JP6037292B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを照射して基材などを処理するプラズマ処理装置及び方法に関する。

従来より、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、このレーザー結晶化技術にはレーザーの走査痕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、スリット状の開口を介してプラズマを照射し、その開口の長手方向と直交する方向にプラズマを走査することにより、処理対象の基材などを連続的に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）。

ところで、例えばプラズマを照射する開口を備える誘導結合型プラズマトーチにおいては、プラズマを着火しやすくするための工夫を要する。なお、ここで言う「着火」とは、プラズマがない状態からプラズマが発生することを言う。そこで、従来から種々の着火方法が検討されている。例えば、特許文献４に記載されたプラズマ処理装置の場合、プラズマを発生させるための円筒チャンバの内部を真空にすることにより、プラズマを着火しやすくしている。また例えば、特許文献５に記載されたプラズマ処理装置の場合、プラズマ発生用のコイルとは別の着火用のコイルを用いる。さらに例えば、特許文献６に記載されたプラズマ処理装置の場合、チャンバ内に配置された金属棒に高電圧を印加することにより、プラズマを着火する。

ただ、特許文献１〜３、及び非特許文献１記載されたプラズマ処理装置のように、高電位の導体部材と低電位の導体部材との間の空間（チャンバ）内でプラズマを発生させる構成の場合、上述したような特許文献４〜６に記載されたプラズマ着火方法を用いることなく、大気圧下で安定したプラズマの着火が可能である。

特開２０１３−１２０６３３号公報 特開２０１３−１２０６８４号公報 特開２０１３−１２０６８５号公報 特開昭６１−６８９００号公報 特開２００２−３４３５９９号公報 特開平３−６７４９６号公報

Ｔ．Ｏｋｕｍｕｒａ ａｎｄ Ｈ．Ｋａｗａｕｒａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５２（２０１３）０５ＥＥ０１

ところで、特許文献１〜３、及び非特許文献１に記載されたプラズマ処理装置の場合、チャンバは誘電体部材によって画定されいる（すなわち、チャンバは誘電体によって囲まれている）。また、高電位の導体部材と低電位の導体部材との間に、チャンバを画定する誘電体部材が配置されている。そのため、プラズマ処理の性能（加熱性能）を高めるために、導体部材に供給する電圧を上げると、誘電体部材が絶縁破壊する可能性がある。

誘電体部材の絶縁破壊を抑制するために、導体部材に印加する電圧を下げることが考えられる。しかし、電圧を下げると、プラズマが着火しにくくなる可能性がある。

そこで、本発明は、プラズマを安定的に着火させることができ、且つ、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制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。

上述の課題を解決するために、本発明の一態様によれば、
環状チャンバを画定する誘電体部材と、
前記環状チャンバ内にガスを導入するガス導入部と、
前記誘電体部材の一方側に配置され、交流電力の供給を受けてガスが導入された前記環状チャンバ内にプラズマを発生させる放電用コイルと、
接地され、前記誘電体部材の他方側に配置され、且つ前記誘電体部材の環状チャンバを挟んで前記放電用コイルと対向する導体部材と、
前記放電用コイルに交流電圧を供給する交流電源と、
前記環状チャンバ内に連通し、処理対象の基材に対してプラズマを照射するための開口と、
前記開口の前方を横切るように前記基材を前記環状チャンバに対して相対移動させる移動機構と、を有し、
前記放電用コイルが、電圧発生用コンデンサまたは電圧発生用コイルを介して、接地されているまたは前記導体部材に接続され、
プラズマの発生を検知するプラズマ発生検知装置と、
プラズマの発生の検知結果に基づいて、前記放電用コイルの電圧がプラズマ発生前に比べて低下するように前記電圧発生用コンデンサの容量または前記電圧発生用コイルのインダクタンスを変化させる高電圧制御ユニットと、をさらに有し、
前記プラズマ発生検知装置が、プラズマの発光を検出するフォトダイオードまたはプラズマ温度を検出する温度計である、プラズマ処理装置が提供される。

本発明の一態様によれば、プラズマを安定的に着火させることができ、且つ、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制することができる。

導体部材が第２の放電用コイルであるのが好ましい。これにより、プラズマを安定的に着火させることと、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制することとの両立がさらに図れる。

電圧発生用コンデンサまたは前記電圧発生用コイルとは異なる調整用コンデンサまたは調整用コイルをプラズマ処理装置はさらに有し、その調整用コンデンサまたは調整用コイル、放電用コイル、電圧発生用コンデンサまたは前記電圧発生用コイル、の順にこれらが直列に接続されているのが好ましい。これにより、プラズマを安定的に着火させることと、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制することとの両立がさらに図れる。

電圧発生用コンデンサと調整用コンデンサの直列合成キャパシタンスまたは電圧発生用コイルと調整用コイルの直列合成インダクタンスを一定に維持した状態で、電圧発生用コンデンサの容量または電圧発生用コイルのインダクタンスを調整することが可能にプラズマ処理装置を構成するのが好ましい。これにより、プラズマを安定的に着火させることと、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制することとの両立がさらに図れる。

放電用コイルに供給する交流電力の周波数が１０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であるのが好ましい。これにより、プラズマを安定的に着火させることと、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制することとの両立がさらに図れる。

開口が基材の処理対象の表面に対して直交する方向に方向付されているのが好ましい。これにより、基材を良好にプラズマ処理することができる。

また、本発明の別態様によれば、
基材をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
誘電体部材によって画定された環状チャンバ内にガスを導入しつつ、接地されている導体部材に対して前記環状チャンバを挟んで対向する放電用コイルに交流電力を供給することにより、前記環状チャンバ内にプラズマを発生させ、
前記環状チャンバ内に連通する開口の前方を横切るように前記基材を前記環状チャンバに対して相対的に移動させることにより、前記基材にプラズマを曝露させ、
前記放電用コイルが、電圧発生用コンデンサまたは電圧発生用コイルを介して、接地されているまたは前記導体部材に接続され、
プラズマの発光を検出するフォトダイオードまたはプラズマ温度を検出する温度計を用いてプラズマの発生を検知すると、前記放電用コイルの電圧がプラズマ発生前に比べて低下するように前記電圧発生用コンデンサの容量または前記電圧発生用コイルのインダクタンスを変化させる、プラズマ処理方法が提供される。

本発明の別態様によれば、プラズマを安定的に着火させることができ、且つ、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制することができる。

プラズマ処理方法において、導体部材が第２の放電用コイルであるのが好ましい。これにより、プラズマを安定的に着火させることと、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制することとの両立がさらに図れる。

電圧発生用コンデンサまたは電圧発生用コイルのインピーダンスを第１のインピーダンス値に設定し、
放電用コイルに第１の電力値の交流電力を供給してプラズマを着火し、
プラズマの着火後に、前記電圧発生用コンデンサまたは前記電圧発生用コイルのインピーダンス値を第２のインピーダンス値に変化させ、
放電用コイルに供給する交流電力を、前記第１の電力値に比べて大きい第２の電力値に変化させる、プラズマ処理方法が好ましい。これにより、プラズマを安定的に着火させることと、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制することとの両立がさらに図れる。

本発明によれば、プラズマを安定的に着火させることができ、且つ、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制することができる。

本発明の実施の形態１にかかるプラズマ処理装置の構成を示す概略的に示す断面図 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図 本発明の実施の形態１にかかるプラズマ処理装置の概略的な分解図 本発明の実施の形態１にかかるプラズマ処理装置の整合回路の構成を示す回路図 本発明の実施の形態１にかかるプラズマ処理装置の電気的な接続を示す概略的な斜視図 本発明の実施の形態２にかかるプラズマ処理装置の電気的な接続を示す概略的な斜視図 本発明の実施の形態３にかかるプラズマ処理装置の電気的な接続を示す概略的な斜視図 本発明の実施の形態４にかかるプラズマ処理装置の電気的な接続を示す概略的な斜視図 本発明の実施の形態５にかかるプラズマ処理装置の整合回路の構成を示す回路図 本発明の実施の形態５にかかるプラズマ処理装置の電気的な接続を示す概略的な斜視図

