JP6191887B2 - Plasma processing equipment - Google Patents

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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、プラズマ処理装置に関するものである。   The present invention includes a thermal plasma process for treating a substrate by irradiating the substrate with thermal plasma, a low-temperature plasma process for treating a substrate by simultaneously irradiating the substrate with plasma by a reactive gas or plasma and a reactive gas flow The present invention relates to a plasma processing apparatus.

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。   Conventionally, semiconductor thin films such as polycrystalline silicon (poly-Si) are widely used for thin film transistors (TFTs) and solar cells. In particular, the poly-Si TFT has a high carrier mobility and can be manufactured on a transparent insulating substrate such as a glass substrate. For example, a pixel circuit such as a liquid crystal display device, a liquid crystal projector, or an organic EL display device can be used. It is widely used as a switching element constituting the circuit or as a circuit element of a liquid crystal driving driver.

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。   As a method for manufacturing a high-performance TFT on a glass substrate, there is a manufacturing method generally called “high temperature process”. Among TFT manufacturing processes, a process using a high temperature with a maximum temperature of about 1000 ° C. is generally called a “high temperature process”. Features of the high-temperature process are that a relatively good quality polycrystalline silicon can be formed by solid phase growth of silicon, a good quality gate insulating layer can be obtained by thermal oxidation of silicon, and a clean polycrystalline. This is the point that an interface between silicon and the gate insulating layer can be formed. Due to these characteristics, a high-performance TFT having high mobility and high reliability can be stably manufactured in a high-temperature process.

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。   On the other hand, since the high temperature process is a process of crystallizing a silicon film by solid phase growth, a long-time heat treatment of about 48 hours is required at a temperature of about 600 ° C. This is a very long process, and in order to increase the process throughput, a large number of heat treatment furnaces are inevitably required, and it is difficult to reduce the cost. In addition, quartz glass has to be used as an insulating substrate with high heat resistance, so the cost of the substrate is high and it is said that it is not suitable for large area.

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。   On the other hand, a technique for lowering the maximum temperature in the process and manufacturing a poly-Si TFT on an inexpensive large-area glass substrate is a technique called “low temperature process”. Among TFT manufacturing processes, a process for manufacturing poly-Si TFTs on a heat-resistant glass substrate that is relatively inexpensive in a temperature environment where the maximum temperature is approximately 600 ° C. or lower is generally called a “low-temperature process”. In a low temperature process, a laser crystallization technique for crystallizing a silicon film using a pulse laser having an extremely short oscillation time is widely used. Laser crystallization is a technique that utilizes the property of crystallizing in the process of solidifying instantaneously by irradiating a silicon thin film on a substrate with high-power pulsed laser light.

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。   However, this laser crystallization technique has some major problems. One is a large amount of trap levels localized inside the polysilicon film formed by the laser crystallization technique. Due to the presence of the trap level, carriers that are supposed to move in the active layer by the application of voltage are trapped and cannot contribute to electrical conduction, which has adverse effects such as a decrease in TFT mobility and an increase in threshold voltage. Further, there is a problem that the size of the glass substrate is limited due to the limitation of the laser output. In order to improve the throughput of the laser crystallization process, it is necessary to increase the area that can be crystallized at one time. However, since the current laser output is limited, when this crystallization technique is adopted for a large substrate such as the seventh generation (1800 mm × 2100 mm), it takes a long time to crystallize one substrate.

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。   Laser crystallization technology generally uses a laser shaped in a line, and crystallization is performed by scanning this laser. This line beam is shorter than the width of the substrate because of limited laser output, and it is necessary to scan the laser several times in order to crystallize the entire surface of the substrate. As a result, a line beam seam area is generated in the substrate, and an area that is scanned twice is formed. This region is significantly different in crystallinity from the region crystallized by one scan. For this reason, the element characteristics of the two are greatly different, which causes a large variation in devices. Finally, since the laser crystallization apparatus has a complicated apparatus configuration and a high cost of consumable parts, there are problems that the apparatus cost and running cost are high. As a result, a TFT using a polysilicon film crystallized by a laser crystallization apparatus becomes an element with a high manufacturing cost.

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。   In order to overcome the problems such as the limitation of the substrate size and the high apparatus cost, a crystallization technique called “thermal plasma jet crystallization method” has been studied (for example, see Non-Patent Document 1). The technology is briefly described below. When a tungsten (W) cathode and a water-cooled copper (Cu) anode are opposed to each other and a DC voltage is applied, an arc discharge occurs between the two electrodes. By flowing argon gas between these electrodes under atmospheric pressure, thermal plasma is ejected from the ejection holes vacated in the copper anode. Thermal plasma is thermal equilibrium plasma, which is an ultra-high temperature heat source having substantially the same temperature of ions, electrons, neutral atoms, etc., and the temperature of which is about 10,000K. Therefore, the thermal plasma can easily heat the object to be heated to a high temperature, and the substrate on which the a-Si film is deposited scans the front surface of the ultra-high temperature thermal plasma at a high speed, thereby crystallizing the a-Si film. Can be

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。   Thus, since the apparatus configuration is very simple and the crystallization process is performed under atmospheric pressure, it is not necessary to cover the apparatus with an expensive member such as a sealed chamber, and the apparatus cost can be expected to be extremely low. The utilities required for crystallization are argon gas, electric power, and cooling water, which is a crystallization technique with low running costs.

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。   FIG. 16 is a schematic diagram for explaining a method of crystallizing a semiconductor film using this thermal plasma.

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。   In FIG. 1, a thermal plasma generator 31 includes a cathode 32 and an anode 33 that is disposed to face the cathode 32 with a predetermined distance therebetween. The cathode 32 is made of a conductor such as tungsten. The anode 33 is made of a conductor such as copper, for example. Further, the anode 33 is formed in a hollow shape, and is configured to be cooled through water through the hollow portion.

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。   The anode 33 is provided with an ejection hole (nozzle) 34. When a direct current (DC) voltage is applied between the cathode 32 and the anode 33, an arc discharge is generated between the two electrodes. In this state, by flowing a gas such as argon gas between the cathode 32 and the anode 33 under atmospheric pressure, the thermal plasma 35 can be ejected from the ejection hole 34. Here, the “thermal plasma” is a thermal equilibrium plasma, which is an ultra-high temperature heat source having substantially the same temperature of ions, electrons, neutral atoms, etc., and having a temperature of about 10,000K.

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）。   Such thermal plasma can be used for heat treatment for crystallization of a semiconductor film. Specifically, a semiconductor film 37 (for example, an amorphous silicon film) is formed on the substrate 36, and thermal plasma (thermal plasma jet) 35 is applied to the semiconductor film 37. At this time, the thermal plasma 35 is applied to the semiconductor film 37 while relatively moving along a first axis (left and right direction in the illustrated example) parallel to the surface of the semiconductor film 37. That is, the thermal plasma 35 is applied to the semiconductor film 37 while scanning in the first axis direction. Here, “relatively move” refers to relatively moving the semiconductor film 37 (and the substrate 36 supporting the semiconductor film 37) and the thermal plasma 35, and moving only one or both of them. Any of the cases are included. By such scanning of the thermal plasma 35, the semiconductor film 37 is heated by the high temperature of the thermal plasma 35 to obtain a crystallized semiconductor film 38 (polysilicon film in this example) (for example, see Patent Document 1). ).

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。   FIG. 17 is a conceptual diagram showing the relationship between the depth from the outermost surface and the temperature. As shown in the figure, by moving the thermal plasma 35 at a high speed, only the vicinity of the surface can be processed at a high temperature. After the thermal plasma 35 passes, the heated region is quickly cooled, so that the vicinity of the surface becomes high temperature for a very short time.

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。   Such a thermal plasma is generally generated in a dotted region. The thermal plasma is maintained by thermionic emission from the cathode 32, and thermionic emission becomes more active at a position where the plasma density is high. Therefore, positive feedback is applied, and the plasma density becomes higher. That is, arc discharge is concentrated on one point of the cathode, and thermal plasma is generated in a dotted region.

