JP2007247014A - プラズマｃｖｄ装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマサイズより広い範囲に均一な成膜を行うことが可能なプラズマＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】基板５が配置されるチャンバ１０と、チャンバ１０に接続され、基板５と対向するようにチャンバ１０内に開口する開口部１８を備えた管状部材２０と、管状部材２０の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生装置２４と、管状部材２０に原料ガスを供給する原料ガス供給装置２２とを有し、管状部材２０の開口部１８の内径ｄは、基板５の外径Ｄより小さく形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ装置および成膜方法に関するものである。

カーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」という。）は、化学的安定性を有し、低電界において電子を放出するという特性を有することから、例えば電界電子放出型表示装置(ＦＥＤ:Field Emission Display)用の電子源に応用されている。

このＣＮＴを、プラズマＣＶＤ法によって作製する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、まず一定の真空度に保持された真空チャンバ内に上記基板を配置する。次に、炭化水素ガスと水素ガスとからなる原料ガスを真空チャンバ内に導入する。そして、真空チャンバ内でプラズマを発生させ、プラズマで分解された原料ガスを基板表面に接触させる。これにより、基板表面にＣＮＴが作製される。
特開２００５−３５０３４２号公報

しかしながら、上記方法のようにプラズマの内側や下側に基板を配置してＣＮＴを作製すると、プラズマの大きさや密度分布の影響を強く受けることになる。すなわち、プラズマサイズより外側の基板表面には、ＣＮＴがほとんど作製されない。しかも、マイクロ波で大型プラズマを発生させるのは非常に困難である。またプラズマ密度分布が不均一であると、作製されるＣＮＴの高さや配向状態が不均一になる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、プラズマサイズより広い範囲に均一な成膜を行うことが可能なプラズマＣＶＤ装置および成膜方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置は、被処理基板が配置されるチャンバと、前記チャンバに接続され、前記被処理基板と対向するように前記チャンバ内に開口する開口部を備えた管状部材と、前記管状部材の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、前記管状部材に原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、を有し、前記管状部材の開口部の内径は、前記被処理基板の外径より小さく形成されていることを特徴とする。
このプラズマＣＶＤ装置では、管状部材の内径以下のサイズのプラズマを発生させ、そのプラズマによって生成された活性種を開口部からチャンバの内部に吹き出すことができる。これにより、開口部の周囲にも活性種が放射されるので、被処理基板の周縁部にも活性種を入射させることが可能になる。したがって、プラズマサイズより広い範囲に均一な成膜を行うことができる。

また前記原料ガス供給装置は、前記プラズマの発生位置を挟んで前記チャンバの反対側における前記管状部材に前記原料ガスを供給することが望ましい。
この構成によれば、プラズマ発生位置からチャンバに向かうガスの流れが生じる。これにより、プラズマ発生位置で生成された活性種を、開口部からチャンバの内部に吹き出すことができる。

また前記開口部には、多孔板が配置されていることが望ましい。
この構成によれば、管状部材の内部をチャンバの内部より高圧にすることができる。これにより、管状部材の内部で生成された活性種を、多孔板からチャンバの内部に吹き出すことができる。

また前記プラズマ発生装置は、石英材料からなる前記管状部材の内部にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることが望ましい。
この構成によれば、マイクロ波で発生させたプラズマサイズが小さい場合でも、それより広い範囲に均一な成膜を行うことができる。しかも、マイクロ波で発生させたプラズマによって生成される活性種は、ＲＦで発生させたプラズマよりもラジカルの量が多くなる。したがって、イオンの入射によるエッチング効果を抑制しつつ、ラジカルを用いて基板表面に成膜を行うことができる。

また前記開口部と前記被処理基板との間に、金属メッシュ板が配置されていることが望ましい。
この構成によれば、開口部から吹き出した活性種のうち、イオンが金属メッシュ板に捕捉されるので、主にラジカルを被処理基板に入射させることができる。したがって、イオンの被処理基板への入射によるエッチング効果を抑制しつつ、基板表面に対して垂直方向に成膜を行うことができる。

