(57)【要約】【課題】ラインの全長が短く、装置停止後の復帰時間が短い成膜装置および方法の提供。【解決手段】基板を加熱し、基板の表面で原料ガスを反応させてＣＶＤにより被処理基板上に所定の膜を成膜する常圧熱ＣＶＤ方式の成膜装置であって、基板を所定の温度勾配で、反応温度またはそれに近い温度まで加熱する加熱ユニットと、所定の温度に加熱される成膜室および原料ガスを供給するインジェクタを有し、加熱ユニットを通過した基板表面に膜を形成する成膜ユニットと、成膜ユニットを通過した基板を冷却する冷却ユニットと、加熱ユニット、成膜ユニットおよび冷却ユニットの順に基板を搬送する搬送装置とを備え、前記基板上に所望の厚さの膜が形成されるまで、前記基板と前記インジェクタとを、前進方向および後退方向に一定の速度で相対往復移動させること成膜装置並びに同装置を用いた方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を加熱し、基板の表面で原料ガスを反応させてＣＶＤにより被処理基板上に所定の膜を成膜する常圧熱ＣＶＤ方式の成膜装置であって、
基板を所定の温度勾配で、反応温度またはそれに近い温度まで加熱する加熱ユニットと、
所定の温度に加熱される成膜室および原料ガスを供給するインジェクタを有し、加熱ユニットを通過した基板表面に膜を形成する成膜ユニットと、
成膜ユニットを通過した基板を冷却する冷却ユニットと、
加熱ユニット、成膜ユニットおよび冷却ユニットの順に基板を搬送する搬送装置とを備え、
前記基板上に所望の厚さの膜が形成されるまで、前記基板と前記インジェクタとを、前進方向および後退方向に一定の速度で相対往復移動させることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記加熱ユニットが、加熱された不活性ガスを噴射する多数の噴射口を有するガスシャワーヘッドを備えることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記冷却ユニットが、冷却された不活性ガスを噴射する多数の噴射口を有するガスシャワーヘッドを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記ガスシャワーヘッドが、ガス供給源と連通する流入口と、流入口と連通する熱交換流路と、熱交換流路に設けられた多数の噴射口と、熱交換流路の近傍であって熱交換流路と接触しない位置に装着されたピン状の多数の熱伝導体とを備えることを特徴とする請求項２または３に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記多数の熱伝導体において、流入口に近い側に配置された熱伝導体の少なくとも一部が、流入口から遠い側に配置された熱伝導体と比べ熱伝導率の高い材料からなる熱伝導体であることを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
【請求項６】
前記多数の熱伝導体において、流入口から遠い側と比べ、流入口に近い側では熱伝導体の数が多く、かつ、高密度で配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載の成膜装置。
【請求項７】
さらに、前記インジェクタと連通されるアトマイザーを備え、
当該アトマイザーが、熱交換チャンバーと、熱交換チャンバーを加熱する熱源と、流体供給路から供給された加圧流体をチャンバー内に噴霧するノズルと、チャンバー内の流体を排出する出口と連通し、チャンバー内を大気圧と比べ高圧に維持するオリフィスとを備え、成膜材料を気化してなる原料ガスを前記インジェクタに供給することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項８】
前記アトマイザーの前記熱交換チャンバーの内壁面が、ジグザグ構造であることを特徴とする請求項７に記載の成膜装置。
【請求項９】
前記成膜ユニットが、第１の成膜室と、第１の成膜室に原料ガスを供給する第１のインジェクタと、第２の成膜室と、第２の成膜室に第１のインジェクタと異なる原料ガスを供給する第２のインジェクタとを備えることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項１０】
さらに、第１の成膜室および第２の成膜室間の搬送路を連絡する保温ユニットを備えることを特徴とする請求項９に記載の成膜装置。
【請求項１１】
さらに、第１の成膜室および第２の成膜室を区切る隔壁を備え、第１の成膜室および第２の成膜室が隣接することを特徴とする請求項９に記載の成膜装置。
【請求項１２】
基板を加熱し、基板の表面で原料ガスを反応させてＣＶＤにより被処理基板上に所定の膜を成膜する常圧熱ＣＶＤ方式の成膜方法であって、
基板を所定の温度勾配で、反応温度またはそれに近い温度まで加熱する加熱ユニットと、
所定の温度に加熱される成膜室および原料ガスを供給するインジェクタを有し、加熱ユニットを通過した基板表面に膜を形成する成膜ユニットと、
成膜ユニットを通過した基板を冷却する冷却ユニットと、
加熱ユニット、成膜ユニットおよび冷却ユニットの順に基板を搬送する搬送装置とを提供し、
前記搬送装置により、前記基板と前記インジェクタとを、前進方向および後退方向に一定の速度で相対往復移動させながら、前記インジェクタより原料ガスを供給することにより、前記基板上に所望の厚さの膜が形成することを特徴とする成膜方法。
【請求項１３】
前記基板がガラス基板であり、原料ガスが、四塩化スズ（ＳｎＣｌ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）および純水（Ｈ２Ｏ）であり、前記ガラス基板上にＳｎＯ２膜が形成されることを特徴とする請求項１２に記載の成膜方法。
