JP2016001611A - プラズマ処理装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマを安定的かつ効率的に発生させ、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できる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、ソレノイドコイル３が第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５の近傍に配置され、長尺チャンバ内部の空間は環状である。長尺チャンバ内部の空間に発生したプラズマＰ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（開口部８）より基材２に向けて噴出する。プラズマ噴出口（開口部８）の長手方向に対して垂直な向きに、長尺チャンバと環状の長尺チャンバの内側に基材を保持する基材保持機構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。とりわけ、ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴは、キャリア移動度が高いうえ、ガラス基板のような透明の絶縁基板上に作製できるという特徴を活かして、例えば、液晶表示装置、液晶プロジェクタや有機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として、或いは液晶駆動用ドライバの回路素子として広く用いられている。

ガラス基板上に高性能なＴＦＴを作製する方法としては、一般に「高温プロセス」と呼ばれる製造方法がある。ＴＦＴの製造プロセスの中でも、工程中の最高温度が１０００℃程度の高温を用いるプロセスを一般的に「高温プロセス」と呼んでいる。高温プロセスの特徴は、シリコンの固相成長により比較的良質の多結晶シリコンを成膜することができる点、シリコンの熱酸化により良質のゲート絶縁層を得ることができる点、及び清浄な多結晶シリコンとゲート絶縁層との界面を形成できる点である。高温プロセスではこれらの特徴により、高移動度でしかも信頼性の高い高性能ＴＦＴを安定的に製造することができる。

他方、高温プロセスは固相成長によりシリコン膜の結晶化を行うプロセスであるために、６００℃程度の温度で４８時間程度の長時間の熱処理を必要とする。これは大変長時間の工程であり、工程のスループットを高めるためには必然的に熱処理炉を多数必要とし、低コスト化が難しいという点が課題である。加えて、耐熱性の高い絶縁性基板として石英ガラスを使わざるを得ないため基板のコストが高く、大面積化には向かないとされている。

一方、工程中の最高温度を下げ、安価な大面積のガラス基板上にｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを作製するための技術が「低温プロセス」と呼ばれる技術である。ＴＦＴの製造プロセスの中でも、最高温度が概ね６００℃以下の温度環境下において比較的安価な耐熱性のガラス基板上にｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを製造するプロセスは、一般に「低温プロセス」と呼ばれている。低温プロセスでは、発振時間が極短時間のパルスレーザーを用いてシリコン膜の結晶化を行うレーザー結晶化技術が広く使われている。レーザー結晶化とは、基板上のシリコン薄膜に高出力のパルスレーザー光を照射することによって瞬時に溶融させ、これが凝固する過程で結晶化する性質を利用する技術である。

しかしながら、このレーザー結晶化技術には幾つかの大きな課題がある。一つは、レーザー結晶化技術によって形成したポリシリコン膜の内部に局在する多量の捕獲準位である。この捕獲準位の存在により、電圧の印加によって本来能動層を移動するはずのキャリアが捕獲され、電気伝導に寄与できず、ＴＦＴの移動度の低下、閾値電圧の増大といった悪影響を及ぼす。更に、レーザー出力の制限によって、ガラス基板のサイズが制限されるといった課題もある。レーザー結晶化工程のスループットを向上させるためには、一回で結晶化できる面積を増やす必要がある。しかしながら、現状のレーザー出力には制限があるため、第７世代（１８００ｍｍ×２１００ｍｍ）といった大型基板にこの結晶化技術を採用する場合には、基板一枚を結晶化するために長時間を要する。

また、レーザー結晶化技術は一般的にライン状に成形されたレーザーが用いられ、これを走査させることによって結晶化を行なう。このラインビームは、レーザー出力に制限があるため基板の幅よりも短く、基板全面を結晶化するためには、レーザーを数回に分けて走査する必要がある。これによって基板内にはラインビームの継ぎ目の領域が発生し、二回走査されてしまう領域ができる。この領域は一回の走査で結晶化した領域とは結晶性が大きく異なる。そのため両者の素子特性は大きく異なり、デバイスのバラツキの大きな要因となる。最後に、レーザー結晶化装置は装置構成が複雑であり且つ、消耗部品のコストが高いため、装置コストおよびランニングコストが高いという課題がある。これによって、レーザー結晶化装置によって結晶化したポリシリコン膜を使用したＴＦＴは製造コストが高い素子になってしまう。

