(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サセプタと上部本体との間にスペーサを介して形成される成膜室と、
前記サセプタに設けられた基板厚み分の凹部に保持されて、その表面がサセプタ表面と同一平面を形成する基板と、
前記成膜室の入口端部に連接して当該成膜室の入口開口全面から原料ガスを供給可能とした混合室と、
前記混合室に接続され開口された複数の原料ガス供給管とを備え、
前記成膜室の前記基板上の空間を極薄型の直方体状の空間とし、
さらに、前記成膜室の入口開口の断面積を、前記複数の原料ガス供給管の開口の総断面積より小さい値にしたことを特徴とする化学的気相成膜装置。
【請求項２】
前記複数の原料ガス供給管の前記混合室への開口方向は、交差または対向する方向にしたことを特徴とする請求項１に記載の化学的気相成膜装置。
【請求項３】
前記複数の原料ガス供給管から前記成膜室へ流入される前記原料ガスの流速を調整することによって、前記基板の表面に沿って流動する当該原料ガスの流速の分布を前記流動方向と直交する方向において一様となるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の化学的気相成膜装置。
【請求項４】
前記混合室の前記成膜室との連接部は当該成膜室ヘ向かって断面積が減少する平滑な誘導面を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の化学的気相成膜装置。
【請求項５】
前記混合室が、前記原料ガスを予熱する加熱装置を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の化学的気相成膜装置。
【請求項６】
前記成膜室の出口側端部に、前記混合室と同一構造の排出室を対称に設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の化学的気相成膜装置。
【請求項７】
前記成膜室の前記基板上の空間を、前記原料ガスの流動方向に従って狭く形成していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の化学的気相成膜装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＶＤ法（化学的気相成膜法）により基板に膜を形成する成膜方法及び成膜装置、特に、ガラス基板等にＳｉＯ2膜、ＩＴＯ膜（透明導電膜）、ＳｎＯ2（ＡＴＯ，ＦＴＯ）膜、酸化マグネシュム（ＭｇＯ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜等を成膜する成膜方法及び成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の成膜装置としては、次のようなものが知られている。
【特許文献１】特許第２８１８７７６号
【０００３】
図６に示した前記特許文献１の成膜装置５０は、ライナー管５１の一端に設けた供給口５２で混合されて供給される原料ガス（成膜成分である微粒子とこれを運搬するキャリヤーガスとの混合ガス）を、流路５３を経て、成膜室５４に導く構成である。この成膜室５４は、その下部に基板５７を設置し設置面と加熱装置を有するサセプタ５６を備え、その上部の幅を基板５７とほぼ同等とし、その高さを成膜室入口５８から成膜室出口５９へ向かって順次狭くなる構成であり、その断面が図７（Ｄ）に示す様に薄型の矩形形状である。
【０００４】
この成膜装置５０は、原料ガスを供給口５２から流路５３で導いて成膜室５４に流入させ、この流入した原料ガスがサセプタ５６で加熱された基板５７の表面に沿って流動中に膜を生成する機能を有する。
【０００５】
この成膜装置５０は、基板に原料ガスを衝突せる成膜装置に比較して、基板の表面に沿って原料ガスを流動させる成膜装置であるから、加熱された基板からの上昇気流の影響を受けにくく成膜効率（原料ガス中の微粒子が基板上にとどまる率）が良いものである。
【０００６】
しかし、この成膜装置５０の流路５３断面形状は、供給口５２から成膜室入口５８までの間で、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように円形、楕円、薄型矩形に変化する構成である。このために、成膜室５４に到達した原料ガスの幅方向の流速分布は一様になりにくい。
