JP2015215942A - プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成でありながら広い領域に熱プラズマを直接照射することができるプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供する。
【解決手段】中心軸Ｃの周りを囲む円環状のループ管の一部を切り欠くことにより一対の開口端が形成された形状を有するガス流通管２内にプラズマ発生ガス注入口４からプラズマ発生ガスを注入し、それぞれ中心軸Ｃの周りを囲むように巻回され且つガス流通管２を挟み込む一対の巻き線部３１，３２を有する空心コイル３に高周波電源６から高周波電力を供給して一対の巻き線部３１，３２の間に電界を形成すると共に中心軸Ｃに沿った磁界を形成することでガス流通管２内に誘導熱プラズマを発生させ、ガス流通管２の一対の開口端から真空チャンバ１内に誘導熱プラズマを射出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法に係り、特に、高周波誘導熱プラズマを発生する装置および方法に関する。

高周波誘導熱プラズマは、高温で且つ高い反応性を有する熱プラズマ空間を無電極状態で形成することができるため、電極金属の溶融等に起因する不純物の混入が抑制され、各種の熱処理、原料生成において広く利用されている。
従来の高周波誘導熱プラズマ装置は、円筒状のプラズマトーチの外周部に誘導コイルが巻回された構成を有し、プラズマトーチの内部にアルゴンガス等の不活性ガスを流すと共に誘導コイルに高周波電力を供給しつつ、プラズマトーチの内部に高電圧を印加して放電を発生させることで、プラズマが点火される。その後、プラズマトーチの内部に原料物質を供給することで、各種の化学反応を行うことができる。

このような高周波誘導熱プラズマは、半導体製造工程、液晶製造工程等においても利用が望まれているが、円筒状のプラズマトーチを使用する装置では、近年の半導体ウエハの大型化および液晶画面の大型化に対応して、プラズマによる処理面積の拡大を図ることが困難であった。すなわち、円筒状のプラズマトーチの径を拡大すると、誘導コイルに供給する高周波電力の増大および冷却効率の向上が必要となり、処理面積の拡大には限界があった。

また、例えば、特許文献１には、フェライト等の磁性材料からなる直線状のコアの外周部を囲むように環状のプラズマ生成領域を形成すると共に、プラズマ生成領域とは異なる位置においてコアの外周部に誘導コイルを巻回したプラズマ装置が開示されている。プラズマ生成領域にガスを流しつつ、誘導コイルに高周波電力を供給してコア内に磁界を形成することで、プラズマ生成領域内に環状のプラズマが生成される。
そして、プラズマ処理を行う際には、処理ガスがプラズマ生成領域内に注入され、プラズマにより生成されたラジカルまたはイオン化ガスが出口ポートを通ってプラズマ生成領域から排出され、さらにシャワーヘッドを介して基板の表面に供給される。

特表２０１３−５１１８１２号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、プラズマにより生成されたラジカルまたはイオン化ガスを処理対象である基板に供給することはできるものの、熱プラズマは環状のプラズマ生成領域内に留まり、基板に向けて熱プラズマを直接照射することはできない。
また、コアを用いてプラズマ生成領域内にプラズマを誘導生成しているため、磁気飽和および鉄損を考慮しなければならず、さらに、コアの冷却も必要になり、装置の構成が複雑になるという問題がある。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成でありながら広い領域に熱プラズマを直接照射することができるプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供することを目的とする。

この発明に係るプラズマ発生装置は、真空チャンバと、中心軸の周りを囲む円環状のループ管の一部を切り欠くことにより一対の開口端が形成された形状を有すると共に一対の開口端を介して真空チャンバ内に連通するガス流通管と、ガス流通管の中間部に形成されたプラズマ発生ガス注入口と、それぞれループ管の中心軸の周りを囲むように巻回され且つガス流通管を挟み込む一対の巻き線部を有する空心コイルと、プラズマ発生ガス注入口からガス流通管内にプラズマ発生ガスを流した状態で空心コイルに高周波電力を供給して一対の巻き線部の間に電界を形成すると共にループ管の中心軸に沿った磁界を形成することでガス流通管内に誘導熱プラズマを発生させる高周波電源とを備え、誘導熱プラズマがガス流通管の一対の開口端から真空チャンバ内に射出されるものである。

ガス流通管を形成するループ管は、真円に沿った形状を有することが好ましい。
ガス流通管は、一対の開口端からそれぞれガス流通管の接線方向に射出された誘導熱プラズマが互いに交差するように、中心角が１８０度より大きい円弧形状を有することが好ましい。さらに、ガス流通管は、円弧形状の内側部の中心角が円弧形状の外側部の中心角以上となるように形成することができる。
また、好ましくは、一対の開口端からそれぞれガス流通管の接線方向に射出された誘導熱プラズマが互いに交差する位置と一対の開口端との間に基板を保持するための基板保持部をさらに備え、ガス流通管内と、一対の開口端から基板保持部に保持された基板の表面まで延びるガス流通管の接線上と、基板保持部に保持された基板の表面上を通る閉路プラズマ電流が形成される。
一対の開口端に対して基板保持部を移動させる移動機構をさらに備えることもできる。

