JP2015088260A - プラズマ処理装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速な処理が可能なプラズマ処理装置及び方法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、コイル３、第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２、第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２が接着され、長尺のチャンバ７は環状である。チャンバ７内に発生したプラズマＰは、チャンバ７における開口部８より基材２に向けて噴出する。開口部８の長手方向に対して垂直な向きに、長尺のチャンバ７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。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱プラズマを基材に照射して基材を処理する熱プラズマ処理や、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を処理する低温プラズマ処理などの、プラズマ処理装置及び方法に関するものである。

従来、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等の半導体薄膜は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や太陽電池に広く利用されている。これを安価に形成する方法として、非晶質シリコン膜にレーザー光を照射して結晶化するものがある。レーザープロセスは、イオン注入やプラズマドーピングによって半導体基板に導入した不純物原子の活性化などにも適用しうる。しかしながら、このレーザー結晶化技術には継ぎ目が発生するなどの課題があり、また非常に高価な設備を要する。

そこで、長尺の熱プラズマを発生させ、一方向にのみ走査することで、継ぎ目なく、安価に熱処理を行う技術が検討されている（例えば、特許文献１〜３、及び、非特許文献１を参照）。

特開２０１３−１２０６３３号公報 特開２０１３−１２０６８４号公報 特開２０１３−１２０６８５号公報

Ｔ．Ｏｋｕｍｕｒａ ａｎｄ Ｈ．Ｋａｗａｕｒａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５２（２０１３）０５ＥＥ０１

しかしながら、半導体の結晶化など、ごく短時間だけ基材の表面近傍を高温処理する用途に対して、従来例に示した特許文献１〜３に記載の熱プラズマを長尺状に発生させる技術では、プラズマトーチの構成部材の耐熱限界を与える高周波電力が比較的小さいため、処理速度（単位時間当たりに処理できる基板数）が小さいという問題点があった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、基材の表面近傍をごく短時間だけ均一に高温熱処理するに際して、或いは、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を低温プラズマ処理するに際して、高速な処理が可能なプラズマ処理装置及び方法を提供することを目的としている。

本願の第１発明のプラズマ処理装置は、第一誘電体部材に囲まれたチャンバと、チャンバに連通する開口部と、チャンバ内にガスを導入するガス供給配管と、チャンバを冷却する冷却部と、チャンバ近傍に設けられたコイルと、コイルに接続された高周波電源と、基材載置台とを備え、第一誘電体部材と冷却部の間に、第一誘電体部材よりも熱伝導率が大きい第二誘電体部材が設けられていることを特徴とする。

このような構成により、高速な処理が可能となる。

本願の第１発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記チャンバが環状であることが望ましい。

このような構成により、長尺の熱プラズマを発生させることができる。

また、好適には、前記基材載置台がなす面に垂直な面に沿って前記チャンバが設けられていることが望ましい。

このような構成により、構造を簡略化することができる。

本願の第２発明のプラズマ処理装置は、以下の装置構成に特徴を有する。

誘電体部材に囲まれた環状のチャンバと、チャンバに連通する開口部と、チャンバ内にガスを導入するガス供給配管と、チャンバを冷却する冷却部を兼ねてチャンバ近傍に設けられたコイルと、コイルに接続された高周波電源と、基材載置台とを備え、基材載置台がなす面に垂直な面に沿ってチャンバが設けられ、コイルまたはコイルの一部に設けた突起部が基材載置台近傍のチャンバの基材載置台とは反対側に配置されること。

本願の第１または第２発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記チャンバが、長尺な形状であり、前記開口部が、長尺で線状であり、前記コイルが、前記開口部の長手方向と平行な向きに長尺な形状をもち、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ることが望ましい。

このような構成により、大面積基板を高速で処理することができる。

また、好適には、前記コイルが、前記基材載置台がなす面に垂直な面に沿って設けられることが望ましい。

このような構成により、構造を簡略化することができる。

本願の第１発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記第一誘電体部材が窒化シリコンを主成分とするセラミックス、または、シリコン、アルミニウム、酸素、窒素を主成分とするセラミックスであることが望ましい。