【請求項１４】
前記成膜ユニットが、所定の温度に加熱される第１の成膜室、第１の成膜室に原料ガスを供給する第１のインジェクタ、所定の温度に加熱される第２の成膜室および第２の成膜室に第１のインジェクタと異なる原料ガスを供給する第２のインジェクタを備え、
第１の成膜室で前記基板上に第１の膜を形成し、第２の成膜室で前記基板上に第２の膜を形成することを特徴とする請求項１２に記載の成膜方法。
【請求項１５】
前記基板がガラス基板であり、第１のインジェクタに供給される原料ガスが、シランガス（ＳｉＨ４）、酸素ガスおよび窒素ガスであり、第２のインジェクタに供給される原料ガスが、四塩化スズ（ＳｎＣｌ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）および純水（Ｈ２Ｏ）であり、前記ガラス基板上にＳｉＯ２およびＳｎＯ２膜が積層形成されることを特徴とする請求項１４に記載の成膜方法。
【請求項１６】
前記ガラス基板が、Ｇ５サイズ以上の大きさのガラス基板であることを特徴とする請求項１３または１５に記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス基板とインジェクタとを往復相対移動させることにより所望の厚さの膜を形成する常圧熱ＣＶＤ（化学気相成長）方式の成膜装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学気相反応を利用したＣＶＤ成膜装置は、ＬＳＩなどの電子デバイス製造プロセスにおける薄膜形成用途に用いられている。ＣＶＤ成膜装置は原料ガスにエネルギーを与えてガス分子を励起あるいは解離させて活性種を生成し、これを基板上に堆積させて化学反応により膜を形成する。ガスに与えるエネルギーの形態により幾つかの製法に分類され、熱エネルギーにより化学反応を起こして成膜を行う熱ＣＶＤ法、プラズマ放電によりガス分子を解離、ラジカル化することにより成膜を行うプラズマＣＶＤ法、ガス分子の励起に紫外光を用いる光ＣＶＤ法が主に知られている。このうち、熱ＣＶＤ法は、減圧状態で成長を行う減圧熱ＣＶＤ法と、大気圧で成長を行う常圧熱ＣＶＤ法に分類することができる。
【０００３】
基板上に異なる物質の多層膜を蒸着するには、当該膜の数に応じた複数の成膜装置を準備する必要があるが、搬送時にパーティクルが混入し、製造効率が低下するという問題がある。かかる問題を鑑み、特許文献１では、ＣＶＤ法の実施に用いる複数の成膜室を連設し、これら成膜室の境界となる隔壁に基板を搬送するための搬送口を設けると共に当該搬送口を通じて前記基板の搬送を行う基板搬送機構を設けた成膜装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の常圧熱ＣＶＤ方式による成膜ラインでは、例えば太陽電池用ＴＣＯ（透明導電性酸化膜）をガラス基板上に成膜するために、予熱ゾーン、成膜ゾーンおよび冷却ゾーンに数十メートルの長さが必要であった。また、製造ラインの予熱ゾーンでは成膜ゾーンの温度設定がピークとなるように徐々に温度を上げる必要があり、冷却ゾーンでは徐々に室温となるよう温度を下げる必要があるため、一旦装置温度を下げた場合には復帰まで例えば２４時間程度を要していた。
【０００６】
そこで、本発明では、ラインの全長が短く、装置停止後の復帰時間が短い成膜装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、基板を加熱し、基板の表面で原料ガスを反応させてＣＶＤにより被処理基板上に所定の膜を成膜する常圧熱ＣＶＤ方式の成膜装置であって、基板を所定の温度勾配で、反応温度またはそれに近い温度まで加熱する加熱ユニットと、所定の温度に加熱される成膜室および原料ガスを供給するインジェクタを有し、加熱ユニットを通過した基板表面に膜を形成する成膜ユニットと、成膜ユニットを通過した基板を冷却する冷却ユニットと、加熱ユニット、成膜ユニットおよび冷却ユニットの順に基板を搬送する搬送装置とを備え、前記基板上に所望の厚さの膜が形成されるまで、前記基板と前記インジェクタとを、前進方向および後退方向に一定の速度で相対往復移動させることを特徴とする成膜装置である。
第２の発明は、第１の発明において、前記加熱ユニットが、加熱された不活性ガスを噴射する多数の噴射口を有するガスシャワーヘッドを備えることを特徴とする。
第３の発明は、第１または２の発明において、前記冷却ユニットが、冷却された不活性ガスを噴射する多数の噴射口を有するガスシャワーヘッドを備えることを特徴とする。
【０００８】
第４の発明は、第２または３の発明において、前記ガスシャワーヘッドが、ガス供給源と連通する流入口と、流入口と連通する熱交換流路と、熱交換流路に設けられた多数の噴射口と、熱交換流路の近傍であって熱交換流路と接触しない位置に装着されたピン状の多数の熱伝導体とを備えることを特徴とする。
第５の発明は、第４の発明において、前記多数の熱伝導体において、流入口に近い側に配置された熱伝導体の少なくとも一部が、流入口から遠い側に配置された熱伝導体と比べ熱伝導率の高い材料からなる熱伝導体であることを特徴とする。
第６の発明は、第４または５の発明において、前記多数の熱伝導体において、流入口から遠い側と比べ、流入口に近い側では熱伝導体の数が多く、かつ、高密度で配置されていることを特徴とする。
第７の発明は、第１ないし６のいずれかの発明において、さらに、前記インジェクタと連通されるアトマイザーを備え、当該アトマイザーが、熱交換チャンバーと、熱交換チャンバーを加熱する熱源と、流体供給路から供給された加圧流体をチャンバー内に噴霧するノズルと、チャンバー内の流体を排出する出口と連通し、チャンバー内を大気圧と比べ高圧に維持するオリフィスとを備え、成膜材料を気化してなる原料ガスを前記インジェクタに供給することを特徴とする。
