JP4197111B2

JP4197111B2 - 縦型触媒化学気相成長装置及び該装置を用いた成膜方法

Info

Publication number: JP4197111B2
Application number: JP2002246707A
Authority: JP
Inventors: 均池田; 修司大園; 英樹松村; 亮和泉
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP2004083998A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、縦型触媒化学気相成長装置及びこの装置を用いた成膜方法に関する。近年の基板大型化及び薄型化傾向に伴い、基板を略直立させた状態で搬送及び成膜を行うことが可能な縦型化学気相成長装置の利点が評価されている。さらに、触媒化学気相成長法は、競合するプラズマ化学気相成長法に比べ、基板や装置内部部品に対するダメージが少なく、また、触媒線の周囲３６０°の空間にて成膜が可能であり、さらに、消費エネルギーを軽減できるという点で有望である。
【０００２】
【従来の技術】
触媒化学気相成長装置では、触媒線とこれに対向する基板とを構成単位とすることが多い。一方、装置内で用いられる触媒線は通常は複数から成るため、これらの着脱や管理に見合った効果を得るという見地から、触媒線を複数の基板で同時に共有することにより装置構成を簡素化することが検討されている。
【０００３】
そして、この種の装置として、従来、特開２０００―３０３１８２号公報により、内側の棒状ガス導入ヘッドを囲むように上下方向にＵ字状に形成した触媒線を一単位とし、これを同一垂直面上に複数並べて構成した触媒体を介して一対の直立基板を対向させたものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のもののガス導入ヘッドと触媒線とから成る構成単位では、触媒線が成膜時に長時間にわたって高温状態となることから、その近傍のガス導入ヘッドが輻射熱による影響を受けやすい。特に、ガス導入ヘッドの側面に多数設けたガス吹き出し孔がヘッドの熱膨張で口径変化すると、触媒反応が設計値と異なることになり、所期の反応生成が行われないことがある。また、上記構成単位は、基板と直接対向する位置にガス導入ヘッドの占有部分を多数設けることになり、これが触媒反応の空白部分となって成膜速度の低下や成膜ムラの原因となる。
【０００５】
このため、ガス導入ヘッドを成膜室内上部に設けて、触媒体からの高熱の影響を避けるようにすることが考えられるが、この場合、直立した基板の上下方向に、触媒反応による原料ガスの利用効率の高低により、触媒反応原料ガスの分圧、即ち、濃度の勾配が生じ、これが基板上の堆積膜の膜厚や膜質の不均一を招くことになる。
【０００６】
さらに、上記従来のものにおいて基板を縦型状態としたのは、触媒線を挟んで対向配置する一対の基板のそれぞれに対する成膜条件を均等にするためであるが、縦型状態の基板は本来的に搬送及び成膜時の安定性に欠けるという問題がある。それにもかかわらず、近年の基板大型化や薄型化に伴って縦型状態での基板の取り扱いが着目されており、これの実用化を推進することが要望されている。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、触媒線を挟んで対向配置した、少なくとも一対の基板に対して成膜ムラを抑制して均等な膜厚及び膜質で同時成膜を行うことを可能とした実用的な縦型触媒化学気相成長装置及びこの装置を用いた成膜方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、原料ガスと触媒体との接触分解反応により生成される堆積種を基板上に堆積させて成膜を行う触媒化学気相成長装置において、真空室内で略鉛直に立設する複数の触媒線に対して該触媒線を挟んで対向配置した、少なくとも一対の基板を、各基板の上端部同士より下端部同士の距離が小さくなる略Ｖ字状に配置する。