一対の開口端から真空チャンバ内に射出された誘導熱プラズマに原料物質を導入するための少なくとも１つの原料物質導入口をさらに備えることができる。
好ましくは、空心コイルの一対の巻き線部は、ループ管の半径とほぼ同一の巻回半径を有して互いに同一方向に巻回されると共に、それぞれ、ガス流通管に近接した第１の端部とループ管の中心軸に沿ってガス流通管から離れた第２の端部を有し、一対の巻き線部の第２の端部同士が互いに短絡され、一対の巻き線部の第１の端部の間に高周波電源が接続されている。

この発明に係るプラズマ発生方法は、中心軸の周りを囲む円環状のループ管の一部を切り欠くことにより一対の開口端が形成された形状を有するガス流通管内にガス流通管の中間部からプラズマ発生ガスを注入し、それぞれループ管の中心軸の周りを囲むように巻回され且つガス流通管を挟み込む一対の巻き線部を有する空心コイルに高周波電力を供給して一対の巻き線部の間に電界を形成すると共にループ管の中心軸に沿った磁界を形成することでガス流通管内に誘導熱プラズマを発生させ、ガス流通管の一対の開口端から誘導熱プラズマを射出する方法である。

この発明によれば、円環状のループ管の一部を切り欠くことにより一対の開口端が形成された形状を有するガス流通管内にプラズマ発生ガスを注入し、ガス流通管を挟み込む一対の巻き線部を有する空心コイルに高周波電力を供給してガス流通管内に誘導熱プラズマを発生させ、ガス流通管の一対の開口端から誘導熱プラズマを射出するので、簡単な構成でありながら広い領域に熱プラズマを直接照射することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係るプラズマ発生装置の全体構成を概略的に示す図である。 実施の形態１のプラズマ発生装置に用いられたガス流通管を示す斜視図である。 実施の形態１のプラズマ発生装置に用いられたガス流通管および真空チャンバを示す断面図である。 実施の形態１のプラズマ発生装置に用いられた空心コイルを示す側面図である。 ガス流通管内に誘導熱プラズマが発生したときのガス流通管および真空チャンバを示す部分断面図である。 ガス流通管内に誘導熱プラズマを発生させ且つガス流通管の直下に基板を配置したときのガス流通管および真空チャンバを示す部分断面図である。 プラズマ発生ガスとしてアルゴンガスを、原料物質として窒素ガスを、それぞれ用いて誘導熱プラズマを発生させたときの発光強度の最大点で観測されたスペクトルを示すグラフである。 プラズマ発生ガスとしてアルゴンガスを、原料物質として窒素ガスを、それぞれ用いて誘導熱プラズマを発生させたときのガス流通管の直下領域における温度分布を示すグラフである。 実施の形態２のプラズマ発生装置に用いられたガス流通管および原料物質導入口を示す断面図である。 実施の形態２の変形例に係るプラズマ発生装置に用いられたガス流通管および原料物質導入口を示す断面図である。 実施の形態３のプラズマ発生装置に用いられたガス流通管を示す断面図である。 実施の形態３の変形例に係るプラズマ発生装置に用いられたガス流通管を示す断面図である。 実施の形態３の他の変形例に係るプラズマ発生装置に用いられたガス流通管を示す断面図である。 実施の形態４のプラズマ発生装置の全体構成を示す一部破断側面図である。

実施の形態１
以下、この発明の実施の形態１を添付図面に基づいて説明する。
図１に、実施の形態１に係るプラズマ発生装置の構成を示す。プラズマ発生装置は、真空チャンバ１を有し、真空チャンバ１にループ状のガス流通管２が連結されている。ガス流通管２は、中心軸Ｃの周りを囲み且つ中心軸Ｃ上の点を中心とする真円に沿った円環状のループ管の一部を切り欠いた形状を有しており、ガス流通管２の切り欠き部分が真空チャンバ１に連結されている。さらに、ガス流通管２の近傍に、ガス流通管２を形成するループ管と共通の中心軸Ｃを有する空心コイル３が配置されている。
また、ループ状のガス流通管２の中間部にプラズマ発生ガス注入口４が形成されると共に、真空チャンバ１に原料物質導入口５が形成されている。

