JP2017182966A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法、電子デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間の加熱や高速な処理が可能で、かつ、プラズマを安定的に利用することができるプラズマ処理装置及び方法、電子デバイスの製造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３ａ及び３ｂ、第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５が配置され、チャンバ７は環状である。プラズマＰは、チャンバ７における開口部８において基材２に照射される。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２とを相対的に移動させる。開口部８が、基材載置台１に向かって末広がりとなる形状となっているため、プラズマＰの揺動が防止され、また、第二ガス供給穴１４から下方に向けてガスを噴出することでプラズマＰを基材２に押し付ける構成となっているため、より短時間・高速なプラズマ処理が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置及び方法、電子デバイスの製造方法に関する。

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、このレーザーアニール技術には、被加熱物の光吸収の大小によって到達温度がばらついたり、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、基材の近傍に線状の熱プラズマを発生させ、一方向にのみ走査することで、被加熱物の光吸収に依存しない加熱が可能で、また、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に記載の線状の熱プラズマを発生させる技術では、以下の問題点が生じる。

１）プラズマの照射強度を上げるために高周波電力を増大しすぎると、プラズマ源が熱により損傷してしまうので、高周波電力を抑制せざるを得ず、結果として処理時間を十分に短くできないという問題点。

２）処理速度（単位時間当たりに処理できる基板数）が小さくなる問題点。

３）基材に照射される線状のプラズマが、線の方向に垂直な向きに揺動することがあり、処理が不安定化する問題点。

本発明は上記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、短時間の加熱や高速な処理が可能で、かつ、プラズマを安定的に利用することができるプラズマ処理装置及び方法、電子デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本願の第１発明のプラズマ処理装置は、線状の開口部を備え、前記開口部以外が誘電体部材に囲まれた前記開口部に連通する環状のチャンバと、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、誘導結合型プラズマトーチを利用するプラズマ処理装置であって、前記開口部の前記基材載置台に対向する面の少なくとも一部が、前記基材載置台がなす面に対して傾斜していること、を特徴とする。

このような構成により、プラズマの揺動が抑制され、安定なプラズマ処理装置を実現できる。

本願の第１発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記開口部を前記開口部がなす線に垂直な面で切った断面において、前記開口部が、前記基材載置台に向かって末広がりとなる形状をもつこと、が望ましい。

このような構成により、より安定なプラズマ処理装置を実現できる。

また、好適には、前記開口部近傍において、前記プラズマトーチから前記基材載置台に向けてガスを噴出させるガス噴出口を供えたこと、が望ましい。

このような構成により、高パワーでも誘電体部材が損傷しにくいため、高速な処理が可能なプラズマ処理装置を実現できる。
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線状の開口部から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、誘導結合型プラズマトーチを利用するプラズマ処理方法であって、前記開口部の前記基材に対向する面の少なくとも一部が、前記基材がなす面に対して傾斜していること、を特徴とする。

このような構成により、プラズマの揺動が抑制され、安定なプラズマ処理を実現できる。

本願の第３発明の電子デバイスの製造方法は、本願の第２発明のプラズマ処理方法を用いることを特徴とする。

このような構成により、プラズマの揺動が抑制され、安定な電子デバイスの製造を実現できる。

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、短時間の加熱や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１における開口部付近の拡大断面図 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平面図 本発明の実施の形態２におけるプラズマ発生領域を示す斜視図 本発明の実施の形態２におけるコイルの構成を示す斜視図 本発明の実施の形態２における開口部付近の拡大断面図 本発明の実施の形態２における開口部付近の拡大断面図 本発明の実施の形態３における開口部付近の拡大断面図 本発明の実施の形態４における開口部付近の拡大断面図

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〜図３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Ｔを、開口部８がなす線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Ｔを、開口部８がなす線方向に平行で、かつ、基材に垂直な面で切った断面図である。

詳細には、図１（ａ）は図１（ｂ）の破線で切った断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の破線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Ｔ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。また、図３は、図１における開口部８付近の拡大断面図である。

