(57)【要約】【課題】製造コストの上昇やダメージの発生などを抑制した状態で、より高い密度のプラズマが得られるようにする。【解決手段】密閉可能な処理室１０１の内部に、処理対象の基板Ｗが載置される下部電極１０２，下部電極１０２に対向配置される上部電極１０３を備えている。下部電極１０２，上部電極１０３は、各々処理室１０１の内部で絶縁分離された状態で固定されている。上部電極１０３と下部電極１０２との間には、高周波電源１０６より高周波電力が供給可能とされている。加えて、アノードとなる上部電極１０３の下部電極１０２との対向面に、例えば複数のカーボンナノチューブから構成された電界放出型の電子供給源１１０を備える。【選択図】  図１
2005072345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理容器内でプラズマを発生させて発生させたプラズマの作用により所定の処理を行うプラズマ処理装置において、
前記処理容器内に配置された電界放出型の電子供給源
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記処理容器内に配置されたアノードとなるアノード電極と、
このアノード電極に対向配置されたカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に電力を供給する電力供給手段と、
前記処理容器内を排気して所定の圧力にまで減圧する排気手段と、
前記処理容器内に所望のガスを導入するガス導入部と
を少なくとも備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記電子供給源は、前記アノード電極の前記カソード電極との対向面に設けられた複数のカーボンナノ構造体から構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記電子供給源は、前記アノード電極と前記カソード電極との間の空間を取り巻く領域に配置され、前記空間に向く面に複数のカーボンナノ構造体が設けられた電極構造体である
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載のプラズマ処理装置において、
前記カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブである
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
処理容器内に配置されたアノードとなるアノード電極と、
このアノード電極に対向配置されたカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に電力を供給する電力供給手段と、
前記処理容器内を排気して所定の圧力にまで減圧する排気手段と、
前記処理容器内に所望のガスを導入するガス導入部と
を少なくとも備え、前記処理容器内でプラズマを発生させて発生させたプラズマの作用により所定の処理を行うプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
前記アノード電極を加熱した状態で、前記ガス導入部より前記処理容器内にカーボンソースガスを導入することで、前記アノード電極の前記カソード電極との対向面に、化学的気相成長法によりカーボンナノチューブを成長させる第１の工程と、
前記排気手段により前記処理容器内を所定の圧力に減圧した状態で前記ガス導入部より前記処理容器内に所定のガスを導入し、前記アノード電極と前記カソード電極とに前記電力供給手段により電力を供給し、前記アノード電極と前記カソード電極との間に前記所定のガスのプラズマを生成する第２の工程と
を少なくとも備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い密度のプラズマ生成を可能としたプラズマ処理装置及びプラズマ処理法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、平行平板プラズマ処理装置や、誘導結合プラズマ処理装置など、種々のプラズマ処理装置が用いられている。一例として、平行平板プラズマ処理装置について説明すると、図７に示すようなプラズマ装置がある（特許文献１，２，３，４参照）。
【０００３】
この装置について概略を簡単に説明すると、密閉可能な処理室７０１の内部に、処理対象の基板Ｗが載置される下部電極７０２，下部電極７０２に対向配置される上部電極７０３を備えている。例えば、まず、排気口７０４に連通する図示しない排気装置により処理室７０１内を真空排気し、また、ガス導入口７０５より所定のガスを導入し、処理室７０１内を所定の圧力とする。この状態で、高周波電源７０６より整合器７０７を介し、下部電極７０２に高周波電力を供給することで、下部電極７０２と上部電極７０３との間に上記ガスによるプラズマを生成することができる。
