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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-19
(54)【発明の名称】グラフェンの低温プラズマ化学気相堆積の方法及び装置
(51)【国際特許分類】
C23C 16/26 20060101AFI20240209BHJP
C01B 32/186 20170101ALI20240209BHJP
C23C 16/511 20060101ALI20240209BHJP
【ＦＩ】
C23C16/26
C01B32/186
C23C16/511
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023548270
(86)(22)【出願日】2022-01-11
(85)【翻訳文提出日】2023-10-05
(86)【国際出願番号】 US2022012020
(87)【国際公開番号】W WO2022173543
(87)【国際公開日】2022-08-18
(31)【優先権主張番号】17/174,224
(32)【優先日】2021-02-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】チョア， タイ チョン
(72)【発明者】
【氏名】ヴァレンシア， クリスチャン
(72)【発明者】
【氏名】ワン， チーコアン
(72)【発明者】
【氏名】ムバルキ， ベンチャーキ
(72)【発明者】
【氏名】グエン， ハン
(72)【発明者】
【氏名】クラウス， フィリップ アレン
【テーマコード（参考）】
4G146
4K030
【Ｆターム（参考）】
4G146AA01
4G146AB07
4G146AC16A
4G146AC16B
4G146AD22
4G146AD30
4G146BA12
4G146BC09
4G146BC23
4G146BC27
4G146BC32A
4G146DA16
4K030AA09
4K030BA27
4K030CA04
4K030DA03
4K030DA04
4K030FA01
4K030JA03
4K030JA10
4K030KA46
4K030LA15
(57)【要約】
本書で開示している実施形態は、グラフェン層を堆積させるために使用される方法及び装置を含む。一実施形態では、基板上にグラフェン層を堆積させる方法は、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内に基板を提供することと、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバに炭素源及び水素源を流入させることと、を含む。一実施形態では、この方法は、基板温度が約４００℃を下回るモジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内で、プラズマを生成することと、基板上にグラフェン層を堆積させることと、を更に含む。
【選択図】図３Ｄ
【選択図】図３Ｄ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上にグラフェン層を堆積させる方法であって、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内に基板を提供することと、
前記モジュール型マイクロ波プラズマチャンバに炭素源及び水素源を流入させることと、
前記モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内でプラズマを生成することであって、基板温度が約４００℃を下回る、プラズマを生成することと、
前記基板上にグラフェン層を堆積させることと、
を含む、方法。
【請求項2】
前記グラフェン層が、実質的にグラフェンの単一シートである、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記グラフェン層が、互いの上に積層されたグラフェンの複数のシートを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記基板温度が約１００℃を下回る、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記グラフェン層のレーザーラマンスペクトルが、約１．０以下のＩＤ／ＩＧ比率を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記グラフェン層のレーザーラマンスペクトルが、約１．０以上のＩ２Ｄ／ＩＧ比率を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記チャンバに前記炭素源及び前記水素源を流入させる前に、前記基板をプラズマ処理で前処理することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記基板が金属材料を含み、前記グラフェンは前記金属材料上に堆積される、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記金属材料が銅を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記基板が、半導体デバイスの製造に使用されるシリコンウエハである、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
前記炭素源及び前記水素源を前記モジュール型マイクロ波プラズマチャンバに流入させている間に、前記モジュール型マイクロ波プラズマチャンバに不活性ガスを流入させることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