一方、本発明に係る成膜方法は、被処理基板が配置されるチャンバと、前記チャンバに接続され、前記被処理基板と対向するように前記チャンバ内に開口する開口部を備えた管状部材と、を有し、前記管状部材の開口部の内径が、前記被処理基板の外径より小さく形成されているプラズマＣＶＤ装置を用いた成膜方法であって、前記管状部材に原料ガスを供給し、前記管状部材の内部にプラズマを発生させ、前記プラズマによって生成された活性種を前記開口部から前記チャンバの内部に吹き出すことにより、前記被処理基板に成膜処理を行うことを特徴とする。
この構成によれば、開口部の周囲にも活性種が放射されるので、被処理基板の周縁部にも活性種を入射させることが可能になる。したがって、プラズマサイズより広い範囲に均一な成膜を行うことができる。

本発明に係るプラズマＣＶＤ装置によれば、管状部材の内部でプラズマを発生させ、生成された活性種を開口部からチャンバの内部に吹き出して、被処理基板に入射させることができる。したがって、プラズマサイズより広い範囲に均一な成膜を行うことができる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置１は、被処理基板５が配置されるチャンバ１０と、チャンバ１０に接続され、被処理基板５と対向するようにチャンバ１０内に開口する開口部１８を備えた管状部材２０と、管状部材２０の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生装置２４と、管状部材２０に原料ガスを供給する原料ガス供給装置２２とを有し、管状部材２０の開口部１８の内径が、被処理基板５の外径より小さく形成されているものである。

（プラズマＣＶＤ装置）
プラズマＣＶＤ装置１は、密閉されたチャンバ１０を備えている。そのチャンバ１０の内部には、被処理基板（以下、単に「基板」という。）５が載置されるステージ１２が設けられている。ステージ１２の内部には、基板５の温度を制御するヒータ（不図示）が設けられている。またチャンバ１０の内部を減圧するため、ロータリーポンプやターボ分子ポンプ等の真空排気装置１４がチャンバ１０に接続されている。

またチャンバ１０には、管状部材２０が接続されている。管状部材２０の材質は任意であるが、後述するようにマイクロ波によってプラズマを発生させる場合には、外部からマイクロ波を導入できる石英等によって管状部材２０を構成することが望ましい。また管状部材２０は、軸方向に沿って一定の内径ｄに形成されているが、軸方向の一部に内径の異なる部分が設けられていてもよい。管状部材２０は、被処理基板５と対向するようにチャンバ１０内に開口する開口部１８を備えている。この開口部１８の内径ｄは、被処理基板５の外径Ｄより小さく形成されている。

管状部材２０の開口部１８と、基板５が載置されるステージ１２との間には、複数の孔を備えた金属メッシュ板１６が配置されている。この金属メッシュ板１６は、プラズマの遮蔽手段として機能するものであり、ステンレス等の金属材料で構成され、直径１〜３ｍｍ程度の複数の孔を備えている。金属メッシュ板１６は、電気的にフローティング状態に保持されるか、または接地電位に保持されている。なお基板５の表面にカーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」という。）を成長させる場合には、基板５の表面に対して垂直にＣＮＴを成長させるべく、金属メッシュ板１６とステージ１２との間にバイアス電圧の印加用電源が接続されていてもよい。この場合、例えば金属メッシュ板１６と基板５との距離を２０〜１００ｍｍ程度とし、バイアス電圧を−４００〜２００Ｖ程度とすればよい。

管状部材２０の軸方向の中間部には、プラズマ発生装置２４が設けられている。プラズマの発生には、ＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）やマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）等が利用可能であるが、成膜反応にイオンよりラジカルを多く使用したい場合には、ラジカルの発生量が多いマイクロ波を利用することが望ましい。また波長が短いマイクロ波を利用することにより、比較的局在した領域にプラズマを発生させることが可能になり、また電子の運動エネルギーの大きいプラズマを発生させることが可能になる。さらにプラズマの発生に磁場を作用させれば、低圧でプラズマを安定に発生させることができる。マイクロ波を利用したプラズマ発生装置２４は、マイクロ波発生器と、そのマイクロ波発生器を管状部材に接続する導波路とを備え、その導波路の接続位置における管状部材２０の内部においてプラズマを発生させるようになっている。

