JP5263266B2 - プラズマドーピング方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、不純物導入層、接合、その他の被処理物に関し、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に電子素子を形成するための接合の形成方法、液晶パネルや太陽電池などに用いられる基板表面に半導体薄膜を形成した基板に電子素子を形成するための接合形成方法における不純物導入を行うためのプラズマドーピング方法及び装置に関する。
例えば、半導体基板に、素子領域を形成するに際しては多数のｐｎ接合が用いられる。また、基板表面に絶縁膜を介してシリコン薄膜を形成したＳＯＩ（ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板はＤＲＡＭなど種々の半導体装置に広く用いられている。また、基板表面に半導体薄膜を形成したガラス基板は、この半導体薄膜中に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含む液晶の駆動回路を集積化することにより液晶パネルの小型化、高速化を企図して注目されている。また、半導体基板または基板表面に半導体薄膜を形成した基板にｐｎ接合を形成したものは、太陽電池として広く用いられている。
このように種々の半導体デバイスを形成するに際し、ｐｎ接合が用いられる。このようなｐｎ接合の形成方法としては、従来、ｎ型シリコン基板またはｎ型シリコン薄膜にイオン注入でボロンなどのｐ型不純物を導入、あるいは、ｐ型シリコン基板またはｐ型シリコン薄膜にイオン注入でリンなどのｎ型不純物を導入した後、ハロゲンランプで電気的に活性化する方法が用いられている。
不純物を固体試料の表面に導入する技術としては、イオン注入法の他に、不純物をイオン化して低エネルギーで固体中に導入するプラズマドーピング法が知られている（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不純物導入方法としてのプラズマドーピング法に用いられるプラズマドーピング装置の概略構成を示している。図２２において、真空容器５１内に、基材としてのシリコン基板２を載置するための基材載置台としての基板電極１が設けられている。真空容器５１の内側に、石英チャンバ５２が設けられている。真空容器５１内に所望の元素を含むドーピング原料ガス、例えばＢ2Ｈ6を、ガス供給管５３から供給しつつ、真空容器５１内の内部を排気ポート５４より排気することにより、真空容器５１内を所定の圧力に保つことができる。マイクロ波導波管５５より、石英チャンバ５２の上部を介して、真空容器５１内にマイクロ波が放射される。
このマイクロ波と、電磁石５６から形成される直流磁場の相互作用により、真空容器５１内に有磁場マイクロ波プラズマ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ）５７が形成される。基板電極１には、コンデンサ２５を介して高周波電源５８が接続され、基板電極１の電位が制御できるようになっている。基板電極１は、冷却水入口５９から導入され、冷却水出口６０から排出される冷却水により、水冷される。また、基板電極１の直流電位は、電圧計６１によりモニタリングされる。
このような構成のプラズマドーピング装置において、真空容器５１内に導入されたドーピング原料ガス、例えばＢ2Ｈ6は、マイクロ波導波管５５及び電磁石５６から成るプラズマ発生手段によってプラズマ化され、プラズマ５７中のボロンイオンが高周波電源５８によって基板２の表面に導入される。
他に、プラズマドーピング方法としては、ドーピング原料ガスを用いず固体の不純物源を物理的にスパッタリングすることによってドーピング原料を得るもの（例えば、特許文献２、３参照）や、大気圧プラズマを用いるもの（例えば、特許文献４参照）が提案されている。
導入されたボロンイオンなどのイオンを電気的に活性化させる方法としては、ハロゲンランプ光の他、キセノンフラッシュランプ光、全固体レーザー光、エキシマレーザー光を照射する方法などがよく知られており、また、ＤＣプラズマジェットを用いる方法も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。ＤＣプラズマジェットは、シリコン薄膜の結晶化にも利用可能であるものとして提案されている（例えば、特許文献５参照）。
Ｋ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．，"Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂ ａｎｄ Ａｓ ｉｎ Ｕｌｔｒａｓｈａｌｌｏｗ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｕｒｉｎｇ Ｍｉｌｌｉｓｅｃｏｎｄ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ Ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｌａｓｍａ Ｊｅｔ Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ"，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ４９（２０１０）０４ＤＡ０２
しかしながら、従来のプラズマドーピング方法は、構成が複雑であるという問題があった。
従来例に示した特許文献１に記載のプラズマドーピング方法においては、特殊高圧ガスである危険なドーピング原料ガス、例えばＢ2Ｈ6を用いる必要があり、ガス漏れ防止・検知などの付帯設備が必要である。また、ドーピング工程において真空設備を用いる必要があり、ドーピング工程とは別に活性化工程（別の設備を用いる）が必要であった。
また、従来例に示した特許文献２及び３に記載のプラズマドーピング方法においては、特殊高圧ガスの使用を回避できるものの、ドーピング工程において真空設備を用いる必要があり、ドーピング工程とは別に活性化工程（別の設備を用いる）が必要であった。
また、従来例に示した特許文献４に記載のプラズマドーピング方法においては、特殊高圧ガスの使用が必要である。また、ドーピング工程において真空設備を用いる必要がないものの、ドーピング工程とは別に活性化工程（別の設備を用いる）が必要であった。
なお、非特許文献１及び特許文献５に記載のＤＣプラズマジェットは、活性化・結晶化に関するものであり、本件発明とは目的が異なる。
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ドーピング方法及び装置、より具体的には、危険なドーピング原料ガスを用いる必要がなく、ドーピング工程において真空設備を用いる必要がなく、さらに、ドーピング工程とは別に活性化工程を設ける必要がない、プラズマドーピング方法及び装置を提供することを目的としている。
