(57)【要約】【課題】成長コストの増大を抑制し、かつ基板温度の上昇を抑制しつつ原料ガスを加熱できる気相成長装置を提供する。【解決手段】原料ガスが導入されるチャンバー１０と、チャンバー１０内に配置され、基板１００を載せるサセプタ４０と、サセプタ４０を加熱する加熱源３０と、原料ガスに接するチャンバー１０の内壁１１とサセプタ４０との間に配置された熱伝達部５０とを備え、サセプタ４０から熱伝達部５０を介して内壁１１に伝達される熱により原料ガスを加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスが導入されるチャンバーと、
前記チャンバー内に配置され、基板を載せるサセプタと、
前記サセプタを加熱する加熱源と、
前記原料ガスに接する前記チャンバーの内壁と前記サセプタとの間に配置された熱伝達部
とを備え、前記サセプタから前記熱伝達部を介して前記内壁に伝達される熱により前記原料ガスを加熱する気相成長装置。
【請求項２】
前記熱伝達部と前記サセプタが同一材料からなることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
前記熱伝達部の熱伝導率が、前記サセプタの熱伝導率以上であることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項４】
前記加熱源が赤外線ランプであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【請求項５】
前記サセプタが、黒色の炭化シリコンからなることを特徴とする請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項６】
前記チャンバーの内壁表面に配置され、前記加熱源から放出される熱を吸収する熱吸収体を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置に係り、特に原料ガスを導入して基板表面に膜やカーボンファイバを成長させる気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）やグラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）等のカーボンファイバを、化学気相成長（ＣＶＤ）法で基板上に成長させる場合、カーボンファイバの核となる基板上に置かれる触媒の温度だけでなく、原料ガスの温度の高温化が必要である。そのため、基板温度が比較的高い、例えば６００℃以上の場合は、基板を載せるサセプタの温度を上げて、サセプタからの放熱によって原料ガスの温度を上昇させ、カーボンファイバを基板上に成長させることができる。
【０００３】
しかし、ガラス等の低融点の物質を基板に使用する場合は、原料ガスをカーボンファイバの成長に必要な温度に上げるためにサセプタの温度を上げることによって、基板が変形するおそれがある。よって、基板上の触媒が活性化するためには十分で、かつ基板の融点より低い温度に基板温度を保つ一方で、原料ガスを高温にすることが求められる。
【０００４】
基板温度を低く抑えながらカーボンファイバを成長させる技術として、チャンバーのガス導入部をプレーヒーティングすることによって原料ガスを加熱する方法や、プラズマによりチャンバー内の原料ガスをラジカルに分解して反応性の高い状態にし、触媒を核にしてカーボンファイバを成長する方法等が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−３５０３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、チャンバーのガス導入部をプレーヒーティングする方法では、ガス導入部となるガス管にヒータを巻くなどの、ガス導入部を加熱する特別な装置が必要であり、気相成長装置の構造が複雑になり、高価になるという問題がある。また、プラズマによりチャンバー内の原料ガスをラジカルに分解する方法では、プラズマによってカーボンファイバに欠陥が生じて品質が劣化するという問題があり、更に、プラズマを発生させる装置が必要である。また、プラズマ源は高価であるため、成長コストが上昇するという問題があった。
【０００６】