【０００４】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開平０６−０６８８３９号公報
【特許文献２】特開平０７−０７４１１５号公報
【特許文献３】特開平０８−１４８２９５号公報
【特許文献４】特開２００１−１５６０５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したようなプラズマ処理装置において、処理の速度を向上させることは重要な技術課題であり、この一つとして、プラズマ密度を高めることがある。装置の構成を変更することなくプラズマ密度を高めようとすると、例えば、高周波電力のパワーを高くすることや、ガスの供給量を増加させることなどが考えられる。しかしながら、これらのことは製造コストの上昇を招くことになる。また、高周波のパワーを高くすると、例えば、プラズマより生成して処理対象の基板に作用するイオンの入射エネルギーの上昇を招き、基板へのダメージなどが問題となる場合もある。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、製造コストの上昇やダメージの発生などを抑制した状態で、より高い密度のプラズマが得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のプラズマ処理装置は、処理容器内でプラズマを発生さ、発生したプラズマの作用により所定の処理を行うプラズマ処理装置において、処理容器内に配置された電界放出型の電子供給源を備えるようにしたものである。
この装置では、発生したプラズマ中に、電子供給源より電子が供給される。
【０００８】
上記プラズマ処理装置は、処理容器内に配置されたアノードとなるアノード電極と、このアノード電極に対向配置されたカソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に電力を供給する電力供給手段と、処理容器内を排気して所定の圧力にまで減圧する排気手段と、処理容器内に所望のガスを導入するガス導入部とを少なくとも備えたものである。
【０００９】
上記プラズマ処理装置において、電子供給源は、アノード電極のカソード電極との対向面に設けられた複数のカーボンナノ構造体から構成されたものであればよい。また、電子供給源は、アノード電極とカソード電極との間の空間を取り巻く領域に配置され、空間に向く面に複数のカーボンナノ構造体が設けられた電極構造体であってもよい。この場合、カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブであればよい。また、カーボンナノホーンやカーボンナノウォールであってもよい。
【００１０】
また、本発明のプラズマ処理方法は、処理容器内に配置されたアノードとなるアノード電極と、このアノード電極に対向配置されたカソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に電力を供給する電力供給手段と、処理容器内を排気して所定の圧力にまで減圧する排気手段と、処理容器内に所望のガスを導入するガス導入部とを少なくとも備え、処理容器内でプラズマを発生させて発生させたプラズマの作用により所定の処理を行うプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、アノード電極を加熱した状態で、ガス導入部より処理容器内にカーボンソースガスを導入することで、アノード電極のカソード電極との対向面に、化学的気相成長法によりカーボンナノチューブを成長させる第１の工程と、排気手段により処理容器内を所定の圧力に減圧した状態でガス導入部より処理容器内に所定のガスを導入し、アノード電極とカソード電極とに電力供給手段により電力を供給し、アノード電極とカソード電極との間に所定のガスのプラズマを生成する第２の工程とを少なくとも備えたものである。
