JP2011230070A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】珪素粒子の欠陥密度を可及的に低減すること。
【解決手段】珪素粒子１を積載する第一の電極２と、水素プラズマの発生領域を挟んで第一の電極２に対向して配設されている第二の電極４と、第一の電極２の温度が第二の電極４の温度よりも高くなるように温度制御して第一の電極２と第二の電極４との間に原料ガスの対流を起こす温度制御手段（ヒーター３、冷却管６）と、を備え、原料ガスの対流によって第一の電極２に積載されている珪素粒子１を水素プラズマ中に浮遊させて水素プラズマに曝露する。
【選択図】図１

Description

本発明は、珪素粒子を水素プラズマでプラズマ処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

珪素は、半導体材料として広く集積回路や太陽電池の材料として用いられている。集積回路や太陽電池としての性能を向上するためには、珪素中の欠陥を極力低減することが望ましい。粒子状の珪素において欠陥を極力低減するためには、欠陥箇所を水素などで終端化することが有効である（例えば特許文献１参照）。水素終端化の手段としては水素を含むガスをプラズマ化して粒子をプラズマに暴露する方法が用いられる。例えば、特許文献２には、粒子をキャリアガスと共に輸送して、プラズマ発生領域を通過させることで、粒子をプラズマに暴露する技術が開示されている。

特許第３０７５７９９号公報 特開平７−６９７０号公報

しかしながら、上記特許文献２の技術によれば、粒子がプラズマに暴露される時間が限定されるため、水素プラズマによる欠陥低減をおこなう上で十分ではないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、珪素粒子の欠陥密度を可及的に低減することができるプラズマ処理装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、水素ガスを含む原料ガスが満たされた空間に水素プラズマを発生させ、珪素粒子を前記水素プラズマに曝露するプラズマ処理装置であって、前記珪素粒子を積載する積載ステージと、前記水素プラズマの発生領域を挟んで前記積載ステージに対向して配設されている対向板と、前記積載ステージの温度が前記対向板の温度よりも高くなるように温度制御して前記積載ステージと前記対向板との間に前記原料ガスの対流を起こす温度制御手段と、を備え、前記対流によって前記積載ステージに積載されている珪素粒子を前記水素プラズマ中に浮遊させて前記水素プラズマに曝露する、ことを特徴とする。

本発明によれば、珪素粒子をプラズマに曝露する時間を所望のようにコントロールすることができるので、珪素粒子の欠陥密度を可及的に低減することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１のプラズマ処理装置の断面図である。 図２は、珪素粒子サンプルの欠陥密度を示す図である。 図３は、実施の形態２のプラズマ処理装置の断面図である。 図４は、実施の形態３のプラズマ処理装置の断面図である。

以下に、本発明にかかるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態１の模式的な断面を示す断面図である。図示するように、プラズマ処理装置１０は、珪素粒子１を積載する第一の電極２を備えている。また、第一の電極２に略平行に対向する位置に第二の電極４が配設されている。第一の電極２は接地されており、第二の電極４には第一の電極２との間でグロープラズマを発生させるための電力を供給する電源５が接続されている。電源５は、直流電源であってもよいし、交流電源であってもよい。本実施の形態１では１３．５６ＭＨｚの高周波電源を採用した場合について説明する。

第一の電極２と第二の電極４の間には、水素を含むガス（原料ガス）、例えば、水素４０％とアルゴン６０％流量比の混合ガスを充満させられており、該原料ガスは、両極間に印加される電力によりプラズマ（グロープラズマ）状態となる。すなわち両極間の領域に水素プラズマが発生する。グロープラズマを発生させる条件はガス圧力および第一の電極と第二の電極間の距離に依存するが、例えば、ガス圧力８００Ｐａの条件では、距離１０ｍｍで電力密度０．５から５Ｗ/ｃｍ２の範囲でグロープラズマを発生させることができる。

ここで、本実施の形態１のプラズマ処理装置１０は、第一の電極２と第二の電極４との間に原料ガスの対流を発生させ、発生した対流によって第一の電極２に積載される珪素粒子１をプラズマ化したガス中を浮遊させる仕組みを備えている。浮遊させる時間を変化させることによって、珪素粒子１をプラズマに曝露する時間を所望のようにコントロールすることができる。