第８の発明は、第７の発明において、前記アトマイザーの前記熱交換チャンバーの内壁面が、ジグザグ構造であることを特徴とする。
【０００９】
第９の発明は、第１ないし８のいずれかの発明において、前記成膜ユニットが、第１の成膜室と、第１の成膜室に原料ガスを供給する第１のインジェクタと、第２の成膜室と、第２の成膜室に第１のインジェクタと異なる原料ガスを供給する第２のインジェクタとを備えることを特徴とする。
第１０の発明は、第９の発明において、さらに、第１の成膜室および第２の成膜室間の搬送路を連絡する保温ユニットを備えることを特徴とする。
第１１の発明は、第９の発明において、さらに、第１の成膜室および第２の成膜室を区切る隔壁を備え、第１の成膜室および第２の成膜室が隣接することを特徴とする。
【００１０】
第１２の発明は、基板を加熱し、基板の表面で原料ガスを反応させてＣＶＤにより被処理基板上に所定の膜を成膜する常圧熱ＣＶＤ方式の成膜方法であって、基板を所定の温度勾配で、反応温度またはそれに近い温度まで加熱する加熱ユニットと、所定の温度に加熱される成膜室および原料ガスを供給するインジェクタを有し、加熱ユニットを通過した基板表面に膜を形成する成膜ユニットと、成膜ユニットを通過した基板を冷却する冷却ユニットと、加熱ユニット、成膜ユニットおよび冷却ユニットの順に基板を搬送する搬送装置とを提供し、前記搬送装置により、前記基板と前記インジェクタとを、前進方向および後退方向に一定の速度で相対往復移動させながら、前記インジェクタより原料ガスを供給することにより、前記基板上に所望の厚さの膜が形成することを特徴とする成膜方法である。
第１３の発明は、第１２の発明において、前記基板がガラス基板であり、原料ガスが、四塩化スズ（ＳｎＣｌ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）および純水（Ｈ２Ｏ）であり、前記ガラス基板上にＳｎＯ２膜が形成されることを特徴とする。
第１４の発明は、第１２の発明において、前記成膜ユニットが、所定の温度に加熱される第１の成膜室、第１の成膜室に原料ガスを供給する第１のインジェクタ、所定の温度に加熱される第２の成膜室および第２の成膜室に第１のインジェクタと異なる原料ガスを供給する第２のインジェクタを備え、第１の成膜室で前記基板上に第１の膜を形成し、第２の成膜室で前記基板上に第２の膜を形成することを特徴とする。
第１５の発明は、第１４の発明において、前記基板がガラス基板であり、第１のインジェクタに供給される原料ガスが、シランガス（ＳｉＨ４）、酸素ガスおよび窒素ガスであり、第２のインジェクタに供給される原料ガスが、四塩化スズ（ＳｎＣｌ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）および純水（Ｈ２Ｏ）であり、前記ガラス基板上にＳｉＯ２およびＳｎＯ２膜が積層形成されることを特徴とする。
第１６の発明は、第１３または１５の発明において、前記ガラス基板が、Ｇ５サイズ以上の大きさのガラス基板であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ラインの全長が短い成膜装置を提供することが可能となる。
また、本発明によれば、装置停止後の復帰時間を短縮化すると共に電気使用量の削減を図るがことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る成膜装置の構成図である。
【図２】シャワーヘッドの断面構造を示す図であり、（ａ）は平面（水平方向）、（ｂ）は縦面（垂直方向）での断面を示す。
【図３】アトマイザーの構成を説明する側方概略断面図である。
【図４】図３のアトマイザーの気化性能試験方法を説明する図である。
【図５】オリフィス絞り径とスプレーノズル流量の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態例に係る成膜装置の構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態例に係る成膜装置の構成図である。
【図８】実施例１に係る成膜装置の構成を示す側面図である。
【図９】実施例１に係る成膜装置の構成を示す平面図と成膜室の設定温度を示すグラフである。
【図１０】成膜室の断面図である。
【図１１】（ａ）ガラス昇温の実験結果を示すグラフであり、（ｂ）ガラス降温の実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、本発明を実施するための形態例を、太陽電池用ＴＣＯ（透明導電性酸化膜）付きガラス基板の製造ラインの例で説明する。
《第１実施形態例》
太陽電池は、例えば、太陽光が入射されるガラス基板の上に、第１電極層である第１透明導電膜、光電変換層、第２透明導電膜、第２電極層である裏面電極層が順次積層された構成である。透明導電膜としては、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）のうちの少なくとも１種を含む透明導電性酸化膜（ＴＣＯ：Transparent Conducting Oxide）、またはこれらを積層した透明導電膜が知られている。本実施形態例の成膜装置は、主として第１および第２透明導電膜の成膜時に利用される。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態例に係る連続リターン式成膜装置１の構成図である。この成膜装置１は、ガラス基板２を搬送するコンベア装置１０と、常圧熱ＣＶＤ方式の成膜ユニット２０と、成膜ユニット２０に搬入するガラス基板２を予熱する加熱ユニット１１と、成膜工程を終えたガラス基板２を冷却する冷却ユニット１２とを主要な構成要素とする。