上記問題点を鑑み、本発明は、成長コストの増大を抑制し、かつ基板温度の上昇を抑制しつつ原料ガスを加熱できる気相成長装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、（イ）原料ガスが導入されるチャンバーと、（ロ）チャンバー内に配置され、基板を載せるサセプタと、（ハ）サセプタを加熱する加熱源と、（ニ）原料ガスに接するチャンバーの内壁とサセプタとの間に配置された熱伝達部とを備え、サセプタから熱伝達部を介して内壁に伝達される熱により原料ガスを加熱する気相成長装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、成長コストの増大を抑制し、かつ基板温度の上昇を抑制しつつ原料ガスを加熱できる気相成長装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る気相成長装置は、原料ガスを用いて基板表面に物質を成長させる気相成長装置であって、図１に示すように、原料ガスが導入されるチャンバー１０と、チャンバー１０内に配置され、基板１００を載せるサセプタ４０と、サセプタ４０を加熱する加熱源３０と、原料ガスに接するチャンバー１０の内壁１１とサセプタ４０との間に配置された熱伝達部５０とを備える。そして、サセプタ４０から熱伝達部５０を介して内壁１１に伝達される熱により、チャンバー１０内の原料ガスが加熱される。
【００１１】
図１に示した気相成長装置は、チャンバー１０内に原料ガスを導入するガス導入部２０を更に備える。加熱源３０に面するチャンバー１０の上部であるチャンバー上部１２は、加熱源３０から発せられる熱が効率よくチャンバー１０内のサセプタ４０に達するような材料にする必要がある。例えば、加熱源３０が赤外線ランプである場合等に、チャンバー上部１２として石英ガラス等が採用可能である。また、チャンバー上部１２以外のチャンバー１０の内壁１１は、熱伝達部５０を介してサセプタ４０から伝達される熱により原料ガスを加熱する必要がある。そのため、チャンバー１０の内壁１１は、熱伝導率が高く、且つ熱を外部に放出しやすい材料であることが好ましい。チャンバー１０の内壁１１には、例えば４２６合金、ステンレス（ＳＵＳ）鋼等が採用可能である。
【００１２】
サセプタ４０は、加熱源３０が放出する熱を吸収し、サセプタ４０上の基板１００を加熱すると同時に、吸収した熱を放出してチャンバー１０内の原料ガスを加熱する。サセプタ４０には、熱吸収性のよい、熱伝導率が高い材料、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）等が採用可能である。例えば、加熱源３０が赤外線ランプである場合等は、熱吸収効率が高くなるように、サセプタ４０に黒色のＳｉＣを用いることが好ましい。
【００１３】
熱伝達部５０は、サセプタ４０で発生した熱を、効率よくチャンバー１０の内壁１１に伝達する必要がある。そのため、サセプタ４０と同一材料か、或いは熱伝導率がサセプタ４０よりも高い材料を用いることが好ましい。
【００１４】
以下に、図１に示した気相成長装置によって基板１００の表面に所望の物質を形成する例として、図２に示す温度フローチャートを参照しながら、基板１００上にカーボンファイバを成長させる場合を例示的に説明する。図２の縦軸はサセプタ４０の温度（以下において「サセプタ温度」という。）、横軸は時間である。
【００１５】
先ず、時刻ｔ０において、カーボンファイバの核となる触媒、例えば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）等を表面に配置した基板１００を準備し、この基板１００をサセプタ４０上に配置する。基板１００には、ガラス、石英、シリコン（Ｓｉ）ウェハ等が使用可能である。このときのサセプタ温度である温度ＴAは、例えば室温である。
【００１６】
次いで、カーボンファイバの原料ガスをガス導入部２０からチャンバー１０内に導入する。原料ガスとしては、例えば一酸化炭素／水素（ＣＯ／Ｈ2）混合ガスが採用可能であるが、他にも、二酸化炭素（ＣＯ2）ガス、メタン（ＣＨ4）ガス等の炭素（Ｃ）を供給可能なガスが採用可能である。
【００１７】
その後、加熱源３０によってサセプタ４０が加熱される。具体的には、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの昇温期間に、サセプタ温度が、温度ＴAから基板１００上の触媒が活性化する温度ＴBまで上昇する。時刻ｔ１から時刻ｔ２の間、加熱源３０によって加熱されたサセプタ４０からチャンバー１０内の原料ガスに熱が放出されると共に、サセプタ４０から熱伝達部５０を介してチャンバー１０の内壁１１に熱が伝達される。サセプタ４０から熱伝達部５０への熱流出により、基板１００の温度上昇は抑制され、一方、熱伝達部５０からの熱流入によりチャンバー１０の内壁１１の温度は上昇する。サセプタ４０から内壁１１に伝達された熱はチャンバー１０内に放射され、その結果、チャンバー１０の内壁１１に接する原料ガスの温度が上昇する。
【００１８】
そして、時刻ｔ２においてサセプタ温度が、触媒の活性化する温度ＴBに達すると、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの成長期間においてサセプタ温度は温度ＴBに維持され、基板１００上にカーボンファイバが成長する。カーボンファイバが成長している成長期間は、サセプタ４０から熱伝達部５０を介してチャンバー１０の内壁１１に熱が伝達されるため、基板１００の温度上昇が抑制される。また、サセプタ４０から熱伝達部５０を介して内壁１１に熱が伝達されない場合に比べて、原料ガスの温度が高くなる。