前記基板の表面が、前記モジュール型マイクロ波プラズマチャンバのソースの表面から約４ｃｍ以内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項13】
基板上にグラフェン層を堆積させる方法であって、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内に基板を提供することを含み、前記モジュール型マイクロ波プラズマチャンバが、
チャンバ、
誘電体チャンバリッド、
前記誘電体チャンバリッドに連結された複数のマイクロ波アプリケータであって、前記誘電体チャンバリッドの凹部内に配置される、複数のマイクロ波アプリケータ、及び
複数のソリッドステートマイクロ波発出モジュールであって、各ソリッドステートマイクロ波発出モジュールが、前記複数のマイクロ波アプリケータのうちの１つに連結される、複数のソリッドステートマイクロ波発出モジュール、を備え、更に、
前記モジュール型マイクロ波プラズマチャンバに炭素源及び水素源を流入させることと、
互いから横方向に離れている複数のアンテナにマイクロ波電力を印加することによって、前記モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内でプラズマを生成することであって、基板温度が約４００℃を下回る、プラズマを生成することと、
前記基板上にグラフェン層を堆積させることと、
を含む、方法。
【請求項14】
前記凹部の直径が前記マイクロ波アプリケータの直径よりも大きい、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記マイクロ波アプリケータの誘電体が、前記誘電体チャンバリッドと一体的な部分である、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記基板温度が約１００℃を下回る、請求項１３に記載の方法。
【請求項17】
前記誘電体チャンバリッドと前記基板との間の距離が約４ｃｍ以下である、請求項１３に記載の方法。
【請求項18】
前記基板が銅を含み、前記グラフェンが前記銅の上に堆積される、請求項１３に記載の方法。
【請求項19】
基板上にグラフェン層を堆積させる方法であって、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内に基板を提供することと、
第１プラズマプロセスで、前記基板の表面を処理することと、
前記モジュール型マイクロ波プラズマチャンバに炭素源及び水素源を流入させること、及び前記モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内でプラズマを生成することであって、基板温度が約４００℃を下回る、プラズマを生成すること、を含む第２プラズマプロセスを開始することと、
前記基板上にグラフェン層を堆積させることと、を含み、
前記グラフェン層のレーザーラマンスペクトルが約１．０以下のＩＤ／ＩＧ比率を有し、前記グラフェン層の前記レーザーラマンスペクトルが約１．０以上のＩ２Ｄ／ＩＧ比率を有する、
方法。
【請求項20】
前記基板温度が約１００℃を下回る、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
この出願は、２０２１年２月１１日出願の米国特許出願第１７／１７４，２２４号に対する優先権を主張するものであり、米国特許出願第１７／１７４，２２４号の全内容は参照により本書に援用される。
この出願は、２０２１年２月１１日出願の米国特許出願第１７／１７４，２２４号に対する優先権を主張するものであり、米国特許出願第１７／１７４，２２４号の全内容は参照により本書に援用される。
【0002】
実施形態は、半導体製造の分野に関し、詳細には、低温でのグラフェンのプラズマ化学気相堆積において使用されるモジュール型マイクロ波プラズマ源に関する。
【0003】
関連技術の説明
グラフェンは、炭素原子で構成された、原子スケールの六角格子である。グラフェンは、優れた電気的・機械的特性を有しており、多くの研究開発活動の対象となってきた。典型的には、グラフェンは、２つの一般的なプロセスのうちの１つを使用して形成される。第１の方法は剥離（ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ）プロセスの使用であり、第２の方法は熱化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスの使用である。熱ＣＶＤの使用は、大量製造（ＨＶＭ）環境においてグラフェンを形成するという利点があるので、グラフェンを形成するための有望な方法である。
グラフェンは、炭素原子で構成された、原子スケールの六角格子である。グラフェンは、優れた電気的・機械的特性を有しており、多くの研究開発活動の対象となってきた。典型的には、グラフェンは、２つの一般的なプロセスのうちの１つを使用して形成される。第１の方法は剥離（ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ）プロセスの使用であり、第２の方法は熱化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスの使用である。熱ＣＶＤの使用は、大量製造（ＨＶＭ）環境においてグラフェンを形成するという利点があるので、グラフェンを形成するための有望な方法である。
【0004】
しかし、熱ＣＶＤプロセスは、典型的には、（例えば１，０００℃を超える）高温で実装される。そのため、このようにして形成されたグラフェンは、一般に、マイクロエレクトロニクス応用には適さない。マイクロエレクトロニクスデバイスの熱収支が低いからである。したがって、グラフェンによって提供される電気的特性を最先端の半導体デバイスで利用することは、非常に困難である。