すなわち、供給口５２で円形に噴射された原料ガスは、流路５３の断面形状の変化に従って成膜室入口５８へ導かれるが、このためその断面内の流速分布は、噴射の形状を保ち続けようとするため、供給口５２の延長線上である中央部の速度が周辺部より速くなる。この影響により成膜室５４での幅方向の流速分布もその中央部が周辺部より速くなる傾向にある。
【０００７】
原料ガスを流動させる成膜装置によって形成される基板上の膜の厚みは、原料ガスの流速に対応して変化する傾向を有するものであるから、従来技術の様に成膜室５４の原料ガスの流速分布が一様でなく乱れを伴うと生成された膜の厚みが一様になりにくい。また原料ガスを導入する装置は、基板の大型化（基板面積が大）に伴い流路の断面形状変化が大きくなるので、原料ガスの流速分布の乱れがより顕著で大型基板の成膜装置にはきわめて不向きになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決し、生成される膜の厚みが一様で、大型基板の成膜も可能な成膜方法及び成膜装置の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００９】
本発明は、サセプタと上部本体との間にスペーサを介して形成される成膜室と、前記サセプタに設けられた基板厚み分の凹部に保持されて、その表面がサセプタ表面と同一平面を形成する基板と、前記成膜室の入口端部に連接して当該成膜室の入口開口全面から原料ガスを供給可能とした混合室と、
前記混合室に接続され開口された複数の原料ガス供給管とを備え、
前記成膜室の前記基板上の空間を極薄型の直方体状の空間とし、
さらに、前記成膜室の入口開口の断面積を、前記複数の原料ガス供給管の開口の総断面積より小さい値にしたこと特徴とする。
【００１０】
この手段によると、混合室は成膜室の入口端部に連接しているので、供給管から供給される原料ガスは、混合室で混合された後、成膜室に導かれる。前記混合室は成膜室の入口端部に連接して成膜室の入口開口全面から原料ガスを供給可能に形成されているので、原料ガスの供給速度の分布が成膜室内の基板表面に沿って流動する原料ガスの流速分布に影響しない。また、成膜室の凹部にサセプタ表面と同一平面を形成する基板上面の空間が極薄型の直方体状であるから、成膜室に流入した原料ガスの幅方向の流速分布は長さ方向のどの位置でも幅方向にほぼ一定となる。また、基板表面はサセプタ表面と同一平面を形成するので，原料ガスの流れを乱すことがない。そして、基板上の空間の高さすなわち原料ガスの流路の高さは非常に小さいので、原料ガスのように熱伝達係数の小さい流体でも加熱が可能であり、基板上の空間を流れる原料ガス全体が反応温度に達するのが容易である。しかも基板上の空間でのみ反応温度に達するので、基板以外に成膜成分が付着するおそれがないという効果を有する。
【００１１】
さらに、上記手段によると、混合室内の圧力を成膜室より高く制御できるので、成膜室に原料ガスを安定して供給できるという効果を有する。
【００１２】
また本発明は、前記複数の原料ガス供給管の前記混合室への開口方向は、交差または対向する方向にしたことを特徴とする。
上記手段によれば、混合室内での混合が原料ガス同士の衝突混合となるので、気体分子同士の衝突又は気体分子間の引力で双方の流速が互いに緩和され、方向も相手と異なる方向に分散し、原料ガスの安定した整流が容易になるという効果を有する。
【００１３】
また本発明は、前記複数の原料ガス供給管から前記成膜室へ流入される前記原料ガスの流速を調整することによって、前記基板の表面に沿って流動する当該原料ガスの流速の分布を前記流動方向（以下「基板の長さ方向」ともいう）と直交する方向（以下「基板の幅方向」ともいう）において一様となるようにしたことを特徴とする。
この手段によると、成膜室に配置した基板の表面に沿って流動する原料ガスの流速の分布が基板の幅方向に一様であるから、少なくとも幅方向に一様な厚みの膜が得られるという効果を有する。あとは、長さ方向にも膜厚が均一になるように制御すればよいので、制御が簡単になるという効果を有する。
【００１４】
本発明は、前記混合室の前記成膜室との連接部は当該成膜室に向かって断面積が減少する平滑な誘導面を有することを特徴とする。
この手段によると、より滑らかに整流することができるという効果を有する。
【００１５】
本発明は、前記混合室が原料ガスを予熱する加熱装置を有することを特徴とする。
