JP2010209429A - リモートプラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＮＴを気相成長させる原料ガスを一定の流れで基板に供給できるメンテナンス性のよいリモートプラズマＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】本発明のリモートプラズマＣＶＤ装置Ｍは、処理すべき基板Ｓが載置される基板ステージ３を有する上方に開口したチャンバ本体１ａと、チャンバ本体の上面開口に着脱自在に装着される蓋体１ｂと、チャンバ本体内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段７と、基板ステージ上の基板がプラズマに曝されないように基板上方に設けられた複数の透孔を有する板状の遮蔽部材８ｃとを備える。蓋体の下面周縁部に周方向の間隔を存して垂設した複数本の支持部材８ａと、これら支持部材の下端部に連結される支持フレーム８ｂとを有し、遮蔽部材の周縁部を支持フレームに遮蔽部材の熱膨張または熱収縮が許容されるように載置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リモートプラズマＣＶＤ装置に関し、特に、カーボンナノチューブを形成することに適したものに関する。

従来、カーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」という）を低温で効率よく気相成長させるために、所謂リモートプラズマＣＶＤ装置を用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。このリモートプラズマＣＶＤ装置は、真空チャンバ内で処理すべき基板が載置される基板ステージと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生装置とを備える。そして、基板ステージの直上に位置させて基板面積より大きいメッシュ部材（板状の遮蔽部材）を設け、基板ステージとメッシュ部材との間で所定の電位を印加することで、ＣＮＴの形成中に基板がプラズマに曝されないように遮っている（つまり、プラズマで電離したイオン種がメッシュ部材で遮られ、ラジカル種がメッシュ部材の各網目を通して基板に到達するようになる）。

ここで、上記のようにメッシュ部材を真空チャンバ内に設ける場合、真空チャンバの底部に設けた基板ステージの周囲に、この基板ステージより上方に突出した周壁を有する上面開口の保持ボックスを設け、この保持ボックス上面でメッシュ部材を支持することが特許文献２で知られている。

然しながら、特許文献２記載のものでは、ＣＮＴを気相成長させる原料ガスを真空チャンバ内に導入して基板に供給する場合に、基板の周囲に保持ボックスの周壁等の部品が存するため、この部品周囲で乱流が生じて原料ガスの流れが不規則になる。このため、基板全面に亘って長さの揃ったＣＮＴを形成することができないという不具合が生じる。

また、上記特許文献２記載のものでは、上面にメッシュ部材が載置された保持ボックス内に基板が収納された形態であるため、公知の真空搬送ロボットにて基板ステージに対して基板を受け渡しする場合、メッシュ部材を取り外すと共に、基板を保持ボックスより上方に持ち上げる必要がある。このため、基板の受け渡しが著しく面倒であり、しかも、リフト機構等の部品が必要となり、部品点数が増えてコスト高になる。この場合、保持ボックスに基板搬送用に開口を形成したりすることが考えられるが、これでは、原料ガスの流れが一層不規則になり易い。また、保持ボックスやリフト機構などの部品を真空チャンバの底部に設けたのでは、メンテナンススペースが殆どない状態となり、クリーニングを含むメンテナンス作業が著しく面倒となる。

特開２００５−３５０４３２号公報 特開平６−１５１３３４号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ＣＮＴを気相成長させる原料ガスを一定の流れで基板に供給できるメンテナンス性のよいリモートプラズマＣＶＤ装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、処理すべき基板が載置される基板ステージを有する上方に開口したチャンバ本体と、チャンバ本体の上面開口に着脱自在に装着される蓋体と、チャンバ本体内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、基板ステージ上の基板がプラズマに曝されないように基板上方に設けられた複数の透孔を有する板状の遮蔽部材とを備えたリモートプラズマＣＶＤ装置において、前記蓋体の下面周縁部に周方向の間隔を存して垂設した複数本の支持部材と、これら支持部材の下端部に連結される支持フレームとを有し、前記遮蔽部材の周縁部を支持フレームに遮蔽部材の熱膨張または熱収縮が許容されるように載置してなることを特徴とする。

