JP2012222129A

JP2012222129A - プラズマ成膜方法及びプラズマ成膜装置

Info

Publication number: JP2012222129A
Application number: JP2011086032A
Authority: JP
Inventors: Hisao Nagai; 久雄永井; Tomohiro Okumura; 智洋奥村; Mitsuhisa Saito; 光央齋藤; Ichiro Nakayama; 一郎中山
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-11-12

Abstract

【課題】構成が簡単なプラズマ成膜方法及び装置、より具体的には、危険な原料ガスを用いる必要がなく、高速に成膜が可能なプラズマ成膜方法及びプラズマ成膜装置を提供することを目的とする。
【解決手段】誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、螺旋形の導体棒３が、シリコンを表面にコーティングした石英管４の内部に配置され、その周囲に真鍮ブロック５が配置されている。筒状チャンバ内にガスを供給しつつ、導体棒３に高周波電力を供給して、筒状チャンバ内にプラズマを発生させ、基材２に照射することで解決できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン系材料の薄膜形成に係り、特に、半導体装置や太陽電池などに用いられる半導体基板上やガラス基板上に電子素子を形成するための薄膜形成方法、液晶パネルや太陽電池などに用いられる基板に半導体薄膜を形成するためのプラズマ成膜方法及びプラズマ成膜装置に関する。

シリコン系薄膜は、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などの画素回路を構成するスイッチング素子、或いは液晶駆動用ドライバの回路素子などの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や太陽電池などに広く利用されている。

シリコン系薄膜を形成するに際し、一般的には、プラズマ化学気層堆積（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法が用いられる。真空チャンバの内に、ＳＩＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆やＳｉＦ₄等の原料ガスおよびＨ₂やＡｒなどの希釈ガスを導入し、電極に高周波電力を印加することで、プラズマを発生させ、原料ガスを分解し、所望の基板に水素化アモルファスシリコン膜、微結晶シリコン膜やポリシリコン膜を形成する方法である。プラズマにより、比較的低温で成膜できること、大面積に均一に成膜できること、また、成膜中にドーピングガスを混ぜることで、ｐ型やｎ型シリコン膜を得られることから多く用途に用いられている。

最近では、高額な真空チャンバ及び排気装置を使用せず、大気圧でプラズマを生成させ、また、有害で危険なＳｉＨ４，Ｓｉ２Ｈ６やＳｉＦ４などの原料ガスも使わずに、シリコン薄膜を形成する方法や装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図２２は、前記特許文献１に記載された従来のシリコン薄膜を形成するプラズマ成膜装置の概略構成を示している。図２２において、反応室内に上部電極５１と下部電極５２が平行に設けられ、上部電極５１には、水冷機構、下部電極５２には、サセプタ（加熱媒体）を用いた加熱機構が設けられている。下部電極５２は接地され、上部電極には、マッチングボックス５３を介して高周波電力が印加できる機構になっている。下部電極５２は上下に移動可能であり、上下電極間の距離を任意に変化させることができる。下部電極５２のサセプタ上に基板５４を設置し、上部電極５１の下面には、結晶シリコン板（ターゲット）５５を装着する。反応室内に水素ガスを導入し、高周波を印加することで大気圧水素プラズマを発生させ、低温側の上部電極５１に設置したターゲット５５から放出されるシリコン原子によって、高温側の下部電極５２に設置した基板５４にシリコン薄膜を成膜することができる。

他に、有害で危険なＳｉＨ４，Ｓｉ２Ｈ６やＳｉＦ４などの原料ガスも使用しないシリコン膜形成方法としては、プラズマ溶射法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

国際公開第２００７／０４９４０２号特開２０００−２１６０９０号公報

しかしながら、従来例に示した特許文献１に記載のプラズマ成膜方法においては、低温大気圧プラズマを用いているため、プラズマ密度が低く（一般的には、電子密度１０¹³ｃｍ^-3程度）、シリコンの分解効率が悪く、成膜速度を大きくあげることができないという問題点があった。また、従来例に示した特許文献２に記載のプラズマ溶射方法においては、成膜速度は極端に高いが、大面積領域に均一に成膜することは困難で、さらに、真空装置を用いる必要があった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、構成が簡単なプラズマ成膜方法及び装置、より具体的には、危険な原料ガスを用いる必要がなく、真空設備を用いる必要がなく、さらに、高速成膜が可能なプラズマ成膜方法及びプラズマ成膜装置を提供することを目的としている。

本願の第１発明のプラズマ成膜方法は、シリコンを、プラズマの熱による昇華、または、プラズマ中の活性種による化学的エッチングによって発生させ、前記プラズマを、基材に照射することにより、前記基材にシリコン系薄膜を形成させることを特徴とする。

このような構成により、構成が簡単なプラズマ成膜方法が実現できる。また、本願使用のプラズマは、熱プラズマであるためガス温度が高く（１０、０００Ｋ以上）、電子密度も１０¹⁵ｃｍ^-3程度と非常に高いため、プラズマ中の活性種による化学エッチングが促進され、成膜速度を劇的に増加させることができる。

本願の第１発明のプラズマ成膜方法において、好適には、前記シリコンは、ボロン、アルミニウム、リン、砒素のいずれか１つを含有するシリコンであることが望ましい。

このような構成により、半導体装置、太陽電池、液晶パネルなどにおいて、ｐ型、ｎ型シリコン薄膜形成を簡単な構成で実現できる。

また、好適には、前記プラズマは、水素を含むガスを電離させることによって得られるものであることが望ましい。

このような構成により、シリコン薄膜の品質向上や高速化を図ることができる。

また、前記プラズマが発生する空間に、前記シリコンを含有した粉体を導入してもよい。

このような構成により、長期間に渡って安定した処理を行うことができる。

また、好適には、筒状チャンバ内にガスを供給しつつ、前記チャンバに形成されたスリット状の開口部から前記基材に向けてガスを噴出すると共に、コイルに高周波電力を供給することで、前記チャンバ内に前記プラズマを発生させるプラズマ成膜方法であって、
前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに前記チャンバと前記基材とを相対的に移動しながら前記基材の表面を処理することが望ましい。

また、好適には、前記プラズマが発生する空間を画定する部材のほぼ全部が、前記シリコン材料で構成されていることが望ましい。

本願の第２発明のプラズマ成膜装置は、スリット状の開口部を備える筒状チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記チャンバ内に高周波電磁界を発生させるコイルと、前記コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、前記開口部と対向して配置され、かつ基材を保持する基材載置台と、を有し、前記基材にシリコン系薄膜を形成するプラズマ成膜装置であって、前記筒状チャンバの長手方向と前記開口部の長手方向とは平行に配置され、前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記チャンバと前記基材載置台とを相対的に移動可能とする移動機構を備え、前記筒状チャンバの内壁面の少なくとも一部が、前記シリコン材料で構成されていることを特徴とする。

このような構成により、構成が簡単なプラズマ成膜装置が実現できる。また、本願使用のプラズマは、熱プラズマであるためガス温度が高く（１０、０００Ｋ以上）、電子密度も１０¹⁵ｃｍ^-3程度と非常に高いため、高速成膜が実現できる。

本願の第２発明のプラズマ成膜装置において、好適には、前記コイルはソレノイドコイルであり、前記コイルの延出方向と前記開口部の長手方向とは平行に配置されていることが望ましい。

或いは、前記コイルは、前記筒状チャンバの長手方向に平行に配置された複数の導体棒を、前記筒状チャンバの長手方向と垂直に配置された導体リンクにより接続してなるものであり、前記導体棒は、誘電体筒内に挿入され、前記誘電体筒の一部が前記筒状チャンバ内部の空間に露出するよう配置されている構成としてもよい。

また、好適には、前記筒状チャンバの内壁面のほぼ全部が、前記シリコン材料で構成されていることが望ましい。

本願の第３発明のプラズマ成膜装置は、誘電体で囲まれた長尺チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体で囲まれた長尺の穴と、前記長尺の穴内に設けられた長尺のソレノイドコイルと、前記ソレノイドコイルに接続された高周波電源と、前記チャンバに設けられたスリット状の開口部と、前記開口部と対向して配置され、かつ基材を保持する基材載置台と、を有するプラズマ処理装置において、前記チャンバの長手方向と前記開口部の長手方向とは平行に配置され、前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記チャンバと前記基材載置台とを相対的に移動可能とする移動機構を備え、前記筒状チャンバの内壁面の少なくとも一部が、前記シリコン材料で構成されていることを特徴とする。