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、古くから熱プラズマを大面積に発生させる技術が検討されている。   If you want to process a flat substrate uniformly, such as when crystallizing a semiconductor film, it is necessary to scan a dotted thermal plasma over the entire substrate. In order to construct a process that can be processed, it is effective to widen the thermal plasma irradiation area. For this reason, techniques for generating thermal plasma over a large area have been studied for a long time.

例えば、プラズマトーチの外ノズルより噴射するプラズマジェットに、外ノズルの中心軸線と交差する方向でプラズマジェットを広幅化させるための広幅化ガスを２ケ所から同時に噴出し、プラズマジェットを広幅化させる方法が開示されている（例えば、特許文献２を参照）。あるいは、ノズル通路の口部が、当該ノズル通路の軸芯に対して所定角度で傾斜していることを特徴とするプラズマノズルを設け、ノズル通路を構成するケーシング、またはそのケーシングの一部を、その長手軸芯回りに高速で回転させ、プラズマノズルをワークピースに沿って通過移動させる方法が開示されている（例えば、特許文献３を参照）。また、少なくとも一つの偏芯して配置されたプラズマノズルを持つ回転ヘッドを設けたものが開示されている（例えば、特許文献４を参照）。   For example, a method for widening a plasma jet by simultaneously jetting a widening gas for widening the plasma jet from two locations in a direction intersecting the central axis of the outer nozzle onto a plasma jet ejected from the outer nozzle of the plasma torch Is disclosed (for example, see Patent Document 2). Alternatively, a plasma nozzle characterized in that the mouth portion of the nozzle passage is inclined at a predetermined angle with respect to the axis of the nozzle passage, and a casing constituting the nozzle passage, or a part of the casing, A method is disclosed in which a plasma nozzle is passed and moved along a workpiece by rotating it around the longitudinal axis at high speed (see, for example, Patent Document 3). Further, there is disclosed one provided with a rotating head having at least one eccentrically arranged plasma nozzle (see, for example, Patent Document 4).

なお、大面積を短時間で処理することを目的としたものではないが、熱プラズマを用いた溶接方法として、帯状電極を用い、その幅方向が溶接線方向となるように配置して溶接することを特徴とする高速ガスシールドアーク溶接方法が開示されている（例えば、特許文献５を参照）。   It is not intended to process a large area in a short time, but as a welding method using thermal plasma, a strip electrode is used and the width direction is arranged to be the weld line direction and welding is performed. A high-speed gas shielded arc welding method is disclosed (see, for example, Patent Document 5).

また、扁平な直方体状の絶縁体材料を用いた、線状の細長い形状をなす誘導結合型プラズマトーチが開示されている（例えば、特許文献６を参照）。   In addition, an inductively coupled plasma torch having a linear elongated shape using a flat rectangular parallelepiped insulator material is disclosed (for example, see Patent Document 6).

なお、長尺の電極を用いた細長い線状のプラズマを生成する方法が開示されている（例えば、特許文献７を参照）。熱プラズマを発生させるものと記載されているが、これは低温プラズマを発生させるものであり、熱処理に適した構成ではない。仮に熱プラズマを発生させたとすると、電極を用いた容量結合型であるため、アーク放電が一箇所に集中し、長尺方向に均一な熱プラズマを発生させることは困難と推察される。一方、低温プラズマ処理装置としては、エッチングガスやＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）用のガスをプラズマ化することにより、エッチングや成膜などのプラズマ処理が可能な装置である。   In addition, a method of generating a long and narrow linear plasma using a long electrode has been disclosed (for example, see Patent Document 7). Although described as generating heat plasma, it generates low-temperature plasma and is not suitable for heat treatment. If thermal plasma is generated, it is assumed that it is difficult to generate uniform thermal plasma in the longitudinal direction because arc discharge is concentrated in one place because of the capacitive coupling type using electrodes. On the other hand, the low temperature plasma processing apparatus is an apparatus capable of performing plasma processing such as etching and film formation by converting an etching gas or a gas for CVD (Chemical Vapor Deposition) into plasma.

また、マイクロストリップラインを用いて長尺プラズマを生成する方法が開示されている（例えば、特許文献８を参照）。この構成では、プラズマに接触するチャンバ壁面が完全には冷却できない（水冷流路によって囲まれていない）ので、熱プラズマ源としては動作できないものと考えられる。   Further, a method for generating a long plasma using a microstrip line is disclosed (for example, see Patent Document 8). In this configuration, it is considered that the chamber wall surface in contact with the plasma cannot be completely cooled (not surrounded by the water-cooled flow path), and therefore cannot operate as a thermal plasma source.

また、複数の放電電極をライン状に並べることにより、線状の長尺プラズマトーチを形成するものが開示されている（例えば、特許文献９を参照）。   Moreover, what forms a linear elongate plasma torch by arranging a plurality of discharge electrodes in a line is disclosed (see, for example, Patent Document 9).

特開２００８−５３６３４号公報JP 2008-53634 A 特開平０８−１１８０２７号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-118027 特開２００１−６８２９８号公報JP 2001-68298 A 特表２００２−５００８１８号公報Special Table 2002-500818 特開平０４−２８４９７４号公報Japanese Patent Laid-Open No. 04-284974 特表２００９−５４５１６５号公報Special table 2009-545165 gazette 特開２００７−２８７４５４号公報JP 2007-287454 A 特表２０１０−５３９３３６号公報Special table 2010-539336 特開２００９−１５８２５１号公報JP 2009-158251 A

Ｓ．Ｈｉｇａｓｈｉ， Ｈ．Ｋａｋｕ，Ｔ．Ｏｋａｄａ，Ｈ．Ｍｕｒａｋａｍｉ ａｎｄ Ｓ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４５，５Ｂ（２００６）ｐｐ．４３１３−４３２０S. Higashi, H .; Kaku, T .; Okada, H .; Murakami and S.M. Miyazaki, Jpn. J. et al. Appl. Phys. 45, 5B (2006) pp. 4313-4320

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、従来の熱プラズマを大面積に発生させる技術は有効ではなかった。   However, conventional techniques for generating a large area of thermal plasma have not been effective for applications in which the vicinity of the surface of a substrate is treated at a high temperature for a very short time, such as crystallization of a semiconductor.

従来例に示した特許文献２に記載の、熱プラズマを大面積に発生させる技術においては、広幅化はされるものの、広幅化された領域における温度分布は１００℃以上となっており、均一な熱処理の実現は不可能である。   In the technology for generating thermal plasma in a large area described in Patent Document 2 shown in the conventional example, although the width is widened, the temperature distribution in the widened region is 100 ° C. or more and is uniform. Realization of heat treatment is impossible.

また、従来例に示した特許文献３、４に記載の、熱プラズマを大面積に発生させる技術においては、本質的には熱プラズマを揺動させるものであるから、実質的に熱処理されている時間は、回転させずに走査した場合と比べて短くなるので、大面積を処理する時間が特段短くなるものではない。また、均一処理のためには回転速度を走査速度に比べて十分に大きくする必要があり、ノズルの構成が複雑化することは避けられない。   Further, in the techniques described in Patent Documents 3 and 4 shown in the conventional example, the thermal plasma is generated in a large area, and the heat plasma is essentially oscillated. Since the time is shorter than when scanning without rotating, the time for processing a large area is not particularly shortened. Further, for uniform processing, it is necessary to make the rotation speed sufficiently higher than the scanning speed, and it is inevitable that the nozzle configuration becomes complicated.