【発明の概要】
【0005】
本書で開示している実施形態は、グラフェン層を堆積させるために使用される方法及び装置を含む。一実施形態では、基板上にグラフェン層を堆積させる方法は、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内に基板を提供することと、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバに炭素源及び水素源を流入させることと、を含む。一実施形態では、この方法は、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内で、プラズマを生成すること（ｓｔｒｉｋｉｎｇ）であって、基板温度が約４００℃を下回る、プラズマを生成することと、基板上にグラフェン層を堆積させることと、を更に含む。
【0006】
本書で開示している実施形態は、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内に基板を提供することを含む、基板上にグラフェン層を堆積させる方法を、更に含む。一実施形態では、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバは、チャンバと、誘電体チャンバリッドと、誘電体チャンバリッドの凹部内に配置されて、誘電体チャンバリッドに連結された、複数のマイクロ波アプリケータと、複数のソリッドステートマイクロ波発出モジュールと、を備える。一実施形態では、各ソリッドステートマイクロ波発出モジュールは、複数のマイクロ波アプリケータのうちの１つに連結される。一実施形態では、方法は、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバに炭素源及び水素源を流入させることと、互いから横方向に離れている複数のアンテナにマイクロ波電力を印加することによって、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内でプラズマを生成することと、を更に含む。一実施形態では、基板温度は約４００℃を下回る。一実施形態では、方法は、基板上にグラフェン層を堆積させることを更に含む。
【0007】
本書で開示している更なる実施形態は、基板上にグラフェン層を堆積させる方法を含み、この方法は、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内に基板を提供することと、第１プラズマプロセスで、基板の表面を処理することと、を含む。一実施形態では、方法は、第２プラズマプロセスを開始することを更に含み、第２プラズマプロセスは、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバに炭素源及び水素源を流入させることと、モジュール型マイクロ波プラズマチャンバ内でプラズマを生成することと、を含む一実施形態では、基板温度は約４００℃を下回る。一実施形態では、方法は、基板上にグラフェン層を堆積させることを更に含み、その場合、グラフェン層のレーザーラマンスペクトルは、約１．０以下のＩＤ／ＩＧ比率、及び約１．０以上のＩ２Ｄ／ＩＧ比率を有する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1A】一実施形態による、半導体デバイスにおける導電性相互接続部の断面図である。
【図1B】一実施形態による、半導体デバイスにおける導電性相互接続部の断面図であり、導電性相互接続部の上部をグラフェン層が覆っている。
【図2A】一実施形態による、理想的なグラフェン層のラマンシフトグラフである。
【図2B】一実施形態による、許容可能な程度の欠陥を有するグラフェン層のラマンシフトグラフである。
【図3A】一実施形態による、モジュール型マイクロ波プラズマ源を有する半導体処理ツールの概略図である。
【図3B】一実施形態による、ソリッドステートマイクロ波発出モジュールの概略図である。
【図3C】一実施形態による、モジュール型マイクロ波プラズマ源としてのソースアレイの斜視図である。
【図3D】一実施形態による、グラフェン層を堆積させるための処理チャンバの断面図である。
【図4】一実施形態による、モジュール型マイクロ波プラズマ源を用いてグラフェン層を堆積させるためのプロセスのプロセスフロー図である。
【図6】一実施形態による、高周波プラズマツールと併せて使用されうる例示的なコンピュータシステムのブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本書に記載のシステムは、低温でのグラフェンのプラズマ化学気相堆積において使用される、モジュール型マイクロ波プラズマ源を含む。以下の記述においては、実施形態の網羅的な理解を提供するために、多数の具体的な詳細事項が明示される。当業者には、かかる具体的な詳細事項がなくとも実施形態は実践可能であることが自明となろう。別の事例としては、実施形態を不必要に曖昧にしないように、周知の態様については詳しく説明しない。更に、添付の図面に示している様々な実施形態は、例示的な表現であり、必ずしも正しい縮尺で描かれているわけではないことを理解されたい。
【0010】
上述したように、グラフェンは、グラフェン層の電気的特性によって、半導体製造プロセスにおける様々な用途のための優れた材料候補となっている。特に、導電性材料上のグラフェン層は、接触抵抗を低減することが分かっている。例えば、図１Ａには、誘電体層１０７内に相互接続部１０８を有する半導体デバイス１０１が示されている。相互接続部１０８は、一又は複数のトランジスタデバイス（図１Ａには図示せず）との電気接続を提供するために使用される、トレース及び／又はビアでありうる。一実施形態では、相互接続部１０８の接触抵抗は材料特性によって決まる。接触抵抗を低減する（そして半導体デバイス１０１の性能を向上させる）ために、図１Ｂに示しているように、グラフェン層１０９が相互接続部１０８の上に配置されうる。銅の上にグラフェン層１０９を設けることで、接触抵抗が約１５％低減されることが分かった。