このような構成により、耐熱性に優れた装置を実現できる。

また、本願の第２発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記誘電体部材が窒化シリコンを主成分とするセラミックス、または、シリコン、アルミニウム、酸素、窒素を主成分とするセラミックスであることが望ましい。

このような構成により、耐熱性に優れた装置を実現できる。

また、本願の第１発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記第二誘電体部材が窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス、または、窒化ボロンを主成分とするセラミックスであることが望ましい。

このような構成により、耐熱性に優れた装置を実現できる。

本願の第３発明のプラズマ処理方法は、以下のステップに特徴を有する。

第一誘電体部材で囲まれたチャンバ内にガスを供給しつつ、チャンバに連通する開口部から基材に向けてガスを噴出すると共に、チャンバを冷却するための冷却部を冷却しながら、コイルに高周波電力を供給することで、チャンバ内に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ、第一誘電体部材と冷却部の間に、第一誘電体部材よりも熱伝導率が大きい第二誘電体部材が設けられている状態で基材の表面を処理すること。

このような構成により、高速な処理が可能となる。

本願の第４発明のプラズマ処理方法は、以下のステップに特徴を有する。

誘電体部材で囲まれた環状のチャンバ内にガスを供給しつつ、チャンバに連通する開口部から基材に向けてガスを噴出し、チャンバを冷却するための冷却部を兼ねたコイルに高周波電力を供給することで、チャンバ内にプラズマを発生させ、基材がなす面に垂直な面に沿ってチャンバが設けられ、コイルまたはコイルの一部に設けた突起部が、基板近傍のチャンバの、基板とは反対側に配置されている状態で基材の表面を処理すること。

このような構成により、高速な処理が可能となる。

本発明によれば、基材の表面近傍をごく短時間だけ均一に高温熱処理するに際して、或いは、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をプラズマ処理するに際して、高速な処理が可能となる。

本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理装置の構成を示す斜視図 本発明の実施の形態３におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態４におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態５におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態６おけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態７おけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態８おけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態９おけるプラズマ処理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処理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を参照して説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、長尺の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、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１（ａ）は図１（ｂ）の破線Ａ−Ａ‘で切った断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の破線Ｂ−Ｂ’で切った断面図である。

図１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、導体製のコイル３が、第一セラミックブロック−Ｌ４１、第一セラミックブロック−Ｒ４２、第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２の近傍に配置される。コイル３は、図示しない接着剤により、第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２に接着される。長尺のチャンバ７は、第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２と基材２によって囲まれた空間により画定される。

基材載置台１がなす面に垂直な面に沿ってコイル３及びチャンバ７が配置されている。また、チャンバ７のコイル３に近い側の内壁面は、コイル３と平行な面である。このような構成では、コイル３の任意の部位において、コイル３からチャンバ７までの距離が等しくなるので、小さい高周波電力で誘導結合性プラズマの発生が可能となり、効率の良いプラズマ生成が実現できる。

誘導結合型プラズマトーチユニットＴは、全体が接地された導体製のシールド部材（図示しない）で囲われ、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。

チャンバ７は、第一セラミックブロック−Ｌ４１と、第一セラミックブロック−Ｒ４２に設けた溝が一続きとなった環状の溝に囲まれている。つまり、チャンバ７全体が誘電体で囲まれている構成である。また、チャンバ７は環状である。ここでいう環状とは、一続きの閉じたヒモ状をなす形状を意味し、図１（ｂ）に示すような長方形に限定されるものではない。本実施の形態においては、レーストラック形（２つの長辺をなす直線部と、その両端に２つの短辺をなす直線が連結されてなる、一続きの閉じたヒモ状の形状）のチャンバ７を例示している。チャンバ７に発生したプラズマＰは、チャンバ７における開口部８としてのプラズマ噴出口より基材２に向けて噴出する。また、チャンバ７の長手方向とプラズマ噴出口としての開口部８の長手方向とは平行に配置されている。

