JP6264762B2

JP6264762B2 - プラズマ処理装置及び方法

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Publication number: JP6264762B2
Application number: JP2013144251A
Authority: JP
Inventors: 奥村　智洋; 智洋奥村; 川浦　廣; 廣川浦
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2033-07-10
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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、プラズマ処理装置及び方法に関するものである。

従来、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等の半導体薄膜は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や太陽電池に広く利用されている。とりわけ、ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴは、キャリア移動度が高いうえ、ガラス基板のような透明の絶縁基板上に作製できるという特徴を活かして、例えば、液晶表示装置、液晶プロジェクタや有機ＥＬ表示装置などの画素回路を構成するスイッチング素子として、或いは液晶駆動用ドライバの回路素子として広く用いられている。

ガラス基板上に高性能なＴＦＴを作製する方法としては、一般に「高温プロセス」と呼ばれる製造方法がある。ＴＦＴの製造プロセスの中でも、工程中の最高温度が１０００℃程度の高温を用いるプロセスを一般的に「高温プロセス」と呼んでいる。高温プロセスの特徴は、シリコンの固相成長により比較的良質の多結晶シリコンを成膜することができる点、シリコンの熱酸化により良質のゲート絶縁層を得ることができる点、及び清浄な多結晶シリコンとゲート絶縁層との界面を形成できる点である。高温プロセスではこれらの特徴により、高移動度でしかも信頼性の高い高性能ＴＦＴを安定的に製造することができる。

他方、高温プロセスは固相成長によりシリコン膜の結晶化を行うプロセスであるために、６００℃程度の温度で４８時間程度の長時間の熱処理を必要とする。これは大変長時間の工程であり、工程のスループットを高めるためには必然的に熱処理炉を多数必要とし、低コスト化が難しいという点が課題である。加えて、耐熱性の高い絶縁性基板として石英ガラスを使わざるを得ないため基板のコストが高く、大面積化には向かないとされている。

一方、工程中の最高温度を下げ、安価な大面積のガラス基板上にｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを作製するための技術が「低温プロセス」と呼ばれる技術である。ＴＦＴの製造プロセスの中でも、最高温度が概ね６００℃以下の温度環境下において比較的安価な耐熱性のガラス基板上にｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを製造するプロセスは、一般に「低温プロセス」と呼ばれている。低温プロセスでは、発振時間が極短時間のパルスレーザーを用いてシリコン膜の結晶化を行うレーザー結晶化技術が広く使われている。レーザー結晶化とは、基板上のシリコン薄膜に高出力のパルスレーザー光を照射することによって瞬時に溶融させ、これが凝固する過程で結晶化する性質を利用する技術である。

しかしながら、このレーザー結晶化技術には幾つかの大きな課題がある。一つは、レーザー結晶化技術によって形成したポリシリコン膜の内部に局在する多量の捕獲準位である。この捕獲準位の存在により、電圧の印加によって本来能動層を移動するはずのキャリアが捕獲され、電気伝導に寄与できず、ＴＦＴの移動度の低下、閾値電圧の増大といった悪影響を及ぼす。更に、レーザー出力の制限によって、ガラス基板のサイズが制限されるといった課題もある。レーザー結晶化工程のスループットを向上させるためには、一回で結晶化できる面積を増やす必要がある。しかしながら、現状のレーザー出力には制限があるため、第７世代（１８００ｍｍ×２１００ｍｍ）といった大型基板にこの結晶化技術を採用する場合には、基板一枚を結晶化するために長時間を要する。

また、レーザー結晶化技術は一般的にライン状に成形されたレーザーが用いられ、これを走査させることによって結晶化を行なう。このラインビームは、レーザー出力に制限があるため基板の幅よりも短く、基板全面を結晶化するためには、レーザーを数回に分けて走査する必要がある。これによって基板内にはラインビームの継ぎ目の領域が発生し、二回走査されてしまう領域ができる。この領域は一回の走査で結晶化した領域とは結晶性が大きく異なる。そのため両者の素子特性は大きく異なり、デバイスのバラツキの大きな要因となる。最後に、レーザー結晶化装置は装置構成が複雑であり且つ、消耗部品のコストが高いため、装置コストおよびランニングコストが高いという課題がある。これによって、レーザー結晶化装置によって結晶化したポリシリコン膜を使用したＴＦＴは製造コストが高い素子になってしまう。

このような基板サイズの制限、装置コストが高いといった課題を克服するため、「熱プラズマジェット結晶化法」と呼ばれる結晶化技術が研究されている（例えば、非特許文献１を参照）。本技術を以下に簡単に説明する。タングステン（Ｗ）陰極と水冷した銅（Ｃｕ）陽極を対向させ、ＤＣ電圧を印加すると両極間にアーク放電が発生する。この電極間に大気圧下でアルゴンガスを流すことによって、銅陽極に空いた噴出孔から熱プラズマが噴出する。熱プラズマとは、熱平衡プラズマであり、イオン、電子、中性原子などの温度がほぼ等しく、それらの温度が１００００Ｋ程度を有する超高温の熱源である。このことから、熱プラズマは被熱物体を容易に高温に加熱することが可能であり、ａ−Ｓｉ膜を堆積した基板が超高温の熱プラズマ前面を高速走査することによってａ−Ｓｉ膜を結晶化することができる。