【0011】
しかし、グラフェンの堆積には高温が必要とされるので、最先端の半導体デバイスのためのプロセスフローの大部分には、グラフェンを組み込むことができなかった。グラフェンの成長機序により、高温が必要とされる。特定の機序に縛られるわけではないが、炭素は、金属表面内へと拡散し、この金属から析出して、グラフェンを形成すると考えられている。この拡散と析出のプロセスのために、高温が必要になる。
【0012】
これに対して、本書で開示している実施形態では、導電性材料上にグラフェンを形成するために、プラズマ化学気相堆積（ＰＥ－ＣＶＤ）プロセスが利用される。詳細には、本書で開示している実施形態は、プラズマを生成するためのモジュール型マイクロ波プラズマ源を含む。モジュール型マイクロ波プラズマ源を使用することで、より反応性の高い種を伴う高密度のプラズマが可能になる。かかる処理ツールは、プラズマ中の原子状水素の濃度の増大を可能にする。特定の機序に縛られるわけではないが、原子状水素が増加することで、表面移動度が向上し、たとえ低温であっても、表面拡散及びグラフェンの生成が可能になると考えられている。一部の実施形態では、温度は約４００℃以下、又は約３００℃以下でありうる。この低温プロセスにより、たとえ最先端の半導体デバイスの熱収支が厳しくとも、グラフェンの形成が可能になる。
【0013】
グラフェンの品質（例えば欠陥密度など）は、ラマンシフト図表を分析することによって測定されうる。理想的なグラフェン層のラマンシフト図表の一例を図２Ａに示している。図示しているように、Ｇピークと２Ｄピークが提示される。２Ｄピークはグラフェンの存在を示す。２Ｄピークが存在しないか、又は低強度で半値全幅（ＦＷＨＭ）が大きくなっている場合、分析対象の材料はグラファイト又はカーボンブラックということになる。加えて、図２Ａには、Ｄピークが存在しうる場所も示されている。理想的なグラフェンでは、Ｄピークはゼロである。グラフェンにおける欠陥が増大するにつれ、Ｄピークの強度も大きくなる。ピーク間の比率は、グラフェン品質を決定するための測定指標（ｍｅｔｒｉｃ）として使用されうる。例えば、Ｄピークの強度対Ｇピークの強度（ＩＤ／ＩＧ）は０に近いことが望ましい。加えて、２Ｄピークの強度対Ｇピーク（Ｉ２Ｄ／ＩＧ）は２に近いものであるべきである。しかし、１に近いＩ２Ｄ／ＩＧ比率であっても、グラフェン層が高品質であることを示す。
【0014】
図２Ｂには、理想的ではないが好適ではある、グラフェン層の一例が示されている。ラマンシフト軸は、図２Ａのラマンシフト軸が反転されたものである。つまり、図２Ａでは、Ｇピークは２Ｄピークの左側にあり、図２Ｂでは、Ｇピークは２Ｄピークの右側にある。図示しているように、図２Ｂには小さなＤピークがある。これは、グラフェンにある程度の欠陥が存在していることを示す。加えて、Ｉ２Ｄ／ＩＧ比率は、図２Ａに示しているものほど理想的ではない。しかし、２Ｄピークには、グラフェンの存在を示す強いシグナルが示されている。
【0015】
ここで図３Ａ～３Ｄを参照するに、一実施形態によるモジュール型マイクロ波プラズマ処理ツール３００が描かれた、一連の図が示されている。モジュール型マイクロ波プラズマ処理ツール３００により、低温グラフェン堆積に必要な高いプラズマ密度が創出される。つまり、他の種類のプラズマ源は、低温グラフェンを生成することが可能ではないことがある。
【0016】
ここで図３Ａを参照するに、一実施形態による、モジュール型マイクロ波プラズマ処理ツール３００（略して「処理ツール３００」と称される）の断面図が示されている。一部の実施形態では、処理ツール３００は、プラズマを利用する何らかの種類の処理工程に適した処理ツールでありうる。例えば、処理ツール３００は、プラズマ化学気相堆積（ＰＥ－ＣＶＤ）に使用される処理ツールでありうる。処理ツールは、高周波電磁放射を発出しうる。本書で使用される場合、「高周波（ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）」電磁放射とは、無線周波放射、超短波放射、極超短波放射、及びマイクロ波放射を含む。「高周波」とは、０．１ＭＨｚと３００ＧＨｚとの間の周波数のことでありうる。
【0017】
一般に、実施形態は、チャンバ３７８を含む処理ツール３００を含む。処理ツール３００において、チャンバ３７８は、減圧（ｖａｃｕｕｍ）チャンバでありうる。減圧チャンバは、チャンバからガスを除去して望ましい減圧を提供するための、ポンプ（図示せず）を含みうる。更なる実施形態はチャンバ３７８を含んでよく、チャンバ３７８は、チャンバ３７８内に処理ガスを提供するための一又は複数のガスライン３７０と、チャンバ３７８から副生成物を除去するための排気ライン３７２とを含む。図示していないが、基板３７４上に処理ガスを均一に分配するために、ガスは（例えばシャワーヘッドとしての）ソースアレイ３５０を通じてチャンバ３７８に注入されることもあると、認識されたい。
【0018】
一実施形態では、基板３７４はチャック３７６上に支持されうる。例えば、チャック３７６は、任意の好適なチャック（静電チャックなど）でありうる。チャック３７６は、処理中に基板３７４を温度制御するために、冷却ライン及び／又はヒータも含みうる。本書に記載の高周波発出モジュールがモジュール型構成であることにより、実施形態は、処理ツール３００が任意のサイズの基板３７４に適応することを可能にする。例えば、基板３７４は、（例えば２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍ、又はそれ以上の）半導体ウエハでありうる。代替的な実施形態は、半導体ウエハ以外の基板３７４も含む。例えば、実施形態は、（例えば、ディスプレイ技術向けの）ガラス基板を処理するように構成された、処理ツール３００を含みうる。
