部材３３と、これとともに原料ガスの乱流を抑制する乱流抑制空間２９ａ_１を形成する板部材３２を用いている点、（４）第１の平面となる板部材３２と第２の平面となる板部材２２とを用いてテーパー形状の突起部３４を形成している点が、主に、第１実施形態の原料ガス噴出用ノズル１と異なっている。なお、突起部３４の第２の平面となる板部材２２は、導出部３０ｂ内部の壁部平面も兼ねている。

また、原料ガス噴出用ノズル２１は、図４に示すように、原料ガスの噴出方向が基板載置台３５上に載置された基板３６の平面に平行な方向と垂直となるように、図示しない化学的気相成膜装置内の成膜室に設置されている。なお、ここでは、第１実施形態と同様、原料ガスの噴出方向が基板３６の平面に平行な方向と垂直となるように、原料ガス噴出用ノズル２１を化学的気相成膜装置内の成膜室に設置しているが、必ずしもこれに限られず、基板３６上に直接原料ガスを噴出できるのであれば、どのような設置の仕方であってもよい。

次に、図４に示した化学的気相成膜装置内の成膜室に設置された原料ガス噴出用ノズル１の動作について説明する。図４中の点線からなる矢印は、原料ガスの流れを模式的に示しているものである。まず、予熱されている原料ガスが、原料ガス供給管３１を介して原料ガス供給口２４ａから、ガスたまり部２９の内部空間２９ａへと供給されることによって、板部材３３の内壁面と衝突する。衝突後、乱流を発生させるが、乱流抑制空間２９ａ_１によって原料ガスの流れが反転し、乱流を緩和させ整流する。そして、この整流された原料ガスを含む内部空間２９ａ内の原料ガスが、原料ガス噴出部３０における導出部３０ｂへと流入し、開口部１０ａを介して化学的気相成膜装置の成膜室内に設置された基板１４へエアカーテン状に噴出される。この噴出された原料ガス中の成膜成分である微粒子は、予熱されている基板３６面上で加熱され熱分解し、基板３６上に付着して成膜される。なお、本実施形態の化学的気相成膜装置の一変形例として、第１実施形態と同様、基板載置台３５に代えて、基板３６を所定速度で移動させるコンベア（図示せず）を用い、このコンベア上に基板３６を載置して所定方向に移動させることによって、所定の膜厚で基板３６上の広い範囲にわたって成膜を行うこととしてもよい。

上記構成の原料ガス噴出用ノズル２１によれば、原料ガス供給口２４ａから供給された原料ガスがガスたまり部２９内壁面と衝突した際に発生する偏流を、意図的に内部全体に拡散させるような乱流に変換することができるとともに、拡散後の原料ガスの流れを乱さないように原料ガスを導出部へと導くことができる。したがって、上記偏流を緩和して、開口部の原料ガスの空間分布を一定化することができるので、原料ガスの整流精度を向上させることができる。また、流路途中に内部壁面以外有しないように形成されているので、開口部３０ａから噴出される原料ガス中の膜成分の濃度が一定となる。さらに、原料ガス供給口２４ａから原料ガスがガスだまり部２９に供給された際、原料ガスがガスだまり部２９に一旦たまるので、ＣＶＤ法によって基板３６に膜を形成するのに用いられた際、原料ガスの供給速度の分布が基板３６表面に沿って流動する原料ガスの流速分布に影響しない。

また、導出部３０ｂの内部空間が、ガスだまり部２９からつば状に突き出た形状であるので、安定した原料ガスの整流が可能という効果を有する。

さらに、ガスだまり部２９が、原料ガス供給口２４ａ側から導出部３０ｂ側へ向かって断面積が減少する平滑な誘導面２５ａを有しているので、より滑らかに整流することができるという効果を有する。