以下、本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１にかかるプラズマ処理装置について図１〜４を参照しながら説明する。

図１Ａは、本発明の実施の形態１にかかるプラズマ処理装置の構成を概略的に示すものであって、具体的には、詳細は後述するが、プラズマ処理装置における誘導結合型プラズマトーチユニットの開口の長手方向（Ｙ軸方向）に対して直交する断面を示す断面図である。また、図１Ｂは、誘導結合型プラズマトーチユニットの開口の長手方向（Ｙ軸方向）に対して平行であって、且つプラズマ処理される対象の基材に直交する断面図である。すなわち、図１Ｂは、図１Ａに示すＡ−Ａ線に沿った断面を示している。さらに、図２は、図１Ａおよび図１Ｂに示す誘導結合型プラズマトーチユニットの分解図である。

図１Ａ及び図１Ｂはまた、処理対象の基材１に対してプラズマ処理中の誘導結合型プラズマトーチユニットＴ（以下、「プラズマトーチユニットＴ」と称する）を示している。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、基材１のプラズマトーチユニットＴ側の表面には薄膜２が形成されている。

プラズマトーチユニットＴは、プラズマＦを発生させるための第１の放電用コイル３と、誘電体製の第１のセラミックスブロック４と、誘電体製の第２のセラミックスブロック５とを有する。

第１の放電用コイル３は、円形断面を備える銅管と、銅管を覆い、長方形（または正方形）断面を備える銅ブロックとによって構成されている。また、第１の放電用コイル３は、第１のセラミックスブロック４の近傍に配置されている。

第１のセラミックスブロック４と第２のセラミックスブロック５は互いに接触し、その間にチャンバ７と、チャンバ７に連通するスロット状の開口８とを画定する。

具体的には、チャンバ７及び開口８は、基材１の薄膜２側の表面（プラズマに曝露される面）に対して直交する平面（Ｙ−Ｚ平面）に沿って設けられている。開口８は、チャンバ７及び開口８に沿う平面（Ｙ−Ｚ平面）に対して、且つ、基材１の薄膜２側の表面に対して平行な方向（Ｙ軸方向）に長いスロット状の開口である。

また、開口８は、その開口縁を含む平面が基材１の薄膜２側の表面に対して平行になるように基材１に対して相対的に配置され、プラズマ処理時、基材１の薄膜２側の表面に近接配置される。その結果、開口８は基材１によって実質的に塞がれ、チャンバ７内は実質的に閉じた空間にされる。すなわち、開口８の周縁部分と基材１の薄膜２側の表面は、接触することなく可能な限り接近している。

第１の放電用コイル３は、その中心軸が基材１の薄膜２側の表面に対して平行に延在するように、且つ、チャンバ７及び開口８に沿う平面（Ｙ−Ｚ平面）に対して直交するように構成されている（言い換えれば、Ｘ軸方向に第１の放電用コイル３の中心軸は延在する）。すなわち、第１の放電用コイル３の一巻きの素線を含む平面が、基材１の薄膜２側の表面に対して直交し、且つ、チャンバ７及び開口８に沿う平面（Ｙ−Ｚ平面）に対して平行になるように、第１の放電用コイル３が設けられている。

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（図示せず）によって囲まれている。それにより、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、本実施の形態１の場合、第１のセラミックスブロック４の一つの平面と、第２のセラミックスブロック５に設けた溝によって画定されている。また、第１のセラミックスブロック４と第２のセラミックスブロック５は、誘電体であって互いに貼り合わされている。そのため、チャンバ７は、開口８を除いて誘電体に囲まれている。

また、チャンバ７は、環状に構成されている。ここで言う「環状」は、無端状を意味し、円形に限定されるものではない。例えば、チャンバ７は、開口８と連通し、開口８の長手方向（Ｙ軸方向）に延在する直線部７ａと、直線部７ａに対して平行に距離をあけて延在する直線部７ｂと、２つの直線部７ａ、７ｂの両端それぞれを連結する直線部７ｃ、７ｄとを備える。なお、図１（ｂ）においては、チャンバ７の直線部７ａ、７ｂは直線部７ｃ、７ｄに比べて長いように図示されているが、これに限らない。直線部７ａ、７ｂは直線部７ｃ、７ｄに比べて短くてもよく、また同一の長さであってもよい。

図１Ａ、図１Ｂ、および図２に示すように、第２のセラミックスブロック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を介してプラズマガスマニホールド９にガスが供給される。供給されたガスは、第２の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プラズマガス供給穴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、環状のチャンバ７内において、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を流れるガスの流量は、その上流に設けられたマスフローコントローラなどの流量制御装置（図示せず）によって制御される。

本実施の形態１の場合、プラズマガス供給穴１１は、図２に示すように、１つであって、第２のセラミックスブロック５における第１のセラミックスブロック４と接触する表面に形成され、プラズマガスマニホールド９からチャンバ７に向かって延在する幅広な溝と、その溝に対向する第１のセラミックスブロック４の平面とで構成されている。これに代わって、プラズマガスマニホールド９からチャンバ７に向かって延在し、円形断面を備えるプラズマ供給穴を、開口８の延在方向（Ｙ軸方向）に複数並べてもよい。

このような構成のプラズマトーチユニットＴによれば、第１の放電用コイル３に交流電力が印加されると、プラズマガス供給配管１０、プラズマガスマニホールド９、及びプラズマガス供給穴１１を介してプラズマガスが供給されたチャンバ７内に交流電磁界が発生する。それにより、チャンバ７内、すなわち第１のセラミックスブロック４、第２のセラミックスブロック５、及び基材１によって囲まれた空間内にプラズマＦが発生する。発生したプラズマＦは、開口８を介して基材１に曝露される。

基材１は、図１Ｂに示すように、トレー状の基材ホルダ１２上に載置される。具体的には、基材ホルダ１２は、基材１の外形と略相似であってわずかに小さい形状の断面を備える貫通穴と、基材１の外形と略相似であってわずかに大きい座ぐり部とを備える。貫通穴は、座ぐり部と連通している。このような、基材ホルダ１２の座ぐり部に基材が配置される。

なお、この基材ホルダ１２の座ぐり部の深さは、基材１の厚さと略等しくされている。その結果、基材ホルダ１２のプラズマトーチユニットＴ側の表面（座ぐり部を除く表面部分）と、基材１の薄膜２側の表面とが略同一平面上に位置する。

その結果、プラズマトーチユニットＴの開口８の前方を横切るように、具体的には開口８と基材ホルダ１２の表面とを平行に維持した状態で、基材ホルダ１２をプラズマトーチユニットＴに対して相対的に移動させた場合、開口８と基材ホルダ１２とが対向するときにチャンバ７内に発生するプラズマの状態と、開口８と基材１とが対向するときにチャンバ７内に発生するプラズマの状態とが略一定になる。すなわち、開口８と基材ホルダ１２の間の距離と開口８と基材１の間の距離との違いによって生じるプラズマの揺動を抑えることができる。

導体部材としての第２の放電用コイル１３が第２のセラミックスブロック５の近傍に配置されている。具体的には、第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５を挟んで（すなわちチャンバ７を挟んで）、第１の放電用コイル３に対向するように、第２の放電用コイル１３が配置されている。