図１及び図２において、基材載置台としての基材ステージ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３ａ及び３ｂが、誘電体製の第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５の近傍に配置される。コイル３は、断面が円形の銅管である。第一セラミックスブロック４、第二セラミックスブロック５及び基材２の表面によって囲まれた空間により、誘電体製のチャンバ７が画定される。

チャンバ７は、基材ステージ１がなす面に垂直な面に沿って設けられている。また、コイル３ａ及び３ｂの中心軸は、基材ステージ１に平行で、かつ、チャンバ７を含む平面に垂直な向きになるよう構成される。すなわち、コイル３ａ及び３ｂの一巻きが構成する面は基材ステージ１がなす面に垂直な面に沿って、かつ、チャンバ７を含む平面に沿って設けられている。

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、第一セラミックスブロック４の一つの平面と、第二セラミックスブロック５に設けた溝に囲まれている。また、これらの誘電体部材としての２つの誘電体ブロックは貼り合わされている。つまり、チャンバ７は、開口部８以外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、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、長方形（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における長尺で線状の開口部８において、基材２の表面に接触する。また、チャンバ７の長手方向と開口部８の長手方向とは平行に配置されている。

第二セラミックスブロック５の内部に第一ガスマニホールド９が設けられている。第一ガス供給配管１０より第一ガスマニホールド９に供給されたガスは、第二セラミックスブロック５に設けられたガス導入部としての第一ガス供給穴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。第一ガス供給配管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。

第二セラミックスブロック５の内部に第二ガスマニホールド１２が設けられている。第二ガス供給配管１３より第二ガスマニホールド１２に供給されたガスは、第二セラミックスブロック５に設けられたガス導入部としての第二ガス供給穴１４（貫通穴）を介して、開口部８の近傍に導入される。つまり、第二ガス供給穴１４の最下部が、誘導結合型プラズマトーチユニットＴから基材ステージ１に向けてガスを噴出させるガス噴出口となっている。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。第二ガス供給配管１３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。

第一ガス供給穴１１及び第二ガス供給穴１４は、ともに長尺のスリットであるが、丸い穴状のものを長手方向に複数設けたものであってもよい。また、第一ガスマニホールド９及び第二ガスマニホールド１２の内部に多孔質セラミックスなどを配置して、第一ガスマニホールド９及び第二ガスマニホールド１２内での放電を防止することができる。

コイル３ａ及び３ｂの内部は冷媒流路となっている。また、コイル３ａ及び３ｂは、セラミックスカバー１５に設けた溝と、第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５とによって囲まれた冷媒流路としての水路６内に配置される。水路６に水などの冷媒を流すことで、コイル３ａ及び３ｂ、第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５の冷却が可能である。

また、コイル３ａ及び３ｂは、第一セラミックスブロック４の外側、第二セラミックスブロック５の外側に各一つずつ配置され、かつ、チャンバ７から離れた位置で並列に接続され、高周波電力を印加した際に、チャンバ７に発生させる高周波電磁界の向きが互いに等しくなるようになっている。コイル３ａ及び３ｂは、これら二つのうちのどちらか一方だけでも機能しうるが、本実施の形態のように、チャンバ７を挟んで二つを設けた方が、チャンバ７内に発生する電磁界の強度を強めることができるという利点がある。

長方形の線状の開口部８が設けられ、基材２は、開口部８と対向して配置されている。事前にチャンバ７内にガスを供給しつつ、開口部８から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３ａ及び３ｂに例えば１３．５６ＭＨｚの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を発生させておき、その後、基材２を誘導結合型プラズマトーチユニットＴの近傍に移動させ、開口部８付近のプラズマを基材２の表面に曝露することにより、基材２をプラズマ処理することができる。

開口部８がなす線の方向に対して垂直な向きに、チャンバ７と基材ステージ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または基材ステージ１を動かす。

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）。Ｈ_２ガスを僅かに加えることで、より高温のプラズマを得ることができる。

プラズマ発生の条件としては、走査速度＝５０〜３０００ｍｍ／ｓ、ガス総流量＝１〜１００ＳＬＭ、Ａｒ＋Ｈ_２ガス中のＨ_２濃度＝０〜１０％、高周波電力＝０．５〜５０ｋＷ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。