空心コイル３は、それぞれ中心軸Ｃの周りを囲み且つ互いに同一方向に巻回された一対の巻き線部３１および３２を有しており、これら一対の巻き線部３１および３２がガス流通管２を挟み込むように互いに対向して配置されている。一対の巻き線部３１および３２は、ガス流通管２を形成するループ管の半径とほぼ同一の巻回半径で互いに同一方向に巻回され、それぞれ、ガス流通管２に近接した第１の端部３１ａおよび３２ａと、中心軸Ｃに沿ってガス流通管２から離れた第２の端部３１ｂおよび３２ｂを有している。そして、双方の巻き線部３１および３２の第１の端部３１ａおよび３２ａの間に高周波電源６が接続され、双方の巻き線部３１および３２の第２の端部３１ｂおよび３２ｂは短絡部３３を介して互いに短絡されている。

さらに、プラズマ発生ガス注入口４にプラズマ発生ガス供給部７が接続され、原料物質導入口５に原料物質供給部８が接続されている。
図２に示されるように、プラズマ発生ガス注入口４は、真空チャンバ１からもっとも離れたガス流通管２の中間部に配置されており、原料物質導入口５は、真空チャンバ１に連結されたガス流通管２の切り欠き部分の中央に配置されている。

図３に示されるように、ガス流通管２は、中心軸Ｃに垂直で且つ中心軸Ｃ上の点Ｃ１を中心とする真円Ｃ２に沿ったループ管Ｌの一部を切り欠いた円弧形状を有し、ループ管Ｌを切り欠くことで形成された一対の開口端２ａおよび２ｂを有している。これらの開口端２ａおよび２ｂを介してガス流通管２の内部が真空チャンバ１内に連通している。また、原料物質導入口５は、一対の開口端２ａおよび２ｂの間で真空チャンバ１内に連通している。

なお、円弧形状のガス流通管２の中心角θは、１８０度より大きい値に設定されており、このため、一対の開口端２ａおよび２ｂにおける円Ｃ２の接線Ｔ１およびＴ２が、開口端２ａおよび２ｂよりも真空チャンバ１側に位置する点Ｐで互いに交差している。すなわち、プラズマ発生ガス注入口４からガス流通管２の内部にプラズマ発生ガスを注入することにより、一対の開口端２ａおよび２ｂから円Ｃ２の接線Ｔ１およびＴ２に沿ってそれぞれプラズマ発生ガスが射出されるものとすると、これらのプラズマ発生ガスは点Ｐで交差することとなる。

さらに、真空チャンバ１内には、プラズマ処理を行う基板Ｓを保持するための基板保持部９が配置されている。基板保持部９は、基板Ｓの表面が、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂと、これらの開口端２ａおよび２ｂにおける円Ｃ２の接線Ｔ１およびＴ２が交差する点Ｐとの間に位置するように、基板Ｓを保持する。
また、真空チャンバ１には、排気口１０が形成されており、この排気口１０に真空ポンプ等からなる真空排気部１１が接続されている。

図４に示されるように、空心コイル３の一対の巻き線部３１および３２は、互いに同一方向に巻回され、中心軸Ｃ方向にガス流通管２から離れた第２の端部３１ｂおよび３２ｂが短絡部３３を介して互いに短絡されているので、ガス流通管２に近接した第１の端部３１ａおよび３２ａに高周波電源６から高周波電力を供給すると、空心コイル３の中心を貫く中心軸Ｃに沿って時間と共に大きさと方向が変化する磁界Ｂ、いわゆる交番磁界が形成される。

また、ガス流通管２に近接した第１の端部３１ａおよび３２ａに高周波電源６から高周波電力が供給されるため、互いに対向する巻き線部３１の第１の端部３１ａと巻き線部３２の第１の端部３２ａの間に時間と共に大きさと方向が変化する電界Ｅが形成される。ここで、巻き線部３１および３２は、ガス流通管２を形成するループ管と共通の中心軸Ｃを有すると共にガス流通管２を形成するループ管の半径とほぼ同一の巻回半径を有しているので、ループ形状のガス流通管２のすべての箇所に中心軸Ｃと平行な電界Ｅが形成されることとなる。

次に、この実施の形態１に係るプラズマ発生装置の動作について説明する。
まず、真空排気部１１で真空チャンバ１内を減圧し、プラズマ発生ガス供給部７からプラズマ発生ガス注入口４を介してガス流通管２内にプラズマ発生ガスを注入すると、プラズマ発生ガス注入口４がループ状のガス流通管２の中間部に配置されているため、プラズマ発生ガスは、ガス流通管２内で２方向に分岐されてそれぞれガス流通管２内を流れ、一方がガス流通管２の開口端２ａから円Ｃ２の接線Ｔ１に沿って真空チャンバ１内に射出され、他方がガス流通管２の開口端２ｂから円Ｃ２の接線Ｔ２に沿って真空チャンバ１内に射出される。