本願の第１発明のプラズマドーピング方法は、原子または分子を、水素を含むガスを電離させることによって得られるプラズマの熱による昇華、または、水素を含むガスを電離させることによって得られる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、表面が半導体である基材に照射することにより、前記原子または分子を前記半導体にドーピングす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ドーピング方法が実現できる。
本願の第１発明のプラズマドーピング方法において、好適には、ドーピングするのと同時に、前記半導体を活性化することが望ましい。このような構成により、ドーピング工程とは別に活性化工程を設ける必要がない、プラズマドーピング方法を実現できる。
また、好適には、前記原子または分子が、ボロン、アルミニウム、リン、砒素のいずれか１つを含有するものであり、前記半導体が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、ｐｎ接合を簡単な構成で実現できる。
また、前記プラズマが発生する空間に、前記原子または分子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ドーピング方法であって、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。このような構成により、ドーピング処理の品質向上や高速化を図ることができる。
また、原子または分子を、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、表面が半導体である基材に照射することにより、前記原子または分子を前記半導体にドーピングするプラズマドーピング方法において、前記プラズマが発生する空間を画定する部材の一部が前記原子または分子を含有する材料で構成され、前記部材の一部とは別の一部が前記原子または分子とは別の原子または分子を含有する材料で構成され、前記原子または分子を、前記半導体に対して部分的にドーピングするとともに、前記原子または分子とは別の原子または分子を、前記半導体に対して、前記の部分とは別の部分にドーピングする構成としてもよい。このような構成により、複数の部分に対して、それぞれ異なる物質をドーピングすることができる。
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、前記原子または分子を含有する材料で構成されていることが望ましい。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。
本願の第２発明のプラズマドーピング装置は、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、原子または分子を、前記基材の表面をなす半導体にドーピングするプラズマドーピング装置であって、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、または、前記筒状チャンバと前記基材載置台との間に設けられ、前記筒状チャンバの長手方向に延びた棒が、前記原子または分子を含有する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ドーピング装置が実現できる。
本願の第２発明のプラズマドーピング装置において、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。このような構成により、ドーピング処理の品質向上や高速化を図ることができる。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。このような構成により、ドーピング処理の品質向上や高速化を図ることができる。
また、前記筒状チャンバの内壁面の一部が前記原子または分子を含有する材料で構成され、前記筒状チャンバの内壁面のうち、前記一部とは別の一部が、前記原子または分子とは別の原子または分子を含有する材料で構成されていてもよい。このような構成により、複数の部分に対して、それぞれ異なる物質をドーピングすることができる。
また、好適には、前記筒状チャンバの内壁面のほぼ全部が、前記原子または分子を含有する材料で構成されていることが望ましい。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。
本発明によれば、構成が簡単なプラズマドーピング方法、より具体的には、危険なドーピング原料ガスを用いる必要がなく、ドーピング工程において真空設備を用いる必要がなく、さらに、ドーピング工程とは別に活性化工程を設ける必要がない、プラズマドーピング方法及び装置が実現できる。
以下、本発明の実施の形態におけるプラズマドーピング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。
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、プラズマドーピング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。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、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。
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、ある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及び蓋６には、これらを貫通する冷却水配管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却水マニホールド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、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、基材２へドーピングしたい元素を含む物質がコーティングされている。例えば、ボロン（Ｂ）をドーピングしたい場合は、ボロンガラス（Ｂ2Ｏ3）をコーティングしておけばよい。あるいは、アルミニウム（Ａｌ）をドーピングしたい場合は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）をコーティングしておけばよい。あるいは、リン（Ｐ）をドーピングしたい場合は、リンガラス（Ｐ2Ｏ5）、メタリン酸アルミニウム（Ａｌ（ＰＯ3）3）またはＬａＰ5Ｏ14をコーティングしておけばよい。あるいは、砒素（Ａｓ）をドーピングしたい場合は、砒素ガラス（Ａｓ2Ｏ5）をコーティングしておけばよい。