第２の放電用コイル１３は、第１の放電用コイル３と同様に、円形断面を備える銅管と、銅管を覆い、長方形（または正方形）断面を備える銅ブロックとによって構成されている。

また、第２の放電用コイル１３は、その中心軸が基材１の薄膜２側の表面に対して平行に延在するように、且つ、チャンバ７及び開口８に沿う平面（Ｙ−Ｚ平面）に対して直交するように構成されている（言い換えれば、Ｘ軸方向に第２の放電用コイル１３の中心軸は延在する）。すなわち、第２の放電用コイル１３の一巻きの素線を含む平面が、基材１の薄膜２側の表面に対して直交し、且つ、チャンバ７及び開口８に沿う平面（Ｙ−Ｚ平面）に対して平行になるように、第２の放電用コイル１３が設けられている。なお、第１の放電用コイル３の中心軸と第２の放電用コイル１３の中心軸は、同一直線上に位置するのが好ましい。

第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３内の銅管の内部には、冷媒が流れる。また、その銅管を覆う第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３の銅ブロックは、接着剤（図示せず）によって第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５に接着されている。このように、第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３が長方形（または正方形）の断面を備えることにより、第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５に対して平面接触することができ、それによりこれらを接着する接着剤をできるだけ薄くすることができる。また、第１の放電用コイル３と第１のセラミックスブロック４との間及び第２の放電用コイル１３と第２のセラミックスブロック５との間において、良好な熱伝導が確保される。その結果、第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３の銅管に水などの冷媒を流すことにより、第１の放電用コイル３、第２の放電用コイル１３、第１のセラミックスブロック４、及び第２のセラミックスブロック５を良好に冷却することができる。

プラズマトーチユニットＴのスロット状の開口８は、例えば、細長い長方形状である。そのような開口８に薄膜２側の表面が対向するように、基材１が配置される。基材１を開口８に対向配置する前に、チャンバ７内にプラズマＦを発生させる。すなわち、チャンバ７内にガスを供給することによって開口８からガスを噴出させつつ、交流電源（図示せず）によって第１の放電用コイル３に例えば４ＭＨｚの交流電力（高周波電力）を供給することにより、チャンバ７内にプラズマＦを発生させる。この状態で、基材ホルダ１２を移動させることによって基材１をプラズマトーチユニットＴの開口８の前方を横切らせ、開口８近傍のプラズマＦを基材１の薄膜２側の表面に曝露させる。

具体的には、開口８と基材１の薄膜２側の表面とを平行に維持した状態で該開口８の長手方向（Ｙ軸方向）に直交する方向（Ｘ軸方向）に、チャンバ７に対して基材１を相対的に移動させる。すなわち、プラズマトーチユニットＴ及び基材１の少なくとも一方を移動させる。

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品の寿命などを考えると、不活性ガスが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）。

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＋Ｈ_２ガス中のＨ_２濃度＝０〜１０％、高周波電力＝０．５〜５０ｋＷ程度の値が適当である。ただし、これらの諸量のうち、ガス流量及び電力は、プラズマトーチユニットＴの開口８の長手方向（Ｙ軸方向）の長さ１００ｍｍ当たりの値である。したがって、ガス流量や電力などのパラメータは、開口８の長手方向の長さが１００ｍｍに比べて短いまたは長い場合、それに比例して調整する必要がある。

プラズマトーチユニットＴの開口８の長手方向（Ｙ軸方向）の大きさは、基材１の大きさ（基材１の相対移動方向（Ｘ軸方向）に直交する方向の大きさ）と略等しい。したがって、開口８と基材１の薄膜２側の表面とを平行に維持した状態で該開口８の長手方向（Ｙ軸方向）に直交する方向（Ｘ軸方向）に、チャンバ７に対して基材１を相対的に移動させると、基材１全体がプラズマＦによって処理される。

本実施の形態１の場合、基材１を保持する基材ホルダ１２が移動することにより、チャンバ７に対して基材１が相対的に移動する。例えば、図１Ａに示すように、基材ホルダ１２は、移動させる移動機構としての複数のローラ５０によって搬送される。複数のローラ５０は、基材ホルダ１２の移動方向（Ｘ軸方向）と直交する方向に延在する回転中心線を中心として回転可能であって、基材ホルダ１２の移動方向（Ｘ軸方向）に並んでいる。このような回転するローラ５０の外周面に接触することにより、基材ホルダ１２は搬送される。

なお、基材１が、基材ホルダ１２を介することなく、複数のローラ５０によって直接的に搬送されてもよい。また、基材１（あるいは基材１を保持する基材ホルダ１２）をチャンバ７に対して相対移動させる移動機構は、ローラ５０に限らず、ロボット、リニアスライダなどであってもよい。

また、プラズマＦの温度、電子密度、活性粒子密度が高い、すなわちプラズマトーチユニットＴの開口８に近いプラズマＦの部分が基材１の薄膜２側の表面に曝露されるため、基材１を高速処理、あるいは、高温処理することができる。

図３は、第１の放電用コイル３と交流電源（高周波電源）（図示せず）との間に設けられる、本実施の形態１にかかるインピーダンスマッチング用の整合回路１８の構成を示す回路図である。

図３に示すように、整合回路１８の入力端子１９と高周波電源とが、例えば同軸ケーブル（図示せず）を介して接続される。整合回路１８の出力端子２０は、後述するように、第１の放電用コイル３に接続される。

また、整合回路１８の入力端子１９は、第１の可変コンデンサ２１を介して接地されている。さらに、入力端子１９は、直列に接続された第２の可変コンデンサ２２及び整合用固定コイル２３とを介して、出力端子２０に接続されている。

図４は、図１Ａ、図１Ｂ、及び図２に示すプラズマトーチユニットＴに対する電気的な接続を示す斜視図である。

図４に示すように、第１の放電用コイル３の一端１４が、整合回路１８の出力端子２０に接続されている。一方、第１の放電用コイル３の他端１５は、高電圧発生用コンデンサ２４を介して接地されている。高電圧発生用コンデンサ２４は、可変コンデンサである。

第２の放電用コイル１３の一端１６は、接地されている。一方、第２の放電用コイル１３の他端１７は、電気的に浮いている。これに代わって、第２の放電用コイル１３の他端は、接地されてもよい。あるいは、第２の放電用コイル１３は接地されていなくてもよい。また、第１の放電用コイル３と対向する導体部材は、第２の放電用コイル１３ではなく、他の形状の導体部材、例えば、リング状の導体部材、矩形板状の導体部材などであってもよい。

このような構成のプラズマトーチユニットＴにおいて、狭い空間（チャンバ７）を挟んで、相対的に高電位の第１の放電用コイル３と、第１の放電用コイル３に比べて低電位の第２の放電用コイル１３が対向し合う。高周波電力を第１の放電用コイル３に供給することによって第１の放電用コイル３が第２の放電用コイル１３に比べて高電位になれば、環状のチャンバ７全体にわたって高電界が生じ、その結果、プラズマＦが着火する。

本実施の形態１のような誘導結合型プラズマトーチを有するプラズマ処理装置は、多くの場合、容量結合モードでプラズマを着火させた後、誘導結合モードへのモードジャンプを経て運転される。ここで言う「モードジャンプ」とは、プラズマが低温・低電子密度の容量結合モードと高温・高電子密度の誘導結合モードとの間で不連続な状態変化を起こす現象を言う。大気圧下における容量結合モードの放電は狭い空間において起こりやすいことから、本構成によれば、比較的容易に容量結合モードのプラズマが得られる。

