JP5362511B2 - 触媒化学気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒ＣＶＤ法（ＣＡＴ−ＣＶＤ：Catalytic-Chemical Vapor Deposition）により、成膜を行う触媒化学気相成長装置に関する。

触媒ＣＶＤ法は、反応容器内に設置された高温の触媒線に反応ガスを供給し、触媒線に接触した反応ガスが活性化あるいは分解されることで生成する堆積種を、基板面内に堆積させる成膜法である。触媒線は反応容器外に設置された電源に接続され、この電源により通電されることで抵抗加熱し高温状態となる（例えば特許文献１）。

ところで、上記触媒線と電源との接続には、通常、接続端子が用いられる。この接続端子と触媒線とが反応容器内で接続され、この接続端子を介して触媒線が通電される。一般的には、触媒線、電源及び接続端子により構成される回路及び反応容器は接地される。

特開２００５−３２７９９５号公報

接地された反応容器及び回路は基準電位が共にグランド電位となり等しい。従って反応容器内で触媒線が通電された場合、反応容器と、触媒線又は接続端子との間で放電が発生することが懸念される。成膜する基板が大きくなり、そのために触媒線に加えられる電力が大きくなると、さらに上記放電が発生する可能性が高くなる。この放電により、触媒線の溶断、反応容器の損傷等が引き起こされてしまう。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、大電流が触媒線に流された場合でも、触媒線又は触媒線と接続された接続端子からの放電を抑制することができる触媒化学気相成長装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る触媒化学気相成長装置は、チャンバと、触媒線発熱回路とを具備する。
前記チャンバは、電気的に接地される。
前記触媒線発熱回路は、触媒線と、接続端子と、電源回路とを有し、前記チャンバに対して電気的にフローティング状態にある。
前記触媒線は前記チャンバ内に設けられ、前記接続端子は前記触媒線に接続される。
前記電源回路は、前記チャンバ内に導入された原料ガスの分解温度に前記触媒線を発熱させるために前記接続端子を介して前記触媒線に電力を印加する。

本発明の別の形態に係る触媒化学気相成長装置は、チャンバと、触媒線ユニットと、電源回路と、絶縁トランスとを具備する。
前記チャンバは、電気的に接地される。
前記触媒線ユニットは、前記チャンバ内に設けられた触媒線と、前記触媒線に接続される接続端子とを有し、前記チャンバに対して電気的にフローティング状態にある。
前記電源回路は、前記チャンバ内に導入された原料ガスの分解温度に前記触媒線を発熱させるために前記接続端子を介して前記触媒線に電力を印加する。
前記絶縁トランスは、前記電源回路と前記触媒線ユニットとの間に設けられる。

本発明の第１の実施形態に係る触媒化学気相成長装置を示す概略構成図であり、触媒化学気相成長装置を側方から見た図である。 図１に示す触媒化学気相成長装置と９０度異なる角度から見た概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る触媒化学気相成長装置を示す概略的なブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る触媒化学気相成長装置を示す概略的な図である。 本発明の第４の実施形態に係る触媒化学気相成長装置を示す概略的な図である。

本発明の一実施形態に係る触媒化学気相成長装置は、チャンバと、触媒線発熱回路とを具備する。
前記チャンバは、電気的に接地される。
前記触媒線発熱回路は、触媒線と、接続端子と、電源回路とを有し、前記チャンバに対して電気的にフローティング状態にある。
前記触媒線は前記チャンバ内に設けられ、前記接続端子は前記触媒線に接続される。
前記電源回路は、前記チャンバ内に導入された原料ガスの分解温度に前記触媒線を発熱させるために前記接続端子を介して前記触媒線に電力を印加する。

触媒線発熱回路がチャンバに対して電気的にフローティング状態なので、触媒線発熱回路の電位がグランド電位になるということはない。従って、大電流が触媒線に流された場合でも、触媒線又は触媒線と接続された接続端子からの放電を抑制することができる。

前記触媒化学気相成長装置は、通信装置と、保護回路とをさらに具備してもよい。
前記通信装置は、制御機器との間で通信する。
前記保護回路は、前記電源回路と前記通信装置との間に接続され、前記電源回路からのサージ電流を遮断する。
これにより、通信装置がサージ電流により破壊されてしまうことが防がれる。