本発明によれば、真空チャンバをチャンバ本体と蓋体とから構成し、蓋体に垂設した支持手段及び支持フレームに熱膨張または熱収縮が許容される状態で遮蔽部材を載置したため、基板ステージの周囲には、遮蔽部材を支持する部品等を配置する必要はない。このため、ＣＮＴを気相成長させる原料ガスを一定の流れで基板に供給して排気することができ、基板全面に亘って長さの揃ったＣＮＴを形成することができる。また、チャンバ本体からその上方に蓋体を脱離すると、支持手段及び支持フレームを介して蓋体と共に遮蔽部材が取り外れるようになる。この状態では、基板ステージの周囲には、他の部品がなく、十分なメンテナンススペースがあり、メンテナンス作業を容易にできる。

ところで、ＣＮＴの気相成長中、遮蔽部材は、プラズマや加熱されている基板からの輻射熱で加熱されて熱膨張する一方、処理終了後に真空チャンバ内が冷却されると、熱収縮する。このため、遮蔽部材が例えばその周縁部で固定されていると、熱膨張や熱収縮の際に大きく変形して撓む。このことは、遮蔽部材がメッシュ部材からなる場合により顕著となる。このように遮蔽部材が変形してくると、この遮蔽部材と基板ステージ上の基板との間の距離が基板面内で一致せず、プラズマを発生させた場合に基板表面が局所的にプラズマに近接し、プラズマによって気相成長させたＣＮＴがダメージを受けるという不具合が生じる。

それに対して、本発明では、蓋体に垂設した支柱及び支持フレームにて遮蔽部材を支持し、遮蔽部材がビス等により固定されていない構造としたため、熱膨張や熱収縮を繰り返しても、遮蔽部材がメッシュ部材であっても、大きく変形することが抑制され、遮蔽部材と基板ステージ上の基板との間の距離を基板面内で略一定に保持されたまま、ＣＮＴを気相成長でき、しかも、ＣＮＴがダメージを受けることを防止できる。

本発明において、前記遮蔽部材の周縁部に複数の取付孔が形成され、前記支持フレームに、これら取付孔との間で遮蔽部材の熱膨張または熱収縮を許容する隙間を存して挿通される複数のピン部材が立設されていることが望ましい。これによれば、ＣＮＴを気相成長させる処理中やチャンバ本体から蓋体を着脱するときに、支持フレームから遮蔽部材が脱落する等の不具合が生じない。

他方で、前記支持部材または支持フレームに、遮蔽部材に当接せずに上方から遮蔽部材の周縁部を覆うカバーフレームが装着されている構成を採用してもよい。

本発明の実施形態のリモートプラズマＣＶＤ装置を模式的に説明する断面図。 遮蔽部材の支持状態を示す平面図。 図１の一部を拡大した部分断面図。 （ａ）は、本発明の実施形態のリモートプラズマＣＶＤ装置にて基板上にＣＮＴを成長させたときの外観写真、（ｂ）は、メッシュ部材の周囲を固定した場合の外観写真。 変形例に係る支持フレームへの遮蔽部材の載置状態を示す部分拡大断面図。

以下、図面を参照して、ＣＮＴを気相成長させることに適した本発明の実施形態のリモートプラズマＣＶＤ装置を説明する。

図１に示すように、リモートプラズマＣＶＤ装置Ｍは、上方に開口した筒状のチャンバ本体１ａと、チャンバ本体１ａの上面開口に、図示省略のＯリングを介して着脱自在に装着された蓋体たる天板１ｂとで構成される真空チャンバ１を備える。チャンバ本体１ａの底面中央部には、下方に突出させた筒状の排気部２が形成され、排気部２は、排気管を介してロータリーポンプやターボ分子ポンプなどからなる図示省略の真空排気装置に通じる。

また、排気部２内には支柱３ａが同心に挿設され、この支柱３ａのチャンバ本体１ａに突出した上端に基板ステージ３が設けられている。基板ステージ３には、特に図示しないが、例えば抵抗加熱式ヒータが内蔵され、基板ステージ３に載置された基板Ｓを所定温度に加熱保持できる。また、チャンバ本体１ａ内で基板ステージ３の周囲には、この基板ステージ３の外周端から所定の間隔を存してリング部材４が設けられ、基板ステージ３とリング部材４との間の隙間４ａを介して等方排気されるようになっている。

