JP4948021B2 - 触媒体化学気相成長装置 - Google Patents
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Description
本発明は、通電により発熱する触媒体の作用を利用して原料ガスを分解することによって基板上に薄膜を堆積させる触媒体化学気相成長装置に関する。
各種半導体デバイスや液晶ディスプレイ等を製造する際の成膜法として、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ法）が広く用いられている。
従来からＣＶＤ法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが知られているが、近年、通電加熱したタングステン等の素線（以下、「触媒体」という）を触媒として、この触媒体による触媒作用により反応室内に供給される原料ガスを分解することによって基板上に薄膜を堆積させる触媒体化学気相成長法（触媒ＣＶＤ法、Ｃａｔ−ＣＶＤ法又はホットワイヤＣＶＤ法とも呼ばれている）が実用化されている。
触媒体化学気相成長法は、熱ＣＶＤ法に比べて低温で成膜することができ、また、プラズマＣＶＤ法のようにプラズマの発生によって基板にダメージが生じる等の問題もないので、次世代デバイス作製の有望な成膜技術として注目されている。また、装置構成が簡易である点などからも有望視されている。このことを、触媒体化学気相成長装置の一般的な装置構成を示す概念図である図１を用いて説明する。
触媒体化学気相成長装置の処理室１内には、内部に加熱ヒータ２を備えた基板載置台３と、載置台３上の基板４に対向して位置させたタングステンやイリジウムなどの高融点金属線から成る触媒体５とが設けられ、触媒体５は電力導入部１１ａ、１１ｂを介して処理室外部の電力供給源６に接続されている。また、処理室１の上部には、触媒体５の直上に位置させた多数のガス吹出口７ａを備えるシャワープレート７が設けられ、処理室外部の原料ガス供給源８から供給された反応ガスが吹出口７ａから触媒体５に向けて噴出される。
また、処理室１には、排気口９を介して処理室内部を排気するための真空排気機構１０が設けられている。
このような触媒体化学気相成長装置では、成膜中に、シャワープレート７と基板４との位置関係から、シャワープレート７からの原料ガスが基板４に堆積種あるいは反応種としてほとんどすべて付着するわけではなく、原料ガスおよび、基板４に付着しない原料ガスを起源とする堆積種あるいは反応種による不都合や、発熱した触媒体５からの熱伝導や輻射熱により電力導入部１１ａ、１１ｂや処理室内部構成部材および処理室内壁などの温度が上昇し、その温度上昇に起因する不具合などの問題があり、これら問題を解決する種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１の図５に示すものは、発熱体ＣＶＤ装置において、シリコン膜若しくはシリコン化合物膜を形成する際に発熱体の低温部がシリサイド化するのを防止するため、発熱体が電源に連なる接続端子部を中空のカバー内に収容し、この中空カバー内にパージガスを導入して成膜領域方向に流すようにしている。
あるいは、例えば、特許文献２の図１に示すものは、発熱体ＣＶＤ装置による多結晶シリコン膜の成膜の際に、ダングリングボンドの発生要因たる原子状水素の失活防止のため、原料ガス供給器と基板との間の発熱体を含む間隙を加熱治具で囲むことにより形成される成膜領域に対して加熱を充分に行うようにしている。
特開２００２−９３７２３号公報（図５）
特開２００３−２１８０４６号公報（図１）
触媒体化学気相成長装置では、前記シリサイド化や原子状水素の失活以外にも、所望成膜を阻害する要因が考えられる。この中で、特に問題とされるのが、真空系内の吸着ガス分子に起因する汚染物質発生である。
たとえ真空室内を清浄に表面処理したとしても、基板交換などの作業で内部を大気に晒すと、空気中の水分などガス分子がその表面に吸着することになる。この状態で触媒体化学気相成長装置を作動させると、例えば図１の処理室１においては、通電加熱に伴う触媒体５からの熱伝導および輻射熱による電力導入部１１ａ、１１ｂ、処理室内部構成部材および処理室内壁などの温度が上昇し、これら表面に吸着していたガス分子が放出して問題となることがある。