このような構成により、反応ガスによるプラズマまたはプラズマと反応ガス流を同時に基材へ照射して基材にシリコン系薄膜を形成することに際して、基材の所望の被処理領域全体をより短時間で成膜することができる。

本発明によれば、構成が簡単なプラズマ成膜方法、より具体的には、危険な原料ガスを用いる必要がなく、成膜工程において真空設備を用いる必要がなく、高速でシリコン系薄膜を形成するプラズマ成膜方法及びプラズマ成膜装置が実現できる。

本発明の実施の形態１におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態１におけるプラズマ成膜装置の構成を示す斜視図本発明の実施の形態１におけるプラズマ成膜装置の構成を示す斜視図本発明の実施の形態２におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態２におけるプラズマ成膜装置の構成を示す斜視図本発明の実施の形態２におけるプラズマ成膜装置の構成を示す斜視図本発明の実施の形態３におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態３におけるプラズマ成膜装置の構成を示す斜視図本発明の実施の形態３におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態３におけるプラズマ成膜装置の構成を示す斜視図本発明の実施の形態３におけるプラズマ成膜装置の構成を示す斜視図本発明の実施の形態３におけるプラズマ成膜装置の構成を示す斜視図本発明の実施の形態４におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態５におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態６におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態６におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態７におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態７におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態８におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態８におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態９におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図従来例におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図

以下、本発明の実施の形態におけるプラズマ成膜装置について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜図３を参照して説明する。

本発明の実施の形態１においては、プラズマ成膜装置として誘導結合型プラズマトーチを用いるものを例示する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるプラズマ成膜装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の破線Ａ〜Ａ’で切った断面図であり、ソレノイドコイルの中心軸を含み、かつ、基材に垂直な面で切った断面図である。なお、図１（ａ）は、図１（ｂ）の破線Ｂ〜Ｂ’で切った断面図である。

また、図２は、図１に示した誘導結合型プラズマトーチユニットの組立構成図であり、各部品の斜視図を並べたものである。また、図３は、誘導結合型プラズマトーチユニットを構成する蓋を、下から見たときの斜視図である。

図１〜図３において、基材載置台１上に基材２が載置されている。誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、ソレノイドコイルをなす螺旋形の導体棒３が、誘電体筒としての石英管４の内部に、石英管４を貫通して配置される。石英管４の周囲に、筒状チャンバの壁面を与える筐体としての真鍮ブロック５が配置され、また、石英管４の上側は、真鍮製の真鍮蓋６に接している。筒状チャンバ内部の空間７は、石英管４、真鍮ブロック５、真鍮蓋６、真鍮ブロック１７により囲まれた筒状の長細いＵ字状の空間である。つまり、筒状チャンバを導体棒３の延出方向に対して垂直な面で切った断面形状のうち、筒状チャンバ内部の空間は、Ｕ字状である。なお、導体棒３の延出方向とは、導体棒３がなすソレノイドコイルの中心軸の方向（図１（ｂ）の左右方向）であり、コイルが延びる方向を意味する。

真鍮蓋６の下方に、プラズマガスマニホールド８となる溝、プラズマガス供給穴９となる溝、シースガスマニホールド１０となる溝、シースガス供給穴１１となる溝が形成されている。また、基材載置台１に近い部分に、シールドガスノズル１３が配置され、その内部にはシールドガスマニホールド１４が設けられる。このように、３系統のガス導入が準備されており、プラズマ生成に適したプラズマガスと、真鍮ブロック５の内壁面を保護するシースガスとに分けて、ガス種・ガス流量などを適宜調整することにより、安定したプラズマ処理を可能とするほか、シールドガスを別途供給して大気中の酸素、二酸化炭素など、処理に不要、或いは悪影響を及ぼすガスのプラズマ照射面への混入を低減することが可能となる。

導体棒３が配置されている石英管４の内部は、絶縁性流体としての水に浸され、かつ、冷媒としての水が流れることによって導体棒３が冷却される構成となっている。また、真鍮ブロック５及び真鍮蓋６には、これらを貫通する冷媒流路１５が設けられている。これらの水路（冷媒流路）は、真鍮ブロック１７の外側に設けられた樹脂ケース１８と真鍮ブロック１７との間の空間がなす冷媒マニホールドとしての冷媒マニホールド２２に連通している。樹脂ケース１８には、冷媒導入口・冷媒排出口としての冷却水出入口２４が各１箇所ずつ設けられ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴへの水冷配管の引き回しが非常に簡潔なものとなっており、小型のトーチを構成しうる。すなわち、筒状チャンバの長手方向の両側に２つの冷媒マニホールド２２を備え、筒状チャンバを構成する各部材に、２つの冷媒マニホールド２２を連通する冷媒流路１５を備えた構成である。

なお、石英管４の内部も冷媒流路である。また、全ての冷媒流路が並列に冷媒マニホールド２２に接続され、１つの冷媒導入口と１つの冷媒排出口が、それぞれ、２つの冷媒マニホールド２２のうちの片方に設けられている構成である。また、冷媒マニホールド２２と各冷媒流路との接続部や、冷媒流路そのものの流路断面積は一様でなく、真鍮ブロック５、真鍮蓋６に設けられた冷媒流路やその接続部（真鍮ブロック１７に設けられた、小さい多数の貫通穴）の断面積は小さく、石英管４の内径（冷媒流路の径）やその接続部（真鍮ブロック１７に設けられた、１つの大きい貫通穴）の断面積は大きくなっている。このような構成により、強い冷却が必要な部材である、石英管４の流路断面積が大きくなるように構成することで、合計の冷媒流量を小さくすることができる。

導体棒３は樹脂ケース１８に設けられた高周波導入端子穴２６及び接地端子穴２７を介して銅ブロック１９に接続され、銅板２０を通じて図示しない高周波整合回路に接続される。

石英管４の表面（筒状チャンバの壁面を構成する部分）に、不純物の濃度が低く、抵抗の高いシリコンがコーティングされている。ここで示す不純物とは、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）やリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）を示す。不純物濃度の低いシリコンを、塗布法・蒸着法・スパッタリング法などを適宜用いて、石英管４の表面（筒状チャンバの壁面を構成する部分であり、プラズマが発生する空間を画定する部材の一部）に形成しておく。また、抵抗の高いシリコンウェハやシリコンブロックを石英管４の表面に貼り付けても良い。或いは、石英管４の表面に形成する代わりに、石英管４そのものをこれらの抵抗の高いシリコンで構成してもよい（この場合、部品名は「石英管」ではなく、用いる材料名を冠したものとなる）。

或いは、不純物濃度が高く、抵抗の低いシリコン（例えば、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）が高い濃度でドーピングされたｐ型シリコンや、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）が高い濃度でドーピングされたｎ型シリコン）は、真鍮ブロック５の内側の面（筒状チャンバの壁面を構成する部分）にコーティングしておく。これは、抵抗の低いシリコンを石英管４の表面にコーティングしてしまうと、ソレノイドコイルにより発生する高周波電磁界が遮蔽されてしまうためである。抵抗の低いシリコンは、塗布法・蒸着法・スパッタリング法などを適宜用いて、真鍮ブロック５の内側の表面（筒状チャンバの壁面を構成する部分であり、プラズマが発生する空間を画定する部材の一部）に形成しておく。また、抵抗の低いシリコンウェハやシリコンブロックを真鍮ブロック５の表面に貼り付けても良い。

或いは、真鍮ブロック５の表面に形成する代わりに、真鍮ブロック５そのものをこれらのシリコン材料で構成してもよい（この場合、部品名は「真鍮ブロック」ではなく、用いる材料名を冠したものとなる）。

長方形のスリット状のプラズマ噴出口１２（これを「開口部」と称する場合もある）が設けられ、基材載置台１（或いは、基材載置台１上に基材２）は、プラズマ噴出口１２と対向して配置されている。この状態で、筒状チャンバ内にガスを供給しつつ、プラズマ噴出口１２から基材２に向けてガスを噴出させながら、図示していない高周波電源よりソレノイドコイルをなす導体棒３に高周波電力を供給することにより、筒状チャンバ内にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口１２からプラズマを基材２に照射することにより、基材２上のシリコン薄膜１６を形成することができる。本構成においては、筒状チャンバの長手方向と、コイルの延出方向と、プラズマ噴出口１２の長手方向とがすべて平行に配置されていることが特徴で、プラズマ噴出口１２の長手方向に対して垂直な向きに、チャンバと基材載置台１とを相対的に移動させることで、基材２を処理する。つまり、図１（ａ）の左右方向へ、図１（ｂ）の紙面に垂直な方向へ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたは基材載置台１を動かす。