【0019】
一実施形態によると、処理ツール３００は、モジュール型高周波発出源３０４を含む。モジュール型高周波発出源３０４は、高周波発出モジュール３０５のアレイを備えうる。一実施形態では、高周波発出モジュール３０５の各々は、発振器モジュール３０６と、増幅モジュール３３０と、アプリケータ３４２とを含みうる。図示しているように、アプリケータ３４２は、ソースアレイ３５０内に一体化されるものとして、概略的に示されている。
【0020】
一実施形態では、発振器モジュール３０６及び増幅モジュール３３０は、ソリッドステートの電気的構成要素である電気的構成要素を含みうる。一実施形態では、複数の発振器モジュール３０６の各々は、異なる増幅モジュール３３０に通信可能に連結されうる。例えば、各発振器モジュール３０６は、単一の増幅モジュール３３０に電気的に連結されうる。一実施形態では、複数の発振器モジュール３０６が非コヒーレントな電磁放射を生成しうる。したがって、チャンバ３７８内で誘起される電磁放射が、望ましくない干渉縞をもたらす様態で相互作用することはない。
【0021】
一実施形態では、各発振器モジュール３０６は、増幅モジュール３３０に送信される高周波電磁放射を生成する。この電磁放射は、増幅モジュール３３０によって処理された後に、アプリケータ３４２に送信される。一実施形態では、アプリケータ３４２の各々が、チャンバ３７８内に電磁放射を発出する。一部の実施形態では、アプリケータ３４２は、プラズマを生成するために、チャンバ３７８内で電磁放射と処理ガスとを結合させる。
【0022】
ここで図３Ｂを参照するに、一実施形態による、ソリッドステート高周波発出モジュール３０５の概略図が示されている。一実施形態では、高周波発出モジュール３０５は発振器モジュール３０６を備える。発振器モジュール３０６は、望ましい周波数の高周波電磁放射を生成するために、電圧制御発振器３２０に入力電圧を提供するための電圧制御回路３１０を含みうる。実施形態は、約１Ｖと３０ＶＤＣとの間の入力電圧を含みうる。電圧制御発振器３２０は、入力電圧によって発振周波数が制御される電子発振器である。一実施形態によると、電圧制御回路３１０からの入力電圧によって、電圧制御発振器３２０が望ましい周波数で発振することになる。一実施形態では、高周波電磁放射は、約０．１ＭＨｚと３０ＭＨｚとの間の周波数を有しうる。一実施形態では、高周波電磁放射は、約３０ＭＨｚと３００ＭＨｚとの間の周波数を有しうる。一実施形態では、高周波電磁放射は、約３００ＭＨｚと１ＧＨｚとの間の周波数を有しうる。一実施形態では、高周波電磁放射は、約１ＧＨｚと３００ＧＨｚとの間の周波数を有しうる。
【0023】
一実施形態によると、電磁放射は、電圧制御発振器３２０から増幅モジュール３３０に送信される。増幅モジュール３３０は、ドライバ／前置増幅器３３４と主電力増幅器３３６とを含んでよく、その各々が電力供給源３３９に連結されている。一実施形態によれば、増幅モジュール３３０はパルスモードで動作しうる。例えば、増幅モジュール３３０は、１％と９９％との間のデューティサイクルを有しうる。より具体的な実施形態では、増幅モジュール３３０は、約１５％と５０％との間のデューティサイクルを有しうる。
【0024】
一実施形態では、電磁放射は、増幅モジュール３３０によって処理された後、サーマルブレーク３４９及びアプリケータ３４２に送信されうる。しかし、サーマルブレーク３４９に送信された電力の一部は、出力インピーダンスの不整合のせいで反射されうる。したがって、一部の実施形態は、検出器モジュール３８１であって、順方向電力３８３及び反射電力３８２のレベルが感知され、制御回路モジュール３２１にフィードバックされることを可能にする、検出器モジュール３８１を含む。検出器モジュール３８１は、システム内の一又は複数の異なる場所（例えば、サーキュレータ３３８とサーマルブレーク３４９との間）に配置されうると認識されたい。一実施形態では、制御回路モジュール３２１は、順方向電力３８３及び反射電力３８２をインタープリトし、発振器モジュール３０６に通信可能に接続される制御信号３８５のレベル、及び増幅モジュール３３０に通信可能に接続される制御信号３８６のレベルを決定する。一実施形態では、制御信号３８５は、発振器モジュール３０６を調整して、増幅モジュール３３０に接続される高周波放射を最適化する。一実施形態では、制御信号３８６は、増幅モジュール３３０を調整して、サーマルブレーク３４９を通じてアプリケータ３４２に接続される出力電力を最適化する。一実施形態では、サーマルブレーク３４９におけるインピーダンス整合をカスタマイズすることに加えて、発振器モジュール３０６及び増幅モジュール３３０をフィードバック制御することにより、反射電力のレベルを順方向電力の約５％未満とすることが可能になりうる。一部の実施形態では、発振器モジュール３０６及び増幅モジュール３３０のフィードバック制御により、反射電力のレベルを順方向電力の約２％未満とすることが可能になりうる。
【0025】
したがって、実施形態により、処理チャンバ３７８内に接続される順方向電力のパーセンテージの増大、及び、プラズマに結合される使用可能電力の増大が可能になる。更に、フィードバック制御を使用するインピーダンスチューニングは、典型的なスロットプレートアンテナにおけるインピーダンスチューニングよりも優れている。スロットプレートアンテナでは、インピーダンスチューニングは、アプリケータ内に形成された２つの誘電体スラグの移動を伴う。このことは、アプリケータ内の２つの別個の構成要素の機械的運動を伴い、これにより、アプリケータの複雑性が増大する。更に、この機械的運動は、電圧制御発振器３２０によって提供されうる周波数の変化ほどには精密ではないことがある。
