JP4947682B2 - 触媒線化学気相成長装置および触媒線化学気相成長装置における触媒線の再生方法 - Google Patents
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Description
本発明は、反応室内に設置された加熱した触媒線に原料ガスを供給し、生成した分解種を反応室内の被成膜基材上に堆積させて成膜を行う触媒線化学気相成長装置および触媒線化学気相成長装置における触媒線の再生方法に関する。
触媒線化学気相成長法（Cat-CVD: Catalytic-Chemical Vapor Deposition）は、例えば１５００〜２０００℃に加熱したタングステンフィラメント等の触媒線に反応ガスを供給し、反応ガスの触媒反応もしくは熱分解反応を利用して生成した分解種（堆積種）を例えば３００℃前後に保持された基材上に輸送して薄膜堆積させる方法である。
触媒線化学気相成長法は、反応ガスの分解種を基材上に堆積させて成膜を行うという点で、プラズマＣＶＤ法と類似する。しかし、触媒線化学気相成長法は、高温の触媒線上における反応ガスの触媒反応あるいは熱分解反応を利用して分解種を生成するので、プラズマを形成して反応ガスの分解種を生成するプラズマＣＶＤ法に比べて、プラズマによる表面損傷がなく、原料ガスの利用効率も高いという利点がある。
ところで、この種の触媒線化学気相成長装置においては、反応ガスの分解生成物が被成膜基材だけでなく反応室の内部にも付着するので、この反応室の内部を定期的にクリーニングする必要がある。反応室のクリーニング工程においては、クリーニングガスとしてＮＦ3 ガス等を反応室に導入することにより行われている（例えば下記特許文献１参照）。
しかしながら、この種の触媒線化学気相成長装置においては、反応室内部をクリーニングする工程において、クリーニングガス（ＮＦ3 等）との接触によって触媒線が削られるようにして大きく損耗し、線径が細くなってしまう。このため、触媒線の寿命が短くなり、触媒線の交換頻度が高くなることによって、生産性が低下するという問題がある。
また、触媒線は、例えば直流電源に接続されて抵抗加熱により加熱される。従って、クリーニング工程の実施により触媒線は徐々に細線化するので、定電流電源を用いた場合は触媒線の抵抗値が増大する。これに伴い、触媒線の印加電圧が上昇して消費電力が大きくなるという問題がある。一方、触媒線の抵抗値の増大により、触媒線の加熱温度が上昇し、分解種の生成条件が変動して膜質の安定化が図れなくなる問題もある。
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、触媒線の交換頻度の増加による生産性の低下、消費電力の上昇、膜質の変動等を抑制できる触媒線化学気相成長装置および触媒線化学気相成長装置における触媒線の再生方法を提供することを課題とする。
以上の課題は、反応室内に設置された加熱した触媒線に原料ガスを供給し、生成した分解種を前記反応室内の被成膜基材上に堆積させて成膜を行う触媒線化学気相成長装置において、前記触媒線と同一成分元素のハロゲン化物を前記触媒線へ供給し当該触媒線を再生させる再生手段を備えたことを特徴とする触媒線化学気相成長装置、によって解決される。
また以上の課題は、反応室内に設置された加熱した触媒線に原料ガスを供給し、生成した分解種を前記反応室内の被成膜基材上に堆積させて成膜を行う触媒線化学気相成長装置における触媒線の再生方法であって、前記触媒線を加熱し、前記触媒線と同一成分元素のハロゲン化物を前記触媒線へ供給して、前記触媒線を再生することを特徴とする触媒線化学気相成長装置における触媒線の再生方法、によって解決される。
本発明は、ハロゲンサイクルの原理を利用しており、触媒線と同一成分（金属）元素のハロゲン化物を加熱した触媒線に接触させて、当該ハロゲン化物の分解で生じた金属元素を触媒線に結合させ、触媒線の線径の回復を図る。これにより、触媒線を再生し、寿命の長期化と抵抗値の変動を抑制する。