図３に示すように、第一セラミックスブロック４における、開口部８の基材ステージ１に対向する面１７と、第二セラミックスブロック５の基材ステージ１に対向する面１８が、基材ステージ１がなす面に対して傾斜しており、開口部８が、基材ステージ１に向かって末広がりとなる形状をもつように構成されている。このような構成では、開口部８の左右方向の中央部にプラズマＰがとどまりやすくなる。何故なら、プラズマＰが接触する壁としての開口部８の基材ステージ１に対向する面と、基材２との距離が、開口部８の中央部で最も広くなり、少しでも左右にプラズマが動くとエネルギー状態が上がってしまうため、もとの中央部に戻ろうとする力が働くためである。すなわち、このような構成により、プラズマの揺動が抑制され、安定なプラズマ処理を実現できる。

さらに、開口部８近傍において、第二ガス供給穴１４から図の矢印方向（下方）にガスを噴出させることで、プラズマＰを基材２の方へ押し付けることができる。このことは、開口部８の基材ステージ１に対向する面からプラズマＰが遠ざかることを意味するので、高パワーを供給した場合においても誘電体部材が損傷しにくいため、高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。また、同時に、第二ガス供給穴１４から下方にガスを噴出させない場合に比べて、プラズマＰが基材２に近づくことを意味するので、同一パワーで運転した場合にも、基材２の表面をより高温に処理することが可能となり、高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。
（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９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を、開口部８がなす線方向に垂直で、かつ、図４（ｂ）〜（ｅ）及び図５の点線Ａ−Ａ‘を通る面で切った断面図である。図４（ｂ）〜（ｅ）は、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを、開口部８がなす線方向に平行で、かつ、図４（ａ）の点線を通る面で切った断面図である。図４（ｂ）は図４（ａ）の点線Ｂ−Ｂ’で切った断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）の点線Ｃ−Ｃ’で切った断面図、図４（ｄ）は図４（ａ）の点線Ｄ−Ｄ’で切った断面図、図４（ｅ）は図４（ａ）の点線Ｅ−Ｅ’で切った断面図である。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Ｔを図４の下方から上方を見た平面図である。図６は、プラズマの発生領域を示す斜視図であり、図４（ａ）の右手前から斜め下方向を見た図である。図７は、コイルの構成を示す斜視図であり、図６と同様、図４（ａ）の右手前から斜め下方向を見た図である。また、図８は、図４における開口部８付近の拡大断面図である。図９は、比較例における開口部８付近の拡大断面図である。

図４において、基材載置台としての基材ステージ１上に基材２が配置されている。誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、導体製のコイル３ｃ及び３ｄが、第一セラミックスブロック４、第二セラミックスブロック５及び基材２によって囲まれた空間により画定される長尺で環状のチャンバ７の近傍に配置される。より具体的には、コイル３（３ｃ及び３ｄ）はともに線状であり、基材ステージ１から遠い側のコイル３ｃは、第二セラミックスブロック５に設けられた溝内に配置され、基材ステージ１に近い側のコイル３ｄは、セラミックス管３１の内部に配置される。基材ステージ１がなす面に概ね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。

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、第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５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ている。本実施の形態において、チャンバ７は、第一セラミックスブロック４に設けた長辺をなす直線部、第一セラミックスブロック４に設けた、前記直線部の両端に配された２つの短辺をなす直線部、及び第二セラミックスブロック５の最下部に設けた長辺をなす直線部が連結されてなる、一続きの閉じたヒモ状の形状である。言い換えると、チャンバ７は、線状の開口部８に隣接した線状の領域（第二セラミックスブロック５の最下部に設けた長辺をなす直線部）と、これと平行に配置された線状の領域とからなる２つの線状の領域（第一セラミックスブロック４に設けた長辺をなす直線部）を含んでいる。また、開口部８を構成する環状のチャンバ７の内壁面は、セラミックス管１３が開口部８の方向に露出している部分であり、線状をなしている。従って、基材２にプラズマが照射される領域（開口部８付近）においては、基材ステージ１または基材２とチャンバ７の内壁面との距離が一定であるので、均一な処理を行うことができる。また、チャンバ７は扁平であり、開口部８は、チャンバ７を囲う誘電体の一部を直線状に切除する（云い換えると、平面で分割する）ことによって開口されている。