【0026】
ここで図３Ｃを参照するに、一実施形態による、ソースアレイ３５０の斜視図が示されている。一実施形態では、ソースアレイ３５０は誘電体プレート３６０を備える。複数のキャビティ３６７が、誘電体プレート３６０の第１表面３６１に配置される。キャビティ３６７は、誘電体プレート３６０の第２表面３６２まで貫通していない。ソースアレイ３５０は、複数の誘電体共振器３６６を更に含みうる。誘電体共振器３６６の各々は、別々のキャビティ３６７の中にありうる。誘電体共振器３６６の各々は、誘電体共振器３６６の軸中心に穴３６５を有しうる。
【0027】
一実施形態では、誘電体共振器３６６は第１の幅Ｗ１を有してよく、キャビティ３６７は第２の幅Ｗ２を有しうる。誘電体共振器３６６の第１の幅Ｗ１は、キャビティ３６７の第２の幅Ｗ２よりも狭い。この幅の差により、誘電体共振器３６６の側壁とキャビティ３６７の側壁との間に間隙Ｇが設けられる。図示している実施形態では、誘電体共振器３６６の各々は、均一な幅Ｗ１を有するものとして示されている。しかし、ソースアレイ３５０の全ての誘電体共振器３６６が、同じ寸法を有する必要はないことを認識されたい。
【0028】
ここで図３Ｄを参照するに、一実施形態による、アセンブリ３７０を含む処理ツール３００の断面図が示されている。一実施形態では、処理ツールは、アセンブリ３７０によって密封されるチャンバ３７８を備える。例えば、アセンブリ３７０は、チャンバ３７８の内部空間３８３を減圧密封するために、一又は複数のＯリング３８１に当接するように配置されうる。他の実施形態では、アセンブリ３７０はチャンバ３７８とインタフェース接続しうる。つまり、アセンブリ３７０は、チャンバ３７８を密封するリッドの一部でありうる。一実施形態では、処理ツール３００は、（互いに流体連結されうる）複数の処理空間を備えてよく、このとき、各処理空間は別々のアセンブリ３７０を有する。一実施形態では、チャック３７６等が被加工物３７４（例えばウエハや基板など）を支持しうる。被加工物３７４は、アセンブリ３７０から距離Ｄのところにありうる。一実施形態では、チャンバ空間３８３は、プラズマ３８２を生成するのに適したものでありうる。つまり、チャンバ３７８は減圧チャンバでありうる。
【0029】
一実施形態では、アセンブリ３７０は、ソースアレイ３５０及びハウジング３７２を備える。ソースアレイ３５０は、誘電体プレート３６０と、誘電体プレート３６０から上方に延在する複数の誘電体共振器３６６とを備えうる。誘電体プレート３６０のキャビティ３６７が、誘電体共振器３６６の各々を取り囲んでいることがある。キャビティ３６７の側壁は、間隙Ｇの分だけ誘電体共振器３６６の側壁から離れている。ソースアレイ３５０の誘電体プレート３６０と誘電体共振器３６６とは、（図３Ｄに示しているように）一体的な構造であっても、又は別個の構成要素であってもよい。
【0030】
ハウジング３７２は、間隙Ｇに嵌入されるリング３３１を含む。一実施形態では、ハウジング３７２のリング３３１と導電体３７３とは、（図３Ｄに示しているように）一体的な構造であるか、又は別個の構成要素であってもよい。ハウジング３７２は、誘電体共振器３６６を受容するようサイズ設定された開口を有しうる。一実施形態では、単極アンテナ３８８が、誘電体共振器３６６の穴の中へと延在しうる。単極アンテナ３８８は各々、電源（例えば高周波発出モジュール３０５）に電気的に連結される。
【0031】
ここで図４を参照するに、一実施形態による、基板上にグラフェン層を堆積させるためのプロセス４９０のプロセスフロー図が示されている。一実施形態では、プロセス４９０は、基板を処理チャンバ内にローディングすることを含む、工程４９１で始まりうる。一実施形態では、処理チャンバはモジュール型マイクロ波プラズマ処理ツールである。例えば、モジュール型マイクロ波プラズマ処理ツールは、上記で詳述したツールのいずれかと同様のものでありうる。
【0032】
一実施形態では、基板は、誘電体ソースアレイの誘電体プレートから距離Ｄのところに配置されうる。距離Ｄを短くすることでグラフェン層の改善がもたらされることが分かった。詳細には、距離Ｄが減少すると、ＩＤ／ＩＧ比率の低下が観察されるが、Ｉ２Ｄ／ＩＧ比率には実質的に変化がない。特定の実施形態では、距離Ｄは、約８ｃｍ以下、約４ｃｍ以下、又は約２ｃｍ以下でありうる。
【0033】
一実施形態では、基板は、その上にグラフェン層が堆積されることが望ましい、任意の基板でありうる。特定の実施形態では、基板は半導体デバイス（例えば半導体ウエハ）を備えうる。グラフェンは、導電性表面（銅表面など）の上に堆積されることが望ましいことがある。一実施形態では、導電性表面はトレースやビアなどでありうる。導電性表面上にグラフェン層を形成することにより、接触抵抗が低減されうる。一実施形態では、上にグラフェン層が堆積される導電性表面は、銅、コバルト、ルテニウム、モリブデン、タングステン、及び窒化チタンを含みうるが、これらに限定されるわけではない。
【0034】
一実施形態では、プロセス４９０は、処理チャンバ内でプラズマを生成し、第１プラズマプロセスで基板の表面を処理すること（ｔｒｅａｔｉｎｇ）を含む、工程４９２に続きうる。一実施形態では、第１プラズマプロセスは、上にグラフェンが堆積されうる初期（ｐｒｉｓｔｉｎｅ）表面を提供するための洗浄プロセスでありうる。例えば、第１プラズマプロセスは、導電性表面の上に形成された酸化物を除去することを目的とするものでありうる。一部の実施形態では、工程４９２はオプションでありうる。つまり、プロセス４９０は、工程４９１から工程４９３に直接進むこともできる。
【0035】