このように装置構成が極めて単純であり、且つ大気圧下での結晶化プロセスであるため、装置を密閉チャンバ等の高価な部材で覆う必要が無く、装置コストが極めて安くなることが期待できる。また結晶化に必要なユーティリティは、アルゴンガスと電力と冷却水であるため、ランニングコストも安い結晶化技術である。

図１０は、この熱プラズマを用いた半導体膜の結晶化方法を説明するための模式図である。

同図において、熱プラズマ発生装置３１は、陰極３２と、この陰極３２と所定距離だけ離間して対向配置される陽極３３とを備え構成される。陰極３２は、例えばタングステン等の導電体からなる。陽極３３は、例えば銅などの導電体からなる。また、陽極３３は、中空に形成され、この中空部分に水を通して冷却可能に構成されている。また、陽極３３には噴出孔（ノズル）３４が設けられている。陰極３２と陽極３３の間に直流（ＤＣ）電圧を印加すると両極間にアーク放電が発生する。この状態において、陰極３２と陽極３３の間に大気圧下でアルゴンガス等のガスを流すことによって、上記の噴出孔３４から熱プラズマ３５を噴出させることができる。ここで「熱プラズマ」とは、熱平衡プラズマであり、イオン、電子、中性原子などの温度がほぼ等しく、それらの温度が１００００Ｋ程度を有する超高温の熱源である。

このような熱プラズマを半導体膜の結晶化のための熱処理に利用することができる。具体的には、基板３６上に半導体膜３７（例えば、アモルファスシリコン膜）を形成しておき、当該半導体膜３７に熱プラズマ（熱プラズマジェット）３５を当てる。このとき、熱プラズマ３５は、半導体膜３７の表面と平行な第１軸（図示の例では左右方向）に沿って相対的に移動させながら半導体膜３７に当てられる。すなわち、熱プラズマ３５は第１軸方向に走査しながら半導体膜３７に当てられる。ここで「相対的に移動させる」とは、半導体膜３７（及びこれを支持する基板３６）と熱プラズマ３５とを相対的に移動させることを言い、一方のみを移動させる場合と両者をともに移動させる場合のいずれも含まれる。このような熱プラズマ３５の走査により、半導体膜３７が熱プラズマ３５の有する高温によって加熱され、結晶化された半導体膜３８（本例ではポリシリコン膜）が得られる（例えば、特許文献１を参照）。

図１１は、最表面からの深さと温度の関係を示す概念図である。同図に示すように、熱プラズマ３５を高速で移動させることにより、表面近傍のみを高温で処理することができる。熱プラズマ３５が通り過ぎた後、加熱された領域は速やかに冷却されるので、表面近傍はごく短時間だけ高温になる。

このような熱プラズマは、点状領域に発生させるのが一般的である。熱プラズマは、陰極３２からの熱電子放出によって維持されており、プラズマ密度の高い位置では熱電子放出がより盛んになるため、正のフィードバックがかかり、ますますプラズマ密度が高くなる。つまり、アーク放電は陰極の１点に集中して生じることとなり、熱プラズマは点状領域に発生する。

半導体膜の結晶化など、平板状の基材を一様に処理したい場合には、点状の熱プラズマを基材全体に渡って走査する必要があるが、走査回数を減らしてより短時間で処理できるプロセスを構築するには、熱プラズマの照射領域を広くすることが有効である。このため、長尺の熱プラズマを発生させ、一方向にのみ走査する技術が検討されている（例えば、特許文献２〜１４を参照）。また、本件発明者らによって、環状の長尺チャンバを用いることにより、安定して長尺の誘導結合型の大気圧プラズマトーチを生成する技術が開示されている（例えば、非特許文献２を参照）。これらは長尺の誘導結合型の大気圧プラズマトーチであるが、従来から円筒状のものが、熱処理、粉体合成、薄膜形成、溶射などに利用されている。

誘導結合型プラズマトーチにおいては、プラズマの着火に工夫を要する。そこで、従来から種々の着火方法が検討されてきた。円筒チャンバの内部を真空にしてプラズマが起きやすい状態で着火させるもの（例えば、特許文献１５を参照）、着火用のコイルを熱プラズマ発生用コイルとは別に設けるもの（例えば、特許文献１６を参照）、着火用の金属棒を用いるもの（例えば、特許文献１７を参照）が開示されている。

なお、誘導結合型プラズマトーチにおいて、円筒状の被処理物を回転させながら熱プラズマを照射するもの（例えば、特許文献１８を参照）が開示されているが、着火については何ら記載されていない。また、熱プラズマの下流のテール部を被処理物に照射するものであって、熱プラズマの高温部を直接被処理物に曝露するものではない。

