JP2002180253A - Thermal cvd system for depositing graphite nanofiber thin film - Google Patents
Thermal cvd system for depositing graphite nanofiber thin filmInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、基板上にグラファ
イトナノファイバー薄膜を形成するための熱ＣＶＤ装置
に関する。[0001] The present invention relates to a thermal CVD apparatus for forming a graphite nanofiber thin film on a substrate.
【０００２】[0002]
【従来の技術】グラファイトナノファイバー薄膜は、例
えば、平面ディスプレー（電界放出型ディスプレー）や
ＣＲＴの電子管球の代用として電子発光素子を必要とす
る部品上に形成される。グラファイトナノファイバー薄
膜を形成するには、例えば、熱ＣＶＤ装置が使用され、
このような熱ＣＶＤ装置は特願２０００−８９４６８号
明細書に記載されている。2. Description of the Related Art A graphite nanofiber thin film is formed on a component requiring an electroluminescent element as a substitute for a flat panel display (field emission display) or an electron tube of a CRT, for example. To form a graphite nanofiber thin film, for example, a thermal CVD apparatus is used,
Such a thermal CVD apparatus is described in Japanese Patent Application No. 2000-89468.
【０００３】該熱ＣＶＤ装置は、真空チャンバー（真空
雰囲気の形成を可能とする成膜室）を備えており、該真
空チャンバー内部には、ガラスやＳｉなどからなる基板
であって、ＦｅやＣｏ薄膜の形成された基板の装着され
た基板ホルダーが配設され、この基板上にグラファイト
ナノファイバー薄膜が形成される。また、真空チャンバ
ーの上部壁面には、被処理基板に対向して石英ガラスな
どの耐熱性ガラスからなる赤外線透過窓が設けられ、こ
の透過窓の外側には加熱手段である赤外線ランプが配設
され、被処理基板を加熱できるように構成されている。The thermal CVD apparatus is provided with a vacuum chamber (a film forming chamber capable of forming a vacuum atmosphere). Inside the vacuum chamber, a substrate made of glass, Si, or the like is used. A substrate holder having a substrate on which the thin film is formed is provided, and a graphite nanofiber thin film is formed on the substrate. In addition, an infrared transmission window made of heat-resistant glass such as quartz glass is provided on the upper wall surface of the vacuum chamber so as to face the substrate to be processed, and an infrared lamp serving as heating means is provided outside the transmission window. The substrate to be processed can be heated.
【０００４】この熱ＣＶＤ装置によれば、赤外線ランプ
によって被処理基板を加熱しつつ、真空チャンバーの側
壁に設けられた１箇所のガス導入口から真空チャンバー
内に、水素ガスと一酸化炭素ガスとの混合ガスを導入す
ることによって、該基板上にグラファイトナノファイバ
ー薄膜を成長させる。ここで、真空チャンバーに導入さ
れる混合ガスは所定の反応温度（４５０℃）以上に加熱
されることなく被処理基板に到達させる必要がある。他
方で、グラファイトナノファイバーの成長速度を高める
には、被処理基板に到達した混合ガスをその反応温度ま
で速やかに上昇させる必要がある。この場合、真空チャ
ンバーの底面、側壁に何枚かの反射板を設けて混合ガス
の加熱効率を高めることもできるが、これでは、反射板
にもグラファイトナノファイバー薄膜が成長し、コンタ
ミネーションの原因になるので、反射板のクリーニング
を頻繁に行わなければならない。このため、上記装置で
は、外壁が冷却可能である真空チャンバーの内壁を鏡面
仕上げして、加熱効率を高めると共に、真空チャンバー
内のクリーニングの間隔を長くできるようにしている。According to this thermal CVD apparatus, while a substrate to be processed is heated by an infrared lamp, hydrogen gas and carbon monoxide gas are introduced into the vacuum chamber from one gas inlet provided on the side wall of the vacuum chamber. By introducing a mixed gas of the above, a graphite nanofiber thin film is grown on the substrate. Here, the mixed gas introduced into the vacuum chamber needs to reach the substrate to be processed without being heated to a predetermined reaction temperature (450 ° C.) or higher. On the other hand, in order to increase the growth rate of the graphite nanofiber, it is necessary to quickly raise the mixed gas that has reached the substrate to be processed to its reaction temperature. In this case, it is possible to increase the heating efficiency of the mixed gas by providing several reflectors on the bottom and side walls of the vacuum chamber, but in this case, a graphite nanofiber thin film grows on the reflectors as well, which causes contamination. Therefore, the reflector must be cleaned frequently. For this reason, in the above-mentioned apparatus, the inner wall of the vacuum chamber whose outer wall is coolable is mirror-finished to increase the heating efficiency and to increase the cleaning interval in the vacuum chamber.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、加熱手
段からの熱線を反射するように真空チャンバーの内壁を
鏡面仕上げすると共に、真空チャンバーの壁面を冷却す
る冷却手段を真空チャンバーに付設しただけでは、満足
できる加熱効率を達成し難いという問題がある。However, it is not sufficient to merely mirror-finish the inner wall of the vacuum chamber so as to reflect the heat rays from the heating means and to provide the vacuum chamber with cooling means for cooling the wall surface of the vacuum chamber. There is a problem that it is difficult to achieve a possible heating efficiency.