即ち、図１の触媒体化学気相成長装置内で触媒体５に対して通電加熱を行うと、前記表面に吸着していたＨ2Ｏなどの吸着ガス分子が表面から放出され、この放出された吸着ガス分子がシャワーヘッド７と基板４との間の成膜領域に流入することがある。その結果、流入した吸着ガス分子が触媒体５を媒体として活性種として励起され、基板４上に形成される薄膜中に不純物として混入し、所望膜質の薄膜が得られないことになる。
また、電力導入部などを含む内壁寄り領域において、処理室内部構成部材や処理室内壁表面に成膜領域からの原料ガスやその堆積種あるいは反応種に起因する付着物が堆積し、この付着物が薄膜に悪影響を与えるパーティクルの発生源となることもある。
吸着ガス分子や付着物は、処理室内部構成部材のすべての表面に付着する。このため、特に、加熱部品の点数を追加する特許文献２によるものでは、これを防止するための対策が必要となる。
本発明は、上記問題点に鑑み、Ｈ2Ｏなどに代表される処理室内表面での吸着ガス分子に起因する放出ガス対策を行うと共に、原料ガスやその堆積種あるいは反応種に起因する付着物によるパーティクル対策を行い、所望膜質の成膜を行い得る触媒体化学気相成長装置を提供することを課題としている。
上記課題を解決するため、本発明の触媒体化学気相成長装置は、真空排気可能な処理室内に配置した基板と、該処理室内に成膜用の原料ガスを供給する原料ガス供給源と、通電により発熱し該原料ガスに触媒として作用する触媒体と、該触媒体に電力を供給する電力導入部を備え、該触媒体の作用を利用して該基板上に薄膜を形成する触媒体化学気相成長装置において、前記処理室内を少なくとも前記触媒体と前記基板が対向する成膜領域とその他の領域とに分ける仕切り手段を設け、前記成膜領域の圧力がその他の領域より高くなるよう真空排気手段を設けたものである。
これによれば、処理室内における電力導入部などを含む成膜領域外即ち内壁寄り領域では、圧力が成膜領域に比べ低圧となる。低圧力下では熱伝導率が低下するため、この領域での温度上昇は成膜領域に比べ抑制傾向となる。したがって、この内壁寄り領域では通電加熱による温度上昇が抑制され、Ｈ2Ｏなど吸着ガス分子による放出ガスの発生が減少するばかりでなく、発生する放出ガスが成膜領域に侵入することなく排気される。その結果、吸着ガス分子に起因する不純物が基板上の薄膜中へ混入することが抑制され、所望膜質の成膜を行うことができる。
さらに、本発明の触媒体化学気相成長装置では、前記仕切り手段は前記成膜領域を囲繞する周壁からなり、前記原料ガス供給源からの原料ガスを前記周壁の内側に供給すると共に、前記真空排気手段で前記周壁の外側を排気するようにもできる。
これにより、電力導入部などを含む内壁寄り領域は、前記周壁の外側となり、そこを真空排気手段で排気しているので、成膜領域から流入する原料ガス及びその堆積種あるいは反応種の滞留量が少なく、この領域における付着物の量を少なくすることができる。したがって、この領域での処理室内部構成部材および処理室内壁表面への付着物に起因するパーティクル発生が抑制されるばかりでなく、パーティクルが発生したとしても成膜領域に侵入することなく排出される。これにより、この領域におけるメンテナンスが容易になる。
本発明の触媒体化学気相成長装置では、前記仕切り手段は前記電力導入部を収容する中空体からなり、該中空体内を排気する補助排気手段を設けたことを特徴とする。
これにより、触媒体に電力を供給する電力導入部を中空体内に隔離し、その内部空間を補助排気手段により排気することで、電力導入部を成膜領域から隔絶し、その周辺と成膜領域との間の圧力差を維持することができる。
また、前記仕切り手段が前記成膜領域を囲繞する周壁および前記電力導入部を収容する中空体とからなり、前記原料ガス供給源からの原料ガスを前記周壁の内側に供給すると共に、前記真空排気手段で前記周壁の外側を排気し、前記中空体内を補助排気手段で真空排気するようにしたことを特徴とする。
さらに、前記中空体と補助排気手段とを複数の電力導入部に対して個別に設けたことを特徴とする。
そして、いずれの構成の仕切り手段を用いるとしても、前記仕切り手段で分離された両領域のうち、相対的に圧力が低くなる領域にパージガスを導入する導入手段を設けることにより、同領域における吸着ガス分子による放出ガスが領域内に滞留することを防止することができる。
なお、導入されるパージガスには、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ2、Ｈ2、ＮＨ3、Ｎ2Ｏなどのガス、あるいはそれらの混合ガスを用いることができる。
いずれのガス成分も、シランガスなどの原料ガスや処理室内部構成部品の表面に対して化学的に安定した物性を備えたガス成分である。
