JP5362512B2

JP5362512B2 - 触媒化学気相成長装置

Info

Publication number: JP5362512B2
Application number: JP2009230697A
Authority: JP
Inventors: 修司大園; 智彦岡山; 英之小形; 雅義小野; 正樹島
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Ulvac Inc
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Ulvac Inc
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-10-02
Also published as: JP2011082207A

Description

本発明は、チャンバ内に設置された発熱した触媒線に原料ガスを供給し、生成した分解種をチャンバ内の被成膜基材上に堆積させて成膜を行う触媒化学気相成長装置に関する。

チャンバ内の触媒線に原料ガスを供給し、原料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）を被成膜基板上に堆積させる成膜法である触媒化学気相成長法（ＣＡＴ−ＣＶＤ：Catalytic-Chemical Vapor Deposition）を用いた触媒化学気相成長装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載の触媒化学気相成長装置では、処理チャンバ内で基板ホルダにより基板が垂直な姿勢で保持され、通電されて発熱することで原料ガスを分解可能な触媒線がその基板に対向するように配置されている。この触媒線はＵ字状に形成され、触媒線の両端は上側に位置し、曲がった部分が下側に位置している。この触媒化学気相成長装置では、触媒線は通電用電源に接続され、この通電用電源により制御された直流または交流の電流が触媒線に通されることにより触媒線が発熱する。

特開２０００−３０３１８２号公報

特許文献１のように、垂直な姿勢で保持された基板と対向するように触媒線が配置される場合、基板と触媒線の間隔が狭すぎると触媒線からの輻射熱によって、形成された膜がダメージを受け、膜中欠陥密度が大きくなり、膜質が低下してしまう。一方で基板と触媒線の距離が広すぎると成膜速度が低下したり、処理チャンバが巨大化してしまう。

また、下方側の曲がった部分が自由端とされたＵ字形状の触媒線に直流電流が印加される場合、その直流電流により発生する磁場及び地磁気などの影響により、触媒線全体が、その垂直方向の軸の周りにねじれる、という問題がある。触媒線にねじれが発生すると、基板から触媒線が傾くので、膜厚の均一性が損なわれる。この成膜速度の低下や触媒線のねじれによる膜厚均一性の低下などの問題は、大面積の成膜領域に成膜を行う場合に、特に顕著である。

また、触媒線用の電源としてサイリスタ制御方式による交流電源が用いられる場合がある。サイリスタ制御方式では、サイリスタ素子のスイッチング動作が制御され、位相制御されることにより出力電圧が制御される。しかしながら、サイリスタ制御方式による電源の出力電圧の波形の立ち上がり及び立ち下がりが急峻になる。つまり、触媒線に印加される電流が安定的ではないため、その電流により発生する磁場により触媒線に不安定な振動が発生する。触媒線の振動によっても基板上に形成される膜の厚さが不均一となり、良質な膜を形成できない。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、膜質や成膜速度の低下、触媒線のねじれや振動を抑えて、膜厚均一性の低下を抑制することができ、特に、大面積の成膜領域に成膜を行う場合に有効な触媒線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、保持機構と、触媒線と、電源とを具備する。
前記保持機構は、前記チャンバ内で基板を立てた状態で保持する。
前記触媒線は、両端部を有し、長さが２ｍ以上である。また、前記触媒線は、前記基板と前記触媒線との間隔が６０ｍｍ以上２００ｍｍ以下となるように、前記保持機構により保持された前記基板に対向して設けられ、垂直方向に折り返すように前記チャンバ内で吊り下げられている。
前記電源は、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触媒線の前記両端部に印加する電圧を制御することが可能であり、前記触媒線に正弦波の交流電圧を印加する。

以上、本発明によれば、良好な膜質と成膜速度を確保できる。また、チャンバの巨大化を抑制でき、触媒線のねじれや振動を抑えて触媒線を安定させ、膜厚の均一性を確保することができる。本発明は、特に、大面積の成膜領域の成膜を行う場合に有効である。

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。本実施の形態に係る交流電源装置の構成を示す図である。図３に示す交流電源装置で得られる出力電圧の波形を示す図である。従来の簡易式の直流電源装置を用いて触媒線に電力を印加したときの、その直流電源装置の出力電圧の波形を示す図である。従来の簡易式の直流電源装置を用いて触媒線に電力を印加したときの、その直流電源装置の出力電圧の波形を示す図である。サイリスタ制御方式の交流電源装置を用いて触媒線に電力を印加したときの、その交流電源装置の出力電圧の波形を示す図である。