この方法によれば、発生させたプラズマ中に、電子供給源より電子が供給される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電子供給源を処理容器内に設けるようにしたので、例えばプラズマ中に低エネルギーの電子を供給することが可能となる。この結果、本発明によれば、供給するガス量を増やすこと無く、また、供給する電力を大きくすることがない状態で、より高い密度のプラズマを生成することが可能となる。このように、本発明によれば、製造コストの上昇やダメージの発生などを抑制した状態で、より高い密度のプラズマが得られるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の概略的な構成例を示す構成図である。このプラズマ処理装置は、まず、密閉可能な処理室１０１の内部に、処理対象の基板Ｗが載置される下部電極（カソード電極）１０２，下部電極１０２に対向配置される上部電極（アノード電極）１０３を備えている。下部電極１０２，上部電極１０３は、各々処理室１０１の内部で絶縁分離された状態で固定されている。なお、下部電極１０２と上部電極１０３との上下関係は、入れ替えても同様である。
【００１３】
処理室１０１の内部は、排気口１０４に連通する図示しない排気装置により減圧可能とされている。また、処理室１０１の内部には、ガス導入口１０５により所定のガスを導入可能とされている。例えば、ガス導入口１０５に、マスフローコントローラやバルブなどを設けた配管を接続し、これに所望のガスが収容されたガスボンベなどを接続することで、処理室１０１内に所望のガスが供給できる。
【００１４】
また、上部電極１０３と下部電極１０２との間には、高周波電源１０６より高周波電力が供給可能とされている。高周波電源１０６より出力される高周波電力は、整合器１０７を介して下部電極１０２に供給される。また、上部電極１０３は、接地電位に接続されている。処理室１０１は、接地電位に接続されていてもよい。
加えて、本実施の形態のプラズマ処理装置では、アノードとなる上部電極１０３の下部電極１０２との対向面に、例えば複数のカーボンナノチューブから構成された電界放出型の電子供給源１１０を備える。
【００１５】
図１に示した本実施の形態のプラズマ処理装置の動作例について説明すると、まず、排気口１０４に連通する図示しない排気装置により処理室１０１内を真空排気し、また、ガス導入口１０５より所定のガスを導入し、処理室１０１内を所定の圧力とする。この状態で、高周波電源１０６より整合器１０７を介し、下部電極１０２に高周波電力（１３．５６〜１００ＭＨｚ）を供給することで、処理室１０１内に上記ガスによるプラズマが生成される。
【００１６】
このとき、上部電極１０３に設けられた電子供給源１１０を構成するカーボンナノチューブと、生成されたプラズマとの間には電界が形成される。このことにより、例えば、カーボンナノチューブの先端部分には高電界が集中し、このことにより、先端部分より電子が放出されるようになり、放出された電子がプラズマ中に供給されるようになる。また、供給される電子は、プラズマによって生成される電子に比較して低エネルギーである。
【００１７】
この結果、上部電極１０３と下部電極１０２とに挟まれた空間に生成されているプラズマにおいては、より多くの電子が供給されるようになり、プラズマ密度が高い状態となる。本実施の形態にプラズマ生成装置によれば、ガス供給量，高周波電力の供給量を同一とした場合でも、電子供給源１１０を設けない場合に比較して、一桁以上プラズマ密度を高くすることが可能となる。また、供給される電子はエネルギーが低い状態であるので、処理対象の基板に対し、ダメージを増加させることがない。
【００１８】
ところで、図１のプラズマ生成装置では、上部電極１０３を接地電位に接続するようにしたが、これに限るものではない。
図２は、本発明の他の形態におけるプラズマ生成装置の概略的な構成例を示す構成図である。本装置では、上部電極１０３に整合器２０２を介して高周波電源２０１を接続し、上部電極１０３に高周波電力（１３．５６〜１００ＭＨｚ）を供給するようにしたものである。例えば、上部電極１０３に下部電極１０２とは異なる周波数の高周波電力を供給することで、安定に動作し、上部電極１０３に対して擬似的に直流バイアスを印加した状態とすることができる。
【００１９】
例えば、高周波電源２０１より供給される電力の周波数を変化させると、生成されているプラズマと上部電極１０３との間の電界強度を制御できるようになる。電界強度を制御することで、電子供給源１１０より放出される電子のエネルギーを制御できるようになる。加えて、上部電極１０３と下部電極１０２とに供給する高周波電力のパワーを異なるものとすることで、電子供給源１１０より放出される電子の放出量を制御できる。なお、図２において、図１と同一の構成については同一の符号を付けてあり、説明は省略する。
【００２０】