前記触媒化学気相成長装置は、前記電源回路と、前記電源回路に電力を供給する外部電源との間に設けられた絶縁トランスをさらに具備してもよい。

本発明の別の実施形態に係る触媒化学気相成長装置は、チャンバと、触媒線ユニットと、電源回路と、絶縁トランスとを具備する。
前記チャンバは、電気的に接地される。
前記触媒線ユニットは、前記チャンバ内に設けられた触媒線と、前記触媒線に接続される接続端子とを有し、前記チャンバに対して電気的にフローティング状態にある。
前記電源回路は、前記チャンバ内に導入された原料ガスの分解温度に前記触媒線を発熱させるために前記接続端子を介して前記触媒線に電力を印加する。
前記絶縁トランスは、前記電源回路と前記触媒線ユニットとの間に設けられる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
＜触媒化学気相成長装置の構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る触媒化学気相成長装置を示す概略構成図であり、触媒化学気相成長装置を側方から見た図である。図２は、図１に示す触媒化学気相成長装置と９０度異なる角度から見た概略構成図である。

これらの図に示すように、触媒化学気相成長装置１０は、真空チャンバ３を有する。真空チャンバ３は、防着板５により区画された反応室２を内部に有し、反応室２を所定の真空度に真空排気可能な真空ポンプ４が真空チャンバ３に接続されている。

真空チャンバ３は、電気的に接地され真空チャンバ３に電荷が溜まるのが防止される。上記の防着板５も真空チャンバ３と同電位（グランド電位）となるように設けられている。

真空チャンバ３には、例えばタンタル、タングステン、モリブデン、イリジウム等の高融点金属からなる複数の触媒線６が設置されている。各複数の触媒線６は、防着板５の天面に形成された通し穴（図示せず。）を貫通して、反応室２内を垂直方向（本実施形態では重力方向とする。）に垂下し、反応室２内の下部の領域で垂直方向に折り返されるようにして真空チャンバ３に吊り下げられる。これら複数の触媒線６は、互いに所定の間隔をあけて一直線上に列設される。なお、以下の説明において、複数の触媒線６の列設方向を「Ｘ軸方向」、垂直方向を「Ｚ軸方向」、これらに直交する方向を「Ｙ軸方向」と呼ぶものとする。

なお、この触媒線６は例えば８ユニット程度設けられるが、図１では説明をわかりやすくするため３ユニットの触媒線６が列設された様子を示している。各触媒線６の両端部は、接続端子１２を介して、真空チャンバ３の外部に設置されている電源回路８に接続されている。接続端子１２は、例えば真空チャンバ３の隔壁に、図示しない絶縁物を介して、真空チャンバ３と絶縁されるように設けられる。接続端子１２は、真空チャンバ３内であって隔壁から離れて設けられていてもよい。

電源回路８は、例えば商用電源等の外部電源１１に接続されており、触媒線６の両端部に電力を印加することで、触媒線６を反応室２に導入される原料ガス（後述する。）の分解温度に発熱させることが可能である。ここで外部電源１１は接地されていないものが用いられる。

以後、触媒線６、接続端子１２、及び電源回路８を有する回路を触媒線発熱回路２０という。触媒線発熱回路２０は、電源回路８や接続端子１２等で接地されることはなく、また上記したように外部電源１１も接地されないので、接地された真空チャンバ３に対して電気的にフローティング状態となる。

反応室２の外壁部には、複数のガス導入配管７が設置されている。ガス導入配管７には、原料ガスを噴出可能な複数の原料ガス噴出孔（図示せず。）が設けられており、反応室２に原料ガスを導入可能である。ガス導入配管７は、ガス供給ラインを介して真空チャンバ３の外部に設置された原料ガス供給部９に接続されている。

反応室２の内部には、例えば基板Ｓを保持可能なフレーム状のホルダ１が設けられる。ホルダ１は触媒線６を挟んでＹ軸方向で対向するように２つ設けられている。基板Ｓは、例えばディスプレイに用いられるガラス基板である。基板Ｓの大きさは、一辺が１ｍより小さいものまたは大きいものなど、様々なタイプがある。ホルダ１は、基板ＳをＸ軸とＺ軸とがなす平面上に立てた状態で保持可能である。このように保持された基板Ｓの間の空間には、ガス導入配管７から噴出した原料ガスが導入される。ホルダ１は、基板Ｓの温度調節を行うためのヒータを内蔵するが、これに限定されず、ホルダ１の近傍にヒータを設けてもよい。ガス導入配管７及びホルダ１も、真空チャンバ３と同電位（グランド電位）となるように設けられる。