第一セラミックブロック−Ｒ４２に設けた長方形の溝はプラズマガスマニホールド９である。その内部に多孔質セラミックス材をはめ込んでもよい。プラズマガス供給配管１０よりプラズマガスマニホールド９に供給されたガスは、第一セラミックブロック−Ｒ４２に設けられたガス導入部としてのプラズマガス供給穴１１（貫通穴）を介して、チャンバ７に導入される。このような構成により、長手方向に均一なガス流れを簡単に実現できる。プラズマガス供給配管１０へ導入するガスの流量は、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ることにより制御される。また、プラズマガスマニホールド９内を多孔質セラミックス材で構成すると、ガス流れの均一化が実現できるとともに、プラズマガスマニホールド９近傍での異常放電を防止することができる。

プラズマガス供給穴１１は、長手方向に丸い穴状のものを複数設けたものであるが、長手方向に長尺のスリット状の穴を設けたものであってもよい。

なお、図示しないが基材載置台１に近い部分に、シールドガス供給口としてのシールドガスノズルを配置してもよい。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も可能となる。なお、シールドガス供給口は、開口部８の長尺方向と平行な向きに長尺な形状をもつスリットであってもよいし、或いは、開口部８の長尺方向と平行な向きに並んだ多数の穴であってもよい。

コイル３は、断面が円形の銅管を、断面が直方体の銅ブロックに接着したものである。また、コイル３は中空の管であり、内部が冷媒流路となっている。すなわち、水などの冷媒を流すことで、冷却が可能である。また、第一セラミックブロック−Ｒ４２に設けた凹部に、第二セラミックブロック−Ｒ５２の凸部を嵌め込む構造となっている。また、第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２、第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２に、開口部８の長手方向に対して平行に冷媒流路が設けられてもよい。また、第一セラミックブロック−Ｌ４１、第二セラミックブロック−Ｌ５１及びコイル３を接着剤によって接合することで、接着剤を介して第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第二セラミックブロック−Ｌ５１の冷却が可能である。同様に、第一セラミックブロック−Ｒ４２、第二セラミックブロック−Ｒ５２及びコイル３を接着剤によって接合することで、接着剤を介して第一セラミックブロック−Ｒ４２及び第二セラミックブロック−Ｒ５２の冷却が可能である。ここでは、チャンバを冷却するための冷却部はコイル３であり、第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２とコイル３の間に、第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２よりも熱伝導率が大きい第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２が設けられている。すなわち、第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２は窒化シリコンであり、第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２は窒化アルミニウムである。このような構成により、第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２をも窒化シリコンで構成した場合に比べて、より効果的に第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２を冷却できるので、より大きい高周波電力を投入することができ、より高速な処理が可能となる。第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２には、優れた耐熱性が求められるので、窒化シリコンを主成分とするセラミックス、または、シリコン、アルミニウム、酸素、窒素を主成分とするセラミックス（サイアロンなど）が適している。一方、第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２は、直接数千℃〜１０，０００℃の熱プラズマに接することはないので、耐熱性よりも優れた熱伝導率が必要となる。よって、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス、または、窒化ボロンを主成分とするセラミックスが適している。なお、窒化シリコンの熱伝導率は２０〜７０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1、破壊靭性値は５〜６ＭＰａ・ｍ^1/2、窒化アルミニウムの熱伝導率は２８５Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1、破壊靭性値は３．１ＭＰａ・ｍ^1/2である。

なお、第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２の肉厚をそのままにして、コイル３を直接第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２に接着した場合、第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２を間に挟む場合に比べてさらに強力な冷却効果が期待できるが、この場合、セラミックブロックの耐電圧が小さくなりすぎて異常放電が生じることがある。つまり、本実施の形態においては、以下の３点をうまく利用することで、より大きな高周波電力の投入を可能としている。

（１）第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２と、第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２との合計の肉厚により、コイル３とプラズマＰとの間の絶縁耐圧（耐電圧）を確保すること。