【００１５】
コンベア装置１０は、ガラス基板２が載置されるメッシュベルトと、メッシュベルトに巻回された一群の駆動モータを備えており、ガラス基板２を加熱ユニット１１→成膜ユニット２０→冷却ユニット１２の順に搬送する。図１では、３つのメッシュベルトによりコンベア装置１０を構成しているがこの構成に限定されず、例えば、１つの長いメッシュベルトによりコンベア装置１０を構成してもよい。一群の駆動モータは周波数を制御することにより正転および逆転の搬送速度を同一に制御することができるインバータモータであり、ガラス基板２を所望の位置で一定時間停止させ、或いは、所望の範囲内で一定速度で往復移動させる。より詳細には、ガラス基板２は、加熱ユニット１１および冷却ユニット１２内では一定時間停止され、成膜ユニット２０内でインジェクタ２２を通過する際（すなわち膜形成時）には一定速度で往復搬送される。
【００１６】
コンベア装置１０の搬送速度を変えることにより、ガラス基板２の表面に形成する膜厚や性質（硬さ、凹凸のできかた等）を調節することが可能である。インジェクタ２２からの噴出条件を動的に変えることは困難であるため、噴出条件は一定としたまま搬送速度により膜厚を調節することが好ましい。
図１の構成において、ガラス基板２の大きさが例えばＧ５サイズ（１１００ｍｍ×１４００ｍｍ）である場合、コンベア装置１０の長さは例えば６メートル程度である。
【００１７】
加熱ユニット１１は、メッシュベルトの上方に位置するシャワーヘッド７０を備えており、シャワーヘッド７０の下方にあるガラス基板２に熱い不活性ガス（例えば、窒素ガス）を噴射して加熱する。高温のガスを吹き付けてガラス基板２を加熱するので、温度の調節を高速かつ高精度の設定温度で行うことが可能である。
【００１８】
図２は、シャワーヘッド７０の断面構造を示す図であり、（ａ）は平面（水平方向）、（ｂ）は縦面（垂直方向）での断面を示す。シャワーヘッド７０は、図示しないヒータープレートと実質的に全面で接する伝熱プレート７１と、多数の熱伝導体７２と、熱交換流路７４を有するボデー７３とを備えてなり、ボデー７３に熱交換流路７４と連通する多数の噴射口７５が形成された平板上の部材である。シャワーヘッド７０は、２つの流入口７６、７７を有しており、流入口７６、７７から供給された不活性ガスは、熱交換流路７４で加熱されて噴射口７５から噴出される。すなわち、シャワーヘッド７０では、外界と連通する噴射口７５が流出口となる。
【００１９】
伝熱プレート７１は、実質的にガラス基板２の全面を覆うことができる大きさである。最も外側に位置する複数の噴射口７５を結んでできる空間内に、ガラス基板２が収まるような大きさとすることが好ましい。
伝熱プレート７１には、略均等に配置された多数のピン状の熱伝導体７２が当接しており、熱伝導体７２を介してボデー７３にヒータープレートからの熱が伝達される。ピン状の熱伝導体７２は、例えば頭部がフラットなネジにより構成してもよく、このネジは伝熱プレート７１を固定するためのものでなくともよい（純粋に熱伝導のためにのみ用いられるものでよい。）。図２では、熱伝導体７２を略均等に分布されるように配置しているが、流入口７６、７７に近い上流側と流入口７６、７７から遠い下流側とで分布を異なるものとしてもよい。すなわち、上流側は高密度に熱伝導体６２を配置し、下流側は低密度に熱伝導体６２を配置することにより、上流側と下流側の温度分布ムラを低減するようにしてもよい。
【００２０】
多数の熱伝導体７２は、全て同一種類の材料により構成してもよいし、流入口７６、７７に近い上流側と流入口７６、７７から遠い下流側とで材料を異なるものとしてもよい。例えば、流入口７６、７７に近い上流側に配置されたピン状部材を銅製とし、下流側に配置されたピン状部材をアルミ製とすることで、熱交換流路７４の全長にわたる温度分布ムラが最小限となるように構成してもよい。別の言い方をすれば、伝熱プレート７１の左右両辺に近い側は主として銅製のピン状部材を配置し、左右方向中央部分には主としてアルミ製のピン状部材を配置するようにしてもよい。熱伝導体７２の材料を上流側と下流側とで異ならせるのと共に、上流側と下流側とで配置密度を変えることにより、上流側と下流側の温度分布ムラをより細かく調節するようにしてもよい。
【００２１】
ボデー７３は、例えばステンレス鋼、炭素鋼などにより構成される。ボデー７３よりも熱伝導体７２の熱伝導率が高くなるように構成することが好ましい。
熱交換流路７４には、多数の屈曲部７８が設けられており、この屈曲部７８において不活性ガスが流路壁に衝突して乱流が発生することで、加熱の不均一が解消されるようになっている。
以上の構成を備える実施形態例のシャワーヘッド７０によれば、多数の噴射口７５のそれぞれから、実質的に同じ温度の不活性ガスが噴射される。なお、シャワーヘッド７０からは、ガスのみならず、液体を吐出することも可能である。
【００２２】
シャワーヘッド７０は、その上段に一又は複数のシャワーヘッド無し熱交換器を配置し、シャワーヘッド７０の２つの流入口と上段の熱交換器の流出口を分岐配管で接続することにより多段構成としてもよい。
冷却ユニット１２も、加熱ユニット１１と同じシャワーヘッド７０を備えており、シャワーヘッド７０の下方にあるガラス基板２に冷たい不活性ガスを噴射して冷却する。
【００２３】
加熱ユニット１１および冷却ユニット１２により実現される温度勾配は、図１の下図に示すとおりである。すなわち、加熱ユニット１１では所望の緩やかな温度勾配を実現するために不活性ガスの温度が徐々に高温となり、冷却ユニット１２では、所望の緩やかな温度勾配を実現するために不活性ガスの温度が徐々に低温となる。ガラス基板２の加熱・冷却を急激に行うとガラスが割れるためである。