このように、ドーピングしたい原子または分子を含有する絶縁性の材料を、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。あるいは、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絶縁性材料で構成してもよい（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）。
あるいは、ドーピングしたい元素を含む物質として、導電性の材料を用いる場合は、導電性の真鍮ブロック５の内側の面（筒状チャンバの壁面を構成する部分）にこれをコーティングしておくことができる。これは、導電性の材料を絶縁性の石英管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。この場合、例えば、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）をドーピングしたい場合は、それぞれ、金属ボロン（Ｂ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属リン（Ｐ）、金属砒素（Ａｓ）をコーティングしておくことができる。
このように、ドーピングしたい原子または分子を含有する導電性の材料を、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。あるいは、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導電性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）。
本実施の形態においては、誘導結合型プラズマトーチを用いているので、プラズマ生成の原理からすると、真鍮ブロック５の表面は導電性である必要はない。したがって、ドーピングしたい原子または分子を含有する絶縁性の材料を、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）に形成しておいてもよい。あるいは、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絶縁性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上の薄膜１６に所望の原子または分子をプラズマドーピングすることができる。
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、開口部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、開口部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。
ドーピングしたい所望の原子または分子は、プラズマの熱による昇華により発生する。あるいは、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所望の原子または分子を発生させることも可能である。とくに、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）をドーピングしたい場合は、化学的エッチングにより、それぞれ、水素化ボロン（ＢxＨy）、水素化リン（ＰxＨy）、水素化砒素（ＡｓxＨy）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、砒素などをドーピングすることができる。
このようにして、プラズマを、表面が半導体である基材２に照射することにより、原子または分子を半導体にドーピングすることができる。
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の表面の半導体薄膜１６に所望の原子または分子をドーピングすると同時に、半導体薄膜１６を活性化することができる。このような方法を用いることにより、ドーピング工程とは別に活性化工程を設ける必要がないという格別の効果を奏する。
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、プラズマの温度上昇を伴うので、ドーピングと同時に行う活性化の温度を高めたり、走査速度を高めることで熱拡散長を小さくしたりするのに有効である。熱拡散長が小さくなると、ドーピングされた原子または分子が活性化によって拡散する距離が短くなり、より浅いｐｎ接合を実現することができる。逆にＨｅを用いると、プラズマの温度は低くなり、比較的弱い活性化状態を実現できる。あるいは、活性化をともなわないドーピング処理も可能となる。
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、蓋６に設けられ、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、蓋６の下面にマニホールド８、１０やガス供給穴９、１１となる溝が形成されている。マニホールド８、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。ガス供給穴９、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。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、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、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、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、ガス導入口は開口部１２の長手方向と平行に設けられ、かつ開口部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、開口部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、ガス噴出の向きを開口部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、プラズマ噴射口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（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１６の全体を処理することができる。
このようなプラズマドーピング装置において、筒状チャンバ内にガス噴出口よりＡｒまたはＡｒ＋Ｈ2ガス、シールドガスノズル１３からＮ2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、所望の原子または分子を半導体薄膜１６へドーピングすることができる。また、同時に、半導体の活性化を行うことができる。そして、半導体装置、太陽電池、液晶パネルなどにおいて、ｐｎ接合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。