また、コイル３は、２つの線状の領域のみに沿って配置された２本の線状の導体からなる。つまり、コイル３は、２つの短辺をなす直線部に沿っては設けられていない。旧来の誘導結合型プラズマトーチにおいては、円筒形のチャンバを取り巻くように螺旋状のコイルが設けられるのが通常であった。つまり、チャンバの全体に沿ってコイルが配置される。また、非特許文献１に開示されている新しい細長いタイプ（ライン状のプラズマ処理を実現するもの）の誘導結合型プラズマトーチにおいても、コイルはチャンバの全体に沿って配置されていた。

本実施の形態のような、２つの長辺と２つの短辺からなるチャンバにおいては、より長い領域となる長辺に沿ってのみコイルを配置するだけで、所望のプラズマを得ることができる。従来のような螺旋形やスパイラル形のコイルでは、円筒内にコイルを配置できなかったが、本実施の形態で説明するように、コイルが線状なので、これを回転する円筒内に配置できるという大きな利点がある。

なお、図７に示すように、コイル３ｃと３ｄには、開口部８の長手方向に沿って逆向き（逆位相）の高周波電力を印加する。ここでは、１つの高周波電源を分岐する場合を例示したが、２台の高周波電源を、フェーズシフターなどを適宜用いて同期運転させてもよい。コイル３ｃ及び３ｄが並列回路を構成しているため、合成インダクタンスが小さくなり、駆動電圧が小さくて済むという利点もある。コイル３ｃの両端には、コイル３ｃとは垂直方向に連続した接続部としての銅棒２４が設けられ、後で詳しく述べる冷媒流路１６と第二セラミックスブロック５を貫通して外部との電気的接続がなされる。一方、コイル３ｄはセラミックス管３１を貫通して、ロータリージョイントなどで構成された回転機構を貫通して外部との電気的接続がなされる。

チャンバ７に発生したプラズマＰは、チャンバ７の最下部をなすプラズマ噴出口（第二セラミックスブロック５の最下部に設けた長辺をなす直線状の開口部８）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。

第一セラミックスブロック４に設けた長方形の溝は第一ガスマニホールド９である。第一ガス供給配管１０より第一ガスマニホールド９に供給されたガスは、第一セラミックスブロック４に設けられた溝と第二セラミックスブロック５の平面部との間に位置するガス導入部としての第一ガス供給穴１１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。第一ガス供給配管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。

第二セラミックスブロック５の内部に第二ガスマニホールド１２が設けられている。第二ガス供給配管１３より第二ガスマニホールド１２に供給されたガスは、第二セラミックスブロック５に設けられたガス導入部としての第二ガス供給穴１４（貫通穴）を介して、開口部８の近傍に導入される。つまり、第二ガス供給穴１４の最下部が、誘導結合型プラズマトーチユニットＴから基材ステージ１に向けてガスを噴出させるガス噴出口となっている。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。第二ガス供給配管１３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。

第一ガス供給穴１１及び第二ガス供給穴１４は、ともに長尺のスリットであるが、丸い穴状のものを長手方向に複数設けたものであってもよい。また、第一ガスマニホールド９及び第二ガスマニホールド１２の内部に多孔質セラミックスなどを配置して、第一ガスマニホールド９及び第二ガスマニホールド１２内での放電を防止することができる。

第一セラミックスブロック４と第二セラミックスブロック５の間に、円筒状のセラミックス管３１が設けられ、チャンバ７の最下部の上面がセラミックス管３１により構成される配置となっている。つまり、チャンバ７を囲む誘電体部材のうち、基材ステージ１に相対する面を構成する部位が、開口部８の線方向と平行に配置された円筒からなっている。また、セラミックス管３１を、その軸を中心に回転させる回転機構が備えられている。さらに、セラミックス管３１は、内部に空洞をもつ管であり、その内部の空洞に冷媒を流す機構が備えられている。