従来は、ライン上のオーブンで搬送させながら徐々に加熱・冷却していたが、この方式では、例えば予熱ゾーンに１５メートル、冷却ゾーンに１５メートルの長さが必要であった。しかし、本発明によれば、ガラス基板２を停止した状態で基板全面にシャワーヘッドから温度制御された不活性ガスを吹き付けて加熱・冷却するので、予熱・冷却ゾーンを大幅に短縮し省スペース化を図ることが可能である。また、従来の製造ラインでは、一旦ラインを停止した場合、所望の温度勾配に復帰するまでに例えば２４時間要していたが、本発明によれば全長が数メートル以下の成膜ユニット２０のみを加熱すれば良いため、復帰に要する時間は数時間程度である。
【００２４】
成膜ユニット２０は、成膜室２１と、インジェクタ２２を備えている。
成膜室２１は反応炉であり、原料ガスが基板表面に均等に流れるようにすること、反応済みのガスが速やかに排出されるように構成されている。成膜室２１の内部は、ヒーターにより数百度の高温に維持されている。ヒーターは例えば外部石英管ヒーター或いは外部赤外線ランプヒーターであり、ガラス基板２が均一加熱されるように成膜室２１の上方および下方に配置する。
図１には、加熱ユニット１１および冷却ユニット１２と成膜室２１とが区切られた構成が図示されているが、常圧ＣＶＤ法を実施するにあたって、加熱ユニット１１および冷却ユニット１２との区切りは不要である。すなわち、区切りの無い１つの空間内で、加熱ユニット１１、冷却ユニット１２および成膜ユニット２０を実現することも当然に可能である。
【００２５】
インジェクタ２２は、公知のガスインジェクタであり、下面に原料ガス噴出口となる細長い溝が、搬送方向に直交する方向に形成されている。１種類の原料ガスを複数の噴出口から同時に噴出するようにしてもよい。原料ガス噴出口は、複数の孔または細長い溝および孔の組み合わせからなる場合もある。ミキシングされた複数種類の原料ガスが１つの原料ガス噴出口から噴出される場合もある。
インジェクタ２２は固定位置にあり、原料ガスである四塩化スズ（ＳｎＣｌ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）および純水（Ｈ２Ｏ）を供給する配管が接続されている。ガラス基板２がインジェクタ２２の下方を往復移動するとき、原料ガスと基板表面で化学反応が起きてガラス基板上にＳｎＯ２膜が形成される。
本発明では、インジェクタ２２の下方でガラス基板２が速度一定で往復搬送されるので、インジェクタ２２は１つで足りる。すなわち、従来は膜圧に応じてインジェクタを複数台設置する必要があったが、インジェクタとガラス基板との往復相対移動をガラス基板の（搬送方向の）長さにわたり速度一定とすることで１つのインジェクタでも多様な膜圧に対応することが可能となった。これにより、従来方式では約２０メートルの長さが必要であった成膜ゾーンを例えば１／７以下に短くすることができ、さらに成膜ユニットの低コスト化および稼動時の省エネルギー化も実現される。
なお、１つの成膜室２１内に、同じ原料ガスを噴出する複数のインジェクタ２２を設置してもよい。
【００２６】
インジェクタ２２に原料ガスを供給する配管には、第１アトマイザー４１、第２アトマイザー４２および第３アトマイザー４３が設置されている。アトマイザー４１〜４３は、液体である成膜材料をガス化するための気化器であり、成膜に必要な成膜材料を大流量で気化することが可能である。アトマイザー４１〜４３と成膜材料供給源の間には、液体流量制御器５１〜５３および３つの開閉バルブが設置されており、各開閉バルブのＯＮ・ＯＦＦにより必要なときだけガス化した成膜材料を供給することができるので、材料費を削減することが可能である。従来の気化器は０．５〜５ｇ／分程度の材料供給能力であったが、本発明のアトマイザー４１〜４３によれば３０ｇ／分以上の大量供給を行うことができるので、Ｇ５〜Ｇ８サイズといった大型基板にも対応可能である。
【００２７】
図３は、アトマイザー４１〜４３を構成する熱交換器４０の構成を説明する側方概略断面図である。
この熱交換器４０は、円筒状の熱交換チャンバー部８１と、スプレーノズル８２と、熱交換チャンバー部８１の下端に設けられたオリフィス８３とを主要な構成要素とする。
スプレーノズル８２は二流体ノズルであって、ガス供給装置９０と連通するガス供給管９１からは窒素ガス等の加圧ガスが、液体貯留部（図示せず）と連通する液体供給管９２からは加圧された液体が供給される。この液体はスプレーノズルを通過する際に気化ないし霧化されて噴射され、オリフィス８３の効果により熱交換チャンバー８４で対流する。熱交換チャンバー８４の内壁は、ジグザグ構造の伝熱内壁８５により構成されている。このジグザグ構造は、熱交換チャンバー８４の内側面の全面積の半分以上を占める部分に設けることが好ましく、より好ましくは内側面の全面積の２／３以上を占める部分に設ける。伝熱内壁８５は、単一の材料で作製される場合もあれば、チャンバー側が腐食性に優れた第一の材質からなり、熱源８６と接触する側が第一の材質よりも熱伝導率の良い第二の材質により構成される場合もある。
【００２８】
伝熱内壁８５は熱源８６により覆われており、熱交換チャンバー内で気化ないし霧化された液体は対流しながら熱交換を行う。熱源８６は、伝熱内壁８５を覆うヒーターまたはクーラーであり、例えば、電熱線、ペルチェにより構成した板状熱源を湾曲させて使用すること、対流用空間を有する筒状部材にらせん状の流路を形成し、熱交換用の気体または液体を流す構造とすること、熱交換用の気体または液体を流す管を前記筒状部材にらせん状に巻く構造とすることが開示される。熱源８６の鉛直方向の長さは、熱交換チャンバー８４の全体またはほぼ全体を覆う長さとすることが好ましい。熱源８６の外側面は、断熱材８７により覆われており、外気温の影響を受けないようになっている。