シリコンは、プラズマの熱による昇華により発生する。或いは、筒状チャンバ内に水素を含むガスを供給し、水素ガスを電離させることによって得られる活性種である水素ラジカルを筒状チャンバ内壁に作用させ、化学的エッチングにより水素化シリコン（Ｓｉ_xＨ_y）を発生させることも可能である。また、不純物としてボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）を含む場合は、化学的エッチングにより、それぞれ、水素化ボロン（Ｂ_xＨ_y）、水素化リン（Ｐ_xＨ_y）、水素化砒素（Ａｓ_xＨ_y）が筒状チャンバ内に発生するので、これらの分解物であるボロン、リン、砒素などが含有されたシリコン薄膜を形成することができる。

このようにして、プラズマを基材２に照射することにより、シリコン薄膜を成膜することができる。

従来例では、低温大気圧プラズマにより、シリコンターゲットの分解が遅かったため、成膜速度を大きくあげることができなかったが、本実施の形態においては、熱プラズマを利用するため、シリコンターゲットからのシリコンの生成効率が高く、高速成膜が可能であるという利点がある。

また、本実施の形態においては、昇華または化学的エッチングによって発生させたシリコン含有ガス利用するため、ガス流れ等の工夫により、長尺方向の成膜速度分布を均一化することは困難ではなく、また、誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材２を相対的に移動させて走査し、基材２の全面を処理するので、走査方向の均一性は原理的に担保されており、従来例よりも均一性確保が容易なプラズマ成膜方法となっている。

筒状チャンバ内に供給するガスとして種々のものが使用可能だが、プラズマの安定性、着火性、プラズマに暴露される部材の寿命などを考えると、不活性ガス主体であることが望ましい。なかでも、Ａｒガスが典型的に用いられる。Ａｒのみでプラズマを生成させた場合、プラズマは相当高温となり（１０、０００Ｋ以上）、基材２の表面のシリコン薄膜１６を形成することができる。また、Ｈ₂を添加すると、既に述べたように、化学的エッチングの作用をもたらす他、シリコン膜中の欠陥を水素によって終端し、高品質なシリコン薄膜を得ることができる。

また、Ｎ₂やＮＨ₃ガスを供給することで、プラズマ中及び基材表面で、シリコンが窒素化され、シリコン窒素化膜（ＳｉＮ_x）膜を形成することも可能である。さらに、同様に酸素を含有しているガスを用いることで、プラズマ中及び基材表面で、シリコンが酸化され、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_x）膜を形成することも可能である。

次に、ガス供給の構造について説明する。プラズマガス供給配管４１、シースガス供給配管４２は、真鍮蓋６に設けられ、真鍮蓋６内部の貫通穴を介してプラズマガスマニホールド８、シースガスマニホールド１０に連通する。図３に示すように、真鍮蓋６の下面にプラズマガスマニホールド８、シースガスマニホールド１０やプラズマガス供給穴９、シースガス供給穴１１となる溝が形成されている。プラズマガスマニホールド８、シースガスマニホールド１０となる溝は深く、筒状チャンバの長手方向に平行に長く掘り込まれており、ガス溜まりとして機能する。プラズマガス供給穴９、シースガス供給穴１１となる溝は浅く、筒状チャンバの長手方向に平行に短く掘り込まれており、その数は多数となっている。真鍮蓋６の凸部と石英管４の間の僅かな隙間から、プラズマガスが下方、すなわち、誘導結合型プラズマトーチユニットＴから基材２へ向かう向きに染み出してくる構成である。

同様に、真鍮蓋６の凸部と真鍮ブロック５の間の僅かな隙間から、シースガスが下方、すなわち、誘導結合型プラズマトーチユニットＴから基材２へ向かう向きに染み出してくる構成である。ガスが筒状チャンバ内に染み出してくる部位をガス導入口と呼ぶならば、ガス導入口はプラズマ噴出口１２の長手方向と平行に設けられ、かつプラズマ噴出口１２と対向する面に設けられている構成となっている。このような構成により、筒状チャンバ内のガスの流れと、ガス噴出口から基材載置台１に向かうガスの流れが、ともにスムーズになって層流化しやすく、安定したプラズマ処理が可能となる。

一方、シールドガスは、シールドガスマニホールド１４に連通した多数の穴、または単一の溝から、プラズマ噴出口１２と基材２の間に向けて噴出させる。このとき、穴または単一の溝の向きを工夫することにより、ガス噴出の向きをプラズマ噴出口１２に向けたり、基材２の表面に向けたりすることも可能であり、処理の種類に応じて適宜選択すればよい。

また、本構成においては、プラズマ噴出口１２の長手方向の長さが、基材２の幅以上となっているので、一度の走査（誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材載置台１とを相対的に移動すること）で基材２の表面近傍のシリコン薄膜１６の全体を処理することができる。

このようなプラズマ成膜装置において、筒状チャンバ内にガス噴出口よりＡｒまたはＡｒ＋Ｈ₂ガス、シースガス供給穴１１からＮ₂やＯ₂ガスを供給しつつ、プラズマ噴出口１２から基材２に向けてガスを噴出させながら、図示していない高周波電源より１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、ソレノイドコイルをなす導体棒３に供給することにより、筒状チャンバ内にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口１２からプラズマを基材２に照射するとともに走査することで、シリコン薄膜１６形成することができる。そして、半導体装置、太陽電池、液晶パネルなどに使用される、シリコン系薄膜を簡単な構成で実現できる。

本実施の形態で用いた誘導結合型プラズマトーチにおいては、ソレノイドコイルの中心軸の方向と、プラズマ噴出口１２の長手方向と、基材載置台１とが平行に配置されたまま、プラズマ噴出口１２の長手方向とは垂直な向きに、筒状チャンバと基材載置台１とを相対的に移動するので、生成すべきプラズマの長さと、基材２の処理長さがほぼ等しくなるように構成することが可能となる。また、筒状チャンバをその中心軸に垂直な面で切った断面の幅（図１（ｂ）における、チャンバ内部の空間７の幅）は、プラズマ噴出口１２の幅（図１（ｂ）における隙間の長さ）より少しでも大きければよい。つまり、生成すべきプラズマの体積を極めて小さくすることができる。その結果、本方式は電力効率に優れる。

また、筒状チャンバの内部空間においては、中心軸の向きに比較的均一なプラズマを生成することができるので、長尺方向にプラズマが均一となり、基材を均一に処理することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図４〜図６を参照して説明する。

図４（ａ）は本発明の実施の形態２におけるプラズマ成膜装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の破線Ａ〜Ａ’で切った断面図であり、ソレノイドコイルの中心軸を含み、かつ、基材に垂直な面で切った断面図である。なお、図４（ａ）は、図４（ｂ）の破線Ｂ〜Ｂ’で切った断面図である。

また、図５は、図４に示した誘導結合型プラズマトーチユニットの組立構成図であり、各部品の斜視図を並べたものである。また、図６は、誘導結合型プラズマトーチユニットを構成する真鍮蓋を、下から見たときの斜視図である。

本発明の実施の形態２においては、実施の形態１とは、石英管４と真鍮蓋６の形状が異なるだけであるから、それ以外の説明は省略する。

石英管４は、位置決めとシールのための突出部（一部、外径が大きくなっている部分）を除き、外径が一様の円筒であり、製作が極めて容易であるという点で、本発明の実施の形態１よりも優れる。石英管４の上方の空間を埋めることにより、ガス流れの層流化を図るため、真鍮蓋６の下方が下に向けて大きく凸になっている。そして、凸部の先端が石英管４に沿うように、円弧状に成形されている。また、凸部にも冷媒流路１５を形成できるので、実施の形態１よりも効果的な水冷が可能である。

プラズマガス供給配管４１、シースガス供給配管４２は、真鍮蓋６に設けられ、真鍮蓋６内部の貫通穴を介してプラズマガスマニホールド８、シースガスマニホールド１０に連通する。図６に示すように、真鍮蓋６の下面にプラズマガスマニホールド８、シースガスマニホールド１０やプラズマガス供給穴９、シースガス供給穴１１となる溝が形成されている。プラズマガスマニホールド８、シースガスマニホールド１０となる溝は深く、筒状チャンバの長手方向に平行に長く掘り込まれており、ガス溜まりとして機能する。プラズマガス供給穴９となる溝は、浅く、筒状チャンバの長手方向に平行に長く掘り込まれており、その数は１つである。