加えて、開口部３０ａの原料ガスの流動方向に対する断面が扁平長方形であるので、ＣＶＤ法によって基板３６に膜を形成するのに用いれば、基板３６表面に生成される膜の表面粗度を非常に低くできるとともに、基板３５の幅方向全体に対して均等に噴射できる。なお、開口部３０ａの原料ガスの流動方向に対する断面は、必ずしも扁平長方形である必要はなく、変形例として、扁平長方形に類似する形状（例えば、扁平長方形の角が丸いものなど）や扁平楕円形などであってもよい。

したがって、ＣＶＤ法によって基板３６に膜を形成するのに用いた際、基板３６表面に生成される膜の表面粗度が非常に低く、大型基板の成膜にも適用できる原料ガス噴出用ノズル２１と、これを備えた化学的気相成膜装置とを提供できる。

（実施例１）
第１実施形態と同構成の原料ガス供給ノズルのガスたまり部で、２つの対向する原料ガス供給口から供給された原料ガスを衝突混合させた場合の開口部からの原料ガス流の速度を、フルーエント・アジアパシフィック（株）の有限体積法 汎用熱流体解析ソフトウェア（商品名FLUENT）を用いてシミュレーションした。シミュレーション条件は、（１）ガスたまり部において、背面用板部材から誘導面を有する第２の上面用板部材に至るまでの長さが３０ｍｍ、高さが３１ｍｍ、背面用板部材から導出部に至るまでの長さが７０ｍｍであり、（２）第２の上面用板部材の誘導面が下面用板部材に対して４５°となるように設け、（３）導出部の原料ガス流動方向（図１における第３の上面用板部材６のＸ軸方向と同方向）の長さを３０ｍｍ、（４）原料ガス供給ノズルの開口部幅を１５０ｍｍ、導出部及び開口部高さを０．５ｍｍ、すなわちＳ_ｏを７５ｍｍ^２とし、（５）各原料ガス供給管（それぞれに原料ガス供給管が接続されている）ガスたまり部の上部端から下方向に１５ｍｍ、原料ガス流方向に１５ｍｍの位置に設けた円形の原料ガス供給口の断面積を５０．２４ｍｍ^２（原料ガス供給口が２つ使用されるので、総断面積Ｓ_ｉ＝１００．４８ｍｍ^２）として、Ｓ_ｉ／Ｓ_ｏを約１．３４に設定するともに、（６）ガスたまり部と導出部とが室温下となるように設定した。なお、各原料ガス供給口からガスたまり部への供給速度を１、３、１０ｍ／ｓの各速度で、シミュレーションした。その結果を図５（ａ）に示す。シミュレーション結果は、開口部からの原料ガス流の速度を規格化したものを示しているが、各原料ガス供給口からガスたまり部への供給速度が１、３、１０ｍ／ｓの各速度において同様の結果が得られたので、１つのグラフのみを示している。また、横軸は開口部の幅方向の位置、縦軸は規格化された開口部からの原料ガス流の速度を示している。後述の比較例１、２の結果においても同様である。

（実施例２）
第１実施形態と同構成の原料ガス供給ノズルのガスたまり部へ、一方の原料ガス供給口（図１における原料ガス供給口７ａ側のもの：総断面積Ｓ_ｉ＝５０．２４ｍｍ^２）のみから原料ガスを供給させた場合の開口部からの原料ガス流の速度を、実施例１と同様の方法でシミュレーションした。シミュレーション条件は、実施例１と同様である。シミュレーション結果を図５（ｂ）に示す。