また、従来例に示した特許文献５に記載の技術は溶接技術であり、大面積を均一に処理するための構成ではない。仮にこれを大面積処理用途に適用しようとしても、この構成においては点状のアークが帯状電極に沿って振動するので、時間平均すると均一にプラズマが発生するものの、瞬間的には不均一なプラズマが生じている。したがって、大面積の均一処理には適用できない。   Moreover, the technique described in Patent Document 5 shown in the conventional example is a welding technique and is not a configuration for uniformly processing a large area. Even if this is applied to a large area processing application, in this configuration, since a point-like arc vibrates along the strip electrode, plasma is generated uniformly when time averaged, but instantaneously non-uniform plasma is generated. Has occurred. Therefore, it cannot be applied to large area uniform processing.

また、従来例に示した特許文献６に記載の技術は、非特許文献１や特許文献１に開示されているＤＣアーク放電を用いたものと異なり、誘導結合型の高周波プラズマトーチであることが特徴である。無電極放電であることから、熱プラズマの安定性に優れ（時間変化が小さい）、電極材料の基材への混入（コンタミネーション）が少ないという利点がある。   Further, the technique described in Patent Document 6 shown in the conventional example is an inductively coupled high-frequency plasma torch, unlike the technique using DC arc discharge disclosed in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1. It is a feature. Since it is an electrodeless discharge, it has the advantages of excellent thermal plasma stability (small time change) and less contamination (contamination) of electrode material into the substrate.

さて、誘導結合型プラズマトーチにおいては、高温プラズマから絶縁体材料を保護するために、絶縁体材料を二重管構成としてその間に冷媒を流す方法が一般的に採用されている。しかしながら、従来例に示した特許文献６に記載の技術においては、絶縁体材料が扁平な直方体状をなしていることから、これを単純に二重管構成としただけでは、十分な流量の冷媒を流すことができない。なぜなら、絶縁体材料は一般に金属に比べて機械的強度に劣るため、絶縁体材料を長尺方向に余りに長くすると、二重管の内圧を高くできなくなるからである。このため、大面積を均一に処理するのに限界がある。   In an inductively coupled plasma torch, in order to protect the insulator material from high-temperature plasma, a method is generally adopted in which the insulator material is made into a double tube configuration and a coolant is passed therebetween. However, in the technique described in Patent Document 6 shown in the conventional example, since the insulator material has a flat rectangular parallelepiped shape, a refrigerant having a sufficient flow rate can be obtained simply by adopting a double tube configuration. Can't flow. This is because the insulator material is generally inferior in mechanical strength to metal, and if the insulator material is too long in the longitudinal direction, the internal pressure of the double pipe cannot be increased. For this reason, there is a limit to uniformly processing a large area.

なお、点状の熱プラズマであっても、その直径が大きければ大面積処理の際の走査回数を減らせるため、用途によっては短時間で処理できる。しかし、熱プラズマの直径が大きいと、走査時に熱プラズマが基材上を通過する時間が実質的に長くなるため、ごく短時間だけ基材の表面近傍のみを高温処理することはできず、基材のかなり深い領域までが高温になり、例えばガラス基板の割れや膜剥がれなどの不具合を生じることがある。   Even in the case of dot-like thermal plasma, if the diameter is large, the number of scans during large area processing can be reduced, so that it can be processed in a short time depending on the application. However, if the diameter of the thermal plasma is large, the time for the thermal plasma to pass over the substrate during scanning becomes substantially longer, so that only the vicinity of the surface of the substrate cannot be treated at a high temperature for a very short time. Even a considerably deep region of the material becomes high temperature, which may cause defects such as cracking of the glass substrate and peeling of the film.

また、従来例に示した特許文献９に記載の技術では、先に述べた誘導結合型の高周波プラズマトーチと比較して、熱プラズマの安定性に劣り（時間変化が大きい）、電極材料の基材への混入（コンタミネーション）が多いという欠点がある。   Further, the technique described in Patent Document 9 shown in the conventional example is inferior in thermal plasma stability (large time change) as compared to the inductively coupled high-frequency plasma torch described above, and is based on the electrode material. There is a disadvantage that there is a lot of contamination (contamination) in the material.

また、従来例に示した特許文献６に記載の技術に見られるような誘導結合型の高周波プラズマトーチにおいては、円筒型のものが分析用あるいは溶射用に実用化されているが、プラズマの発生効率が悪く、ガス流量を増すと放電が不安定化するという欠点があった。   In addition, in the inductively coupled high-frequency plasma torch found in the technique described in Patent Document 6 shown in the conventional example, a cylindrical type is put to practical use for analysis or spraying, but plasma generation The efficiency is poor, and there is a drawback that the discharge becomes unstable when the gas flow rate is increased.

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、あるいは、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を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of such a problem. When the high-temperature heat treatment is performed uniformly in the vicinity of the surface of the base material for a very short time, or the base material is irradiated with plasma by the reactive gas or plasma and the reactive gas flow at the same time. A plasma processing apparatus that can stably and efficiently generate plasma when performing low temperature plasma processing on a substrate and can efficiently process the entire desired region of the substrate in a short time. The purpose is that.

本願発明のプラズマ処理装置は、以下の構成要件をすることを特徴とする。
〔１〕線状の開口部を備えた誘電体ブロックと、前記誘電体ブロックの壁面によって囲まれ、かつ、前記開口部の延出方向に平行な面で切った断面において一続きに閉じた形状を有する環状チャンバ。
〔２〕環状チャンバの内部にガスを導入するガス供給配管。
〔３〕環状チャンバの近傍に設けられたコイル。
上記〔１〕〜〔３〕を有する誘導結合型プラズマトーチユニットと、を備え、
〔４〕コイルに接続される高周波電源。
〔５〕開口部に対向して配置され、かつ、基材を載置する基材載置台。
を有する。 The plasma processing apparatus of the present invention is characterized by having the following configuration requirements.
[1] A dielectric block having a linear opening, and a shape surrounded by a wall surface of the dielectric block and continuously closed in a cross section cut by a plane parallel to the extending direction of the opening An annular chamber.
[2] A gas supply pipe for introducing gas into the annular chamber.
[3] A coil provided in the vicinity of the annular chamber.
An inductively coupled plasma torch unit having the above [1] to [3],
[4] A high frequency power source connected to the coil.
[5] A substrate mounting table that is arranged to face the opening and mounts the substrate.
Have

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、あるいは、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。   With such a configuration, when the high temperature heat treatment is performed uniformly in the vicinity of the surface of the base material for a very short time, or the base material is subjected to low temperature plasma treatment by irradiating the base material with plasma or plasma and a reactive gas flow at the same time. At this time, plasma can be generated stably and efficiently.

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、あるいは、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。   According to the present invention, when a high temperature heat treatment is performed uniformly in the vicinity of the surface of the base material for a very short time, or the base material is subjected to low temperature plasma treatment by simultaneously irradiating the base material with plasma or plasma and a reactive gas flow. At this time, plasma can be generated stably and efficiently, and the entire desired region to be treated of the substrate can be efficiently treated in a short time.

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Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 1 of this invention 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The perspective view which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 1 of this invention. 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Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 2 of this invention. 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Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 3 of this invention. 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Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 4 of this invention. 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Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 5 of this invention. 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Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 6 of this invention. 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Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 7 of this invention. 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断面図Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 8 of this invention. 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断面図Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 9 of this invention. 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断面図Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 10 of this invention. 本発明の実施の形態１１におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 11 of this invention. 本発明の実施の形態１１におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 11 of this invention. 本発明の実施の形態１２におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 12 of this invention. 本発明の実施の形態１３におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 13 of this invention. 従来例におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the plasma processing apparatus in a prior art example 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Conceptual diagram showing the relationship between the depth from the outermost surface and the temperature in the conventional example

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。   Hereinafter, a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

（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。 (Embodiment 1)
Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG.