【０００６】また、真空チャンバー内のクリーニングの
間隔を長くできるとしても、構成部材のクリーニングや
交換は頻繁にやらなければならない。このようなクリー
ニングは、手間がかかり、コストも嵩む上、生産ライン
を長い時間止めておかなければならず、経済的ではない
という問題がある。Further, even if the cleaning interval in the vacuum chamber can be lengthened, the cleaning and replacement of the constituent members must be performed frequently. Such cleaning is troublesome and expensive, and requires a long production line stop, which is not economical.
【０００７】さらに、上記熱ＣＶＤ装置では、真空チャ
ンバー側壁に設けた１個所のガス導入口から混合ガスを
導入するため、グラファイトナノファイバー薄膜の膜厚
分布を制御することは困難である。この場合、成膜室の
側壁にガス導入口を複数設け、これらのガス導入口から
混合ガスを真空チャンバー内に導入することが考えられ
る。しかしながら、これでは２００ｍｍ×２００ｍｍ程
度の略正方形基板やφ２００ｍｍ程度の円形基板はとも
かく、例えば１ｍ×１ｍサイズのような大きな被処理基
板やＡ４サイズのような矩形の被処理基板に対してグラ
ファイトナノファイバー薄膜の膜厚分布が均一になるよ
うにガス導入口の配設位置を適切に設計することは困難
である。Furthermore, in the above-mentioned thermal CVD apparatus, it is difficult to control the film thickness distribution of the graphite nanofiber thin film because the mixed gas is introduced from one gas inlet provided on the side wall of the vacuum chamber. In this case, it is conceivable to provide a plurality of gas inlets on the side wall of the film formation chamber and to introduce a mixed gas into the vacuum chamber from these gas inlets. However, in this case, aside from a substantially square substrate of about 200 mm × 200 mm and a circular substrate of about φ200 mm, for example, the graphite nanofiber is applied to a large substrate such as 1 m × 1 m or a rectangular substrate such as A4 size. It is difficult to appropriately design the arrangement position of the gas inlet so that the film thickness distribution of the thin film becomes uniform.
【０００８】そこで、本発明の課題は、上記従来技術の
問題点を解消し、被処理基板に対する加熱効率を高めて
グラファイトナノファイバーの成長速度を高めることが
できると共に、装置のクリーニング間隔を長くでき、そ
の上、被処理基板のサイズや外形に関係なく、膜厚分布
の均一なグラファイトナノファイバー薄膜の形成が可能
な熱ＣＶＤ装置を提供することにある。Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, to increase the heating rate of the substrate to be processed, to increase the growth rate of the graphite nanofiber, and to increase the cleaning interval of the apparatus. Another object of the present invention is to provide a thermal CVD apparatus capable of forming a graphite nanofiber thin film having a uniform film thickness distribution regardless of the size and the outer shape of a substrate to be processed.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明の熱ＣＶＤ装置
は、真空チャンバーの上部に、被処理基板に対向して加
熱手段が設けられ、該加熱手段で被処理基板を加熱しつ
つ、真空チャンバー内に炭素含有ガスと水素ガスとの混
合ガスを導入することで、該基板上にグラファイトナノ
ファイバー薄膜を形成する熱ＣＶＤ装置において、該被
処理基板を装着するための基板ホルダー及び該真空チャ
ンバーの底面に設けられた基板ホルダー載置用支柱とし
てＳｉＣ製のものを用い、該加熱手段からの熱線を反射
するように真空チャンバーの内壁が鏡面仕上げされてい
ると共に、真空チャンバーの壁面を冷却する冷却手段が
真空チャンバーに付設されており、該被処理基板の高さ
位置より下側で、該被処理基板をその外周の近傍で囲繞
するようにガス噴射ノズル手段が設けられ、真空チャン
バー外部のガス源に接続された該ガス噴出ノズル手段
は、その内部にガス流路を有すると共に、その上面に、
ガス流路に連通する複数のガス噴射口が列設されてお
り、該混合ガスの導入が該ガス噴射ノズル手段を介して
行われることを特徴とする。According to the thermal CVD apparatus of the present invention, a heating means is provided on an upper portion of a vacuum chamber so as to face a substrate to be processed. In a thermal CVD apparatus for forming a graphite nanofiber thin film on the substrate by introducing a mixed gas of a carbon-containing gas and a hydrogen gas into a substrate holder and a vacuum chamber for mounting the substrate to be processed. A substrate holder mounting column provided on the bottom surface is made of SiC, and the inner wall of the vacuum chamber is mirror-finished so as to reflect the heat rays from the heating means, and cooling for cooling the wall surface of the vacuum chamber. Means are attached to the vacuum chamber, and gas injection is performed so as to surround the substrate to be processed near the outer periphery of the substrate to be processed below the height of the substrate to be processed. Nozzle means are provided, along with connected the gas injection nozzle unit to a gas source of the vacuum chamber outside, has a gas passage therein, on its upper surface,
A plurality of gas injection ports communicating with the gas flow path are arranged, and the introduction of the mixed gas is performed through the gas injection nozzle means.