（実施例３）
図６に示す原料ガス供給ノズルのガスたまり部へ原料ガスを供給した場合の開口部からの原料ガス流の速度を、実施例１と同様の方法でシミュレーションした。シミュレーション条件は、実施例１と同様である。シミュレーション結果を図５（ｃ）に示す。なお、図６は、本実施例に用いた原料ガス供給ノズルの上視図である。また、本実施例に用いた原料ガス供給ノズルは、側面用部材に原料ガス供給口及び原料ガス供給管が設けられておらず、背面板部材の中央に形成された原料ガス供給口（図示せず）と、これに接続された原料ガス供給管４１とを有している点で、第１実施形態の原料ガス供給ノズル１と異なっている。本実施例では、第１実施形態の符合１、４〜６、９、１０と同様の部分について、順に符号４１、４４〜４６、４９、５０を付け、その説明を省略する。また、図示していないが、本実施例の側面用部材及び下面用板部材においては、原料ガス供給口が形成されていない第1実施形態の側面用部材７、８及び下面用板部材２と同形状であるので、その説明を省略する。

実施例１の結果である図５（ａ）から、ガスたまり部で衝突混合させた第１実施形態の原料ガス供給ノズルと同構成の原料ガス供給ノズルによると、開口部の幅方向の原料ガス流速が全体にわたってほぼ一定となっていることがわかる。これに対し、実施例２、３の結果である図５（ｂ）、（ｃ）からは、原料ガス流速が幅方向について実施例１ほど一定ではないものの、どちらも実用できるほどに十分整流できていることがわかる。

（実施例４、比較例１）
次に、Ｓ_ｉ／Ｓ_ｏの大きさを変化させて、第１実施形態と同構成の原料ガス供給ノズルのガスたまり部で、一方の原料ガス供給口のみから原料ガスが供給された場合の開口部からの原料ガス流の速度を、実施例１と同様の方法でシミュレーションした。具体的には、原料ガス供給ノズルの開口部幅を１５０ｍｍ、導出部及び開口部高さを実施例４では１．０ｍｍ（Ｓ_ｏ＝１５０ｍｍ^２）、比較例１では２．０ｍｍ（Ｓ_ｏ＝３００ｍｍ^２）とし、円形の原料ガス供給口１つの断面積が２５４．３４ｍｍ^２（実施例４及び比較例１での総断面積Ｓ_ｉ）として、実施例４においてはＳ_ｉ／Ｓ_ｏが約１．７、比較例１においてはＳ_ｉ／Ｓ_ｏが約０．８となる原料ガス供給ノズルについてシミュレーションした。これら以外のシミュレーション条件は、実施例１と同様である。このようにしてシミュレーションした実施例４及び比較例１の結果については図７（ａ）、（ｂ）それぞれに示す。図７（ａ）、（ｂ）において、横軸は開口部の幅（Ｙ軸）方向の位置、縦軸は開口部における原料ガスの流速を示す。

図７（ａ）、（ｂ）から、比較例１では、実施例４ほど均一に整流できていないことがわかる。

（実施例５、比較例２）
次に、実施例４と同様の原料ガス供給ノズルについて、Ｓ_ｉ／Ｓ_ｏの大きさを変化させて、２つの対向する原料ガス供給口から供給された原料ガスを衝突混合させた場合の開口部からの原料ガス流の速度を、実施例１と同様の方法でシミュレーションした。実施例５においてはＳ_ｉ／Ｓ_ｏが約３．４（原料ガス供給ノズルの開口部幅を１５０ｍｍ、導出部及び開口部高さを１．０ｍｍ（Ｓ_ｏ＝１５０ｍｍ^２）、原料ガス供給口が２つ使用されるので、総断面積Ｓ_ｉ＝５０８．６８ｍｍ^２）、比較例２においてはＳ_ｉ／Ｓ_ｏが約０．７（（原料ガス供給ノズルの開口部幅を１５０ｍｍ、導出部及び開口部高さを５．０ｍｍ（Ｓ_ｏ＝７５０ｍｍ^２）、実施例５と同様、原料ガス供給口が２つ使用されるので、総断面積Ｓ_ｉ＝５０８．６８ｍｍ^２）となる原料ガス供給ノズルについてシミュレーションした。これら以外のシミュレーション条件は、実施例４と同様である。このようにしてシミュレーションした実施例５及び比較例２の結果については図８（ａ）、（ｂ）それぞれに示す。図８（ａ）、（ｂ）において、横軸は開口部の幅（Ｙ軸）方向の位置、縦軸は開口部における原料ガスの流速を示す。