上記のような触媒化学気相成長装置１０では、グランド電位である真空チャンバ３の内面と触媒線６との距離は、典型的には１０ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲である。また、真空チャンバ３と接続端子１２との距離も同様の範囲である。真空チャンバ３と同じグランド電位である防着板５等と触媒線６との距離も同様である。この程度の接近距離であると、仮に触媒線発熱回路２０の電位がグランド電位であると、触媒線６に電力が印加される際に、触媒線６又は接続端子１２から、真空チャンバ３の外壁内面や防着板５等に向けてアーク放電やグロー放電が発生してしまうことが懸念される。

しかしながら、本実施形態の触媒化学気相成長装置１０では、触媒線発熱回路２０が、真空チャンバ３に対して電気的にフローティング状態なので、触媒線発熱回路２０の電位がグランド電位となることはない。従って、電源回路８により大電流が触媒線６に流された場合でも、触媒線６又は接続端子１２からの放電を抑制することができる。

近年では、液晶ディスプレイの大型化等で、大型の基板を成膜処理することが必要とされている。大型の基板を成膜処理するためには、より大きな電力を触媒線６に印加する必要があり、上記の放電が発生する可能性が高くなる。しかしながら本実施形態の触媒化学気相成長装置１０では、放電が抑制されるので、大型の基板を成膜処理する際に有利である。

なお、触媒線発熱回路２０にスイッチを有する接地回路を設けて、例えば触媒線６に電力が印加されていない時に、触媒線発熱回路２０を接地させてもよい。これにより、触媒線発熱回路２０で電荷が溜まり電源回路８等に不具合が出てしまうのを抑制することができる。

＜触媒化学気相成長装置の動作＞
以上のように構成された触媒化学気相成長装置１０を用いて、次のように触媒化学気相成長法が行われる。

まず、真空ポンプ４を作動させて真空チャンバ３の内部を真空排気し、反応室２を所定の真空度（例えば１Ｐａ）に減圧する。

次に、電源回路８により両端部間に直流又は交流電力を印加して各触媒線６に電流を供給し、触媒線６を所定温度（例えば２０００℃）以上に発熱させる。触媒線６の発熱温度は、原料ガスが熱分解が可能な程度の温度とされる。また、基板Ｓをヒータにより所定温度（例えば３００℃程度）に加熱する。

次に、原料ガス供給部９から、ガス導入配管７を介して、反応室２内の互いに対向配置された２枚の基板Ｓの間の空間に原料ガスを導入する。この原料ガスは、発熱した触媒線６に接触する。これにより、触媒反応もしくは熱分解反応により生成された反応ガスの分解種が基板Ｓ上に堆積して成膜される。

原料ガスとしては、例えば、シラン（ＳｉＨ_４）ガスと水素（Ｈ_２）の混合ガスを用いて、基板Ｓの表面にシリコン（Ｓｉ）膜を成膜する。なお、基板Ｓの表面に形成する膜は、シラン、水素、アンモニア（ＮＨ_３）を用いて成膜した窒化シリコン膜（ＳｉＮ）、トリシリルアミン（（ＳｉＨ_３）_３Ｎ）、アンモニア、水素を用いて成膜した窒化シリコン膜、ヘキサメチルジシラザン（（ＣＨ_３）_３ＳｉＮＨＳｉ（ＣＨ_３）_３、略してＨＭＤＳ）を用いて成膜した窒化シリコン膜、シラン、水素と酸素（Ｏ_２）又は一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）を用いて成膜した酸化シリコン膜（ＳｉＯ）、シランと正珪酸四エチル（Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４、略してＴＥＯＳ）を用いて成膜した酸化シリコン膜、シラン、水素とホスフィン（ＰＨ_３）又はジボランを用いて成膜したリンドープシリコン膜（ｎ型）やボロンドープシリコン（ｐ型）、シラン、水素とアセチレン又はメタンを用いて成膜した炭化シリコン膜、シラン、水素、ゲルマンを用いて成膜したシリコンゲルマニウム膜、シラン、ヘキサフルオロプロピレンオキサイド（略してＨＦＰＯ）を用いて成膜したポリテトラフルオロエチレン（「テフロン（登録商標）」）膜等であってもよい。なお、水素ガスを使用した水素処理を行った場合には、シリコン膜の膜中欠陥の終端や自然酸化膜除去という目的を達成できる。また、アンモニアガスを使用した窒化処理を行った場合には、シリコンの窒化を図ることができる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態に係る触媒化学気相成長装置を示す概略的なブロック図である。これ以降の説明では、上記の実施形態で説明した触媒化学気相成長装置１０における構成及び作用と同様な部分については、その説明を省略又は簡略化する。