一実施形態では、プロセス４９０は、炭素源ガス及び水素源ガスをチャンバに流入させることを含む第２プラズマプロセスを開始することを含む、工程４９３に続きうる。一実施形態では、不活性ガス（アルゴンなど）も、処理チャンバに流し込まれうる。モジュール型マイクロ波構成によって、プラズマは、高濃度の原子状水素を伴う高密度プラズマになりうる。そのため、グラフェンの低温堆積が可能になる。
【0036】
一実施形態では、炭素源ガスは任意の炭素含有分子を含みうる。例えば、炭素源ガスはメタン及び／又はエチレンを含みうる。炭素源ガスの流量を低下させることで、微細構造が改善されたグラフェンが得られることが分かった。例えば、炭素源ガスの流量が低下すると、ＩＤ／ＩＧ比率が低くなり、かつＩ２Ｄ／ＩＧ比率が高くなりうる。一実施形態では、炭素含有源ガスの流量は、約２５ｓｃｃｍ以下、約１０ｓｃｃｍ以下、又は約５ｓｃｃｍ以下でありうる。
【0037】
一実施形態では、処理チャンバ内の圧力は、低圧プロセスとして特徴付けられうる。詳細には、圧力が低くなることによって、ＩＤ／ＩＧ比率が減少し、提供されるグラフェン膜が無欠陥に近づくことが分かった。加えて、圧力の低下は、Ｉ２Ｄ／ＩＧ比率には大きな影響を与えないことも分かった。一実施形態では、処理チャンバ内の圧力は、約２２５ｍトル以下、約１２５ｍトル以下、又は約７５ｍトル以下でありうる。
【0038】
上述したように、本書で開示している実施形態により、低温グラフェン堆積が可能になる。つまり、基板の温度は、過去に開示されたグラフェン堆積プロセスよりも低い温度に保持されうる。詳細には、本書で開示している実施形態により、約４００℃以下、約２００℃以下、又は約１００℃以下の基板温度が可能になる。加えて、グラフェンを堆積させるための過去の試行においては、温度が高くなると結晶構造が改善されたことが知られている。しかし、本書で開示している実施形態に従ってグラフェンをより無欠陥に近いものにするには、実際には、より低い温度が有益であることが分かった。例えば、ＩＤ／ＩＧ比率は基板温度の低下とともに減少し、Ｉ２Ｄ／ＩＧ比率は基板温度の低下とともに増大する。約４００°Ｃを上回る温度では、堆積プロセスによって、ほぼ非晶質の炭素層が形成されうる。
【0039】
一実施形態では、プロセス４９０は、基板の表面上にグラフェンを堆積させることを含む、工程４９４に続きうる。一実施形態では、プラズマ中の原子状水素により、表面移動度が向上して、表面拡散及びグラフェンの生成が可能になる。一部の実施形態では、グラフェンはグラフェンの単層でありうる。他の実施形態では、グラフェンシートの２つ以上の層が基板の表面上に堆積されうる。
【0040】
一実施形態では、基板の表面は導電性材料を含みうる。例えば、この導電性材料は銅又は銅合金を含みうる。導電性材料の上にグラフェン層を堆積させることで、接触抵抗の低減が可能になり、更に、基板上の半導体デバイスの性能の向上も可能になりうる。一実施形態では、グラフェン層が堆積される導電性表面は、銅、コバルト、ルテニウム、モリブデン、タングステン、及び窒化チタンを含みうるが、これらに限定されるわけではない
【0041】
ここで図５Ａを参照するに、一実施形態による、プロセス４９０に従って形成されたグラフェン層のラマンシフト図表が示されている。一実施形態では、プロセス４９０は、持続時間が約１０分間の第２プラズマプロセスを有しうる。図示しているように、２Ｄピークの強度はグラフェンが形成されていることを示す。加えて、この図表は、比率が高品質のグラフェンに適合したものであることを示している。例えば、Ｉ２Ｄ／ＩＧ比率は約１．２であり、ＩＤ／ＩＧ比率は約１である。
【0042】
ここで図５Ｂを参照するに、更なる実施形態による、プロセス４９０に従って形成されたグラフェン層のラマンシフト図表が示されている。一実施形態では、プロセス４９０は、持続時間が約２０分間の第２プラズマプロセスを有しうる。図示しているように、２Ｄピークの強度はグラフェンが形成されていることを示している。しかし、Ｄピークも増大している。Ｄピークの増大は、より長い時間に、より多くのグラフェンの層が形成されたことに起因しうる。Ｄピークが高くなっているにもかかわらず、グラフェンの全体的な品質は許容可能なままである。例えば、Ｉ２Ｄ／ＩＧ比率は約１．２であり、ＩＤ／ＩＧ比率は約１．７である。
【0043】
グラフェン層の形成には比率較的長いインキュベーション時間がかかりうることを認識されたい。例えば、第２プラズマプロセスの持続時間が約５分間だと、Ｄ２に、グラフェンの形成を示す明確なピークが存在しないこともある。
【0044】
ここで図６を参照するに、一実施形態による、処理ツールの例示的なコンピュータシステム６００のブロック図が示されている。一実施形態では、コンピュータシステム６００は、処理ツールに接続され、処理ツールにおける処理を制御する。コンピュータシステム６００は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、イントラネット、エクストラネット、又はインターネットで、他の機械に接続され（例えば、他の機械とネットワーク化され）うる。コンピュータシステム６００は、クライアント－サーバネットワーク環境においてはサーバ若しくはクライアント機械の役割で、又は、ピアツーピア（又は分散）ネットワーク環境においてはピア機械として、作動しうる。コンピュータシステム６００は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、セットトップボックス（ＳＴＢ）、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、携帯電話、ウェブアプライアンス、サーバ、ネットワークルータ、スイッチ若しくはブリッジ、又は、その機械によって行われるアクションを特定する（連続した若しくは別様な）命令のセットを実行可能な任意の機械でありうる。更に、コンピュータシステム６００として単一の機械のみを示しているが、「機械（ｍａｃｈｉｎｅ）」という語は、本書に記載の方法のうちの一又は複数の任意のものを実施するために、命令のセット（又は命令の複数のセット）を個別に又は連携的に実行する機械（コンピュータなど）の任意の集合体を含むとも、解釈されたい。
