CN104641730A - 等离子体处理装置以及等离子体处理方法 - Google Patents

等离子体处理装置以及等离子体处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置以及等离子体处理方法，其能够稳定且高效地产生等离子体，并在短时间内高效地对基材的所希望的被处理区域整体进行处理。为了达成该目的，在具备开口部以外由电介质构件包围的环状腔(7)、设置于该环状腔附近的线圈(3)、和接近开口部(8)配置的基材载置台(1)的等离子体处理装置及其处理方法中，其特征在于，沿着与上述基材载置台所形成的面垂直的面来设置上述环状腔。根据该特征，能够稳定且高效地产生等离子体，并在短时间内高效地对基材的所希望的被处理区域整体进行处理。

Description

等离子体处理装置以及等离子体处理方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体处理装置以及等离子体处理方法，其为对基材照射热等离子体并对基材进行处理的热等离子体处理、通过反应气体进行的等离子体处理、以及对基材同时照射等离子体和反应气体并对该基材进行处理的低温等离子体处理等。
背景技术
现有，多晶硅(poly-Si)等的半导体薄膜被广泛应用于薄膜晶体管(TFT：Thin Film Transistor)和太阳能电池。特别是，poly-Si TFT有效利用载流子迁移率高、且能够在玻璃基板这样的透明绝缘基板上制作的特征，poly-Si TFT例如作为构成液晶显示装置、液晶投影机和有机EL显示装置等像素电路的开关元件，或者作为液晶驱动用驱动器的电路元件被广泛应用。
作为在玻璃基板上制作高性能的TFT的方法，有一般被称为“高温工艺”的制造方法。在TFT的制造工艺中，一般将使用工序中的最高温度为1000℃左右的高温的工艺称为“高温工艺”。高温工艺的特征为：能够通过硅的固相生长形成较为优质的多晶硅薄膜、能够通过硅的热氧化得到优质的栅极绝缘层、以及能够形成干净的多晶硅与栅极绝缘层的界面。在高温工艺中，通过这些特征，能够稳定地制造高迁移率且可靠性高的高性能TFT。
另一方面，由于高温工艺为一种通过固相生长来进行硅膜的结晶的工艺，因此在600℃左右的温度下需要进行48小时左右的长时间的热处理。这是相当长时间的工序，为了提高工序的生产量，必然需要大量热处理炉，存在难以低成本化的问题。而且，作为耐热性高的绝缘性基板，不得不使用石英玻璃，因此基板的成本高，不适合大面积化。
另一方面，用于降低工序中的最高温度，在价格便宜的大面积的玻璃基板上制作poly-Si TFT的技术是被称为“低温工艺”的技术。在TFT的制造工艺中，在最高温度大概为600℃以下的温度环境下，在价格比较便宜的耐热性的玻璃基板上制造poly-Si TFT的工艺一般被称为“低温工艺”。在低温工艺中，使用振荡时间极短的脉冲激光来进行硅膜的结晶的激光结晶技术被广泛使用。激光结晶是指通过对基板上的硅薄膜照射高功率的脉冲激光使硅薄膜瞬间熔融，利用在该熔融的硅薄膜凝固的过程中进行结晶的性质的技术。
然而，在这种激光结晶技术中存在几大问题。问题之一是在通过激光结晶技术形成的多晶硅膜的内部局部存在的大量的陷获级。由于该陷获级的存在，本来应该通过施加电压来移动有源层的载流子被俘获，不能帮助导电，带来TFT的迁移率降低、阈值电压增大的恶劣影响。进而，因为激光输出的限制，还存在玻璃基板的尺寸被限制的问题。为了提高激光结晶工序的生产量，需要增加一次可结晶的面积。然而，在现有的激光输出上存在限制，因此在第7代(1800mm×2100mm)的大型基板上采用该结晶技术的情况下，为了使一张基板结晶需要很长时间。
此外，激光结晶技术一般使用成形为线状的激光，通过使其进行扫描来进行结晶。由于在激光输出上存在限制，因此该直线光束比基板的宽度短，为了对基板整体进行结晶，需要分数次进行激光扫描。由此，在基板内产生直线光束的接缝区域，形成被扫描两次的区域。该区域与通过一次扫描进行了结晶的区域相比，结晶性有很大不同。因此，两者的元件特性有很大不同，成为设备偏差的重要原因。
最后，激光结晶装置的装置结构复杂且消耗部件的成本高，因此存在装置成本以及运行成本高的问题。由此，使用了通过激光结晶装置结晶后的多晶硅膜的TFT成为制造成本高的元件。
为了克服这种基板尺寸的限制、装置成本高的问题，研究了一种被称为“热等离子流结晶法”的结晶技术(例如，参照非专利文献1)。以下对本技术进行简单说明。若使钨(W)阴极与水冷后的铜(Cu)阳极相对，并施加DC电压，则在两极间产生电弧放电。通过在该电极间在大气压下使氩气流过，从在铜阳极所开的喷出孔喷出热等离子体。
热等离子体是指热平衡等离子体，是离子、电子、中性原子等的温度大致相等且它们的温度具有10000K左右的超高温的热源。因此，热等离子体可容易地将被加热物体加热到高温，堆积有a-Si(非晶硅)膜的基板高速扫描超高温热等离子体的前面，从而使a-Si膜结晶化。
像这样装置结构极其简单，且为在大气压力下的结晶工艺，因此，不需要用密闭腔等高价部件来覆盖装置，就能够期待装置成本变得极其便宜。此外结晶所需的实用物为氩气、电力和冷却水，因此是运行成本也低的结晶技术。
图19为用于说明使用了该热等离子体的半导体膜的结晶方法的模式图。