図８（ａ）、（ｂ）から、比較例２では、実施例５ほど均一に整流できていないことがわかる。

（実施例６）
次に、第１実施形態と同構成の原料ガス供給ノズルにおける導出部の原料ガス流動方向（図１における第３の上面用板部材６のＸ軸方向と同方向）の長さを２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、３０ｍｍとした各場合について、実施例１と同様の方法でシミュレーションを行った。なお、他のシミュレーション条件としては、（１）ガスたまり部において、背面用板部材から誘導面を有する第２の上面用板部材に至るまでの長さが２０ｍｍ、背面用板部材高さが２１ｍｍ、背面用板部材から導出部に至るまでの長さが３０ｍｍであり、（２）導出部及び開口部高さにおいては１．０ｍｍとし、（３）第２の上面用板部材の誘導面が下面用板部材に対して４５°となるように設け、（４）各原料ガス供給口（それぞれに原料ガス供給管が接続されている）をガスたまり部の上部端から下方向に１０ｍｍ、原料ガス流方向に１０ｍｍの位置に設け、（５）ガスたまり部と導出部との下面を加熱して３００Ｋ、５００Ｋ、７００Ｋ、９００Ｋの各温度状況下となるように設定した。その結果を開口部から出てくる原料ガスの流出速度を平均した値に対する誤差（偏差）を取って表した図９に示す。

図９から、衝突混合を持って整流を行う際、室温では約３％程度のずれは見られるものの、つばを長くすればするほど偏差率が上昇し、１ｃｍ程度の長さがあれば十分整流できることが分かる。また、加温することによって、そのつばの長さを短くしても、整流に貢献していることが分かる。ただし、温度を上げるにしたがって、ノズルの材質に関わる問題が生じてきて、どんなにあげても７００Ｋ程度の加熱で十分であると思われる。また、どんな場合でもつばを長くすれば良いわけではなく、つばを長くすればするほど、微粒子の壁面への付着する可能性が高くなるので、適度な長さに保つ方が好ましいと考えられる。

（実施例７、比較例３）
次に、第２実施形態と同構成の原料ガス供給ノズルを用いた化学的気相成膜装置において、第２実施形態と同様の動作で基板上に実際に成膜を行った。具体的には、図１１（（ａ）が実施例７に係る原料ガス噴出用ノズルの斜視概略図であるとともに開口部の幅寸法を示す図、（ｂ）が（ａ）の原料ガス噴出用ノズルにおける中央付近の内部空間のＸ−Ｚ断面をＹ軸方向に見た際の寸法概略図である）に示すように、原料ガス供給ノズルの開口部幅を３０ｍｍ、開口部高さを１ｍｍ、原料ガス供給口の径が８ｍｍ、導出部の原料ガス流動方向（図３における第３の上面用板部材２６のＸ軸方向と同方向）の長さを３０ｍｍ、幅方向を３０ｍｍなどとし、ガスたまり部と導出部とが室温下となる条件で成膜を行った。その結果を図１０（ａ）、（ｂ）に示す。なお、図１０（ａ）、（ｂ）の結果は、実施例７に係る成膜された基板において、無作為に選択した２点付近の膜厚を示したものである。また、比較例３として、突起部及び誘導面が存在せず、その代わりに、これらの部位が導出部における原料ガスの流動方向に対して垂直な面となっている点で図１１に示した実施例７に係る原料ガス供給ノズルと異なるノズルを用いて基板上に成膜を行った。具体的には、図１２（（ａ）が比較例３に係る原料ガス噴出用ノズルの斜視概略図であるとともに開口部の幅寸法を示す図、（ｂ）が（ａ）の原料ガス噴出用ノズルにおける中央付近の内部空間のＸ−Ｚ断面をＹ軸方向に見た際の寸法概略図である）に示すようなノズルと同構成のものを作製し、このノズルを用いた化学的気相成膜装置において、ガスたまり部と導出部とが室温下となる条件で基板上に成膜を行った。比較例３に係る成膜の結果を図１０（ｃ）、（ｄ）に示す。なお、図１０（ｃ）、（ｄ）の結果は、比較例３に係る成膜された基板において、無作為に選択した２点付近の膜厚を示したものである。