触媒線に供給するハロゲン化物は、触媒線の種類によって選択され、触媒線が金属タングステンで構成される場合には、タングステンフッ化物等のタングステン−ハロゲン化合物が用いられる。その他、触媒線がモリブデンやタンタル等の高融点金属で形成されている場合は、ハロゲン化物として、モリブデン−ハロゲン化合物あるいはタンタル−ハロゲン化合物が選択される。
触媒線に対する金属ハロゲン化物の供給は、当該ハロゲン化物を含む再生用ガスを反応室の内部へガス導入配管を介して導く構成を採用したり、触媒線と同一成分元素でなる金属体を反応室又はその隣接空間に配置し、これにフッ素系ガスを接触させてハロゲン化物を生成して触媒線へ供給する構成を採用することができる。
本発明によれば、細線化した触媒線の再生を図ることができるので、触媒線の寿命を長期化でき、交換頻度の低減により生産性の向上を図ることができる。また、触媒線の抵抗値の増加を抑制できるので、消費電力の上昇による生産コストの悪化、分解種の生成条件のバラツキによる膜質の変動等を防止することができる。
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による触媒線化学気相成長装置１の概略構成図である。触媒線化学気相成長装置１は反応室１１を有しており、反応室１１は真空ポンプ１２により真空排気可能とされている。反応室１１には、被処理基材として例えば半導体基板Ｗを支持するステージ１３が設置されている。ステージ１３の内部にはヒータ１４が設置されており、基板Ｗを所定温度に加熱可能となっている。
図１は、本発明の第１の実施の形態による触媒線化学気相成長装置１の概略構成図である。触媒線化学気相成長装置１は反応室１１を有しており、反応室１１は真空ポンプ１２により真空排気可能とされている。反応室１１には、被処理基材として例えば半導体基板Ｗを支持するステージ１３が設置されている。ステージ１３の内部にはヒータ１４が設置されており、基板Ｗを所定温度に加熱可能となっている。
反応室１１の上端部には、成膜用の反応ガス１８ａ、クリーニングガス１８ｂ及び触媒線再生用の再生ガス１８ｃの各種ガスを導入するガス導入配管１６が接続されている。そして、反応室１１の上部には、導入されたガス１８を均一照射するためのシャワープレート１５が設置されている。
また、シャワープレート１５とステージ１３との間には触媒線１７が設置されている。反応室１１の外部には、図示せずとも触媒線１７の両端部間に例えば直流電圧を印加する電源部が備えられている。本実施の形態において、触媒線１７は、タングステンフィラメントで構成されている。
以上のように構成される本実施の形態の触媒線化学気相成長装置１において、基板Ｗの成膜時は、上記電源部により触媒線１７に直流電圧を印加し、触媒線１７を融点以下の所定の高温度（例えば１７００℃）に加熱する。また、ステージ１３に内蔵されたヒータ１４によって基板Ｗを所定温度（例えば３００℃前後）に加熱する。ガス導入配管１６およびシャワープレート１５を介して反応室１５へ導入された反応ガス１８ａは、所定温度に加熱された触媒線１７に接触し、触媒反応もしくは熱分解反応を利用して生成した反応ガスの分解種が基板Ｗ上に堆積することで、成膜が行われる。例えば基板Ｗにシリコン膜を成膜する場合、反応ガス１８ａとしてシラン（ＳｉＨ4）等を用いることができる。
成膜処理を続けることにより、反応室１１の内部には、反応ガス１８ａの分解生成物が付着する。付着量が多くなると、ダストの発生原因となり、成膜不良を引き起こすので、反応室１１のクリーニング工程を定期的に行う必要がある。
クリーニング工程では、ガス導入配管１６から反応室１１へ向けてクリーニングガス１８ｂが導入される。クリーニングガス１８ｂとしては、例えばＮＦ3 ガスが用いられるが、これ以外に、Ｆ2、ＳＦ6等の他のフッ素系クリーニングガスを用いてもよい。反応室１１に導入されたクリーニングガス１８ｂは、加熱された触媒線１７に接触することで活性化し、反応室１１内部の付着物を分解する。分解された付着物は、クリーニングガス１８ｂとともに反応室１１の外部へ排気される。