在图19中，热等离子体产生装置31构成为具备阴极32、和与该阴极32间隔规定距离并相对配置的阳极33。阴极32例如由钨等导电体构成。阳极33例如由铜等导电体构成。此外，阳极33形成为中空，并构成为能够向该中空部分通水来进行冷却。此外，在阳极33中设置有喷出孔(喷嘴)34。若在阴极32与阳极33之间施加直流(DC)电压，则在两极间产生电弧放电。在该状态下，在阴极32与阳极33之间在大气压力下使氩气等气体流过，从而能够从上述喷出孔34喷出热等离子体35。
在此，“热等离子体”是指热平衡等离子体，是离子、电子、中性原子等的温度大致相等且它们的温度具有10000K左右的超高温的热源。
能够在用于半导体膜的结晶化的热处理中利用这样的热等离子体。具体来说，在基板36上形成半导体膜37(例如，非晶硅膜)，向该半导体膜37照射热等离子体(热等离子流)35。此时，热等离子体35一边沿着与半导体摸37的表面平行的第1轴(图示的例中的左右方向)相对移动，一边被照向半导体膜37。即，热等离子体35一边在第1轴方向上进行扫描，一边被照向半导体膜37。
在此，“相对移动”是指使半导体膜37(以及支撑其的基板36)与热等离子体35相对移动，包含只使一方移动的情况和使两方均移动的情况。通过这样的热等离子体35的扫描，半导体膜37通过热等离子体35所具有的高温被加热，能够得到结晶后的半导体膜38(在本例中为多晶硅膜)(例如，参照专利文献1)。
图20为表示距离基板最表面的深度与温度的关系的示意图。如图20所示，通过使热等离子体35高速移动，能够仅对表面附近在高温下进行处理。热等离子体35通过后，被加热后的区域被迅速冷却，表面附近只在极短的时间内变为高温。
这种热等离子体一般在点状区域产生。热等离子体通过来自阴极32的热电子放出而被维持。因此，在等离子体密度高的位置，热电子放出变得更活跃，因此，形成正反馈，等离子体密度越来越高。即，电弧放电集中在阴极的一点产生，热等离子体在点状区域产生。
在半导体膜的结晶化等想要同样地对平板状基材进行处理的情况下，需要以点状的热等离子体遍及基材整体地进行扫描，但为了减少扫描次数并构筑能够以更短的时间进行处理的工艺，扩大热等离子体的照射区域是有效的。因此，探讨了一种产生长的热等离子体，并仅在一个方向上进行扫描的技术。(例如，参照专利文献2～7)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-53634号公报
专利文献2：国际公开第2011/142125号
专利文献3：日本特开2012-38839号公报
专利文献4：日本特开2012-54129号公报
专利文献5：日本特开2012-54130号公报
专利文献6：日本特开2012-54131号公报
专利文献7：日本特开2012-54132号公报
非专利文献
非专利文献1：S.Higashi,H.Kaku,T.Okada,H.Murakami and S.Miyazaki,Jpn.J.Appl.Phys.45,5B(2006)pp.4313-4320
发明内容
然而，针对半导体的结晶化等只在极短的时间内对基材的表面附近进行高温处理的用途，在现有例中所示的专利文献2～7中所述的产生长的热等离子体的技术中，等离子体最高温的部分远离基板。因此，存在难以充分提高基板温度的问题。
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供一种等离子体处理装置以及等离子体处理方法，在只在极短的时间内均匀地对基材的表面附近进行高温热处理的技术、通过反应气体进行的等离子体处理技术、以及同时向基材照射等离子体和反应气体流并对该基材进行处理的低温等离子体处理技术中，能够稳定且高效地产生等离子体，并能够以短时间高效地对基材的所希望的被处理区域整体进行处理。
本发明的等离子体处理装置具备：开口部；与开口部连通，并且开口部以外被电介质构件包围的环状腔；用于向环状腔内导入气体的气体供给配管；设置于环状腔附近的线圈；连接于线圈的高频电源；及用于接近开口部配置基材的基材载置台，其特征在于，沿着与基材载置台所形成的面垂直的面来设置环状腔。
通过这样的结构，在只在极短的时间内均匀地对基材的表面附近进行高温热处理的技术、通过反应气体进行的等离子体处理技术、以及同时对基材照射等离子体和反应气体流来对该基材进行处理的低温等离子体处理技术中，能够稳定且高效地产生等离子体。
本发明的等离子体处理方法为一种开口部以外向由电介质构件包围的环状腔内供给气体，并向线圈供给高频电力，从而在环状腔内产生高频电磁场并产生等离子体，接近开口部配置基材，并将基材暴露于开口部附近的等离子体，从而对基材的表面进行处理的等离子体处理方法，其特征在于，在沿着与基材所形成的面垂直的面设置的环状腔内生成等离子体。
通过这样的结构，在只在极短的时间内均匀地对基材的表面附近进行高温热处理的技术、通过反应气体进行的等离子体处理技术、以及同时对基材照射等离子体和反应气体流并对该基材进行处理的低温等离子体处理技术中，能够稳定且高效地产生等离子体。
根据本发明，在只在极短的时间内均匀地对基材的表面附近进行高温热处理的技术、通过反应气体进行的等离子体处理技术、以及同时对基材照射等离子体和反应气体流来对该基材进行处理的低温等离子体处理技术中，能够稳定且高效地产生等离子体，并能够以短时间高效地对基材的所希望的被处理区域整体进行处理。