また、図１（ｅ）に示すように、セラミックス管３１は開口部８の線方向の長さよりも長く、チャンバ７から十分離れた位置に回転機構（図示しない）を配置している。回転機構としては、セラミックス管３１の回転によってチャンバ７の形状が変化しないよう、高精度の回転ガイドを設けることが望ましく、ベルトドライブやギアなどの機構によってモータなどの回転動力が伝達される。また、内部に冷媒を流しつつ回転できるよう、回転継手（ロータリージョイント）を用いることができる。

回転する円筒状のセラミックス管３１の内部に、円筒の軸に沿って線状のコイル３ｄが設けられている。このような配置は、コイル３ｄと、開口部８と連通しこれに隣接するチャンバ７の直線部との距離を小さくできる。つまり、コイル３とチャンバ７の距離を近づけた配置が可能となる。このことは、プラズマ生成効率の向上に大きく寄与する。つまり、高速で効率的なプラズマ処理が実現できる。

第一セラミックスブロック４と第三セラミックスブロック２１に囲まれた冷媒流路１６が設けられ、第一セラミックスブロック４の冷却がなされる。また、コイル３ｃは、断面が円形の銅棒を、第二セラミックスブロック５と第四セラミックスブロック２２に囲まれた冷媒流路１６の内部に配置したものである。コイル３を中空の管とし、冷媒流路１６とは別系統で冷媒を給排してもよい。このように、冷媒流路１６に水などの冷媒を流すことで、コイル３及び各セラミックス部品の冷却が可能である。第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５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が適している。

第三セラミックスブロック２１及び第四セラミックスブロック２２にはさほどの耐熱性は必要ないので、酸化アルミニウム（アルミナ）などの比較的安価なセラミックスを用いることができる。銅棒２４は、図示しない継ぎ手によって第四セラミックスブロック１５に固定され、冷媒が漏れないように構成することが可能である。第一セラミックスブロック４と第三セラミックスブロック２１、及び、第二セラミックスブロック５と第四セラミックスブロック２２の間には、外部オーリング１９及び内部オーリング２０が配置され、冷媒が漏れないように構成されている。

冷媒流路１６は、図４（ｂ）に示すように、仕切り２３により内部で仕切られており、一続きの流路をなす。コイル３に流れる高周波電流の向きと冷媒流路１６に流れる冷媒の流れの向きが平行している構成である。また、図５及び図６からわかるように、発生するプラズマＰは開口部８の線方向の長さが等しい２つの長方形がＬ字状に接合された立体の外縁と同じような形状となる。このように、従来例と比べてプラズマＰが若干いびつな形状となっているのは、チャンバ７をセラミックス管３１と干渉しないように配置する必要があるためである。

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、高周波電源３０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Ｐを基材２に照射することにより、基材２をプラズマ処理することができる。開口部８の線方向（長手方向）に対して垂直な向きに、チャンバ７と基材ステージ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４の左右方向へ誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたは基材ステージ１を動かす。

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と基材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、基材ステージ１近傍のチャンバ７の、基材ステージ１とは反対側の部分（基材ステージ１に相対する部分）の内壁面である。従って、損傷を抑制するためには、この部分をより効果的に冷却する必要がある。そこで、本実施の形態においては、冷媒流路１６を内部に備えたセラミックス管３１を用いる構成とした。セラミックス管３１を円筒状とすることで高い強度が確保でき、内部の水圧を高められるので、より多くの冷却水を流すことが可能となる。

また、セラミックス管３１を回転させることで、プラズマＰから熱を受ける面が常に入れ替わる構成としている。つまり、プラズマＰから熱を受けて高温になった部分は、回転によって速やかにプラズマＰから熱を受けない位置に移動し、急速に冷却される。従って、従来例と比べて飛躍的に高い高周波電力を印加できるようになり、高速のプラズマ処理が可能となる。

このように、本実施の形態によれば、高い高周波電力を投入することができる。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、高速な処理が可能で、かつ、プラズマを安定的に利用することができる。つまり、大きな電力で運転できるため、プラズマの照射強度が上げられ、結果として処理速度（単位時間当たりに処理できる基板数）が大きくなる。

