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JP3644864B2 - Deposition equipment - Google Patents
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JP3644864B2 - Deposition equipment - Google Patents

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Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒反応に基づいて薄膜を形成する成膜装置に関する。特に、加熱触媒体に起因する基板の温度上昇を抑制しつつ、大面積基板に対して、均一に、しかも高速にて成膜を行うことが可能な触媒反応に基づく成膜装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
LSI、LCD、薄膜太陽電池等のデバイス製造プロセスにおける薄膜形成方法、特にシリコン系薄膜の形成方法としては、比較的低温にて成膜できることから、現在、プラズマCVD法が主流となっている。
【0003】
しかしながら、プラズマCVD法においては、プラズマ中の荷電粒子が基板に与えるダメージの大きいこと、膜中に取込まれる水素濃度が高いこと等が間題視されている。
【0004】
このために、プラズマを用いることなく、しかも、低水素含有の薄膜(シリコン系薄膜)を形成できる技術として、Cat−CVD法という技術が最近注目を集めている。
【0005】
この成膜法は、所定の温度に加熱した触媒体を成膜チャンバ内に配置し、チャンバ内に供給した原料ガスをこの触媒体に接触させ、接触反応によって生成された化学種に基づいて基板上に所定の薄膜を形成する方法である。
【0006】
この方法によって形成できる薄膜としては、a−Si、poly−Si、SiNx等、多様であるが、特に、この方法によって作製されたa−Si膜は、光劣化の少ない高安定化効率の太陽電池用の発電層として、大いに期待されている。
【0007】
Cat−CVD法に基づく成膜装置については、特開昭63−40314号公報、特開平11−54441号公報等に記載されているが、特に、特開平11−54441号公報に記載の装置は、触媒体が基板に与える熱の抑制にも有効である。
【0008】
以下、Cat−CVD法に基づく成膜装置の従来例として、特開平11−54441号公報に記載の装置を、図5に基づいて説明する。
【0009】
図5に示す成膜装置は、箱状のチャンバ101と、チャンバ101の上面中央からチャンバ101の内部に挿入されたガス供給管103と、ガス供給管103の下端部に取り付けられた横長直方体状の触媒容器104とを備えている。触媒容器104の内部には、コイル状の触媒体105が設けられている。触媒容器104の底面部104bには、複数のガス吹出口106が設けられている。
【0010】
基板109は、触媒容器104の下方に設けられた基板ホルダー110の上に、触媒容器104の底面部104bに平行となるように保持される。
【0011】
成膜作業では、ガス供給源102によりガス供給管103に原料ガス107が供給される。その原料ガス107は、触媒容器104内にて加熱された触媒体105と接触することにより、成膜に適した化学種108を生成する。この化学種108を含むガスが、触媒容器104の底面部104bのガス吹出口106からシャワー方式により基板109の表面に供給される。これにより、基板109の表面に薄膜が形成され、薄膜を形成した残りの化学種108が、排気系111により基板109の側方からチャンバ101外へ排出される。
【0012】
このような構成の成膜装置によれば、プラズマダメージがなく、しかも、水素含有率の低い、きわめて高品質の膜が得られる。又、触媒体105による原料ガスの分解確率が高いため、高速の成膜が可能となる。更に、図5に示す成膜装置では、触媒容器104が、触媒体105と基板109とを隔絶しているため、触媒体105から基板109への熱輻射による基板109の温度上昇が抑制される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の成膜装置では、以下のような3つの問題点がある。
【0014】
第1の問題は、基板の温度上昇である。図5に示す成膜装置では、化学種を含む原料ガスは、触媒容器104のガス吹出口106より、基板109に対して略直角に吹き出され、その後、基板109の表面に沿って流れ、チャンバ側壁の排気系111から排気される。即ち、ガスが基板109の表面全域に沿って流れるため、ガス流れのコンダクタンスがあまり大きくない。この影響は、特に大面積の基板を用いる場合に顕著となる。
【0015】
このように、ガス流れのコンダクタンスが大きくないと、大流量のガスを流すことができない。なお、触媒容器104内の空間とチャンバ101内の空間との差圧をかなり大きくすることによって、ある程度は、ガス流量を増加させることも可能ではあるが、この場合には、大流量のガスを供給しようとしたときに流れに乱れが生じ、膜の品質や成膜の均一性が損なわれることになる。このように、ガス流のコンダクタンスが大きくないと、ガス流量が制限され、ガス流量が小さいと、ガス流による基板109の表面への化学種108の供給(輸送)が困難になる。すなわち、ガス流によって化学種108を基板109に供給(輸送)するのに要する時間が科学種108の寿命よりも長くなってしまう。
【0016】
そこで、ガス流量が小さい状態のまま、化学種108の寿命よりも短い時間で、基板109の表面に化学種108を供給(輸送)するためには、触媒体105、すなわち媒容器104を基板109に接近させることが必要になる。その結果、触媒容器104を用いているにもかかわらず、触媒体105(触媒容器104)からの熱輻射により基板109が温度上昇する。このように、触媒容器104を用いることによる基板109の温度上昇を抑制するという効果が薄れてしまう。
【0017】
第2の問題は、成膜の不均一である。上記したように、ガス流れのコンダクタンスが大きくなく、排気系111に近い部分と遠い部分とでは流れの状態が異なる。また、基板109上において、ガス吹出口106と対向する部分には化学種108が多く到達するが、それ以外の部分に到達する化学種108は少ない。その結果、基板109の表面における成膜の均一性を得る事が困難になる。この影響は、特に大面積の基板109を用いた場合に顕著となる。
【0018】
第3の問題は、十分な成膜速度が確保されないことである。上記したように、ガス流れのコンダクタンスが大きくなく、ガス流量が制限されるため、単位時間当たりに触媒体105と接触する原料ガス分子の数が制限され、成膜速度向上の妨げとなる。
【0019】