なお、チャンバ１０に接続された管状部材２０にプラズマ発生装置を設け、また管状部材２０と基板５との間に金属メッシュ板１６を設けたので、プラズマの発生位置と基板５とを離間配置することができる。これにより、プラズマからエネルギーを受けて基板５が加熱されるのを抑制することが可能になり、ステージ１２に設けられたヒータによって基板５の温度を制御することができる。また、プラズマにより生成されたイオンからダメージを受けて基板５が損傷するのを防止することができる。

プラズマの発生位置を挟んでチャンバ１０とは反対側における管状部材２０の端部に、原料ガス供給装置が接続されている。すなわち、プラズマの発生位置より上流側に原料ガス供給装置が接続されている。なお基板５の表面にＣＮＴを成長させる場合には、原料ガスとして炭素含有ガスを採用する。具体的な炭素含有ガスとして、メタンやエチレン、アセチレンなどの炭化水素ガスのほか、気化させたアルコールなどを採用することが可能である。特に、基板加熱温度で分解しないメタンガスを採用することが望ましい。なお炭素含有ガスの希釈のため、またＣＮＴ成長の触媒として、水素ガス、アンモニア、窒素ガスまたはアルゴンのうち少なくとも一つを、炭素含有ガスに混合して用いる。原料ガス供給装置２２は、これらのガスを供給しうるように構成されている。

（成膜方法）
次に、第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置１を用いた成膜方法について説明する。ここでは、基板５の表面にＣＮＴを成長させる場合を例にして説明する。ＣＮＴは、ＮｉやＦｅ、Ｃｏ等の遷移金属、またはこれらの遷移金属を含む合金の上に成長する。そこで基板５として、上記金属からなる基板、またはガラスや石英、Ｓｉ等の基板上に上記金属からなる被膜を形成した基板を採用する。なお、上記金属からなる被膜を基板上の一部領域のみに形成しておけば、その一部領域のみに選択的にＣＮＴを成長させることも可能である。

具体的な成膜方法として、まず基板５をチャンバ１０内のステージ１２上に載置し、ステージ１２に設けられたヒータにより、基板５を例えば３００〜７００℃程度に加熱する。次に、真空排気装置１４を運転してチャンバ１０の内部を減圧する。次に、原料ガス供給装置２２から管状部材２０の内部に原料ガスを供給する。原料ガスとして、例えばメタンガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。次に、プラズマ発生装置２４を駆動し、管状部材２０の内部にマイクロ波を導入する。これにより、管状部材２０の内径以下のサイズのプラズマが発生する。このプラズマにより原料ガスが励起されて、ラジカルやイオン等の活性種が生成される。

ところで、プラズマ発生位置の上流側に原料ガスを供給することにより、プラズマ発生位置からチャンバ１０に向かうガスの流れが生じる。プラズマ発生位置で生成された活性種は、このガスの流れに乗って拡散し、管状部材２０の開口部１８からチャンバ１０の内部に吹き出す。またプラズマ自体が拡散して、開口部１８からチャンバ１０の内部に吹き出す。これにより、内径ｄの開口部１８の周囲にも活性種が放射されるので、外径Ｄ（＞ｄ）の基板５の周縁部にも活性種を入射させることが可能になる。したがって、マイクロ波で発生させたプラズマサイズｄが小さい場合でも、それより広い範囲Ｄに均一な成膜を行うことができる。

なお、開口部１８から吹き出した活性種のうち、イオン種は開口部１８と基板５との間に配置された金属メッシュ板１６によって捕捉されるので、主にラジカルを基板５に入射させることができる。これにより、イオンの入射によるエッチング効果を抑制しつつ、基板５の表面に対して垂直にＣＮＴを成長させることができる。これに加えて、基板５に印加するバイアス電圧や装置内の電場および磁場等を制御することにより、イオン種を除いた活性種を反応に利用することが望ましい。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置２は、管状部材２０の内圧を、チャンバ１０の内圧より高く設定しうるようになっている点で、第１実施形態と相違している。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