スプレーノズル８２およびオリフィス８３は、熱交換チャンバー部８１の鉛直方向の中心で対向するように設けられている。スプレーノズル８２は、例えば金属またはテフロン（登録商標）からなる流量が数十ｇ／分のものを使用する。オリフィス８３は、例えばφ１０ｍｍ前後のものを使用する。
【００２９】
図３に示す熱交換器４０を使用して、液体の気化性能を検証した。検証に使用した熱交換器４０の伝熱内壁８５はステンレス鋼により構成されている。対比例１は、伝熱内壁８５が内壁面にジグザグ構造を有しない点を除き、図３に示す熱交換器４０と同じ構成である。気化性能試験は、図４に示すように、スプレーノズル８２に加圧された窒素ガスおよび水を供給し、熱交換チャンバー８４内に噴霧し、オリフィス８３と連通する出口管８８からガラス板へ流体を噴射し、ガラス面を目視判定した。判定基準は次のとおりである。
【００３０】
［判定基準］
○＝吐出口には蒸気が見えない。ガラス面は曇る。
△＝吐出口に蒸気が確認される。ガラス面が結露する。
×＝吐出口に液滴が確認される。
【００３１】
気化性能試験を、下記表１に示す検証条件Ａ〜Ｃにより行ったところ、下記表２に示す結果が得られた。
【００３２】
［表１］
2015096629.tif 000003
【００３３】
［表２］
2015096629.tif 000004
【００３４】
以上の検証結果から、チャンバー内壁面にジグザグ構造を有する第１実施形態例の熱交換器４０が、高い気化性能を有することが確認された。
【００３５】
熱交換器４０が高い気化性能を有するのは、（１）衝突方式、（２）気中接触方式、（３）物理接触方式の３つの方式を利用するからである。
（１）衝突方式は、スプレーノズル８２に導入されたａ℃の流体がスプレーノズル８２から熱交換チャンバー８４内に噴射され、熱交換チャンバー８４の内壁に衝突し、熱交換されることをいう。（２）気中接触方式は、スプレーノズル８２から噴射されたばかりで所望のｂ℃に到達していない流体が、所望の温度ｂ℃付近に到達した気体（霧を含む）と気中接触により熱交換を行うことをいう。ここでは、熱交換チャンバー８４はオリフィス開口が設けられた閉空間であり、オリフィス８３の作用により熱交換チャンバー８４内には旋回流が発生し、高効率で熱交換が行われる（スワール効果）。（３）物理接触方式は、熱交換チャンバー８４内を旋回する流体が、熱交換チャンバー８４の内壁と物理接触をすることにより、熱交換が行われることをいう。
（１）→（２）→（３）の過程を経て所望の温度ｂ℃に到達した流体が、オリフィス８３を有する出口管の吐出口から流出されることとなる。
【００３６】
熱交換器４０におけるオリフィス絞り径と流量の関係について説明する。
熱交換器４０では、オリフィス８３で熱交換チャンバー８４の出口を絞ることで、熱交換チャンバー８４内の内圧を高めている。ここで、オリフィス８３で熱交換チャンバー８４の出口を絞ることは内圧を高めることにつながり、液体を霧化ないし気化させるためには不利であるが、他方で対流が生じることにより加熱効率は高まる。熱交換器４０は、加熱効率を高めるためにオリフィス８３で適度に熱交換チャンバー８４の出口を絞り、霧化ないし気化性能低下と加熱効率向上との調和の中に高効率な熱交換を実現するものである。
図５は、オリフィス絞り径とスプレーノズル流量の関係を示すグラフである。内径７７ｍｍの熱交換チャンバー８４において、水を気化させる際に好ましいと考えられるチャンバー内圧と大気圧との差圧約０．２ａｔｍ（＝２００００Ｐａ）を実現するスプレーノズル流量とオリフィス絞り径の関係を測定したものである。図５から、差圧約０．２ａｔｍを実現するのにふさわしい流量は、絞り径の２乗と実質的に正比例することが確認された。このスプレーノズル流量とオリフィス絞り径の関係は、チャンバー内径や差圧が変化しても変わらないものと推察される。
【００３７】
以上に説明した第１実施形態例の連続リターン式成膜装置は、成膜工程を全長の短い製造ラインにより実施することが可能である。
また、復帰時間が短いので、同種のラインを複数設けることで生産量の調節を容易に行うことができる。また、復帰時間が短いこと、高効率のアトマイザーを備えることから、電気使用量の削減が期待できる。
本成膜装置は、省スペース且つ復帰時間が短いので、中量・少量生産ラインに好適であり、特にＧ５〜Ｇ８サイズといった大型基板に好適である。
【００３８】
《第２実施形態例》
図６は、本発明の第２実施形態例に係る連続リターン式成膜装置１の構成図である。この成膜装置１は、ガラス基板２を搬送するコンベア装置１０と、常圧熱ＣＶＤ方式でＳｉＯ２膜を成膜する成膜ユニット３０と、常圧熱ＣＶＤ方式でＳｎＯ２膜を成膜する成膜ユニット２０と、成膜工程前のガラス基板２を予熱する加熱ユニット１１と、成膜工程を終えたガラス基板２を冷却する冷却ユニット１２と、成膜ユニット２０および３０間の搬送路を連絡する保温ユニット１３とを備えている。以下では、第１実施形態例と同じ構成の部分については説明を割愛し、相違する構成の部分を中心に説明する。
【００３９】
コンベア装置１０は、ガラス基板２が載置されるメッシュベルトと、メッシュベルトに巻回された一群の駆動モータを備えており、ガラス基板２を加熱ユニット１１→成膜ユニット３０→保温ユニット１３→成膜ユニット２０→冷却ユニット１２の順に搬送する。本実施形態例のコンベア装置１０も一群のインバータモータを備えており、ガラス基板２を所望の位置で停止させ、或いは、所望の範囲内で一定速度で往復動作させる。図６の構成において、ガラス基板２の大きさが例えばＧ５サイズ（１１００ｍｍ×１４００ｍｍ）である場合、コンベア装置１０の長さは例えば９メートル程度である。