以上のようにして実施されるクリーニング工程においては、クリーニングガス１８ｂとの接触により触媒線１７が削りとられて大きく損耗する。このため、触媒線１７の交換頻度が高くなり、生産性に大きな影響を与えることになる。一方、触媒線１７の加熱電源部を定電流源で構成した場合、触媒線１７の損耗による線径の縮小で抵抗値が増加するので、触媒線電圧が上昇して余分な消費電力が必要になるとともに、触媒線１７の加熱温度上昇により成膜条件が変動し、膜質にバラツキが生じることになる。
図２は、定電流源に接続した触媒線の電圧の経時変化を測定した一実験結果を示している。実線はクリーニングガス（ＮＦ3 ）の導入なしの場合を示し、一点鎖線は導入ありの場合を示している。図２に示したように、クリーニングガス導入なしの場合は触媒線電圧は一定に推移するのに対して、クリーニングガス導入時は触媒線電圧が徐々に高くなる傾向にある。以上の結果は、クリーニングガスの導入により触媒線が損耗することで、触媒線抵抗の増加につながっていることを示している。
そこで、本実施の形態では、クリーニング工程の実施後に、損耗した触媒線１７の再生工程を追加することで、触媒線１７の寿命を改善し、生産性の向上、消費電力低減、膜質の安定化を図るようにしている。この再生工程では、ガス導入配管１６から反応室１１へ向けて再生ガス１８ｃが導入される。なお、再生ガス１８ｃ及びガス導入配管１６は、本発明の「再生手段」を構成する。
再生ガス１８ｃには、触媒線１７と同一成分の金属元素のハロゲン化物を含むガスが用いられる。導入された再生ガス１８ｃは、加熱された触媒線１７上で分解し、分離された金属元素が触媒線１７と結合し、析出する。これにより触媒線１７の線径が回復し、触媒線１７が再生される。
再生ガス１８ｃを構成するハロゲン化物は、触媒線１７がタングステンフィラメントで構成されている本実施の形態においては、タングステン−ハロゲン化合物、例えばＷＦ6等のフッ素系ガスが用いられている。
なお、触媒線１７がモリブデンあるいはタンタル等の他の高融点金属で構成される場合は、ＭｏＦ6 あるいはＴａＦｘが再生用ハロゲン化物として用いられる。
なお、触媒線１７がモリブデンあるいはタンタル等の他の高融点金属で構成される場合は、ＭｏＦ6 あるいはＴａＦｘが再生用ハロゲン化物として用いられる。
図３は、再生ガス導入による触媒線電圧の回復効果を説明する作用図である。上述したように、クリーニングガスの導入により触媒線１７は大きく損耗して触媒線電圧が上昇する。そこで、クリーニング工程終了後、流量制御した再生ガス（ＷＦ6 ）を反応室１１へ導入して、上昇した触媒線電圧を初期の電圧値に減少させる。すなわち、クリーニングガス（ＮＦ3 ）の導入で損耗した触媒線に対し、再生ガスを導入することで、クリーニングガス導入初期時の触媒線抵抗値に回復させる。その後、反応室１１から再生ガスを排気する。なお、再生ガスの導入量、導入時間等は、触媒線１７の損耗量、触媒線温度、再生工程の実施時間等に応じて適宜設定される。
以上のように本実施の形態によれば、再生ガス１８ｃの導入により、触媒線１７の再生を図ることが可能となり、触媒線１７の寿命を改善して、生産性の向上、消費電力低減、膜質の安定化を図ることができる。
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態による触媒線化学気相成長装置２の概略構成図である。なお図において、上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図４は、本発明の第２の実施の形態による触媒線化学気相成長装置２の概略構成図である。なお図において、上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態の触媒線化学気相成長装置２は、再生手段として、反応室１１に隣接する補助チャンバ２０が設置されており、この補助チャンバ２０の内部には、触媒線１７と同一成分元素でなる金属体２１が収容されている。補助チャンバ２０は反応室１１と共に、真空ポンプ１２によって真空排気可能に構成されている。なお、金属体２１の加熱機構を別途設けてもよい。