このような基板サイズの制限、装置コストが高いといった課題を克服するため、「熱プラズマジェット結晶化法」と呼ばれる結晶化技術が研究されている（例えば、非特許文献１を参照）。本技術を以下に簡単に説明する。タングステン（Ｗ）陰極と水冷した銅（Ｃｕ）陽極を対向させ、ＤＣ電圧を印加すると両極間にアーク放電が発生する。この電極間に大気圧下でアルゴンガスを流すことによって、銅陽極に空いた噴出孔から熱プラズマが噴出する。熱プラズマとは、熱平衡プラズマであり、イオン、電子、中性原子などの温度がほぼ等しく、それらの温度が１００００Ｋ程度を有する超高温の熱源である。このことから、熱プラズマは被熱物体を容易に高温に加熱することが可能であり、ａ−Ｓｉ膜を堆積した基板が超高温の熱プラズマ前面を高速走査することによってａ−Ｓｉ膜を結晶化することができる。

このように装置構成が極めて単純であり、且つ大気圧下での結晶化プロセスであるため、装置を密閉チャンバ等の高価な部材で覆う必要が無く、装置コストが極めて安くなることが期待できる。また結晶化に必要なユーティリティは、アルゴンガスと電力と冷却水であるため、ランニングコストも安い結晶化技術である。

図９は、この熱プラズマを用いた半導体膜の結晶化方法を説明するための模式図である。

同図において、熱プラズマ発生装置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とを備え構成される。陰極３２は、例えばタングステン等の導電体からなる。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。この状態において、陰極３２と陽極３３の間に大気圧下でアルゴンガス等のガスを流すことによって、上記の噴出孔３４から熱プラズマ３５を噴出させることができる。ここで「熱プラズマ」とは、熱平衡プラズマであり、イオン、電子、中性原子などの温度がほぼ等しく、それらの温度が１００００Ｋ程度を有する超高温の熱源である。

このような熱プラズマを半導体膜の結晶化のための熱処理に利用することができる。具体的には、基板３６上に半導体膜３７（例えば、アモルファスシリコン膜）を形成しておき、当該半導体膜３７に熱プラズマ（熱プラズマジェット）３５を当てる。このとき、熱プラズマ３５は、半導体膜３７の表面と平行な第１軸（図示の例では左右方向）に沿って相対的に移動させながら半導体膜３７に当てられる。すなわち、熱プラズマ３５は第１軸方向に走査しながら半導体膜３７に当てられる。ここで「相対的に移動させる」とは、半導体膜３７（及びこれを支持する基板３６）と熱プラズマ３５とを相対的に移動させることを言い、一方のみを移動させる場合と両者をともに移動させる場合のいずれも含まれる。このような熱プラズマ３５の走査により、半導体膜３７が熱プラズマ３５の有する高温によって加熱され、結晶化された半導体膜３８（本例ではポリシリコン膜）が得られる（例えば、特許文献１を参照）。

図１０は、最表面からの深さと温度の関係を示す概念図である。同図に示すように、熱プラズマ３５を高速で移動させることにより、表面近傍のみを高温で処理することができる。熱プラズマ３５が通り過ぎた後、加熱された領域は速やかに冷却されるので、表面近傍はごく短時間だけ高温になる。

このような熱プラズマは、点状領域に発生させるのが一般的である。熱プラズマは、陰極３２からの熱電子放出によって維持されており、プラズマ密度の高い位置では熱電子放出がより盛んになるため、正のフィードバックがかかり、ますますプラズマ密度が高くなる。つまり、アーク放電は陰極の１点に集中して生じることとなり、熱プラズマは点状領域に発生する。

半導体膜の結晶化など、平板状の基材を一様に処理したい場合には、点状の熱プラズマを基材全体に渡って走査する必要があるが、走査回数を減らしてより短時間で処理できるプロセスを構築するには、熱プラズマの照射領域を広くすることが有効である。このため、長尺の熱プラズマを発生させ、一方向にのみ走査する技術が検討されている（例えば、特許文献２〜９を参照）。