本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、その目的は、ガス流れのコンダクタンスを大きくすることができ、これにより基板の温度上昇の問題、成膜の不均一の問題、及び成膜速度の不足の問題を全て解決できる成膜装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明の成膜装置は、基板の表面に所定の薄膜を形成する成膜装置であって、所定温度に加熱され、原料ガスとの接触によって化学種を生成する触媒体と、前記原料ガスを前記触媒体と接触するように供給するとともに、前記接触により生成された前記化学種を含むガスを、前記基板の表面の一部のみに供給するガス供給手段と、該ガス供給手段によって前記基板の表面の一部に供給された前記化学種を含むガスが、前記基板から離れる方向へ排出されるように、前記ガス供給手段に接近して設けられたガス排出手段と、前記ガス供給手段及び前記ガス排出手段に対して前記基板をその表面に沿った方向へ相対的に移動させる移動手段と、を具備し、前記ガス供給手段及び前記ガス排出手段の各々の先端部は、U字状又は円弧状の滑らかなガス流が形成されるように、前記ガス供給手段によるガス供給位置を挟んでほぼ対称的に傾斜して設けられており、前記触媒体は、前記ガス供給手段のガス流路内に、前記基板の表面に直接対向しないように配置されていることを特徴とし、そのことによって上記目的が達成される。
【0021】
即ち、本発明の成膜装置では、基板の表面の一部に供給されたガスは、基板から離れる方向へ排出されることにより、そのガスは基板の表面に限定的に供給されて皮膜を形成する。その結果、基板の表面全体に供給される場合と比べて、基板上でのガスの流動経路を短くでき、そのガス流れのコンダクタンスを大きくできる。
【0022】
従って、ガス供給手段からガス排出手段にかけて大流量のガスを流すことができ、その結果、触媒体から基板までの距離を大きくしても、化学種の寿命よりも短い時間で、化学種を高速のガス流によって基板に供給することができる。このように、触媒体から基板までの距離を大きくできるので、触媒体からの輻射熱による基板の温度上昇を抑制することができる。
【0023】
また、ガス供給手段及びガス排出手段に対して基板が表面に沿った方向へ相対的に移動することにより、基板の表面の一部に限定的にガスが供給されるにもかかわらず、基板の表面全体に皮膜を形成できる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【0031】
<実施形態1>
図1は本発明の実施形態1を示す。実施形態1の成膜装置は、直方体状のチャンバ1と、略角筒状のガス供給管3と、ガス供給管3の周囲に配置された一対のガス排出管4と、ガス供給管3の内部に配置された触媒体6と、チャンバ1内において、これらのガス供給管3およびガス排出管4の下方に設けられた基板ホルダー9とを備えている。
【0032】
成膜対象物である基板8は、基板ホルダー9の上に水平に支持されており、移動手段10による基板ホルダー9の水平方向の直線駆動により、特定の水平方向(X方向)に移動する。
【0033】
ガス供給手段である略角筒状のガス供給管3は、基板ホルダー9上に支持された基板8の表面の一部に、所定の隙間をあけて直角に対向している。より具体的には、基板8の表面のX方向の一部分に、X方向に直角な水平方向の全域にわたって直角に対向している。これにより、ガス供給管3は、原料ガス源2から供給される原料ガス7を、内部の触媒体6を経由して、基板ホルダー9上に支持された基板8の表面のX方向の一部分に、X方向に直角な水平方向の全域にわたって真上から供給する。
【0034】
ガス排出手段である一対のガス排出管4は、ガス供給管3の周囲であるX方向の両側に、両側の側壁部5を利用して、垂直かつ一体的に設けられている。各ガス排出管4は、X方向に偏平な略角筒状に形成され、ガス供給管3と共に、チャンバ1内に垂直に配置されている。そして、ガス供給管3のX方向の近接位置にて、基板8の表面のX方向の一部分に、X方向に直角な水平方向の全域にわたって直角に対向している。
【0035】
ガス供給管3の内部に配置された触媒体6は、ガス供給管3の内部を流れる原料ガスの分子と接触しやすいように、その表面積が広いことが望まれる。例えば、触媒体6は、コイル状であって、通電により所定温度に加熱される。触媒体6の材質としては、タングステン、モリブデンなどが用いられ、1500〜2000℃程度に加熱される。
【0036】
基板ホルダー9は、前述したとおり、その上に基板8を水平に支持し、移動手段10によりX方向に駆動される。これにより、基板ホルダー9は、その上の基板8をX方向に移動させる。また、内部に設けられたヒータまたは冷却機構(図示せず)により、必要に応じて基板8を所定の温度に加熱または冷却する。
【0037】
次に、実施形態1の成膜装置を用いて、基板8の表面に薄膜を形成する方法について説明する。
【0038】
基板ホルダー9上に支持された基板8をX方向に移動させながら、原料ガス供給源2からガス供給管3に原料ガス7を供給する。原料ガス源2からガス供給管3に供給された原料ガス7は、ガス供給管3内の触媒体6と接触し、この触媒反応によって、ガス内に化学種が生成される。生成された化学種を含むガスは、ガス供給管3内にて垂直な下向きのガス流とされ、基板8の表面のX方向の一部分に、X方向に直角な水平方向の全域にわたって真上から直角に衝突する。これにより、基板8の表面のX方向の一部分に、化学種に基づく薄膜が形成される。
【0039】
基板8の表面のX方向の一部分に衝突したガスは、周囲、特にX方向の両側に広がろうとするが、ガス供給管3のX方向の両側にガス排出管4が、それぞれ隣接して設けられていることにより、X方向の両側に分かれた後、直ちに向きを上方へ変更して基板8の表面から離れ、各ガス排出管4にそれぞれ流入する。そして、各ガス排出管4内にて垂直な上向きの排出ガス流となってチャンバ1の外部へ排出される。
【0040】
そして、基板8をX方向に移動させることにより、基板8の表面のX方向一端からX方向他端へ順次薄膜が形成され、最終的に基板8の表面全体に薄膜が形成される。
【0041】
このように、本実施形態1の成膜装置では、基板8の表面のX方向の一部に、化学種を含むガスが限定的に供給される。また、基板ホルダー9がX方向へ連続的に水平移動することにより、基板8の全面に成膜が行われる。基板8の表面の一部に、化学種を含むガスを限定的に供給するとともに、基板8の表面の一部に供給された前記ガスをその供給位置の近傍で基板8上から速やかに排出することにより、ガス流れのコンダクタンスが大きくなり、大流量のガスを供給することが可能となる。
【0042】
使用される原料ガスとしては、アモルファスや多結晶のシリコン薄膜を形成する場合は、SiH4等のシラン系ガスが単体で、または水素などの他のガスと混合して用いられる。また、ガスの分解を安定化させるために、さらにHe、Ar等の不活性ガスを加えてもよい。このような原料ガスが触媒体6と接触して生成される化学種は、明確ではないが、例えばSiH3のようなシリコン薄膜形成にとって望ましい化学種であると予測される。
【0043】
チャンバ1内の圧力は適宜に設定すれば良いが、成膜速度を高めるためには、比較的高圧力とすることが望まれ、例えば0.1Torr〜100Torr程度に設定される。ガス流量に関しては、本実施形態においては、非常に大きく設定することができるが、例えば、数SLM(Standard Liter/Min)〜数10SLMに設定される。