本実施形態の触媒化学気相成長装置５０は通信装置５２を有している。この通信装置５２は、電源回路８を制御する制御装置５１との間で通信するものである。また、触媒化学気相成長装置５０は、通信装置５２と電源回路８との間に接続された保護回路５３を有している。

制御装置５１としては、例えばシーケンス制御により、電源回路８のみならず、真空ポンプ４、原料ガス供給部９等も制御するＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等が用いられる。

通信装置５２は、制御装置５１からの制御信号を受信し、その制御信号を保護回路５３を介して電源回路８に出力する。また、電源回路８の動作状態を示す動作信号を電源回路８から受信し、制御装置５１にフィードバックする。

この動作信号の例としては、以下のようなものもある。例えば、触媒線６が断線した場合、触媒線６の抵抗値は無限大となるが、その状態を示す動作信号が電源回路８から通信装置５２に出力される。通信装置５２は動作信号を制御装置５１に送信し、これを受信した制御装置５１は電源回路８による触媒線６への電力印加を停止させる制御信号を通信装置５２に送信する。通信装置５２は、受信した制御信号を電源回路８に出力し、これにより電源回路８による触媒線６への電力印加が停止される。この他にも動作信号の例として、単に電源回路８のＯＮ／ＯＦＦ動作を示す信号もある。

このようにして、電源回路８が制御装置５１により制御される。制御装置５１と通信装置５２との通信方法は、無線でも有線でもよい。通信媒体としては、例えば光や電波等が用いられる。

保護回路５３は、通信装置５２と電源回路８との間を流れる電流を絶縁させながら、通信装置５２と電源回路８との間での信号の送受信を可能とするものである。このようなものとしては、例えば絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータ等が用いられる。本実施形態では、エム・システムの直流入力変換器（アナログ形）（形式Ｍ２ＶＳ）が用いられる。この保護回路５３により、フローティング状態にある触媒線発熱回路２０からサージ電流が通信装置５２に流れ込み、通信装置５２が破壊されてしまうことを防止できる。

なお、通信装置５２は接地されていてもよい。通信装置５２が接地されていても、通信装置５２と電源回路８との間が保護回路５３により絶縁されているので、触媒線発熱回路２０はフローティング状態となる。

［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態に係る触媒化学気相成長装置を示す概略的な図である。本実施形態の触媒化学気相成長装置１００は、外部電源１１１と電源回路１０８との間に設けられた絶縁トランス１１５を有する。

外部電源１１１としては、例えば商用電源等の交流電力を出力するものが用いられ、外部電源１１１からの交流電力が絶縁トランス１１５を介して電源回路１０８に出力される。外部電源１１１から交流電力を受けた電源回路１０８は、接続端子１１２へ電力を印加する。電源回路１０８から接続端子１１２へ印加される電力、すなわち電源回路１０８から出力される電力は、交流でも直流でもよく、またはパルスでもよい。

このように本実施形態では、外部電源１１１と電源回路１０８との間に絶縁トランス１１５が設けられる。これにより触媒線１０６、接続端子１１２及び電源回路１０８からなる触媒線発熱回路１２０が、図示しない真空チャンバに対して電気的にフローティング状態となる。図４では、真空チャンバに対して電気的にフローティング状態となる範囲が破線で示されている。

上記したように、図１及び図２に示した第１の実施形態の触媒線発熱回路２０は、接地されない外部電源１１に接続される。これにより触媒線発熱回路２０が、真空チャンバ３に対して電気的にフローティング状態となる。一方本実施形態では外部電源１１１が接地されても、絶縁トランス１１５により、触媒線発熱回路１２０が真空チャンバに対して電気的にフローティング状態となる。従って外部電源１１１が接地されているか否かにかかわらず、本実施形態の触媒化学気相成長装置１００を用いることができる。