この状態で、空心コイル３の第１の端部３１ａおよび３２ａの間に高周波電源６から高周波電力を供給して中心軸Ｃに沿った交番磁界を形成しつつ、図示しない高電圧印加装置によりガス流通管２に高電圧を印加して放電を発生させることで、ガス流通管２内にプラズマが点火される。なお、このとき、高周波電源６から空心コイル３の第１の端部３１ａおよび３２ａの間に供給される高周波電力に起因して、空心コイル３の一対の巻き線部３１および３２の間に位置するガス流通管２の内部に中心軸Ｃと平行な電界Ｅが形成されているため、静電的なプラズマがつきやすくなり、容易にプラズマを点火することが可能となる。

点火されたプラズマは、高周波の電磁界の変化に追随することができず、あたかも導電性金属柱のように振る舞い、電磁誘導作用によりプラズマに渦電流が流れ、この渦電流により生ずるジュール熱に起因して誘導熱プラズマが発生する。
このようにして発生した誘導熱プラズマＺは、図５に示されるように、プラズマ発生ガスの流れに対応して、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂから円Ｃ２の接線Ｔ１およびＴ２に沿って真空チャンバ１内に射出されることとなる。

そこで、図６に示されるように、基板Ｓを基板保持部９に保持させることにより、ガス流通管２の開口端２ａおよび２ｂにおける円Ｃ２の接線Ｔ１およびＴ２が交差する点Ｐと、これらの開口端２ａおよび２ｂとの間に基板Ｓの表面を位置させると、開口端２ａおよび２ｂから円Ｃ２の接線Ｔ１およびＴ２に沿って真空チャンバ１内に射出されていた誘導熱プラズマＺが基板Ｓの表面上で互いに向き合うように延びて重なり合う。その結果、ガス流通管２の内部と、一対の開口端２ａおよび２ｂから基板Ｓの表面まで延びる接線Ｔ１およびＴ２上と、基板Ｓの表面上を通る閉路プラズマ電流が形成される。これにより、接線Ｔ１およびＴ２が基板Ｓの表面と交わる点ＡおよびＢを結ぶ直線状の領域が、均一な誘導熱プラズマＺによって直接照射され、基板Ｓの表面に対して熱処理を施すことが可能となる。

このとき、一対の開口端２ａおよび２ｂの間に配置されている原料物質導入口５は、基板Ｓの表面における点ＡおよびＢを結ぶ直線の直上に位置しているので、原料物質供給部８から原料物質導入口５を介して真空チャンバ１内に原料物質を注入すると、原料物質は基板Ｓの表面上に形成された誘導熱プラズマＺに導入されて化学反応し、基板Ｓの表面に対して原料物質に対応した処理が行われる。
原料物質供給部８から供給される原料物質としては、固体、液体、ガス、あるいはこれらの混合物質等、各種の物質を用いることができる。具体的には、チタン粉体、黒鉛粉体等の固体物質、ベンゼン、エタノール等の液体物質、窒素、酸素、水素等のガス物質が、それぞれの処理目的に応じて使用される。例えば、原料物質として窒素ガスを供給することにより、基板Ｓの表面に対して窒化処理を行うことができ、また、原料物質として酸素ガスを供給することにより、基板Ｓの表面に対して酸化処理を行うことができる。さらに、各種の原料物質を供給することで、基板Ｓの表面上に膜形成を行うこともできる。

また、高周波電源６から空心コイル３の第１の端部３１ａおよび３２ａの間に供給される高周波電流の振幅を変調することにより、誘導熱プラズマＺから処理対象物である真空チャンバ１内の基板Ｓへ向かう熱流束およびラジカル流束を制御することができる。
例えば、互いに振幅が異なる２種類の高周波電流を交互に繰り返して空心コイル３に供給することで、基板Ｓの表面温度を基板Ｓが熱的ダメージを受けない所定範囲内に維持しながら、誘導熱プラズマＺ中のラジカル量が異なる２つの処理を交互に施して、効率よく基板Ｓの表面処理を行うことも可能となる。

なお、誘導熱プラズマを発生させるためのプラズマ発生ガスとしては、アルゴンガス等の不活性ガスを用いることができる。
この実施の形態１においては、円環状のループ管Ｌの一部を切り欠いた構造のガス流通管２の内部にプラズマ発生ガスを流した状態で誘導熱プラズマを発生させ、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂから真空チャンバ１内に射出される誘導熱プラズマに原料物質を導入するように構成されているので、ガス流通管２の内部にはプラズマ発生ガスのみが存在することになり、原料物質の供給を伴っても、極めて安定した誘導熱プラズマを得ることが可能となる。