天板１ｂの中央部には円形の開口１１が形成されている。また、天板１ｂの下面には、基板ステージ３径より大きな径を有するリング状のガス導入管５が取付けられている。ガス導入管５の下面には、所定の間隔を存してガス噴射口（図示せず）が形成されている。そして、ガス導入管５に、図示省略のマスフローコントローラが介設されたガス管５ａが接続され、所定の炭素含有の原料ガスをチャンバ本体１ａ内に導入できるようになっている。

ここで、基板Ｓとしては、遷移金属、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏからなる基板、この遷移金属の少なくとも１種を含む合金の基板、またはガラス、石英やＳｉウェハー等のＣＮＴを直接気相成長できない基板表面の任意の部位に、上記金属を種々の任意のパターンで形成した基板を用いることができる。また、基板Ｓ表面にＣＮＴを気相成長させる際に、真空チャンバ１内に導入する炭素含有の原料ガスとしては、メタン、アセチレンなどの炭化水素ガス若しくは気化させたアルコール、または気相成長における希釈と触媒作用のために、これらのガスに水素、アンモニア、窒素若しくはアルゴンのうち少なくとも１つを混合したものが用いられる。

天板１ｂ上には、この天板１ｂの開口１１を臨むようにフランジ６ａで支持された石英製のガラス窓６が装着され、ガラス窓６の上方にプラズマ発生手段７が設けられている。プラズマ発生手段７は、ガラス窓６に向かって下方に拡径したラッパ型導波管７１と、ラッパ型導波管に上端に連結された筒状導波管７２と、この筒状導波管７２の端部に接続されたマイクロ波発生器７３とを備える公知のものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

図２及び図３に示すように、天板１ａの下面には、ガス導入管５の内側に位置させて、周方向に９０℃間隔で４本の支柱（支持手段）８ａが垂設され、これら支柱８ａの下端部でリング状の支持フレーム８ｂが支持されている。支柱８ａ及び支持フレーム８ｂは、例えばステンレス製である。そして、支持フレーム８ｂには、平面視円形のメッシュ部材（板状の遮蔽部材）８ｃがその周縁部においてこのメッシュ部材８ｃの熱膨張または熱収縮が許容されるように載置されている。ここで、メッシュ部材８ｃは、例えばステンレス製であり、φ０．１〜１．０ｍｍの線材を格子状に組み付け、これらの線材の自由端をその外周端に設けた剛性を付与するリブに固定してなる公知のものである。この場合、各網目（透孔）の大きさが１〜３ｍｍの範囲に設定されている。各網目の大きさが１ｍｍより小さいと、原料ガスの流れを遮ってしまい、３ｍｍより大きく設定すると、プラズマを遮ることができない。なお、遮蔽部材８ｃは、上記に限定されるものではなく、板状部材に複数の円形や矩形の透孔を開設して形成することもできる。

支持フレーム８ｂ上には、基板Ｓより径方向外側に位置させて、周方向に所定間隔で複数本（本実施形態では、支柱８ａから周方向に４５度ずらした位置に４本）のピン部材８ｄが立設される。この場合、メッシュ部材８ｃの周縁部には、ピン部材８ｄの位置に応じて円形の取付孔８１が形成されている。そして、ピン部材８ｄを、取付孔８１の直径より大きな径を有する頭部８２と上記取付孔８１より小さい径を有し、下端部にねじ山が形成された脚部８３とから構成し、脚部８３を支持フレーム８ｂの所定位置に螺合することで取り付けられ、このとき、頭部８２の下面がメッシュ部材８ｃに当接しないように位置決めされる。これにより、ピン部材８ｄの脚部８３が、取付孔８１との間でメッシュ部材８ｃの熱膨張または熱収縮を許容する隙間を存して挿通されるようになる。なお、メッシュ部材８ｃの周縁部のうち、支柱８ａに対応する箇所には径方向内方に向かってくぼむ凹部８４が形成され、メッシュ部材８ｃが熱膨張したときに、メッシュ部材８ｃが支柱８ａに接触してメッシュ部材８ｃが変形しないようにしている。