また、点状の熱プラズマの間に絶縁体材料を挿入してチャンバを環状とすることで熱プラズマが環状となり、絶縁体材料を用いて環状のチャンバを狭いヒモ状に形成し一部を開口することで、長尺の熱プラズマを基材に曝すことが可能となることが報告されている。（例えば、非特許文献２を参照）この構造では、基材が環状チャンバの外周に配置される。

特開２００８−５３６３４号公報 国際公開第２０１１／１４２１２５号 特開２０１２−３８８３９号公報 特開２０１２−５４１２９号公報 特開２０１２−５４１３０号公報 特開２０１２−５４１３１号公報 特開２０１２−５４１３２号公報 特開２０１２−１７４４９９号公報 特開２０１２−１７４５００号公報

Ｓ．Ｈｉｇａｓｈｉ， Ｈ．Ｋａｋｕ，Ｔ．Ｏｋａｄａ，Ｈ．Ｍｕｒａｋａｍｉ ａｎｄ Ｓ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４５，５Ｂ（２００６）ｐｐ．４３１３−４３２０ Ｔ． Ｏｋｕｍｕｒａ ａｎｄ Ｈ． Ｋａｗａｕｒａ，"Ｅｌｏｎｇａｔｅｄ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｌａｓｍａ Ｔｏｒｃｈ Ｏｐｅｒａｂｌｅ ｉｎ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ"，Ｐｒｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｄｒｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ （２０１２） ｐ．２１

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２〜９に記載の熱プラズマを長尺状に発生させる技術では、プラズマが最も高温になる部分が基板から遠いため、基板の温度を十分に高めることが困難であるという問題点があった。また、従来例に示した非特許文献２に記載の技術においては、基材が環状チャンバの外周に位置しており、環状のプラズマは環状の中心に集中しようとするため、チャンバと基材との距離を離した場合にはプラズマが基材から離れ十分な熱効率を得ることができない場合があると考えられる。

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、プラズマを安定的かつ効率的に発生させることができ、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できる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、誘電体部材に囲まれた環状チャンバと、前記環状チャンバに連通する開口部と、前記環状チャンバの内部にガスを導入するガス供給配管と、前記環状チャンバの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を備え、前記環状チャンバの外側に複数の基材を保持する基材保持機構を更に有すること、を特徴とする。

このような構成により、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、プラズマを安定的かつ効率的に発生させることができる。

本願の第１のプラズマ処理装置において、好適には、前記コイルは、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保持機構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、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、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できる。

また、この場合、好適には、前記開口部には、前記基材保持機構と反対方向に凹む形状であり、前記環状チャンバの一部である段差が形成されていてもよい。また、前記誘電体部材の内部に、前記開口部の長手方向に対して平行に冷媒流路が設けられていることが望ましい。或いは、前記開口部の長手方向に対して平行で、内部が冷媒流路となっている誘電体管が、前記誘電体部材に接合されていてもよい。

このような構成により、簡単な構成で冷却性に優れたプラズマ処理装置を実現できる。

また、好適には、前記環状チャンバの太さが、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。

このような構成により、より安定なプラズマ発生が可能となる。

また、好適には、前記環状チャンバの外径が、１０ｍｍ以上であることが望ましい。

このような構成により、より安定なプラズマ発生が可能となる。

本願の第２発明のプラズマ処理方法は、誘電体部材で囲まれた環状チャンバ内にガスを供給しつつ、前記環状チャンバに連通する開口部から環状チャンバの外側に保持された複数の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、前記環状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こと、を特徴とする。

このような構成により、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、プラズマを安定的かつ効率的に発生させることができ、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できる。

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、プラズマを安定的かつ効率的に発生させることができ、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できる。

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１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４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７におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 従来例におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 従来例における最表面からの深さと温度の関係を示す概念図

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及び図２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、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’で切った断面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）の破線Ｂ−Ｂ’で切った断面図、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（一部）の斜視図を並べたものである。