（２）第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２を良好な耐熱性とすること。

（３）第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２を良好な熱伝導性とすること。

長方形の開口部８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、開口部８と対向して配置されている。この状態で、チャンバ７内にプラズマガスを供給しつつ、開口部８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３に高周波電力を供給することにより、チャンバ７にプラズマＰを発生させ、開口部８からプラズマを基材２に照射することにより、基材２上の薄膜２２をプラズマ処理することができる。開口部８の長手方向に対して垂直な向きに、チャンバ７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の左右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。

チャンバ７内に供給するプラズマ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、とくに希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る（１０，０００Ｋ以上）。

なお、本構成においては、開口部８の長手方向の長さが、基材２の幅以上となっている。したがって、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の表面近傍の薄膜２２の全体を処理することができる。

このようなプラズマ処理装置において、チャンバ７内にプラズマガスとしてＡｒまたはＡｒ＋Ｈ₂ガスを供給しつつ、開口部８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３に供給することにより、チャンバ７に高周波電磁界を発生させることでプラズマＰを発生させ、開口部８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、半導体膜の結晶化などの熱処理を行うことができる。

プラズマ発生の条件としては、開口部８と基材２間の距離＝０．１〜５ｍｍ、走査速度＝２０〜３０００ｍｍ／ｓ、プラズマガス総流量＝１〜１００ＳＬＭ、Ａｒ＋Ｈ₂ガス中のＨ₂濃度＝０〜１０％、高周波電力＝０．５〜１０ｋＷ程度の値が適切である。ただし、これらの諸量のうち、ガス流量及び電力は、開口部８の長さ１００ｍｍ当たりの値である。ガス流量や電力などのパラメータは、開口部８の長さに比例した量を投入することが適切と考えられるためである。

このように、開口部８の長手方向と、基材載置台１とが平行に配置されたまま、開口部８の長手方向とは垂直な向きに、長尺のチャンバ７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。

このように、本実施の形態によれば、高温のプラズマに接する第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２の壁面をより効果的に冷却することができる。したがって、より大きな高周波電力を投入することができ、所望のピーク温度を得るにあたり、より高速に相対移動することができる。つまり、基材の表面近傍をごく短時間だけ均一に高温熱処理するに際して、或いは、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を低温プラズマ処理するに際して、高速な処理が可能となる。

なお、基材２を効率的に処理するために誘導結合型プラズマトーチユニットＴを基材２との距離を小さくしていったとき、最も大きな熱量を受けるのは、基材載置台１近傍のチャンバ７の、基材載置台１とは反対側の部分である。したがって、この部分をより効果的に冷却する必要がある。このことから、第一セラミックブロック−Ｒ４２の凹部に第二セラミックブロック−Ｒ５２の凸部を嵌め込む構造を、基材載置台１近傍のチャンバ７の、基材載置台１とは反対側の部分の近傍のみに配置してもよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図２及び図３を参照して説明する。

図２は、本発明の実施の形態２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り、図１（ａ）に相当する。また、図３は、図２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。

実施の形態２においては、耐熱性に優れた窒化シリコン製の第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２を用いて誘導結合型プラズマトーチユニットＴを構成しているが、第一セラミックブロック−Ｒ４２に設けた凹部に、コイル３の一部に設けた突起部３１を挿入する構成となっている。そして、突起部３１は、基材載置台１近傍のチャンバ７の、基材載置台１とは反対側に配置されている。これは、基材２を効率的に処理するために誘導結合型プラズマトーチユニットＴを基材２との距離を小さくしていったとき、最も大きな熱量を受けるのが、基材載置台１近傍のチャンバ７の、基材載置台１とは反対側の部分だからである。つまり、この部分をより効果的に冷却するために、突起部３１を設けている。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図４を参照して説明する。

図４は、本発明の実施の形態３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り、図１（ａ）に相当する。

実施の形態３においては、耐熱性に優れた窒化シリコン製の第一セラミックブロック−Ｌ４１及び第一セラミックブロック−Ｒ４２と、これよりも熱伝導率の高い窒化アルミニウム製の第二セラミックブロック−Ｌ５１及び第二セラミックブロック−Ｒ５２を用いて誘導結合型プラズマトーチユニットＴを構成している。