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。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、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、凸部にも水冷配管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、蓋６に設けられ、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、蓋６の下面にマニホールド８、１０やガス供給穴９、１１となる溝が形成されている。マニホールド８、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。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。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。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、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、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、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、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。
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。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、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、ある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却水配管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却水マニホールド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、基材２へドーピングしたい元素を含む物質がコーティングされている。例えば、ボロン（Ｂ）をドーピングしたい場合は、ボロンガラス（Ｂ2Ｏ3）をコーティングしておけばよい。あるいは、アルミニウム（Ａｌ）をドーピングしたい場合は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）をコーティングしておけばよい。あるいは、リン（Ｐ）をドーピングしたい場合は、リンガラス（Ｐ2Ｏ5）、メタリン酸アルミニウム（Ａｌ（ＰＯ3）3）またはＬａＰ5Ｏ14をコーティングしておけばよい。あるいは、砒素（Ａｓ）をドーピングしたい場合は、砒素ガラス（Ａｓ2Ｏ5）をコーティングしておけばよい。
このように、ドーピングしたい原子または分子を含有する絶縁性の材料を、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。あるいは、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絶縁性材料で構成してもよい（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）。
あるいは、ドーピングしたい元素を含む物質として、導電性の材料を用いる場合は、導電性の真鍮ブロック５の内側の面（筒状チャンバの壁面を構成する部分）にこれをコーティングしておくことができる。これは、導電性の材料を絶縁性の石英管４の表面にコーティングしてしまうと、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。この場合、例えば、ボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）をドーピングしたい場合は、それぞれ、金属ボロン（Ｂ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属リン（Ｐ）、金属砒素（Ａｓ）をコーティングしておくことができる。このように、ドーピングしたい原子または分子を含有する導電性の材料を、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。
あるいは、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導電性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）。
本実施の形態においては、誘導結合型プラズマトーチを用いているので、プラズマ生成の原理からすると、真鍮ブロック５の表面は導電性である必要はない。したがって、ドーピングしたい原子または分子を含有する絶縁性の材料を、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）に形成しておいてもよい。あるいは、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絶縁性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上の薄膜１６をプラズマ処理することができる。
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、開口部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、開口部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。
ドーピングしたい所望の原子または分子は、プラズマの熱による昇華により発生する。あるいは、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所望の原子または分子を発生させることも可能である。とくに、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）をドーピングしたい場合は、化学的エッチングにより、それぞれ、水素化ボロン（ＢxＨy）、水素化リン（ＰxＨy）、水素化砒素（ＡｓxＨy）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、砒素などをドーピングすることができる。
