JP5903666B2 - 成膜装置及びそれを用いた成膜方法 - Google Patents
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Description
この発明は、原料ガスの反応によって基板の表面に所定の薄膜を形成する成膜装置及びそれを用いた成膜方法に関し、特に触媒ＣＶＤ装置における触媒線の異常な変形が検出可能な装置に関する。
アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜や多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜の作成には、従来より、化学蒸着法（または、化学気相成長法、ＣＶＤ法とも呼ばれる）を利用した装置が用いられている。特に、プラズマを利用したプラズマＣＶＤ（ＰＣＶＤ）法は、スループットの大きい方法として知られており、現在主流の薄膜の作成方法である。ＰＣＶＤ法は、例えば、ａ−Ｓｉ膜の場合には、１〜１０Ｐａ程度のガス圧力下において高周波電力を印加してプラズマを生成し、プラズマ中で生成された生成物を基板に堆積させて成膜を行う方法である。これに対し、プラズマを使用しない方法として、所定の高温に維持された触媒体を処理チャンバー内に配置して、触媒体の作用により成膜を行う方法が近年開発されている。このような方法は触媒ＣＶＤ（ｃａｔａｌｙｔｉｃ ＣＶＤ，ｃａｔ−ＣＶＤ）法と呼ばれている（例えば、特許文献１参照）。
触媒ＣＶＤ法は、通常の熱ＣＶＤ法に比べて基板の温度が低くても充分な成膜速度で成膜が行えるため、低温プロセスとして期待されている。また、プラズマを使用しないため、プラズマによる基板のダメージという問題からも無縁である。更に、導入するガス種を変えることにより、Ｓｉ系のみならず、ダイヤモンド薄膜や電子デバイスの保護膜の作成等にも応用できる。このような触媒ＣＶＤ法を行う従来の成膜装置の構成について、図５を参照しながら説明する。図５は、従来の触媒ＣＶＤ法を行う成膜装置の構成を示した模式図である。
図５に示す装置は、排気系（図示せず）によって内部を減圧状態に維持することが可能な処理チャンバー１００と、処理チャンバー１００内の所定の位置に基板を保持する基板ホルダー１０２と、所定の原料ガスを処理チャンバー１００に導入するガス導入経路（図示せず）と、処理チャンバー１００内に設けられた触媒体１４１と、触媒体１４１にエネルギーを印加して触媒体１４１を所定の高温に維持する電源部１０５とを備えている。触媒体１４１は、ガス導入経路より導入された原料ガスが触媒体１４１の表面に接触するかまたは触媒体１４１の表面付近を通過するような位置に設けられる。
触媒体１４１は、タングステン等の高融点金属の一本のワイヤーから成る。触媒体１４１は、図５に示すように、Ｕ字状に折り曲げられ、処理チャンバー１００の上部２点で支持されるように取り付けられている。また、電源部１０５は、直流又は交流の電源であって、触媒体１４１に電流を供給して触媒体１４１を発熱させる。
図５に示す装置において、電源部１０５によって触媒体１４１を１５００〜２２００℃程度の範囲内の高温に発熱させる。この状態で、ガス導入経路から所定の原料ガスを処理チャンバー１００内に導入する。導入されたガスが、触媒体１４１の表面に接触するか表面付近を通過する際に反応が生じ、この反応による生成物が基板ホルダー１０２によって保持された基板の表面に到達することで、基板の表面に所定の薄膜が作成される。
上述したような触媒ＣＶＤ法では、触媒体の表面に接触するか表面付近を通過する原料ガスから生成された生成物を基板に到達させて成膜を行うから、触媒体と基板の距離は非常に重要なパラメータである。
しかしながら、従来の触媒体ＣＶＤ装置では、前述したように、一本のワイヤーをＵ字状に曲げ２点で支持しているため、通電時間の増加に伴いワイヤーが伸びてチャンバーの底面と接触し、異様な変形が生じる場合がある。つまり、ワイヤーより成る触媒体１４１は、発熱によりクリープ変形する。クリープ変形した触媒体１４１は、図５の破線で示すように、下方部に伸びて行き、処理チャンバー１００の底面と接触することになる。