このとき、第一セラミックブロック−Ｒ４２に設けた凹部に、第二セラミックブロック−Ｒ５２の凸部を嵌め込むとともに、第二セラミックブロック−Ｒ５２の凸部の裏側（図の右側）にある凹部に、コイル３の一部に設けた突起部３１を挿入する構成となっている。そして、これら凹部、凸部及び突起部は、基材載置台１近傍のチャンバ７の、基材載置台１とは反対側に配置されている。これは、基材２を効率的に処理するために誘導結合型プラズマトーチユニットＴを基材２との距離を小さくしていったとき、最も大きな熱量を受けるのが、基材載置台１近傍のチャンバ７の、基材載置台１とは反対側の部分だからである。つまり、この部分をより効果的に冷却するために、これら凹部、凸部及び突起部を設けている。

銅の熱伝導率は窒化アルミニウムよりさらに高く、３８６Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1である。したがって、このような構成では、実施の形態１に比べてより効果的な冷却が行える。また、実施の形態２と比べると、絶縁のためのセラミックブロックの総厚を大きくできるので、異常放電の起きにくさに優れる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図５を参照して説明する。

図５は、本発明の実施の形態４におけるプラズマ処理装置の構成を示すものである。図５（ａ）は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り、図１（ａ）に相当する。図５（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り、図１（ｂ）に相当する。図５（ａ）は図５（ｂ）の破線Ａ−Ａ‘で切った断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の破線Ｂ−Ｂ’で切った断面図である。

実施の形態４においては、第三セラミックブロック１２、第四セラミックブロック１３及び第五セラミックブロック１４を用いてチャンバ７を構成している。第三セラミックブロック１２において、図５（ｂ）の左右に位置するチャンバ７の短辺に相当する部分を、図の上下を貫く貫通穴により構成している。また、第三セラミックブロック１２の上部及び下部に凹部を形成し、上の凹部に第五セラミックブロック１４の凸部を嵌め込むことにより、環状のチャンバ７を構成している。第四セラミックブロック１３は、第三セラミックブロック１２の中央部に設けた貫通穴内に嵌め込まれている。

このような構成によれば、最も大きな熱量を受ける基材載置台１近傍のチャンバ７の、基材載置台１とは反対側の部分を、図５（ａ）の左右両側から冷却することができるので、より効果的な冷却を実現できる。また、実施の形態１〜３では、短辺側からみて左右に配置した各セラミックブロックを貼り合わせる構造であるため、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの性能を担保するために各セラミックブロックの加工において高い精度が必要となるが、本実施の形態においては、左右の貼り合わせ部が無いので、実施の形態１〜３に比べると、低い加工精度で誘導結合型プラズマトーチユニットＴを構成することができる。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図６を参照して説明する。

図６は、本発明の実施の形態５におけるプラズマ処理装置の構成を示すものであり、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、図１（ａ）に相当する。

実施の形態５においては、第三セラミックブロック１２、第四セラミックブロック−Ｌ１３１、第四セラミックブロック−Ｒ１３２及び第五セラミックブロック１４を用いてチャンバ７を構成している。第三セラミックブロック１２は実施の形態５と同様の構造である。第四セラミックブロック１３１及び１３２の凸部が、第三セラミックブロック１２の中央部に設けた貫通穴内に嵌め込まれて、中央で凸部の先端を構成する平面が合わせられている。

このような構成によれば、最も大きな熱量を受ける基材載置台１近傍のチャンバ７の、基材載置台１とは反対側の部分を、図６の左右両側から冷却することができるので、より効果的な冷却を実現できる。また、実施の形態１〜３では、短辺側からみて左右に配置した各セラミックブロックを貼り合わせる構造である。