【００１０】本発明によれば、被処理基板を装着するた
めの基板ホルダー及び真空チャンバーの底面に設けられ
た基板ホルダー載置用支柱がＳｉＣ製のものであると共
に、真空チャンバー内壁が鏡面加工されており、かつ、
真空チャンバーにその壁面を冷却する冷却手段が付設さ
れているので、被処理基板に対する加熱効率が高まり、
その結果、グラファイトナノファイバーの成長速度が高
まる。ＳｉＣ製のものを用いるとよいのは、ＳｉＣが熱
伝導性に優れ、光の吸収もよく、耐熱性にも富んでいる
からである。また、真空チャンバー内壁が鏡面加工され
ているので、真空チャンバー上部の加熱手段からの熱線
が該内壁で多重繰り返し反射され、該チャンバー内に反
射板を配設している場合と同様に被処理基板の加熱効率
を高めることもできる。他方で、被処理基板をその外周
の近傍で囲繞するように設けたガス噴出ノズル手段を用
いているので、そのノズル手段の上面に列設された複数
のガス噴射口から一旦上方に向かって噴出された混合ガ
スは、被処理基板の上方全体に亘って均一に拡散し、次
いで、下方に向かって均等に下降し、被処理基板全体に
亘って一様に到達する。そのため、被処理基板が比較的
大きな寸法を有していたり、矩形の外形を有していて
も、被処理基板のサイズや外形に関係なく該基板上に膜
厚分布の均一なグラファイトナノファイバー薄膜を形成
できる。また、鏡面仕上げは、研磨仕上げによって行わ
れるか、または熱伝導性が高くかつ熱線反射性を有する
金属材料の溶射により真空チャンバーの内壁を被覆する
ことによって行われることが好ましい。According to the present invention, the substrate holder for mounting the substrate to be processed and the support for mounting the substrate holder provided on the bottom surface of the vacuum chamber are made of SiC, and the inner wall of the vacuum chamber is mirror-finished. And
Since the cooling means for cooling the wall surface of the vacuum chamber is provided, the heating efficiency for the substrate to be processed is increased,
As a result, the growth rate of the graphite nanofiber increases. The reason why SiC is used is that SiC is excellent in thermal conductivity, absorbs light well, and has high heat resistance. Further, since the inner wall of the vacuum chamber is mirror-finished, the heat rays from the heating means on the upper portion of the vacuum chamber are reflected multiple times repeatedly on the inner wall, and the substrate to be processed is disposed in the same manner as in the case where the reflector is provided in the chamber. Can also increase the heating efficiency. On the other hand, since the gas ejection nozzle means provided so as to surround the substrate to be processed in the vicinity of the outer periphery thereof is used, the gas ejection nozzle means is ejected once upward from a plurality of gas ejection ports arranged on the upper surface of the nozzle means. The mixed gas diffuses uniformly over the entire substrate to be processed, then descends uniformly downward, and reaches the entire substrate uniformly. Therefore, even if the substrate to be processed has a relatively large dimension or a rectangular outer shape, the graphite nanofiber thin film having a uniform thickness distribution on the substrate regardless of the size and outer shape of the substrate to be processed. Can be formed. In addition, the mirror finish is preferably performed by polishing finish or by coating the inner wall of the vacuum chamber by spraying a metal material having high heat conductivity and heat ray reflectivity.
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】図１を参照して、以下、本発明の
熱ＣＶＤ装置について説明する。例えばＡ４サイズの矩
形の被処理基板Ｓ上にグラファイトナノファイバー薄膜
を形成する熱ＣＶＤ装置１は、ロードロック室１１と真
空チャンバー（以下、成膜室と称す）１２とを備え、ロ
ードロック室１１と成膜室１２とはゲートバルブ１３を
介して接続されている。ロードロック室１１の果たす役
割は、ガラスやＳｉなどから製造された基板であって、
成膜面にＦｅやＣｏなどの金属薄膜が形成された被処理
基板Ｓを一旦真空雰囲気に曝すことにより、被処理基板
表面の水分等を除去することにある。このため、該ロー
ドロック室１１には、真空ポンプ１１１が接続されてい
ると共に、その真空度をモニターする真空計１１２が配
設されている。また、該ロードロック室１１には、被処
理基板Ｓが装着された基板ホルダー１６を搬送する搬送
アーム１５が設けられている。該搬送アーム１５は、サ
ーボモータ（図示せず）を備えた回転軸１５１の上端に
固着された第１アーム１５２と、各第１アーム１５２の
他端に枢支された第２アーム１５３と、該第２アーム１
５３の他端に枢支されると共に、被処理基板Ｓが装着さ
れた基板ホルダー１６を下側から支持するフォーク状の
支持部を備えた第３アーム１５４とからなる。そして、
第２及び第３の各アーム１５３、１５４を旋回させるこ
とで搬送アーム１５は伸縮自在となる。また、被処理基
板Ｓを装着した基板ホルダー１６の受渡等のため回転軸
１５１は短いストロークで昇降自在である。この搬送ア
ーム１５によって外部から、基板ホルダー１６に装着さ
れた被処理基板Ｓをロードロック室１１に収容し、所定
の真空度（例えば、０．０１Ｔｏｒｒ程度）まで真空排
気した後、ゲートバルブ１３を開けて、所定の真空度
（例えば、０．０１Ｔｏｒｒ程度）に真空排気した成膜
室１２内へと被処理基板Ｓを基板ホルダー１６と共に搬
送する。そして、搬送アーム１５を再びロードロック室
１１に戻して、ゲートバルブ１３を閉じる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A thermal CVD apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIG. For example, the thermal CVD apparatus 1 for forming a graphite nanofiber thin film on an A4-size rectangular substrate to be processed S includes a load lock chamber 11 and a vacuum chamber (hereinafter, referred to as a film formation chamber) 12. And the film forming chamber 12 are connected via a gate valve 13. The role played by the load lock chamber 11 is a substrate manufactured from glass, Si, or the like,