シースガス供給穴１１となる溝は浅く、筒状チャンバの長手方向に平行に短く掘り込まれており、その数は多数となっている。プラズマガス供給穴９となる溝が、長手方向に長く掘り込まれている点が、実施の形態１との大きな違いである。

実施の形態２のような構成においても、長手方向に短く掘り込まれた多数の浅い溝を用いることができるし、逆に、実施の形態１のような構成においても、長手方向に長く掘り込まれた１つの浅い溝を用いることも可能である。

この構成は、真鍮蓋６の凸部と石英管４の間の僅かな隙間（浅い溝）から、プラズマガスが下方、すなわち、誘導結合型プラズマトーチユニットＴから基材２へ向かう向きに染み出してくる構成である。同様に、真鍮蓋６の凸部と真鍮ブロック５の間の僅かな隙間から、プラズマガスが下方、すなわち、誘導結合型プラズマトーチユニットＴから基材２へ向かう向きに染み出してくる構成である。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図７〜図１２を参照して説明する。

図７（ａ）は本発明の実施の形態３におけるプラズマ成膜装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の破線Ａ〜Ａ’で切った断面図であり、導体棒の中心軸を含み、かつ、基材に垂直な面で切った断面図である。なお、図７（ａ）は、図７（ｂ）の破線Ｂ〜Ｂ’で切った断面図である。

また、図８は、図７に示した誘導結合型プラズマトーチユニットの組立構成図であり、各部品の斜視図を並べたものである。また、図９は、図７（ｂ）Ｃ部の拡大断面図である。また、図１０は、導体棒の周辺構造を示す斜視図、図１１は長い導体棒の周辺構造を示す斜視図、図１２は、導体棒と導体リンクの配置を示す斜視図である。

図７〜図８において、基材載置台１上に基材２が載置されている。誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、コイルは、筒状チャンバの長手方向に平行に配置された複数の導体棒３を、筒状チャンバの長手方向と垂直に配置された導体リンク２３により接続してなるものであり、全体として螺旋形を構成し、その螺旋の内部空間と筒状チャンバ内部の空間７が重なり合っている構造である。複数の導体棒３は、誘電体筒としての石英管４の内部に、石英管４を貫通して配置される。石英管４の周囲に、筒状チャンバの壁面を与える筐体としての真鍮ブロック５が配置され、また、石英管４の外側は、真鍮ブロック５に接している。筒状チャンバ内部の空間７は、石英管４、真鍮ブロック５、真鍮ブロック１７により囲まれた筒状の長細い空間である。つまり、石英管４の一部（内側の半円柱部分）が筒状チャンバ内部の空間７に露出するよう配置されている。

真鍮ブロック５の上方に、プラズマガスマニホールド８となる溝、プラズマガス供給穴９となる溝が形成されており、２つの真鍮ブロック５を組み合わせたときに、これらに囲まれた空間が閉じた空間としてプラズマガスマニホールド８とプラズマガス供給穴９が画定される構造である。また、真鍮蓋６にシースガスマニホールド１０となる座グリが設けられ、真鍮ブロック５と組み合わせたときに、真鍮ブロック５と真鍮蓋６に囲まれた空間が閉じた空間としてシースガスマニホールド１０が画定される構造である。

また、真鍮ブロック５に、シースガス供給穴１１となる貫通孔が形成されている。また、基材載置台１に近い部分に、シールドガスノズル１３が配置され、その内部にはシールドガスマニホールド１４が設けられる。このように、３系統のガス導入が準備されており、プラズマ生成に適したプラズマガスと、石英管４の外壁面を保護するシースガスとに分けて、ガス種・ガス流量などを適宜調整することにより、安定したプラズマ処理を可能とするほか、シールドガスを別途供給して大気中の酸素、二酸化炭素など、処理に不要、或いは悪影響を及ぼすガスのプラズマ照射面への混入を低減することが可能となる。

導体棒３が配置されている石英管４の内部は、絶縁性流体としての水に浸され、かつ、冷媒としての水が流れることによって石英管４と導体棒３が冷却される構成となっている。さらに、導体棒３は中空の管状であり、導体棒３内部にも水が流れ、導体棒３が冷却される構成となっている。すなわち、導体棒３の外壁面と石英管４の内壁面の間の空間に冷媒としての絶縁性流体が流れることによって、導体棒３及び石英管４が冷却され、導体棒３が中空の管状であり、導体棒３がなす管の内部空間に冷媒が流れることによって、導体棒３が冷却される構成である。

また、真鍮ブロック５には、これらを貫通する冷媒流路としての冷媒流路１５が設けられている。これらの水路（冷媒流路）は、真鍮ブロック１７の外側に設けられた樹脂ケース１８と真鍮ブロック１７との間の空間がなす冷媒マニホールド２２に連通している。樹脂ケース１８には、冷媒導入口・冷媒排出口としての冷却水出入口２４が各１箇所ずつ設けられ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴへの水冷配管の引き回しが非常に簡潔なものとなっており、小型のトーチを構成しうる。すなわち、筒状チャンバの長手方向の両側に２つの冷媒マニホールド２２を備え、筒状チャンバを構成する各部材に、２つの冷媒マニホールド２２を連通する冷媒流路１５を備えた構成である。

なお、導体棒３と石英管４の内壁の間の空間、及び、導体棒３の内部も冷媒流路である。また、全ての冷媒流路が並列に冷媒マニホールド２２に接続され、１つの冷媒導入口と１つの冷媒排出口が、それぞれ、２つの冷媒マニホールド２２のうちの片方に設けられている構成である。また、冷媒マニホールド２２と各冷媒流路との接続部や、冷媒流路そのものの流路断面積は一様でなく、真鍮ブロック５に設けられた冷媒流路やその接続部（真鍮ブロック１７に設けられた、小さい多数の貫通穴）の断面積は小さく、石英管４の内径（冷媒流路の径）やその接続部（真鍮ブロック１７に設けられた、６つの大きい貫通穴）の断面積は大きくなっている。

このような構成により、強い冷却が必要な部材である、石英管４の流路断面積が大きくなるように構成することで、合計の冷媒流量を小さくすることができる。

導体棒３のうち、２本の長い導体棒（これを符号「３ａ」で表す）は、樹脂ケース１８に設けられた高周波導入端子穴２６及び接地端子穴２７を介して銅ブロック１９に接続され、銅板２０を通じて図示しない高周波整合回路に接続される。

或いは、不純物濃度が高く、抵抗の低いシリコン（例えば、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）が高い濃度でドーピングされたｐ型シリコンや、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）が高い濃度でドーピングされたｎ型シリコン）は、真鍮ブロック５の内側の面（筒状チャンバの壁面を構成する部分）にコーティングしておく。これは、抵抗の低いシリコンを石英管４の表面にコーティングしてしまうと、ソレノイドコイルにより発生する高周波電磁界が遮蔽されてしまうためである。抵抗の低いシリコンは、塗布法・蒸着法・スパッタリング法などを適宜用いて、真鍮ブロック５の内側の表面（筒状チャンバの壁面を構成する部分であり、プラズマが発生する空間を画定する部材の一部）に形成しておく。

また、抵抗の低いシリコンウェハやシリコンブロックを真鍮ブロック５の表面に貼り付けても良い。或いは、真鍮ブロック５の表面に形成する代わりに、真鍮ブロック５そのものをこれらのシリコン材料で構成してもよい（この場合、部品名は「真鍮ブロック」ではなく、用いる材料名を冠したものとなる）。

長方形のスリット状のプラズマ噴出口１２（これを「開口部」と称する場合もある）が設けられ、基材載置台１（或いは、基材載置台１上に基材２）は、プラズマ噴出口１２と対向して配置されている。この状態で、筒状チャンバ内にガスを供給しつつ、プラズマ噴出口１２から基材２に向けてガスを噴出させながら、図示していない高周波電源よりコイルをなす導体棒３に高周波電力を供給することにより、筒状チャンバ内にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口１２からプラズマを基材２に照射することにより、基材２上のシリコン薄膜１６を形成することができる。

本構成においては、筒状チャンバの長手方向と、導体棒３の長手方向と、プラズマ噴出口１２の長手方向とがすべて平行に配置されていることが特徴で、プラズマ噴出口１２の長手方向に対して垂直な向きに、チャンバと基材載置台１とを相対的に移動させることで、基材２を処理する。つまり、図７（ａ）の左右方向へ、図７（ｂ）の紙面に垂直な方向へ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたは基材載置台１を動かす。