【００１９】
時刻ｔ３において、基板１００上のカーボンファイバが所望の厚みまで成長した段階で、加熱源３０からの熱放出が停止され、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの降温期間、サセプタ温度が温度ＴBから温度ＴAまで下げられる。原料ガスは図示を省略する排気系からチャンバー１０の外部に排気される。
【００２０】
そして、時刻ｔ４においてサセプタ温度が温度ＴAになった後、チャンバー１０から基板１００が取り出される。
【００２１】
図１に示した気相成長装置では、サセプタ４０から熱伝達部５０を介してチャンバー１０の内壁１１に熱が流出する。そのため、熱伝達部５０がないチャンバーでカーボンファイバを成長させる場合と基板温度を同程度にしたままで、加熱源３０から放出する熱を増大することができ、増大された分の熱が内壁１１に伝達される。つまり、基板１００の基板温度が基板１００の融点以下になるように基板温度の上昇を抑制しつつ、原料ガスの温度を上げることができる。その結果、基板１００の表面での反応が早まり、カーボンファイバの成長時間が短縮される。
【００２２】
熱伝達部５０の構成は、所望のサセプタ温度と原料ガスの温度に応じて設定される。例えば、原料ガスの温度を高くしたい場合は、熱伝達部５０とサセプタ４０及びチャンバー１０の内壁１１との接触面積を大きくしたり、熱伝達部５０の厚みを薄くしたりすることにより、サセプタ４０から内壁１１に伝達される熱量を増大させる。或いは、熱伝達部５０の材料を、サセプタ４０の材料よりも熱伝導率のよい材料にすることにより、サセプタ４０が吸収した熱を内壁１１に効率良く伝達できる。逆に、熱伝達部５０とサセプタ４０及びチャンバー１０の内壁１１との接触面積を小さくしたり、熱伝達部５０の厚みを厚くしたりすることによって、原料ガスの温度を低くできる。
【００２３】
図３に、サセプタ温度と原料ガスの温度との関係を示す。図３の横軸はサセプタ温度であり、縦軸は原料ガス温度である。図３において、図１に示した気相成長装置の場合を黒丸、サセプタ４０からの放熱のみによって原料ガスを加熱する関連技術を用いた気相成長装置の場合を黒三角で、それぞれ示す。図３に示すように、関連技術を用いた気相成長装置の場合は、原料ガスを１００℃以上にするためにサセプタ４０を６００℃以上に加熱する必要がある。一方、図１に示した気相成長装置によれば、サセプタ４０の温度が５００℃で、原料ガスを１００℃以上にすることができる。
【００２４】
通常、基板１００上のカーボンファイバ用の触媒が活性化する基板温度は４５０℃〜５００℃程度である。例えば、サセプタ４０及び熱伝達部５０に熱伝導率が１５０〜１８０Ｗ／ｍ・℃であるＳｉＣを採用し、ＣＯ／Ｈ2混合ガスを原料ガスとした場合に、基板１００の基板温度５００℃において、原料ガスの温度１００℃以上（１００℃〜１５０℃）を実現できる。このとき、基板１００の表面にカーボンファイバを３μｍ成長させるのに要する時間は、１０〜１５分である。一方、熱伝達部５０を介してサセプタ４０からチャンバー１０の内壁１１に熱を伝達しない場合には、サセプタ４０の温度が６２０℃でも原料ガスの温度は１００℃以下であり、基板１００の表面にカーボンファイバを３μｍ成長させるのに要する時間は、４０分程度である。したがって、基板温度を上げることが困難な、融点が低い基板１００を使用した場合において、カーボンファイバの成長時間を短縮することが可能である。
【００２５】
上記ではサセプタ４０及び熱伝達部５０にＳｉＣを使用する例を説明したが、他にも、熱伝導率が４２０Ｗ／ｍ・℃の金（Ａｕ）、約１０００Ｗ／ｍ・℃のダイアモンド、約４００Ｗ／ｍ・℃の銅（Ｃｕ）等の熱伝導率が高い材料が存在する。しかし、上記のようなＡｕ、Ｃｕ等の熱伝導率が高い材料をサセプタ４０或いは熱伝達部５０に使用した場合は、サセプタ温度や原料ガスの温度の制御が難しくなる。そのため、サセプタ温度や原料ガスを所望の温度にするために注意が必要である。また、ヒータやホットプレート等の電気を使用する構成部分を有する装置を使用してサセプタ４０を加熱する場合は、チャンバー１０内の原料ガス等に引火しないように注意する必要がある。そのため、加熱源３０に赤外線ランプを採用することが好ましい。
【００２６】
なお、図１では、１つの熱伝達部５０によってサセプタ４０とチャンバー１０の内壁１１が接続された気相成長装置の例を示したが、図４に示すように、複数の熱伝達部５０ａ〜５０ｃによってサセプタ４０と内壁１１を接続してもよい。この場合、熱伝達部５０の個数によっても、基板１００の基板温度と原料ガスの温度の差を調整できる。
【００２７】
以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る気相成長装置によれば、基板温度を所望の温度、例えば触媒が活性化するために十分な温度に保ちつつ、原料ガスを高温にすることができる。つまり、図１に示した気相成長装置によれば、基板温度の上昇を抑制しつつ、原料ガスの温度を上げることができる。そのため、融点が低い基板１００を使用した場合において、成長時間を短縮することが可能である。