図１０（ａ）、（ｂ）から、実施例７における成膜結果は、１０オングストロームにも満たない凹凸がある程度で、グラフ上で確認するのは不可能である。これに対して、図１０（ｃ）、（ｄ）から、比較例３における成膜結果は、凹凸が激しく現れている。したがって、実施例７における原料ガス供給ノズルにおいては、原料ガス流を高い精度で整流できていることがわかるとともに、実施例７における原料ガス供給ノズルを備えた化学的気相成膜装置が均一な厚さの膜を基板上に形成できるものであることがわかる。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。例えば、第１実施形態における原料ガス噴出用ノズル１では、原料ガスの供給に、２本の原料ガス供給管を用いているが、どちらか１本のみを有しているものであってもよいし、原料ガスの供給方向が交錯又は対向するように３本以上設けているものであってもよい。また、第２実施形態における原料ガス噴出用ノズル２１においても、原料ガスの供給方向が交錯又は対向するように２本以上設けているものであってもよい。さらに、第１及び第２実施形態における原料ガス噴出用ノズル１、２１の誘導面５ａ、２５ａは、平面としたが、原料ガスを誘導すればよいので、曲面など適宜変化させても良い。

また、本発明によれば、原料ガスとして、０．００１μｍ（＝１ｎｍ）程度から１００μｍ程度のサイズの微粒子を含むエアロゾル浮遊ガスを使用した際でも、上述した各効果を奏することができる。特に、１μｍ〜１０μｍ程度（若しくは１μｍ〜５μｍ程度）のサイズの微粒子（成膜成分の他に水又は有機溶媒などの分子が含まれるものであってもよい。）を含むエアロゾル浮遊ガスについて用いても上述した各効果を奏することができる。

本発明の第１実施形態に係る化学的気相成膜装置に用いられている原料ガス噴出用ノズルの斜視外観図である。 図１の原料ガス噴出用ノズルを化学的気相成膜装置内の成膜室に設置した際の基板との関係を示す図であるとともに、図１の原料ガス噴出用ノズルにおける中央付近のＸ−Ｚ断面をＹ軸方向に見た際の図である。 本発明の第２実施形態に係る化学的気相成膜装置に用いられている原料ガス噴出用ノズルの斜視外観図である。 図３の原料ガス噴出用ノズルを化学的気相成膜装置内の成膜室に設置した際の基板との関係を示す図であるとともに、図３の原料ガス噴出用ノズルにおける中央付近のＸ−Ｚ断面をＹ軸方向に見た際の図である。 （ａ）が本発明の実施例１に係るグラフ、（ｂ）が実施例２に係るグラフ、（ｃ）が実施例３に係るグラフである。 実施例３で用いた原料ガス噴出用ノズルの上視外観図である。 （ａ）が本発明の実施例４に係るグラフ、（ｂ）が比較例１に係るグラフである。 （ａ）が本発明の実施例５に係るグラフ、（ｂ）が比較例２に係るグラフである。 本発明の実施例６に係るグラフである。 （ａ）及び（ｂ）が本発明の実施例７に係るグラフ、（ｃ）及び（ｄ）が比較例３に係るグラフである。 （ａ）が実施例７に係る原料ガス噴出用ノズルの斜視概略図であるとともに開口部の幅寸法を示す図、（ｂ）が（ａ）の原料ガス噴出用ノズルにおける中央付近の内部空間のＸ−Ｚ断面をＹ軸方向に見た際の寸法概略図である。 （ａ）が比較例３に係る原料ガス噴出用ノズルの斜視概略図であるとともに開口部の幅寸法を示す図、（ｂ）が（ａ）の原料ガス噴出用ノズルにおける中央付近の内部空間のＸ−Ｚ断面をＹ軸方向に見た際の寸法概略図である。