【０００９】
この縦型触媒化学気相成長装置により、基板は成膜面側を上面にした略Ｖ字状となるため各基板の安定性を確保できて、良好な実用性を備えた装置構成となる。また、複数の略鉛直に立設した触媒線により構成される触媒体全面に対して対向配置した、少なくとも一対の基板にそれぞれ成膜を行うので、各基板において形成される薄膜がそれぞれ均等な膜厚や膜質を備えるような同時成膜を行うことが可能となる。
【００１０】
そして、原料ガスの供給口を、上記した基板と触媒線との間で、しかも、触媒線の上端部より上方位置に、触媒線を挟んで対称に配置させて設けるようにする。これにより、原料ガス供給口近傍に付着し易い反応生成物の成長を抑制でき、また、この付着生成物がパーティクルとして剥がれる際も、成膜中の基板上に付着せず触媒線との間隙から落下するため、触媒反応を阻害することが防止される。
【００１１】
さらに、略鉛直に立設する複数の触媒線には、略Ｖ字状の両基板の一方に平行な傾斜状態と他方に平行な傾斜状態とを混在させることもできる。
【００１２】
これにより、上記した略Ｖ字状の基板のそれぞれに対して、これに平行に対向する傾斜状態の触媒線が配置されることになる。したがって、本発明の縦型触媒化学気相成長装置の基板全面において形成される薄膜の膜厚や膜質の均等性がさらに確保される。
【００１３】
この場合、上記したような両基板の一方あるいは他方に平行な両傾斜状態が混在する触媒線の配列を、直立状態と上記した両傾斜状態の一方と他方とを所定順序で配置して成る単位配列が連続したものにすると、触媒線の立設状態の変化が周期的に訪れることになり、上記の膜厚や膜質の均等性が一層確実なものとなる。このときの単位配列中の所定順序として触媒線の傾斜状態に応じて、例えば、両基板の一方の側に内方傾斜させたものと、直立状態のものと、両基板の他方の側に外方傾斜させたものとで順番を形成した配列を用いることができる。
【００１４】
このように傾斜姿勢の触媒線を混在させることは、通常の固定成膜を行う場合だけでなく、本触媒化学気相成長装置により通過成膜を行う際に特に有効である。これは、直立状態の触媒線のみの場合に上下方向に生じる、基板全面と触媒線との対向距離差を、上記のような傾斜状態の触媒線を混在させることにより抑制できるからである。
【００１５】
そして、上記した縦型触媒化学気相成長装置を用いて、装置内真空室の上方位置の原料ガス供給部から供給されて、この真空室内の上方より下方で希薄となる原料ガスの濃度勾配に応じて、両基板の略Ｖ字状の傾斜角度を調整することにより、原料ガスの濃度勾配に対応する接触分解反応の反応速度差を解消するようにすることができる。
【００１６】
即ち、化学気相成長装置では、一般に、原料ガスを上下方向に通流する構造であるため、装置内で上下方向に原料ガスの濃度勾配が生じるのは避けられず、これに伴い、基板の上下方向で接触分解反応の反応速度にも差が生じてしまう。このとき、両基板の傾斜角度を調整して基板の上下方向で触媒線との対向距離を増減させる、即ち、基板の上方で触媒線との対向距離を増大させると共に下方で対向距離を減少させることで、上記の反応速度差を解消できる所定の傾斜角度が存在する。このように略Ｖ字状の基板の傾斜角度を所定角度に調整することにより、基板の上下方向での反応速度差が解消されて、基板全面において形成される薄膜の膜厚や膜質の均等性が確保されるのである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はインライン式に構成された縦型触媒化学気相成長装置（Ｃａｔ-ＣＶＤ装置）の上面断面図である。このインラインＣＶＤ装置は、仕込ポジション１、仕込室２、第１成膜室３、第２成膜室４、取出室５、取出ポジション６の各ユニットが直線的に配列されて構成される。各ユニットは仕切弁７ａ〜７ｅにより隔離される一方、仕切弁をすべて開放すると、各ユニットが連結方向に中空状に連通し、その中空空間を通過して搬送基板を順に搬送できる。