【0044】
基板8の温度については、例えば、アモルファスシリコン薄膜を形成する場合には、200℃前後程度に設定される。
【0045】
触媒体6から基板8までの距離Lについては、本実施形態1では、後述するように、大きく設定することができる。その距離Lは、ガスの圧力及び流量によって異なるが、本実施形態1では、後述する理由により、0.1Torr以上で数SLM程度の場合には10cm以上とすることができ、触媒体6が基板8に与える熱の影響を抑制できる。このように、触媒体6からの熱の影響を抑制できるため、基板温度を上記したような適正な温度に管理することが可能である。
【0046】
次に、本実施形態1の効果を説明する。
【0047】
(1)実施形態1の成膜装置によれば、化学種を含むガスは、ガス供給管3から基板8の表面の一部にのみ供給され、そのガス供給位置に近接して設けられた各ガス排気管4から即時に排気される。即ち、図5に示す成膜装置のように、基板8の表面全域に沿ってガスが流れないために、ガス流れのコンダクタンスを大きくすることができ、流れに乱れを生じることなく、ガス供給管3からガス排気管4にかけて大流量のガスを高速で流すことができる。その結果、触媒体6から基板8までの距離Lを大きくしても、化学種の寿命よりも短い時間で、化学種を高速ガス流によって基板8に供給することができる。このように、触媒体6から基板8までの距離Lを大きくできるので、触媒体6からの輻射熱による基板8の温度上昇を抑制することができる。
【0048】
なお、ガス供給管3は、化学種を含むガスを、基板8の表面に対して直角に衝突させるが、ガス排出管4は、ガス供給管3の周囲、ここではX方向の両側に、ガス供給管3に接近して配置されている。このため、基板8の表面に衝突したガスは、効率よく基板8上から排出され、ガス流れのコンダクタンスの増大に寄与する。
【0049】
(2)また、薄膜は、流れに乱れのない高速のガス流によって輸送された化学種に基づき、ガス供給管3と対向する非常に小さい領域にのみ形成されるので、この部分では、均一な良質の膜が得られる。そして、移動手段10によって基板8を移動させることにより、この均一な良質の膜を、基板8の表面全域にわたって形成することができる。
【0050】
(3)また、ガス供給管3からガス排出管4にかけて大流量のガスを流すことができるから、ガス供給管3の内部で触媒体6と単位時間当たりに接触する原料ガス分子の数を増やすことができ、これによって、化学種の数を増加させることができ、成膜速度を向上させることができる。
【0051】
これらの効果、特に上記(1)の効果は、高速ガス流による化学種の輸送効果によって得られるものであるから、ガス流による化学種の輸送が主体となるような場合、すなわち、化学種の平均自由行程が短い高圧力の場合に、より顕著なものとなる。
【0052】
なお、触媒体6の形状はコイル状に限らず、原料ガスと接触する表面積が大きく設計されたものであれば良い。また、基板8への輻射熱の影響をさらに小さくするためには、同時に、基板8と対向する部分の面積を小さくすることが望ましい。このことから、触媒体6の形状としては、例えば、図2に示すように、ガス流の方向に沿って広い表面積を有する板状体とすることが好ましい。このような形状とすることにより、ガスとの接触面積を小さくすることなく、基板8と対向する部分の面積を小さくでき、基板8への輻射熱の影響を、効率良く低減することができる。
【0053】
また、ガス供給管3の内部に配置される触媒体6は1個に限らず、複数個設けてもよい。例えば、図3に示すように、ガス流の方向に沿って複数個の触媒体6を設ければ、流れの上流側の触媒体6によって分解されなかった原料ガスも、下流側の触媒体6によって分解され得る。したがって、ガスの分解効率が向上し、さらに成膜速度を向上させることができる。
【0054】
なお、本発明は、Cat−CVD装置に関する改良発明であるから、ダメージのない、低水素含有の薄膜を形成できることは当然である。
【0055】
<実施形態2>
図4は本発明の実施形態2の成膜装置を示す。この成膜装置は、ガス供給手段であるガス供給管3及びガス排出手段であるガス排出管4の構造のみが、前述した図1に示す成膜装置と相違する。これ以外の部分は同じ構造であるので、共通部分については同じ番号を付して説明を省略する。
【0056】
図4に示す成膜装置では、ガス供給管3は、上部の垂直な直線部3aと、その下方に形成された曲線部3bとを有している。曲線部3bは、基板8に接近するにつれてガス排出管4に接近するように湾曲しており、しかも、その断面積が、順次小さくなっている。一方、ガス排出管4も、上部の垂直な直線部4aと、その下方に形成された曲線部4bとを有しており、曲線部4bは、ガス供給管3の曲線部3bと対称的に、基板8に接近するにつれて、ガス供給管3に接近するように湾曲しており、しかも、その断面積が、順次、小さくなっている。
【0057】
このような構成により、ガス供給管3のガス出口から流出したガスは、下方に向かって突出した円弧を描いて、基板8とは小さな傾斜角度で基板8の表面に供給され。その後、基板8に対して小さな傾斜角度でガス排出管4のガス入口へ排出される。これにより、ガス供給管3のガス出口からガス排出管4のガス入口に向けて、滑らかな一続きのU字状あるいは円弧状のガス流が形成される。
【0058】
このように、ガス供給管3及びガス排出管4は、基板8上のガス衝突位置のX方向両側に対称的に設けられ、しかも、それぞれの下部に、相互に接近する傾斜状態になるように、それぞれ湾曲させた曲線部3b,4bを有しているために、ガスの流れの流線に急激な変化が加わらず、図1に示す成膜装置の場合よりも、ガス流れのコンダクタンスを大きくすることができ、その結果、さらに大流量のガスを流すことができる。従って、第1実施形態で述べた効果は、より顕著なものとなる。
【0059】
また、図4に示す成膜装置では、ガス供給管3が、直線部3aの下方に曲線部3bを有する構造になっているため、触媒体6を直線部3aに配置することにより、その触媒体6は下方の曲線部3bを構成する壁部3b’によって、基板8から遮蔽された状態になり、触媒体6が基板8に直接対向することが回避される。これにより、触媒体6から基板8への輻射熱を、より効果的に抑制することができる。
【0060】
【発明の効果】
本発明の成膜装置は、このように、原料ガスを、所定温度に加熱された触媒体と接触させることにより生成される化学種に基づき、基板の表面に所定の薄膜を形成する際に、化学種を含むガスが基板の表面の一部にのみに限定的に供給され、また、基板の表面の一部に供給されたガスが、基板から離れる方向に排出されるために、ガス流れのコンダクタンスを大きくすることができる。つまり、基板上に大流量のガスを流すことができ、ガス流主体の化学種の輸送が可能になる。その結果、触媒体から基板までの距離を大きくしても、化学種の寿命よりも短い期間で化学種を基板に供給することができる。このように、触媒体から基板までの距離を大きくすることができるので、触媒体からの輻射熱による基板の温度上昇を抑制することができる。
【0061】