そのため、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの性能を担保するために各セラミックブロックの加工において高い精度が必要となる。但し、本実施の形態においては、左右の貼り合わせ部があるものの、貼り合わせ部とチャンバ７とは第三セラミックブロック１２で隔てられているので、貼り合わせ部に放電が侵入する恐れは低く、第四セラミックブロック１３１及び１３２の中央で凸部の先端を構成する平面（合わせ部）の加工精度はさほど高くなくてよい。

よって、実施の形態１〜３に比べると、低い加工精度で誘導結合型プラズマトーチユニットＴを構成することができる。

また、図の左右のコイル３の間に連通する合わせ部が無いので、大気中でのコイル間放電（異常放電）が起きにくいという利点がある。（実施の形態４においては、第四セラミックブロック１３が、第三セラミックブロック１２の中央部に設けた貫通穴内に嵌めこまれているが、この部分の第三セラミックブロック１２と第四セラミックブロック１３の合わせ部が、左右のコイル間を連通するため、異常放電が起きるおそれがある）。

（実施の形態６）
以下、本発明の実施の形態６について、図７を参照して説明する。

図７は、本発明の実施の形態６におけるプラズマ処理装置の構成を示すものであり、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、図１（ａ）に相当する。

実施の形態６においては、第三セラミックブロック１２、第四セラミックブロック−Ｌ１３１、第四セラミックブロック−Ｒ１３２及び第五セラミックブロック１４を用いてチャンバ７を構成している。第三セラミックブロック１２は実施の形態５と同様の構造である。第四セラミックブロック１３１及び１３２の凸部が、第三セラミックブロック１２の中央部に設けた貫通穴内に嵌め込まれている。実施の形態５との違いは、第四セラミックブロック−Ｒ１３１の凸部が第三セラミックブロック１２の中央部に設けた貫通穴の上方に、第四セラミックブロック−Ｌ１３２の凸部が第三セラミックブロック１２の中央部に設けた貫通穴の下方に、それぞれ嵌め込まれる構造となっていることである。

（実施の形態７）
以下、本発明の実施の形態７について、図８を参照して説明する。

図８は、本発明の実施の形態７におけるプラズマ処理装置の構成を示すものであり、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、図１（ａ）に相当する。

実施の形態７においては、第六セラミックブロック１５に設けられた空洞に、第七セラミックブロック１６を挿入することにより、これらの間に長尺のチャンバ７を構成している。コイル３と第六セラミックブロック１５の間に第八セラミックブロック１７が配置され、また、着火性を高めるための接地銅管１９と第七セラミックブロック１６の間に第九セラミックブロック１８が配置されており、冷却性能と耐電圧性能の両立を図っている。なお、本実施の形態においては、環状のチャンバ７は、基材載置台１がなす面に対してほぼ平行な面に設けられているが、少し傾いており、片側の長辺に相当する部分のみに開口部８が設けられている。

（実施の形態８）
以下、本発明の実施の形態８について、図９を参照して説明する。

図９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あり、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、図１（ａ）に相当する。

実施の形態８においては、第一セラミックブロック−Ｒ４２の凹部にコイル３が嵌め込まれている。環状のチャンバ７の内側にコイル３を配置した構造である。このような構成によっても、冷却性能の向上が可能である。

（実施の形態９）
以下、本発明の実施の形態９について、図１０を参照して説明する。

図１０は、本発明の実施の形態９におけるプラズマ処理装置の構成を示すものであり、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、図１（ａ）に相当する。

実施の形態９においては、第一セラミックブロック−Ｒ４２の凹部にコイル３が嵌め込まれているが、最も大きな熱量を受ける基材載置台１近傍のチャンバ７の、基材載置台１とは反対側の部分の近傍のみ、コイル３を嵌め込んでいる。このような構成によっても、冷却性能の向上が可能である。

以上述べたプラズマ処理装置及び方法は、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。

例えば、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを、固定された基材載置台１に対して走査してもよいが、固定された誘導結合型プラズマトーチユニットＴに対して、基材載置台１を走査してもよい。