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）、（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、図１（ｃ）は、図１（ａ）の破線Ｃ−Ｃ’で切った断面図、図１（ｄ）は、図１（ａ）の破線Ｄ−Ｄ’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。   FIG. 1A shows the configuration of the plasma processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, and is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction of an inductively coupled plasma torch unit. FIGS. 1B, 1C, and 1D are cross-sectional views taken along a plane that is parallel to the longitudinal direction of the inductively coupled plasma torch unit and perpendicular to the substrate. FIG. 1A is a cross-sectional view taken along the broken line A-A ′ in FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a broken line BB ′ in FIG. 1A, FIG. 1C is a cross-sectional view taken along a broken line CC ′ in FIG. FIG. 2D is a cross-sectional view taken along the broken line DD ′ in FIG. 1A, and FIG. 2 is an assembly configuration diagram of the inductively coupled plasma torch unit shown in FIG. Part) are arranged in perspective view.

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。誘電体製の長尺チャンバは、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（長尺チャンバ内部の空間７）により画定される。長尺チャンバ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。   1 and 2, the base material 2 is placed on the base material placing table 1. In the inductively coupled plasma torch unit T, a conductor solenoid coil 3 is disposed in the vicinity of the first quartz block 4 and the second quartz block 5. The long chamber made of a dielectric is defined by a space surrounded by the surfaces of the first quartz block 4, the second quartz block 5 and the substrate 2 (space 7 inside the long chamber). The inner wall surface of the long chamber close to the solenoid coil 3 is a curved surface parallel to the solenoid coil 3. In such a configuration, since the distance from the solenoid coil 3 to the long chamber becomes equal at any part of the solenoid coil 3, inductively coupled plasma can be generated with a small high-frequency power, and efficient plasma generation can be achieved. realizable.

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。   The inductively coupled plasma torch unit T is entirely surrounded by a shield member (not shown) made of a grounded conductor, which can effectively prevent high-frequency leakage (noise) and effectively prevent undesirable abnormal discharge. Can be prevented.

長尺チャンバ内部の空間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、長尺チャンバ内部の空間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。   The space 7 inside the long chamber is surrounded by the outer wall surface of the second quartz block 5 as an internal dielectric block and the inner wall surface of the first quartz block 4 as an external dielectric block into which the space is inserted. That is, the long chamber has a configuration in which the portion other than the opening 8 is surrounded by the dielectric. The space 7 inside the long chamber is annular. The term “annular” as used herein means a shape that forms a continuous string of strings, and is not limited to a circle.

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つの短辺をなす円、楕円、または直線が連結されてなる、一続きの閉じたヒモ状の形状）の長尺チャンバを例示している。長尺チャンバ内部の空間７に発生したプラズマＰは、長尺チャンバ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。また、開口部８の開口幅は、環状チャンバの太さ（環状チャンバを構成する、一続きの閉じたヒモの太さ、図１（ａ）の寸法ｄ）に等しい。   In the present embodiment, a racetrack shape (a series of closed string-like shapes formed by connecting a straight line portion having two long sides and a circle, an ellipse, or a straight line having two short sides at both ends thereof. (Shape) is illustrated. The plasma P generated in the space 7 inside the long chamber contacts the substrate 2 at the long and linear opening 8 in the long chamber. The longitudinal direction of the long chamber and the longitudinal direction of the opening 8 are arranged in parallel. Further, the opening width of the opening 8 is equal to the thickness of the annular chamber (the thickness of a series of closed strings constituting the annular chamber, the dimension d in FIG. 1A).

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、長尺チャンバ内部の空間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。   A plasma gas manifold 9 is provided inside the second quartz block 5. The gas supplied to the plasma gas manifold 9 from the plasma gas supply pipe 10 passes through a plasma gas supply hole 11 (through hole) as a gas introduction part provided in the second quartz block 5 and is a space inside the long chamber. 7 is introduced. With such a configuration, a uniform gas flow in the longitudinal direction can be easily realized. The flow rate of the gas introduced into the plasma gas supply pipe 10 is controlled by providing a flow rate control device such as a mass flow controller upstream thereof.

プラズマガス供給穴１１は、丸い穴状のものを長手方向に複数設けたものであるが、長尺のスリットであってもよい。   The plasma gas supply hole 11 is provided with a plurality of round holes in the longitudinal direction, but may be a long slit.

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、開口部８の長手方向に対して平行に冷媒流路１５が設けられている。また、第一石英ブロック４には、開口部８の長手方向に対して垂直な向きにも冷媒流路１５が設けられ、開口部８の長手方向に対して平行な冷媒流路１５と立体的に交差し、外部との間で冷媒の給排水が行われる。   The solenoid coil 3 is made of a hollow copper tube, and the inside is a refrigerant flow path. That is, cooling is possible by flowing a coolant such as water. The first quartz block 4 and the second quartz block 5 are provided with a coolant channel 15 in parallel to the longitudinal direction of the opening 8. The first quartz block 4 is also provided with a coolant channel 15 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the opening 8, and is three-dimensionally connected to the coolant channel 15 parallel to the longitudinal direction of the opening 8. The refrigerant is supplied and drained to and from the outside.

また、第二石英ブロック５内においては、図１（ｃ）に示すように、冷媒流路が合流して束ねられ、外部との冷媒の給排水が行われる。これらの冷媒流路は、その断面が円であるから、大量の冷媒を流した際もその内圧によって構成部材の変形が起きにくい。つまり、本実施の形態においては、従来例に示した特許文献６に記載の技術において二重管構成として水冷した場合に比べて、はるかに大量の冷媒を流すことができ、効果的な冷却が可能である。   Further, in the second quartz block 5, as shown in FIG. 1 (c), the refrigerant flow paths are merged and bundled to supply and discharge the refrigerant to and from the outside. Since these refrigerant flow paths have a circular cross section, even when a large amount of refrigerant is flowed, deformation of the constituent members hardly occurs due to the internal pressure. In other words, in the present embodiment, a much larger amount of refrigerant can be allowed to flow than in the case of water-cooling as a double-pipe structure in the technique described in Patent Document 6 shown in the conventional example, and effective cooling is achieved. Is possible.

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、長尺チャンバ内部の空間７にプラズマ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）（ｃ）（ｄ）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。   A rectangular linear opening 8 is provided, and the substrate mounting table 1 (or the substrate 2 on the substrate mounting table 1) is arranged to face the opening 8. In this state, by supplying high-frequency power to the solenoid coil 3 from a high-frequency power source (not shown) while supplying gas into the long chamber and spouting gas from the opening 8 toward the base material 2, By generating plasma P in the space 7 inside the long chamber and exposing the plasma in the vicinity of the opening 8 to the base material 2, the thin film 22 on the base material 2 can be subjected to plasma treatment. The base material 2 is processed by relatively moving the long chamber and the base material mounting table 1 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the opening 8. That is, the inductively coupled plasma torch unit T or the substrate mounting table 1 is moved in the left-right direction in FIG. 1A and in the direction perpendicular to the paper surface in FIGS. 1B, 1C, and 1D.

長尺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る（１０，０００Ｋ以上）。   Various gases can be used as the gas supplied into the long chamber. However, considering the stability of the plasma, the ignitability, the life of the member exposed to the plasma, etc., it is desirable that the main gas is an inert gas. Among these, Ar gas is typically used. When plasma is generated only by Ar, the plasma becomes considerably high temperature (10,000 K or more).

このようなプラズマ処理装置において、長尺チャンバ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、長尺チャンバ内部の空間７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。 In such a plasma processing apparatus, an Ar or Ar + H 2 gas is supplied into the long chamber from the plasma gas supply hole 11 and a gas is ejected from the opening 8 toward the base material 2 while a high frequency (not shown) is used. By supplying high frequency power of 13.56 MHz from the power source to the solenoid coil 3, a plasma P is generated by generating a high frequency electromagnetic field in the space 7 inside the long chamber, and the plasma in the vicinity of the opening 8 is formed as a base material. By performing exposure and scanning, heat treatment such as crystallization of the semiconductor film can be performed.