また、回転する円筒状の電極を用いるもの（例えば、特許文献１９を参照）が開示されているが、これは容量結合型の低温プラズマであり、誘導結合型プラズマトーチとは全く異なるものである。

特開２００８−５３６３４号公報国際公開第２０１１／１４２１２５号特開２０１２−３８８３９号公報特開２０１２−５４１２９号公報特開２０１２−５４１３０号公報特開２０１２−５４１３１号公報特開２０１２−５４１３２号公報特開２０１２−１７４４９９号公報特開２０１２−１７４５００号公報特開２０１３−３７９７７号公報特開２０１３−９３２６４号公報特開２０１３−９３２６５号公報特開２０１３−９３２６６号公報特開２０１３−９８０６７号公報特開昭６１−６８９００号公報特開２００２−３４３５９９号公報特開平３−６７４９号公報特開２００５−２００２６５号公報特開２００２−３１２８２２号公報

Ｓ．Ｈｉｇａｓｈｉ，Ｈ．Ｋａｋｕ，Ｔ．Ｏｋａｄａ，Ｈ．ＭｕｒａｋａｍｉａｎｄＳ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４５，５Ｂ（２００６）ｐｐ．４３１３−４３２０Ｔ．ＯｋｕｍｕｒａａｎｄＨ．Ｋａｗａｕｒａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５２（２０１３）０５ＥＥ０１

しかしながら、半導体の結晶化など、ごく短時間だけ基材の表面近傍を高温処理する用途に対して、従来例に示した特許文献２〜１４に記載の熱プラズマを長尺状に発生させる技術では、プラズマが最も高温になる部分が基材から遠いため、基材の温度を十分に高めることが困難であるという問題点があった。

また、従来例に示した非特許文献２に記載の熱プラズマの高温部を基材に直接曝露する技術では、基材の温度を高めることは可能であるが、基材がプラズマトーチユニットの直下に無く開放空間となっている状態では、安定した環状プラズマの発生ができない。このため、着火時などは基材とは別の着火用平板などをプラズマトーチの直下に配置する必要がある。このとき、着火用平板は長時間（例えば、１秒以上）熱プラズマの照射を受けるので、冷媒などを用いた強制冷却が必須であり、装置が複雑化するという問題点があった。

なお、従来例に示した特許文献１５〜１７に記載の技術では、プラズマの着火の容易化は可能であるものの、プラズマが最も高温になる部分が基材から遠いため、基材の温度を十分に高めることが困難であるという問題点があった。また、着火用平板などがなくても独立してプラズマを発生させることができるものである。

本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、熱プラズマの高温部を基材に直接曝露するに際して、プラズマを簡単な構造で安定的に着火させ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している。

本願の第１発明のプラズマ処理装置は、スリット状の開口部と、前記開口部と連通し、かつ、前記開口部以外が誘電体で囲まれた環状の長尺チャンバと、前記長尺チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記長尺チャンバ内に高周波電磁界を発生させるコイルと、前記コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、基材を保持する基材載置部とを備えたプラズマ処理装置である。このプラズマ処理装置において、前記長尺チャンバの長手方向と前記開口部の長手方向とは平行に配置され、前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記長尺チャンバと前記基材とを相対的に移動可能とする移動機構を備え、前記長尺チャンバと対向した面が前記長尺チャンバの長手方向に垂直な向きに運動可能に構成された対向部を備えたことを特徴とする。

このような構成により、プラズマを簡単な構造で安定的に着火させることができる。

本願の第１発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記対向部が、前記長尺チャンバの長手方向に平行な軸を中心として回転可能な円筒であることが望ましい。或いは、前記対向部が、前記長尺チャンバの長手方向に垂直な向きに往復運動する平板であることが望ましい。

このような構成により、より簡単な構成が可能となる。

本願の第１発明のプラズマ処理装置において、前記対向部が、前記長尺チャンバの長手方向に平行な軸を中心として回転可能な円筒である場合、好適には、前記移動機構が基材を保持するトレーを移動させる機構であり、前記トレーの端部が斜面状になっていることが望ましい。また、この場合、さらに好適には、前記長尺チャンバと前記円筒との距離が可変であることが望ましい。

このような構成により、より安定的にプラズマ処理を行うことができる。

本願の第２発明のプラズマ処理方法は、スリット状の開口部と連通し、かつ、前記開口部以外が誘電体で囲まれた環状の長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、コイルに高周波電力を供給することで、前記長尺チャンバ内に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ、基材を前記開口部に近接して配置しつつ、前記開口部近傍のプラズマに曝露することにより、前記基材の表面を処理するプラズマ処理方法である。このプラズマ処理方法において、前記基材の処理に先立ち、前記長尺チャンバと対向した面が前記長尺チャンバの長手方向に垂直な向きに運動可能に構成された対向部を運動させながら、プラズマを発生させることを特徴とする。

本発明によれば、熱プラズマの高温部を基材に直接曝露するに際して、プラズマを簡単な構造で安定的に着火させ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ができる。

本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示す斜視図本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示す斜視図本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態３におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態４におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態５におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図従来例におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図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