このような変形によって、触媒体１４１と基板との距離等が不均一になる。この結果、生成物の到達確率や輻射熱による基板の温度上昇も不均一になる。これは、成膜速度や膜質の不均一性をもたらす。また、変形の量は制御困難であり、触媒体１４１が変形したときの成膜処理の再現性の点でも問題がある。
また、触媒体１４１の変形の量は、処理チャンバー１００の外からは目視で確認することはできない。従来は、目視確認するためには、処理チャンバー１００を大気に開放する必要があった。しかし、処理チャンバー１００を大気に開放すると、汚染や装置稼働率の低下の原因となる。
この発明は、触媒体ＣＶＤ法を行う成膜装置において、触媒体の変形に起因した問題を低減し、ランニングコストや生産性の点で優れた構成を提供するものである。
この発明の成膜装置は、内部を減圧状態に維持可能な処理チャンバーと、所定の原料ガスを前記処理チャンバーへ導入するガス導入経路と、前記ガス導入経路より導入された原料ガスが表面に接触するか表面付近を通過するようにして前記処理チャンバー内に設けられた触媒体と、前記触媒体にエネルギーを印加して触媒体を昇温する電源部と、前記触媒体の下方に設けられた検知部と、前記検知部を流れる電流または前記検知部の電圧を検出し、前記触媒体と前記検知部との間の接触状態とを判定する制御部と、を備えている。
また、この発明の成膜方法は、内部を減圧状態に維持可能な処理チャンバーと、所定の原料ガスを前記処理チャンバーへ導入するガス導入経路と、前記ガス導入経路より導入された原料ガスが表面に接触するか表面付近を通過するようにして前記処理チャンバー内に設けられた触媒体と、前記触媒体にエネルギーを印加して触媒体を昇温する電源部と、前記触媒体の下方に設けられた検知部と、前記検知部を流れる電流または前記検知部の電圧を検出し、前記触媒体と前記検知部との間の接触状態とを判定する制御部と、を備え、前記制御部が前記触媒体と検知部との間で接触状態が発生したと判断するまで前記原料ガスを導入して、前記触媒体に対向するように設けられた基板の表面上に成膜を行い、前記制御部が前記触媒体と検知部との間で接触状態が発生したと判断すると、原料ガスの導入を停止する。
この発明によれば、触媒線の異常変形によるプロセス異常を目視確認せずに処理チャンバーの外部から検知することができる。
実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。
図１は、第一の実施形態の成膜装置の正面概略断面図、図２は、第一の実施形態の成膜装置における触媒体と基板ホルダーの関係を示す模式的斜視図、図３は、触媒体の構成を説明する概略斜視図である。
図１に示す装置は、排気系１１によって内部を減圧状態に維持することが可能な処理チャンバー１と、処理チャンバー１内の所定の位置に基板９を保持する基板ホルダー２と、所定の原料ガスを処理チャンバー１に導入するガス導入経路３と、ガス導入経路３より導入された原料ガスが表面に接触するか表面付近を通過するようにして処理チャンバー１内に設けられた触媒体４と、触媒体４にエネルギーを印加して触媒体４を所定の温度に昇温する電源部５とを備えている。
処理チャンバー１は、ゲートバルブ（図示せず）を備えた気密な真空容器である。排気系１１は、ターボ分子ポンプと回転ポンプの組み合わせのような多段の真空ポンプを備えており、処理チャンバー１内を排気可能に構成される。
図１及び図２に示すように、基板ホルダー２は基板９を処理チャンバー１の底面に対して垂直に保持する。基板ホルダー２は、基板９が垂直な姿勢を維持したまま基板保持面に保持される構成を有する。また、基板ホルダー２は、処理チャンバー１内に同時に複数枚の基板９が保持できる構成を有する。触媒体４及びガス導入ヘッド３１が設けられた面に対して面対称になるように、二枚の基板ホルダー２が配置され、それぞれの基板ホルダーに複数枚の基板９が保持できるようになっている。図示はしないが、基板９の温度を制御する基板温度制御機構を設けて、基板９を所定温度に維持するように構成されていてもよい。