The object of the present invention is to remove the moisture and the like from the surface of the substrate to be processed by once exposing the substrate to be processed S, on which a metal thin film of Fe, Co or the like is formed, to a vacuum atmosphere. For this purpose, a vacuum pump 111 is connected to the load lock chamber 11 and a vacuum gauge 112 for monitoring the degree of vacuum is provided. The load lock chamber 11 is provided with a transfer arm 15 for transferring a substrate holder 16 on which the substrate S to be processed is mounted. The transfer arm 15 includes a first arm 152 fixed to an upper end of a rotary shaft 151 having a servomotor (not shown), a second arm 153 pivotally supported by the other end of each first arm 152, The second arm 1
A third arm 154 pivotally supported by the other end of the substrate 53 and having a fork-like support portion for supporting the substrate holder 16 on which the substrate S to be processed is mounted from below. And
By rotating the second and third arms 153 and 154, the transfer arm 15 can be extended and contracted. Further, the rotation shaft 151 can be moved up and down with a short stroke for delivery of the substrate holder 16 on which the substrate S to be processed is mounted. The substrate S to be processed mounted on the substrate holder 16 is housed in the load lock chamber 11 from the outside by the transfer arm 15 and evacuated to a predetermined degree of vacuum (for example, about 0.01 Torr). After being opened, the substrate S to be processed is transported together with the substrate holder 16 into the film forming chamber 12 evacuated to a predetermined degree of vacuum (for example, about 0.01 Torr). Then, the transfer arm 15 is returned to the load lock chamber 11 again, and the gate valve 13 is closed.
【００１２】成膜室１２の底面には、搬送アーム１５に
よって搬送されてきた被処理基板Ｓの装着された基板ホ
ルダー１６を載置する３本の支柱１２１が、該基板ホル
ダー１６の面積に対応して略三角形を形成するように配
設されている。そして、該支柱１２１のうち、ロードロ
ック室１１側に位置するものが、第３アーム１５４のフ
ォーク状の支持部相互の間隙に位置して該搬送アーム１
５のガイドとしての役割を果たす。尚、本実施の形態で
は、被処理基板Ｓが装着された基板ホルダー１６を搬送
することとしたが、成膜室１２内の支柱１２１上に基板
ホルダー１６を固定しておき、被処理基板Ｓを搬送する
ように構成することもできる。支柱１２１の数は、上記
実施の形態では３本としたが、この本数に制限があるわ
けではなく、被処理基板Ｓや基板ホルダー１６の面積な
どに応じて任意の本数を配設することができる。On the bottom surface of the film forming chamber 12, three columns 121 for mounting a substrate holder 16 on which the substrate S to be processed transferred by the transfer arm 15 is mounted correspond to the area of the substrate holder 16. To form a substantially triangular shape. The column 121 located on the load lock chamber 11 side is located in the gap between the fork-shaped support portions of the third arm 154 and the transfer arm 1
5 serves as a guide. In this embodiment, the substrate holder 16 on which the substrate to be processed S is mounted is transported. However, the substrate holder 16 is fixed on the support 121 in the film forming chamber 12 and the substrate to be processed S Can be transported. Although the number of the support columns 121 is three in the above embodiment, the number is not limited, and an arbitrary number may be provided according to the area of the substrate S to be processed or the substrate holder 16. it can.
【００１３】また、成膜室１２の上部壁面には、被処理
基板Ｓに対向して石英ガラスなどの耐熱性ガラスからな
る赤外線透過窓１２２が設けられている。この透過窓１
２２の外側には、所定の配列を有してなる加熱手段であ
る複数本の赤外線ランプ１７が配設され、被処理基板Ｓ
をその全面に亘って均等に加熱するように構成されてい
る。そして、該成膜室１２にもまた、ロードロック室１
１と同様に、真空雰囲気の形成が可能であるように、真
空ポンプ１２３がその前後に１２３ａ、１２３ｂを介在
させて設けられていると共に、その真空度をモニターす
る真空計１２４が配設されている。また、真空ポンプ１
２３をバイパスする配管がバルブ１２３ｃを介在させて
設けられている。An infrared transmission window 122 made of heat-resistant glass such as quartz glass is provided on the upper wall surface of the film forming chamber 12 so as to face the substrate S to be processed. This transmission window 1
A plurality of infrared lamps 17, which are heating means having a predetermined arrangement, are provided outside the substrate 22.
Is uniformly heated over the entire surface. The film formation chamber 12 is also provided with the load lock chamber 1.
As in the case of 1, a vacuum pump 123 is provided before and after the vacuum pump 123 so that a vacuum atmosphere can be formed, and a vacuum gauge 124 for monitoring the degree of vacuum is provided. I have. In addition, vacuum pump 1
A pipe bypassing 23 is provided with a valve 123c interposed.