また、薄膜は、ガス供給管と対向する非常に小さい領域に形成されるので、この部分では、均一な良質の膜が得られる。そして、移動手段によって基板を移動させることにより、この均質な良質の膜を大面積の基板の表面に形成することができる。
【0062】
また、ガス供給管からガス排気管にかけて大流量のガスを流すことができるから、ガス供給管の内部で触媒体と接触する原料ガス分子の数を増やすことができ、これによって化学種の数を増加させることができ、成膜速度を向上させることができる。
【0063】
また、基板の表面の一部に供給されたガスが、その供給位置の近傍で基板上から速やかに排出されるように、ガス供給手段の近傍にガス排出手段を設けることにより、ガス流れのコンダクタンスをさらに大きくすることができ、上記した3つの効果、すなわち、基板の温度上昇の抑制、大面積基板に対する成膜の均一化、及び成膜速度の高速化に関して、より一層大きな効果が得られる。
【0064】
また、ガス供給手段により、化学種を含むガスを前記基板の表面に対して略直角に供給し、基板の表面に供給されたガスが、ガス供給位置の周囲で基板上から排出されるように、ガス供給手段の周囲にガス排出手段を設けることにより、ガス流れのコンダクタンスを大きくすることができ、上記した3つの効果、すなわち、基板の温度上昇の抑制、大面積基板に対する成膜の均一化、及び成膜速度の高速化に関して、大きな効果が得られる。
【0065】
さらに、ガス供給手段からガス排出手段にかけて略U字状又は略円弧状の滑らかなガス流が形成されるように、ガス供給手段及びガス排出手段を、ガス供給位置を挟んで略対称的に傾斜して設けることにより、ガス流れのコンダクタンスを大きくすることができ、上記した3つの効果、すなわち、基板の温度上昇の抑制、大面積基板に対する成膜の均一化、及び成膜速度の高速化につき、さらに大きな効果が得られる。
【0066】
この場合、ガス供給手段内において、基板の表面と直接対向しない位置に、触媒体を配置することにより、触媒体から基板への輻射熱が効果的に抑制される。
【0067】
また、触媒体を、ガス供給手段の内部を流れるガス流に沿って広い表面積であって、前記ガス流に対して直角方向の表面積が小さくなるように形成することにより、触媒体から基板への輻射熱が効果的に抑制される。
【0068】
さらに、触媒体を、ガス供給手段の内部を流れるガス流の方向に間隔を隔てて複数個配置することにより、化学種の生成効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の成膜装置の実施の形態の一例を示す概略構成図である。
【図2】その成膜装置の他の例を示す要部の概略構成図である。
【図3】その成膜装置のさらに他の例を示す要部の概略構成図である。
【図4】本発明の成膜装置の実施の形態の他の例を示す概略構成図である。
【図5】従来の成膜装置の説明図である。
【符号の説明】
1 チャンバ
2 原料ガス源
3 ガス供給管(ガス供給手段)
3a 直線部
3b 曲線部
4 ガス排出管(ガス排出手段)
4a 直線部
4b 曲線部
5 側壁部
6 触媒体
7 原料ガス
8 基板
9 基板ホルダー
10 移動手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming apparatus that forms a thin film based on a catalytic reaction. In particular, the present invention relates to a film formation apparatus based on a catalytic reaction that can perform film formation uniformly and at high speed on a large-area substrate while suppressing an increase in temperature of the substrate due to a heated catalyst body.
[0002]
[Prior art]
As a method for forming a thin film in a device manufacturing process such as LSI, LCD, thin film solar cell, etc., particularly a silicon-based thin film, a plasma CVD method is currently the mainstream because it can be formed at a relatively low temperature.
[0003]
However, in the plasma CVD method, there are some problems such as large damage caused by charged particles in the plasma to the substrate and high concentration of hydrogen taken into the film.
[0004]
For this reason, a technique called a Cat-CVD method has recently attracted attention as a technique capable of forming a thin film (silicon-based thin film) containing low hydrogen without using plasma.
[0005]
In this film forming method, a catalyst body heated to a predetermined temperature is placed in a film forming chamber, a raw material gas supplied into the chamber is brought into contact with the catalyst body, and a substrate is formed based on chemical species generated by the contact reaction. This is a method of forming a predetermined thin film on the top.
[0006]
There are various thin films that can be formed by this method, such as a-Si, poly-Si, SiNx, etc. In particular, an a-Si film produced by this method is a solar cell with high stabilization efficiency with little photodegradation. It is highly expected as a power generation layer.