従来例では、低温大気圧プラズマにより、シリコンターゲットの分解が遅かったため、成膜速度を大きくあげることができなかったが、本実施の形態においては、熱プラズマを利用するため、シリコンターゲットからのシリコンの生成効率が高く、高速成膜が可能であるという利点がある。また、本実施の形態においては、昇華または化学的エッチングによって発生させたシリコン含有ガス利用するため、ガス流れ等の工夫により、長尺方向の成膜速度分布を均一化することは困難ではなく、また、誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材２を相対的に移動させて走査し、基材２の全面を処理するので、走査方向の均一性は原理的に担保されており、従来例よりも均一性確保が容易なプラズマ成膜方法となっている。

筒状チャンバ内に供給するガスとして種々のものが使用可能だが、プラズマの安定性、着火性、プラズマに暴露される部材の寿命などを考えると、不活性ガス主体であることが望ましい。なかでも、Ａｒガスが典型的に用いられる。Ａｒのみでプラズマを生成させた場合、プラズマは相当高温となり（１０，０００Ｋ以上）、基材２の表面のシリコン薄膜１６を形成することができる。また、Ｈ₂を添加すると、既に述べたように、化学的エッチングの作用をもたらす他、シリコン膜中の欠陥を水素によって終端し、高品質なシリコン薄膜を得ることができる。

次に、ガス供給の構造について説明する。プラズマガス供給配管４１はフランジ２５に設けられ、真鍮ブロック５を組み合わせてできる穴を介して、プラズマガスマニホールド８に連通する。また、シースガス供給配管４２は真鍮蓋６に設けられ、真鍮蓋６内部の貫通穴を介してシースガスマニホールド１０に連通する。プラズマガスマニホールド８となる溝は深く、筒状チャンバの長手方向に平行に長く掘り込まれており、ガス溜まりとして機能する。プラズマガス供給穴９となる溝は浅く、筒状チャンバの長手方向に平行に短く掘り込まれており、その数は多数となっている。真鍮ブロック５の凹部と石英管４の間の僅かな隙間から、プラズマガスが側方、すなわち、誘導結合型プラズマトーチユニットＴから基材２へ向かう向きとは垂直な向きに染み出してくる構成である。ガスが筒状チャンバ内に染み出してくる部位をガス導入口と呼ぶならば、ガス導入口はプラズマ噴出口１２の長手方向と平行に設けられる構成となっている。

次に、冷却水の流れ方について説明する。図９において、真鍮ブロック１７には、石英管４の位置決めを担う機能があり、石英管４の数に応じて貫通穴が設けられる。貫通穴には両側から座グリが形成され、内側の座グリには水漏れ防止のためのオーリング２８が配置されるとともに、石英管４の外径が太くなった部分が嵌め込まれる。図９、１０に示すように、石英管４の両端の先端付近に、矩形の貫通穴２９が設けられ、真鍮ブロック１７に嵌め込まれたときに、貫通穴２９ａが外側の座グリ３０の中に配置されるようになっている。石英管４の両端は、導体棒３と石英管４の中心軸を一致させるためのブッシュ２１により蓋される。

したがって、冷却水は、外側の座グリ３０、貫通穴２９ａを通って、石英管４の内部に流れ込み、出て行く構造となっている。一方、ブッシュ２１の中心には貫通穴が設けられ、冷媒マニホールド２２から導体棒３の内部に冷却水が流れ込み、出て行くことができる。ただし、長い導体棒３ａは、樹脂ケース１８に設けられた高周波導入端子穴２６及び接地端子穴２７を突き抜ける構造であり、その内部に水を連通させるために、貫通穴２９ｂが設けられている。つまり、冷却水は、樹脂ケースに設けられた座グリ、貫通穴２９ｂを通って、長い導体棒３ａの内部に流れ込み、出て行く構造となっている。

また、図１２に示すように、複数の導体棒３は、導体リンク２３により接続され、全体として３ターンの螺旋形を構成し、その螺旋の内部空間と筒状チャンバ内部の空間７が重なり合っている構造となっている。

本構成においては、プラズマ噴出口１２の長手方向の長さが、基材２の幅以上となっているので、一度の走査（誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材載置台１とを相対的に移動すること）で基材２にシリコン薄膜１６形成することができる。

このようなプラズマ処理装置において、筒状チャンバ内にガス噴出口よりＡｒまたはＡｒ＋Ｈ₂ガス、シースガス供給穴１１からＮ₂やＯ₂ガスを供給しつつ、プラズマ噴出口１２から基材２に向けてガスを噴出させながら、図示していない高周波電源より１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、コイルをなす導体棒３に供給することにより、筒状チャンバ内にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口１２からプラズマを基材２に照射するとともに走査することで、シリコン薄膜１６形成することができる。そして、半導体装置、太陽電池、液晶パネルなどにおいて、半導体膜形成を簡単な構成で実現できる。

本実施の形態で用いた誘導結合型プラズマトーチにおいては、プラズマ噴出口１２の長手方向と、基材載置台１とが平行に配置されたまま、プラズマ噴出口１２の長手方向とは垂直な向きに、筒状チャンバと基材載置台１とを相対的に移動するので、生成すべきプラズマの長さと、基材２の処理長さがほぼ等しくなるように構成することが可能となる。また、筒状チャンバをその中心軸に垂直な面で切った断面の幅（図７（ｂ）における、チャンバ内部の空間７の幅）は、プラズマ噴出口１２の幅（図７（ｂ）における隙間の長さ）より少しでも大きければよい。つまり、生成すべきプラズマの体積を極めて小さくすることができる。その結果、本方式は電力効率に優れる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図１３を参照して説明する。

図１３は本発明の実施の形態４におけるプラズマ成膜装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。

本発明の実施の形態４においては、実施の形態３とは、導体棒３と石英管４の本数が異なるだけであるから、それ以外の説明は省略する。

図１３において、導体棒３はともに長い導体棒３ａであり、導体リンク２３で接続されることにより、１ターンコイルを構成する。

この構成では、プラズマの発生する体積が実施の形態３よりも小さくなり、パワー効率に優れたトーチユニットを実現可能である。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図１４を参照して説明する。

図１４は本発明の実施の形態５におけるプラズマドーピング装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。

本発明の実施の形態５においては、実施の形態４とは、導体棒３と石英管４の配置が異なるだけであるから、それ以外の説明は省略する。

図１４において、２本の導体棒３は、プラズマ噴出口１２から同じ距離に配置されており、導体リンク２３で接続されることにより、１ターンコイルを構成する。

この構成では、プラズマの発生する体積が実施の形態４よりも小さくなり、パワー効率に優れたトーチユニットを実現可能である。

（実施の形態６）
以下、本発明の実施の形態６について、図１５〜図１６を参照して説明する。

図１５は本発明の実施の形態６におけるプラズマ成膜装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。

本発明の実施の形態６においては、実施の形態３とは、導体棒３と石英管４の配置が異なるだけであるから、それ以外の説明は省略する。

図１５において、６本の導体棒３は、２本ずつペアになってプラズマ噴出口１２から同じ距離に配置されており、導体リンク２３で接続されることにより、３ターンコイルを構成する。

或いは、２本ずつのペアごとに異なる高周波電源に接続することで、各ペアに供給する電力を独立に制御することができる。

さらに、図１６に示すように、シースガスマニホールド１０、シースガス供給穴１１を、各ペアに別系統に構成することも可能である。このような構成により、各ペアに必要最小限のシースガス流量を流すことが可能である。

或いは、各ペアに供給する電力を独立に制御することと、シースガスマニホールド１０、シースガス供給穴１１を、各ペアに別系統に構成することを同時に行うこともできる。この場合、各系統に異なるガス種を供給し、その電離度を電力バランスで制御することで、より制御性に優れたプラズマ処理が可能となる。

（実施の形態７）
以下、本発明の実施の形態７について、図１７及び図１８を参照して説明する。

図１７（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるプラズマ成膜装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。図１７（ｂ）は、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に平行で、かつ、基材に垂直な面で切った断面図である。図１７（ｂ）は図１７（ａ）の破線で切った断面図、図１７（ｃ）は図１７（ａ）の破線Ｂ〜Ｂ‘で切った断面図である。また、図１７（ａ）は図１７（ｂ）の破線で切った断面図である。また、図１８は、図１７に示した誘導結合型プラズマトーチユニットの組立構成図であり、各部品（一部）の斜視図を並べたものである。

