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16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17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)。
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の長尺方向に垂直な面で切った断面図である。図1(b)及び(c)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、図1(c)は図1(a)の破線C−C’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。第一石英ブロック4、第二石英ブロック5及び基材2の表面によって囲まれた空間により、誘電体製の長尺チャンバ7が画定される。長尺チャンバ7は、基材載置台1がなす面に垂直な面に沿って設けられている。
また、ソレノイドコイル3の中心軸は、基材載置台1に平行で、かつ、長尺チャンバ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、ソレノイドコイル3の一巻きが構成する面は基材載置台がなす面に垂直な面に沿って、かつ、長尺チャンバ7を含む平面に沿って設けられている。また、ソレノイドコイル3は、第一石英ブロック4の外側、第二石英ブロック5の外側に各一つずつ配置され、かつ、長尺チャンバ7から離れた位置で直列に接続され、高周波電力を印加した際に長尺チャンバ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。
ソレノイドコイル3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、長尺チャンバ7を挟んで二つを設けた方が、長尺チャンバ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。
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は、第一石英ブロック4の一つの平面と、第二石英ブロック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、長尺チャンバ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、長尺チャンバ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)の長尺チャンバ7を例示している。長尺チャンバ7に発生したプラズマPは、長尺チャンバ7における長尺で線状の開口部8において、基材2に接触する。また、長尺チャンバ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。
なお、本実施の形態においては、長尺で線状の開口部8を、長尺チャンバの長辺に対応する位置に1箇所のみ配置する構成としている。長尺チャンバを構成するレーストラックの長さをL1、長辺をなす直線部の長さをL2、短辺をなす円、楕円、または直線の長さをL3としたとき、L1=L2×2+L3×2の関係がある。そして、開口部8の長さをL4としたとき、L4≒L2であるから、L4<L1の関係がある。
すなわち、長尺で線状の開口部8の長さは、環状の長尺チャンバ7の環の長さよりも短く構成されている。このことは、プラズマPが、一般に誘電体ブロックと材質の異なる基材2と接触する面積を小さくなるよう構成することで、プラズマの安定性向上に寄与している。また、特異点となる短辺部のプラズマPを基材2に曝露せず、均一性の良い長辺部のみのプラズマPを基材2に照射することで、処理の均一性向上に寄与している。
第二石英ブロック5の内部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良い。
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。また、接着剤6によってソレノイドコイル3の外皮部分と第一石英ブロック4及び第二石英ブロック5との熱伝導が確保されている。従って、ソレノイドコイル3を構成する銅管に水などの冷媒を流すことで、ソレノイドコイル3、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。
長方形の線状の開口部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、長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、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にプラズマPを発生させ、開口部8付近のプラズマPを基材2に曝露することにより、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、長尺チャンバ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(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。
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)。
このようなプラズマ処理装置において、長尺チャンバ7内にプラズマガス供給穴11より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、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付近のプラズマを基材2に曝露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、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%、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、長尺チャンバと基材載置台1とを相対的に移動するので、図1(b)及び(c)に示すように、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。