具体的には、第一の電極２にはヒーター３が設けられており、該ヒーター３の作用によって第一の電極２が加熱される。また、第二の電極４には冷却管６が設けられており、第二の電極４は該冷却管６を流れる冷却剤によって冷却される。ヒーター３と冷却管６とは協働して第一の電極２の温度を第二の電極４の温度よりも高くなるように温度制御する温度制御手段として機能する。第一の電極２は、第二の電極４よりも大きい面積を有しており、第一の電極２の外周部には、浮遊した珪素粒子の飛散を防ぐための隔壁が形成されている。なお、加熱の手段としては、ヒーター３以外に、赤外線を吸収する材料を第一の電極２の一部もしくは全部に用いて、該材料を赤外線照射によって加熱する手段を採用するようにしてもよい。また、冷却剤としては、例えばヘリウムガス、水、フッ素系不活性液体などを採用することができる。

両極間でプラズマを励起した状態で、第一の電極２を例えば２００℃に加熱し、第二の電極４を例えば１５℃に冷却すると、第一の電極２と第二の電極４との電極間の原料ガスに温度差が生じるため、電極間で温度勾配による原料ガスの対流が発生する。第一の電極２に積載された珪素粒子１は対流によって舞い上がり、第二の電極４近傍では冷却されるので、珪素粒子１は再び第一の電極に向かって落下する。この現象を繰り返すことで、珪素粒子１が常に浮遊した状態となる。プラズマが発生している電極間で珪素粒子１が浮遊した状態となるので、珪素粒子１全体にプラズマを照射する（曝露させる）ことが可能となる。第一の電極２の加熱および第二の電極４の冷却を停止して対流を止め、両極間に印加している電力を停止すると、珪素粒子１に対するプラズマの照射を停止することができる。

なお、珪素粒子１を浮遊させるために十分な対流を得るためには、ガス圧力が５０Ｐａ以上であることが望ましい。圧力を高くする場合は、プラズマを発生させる観点から第一の電極２と第二の電極４との間隔を狭めていく必要がある。また、圧力が高い領域でプラズマを発生させる場合は、グロープラズマの安定性の点から、水素とヘリウムの混合ガスを用いることが望ましい。

本実施の形態１を用いて粒径が２０μｍ以下の珪素粒子１に水素プラズマを照射して珪素粒子の欠陥低減効果を検証した。図２は、プラズマ照射していない珪素粒子サンプル、珪素粒子１を浮遊させずにプラズマ照射した珪素粒子サンプル、珪素粒子１を浮遊させてプラズマ照射した珪素粒子サンプルの欠陥密度を示す図である。なお、水素４０％、ヘリウム６０％流量比の原料ガスを用い、第一の電極温度を２００℃、第二の電極温度を１５℃に設定し、０．７Ｗ／ｃｍ^２の電力密度の電力を印加してプラズマを励起した。プラズマの照射時間を６０分とした。図２に示すように、粒子を浮遊させずにプラズマ照射した場合、プラズマ照射前のサンプルに比べて欠陥密度が半分程度まで低減されている。これに対して、本実施の形態１を適用して粒子を浮遊させた場合、粒子を浮遊させずにプラズマ照射したサンプルよりもさらに一桁以上欠陥密度が低減されている。すなわち、プラズマ処理装置１０を用いて珪素粒子１のプラズマ処理を実行すると、珪素粒子１の欠陥密度を大幅に低減できることがわかる。

なお、本実施の形態１では、水素ガスを用いたプラズマを用いるので、水素ガス濃度を４％以上の濃度で処理をおこなう場合は、爆発を回避するためにガス中に酸素が混入しないようにする必要がある。ガスを充満させるための封入容器内に第一の電極２と第二の電極４を配置し、密閉容器を真空引きして酸素を追い出した上で反応ガスを導入することが安全を確保する上では効果的である。