【００１４】さらに、成膜室１２には混合ガス供給系１
８が接続されている。該混合ガス供給系１８は、バルブ
１８１ａからガス流量調節器１８１ｂ、圧力調整器１８
１ｃ及びバルブ１８１ｄを介して一酸化炭素などの炭素
含有ガス用のボンベ１８１ｅにガス配管にて直列に連な
っている炭素含有ガス供給系１８１と、バルブ１８２ａ
からガス流量調節器１８２ｂ、圧力調整器１８２ｃ及び
バルブ１８２ｄを介して水素ガス用のボンベ１８２ｅに
ガス配管にて直列に連なっている水素ガス供給系１８２
とからなっている。そして、炭素含有ガス供給系１８１
と水素ガス供給系１８２とは、バルブ１８１ａ、１８２
ａの下流側で合流し、成膜室１２内に炭素含有ガスと水
素ガスとの混合ガスを導入することができるようになっ
ている。尚、グラファイトナノファイバー薄膜を形成す
るのに、炭素含有ガスの他に水素ガスを用いるのは、気
相反応における希釈及び触媒作用のためである。Further, the mixed gas supply system 1 is
8 are connected. The mixed gas supply system 18 includes a valve 181a, a gas flow controller 181b, a pressure controller 18
A carbon-containing gas supply system 181 connected in series by a gas pipe to a cylinder 181e for a carbon-containing gas such as carbon monoxide via a valve 1c and a valve 181d;
A hydrogen gas supply system 182 connected in series to a hydrogen gas cylinder 182e via a gas pipe via a gas flow controller 182b, a pressure controller 182c, and a valve 182d.
It consists of Then, the carbon-containing gas supply system 181
And the hydrogen gas supply system 182 are connected to the valves 181a and 182.
a, and a mixed gas of a carbon-containing gas and a hydrogen gas can be introduced into the film forming chamber 12. The reason why a hydrogen gas is used in addition to a carbon-containing gas to form a graphite nanofiber thin film is because of dilution and catalytic action in a gas phase reaction.
【００１５】ここで、成膜室１２内に導入される混合ガ
スは、所定の反応温度（４５０℃）以上に加熱されるこ
となく被処理基板Ｓに到達させる必要があるが、グラフ
ァイトナノファイバー薄膜の成長速度を高めるには、被
処理基板Ｓに到達した混合ガスをその反応温度まで速や
かに昇温させる必要がある。この場合、真空チャンバー
の底面に何枚かの反射板を設けて混合ガスの加熱効率を
高めることもできるが、これでは反射板にもグラファイ
トナノファイバー薄膜が成長し、コンタミネーションの
原因になるので反射板のクリーニングを頻繁に行わなけ
ればならないばかりでなく、反射板表面に成長したグラ
ファイトナノファイバーが赤外線ランプ１７からの熱線
を吸収してしまい、却って加熱効率を低下させる。Here, it is necessary that the mixed gas introduced into the film forming chamber 12 reach the substrate S without being heated to a predetermined reaction temperature (450 ° C.) or higher. In order to increase the growth rate of the substrate, it is necessary to quickly raise the temperature of the mixed gas that has reached the substrate S to be processed to the reaction temperature. In this case, it is possible to increase the heating efficiency of the mixed gas by providing several reflectors on the bottom surface of the vacuum chamber, but in this case, a graphite nanofiber thin film grows on the reflectors, which causes contamination. Not only must the reflector be cleaned frequently, but also the graphite nanofibers that have grown on the surface of the reflector absorb the heat rays from the infrared lamp 17 and, on the contrary, lower the heating efficiency.
【００１６】そこで、本実施の形態では、基板ホルダー
１６及び支柱１２１としてＳｉＣ製のものを用いると共
に、赤外線ランプ１７からの光を反射するように、金属
製成膜室１２の内壁１２ａを鏡面仕上げした。この鏡面
仕上げについては、該内壁１２ａをホーミング加工など
の研磨により鏡面仕上げすることもできるが、例えばア
ルミナなどの熱伝導性が高くかつ熱線反射性を有する金
属材料の溶射によって、成膜室の内壁１２ａを被覆し、
鏡面仕上げすることもできる。また、内壁１２ａの表面
温度を所定の温度以下に保持し、グラファイトナノファ
イバー薄膜が成長しないように成膜室１２の外壁１２ｂ
の周囲に冷却水ライン２０を蛇行して配設し、グラファ
イトナノファイバー薄膜形成プロセスを行っている間、
冷却水ライン２０に冷却水を流すことで成膜室１２の外
壁を冷却可能とした。尚、冷却ライン２０によって、後
述のガス噴射ノズル手段も冷却される。なお、本実施の
形態では、成膜室１２の外壁１２ｂの周囲に冷却水ライ
ン２０を蛇行して配設したが、成膜室１２の外壁１２ｂ
を覆う水冷ジャケットにしてもよい。Therefore, in the present embodiment, the substrate holder 16 and the pillars 121 are made of SiC, and the inner wall 12a of the metal film forming chamber 12 is mirror-finished so as to reflect the light from the infrared lamp 17. did. As for the mirror finish, the inner wall 12a can be mirror-finished by polishing such as homing, but the inner wall of the film forming chamber is sprayed with a metal material having high heat conductivity and heat ray reflectivity such as alumina. 12a,
Mirror finish is also available. Further, the surface temperature of the inner wall 12a is maintained at a predetermined temperature or less, and the outer wall 12b
The cooling water line 20 is arranged in a meandering manner around the, and while performing the graphite nanofiber thin film forming process,
The outer wall of the film forming chamber 12 can be cooled by flowing cooling water through the cooling water line 20. The cooling line 20 also cools gas injection nozzle means described later. In the present embodiment, the cooling water line 20 is arranged in a meandering manner around the outer wall 12 b of the film forming chamber 12.