図１及び図２において、基材保持機構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は、基材保持機構１の外周を囲うように配置されている。誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、導体製のソレノイドコイル３が第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５の近傍に配置される。誘電体製の長尺チャンバ７は、第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５によって囲まれた空間（長尺チャンバ７の内部空間）により画定される。

長尺チャンバ７のソレノイドコイル３に近い側の内壁面は、ソレノイドコイル３と平行な曲面である。このような構成では、ソレノイドコイル３の任意の部位において、ソレノイドコイル３から長尺チャンバ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。

長尺チャンバ７の内部空間は、第二石英ブロック５に設けた環状の溝と、第一石英ブロック４に囲まれている。つまり、長尺チャンバ７全体が誘電体で囲まれている構成である。また、長尺チャンバ７の内部の空間は環状である。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、円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）の長尺チャンバ７を例示している。長尺チャンバ７内部の空間に発生したプラズマＰは、長尺チャンバ７におけるスリット状の開口部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、長尺チャンバ７の長手方向とプラズマ噴出口（開口部８）の長手方向とは平行に配置されている。

第二石英ブロック５にプラズマガスマニホールド９が設けられている。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、第二石英ブロック５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、長尺チャンバ７内部の空間に導入される。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。

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

なお、図示しないが基材保持機構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、プラズマ噴出口（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、プラズマ噴出口（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。

ソレノイドコイル３は中空の銅管からなり、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、第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５には、プラズマ噴出口（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、第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５とソレノイドコイル３とを接着剤６によって接合することで、接着剤６を介して第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５の冷却が可能である。

長方形のスリット状のプラズマ噴出口（開口部８）が設けられ、基材保持機構１（或いは、基材保持機構１上の基材２）は、プラズマ噴出口（開口部８）と対向して配置されている。この状態で、長尺チャンバ７内にガスを供給しつつ、プラズマ噴出口（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ソレノイドコイル３に高周波電力を供給することにより、長尺チャンバ７内部の空間にプラズマＰを発生させ、プラズマ噴出口（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。プラズマ噴出口（開口部８）の長手方向に対して垂直な向きに、長尺チャンバ７と基材保持機構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または基材保持機構１を動かす。

長尺チャンバ７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る（１０，０００Ｋ以上）。

なお、本構成においては、プラズマ噴射口（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と基材保持機構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、長尺チャンバ７内にガス噴出口（開口部８）よりＡｒまたはＡｒ＋Ｈ₂ガスを供給しつつ、プラズマ噴出口（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、ソレノイドコイル３に供給することにより、長尺チャンバ７内部の空間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、プラズマ噴出口（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、プラズマ噴出口（開口部８）と基材２間の距離＝０．１〜５ｍｍ、走査速度＝５０〜３０００ｍｍ／ｓ、プラズマガス総流量＝１〜１００ＳＬＭ、Ａｒ＋Ｈ₂ガス中のＨ₂濃度＝０〜１０％、シールドガス（Ｎ₂）流量＝１〜１００ＳＬＭ、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、プラズマ噴出口（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、プラズマ噴出口（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、プラズマ噴出口（開口部８）の長手方向と、基材保持機構１とが平行に配置されたまま、プラズマ噴出口（開口部８）の長手方向とは垂直な向きに、長尺チャンバ７と基材保持機構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。

従来例に示した特許文献６には、プラズマトーチ内部の構造は詳細に開示されていないが、一般的な円筒型の誘導結合型プラズマトーチと同様、一塊の直方体形状の空間であるものと推察される。このような空間に大気圧誘導結合型プラズマを発生させると、円環状の（ドーナツ形状の）プラズマがチャンバ内に発生しやすい。すなわち、直方体形状のチャンバ内に円環状のプラズマが発生するので、チャンバ内はその一部のみが非常に高密度のプラズマとなり、長尺方向に均一な処理を行うことが困難である。

また、従来例に示した非特許文献２には、高温プラズマをレーストラック形の長尺チャンバに閉じ込めることで、高温プラズマが安定的に維持できることが報告されている。この構造による長尺プラズマトーチでは、レーストラックを含むプラズマトーチユニットが基材及び基材保持機構の外周に位置する。