図１及び図２に示すように、第一の実施形態の装置における触媒体４は、処理チャンバー１の底面に対して垂直な面であってかつ基板ホルダー２に保持された基板９の処理面と平行な平面に沿って延びる形状である複数の触媒線４１で構成されている。各触媒線４１は、タングステン、モリブデン又はタンタル等の高融点金属で形成されている。そして、図３の概略斜視図から解るように、一つの触媒線４１は、一本のワイヤーを長いＵ字状に成形した構成である。従って、ワイヤーの両端は上側に位置し、曲がった部分が下側に位置する。尚、ワイヤーの直径は、０．２ｍｍ〜３ｍｍ程度である。
上側に位置する各触媒線４１の両端部分は、導入保持体４２に連結されている。導入保持体４２は、触媒線４１より少し太いワイヤー状又はロッド状である。導入保持体４２は、各触媒線４１と同様の高融点金属から形成されている。
尚、前述したように、基板９と触媒体４の距離（図１中Ｌで示す）は、触媒体４からの輻射熱を少なくしつつ充分な量の生成物を基板９に到達させるため、１ｃｍ〜２０ｃｍ程度であることが好ましい。基板９と触媒体４の距離が１ｃｍ未満であると基板９への輻射熱があまりに多くなる問題が生じる。また、基板９と触媒体４の距離が２０ｃｍを越えると、生成物の基板９への到達量が減ってしまう問題が生ずる。
また、図１及び図３に示すように、処理チャンバー１に、一対の導入保持体４２を保持する保持板４４が設けられている。導入保持体４２は、アルミナ等の高融点の絶縁材（図示せず）を介在させた状態で保持板４４を気密に貫通している。保持板４４は、アルミナやＰＢＮ（パイロリティック・ボロンナイトライド）等の高融点材料で形成されることが好ましい。この保持板４４は、処理チャンバー１の上壁部の外面に取り付けられるようになっている。即ち、図１に示すように、処理チャンバー１の上壁部には、各保持板４４よりも小さな開口１００が、保持板４４の数だけ形成されている。各保持板４４に保持された導入保持体４２は、この開口１００に挿通されて下方に延び、その下端に触媒線４１を連結している。
各保持板４４と処理チャンバー１の上壁部の外面との間には、真空シール（図示しない）が設けられており、各保持板４４は開口１００を気密に塞ぐ状態となっている。尚、各保持板４４は、ネジ止め等により処理チャンバー１の上壁部に取り付けられている。保持板４４を経由しての処理チャンバー１の加熱が問題となるときは、保持板４４と処理チャンバー１との間に断熱材が設けられる。
また、電源部５は、図３に示すように、触媒線４１の数に等しい数の通電用電源５１から構成されている。通電用電源５１は、触媒線４１に交流又は直流の電流を通し、触媒線４１を原料ガスが分解できる所定の温度（例えば２２００℃程度までの高温）まで昇温できるよう構成されている。そして、各通電用電源５１は、制御装置８に接続されている。制御装置８は、各通電用電源５１を制御し、各触媒線４１の電流を各々独立して制御する。この結果、各触媒線４１の温度が独立して制御されるようになっている。
尚、通電用電源５１を触媒線４１と同数とすることは必須の条件ではない。例えば、複数の触媒線４１を並列につないで各回路に独立して制御可能な制御素子（例えば可変抵抗）を設けるようにしてもよく、この場合には、通電用電源５１の数は触媒線４１の数より少なくなる（例えば１つでもよい。）。
また、図１または図３に示すように、ガス導入経路３は、処理チャンバー１内に設けられたガス導入ヘッド３１と、処理チャンバー１外に設けられたガスボンベ３２とガス導入ヘッド３１とを繋ぐ配管３３と、配管３３上に設けられたバルブ３４、流量調整器３５及びフィルタ（図示せず）等とから構成されている。そして、図３に示すように、ガス導入ヘッド３１は、触媒線４１の数に等しい数だけ設けられている。
図３に示すように、各ガス導入ヘッド３１は、処理チャンバー１の底面に対して垂直に保持された細長い管である。各ガス導入ヘッド３１は、Ｕ字状である各触媒線４１の２つの直線部分の間に位置している。つまり、各ガス導入ヘッド３１は、各触媒線４１が設けられた垂直な面と同じ面に沿って設けられている。従って、各触媒線４１と同様、各ガス導入ヘッド３１は、基板ホルダー２に保持された基板９に対して平行である。尚、各ガス導入ヘッド３１は、高融点の金属又は石英等で形成されている。