May be a water-cooled jacket.
【００１７】また、混合ガス供給系１８を介して混合ガ
スを成膜室１２に導入する場合、従来の熱ＣＶＤ装置の
ように、被処理基板Ｓの上方に位置して該成膜室１２の
側壁に設けた１箇所のガス導入口から混合ガスを導入す
るのでは、比較的大きな基板や矩形の基板に対してグラ
ファイトナノファイバー薄膜の膜厚分布を均一にするの
は困難である。そこで、本実施の形態では、混合ガスの
導入を、被処理基板Ｓの高さ位置より下側で、被処理基
板Ｓをその外周の近傍で囲繞するように設けたガス噴射
ノズル手段１９を介して行なうこととした。When the mixed gas is introduced into the film forming chamber 12 through the mixed gas supply system 18, the gas is located above the substrate S to be processed as in a conventional thermal CVD apparatus. If a mixed gas is introduced from one gas inlet provided on the side wall, it is difficult to make the film thickness distribution of the graphite nanofiber thin film uniform on a relatively large substrate or a rectangular substrate. Therefore, in the present embodiment, the introduction of the mixed gas is performed through the gas injection nozzle means 19 provided below the height position of the substrate S to surround the substrate S near the outer periphery thereof. I decided to do it.
【００１８】図２及び図３を参照すれば、環状のガス噴
射ノズル手段１９は、その内部に混合ガス流路１９１を
備え、その上面には、該ガス流路１９１に連通する複数
個のガス噴射口１９２が列設されている。また、ガス噴
射ノズル手段１９の上面には、ガス流路１９１に通じる
継手を備えた混合ガス供給部１９３が開設され、該継手
には混合ガス供給系１８のガス配管の一端が接続されて
いる。ここで、このようにガス噴射ノズル手段１９を形
成した場合、赤外線ランプ１７によって、被処理基板
Ｓ、基板ホルダー１６などと共に、ガス噴射ノズル手段
１９自体も加熱されてしまう。そして、該ガス噴射ノズ
ル手段１９の表面温度が所定の温度以上になると、そこ
にグラファイトナノファイバー薄膜が成長し得る。グラ
ファイトナノファイバー膜が成長するとコンタミネーシ
ョンの原因になるので、ガス噴射ノズル手段１９を頻繁
にクリーニング或いは交換する必要が生じる。このた
め、本実施の形態では、ガス噴射ノズル手段１９を、熱
伝導率の高い金属材料である銅から形成し、冷却可能な
成膜室１２の底面に面接触させて配設した。なお、本実
施の形態では、ガス噴射ノズル手段１９を環状とした
が、成膜室１２内に混合ガスを均一に噴射し得るもので
あればその外形は問わない。また、ガス噴射ノズル手段
１９の配設位置に対応して基板ホルダー１６が載置され
る支柱１２１の高さ寸法は、ガス噴射ノズル手段１９の
ガス噴射口１９２から上方に向かって噴出された混合ガ
スが赤外線ランプ１７で所定温度以上に加熱されること
なく、被処理基板Ｓに到達するように定寸されている。Referring to FIG. 2 and FIG. 3, the annular gas injection nozzle means 19 has a mixed gas flow path 191 therein, and a plurality of gas communication ports connected to the gas flow path 191 on its upper surface. The injection ports 192 are arranged in line. On the upper surface of the gas injection nozzle means 19, a mixed gas supply unit 193 having a joint communicating with the gas flow path 191 is opened, and one end of a gas pipe of the mixed gas supply system 18 is connected to the joint. . Here, when the gas injection nozzle means 19 is formed in this way, the gas injection nozzle means 19 itself is heated by the infrared lamp 17 together with the substrate S to be processed, the substrate holder 16 and the like. Then, when the surface temperature of the gas injection nozzle means 19 becomes higher than a predetermined temperature, a graphite nanofiber thin film can grow thereon. Since the growth of the graphite nanofiber film causes contamination, it is necessary to frequently clean or replace the gas injection nozzle means 19. For this reason, in the present embodiment, the gas injection nozzle means 19 is formed from copper, which is a metal material having high thermal conductivity, and is arranged in surface contact with the bottom surface of the film forming chamber 12 which can be cooled. In the present embodiment, the gas injection nozzle means 19 is annular, but the outer shape is not limited as long as the gas mixture can be uniformly injected into the film forming chamber 12. The height of the column 121 on which the substrate holder 16 is placed corresponding to the disposition position of the gas injection nozzle means 19 is determined by the height of the mixing jet injected upward from the gas injection port 192 of the gas injection nozzle means 19. The size is set so that the gas reaches the target substrate S without being heated to a predetermined temperature or more by the infrared lamp 17.