図１７及び図１８において、基材載置台１上に基材２が載置されている。誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、銅製で長尺の導体棒３が、誘電体製の長尺チャンバの内側に配置される。すなわち、誘電体ブロックとしての石英ブロック４内に円筒型の誘電体管としての石英管４が挿入され、石英管４内に長尺の穴が設けられており、この長尺の穴内に導体棒３が設けられる。長尺チャンバの外壁を与える誘電体製の石英ブロック４は、真鍮ブロック５及び真鍮蓋６で囲まれた部分に収納される。真鍮ブロック５及び真鍮蓋６は接地されるので、高周波の漏洩（ノイズ）が効果的に防止できるとともに、好ましくない異常放電などを効果的に防止できる。

長尺チャンバ内部の空間７は、石英ブロック４に設けられたスリット、及び、石英ブロック４と導体棒３が挿入されている石英管４との間の空間である。つまり、長尺チャンバが誘電体で囲まれている構成である。長尺チャンバ内部の空間７に発生したプラズマは、長尺チャンバにおけるスリット状の開口部としてのプラズマ噴出口１２より基材２に向けて噴出する。また、長尺チャンバの長手方向とプラズマ噴出口１２の長手方向とは平行に配置されている。

真鍮蓋６の上方に、プラズマガスマニホールド８が設けられる。プラズマガスマニホールドに供給されたガスは、石英ブロック４に設けられた穴からなるプラズマガス供給穴９を介して、石英ブロック４に設けられたガス導入口としてのプラズマガス供給穴９より長尺チャンバ内部の空間７に導入される。プラズマガス供給穴９は長手方向に複数設けられているので、長手方向に均一なガス流れを簡単に形成できる。

導体棒３は長尺チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体である石英に囲まれた長尺の穴である石英管４内に設けられている。

また、基材載置台１に近い部分に、シールドガスノズル１３が配置され、その内部にはシールドガスマニホールド１４が設けられる。このように、２系統のガス導入が準備されており、プラズマ生成に適したプラズマガスとは別にシールドガスを供給して、大気中の酸素、二酸化炭素など、処理に不要、或いは悪影響を及ぼすガスのプラズマ照射面への混入を低減することが可能となる。

石英ブロック４及び真鍮ブロック５には、これらを貫通する冷媒流路１５が設けられている。石英管４と冷媒流路１５は互いに平行に配置された水路（冷媒流路）であり、真鍮ブロック１７の外側に設けられた樹脂ケース１８と真鍮ブロック１７との間の空間がなす冷媒マニホールドとしての冷媒マニホールド２２に連通している。樹脂ケース１８には、図示しない冷媒導入口・冷媒排出口としての冷却水出入口が各１箇所ずつ設けられ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴへの水冷配管の引き回しが非常に簡潔なものとなっており、小型のトーチを構成しうる。すなわち、長尺チャンバの長手方向の両側に２つの冷媒マニホールド２２を備え、各部材に２つの冷媒マニホールド２２を連通する冷媒流路を備えた構成である。

導体棒３の両端は、真鍮ブロック１７を貫通し、樹脂ケース１８に設けられた高周波導入端子穴または接地端子穴を介して銅ブロック１９に接続され、図示しない銅板を通じて図示しない高周波整合回路に接続される。

このように、本実施の形態においては、石英ブロック４を貫通する、断面が円形の石英管４及び冷媒流路１５が設けられているので、冷却効率が非常に高い。

なお、プラズマガスマニホールド８へのガス導入は、その上流にマスフローコントローラなどの流量制御装置を備えたプラズマガス供給穴９を介して実現される。

或いは、不純物濃度が高く、抵抗の低いシリコン（例えば、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）が高い濃度でドーピングされたｐ型シリコンや、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）が高い濃度でドーピングされたｎ型シリコン）は、真鍮ブロック５の内側の面（筒状チャンバの壁面を構成する部分）にコーティングしておく。

これは、抵抗の低いシリコンを石英管４の表面にコーティングしてしまうと、導体棒により発生する高周波電磁界が遮蔽されてしまうためである。抵抗の低いシリコンは、塗布法・蒸着法・スパッタリング法などを適宜用いて、真鍮ブロック５の内側の表面（筒状チャンバの壁面を構成する部分であり、プラズマが発生する空間を画定する部材の一部）に形成しておく。また、抵抗の低いシリコンウェハやシリコンブロックを真鍮ブロック５の表面に貼り付けても良い。或いは、真鍮ブロック５の表面に形成する代わりに、真鍮ブロック５そのものをこれらのシリコン材料で構成してもよい（この場合、部品名は「真鍮ブロック」ではなく、用いる材料名を冠したものとなる）。

長方形のスリット状のプラズマ噴出口１２が設けられ、基材載置台１（或いは、基材載置台１上の基材２）は、プラズマ噴出口１２と対向して配置されている。この状態で、長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、プラズマ噴出口１２から基材２に向けてガスを噴出させながら、図示していない高周波電源より導体棒３に高周波電力を供給することにより、長尺チャンバ内部の空間７にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口１２からプラズマを基材２に照射することにより、基材２上のシリコン薄膜１６を形成することができる。

プラズマ噴出口１２の長手方向に対して垂直な向きに、長尺チャンバと基材載置台１とを相対的に移動させることで、基材２を処理する。つまり、図１７（ａ）の左右方向へ、図１７（ｂ）の紙面に垂直な方向へ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたは基材載置台１を動かす。

本構成では、長尺チャンバを含む長尺方向に垂直な面で切った任意の断面において、導体棒３と導体棒３以外の導体（真鍮ブロック５及び真鍮蓋６）との距離が、導体棒３と長尺チャンバの距離よりも大きくなっている。なお、ここでは、導体棒３と長尺チャンバの距離とは、導体棒３と長尺チャンバ内部の空間７（が構成する直方体）との距離を意味する。一般に、高周波電流源が形成する誘導電磁界は、高周波電流源からの距離の二乗に反比例するので、導体棒３と導体棒３以外の導体との距離が導体棒３と長尺チャンバの距離よりも近いと、プラズマ生成に有効な電磁界よりも導体棒３以外の導体内に渦電流を誘導する電磁界の方が大きくなり、銅損（渦電流損）が大きくなってしまう。これを避けるために、導体棒３と導体棒３以外の導体との距離が、導体棒３と長尺チャンバの距離よりも大きくなるように構成している。

このような構成においては、導体棒３とプラズマ噴出口１２の間にある程度の距離を保つ必要があるので、導体棒３よりもプラズマ噴出口１２に近い部位に、石英ブロック４を冷却するための冷媒流路１５を配している。同様に、導体棒３よりも真鍮蓋６に近い部位にも、石英ブロック４を冷却するための冷媒流路１５を配している。

また、真鍮ブロック５及び真鍮蓋６には、導体棒３からの距離を保ったとしても、銅損（渦電流損）が生じるので、これによる問題を防ぐために冷媒流路１５を導体棒３に近い部位に設けている。

長尺チャンバ内に供給するガスとして種々のものが使用可能だが、プラズマの安定性、着火性、プラズマに暴露される部材の寿命などを考えると、不活性ガス主体であることが望ましい。なかでも、Ａｒガスが典型的に用いられる。Ａｒのみでプラズマを生成させた場合、プラズマは相当高温となり（１０，０００Ｋ以上）、基材２の表面のシリコン薄膜１６を形成することができる。また、Ｈ₂を添加すると、既に述べたように、化学的エッチングの作用をもたらす他、シリコン膜中の欠陥を水素によって終端し、高品質なシリコン薄膜を得ることができる。また、Ｎ₂やＮＨ₃ガスを供給することで、プラズマ中及び基材表面で、シリコンが窒素化され、シリコン窒素化膜（ＳｉＮ_x）膜を形成することも可能である。

さらに、同様に酸素を含有しているガスを用いることで、プラズマ中及び基材表面で、シリコンが酸化され、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_x）膜を形成することも可能である。真鍮ブロック５のプラズマガスマニホールド８の下流にあたる部分は、基材２に向かって徐々に広くなる空間を形成している。このような構成により、真鍮ブロック５へのプラズマの接触によるプラズマ密度の低下を抑制できると同時に、プラズマと接触する部位に近い位置に冷媒流路１５を設けることができる。

なお、本構成においては、プラズマ噴出口１２の長手方向の長さが、基材２の幅以上となっているので、一度の走査（誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材載置台１とを相対的に移動すること）で基材２にシリコン薄膜１６を形成するができる。

このようなプラズマ処理装置において、長尺チャンバ内にガス噴出口よりＡｒまたはＡｒ＋Ｈ₂ガスを供給しつつ、プラズマ噴出口１２から基材２に向けてガスを噴出させながら、図示していない高周波電源より１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、導体棒３に供給することにより、長尺チャンバ内部の空間７に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ、プラズマ噴出口１２からプラズマを基材２に照射するとともに走査することで、シリコン膜を形成することができる。