金属体２１は、触媒線１７の種類に応じて選定され、本実施の形態ではタングステンのインゴット（塊状体）で構成されている。なお、触媒線１７がモリブデンやタンタルで構成されている場合には、金属体２１はモリブデンやタンタルが用いられる。なお、金属体２１の形態は特に限定されず、インゴット以外に薄板やフィラメント形状等であってもよい。
反応室１１と補助チャンバ２０との間には流量調整バルブ１９が設けられている。この流量調整バルブ１９は、反応室１１に導入される反応ガス１８ａやクリーニングガス１８ｂに対する補助チャンバ２０への流入を制御する。すなわち、流量調整バルブ１９は、成膜時には全閉状態となり、反応室１１に導入される反応ガス１８ａの補助チャンバ２０への流入を禁止する。また、流量調整調整バルブ１９は、クリーニング工程時には、開量に応じて反応室１１に導入されるクリーニングガス１８ｂの補助チャンバ２０への流入量を制御する。
本実施の形態では、反応室１１内のクリーニング工程と同時に、触媒線１７の再生工程が行われる。クリーニング工程において、反応室１１に導入されたクリーニングガス１８ｂは、流量調整バルブ１９を介して補助チャンバ２０内へ流入する。金属体２１は、流入したクリーニングガス（ＮＦ3 ）との接触により浸食されて、タングステンフッ化物を生成する。生成したタングステンフッ化物（ＷＦ6 ）は、流量調整バルブ１９を介して反応室１１へ流出する。
タングステンフッ化物の生成量は、流量調整バルブ１９で制御される。反応室１１に流出したタングステンフッ化物は、クリーニングガス１８ｂとの接触により損耗した触媒線１７に接近し、触媒線１７の加熱温度でタングステン元素が分離される。分離したタングステン元素は触媒線１７と結合し、触媒線１７の線径を回復させる。以上のようにして、触媒線１７の再生工程が実施される。
本実施の形態によれば、クリーニング工程と同時に触媒線１７の再生工程を行うことができるので、上述の第１の実施の形態と比較して、成膜工程への移行時間を短くでき、スループットの向上を図ることができる。
なお、補助チャンバ２０は、ガスの排気流に関して、触媒線１７よりも上流側に配置される。これにより、触媒線１７の再生処理を効率良く行うことが可能となる。
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態による触媒線化学気相成長装置３の概略構成図である。なお図において、上述の第１，第２の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図５は、本発明の第３の実施の形態による触媒線化学気相成長装置３の概略構成図である。なお図において、上述の第１，第２の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態の触媒線化学気相成長装置３は、金属体２１が収容される補助チャンバ２０に、窒素やヘリウム、アルゴン等の不活性ガスを供給するガス供給管２２が設けられている点で、上述の第２の実施の形態と異なる。すなわち本実施の形態では、ガス供給管２２からのガス供給量（供給圧）で、クリーニングガスの補助チャンバ２０への流入量を規制し、触媒線１７再生用のタングステンフッ化物の生成量を制御するようにしている。
ガス供給管２２は、そのガス供給口が補助チャンバ２０から反応室１１側へ向けて設置されている。なお、ガス供給管２２から金属体２１へ不活性ガスを吹き付けるように上記ガス供給口を配置することによって、タングステンフッ化物の生成量制御が容易となる。