本発明の触媒体化学気相成長装置は、仕切り手段での領域分離および成膜領域外の真空排気やパージガス導入により、成膜領域の外側の圧力が成膜領域に比べ低圧となる。この成膜領域の外側では、触媒体への通電加熱による温度上昇が抑制され、Ｈ2Ｏなど吸着ガス分子による放出ガスの発生が減少するばかりでなく、発生する放出ガスが成膜領域に侵入することなく排気される。そして、その結果、吸着ガス分子に起因する不純物が基板上の薄膜中へ混入することが抑制され、所望膜質の成膜を行うことができる。
また、前記成膜領域の外側では、真空排気やパージガス導入により原料ガス及びその堆積種あるいは反応種の量が少なく、この領域におけるこれらの付着量を少なくすることができる。したがって、この領域での処理室内部構成部材および処理室内壁表面への付着物に起因するパーティクル発生が抑制されるばかりでなく、パーティクルが発生したとしても成膜領域に侵入することなく排出される。これにより、この領域におけるメンテナンスが容易になる。
本発明の触媒体化学気相成長装置の実施例を以下に説明する。なお、本発明の触媒体化学気相成長装置は、特に装置の外部構成において、図１に示す触媒体化学気相成長装置の一般例と同様である。したがって、外部電源、真空排気手段、仕切弁などの図示は省略する。
図２は、本発明の触媒体化学気相成長装置の概念図である。図１に示す一般的な触媒体化学気相成長装置と同様に、処理室２１の内部に、加熱ヒータ２を内蔵した基板載置台３と、載置台３上の基板４に対向して配置した金属タングステン線や金属イリジウム線から成る触媒体５とが設けられる。なお、載置台３には、基板４の搬送時の受け渡し用に昇降ピン３ａ、３ｂが搭載されている。そして、触媒体５は、互いに対向する内壁２１ａ、２１ｂに貫装して設けられた電力導入部１１ａ、１１ｂにより支持されて張架される。
また、処理室２１の上方部分の内壁２１ｃには、触媒体５の直上位置に、多数のガス吹出口７ａを備えたシャワープレート７が配置され、原料ガス供給源８からの原料ガスやキャリアガスがガス吹出口７ａを介して触媒体５と基板４の方向に噴出される。さらに、シャワープレート７と基板４とが対向する領域（成膜領域）を筒状周壁２３で囲繞することにより、空間的な区分けが行われ、筒状周壁２３の外側を排気するため、シャワープレート７が設置された内壁２１ｃに対向する内壁２１ｄの処理室側壁寄りの位置に、排気口２２が設けられる。
これにより、処理室２１内では、シャワープレート７から基板４方向へのダウンフローが定常的に確立するため、前記原料ガスやキャリアガスは、このダウンフローにしたがって触媒体５に接触して基板４に到達する。
また、筒状周壁２３の内側即ち成膜領域２６の圧力をモニタするため、真空計２４を設置した。さらに、筒状周壁２３の外側領域２７にパージガスを流すため、パージガス導入口２５を設けた。
このような構成の触媒体化学気相成長装置を用いてシリコン膜などの成膜を行うに際して、筒状周壁２３で空間的に仕切られた成膜領域２６には原料ガス及びキャリアガスが導入され、その外側領域２７に対して相対的に圧力が高くなる。言い換えると、内壁２１ａ、２１ｂにそれぞれ設けた電力導入部１１ａ、１１ｂを含む外側領域２７では、この領域２７に設けられた排気口２２から図示しない真空排気手段によって排気され、その結果、成膜領域２６に対して相対的に圧力が低くなる。
したがって、触媒体５への通電加熱時でも、電力導入部１１ａ、１１ｂや内壁２１ａ〜２１ｄあるいは基板載置台３の領域２７に属する部分などで上記説明のように温度上昇が抑制され、これらの表面に吸着していたＨ2Ｏなどの吸着ガス分子による放出ガスは減少する。その結果、これら吸着ガス分子に起因する不純物が基板４の近傍に侵入する事態が抑制される。そして、これにより所望膜質の成膜が可能となる。
また、外側領域２７では、常に排気されているため、成膜領域２６から流入してくる原料ガスやその堆積種あるいは反応種の滞留量が少なく、付着する不要な膜の量を低下することができる。その結果、領域２７の内部構成部材（電力導入部１１ａ、１１ｂや基板載置台３など）や内壁２１ａ〜２１ｄの表面への付着物に起因して発生するパーティクル量が抑制される。さらに、定期的に行うメンテナンスが容易になる。
また、バージガス導入口２５から、ＡｒやＮ2などのガスをパージガスとして導入しても良い。これにより、領域２７において、内部構成部材表面からの吸着ガス分子による放出ガスが領域内に滞留することを防止することができる。さらに、原料ガスやその堆積種あるいは反応種の排出が促進され、パーティクルが発生しても成膜領域２６に影響を与えないように排出することができる。