ここで、第１の放電用コイル３に生じる高周波電圧について考察する。

まず、第１の放電用コイル３のインダクタンスは、その形状に依存するが、例えばＬ_１＝１．７μＨである。第１の放電用コイル３に供給される高周波電力の周波数がｆ＝４ＭＨｚである場合、第１の放電用コイル３のインピーダンスはＺ＝２πｆＬ_１＝４３Ωになる。また、整合回路１８の出力端子２０から負荷側（第１のコイル３側）を見たときのインピーダンスの実部は、第１のコイル３の形状やプラズマトーチユニットＴの構造に依存するが、例えばＲ＝１０Ωである。したがって、例えば、Ｐ＝３０ｋＷの高周波電力を第１の放電用コイル３に供給したときに第１のコイル３に流れる電流はＩ＝（Ｐ／Ｒ）^１／２＝５５Ａである。その結果、第１の放電用コイル３の端子間電圧（一端１４と他端１５との間の電圧差）は、Ｖ＝ＺＩ＝２．４ｋＶである。

第１の放電用コイル３に供給される高周波電力の周波数が、４ＭＨｚと異なり、１３，５６ＭＨｚである場合、第１の放電用コイル３の端子間電圧は、Ｖ＝７．９ｋＶになる。

したがって、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を用いた場合に比べて、４ＭＨｚの高周波電力を用いた場合は、第１の放電用コイル３の端子間電圧が小さくなる。

本実施の形態１のように高電位の第１の放電用コイル３と低電位の第２の放電用コイル１３との間に挟まれたチャンバ７内にプラズマＦを発生させる場合、第１の放電用コイル３の端子間電圧が高いほど大気圧下でプラズマＦを安定して着火させることができる。言い換えると、第１の放電用コイル３に供給する高周波電力の周波数が高いほど、プラズマＦを安定して着火させることができる。

しかしながら、高電位の第１の放電用コイル３と低電位の第２の放電用コイル１３との間には、チャンバ７を画定する誘電体製の第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５が存在する。アルミナ、窒化ケイ素などのセラミックス材料の耐電圧は、１０ｋＶ／ｍｍのオーダーであるため、例えば高い冷却効率を実現するために第1のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５の厚さが小さい場合、これらが絶縁破壊する可能性がある。

このように、第１の放電用コイル３に供給する高周波電力の周波数を高くすると、プラズマＦの着火性は向上するが、チャンバ７を画定する誘電体製の第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５が絶縁破壊する可能性がある。

そこで、発明者は、プラズマの着火性と誘電体の絶縁破壊の抑制の両立を図るために以下のことを考えた。すなわち、第１の放電用コイル３に供給する高周波電力の周波数を誘電体の絶縁破壊が起こらない比較的低い周波数で維持する条件の下で、プラズマＦを着火するときにおいては第１の放電用コイル３の電圧を相対的に上げてチャンバ７内に生じる電界を強め、着火後の誘導結合モードでの運転中においては第１の放電用コイル３の電圧を相対的に下げることを考えた。

具体的には、まず、プラズマＦを着火する着火シーケンスにおいて、高電圧発生用コンデンサ２４の容量を小さく調整する、例えば、１２５ｐＦに調整する。このとき、上述したように第１の放電用コイル３のインダクタンスをＬ_１＝１．７μＨ、第１の放電用コイル３に供給する高周波電力の周波数をｆ＝４ＭＨｚとすると、第１の放電用コイル３と高電圧発生用コンデンサ２４の合成インピーダンスは、Ｚ＝１／（２πｆＣ）−２πｆＬ_１＝２８０Ωである。ここで、高周波電力が例えばＰ＝５ｋＷである場合、第１のコイル３の一端１４に発生する電圧は、Ｖ＝ＺＩ＝Ｚ・（Ｐ／Ｒ）^１／２＝６．２ｋＶとなり、５ｋＷという小さな電力でも着火させるに十分な高電圧を得ることができる。

一度プラズマＦが着火すれば、第１の放電用コイル３の電圧がある程度低下してもプラズマＦが失火することがないため、プラズマＦの着火後に高電圧発生用コンデンサ２４の容量を１２５ｐＦに比べて大きくなるように、例えば５００ｐＦに調整する。このとき、第１の放電用コイル３と高電圧発生用コンデンサ２４の合成インピーダンスは、Ｚ＝１／（２πｆＣ）−２πｆＬ_１＝３７Ωであり、第１の放電用コイル３の一端１４に発生する電圧は、Ｖ＝ＺＩ＝Ｚ・（Ｐ／Ｒ）^１／２＝０．８３ｋＶと非常に小さくなる。

その後、高周波電力を、容量結合モードから誘導結合モードへのモードジャンプが起こるのに十分な大きさ、例えば、Ｐ＝３０ｋＷに上げる。このときの第１の放電用コイル３の一端１４に発生する電圧は、Ｖ＝ＺＩ＝Ｚ・（Ｐ／Ｒ）^１／２＝２．０ｋＶとなり、誘電体製の第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５の絶縁破壊が起こる心配がないほど十分に低い電圧でプラズマ処理を実行することができる。

上記の発明者の考えに基づいて、プラズマ処理装置は、第１の放電用コイル３に比較的低い周波数（例えば４ＭＨｚ）の高周波電力を供給するとともに、以下の運転シーケンスを実行するように構成される。

プラズマ処理装置の運転シーケンスは、
（１）高電圧発生用コンデンサ２４のインピーダンス値を第１のインピーダンス値（例えば３２０Ω）に調整するためにその容量値を第１の容量値（３２０Ωに対応する１２５ｐＦ）に調整するとともに、高周波電力の電力値を第１の電力値（例えば５ｋＷ）に設定する第１のステップ、
（２）第１の放電用コイル３に高周波電力を供給してプラズマＦを着火する第２のステップ、
（３）プラズマＦの着火後に、高電圧発生用コンデンサ２４のインピーダンス値が第１のインピーダンス値に比べて小さい第２のインピーダンス値（例えば８０Ω）になるように、高電圧発生用コンデンサ２４の容量値を第２の容量値（８０Ωに対応する５００ｐＦ）に調整する第３のステップ、および、
（４）高周波電力の電力値を第１の電力値に比べて大きい第２の電力値（例えば３０ｋＷ）に設定する第４のステップ、を含んでいる。

なお、これらの動作シーケンスを実行するために、プラズマ処理装置は、第１の放電用コイル３に供給する交流電力（高周波電力）の電力値が変更可能な交流電源（図示せず）と、高電圧発生用コンデンサ２４の容量を変化させるための容量制御ユニット（図示せず）とを有する。

このような運転シーケンスをプラズマ処理装置が実行することにより、プラズマＦの着火性と誘電体（第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５）の絶縁破壊の抑制の両立を図ることができる。

なお、比較的低い周波数の高周波電力を第１の放電用コイル３に供給するメリットは他にもある。

例えば大きな基材１を処理する場合、それに対応してプラズマトーチユニットＴの開口８の長手方向（Ｙ軸方向）のサイズを大きくする必要がある、すなわちチャンバ７を大きな空間にする必要がある。その大きなチャンバ７全体にプラズマＦが発生するように、第１の放電用コイル３の大きさ、すなわち素線の長さを長くしなければならない。

素線の長さが長くなると第１の放電用コイル３のインダクタンスが増加するため、第１の放電用コイル３の端子間電圧が高くなり、その結果、誘電体製の第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５の絶縁破壊のリスクが高まる。

しかし、第１の放電用コイル３のインピーダンス及び端子間電圧は、その第１の放電用コイル３に供給される高周波電力の周波数に比例するため、比較的低い周波数の高周波電力を用いることによって第１の放電用コイル３の端子間電圧を下げることができる。

また、整合時においては、整合回路１８の入力端子１９から負荷までの直列回路が略直列共振状態になるため、整合回路１８の整合用固定コイル２３のインダクタンスを適当に選択する（整合用固定コイル２３と第１の放電用コイル３の合成インダクタンスが高くなり過ぎないようにする）ことにより、第２の可変コンデンサ２２や高電圧発生用コンデンサ２４の端子間電圧を小さく抑えることができる。