また、メッシュ部材８ｃと基板Ｓとの間で基板Ｓにバイアス電位を印加する公知の構造のバイアス電源（図示せず）が設けられている。この場合、バイアス電圧は−４００Ｖ〜２００Ｖの範囲で設定される。−４００Ｖより低い電圧では、放電が起こり易くなり、基板Ｓや基板Ｓ表面に気相成長させたＣＮＴに損傷を与える虞がある。また、２００Ｖを超えた電圧では、ＣＮＴの成長速度が遅くなる。

そして、マイクロ波発生器７３から、筒状導波管７２及びラッパ型導波管７１を経てガラス窓６を通して真空チャンバ１内に所定周波数のマイクロ波を導入し、このマイクロ波を、ガス導入管５を介して所定流量で真空チャンバ１内に導入される原料ガスに照射することで、原料ガスが励起されてプラズマ化する。このとき、メッシュ部材８ｃの上方にイオンシース領域が形成されることで、プラズマで電離したイオン種がメッシュ部材８ｃで遮られ、ラジカル種がメッシュ部材８ｃの各網目を通して基板Ｓに到達するようになる（リモートプラズマ）。この場合、基板ステージ３に内蔵したヒータを作動して、基板を３００〜７００℃の範囲内の温度に制御しておけば、原料ガスが一定の流れを持って基板Ｓに供給されることと、プラズマでダメージを受けることが防止されることとが相俟って、基板Ｓ表面に、この基板Ｓに対して垂直な向きに揃った配向性を有するＣＮＴが気相成長できる。

以上説明したように、本発明の実施形態のリモートプラズマＣＶＤ装置によれば、基板ステージ３の周囲には、メッシュ部材８ｃを支持する部品がないため、従来技術のように基板Ｓの周囲で乱流等が生じて原料ガスの流れが不規則になることを防止できる。また、チャンバ本体１ａからその上方に天板１ｂを脱離すると、この天板１ｂと共に支柱８ａ、支持フレーム８ｂ及びメッシュ部材８ｃが取り外されるようになる。この取り外し作業の際、ピン部材８ｄの頭部８２を取付孔８１より大きく設定しているため、天板１ｂを上方に持ち上げたときにこの天板１ｂが傾いたりしても、メッシュ部材８ｃが脱落する等の不具合は生じない。また、チャンバ本体１ａから天板１ｂを持ち上げた状態では、基板ステージ３の周囲には、他の部品がなくて十分なメンテナンススペースがあり、メンテナンス作業を容易にできる。

更に、メッシュ部材８ｃがプラズマや基板Ｓからの輻射熱で加熱されたり、真空チャンバ１内の冷却に伴って冷却されたときに、熱膨張及び熱収縮しても、メッシュ部材８ｃがピン部材８ｄで固定されない構造としているため、メッシュ部材８ｃの固定により発生する変形が抑制され、メッシュ部材８ｃと基板ステージ３上の基板Ｓとの間の距離を基板Ｓ面内で略一致させたまま、ＣＮＴを気相成長できる。

以上の効果を確認すべく次の実験を行った。図１に示すリモートプラズマＣＶＤ装置１を用い、基板Ｓ上にＣＮＴを気相成長させた。この場合、基板ステージ３上の基板Ｓとメッシュ部材８ｃとの間の距離が４０ｍｍ、メッシュ部材８ｃと天板１ｂの下面との間の距離が３０ｍｍとした。基板Ｓとして、φ３００ｍｍのシリコン基板上にスパッタリング法によりアルミを１０ｎｍの膜厚で成膜し、次いで、アルミ膜上に、１０ｎｍの膜厚でＦｅを成膜したものを用いた。

基板ステージ３上に基板を載置して真空チャンバ１を真空引きした後、ガス導入管５ａを介してＣ_２Ｈ_４を１０ｓｃｃｍ、水素ガスを１９０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ１内に導入し、真空チャンバ１内の圧力を１０Ｔｏｒｒに保持した。そして、基板ステージ３のヒータを作動して基板Ｓを４００℃まで加熱した後、マイクロ波を導入した。メッシュ部材８ｃと基板Ｓとの間に、基板Ｓ側の電圧が−１００Ｖとなるようにバイアス電圧を印加した。