また、図３に示すように、４００ｋＨｚ程度の低周波の電力を供給する電源３０１を付加し、高周波電源２０１と電源３０１とを干渉抑制回路３０３で並列に接続し、高周波電力の供給とともに、電源３０１からの電源を整合器３０２を介して供給するようにしてもよい。なお、図３において、図１と同一の構成については同一の符号を付けてあり、説明は省略する。
【００２１】
また、図４に示すように、対向して配置されている下部電極１０２と上部電極１０３とで挟まれた空間の側方に、新たに接地電位に接続された電極構造体４１１を設け、電極構造体４１１のプラズマに向かう面に、例えば複数のカーボンナノチューブからなる電子供給源４１０を設けるようにしてもよい。電極構造体４１１は、処理室１０１の側面であってもよい。このとき、処理室１０１は、接地電位に接続される。なお、図４において、図１と同一の構成については同一の符号を付けてあり、説明は省略する。
【００２２】
図４に示すように、上部電極１０３の電子供給源１１０に加えて、側部の電極構造体４１１の電子供給源４１０を加えることで、より高い電子供給の効果が得られるようになる。なお、図４に示す構成において、上部電極１０３の下部電極１０２との対向面には電子供給源を設けず、側部の電極構造体４１１のみに電子供給源４１０を設けるようにしても良いことは言うまでもない。
【００２３】
次に、電子供給源として用いるカーボンナノチューブの形成に関して説明する。
カーボンナノチューブは、完全にグラファイト化した直径４〜５０ｎｍ程度で長さ１〜１０μｍ程度の筒状の物体である。このような形状のカーボンナノチューブは、単層の構造と、複数の層が積層した同軸多層構造のものとがある。これら円筒状の中心部分は、空洞となっている。また、先端部は、閉じているものものや、折れるなどのことにより開放しているものもある。
【００２４】
このような独特の形状を持つカーボンナノチューブは、電子放出源として用いることが可能である。カーボンナノチューブは、先端の曲率半径がｎｍオーダと非常に鋭利であり、しかも化学的に安定で機械的にも強靱であるなど、電界放出源として適した物理的性質を有している。
このような特徴を持つカーボンナノチューブは、例えば、カーボンソースガスを用いた化学的気相成長（ＣＶＤ）法により、ニッケルやコバルトなどの触媒金属の存在する基板の上に成長させることで形成できる（文献：特開２００１−０４８５１２号公報）。
【００２５】
例えば、上部電極として４２６合金などのステンレス鋼からなる基板を用意し、これを例えば石英管などから構成された反応炉の内部に載置し、反応炉の一方よりカーボンソースガスと水素ガス（キャリアガス）を流した状態で、上記基板を６００〜９００℃に加熱する。この化学的気相成長工程において、カーボンソースガスとして一酸化炭素ガスを用い、流量は、５００sccm程度とすればよい。また、キャリアガスの流量は、１０００sccmとすればよい。
これらのことにより、基板の表面に複数のカーボンナノチューブが形成された状態が得られる。
【００２６】
なお、カーボンソースガスとして、アセチレン，エチレン，エタン，プロピレン，プロパン，またはメタンガスなどのＣxＨy（ｘ＝１〜３）の炭化水素ガスを用いることも可能である。また、基板は、ステンレス鋼に限らず、カーボンナノチューブを形成しようとする基板の表面が、化学的気相成長法によりカーボンナノチューブが成長する金属（触媒金属）を含む材料で構成されていればよい。この金属は、例えば鉄，ニッケル，コバルト，クロムのいずれか、もしくはこれらの合金であればよい。
【００２７】
また、一般には、上部電極などにはアルミニウムもしくはこの合金、あるいはＳｉＸやカーボングラファイト板を用いる場合が多い。このような場合、アルミニウムから構成された上部電極の表面に、複数の触媒金属の微細パターンを用意し、これらのカーボンナノチューブを成長させるようにしてもよい。例えば、まず、図５（ａ）に示すように、アルミニウム基板５０１の表面に、所定の間隔で複数の触媒金属パターン５０２を形成する。触媒金属パターン５０２は、例えば、触媒金属膜を形成した後、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工することで形成できる。
【００２８】
次いで、アルミニウム基板５０１を上述した反応炉内に載置し、反応炉の一方よりカーボンソースガスとキャリアガスを流した状態で、アルミニウム基板５０１を所定の温度に加熱する。このことにより、図５（ｂ）に示すように、各々の触媒金属パターン５０２の上に、カーボンナノチューブ５０３が成長する。このようにすることで、カーボンナノチューブが形成されたアルミニウム基板を用いることで、図１に示すプラズマ処理装置の上部電極１０３を形成することができる。
【００２９】