以下、本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜図５を参照して説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。図１（ｂ）は、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に平行で、かつ、基材に垂直な面で切った断面図である。図１（ａ）は図１（ｂ）の破線で切った断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の破線で切った断面図、また、図２は、図１に示した誘導結合型プラズマトーチユニットの組立構成図であり、各部品（一部）の斜視図を並べたものである。

図１及び図２において、基材１上に薄膜２が形成されている。誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、導体製のコイル３が誘電体製の第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５の近傍に配置される。コイル３は、断面が円形の銅管を、断面が直方体の銅ブロックに接着したものである。第一セラミックスブロック４、第二セラミックスブロック５及び基材１の表面をなす薄膜２によって囲まれた空間により、誘電体製の長尺チャンバ７が画定される。

長尺チャンバ７は、基材１がなす面に垂直な面に沿って設けられている。また、コイル３の中心軸は、基材１に平行で、かつ、長尺チャンバ７を含む平面に垂直な向きになるよう構成される。すなわち、コイル３の一巻きが構成する面は基材がなす面に垂直な面に沿って、かつ、長尺チャンバ７を含む平面に沿って設けられている。また、コイル３は、第一セラミックスブロック４の外側、第二セラミックスブロック５の外側に各一つずつ配置され、かつ、長尺チャンバ７から離れた位置で直列に接続され、高周波電力を印加した際に長尺チャンバに発生させる高周波電磁界の向きが互いに等しくなるようになっている。

コイル３は、これら二つのうちのどちらか一方だけでも機能しうるが、本実施の形態のように、長尺チャンバ７を挟んで二つを設けた方が、長尺チャンバ７内に発生する電磁界の強度を強めることができるという利点がある。

誘導結合型プラズマトーチユニットＴは、全体が接地された導体製のシールド部材（図示しない）で囲われ、高周波の漏洩（ノイズ）が効果的に防止できるとともに、好ましくない異常放電などを効果的に防止できる。

長尺チャンバ７は、第一セラミックスブロック４の一つの平面と、第二セラミックスブロック５に設けた溝に囲まれている。また、これらの誘電体部材としての２つの誘電体ブロックは貼り合わされている。つまり、長尺チャンバ７は、開口部８以外が誘電体で囲まれる構成である。

また、長尺チャンバ７は環状である。ここでいう環状とは、一続きの閉じたヒモ状をなす形状を意味し、円形に限定されるものではない。本実施の形態においては、長方形（２つの長辺をなす直線部と、その両端に２つの短辺をなす直線が連結されてなる、一続きの閉じたヒモ状の形状）の長尺チャンバ７を例示している。長尺チャンバ７に発生したプラズマＰは、長尺チャンバ７における長尺で線状の開口部８において、基材１の表面をなす薄膜２に接触する。

また、長尺チャンバ７の長手方向と開口部８の長手方向とは平行に配置されている。

第二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（貫通穴）を介して、長尺チャンバ７に導入される。このような構成により、長手方向に均一なガス流れを簡単に実現できる。プラズマガス供給配管１０へ導入するガスの流量は、その上流にマスフローコントローラなどの流量制御装置を備えることにより制御される。

プラズマガス供給穴１１は、長尺のスリットであるが、丸い穴状のものを長手方向に複数設けたものであってもよい。

基材１は、トレーとしての基材ホルダ１２上に載置される。基材ホルダ１２には、基材１の外形とほぼ相似形でわずかに小さい貫通穴と、基材１の外形とほぼ相似形でわずかに大きい座グリ部とが設けられ、基材１をこの座グリ部に載せることで、基材ホルダ１２の誘導結合型プラズマトーチユニットＴに対向する側の面の座グリ部よりも外側の部分と、基材１の表面とがほぼ同一面を構成するよう、座グリ部の深さは基材１の厚さとほぼ等しく構成される。

このような構成とすることで、基材ホルダ１２を誘導結合型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とき、基材ホルダ１２の位置にかかわらず、プラズマを発生させる空間たる環状チャンバ７の形状がほぼ一定となる。つまり、移動にともなうプラズマの揺動を抑えることができる。

コイル３内の銅管の内部は冷媒流路となっている。また、その外側に接着された銅ブロックは、接着剤（図示しない）によって第一セラミックスブロック４または第二セラミックスブロック５に接着されている。このように、コイル３の断面を直方体とすることで、第一セラミックスブロック４または第二セラミックスブロック５との間の接着剤をできるだけ薄くすることができるので、良好な熱伝導が確保される。したがって、コイル３を構成する銅管に水などの冷媒を流すことで、コイル３、第一セラミックスブロック４及び第二セラミックスブロック５の冷却が可能である。

長方形の線状の開口部８が設けられ、基材１（或いは、基材１上の薄膜２）は、開口部８と対向して配置されている。事前に、長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、開口部８からガスを噴出させながら、図示していない高周波電源よりコイル３に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、長尺チャンバ７にプラズマＰを発生させておき、その後、基材１を誘導結合型プラズマトーチユニットＴの近傍に移動させ、開口部８付近のプラズマを基材１の表面をなす薄膜２に曝露することにより、基材１上の薄膜２をプラズマ処理することができる。