同例でも議論されているが、環状プラズマの性質上、ドーナツ形状は小さくなろうとするため、高温プラズマがチャンバ内で基材から離れる方向に寄せられる。このことから、十分な熱効率を得ることが出来ない。一方、本実施の形態においては、長尺の環状チャンバを構成しているため、その形状に沿ってレーストラック形の細長い長尺のプラズマＰが発生する。また基材の外周に環状チャンバを配置していることから、高温プラズマは基材に近付く方向に引寄せられる。したがって、従来例に比べて、格段に長尺方向に均一で熱効率のよい処理を行うことができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図３及び図４を参照して説明する。

図３（ａ）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。図３（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３（ａ）は図３（ｂ）の破線Ａ−Ａ’で切った断面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）の破線Ｂ−Ｂ’で切った断面図、また、図４は、図３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及び以下の実施の形態において、実施の形態１と同様な構成要素のものは同じ符号を用い、説明は省略する。

実施の形態１との違いは、プラズマガス供給配管１０を第一石英ブロック４又は第二石英ブロック５における基材に対して平行な方向となる側面に接続せず、長尺チャンバ７の長手方向に対して垂直な方向の側面に接続し、プラズマガス供給配管１０から長尺チャンバ７へガスを導入するプラズマガス供給穴１１を設ける点である。このことで、第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５における基材の移動方向に垂直な面に凸部が無い構造とすることができる。

このような構成では、ソレノイドコイル３を第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５の外周に任意に配置することができ、とくにソレノイドコイル３を基材保持機構と垂直であって長尺チャンバ７と同一平面上に配置することができる。したがって、ソレノイドコイル３から長尺チャンバ７までの距離が等しく且つ最も近く配置できるので、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。

また、前述した基材の移動方向に垂直な面における長尺チャンバ７に最も近い領域に凹部を配置しても良い。長尺チャンバ７のより近傍にソレノイドコイル３を配置でき、さらに効率の良いプラズマ生成をすることが可能となる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３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Ｔ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１及び実施の形態２との違いは、長尺チャンバ７を石英ブロックに空間を設けて成すものでなく、中空の第一石英チューブ１２を環状に繋ぐことによって環状の長尺チャンバ７を成している。

このような中空の石英チューブの一部の基材に対面する領域に開口部をプラズマ噴出口（開口部８）として設ける。また、プラズマガス供給配管１０を長尺チャンバ７に接続することで石英チューブにガスを供給することができる。

このような構成では、ソレノイドコイル３の任意の部位において、ソレノイドコイル３から長尺チャンバまでの距離が等しく且つ最も近く配置できるので、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。また、石英チューブの接続で構成出来ることから、長尺チャンバ７の作成が容易となることや、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを簡素に構成できるという利点がある。

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

図６（ａ）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、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６（ｂ）は、誘導結合型プラズマトーチユニットＴ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６（ａ）は図６（ｂ）の破線Ａ−Ａ’で切った断面図である。

実施の形態１、２、３においては、基材保持機構１の上面側のみに基材２ａを載置してプラズマ処理を行う片面処理の構成であったが、実施の形態４においては基材保持機構１の下面側にも基材２ｂを真空吸着や静電吸着またはクランプで固定するなど公知の保持方法によって基材を固定することで、一巡の工程で基材保持機構の表側の基材と裏側の基材を同時にプラズマ処理することができる。

このような構成により、基材を２倍のスループットが得られ、より工程コストを安価に出来る利点がある。また、基材保持機構を工夫することで、例えば基材保持機構を誘導結合型プラズマトーチユニットＴの移動方向の前後、言い換えれば図６（ａ）紙面の左右方向、または／および誘導結合型プラズマトーチユニットＴの移動方向の左右、言い換えれば図６（ａ）紙面の手前奥方向、に設けて基材を保持することで、基材の表面と裏面を同時にプラズマ処理することが可能となる。このような構成により、表裏で対照的な温度プロファイルを得るプラズマ処理を実施することが可能となる。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５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５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５においては、第二石英チューブ１３を第一石英チューブ１２の環状を成す面と平行に配置した構成となっている。