なお、パージガスの導入は、基本的には、成膜領域２６及びその外側領域２７の両領域間の圧力差を小さくする要因となる。したがって、真空計２４などの圧力モニタにより、両領域間の圧力差を監視しながらパージガスを導入することが望ましい。
そして、シリコン膜などの成膜の際に、パージガスを充分に流すことにより、シランガスなどの原料ガスに起因する触媒体のシリサイド化防止の効果も得られる。
なお、パージガス導入口２５から導入するパージガスには、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ2、Ｈ2、ＮＨ3、Ｎ2Ｏなどのガス、あるいはそれらの混合ガスを用いることができる。さらに、これら以外の成分ガスであっても、シランガスなどの原料ガスや処理室内部構成部材に対して化学的に安定した物性を備えるものであれば使用可能である。
図３は、本発明の触媒体化学気相成長装置の第１実施例を示す要部の概念図であり、図１及び図２に示す触媒体化学気相成長装置に触媒体５とその電力導入部１１ａ、１１ｂを取付ける一例となる触媒線固定フレーム３１を示したものである。
図３では、触媒体５が外部電源３２に直列接続されている。その折り返し部分では、支持端子３３によりフレーム３１に支持固定される。また、触媒体５の両端５ｂ、５ｂは、フレーム３１に対する支持端子を兼ねた接続端子３４、３４を介して外部電源３２に接続される。
そして、複数箇所に設けた支持端子３３及び接続端子３４のそれぞれを中空カバー３５で覆うと共に、中空カバー３５の内部を排気する補助排気手段（図示せず）に連なる排気管３６を端子ごとに個別に設けた。
このような構成の触媒線固定フレーム３１を、図１に示す触媒体化学気相成長装置の処理室１内の触媒線張架位置の内壁に沿って取付ける。そして、排気管３６により中空カバー３５内の排気を継続して行いながら、中空カバー３５の外側の成膜領域３７に原料ガス及びキャリアガスを流し、触媒体５を通電加熱してシリコン膜などの成膜を行う。
このとき、支持端子３３や接続端子３４を収容した中空体カバー３５内が排気管３６を介して排気されているため、中空カバー３５内で放出ガスが発生しても圧力の高い成膜領域３７へ放出されることはなく、また、中空体カバー３５の触媒体５を導出するための隙間から、差圧で成膜領域３７の原料ガスなどが中空体カバー３５内に流入しても直ちに排気されるため、触媒体５の接続部への不都合も生じない。
図４は、本発明の触媒体化学気相成長装置の第２実施例を示す要部の概念図である。図３に示す触媒線固定フレーム３１では、支持端子３３及び接続端子３４ごとに個別に中空カバー３５を設けたが、本第２実施例の中空カバー４５は、フレーム３１上で同じ側に並ぶ支持端子３３または接続端子３４を一緒に収容する一体構成とした。同時に、この中空カバー４５内を排気するための排気管４６は、単一の排気管として構成した。
このような共用可能な構成とすることにより、装置構成が簡便になり、かつ、成膜領域３７に対する中空カバー４５内の圧力制御が容易になる。
図５は、本発明の触媒体化学気相成長装置の第３実施例を示す要部の概念図で、図４の一体構成の中空カバー４５に、パージガス導入管５５を設けたものである。
この実施例によれば、実施例１と同様に、支持端子３３や接続端子３４を収容した中空体カバー３５内を排気することにより、中空カバー３５内を低圧に維持して放出ガスの発生を抑制でき、パージガス導入管５５から、図２に示すものと同様に、ＡｒやＮ2などのガスをパージガスとして導入することにより、原料ガスやその堆積種あるいは反応種が、中空体カバー３５の触媒体５を導出するための隙間から中空体カバー３５内に流入しても直ちに排気される。また、中空体カバー３５内でパーティクルが発生しても成膜領域２６に影響を与えないように排出することができる。
さらに、シリコン膜などの成膜の際に、パージガスを充分に流すことにより、シランガスなどの原料ガスに起因する触媒体のシリサイド化防止の効果も得られる。
なお、パージガス導入口２５から導入するパージガスには、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ2、Ｈ2、ＮＨ3、Ｎ2Ｏなどのガス、あるいはそれらの混合ガスを用いることができることなどは図２に示すものと同様である。
ところで、上記実施例では、成膜領域３７を筒状周壁２３で囲繞する例と、触媒体５の支持端子３３や接続端子３４を中空体カバー３５内に収容する例とを別々に説明したが、両者を併用するようにしても良い。