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。 As conditions for plasma generation, scanning speed = 50 to 3000 mm / s, total plasma gas flow rate = 1 to 100 SLM, H 2 concentration in Ar + H 2 gas = 0 to 10%, high frequency power = 0.5 to 10 kW Is appropriate. However, among these quantities, the gas flow rate and power are values per 100 mm of the length of the opening 8. This is because it is considered appropriate to input parameters proportional to the length of the opening 8 for parameters such as gas flow rate and electric power.

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、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。   In this manner, the long chamber and the substrate mounting table 1 are placed in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the opening 8 while the longitudinal direction of the opening 8 and the substrate mounting table 1 are arranged in parallel. Since they move relatively, it is possible to configure so that the length of the plasma to be generated is substantially equal to the processing length of the substrate 2.

また、本実施の形態においては、長尺チャンバ内部の空間７は環状である。そして、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。   Moreover, in this Embodiment, the space 7 inside a long chamber is cyclic | annular. The distance between the bottom surface of the first quartz block 4 constituting the opening 8 and the surface of the substrate 2 (dimension g in FIG. 1A) is set to 0.5 mm. The effects brought about by such a long chamber structure will be described below.

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。   Although the internal structure of the plasma torch is not disclosed in detail in Patent Document 6 shown in the conventional example, it is inferred that it is a block of rectangular parallelepiped space like a general cylindrical inductively coupled plasma torch. Is done. When atmospheric pressure inductively coupled plasma is generated in such a space, an annular (doughnut-shaped) plasma is likely to be generated in the chamber. That is, since an annular plasma is generated in a rectangular parallelepiped chamber, only a part of the chamber becomes a very high-density plasma, and it is difficult to perform uniform processing in the longitudinal direction.

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。したがって、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。   On the other hand, in the present embodiment, since a long annular chamber is formed, a long and narrow plasma P having a racetrack shape is generated along the shape. Therefore, it is possible to perform processing that is much more uniform in the longitudinal direction than in the conventional example. Further, since the volume of the chamber is smaller than that of the conventional example, the high frequency power acting per unit volume is increased, and there is an advantage that the plasma generation efficiency is improved.

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。   In addition, it has been pointed out that in a conventional general inductively coupled plasma torch, the discharge becomes unstable when the gas flow rate is increased (for example, Hironobu Yabuta et al., “Design and evaluation of dual int ICP torque”). for low gas consumption ", Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 17 (2002) 1090-1095). This is presumably because when the annular plasma oscillates in the chamber, the distance between the annular plasma and the coil is too far away in the downstream region of the gas flow, so that inductive coupling cannot be maintained, and the plasma misfires.

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、環状チャンバ内（隙間よりも上流の領域）にとどまる。したがって、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。したがって、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。   On the other hand, in the present embodiment, since the distance g between the lowermost surface of the first quartz block 4 constituting the opening 8 and the surface of the substrate 2 is very narrow as 0.5 mm, the annular plasma P Cannot enter the gap between the inductively coupled plasma torch unit T and the base material 2, and remains in the annular chamber (a region upstream of the gap). Therefore, even if the gas flow rate is increased, the annular plasma P does not fluctuate, and an extremely stable long annular plasma P is maintained. Therefore, it is possible to generate plasma that is much more stable than the conventional example.

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、あるいは、高温処理が可能となる。   Moreover, since the part with high electron density and active particle density in plasma P is exposed to the surface of the base material 2, a high-speed process or a high temperature process is attained.

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。   When the distance g between the lowermost surface of the first quartz block 4 constituting the opening 8 and the surface of the substrate 2 was examined in detail, the oscillation of the annular plasma P was suppressed when g was 1 mm or less. I knew it was possible. If g is too small, the influence of parts processing and assembly accuracy in the longitudinal direction increases, and the plasma flow that reaches the base material 2 through the passage is weakened. Therefore, it is 0.1 mm or more, preferably 0.3 mm or more. It is desirable to configure.

また、環状チャンバの太さ（環状チャンバを構成する、一続きの閉じたヒモの太さ）ｄは、図１（ａ）においては、環状チャンバにおける、第一石英ブロック４の内壁面と、第二石英ブロック５の外壁面との間の距離ｄとして表される。また、環状チャンバの外径（環状チャンバの全体としての大きさ）をｅとすると、図１（ａ）においては、互いに向かい合った、第一石英ブロック４の内壁面の距離ｅとして表される。環状チャンバは長尺であるので、長辺部と短辺部とでは、環状チャンバの外径ｅは異なり、長辺部における環状チャンバの外径ｅの方が小さい。   In addition, in FIG. 1A, the thickness d of the annular chamber (the thickness of the continuous closed string constituting the annular chamber) and the inner wall surface of the first quartz block 4 in the annular chamber, This is expressed as a distance d between the outer wall surface of the two-quartz block 5. If the outer diameter of the annular chamber (the overall size of the annular chamber) is e, in FIG. 1 (a), it is represented as the distance e between the inner wall surfaces of the first quartz block 4 facing each other. Since the annular chamber is long, the outer diameter e of the annular chamber is different between the long side portion and the short side portion, and the outer diameter e of the annular chamber at the long side portion is smaller.

これらの寸法ｄ（環状チャンバの太さ）、ｅ（環状チャンバの外径）について実験的に詳細に調べたところ、ｄが１ｍｍ未満であると、環状チャンバ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。また、ｅが１０ｍｍ未満の場合も、環状チャンバ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。こうした実験から、環状チャンバの太さは、１ｍｍ以上であることが好ましく、環状チャンバの外径は、１０ｍｍ以上であることが好ましいことがわかった。   When these dimensions d (the thickness of the annular chamber) and e (the outer diameter of the annular chamber) were examined in detail experimentally, if d was less than 1 mm, a high-density thermal plasma was extremely generated in the annular chamber. It has been found that it is less likely to occur. It has also been found that even when e is less than 10 mm, high-density thermal plasma is hardly generated in the annular chamber. From these experiments, it was found that the thickness of the annular chamber is preferably 1 mm or more, and the outer diameter of the annular chamber is preferably 10 mm or more.

また、ｄが太すぎるとプラズマ発生効率が低下するので、環状チャンバの太さｄは１０ｍｍ以下であることが望ましい。   Moreover, since plasma generation efficiency will fall if d is too thick, it is desirable that the thickness d of the annular chamber be 10 mm or less.

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図３を参照して説明する。 (Embodiment 2)
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

図３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。   FIG. 3 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention, which is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the inductively coupled plasma torch unit, and corresponds to FIG. To do.

実施の形態２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２箇所配置する構成としている。   In the second embodiment, two long and linear openings 8 are arranged at positions corresponding to the long sides of the long chamber.

このような構成では、基材２の表面の任意の場所が、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）で二度プラズマに曝露されることになる。したがって、より高速または高温のプラズマ処理が可能となる。   In such a configuration, an arbitrary place on the surface of the substrate 2 is exposed to the plasma twice by one scan (moving the inductively coupled plasma torch unit T and the substrate mounting table 1 relatively). Will be. Therefore, higher-speed or high-temperature plasma processing becomes possible.

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図４を参照して説明する。 (Embodiment 3)
Embodiment 3 of the present invention will be described below with reference to FIG.

図４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。   FIG. 4 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to Embodiment 3 of the present invention, which is a cross-sectional view of the inductively coupled plasma torch unit cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction, and corresponds to FIG. To do.

実施の形態３においては、第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５の高さを小さく構成している。   In the third embodiment, the height of the first quartz block 4 and the second quartz block 5 is configured to be small.

このような構成により、トーチユニットが非常に小さくなる。   With such a configuration, the torch unit becomes very small.

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図５を参照して説明する。 (Embodiment 4)
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図５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。   FIG. 5 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to Embodiment 4 of the present invention, which is a cross-sectional view of the inductively coupled plasma torch unit cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction, and corresponds to FIG. To do.