また、ガス供給管２２から供給されるガスは、不活性ガスに限らず、フッ素系ガスであってもよい。このフッ素系ガスで直接タングステンフッ化物を生成することができる。
（第４の実施の形態）
図６Ａ，Ｂは、本発明の第４の実施の形態による触媒線化学気相成長装置４の概略構成図である。なお図において、上述の第１，第２の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図６Ａ，Ｂは、本発明の第４の実施の形態による触媒線化学気相成長装置４の概略構成図である。なお図において、上述の第１，第２の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態の触媒線化学気相成長装置４においては、補助チャンバ２０に収容されている金属体２１に高周波電源２３Ａを接続し、金属体２１を高周波印加による表皮効果あるいは渦電流損失で発生するジュール熱で加熱制御することにより、触媒線１７再生用のタングステンフッ化物の生成量を制御するようにしている。
すなわち、金属体２１は、クリーニングガスとの接触により触媒線再生用のタングステンフッ化物を生成するが、その生成量は、金属体２１の加熱温度によって異なる。具体的には、金属体２１の温度が低温ほど、より多量のタングステンフッ化物を生成する。そこで、本実施の形態では、金属体２１の加熱温度を制御することで、触媒線１７に対して適切な量の再生ガスを供給するようにしている。なお、金属体２１の加熱温度を触媒線１７の加熱温度よりも低温に設定することで、金属体２１から触媒線１７へ効率良くタングステン元素を付着させることができる。
なお図６Ｂは、金属体２１に直流電源２３Ｂを接続することで、抵抗加熱により金属体２１を加熱制御する構成例である。本例によっても、上述と同様な効果を得ることができる。
（第５の実施の形態）
図７は、本発明の第５の実施の形態による触媒線化学気相成長装置５の概略構成図である。なお図において、上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
図７は、本発明の第５の実施の形態による触媒線化学気相成長装置５の概略構成図である。なお図において、上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
本実施の形態の触媒線化学気相成長装置５は、反応室１１の内部に、触媒線１７と同一成分元素（タングステン）でなる金属体として、補助フィラメント２４が、触媒線１７と独立して配置されている。この補助フィラメント２４には、図示せずとも加熱源が接続されており、例えば抵抗加熱等により補助フィラメント２４を所定温度範囲で加熱制御できるように構成されている。
この構成により、クリーニングガス１８ｂの導入時、触媒線１７とともに補助フィラメント２４を加熱制御することで、クリーニングガス１８ｂと補助フィラメント２４との接触で生成したタングステンフッ化物を触媒線１７へ供給し、触媒線１７の再生を図ることができる。この場合、補助フィラメント２４は触媒線１７よりも低温に加熱制御される。
一方、反応室１１内部に付着した生成物（例えばシリコン）は、加熱された触媒線１７との接触で活性化されたクリーニングガス１８ｂとの反応で分解除去されるが、反応室の形状、触媒線１７の位置、排気の流れ等が原因で、反応室全域にわたって安定したクリーニング効果が得られない場合がある。
そこで、本実施の形態では、補助フィラメント２４を反応室１１の内部に設置しているので、補助フィラメント２４に到達した未反応のクリーニングガス１８ｂを活性化し、周辺部のクリーニング効果を高めることができる。したがって、補助フィラメント２４は、反応室１１内部の比較的クリーニングされにくい領域に設置するのが効果的である。
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