そして、各ガス導入ヘッド３１は、基板９に対向する側面にガス吹き出し孔（図示せず）を均等に有している。また、図３に示すように、ガス導入経路３の配管３３は、ガス導入ヘッド３１の数だけ分岐しており、その先端にガス導入ヘッド３１が連結されている。そして、分岐した後の配管３３のそれぞれに流量調整器３５が設けられている。そして、制御部８は、各流量調整器３５を独立して制御できるようになっている。この実施形態では、各ガス導入ヘッド３１から処理チャンバー１内に導入される原料ガスの流量が、独立して制御できるようになっている。尚、本明細書おいて、「原料ガス」とは、成膜のために導入されるガスの総称であり、成膜に直接寄与するガスのみならず、キャリアガスやバッファガスのような成膜には直接関与しないガスも含まれる。
本実施形態においては、図１に示すように、各触媒線４１の下方に処理チャンバー１と絶縁され、検知部としての金属板６が配置される。この金属板６は、電源部５と電気的に接続される。そして、図４に示すように、各触媒線４１が伸びて金属板６と接触すると、金属板６と電源部５との間が導通する。触媒線４１と金属板６の導通により、電源部５が定電圧電源の場合には金属板６を流れる電流が変動し、電源部５が定電流電源の場合には金属板６の電圧（電力）の出力が変動する。この変動が検出装置６０で検出され、その検出結果が制御装置８に送られる。制御装置８は、この検出装置６０からの検出結果が一定の範囲を逸脱すると、各触媒線４１が伸びて変形が大きくなったと判定し、正常な成膜ができないとして成膜動作を中止するように制御する。例えば、ガス導入経路３からの原料ガスの導入が停止される。また、電源部５の出力が停止される。従って、各触媒線４１が金属板６に接触したとき、検出装置６０からの検出結果より、触媒線４１が変形していることを正確に判定することができる。この結果、制御装置８の判定結果に応じて触媒線４１を交換することができ、触媒線４１の交換寿命を長くできることから、触媒線４１の頻繁の交換を防ぐことができる。
また、絶縁体の成膜を行う場合には、金属板６は、着膜しないように成膜エリア外に設置することが好ましい。
上記構成に係るこの実施形態の成膜装置の動作について、以下に説明する。複数の基板９を保持する基板ホルダー２が処理チャンバー１内に搬入される。
処理チャンバー１のゲートバルブが閉じた後、ガス導入経路３が動作して原料ガスが所定の流量で処理チャンバー１内に導入される。即ち、原料ガスは、各ガス導入ヘッド３１のガス吹き出し孔から吹き出し、処理チャンバー１内の空間に拡散する。この際、制御装置８は、ガス導入経路３に設けられた流量調整器３５を制御し、各ガス導入ヘッド３１からの原料ガスの導入量を独立して制御する。また、処理チャンバー１に設けられた排気系１１は、排気速度調整器を備えており、処理チャンバー１内が所定の真空圧力になるように排気速度を制御する。
そして、触媒体４を構成する各触媒線４１に、電源部５の各通電用電源５１によって通電し、原料ガスを分解可能な所定の温度に昇温する。各ガス導入ヘッド３１から吹き出して拡散した原料ガスは、触媒線４１の表面に接触するか又は表面付近を通過する際に反応が生じる。この反応による生成物が基板９の表面に到達し、基板９に到達した生成物が堆積して薄膜が形成される。
このような状態を所定時間維持し、所定の厚さで薄膜が作成されると、ガス導入経路３及び電源部５の動作を止める。そして、排気系１１によって処理チャンバー１内を再度排気した後、不活性ガスを導入して処理チャンバー１内を大気圧とする。処理チャンバー１内が大気圧となった後にゲートバルブを開けて基板９を処理チャンバー１から取り出す。
成膜動作を繰り返して行くと、図４に示すように、各触媒線４１が変形して下方に伸びてくる。金属板６および検出装置６０を設けることにより、制御装置８は各触媒線４１の変形を判定することができ、その判定結果から正常な成膜ができないと判定して成膜動作を中止するように制御する。具体的には、制御装置８は、ガス導入経路３及び電源部５の動作を止める。この結果、無駄な原料ガスの消費を抑えることができる。