このように、プラズマ噴出口１２の長手方向と、基材載置台１とが平行に配置されたまま、プラズマ噴出口１２の長手方向とは垂直な向きに、長尺チャンバと基材載置台１とを相対的に移動するので、生成すべきプラズマの長さと、基材２の処理長さがほぼ等しくなるように構成することが可能となる。また、長尺チャンバをその中心軸に垂直な面で切った断面の幅（図１７（ａ）における、チャンバ内部の空間７の幅）は、プラズマ噴出口１２の幅（図１７（ａ）における隙間の幅）と同じか、少し大きい程度でよい。つまり、生成すべきプラズマの体積を、従来と比較して極めて小さくすることができる。その結果、電力効率が飛躍的に高まる。

（実施の形態８）
以下、本発明の実施の形態８について、図１９及び図２０を参照して説明する。

図１９（ａ）は、本発明の実施の形態８におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。図１９（ｂ）及び（ｃ）は、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に平行で、かつ、基材に垂直な面で切った断面図である。図１９（ｂ）は図１９（ａ）の破線Ａ〜Ａ‘で切った断面図、図１９（ｃ）は図１９（ａ）の破線Ｂ〜Ｂ‘で切った断面図である。

また、図１９（ａ）は図１９（ｂ）の破線で切った断面図である。また、図２０は、図１９に示した誘導結合型プラズマトーチユニットの組立構成図であり、各部品（一部）の斜視図を並べたものである。

図１９及び図２０において、基材載置台１上に基材２が載置されている。誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、コイルをなす導体棒としての導体棒３が、誘電体製の長尺チャンバを構成する石英ブロック４の内部に配置される。石英ブロック４の周囲に設けられた真鍮ブロック５及び真鍮蓋６で囲まれた部分に、石英ブロック４が収納されている。真鍮ブロック５及び真鍮蓋６は接地されるので、高周波の漏洩（ノイズ）が効果的に防止できるとともに、好ましくない異常放電などを効果的に防止できる。

長尺チャンバ内部の空間７は、石英ブロック４に設けられたスリットである。つまり、長尺チャンバが誘電体で囲まれている構成である。長尺チャンバ内部の空間７に発生したプラズマは、長尺チャンバにおけるスリット状の開口部としてのプラズマ噴出口１２より基材２に向けて噴出する。また、長尺チャンバの長手方向とプラズマ噴出口１２の長手方向とは平行に配置されている。

真鍮蓋６の上方に、プラズマガスマニホールド８が設けられる。プラズマガスマニホールドに供給されたガスは、石英ブロック４に設けられた穴からなるプラズマガス供給配管４１を介して、石英ブロック４に設けられたガス導入口としてのプラズマガス供給穴９より長尺チャンバ内部の空間７に導入される。プラズマガス供給配管４１は長手方向に複数設けられているので、長手方向に均一なガス流れを簡単に形成できる。

導体棒３は４本設けられており、これらは端部で電気的に接続され、全体としてコイルを構成するよう構成されている。導体棒３は、長尺チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体である石英に囲まれた長尺の穴である銅棒挿入穴内に設けられている。

石英ブロック４及び真鍮ブロック５には、これらを貫通する冷媒流路１５が設けられている。銅棒挿入穴と冷媒流路１５は互いに平行に配置された水路（冷媒流路）であり、真鍮ブロック１７の外側に設けられた樹脂ケース１８と真鍮ブロック１７との間の空間がなす冷媒マニホールドとしての冷媒マニホールド２２に連通している。樹脂ケース１８には、図示しない冷媒導入口・冷媒排出口としての冷却水出入口が各１箇所ずつ設けられ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴへの水冷配管の引き回しが非常に簡潔なものとなっており、小型のトーチを構成しうる。すなわち、長尺チャンバの長手方向の両側に２つの冷媒マニホールド２２を備え、各部材に２つの冷媒マニホールド２２を連通する冷媒流路を備えた構成である。

導体棒３は冷媒マニホールド２２内でカプラ２３により電気的に接続され、４本の導体棒３全体として螺旋形で巻き数２のソレノイドコイルを形成する。導体棒３のうち２本は、真鍮ブロック１７を貫通し、樹脂ケース１８に設けられた高周波導入端子穴または接地端子穴を介して銅板２０に接続され、銅板２０を通じて図示しない高周波整合回路に接続される。

このように、本実施の形態においては、石英ブロック４を貫通する、断面が円形の銅棒挿入穴及び冷媒流路１５が設けられているので、冷却効率が非常に高い。

なお、プラズマガスマニホールド８へのガス導入は、その上流にマスフローコントローラなどの流量制御装置を備えたプラズマガス供給配管４１を介して実現される。

石英管４の表面（筒状チャンバの壁面を構成する部分）に、不純物の濃度が低く、抵抗の高いシリコンがコーティングされている。ここで示す不純物とは、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）やリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）を示す。不純物濃度の低いシリコンを、塗布法・蒸着法・スパッタリング法などを適宜用いて、石英管４の表面（筒状チャンバの壁面を構成する部分であり、プラズマが発生する空間を画定する部材の一部）に形成しておく。また、抵抗の高いシリコンウェハやシリコンブロックを石英管４の表面に貼り付けても良い。

或いは、石英管４の表面に形成する代わりに、石英管４そのものをこれらの抵抗の高いシリコンで構成してもよい（この場合、部品名は「石英管」ではなく、用いる材料名を冠したものとなる）。

長方形のスリット状のプラズマ噴出口１２が設けられ、基材載置台１（或いは、基材載置台１上の基材２）は、プラズマ噴出口１２と対向して配置されている。この状態で、長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、プラズマ噴出口１２から基材２に向けてガスを噴出させながら、図示していない高周波電源よりコイルをなす導体棒３に高周波電力を供給することにより、長尺チャンバ内部の空間７にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口１２からプラズマを基材２に照射することにより、基材２上のシリコン薄膜１６を形成することができる。

プラズマ噴出口１２の長手方向に対して垂直な向きに、長尺チャンバと基材載置台１とを相対的に移動させることで、基材２を処理する。つまり、図１９（ａ）の左右方向へ、図１９（ｂ）（ｃ）の紙面に垂直な方向へ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたは基材載置台１を動かす。

複数の導体棒３は平行に配置され、４本の導体棒３全体として螺旋形で巻き数２のソレノイドコイルを形成する。すなわち、複数の導体棒のうち、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒に逆位相の高周波電流が流れるよう構成されている。この場合、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの長尺方向に垂直な面で切った断面において、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒の中心を結ぶ線分の中点付近の誘導電磁界が強くなり、効率的なプラズマ発生を実現しうる。

これに対して、４本の導体棒３の全てを冷媒マニホールド２２内で束ね、長手方向の片側に高周波電力を供給し、他の片側を接地することにより、４本の導体棒３全てに同位相の高周波電流を流すこともできる。すなわち、複数の導体棒のうち、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒に同位相の高周波電流が流れるよう構成することも可能である。この場合、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの長尺方向に垂直な面で切った断面において、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒の中心を結ぶ線分の中点付近の誘導電磁界はほぼゼロになるが、長尺チャンバの上下端付近に強い誘導電磁界が発生するので、効率的なプラズマ発生を実現しうる。

また、この場合、４本の銅棒に高周波電流が分岐するので、１本当たりの電流が小さくなる。言い換えると、同じ太さの銅棒を使用した場合、コイル全体の直流抵抗及びインダクタンスが小さくなる。したがって、コイルにおける銅損が小さくなり、電力効率が高まる。

長尺チャンバを挟んで同じ側に配置された２本の導体棒を冷媒マニホールド２２内で束ねることで、巻き数１のコイルを２段に並列配置することも可能である。この場合も、複数の導体棒のうち、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒に逆位相の高周波電流が流れるが、２系統の銅棒に高周波電流が分岐するので、１本当たりの電流が小さくなる。言い換えると、同じ太さの銅棒を使用した場合、コイル全体の直流抵抗及びインダクタンスが小さくなる。したがって、コイルにおける銅損が小さくなり、電力効率が高まる。

このような配線構成上の工夫によって銅損を低減する方法は、処理したい基材２の幅が大きい場合、すなわち、誘導結合型プラズマトーチユニットＴが長尺方向に長くなる場合にとくに有効である。