また、本発明の種々の構成によって、基材２の表面近傍を高温処理することが可能となる。それにより、従来例で述べたＴＦＴ用半導体膜の結晶化や太陽電池用半導体膜の改質に適用可能であることは勿論、プラズマディスプレイパネルの保護層の清浄化や脱ガス低減、シリカ微粒子の集合体からなる誘電体層の表面平坦化や脱ガス低減、種々の電子デバイスのリフロー、固体不純物源を用いたプラズマドーピングなど、様々な表面処理に適用できる。また、太陽電池の製造方法としては、シリコンインゴットを粉砕して得られる粉末を基材上に塗布し、これにプラズマを照射して溶融させ多結晶シリコン膜を得る方法にも適用可能である。

また、プラズマの着火を容易にするために、着火源を用いることも可能である。着火源としては、ガス給湯器などに用いられる点火用スパーク装置などを利用できる。

また、説明においては簡単のため「熱プラズマ」という言葉を用いているが、熱プラズマと低温プラズマの区分けは厳密には難しく、また、例えば、田中康規「熱プラズマにおける非平衡性」プラズマ核融合学会誌、Ｖｏｌ．８２、Ｎｏ．８（２００６）ｐｐ．４７９−４８３において解説されているように、熱的平衡性のみでプラズマの種類を区分することも困難である。本発明は、基材を熱処理することを一つの目的としており、熱プラズマ、熱平衡プラズマ、高温プラズマなどの用語にとらわれず、高温のプラズマを照射する技術に関するものに適用可能である。

また、基材の表面近傍をごく短時間だけ均一に高温熱処理する場合について詳しく例示したが、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を低温プラズマ処理する場合においても、本発明は適用できる。プラズマガスに反応ガスを混ぜることにより、反応ガスによるプラズマを基材へ照射し、エッチングやＣＶＤが実現できる。

或いは、プラズマガスとしては希ガスまたは希ガスに少量のＨ₂ガスを加えたガスを用いつつ、シールドガスとして反応ガスを含むガスを供給することによって、プラズマと反応ガス流を同時に基材へ照射し、エッチング、ＣＶＤ、ドーピングなどのプラズマ処理を実現することもできる。プラズマガスとしてアルゴンを主成分とするガスを用いると、実施例で詳しく例示したように、熱プラズマが発生する。

一方、プラズマガスとしてヘリウムを主成分とするガスを用いると、比較的低温のプラズマを発生させることができる。このような方法で、基材をあまり加熱することなく、エッチングや成膜などの処理が可能となる。エッチングに用いる反応ガスとしては、ハロゲン含有ガス、例えば、Ｃ_xＦ_y（ｘ、ｙは自然数）、ＳＦ₆などがあり、シリコンやシリコン化合物などをエッチングすることができる。反応ガスとしてＯ₂を用いれば、有機物の除去、レジストアッシングなどが可能となる。ＣＶＤに用いる反応ガスとしては、モノシラン、ジシランなどがあり、シリコンやシリコン化合物の成膜が可能となる。

或いは、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）に代表されるシリコンを含有した有機ガスとＯ₂の混合ガスを用いれば、シリコン酸化膜を成膜することができる。その他、撥水性・親水性を改質する表面処理など、種々の低温プラズマ処理が可能である。容量結合型大気圧プラズマを用いた従来技術に比較すると、誘導結合型であるため、単位体積あたり高いパワー密度を投入してもアーク放電に移行しにくく、より高密度なプラズマが発生可能であり、その結果、速い反応速度が得られ、基材の所望の被処理領域全体を短時間で効率よく処理することが可能となる。

以上のように本発明は、ＴＦＴ用半導体膜の結晶化や太陽電池用半導体膜の改質に適用可能である。勿論、プラズマディスプレイパネルの保護層の清浄化や脱ガス低減、シリカ微粒子の集合体からなる誘電体層の表面平坦化や脱ガス低減、種々の電子デバイスのリフロー、固体不純物源を用いたプラズマドーピングなど、様々な表面処理において、基材の表面近傍をごく短時間だけ均一に高温熱処理するに際して、高速な処理が可能となる有用な発明である。