【0045】
コンピュータシステム６００は、命令が記憶された非一過性の機械可読媒体を有するコンピュータプログラム製品又はソフトウェア６２２を含んでよく、これらの命令は、実施形態に従ってプロセスを実施するよう、コンピュータシステム６００（又はその他の電子デバイス）をプログラムするために使用されうる。機械可読媒体は、機械（例えばコンピュータ）によって読み取り可能な形態で情報を記憶又は伝送するための、任意の機序を有する。例えば、機械可読な（例えばコンピュータ可読な）媒体は、機械（例えばコンピュータ）可読記憶媒体（例えば読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光記憶媒体、フラッシュメモリデバイスなど）や、機械（例えばコンピュータ）可読伝送媒体（電気的形態、光学的形態、音響的形態、又はその他の形態の伝播信号（例えば赤外線信号、デジタル信号など））等を含む。
【0046】
一実施形態では、コンピュータシステム６００は、バス６３０を介して互いに通信する、システムプロセッサ６０２、メインメモリ６０４（例えば、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、同期ＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）又はランバスＤＲＡＭ（ＲＤＲＡＭ）などといったダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ））、スタティックメモリ６０６（例えばフラッシュメモリやスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）など）、及び二次メモリ６１８（データ記憶デバイスなど）を含む。
【0047】
システムプロセッサ６０２は、一又は複数の汎用処理デバイス（例えばマイクロシステムプロセッサや中央処理装置など）を表す。より詳細には、システムプロセッサは、複合命令セット演算（ＣＩＳＣ）マイクロシステムプロセッサ、縮小命令セット演算（ＲＩＳＣ）マイクロシステムプロセッサ、超長命令語（ＶＬＩＷ）マイクロシステムプロセッサ、その他の命令セットを実装するシステムプロセッサ、又は、命令セットの組み合わせを実装するシステムプロセッサでありうる。システムプロセッサ６０２は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号システムプロセッサ（ＤＳＰ）、ネットワークシステムプロセッサなどといった、一又は複数の特殊用途処理デバイスでもありうる。システムプロセッサ６０２は、本書に記載の工程を実施するための処理ロジック６２６を実行するよう構成される。
【0048】
コンピュータシステム６００は、他のデバイス又は機械と通信するためのシステムネットワークインターフェースデバイス６０８を更に含みうる。コンピュータシステム６００は、ビデオディスプレイユニット６１０（例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオードディスプレイ（ＬＥＤ）、又は陰極線管（ＣＲＴ））、英数字入力デバイス６１２（例えばキーボード）、カーソル制御デバイス６１４（マウスなど）、及び信号生成デバイス６１６（例えばスピーカー）も含みうる。
【0049】
二次メモリ６１８は、本書に記載の方法又は機能のうちの一又は複数の任意ものを具現化する、命令の一又は複数のセット（例えばソフトウェア６２２）が記憶されている、機械アクセス可能記憶媒体６３２（又は、より具体的には、コンピュータ可読記憶媒体）を含みうる。このソフトウェア６２２は、コンピュータシステム６００によって実行されている間、完全に又は少なくとも部分的に、メインメモリ６０４及び／又はシステムプロセッサ６０２の中にも常駐していてもよく、メインメモリ６０４及びシステムプロセッサ６０２は更に、機械可読記憶媒体を構成する。ソフトウェア６２２は更に、システムネットワークインターフェースデバイス６０８を介して、ネットワーク６２０経由で送受信されうる。一実施形態では、ネットワークインターフェースデバイス６０８は、ＲＦ結合、光結合、音響結合、又は誘導結合を使用して動作しうる。
【0050】
例示的な一実施形態では、機械アクセス可能記憶媒体６３２を単一の媒体として示しているが、「機械可読記憶媒体（ｍａｃｈｉｎｅ－ｒｅａｄａｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）」という語は、命令の一又は複数のセットを記憶する単一の媒体又は複数の媒体（例えば、集中データベース若しくは分散データベース、並びに／又は、関連のキャッシュ及びサーバ）を含むと、解釈すべきである。「機械可読記憶媒体」という語は、機械によって実行される命令のセットを記憶又は符号化することが可能であり、かつ、方法のうちの一又は複数の任意のものを機械に実施させる、任意の媒体を含むとも、解釈されたい。したがって、「機械可読記憶媒体」という語は、ソリッドステートメモリと、光媒体及び磁気媒体とを含むが、これらに限定されるわけではないと、解釈されたい。
【0051】
前述の明細書において、具体的かつ例示的な実施形態について説明してきた。以下の特許請求の範囲から逸脱せずにかかる実施形態に様々な改変が加えられうることは、自明となろう。したがって、本明細書及び図面は、限定を意味するのではなく、例示を意味すると見なすべきである。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【国際調査報告】