図８に示すように、第一セラミックスブロック４における、開口部８の基材ステージ１に対向する面２５と、第二セラミックスブロック５の基材ステージ１に対向する面２６が、基材ステージ１がなす面に対して傾斜しており、開口部８が、基材ステージ１に向かって末広がりとなる形状をもつように構成されている。このような構成では、開口部８の左右方向の中央部にプラズマＰがとどまりやすくなる。

何故なら、プラズマＰが接触する壁としての開口部８の基材ステージ１に対向する面と、基材２との距離が、開口部８の中央部近傍で最も広くなり、左右にプラズマが動くとエネルギー状態が上がってしまうため、もとの中央部に戻ろうとする力が働くためである。すなわち、このような構成により、プラズマの揺動が抑制され、安定なプラズマ処理を実現できる。

さらに、開口部８近傍において、第二ガス供給穴１４を介して、セラミックス筒３１と第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５との隙間から、図の矢印方向（斜め下方）にガスを噴出させることで、プラズマＰを基材２の方へ押し付けることができる。このことは、開口部８の基材ステージ１に対向する面からプラズマＰが遠ざかることを意味するので、高パワーを供給した場合においても誘電体部材が損傷しにくいため、高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。

また、同時に、セラミックス筒３１と第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５との隙間から下方にガスを噴出させない場合に比べて、プラズマＰが基材２に近づくことを意味するので、同一パワーで運転した場合にも、基材２の表面をより高温に処理することが可能となり、高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。

なお、比較例として、図９に示すように、開口部８が、基材ステージ１に向かって末広がりとなる形状でない場合について説明する。開口部８の中央部における、プラズマＰが接触する壁としての開口部８の基材ステージ１に対向する面と、基材２との距離２５よりも、開口部８の中央部より左または右の位置における、プラズマＰが接触する壁としての開口部８の基材ステージ１に対向する面と、基材２との距離２６の方が広くなっている。

従って、開口部８の左右方向の中央部に一旦、プラズマＰが生成されても、プラズマＰが接触する壁としての開口部８の基材ステージ１に対向する面と、基材２との距離が広い方にプラズマが移動しやすく（その方がエネルギー状態が低い）、もとの中央部に戻ろうとする力が働かない。すなわち、このような構成では、基材に照射される線状のプラズマが、線の方向に垂直な向きに揺動しやすくなり、処理が不安定化する。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３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を、開口部８がなす線方向に垂直な面で切った断面図における、開口部８付近の拡大断面図であり、実施の形態２の図８に相当する。

図８においては、セラミックス管３１の最下部が開口部８に露出していたため、厳密には開口部８の中央部よりも少し左右に寄った位置において、プラズマＰが接触する壁としての開口部８の基材ステージ１に対向する面と、基材２との距離が広くなっている構成であった。

図１０においては、セラミックス管３１を開口部８に露出させない構成とし、セラミックス管３１の最下部と開口部８を繋ぐスリット状のガス噴出部２９を設けている。そして、第一セラミックスブロック４における、開口部８の基材ステージ１に対向する面２７と、第二セラミックスブロック５の基材ステージ１に対向する面２８が、基材ステージ１がなす面に対して傾斜しており、開口部８が、基材ステージ１に向かって末広がりとなる形状をもつように構成されている。

このような構成にすることで、プラズマＰが接触する壁としての開口部８の基材ステージ１に対向する面と、基材２との距離が、開口部８の中央部で最も広くなり、少しでも左右にプラズマが動くとエネルギー状態が上がってしまうため、もとの中央部に戻ろうとする力が働く。よって、開口部８の左右方向の中央部にプラズマＰがとどまりやすくなる。すなわち、このような構成により、プラズマの揺動が抑制され、安定なプラズマ処理を実現できる。