ここで、実施の形態１に係るプラズマ発生装置を実際に製作して行った誘導熱プラズマの発生の実験について説明する。
ガス流通管２を形成するループ管の半径および空心コイル３の巻回半径を共に１００ｍｍ、ガス流通管２の中心角θ＝２７０度、空心コイル３の巻き線部３１の第１の端部３１ａと巻き線部３２の第１の端部３２ａの間隔を３０ｍｍとして、実施の形態１に係るプラズマ発生装置を製作した。ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂの間隔は、約８０ｍｍである。

まず、真空排気部１１により真空チャンバ１内を減圧して圧力１５００Ｐａ（Ｎ／ｍ^２）とし、図５に示されるように、プラズマ発生ガスとして流量１０リットル／分（１．６６７×１０^−４ｍ^３／秒）のアルゴンガスをプラズマ発生ガス注入口４からガス流通管２内に供給し、電圧５２Ｖ、電流１３５Ａ、電力７ｋＷ、周波数３８０ｋＨｚの高周波電力を高周波電源６から空心コイル３に供給してプラズマを発生させたところ、アルゴンガスの発光状態から、ガス流通管２の内部と一対の開口端２ａおよび２ｂから延びる接線Ｔ１およびＴ２上に安定した誘導熱プラズマＺが形成されたことが確認された。

次に、同様にして、真空チャンバ１内の圧力を１５００Ｐａ（Ｎ／ｍ^２）とし、プラズマ発生ガスとして流量１０リットル／分（１．６６７×１０^−４ｍ^３／秒）のアルゴンガスをガス流通管２内に供給し、電圧５７Ｖ、電流１２３Ａ、電力７ｋＷ、周波数３８３ｋＨｚの高周波電力を空心コイル３に供給すると共に、原料物質として流量０．５９５リットル／分（９．９１９×１０^−６ｍ^３／秒）の窒素ガスを原料物質導入口５から真空チャンバ１内に供給してプラズマを発生させた。この場合も、ガス流通管２内と、一対の開口端２ａおよび２ｂから延びる接線Ｔ１およびＴ２上とでは発色が異なるものの、安定した発光状態が得られた。ガス流通管２内ではアルゴンガスが発光し、接線Ｔ１およびＴ２上では窒素ガスおよびアルゴンガスが発光することから、発色の相違が生じたものと考えられる。

さらに、アルゴンガスと窒素ガスの双方を用いてプラズマを発生させた上記の実験において、図５に示されるように、一対の開口端２ａおよび２ｂの中央部の直下で且つガス流通管２に沿った円Ｃ２の下端部近傍に原点を設定すると共に、一対の開口端２ａおよび２ｂを結ぶ直線と平行にＸ軸を設定し、Ｘ軸に沿った発光強度分布を観測したところ、Ｘ＝−３１ｍｍの位置に発光強度の最大点が現れた。

この発光強度の最大点において測定されたスペクトルを図７に示す。アルゴンガスに固有の波長成分と窒素ガスに固有の波長成分が観測され、アルゴンガスと窒素ガスが混合されてプラズマを形成していることが確認された。なお、発光強度が極めて高いため、スペクトルの測定は減光フィルタを介して行われ、このため、図７の縦軸は、任意単位（ａ．ｕ．）で表されている。
また、Ｘ軸上の各点における温度を測定したところ、図８に示される結果が得られた。温度１９００〜３５００Ｋに分布しており、高温の誘導熱プラズマＺが形成されたことが確認された。

さらに、基板Ｓを一対の開口端２ａおよび２ｂに接近させて配置することで、基板Ｓの表面上に８０ｍｍ×１０ｍｍ程度の直線状の領域にわたって誘導熱プラズマＺを照射することができる。ただし、上記の実験で製作されたプラズマ発生装置は、一例に過ぎず、例えば、ガス流通管２の径を２５０ｍｍとすれば、基板Ｓの表面上に２００ｍｍ×１０ｍｍ程度の領域にわたって誘導熱プラズマＺを照射することができ、ガス流通管２の径を大きくして一対の開口端２ａおよび２ｂの間隔を拡げることで、基板Ｓに対する誘導熱プラズマＺの照射領域をより長くすることが可能となる。

なお、図３に示したように、ガス流通管２を形成するループ管Ｌは、真円Ｃ２に沿った形状を有しているが、中心軸Ｃの周りを囲む円環形状を有していれば、必ずしも真円に限るものではない。ただし、ガス流通管２の内部に形成された誘導熱プラズマは、空心コイル３により形成された電磁界からローレンツ力を受けて真円になろうとするので、例えば楕円形状のループ管を用いてガス流通管２を形成した場合には、誘導熱プラズマがガス流通管２の内壁に接触して、ガス流通管２にダメージを与える、あるいは、一旦発生した誘導熱プラズマが失火するおそれを生じてしまう。このため、ループ管Ｌは、真円に沿った形状を有することが望ましい。