【００１８】
縦型装置の利点の一つは、省スペースが可能となることであり、本装置の第１成膜室３及び第２成膜室４において、それぞれ複数の略鉛直に立設する触媒線９、１０を挟んで対向配置した一対の基板８ａ、８ｂ上に、触媒線９、１０を共用して同時成膜を行うことができるように構成している。そして、このような装置構成の簡略化により省スペース効果がさらに大きいものとなる。
【００１９】
本装置の各ユニットにおいては、仕込ポジション１内に、基板８ａ、８ｂのそれぞれを収納し、回動軸１１ａ、１１ｂ回りに回動可能とした、大気圧下仕様搬送ベースプレート兼用のステージ１２ａ、１２ｂが対向して配置されている。また、第１成膜室３は、触媒化学気相成長法による成膜を行うために、内部にヒータを内在した搬送ベースプレート１３ａ、１３ｂを対向して配設し、その間の仮想対称面上に、上記した複数の立設する触媒線９が上下方向に結線されて設けられている。第２成膜室４は、第１成膜室３と同一の構造で構成されており、搬送ベースプレート１４ａ、１４ｂ及び触媒線１０を備えている。そして、取出ポジション６においては、仕込ポジション１と同様に、回動軸１５ａ、１５ｂ回りに回動可能とした、大気圧下仕様搬送ベースプレート兼用のステージ１６ａ、１６ｂが対向して配置されている。
【００２０】
なお、上記の搬送ベースプレート１３ａ、１３ｂや搬送ベースプレート１４ａ、１４ｂ、及び、仕込室２の搬送ベースプレート１７ａ、１７ｂや取出室５の搬送ベースプレート１８ａ、１８ｂは、仕込ポジション１や取出ポジション６の場合と異なり、真空下仕様のものを用いる必要がある。
【００２１】
もちろん上記以外にも各ユニットでの作動を行うため、図外のポンプユニット、電源盤、操作盤、加熱電源盤、給排水盤、反応ガス導入機構（第１成膜室３、第２成膜室４用）及び真空排気機構なども配置されている。
【００２２】
このようにして構成されるインライン式縦型ＣＶＤ装置を用いて搬送基板８に対して触媒化学気相成長法による成膜を行うに際しては、図外のクリーンルームで調整されたガラス基板８ａ、８ｂを仕込ポジション１のステージ１２ａ、１２ｂに収納した後に、ステージ１２ａ、１２ｂをそれぞれ回動軸１１ａ、１１ｂ回りに回動させて略直立させ、基板８ａ、８ｂを縦型状態とする。このようにして、縦型のまま基板８ａ、８ｂを仕込室２内に搬入し、仕切弁７ａを閉鎖して仕込室２内を真空排気して所定の圧力状態とする。そして、あらかじめ所定の真空状態に保たれている第１成膜室３内に縦型状態の基板８ａ、８ｂを搬送する。さらに、搬送ベースプレート１３ａ、１３ｂ内のヒータによる加熱及び触媒線９の作用により、第１成膜室３の上方に設けたガス導入ヘッド（図示せず）より導入させた反応ガスと反応させて、基板８ａ、８ｂの表面上にその反応生成物から成る薄膜の成膜を行う。
【００２３】
所望の成膜が終了した基板８ａ、８ｂは、仕切弁７ｃの開閉により縦型状態で第２成膜室４内に搬送され、今度は、搬送ベースプレート１４ａ、１４ｂ内のヒータによる加熱及び触媒線１０の作用により、その反応生成物から成る第２の成膜を行う。
【００２４】
そして、基板８ａ、８ｂを取出室５に縦型状態のまま搬送し、仕切弁７ｄの閉鎖により密室とした取出室５の真空状態を徐々に大気圧に戻し、仕切弁７ｅを介して基板８ａ、８ｂを取出ポジション６に搬送する。取出ポジション６では、縦型状態でステージ１６ａ、１６ｂが、搬入基板８ａ、８ｂを収納し、収納状態で回動軸１５ａ、１５ｂを回動し、ステージ１６ａ、１６ｂを水平状態にして、その後の基板８ａ、８ｂの取出しに備える。
【００２５】