一形態に係る触媒化学気相成長装置は、チャンバと、保持機構と、触媒線と、電源とを具備する。
前記保持機構は、前記チャンバ内で基板を立てた状態で保持する。
前記触媒線は、両端部を有し、長さが２ｍ以上である。また、前記触媒線は、前記基板と前記触媒線との間隔が６０ｍｍ以上２００ｍｍ以下となるように、前記保持機構により保持された前記基板に対向して設けられ、垂直方向に折り返すように前記チャンバ内で吊り下げられている。
前記電源は、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触媒線の前記両端部に印加する電圧を制御することが可能であり、前記触媒線に正弦波の交流電圧を印加する。

基板と触媒線との間隔を６０ｍｍ以上とすることで、触媒線からの輻射熱によって、成膜された膜がダメージを受け、膜中欠陥密度が大きくなり膜質が低下することを抑えることができる。また、基板と触媒線との間隔が６０ｍｍ以上とすることで、触媒線のねじれの影響を少なくすることができ、均一な成膜をすることができる。
さらに、基板と触媒線との間隔を２００ｍｍ以下とすることで、基板と触媒線との間隔が広すぎることによる成膜速度の低下や、処理チャンバの巨大化を避けることができる。
一方で、基板と触媒線との間隔が６０ｍｍより狭いと触媒線からの輻射熱によって、成膜された膜がダメージを受け、膜中欠陥密度が大きくなり膜質を低下されてしまう。また、基板と触媒線との間隔が２００ｍｍより広いと成膜速度が低下してしまい、短時間で多枚数の基板を処理することができない。
また、触媒線の長さを２ｍ以上とするのは、触媒線の長さが２ｍ以上の大面積の成膜領域に成膜を行う場合に、何も対策をしないと、電流が印加されたときに発生する触媒線のねじれや振動が、特に大きくなり、膜質の均一性が大きく損なわれるからである。一方で触媒線の長さが２ｍより短い場合には、触媒線のねじれや振動が小さく、膜質の均一性に与える影響が少ない。

また、電源により触媒線に印加される電圧が交流であるので、触媒線に印加される電流により発生する磁場によって触媒線にねじれが発生することを防止することができる。また、電源により触媒線に印加される電圧の波形が正弦波であるので、触媒線に印加される電流が安定し、触媒線の振動を抑えることができる。

前記電源は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式によるスイッチング電源である。このようなＰＷＭ制御方式によるスイッチング電源は、サイリスタ素子を用いて位相制御を行う方式の電源に比べ、出力電圧として正確な正弦波を得ることができる。
前記電源は、スライダック制御方式により出力電圧を制御するものでもよい。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜触媒化学気相成長装置の構成＞
図１は、本発明の一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内で吊り下げられる。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。

触媒線６のサイズは、基板Ｓのサイズに応じて様々である。例えば触媒線６の一本の長さが、２ｍ〜６ｍの触媒線６が用いられる。好ましい触媒線６の長さは、２ｍから５ｍで、本実施形態では５ｍの触媒線６が用いられた。なお、一本の触媒線６において、２つの接続端子６４から折り返し部までの触媒線６の長さが互いに等しくなるように触媒線６が配置されている。また、触媒線６と基板Ｓとの間隔（触媒線６の折返し部と、基板Ｓの表面との間隔）は８０ｍｍとされた。

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、例えば液晶やＥＬ（Electro-Luminescence）等の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、様々なタイプがあるが、例えば、２２００ｍｍ×２４００ｍｍなどの広い成膜領域を有する基板が用いられる場合は、触媒線６の長さが４ｍ以上となる。

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。

真空チャンバ３の外部には、商用電源１１に接続された交流電源装置１８が設けられている。各触媒線６は、交流電源装置１８に接続されている。それらの接続方法は、直列でもよいし並列でもよい。具体的には、各触媒線６の両端部は、接続端子６４を介して真空チャンバ３の外部に配置された接続配線６３に接続され、各接続配線６３は交流電源装置１８に接続されている。

＜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、交流電源装置１８により両端部間に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。この触媒線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９ａ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。

＜基板と触媒線との間隔＞
表１は、基板と触媒線との間隔を５０ｍｍ、６０ｍｍ、９０ｍｍとして、ポリシリコン膜膜を成膜した場合の膜中欠陥密度を比較したものである。なお、膜中欠陥密度は、シリコン膜のスピン密度を測定する電子スピン共鳴法（ESR, Electron Spin Resonance）を用いて計測した。

表１からは、５０ｍｍの場合、膜中欠陥密度が3×10¹⁶個/cm³で、６０ｍｍで1×10¹⁶個/cm³、９０ｍｍで2×10¹⁵個/cm³なっており、基板と触媒線との間隔が広くなるほど、膜中欠陥密度が小さくなっていることがわかる。これは基板と触媒線間の間隔が広くなって触媒線の輻射熱による膜ダメージが低減したことによる。なお、実用的には膜中欠陥密度が1×10¹⁶個/cm³以下であることが望ましい。

表２は、基板と触媒線との間隔を８０ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２２０ｍｍとした場合の成膜速度を比較したものである。