符号の説明

１、２１、４１ 原料ガス噴出用ノズル
２、２２ 下面用板部材
３、２３ 背面用板部材
４、２４、４４ 第１の上面用板部材
５、２５、４５ 第２の上面用板部材
５ａ、２５ａ、４５ａ 誘導面
６、２６、４６ 第３の上面用板部材
７、８、２７、２８ 側面用部材
７ａ、８ａ、２４ａ 原料ガス供給口
９ａ、２９ａ 内部空間
９、２９、４９ ガスたまり部
１０、３０、５０ 原料ガス噴出部
１０ａ、３０ａ、５０ａ 開口部
１０ｂ、３０ｂ、５０ｂ 導出部
１１、１２、３１、５１ 原料ガス供給管
１３、３５ 基板載置台
１４、３６ 基板
２１ 原料ガス噴出用ノズル
２２、３２、３３ 板部材
２９ａ_１ 乱流抑制空間
３４ 突起部

Claims (10)

1. 原料ガスを内部に供給するための１つ以上の原料ガス供給口を有するガスだまり部と、
   一端に形成された開口部と、前記ガスだまり部から前記開口部まで原料ガスを導出する導出部とを有する原料ガス噴出部とを備え、
   前記開口部の断面が扁平形状であることを特徴とする原料ガス噴出用ノズル。
2. 前記原料ガス供給口の総断面積Ｓ_ｉと前記開口部の断面積Ｓ_ｏとが、１≦Ｓ_ｉ／Ｓ_ｏ≦４の関係を有していることを特徴とする請求項１に記載の原料ガス噴出用ノズル。
3. 原料ガスを内部に供給するための１つ以上の原料ガス供給口と、
   前記原料ガス供給口から供給された原料ガスが衝突する内壁面とともに、９０°未満の内角を有する乱流発生空間を形成する第１の平面、及び、前記第１の平面とテーパー形状を形成する第２の平面を有している突起部と、を備えているガスだまり部、並びに、
   一端に形成された開口部と、前記ガスだまり部から前記開口部まで原料ガスを導出する導出部とを有する原料ガス噴出部、
   を備えていることを特徴とする原料ガス噴出用ノズル。
4. 前記導出部内部の壁面に平面を有しており、
   前記第２の平面と前記導出部の平面とが、同一平面上に形成されていることを特徴とする請求項３記載の原料ガス噴出用ノズル。
5. 前記導出部の内部空間が、前記ガスだまり部からつば状に突き出た形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の原料ガス噴出用ノズル。
6. 前記ガスだまり部が、前記原料ガス供給口側から前記導出部側へ向かって断面積が減少する平滑な誘導面を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の原料ガス噴出用ノズル。
7. 前記原料ガス噴出部の前記開口部を含む先端部分が先細り形状となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の原料ガス噴出用ノズル。
8. 前記原料ガス供給口が複数設けられており、
   これらの前記原料ガス供給口からの原料ガス供給方向が、交差又は対向していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の原料ガス噴出用ノズル。
9. 前記ガスだまり部又は／及び原料ガス噴出部の内部における原料ガスを加温して、該原料ガスをミスト化させるとともに整流するための加温器を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の原料ガス噴出用ノズル。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の原料ガス噴出用ノズルと、
    前記ガスだまり部に接続され開口された１つ以上の原料ガス供給管と、
    前記開口部に接続されている成膜室とを備え、
    前記成膜室に配置した基板の表面に前記原料ガス噴出用ノズルから原料ガスを噴出させ、基板の表面に膜を生成する化学的気相成膜装置。
    

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