（プラズマＣＶＤ装置）
第２実施形態では、管状部材２０の開口部１８に多孔板１７が配置されている。多孔板１７は、ステンレス等の金属板に、複数の小口径の孔が形成されたものである。この多孔板１７は、第１実施形態の金属メッシュ板と同様の電気的状態に保持されていればよい。
また第２実施形態では、プラズマの発生位置とチャンバ１０との間における管状部材２０に、原料ガス供給装置２２が接続されている。すなわち、管状部材２０におけるプラズマの発生位置より下流側に原料ガス供給装置２２が接続されている。なお原料ガス供給装置２２は、第１実施形態と同様にプラズマ発生位置より上流側に接続されていてもよい。

（成膜方法）
次に、第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置２を用いた成膜方法について説明する。まず、真空排気装置１４を運転してチャンバ１０の内部を減圧する。次に、原料ガス供給装置２２から管状部材２０の内部に原料ガスを供給する。ここで、管状部材２０の開口部１８には多孔板１７が配置されているので、管状部材２０の内部をチャンバ１０の内部より高圧にすることができる。この圧力差により、管状部材２０からチャンバ１０に向かうガスの流れが生じる。

次に、プラズマ発生装置２４を駆動し、管状部材２０の内部にプラズマを発生させる。このプラズマによって生成された活性種は、上述したガスの流れに乗って拡散し、多孔板１７からチャンバ１０の内部に吹き出す。またプラズマ自体が拡散し、多孔板１７からチャンバ１０の内部に吹き出す。これにより、内径ｄの開口部１８の周囲にも活性種が放射されるので、外径Ｄ（＞ｄ）の基板５の周縁部にも活性種を入射させることが可能になる。したがって、マイクロ波で発生させたプラズマサイズｄが小さい場合でも、それより広い範囲Ｄに均一な成膜を行うことができる。

実施例１では、第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置を用いて、基板上にＣＮＴを成長させた。図１に示すプラズマＣＶＤ装置１において、管状部材２０の内径ｄを５０ｍｍ、長さを１５０ｍｍとした。また管状部材２０に対するプラズマ発生装置２４の接続位置と、開口部１８との距離を１００ｍｍとした。また管状部材２０と金属メッシュ板１６との距離を３０ｍｍ、金属メッシュ板１６と基板５との距離を２０ｍｍとした。

また基板５の外径Ｄは、管状部材２０の内径ｄの２倍の１００ｍｍとした。その基板５として、シリコン基板上に厚さ１ｎｍのＦｅ膜がＥＢ蒸着によって形成されたものを採用した。また金属メッシュ板１６接地電位とし、ステージを−１００〜２００Ｖとして、基板にバイアス電圧を印加した。さらに、ステージ１２のヒータにより基板５を６００℃に加熱した。また原料ガスとして、ＣＨ_４ガスを２０ｓｃｃｍ、Ｈ_２ガスを８０ｓｃｃｍ、２．０Ｔｏｒｒで原料ガス供給装置２２から供給した。また、プラズマ発生装置２４から５００Ｗのマイクロ波を管状部材２０に導入して、プラズマを発生させた。

その結果、外径１００ｍｍの基板５の全面に均一なＣＮＴを成長させることができた。具体的には、基板５の中央位置および基板端から約５ｍｍの位置のいずれにおいても、高さ１１μｍ程度のＣＮＴを、基板５に対して垂直に成長させることができた。なお、基板５の外径Ｄが１００ｍｍ（管状部材２０の内径ｄの２倍）の場合、基板５の各部におけるＣＮＴの高さばらつきは±５％以内であり、基板５の外径Ｄが１２５ｍｍ（管状部材２０の内径ｄの２．５倍）の場合、ＣＮＴの高さばらつきは±１０％以内であった。また、管状部材の内部圧力が１〜１０Ｔｏｒｒの範囲において上記と同様の結果が得られたが、圧力が低い方が良好であった。