このようにして、プラズマを、表面が半導体である基材２に照射することにより、原子または分子を半導体にドーピングすることができる。
従来例では、真空プラズマを用いて、固体ターゲットをスパッタリングするものが開示されているが、本実施の形態においては、大気圧プラズマを用いるため、装置構成が極めて簡単になるという利点がある。また、固体ターゲットをスパッタリングする場合は、スパッタされた粒子が均一に基材２の表面に到達する必要があるため、ターゲットや基材２の配置に格別の工夫を要するが、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不純物を利用するため、ガス流れ等の工夫により、長尺方向のドーピング濃度分布を均一化することは困難ではなく、また、トーチ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ドーピング方法となっている。
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の表面の半導体薄膜１６に所望の原子または分子をドーピングすると同時に、半導体薄膜１６を活性化することができる。このような方法を用いることにより、ドーピング工程とは別に活性化工程を設ける必要がないという格別の効果を奏する。
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、プラズマの温度上昇を伴うので、ドーピングと同時に行う活性化の温度を高めたり、走査速度を高めることで熱拡散長を小さくしたりするのに有効である。熱拡散長が小さくなると、ドーピングされた原子または分子が活性化によって拡散する距離が短くなり、より浅いｐｎ接合を実現することができる。逆にＨｅを用いると、プラズマの温度は低くなり、比較的弱い活性化状態を実現できる。あるいは、活性化をともなわないドーピング処理も可能となる。
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は蓋６に設けられ、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、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、ガス導入口は開口部１２の長手方向と平行に設けられる構成となっている。
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、開口部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、ガス噴出の向きを開口部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。
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、冷却水マニホールド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、プラズマ噴射口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（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１６の全体をプラズマ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、筒状チャンバ内にガス噴出口よりＡｒまたはＡｒ＋Ｈ2ガス、シールドガスノズル１３からＮ2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、所望の原子または分子を半導体薄膜１６へドーピングすることができる。また、同時に、半導体の活性化を行うことができる。そして、半導体装置、太陽電池、液晶パネルなどにおいて、ｐｎ接合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。
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。
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。
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、開口部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。
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開口部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。
あるいは、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、各ペアごと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、各ペアごと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。
あるいは、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、各ペアごと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を参照して説明する。
以下、本発明の実施の形態７について、図１７を参照して説明する。
図１７は本発明の実施の形態７におけるプラズマドーピング装置の構成を示すもので、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。本発明の実施の形態７においては、実施の形態１とは、石英管４の表面構造が異なるだけであるから、それ以外の説明は省略する。
図１７において、石英管４の表面の一部（図１７のトーチ中央から左半分の部分）に、ボロンガラス膜Ｄが形成されている。このような構成でプラズマドーピング処理を行うことにより、半導体薄膜１６の半分のみにボロン原子をドーピングすることができる。つまり、プラズマが発生する空間を画定する部材の一部が原子または分子を含有する材料で構成され、原子または分子を、半導体に対して部分的にドーピングする構成とした。
ここでは、ボロンガラス膜Ｄを石英管４の表面の一部に形成し、ボロン原子をドーピングする場合を例示したが、真鍮ブロック５の表面の一部に、ボロン膜を形成してもよく、あるいは、ドーピングしたい原子または分子に応じて、石英管４または真鍮ブロック５の表面の一部に形成する材料を、適宜選択することができることはいうまでもない。
このとき、半導体薄膜１６としてｎ型半導体膜を用いた場合、プラズマドーピング処理によって半導体膜の半分だけがｐ型に改質されるので、ｎ型・ｐ型の半導体が基材の片面に露出した構造の太陽電池、所謂バックコンタクト型の太陽電池を形成することができる。