【００１９】次に、上記装置を使用したグラファイトナ
ノファイバー薄膜形成プロセスについて説明する。Next, a process for forming a graphite nanofiber thin film using the above apparatus will be described.
【００２０】被処理基板Ｓとして、ＥＢ蒸着法によりガ
ラス基板上にＦｅを１００ｎｍの厚さで蒸着したものを
使用する。このようにＦｅが蒸着された被処理基板Ｓを
ＳｉＣ製基板ホルダー１６上に装着したものを、ロード
ロック室１１の外側から搬送アーム１５によって該ロー
ドロック室１１に一旦収納し、真空ポンプ１１１を起動
して真空計１１２で測定しながら０．０１Ｔｏｒｒ程度
まで真空排気を行う。それに併せて、内壁面が鏡面仕上
げされている成膜室も、真空ポンプ１２３を起動して真
空計１２４で測定しながら０．０１Ｔｏｒｒ程度になる
まで真空排気を行う。そして、ロードロック室１１及び
成膜室１２が所定の真空度に達した後、所定の時間が経
過したらゲートバルブ１３を開け、成膜室１２内の基板
ホルダー用ＳｉＣ製支柱１２１上に、被処理基板Ｓが装
着された基板ホルダー１６を載置する。この状態で、一
酸化炭素ガスボンベ１８１ｅと水素ガスボンベ１８２ｅ
との元栓を開き、圧力調整器１８１ｃ、１８２ｃにより
約１気圧（絶対圧力）に調整する。そして、バルブ１８
１ａ、１８２ａを開き、ガス流量調節器１８１ｂ、１８
２ｂにより、一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガス
（ＣＯ：Ｈ2＝３０：７０のガス比）を約１０００ｓｃ
ｃｍ程度に調整して、成膜室１２内に、被処理基板ホル
ダー１６の下方から、ガス噴射ノズル手段１９を介して
導入し、ガス置換を行った。この時、真空ポンプ１２３
を停止し、真空ポンプ１２３の前後に設けたバルブ１２
３ａ、１２３ｂを閉状態にし、バイパス配管のバルブ１
２３ｃを開状態にしておき、成膜室１２がほぼ大気圧
（７６０Ｔｏｒｒ）となるようにした。この場合、赤外
線ランプ１７を付勢して被処理基板Ｓを５００℃に加熱
した状態で混合ガスを導入した。As the substrate S to be processed, a substrate obtained by depositing Fe with a thickness of 100 nm on a glass substrate by an EB evaporation method is used. The substrate to be processed S on which Fe is deposited as described above is mounted on a substrate holder 16 made of SiC, and is temporarily stored in the load lock chamber 11 by the transfer arm 15 from outside the load lock chamber 11. The apparatus is activated and evacuated to about 0.01 Torr while measuring with the vacuum gauge 112. At the same time, the film forming chamber whose inner wall surface is mirror-finished is also evacuated to about 0.01 Torr while the vacuum pump 123 is activated and the vacuum gauge 124 is used for measurement. After a predetermined time elapses after the load lock chamber 11 and the film forming chamber 12 reach a predetermined degree of vacuum, the gate valve 13 is opened, and the substrate holder SiC support 121 in the film forming chamber 12 is covered. The substrate holder 16 on which the processing substrate S is mounted is placed. In this state, a carbon monoxide gas cylinder 181e and a hydrogen gas cylinder 182e
Is opened, and the pressure is adjusted to about 1 atm (absolute pressure) by the pressure adjusters 181c and 182c. And the valve 18
1a, 182a are opened and the gas flow controllers 181b, 18
2b, the mixed gas of carbon monoxide gas and hydrogen gas (CO: H 2 = gas ratio of 30:70) is about 1000 sc
cm, and introduced into the film forming chamber 12 from below the substrate holder 16 to be processed through the gas injection nozzle means 19 to perform gas replacement. At this time, the vacuum pump 123
Is stopped, and the valve 12 provided before and after the vacuum pump 123 is stopped.
3a and 123b are closed, and the valve 1 of the bypass pipe is closed.
23c was kept open so that the film forming chamber 12 was almost at atmospheric pressure (760 Torr). In this case, the mixed gas was introduced while the substrate S to be processed was heated to 500 ° C. by energizing the infrared lamp 17.
【００２１】そして、成膜室１２内の圧力が大気圧にな
った後、５００℃で１０分間にわたって、熱ＣＶＤ法に
より該基板上でグラファイトナノファイバーの成長反応
を行った。一酸化炭素ガスが被処理基板Ｓ上に達する
と、一酸化炭素が解離し、被処理基板上に蒸着されたＦ
ｅ薄膜上にグラファイトナノファイバー薄膜が形成され
た。上記したように基板ホルダー及び基板ホルダー用支
柱をＳｉＣ製のものとし、内壁面が鏡面仕上げされかつ
外壁が冷却されている成膜室を用いて、グラファイトナ
ノファイバー薄膜を成長させた場合、該基板ホルダー及
び支柱をＳｉＣよりも熱伝導性に劣る石英製のものと
し、内壁面が鏡面仕上げされかつ外壁が冷却されている
成膜室を用いてグラファイトナノファイバーを成長させ
た場合に比べて、加熱効率が向上し、赤外線ランプへの
投入電力は７０％程度で済ませることができた。前者の
場合、ＳｉＣ製の基板ホルダー及び支柱や、冷却された
成膜室の鏡面仕上げされた内壁には、グラファイトナノ
ファイバーの成長は見られなかった。その上、環状のガ
ス噴射ノズル手段を用いて混合ガスの導入を行うこと
で、Ａ４サイズの矩形基板に対してほぼ均一な膜厚分布
を有するグラファイトナノファイバーを得ることができ
た。After the pressure in the film forming chamber 12 became atmospheric pressure, a growth reaction of graphite nanofibers was performed on the substrate at 500 ° C. for 10 minutes by a thermal CVD method. When the carbon monoxide gas reaches the substrate to be processed S, the carbon monoxide is dissociated, and the F deposited on the substrate to be processed is removed.