さらなる他のメリットとして、例えば、第１の放電用コイル３から放射される高周波電磁界によって導電性の基材１または薄膜２に生じる渦電流の抑制を図ることができる。これにより、例えば基材１上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの微細デバイスが形成されている場合、その微細デバイスの渦電流による破壊が抑制される。

なお、整合回路１８の第２の可変コンデンサ２２と高電圧発生用コンデンサ２４の両方を容量を調整可能な可変コンデンサとし、整合用固定コイル２３をインダクタンスが一定の固定コイルとしているが、これに限らない。

例えば、第２の可変コンデンサ２２の代わりに容量が固定の固定コンデンサを用いてもよい。または、整合用固定コイル２３の代わりにインダクタンスを調整可能な可変インダクタを用いてもよい。あるいは、第２の可変コンデンサ２２を用いず、且つ、整合用固定コイル２３の代わりに設けられた可変インダクタと、高電圧発生用コンデンサ２４とによって整合状態を得てもよい。

また、第１の放電用コイル３に供給される高周波電力が比較的小さい場合、高電圧発生用コンデンサ２４が、固定コンデンサであってもよい。すなわち、固定コンデンサである高電圧発生用コンデンサ２４の容量値と第１の放電用コイル３に供給される高周波電力の電力値とが、プラズマＦを着火でき、且つ、誘電体製の第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５の絶縁破壊を抑制することができる値に適当に設定される。

あるいは、第２の放電用コイル１３の一端１６を直接的に接地することに代わって、インピーダンスがごく小さいコイルやキャパシタを介して接地してもよい。また、高周波電力は、図２に示すように溝が形成されていない第１のセラミックスブロック４に貼り付けられた第１の放電用コイル３に供給されているが、これに代わって、溝が形成されている第２のセラミックスブロック５に貼り付けられた第２の放電用コイル１３に供給されてもよい。

また、プラズマの発生を検知するプラズマ発生検知装置として、例えば、プラズマの発光を検出するフォトダイオード、トーチの温度を検出する温度計、ダミーの基材の温度を検出する温度計、基材を保持するトレーの温度を検出する温度計などをプラズマ処理装置は有してもよい。これらのプラズマ発生検知装置の検知結果に基づいて、高電圧発生用コンデンサ２４の容量を変化させる高電圧制御ユニット（図示せず）をプラズマ処理装置は備えてもよい。例えば、高電圧制御ユニットは、上述の動作シーケンスを実行するために、プラズマＦの着火後（プラズマＦの発生の検出後）、高電圧発生用コンデンサ２４の容量値を第１の容量値から第２の容量値に調整するように構成されている。

さらに、第１の放電用コイル３に供給される高周波電力の周波数は、１０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であることが望ましい。１０ｋＨｚに比べて低い場合、高電圧発生用コンデンサ２４は数万ｐＦの容量が必要になり、このような高容量で且つ高耐圧のコンデンサは入手が極めて困難である。一方、１０ＭＨｚに比べて高い場合、このような高周波電力が供給されるコイルの端子間電圧が高くなり、常にコイルに高電圧が印加された状態が維持される。そのため、上述したような比較的低い周波数の高周波電力をコイルに供給することによる利点が損なわれる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図５を参照しながら説明する。なお、プラズマトーチユニットＴ及び整合回路１８の構成は、上述の実施の形態１のものと同一である。

図５は、本実施の形態２にかかるプラズマトーチユニットＴに対する電気的な接続を示す斜視図である。

図５に示すように、第１の放電用コイル３の一端１４が、整合回路１８の出力端子２０に接続されている。一方、第１の放電用コイル３の他端１５は、高電圧発生用コンデンサ２５を介して第２の放電用コイル１３の他端１７に接続されている。高電圧発生用コンデンサ２５は、可変コンデンサである。第２の放電用コイル１３の一端１６は接地されている。

なお、第２の放電用コイル１３の一端１６は接地されていなくてもよい。また、第１の放電用コイル３と対向する導体部材は、第２の放電用コイル１３ではなく、他の形状の導体部材、例えば、リング状の導体部材、矩形板状の導体部材などであってもよい。

本実施の形態２においても、第２の放電用コイル１３のインピーダンスが十分小さいため、第２のコイル１３の電圧は相対的に低くなる。第１の放電用コイル３と第２の放電用コイル１３とを接続する高電圧発生用コンデンサ２５の容量を十分小さくすることにより、第１の放電用コイル３の電圧が相対的に高くなり、第１の放電用コイル３と第２の放電用コイル１３との間に大きな電位差が生じる。その結果、第１の放電用コイル３に供給される高周波電力が低くても、プラズマＦを容易に着火することができる。

また、一度プラズマＦが着火すれば、第１のコイル３の電圧がある程度低下してもプラズマＦが失火することがないため、プラズマＦの着火後に高電圧発生用コンデンサ２５の容量を増加するように調整する。その後、高周波電力を、容量結合モードから誘導結合モードへのモードジャンプが起こるのに十分な大きさになるように上げる。

このように、第１の放電用コイル３に供給する高周波電力の周波数を比較的低い周波数に維持しながら、高電圧発生用コンデンサ２５のインピーダンス値を第１のインピーダンス値に調整するとともに、高周波電力の電力値を第１の電力値に設定する第１のステップと、第１の放電用コイル３に高周波電力を供給してプラズマＦを着火する第２のステップと、プラズマＦの着火後に、高電圧発生用コンデンサ２５のインピーダンス値を第１のインピーダンス値に比べて小さい第２のインピーダンス値に調整する第３のステップと、高周波電力の電力値を第１の電力値に比べて大きい第２の電力値に設定する第４のステップとを含む運転シーケンスを、プラズマ処理装置は実行する。

これにより、プラズマＦの着火性と誘電体（すなわち、第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５）の絶縁破壊の抑制の両立を図ることができる。

本実施の形態２においては、第１の放電用コイル３と第２の放電用コイル１３が第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５を挟んだ状態で対向配置され、且つチャンバ７から離れた位置で高電圧発生用コンデンサ２５を介して直列に接続されている。そのため、高周波電力が供給されたときに第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３それぞれがチャンバ７内に発生させる高周波電磁界の向きが互い等しくなるように、第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３は構成されている。したがって、実施の形態１に比べて、同一の高周波電力が供給された場合、チャンバ７内に発生する電磁界の強度が強く、プラズマＦが着火しやすい。

なお、上述の本実施の形態２の運転シーケンスにおいては、高電圧発生用コンデンサ２５の第１のインピーダンス値に比べて第２のインピーダンス値が小さいが、場合によっては大小関係が逆の場合もありうる。

すなわち、第１の放電用コイル３に供給する高周波電力の周波数を比較的低い周波数に維持しながら、高電圧発生用コンデンサ２５のインピーダンス値を第１のインピーダンス値に調整するとともに、高周波電力の電力値を第１の電力値に設定する第１のステップと、第１の放電用コイル３に高周波電力を供給してプラズマＦを着火する第２のステップと、プラズマＦの着火後に、高電圧発生用コンデンサ２５のインピーダンス値を第１のインピーダンス値に比べて大きい第２のインピーダンス値に調整する第３のステップと、高周波電力の電力値を第１の電力値に比べて大きい第２の電力値に設定する第４のステップとを含む運転シーケンスを実行することが、場合によってはありうる。このような場合について、詳しく説明する。