さらに、開口部８近傍において、ガス噴出部２９から図の矢印方向（下方）にガスを噴出させることで、プラズマＰを基材２の方へ押し付けることができる。このことは、開口部８の基材ステージ１に対向する面からプラズマＰが遠ざかることを意味するので、高パワーを供給した場合においても誘電体部材が損傷しにくいため、高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。また、同時に、ガス噴出部２９から下方にガスを噴出させない場合に比べて、プラズマＰが基材２に近づくことを意味するので、同一パワーで運転した場合にも、基材２の表面をより高温に処理することが可能となり、高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。

この構成では、セラミックス管３１が第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５で構成された円筒状の空間内に収納されているので、セラミックス管３１を回転させる効果は得られないが、ガス噴出によってプラズマを基材２の方へ押し付ける効果は、ガスを斜め下方に噴出する実施の形態２よりも高いので、条件によっては、より高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４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Ｔを、開口部８がなす線方向に垂直な面で切った断面図における、開口部８付近の拡大断面図であり、実施の形態１の図３に相当する。

図１１に示すように、第一セラミックスブロック４における、開口部８の基材ステージ１に対向する面１７と、第二セラミックスブロック５の基材ステージ１に対向する面１８が、基材ステージ１がなす面に対して傾斜しているが、これらは全体として蒲鉾状となっている。なお、第一セラミックスブロック４における、開口部８の基材ステージ１に対向する面１７と、第二セラミックスブロック５の基材ステージ１に対向する面１８は、ともに楕円弧である。このような形状の場合も、開口部８が、基材ステージ１に向かって末広がりとなる形状をもつように構成されているといえる。

このような構成によっても、開口部８の左右方向の中央部にプラズマＰがとどまりやすくなり、プラズマの揺動が抑制され、安定なプラズマ処理を実現できる。さらに、開口部８近傍において、第二ガス供給穴１４から図の矢印方向（下方）にガスを噴出させることで、プラズマＰを基材２の方へ押し付けることができる。

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、固定された基材ステージ１に対して走査してもよいし、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、基材ステージ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。勿論、シリコン半導体集積回路の酸化、活性化、シリサイド形成などのアニール、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、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。前述のとおり、誘導結合型プラズマトーチにおいては、弱い放電と強い放電の２つのモードが存在しうるが、本発明は強い放電を効果的に利用するためのものであるということもできる。

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Ｈ_２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）、ＳＦ_６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Ｏ_２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Ｏ_２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、さまざまな電子デバイスの製造に利用可能で、例えば、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、半導体の活性化アニール、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、高速な処理が可能で、かつ、プラズマを安定的に利用することができ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。

Ｔ 誘導結合型プラズマトーチユニット
１ 基材ステージ
２ 基材
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ コイル
４ 第一セラミックスブロック
５ 第二セラミックスブロック
６ 水路
７ チャンバ
８ 開口部
９ 第一ガスマニホールド
１０ 第一ガス供給配管
１１ 第一ガス供給穴
１２ 第二ガスマニホールド
１３ 第二ガス供給配管
１４ 第二ガス供給穴
１５ セラミックスカバー
Ｐ プラズマ

Claims (5)

1. 線状の開口部を備え、前記開口部以外が誘電体部材に囲まれた前記開口部に連通する環状のチャンバと、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、誘導結合型プラズマトーチを利用するプラズマ処理装置であって、
   前記開口部の前記基材載置台に対向する面の少なくとも一部が、前記基材載置台がなす面に対して傾斜していること、
   を特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記開口部を前記開口部がなす線に垂直な面で切った断面において、前記開口部が、前記基材載置台に向かって末広がりとなる形状をもつこと、
   を特徴とする、請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記開口部近傍において、前記プラズマトーチから前記基材載置台に向けてガスを噴出させるガス噴出口を供えたこと、
   を特徴とする、請求項１記載のプラズマ処理装置。
4. 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線状の開口部から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、誘導結合型プラズマトーチを利用するプラズマ処理方法であって、
   前記開口部の前記基材に対向する面の少なくとも一部が、前記基材がなす面に対して傾斜していること、
   を特徴とするプラズマ処理方法。
5. 請求項４のプラズマ処理方法を用いることを特徴とする、
   電子デバイスの製造方法。

Images