このような構成では、２つのガス供給系に別種のガスを任意に制御できる。このような構成により、エッチングガス、ドーピングガス、デポジションガスなど種々のガスを追加ガスとして供給することで、基材表面において種々の反応を起こすことができる。

例えば、シリコン窒化膜のパターニングに用いる場合、半導体膜上に窒化膜をＣＶＤ法で５０ｎｍ成膜し、レジストを印刷法等でパターニングする。第一石英チューブ１２にＡｒを１０ＳＬＭとＣＦ４を０．１ＳＬＭとＯ２を０．０５ＳＬＭ導入し高周波電力を１０Ｋｗ印加しプラズマを生成する。また第二石英チューブ１３にはＡｒ１０ＳＬＭと気化させたＨ２Ｏを０．１ＳＬＭ導入し高周波電力を１０Ｋｗ印加しプラズマを生成する。前述したレジストパターニングした窒化膜付き基板をプラズマ処理することで、第一石英チューブ１２で生成したプラズマでは窒化膜をエッチングし、第二石英チューブ１３で生成したプラズマではレジストをアッシングすることでシリコン上に窒化膜をパターニングすることができる。

また、例えばシリコン基板にボロンをドーピングする場合には、第一石英チューブ１２にＡｒを１０ＳＬＭとＢＦ３を０．１ＳＬＭを導入し高周波電力を１０Ｋｗ印加しプラズマを生成する。また第二石英チューブ１３にはＡｒを１０ＳＬＭ導入し高周波電力を１０Ｋｗ印加し高温の熱プラズマを生成し、シリコン基板をプラズマ処理することで、第一石英チューブ１２で生成したプラズマではボロンをドーピングし、第二石英チューブ１３では熱処理を行うことで前記ドーピングしたボロンを活性化及び拡散させることができる。また、例えば第一石英チューブ１２にＡｒを１０ＳＬＭと気化させたＴＥＯＳを０．１ＳＬＭとＯ２を０．０５ＳＬＭ導入し高周波電力を１Ｋｗ印加しプラズマを生成する。

また第二石英チューブ１３にはＡｒを１０ＳＬＭ導入し高周波電力を８Ｋｗ印加し高温の熱プラズマを生成し、シリコン基板をプラズマ処理することで、シリコン基板表面に酸化膜を形成できる。また、第一石英チューブ１２にはＴＥＯＳの他にもシラン系のガスと酸素を同時に導入しても同様の効果が得られるし、同時にＢ２Ｈ６を導入した場合にはＢＳＧになり、ＰＨ３を導入した場合にはＰＳＧとすることも可能である。

また第一石英チューブ１２及び又は第二石英チューブ１３を任意の位置に配置することで、熱プロファイルを任意に設定できる利点がある。例えば、第一石英チューブ１２と基材のギャップを０．２ｍｍとし、第二石英チューブ１３と基材とのギャップを２ｍｍとし且つ長尺のスリットを基材の進行方向に向けておく。第一石英チューブ１２及び第二石英チューブ１３との距離を１０ｍｍとし、トーチユニットの移動速度を１００ｃｍ／秒とする。このような構成にすると、第一石英チューブ１２によって基材が急激に加熱され第二石英チューブ１３によって緩やかに冷却することが可能となる。

他にも、第一石英チューブ１２と基材のギャップを２ｍｍとし且つ長尺のスリットを基材の進行方向と反対に向けておく。第二石英チューブ１３と基材とのギャップを０．２ｍｍとする。第一石英チューブ１２及び第二石英チューブ１３との距離を１ｍｍとし、トーチユニットの移動速度を１００ｃｍ／秒とする。このような構成にすると、第一石英チューブ１２によって基材が緩やかに過熱され第二石英チューブ１３によって急激に加熱され急冷される熱プロファイルが得られる。

なお、実施の形態５では、第一の石英チューブと第二の石英チューブを配置した構成を図示したが、環状チャンバをさらに増やすことで多段のプラズマ処理を行うことも可能であるし、種々のプラズマガスを用いることで多種の反応性プラズマを得ることができ、これらの処理を組合せる事で多様なプラズマ処理が実現可能であることは言うまでもない。