表２からは、８０ｍｍの場合成膜速度が９nm/sで、１５０ｍｍで７nm/s、２００ｍｍで５nm/s、２２０mmで４nm/sとなっており、基板と触媒線間の間隔が広くなるほど成膜速度が低下することがわかる。なお、実用的には成膜速度は５nm/s以上であることが望ましい。

＜交流電源装置の例＞
図３は、交流電源装置１８の構成を示す図である。この交流電源装置１８は、ＰＷＭ制御方式によるスイッチング電源装置である。交流電源装置１８は、例えば、入力ノイズフィルタ１５、ＰＷＭスイッチ１６、平滑フィルタ１７、出力ノイズフィルタ２０及び制御回路１９を備える。

入力ノイズフィルタ１５は、商用電源１１からの出力信号に含まれる高周波などのノイズ成分を除去する。ＰＷＭスイッチ１６の素子として、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＳｉＣ（Silicon Carbide）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET）等のパワー素子が用いられる。平滑フィルタ１７は、ＰＷＭスイッチ１６でスイッチングされた信号の平滑化を行い、出力ノイズフィルタ２０は平滑化された信号に含まれるノイズ成分を除去する。制御回路１９は、出力側の電圧値を検出し、その電圧値に基づきＰＷＭスイッチ１６のスイッチング動作を制御することで、所望の正確な正弦波を得る。

このようなＰＷＭ制御方式によるスイッチング電源である交流電源装置１８は、サイリスタ素子を用いて位相制御を行う方式の電源に比べ、出力電圧として正確な正弦波を得ることができる。

正確な正弦波の出力電圧で触媒線６が駆動されることにより、極性の向きが交互に反転する交流磁場が触媒線６に発生する。交流電源装置１８が触媒線６に印加する交流電圧の周波数は例えば１０〜１００Ｈｚ、典型的には５０〜６０Ｈｚである。触媒線６は、発生した交流磁場により電磁力を受けて振動しようとするが、正確な正弦波の交流電流の磁場により発生する電磁力の方向が交互に入れ替わり、打ち消しあう。したがって、触媒線６は安定し、静止状態を保つことができる。

また、触媒線６のねじれや振動を抑制するための物理的な機構を必要としないので、触媒化学気相成長装置１０の構造を簡素化し、コストの増加を抑えることができる。

なお、商用電源１１は、１００Ｖ、１１０Ｖ、２００Ｖ、２２０Ｖ等があり、交流電源装置１８は、例えば１００〜２２０Ｖの間で出力電圧を制御することができる。また、触媒線６の材料やサイズにもよるが、交流電源装置１８は、例えば１０〜５０Ａの電流を触媒線６に印加する。典型的には、交流電源装置１８は、１００Ｖ−２０Ａの電圧−電流を触媒線６に印加する。

交流電源装置１８は、商用電源１１からの交流の出力信号を直接スイッチするダイレクトスイッチング方式によりスイッチングを行うものである。しかし、スイッチング素子により電圧制御を行う交流電源装置として、ダイレクトスイッチング方式のものに限られず、コンバータ（ＡＣ／ＤＣ変換器）を備えたインバータ方式のものであってもよい。

図４は、上記交流電源装置１８で得られる出力電圧の波形を示す図である。このように、交流電源装置１８によれば、正確な正弦波を得ることができる。

図５及び図６は、従来の簡易式の直流電源装置を用いて触媒線６に電力を印加したときの、その直流電源装置の出力電圧の波形をそれぞれ示す図である。これらの波形の周波数は、ともに１００Ｈｚである。このような直流電源の出力では、触媒線６にねじれが発生し、また、商用電源１１の周波数より高い周波数であっても振動により不安定な状態となった。

図７は、サイリスタ制御方式の交流電源装置を用いて触媒線６に電力を印加したときの、その交流電源装置の出力電圧の波形を示す図である。この波形の周波数は５０Ｈｚとされた。このように、サイリスタ制御方式の交流電源装置を用いた場合、商用電源１１から正確な正弦波を得ることができず、触媒線６は振動し不安定な状態となった。

Ｓ…基板
１…ホルダ
３…真空チャンバ
６…触媒線
８、１８…交流電源装置
９…原料ガス供給部
１０…触媒化学気相成長装置

Claims

チャンバと、
前記チャンバ内で基板を立てた状態で保持する保持機構と、
両端部を有し、長さが２ｍ以上であり、前記基板との間隔が６０ｍｍ以上２００ｍｍ以下となるように、前記保持機構により保持された前記基板に対向して設けられ、垂直方向に折り返すように前記チャンバ内で吊り下げられた触媒線と、
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触媒線の前記両端部に印加する電圧を制御することが可能であり、前記触媒線に交流電圧を印加する電源とを具備し、
前記電源は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式により、前記触媒線に正弦波の交流電圧を印加するスイッチング電源である
触媒化学気相成長装置。