附图说明
图1(A)为表示本发明的实施方式1中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图1(B)为表示本发明的实施方式1中的等离子体处理装置的结构的剖视图(表示图1A中的虚线部的剖面的图)。
图2为表示本发明的实施方式1中的等离子体处理装置的结构的立体图。
图3为表示本发明的实施方式2中的等离子体处理装置的结构的立体图。
图4为表示本发明的实施方式3中的等离子体处理装置的结构的立体图。
图5为表示本发明的实施方式4中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图6为表示本发明的实施方式4中的等离子体处理装置的结构的立体图。
图7为表示本发明的实施方式4中的等离子体处理装置的结构的立体图。
图8为表示本发明的实施方式5中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图9为表示本发明的实施方式6中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图10为表示本发明的实施方式7中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图11为表示本发明的实施方式8中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图12为表示本发明的实施方式9中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图13为表示本发明的实施方式10中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图14为表示本发明的实施方式11中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图15为表示本发明的实施方式11中的等离子体处理装置的结构的立体图。
图16(A)为表示本发明的实施方式12中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图16(B)为表示本发明的实施方式12中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图16(C)为表示本发明的实施方式12中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图17为表示本发明的实施方式13中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图18为表示本发明的实施方式13中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图19为表示现有例中的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图20为表示现有例中的距离基板最表面的深度与温度的关系的示意图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式中的等离子体处理装置进行说明。
(实施方式1)
以下，参照图1(A)、图1(B)以及图2，对本发明的实施方式1进行说明。
图1(A)表示本发明的实施方式1中的等离子体处理装置的结构，其为以垂直于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向的面进行了剖切的剖视图。图1(B)为以平行于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向且垂直于基材的面进行了剖切的剖视图。图1(A)为以图1(B)的虚线进行了剖切的剖视图，图1(B)为以图1(A)的虚线进行了剖切的剖视图，此外，图2为图1(A)以及图1(B)所示的电感耦合型等离子体炬单元的组装结构图，且为将各部件(一部分)的立体图排列而成的图。
图1(A)、图1(B)以及图2中，基材2载置于基材载置台1上。在电感耦合型等离子体炬单元T中，导体制的螺线管线圈3配置于第一石英块4以及第二石英块5的附近。通过由第一石英块4、第二石英块5以及基材2的表面包围起来的空间，划定电介质制的长腔7。沿着与基材载置台1所形成的面垂直的面设置长腔7。
此外，螺线管线圈3的中心轴构成为平行于基材载置台1且朝向垂直于包含长腔7的平面的方向。即，螺线管线圈3的一圈所构成的面沿着与基材载置台所形成的面垂直的面且沿着包含长腔7的平面设置。此外，在第一石英块4的外侧、第二石英块5的外侧各配置一个螺线管线圈3，且这些螺线管线圈3在与长腔7分离的位置串联连接，在施加了高频电力时，在长腔所产生的高频电磁场的朝向变得彼此相等。
螺线管线圈3通过这两个中的仅任一方都能够发挥作用，但如本实施方式那样，隔着长腔7设置两个螺线管线圈3具有能够增强在长腔7内产生的电磁场的强度的优点。