実施の形態４においては、実施の形態３と同様、第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５の高さを小さく構成している。さらに、ソレノイドコイル３の代わりに、平面状のスパイラルコイル２１を、第二石英ブロック５の上方に設けている。   In the fourth embodiment, as in the third embodiment, the heights of the first quartz block 4 and the second quartz block 5 are configured to be small. Furthermore, instead of the solenoid coil 3, a planar spiral coil 21 is provided above the second quartz block 5.

このような構成により、トーチユニットが非常に小さくなる。   With such a configuration, the torch unit becomes very small.

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図６を参照して説明する。 (Embodiment 5)
The fifth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

図６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。   FIG. 6 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to Embodiment 5 of the present invention, which is a cross-sectional view of the inductively coupled plasma torch unit cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction, and corresponds to FIG. To do.

実施の形態５においては、第二石英ブロック５の下方を、基材載置台１に平行な面で切った断面が同じ形状になるよう構成するとともに、第一石英ブロック４の中間部に外側に向けて溝を形成する（図の左側の長辺）とともに、第一石英ブロック４の下部に外側に向けて凹部を形成する（図の右側の長辺）することで、これら溝及び凹部と第二石英ブロック５の外壁面との間に長尺チャンバ内部の空間７を構成している。   In the fifth embodiment, the lower part of the second quartz block 5 is configured so that the cross-section cut by a plane parallel to the substrate mounting table 1 has the same shape, and the intermediate part of the first quartz block 4 is placed outside. Grooves are formed toward the left side (the long side on the left side of the figure), and concave portions are formed on the lower side of the first quartz block 4 toward the outside (the long side on the right side of the figure). A space 7 inside the long chamber is formed between the outer wall surface of the two-quartz block 5.

（実施の形態６）
以下、本発明の実施の形態６について、図７を参照して説明する。 (Embodiment 6)
Embodiment 6 of the present invention will be described below with reference to FIG.

図７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あり、図１（ａ）に相当する。   FIG. 7 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to Embodiment 6 of the present invention, which is a cross-sectional view of the inductively coupled plasma torch unit taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction, and corresponds to FIG. .

図７において、内部が冷媒流路を構成する銅管１２が、第二石英ブロック５の内側に設けられた凹部内に、接着剤１４により接合されている。銅管１２は接地され、プラズマの着火性向上に寄与している。第一石英ブロック４に対しては、その外壁面に誘電体管としての石英管１３が接着剤１４により接合される。また、ソレノイドコイル３が第一石英ブロック４の外壁面に接着剤１４により接合されており、ソレノイドコイル３自身と第一石英ブロック４の両方を冷却することができる構造である。   In FIG. 7, a copper tube 12, the inside of which forms a coolant channel, is joined by an adhesive 14 in a recess provided inside the second quartz block 5. The copper tube 12 is grounded and contributes to improving the ignitability of the plasma. A quartz tube 13 as a dielectric tube is bonded to the first quartz block 4 by an adhesive 14 on its outer wall surface. In addition, the solenoid coil 3 is bonded to the outer wall surface of the first quartz block 4 with an adhesive 14 so that both the solenoid coil 3 itself and the first quartz block 4 can be cooled.

また、第二石英ブロック５の凹部においては、銅管１２内に冷媒を流すことで、凹部を効果的に冷却するとともに、プラズマＰに接する第二石英ブロック５の外壁面（長尺チャンバの内壁面）を効果的に冷却することができる。   Further, in the recess of the second quartz block 5, the coolant is allowed to flow into the copper tube 12, thereby effectively cooling the recess and the outer wall surface of the second quartz block 5 in contact with the plasma P (inside the long chamber). Wall surface) can be effectively cooled.

また、第二石英ブロック５に上方から凹部を形成しているため、プラズマガスマニホールド９及びプラズマガス供給配管１０を、トーチユニットの長尺方向に対して平行に２箇所ずつ設ける構成としている。このような構成では、２つのガス供給系（プラズマガスマニホールド９及びプラズマガス供給配管１０）のガス流量バランスを制御できるという利点もある。   Further, since the concave portion is formed in the second quartz block 5 from above, two plasma gas manifolds 9 and two plasma gas supply pipes 10 are provided in parallel to the longitudinal direction of the torch unit. Such a configuration also has an advantage that the gas flow rate balance of the two gas supply systems (plasma gas manifold 9 and plasma gas supply pipe 10) can be controlled.

（実施の形態７）
以下、本発明の実施の形態７について、図８を参照して説明する。 (Embodiment 7)
The seventh embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.

図８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あり、図１（ａ）に相当する。   FIG. 8 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to Embodiment 7 of the present invention, which is a cross-sectional view of the inductively coupled plasma torch unit cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction, and corresponds to FIG. .

図８において、第一石英ブロック４の最下部に張り出し部４ａが設けられ、ソレノイドコイル３と基材２の間にプラズマガスが主成分となる空間ができないように構成されている。   In FIG. 8, an overhanging portion 4 a is provided at the lowermost part of the first quartz block 4 so that a space mainly composed of plasma gas is not formed between the solenoid coil 3 and the substrate 2.

このような構成により、プラズマＰとソレノイドコイル３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。   With such a configuration, the occurrence of arc discharge between the plasma P and the solenoid coil 3 can be effectively suppressed.

（実施の形態８）
以下、本発明の実施の形態８について、図９を参照して説明する。 (Embodiment 8)
Hereinafter, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図９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あり、図１（ａ）に相当する。   FIG. 9 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to the eighth embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the inductively coupled plasma torch unit, and corresponds to FIG. .

図９において、第二石英ブロック５の内側に設けられた凹部内に、ソレノイドコイル３が挿入されている。ソレノイドコイル３の中心軸は、図の紙面上、上下方向である。   In FIG. 9, the solenoid coil 3 is inserted into a recess provided inside the second quartz block 5. The central axis of the solenoid coil 3 is the vertical direction on the drawing sheet.

このような構成により、誘導結合型プラズマトーチユニットＴが小型化できる。また、環状チャンバ内の放電や開口部８直下の基材２表面の視認性が高まるので、発光モニタリング、温度モニタリングなどの種々のモニタリングが容易に行える。また、プラズマＰとソレノイドコイル３が空間的に分離されるので、プラズマＰとソレノイドコイル３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。   With such a configuration, the inductively coupled plasma torch unit T can be reduced in size. Moreover, since the visibility in the discharge in the annular chamber and the surface of the base material 2 immediately below the opening 8 is enhanced, various monitoring such as light emission monitoring and temperature monitoring can be easily performed. Moreover, since the plasma P and the solenoid coil 3 are spatially separated, it is possible to effectively suppress the occurrence of arc discharge between the plasma P and the solenoid coil 3.

（実施の形態９）
以下、本発明の実施の形態９について、図１０を参照して説明する。 (Embodiment 9)
Embodiment 9 of the present invention will be described below with reference to FIG.

図１０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り、図１（ａ）に相当する。   FIG. 10 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to the ninth embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view of the inductively coupled plasma torch unit cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction, and corresponds to FIG. .

図１０において、第二石英ブロック５の内側に設けられた凹部内に、ソレノイドコイル３が挿入されている。ソレノイドコイル３の中心軸は、図の紙面上、左右方向である。また、実施の形態１〜８においては、ソレノイドコイル３の中心軸が基材２に垂直で、かつ、環状チャンバがなす面が基材２に概ね平行であったのに対して、本実施の形態においては、ソレノイドコイル３の中心軸が基材２に平行で、かつ、環状チャンバがなす面が基材２に垂直となる構成としている。   In FIG. 10, the solenoid coil 3 is inserted into a recess provided inside the second quartz block 5. The central axis of the solenoid coil 3 is the left-right direction on the drawing sheet. Further, in the first to eighth embodiments, the central axis of the solenoid coil 3 is perpendicular to the base material 2 and the surface formed by the annular chamber is substantially parallel to the base material 2. In the embodiment, the central axis of the solenoid coil 3 is parallel to the substrate 2 and the surface formed by the annular chamber is perpendicular to the substrate 2.