以上述べたように、本発明の実施の形態１によれば、珪素粒子１を積載する第一の電極２と、水素プラズマの発生領域を挟んで第一の電極２に対向して配設されている第二の電極４と、第一の電極２の温度が第二の電極４の温度よりも高くなるように温度制御し、第一の電極２と第二の電極４との間で原料ガスの対流を起こす温度制御手段（ヒーター３、冷却管６）と、を備え、原料ガスの対流によって第一の電極２に積載されている珪素粒子１を水素プラズマ中に浮遊させて水素プラズマに曝露する、ように構成したので、珪素粒子１をプラズマに曝露する時間を所望のようにコントロールすることができるので、珪素粒子の欠陥密度を可及的に低減することができるようになる。

実施の形態２．
図３は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態２の模式的な断面を示す断面図である。ここでは、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

図３に示すように、実施の形態２のプラズマ処理装置２０は、実施の形態１の構成に、ガス噴出し管２１を複数備えた構成となっている。複数のガス噴出し管２１は、第二の電極４の外周部を囲むように配設されており、前記第二の電極４の外周部から第一の電極２の隔壁の内側の底面に向けて垂直にガスを吹き付ける。ガス噴出し管２１が吹き付けるガスの温度は室温程度であって構わない。これにより、第一の電極２と第二の電極４との間で浮遊している珪素粒子１が電極間領域９からはみ出す量を低減し、ひいてはプラズマ照射された珪素粒子１の回収率を向上させることが可能となる。

このように、本発明の実施の形態２によれば、第一の電極２は第二の電極４よりも広い面積を有し、第二の電極４の外周部から第一の電極２に向けて第一の電極２に垂直に原料ガスを吹き付ける複数のガス噴出し管２１が第二の電極４を囲むように配設されている、ので、珪素粒子１が電極間領域９からはみ出す量を低減し、ひいてはプラズマ照射された珪素粒子１の回収率を向上させることが可能となる。

実施の形態３．
図４は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態３の模式的な断面を示す断面図である。図示するように、プラズマ処理装置３０は、珪素粒子１が積載される積載ステージ３１を備えている。積載ステージ３１はヒーター３２が設けられており、該ヒーター３２の作用により積載ステージ３１は加熱される。また、プラズマ処理装置３０は、積載ステージ３１と略平行に対向する位置に、冷却管３４が設けられている対向板３３が配設されており、対向板３３は冷却管３４を流れる冷却剤により冷却される。

積載ステージ３１と対向板３３との間には電気的に絶縁性を有する筒３５が介在して配設されており、積載ステージ３１、対向板３３、筒３５は内部にガスを封入することが可能な封入容器を構成している。筒３５は、この封入容器のうちの胴部を構成している。筒３５の材質は、例えば石英やアルミナであってよい。

対向板３３にはガス導入口３８が設けられており、ガス導入口３８から室温状態のガスが積載ステージ３１、対向板３３、筒３５により形成される封入容器の内部の空間３９に導入される。筒３５には、排気口４０が設けられており、真空ポンプ４１で空間３９内のガスを排気することで、空間３９内のガスの圧力を調整することが可能となっている。ガス導入口３８からは、水素を含むガス、例えば、水素４０％とアルゴン６０％流量比の混合ガスが導入される。

筒３５の外壁には、筒３５を介して筒３５の内部の空間３９に導入されたガスに電力を印加するための一対の電極（電極３６ａ、電極３６ｂ）が配設されている。電極３６ａは交流電源３７に接続されており、電極３６ｂは接地されている。なお、筒３５には複数対の電極３６が配設されるようにしてもよい。なお、電極３６ａおよび電極３６ｂの対を指して電極３６と表現することもある。

交流電源３７を用いて電極３６ａと電極３６ｂとの間に電力が印加されることで、空間３９内の原料ガスがプラズマ化される。グロープラズマを発生させる条件はガス圧力および電極３６ａ、３６ｂ間の距離に依存するが、例えば、ガス圧力１００Ｐａの条件では、絶縁性の筒半径を１００ｍｍ程度に設定することで、電力密度１から１０Ｗ/ｃｍ^２の範囲でグロープラズマを発生させることができる。

また、空間３９内では、ヒーター３２および冷却管３４の作用により原料ガスの対流が生じ、該原料ガスの対流によって珪素粒子１が浮遊せしめられる。すなわち、珪素粒子１は、電極３６ａ、３６ｂにより発生させられた水素プラズマに曝露される。