（実施の形態８）
以下、本発明の実施の形態８について、図１８を参照して説明する。
以下、本発明の実施の形態８について、図１８を参照して説明する。
図１８は本発明の実施の形態８におけるプラズマドーピング装置の構成を示すもので、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。本発明の実施の形態８においては、実施の形態１とは、石英管４の表面構造が異なるだけであるから、それ以外の説明は省略する。
図１８において、石英管４の表面の一部に断続的に、ボロンガラス膜Ｄが形成されている。このような構成でプラズマドーピング処理を行うことにより、半導体薄膜１６の一部のみに、ストライプ状にボロン原子をドーピングすることができる。
ここでは、ボロンガラス膜Ｄを石英管４の表面の一部に形成し、ボロン原子をドーピングする場合を例示したが、真鍮ブロック５の表面の一部に、ボロン膜を形成してもよく、あるいは、ドーピングしたい原子または分子に応じて、石英管４または真鍮ブロック５の表面の一部に形成する材料を、適宜選択することができることはいうまでもない。
このとき、半導体薄膜１６としてｎ型半導体膜を用いた場合、プラズマドーピング処理によって半導体膜の一部だけがストライプ状にｐ型に改質されるので、ｎ型・ｐ型の半導体が基材の片面に露出した構造の太陽電池、所謂バックコンタクト型の太陽電池を形成することができる。
あるいは、石英管４の表面の一部に、断続的にボロンガラス膜Ｄを形成するとともに、石英管４の表面の他の部分に、断続的にリンガラス膜を形成することで、ストライプ状にボロン原子及びリン原子をドーピングすることができる。つまり、プラズマが発生する空間を画定する部材の一部が原子または分子（ボロン）を含有する材料で構成され、前記部材の一部とは別の一部が前記原子または分子とは別の原子または分子（リン）を含有する材料で構成され、前記原子または分子（ボロン）を、前記半導体に対して部分的にドーピングするとともに、前記原子または分子とは別の原子または分子（リン）を、前記半導体に対して、前記の部分とは別の部分にドーピングする構成としてもよい。このような構成により、複数の部分に対して、それぞれ異なる物質をドーピングすることができる。
このとき、半導体薄膜１６としてｎ型半導体膜を用いた場合、プラズマドーピング処理によってボロンが導入された部分はストライプ状にｐ型に改質されるとともに、他の部分はストライプ状にｎ＋型に改質される。つまり、ｎ型・ｐ＋型の半導体が基材の片面に露出した構造の太陽電池、所謂バックコンタクト型の太陽電池を形成することができる。
（実施の形態９）
以下、本発明の実施の形態９について、図１９を参照して説明する。
以下、本発明の実施の形態９について、図１９を参照して説明する。
図１９は本発明の実施の形態９におけるプラズマドーピング装置の構成を示す断面図であり、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ある。本発明の実施の形態９においては、実施の形態１とは、不純物棒Ｅが加えられた点が異なるだけであるから、それ以外の説明は省略する。
図１９において、誘導結合型プラズマトーチユニットと基材２の間に、不純物棒Ｅが設けられている。不純物棒Ｅは、トーチの長尺方向（長手方向）に延びた棒であり、基材２へドーピングしたい所望の不純物原子または分子を含んだ物質からなる。この場合、筒状チャンバ７の内壁面には、所望の不純物原子または分子を含んだ物質をコーティングしておく必要はなく、プラズマ噴出口１２から噴出したプラズマが不純物棒Ｅに照射されることにより、昇華または化学的エッチングが生じ、所望の原子または分子が気相中に供給され、基材２の表面の半導体薄膜１６に、ドーピングを行うことができる。
このような構成においては、筒状チャンバ７の内壁面のコーティングがエッチング等により劣化した際に生じうるドーピング濃度の変化が起きないという利点がある。不純物棒Ｅは、処理の経過とともに簡単に交換することが可能であるし、長尺方向に徐々に送りながら、常に新しい不純物面をプラズマに暴露させ続ける構成も可能であるからである。
本実施の形態においては、不純物棒Ｅを、プラズマ噴出口１２の直下から少しずらしたものを例示したが、このような構成により、プラズマ噴出口１２から基材２へと向かうプラズマの流れを乱すことが少ないという利点がある。勿論、処理の性質によっては、直下への配置も可能である。また、不純物棒Ｅを２つ配置するものを例示したが、１つ、あるいは、３つ以上であってもかまわない。
また、不純物棒Ｅの内部にヒーターを埋め込み、加熱しながら処理を行うことも可能である。逆に、不純物棒Ｅの内部に冷媒流路を設け、冷却しながら処理を行うことも可能である。
（実施の形態１０）
以下、本発明の実施の形態１０について、図２０を参照して説明する。
以下、本発明の実施の形態１０について、図２０を参照して説明する。
図２０は本発明の実施の形態１０におけるプラズマドーピング装置の構成を示す断面図である。図２０において、プラズマドーピング装置を構成する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、例えばボロンからなる。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をボロン製としたことにより、ドーピングしたい所望の原子（ボロン）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の表面にボロンガラスなど、所望の原子を含む物質をコーティングしてもよい。
（実施の形態１１）
以下、本発明の実施の形態１１について、図２１を参照して説明する。
以下、本発明の実施の形態１１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１１におけるプラズマドーピング装置の構成を示す断面図である。図２１において、基材載置台としての基板電極１上に、基材としてのシリコン基板２が載置されている。基板電極１に対向して対向電極４３が設けられ、対向電極４３にはシャワー電極４４及びシャワープレート４５が設けられている。シャワー電極４４及びシャワープレート４５には互いに対応する位置にシャワー穴（貫通穴）４６が設けられている。ガス供給装置４７から配管４８を介して、対向電極４３とシャワー電極４４の間に設けられた空間であるガス溜まり４９にガスが供給され、シャワー穴４６を通じて基板２ 上に噴出させる。この状態で基板電極１に高周波電源５０から１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、シャワープレート４５と基板２間にプラズマが発生する。上記の各構成要素は大気圧中にあり、真空容器のような完全密閉型の頑丈な容器や、真空ポンプは不要である。シャワープレート４５と基板２間のギャップＧは、０．３ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。ギャップＧ が狭すぎても広すぎても、放電が着火しない場合がある。