成膜の具体例について、ａ−Ｓｉ膜を作成する場合を例にして説明する。原料ガスとしては、モノシランを流量１０〜５００ｓｃｃｍ、水素ガスを流量２０〜１０００ｓｃｃｍの程度の流量で混合して導入する。触媒体４の温度を１５００〜２２００℃、処理チャンバー１内の圧力を０．１〜１０Ｐａに維持して蒸着を行うと、３０〜２５０オングストローム／分程度の成膜速度でａ−Ｓｉ膜の作成が行える。このようなａ−Ｓｉ膜は、太陽電池用等として効果的に利用できる。
尚、触媒線４１がＵ字状のワイヤーの場合、触媒線４１は両端を下側にして電流導入部を取り付け、曲がった部分を上側にしてフックなどで引っかける構成とすることが考えられる。しかし、この場合、下側が固定されているので、熱膨張によってワイヤーが水平方向に膨らんで触媒線４１と基板９との距離が変化しまう。従って、触媒線４１は両端を上側にして配置する構成が好適である。尚、Ｕ字以外の形状としては、Ｕ字を横につないだ形状、例えば丸みを帯びたｗ状やｍ状などでもよい。
また、前述した例では、ａ−Ｓｉ膜を採り上げたが、窒化シリコン膜、ポリシリコン膜等、任意の種類の薄膜の作成に第一の実施形態の装置は使用可能である。さらに、成膜の対象物である基板９には、半導体デバイスを製作する際のウェーハや、液晶ディスプレイを製作する際の液晶基板等を採用することができる。基板９が大面積の場合、基板ホルダー２を用いることなく基板９を直接処理チャンバー１内に搬入しても良い。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、上記の実施形態では検知部として金属板６を用いたが、金属以外の導電性を有する材料を用いて検知部を構成することができる。また、板状の形状以外に網目状等他の形状であっても良い。
１ 処理チャンバー
１１ 排気系
２ 基板ホルダー
３ ガス導入経路
３１ ガス導入ヘッド
３５ 流量調整器
４ 触媒体
４１ 触媒線
５ 電源部
５１ 通電用電源
６ 金属板（検知部）
８ 制御装置
９ 基板
１１ 排気系
２ 基板ホルダー
３ ガス導入経路
３１ ガス導入ヘッド
３５ 流量調整器
４ 触媒体
４１ 触媒線
５ 電源部
５１ 通電用電源
６ 金属板（検知部）
８ 制御装置
９ 基板
Claims (5)
- 内部を減圧状態に維持可能な処理チャンバーと、
所定の原料ガスを前記処理チャンバーへ導入するガス導入経路と、
前記ガス導入経路より導入された原料ガスが表面に接触するか表面付近を通過するようにして前記処理チャンバー内に設けられた触媒体と、
前記触媒体にエネルギーを印加して触媒体を昇温する電源部と、
前記触媒体の下方に設けられた検知部と、
前記検知部を流れる電流または前記検知部の電圧を検出し、前記触媒体と前記検知部との間の接触状態とを判定する制御部と、を備えた、成膜装置。 - 前記検知部は成膜エリア外に設置されている、請求項１に記載の成膜装置。
- 前記制御部は、前記検知部を流れる電流または前記検知部の電圧が一定の範囲を超えると前記触媒体と検知部との間が接触したと判定する、請求項１または請求項２に記載の成膜装置。
- 前記制御部は、前記触媒体と前記検知部との間が接触したと判定すると、ガス導入経路からの原料ガスの導入を停止するよう制御する、請求項３に記載の成膜装置。
- 内部を減圧状態に維持可能な処理チャンバーと、所定の原料ガスを前記処理チャンバーへ導入するガス導入経路と、前記ガス導入経路より導入された原料ガスが表面に接触するか表面付近を通過するようにして前記処理チャンバー内に設けられた触媒体と、前記触媒体にエネルギーを印加して触媒体を昇温する電源部と、前記触媒体の下方に設けられた検知部と、前記検知部を流れる電流または前記検知部の電圧を検出し、前記触媒体と前記検知部との間の接触状態とを判定する制御部と、を備え、
前記制御部が前記触媒体と検知部との間で接触状態が発生したと判断するまで前記原料ガスを導入して、前記触媒体に対向するように設けられた基板の表面上に成膜を行い、前記制御部が前記触媒体と検知部との間で接触状態が発生したと判断すると、原料ガスの導入を停止する、成膜方法。
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