高周波電力をソレノイドコイル3に供給すると、一般的には、まず弱い放電(容量性のプラズマ)が生じる。次いで強い放電(誘導性のプラズマ)に移行する様子が観察される。この現象はモードジャンプと呼ばれる。長尺チャンバ7が十分太いほど、モードジャンプは起きやすいが、太すぎると長尺チャンバ7内でプラズマが揺動することがある。そこで、本実施の形態においては、長尺チャンバ7の太さ(環状の長尺チャンバ7を構成する、一続きの閉じたヒモの太さ)が、その断面において一様でない構成とすることにより、この問題を解決した。
図1(a)において、長尺チャンバ7の太さが寸法d1となる部分と、長尺チャンバ7の太さが寸法d2となる部分を設けている。同様に、長尺チャンバ7の太さが寸法d3となる部分と、長尺チャンバ7の太さが寸法d4となる部分を設けている。モードジャンプは確率論的に生じる(予測できないタイミングで)生じるため、先述のとおり、長尺チャンバ7が太いほど起きやすい。
本実施の形態において、どの位置でモードジャンプが生じるかは定まっていないが、例えば、図3(a)に示すように、基材2に平行な方向の太さが狭い部分(太さd4の部分、図1(a)の7bに相当)で生じる場合もある。しかし、一旦強い放電が起きると、プラズマはより安定な位置に留まろうとするので、断面形状がより円形に近い部分(太さd3の部分、図1(a)の7aに相当)に移動し、図3(b)のような形態で安定する。
つまり、本実施の形態においては、モードジャンプの起きやすさと、強い放電の安定性の両立を図ることに成功している。
なお、本実施の形態においては、長尺チャンバ7は環状であって、開口部8を構成する第一石英ブロック4の最下面と基材2の表面との距離(図1(a)の寸法g)を0.5mmとしている。このような長尺チャンバの構造がもたらす効果について、以下で説明する。
従来の一般的な円筒型の誘導結合型プラズマトーチと同様の、一塊の直方体形状の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。
一方、本実施の形態においては、環状の長尺チャンバ7を構成しているため、その形状に沿って長方形の細長い長尺のプラズマPが発生する。従って、従来例に比べて、格段に長尺方向に均一な処理を行うことができる。また、チャンバの体積が従来例に比べて小さくなることから、単位体積当たりに作用する高周波電力が増すので、プラズマ発生効率がよくなるという利点もある。
また、従来の一般的な誘導結合型プラズマトーチにおいては、ガス流量を増すと放電が不安定になることが指摘されている(例えば、Hironobu Yabuta et al., “Design and evaluation of dual inlet ICP torch for low gas consumption”, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 17(2002)1090−1095頁を参照)。
これは、チャンバ内で環状プラズマが揺動した際に、ガス流れの下流域において環状プラズマとコイルとの距離が離れすぎて誘導結合を維持できなくなり、プラズマが失火してしまうためと考えられる。一方、本実施の形態においては、開口部8を構成する第一石英ブロック4の最下面と基材2の表面との距離gを0.5mmと極めて狭く構成しているため、環状のプラズマPが誘導結合型プラズマトーチユニットTと基材2との間の隙間に侵入することができず、長尺チャンバ7内(隙間よりも上流の領域)にとどまる。
従って、ガス流量を増しても環状のプラズマPの揺動が起きず、極めて安定した長尺の環状のプラズマPが維持される。従って、従来例に比べて、格段に安定したプラズマ発生が可能となる。
また、プラズマPにおいて電子密度や活性粒子密度の高い部分を基材2の表面に曝露させるので、高速な処理、或いは、高温処理が可能となる。高温のプラズマを確実に基材に照射するには、開口部の開口幅が1mmよりも大きいことが望ましいことが実験的にわかっている。また、長尺チャンバ7の太さは、開口部において最大である(長尺チャンバの太さは開口部の開口幅以下である)と、プラズマの安定性がより高まる。
なお、開口部8を構成する第一石英ブロック4の最下面と基材2の表面との距離gについて詳細に調べたところ、gが1mm以下である場合に環状のプラズマPの揺動を抑制できることがわかった。gがあまりに小さいと、長尺方向の部品加工や組立精度の影響が増し、また、通路を通過して基材2に到達するプラズマ流が弱まるため、0.1mm以上、好ましくは0.3mm以上に構成することが望ましい。
また、長尺チャンバ7の外径(長尺チャンバ7の全体としての大きさ)をeとすると、図1(a)においては、第二石英ブロック5に設けた溝の上側の内壁面と、基材2とがなす距離eとして表される。環状の長尺チャンバ7は長尺であるので、長辺部と短辺部とでは、長尺チャンバ7の外径eは異なり、長辺部における長尺チャンバ7の外径eの方が小さい。
寸法e(長尺チャンバ7の外径)について実験的に詳細に調べたところ、eが10mm未満の場合は、長尺チャンバ7内には高密度の熱プラズマが極めて発生しにくくなることが判明した。この実験から、長尺チャンバ7の外径は、10mm以上であることが好ましいことがわかった。
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2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。
実施の形態2においては、長尺チャンバ7の太さを連続的に変化させることで、太さがその断面において一様でない構成となっている。
このような構成においては、モードジャンプが生じた後、プラズマPが安定位置へスムーズに、短時間で移動するという利点がある。
(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、長尺チャンバ7の太さを階段状に不連続的に変化させることで、太さがその断面において一様でない構成となっている。
このような構成においては、モードジャンプ後のプラズマPの移動を円滑化することと、移動後のプラズマ安定化の両立が図れる。
(実施の形態4)
以下、本発明の実施の形態4について、図6を参照して説明する。