电感耦合型等离子体炬单元T被整体接地的导体制的保护部件(未图示)包围，能够有效地防止高频率的漏泄(噪声)，并能够有效地防止不理想的异常放电等。
长腔7被第一石英块4的一个平面和设置于第二石英块5的槽包围。此外，这些作为电介质构件的两个电介质块彼此贴合。即，长腔7构成为开口部8以外被电介质包围。此外，长腔7为环状。这里所说的环状是指形成一个连续闭合的绳状的形状，但并不局限于圆形。在本实施例中，举例示出长方形(形成两个长边的直线部与在其两端形成两个短边的直线连结而成的一个连续闭合的绳状的形状)的长腔7。
在长腔7所产生的等离子体P在长腔7的细长且线状的开口部8与基材2接触。此外，长腔7的长度方向与开口部8的长度方向平行配置。此外，开口部8的开口宽度与环状腔的粗细(构成环状腔的一个连续闭合的通路，图1(A)的尺寸d)大致相等。
第二石英块5的内部设置有等离子气体歧管9。由等离子气体供给配管10向等离子气体歧管9供给的气体经由设置于第二石英块5的作为气体导入部的等离子气体供给孔11(贯通孔)被导入长腔7。通过这样的结构，能够简单地实现长度方向上均匀的气流。导入等离子气体供给配管10的气体的流量通过在其上游具备质量流控制器等的流量控制装置而得到控制。
等离子气体供给孔11为长的缝隙，也可以是在长度方向上设置多个圆形孔状的结构。
螺线管线圈3由中空的铜管构成，内部成为制冷剂流路。此外，通过粘结剂6来确保螺线管线圈3的外皮部分与第一石英块4以及第二石英块5之间的热传导。因此，通过在构成螺线管线圈3的铜管中使水等制冷剂流过，能够进行螺线管线圈3、第一石英块4以及第二石英块5的冷却。
设置有长方形的线状的开口部8，基材载置台1(或者，基材载置台1上的基材2)与开口部8相对配置。在这种状态下，一边向长腔内供给气体并使气体从开口部8朝向基材2喷出，一边由高频电源R向螺线管线圈3供给高频电力，从而在长腔7中产生等离子体P。通过将开口部8附近的等离子体暴露于基材2，能够对基材2上的薄膜22进行等离子体处理。
在相对于开口部8的长度方向垂直的朝向上，使长腔7与基材载置台1相对移动，从而对基材2进行处理。即，向图1(A)的左右方向、向垂直于图1(B)的纸面的方向移动电感耦合型等离子体炬单元T或者基材载置台1。
作为向长腔7内供给的气体，可以使用各种气体，但是若考虑到等离子体的稳定性、引燃性、被暴露于等离子体的部件的寿命等，则优选惰性气体主体。其中，典型地使用Ar气体。在只用Ar气体来生成等离子体的情况下，等离子体的温度变得相当高(10,000K以上)。
在这样的等离子体处理装置中，一边从等离子气体供给孔11向长腔7内供给Ar或者Ar+H2气体并使气体从开口部8朝基材2喷出，一边由高频电源R向螺线管线圈3供给13.56MHz的高频电力，从而在长腔7内产生高频电磁场来产生等离子体P。通过将开口部8附近的等离子体暴露于基材2并进行扫描，能够进行半导体膜的结晶化等热处理。
作为等离子体产生的条件，适当的取值是：扫描速度＝50～3000mm/s、等离子气体总流量＝1～100SLM、Ar+H2气体中的H2浓度＝0～10％、高频电力＝0.5～10kW左右。但是，在这些量中，气体流量以及电力为开口部8的每100mm的长度的值。这是因为一般认为气体流量和电力等参数取投入与开口部8的长度成比例的量较为适当。
像这样，开口部8的长度方向与基材载置台1保持平行配置的状态，在与开口部8的长度方向垂直的朝向上，使长腔与基材载置台1相对移动，因此，如图1(B)所示，可构成为应该生成的等离子体的长度与基材2的处理长度大致相等。
此外，在本实施方式中，长腔7为环状。而且，将构成开口部8的第一石英块4的最下面与基材2的表面之间的距离(图1(A)的尺寸g)设为0.5mm。以下，对这样的长腔的构造所带来的效果进行说明。
若在与现有的普通圆筒形电感耦合型等离子体炬相同的一块长方体形状的空间中产生大气压电感耦合型等离子体，则容易在腔内产生圆环状的(环形的)等离子体。即，由于在长方体形状的腔内产生圆环状的等离子体，因此在腔内的仅该一部分形成密度非常高的等离子体，难以在长度方向上进行均匀的处理。
另一方面，在本实施方式中，构成长的环状腔，因此会沿着其形状产生长方形的细长的长等离子体P。因此，与现有例相比，特别能够在长度方向上进行均匀的处理。此外，由于腔的体积与现有例相比变小，作用于单位体积上的高频电力增加，因此还具有等离子体产生效率变好的优点。
此外，在现有的普通电感耦合型等离子体炬中，提出了若增加气体流量则放电变得不稳定的问题(例如，参照Hironobu Yubuta et al.，“Design and evaluation of dual inlet ICP torch for low gas consumption”，Journal of Analytical Atomic Spectrometry，17(2002)1090-1095页)。一般认为这是由于环状等离子体在腔内摆动时，在气流的下游区域，环状等离子体与线圈的距离分开过大而不能维持电感耦合，等离子体熄火。
另一方面，在本实施方式中，将构成开口部8的第一石英块4的最下面与基材2的表面之间的距离g构成为极窄的0.5mm，因此环状的等离子体P不能侵入电感耦合型等离子体炬单元T与基材2之间的间隙，而停留在长腔7内(比间隙靠上游的区域)。因此，不会引起环状等离子体P的摆动，极其稳定的长的环状等离子体P得以维持。因此，与现有例相比，能够产生特别稳定的等离子体。