この手段によると、混合室で原料ガスを熱分解温度より少し低い温度に予熱するのが容易になり、予熱された状態で成膜室に供給することにより、成膜室内で熱分解温度に達するまでの時間を短くすることができるという効果を有する。
【００１６】
また本発明は、前記成膜室の出口側端部に、前記混合室とほぼ同一構造の排出室を対称に設けたことを特徴とする。
この手段によれば、排出室と混合室をほぼ同一構造に構成することにより、切換弁などの簡単な構成で原料ガスの供給方向を切り換えることができ、成膜室の基板上の成膜傾向を相殺できるという効果を有する。
【００１７】
また本発明は、前記成膜室の前記基板上の空間を、前記原料ガスの流動方向に従って狭く形成していることを特徴とする。
上記手段によれば、原料ガスの成膜室内での流速を順次速くすることができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明の実施例を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例である成膜装置の縦断面図（図２のＡ−Ａ断面矢視図）であり、図２は、同成膜装置の横断面図（図１のＢ−Ｂ断面矢視図）である。また、図３は、同成膜装置の部分拡大図（図１のＣ部）である。図４は、同成膜装置の成膜室を流れる原料ガスの流速分布を示す説明図であり、図５は、同成膜室内の原料ガスの流動方向と成膜傾向との関係を示す説明図である。
【００１９】
図１及び図２において、１０は、成膜装置である。成膜装置１０の本体部は、上部本体１１と下部本体１２と、下部本体上に設けたサセプタ１３とスペーサ１４とからなり、それらを一体的に結合して形成される。
サセプタ１３には基板１８の厚み分の深さを有する凹部３０が設けられており、基板１８は、このサセプタ１３の凹部３０に保持され、その表面が、サセプタ１３の表面と同一平面をなすように形成される。
【００２０】
成膜室１７は、この凹部３０を有するサセプタ１３と上部本体１１との間にスペーサ１４を介して形成される。基板１８が上述のようにサセプタ１３の凹部３０に保持されると、この成膜室の基板上には、極薄型の直方体状の空間が形成される。この基板上の空間の長さａ及び幅ｂは、基板の長さ及び幅によって規定され、その高さｈは、スペーサ１４の高さによって規定される。
この基板上の空間の高さｈは、０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００２１】
サセプタ１３の凹部３０に保持された基板１８の表面が、サセプタ１３の表面と同一平面をなすように形成されるので、原料ガスの流れを乱すおそれがない。そして、基板上の空間の高さすなわち原料ガスの流路の高さは非常に小さいので、原料ガスのように熱伝達係数の小さい流体でも加熱が可能であり、基板上の空間を流れる原料ガス全体が反応温度に達するのが容易であり、しかも基板上の空間でのみ反応温度に達するので、基板以外に成膜成分が付着するおそれがないという効果を有する。
【００２２】
下部本体１２内には、サセプタ１３の凹部に保持された基板１８を加熱する加熱装置２４が内蔵されている。この加熱装置２４によって、基板１８上を流れる原料ガスを加熱して、熱分解させ、基板上に膜を生成させる。
加熱装置２４は、基板１８より少し大きい面積を加熱する程度に設けてあり、混合室１５をも加熱できる広さにしてあり、後述する混合室１５内の原料ガスを予熱する役割も兼ねているが、混合室１５内の原料ガスを予熱するための加熱装置は、加熱装置２４と一体にする必要はなく別の加熱装置を設けても良い。
【００２３】
成膜装置１０は、上記のように構成された本体部と、その左側に設けた混合室１５と、右側に設けた排出室１６からなる。
図３において、混合室１５は、３本の原料ガス供給管２０と成膜室１７との間に設けられ、成膜室１７との連接部は、成膜室１７へ向かって断面積が減少する平滑な誘導面を有し、成膜室１７側の端部の幅は、成膜室１７の入口開口１９ａの幅と同等またはそれより広い幅に形成される。
また、成膜室入口開口の断面積は、前記３本の供給管の開口の総断面積より小さくしてある。
さらに、原料ガス供給管２０は、混合室１５に接続、開口されているが、その開口方向は水平方向に２本が対向し、他の１本は前記２本と同一水平面内で交差している。
【００２４】