このように基板８ａ、８ｂは、仕込ポジション１から取出ポジション６までの工程間、常に縦型状態を保って搬送及び成膜が行われる。上記したように、基板を縦型で取り扱うことは、基板の大型化への対応や装置全体の省スペースの点で有利であるが、一方で、実用化のためには搬送基板の安定性の確保が重要となる。
【００２６】
このため、本発明の触媒化学気相成長装置は、図２に示す搬送機構により搬送基板の安定性を向上させている。即ち、図２の搬送機構は、縦型搬送ベースプレート１３の略上中下の各位置にエアフロー孔２０ａ〜２０ｃを設けている。さらに、このような上中下位置から成る一連のエアフロー孔を、プレート１３の全面に亘って、基板搬送方向に所定間隔で並べて設けている。また、搬送ベースプレート１３の下端部には、基板搬送方向の軸線２１回りに所定角度で回動が可能な回転機構２２が設けられ、さらに、搬送ベースプレート１３に支持される基板８の搬送を行うための図外の駆動機構により駆動可能な搬送ローラ２３が基板搬送方向の複数箇所に軸支されて設けられている。そして、上中下位置から成る一連のエアフロー孔２０ａ〜２０ｃは、搬送ベースプレート１３内で軸線２１に連なるエアーフローライン２４にそれぞれ連結されている。
【００２７】
上記の搬送機構において、エアフロー孔２０ａ〜２０ｃや回転機構２２は、搬送ローラ２３による支持だけでは確保し得ない搬送基板８の縦型状態の安定性を向上させるものである。即ち、基板８の搬送時には、搬送ベースプレート１３を回転機構２２により直立状態より角度θだけ傾倒させると共に、エアフロー孔２０ａ〜２０ｃから搬送ベースプレート１３の支持面１３ｓ方向にエアフローを行う。このようにすることにより、搬送ローラ２３に支持されて搬送される基板８は、傾倒した搬送ベースプレート１３の支持面１３ｓに立て掛けられた姿勢となって安定性が増すと同時に、エアフロー孔２０ａ〜２０ｃからのエアフローにより支持面１３ｓとの接触を無くし、スムーズに搬送されることになる。
【００２８】
このとき、エアフロー孔２０ａ〜２０ｃからのエアフローの流量は、上方位置にあるエアフロー孔ほど大流量であることが望ましい。搬送時の基板８と搬送ベースプレート１３との間の空隙は上方ほど離間が大きくなるので、これに対応して基板８を離間させるため相対的に大きな力が必要となるからである。
【００２９】
また、エアフロー孔からのエアフローは、図１における第１及び第２の両成膜室３、４の排気機構により生じさせることができる。即ち、図外の真空排気機構により、図２における搬送ベースプレート１３の基板８側とその反対側とで差圧を生じさせ、これにより、エアフローが得られる。このようにすることにより、エアフローのための新たな機構を装置内に設けることが不要となる。
【００３０】
さらに、エアフロー部ラインにて、真空排気を行いプロセス圧力との差圧を利用することにより、上記と逆に基板８を搬送ベースプレート１３に吸着させることができ、例えば、成膜時に基板８を搬送ベースプレート１３に固定する必要があるときに有用である。
【００３１】
即ち、図１のインライン式ＣＶＤ装置の運転に際して、第１成膜室３及び第２成膜室４などの搬送ベースプレート１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂとして、図２の搬送機構を用い、それぞれ基板８ａ、８ｂの搬送時には、エアフローを支持面１３ｓ方向に流通させ、傾倒した状態（傾角θ）で基板８ａ、８ｂの搬送に備える。
【００３２】