上記実験においては、図４（ａ）に示すように、ＣＮＴが基板Ｓ全面で均一にＣＮＴが成長できることが確認できた。このとき、天板１ｂを取り外してメッシュ部材８ｃを目視で確認したところ、変形は見られなかった。なお、比較実験として、ピン部材８ｄの頭部８２をメッシュ部材８ｃに当接させて固定し、上記と同条件でＣＮＴを成長させたところ、図４（ｂ）に示すように、基板Ｓの中央部分でしかＣＮＴは成長しないことが確認された。上記同様、天板１ｂを取り外してメッシュ部材８ｃを目視で確認したところ、その中央部が基板Ｓ側に撓んでいることが確認された。これは、プラズマからの熱により基板Ｓ中央部の温度上昇が大きくなったことから、基板Ｓの中央部分でしかＣＮＴは成長しないものと考えられる。

以上、本発明のリモートプラズマＣＶＤ装置１について説明したが、本発明は上記実施形態のものに限定されるものでない。上記実施形態では、天板１ｂに４本の支柱を垂設して支持手段を構成するものを例に説明したが、ワイヤー等を用いて支持フレームを保持するようにしてもよい。また、支持フレームは、一体に形成したリング状のものを用いた例を説明したが、部分的にメッシュ部材を支持する部品を各支柱に取り付けて構成することもできる。さらに、上記実施形態では、ピン部材８ｄが頭部８２を備えた形態のものについて説明したが、これに限定されるものではなく、ピン部材がストレートピンから構成されていても、所定長さを有していれば、メッシュ部材８ｃが脱落する等の不具合は生じない。

また、上記実施形態では、ピン部材８ｄを用いたものを例に説明したが、図５に示すように、支持フレーム８ｂ上にメッシュ部材８ｃを載置した後、メッシュ部材８ｃから上方に所定の隙間を持って、メッシュ部材８ｃの上部周縁部を覆うカバーフレーム８５を、ボルト８６を介して着脱自在に装着し、メッシュ部材８ｃの脱落を防止しつつ、熱膨張や熱収縮を許容するようにメッシュ部材８ｃが載置されるようにしてもよい。この場合、カバーフレーム８５は、メッシュ部材８ｃの上部周縁部全体を覆うようにリング状に形成してもよく、また、部分的に覆うように複数の部品から構成してもよい。

Ｍ…リモートプラズマＣＶＤ装置、１…真空チャンバ、１ａ…チャンバ本体、１ｂ…天板（蓋体）、３…基板ステージ、７…プラズマ発生手段、８ａ…支柱（支持手段）、８ｂ…支持フレーム、８ｃ…メッシュ部材（遮蔽部材）、８ｄ…ピン部材、８２…頭部、Ｓ…基板

Claims (3)

1. 処理すべき基板が載置される基板ステージを有する上方に開口したチャンバ本体と、チャンバ本体の上面開口に着脱自在に装着される蓋体と、チャンバ本体内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、基板ステージ上の基板がプラズマに曝されないように基板上方に設けられた複数の透孔を有する板状の遮蔽部材とを備えたリモートプラズマＣＶＤ装置において、
   前記蓋体の下面周縁部に周方向の間隔を存して垂設した複数本の支持部材と、これら支持部材の下端部に連結される支持フレームとを有し、前記遮蔽部材の周縁部を支持フレームに遮蔽部材の熱膨張または熱収縮が許容されるように載置してなることを特徴とするリモートプラズマＣＶＤ装置。
2. 前記遮蔽部材の周縁部に複数の取付孔が形成され、前記支持フレームに、これら取付孔との間で遮蔽部材の熱膨張または熱収縮を許容する隙間を存して挿通される複数のピン部材が立設されていることを特徴とする請求項１記載のリモートプラズマＣＶＤ装置。
3. 前記支持部材または支持フレームに、遮蔽部材に当接せずに上方から遮蔽部材の周縁部を覆うカバーフレームが装着されていることを特徴とする請求項１記載のリモートプラズマＣＶＤ装置。

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