なお、コアを有しない空心コイル３を使用しているので、空心コイル３の一対の巻き線部３１および３２の間に原料物質導入口５を配置して、原料物質を原料物質導入口５から真空チャンバ１内に直接注入することができる。このため、ガス流通管２の中間部に位置するプラズマ発生ガス注入口４から注入したのでは、真空チャンバ１内に到達するまでに消失してしまうような寿命が短い活性種を含む原料物質であっても、確実に真空チャンバ１内で誘導熱プラズマに導入されることとなる。
また、コアを使用しないため、磁気飽和および鉄損の問題を考慮する必要がなく、さらに、コアの冷却も不要となり、簡単な構成を有するプラズマ発生装置が実現される。

なお、真空チャンバ１およびガス流通管２は、例えば、石英板および石英管等の耐熱性に優れた材料から形成されることが望ましい。
空心コイル３の外周部、特に、巻き線部３１および３２の外周部は、隣接する巻き線の間で放電が生じることを防止するために放電防止用の被膜でコーティングされていることが望ましい。
さらに、内部に冷却水を流通させて冷却することができる構造のコイルを使用することが好ましい。また、真空チャンバ１、ガス流通管２および空心コイル３を水冷タンク内で流水中に晒して冷却する構造を採用することもできる。
また、ガス流通管２の内部にも高温の誘導熱プラズマが形成されるが、プラズマ発生ガス注入口４から注入されるプラズマ発生ガスの流量を高めることにより、ガス流通管２の内壁への誘導熱プラズマの接触を防止することができる。

実施の形態２
上記の実施の形態１では、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂの間に１つの原料物質導入口５が配置されていたが、これに限るものではなく、例えば図９に示されるように、開口端２ａおよび２ｂの外側にそれぞれ原料物質導入口５１および５２を追加して配置することができる。これらの原料物質導入口５１および５２は、それぞれ、一対の開口端２ａおよび２ｂの間の直下に形成される誘導熱プラズマＺに原料物質を導入するために、開口端２ａおよび２ｂの下方に向けて傾斜した状態で真空チャンバ１に形成されている。

このような複数の原料物質導入口５、５１および５２を備えることにより、互いに異なる複数の原料物質を使用する際に、それぞれの原料物質を対応した原料物質導入口から真空チャンバ１内に注入することができる。また、１種類の原料物質しか使用しない場合であっても、複数の原料物質導入口５、５１および５２から分配して原料物質を注入することで、プラズマ発生ガスと原料物質をより迅速に且つ均一に混合することができ、さらに安定した誘導熱プラズマＺの形成が可能となる。

図１０に示されるように、一対の開口端２ａおよび２ｂの間に原料物質導入口５３および５４をさらに追加して配置してもよい。
また、真空チャンバ１の壁部に多数の貫通孔を形成することにより、例えば一対の開口端２ａおよび２ｂの間に、いわゆるシャワーヘッド構造の原料物質導入口を配置し、この原料物質導入口を介して原料物質を真空チャンバ１内に注入すれば、さらにプラズマ発生ガスと原料物質の混合を均一化することができる。

実施の形態３
図１１に、実施の形態３に係るプラズマ発生装置に用いられたガス流通管１２を示す。このガス流通管１２は、一方の開口端２ａから他方の開口端２ｂに至る円弧形状の内側部の中心角θ１が円弧形状の外側部の中心角θ２よりも大きくなるように設定されたものである。
このようなガス流通管１２を用いても、プラズマ発生ガス注入口４からガス流通管１２内に注入されたプラズマ発生ガスの流れに対応して、一対の開口端２ａおよび２ｂから円Ｃ２の接線方向に誘導熱プラズマＺを射出させることができる。
また、図１２に示されるガス流通管１３のように、円弧形状の内側部の中心角θ１と外側部の中心角θ２が互いに等しくなるように設定しても、同様にして、一対の開口端２ａおよび２ｂから円Ｃ２の接線方向に誘導熱プラズマＺを射出させることができる。
さらに、図１３に示されるガス流通管１４のように、内側部が円を描いて３６０度の中心角を有し、円弧形状の外側部が３６０度よりも小さな中心角θ２を有していてもよい。この場合、ガス流通管１４の内側部の一部が真空チャンバ１内に露出することとなるが、この内側部の露出部分に原料物質導入口５を形成することができる。