シャワープレート４５の表面（プラズマが発生する空間を確定する部材の一部）に、基材２へドーピングしたい元素（ボロン）を含む物質として、ボロンガラスがコーティングされている。ガスとして水素を含むガスを用いることにより、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シャワープレート４５の表面に作用させ、化学的エッチングによりＢxＨyを発生させる。したがって、これらの分解物であるボロンをドーピングすることができる。このように、平行平板型大気圧プラズマ源を用いることも可能である。ただし、この構造では熱プラズマの発生は期待できないので、活性化を同時に行うことは困難である。
以上述べたプラズマドーピング方法及び装置は、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、プラズマが発生する空間を画定する部材のほぼ全部が、所望の原子または分子を含有する材料で構成されていてもよい。このような構成により、好ましくない不純物の混入（コンタミネーション）を抑制することができ、長期間に渡って安定した処理を行うことができる。
例えば、プラズマが発生する空間を確定する部材に所望の元素を含む物質をコーティングする代わりに、プラズマが発生する空間に、所望の原子または分子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、プラズマ発生装置の消耗を抑えることができるので、長期間に渡って安定した処理を行うことができる。
また、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。
以上のように本発明は、不純物導入層、接合、その他の被処理物に係り、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接合の形成、液晶パネルや太陽電池などに用いられる基板表面に半導体薄膜を形成した基板に電子素子を形成するための接合の形成などに有用な発明である。
１ 基材載置台
２ 基材
Ｔ プラズマトーチユニット
３ 導体棒
４ 石英管
５ 真鍮ブロック
６ 蓋
７ チャンバ内部空間
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 冷却水配管
１６ 薄膜
１７ 真鍮ブロック
１８ 樹脂ケース
１９ 銅ブロック
２０ 銅板
２２ 冷却水マニホールド
４１ プラズマガス供給配管
２ 基材
Ｔ プラズマトーチユニット
３ 導体棒
４ 石英管
５ 真鍮ブロック
６ 蓋
７ チャンバ内部空間
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 冷却水配管
１６ 薄膜
１７ 真鍮ブロック
１８ 樹脂ケース
１９ 銅ブロック
２０ 銅板
２２ 冷却水マニホールド
４１ プラズマガス供給配管
Claims (13)
- 原子または分子を、水素を含むガスを電離させることによって得られるプラズマの熱による昇華、または、水素を含むガスを電離させることによって得られる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、表面が半導体である基材に照射することにより、前記原子または分子を前記半導体にドーピングすること
を特徴とするプラズマドーピング方法。 - ドーピングするのと同時に、前記半導体を活性化する、請求項１記載のプラズマドーピング方法。
- 前記原子または分子が、ボロン、アルミニウム、リン、砒素のいずれか１つを含有するものであり、前記半導体がシリコンである、請求項１記載のプラズマドーピング方法。
- 前記プラズマが発生する空間に、前記原子または分子を含有した粉体を導入する、請求項１記載のプラズマドーピング方法。
- 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ドーピング方法であって、
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、請求項１記載のプラズマドーピング方法。 - 前記プラズマが発生する空間を画定する部材の一部が前記原子または分子を含有する材料で構成され、前記原子または分子を、前記半導体に対して部分的にドーピングする、請求項１記載のプラズマドーピング方法。
- 原子または分子を、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、表面が半導体である基材に照射することにより、前記原子または分子を前記半導体にドーピングするプラズマドーピング方法において、
前記プラズマが発生する空間を画定する部材の一部が前記原子または分子を含有する材料で構成され、前記部材の一部とは別の一部が前記原子または分子とは別の原子または分子を含有する材料で構成され、前記原子または分子を、前記半導体に対して部分的にドーピングするとともに、前記原子または分子とは別の原子または分子を、前記半導体に対して、前記の部分とは別の部分にドーピングすることを特徴とするプラズマドーピング方法。 - 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、前記原子または分子を含有する材料で構成されている、請求項１記載のプラズマドーピング方法。
- 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、原子または分子を、前記基材の表面をなす半導体にドーピングするプラズマドーピング装置であって、
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、または、前記筒状チャンバと前記基材載置台との間に設けられ、前記筒状チャンバの長手方向に延びた棒が、前記原子または分子を含有する材料で構成されていること
を特徴とするプラズマドーピング装置。 - 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、請求項９記載のプラズマドーピング装置。
- 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、請求項９記載のプラズマドーピング装置。 - 前記筒状チャンバの内壁面の一部が前記原子または分子を含有する材料で構成され、前記筒状チャンバの内壁面のうち、前記一部とは別の一部が、前記原子または分子とは別の原子または分子を含有する材料で構成されている、請求項９記載のプラズマドーピング装置。
- 前記筒状チャンバの内壁面のほぼ全部が、前記原子または分子を含有する材料で構成されている、請求項９記載のプラズマドーピング装置。
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