典型な例は、第１のコイル３及び第２のコイル１３のインダクタンスが比較的大きい場合である。このような場合、第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３の合成インダクタンスをキャンセルした上で、さらに大きな容量性インピーダンスを得るためには、高電圧発生用コンデンサ２５の容量を極端に小さくする必要がある。しかしながら、上述したように、プラズマＦの着火後に高電圧発生用コンデンサ２５の容量を大きくすることを考慮すると、その容量を極端に小さくすることには限界がある。その理由は、大容量の可変コンデンサは、極端に小さい容量に設定することができないためである。

例えば、第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３のインダクタンスが、ともにＬ_１＝Ｌ_２＝２．５μＨである場合を考える。第１放電用のコイル３に供給する高周波電力の周波数がｆ＝４ＭＨｚである場合、第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３の合成インピーダンスはＺ＝２πｆＬ_１＋２πｆＬ_２＝１２６Ωとなる。また、整合回路１８の出力端子２０から負荷側（第１の放電用コイル３側）を見たときのインピーダンスの実部をＲ＝１０Ωとする。

着火シーケンスにおいて、高電圧発生用コンデンサ２５の容量を大きく、例えば、２５００ｐＦに調整する。このとき、第１の放電用コイル３、高電圧発生用コンデンサ２５、及び第２の放電用コイル１３の合成インピーダンスは、Ｚ＝２πｆＬ_１＋２πｆＬ_２−１／（２πｆＣ）＝１１０Ωである。したがって、高周波電力がＰ＝５ｋＷである場合、第１の放電用コイル３の一端１４に発生する電圧は、Ｖ＝ＺＩ＝Ｚ・（Ｐ／Ｒ）^１／２＝２．５ｋＶとなり、５ｋＷという小さな電力でも着火させるに十分な高電圧を得ることができる。

一度プラズマＦが着火すれば、第１の放電用コイル３の電圧がある程度低下してもプラズマＦが失火することがないため、プラズマＦの着火後に高電圧発生用コンデンサ２５の容量を２５００ｐＦに比べて小さく、例えば、５００ｐＦに調整する。このとき、第１の放電用コイル３、高電圧発生用コンデンサ２５、及び第２の放電用コイル１３の合成インピーダンスは、Ｚ＝２πｆＬ_１＋２πｆＬ_２−１／（２πｆＣ）＝４６Ωであり、第１の放電用コイル３の一端１４に発生する電圧は、Ｖ＝ＺＩ＝Ｚ・（Ｐ／Ｒ）^１／２＝１．０ｋＶと非常に小さくなる。

その後、高周波電力を、容量結合モードから誘導結合モードへのモードジャンプが起こるのに十分な大きさ、例えば、Ｐ＝３０ｋＷに上げる。このときの第１の放電用コイル３の一端１４に発生する電圧は、Ｖ＝ＺＩ＝Ｚ・（Ｐ／Ｒ）^１／２＝２．５ｋＶとなり、誘電体製の第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５の絶縁破壊が起こる心配がないほど十分に低い電圧でプラズマ処理を実行することができる。

このように、第１の放電用コイル３に供給する高周波電力の周波数を比較的低い周波数に維持しながら、高電圧発生用コンデンサ２５のインピーダンス値を第１のインピーダンス値に調整するとともに、高周波電力の電力値を第１の電力値に設定する第１のステップと、第１の放電用コイル３に高周波電力を供給してプラズマＦを着火する第２のステップと、プラズマＦの着火後に、高電圧発生用コンデンサ２５のインピーダンス値を第１のインピーダンス値に比べて大きい第２のインピーダンス値に調整する第３のステップと、高周波電力の電力値を第１の電力値に比べて大きい第２の電力値に設定する第４のステップとを含む運転シーケンスを実行しても、プラズマＦの着火性と誘電体（すなわち、第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５）の絶縁破壊の抑制の両立を図ることができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図６を参照しながら説明する。なお、プラズマトーチユニットＴ及び整合回路１８の構成は、上述の実施の形態１のものと同一である。

図６は、本発明の実施の形態３にかかるプラズマトーチユニットＴに対する電気的な接続を示す斜視図である。図６に示すように、第１の放電用コイル３の一端１４は、整合回路１８の出力端子２０に接続されている。一方、第１の放電用コイル３の他端１５は、高電圧発生用コイル２６を介して接地されている。高電圧発生用コイル２６は、可変インダクタである。第２の放電用コイル１３の一端１６は接地されている。一方、第２の放電用コイル１３の他端１７は、電気的に浮いている。これに代わって、第２の放電用コイル１３の他端１７は接地されてもよい。また、第２の放電用コイル１３は接地されていなくてもよい。さらに、第２の放電用コイル１３に代わって、他の形状の導体部材、例えば、リング状の導体部材、矩形板状の導体部材などであってもよい。

本実施の形態３においては、実施の形態１で使用された高電圧発生用コンデンサ２４と異なり、図６に示すように高電圧発生用コイル２６が使用されている。

実施の形態１と同様に、本実施の形態３における第１の放電用コイル３のインダクタンスがＬ_１＝１．７μＨであって、整合回路１８の出力端子２０から負荷側（第１の放電用コイル３側）を見たときのインピーダンスの実部がＲ＝１０Ωであるとする。

まず、プラズマＦを着火する着火シーケンスにおいて、高電圧発生用コイル２６のインダクタンスを大きく、例えば、Ｌ＝６μＨに調整する。このとき、第１の放電用コイル３に供給する高周波電力の周波数が４ＭＨｚである場合、第１の放電用コイル３と高電圧発生用コイル２６の合成インピーダンスは、Ｚ＝２πｆＬ_１＋２πｆＬ＝１９０Ωである。ここで、高周波電力がＰ＝５ｋＷである場合、第１の放電用コイル３の一端１４に発生する電圧は、Ｖ＝ＺＩ＝Ｚ・（Ｐ／Ｒ）^１／２＝４．２ｋＶとなり、５ｋＷという小さな電力でも着火させるに十分な高電圧を得ることができる。

一度プラズマＦが着火すれば、第１の放電用コイル３の電圧がある程度低下してもプラズマＦが失火することがないため、プラズマＦの着火後に高電圧発生用コイル２６のインダクタンスが６μＨに比べて小さくなるように、例えば、Ｌ＝１μＨに調整される。このとき、第１の放電用コイル３と高電圧発生用コイル２６の合成インピーダンスは、Ｚ＝２πｆＬ_１＋２πｆＬ＝６８Ωであり、第１の放電用コイル３の一端１４に発生する電圧は、Ｖ＝ＺＩ＝Ｚ・（Ｐ／Ｒ）^１／２＝１．５ｋＶと非常に小さくなる。

その後、高周波電力を、容量結合モードから誘導結合モードへのモードジャンプが起こるのに十分な大きさ、例えば、Ｐ＝３０ｋＷに上げる。このときの第１の放電用コイル３の一端１４に発生する電圧は、Ｖ＝ＺＩ＝Ｚ・（Ｐ／Ｒ）^１／２＝３．７ｋＶとなり、誘電体製の第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５の絶縁破壊が起こる心配がないほど十分に低い電圧でプラズマ処理を実行することができる。

本実施の形態３にかかるプラズマ処理装置は、第１の放電用コイル３に比較的低い周波数（例えば４ＭＨｚ）の高周波電力を供給するとともに、以下の運転シーケンスを実行するように構成される。プラズマ処理装置の運転シーケンスは、（１）高電圧発生用コイル２６のインピーダンス値を第１のインピーダンス値（例えば１５０Ω）に調整するためにそのインダクタンス値を第１のインダクタンス値（１５０Ωに対応する６μＨ）に調整するとともに、高周波電力の電力値を第１の電力値（例えば５ｋＷ）に設定する第１のステップ、（２）第１の放電用コイル３に高周波電力を供給してプラズマＦを着火する第２のステップ、（３）プラズマＦの着火後に、高電圧発生用コイル２６のインピーダンス値が第１のインピーダンス値に比べて小さい第２のインピーダンス値（例えば２５Ω）になるように、そのインダクタンス値を第２のインダクタンス値（２５Ωに対応する１μＨ）に調整する第３のステップ、および、（４）高周波電力の電力値を第１の電力値に比べて大きい第２の電力値（例えば３０ｋＷ）に設定する第３のステップ、を含んでいる。