このように混合室１５の成膜室１７側端部の幅は、成膜室１７の入口開口１９ａの幅と同等またはそれより広い幅に形成されるので、原料ガスは、入口開口全面から成膜室１７内に流入し、流入する原料ガスの幅方向の流速分布はほぼ一定となる。また、成膜室入口開口の断面積を、前記３本の供給管の開口の総断面積より小さくしてあるので、混合室内の圧力を成膜室内のそれよりも高くすることができ、原料ガスを成膜室内に安定して供給する事ができる。
そして、この圧力の差が大きいほど、成膜室内における原料ガスの流速は速くなるが、入口開口における流速の範囲は０．３ｍ／ｓｅｃ以上８ｍ／ｓｅｃ以下にするのが好ましい。流速がこの範囲を外れると、入口開口における幅方向の流速分布の一様性が劣化する。
【００２５】
さらに、３本の供給管２０の開口方向は、対向または交差しているので、供給される原料ガスは混合室内でガス同士が衝突して混合される。
この原料ガス同士の衝突混合によれば、気体分子同士の衝突又は気体分子間の引力で双方の流速が互いに緩和され、流れの方向も相手と異なる方向に分散するので、流速分布の偏りを小さくなり、成膜室の入口開口に流入する原料ガスの流速分布への影響がいっそう小さくなる。したがって、原料ガスの安定した整流が容易になるという効果を有する。
【００２６】
前記混合室には前述のように、原料ガスを予熱する予熱装置（図示せず）を設けることが好ましい。この予熱装置により原料ガスを、その熱分解温度以下に予熱しておくと、成膜室における成膜時間を短縮することができる。
そして、予熱装置を基板１８の加熱装置２４と別体に設ける方が独自に温度調節することができるので、好ましい。
【００２７】
成膜室１７の出口１９ｂ側に設けた排出室１６は、成膜室の入口１９ａ側に設けた混合室１５とほぼ同様に構成してある。
すなわち、混合室１５と排出室１６は、成膜室１７を介して設けてあり、そのほぼ同一構造のものを左右対称に設けてある。従って、切換弁などを用いて原料ガスの供給方向を切り換えることができる。後述するように、供給方向を切り換えることにより、原料ガスの流動方向での成膜傾向を相殺して、基板１８表面の長さ方向での膜厚さを均一にすることができる。
【００２８】
上記実施例では、成膜室１７の基板１８上の空間を、直方体状としたが、下流方向に向かって狭く形成してもよい。基板上の空間が直方体状の場合、下流側にいくほど成膜傾向が小さくなるが，このようにする原料ガスの流速を下流にいくほど速くすることができるので、長さ方向の成膜傾向を均一にすることができる。
【００２９】
次に、本発明の実施例である成膜方法を、前記成膜装置１０の作動とともに詳述する。供給管２０を介して供給される原料ガスは、混合室１５内で衝突混合し成膜室１７に流入する。この成膜室１７内の原料ガス中の成膜成分である微粒子は、基板１８面上で加熱され熱分解し、基板上に付着してより成膜される。
【００３０】
上記の成膜作用において、成膜室１７への原料ガスは、混合室１５の存在により成膜室の手前上流側で混合され成膜室の入口開口１９ａ全面からから供給される。すなわち、混合室１５の成膜室側の端部の幅は、成膜室１７の入口開口の幅ｂより大きいので、原料ガスは成膜室の入口開口全面から成膜室に流入する。従って、原料ガスの供給流速の分布が成膜室内の流速分布に影響しない。
【００３１】
したがって、混合室１５から供給される原料ガスの流速分布が均一になるようにすることにより、基板の表面に沿って流動する原料ガスの流速の分布を流動方向と直交する方向（基板の幅方向）においてほぼ一定となるようにすれば、少なくとも幅方向における膜の厚さが一様になる。
【００３２】
成膜室１７の入口開口の断面積を、混合室１５への前記３本の供給管２０の開口の総断面より小さい値にしてあるので、混合室内の圧力が成膜室より高くすることができ、原料ガスを安定して供給できる。また、３本の供給管２０の混合室への開口方向は対向または交差しているので、供給された原料ガスが、混合室内でガス同士衝突して、混合されることは、前述のとおりである。さらに、混合室１５と成膜室１７との連接部は、成膜室１７へ向かって断面積が減少する平滑な誘導面としたので、混合され流速分布が均一化された原料ガスを滑らかに成膜室入口開口１９ａに導入することができる。
【００３３】
成膜室１７の基板上の空間内での原料ガスの流速分布について、シュミレーションした結果を、その寸法・条件の例を示しつつ、図４によって説明する。