このような構成により、誘導結合型プラズマトーチユニットＴが小型化できる。また、環状チャンバ内の放電や開口部８直下の基材２表面の視認性が高まるので、発光モニタリング、温度モニタリングなどの種々のモニタリングが容易に行える。また、プラズマＰとソレノイドコイル３が空間的に分離されるので、プラズマＰとソレノイドコイル３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。   With such a configuration, the inductively coupled plasma torch unit T can be reduced in size. Moreover, since the visibility in the discharge in the annular chamber and the surface of the base material 2 immediately below the opening 8 is enhanced, various monitoring such as light emission monitoring and temperature monitoring can be easily performed. Moreover, since the plasma P and the solenoid coil 3 are spatially separated, it is possible to effectively suppress the occurrence of arc discharge between the plasma P and the solenoid coil 3.

（実施の形態１０）
以下、本発明の実施の形態１０について、図１１を参照して説明する。 (Embodiment 10)
Hereinafter, a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図１１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１１（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１１（ｂ）はプラズマ処理中の段階を示し、図１１（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。   FIG. 11 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to the tenth embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the inductively coupled plasma torch unit. FIG. 11A shows a preparatory stage for performing an ignition sequence / acceleration of the inductively coupled plasma torch unit T, FIG. 11B shows a stage during plasma processing, and FIG. 11C shows completion of the plasma processing. After that, the stage of deceleration and misfire is shown.

図１１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、環状チャンバ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。   In FIG. 11, a flat cover 16 is provided on both sides of the substrate mounting table 1. The cover 16 is provided around the substrate mounting table 1 so as to surround the edge of the substrate 2 when the substrate 2 is disposed. Further, the surface of the cover 16 and the surface of the substrate 2 are configured to be located on the same plane. A coolant channel 17 for cooling the cover 16 is provided inside the cover 16. The cover 16 has a function of protecting the apparatus from plasma and a function of keeping the shape of the annular chamber constant so that plasma can be ignited and misfired smoothly. It is preferable that the gap w generated between the cover 16 and the base material 2 when the base material 2 is placed on the base material mounting table 1 is as small as possible.

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よいし、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よい。   Note that at least the surface of the cover 16 is preferably made of an insulating material. With such a configuration, it is possible to effectively suppress the occurrence of arc discharge between the plasma and the cover 16. When at least the surface of the cover 16 is made of an insulating material, the entire cover 16 may be made of an insulator such as quartz or ceramic, or sprayed, CVD, coating, etc. on a metal (conductor) such as stainless steel or aluminum. You may use what formed the insulating film by.

（実施の形態１１）
以下、本発明の実施の形態１１について、図１２及び図１３を参照して説明する。 (Embodiment 11)
Hereinafter, an eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図１２は本発明の実施の形態１１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１２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１３は、本発明の実施の形態１１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（ｄ）に相当する。   FIG. 12 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to the eleventh embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the inductively coupled plasma torch unit. FIG. 12 shows a preparatory stage in which the ignition sequence / acceleration of the inductively coupled plasma torch unit T is performed. FIG. 13 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to the eleventh embodiment of the present invention, and is a cross section cut by a plane parallel to the longitudinal direction of the inductively coupled plasma torch unit and perpendicular to the substrate. FIG. 6 corresponds to FIG.

実施の形態１０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１２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１０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。   In the tenth embodiment, the case where the gap w is generated between the cover 16 and the base material 2 when the base material 2 is placed on the base material placing table 1 is illustrated. However, in the present embodiment, As shown in FIG. 12, the gap is not formed. In the tenth embodiment, when the inductively coupled plasma torch unit T passes near the gap w, the plasma may fluctuate or misfire, but this embodiment can effectively suppress this. In order to realize such a configuration, the cover 16 is kept movable, and after the base material 2 is placed on the base material placing table 1, a motor driving mechanism, an air driving mechanism, a spring driving mechanism, or the like is used as appropriate. A method of approaching and pressing the cover 16 toward the base material 2 slowly can be considered.

また、図１３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、環状チャンバの形状を一定に保つ機能がある。   Further, in FIG. 13, since the length of the opening 8 is equal to or larger than the width of the base material 2, a single scan (relative movement of the inductively coupled plasma torch unit T and the base material mounting table 1 is performed). ), The entire thin film 22 near the surface of the substrate 2 can be processed. A flat cover 16 is provided on both sides of the substrate mounting table 1. The cover 16 has a function of protecting the apparatus from plasma and a function of keeping the shape of the annular chamber constant so that plasma destabilization / misfire can be suppressed.

なお、図１３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。   In FIG. 13, the refrigerant flow path is not provided inside the cover 16, but this is because the inductively coupled plasma torch unit T passes over the cover 16 in a short time, so that the inductively coupled plasma torch unit T This is because the heat energy flowing into the cover 16 is relatively small. Depending on the nature of the treatment, it may be preferable to provide a coolant channel and cool with water.

（実施の形態１２）
以下、本発明の実施の形態１２について、図１４を参照して説明する。 (Embodiment 12)
Hereinafter, Embodiment 12 of the present invention will be described with reference to FIG.

図１４は本発明の実施の形態１２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り、図１（ａ）に相当する。   FIG. 14 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to the twelfth embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view of the inductively coupled plasma torch unit taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction, and corresponds to FIG. .

図１４において、長尺で線状の開口部８を構成する線状の隙間を隔てて、第三石英ブロック１８及び第四石英ブロック１９が誘導結合型プラズマトーチユニットＴの最下部に設けられ、第一石英ブロック４及び第二石英ブロック５との間に、環状チャンバ内部の空間を構成している。第三石英ブロック１８及び第四石英ブロック１９は、少なくとも一方が図の左右方向にスライド可能なように構成され、開口部８の開口幅が可変となっている。   In FIG. 14, a third quartz block 18 and a fourth quartz block 19 are provided at the lowermost part of the inductively coupled plasma torch unit T with a linear gap constituting the long and linear opening 8 interposed therebetween. A space inside the annular chamber is formed between the first quartz block 4 and the second quartz block 5. At least one of the third quartz block 18 and the fourth quartz block 19 is configured to be slidable in the horizontal direction in the figure, and the opening width of the opening 8 is variable.

このような構成により、基材２へのプラズマ曝露の強度や、プラズマに曝露される時間などの処理パラメータを制御することができる。   With such a configuration, it is possible to control processing parameters such as the intensity of plasma exposure to the substrate 2 and the time of exposure to plasma.

（実施の形態１３）
以下、本発明の実施の形態１３について、図１５を参照して説明する。 (Embodiment 13)
Hereinafter, a thirteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図１５は本発明の実施の形態１３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り、図１（ａ）に相当する。   FIG. 15 shows the configuration of the plasma processing apparatus according to the thirteenth embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the inductively coupled plasma torch unit, and corresponds to FIG. .

図１５において、ソレノイドコイル３の中心軸は、図の紙面上、左右方向である。また、実施の形態９と同様、ソレノイドコイル３の中心軸が基材２に平行で、かつ、環状チャンバがなす面が基材２に垂直となる構成としている。ソレノイドコイル３は、中心軸に対して少し傾斜して配置されているが、環状チャンバに十分近接しているので、環状チャンバ内部の空間に高密度プラズマを生成することができる。ソレノイドコイル３と基材２との間には誘電体ブロック２０が設けられ、プラズマから供給された荷電粒子がソレノイドコイル３に到達しないような構造となっている。   In FIG. 15, the central axis of the solenoid coil 3 is the left-right direction on the drawing sheet. As in the ninth embodiment, the central axis of the solenoid coil 3 is parallel to the base material 2 and the surface formed by the annular chamber is perpendicular to the base material 2. The solenoid coil 3 is disposed slightly inclined with respect to the central axis, but is sufficiently close to the annular chamber, so that high-density plasma can be generated in the space inside the annular chamber. A dielectric block 20 is provided between the solenoid coil 3 and the substrate 2 so that charged particles supplied from plasma do not reach the solenoid coil 3.