開口部８の長手方向に対して垂直な向きに、長尺チャンバ７と基材１とを相対的に移動させることで、基材１を処理する。つまり、図１（ａ）の左右方向へ、図１（ｂ）の紙面に垂直な方向へ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたは基材１を動かす。

長尺チャンバ７内に供給するガスとして種々のものが使用可能だが、プラズマの安定性、着火性、プラズマに暴露される部材の寿命などを考えると、不活性ガス主体であることが望ましい。なかでも、Ａｒガスが典型的に用いられる。Ａｒのみでプラズマを生成させた場合、プラズマは相当高温となる（１０，０００Ｋ以上）。

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＝０．５〜５０ｋＷ程度の値が適切である。ただし、これらの諸量のうち、ガス流量及び電力は、開口部８の長さ１００ｍｍ当たりの値である。ガス流量や電力などのパラメータは、開口部８の長さに比例した量を投入することが適切と考えられるためである。

このように、開口部８の長手方向と、基材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１とを相対的に移動するので、図１（ｂ）に示すように、生成すべきプラズマの長さと、基材１の処理長さがほぼ等しくなるように構成することが可能となる。

また、プラズマＰにおいて温度、電子密度、活性粒子密度の高い部分を基材１の表面に曝露させるので、高速な処理、或いは、高温処理が可能となる。

図３は、図１〜図２に示した誘導結合型プラズマトーチユニットを搭載したプラズマ処理装置の構成を示す斜視図である。図３において、誘導結合型プラズマトーチユニットＴに対向して、基材１を保持する基材載置部としてのローラー１３が複数設けられ、ローラー１３の上を、基材ホルダ１２とその上に搭載された基材１とが、誘導結合型プラズマトーチユニットＴと、これに対向して設けられた対向部としての対向回転体１４との間を通過することで、プラズマ処理が行われる。複数あるローラー１３の全てまたはいくつかを回転駆動することで、基材ホルダ１２の搬送が実現できる。対向回転体１４は、誘導結合型プラズマトーチユニットＴに対して常に対向して配置されている。

対向回転体１４は、長尺チャンバの長手方向に平行な軸を中心として回転可能な円筒である。つまり、対向回転体１４の長尺チャンバと対向した面が、長尺チャンバの長手方向に垂直な向きに運動可能に構成されている。

図４は、基材ホルダ１２が誘導結合型プラズマトーチユニットＴの真下にない状態における、誘導結合型プラズマトーチユニットＴと対向回転体１４が対向している部分を拡大した断面図である。

図４において、対向回転体１４を回転運動させながら、誘導結合型プラズマトーチユニットＴ内の長尺チャンバ７内にガス供給穴１１よりＡｒまたはＡｒ＋Ｈ₂ガスを供給しつつ、開口部８から対向回転体１４に向けてガスを噴出させながら、図示していない高周波電源より１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、コイル３に供給することにより、長尺チャンバ７内に高周波電磁界を発生させることでプラズマＰを発生させ、開口部８付近のプラズマを対向回転体１４に曝露する。

つまり、第一セラミックスブロック４、第二セラミックスブロック５及び対向回転体１４の表面によって囲まれた空間により、誘電体製の長尺チャンバ７が画定された状態で、プラズマを安定的に着火させる。このとき、開口部８の下方が広く開放されていると、プラズマを発生させる空間たる環状チャンバ７の形状が画定されず、安定した着火を行うことができない。

このように、基材１から離れたところでプラズマの着火を行うことで、基材１に対する着火ステップに伴う不安定なプラズマ照射を避けるとともに、着火後に十分な加速時間を経て移動速度が一定に達した後に基材１にプラズマ照射することができるので、基材１の端から端までを均一に処理することができる。

また、対向回転体１４が回転している状態でプラズマを発生させるので、対向回転体１４の一部が長時間に渡って加熱されることで溶融したり損傷・破損したりすることを避けることができる。これは、対向回転体１４の表面における低温部が、次々に開口部８近傍のプラズマ照射部に移動してくる一方、対向回転体１４の表面におけるプラズマ照射によって加熱された高温部が、次々に開口部８近傍のプラズマ照射部から離れていき、速やかに冷却されるからである。

対向回転体１４の表面温度は、開口部８近傍でプラズマ照射された瞬間が最も高く、その後徐々に低下して再び開口部８近傍に戻ってくる直前に最も低くなる。その温度水準は、移動熱容量、放熱性や、主に供給する高周波電力の大きさによって決まるプラズマ照射の強度に依存する。必要に応じて、対向回転体１４の内部に冷却水などの冷媒を流すことで、温度水準をより低温に保つことも可能である。

或いは、回転速度を速めることで、対向回転体１４の表面温度が最も高くなるときの温度を低くすることができる。或いは、誘導結合型プラズマトーチユニットＴから離れた部分に気体または液体を吹き付けて冷却を促進してもよい。