[0007]
The film forming apparatus based on the Cat-CVD method is described in JP-A-63-40314, JP-A-11-54441, etc. In particular, the apparatus described in JP-A-11-54441 It is also effective for suppressing heat given to the substrate by the catalyst body.
[0008]
Hereinafter, as a conventional example of a film forming apparatus based on the Cat-CVD method, an apparatus described in JP-A-11-54441 will be described with reference to FIG.
[0009]
The film forming apparatus shown in FIG. 5 includes a box-shaped chamber 101, a gas supply pipe 103 inserted into the chamber 101 from the center of the upper surface of the chamber 101, and a horizontally long rectangular parallelepiped attached to the lower end of the gas supply pipe 103. The catalyst container 104 is provided. A coiled catalyst body 105 is provided inside the catalyst container 104. A plurality of gas outlets 106 are provided on the bottom surface portion 104 b of the catalyst container 104.
[0010]
The substrate 109 is held on a substrate holder 110 provided below the catalyst container 104 so as to be parallel to the bottom surface portion 104 b of the catalyst container 104.
[0011]
In the film forming operation, the source gas 107 is supplied from the gas supply source 102 to the gas supply pipe 103. The source gas 107 comes into contact with the catalyst body 105 heated in the catalyst container 104, thereby generating chemical species 108 suitable for film formation. The gas containing the chemical species 108 is supplied to the surface of the substrate 109 from the gas outlet 106 of the bottom surface portion 104b of the catalyst container 104 by a shower method. As a result, a thin film is formed on the surface of the substrate 109, and the remaining chemical species 108 on which the thin film has been formed is discharged out of the chamber 101 from the side of the substrate 109 by the exhaust system 111.
[0012]
According to the film forming apparatus having such a configuration, an extremely high quality film having no plasma damage and having a low hydrogen content can be obtained. Further, since the probability of decomposition of the raw material gas by the catalyst body 105 is high, high-speed film formation is possible. Further, in the film forming apparatus shown in FIG. 5, since the catalyst container 104 separates the catalyst body 105 and the substrate 109, an increase in the temperature of the substrate 109 due to heat radiation from the catalyst body 105 to the substrate 109 is suppressed. .
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above film forming apparatus has the following three problems.
[0014]
The first problem is an increase in the temperature of the substrate. In the film forming apparatus shown in FIG. 5, a source gas containing chemical species is blown out at a substantially right angle with respect to the substrate 109 from the gas outlet 106 of the catalyst container 104, and then flows along the surface of the substrate 109. Exhaust from the exhaust system 111 on the side wall. That is, since the gas flows along the entire surface of the substrate 109, the conductance of the gas flow is not so large. This effect is particularly noticeable when a large-area substrate is used.
[0015]
Thus, if the conductance of the gas flow is not large, a large amount of gas cannot be flowed. It should be noted that the gas flow rate can be increased to some extent by significantly increasing the differential pressure between the space in the catalyst container 104 and the space in the chamber 101. When the supply is attempted, the flow is disturbed, and the quality of the film and the uniformity of the film formation are impaired. Thus, if the conductance of the gas flow is not large, the gas flow rate is limited. If the gas flow rate is small, it is difficult to supply (transport) the chemical species 108 to the surface of the substrate 109 by the gas flow. That is, the time required to supply (transport) the chemical species 108 to the substrate 109 by the gas flow becomes longer than the lifetime of the scientific species 108.
[0016]
Therefore, in order to supply (transport) the chemical species 108 to the surface of the substrate 109 in a time shorter than the lifetime of the chemical species 108 while the gas flow rate is small, the catalyst body 105, that is, the medium container 104 is attached to the substrate 109. It is necessary to approach. As a result, despite the use of the catalyst container 104, the temperature of the substrate 109 rises due to heat radiation from the catalyst body 105 (catalyst container 104). Thus, the effect of suppressing the temperature rise of the substrate 109 due to the use of the catalyst container 104 is diminished.
[0017]
The second problem is non-uniform film formation. As described above, the conductance of the gas flow is not large, and the state of the flow is different between a portion close to the exhaust system 111 and a portion far from the exhaust system 111. Further, on the substrate 109, many chemical species 108 reach the portion facing the gas outlet 106, but few chemical species 108 reach other portions. As a result, it becomes difficult to obtain film formation uniformity on the surface of the substrate 109. This effect is particularly noticeable when a large-area substrate 109 is used.
[0018]
A third problem is that a sufficient film formation rate is not ensured. As described above, since the conductance of the gas flow is not large and the gas flow rate is limited, the number of source gas molecules that come into contact with the catalyst body 105 per unit time is limited, which hinders the improvement of the deposition rate.
[0019]
The present invention solves such a conventional problem, and an object of the present invention is to increase the conductance of the gas flow, thereby increasing the temperature of the substrate, the problem of non-uniform film formation, and An object of the present invention is to provide a film forming apparatus that can solve all the problems of insufficient film forming speed.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
A film forming apparatus of the present invention is a film forming apparatus that forms a predetermined thin film on a surface of a substrate, and is heated to a predetermined temperature and generates a chemical species by contact with a source gas, and the source gas A gas supply unit that supplies the gas including the chemical species generated by the contact to be in contact with the catalyst body, and supplies the gas to only a part of the surface of the substrate. A gas discharge means provided close to the gas supply means so that the gas containing the chemical species supplied to a part of the surface is discharged in a direction away from the substrate; the gas supply means; and Moving means for moving the substrate relative to the gas discharge means in a direction along the surface thereof, and each tip portion of the gas supply means and the gas discharge means has a U-shape or a circle. Arc-shaped smooth gas The catalyst body is inclined substantially symmetrically with respect to the gas supply position by the gas supply means so that a flow is formed, and the catalyst body is provided in the gas flow path of the gas supply means. It is characterized by being arranged so as not to face the surface directly, whereby the above object is achieved.