このような構成により、誘導結合型プラズマトーチユニットＴが小型化できる。また、環状チャンバ内の放電や開口部８直下の基材２表面の視認性が高まるので、発光モニタリング、温度モニタリングなどの種々のモニタリングが容易に行える。また、プラズマＰとソレノイドコイル３が空間的に分離されるので、プラズマＰとソレノイドコイル３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。   With such a configuration, the inductively coupled plasma torch unit T can be reduced in size. Moreover, since the visibility in the discharge in the annular chamber and the surface of the base material 2 immediately below the opening 8 is enhanced, various monitoring such as light emission monitoring and temperature monitoring can be easily performed. Moreover, since the plasma P and the solenoid coil 3 are spatially separated, it is possible to effectively suppress the occurrence of arc discharge between the plasma P and the solenoid coil 3.

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。   The plasma processing apparatus and method described above merely exemplify typical examples of the scope of application of the present invention.

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、基材載置台１を走査してもよい。   For example, the inductively coupled plasma torch unit T may be scanned with respect to the fixed substrate mounting table 1, but the substrate mounting table 1 is scanned with respect to the fixed inductively coupled plasma torch unit T. May be.

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。加えて、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、さまざま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。   Moreover, it becomes possible by the various structure of this invention to process the surface vicinity of the base material 2 at high temperature. In addition, it can be applied to the crystallization of TFT semiconductor films and the modification of semiconductor films for solar cells, which have been described in detail in the prior art, as well as cleaning and reducing degassing of plasma display panel protective layers, silica fine particles The present invention can be applied to various surface treatments such as surface flattening and reduction of degassing of a dielectric layer made of an assembly of various materials, reflow of various electronic devices, and plasma doping using a solid impurity source. Moreover, as a manufacturing method of a solar cell, it can apply also to the method of apply | coating the powder obtained by grind | pulverizing a silicon ingot on a base material, and irradiating this with a plasma and fuse | melting it, and obtaining a polycrystalline silicon film.

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。   It is also possible to use an ignition source in order to facilitate plasma ignition. As an ignition source, an ignition spark device used for a gas water heater or the like can be used.

また、長尺の環状チャンバを構成するのではなく、円筒状の石英ブロック、円筒状に成形された導体製のソレノイドコイル３などを用いて、円筒状のトーチユニットを用いることも考えられる。   It is also conceivable to use a cylindrical torch unit by using a cylindrical quartz block, a solenoid coil 3 made of a conductor formed into a cylindrical shape, etc., instead of constituting a long annular chamber.

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、あるいは、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。   When the insulating base material 2 is used, the present invention is relatively easy to apply. However, when the base material 2 is a conductor or a semiconductor, or when the thin film 22 is a conductor or a semiconductor, Arc discharge is likely to occur on the surface of the material 2. In order to prevent this, a method of treating the surface of the substrate 2 after forming an insulating film on the surface of the substrate 2 can be used.

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。   In the description, the term “thermal plasma” is used for simplicity. However, it is difficult to distinguish between thermal plasma and low temperature plasma. For example, Tanaka Yasunori “Non-equilibrium in thermal plasma” plasma nucleus Journal of Fusion Society, Vol. 82, no. 8 (2006) p. As described in 479-483, it is also difficult to classify plasma types based on thermal equilibrium alone. The present invention has an object of heat-treating a substrate, and can be applied to a technique for irradiating high-temperature plasma without being bound by terms such as thermal plasma, thermal equilibrium plasma, and high-temperature plasma.

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。   In addition, the case where high-temperature heat treatment is uniformly performed in the vicinity of the surface of the base material for a very short time has been illustrated in detail. However, when the base material is subjected to low-temperature plasma processing by irradiating the base material with plasma or plasma and reactive gas flow at the same time. The present invention can also be applied. By mixing the reaction gas with the plasma gas, the plasma by the reaction gas is irradiated onto the substrate, and etching and CVD can be realized.

あるいは、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。 Alternatively, the plasma and the reactive gas flow are simultaneously irradiated onto the substrate by supplying a gas containing a reactive gas as a shielding gas while using a rare gas or a gas obtained by adding a small amount of H 2 gas to the rare gas as the plasma gas. In addition, plasma processing such as etching, CVD, and doping can be realized. When a gas containing argon as a main component is used as the plasma gas, thermal plasma is generated as exemplified in detail in the embodiment.

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。 On the other hand, when a gas containing helium as a main component is used as the plasma gas, a relatively low temperature plasma can be generated. By such a method, processing such as etching and film formation can be performed without heating the substrate too much. Examples of the reactive gas used for etching include a halogen-containing gas such as C x F y (x and y are natural numbers), SF 6, and the like, and silicon and silicon compounds can be etched.

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。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。 If O 2 is used as the reaction gas, it is possible to remove organic substances, resist ashing, and the like. The reactive gas used for CVD includes monosilane, disilane, and the like, and silicon or silicon compound can be formed. Alternatively, a silicon oxide film can be formed by using a mixed gas of O 2 and an organic gas containing silicon typified by TEOS (Tetraethoxysilane).

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。   In addition, various low-temperature plasma treatments such as surface treatment for modifying water repellency and hydrophilicity are possible. Compared to the prior art (for example, described in Patent Document 7), since it is an inductive coupling type, even if a high power density per unit volume is applied, it is difficult to shift to arc discharge, so a higher density plasma is generated. As a result, a high reaction rate can be obtained, and the entire desired region to be treated of the substrate can be efficiently treated in a short time.

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、さまざま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。   As described above, the present invention can be applied to crystallization of a TFT semiconductor film and modification of a solar cell semiconductor film. Of course, cleaning and degassing of the protective layer of the plasma display panel, surface flattening and degassing reduction of the dielectric layer composed of aggregates of silica fine particles, reflow of various electronic devices, plasma doping using a solid impurity source In various surface treatments, plasma is generated stably and efficiently in the vicinity of the surface of the base material for high-temperature heat treatment uniformly for a short time, and the entire desired area of the base material is efficiently processed in a short time. It is an invention useful for processing well.

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。   In addition, the invention is useful for efficiently treating the entire desired region of the substrate in a short time in low temperature plasma processing such as etching, film formation, doping, and surface modification in the manufacture of various electronic devices. It is.

１ 基材載置台
２ 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
７ 長尺チャンバ内部の空間
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
１５，１７ 冷媒流路
Ｐ プラズマ
２２ 薄膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material mounting base 2 Base material T Inductive coupling type plasma torch unit 3 Solenoid coil 4 1st quartz block 5 2nd quartz block 7 Space inside long chamber 8 Opening 9 Plasma gas manifold 10 Plasma gas supply piping 11 Plasma gas Supply hole 15, 17 Refrigerant flow path P Plasma 22 Thin film

Claims (1)

線状の開口部を備えた誘電体ブロックと、
前記誘電体ブロックの壁面によって囲まれ、かつ、前記開口部の延出方向に平行な面で切った断面において一続きに閉じた形状を有する環状チャンバと、
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、を有する誘導結合型プラズマトーチユニット、を備え、
前記コイルに接続される高周波電源と、
前記開口部に対向して配置され、かつ、基材を載置する基材載置台と、を有する、
プラズマ処理装置。 A dielectric block with a linear opening;
An annular chamber surrounded by a wall surface of the dielectric block and having a continuously closed shape in a cross section cut by a plane parallel to the extending direction of the opening ;
A gas supply pipe for introducing gas into the annular chamber;
An inductively coupled plasma torch unit having a coil provided in the vicinity of the annular chamber,
A high frequency power source connected to the coil;
A substrate mounting table disposed opposite to the opening and mounting the substrate;
Plasma processing equipment.
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