【００２８】
また、図１に示した気相成長装置では、加熱源３０によって加熱されたサセプタ４０から熱伝達部５０を介してチャンバー１０の内壁１１に伝達された熱によって、原料ガスが加熱される。そのため、原料ガスを加熱するための特別な加熱装置は不要であり、気相成長装置の構造が複雑にならない。更に、原料ガスをプラズマによってラジカルに分解する必要がないため、基板１００の表面に成長されるカーボンファイバ等にプラズマによる欠陥が発生する問題もなく、基板１００表面に成長されたカーボンファイバ等の品質は劣化しない。また、原料ガスをラジカルに分解するための特別な装置も必要ない。つまり、図１に示した気相成長装置によれば、成長コストが増大せず、基板温度の上昇を抑制しつつ原料ガスを加熱できる。
【００２９】
＜変形例＞
図５に本発明の第１の実施の形態の変形例に係る気相成長装置を示す。図５に示した気相成長装置は、シャワープレート６０を更に備えることが、図１と異なる点である。シャワープレート６０には原料ガスが通過する複数の穴が形成されており、ガス導入部２０からチャンバー１０内に導入された原料ガスは、シャワープレート６０に形成された穴を通過して、基板１００の上面に到達する。そのため、基板１００の表面全体に原料ガスが均一に供給され、基板１００の表面に成長させるカーボンファイバ等の厚みを均一にすることができる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る気相成長装置は、図６に示すように、チャンバー１０の内壁１１の表面に熱吸収体１１０が配置されていることが、図１と異なる点である。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【００３１】
熱吸収体１１０は、熱吸収性のよい、熱伝導率の高い物質であることが好ましく、例えばＳｉＣ、或いはカーボンからなる膜等を採用可能である。また、加熱源３０が赤外線ランプである場合は、効率よく熱を吸収するために、熱吸収体１１０は黒色であることが好ましい。
【００３２】
熱吸収体１１０は、加熱源３０から放出される熱を吸収し、吸収した熱をチャンバー１０の内壁１１に伝達する。そのため、サセプタ４０から伝達される熱のみによってチャンバー１０の内壁１１を加熱する場合に比べて、チャンバー１０の内壁１１の温度が早く上昇する。つまり、熱吸収体１１０を備える第２の実施の形態に係る気相成長装置によれば、図１に示した気相成長装置よりも効率よくチャンバー１０内の原料ガスを加熱することができる。
【００３３】
図６では熱吸収体１１０がチャンバー１０の内壁１１に接触する例を示したが、熱吸収体１１０が内壁１１に接触しないように熱吸収体１１０と内壁１１との間に防着板を設け、熱吸収体１１０からの放熱によってチャンバー１０内の原料ガスを加熱しても良い。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００３４】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３５】
既に述べた第１及び第２の実施の形態の説明においては、基板１００の表面にカーボンファイバーを成長させる例を示したが、基板１００の表面にＣＶＤ法を用いて薄膜を成長させる場合にも、本発明は適用可能なのは勿論である。
【００３６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る気相成長装置の構成例を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る気相成長装置によって基板上に物質を成長させる例を説明するための温度フローチャートである。
【図３】サセプタ温度と原料ガスの温度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る気相成長装置の他の構成例を示す模式図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る気相成長装置の構成例を示す模式図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る気相成長装置の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…チャンバー
１１…内壁
１２…チャンバー上部
２０…ガス導入部
３０…加熱源
４０…サセプタ
５０…熱伝達部
６０…シャワープレート
１００…基板
１１０…熱吸収体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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