図６は、本発明の触媒体化学気相成長装置の第４実施例を示す概念図である。この装置が図２に示す触媒体化学気相成長装置の構成と異なるところは、長尺フィルムの基板６４を用いた巻取式の成膜装置に応用した点にある。この巻取式触媒体化学気相成長装置の処理室６１では、基板６４がフィルムの巻取操作によって水冷キャン６２の回転に伴って移動し、連続成膜が行われる。
また、基板６４の被処理面に対向して配置した金属タングステン線や金属イリジウム線から成る触媒体５が、対向する内壁６１ａ、６１ｂに貫装して設けられた電力導入部１１ａ、１１ｂにより支持されて張架される点や、シャワープレート６７と基板６４の被処理面とが対向する領域（成膜領域）を筒状周壁６３で囲繞することにより空間的に区分けした点、筒状周壁６３の外側を排気するための排気口２２を設けた点、筒状周壁６３の内側即ち成膜領域６６の圧力をモニタするための真空計７４を設置した点、筒状周壁６３の外側領域６７にパージガスを流すためのパージガス導入口６５を設けた点などは図２に示すものと同様である。
そして、この巻取式触媒体化学気相成長装置を用い、シリコン膜などの成膜を行う際の処理操作やその作用は、長尺フィルムの基板６４が成膜処理中に水冷キャン６２の回転に伴って移動する以外は、図２に示すものと同様である。
１ ２１ ６１ 処理室
４ ６４ 基板
５ 触媒体
６ ３２ 外部電源
７ ６７ シャワープレート
１１ａ １１ｂ 電力導入部
２２ 排気口
２３ ６３ 筒状周壁
２５ ６５ パージガス導入口
２６ ３７ ６６ 成膜領域
２７ ６７ 外側領域
３５ ４５ 中空カバー
３６ ４６ 排気管
５５ パージガス導入管
４ ６４ 基板
５ 触媒体
６ ３２ 外部電源
７ ６７ シャワープレート
１１ａ １１ｂ 電力導入部
２２ 排気口
２３ ６３ 筒状周壁
２５ ６５ パージガス導入口
２６ ３７ ６６ 成膜領域
２７ ６７ 外側領域
３５ ４５ 中空カバー
３６ ４６ 排気管
５５ パージガス導入管
Claims (6)
- 真空排気可能な処理室内に配置した基板と、該処理室内に成膜用の原料ガスを供給する原料ガス供給源と、通電により発熱し該原料ガスに触媒として作用する触媒体と、該触媒体に電力を供給する電力導入部を備え、該触媒体の作用を利用して該基板上に薄膜を形成する触媒体化学気相成長装置において、前記処理室内を少なくとも前記触媒体と前記基板が対向する成膜領域とその他の領域とに分ける仕切り手段を設け、該成膜領域の圧力がその他の領域より高くなるよう真空排気手段を設けたものであって
前記仕切り手段は前記電力導入部を収容する中空体からなり、該中空体内を排気する補助排気手段を設けたことを特徴とする触媒体化学気相成長装置。 - 真空排気可能な処理室内に配置した基板と、該処理室内に成膜用の原料ガスを供給する原料ガス供給源と、通電により発熱し該原料ガスに触媒として作用する触媒体と、該触媒体に電力を供給する電力導入部を備え、該触媒体の作用を利用して該基板上に薄膜を形成する触媒体化学気相成長装置において、前記処理室内を少なくとも前記触媒体と前記基板が対向する成膜領域とその他の領域とに分ける仕切り手段を設け、該成膜領域の圧力がその他の領域より高くなるよう真空排気手段を設けたものであって前記仕切り手段が前記成膜領域を囲繞する周壁および前記電力導入部を収容する中空体とからなり、前記原料ガス供給源からの原料ガスを前記周壁の内側に供給すると共に、前記真空排気手段で前記周壁の外側を排気し、前記中空体内を補助排気手段で真空排気するようにしたことを特徴とする触媒体化学気相成長装置。
- 前記中空体と補助排気手段とを、複数の電力導入部に対して個別に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒体化学気相成長装置。
- 前記周壁の外側の領域にパージガスを導入する導入手段を設けたことを特徴とする請求項３に記載の触媒体化学気相成長装置。
- 前記中空体の中にパージガスを導入する導入手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒体化学気相成長装置。
- 前記パージガスが、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ2、Ｈ2、ＮＨ3、Ｎ2Ｏなどのガス、あるいはそれらの混合ガスであることを特徴とする請求項４又は５に記載の触媒体化学気相成長装置。
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