図５は、基材１を搭載した基材ホルダ１２が、図の左側から誘導結合型プラズマトーチユニットＴと対向回転体１４が対向している部分に近づいていく様子を、（ａ）〜（ｅ）の順に並べた断面図である。基材ホルダ１２の端部は斜面１５を構成している。誘導結合型プラズマトーチユニットＴと、その開口部８に対向する部分（図５（ａ）〜（ｂ）における対向回転体１４）との距離が急激に変化すると、プラズマＰが不安定になったり、場合によっては失火或いは容量結合モード（低密度プラズマ状態）にモード変化を起こすことがある。これを避けるためには、図５（ｃ）に示すように、斜面１５にプラズマＰを照射するタイミングで誘導結合型プラズマトーチユニットＴを徐々に上昇させ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴと、その開口部８に対向する部分（図５（ｃ）における斜面１５）との距離を一定に保つことが有効である。

ここでは、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを徐々に上昇させる場合を例示したが、対向回転体１４を徐々に下降させてもよい。誘導結合型プラズマトーチユニットＴには、ガス、高周波電力、冷却水など多数の配管、配線を接続する必要があるので、対向回転体１４を下降させる方が簡単な装置構成となる。いずれにせよ、長尺チャンバ７と対向回転体１４との距離が可変であるように構成する。また、斜面１５は平面（断面が直線）である必要はなく、曲面（断面が曲線）であってもよい。

同様に、基材ホルダ１２が誘導結合型プラズマトーチユニットＴと対向回転体１４が対向している部分を通り過ぎるタイミングにおいても、図示しない基材ホルダ１２の左側の端部をも斜面としておくとともに、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを徐々に下降させるか、または、対向回転体１４を徐々に上昇させることで、誘導結合型プラズマトーチユニットＴと、その開口部８に対向する部分との距離を一定に保つことができる。

なお、基材ホルダ１２などのトレーを用いず、ローラー１３上で直に基材１を搬送することも可能である。この場合も、長尺チャンバ７と対向回転体１４との距離が可変であることは、プラズマの変動抑制に有効である。また、太陽電池基板などのように極めて薄い（２００μｍ未満）基材１であれば、長尺チャンバ７と対向回転体１４との距離を可変にする必要がない場合もあり得る。

また、ローラー１３を用いず、ロボット、リニアスライダなど他の搬送機構を利用してもよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図６を参照して説明する。

図６は本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの長尺方向に垂直な面で切った断面図ある。図６（ａ）は誘導結合型プラズマトーチユニットＴの着火シーケンスまたは準備段階を示し、図６（ｂ）はプラズマ処理中の段階を示し、図６（ｃ）は準備段階またはプラズマ処理が完了した後の失火シーケンスを示す。

本実施の形態においては、実施の形態１において用いたような、基材１の進行方向に対して誘導結合型プラズマトーチユニットＴとの位置関係が固定された対向回転体を用いるのではなく、トレーとしての基材ホルダ１２とともに搬送される第１移動回転体１６及び第２移動回転体１７を備える。第１移動回転体１６及び第２移動回転体１７は、その上面の高さが、基材ホルダ１２の上面及び基材１の上面と一致するように配置されており、また、長尺チャンバ７の長手方向に平行な軸を中心として回転可能な円筒である。つまり、第１移動回転体１６及び第２移動回転体１７の長尺チャンバ７と対向した面が、長尺チャンバ７の長手方向に垂直な向きに運動可能に構成されている。

図６（ａ）に示すように、第１移動回転体１６を回転させながらプラズマの着火を行うことで、基材１に対する着火ステップに伴う不安定なプラズマ照射を避けるとともに、着火後に十分な加速時間を経て移動速度が一定に達した後に基材１にプラズマ照射することができるので、基材１の端から端までを均一に処理することができる。

図６（ａ）は着火シーケンスではなく、準備段階を示すものと考えることもできる。図の右から左へと搬送されプラズマ処理を終えた基材１を、次に処理すべき未処理の基材１と交換するタイミングにおいて、プラズマを停止させることなくこれを行いたい場合がある。このような場合は、第１移動回転体１６を回転させながらプラズマを維持しておくことができる。

一方、図６（ｃ）に示すように、第２移動回転体１７を回転させながらプラズマの失火を行うことで、不安定なプラズマ状態を経ずに安全に失火シーケンスを行うことができる。

同様に、図６（ｃ）は失火シーケンスではなく、準備段階を示すものと考えることもできる。図の左から右へと搬送されプラズマ処理を終えた基材１を、次に処理すべき未処理の基材１と交換するタイミングにおいて、プラズマを停止させることなくこれを行いたい場合がある。このような場合は、第２移動回転体１７を回転させながらプラズマを維持しておくことができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図７を参照して説明する。

図７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、基材１を搭載した基材ホルダ１２と、第１移動回転体１６及び第２移動回転体１７の断面図である。