[0021]
That is, in the film forming apparatus of the present invention, the gas supplied to a part of the surface of the substrate is discharged in a direction away from the substrate, so that the gas is limitedly supplied to the surface of the substrate to form a film. To do. As a result, the gas flow path on the substrate can be shortened and the conductance of the gas flow can be increased compared to the case where the gas is supplied to the entire surface of the substrate.
[0022]
Therefore, a large amount of gas can flow from the gas supply means to the gas discharge means, and as a result, even if the distance from the catalyst body to the substrate is increased, the chemical species can be accelerated at a shorter time than the lifetime of the chemical species. The gas flow can be supplied to the substrate. Thus, since the distance from the catalyst body to the substrate can be increased, the temperature rise of the substrate due to the radiant heat from the catalyst body can be suppressed.
[0023]
In addition, since the substrate moves relative to the gas supply means and the gas discharge means in the direction along the surface, the gas is supplied to a part of the surface of the substrate in a limited manner. A film can be formed on the entire surface.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
<Embodiment 1>
FIG. 1 shows Embodiment 1 of the present invention. The film forming apparatus according to the first embodiment includes a rectangular parallelepiped chamber 1, a substantially rectangular tube-shaped gas supply pipe 3, a pair of gas discharge pipes 4 arranged around the gas supply pipe 3, and a gas supply pipe 3. A catalyst body 6 disposed inside and a substrate holder 9 provided in the chamber 1 below the gas supply pipe 3 and the gas discharge pipe 4 are provided.
[0032]
The substrate 8 as a film formation target is horizontally supported on the substrate holder 9, and moves in a specific horizontal direction (X direction) by the horizontal linear drive of the substrate holder 9 by the moving means 10.
[0033]
The substantially square cylindrical gas supply pipe 3 as a gas supply means is opposed to a part of the surface of the substrate 8 supported on the substrate holder 9 at a right angle with a predetermined gap. More specifically, it is opposed to a part of the surface of the substrate 8 in the X direction at right angles over the entire horizontal direction perpendicular to the X direction. As a result, the gas supply pipe 3 allows the source gas 7 supplied from the source gas source 2 to pass through the internal catalyst body 6 to a part of the surface of the substrate 8 supported on the substrate holder 9 in the X direction. , And supplied from directly above over the entire horizontal direction perpendicular to the X direction.
[0034]
A pair of gas discharge pipes 4 serving as gas discharge means are provided vertically and integrally on both sides in the X direction around the gas supply pipe 3 using the side wall portions 5 on both sides. Each gas discharge pipe 4 is formed in a substantially rectangular tube shape that is flat in the X direction, and is arranged vertically in the chamber 1 together with the gas supply pipe 3. The gas supply pipe 3 is opposed to a part of the surface of the substrate 8 in the X direction at a close position in the X direction at right angles over the entire horizontal direction perpendicular to the X direction.
[0035]
The catalyst body 6 arranged inside the gas supply pipe 3 is desired to have a large surface area so that it can easily come into contact with the molecules of the raw material gas flowing inside the gas supply pipe 3. For example, the catalyst body 6 has a coil shape and is heated to a predetermined temperature by energization. As the material of the catalyst body 6, tungsten, molybdenum, or the like is used and heated to about 1500 to 2000 ° C.
[0036]
As described above, the substrate holder 9 supports the substrate 8 horizontally on the substrate holder 9 and is driven in the X direction by the moving means 10. As a result, the substrate holder 9 moves the substrate 8 thereon in the X direction. Further, the substrate 8 is heated or cooled to a predetermined temperature as required by a heater or a cooling mechanism (not shown) provided inside.
[0037]
Next, a method for forming a thin film on the surface of the substrate 8 using the film forming apparatus of Embodiment 1 will be described.
[0038]
The source gas 7 is supplied from the source gas supply source 2 to the gas supply pipe 3 while moving the substrate 8 supported on the substrate holder 9 in the X direction. The source gas 7 supplied from the source gas source 2 to the gas supply pipe 3 comes into contact with the catalyst body 6 in the gas supply pipe 3, and chemical species are generated in the gas by this catalytic reaction. The generated gas containing the chemical species is formed into a vertically downward gas flow in the gas supply pipe 3, and a part of the surface of the substrate 8 in the X direction is directly above the entire horizontal region perpendicular to the X direction. Collide at right angles. Thereby, a thin film based on the chemical species is formed on a part of the surface of the substrate 8 in the X direction.
[0039]
The gas that has collided with a part of the surface of the substrate 8 in the X direction tends to spread to the periphery, in particular, both sides in the X direction, but the gas discharge pipes 4 are provided adjacent to both sides of the gas supply pipe 3 in the X direction. As a result, after dividing into both sides in the X direction, the direction is immediately changed upward to leave the surface of the substrate 8 and flow into each gas discharge pipe 4. Then, a vertical upward exhaust gas flow in each gas exhaust pipe 4 is exhausted to the outside of the chamber 1.
[0040]
Then, by moving the substrate 8 in the X direction, a thin film is sequentially formed from one end in the X direction on the surface of the substrate 8 to the other end in the X direction, and finally a thin film is formed on the entire surface of the substrate 8.
[0041]
As described above, in the film forming apparatus according to the first embodiment, the gas containing the chemical species is limitedly supplied to a part of the surface of the substrate 8 in the X direction. Further, the substrate holder 9 continuously moves horizontally in the X direction, whereby film formation is performed on the entire surface of the substrate 8. A gas containing a chemical species is supplied to a part of the surface of the substrate 8 in a limited manner, and the gas supplied to a part of the surface of the substrate 8 is quickly discharged from the substrate 8 in the vicinity of the supply position. As a result, the conductance of the gas flow is increased and a large flow rate of gas can be supplied.
[0042]
As a raw material gas used, when an amorphous or polycrystalline silicon thin film is formed, a silane-based gas such as SiH 4 is used alone or mixed with another gas such as hydrogen. Further, in order to stabilize the decomposition of the gas, an inert gas such as He or Ar may be added. The chemical species generated when such a source gas is brought into contact with the catalyst body 6 is not clear, but is expected to be a desirable chemical species for forming a silicon thin film, such as SiH 3 .