（実施の形態６）
以下、本発明の実施の形態６について、図９及び図１０を参照して説明する。

図９（ａ）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、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９（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な面で切った断面図であり、図１（ｂ）に相当する。

実施の形態６においては、ソレノイドコイル３の外側にソレノイドコイル３を取り囲むように長尺チャンバ７が設けられ、長尺チャンバ７の外側に上下二つの基材２を配置した構成となっている。ソレノイドコイル３の上側と下側との間での異常放電を防止するため、絶縁板１４がソレノイドコイル３の内部に挿入されている。

このような構成によれば、複数の基材２を同時に処理することができる。

実施の形態６では、長尺チャンバ７及びソレノイドコイル３の形状を長尺状に構成し、２つの基材２を同時に処理できるよう構成したが、任意の多角形状（ｎ角形）に構成し、ｎ個の基材２を同時に処理できるよう構成してもよい。

また、第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５を、２つの基材２のそれぞれに対向する２つの誘電体ブロックで構成したが、図１０に示すように、基材２が開口部８の長手方向に対して垂直な向きに長尺チャンバ７に対して相対的に移動する方向に分けられた２つの誘電体ブロックで構成してもよい。

（実施の形態７）
以下、本発明の実施の形態７について、図１１を参照して説明する。

図１１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、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７においては、ソレノイドコイル３と平行して長尺チャンバ７が設けられ、長尺チャンバ７の外側に上下二つの基材２を配置した構成となっている。また、第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５を、基材２が開口部８の長手方向に対して垂直な向きに長尺チャンバ７に対して相対的に移動する方向に分けられた２つの誘電体ブロックで構成している。

このような構成によっても、複数の基材２を同時に処理することができる。
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、固定された基材保持機構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、基材保持機構１を走査してもよい。また、環状チャンバを構成する材料を石英にしてもよいし、窒化ケイ素や酸化アルミなどの種々の誘電体を用いてもよい。また、環状チャンバの構成は、溝を設けたブロックを張り合わせたものや種々の形状のチューブを用いても良いし、その他の方法を用いてもよい。

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、従来例で詳しく述べた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。従来技術（例えば、特許文献７に記載のもの）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いため、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、プラズマを安定的かつ効率的に発生させ、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。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 基材保持機構
２，２ａ，２ｂ 基材
Ｔ 誘導結合型プラズマトーチユニット
３ ソレノイドコイル
４ 第一石英ブロック
５ 第二石英ブロック
６ 接着剤
７ 長尺チャンバ
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
１２ 第一石英チューブ
１３ 第二石英チューブ
Ｐ プラズマ
２２ 薄膜

Claims (9)

1. 誘電体部材に囲まれた環状チャンバと、
   前記環状チャンバに連通する開口部と、
   前記環状チャンバの内部にガスを導入するガス供給配管と、
   前記環状チャンバの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、を備え、
   前記環状チャンバの外側に複数の基材を保持する基材保持機構を更に有すること、
   を特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記コイルは、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保持機構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記載のプラズマ処理装置。
3. 前記開口部には、前記基材保持機構と反対方向に凹む形状であり、前記環状チャンバの一部である段差が形成されている、請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記誘電体部材の内部に、前記開口部の長手方向に対して平行に冷媒流路が設けられている、請求項１〜３の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記開口部の長手方向に対して平行で、内部が冷媒流路となっている誘電体管が、前記誘電体部材に接合されている、請求項２記載のプラズマ処理装置。
6. 前記環状チャンバと前記開口部とを連通させる通路が、１ｍｍ以下の隙間から成る、請求項１記載のプラズマ処理装置。
7. 前記環状チャンバの太さが、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１記載のプラズマ処理装置。
8. 前記環状チャンバの外径が、１０ｍｍ以上である、請求項１記載のプラズマ処理装置。
9. 誘電体部材で囲まれた環状チャンバ内にガスを供給しつつ、前記環状チャンバに連通する開口部から環状チャンバの外側に保持された複数の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、前記環状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こと、
   を特徴とするプラズマ処理方法。

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