［第４の実施形態］
図５は、本発明の第４の実施形態に係る触媒化学気相成長装置を示す概略的な図である。本実施形態の触媒化学気相成長装置２００は、触媒線２０６及び接続端子２１２を有する触媒線ユニット２３０を含み、この触媒線ユニット２３０が図示しない真空チャンバに対して電気的にフローティング状態となる。

図５に示すように、一点鎖線で囲まれた触媒線ユニット２３０と、電源回路２０８との間に絶縁トランス２１５が設けられる。電源回路２０８は外部電源２１１と接続されている。

本実施形態の電源回路２０８は、交流電力またはパルス電力を出力するものが用いられ、電源回路２０８からの交流電力が絶縁トランス２１５を介して触媒線ユニット２３０に印加される。図５では外部電源２１１として、例えば商用電源等の交流電力を出力するものが図示されているが、電源回路２０８に直流電力を出力するものが用いられてもよい。

以上のように本実施形態では、触媒線ユニット２３０と電源回路２０８とが絶縁トランス２１５を介して接続されることで、触媒線ユニット２３０が真空チャンバに対して電気的にフローティング状態となる（図５で示す破線参照）。これにより電源回路２０８により大電流が触媒線ユニット２３０に流された場合でも、触媒線２０６又は接続端子２１２からの放電を抑制することができる。また本実施形態では、電源回路２０８や外部電源２１１を接地させることができ、電源回路２０８や外部電源２１１に電荷が溜まるのを防ぐことができる。

＜変形例＞
本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更され得る。

例えば上記の各実施形態では、触媒線６が反応室２内の下部の領域で垂直方向に折り返されるようにして真空チャンバ３に設けられている。しかしながら、触媒線６が折り返されることなく真空チャンバ３に設けられてもよい。例えば、通し穴が設けられた防着板５と対向する防着板５にも通し穴が形成される。そして、両通し穴を貫通するように触媒線６が設けられ、触媒線６の各端部が、真空チャンバ３の対向する２つの面において接続端子１２と接続されてもよい。このような場合でも、触媒線発熱回路２０を真空チャンバ３に対してフローティング状態とすることで、触媒線６及び接続端子１２からの放電を抑制することができる。

３…真空チャンバ
６、１０６、２０６…触媒線
８、１０８、２０８…電源回路
９…原料ガス供給部
１０、５０、１００、２００…触媒化学気相成長装置
１１、１１１、２１１…外部電源
１２、１１２、２１２…接続端子
２０、１２０…触媒線発熱回路
５１…制御装置
５２…通信装置
５３…保護回路
１１５、２１５…絶縁トランス
２３０…触媒線ユニット

Claims (4)

1. 電気的に接地されたチャンバと、
   前記チャンバ内に設けられた触媒線と、前記触媒線に接続される接続端子と、前記チャンバ内に導入された原料ガスの分解温度に前記触媒線を発熱させるために前記接続端子を介して前記触媒線に電力を印加する電源回路とを有し、前記チャンバに対して電気的にフローティング状態にある触媒線発熱回路と
   を具備する触媒化学気相成長装置。
2. 請求項１に記載の触媒化学気相成長装置であって、
   制御機器との間で通信する通信装置と、
   前記電源回路と前記通信装置との間に接続され、前記電源回路からのサージ電流を遮断する保護回路と
   をさらに具備する触媒化学気相成長装置。
3. 請求項１に記載の触媒化学気相成長装置であって、
   前記電源回路と、前記電源回路に電力を供給する外部電源との間に設けられた絶縁トランスをさらに具備する触媒化学気相成長装置。
4. 電気的に接地されたチャンバと、
   前記チャンバ内に設けられた触媒線と、前記触媒線に接続される接続端子とを有し、前記チャンバに対して電気的にフローティング状態にある触媒線ユニットと、
   前記チャンバ内に導入された原料ガスの分解温度に前記触媒線を発熱させるために前記接続端子を介して前記触媒線に電力を印加する電源回路と、
   前記電源回路と前記触媒線ユニットとの間に設けられた絶縁トランスと
   を具備する触媒化学気相成長装置。

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