[0043]
The pressure in the chamber 1 may be set as appropriate. However, in order to increase the film formation rate, it is desirable that the pressure be relatively high, for example, about 0.1 Torr to 100 Torr. In the present embodiment, the gas flow rate can be set to a very large value. For example, the gas flow rate is set to several SLM (Standard Liter / Min) to several tens SLM.
[0044]
The temperature of the substrate 8 is set to about 200 ° C., for example, when an amorphous silicon thin film is formed.
[0045]
In the first embodiment, the distance L from the catalyst body 6 to the substrate 8 can be set large as will be described later. The distance L varies depending on the gas pressure and flow rate, but in the first embodiment, for reasons described later, the distance L can be set to 10 cm or more in the case of 0.1 Torr or more and several SLMs. The influence of heat on 8 can be suppressed. Thus, since the influence of the heat from the catalyst body 6 can be suppressed, the substrate temperature can be managed at an appropriate temperature as described above.
[0046]
Next, the effect of the first embodiment will be described.
[0047]
(1) According to the film forming apparatus of the first embodiment, the gas containing the chemical species is supplied from the gas supply pipe 3 only to a part of the surface of the substrate 8 and is provided close to the gas supply position. The gas exhaust pipe 4 is immediately exhausted. That is, as in the film forming apparatus shown in FIG. 5, since the gas does not flow along the entire surface of the substrate 8, the conductance of the gas flow can be increased, and the gas supply pipe is not disturbed. A large amount of gas can be flowed at a high speed from 3 to the gas exhaust pipe 4. As a result, even if the distance L from the catalyst body 6 to the substrate 8 is increased, the chemical species can be supplied to the substrate 8 by the high-speed gas flow in a time shorter than the lifetime of the chemical species. Thus, since the distance L from the catalyst body 6 to the substrate 8 can be increased, an increase in the temperature of the substrate 8 due to radiant heat from the catalyst body 6 can be suppressed.
[0048]
The gas supply pipe 3 causes a gas containing a chemical species to collide with the surface of the substrate 8 at a right angle, but the gas discharge pipe 4 is disposed around the gas supply pipe 3, here on both sides in the X direction. It is arranged close to the supply pipe 3. For this reason, the gas colliding with the surface of the substrate 8 is efficiently discharged from the substrate 8 and contributes to an increase in conductance of the gas flow.
[0049]
(2) Further, the thin film is formed only in a very small region facing the gas supply pipe 3 based on the chemical species transported by the high-speed gas flow without disturbing the flow. A good quality film is obtained. Then, by moving the substrate 8 by the moving means 10, this uniform high quality film can be formed over the entire surface of the substrate 8.
[0050]
(3) Since a large flow rate of gas can flow from the gas supply pipe 3 to the gas discharge pipe 4, the number of raw material gas molecules in contact with the catalyst body 6 per unit time inside the gas supply pipe 3 is increased. Thus, the number of chemical species can be increased, and the film formation rate can be improved.
[0051]
Since these effects, particularly the effect of (1) above, are obtained by the transport effect of the chemical species by the high-speed gas flow, in the case where the transport of the chemical species by the gas flow is the main, that is, It becomes more prominent when the mean free path is short and high pressure.
[0052]
In addition, the shape of the catalyst body 6 is not limited to a coil shape, and any shape may be used as long as the surface area in contact with the raw material gas is designed to be large. In order to further reduce the influence of radiant heat on the substrate 8, it is desirable to simultaneously reduce the area of the portion facing the substrate 8. For this reason, the shape of the catalyst body 6 is preferably a plate-like body having a large surface area along the direction of gas flow, for example, as shown in FIG. By setting it as such a shape, the area of the part facing the board | substrate 8 can be made small, without making the contact area with gas small, and the influence of the radiant heat to the board | substrate 8 can be reduced efficiently.
[0053]
Moreover, the catalyst body 6 arrange | positioned inside the gas supply pipe 3 is not restricted to one piece, You may provide two or more. For example, as shown in FIG. 3, if a plurality of catalyst bodies 6 are provided along the direction of the gas flow, the raw material gas that has not been decomposed by the upstream catalyst body 6 in the flow can be converted into the downstream catalyst body 6. Can be decomposed by. Therefore, the gas decomposition efficiency is improved, and the film formation rate can be further improved.
[0054]
In addition, since this invention is an improvement invention regarding a Cat-CVD apparatus, it is natural that a low hydrogen content thin film without damage can be formed.
[0055]
<Embodiment 2>
FIG. 4 shows a film forming apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. This film forming apparatus is different from the film forming apparatus shown in FIG. 1 only in the structure of the gas supply pipe 3 as a gas supply means and the gas discharge pipe 4 as a gas discharge means. Since the other parts have the same structure, the common parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0056]
In the film forming apparatus shown in FIG. 4, the gas supply pipe 3 has an upper vertical straight portion 3a and a curved portion 3b formed therebelow. The curved portion 3b is curved so as to approach the gas exhaust pipe 4 as the substrate 8 is approached, and the cross-sectional area gradually decreases. On the other hand, the gas discharge pipe 4 also has an upper vertical straight part 4 a and a curved part 4 b formed below the upper part, and the curved part 4 b is symmetrical to the curved part 3 b of the gas supply pipe 3. As it approaches the substrate 8, it is curved so as to approach the gas supply pipe 3, and its cross-sectional area is gradually reduced.
[0057]
With such a configuration, the gas flowing out from the gas outlet of the gas supply pipe 3 draws an arc projecting downward and is supplied to the surface of the substrate 8 at a small inclination angle with respect to the substrate 8. Thereafter, the gas is discharged to the gas inlet of the gas discharge pipe 4 at a small inclination angle with respect to the substrate 8. Thereby, a smooth continuous U-shaped or arc-shaped gas flow is formed from the gas outlet of the gas supply pipe 3 toward the gas inlet of the gas discharge pipe 4.
[0058]
As described above, the gas supply pipe 3 and the gas discharge pipe 4 are provided symmetrically on both sides of the gas collision position on the substrate 8 in the X direction, and the lower portions thereof are inclined so as to approach each other. Since the curved portions 3b and 4b are respectively curved, there is no sudden change in the flow line of the gas flow, and the conductance of the gas flow is larger than in the case of the film forming apparatus shown in FIG. As a result, a larger flow rate of gas can be allowed to flow. Therefore, the effect described in the first embodiment becomes more remarkable.