図４は、横軸に成膜室１７の幅方向中心から幅方向の距離を示し、縦軸に原料ガスの流速を成膜室入口１９ａから出口１９ｂ方向への距離をパラメータとして示したものである。混合室１５への原料ガスの流入条件は、成膜室方向の供給管２０からは、２ｍ／ｓであり、それと垂直な方向の供給管２０からは４ｍ／ｓである。
また、原料ガスの供給速度すなわち成膜室入口１９ａにおける原料ガスの流速は，約８ｍ／ｓとなるように調整して供給したものである。
【００３４】
図４から明らかなように、成膜室入口１９ａにおいて流速Ｖ0ｍ/ｓで供給された原料ガスは、成膜室１７内で加熱されるので、熱膨張し、下流側へいくほど速度が速くなり，入口１９ａから１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍの位置ではそれぞれＶ10，Ｖ20，Ｖ30となるが、どの断面でも幅方向では、ほぼ一様な流速分布を保っている。
この様に、成膜室１７内の幅方向で原料ガスの流速が一様に保たれるので、幅方向に一様な厚みの膜が生成される。
【００３５】
次に、図５に基づき、長さ方向の成膜傾向について説明する。
成膜室１７の入口１９ａから成膜室出口１９ｂまでの間の成膜傾向は、先ず図５の線４ａに示すように原料ガスの流速と温度の増加に対応して大きくなる。また、入口から遠ざかるにしたがって、線４ｂに示すように小さくなることがわかった（これは原料ガス内の成膜成分微粒子が消費され、その量が減少するためと思われる）。
成膜室１７内では、この様に成膜成分微粒子の消費による減少傾向４ｂと流速及び温度による増加傾向４ａが同時に生じる。このため、成膜室入口１９ａから成膜室出口１９ｂに向かっての成膜傾向は線４ｃに示すようにほぼ一定の傾向を示すことになる。
【００３６】
しかし、この二つの傾向が完全に相殺されるとはかぎらないので、成膜傾向４ｃが入口からの距離に応じて、多少傾斜することがある。
その場合、成膜室１７の両端にほぼ同一構造の混合室１５と排出室１６を設けた構成により、基板上の原料ガスの流動方向を切換弁などで所定時間ごとに切り換えて供給することにより、原料ガスの流動方向を反対方向に切り換えることになるので、成膜傾向４ｃが相殺されて長さ方向にも一様な厚さの膜を生成することができる。
【００３７】
混合室１５は、加熱装置２４が混合室の下部まで伸びているので、原料ガスの混合をするとともに予熱をする機能を有する。したがって、混合することにより、成膜室１７での整流を均一に保ち、生成された膜の厚みを一様にするとともに、原料ガスが予熱されることにより、成膜室１７に流入したとき熱分解温度への到達が早く、膜の生成時間を短縮できる。なお、この実施例では、原料ガスの予熱は、基板１８を加熱する加熱装置２４と一体になっているが、別に設けてもよい。別に設けた方が予熱の温度を独自に制御できるので、好ましい。
【００３８】
また、上記実施例では、原料ガスの供給に、３本の供給管２０と排出管２１を用い、その開口方向が交差又は対向するものとしたが、これに限定されるものではなく、要は成膜室入口への供給速度分布が一様になるものであればよく、原料ガス同士の衝突が生じない構成のものや供給管又は排出管が３本以外のものも含まれる。さらに、誘導面２７は、平面としたが、原料ガスを誘導すればよいので、曲面など適宜変化させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例の縦断面図である。
【図２】本発明の実施例の横断面図である。
【図３】本発明の実施例の部分拡大図である。
【図４】本発明における成膜室内の原料ガスの流速分布図である。
【図５】成膜傾向の特性を示す図である。
【図６】従来技術の部分拡大図である。
【図７】従来技術の流路の各部分の断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  成膜装置
１１  上部本体
１２  下部本体
１３  サセプタ
１４  スペーサ
１５  混合室
１６  排出室
１７  成膜室
１８  基板
１９  開口端
１９ａ  成膜室入口
１９ｂ  成膜室出口
２０  供給管
２１  排出管
２２  供給口
２４  加熱装置
２７  誘導面
３０  凹部
【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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【図７】
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