図6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。
実施の形態4においては、長尺チャンバ7の太さがその断面において一様でない部分を、長尺チャンバ7全周に渡って設けるのではなく、一部のみ(長辺部のうち、基材2から遠い方)に設けている。
(実施の形態5)
以下、本発明の実施の形態5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、長尺チャンバ7の太さがその断面において一様でない部分を、長尺チャンバ7全周に渡って設けるのではなく、一部のみ(長辺部のうち、基材2に近い方)に設けている。
(実施の形態6)
以下、本発明の実施の形態6について、図8を参照して説明する。
図8(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。図8(b)、(c)及び(d)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8(a)は図8(b)の破線で切った断面図、図8(b)は図8(a)の破線B−B‘で切った断面図、図8(c)は図8(a)の破線C−C’で切った断面図、図8(d)は図8(a)の破線D−D’で切った断面図である。
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、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。第一石英ブロック4は細長い管状で、その内部に第二石英ブロック5が挿入されている。誘電体製の環状の長尺チャンバは、第一石英ブロック4、第二石英ブロック5及び基材2の表面によって囲まれた空間により画定される。
長尺チャンバ7は、内部誘電体ブロックとしての第二石英ブロック5の外壁面と、これが挿入された外部誘電体ブロックとしての第一石英ブロック4の内壁面に囲まれている。つまり、長尺チャンバ7は、開口部8以外が誘電体で囲まれている構成である。
図8(a)において、長尺チャンバ7の太さは、その断面において一様でない構成となっている。すなわち、断面形状がより円形に近い部分7aと、より円形から遠い部分7bを備える。
(実施の形態7)
以下、本発明の実施の形態7について、図9及び図10を参照して説明する。
図9(a)及び図10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。図9(b)及び(c)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9(a)は図9(b)の破線で切った断面図、図9(b)は図9(a)の破線B−B‘で切った断面図、図9(c)は図9(a)の破線C−C’で切った断面図である。
図9(a)において、長尺チャンバ7の太さは、その断面において一様でない構成となっている。すなわち、断面形状がより円形に近い部分7aと、より円形から遠い部分7bを備える。また、本実施の形態においては、第一石英ブロック4が、基材2に平行に第二石英ブロック5に向けて可動となっている。すなわち、図9(a)に示す構成と、図10に示すような、長尺チャンバ7の太さがその断面において一様な構成との間で変化することができる。
すなわち、長尺チャンバ7は、互いの相対位置を第一配置と第二配置に変化しうるよう構成された2つの誘電体部材たる第一石英ブロック4及び第二石英ブロック5に囲まれ、かつ、長尺チャンバ7を構成する一続きの閉じたヒモの一断面において、長尺チャンバ7の太さが第一配置と第二配置とで異なる構成である。
先述のとおり、どの位置でモードジャンプが生じるかは定まっていないが、例えば、図9(a)に示すように、第一配置にある状態で、上方の長辺部においては、基材2に平行な方向の太さが大きい部分、下方の長辺部(開口部)においては、基材2に平行な方向の太さが小さい部分で生じる場合もある。この第一の位置で環状の強いプラズマが発生したことを検知し、その後、第二配置に変化させ、図10の構成に変化させる。すると、プラズマの位置は確定され、安定な強い放電を形成することができる。つまり、本実施の形態においても、モードジャンプの起きやすさと、強い放電の安定性の両立を図ることができる。
なお、強いプラズマが発生したことは、プラズマの発光強度が予め定めた値よりも大きいことで判断できる。或いは、モードジャンプ時に負荷インピーダンスが変化する(抵抗成分が増加して力率が向上する)ことから判断しても良い。
(実施の形態8)
以下、本発明の実施の形態8について、図11及び図12を参照して説明する。
図11(a)及び図12(a)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、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11(b)及び図12(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11(a)及び図12(a)は、それぞれ、図11(b)及び図12(b)の破線で切った断面図、図11(b)及び図12(b)は、それぞれ、図11(a)及び図12(a)の破線で切った断面図である。
図11及び図12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。第一石英ブロック4は細長い形状で、かつ、環状の長尺チャンバ7を構成する環状の溝が図の上方より形成されており、その溝に第二石英ブロック5の凸部が挿入されている。つまり、長尺チャンバ7は、第一石英ブロック4の溝と第二石英ブロック5の凸部の下面とに囲まれた空間である。溝の2つの長辺の片側の下面は開口され、開口部8を構成する。
プラズマガス供給配管10より供給されたガスは、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を介して、長尺チャンバ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。本実施の形態においては、長尺チャンバ7の2つの長辺の両側にプラズマガスを供給できるよう、プラズマガス供給配管10を2つ設けている。