此外，使等离子体P中电子密度和活性粒子密度高的部分暴露于基材2的表面，因此，能够进行高速处理或者高温处理。
另外，对构成开口部8的第一石英块4的最下面与基材2的表面之间的距离g进行详细调查后可知，在g为1mm以下的情况下，能够抑制环状的等离子体P的摆动。另一方面，若g过小，则长度方向的部件加工和组装精度的影响将增加，此外，从通路通过并到达基材2的等离子流变弱。因此，理想的是将距离g构成为0.1mm以上，优选0.3mm以上。
此外，长腔7的粗细(构成长腔7的一个连续闭合的通路)d在图1(A)中被表示为设置于长腔7中的第二石英块5的槽的宽度d。此外，若将长腔7的外径(作为长腔7整体的尺寸)设为e，则该外径e在图1(A)中被表示为设置于第二石英块5的槽的上侧的内壁面与基材2之间所形成的距离e。由于长腔7是长的，因此在长边部与短边部，长腔7的外径e不同。具体来说，长边部的长腔7的外径e比短边部的长腔7的外径e小。
通过实验对这些尺寸d(长腔7的粗细)、e(长腔7的外径)进行详细调查后发现，若d不足1mm，则在长腔7内极难产生高密度的热等离子体。此外，还发现：在e不足10mm的情况下，在长腔7内也极难产生高密度的热等离子体。从这样的实验可知，优选长腔7的粗细d为1mm以上，优选长腔7的外径e为10mm以上。
此外，若d过粗，则等离子体产生效率降低，因此，理想的是长腔7的粗细d为10mm以下。
(实施方式2)
以下，参照图3对本发明的实施方式2进行说明。
图3为表示本发明的实施方式2中的等离子体处理装置的结构的图，并为电感耦合型等离子体炬单元的组装结构图，是将各部件(一部分)的立体图排列而成的，相当于图2。
在实施方式2中，采用的并不是螺线管形的线圈，而是使用平面状的螺旋线圈23的结构。
在这样的结构中，在螺旋线圈23内流过相同的电流时，与实施方式1相比，具有在长腔7内所产生的电磁场的强度增强的优点。因此，能够进行更高速或者高温的等离子体处理。
另外，螺旋线圈23在第一石英块4的外侧、第二石英块5的外侧各配置一个，且在与长腔7分离的位置上串联连接，在施加了高频电力时，在长腔7所产生的高频电磁场的朝向彼此相同。螺旋线圈23的两个中的仅任一方也能够发挥作用。
或者，还能够不对两个螺旋线圈23进行串联连接，而通过将一方的线圈23的一端连接高频而另一端接地来使其作为线圈发挥作用，并通过将另一方的线圈23接地来提高等离子体的引燃性。
(实施方式3)
以下，参照图4对本发明的实施方式3进行说明。
图4为表示本发明的实施方式3中的等离子体处理装置的结构的图，且为电感耦合型等离子体炬单元的组装结构图，是将各部件(部分)的立体图排列而成的，相当于图2。
在实施方式3中，将在第一石英块4的外侧、第二石英块5的外侧各配置一个的单匝线圈43在与长腔7分离的位置上并联连接，在施加了高频电力时，在长腔7内所产生的高频电磁场的朝向彼此相同。
通过这样的结构，线圈整体的电感变小，因此对于想要使用高频率的高频电力的情况，或者想要将长腔7加长的情况来说是有效的，能够得到更高的电力效率。
(实施方式4)
以下，参照图5～图7对本发明的实施方式4进行说明。
图5为表示本发明的实施方式4中的等离子体处理装置的结构的图，且为以垂直于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向的面进行了剖切的剖视图，相当于图1(A)。图6为电感耦合型等离子体炬单元的组装结构图，是将各部件(一部分)的立体图排列而成的，相当于图2。此外，图7为使其左右与图6相反并将一部分部件排列起来的图。
在实施方式4中，在第二石英块5的外侧(与构成长腔7的槽相反的面)设置有槽12，在其内部配置有作为接地导体的铜管13。槽12为与长腔7平行的朝向上的长形，比线圈的长度方向的长度短。铜管13被整形为U形，与螺线管线圈3相同，通过粘结剂6粘结于槽12。此外，通过在铜管13内使水等制冷剂流过，能够对第二石英块5进一步进行冷却。
通过这样的结构，与实施方式1相比，长腔7内的静电场增强，因此能够提高等离子体的引燃性。此外，由于冷却效率提高，因此能够施加更高的高频电力，因此，能够进行更高速的处理或者更高温的处理。
(实施方式5)
以下，参照图8对本发明的实施方式5进行说明。
图8为表示本发明的实施方式5中的等离子体处理装置的结构的图，且为以垂直于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向的面进行了剖切的剖视图，相当于图1(A)。
在实施方式5中，所采用的结构是：在第一石英块4设置贯通孔，并将包围设置于第二石英块5的槽12的凸部插入贯通孔。对于其他的结构，与实施方式4相同。
通过这样的结构，能够使接地的铜管13的配置更加靠近长腔7。因此，与实施方式4相比，长腔7内的静电场增强且冷却效率提高，因此能够施加更高的高频电力，能够进行更高速的处理或者更高温的处理。
(实施方式6)
以下，参照图9对本发明的实施方式6进行说明。
图9为表示本发明的实施方式6中的等离子体装置的结构的图，且为以垂直于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向的面进行了剖切的剖视图，相当于图1(A)。