例えば以上の各実施の形態で説明した触媒線１７は、タングステンフィラメントとして構成したが、このフィラメントの設置形態は特に限定されず、単数本配置、複数本並列配置、渦巻き状配置等であってもよい。また、触媒線１７はフィラメント状に限らず、網状であってもよい。
また、触媒線１７の再生工程は、クリーニング工程で損耗した触媒線の再生に限らず、成膜時における加熱蒸発で損耗した触媒線を修復する目的で実施することもできる。
１〜５ 触媒線化学気相成長装置
１１ 反応室
１２ 真空ポンプ
１３ ステージ
１４ ヒータ
１５ シャワープレート
１６ ガス導入配管
１７ 触媒線
１８ａ 反応ガス
１８ｂ クリーニングガス
１８ｃ 再生ガス
１９ 流量調整バルブ
２０ 補助チャンバ
２１ 金属体
２２ ガス供給管
２３Ａ 高周波電源
２３Ｂ 直流電源
２４ 補助フィラメント
Ｗ 基板
１１ 反応室
１２ 真空ポンプ
１３ ステージ
１４ ヒータ
１５ シャワープレート
１６ ガス導入配管
１７ 触媒線
１８ａ 反応ガス
１８ｂ クリーニングガス
１８ｃ 再生ガス
１９ 流量調整バルブ
２０ 補助チャンバ
２１ 金属体
２２ ガス供給管
２３Ａ 高周波電源
２３Ｂ 直流電源
２４ 補助フィラメント
Ｗ 基板
Claims (6)
- 反応室と、
前記反応室内を排気する真空ポンプと、
前記反応室内に設置された触媒線と、
前記触媒線を所定温度に加熱する電源部と、
前記反応室内にクリーニング用のフッ素系ガスを供給するガス導入管と、
前記触媒線と同一成分元素のハロゲン化物を前記触媒線へ供給し当該触媒線を再生させる再生手段とを備え、
前記再生手段は、前記反応室の内部に連通し前記触媒線よりもガス排気流に関して上流側に配置された補助チャンバと、前記触媒線と同一成分元素でなり前記補助チャンバ内に配置された金属体とを有し、前記ガス導入管を介して前記反応室内に導入されたフッ素系ガスを前記金属体に接触させて前記金属体のフッ化物を生成し、前記反応室内へ供給する触媒線化学気相成長装置。 - 反応室と、
前記反応室内を排気する真空ポンプと、
前記反応室内に設置された触媒線と、
前記触媒線を所定温度に加熱する電源部と、
前記反応室内にクリーニング用のフッ素系ガスを供給するガス導入管と、
前記触媒線と同一成分元素のハロゲン化物を前記触媒線へ供給し当該触媒線を再生させる再生手段とを備え、
前記再生手段は、前記触媒線と同一成分元素でなり、前記反応室内であって前記ガス導入管を介して前記反応室内に導入されたフッ素系ガスのうち前記触媒線とは未反応のフッ素系ガスが到達する領域に前記触媒線とは独立して配置された金属体と、この金属体を加熱する加熱手段とを有し、前記未反応のフッ素系ガスを前記金属体に接触させて前記金属体のフッ化物を生成し、前記反応室内へ供給する触媒線化学気相成長装置。 - 前記触媒線は、タングステン、モリブデン又はタンタルでなる請求項１又は請求項２に記載の触媒線化学気相成長装置。
- 反応室内に設置された加熱した触媒線に原料ガスを供給し、生成した分解種を前記反応室内の被成膜基材上に堆積させて成膜を行う触媒線化学気相成長装置における触媒線の再生方法であって、
前記触媒線を加熱する工程と、
前記触媒線と同一成分元素のハロゲン化物を前記触媒線へ供給することで、前記触媒線を再生する工程とを有し、
前記ハロゲン化物を、前記反応室又はその隣接空間に配置した、前記触媒線と同一成分元素でなる金属体に、クリーニング用のフッ素系ガスを接触させて生成する触媒線化学気相成長装置における触媒線の再生方法。 - 前記ハロゲン化物の生成量を前記金属体の加熱温度で制御する請求項４に記載の触媒線化学気相成長装置における触媒線の再生方法。
- 前記触媒線にタングステン、モリブデン又はタンタルを用い、前記ハロゲン化物としてフッ化タングステン、フッ化モリブデン又はフッ化タンタルを生成する請求項４に記載の触媒線化学気相成長装置における触媒線の再生方法。
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