長尺チャンバ7の基材2に垂直方向の太さdは、その断面においてほぼ一様であるが、第二石英ブロック5が、基材2に垂直に第一石英ブロック4に向けて可動となっている。すなわち、図11に示すように長尺チャンバ7の基材2に垂直方向の太さdが大きい第一配置の構成と、図12に示すようにdが第一配置よりも小さい第二配置の構成との間で変化することができる。すなわち、長尺チャンバ7は、互いの相対位置を第一配置と第二配置に変化しうるよう構成された2つの誘電体部材たる第一石英ブロック4及び第二石英ブロック5に囲まれ、かつ、長尺チャンバ7を構成する一続きの閉じたヒモの一断面において、長尺チャンバ7の太さが第一配置と第二配置とで異なる構成である。
先述のとおり、どの位置でモードジャンプが生じるかは定まっていないが、例えば、図11(a)に示すような位置で生じる場合もある。この第一の位置で環状プラズマが発生したことを検知し、その後、第二配置に変化させ、図12の構成に変化させる。すると、プラズマの位置は確定され、安定な強い放電を形成することができる。つまり、本実施の形態においても、モードジャンプの起きやすさと、強い放電の安定性の両立を図ることができる。
なお、本実施の形態においては、第一石英ブロック4の中央部(長尺チャンバ7の2つの長辺の間)にも図の上方から溝が形成され、その内部に接地銅管13が設けられており、プラズマの着火性をより高める構成としている。
(実施の形態9)
以下、本発明の実施の形態9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9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ある。図13(a)は誘導結合型プラズマトーチユニットTの着火シーケンス・加速を実施する準備段階を示し、図13(b)はプラズマ処理中の段階を示し、図13(c)はプラズマ処理が完了した後に減速・失火を実施する段階を示す。
図13において、基材載置台1の両隣に、平板状のカバー16が設けられている。カバー16は、基材2が配置された際に基材2の縁部を囲うように、基材載置台1の周囲に設けられる。また、カバー16の表面と、基材2の表面が、同一平面上に位置するよう構成される。カバー16の内部には、カバー16を冷却するための冷媒流路17が設けられている。カバー16は、装置をプラズマから保護する機能と、プラズマの着火・失火をスムーズに行えるよう、長尺チャンバ7の形状を一定に保つ機能がある。基材2を基材載置台1上に載置した際に、カバー16と基材2との間に生ずる隙間wはできるだけ小さい方が好ましい。
なお、カバー16の少なくとも表面は、絶縁材料から構成されていることが好ましい。このような構成により、プラズマとカバー16との間でアーク放電が起きることを効果的に抑制できる。カバー16の少なくとも表面を絶縁材料から構成するに際して、カバー16全体を石英、セラミックスなどの絶縁体で構成しても良いし、ステンレス、アルミニウムなどの金属(導体)に、溶射、CVD、塗工などにより絶縁皮膜を形成したものを用いても良い。
(実施の形態10)
以下、本発明の実施の形態10について、図14及び図15を参照して説明する。
図14は本発明の実施の形態10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ある。図14は誘導結合型プラズマトーチユニットTの着火シーケンス・加速を実施する準備段階を示している。また、図15は、本発明の実施の形態10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。
実施の形態9においては、基材2を基材載置台1上に載置した際に、カバー16と基材2との間に隙間wが生じる場合を例示したが、本実施の形態においては、図14に示すように、この隙間ができないように構成している。
実施の形態9においては、誘導結合型プラズマトーチユニットTが隙間wの近傍を通り過ぎる時に、プラズマが揺らいだり失火したりすることがあり得るが、本実施の形態ではこれを効果的に抑制できる。このような構成を実現するには、カバー16を可動にしておき、基材2を基材載置台1上に載置した後、モータ駆動機構、エア駆動機構、バネ駆動機構などを適宜用いてカバー16を基材2に向けてゆっくりと近づけ、押し当てる方法が考えられる。
また、図15において、開口部8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。基材載置台1の両隣に、平板状のカバー16が設けられている。カバー16は、装置をプラズマから保護する機能と、プラズマ不安定化・失火を抑制できるよう、長尺チャンバ7の形状を一定に保つ機能がある。
なお、図15においては、カバー16の内部に冷媒流路を設けていないが、これは、誘導結合型プラズマトーチユニットTがカバー16上を短時間で通り過ぎるため、誘導結合型プラズマトーチユニットTからカバー16への熱エネルギー流入が比較的小さいためである。処理の性質によっては、冷媒流路を設けて水冷することが好ましい場合もありうる。
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良いが、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を走査しても良い。
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。更に、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。
なお、絶縁体の基材2を用いる場合は、本発明の適用は比較的容易であるが、基材2が導体や半導体である場合、或いは、薄膜22が導体や半導体である場合は、基材2の表面でアーク放電が発生しやすい。これを防ぐため、基材2の表面に絶縁膜を形成した後に、基材2の表面を処理する方法を用いることができる。
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プラズマガスの周辺に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、CxFy(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。本発明の構成は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。