実施例２では、第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置を用いて、基板上にＣＮＴを成長させた。その際、チャンバの内部圧力を１Ｔｏｒｒ以下、管状部材の内部圧力を１０Ｔｏｒｒ以下とし、その他の反応条件は実施例１と同じにした。
その結果、基板の全面に均一なＣＮＴを成長させることができた。なおプラズマ発生位置の上流側に原料ガスを供給した場合でも、プラズマ発生位置の下流側に原料ガスを供給した場合と同様に、基板の全面に均一なＣＮＴを成長させることができた。
（比較例１）

比較例１では、図３に示すプラズマＣＶＤ装置１０１を用いて、基板上にＣＮＴを成長させた。
図３は比較例１に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。このプラズマＣＶＤ装置１０１は、チャンバ１１０の上面に石英窓１２０を備えている。この石英窓１２０の外径は、基板１０５の外径と同等の約２００ｍｍに形成されている。その石英窓１２０の外側から、石英窓１２０の全面に対してマイクロ波を導入しうるようになっている。またチャンバ１１０の側面上方に、原料ガス供給装置１２２が接続されている。さらに、プラズマ発生位置となるチャンバ１１０の上部と、基板１０５を載置するステージ１１２が配置されたチャンバ１１０の下部との間には、金属メッシュ板１１６が配置されている。なお金属メッシュ板１１６と基板１０５との距離は２０ｍｍに設定され、金属メッシュ板１１６およびステージ１１２はいずれも接地電位とされている。

比較例１では、外径が２００ｍｍの基板１０５を採用した。そしてチャンバ１１０の側面から原料ガスを供給し、石英窓１２０から２ｋＷのマイクロ波を導入して、直径が約２００ｍｍのプラズマを発生させた。
その結果、基板５の中央位置では、ＣＮＴを高さ６μｍ程度に成長させることができたが、基板端から１０ｍｍの位置では、ＣＮＴを高さ２μｍ程度にしか成長させることができなかった。

以上の結果から、本発明のように、基板より小サイズのプラズマを管状部材の内部で発生させ、これをチャンバ内に吹き出させることにより、基板の全面に対する均一な成膜が可能になることが確認された。一方、チャンバ内で基板と同サイズのプラズマを発生させても、基板の全面に対する均一な成膜は困難であることが確認された。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では基板表面にＣＮＴを成長させる場合を例にして説明したが、基板表面にＣＮＴ以外の被膜を形成する場合に本発明を適用することも可能である。また、図１および図２ではプラズマの下方に基板が配置される装置構成としたが、プラズマの上方または側方に基板が配置される装置構成としてもよい。

第１実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。 第２実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。 比較例１に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。

符号の説明

ｄ…プラズマサイズ（開口部の内径） Ｄ…基板の外径 １，２…プラズマＣＶＤ装置 ５…基板（被処理基板） １０…チャンバ １２…ステージ １６…金属メッシュ板 １７…多孔板 １８…開口部 ２０…管状部材 ２２…原料ガス供給装置 ２４…プラズマ発生装置

Claims (6)

1. 被処理基板が配置されるチャンバと、
   前記チャンバに接続され、前記被処理基板と対向するように前記チャンバ内に開口する開口部を備えた管状部材と、
   前記管状部材の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
   前記管状部材に原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、を有し、
   前記管状部材の開口部の内径は、前記被処理基板の外径より小さく形成されていることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
2. 前記原料ガス供給装置は、前記プラズマの発生位置を挟んで前記チャンバの反対側における前記管状部材に前記原料ガスを供給することを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
3. 前記開口部には、多孔板が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
4. 前記プラズマ発生装置は、石英材料からなる前記管状部材の内部にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
5. 前記開口部と前記被処理基板との間に、金属メッシュ板が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ装置。
6. 被処理基板が配置されるチャンバと、
   前記チャンバに接続され、前記被処理基板と対向するように前記チャンバ内に開口する開口部を備えた管状部材と、を有し、
   前記管状部材の開口部の内径が、前記被処理基板の外径より小さく形成されているプラズマＣＶＤ装置を用いた成膜方法であって、
   前記管状部材に原料ガスを供給し、前記管状部材の内部にプラズマを発生させ、前記プラズマによって生成された活性種を前記開口部から前記チャンバの内部に吹き出すことにより、前記被処理基板に成膜処理を行うことを特徴とする成膜方法。

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