このような運転シーケンスをプラズマ処理装置が実行することにより、プラズマＦの着火性と誘電体の絶縁破壊の抑制の両立を図ることができる。

なお、整合回路１８の第２の可変コンデンサ２２を可変コンデンサとし、高電圧発生用コイル２６を可変コイルとし、整合用固定コイル２３を固定コイルとしているが、これに限らない。例えば、第２の可変コンデンサ２２の代わりに固定コンデンサを用いてもよい。また、整合用固定コイル２３の代わりに可変インダクタを用いてもよい。あるいは、第２の可変コンデンサ２２を用いず、且つ、整合用固定コイル２３の代わりに設けられた可変インダクタと、高電圧発生用コイル２６とによって整合状態を得てもよい。

また、第１の放電用コイル３に供給される高周波電力が比較的小さい場合、高電圧発生用コイル２６が固定コイルであってもよい。すなわち、固定コイルである高電圧発生用コイル２６のインダクタンス値と第１の放電用コイルに供給される高周波電力の電力値とが、プラズマＦを着火でき、且つ、誘電体製の第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５の絶縁破壊を抑制することができる値に適当に設定される。

あるいは、第２の放電用コイル１３の一端１６を直接的に接地することに代わって、インピーダンスがごく小さいコイルやキャパシタを介して接地してもよい。

また、高周波電力は、図２に示すように溝が形成されていない第１のセラミックスブロック４に貼り付けられた第１の放電用コイル３に供給されているが、これに代わって、溝が形成されている第２のセラミックスブロック５に貼り付けられた第２の放電用コイル１３に供給されてもよい。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図７を参照しながら説明する。なお、プラズマトーチユニットＴ及び整合回路１８の構成は、上述の実施の形態１のものと同一である。

図７は、本実施の形態４にかかるプラズマトーチユニットＴに対する電気的な接続を示す斜視図である。図７に示すように、第１の放電用コイル３の一端１４が、整合回路１８の出力端子２０に接続されている。第１の放電用コイル３の他端１５は、高電圧発生用コイル２７を介して第２の放電用コイル１３の他端１７に接続されている。高電圧発生用コイル２７は、可変インダクタである。第２の放電用コイル１３の一端１６は接地されている。

なお、第２の放電用コイル１３の一端１６は接地されていなくてもよい。また、第１の放電用コイル３と対向する導体部材は、第２の放電用コイル１３ではなく、他の形状の導体部材、例えば、リング状の導体部材、矩形板状の導体部材などであってもよい。

本実施の形態４においても、第２の放電用コイルのインピーダンスが十分小さいため、第２の放電用コイル１３の電圧は相対的に低くなる。高電圧発生用コイル２７のインダクタンスを十分大きくすることにより、第１の放電用コイル３の電圧が相対的に高くなり、第１の放電用コイルと第２の放電用コイルとの間に大きな電位差が生じる。その結果、第１の放電用コイル３に供給される高周波電力が低くても、プラズマＦを容易に着火することができる。

また、一度プラズマＦが着火すれば、第１の放電用コイル３の電圧がある程度低下してもプラズマＦが失火することがないため、プラズマＦの着火後に高電圧発生用コイル２７のインダクタンスを減少するように調整する。その後、高周波電力を、容量結合モードから誘導結合モードへのモードジャンプが起こるのに十分な大きさに上げる。

このように、第１の放電用コイル３に供給する高周波電力の周波数を比較的低い周波数に維持しながら、高電圧発生用コイル２７のインピーダンス値を第１インピーダンス値に調整するとともに、高周波電力の電力値を第１の電力値に設定する第１のステップと、第１の放電用コイル３に高周波電力を供給してプラズマＦを着火する第２のステップと、プラズマＦの着火後に、高電圧発生用コイル２７のインピーダンス値を第１インピーダンス値に比べて小さい第２インピーダンス値に調整する第３のステップと、高周波電力の電力値を第１の電力値に比べて大きい第２の電力値に設定する第４ステップとを含む運転シーケンスをプラズマ処理装置は実行する。

これにより、プラズマＦの着火性と誘電体（すなわち、第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５）の絶縁破壊の抑制の両立を図ることができる。

本実施の形態４においては、第１の放電用コイル３と第２の放電用コイル１３が第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５を挟んだ状態で対向配置され、且つチャンバ７から離れた位置で高電圧発生用コイル２７を介して直列に接続されている。そのため、高周波電力が供給されたときに第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３それぞれがチャンバ７内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、第１の放電用コイル３及び第２の放電用コイル１３は構成されている。したがって、実施の形態３に比べて、同一の高周波電力が供給された場合、チャンバ７内に発生する電磁界の強度が強く、プラズマＦが着火しやすい。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図８及び図９を参照しながら説明する。

図８は、第１の放電用コイル３と高周波電源（図示せず）との間に設けられる、本実施の形態５にかかるインピーダンスマッチング用の整合回路１８の構成を示す回路図である。図８に示すように、整合回路１８の入力端子１９と高周波電源とが同軸ケーブル（図示せず）を介して接続される。整合回路１８の出力端子２０は、後述するように、第１の放電用コイル３に接続される。また、整合回路１８の入力端子１９は、第１の可変コンデンサ２１を介して接地されている。さらに、入力端子１９は、直列に接続された第２の可変コンデンサ２２と調整用コイル２８とを介して、出力端子２０に接続されている。また、高電圧発生用コイル２９が設けられ、一端が第１の接続端子３０に、他端が第２の接続端子３１に接続されている。

図９は、プラズマトーチユニットＴに対する電気的な接続を示す斜視図である。図９に示すように、第１の放電用コイル３の一端１４が、整合回路１８の出力端子２０に接続されている。一方、第1の放電用コイル３の他端１５は、第1の接続端子３０を介して高電圧発生用コイル２９の一端に接続されている。また、第２の放電用コイル１３の一端１７が第２の接続端子３１を介して高電圧発生用コイル２９の他端に接続されている。すなわち、調整用コイル２８、第１の放電用コイル３、高電圧発生用コイル２９の順にこれらは直列に接続されている。第２の放電用コイル１３の他端は接地されている。さらに、調整用コイル２８及び高電圧発生用コイル２９は、可変インダクタである。

本実施の形態５の回路の全体構成は、上述の実施の形態４のものと類似している。しかし、図８に示すように、本実施の形態５の場合、高電圧発生用コイル２９と調整用コイル２８の直列合成インダクタンスを略一定に維持した状態で、高電圧発生用コイル２９のインダクタンスを調整することが可能である。したがって、プラズマＦの着火性と第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５の絶縁破壊の抑制の両立を図ることに加えて、プラズマＦの着火後に高電圧発生用コイル２９のインダクタンスを減少させても第２の可変コンデンサ２２の整合位置がほとんど変化しないため、安定したマッチング状態を得ることができる。

なお、調整用コイル２８及び高電圧発生用コイル２９の代わりに、調整用コンデンサ及び高電圧発生用コンデンサを設けてもよい。この場合、高電圧発生用コンデンサと調整用コンデンサの直列合成キャパシタンスをほぼ一定に維持した状態で、高電圧発生用コンデンサのキャパシタンスを調整することが可能である。したがって、この場合においても、プラズマＦの着火性と第１のセラミックスブロック４及び第２のセラミックスブロック５の絶縁破壊の抑制との両立を図ることができる。また、プラズマＦの着火後に高電圧発生用コンデンサの容量を増加させても第２の可変コンデンサ２２の整合位置がほとんど変化しないため、安定したマッチング状態を得ることができる。