【００４０】
加熱ユニット１１は、第１実施形態例と同じシャワーヘッド７０を備えており、シャワーヘッド７０の下方にあるガラス基板２に加熱された不活性ガスを噴射して加熱する。
冷却ユニット１２も、第１実施形態例と同じシャワーヘッド７０を備えており、シャワーヘッド７０の下方にあるガラス基板２に冷たい不活性ガスを噴射して冷却する。
保温ユニット１３は、加熱ユニット１１と同じシャワーヘッド７０を備えており、シャワーヘッド７０の下方を通過または停止（待機）するガラス基板２に加熱された不活性ガスを噴射して保温する。成膜ユニット２０の原料ガスと成膜ユニット３０の原料ガスとが混じることが無いように、保温ユニット１３の出入り口に不活性ガスのカーテンを設けるか、機械式シャッターを設けることが好ましい。
加熱ユニット１１、冷却ユニット１２および保温ユニット１３により実現される温度勾配は、図６の下図に示すとおりである。
【００４１】
成膜ユニット２０は、第１実施形態例と同じ構成のものであり、ＳｉＯ２膜が形成されたガラス基板２上にＳｎＯ２膜を形成する。
成膜ユニット３０は、成膜室３１と、インジェクタ３２を備えており、基本的構成は成膜ユニット２０と同一である。
成膜室３１の上方および下方にはパネルヒーターが配置されており、成膜室内の温度は成膜ユニット２０の成膜室２１と同じ温度に維持されている。
インジェクタ３２には、原料ガスであるシランガス（ＳｉＨ４）と酸素ガスおよび窒素ガスを供給する配管が接続されている。ガラス基板２がインジェクタ３２の下方を往復移動するとき、原料ガスと基板表面で化学反応が起きてガラス基板上にＳｉＯ２膜が形成される。インジェクタ３２と成膜材料供給源の間には、気体流量制御器６１〜６３および開閉バルブが設置されており、開閉バルブのＯＮ・ＯＦＦにより必要なときだけガス化した成膜材料を供給することができる。アトマイザー４１〜４３と、液体流量制御器５１〜５３は、第１実施形態例と同じものである。
【００４２】
以上に説明した第２実施形態例の連続リターン式成膜装置によれば、複数種類の材料を用いた成膜工程を全長の短い製造ラインにより実施することが可能である。
【００４３】
《第３実施形態例》
図７は、本発明の第３実施形態例に係る連続リターン式成膜装置１の構成図である。この成膜装置１は、ガラス基板２を搬送するコンベア装置１０と、常圧熱ＣＶＤ方式でＳｉＯ２膜を成膜する成膜ユニット３０と、常圧熱ＣＶＤ方式でＳｎＯ２膜を成膜する成膜ユニット２０と、成膜工程前のガラス基板２を予熱する加熱ユニット１１と、成膜工程を終えたガラス基板２を冷却する冷却ユニット１２と、成膜ユニット２０および３０との間を隔てる隔壁１７とを備えている。以下では、第２実施形態例と同じ構成の部分については説明を割愛し、相違する構成の部分を中心に説明する。
【００４４】
本実施形態例に係る連続リターン式成膜装置１は、保温ユニット１３の代わりに隔壁１７を備える点で第２実施形態例の成膜装置と相違する。コンベア装置１０、成膜ユニット２０、成膜ユニット３０、加熱ユニット１１および冷却ユニット１２は、第２実施形態例の成膜装置と同じ構成である。アトマイザー４１〜４３および流量制御器５１〜５３、６１〜６３も、第２実施形態例と同じものである。
【００４５】
隔壁１７は、成膜ユニット２０と成膜ユニット３０の原料ガスが混じるのを防ぐための壁である。隔壁１７は、搬送方向に連続するガスノズル１８，１９に挟まれている。ガスノズル１８，１９からは、不活性ガスが成膜室２１，３１の幅方向にわたって下方に噴出され、ガスカーテンを形成しており、隔壁１７の下部に設けられた開口を原料ガスが通過するのを防いでいる。さらに、機械式シャッターを設け、ガラス基板２が各成膜室内を往復移動している間は、各成膜室を物理的に遮断するようにしてもよい。
【００４６】
図７の構成において、ガラス基板２の大きさが例えばＧ５サイズ（１１００ｍｍ×１４００ｍｍ）である場合、コンベア装置１０の長さは例えば６．５メートル程度である。
【００４７】
本実施形態例に係る連続リターン式成膜装置１は、例えば、下記の膜を成膜することができる。
［１］ＳnＯ２＝Ｓｉｃｌ４（四塩化スズを含んだ導電性酸化膜）
［２］ＳｉＯ２＝Ｓｉｈ４（モノシランを含んだ窒化膜）
［３］ＰＳＧ＝Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ（リンを含んだ
シリコン酸化膜）
［４］ＢＳＧ＝Ｂｏｒｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ（ボロン（ホウ素）を
含んだシリコン酸化膜）
［５］ＢＰＳＧ＝Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ（
ボロン（ホウ素）とリンを含んだシリコン酸化膜）
【００４８】
以上に説明した第３実施形態例の連続リターン式成膜装置によれば、複数種類の材料を用いた成膜工程を第２実施形態例より全長の短い製造ラインにより実施することが可能である。
【００４９】
以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明の技術的思想は何ら実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００５０】
図８は、実施例１に係る連続リターン式成膜装置１の構成図である。
この成膜装置１は、常圧熱ＣＶＤ方式の成膜ユニット２０を備えており、成膜ユニット２０の成膜室２１内に加熱ユニット１１および冷却ユニット１２が配置されている。