図７において、基材ホルダ１２の両端部を、第１移動回転体１６及び第２移動回転体１７と半径がほぼ等しい半円形状に構成している。

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の開口部８が、第１移動転体１６または第２移動回転体１７から基材ホルダ１２の間を通過する際の、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの開口部８とそれに対向する部分との距離の変化を小さくすることが可能となるので、プラズマＰが不安定になったり、場合によっては失火或いは容量結合モード（低密度プラズマ状態）にモード変化を起こすことを効果的に抑制できる。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図８を参照して説明する。

図８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、基材１を搭載した基材ホルダ１２と、第１移動回転体１６及び第２移動回転体１７の断面図である。

図８において、基材ホルダ１２の両端部のうちの上部を、第１移動回転体１６及び第２移動回転体１７と半径がほぼ等しい半円形状に構成している。

このような構成によっても、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの開口部８が、第１移動転体１６または第２移動回転体１７から基材ホルダ１２の間を通過する際の、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの開口部８とそれに対向する部分との距離の変化を小さくすることが可能となるので、プラズマＰが不安定になったり、場合によっては失火或いは容量結合モード（低密度プラズマ状態）にモード変化を起こすことを効果的に抑制できる。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図９を参照して説明する。

図９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Ｔの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。図９（ａ）は誘導結合型プラズマトーチユニットＴの着火シーケンスまたは準備段階を示し、図９（ｂ）はプラズマ処理中の段階を示し、図９（ｃ）は準備段階またはプラズマ処理が完了した後の失火シーケンスを示す。

本実施の形態においては、実施の形態１〜４において用いたような回転体を用いるのではなく、トレーとしての基材ホルダ１２とともに搬送される第１スライド板１８及び第２スライド板１９を備える。第１スライド板１８及び第２スライド板１９は、その上面の高さが、基材ホルダ１２の上面及び基材１の上面と一致するように配置されており、また、長尺チャンバ７の長手方向に垂直な方向に往復運動可能な平板である。つまり、第１スライド板１８及び第２スライド板１９の長尺チャンバ７と対向した面が、長尺チャンバ７の長手方向に垂直な向きに運動可能に構成されている。

図９（ａ）に示すように、第１スライド板１８を往復運動させながらプラズマの着火を行うことで、基材１に対する着火ステップに伴う不安定なプラズマ照射を避けるとともに、着火後に十分な加速時間を経て移動速度が一定に達した後に基材１にプラズマ照射することができるので、基材１の端から端までを均一に処理することができる。

図９（ａ）は着火シーケンスではなく、準備段階を示すものと考えることもできる。図の右から左へと搬送されプラズマ処理を終えた基材１を、次に処理すべき未処理の基材１と交換するタイミングにおいて、プラズマを停止させることなくこれを行いたい場合がある。このような場合は、第１スライド板１８を往復運動させながらプラズマを維持しておくことができる。

一方、図９（ｃ）に示すように、第２スライド板１９を往復運動させながらプラズマの失火を行うことで、不安定なプラズマ状態を経ずに安全に失火シーケンスを行うことができる。

同様に、図９（ｃ）は失火シーケンスではなく、準備段階を示すものと考えることもできる。図の左から右へと搬送されプラズマ処理を終えた基材１を、次に処理すべき未処理の基材１と交換するタイミングにおいて、プラズマを停止させることなくこれを行いたい場合がある。このような場合は、第２スライド板１９を往復運動させながらプラズマを維持しておくことができる。

このような構成によれば、往復運動の向きが変わる際に第１スライド板１８及び第２スライド板１９の速度がゼロとなる瞬間があるので、回転体を用いる場合に比べて、第１スライド板１８及び第２スライド板１９がダメージを受ける可能性があるものの、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの開口部８が、第１スライド板１８または第２スライド板１９から基材ホルダ１２の間を通過する際の隙間を最小にできる。そのため、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの開口部８とそれに対向する部分との距離の変化を小さくすることが可能となり、プラズマＰが不安定になったり、場合によっては失火或いは容量結合モード（低密度プラズマ状態）にモード変化を起こすことをさらに効果的に抑制できる。

なお、第１スライド板１８及び第２スライド板１９はその上面（誘導結合型プラズマトーチユニットＴに対向することになる面）が平面であればよく、逆の面が平面である必要はない。

以上述べたプラズマ処理装置及び方法は、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。

例えば、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、基材ホルダ１２を走査するものを例示したが、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に対して走査してもよい。

また、回転体やスライド板の材質については述べなかったが、少なくともその表面は、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、プラズマと回転体またはスライド板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。回転体またはスライド板の少なくとも表面を絶縁材料から構成するに際して、回転体またはスライド板全体を石英、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。

また、本発明の種々の構成によって、基材１の表面近傍を高温処理することが可能となる。例えば、従来例で詳しく述べたＴＦＴ用半導体膜の結晶化や太陽電池用半導体膜の改質に適用可能であることは勿論、プラズマディスプレイパネルの保護層の清浄化や脱ガス低減、シリカ微粒子の集合体からなる誘電体層の表面平坦化や脱ガス低減、種々の電子デバイスのリフロー、固体不純物源を用いたプラズマドーピングなど、様々な表面処理に適用できる。また、太陽電池の製造方法としては、シリコンインゴットを粉砕して得られる粉末を基材上に塗布し、これにプラズマを照射して溶融させ多結晶シリコン膜を得る方法にも適用可能である。