以上、複数の実施の形態を挙げて本発明にかかるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を説明したが、これらの実施の形態は本発明の典型例を例示したものに過ぎない。

例えば、複数の上述の実施の形態のプラズマ処理装置は、固定されたプラズマトーチユニットＴに対して、基材１（基材ホルダ１２）を移動させるように構成されている。これに代わって、プラズマトーチユニットＴを、固定された基材１（基材ホルダ１２）に対して移動させてもよい。すなわち、本発明の実施の形態は、プラズマトーチユニットＴの開口８に対して基材１が相対的に移動すればよい。

また例えば、本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置（プラズマトーチユニット）は、上述の実施の形態のプラズマ処理装置（プラズマトーチユニットＴ）に限定されない。例えば、別の実施の形態にかかるプラズマ処理装置は、中心軸の延在方向が基材の処理対象の表面に直交するように配置されたコイルと、そのコイル内に配置されて該コイル内にチャンバを画定する誘電体部材と、チャンバ内に配置され、誘電体に覆われ、且つ接地されている導電部材とを有し、コイルの一端が交流電圧を供給する交流電源に接続され、コイルの他端が可変コンデンサまたは可変コイルを介して接地されている。このようなプラズマ処理装置であっても、上述の実施の形態１と同様に、プラズマを安定的に着火させることができ、且つ、チャンバを画定する誘電体部材の絶縁破壊を抑制することができる。

また、本発明の実施の形態によれば、基材１の表面近傍を高温処理することができる。

例えば、本発明の実施の形態は、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。また、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、半導体デバイスのＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、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、さまざまな表面処理に適用できる。さらに、太陽電池の製造方法として、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ためにも適用可能である。

また、上述の複数の実施の形態を説明するにあたり、「プラズマ」という用語を使用しているが、プラズマに関して、「熱プラズマ」、「熱平衡プラズマ」、「低温プラズマ」、「高温プラズマ」などの様々な呼称が存在する。しかしながら、これらの呼称のプラズマを厳密に区別することは困難である。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。

広義には、本発明の実施の形態は、基材を熱処理することができるプラズマであればよく、また、そのプラズマを照射することに関する。したがって、本発明の実施の形態は、「熱プラズマ」、「熱平衡プラズマ」、「高温プラズマ」などと呼称されるプラズマに限定されない。

さらに、上述の実施の形態においては基材の表面近傍をごく短時間だけ一様に高温熱処理する場合を説明したが、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。

さらにまた、希ガスまたは希ガスに少量のＨ_２ガスを加えたガスをプラズマガスとして使用し、反応ガスを含むガスをシールドガスとしてプラズマガスの周辺に供給することにより、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、プラズマ中のイオン、電子、中性原子などの温度が略等しく、それらの温度が約１００００Ｋに達する「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。このようなプラズマガスを用いれば、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、極薄の酸化膜形成などが可能となる。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。あるいは、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。本発明の実施の形態のように誘導結合型のプラズマ処理装置によれば、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、基材の処理対象の領域全体を短時間で効率よく処理することができる。

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。具体的には、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、半導体デバイスのＲＴＰ、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可能である。すなわち、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、基材の処理対象の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、基材の処理対象の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
３ 第１のコイル
４ 誘電体部材（第１のセラミックスブロック）
５ 誘電体部材（第２のセラミックスブロック）
７ チャンバ
８ 開口
１１ ガス導入部（プラズマガス供給穴）
１３ 導体部材（第２のコイル）
２４ 電圧発生用コンデンサ
２５ 電圧発生用コイル
５０ 移動機構（ローラ）
Ｐ プラズマ

Claims (9)

1. 環状チャンバを画定する誘電体部材と、
   前記環状チャンバ内にガスを導入するガス導入部と、
   前記誘電体部材の一方側に配置され、交流電力の供給を受けてガスが導入された前記環状チャンバ内にプラズマを発生させる放電用コイルと、
   接地され、前記誘電体部材の他方側に配置され、且つ前記誘電体部材の環状チャンバを挟んで前記放電用コイルと対向する導体部材と、
   前記放電用コイルに交流電圧を供給する交流電源と、
   前記環状チャンバ内に連通し、処理対象の基材に対してプラズマを照射するための開口と、
   前記開口の前方を横切るように前記基材を前記環状チャンバに対して相対移動させる移動機構と、を有し、
   前記放電用コイルが、電圧発生用コンデンサまたは電圧発生用コイルを介して、接地されているまたは前記導体部材に接続され、
   プラズマの発生を検知するプラズマ発生検知装置と、
   プラズマの発生の検知結果に基づいて、前記放電用コイルの電圧がプラズマ発生前に比べて低下するように前記電圧発生用コンデンサの容量または前記電圧発生用コイルのインダクタンスを変化させる高電圧制御ユニットと、をさらに有し、
   前記プラズマ発生検知装置が、プラズマの発光を検出するフォトダイオードまたはプラズマ温度を検出する温度計である、プラズマ処理装置。
2. 前記導体部材が第２の放電用コイルである、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記電圧発生用コンデンサまたは前記電圧発生用コイルとは異なる調整用コンデンサまたは調整用コイルをさらに有し、
   前記調整用コンデンサまたは前記調整用コイル、前記放電用コイル、前記電圧発生用コンデンサまたは前記電圧発生用コイル、の順にこれらが直列に接続されている、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記電圧発生用コンデンサと前記調整用コンデンサの直列合成キャパシタンスまたは前記電圧発生用コイルと前記調整用コイルの直列合成インダクタンスを一定に維持した状態で、前記電圧発生用コンデンサの容量または前記電圧発生用コイルのインダクタンスを調整することが可能に構成されている、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記放電用コイルに供給する交流電力の周波数が１０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記開口が、その開口縁を含む平面が前記基材の処理対象の表面に対して平行になるように、前記基材に対して相対的に配置される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 基材をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
   誘電体部材によって画定された環状チャンバ内にガスを導入しつつ、接地されている導体部材に対して前記環状チャンバを挟んで対向する放電用コイルに交流電力を供給することにより、前記環状チャンバ内にプラズマを発生させ、
   前記環状チャンバ内に連通する開口の前方を横切るように前記基材を前記環状チャンバに対して相対的に移動させることにより、前記基材にプラズマを曝露させ、
   前記放電用コイルが、電圧発生用コンデンサまたは電圧発生用コイルを介して、接地されているまたは前記導体部材に接続され、
   プラズマの発光を検出するフォトダイオードまたはプラズマ温度を検出する温度計を用いてプラズマの発生を検知すると、前記放電用コイルの電圧がプラズマ発生前に比べて低下するように前記電圧発生用コンデンサの容量または前記電圧発生用コイルのインダクタンスを変化させる、プラズマ処理方法。
8. 前記導体部材が、第２の放電用コイルである、請求項７に記載のプラズマ処理方法。
9. 前記電圧発生用コンデンサまたは前記電圧発生用コイルのインピーダンスを第１のインピーダンス値に設定し、
   前記放電用コイルに第１の電力値の交流電力を供給してプラズマを着火し、
   プラズマの着火後に、前記電圧発生用コンデンサまたは前記電圧発生用コイルのインピーダンス値を第２のインピーダンス値に変化させ、
   前記放電用コイルに供給する交流電力を、前記第１の電力値に比べて大きい第２の電力値に変化させる、請求項７または８に記載のプラズマ処理方法。

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