実施の形態４
図１４に、実施の形態４に係るプラズマ発生装置の構成を示す。このプラズマ発生装置は、図１に示した実施の形態１のプラズマ発生装置において、真空チャンバ１の代わりに真空チャンバ２１を用い、真空チャンバ２１内で、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂに対し、基板保持部９を基板Ｓと共に移動し得るように構成したものである。真空チャンバ２１以外の部材は、実施の形態１のプラズマ発生装置で用いられた部材と同一である。

すなわち、ガス流通管２が真空チャンバ２１に連結されると共にガス流通管２を挟み込むようにガス流通管２と共通の中心軸Ｃを有する空心コイル３が配置されており、ガス流通管２のプラズマ発生ガス注入口４および原料物質導入口５にプラズマ発生ガス供給部７および原料物質供給部８がそれぞれ接続され、空心コイル３に高周波電源６が接続されている。さらに、真空チャンバ２１に形成された排気口２２に真空排気部１１が接続されている。

真空チャンバ２１は、ガス流通管２および空心コイル３の中心軸Ｃの方向に長く延びた形状を有し、真空チャンバ２１内に、中心軸Ｃと平行に延びるスライドシャフト２３が架けられている。真空チャンバ２１内には、スライドシャフト２３に案内されてスライド可能に移動体２４が配置されており、この移動体２４に、回転シャフト２５を介して基板保持部９が支持されている。移動体２４には、スライドシャフト２３に沿って走行するための走行モータＭ１と、回転シャフト２５に連結された回転モータＭ２が内蔵されており、基板保持部９は、走行モータＭ１の駆動により中心軸Ｃの方向にスライドすると共に、回転モータＭ２の駆動により回転シャフト２５の周りに回転するように構成されている。

なお、基板保持部９は、ガス流通管２の直下に位置したときに、図３に示した実施の形態１と同様に、基板Ｓの表面が、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂと、これらの開口端２ａおよび２ｂにおける円Ｃ２の接線Ｔ１およびＴ２が交差する点Ｐとの間に位置するように、基板Ｓを保持するものとする。
スライドシャフト２３、移動体２４、回転シャフト２５、走行モータＭ１および回転モータＭ２により、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂに対して基板保持部９を移動させる移動機構が構成されている。

動作時には、まず、基板保持部９に基板Ｓを保持させ、真空排気部１１により真空チャンバ２１内を減圧した後、プラズマ発生ガス供給部７からプラズマ発生ガス注入口４を介してガス流通管２内にプラズマ発生ガスを供給すると共に高周波電源６から空心コイル３に高周波電力を供給してプラズマを発生させ、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂから真空チャンバ２１内に誘導熱プラズマを射出させる。

この状態で、走行モータＭ１を駆動して移動体２４をスライドシャフト２３に沿って走行させることにより、基板保持部９に保持された基板Ｓをガス流通管２の直下に位置させる。これにより、ガス流通管２の内部と、一対の開口端２ａおよび２ｂからそれぞれ基板Ｓの表面まで延びる接線上と、基板Ｓの表面上を通る閉路プラズマ電流が形成され、基板Ｓの表面における直線状の領域が均一な誘導熱プラズマにより直接照射される。

ここで、回転モータＭ２を駆動することにより、基板保持部９を基板Ｓと共に回転シャフト２５の周りに１８０度以上回転させると、上記の直線状の領域を直径とする円形の領域のすべてに対して均一な誘導熱プラズマが徐々に照射されることとなり、基板Ｓのこの円形の領域に熱処理を施すことが可能となる。
さらに、原料物質供給部８から原料物質導入口５を介して真空チャンバ１内に原料物質を注入することにより、基板Ｓの円形の領域に対して、窒化処理、酸化処理、製膜処理等、原料物質に対応した処理を行うことができる。

このように、基板保持部９に保持された基板Ｓを回転シャフト２５の周りに回転させることで、広範な領域に熱プラズマを直接照射することが可能となる。
実施の形態１に記載したように、例えば、ガス流通管２の径を２５０ｍｍとして、基板Ｓの表面の２００ｍｍ×１０ｍｍ程度の領域に誘導熱プラズマを照射させつつ、この実施の形態２により、基板Ｓを回転シャフト２５の周りに回転させれば、径２００ｍｍの半導体ウエハの全面上に誘導熱プラズマを直接照射させて各種の処理を行うことが可能となる。

また、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂから真空チャンバ２１内に誘導熱プラズマを射出させた状態で、回転モータＭ２を駆動せずに、走行モータＭ１のみを駆動して、基板保持部９に保持された基板Ｓを中心軸Ｃと平行に直線運動させ、開口端２ａおよび２ｂの直下を通過させることもできる。このようにすれば、停止状態の基板Ｓに対して誘導熱プラズマが照射される直線状の領域の長さを幅とする帯状の領域に誘導熱プラズマを直接照射することができる。帯状に細長い領域に各種の処理を施す際に特に有効となる。