また、本構成では、長尺チャンバを含む長尺方向に垂直な面で切った任意の断面において、導体棒３と導体棒３以外の導体（真鍮ブロック５及び真鍮蓋６）との距離が、導体棒３と長尺チャンバの距離よりも大きくなっている。なお、ここでは、導体棒３と長尺チャンバの距離とは、導体棒３と長尺チャンバ内部の空間７（が構成する直方体）との距離を意味する。一般に、高周波電流源が形成する誘導電磁界は、高周波電流源からの距離の二乗に反比例するので、導体棒３と導体棒３以外の導体との距離が導体棒３と長尺チャンバの距離よりも近いと、プラズマ生成に有効な電磁界よりも導体棒３以外の導体内に渦電流を誘導する電磁界の方が大きくなり、銅損（渦電流損）が大きくなってしまう。

これを避けるために、導体棒３と導体棒３以外の導体との距離が、導体棒３と長尺チャンバの距離よりも大きくなるように構成している。このような構成においては、導体棒３とプラズマ噴出口１２の間にある程度の距離を保つ必要があるので、最もプラズマ噴出口１２に近い導体棒３よりもプラズマガスマニホールド８に近い部位に、石英ブロック４を冷却するための冷媒流路１５を配している。同様に、最も真鍮蓋６に近い導体棒３よりも真鍮蓋６に近い部位にも、石英ブロック４を冷却するための冷媒流路１５を配している。

さらに、同様に酸素を含有しているガスを用いることで、プラズマ中及び基材表面で、シリコンが酸化され、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_x）膜を形成することも可能である。真鍮ブロック５のプラズマ噴出口１２の下流にあたる部分は、基材２に向かって徐々に広くなる空間を形成している。このような構成により、真鍮ブロック５へのプラズマの接触によるプラズマ密度の低下を抑制できると同時に、プラズマと接触する部位に近い位置に冷媒流路１５を設けることができる。

なお、本構成においては、プラズマ噴出口１２の長手方向の長さが、基材２の幅以上となっているので、一度の走査（誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材載置台１とを相対的に移動すること）で基材２にシリコン薄膜１６形成することができる。

このようなプラズマ処理装置において、長尺チャンバ内にガス噴出口よりＡｒまたはＡｒ＋Ｈ₂ガスを供給しつつ、プラズマ噴出口１２から基材２に向けてガスを噴出させながら、図示していない高周波電源より１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、コイルをなす導体棒３に供給することにより、長尺チャンバ内部の空間７に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ、プラズマ噴出口１２からプラズマを基材２に照射するとともに走査することで、シリコン系薄膜を形成することができる。

このように、プラズマ噴出口１２の長手方向と、基材載置台１とが平行に配置されたまま、プラズマ噴出口１２の長手方向とは垂直な向きに、長尺チャンバと基材載置台１とを相対的に移動するので、生成すべきプラズマの長さと、基材２の処理長さがほぼ等しくなるように構成することが可能となる。また、長尺チャンバをその中心軸に垂直な面で切った断面の幅（図１９（ａ）における、チャンバ内部の空間７の幅）は、プラズマ噴出口１２の幅（図１９（ａ）における隙間の幅）と同じか、少し大きく程度でよい。つまり、生成すべきプラズマの体積を、従来と比較して極めて小さくすることができる。その結果、電力効率が飛躍的に高まる。

（実施の形態９）
以下、本発明の実施の形態９について、図２１を参照して説明する。

図２１は本発明の実施の形態９におけるプラズマ成膜装置の構成を示す断面図である。図２１において、プラズマ成膜装置を構成するＤＣトーチユニット３１は、陰極３２と、この陰極３２と所定距離だけ離間して対向配置される陽極３３を含んで構成される。陰極３２は、例えばシリコンからなる。陽極３３は、例えば銅などの導電体からなる。

また、陽極３３は、中空に形成され、この中空部分に水を通して冷却可能に構成されている。また、陽極３３には噴出孔（ノズル）３４が設けられている。陰極３２と陽極３３の間に直流（ＤＣ）電圧を印加すると両極間にアーク放電が発生する。陰極３２をシリコン製としたことにより、シリコンは、アークプラズマの熱による昇華により発生する。このように、ＤＣトーチを用いることも可能である。謡曲３３の表面にシリコン材料でコーティングしてもよい。

以上のように本発明は、半導体膜形成に係り、とくに、半導体装置や太陽電池などに用いられる半導体基板上に電子素子を形成するためのシリコン系薄膜の形成、液晶パネルや太陽電池などに用いられる電子素子を形成するためのシリコン膜の形成などに有用な発明である。

１基材載置台
２基材
Ｔ誘導結合型プラズマトーチユニット
３，３ａ導体棒
４石英管（石英ブロック）
５真鍮ブロック
６真鍮蓋
７空間
８プラズマガスマニホールド
９プラズマガス供給穴
１０シースガスマニホールド
１１シースガス供給穴
１２プラズマ噴出口
１３シールドガスノズル
１４シールドガスマニホールド
１５冷媒流路
１６シリコン薄膜
１７真鍮ブロック
１８樹脂ケース
１９銅ブロック
２０銅板、銅ブロック

Claims

シリコンを、プラズマの熱による昇華、または、プラズマ中の活性種による化学的エッチングによって発生させ、前記プラズマを、基材に照射することにより、前記基材にシリコン系薄膜を形成させることを特徴とするプラズマ成膜方法。
前記シリコンには、ボロン、アルミニウム、リン、砒素のいずれか１つを含有することを特徴とする、請求項１記載のプラズマ成膜方法。
前記プラズマは、水素を含むガスを電離させることによって得られるものであることを特徴とする、請求項１記載のプラズマ成膜方法。
前記プラズマが発生する空間に、シリコンを含有した粉体や固体を導入することを特徴とする、請求項１記載のプラズマ成膜方法。
筒状チャンバ内にガスを供給しつつ、前記チャンバに形成されたスリット状の開口部から前記基材に向けてガスを噴出すると共に、コイルに高周波電力を供給することで、前記チャンバ内に前記プラズマを発生させるプラズマ成膜方法であって、
前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに前記チャンバと前記基材とを相対的に移動しながら前記基材の表面を処理することを特徴とする、請求項１記載のプラズマ成膜方法。
前記プラズマが発生する空間を画定する部材の一部がシリコン材料で構成され、前記シリコンを、前記基材に対して部分的に成膜することを特徴とする、請求項１記載のプラズマ成膜方法。
前記プラズマが発生する空間を画定する部材のほぼ全部が、前記シリコン含有する材料で構成されていることを特徴とする、請求項１記載のプラズマ成膜方法。
スリット状の開口部を備える筒状チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記チャンバ内に高周波電磁界を発生させるコイルと、前記コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、前記開口部と対向して配置され、かつ基材を保持する基材載置台と、を有し、前記基材にシリコン膜を形成するプラズマ成膜装置であって、
前記筒状チャンバの長手方向と前記開口部の長手方向とは平行に配置され、
前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記チャンバと前記基材載置台とを相対的に移動可能とする移動機構を備え、
前記筒状チャンバの内壁面の少なくとも一部が、前記シリコン材料で構成されていること
を特徴とするプラズマ成膜装置。
前記コイルはソレノイドコイルであり、前記コイルの延出方向と前記開口部の長手方向とは平行に配置されていることを特徴とする、請求項８記載のプラズマ成膜装置。
前記コイルは、前記筒状チャンバの長手方向に平行に配置された複数の導体棒を、前記筒状チャンバの長手方向と垂直に配置された導体リンクにより接続してなるものであり、
前記導体棒は、誘電体筒内に挿入され、
前記誘電体筒の一部が前記筒状チャンバ内部の空間に露出するよう配置されていること
を特徴とする、請求項８記載のプラズマ成膜装置。
前記筒状チャンバの内壁面のほぼ全部が、シリコン材料で構成されていることを特徴とする、請求項８記載のプラズマ成膜装置。
誘電体で囲まれた長尺チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体で囲まれた長尺の穴と、前記長尺の穴内に設けられた長尺のソレノイドコイルと、前記ソレノイドコイルに接続された高周波電源と、前記チャンバに設けられたスリット状の開口部と、前記開口部と対向して配置され、かつ基材を保持する基材載置台と、を有するプラズマ処理装置において、
前記チャンバの長手方向と前記開口部の長手方向とは平行に配置され、
前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記チャンバと前記基材載置台とを相対的に移動可能とする移動機構を備え、
前記長尺チャンバの内壁面の少なくとも一部が、前記シリコン材料で構成されていること
を特徴とするプラズマ成膜装置。