また、種々の電子デバイスなどの製造における、エッチング・成膜・ドーピング・表面改質などの低温プラズマ処理において、基材の所望の被処理領域全体を短時間で効率よく処理する上で有用な発明である。

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 コイル
４１ 第一セラミックブロック−Ｌ
４２ 第一セラミックブロック−Ｒ
５１ 第二セラミックブロック−Ｌ
５２ 第二セラミックブロック−Ｒ
７ チャンバ
８ 開口部
９ プラズマガスマニホールド
１０ プラズマガス供給配管
１１ プラズマガス供給穴
Ｐ プラズマ
２２ 薄膜

Claims (11)

1. 第一誘電体部材に囲まれたチャンバと、前記チャンバに連通する開口部と、前記チャンバ内にガスを導入するためのガス供給配管と、前記チャンバを冷却するための冷却部と、前記チャンバ近傍に設けられたコイルと、前記コイルに接続された高周波電源と、基材載置台とを備えたプラズマ処理装置であって、
   前記第一誘電体部材と前記冷却部の間に、第一誘電体部材よりも熱伝導率が大きい第二誘電体部材が設けられていること、
   を特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記チャンバが環状である、請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記基材載置台がなす面に垂直な面に沿って前記チャンバが設けられている、請求項１記載のプラズマ処理装置。
4. 誘電体部材に囲まれた環状のチャンバと、前記チャンバに連通する開口部と、前記チャンバ内にガスを導入するためのガス供給配管と、前記チャンバを冷却するための冷却部を兼ねて前記チャンバ近傍に設けられたコイルと、前記コイルに接続された高周波電源と、基材載置台とを備えたプラズマ処理装置であって、
   前記基材載置台がなす面に垂直な面に沿って前記チャンバが設けられ、前記コイルまたは前記コイルの一部に設けた突起部が、前記基材載置台近傍の前記チャンバの、前記基材載置台とは反対側に配置されていること、
   を特徴とするプラズマ処理装置。
5. 前記チャンバが、長尺な形状であり、前記開口部が、長尺で線状であり、前記コイルが、前記開口部の長手方向と平行な向きに長尺な形状をもち、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た、請求項１または４記載のプラズマ処理装置。
6. 前記コイルが、前記基材載置台がなす面に垂直な面に沿って設けられた、請求項３または４記載のプラズマ処理装置。
7. 前記第一誘電体部材が窒化シリコンを主成分とするセラミックス、または、シリコン、アルミニウム、酸素、窒素を主成分とするセラミックスである、請求項１記載のプラズマ処理装置。
8. 前記誘電体部材が窒化シリコンを主成分とするセラミックス、または、シリコン、アルミニウム、酸素、窒素を主成分とするセラミックスである、請求項４記載のプラズマ処理装置。
9. 前記第二誘電体部材が窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス、または、窒化ボロンを主成分とするセラミックスである、請求項１記載のプラズマ処理装置。
10. 第一誘電体部材で囲まれたチャンバ内にガスを供給しつつ、前記チャンバに連通する開口部から基材に向けてガスを噴出すると共に、前記チャンバを冷却するための冷却部を冷却しながら、コイルに高周波電力を供給することで、前記チャンバ内に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ、前記基材の表面を処理するプラズマ処理方法であって、
    前記第一誘電体部材と前記冷却部の間に、第一誘電体部材よりも熱伝導率が大きい第二誘電体部材が設けられている状態で基材を処理すること、
    を特徴とするプラズマ処理方法。
11. 誘電体部材で囲まれた環状のチャンバ内にガスを供給しつつ、前記チャンバに連通する開口部から基材に向けてガスを噴出すると共に、前記チャンバを冷却するための冷却部を兼ねたコイルに高周波電力を供給することで、前記チャンバ内に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ、前記基材の表面を処理するプラズマ処理方法であって、
    基材がなす面に垂直な面に沿って前記チャンバが設けられ、前記コイルまたは前記コイルの一部に設けた突起部が、前記基材の近傍の前記チャンバの前記基材とは反対側に配置されている状態で基材を処理すること、
    を特徴とするプラズマ処理方法。

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