Graphite nanofiber thin film was formed on e thin film. As described above, when the substrate holder and the support for the substrate holder are made of SiC and the graphite nanofiber thin film is grown using a film forming chamber in which the inner wall surface is mirror-finished and the outer wall is cooled, The holder and the support are made of quartz, which has a lower thermal conductivity than SiC, and the inner wall is mirror-finished and the outer wall is cooled. The efficiency was improved, and the input power to the infrared lamp was reduced to about 70%. In the former case, no growth of graphite nanofibers was observed on the SiC substrate holder and support, or on the mirror-finished inner wall of the cooled film forming chamber. In addition, by introducing the mixed gas using the annular gas injection nozzle means, it was possible to obtain graphite nanofibers having a substantially uniform film thickness distribution on an A4-size rectangular substrate.
【図１】本発明のＣＶＤ装置の構成を概略的に示す図FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a CVD apparatus of the present invention.
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II in FIG.
【図３】ガス噴射ノズル手段の部分斜視図FIG. 3 is a partial perspective view of the gas injection nozzle means.
１ 熱ＣＶＤ装置 １２ 真空チャンバ
ー(成膜室) １２ａ 成膜室の内壁 １６ ＳｉＣ製基
板ホルダー １７ 赤外線ランプ １９ ガス噴射ノ
ズル手段 ２０ 冷却水ライン １２１ ＳｉＣ製支
柱 １９１ ガス流路 １９２ ガス噴射
口 Ｓ 被処理基板DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermal CVD apparatus 12 Vacuum chamber (film formation chamber) 12a Inner wall of film formation chamber 16 Substrate made of SiC 17 Infrared lamp 19 Gas injection nozzle means 20 Cooling water line 121 SiC column 191 Gas flow path 192 Gas injection port S Treatment substrate
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深沢 博之 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内 Ｆターム(参考） 4G046 CA02 CB01 CB03 CC06 4K030 AA05 AA14 BA27 BB01 CA06 EA04 FA10 GA02 KA22 KA46 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Hiroyuki Fukasawa 2500 Hagizono, Chigasaki-shi, Kanagawa Prefecture F-term in Japan Vacuum Engineering Co., Ltd. 4G046 CA02 CB01 CB03 CC06 4K030 AA05 AA14 BA27 BB01 CA06 EA04 FA10 GA02 KA22 KA46
Claims (1)
対向して加熱手段が設けられ、該加熱手段で被処理基板
を加熱しつつ、真空チャンバー内に炭素含有ガスと水素
ガスとの混合ガスを導入することで、該基板上にグラフ
ァイトナノファイバー薄膜を形成する熱ＣＶＤ装置にお
いて、 該被処理基板を装着するための基板ホルダー及び該真空
チャンバーの底面に設けられた基板ホルダー載置用支柱
としてＳｉＣ製のものを用い、 該加熱手段からの熱線を反射するように真空チャンバー
の内壁が鏡面仕上げされていると共に、真空チャンバー
の壁面を冷却する冷却手段が真空チャンバーに付設され
ており、 該被処理基板の高さ位置より下側で、該被処理基板をそ
の外周の近傍で囲繞するようにガス噴射ノズル手段が設
けられ、真空チャンバー外部のガス源に接続された該ガ
ス噴出ノズル手段は、その内部にガス流路を有すると共
に、その上面に、ガス流路に連通する複数のガス噴射口
が列設されており、該混合ガスの導入が該ガス噴射ノズ
ル手段を介して行われることを特徴とする熱ＣＶＤ装
置。A heating means is provided at an upper portion of a vacuum chamber so as to face a substrate to be processed, and a mixed gas of a carbon-containing gas and a hydrogen gas is supplied into the vacuum chamber while heating the substrate to be processed by the heating means. In a thermal CVD apparatus for forming a graphite nanofiber thin film on the substrate, a substrate holder for mounting the substrate to be processed and a substrate holder mounting column provided on the bottom surface of the vacuum chamber are provided. The inner wall of the vacuum chamber is mirror-finished so as to reflect the heat rays from the heating means, and a cooling means for cooling the wall surface of the vacuum chamber is provided in the vacuum chamber. Gas injection nozzle means is provided below the height position of the processing substrate so as to surround the processing target substrate in the vicinity of its outer periphery, and is provided outside the vacuum chamber. The gas ejection nozzle means connected to the gas source of the section has a gas flow path therein, and a plurality of gas injection ports communicating with the gas flow path are arranged on the upper surface thereof, and the mixed gas A thermal CVD apparatus characterized in that the introduction of gas is performed through the gas injection nozzle means.
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