在实施方式6中，在第二石英块5设置上下两个槽12，在各槽12配置接地的铜管13这一点，与实施方式5不同。
通过这样的结构，能够使接地的铜管13的配置更加靠近长腔7。因此，与实施方式4相比，长腔7内的静电场增强且冷却效率提高，因此，能够施加更高的高频电力，能够进行更高速的处理，或者更高温的处理。
(实施方式7)
以下，参照图10对本发明的实施方式7进行说明。
图10为表示本发明的实施方式7中的等离子体处理装置的结构的图，且为以与电感耦合型等离子体炬单元的长度方向平行，且垂直于基材的面进行了剖切的剖视图，相当于图1(B)。
在图10中举例示出跑道形(形成两个长边的直线部与在其两端形成两个短边的圆或者椭圆连结而成的一个连续闭合的绳状的形状)的长腔。
通过这样的结构，由高温等离子体引起的槽12的损伤和变形变小，能够谋求电介质构件的长寿命化。
(实施方式8)
以下，参照图11对本发明的实施方式8进行说明。
图11为表示本发明的实施方式8中的等离子体处理装置的结构的图，且为以垂直于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向的面进行了剖切的剖视图，相当于图1(A)。
图11中，在第二石英块5，气体流路14设置于构成长腔7的槽的内侧部分，使Ar气体向作为构成长腔7的长边的一方的电感耦合型等离子体炬单元T与基材2之间的空间的供给顺畅。即，在实施方式1中，向电感耦合型等离子体炬单元T与基材2之间的空间的气体供给只从构成长腔7的短边进行，对此，在本实施方式中，气体供给通过作为两个长边间的间隙的气体流路14而得到促进。因此，电感耦合型等离子体炬单元T与基材2之间的空间内的Ar浓度增加(因为在实施方式1中空气的卷入很多)。因此，能够得到更稳定的等离子体。
另外，气体流路14的厚度(图11中的左右方向的间隙的大小)需要构成为足够薄到形成于长腔7的环状的等离子体不能进入的程度，若d不足1mm，则极难在长腔7内产生高密度的热等离子体，因此，理想的是气体流路14的厚度为不足1mm。
(实施方式9)
以下，参照图12对本发明的实施方式9进行说明。
图12为表示本发明的实施方式9中的等离子体处理装置的结构的图，且为以垂直于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向的面进行了剖切的剖视图，相当于图1(A)。
图12中，在第二石英块5中，气体流路14设置于构成长腔7的槽的内侧部分，并且等离子气体歧管9设置于构成长腔7的槽的内侧部分。
通过这样的结构，向构成长腔7的两个长边的气体供给更加均匀化，电感耦合型等离子体炬单元T与基材2之间的空间内的Ar浓度增加(因为在实施方式1中空气的卷入很多)。因此，能够得到更加稳定的等离子体。
(实施方式10)
以下，参照图13对本发明的实施方式10进行说明。
图13为表示本发明的实施方式10中的等离子体处理装置的结构的图，且为以垂直于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向的面进行了剖切的剖视图，相当于图1(A)。
在图13中，设置于第一石英块4的最下部的槽与设置于第二石英块5的槽经由作为未图示的短边侧的槽的、设置于第一石英块4以及第二石英块5双方的槽，整体构成环状的长腔7。即，长腔7沿着与基材载置台1所形成的面垂直的面设置，但形成稍微倾斜的配置。这样的结构也在本发明的适用范围内。
(实施方式11)
以下，参照图14以及图15对本发明的实施方式11进行说明。
图14为表示本发明的实施方式11中的等离子体处理装置的结构的图，且为以垂直于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向的面进行了剖切的剖视图，相当于图1(A)。此外，图15为图14所示的电感耦合型等离子体炬单元的组装结构图，是将各部件(一部分)的立体图排列而成的，相当于图2。
图14以及图15中，在第二石英块5中，气体流路14设置于构成长腔7的槽的内侧部分，使Ar气体向作为构成长腔7的长边的一方的电感耦合型等离子体炬单元T与基材2之间的空间的供给顺畅。与实施方式8的不同在于，气体流路14由多个比较深的槽构成。
气体流路14并非只是槽，也可通过与实施方式8相同的整体较薄的间隙与槽的双方来构成。
通过这样的结构，比实施方式8更加促进气体供给，电感耦合型等离子体炬单元T与基材2之间的空间内的Ar浓度增加，因此能够得到更稳定的等离子体。
另外，气体流路14的厚度(图14中的左右方向的间隙的大小)需要构成为足够薄到形成于长腔7的环状的等离子体不能进入的程度。若d不足1mm，则极难在长腔7内产生高密度的热等离子体，因此，理想的是气体流路14的宽度为不足1mm。
(实施方式12)
以下，参照图16(A)、图16(B)、图16(C)对本发明的实施方式12进行说明。
图16(A)、图16(B)、图16(C)为表示本发明的实施方式12中的等离子体处理装置的结构的图，且为以垂直于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向的面进行了剖切的剖视图。图16(A)表示实施电感耦合型等离子体炬单元T的引燃时序、加速的准备阶段，图16(B)表示等离子体处理中的阶段，图16(C)表示等离子体处理结束后实施减速、熄火的阶段。