[0059]
In the film forming apparatus shown in FIG. 4, the gas supply pipe 3 has a structure having a curved portion 3b below the straight portion 3a. The medium 6 is shielded from the substrate 8 by the wall portion 3b ′ constituting the lower curved portion 3b, and the catalyst body 6 is prevented from directly facing the substrate 8. Thereby, the radiant heat from the catalyst body 6 to the board | substrate 8 can be suppressed more effectively.
[0060]
【The invention's effect】
The film forming apparatus of the present invention thus forms a predetermined thin film on the surface of the substrate based on chemical species generated by bringing the source gas into contact with the catalyst body heated to a predetermined temperature. The gas containing the chemical species is supplied only to a part of the surface of the substrate, and the gas supplied to a part of the surface of the substrate is exhausted in a direction away from the substrate. Conductance can be increased. That is, a large amount of gas can be flowed on the substrate, and chemical species mainly composed of gas flow can be transported. As a result, even if the distance from the catalyst body to the substrate is increased, the chemical species can be supplied to the substrate in a period shorter than the lifetime of the chemical species. Thus, since the distance from the catalyst body to the substrate can be increased, an increase in the temperature of the substrate due to radiant heat from the catalyst body can be suppressed.
[0061]
In addition, since the thin film is formed in a very small region facing the gas supply pipe, a uniform high quality film can be obtained in this portion. Then, by moving the substrate by the moving means, this homogeneous high-quality film can be formed on the surface of the large-area substrate.
[0062]
In addition, since a large amount of gas can flow from the gas supply pipe to the gas exhaust pipe, the number of raw material gas molecules in contact with the catalyst body inside the gas supply pipe can be increased, thereby reducing the number of chemical species. The film formation rate can be improved.
[0063]
Further, the gas flow conductance is provided in the vicinity of the gas supply means so that the gas supplied to a part of the surface of the substrate is quickly discharged from the substrate in the vicinity of the supply position. The above three effects, namely, the suppression of the temperature rise of the substrate, the uniform film formation on the large area substrate, and the higher film formation speed can be obtained.
[0064]
Further, the gas supply means supplies a gas containing chemical species at a substantially right angle to the surface of the substrate so that the gas supplied to the surface of the substrate is discharged from the substrate around the gas supply position. By providing the gas discharge means around the gas supply means, the conductance of the gas flow can be increased, and the above three effects, namely, suppression of the temperature rise of the substrate, and uniform film formation on the large area substrate In addition, a great effect can be obtained with respect to increasing the film forming speed.
[0065]
Further, the gas supply means and the gas discharge means are inclined substantially symmetrically with respect to the gas supply position so that a smooth gas flow having a substantially U shape or a substantially arc shape is formed from the gas supply means to the gas discharge means. Therefore, the conductance of the gas flow can be increased, and the above three effects can be achieved, namely, suppression of the temperature rise of the substrate, uniformity of film formation on a large area substrate, and increase of the film formation speed. Greater effects can be obtained.
[0066]
In this case, the radiant heat from the catalyst body to the substrate is effectively suppressed by disposing the catalyst body at a position not directly facing the surface of the substrate in the gas supply means.
[0067]
Further, by forming the catalyst body so as to have a large surface area along the gas flow flowing inside the gas supply means and having a surface area perpendicular to the gas flow, Radiant heat is effectively suppressed.
[0068]
Furthermore, the production efficiency of chemical species can be improved by arranging a plurality of catalyst bodies at intervals in the direction of the gas flow flowing inside the gas supply means.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of an embodiment of a film forming apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a main part showing another example of the film forming apparatus.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a main part showing still another example of the film forming apparatus.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing another example of the embodiment of the film forming apparatus of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a conventional film forming apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Chamber 2 Source gas source 3 Gas supply pipe (gas supply means)
3a Straight line part 3b Curved part 4 Gas discharge pipe (gas discharge means)
4a Linear part 4b Curved part 5 Side wall part 6 Catalytic body 7 Raw material gas 8 Substrate 9 Substrate holder 10 Moving means

Claims (1)

基板の表面に所定の薄膜を形成する成膜装置であって、
所定温度に加熱され、原料ガスとの接触によって化学種を生成する触媒体と、
前記原料ガスを前記触媒体と接触するように供給するとともに、前記接触により生成された前記化学種を含むガスを、前記基板の表面の一部のみに供給するガス供給手段と、
該ガス供給手段によって前記基板の表面の一部に供給された前記化学種を含むガスが、前記基板から離れる方向へ排出されるように、前記ガス供給手段に接近して設けられたガス排出手段と、
前記ガス供給手段及び前記ガス排出手段に対して前記基板をその表面に沿った方向へ相対的に移動させる移動手段と、
を具備し、
前記ガス供給手段及び前記ガス排出手段の各々の先端部は、U字状又は円弧状の滑らかなガス流が形成されるように、前記ガス供給手段によるガス供給位置を挟んでほぼ対称的に傾斜して設けられており、
前記触媒体は、前記ガス供給手段のガス流路内に、前記基板の表面に直接対向しないように配置されていることを特徴とする成膜装置。
A film forming apparatus for forming a predetermined thin film on a surface of a substrate,
A catalyst body that is heated to a predetermined temperature and generates chemical species by contact with a raw material gas;
A gas supply means for supplying the source gas so as to be in contact with the catalyst body, and supplying a gas containing the chemical species generated by the contact only to a part of the surface of the substrate;
Gas discharge means provided close to the gas supply means so that the gas containing the chemical species supplied to a part of the surface of the substrate by the gas supply means is discharged in a direction away from the substrate. When,
Moving means for moving the substrate relative to the gas supply means and the gas discharge means in a direction along its surface;
Comprising
The tip of each of the gas supply means and the gas discharge means is inclined almost symmetrically across the gas supply position by the gas supply means so that a smooth U-shaped or arc-shaped gas flow is formed. Is provided,
The film forming apparatus, wherein the catalyst body is disposed in the gas flow path of the gas supply means so as not to directly face the surface of the substrate.
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