また、説明においては簡単のため「熱プラズマ」という言葉を用いているが、熱プラズマと低温プラズマの区分けは厳密には難しく、また、例えば、田中康規「熱プラズマにおける非平衡性」プラズマ核融合学会誌、Ｖｏｌ．８２、Ｎｏ．８（２００６）ｐｐ．４７９−４８３において解説されているように、熱的平衡性のみでプラズマの種類を区分することも困難である。本発明は、基材を熱処理することを一つの目的としており、熱プラズマ、熱平衡プラズマ、高温プラズマなどの用語にとらわれず、高温のプラズマを照射する技術に関するものに適用可能である。

また、基材の表面近傍をごく短時間だけ均一に高温熱処理する場合について詳しく例示したが、反応ガスによるプラズマまたはプラズマと反応ガス流を同時に基材へ照射して基材を低温プラズマ処理する場合においても、本発明は適用できる。プラズマガスに反応ガスを混ぜることにより、反応ガスによるプラズマを基材へ照射し、エッチングやＣＶＤが実現できる。

或いは、プラズマガスとしては希ガスまたは希ガスに少量のＨ₂ガスを加えたガスを用いつつ、シールドガスとして反応ガスを含むガスをプラズマガスの周辺に供給することによって、プラズマと反応ガス流を同時に基材へ照射し、エッチング、ＣＶＤ、ドーピングなどのプラズマ処理を実現することもできる。

プラズマガスとしてアルゴンを主成分とするガスを用いると、実施例で詳しく例示したように、熱プラズマが発生する。一方、プラズマガスとしてヘリウムを主成分とするガスを用いると、比較的低温のプラズマを発生させることができる。このような方法で、基材をあまり加熱することなく、エッチングや成膜などの処理が可能となる。エッチングに用いる反応ガスとしては、ハロゲン含有ガス、例えば、Ｃ_xＦ_y（ｘ、ｙは自然数）、ＳＦ₆などがあり、シリコンやシリコン化合物などをエッチングすることができる。反応ガスとしてＯ₂を用いれば、有機物の除去、レジストアッシングなどが可能となる。

ＣＶＤに用いる反応ガスとしては、モノシラン、ジシランなどがあり、シリコンやシリコン化合物の成膜が可能となる。或いは、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）に代表されるシリコンを含有した有機ガスとＯ₂の混合ガスを用いれば、シリコン酸化膜を成膜することができる。

その他、撥水性・親水性を改質する表面処理など、種々の低温プラズマ処理が可能である。本発明の構成は誘導結合型であるため、単位体積あたり高いパワー密度を投入してもアーク放電に移行しにくいため、より高密度なプラズマが発生可能であり、その結果、速い反応速度が得られ、基材の所望の被処理領域全体を短時間で効率よく処理することが可能となる。

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。とりわけ、プラズマディスプレイパネルの保護層の清浄化や脱ガス低減、シリカ微粒子の集合体からなる誘電体層の表面平坦化や脱ガス低減、種々の電子デバイスのリフロー、固体不純物源を用いたプラズマドーピングなど、様々な表面処理において、基材の表面近傍をごく短時間だけ均一に高温熱処理するに際して、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。

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。

１基材
Ｔ誘導結合型プラズマトーチユニット
１２基材ホルダ
１３ローラー
１４対向回転体

Claims

スリット状の開口部と、前記開口部と連通し、かつ、誘電体で囲まれた環状の長尺チャンバと、前記長尺チャンバの内部にガスを供給するガス導入口と、前記長尺チャンバの内部に高周波電磁界を発生させるコイルと、前記コイルに高周波電力を供給する高周波電源と、基材を搭載する基材ホルダとを備えたプラズマ処理装置において、
前記長尺チャンバの長手方向と前記開口部の長手方向とは平行に配置され、前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記長尺チャンバと前記基材とを相対的に移動可能とする移動機構を備え、前記長尺チャンバと対向した面で前記基材ホルダと一体となって移動する円筒の移動回転体を有し、
前記移動回転体は、前記長尺チャンバの長手方向に平行な軸を中心に前記基材ホルダに対して回転すること、
を特徴とするプラズマ処理装置。
スリット状の開口部と連通し、かつ、誘電体で囲まれた環状の長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、コイルに高周波電力を供給することで、前記長尺チャンバ内に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ、基材を前記開口部に近接して配置しつつ、前記開口部の近傍のプラズマに曝露することにより、前記基材の表面を処理するプラズマ処理方法であって、
前記基材は基材ホルダに搭載され、前記長尺チャンバと対向した面で前記基材ホルダと一体となって移動する円筒の移動回転体を前記長尺チャンバの長手方向に平行な軸を中心に前記基材ホルダに対して回転させながら、プラズマを発生させること、
を特徴とするプラズマ処理方法。