在图16(A)、图16(B)、图16(C)中，基材载置台1的两旁设置有平板状的盖16。盖16以在配置有基材2时包围基材2的边缘部的方式设置于基材载置台1的两旁。此外，盖16的表面与基材2的表面构成为位于同一平面上。在盖16的内部设置有用于对盖16进行冷却的制冷剂流路17。盖16具有保护装置不受等离子体破坏的功能，和以能够顺畅地进行等离子体的引燃、熄火的方式将环状腔的形状保持恒定的功能。优选在将基材2载置于基材载置台1上时，盖16与基材2之间产生的间隙w尽可能小。
另外，优选盖16的至少表面由绝缘材料构成。通过这样的结构，能够有效地抑制在等离子体与盖16之间发生电弧放电的情况。在由绝缘材料构成盖16的至少表面时，可以用石英、陶瓷等绝缘体构成盖16整体，也可以使用在不锈钢、铝等金属(导体)上通过喷镀、CVD、涂布作业等形成有绝缘皮膜的材料。
(实施方式13)
以下，参照图17以及图18对本发明的实施方式13进行说明。
图17为表示本发明的实施方式13中的等离子体处理装置的结构的图，且为以垂直于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向的面进行了剖切的剖视图。图17为表示实施电感耦合性等离子体炬单元T的引燃时序、加速的准备阶段。此外，图18为表示本发明的实施方式13中的等离子体处理装置的结构的图，且为以平行于电感耦合型等离子体炬单元的长度方向，且垂直于基材的面进行了剖切的剖视图，相当于图1(B)。
在实施方式12中，举例示出了将基材2载置于基材载置台1时，在盖16与基材2之间产生间隙w的情况。但是，在本实施方式中，如图17所示，构成为不产生该间隙。在实施方式12中，电感耦合型等离子体炬单元T通过间隙w的附近时，等离子体可能会摆动或熄火，在本实施方式中能够有效地抑制这种情况。为实现这样的结构，可以想到如下方法：使盖16可动，将基材2载置于基材载置台1上之后，适当地使用电机驱动机构、气体驱动机构、弹簧驱动机构等来使盖16缓慢地朝基材2接近并抵压。
此外，在图18中，开口部8的长度为基材2的宽度以上，因此能够通过一次扫描(使电感耦合型等离子体炬单元T与基材载置台1相对移动)来对基材2的表面附近的薄膜22整体进行处理。在基材载置台1的两旁设置有平板状的盖16。盖16具有如下功能：保护装置不受等离子体破坏；和以能够抑制等离子体不稳定化、熄火的方式将环状腔的形状保持恒定。
另外，在图18中，在盖16的内部未设置制冷剂流路，这是因为：电感耦合型等离子体炬单元T短时间通过盖16上，因此，从电感耦合型等离子体炬单元T向盖16的热能流入较小。根据处理的性质，也存在优选在盖16的内部设置制冷剂流路来进行水冷的情况。
以上所述的等离子体处理装置以及方法不过是举例示出了本发明的适用范围内的典型例。
例如，可以相对于被固定的基材载置台1使电感耦合性等离子体炬单元T进行扫描，也可以相对于被固定的电感耦合性等离子体炬单元T使基材载置台1进行扫描。
此外，通过本发明的各种结构，能够对基材2的表面附近进行高温处理。具体来说，可适用于在现有例中详细记述的TFT用半导体膜的结晶化和太阳能电池用半导体膜的改良这一点自不必说，还能够适用于等离子体显示板的保护层的清洁化和脱气减少、由二氧化硅微粒的集合体构成的电介质层的表面平坦化和脱气减少、各种电子器件的回流、使用了固体杂质源的等离子体掺杂等各种表面处理。此外，作为太阳能电池的制造方法，也可适用于将粉碎硅锭而得到的粉末涂布于基材上，对其照射等离子体并使其熔融而得到多晶硅膜的方法。
此外，为了使等离子体容易引燃，也可以使用引燃源。作为引燃源，可利用在燃气热水器等中使用的引燃用火花装置等。
此外，在使用绝缘体基材2的情况下，本发明的适用比较容易，但在基材2为导体或半导体的情况下，或者薄膜22为导体或半导体的情况下，在基材2的表面容易产生电弧放电。为防止这种情况，可以使用在基材2的表面形成绝缘膜后，对基材2的表面进行处理的方法。
此外，在说明中，为了方便，使用“热等离子体”这个用语，但很难严格地区分热等离子体与低温等离子体，此外，例如，如田中康规《热等离子体中的非平衡性》等离子体核融合学会志，Vol.82、No.8(2006)pp.479-483中所解说的那样，仅以热平衡性来区分等离子体的种类也是很困难的。本发明将对基材进行热处理作为一个目的，并不局限于热等离子体、热平衡等离子体、高温等离子体等用语，可适用于涉及照射高温等离子体的技术。
此外，对只在极短的时间内均匀地对基材的表面附近进行高温处理的情况进行了详细地举例，但在向基材照射通过反应气体产生的等离子体或者同时照射等离子体与反应气流并对基材进行低温等离子体处理的情况下，也能够适用本发明。通过在等离子气体中混合反应气体，能够向基材照射通过反应气体产生的等离子体，实现蚀刻和CVD。
或者，作为等离子气体，使用稀有气体或者在稀有气体中添加少量的H2气体的气体，并且将含有反应气体的气体作为保护气体供给至等离子气体的周边，从而同时向基材照射等离子体和反应气流，也能够实现蚀刻、CVD、掺杂等的等离子体处理。