このように、本発明の実施の形態３によれば、珪素粒子１を積載する積載ステージ３１と、水素プラズマの発生領域を挟んで積載ステージ３１に対向して配設されている対向板３３と、積載ステージ３１の温度が対向板３３の温度よりも高くなるように温度制御し、積載ステージ３１と対向板３３との間に原料ガスの対流を起こす温度制御手段（ヒーター３２、冷却管３４）と、を備え、原料ガスの対流によって積載ステージ３１に積載されている珪素粒子１を水素プラズマ中に浮遊させて水素プラズマに曝露する、ように構成したので、珪素粒子１をプラズマに曝露する時間を所望のようにコントロールすることができるので、珪素粒子の欠陥密度を可及的に低減することができるようになる。

なお、実施の形態１や実施の形態２では、珪素粒子１を積載する積載ステージ３１および対向板３３をプラズマを発生させるための電極を兼ねているものとして捉えることができる。これに対して、実施の形態３では、積載ステージ３１および対向板３３とは別にプラズマを発生させるための電極３６が設けられている。すなわち、実施の形態３によると、積載ステージ３１および対向板３３はプラズマ励起に関わらないため、積載ステージ３１と対向板３３との間の距離を所望のように設定することができるようになる。例えば積載ステージ３１と対向板３３との間の距離を狭めて温度勾配を大きくすることで対流作用を強めて粒子の浮遊を促進させることが可能となる。

以上のように、本発明にかかるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法は、珪素粒子を水素プラズマでプラズマ処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に適用して好適である。

１ 珪素粒子
２ 第一の電極
３ ヒーター
４ 第二の電極
５ 電源
６ 冷却管
９ 電極間領域
１０、２０、３０ プラズマ処理装置
２１ ガス噴出し管
３１ 積載ステージ
３２ ヒーター
３３ 対向板
３４ 冷却管
３５ 筒
３６ａ、３６ｂ 電極
３７ 交流電源
３８ ガス導入口
３９ 空間
４０ 排気口
４１ 真空ポンプ

Claims (7)

1. 水素ガスを含む原料ガスが満たされた空間に水素プラズマを発生させ、珪素粒子を前記水素プラズマに曝露するプラズマ処理装置であって、
   前記珪素粒子を積載する積載ステージと、
   前記水素プラズマの発生領域を挟んで前記積載ステージに対向して配設されている対向板と、
   前記積載ステージの温度が前記対向板の温度よりも高くなるように温度制御して前記積載ステージと前記対向板との間に前記原料ガスの対流を起こす温度制御手段と、
   を備え、前記対流によって前記積載ステージに積載されている珪素粒子を前記水素プラズマ中に浮遊させて前記水素プラズマに曝露する、
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記温度制御手段は、前記積載ステージを加熱する加熱手段と、前記対向板を冷却する冷却手段と、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記積載ステージおよび前記対向板は夫々前記水素プラズマを発生させるための電極を兼ねる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記積載ステージは前記対向板よりも広い面積を有し、
   前記対向板の外周部から前記積載ステージに向けて前記積載ステージに垂直に前記原料ガスを吹き付ける複数のガス噴出し管が前記対向板を囲むように配設されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記積載ステージと前記冷却板との間に前記原料ガスを封入する封入容器の胴部を構成する電気絶縁性を有する筒と、
   前記筒の外壁に前記筒を挟んで互いに対向して設けられている一対以上の電極と、
   をさらに備え、
   前記電極に交流電圧が印加されるよって前記筒の内部に前記水素プラズマが発生させられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記水素プラズマの発生領域に満たされる前記原料ガスの圧力は、５０Ｐａ以上の圧力である、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 水素ガスを含む原料ガスが満たされた空間に水素プラズマを発生させ、珪素粒子を前記水素プラズマに曝露する水素プラズマ処理方法であって、前記水素プラズマの発生領域に前記原料ガスの対流を起こすことによって前記珪素粒子を前記水素プラズマ中に浮遊させて前記水素プラズマに曝露する、ことを特徴とするプラズマ処理方法。

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