１，２１ 真空チャンバ、２，１２，１３，１４ ガス流通管、２ａ，２ｂ 開口端、３ 空心コイル、４ プラズマ発生ガス注入口、５、５１，５２，５３，５４ 原料物質導入口、６ 高周波電源、７ プラズマ発生ガス供給部、８ 原料物質供給部、９ 基板保持部、１０，２２ 排気口、１１ 真空排気部、２３ スライドシャフト、２４ 移動体、２５ 回転シャフト、３１，３２ 巻き線部、３１ａ，３２ａ 第１の端部、３１ｂ，３２ｂ 第２の端部、３３ 短絡部、Ｃ 中心軸、Ｌ ループ管、Ｃ１ 中心軸上の点、Ｃ２ 円、θ ガス流通管の中心角、θ１ ガス流通管の内側部の中心角、θ２ ガス流通管の外側部の中心角、Ｔ１，Ｔ２ 接線、Ｐ 接線が交差する点、Ｓ 基板、Ｂ 磁界、Ｅ 電界、Ｚ 誘導熱プラズマ、Ａ，Ｂ 接線が基板表面と交わる点、Ｍ１ 走行モータ、Ｍ２ 回転モータ。

Claims (9)

1. 真空チャンバと、
   中心軸の周りを囲む円環状のループ管の一部を切り欠くことにより一対の開口端が形成された形状を有すると共に前記一対の開口端を介して前記真空チャンバ内に連通するガス流通管と、
   前記ガス流通管の中間部に形成されたプラズマ発生ガス注入口と、
   それぞれ前記ループ管の前記中心軸の周りを囲むように巻回され且つ前記ガス流通管を挟み込む一対の巻き線部を有する空心コイルと、
   前記プラズマ発生ガス注入口から前記ガス流通管内にプラズマ発生ガスを流した状態で前記空心コイルに高周波電力を供給して前記一対の巻き線部の間に電界を形成すると共に前記ループ管の前記中心軸に沿った磁界を形成することで前記ガス流通管内に誘導熱プラズマを発生させる高周波電源と
   を備え、前記誘導熱プラズマが前記ガス流通管の前記一対の開口端から前記真空チャンバ内に射出されることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記ガス流通管を形成する前記ループ管は、真円に沿った形状を有する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記ガス流通管は、前記一対の開口端からそれぞれ前記ガス流通管の接線方向に射出された誘導熱プラズマが互いに交差するように、中心角が１８０度より大きい円弧形状を有する請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記ガス流通管は、円弧形状の内側部の中心角が円弧形状の外側部の中心角以上となるように形成されている請求項３に記載のプラズマ発生装置。
5. 前記一対の開口端からそれぞれ前記ガス流通管の接線方向に射出された誘導熱プラズマが互いに交差する位置と前記一対の開口端との間に基板を保持するための基板保持部をさらに備え、
   前記ガス流通管内と、前記一対の開口端から前記基板保持部に保持された前記基板の表面まで延びる前記ガス流通管の接線上と、前記基板保持部に保持された前記基板の表面上を通る閉路プラズマ電流が形成される請求項３または４に記載のプラズマ発生装置。
6. 前記一対の開口端に対して前記基板保持部を移動させる移動機構をさらに備えた請求項５に記載のプラズマ発生装置。
7. 前記一対の開口端から前記真空チャンバ内に射出された誘導熱プラズマに原料物質を導入するための少なくとも１つの原料物質導入口をさらに備えた請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。
8. 前記空心コイルの前記一対の巻き線部は、前記ループ管の半径とほぼ同一の巻回半径を有して互いに同一方向に巻回されると共に。それぞれ、前記ガス流通管に近接した第１の端部と前記ループ管の前記中心軸に沿って前記ガス流通管から離れた第２の端部を有し、前記一対の巻き線部の前記第２の端部同士が互いに短絡され、前記一対の巻き線部の前記第１の端部の間に前記高周波電源が接続されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。
9. 中心軸の周りを囲む円環状のループ管の一部を切り欠くことにより一対の開口端が形成された形状を有するガス流通管内にガス流通管の中間部からプラズマ発生ガスを注入し、
   それぞれ前記ループ管の前記中心軸の周りを囲むように巻回され且つ前記ガス流通管を挟み込む一対の巻き線部を有する空心コイルに高周波電力を供給して前記一対の巻き線部の間に電界を形成すると共に前記ループ管の前記中心軸に沿った磁界を形成することで前記ガス流通管内に誘導熱プラズマを発生させ、
   前記ガス流通管の前記一対の開口端から誘導熱プラズマを射出する
   ことを特徴とするプラズマ発生方法。

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