若使用以氩气为主成分的气体作为等离子气体，则如实施例中详细举例示出的那样，产生热等离子体。另一方面，若使用以氦气为主成分的气体作为等离子气体，则能够产生较低温的等离子体。在这样的方法中，不怎么需要对基材进行加热，便能够进行蚀刻或成膜等的处理。
作为用于蚀刻的反应气体，有含卤素的气体，例如，CxFy(x、y为自然数)、SF6等，能够对硅和硅化合物等进行蚀刻。如果使用O2作为反应气体，则能够进行有机物的去除、抗蚀剂灰化等。作为用于CVD的反应气体，有单硅烷、乙硅烷等，能够进行硅和硅化合物的成膜。或者，若使用以TEOS(Tetraethoxysilane/四乙氧基硅烷)为代表的含有硅的有机气体与O2的混合气体，则能够使硅氧化膜成膜。
除此之外，能够进行对疏水性、亲水性加以改良的表面处理等各种低温等离子体处理。本发明的结构为电感耦合型，因此即使向每单位体积投入高功率密度，也难以转至电弧放电，因此能够产生更高密度的等离子体。其结果，能够得到快的反应速度，并在短时间内高效地对基材的所希望的被处理区域整体进行处理。
产业上的可利用性
本发明可适用于TFT用半导体膜的结晶化和太阳能电池用半导体膜的改良。进而，在等离子体显示板的保护层的清洁化和脱气减少、由二氧化硅微粒的集合体构成的电介质层的表面平坦化和脱气减少、各种电子器件的回流、使用了固体杂质源的等离子体掺杂等各种表面处理中，在极短的时间内对基材的表面附近均匀地进行高温热处理时，稳定且高效地产生等离子体，是一种在短时间内高效地对基材的所希望的被处理区域整体进行处理方面有用的发明。此外，在各种电子器件等的制造中的蚀刻、成膜、掺杂和表面改良等的低温等离子体处理中，是一种在短时间内高效地对基材的所希望的被处理区域整体进行处理方面有用的发明。
标号说明
1 基材载置台
2 基材
T 电感耦合型等离子体炬单元
3 螺线管线圈
4 第一石英块
5 第二石英块
6 粘结剂
7 长腔
8 开口部
9 等离子体气体歧管
10 等离子体气体供给配管
11 等离子体气体供给孔
12 槽
13 铜管
14 气体流路
P 等离子体
22 薄膜
23 螺旋线圈
43 单匝线圈

Claims (13)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，具备：
开口部；
与所述开口部连通，且所述开口部以外被电介质构件包围的环状腔；
用于向所述环状腔的内部导入气体的气体供给配管；
设置于所述环状腔附近的线圈；
连接于所述线圈的高频电源；和
用于接近所述开口部配置基材的基材载置台，
沿着与所述基材载置台所形成的面垂直的面设置所述环状腔。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
所述环状腔为长形，所述开口部为长的线状，所述线圈在与所述开口部的长度方向平行的朝向上具有长形，在相对于所述开口部的长度方向垂直的朝向上具备能够使所述腔与所述基材载置台相对地移动的移动机构。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
所述线圈沿着与所述基材载置台所形成的面垂直的面设置。
4.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
所述电介质构件通过将两个电介质块贴合来构成，在所述两个电介质块中的至少一方形成槽，从而构成环状腔。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
所述开口部的端面与所述基材之间的距离为1mm以下。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
所述环状腔的粗细为1mm以上、10mm以下。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
所述环状腔的外径为10mm以上。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
所述开口部的开口宽度与所述环状腔的粗细相等。
9.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其中，
所述线圈设置于所述两个电介质块的双方的外侧。
10.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
在所述线圈的内侧设置接地的导体。
11.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
以配置有所述基材时包围所述基材的边缘部的方式，在所述基材载置台的周围设置有平板状的盖。
12.根据权利要求11所述的等离子体处理装置，其中，
所述盖的表面与配置有所述基材时的所述基材的表面构成为位于同一平面上。
13.一种等离子体处理方法，其特征在于，
开口部以外向由电介质构件包围的环状腔内供给气体，并向线圈供给高频电力，从而在所述环状腔内产生高频电磁场并产生等离子体，接近所述开口部配置基材，并将基材暴露于所述开口部附近的等离子体，从而对所述基材的表面进行处理，
在沿着与所述基材所形成的面垂直的面设置的所述环状腔内产生等离子体。
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