成膜ユニット２０の成膜室２１内の設定温度曲線は、図９の上図に示すとおりである。インジェクタ２１が設置された中心部の温度は５５０℃に設定されており、加熱ユニット１１および冷却ユニット１２に近く付くほど温度が低下する。
図１０に示すように、成膜室２１内の上方には上部パネルヒータ２３が配置され、下方には下部パネルヒータ２４が設置されている。同図に示す成膜室２１の幅は、例えば５００ｍｍである。
【００５１】
メッシュベルト１６に載置されたガラス基板２は、正転および逆転の搬送速度を同一に制御することができるインバータモータ１４，１５により、加熱ユニット１１および冷却ユニット１２の下で一定時間停止され、或いは、インジェクタ２１の下で一定速度で往復移動される。メッシュベルト１６の搬送スピードは、例えば５００〜１０００ｍｍ／分である。
インジェクタ２２からは、原料ガスである四塩化スズ（ＳｎＣｌ４）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）および純水（Ｈ２Ｏ）が噴出され、原料ガスと基板表面で化学反応が起きてガラス基板上にＳｎＯ２膜が形成される。例えば、１．０ｍ／分の搬送速度でガラス基板２を１往復させた場合には膜厚４５０ｎｍのＳｎＯ２膜が成膜でき、２往復させた場合には膜厚９００ｎｍのＳｎＯ２膜が成膜できる。
ガラス基板２を往復搬送するにあたっては、行きと帰りで搬送速度を変えてもよい。搬送速度により形成する膜厚を調節できるので、搬送速度を行きと帰りで変えることにより、従来の搬送速度が一定の成膜装置と比べ膜厚の調節を柔軟に行うことが可能である。
【００５２】
加熱ユニット１１は、図２に示すシャワーヘッド７０を備えており、シャワーヘッド７０の下方にあるガラス基板２に加熱された窒素ガスを噴射して加熱する。
冷却ユニット１２も、図２に示すシャワーヘッド７０を備えており、シャワーヘッド７０の下方にあるガラス基板２に冷たい窒素ガスを噴射して冷却する。
【００５３】
図１１（ａ）はガラス昇温の実験結果を示すグラフである。この実験は、２７℃から２５０℃までの到達時間を測定したものである。（１）のグラフは、シャワーヘッド７０によるガス加熱とパネルヒーターを併用した場合であり、シャワーヘッドの設定温度は３５０℃で流量は３０Ｌ／分であり、パネルヒーターの設定温度は４５０℃である。（２）のグラフは、パネルヒーターのみを使用した場合であり、設定温度は４５０℃である。実験の結果、（１）では約１６分で目標温度に到達し、（２）では約３４分で目標温度に到達した。
【００５４】
図１１（ｂ）はガラス降温の実験結果を示すグラフである。この実験は、２５０℃から６０℃までの到達時間を測定したものである。（１）のグラフは、シャワーヘッド７０によるガス冷却をした場合であり、常温エアーの流量は２００Ｌ／分である。（２）のグラフは自然冷却した場合である。実験の結果、（１）では約１２分で目標温度に到達し、（２）では約３６分で目標温度に到達した。
以上の結果から、シャワーヘッド７０による高速加熱効果および高速冷却効果が確認された。
【００５５】
搬入部１０１および搬出部１０３の長さは例えば１２００ｍｍであり、成膜部１０２の長さは例えば２５００ｍｍである。
以上に説明した実施例の連続リターン式成膜装置１は、成膜工程を全長の短い製造ラインにより実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、熱ＣＶＤ法により、例えば揮発性の金属ハロゲン化物や金属の有機化合物などの高温での気相化学反応（熱分解、水素還元、酸化、置換反応など）によって、基板の上に窒化物、酸化物、炭化物、けい化物、ほう化物、高融点金属、金属、半導体などの薄膜を作成する用途に適用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１：連続リターン式成膜装置、１０：コンベア装置（搬送装置）、１１：加熱ユニット、１２：冷却ユニット、１３：保温ユニット、１４：インバータモータ、１５：インバータモータ、１６：メッシュベルト、１７：隔壁、１８，１９：ガスノズル、２：ガラス基板、２０：成膜装置、２１：成膜室、２２：インジェクタ、２３：上部パネルヒータ、２４：下部パネルヒータ、３０：成膜装置、３１：成膜室、３２：インジェクタ、４０：熱交換器、４１：第１アトマイザー、４２：第２アトマイザー、４３：第３アトマイザー、５１：第１液体流量制御器、５２：第２液体流量制御器、５３：第３液体流量制御器、６１：第１気体流量制御器、６２：第２気体流量制御器、６３：第３気体流量制御器、７０：ガスシャワーヘッド、７１：伝熱プレート、７２：熱伝導体、７３：ボデー、７４：熱交換流路、７５：噴射口、７６，７７：流入口、７８：屈曲部、８１：熱交換チャンバー部、８２：スプレーノズル、８３：オリフィス、８４：熱交換チャンバー、８５：伝熱内壁、８６：熱源、８７：断熱材、８８：出口管、９０：ガス供給装置、９１：ガス供給管、９２：液体供給管、１０１：搬入部、１０２：成膜部、１０３：搬出部
【図１】
2015096629.tif 000005
【図２】
2015096629.tif 000006
【図３】
2015096629.tif 000007
【図４】
2015096629.tif 000008
【図５】
2015096629.tif 000009
【図６】
2015096629.tif 000010
【図７】
2015096629.tif 000011
【図８】
2015096629.tif 000012
【図９】
2015096629.tif 000013
【図１０】
2015096629.tif 000014
【図１１】
2015096629.tif 000015