ところで、プラズマ処理装置に組み込まれている上部電極に、プラズマ処理装置にカーボンソースガスを導入することで、カーボンナノチューブを形成するようにしてもよい。例えば、図６に示すように、上部電極１０３にヒータ６０１を内蔵し、上部電極１０３を加熱可能とすることで、上部電極１０３の対向面にカーボンナノチューブからなる電子供給源１１０を形成することが可能となる。ここで、上部電極１０３は、例えばＳＵＳ（ステンレス鋼）から構成されているものとする。なお、図６において、図１と同一の構成については同一の符号を付けてあり、説明は省略する。
【００３０】
電子供給源１１０の形成について説明すると、まず、ガス導入口１０５より上述したカーボンソースガスをキャリアガスとともに導入し、また、ヒータ６０１により上部電極１０３を所定温度（４００〜６００℃）に加熱する。このことにより、上部電極１０３の下部電極１０２に対向する面に、カーボンナノチューブを成長させることができる。このとき、処理室１０１の内部を所定の圧力に減圧し、高周波電源１０６より高周波電力を下部電極１０２に供給し、あるいは上部電極１０３に高周波電力を供給して下部電極１０２と上部電極１０３との間にプラズマを生成することで、プラズマＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを形成するようにしてもよい。高周波電源１０６は、例えば、スイッチ切り替えによって、電力の供給を下部電極１０２と上部電極１０３とのいずれかに切り替えることができる。
【００３１】
以上説明したように、処理室１０１に設けられている上部電極１０３にカーボンナノチューブを形成することで、本プラズマ処理装置を用いた種々のプラズマ処理を行うときに、所定のプロセスサイクル毎にカーボンナノチューブを新たに形成することができる。例えば、カーボンナノチューブが消耗されるプラズマ処理を行う場合であっても、上述したことにより、上部電極１０３に電子供給源１１０が設けられている状態が維持できる。
【００３２】
ところで、上述では、電子供給源にカーボンナノチューブを用いるようにしたが、これに限るものではない。電界放出型の電子供給源を構成する材料として、例えばカーボンナノホーンやカーボンナノウォールなど、他の形態のカーボンナノ構造体であってもよい。また、上述では、鉄，ニッケル，コバルト，クロムのいずれか、もしくはこれらの合金を含む基板に、カーボンナノチューブを成長させるようにしたが、カーボンソースを用いたＣＶＤ法によれば、金属シリサイドにもカーボンナノチューブは成長する。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上に説明した本発明のプラズマ処理装置は、例えば、Ｃ4Ｆ8，Ａｒ，Ｏ2から構成されたガスを用いたプラズマにより絶縁膜をエッチングするプラズマエッチング装置に適用することができる。また、プラズマＣＶＤ装置として用いることもできる。このように、本発明のプラズマ処理装置は、集積回路を構成するシリコンの加工や、有機ＥＬディスプレイや液晶ディスプレイの製造に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の概略的な構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態におけるプラズマ処理装置の概略的な構成を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態におけるプラズマ処理装置の概略的な構成を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態におけるプラズマ処理装置の概略的な構成を示す模式的な断面図である。
【図５】カーボンナノチューブの製造法法例を示す工程図である。
【図６】本発明の他の実施の形態におけるプラズマ処理装置の概略的な構成を示す模式的な断面図である。
【図７】従来よりあるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０１…処理室、１０２…下部電極、１０３…上部電極、１０４…ガス導入口、１０５…ガス導入口、１０６…高周波電源、１０７…整合器、１１０…電子供給源。
【図１】
2005072345.tif 000003
【図２】
2005072345.tif 000004
【図３】
2005072345.tif 000005
【図４】
2005072345.tif 000006
【図５】
2005072345.tif 000007
【図６】
2005072345.tif 000008
【図７】
2005072345.tif 000009