上記の搬送機構を用いた本発明の縦型触媒化学気相成長装置の第１の態様を図３に示す。図３は、図１のインライン式ＣＶＤ装置における第１成膜室３の略断面図である。搬送ベースプレート１３ａ側は、回転機構２２ａにより傾倒されると共に、エアフロー孔２０ａ〜２０ｃから基板８ａ方向にエアフローを行っており、この状態で基板８ａが搬送ローラ２３ａ上に支持されて搬送される。そして、搬送ベースプレート１３ｂ側も、回転機構２２ｂにより傾倒されると共に、エアフロー孔３０ａ〜３０ｃから基板８ｂ方向にエアフローを行っており、この状態で基板８ｂが搬送ローラ２３ｂ上に支持されて搬送される。そして、基板搬送完了後に搬送ベースプレート１３ａ、１３ｂの傾斜姿勢を保ったまま、上記したエアフローを停止する。このとき、基板８ａ、８ｂは、傾斜した搬送ベースプレート１３ａ、１３ｂに立て掛けられて支持されることで略Ｖ字状に配置されるので、その後の成膜工程時に必要な安定性が確保される。
【００３３】
成膜工程は、第１成膜室３の上方に設けられたガス導入ヘッド３１ａ、３１ｂよりシャワー状に散布して導入される反応ガスが触媒線９と接触反応してこれによる反応生成物が堆積種として基板８ａ、８ｂ上に堆積することで行われる。このとき、ガス導入ヘッド３１ａ、３１ｂが上方に設けられ、また、排気系ポンプ４０が下方に設けられることにより、反応ガスは、上方ほど濃度が高くなるような上下方向で勾配を持った濃度分布となって触媒線９との接触反応が不均一になることが懸念される。しかし、上記のように基板８ａ、８ｂが傾斜状態を保ち、これにより、基板８ａ、８ｂの上方部分ほど触媒線９との距離が相対的に大きくなる。このため、所定傾角θの傾斜状態において、上記した反応ガスの濃度勾配を相殺することができ、基板８ａ、８ｂの上下方向で膜厚や膜質の不均一化が抑制される。
【００３４】
ただし、ガス導入ヘッド３１ａ、３１ｂは、触媒反応生成物に付着されることがあり、これが剥離してパーティクルとして成膜室３下方の基板８ａ、８ｂに落下することは望ましくない。このため、ガス導入ヘッド３１ａ、３１ｂの配置位置を、基板８ａ、８ｂの各下端部と触媒線９との間の直上とする必要があり、したがって、基板８ａ、８ｂの傾斜状態を律する傾角θも制限される。
【００３５】
なお、本実施の態様では、上下方向に結線された触媒線９の張力確保のため、触媒線９にバネ構造３２を設けている。この部分には重りを取り付けて、張力を確保するようにしても良い。
【００３６】
なお、本実施の態様においては、成膜工程時にエアフローを停止し、これにより搬送基板８ａ、８ｂを搬送ベースプレート１３ａ、１３ｂに保持していわゆる固定成膜を行うものとしたが、エアフローを継続し基板の搬送を行いながら、いわゆる通過成膜を行うものとしても良い。このとき、エアフローとして使用するガスは、成膜工程に影響しないガス（例えば、不活性ガス）を選択する。通過成膜の場合は、上記した基板上下方向の膜厚や膜質の均一化だけでなく、搬送方向においても均一な薄膜が形成される。
【００３７】
さらに、上記搬送機構を用いた本発明の縦型触媒化学気相成長装置の第２の態様を図４に示す。図４（ａ）に示すようにこのものの装置構成は図３とほぼ同一であるが、搬送ベースプレート１３ａ、１３ｂ間に介在する各触媒線の立設状態が変更されている。即ち、上面図たる図４（ｂ）に示すように、各触媒線の下端部をそれぞれ同一直線上に固定して配列する一方、紙面手前側の触媒線９ａを直立状態とするのに対し、これに隣接する触媒線９ｂの上端部９ｂ_１を搬送ベースプレート１３ｂ側に傾倒して傾斜姿勢の搬送ベースプレート１３ｂと触媒線９ｂとを平行状態とする。そして、さらにこれに隣接する触媒線９ｃを直立状態とするのに対し、次にこれに隣接する触媒線９ｄの上端部９ｄ１を搬送ベースプレート１３ａ側に傾倒して傾斜姿勢の搬送ベースプレート１３ａと触媒線９ｄとを平行状態とする。さらにこのパターンの繰り返しで立設する触媒線を並べて行く。また、場合によっては、直立状態とする触媒線９ａ、９ｃに相当する箇所を省き、左右に傾斜姿勢の千鳥配置とした触媒線配置としても良い。
【００３８】
このように交互に直立状態と傾斜状態とを繰り返し、しかも傾斜状態同士の触媒線は互いに傾斜方向が反転するように触媒線の立設を行うと、上記した傾斜状態に保たれた基板８ａ、８ｂに対して、これらにそれぞれ平行に張架される触媒線が多数備えられることになる。そして、通過成膜方法を採用することにより、基板８ａ、８ｂの上下方向のみならず搬送方向で膜厚や膜質の均等化を実現できる。
【００３９】
このような通過成膜方法は、装置運転時のタクトタイムが短縮され、インライン式装置本来の高稼働率での運転が可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、基板を略Ｖ字状の傾斜姿勢に保って成膜を行うので、通常通り触媒線から離間した上方位置にガス導入ヘッドを設けた設計のまま、触媒線を挟んで対向配置させた、少なくとも一対の基板に対し同時成膜を行うことができる。また、上記の傾斜姿勢を保つことにより、安定性を確保した状態で基板搬送や搬送基板に対する成膜を行うことができるので実用的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】インライン式Ｃａｔ-ＣＶＤ装置の上面断面図
【図２】本発明の触媒化学気相成長装置の搬送機構
【図３】本発明の第１の態様
【図４】（ａ）本発明の第２の態様（ｂ）（ａ）の上面断面図
【符号の説明】
３第１成膜室
４第２成膜室
８、８ａ、８ｂ基板
９、９ａ〜９ｄ、１０触媒線
９ｂ_１、９ｄ_１触媒線上端
１２ａ、１２ｂ、１６ａ、１６ｂステージ（大気圧仕様搬送ベースプレート）
１３、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ
搬送ベースプレート（真空下仕様）
１３ｓ基板支持面
２０ａ〜２０ｃ、３０ａ〜３０ｃエアフロー孔
２１、２１ａ、２１ｂ回転軸
２３、２３ａ、２３ｂ搬送ローラ

Claims

真空室内で略鉛直に立設する複数の触媒線に対して
該触媒線を挟んで対向配置した、少なくとも一対の基板を、
該各基板の上端部同士より下端部同士の距離が小さくなる略Ｖ字状に配置し、
原料ガスと触媒体との接触分解反応により生成される堆積種を基板上に堆積させて成膜を行う触媒化学気相成長装置において、
前記原料ガスの供給口が、前記基板と前記触媒線との間でかつ前記触媒線の上端部より上方位置に、前記触媒線を挟んで対称に配置されて設けられていることを特徴とする縦型触媒化学気相成長装置。
前記触媒線とともに、
前記略Ｖ字状の両基板の一方に平行な傾斜状態と他方に平行な傾斜状態の複数の触媒線とが混在して立設されていることを特徴とする請求項１に記載の縦型触媒化学気相成長装置。
前記両傾斜状態が混在する触媒線は、
前記略鉛直状態と前記両傾斜状態の一方と他方とを所定順序で配置して成る単位配列が連続して配列されていることを特徴とする請求項２に記載の縦型触媒化学気相成長装置。
真空室内で略鉛直に立設する複数の触媒線に対して
該触媒線を挟んで対向配置した、少なくとも一対の基板を、
該各基板の上端部同士より下端部同士の距離が小さくなる略Ｖ字状に配置し、
原料ガスと触媒体との接触分解反応により生成される堆積種を基板上に堆積させて成膜を行う触媒化学気相成長装置において、
前記触媒線とともに、
前記略Ｖ字状の両基板の一方に平行な傾斜状態と他方に平行な傾斜状態である複数の触媒線とが混在して立設されていること
を特徴とする縦型触媒化学気相成長装置。
前記両傾斜状態が混在する触媒線は、
前記略鉛直状態と前記両傾斜状態の一方と他方とを所定順序で配置して成る単位配列が連続して配列されていることを特徴とする請求項４に記載の縦型触媒化学気相成長装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の縦型触媒化学気相成長装置を用いた成膜方法において、前記真空室の上方位置の原料ガス供給部から供給されて該真空室内の上方より下方で希薄となる前記原料ガスの濃度勾配に応じて、前記両基板の略Ｖ字状の傾斜角度を調整し、前記濃度勾配に対応する前記接触分解反応の反応速度差を解消するようにしたことを特徴とする成膜方法。