JP6857799B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法、電子デバイスの製造方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法、電子デバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、プラズマ処理装置及び方法、電子デバイスの製造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：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や太陽電池に広く利用されている。これを安価に形成する方法として、非晶質シリコン膜にレーザー光を照射して結晶化するものがある。レーザープロセスは、イオン注入やプラズマドーピングによって半導体基板に導入した不純物原子の活性化などにも適用しうる。しかしながら、このレーザーアニール技術には、被加熱物の光吸収の大小によって到達温度がばらついたり、継ぎ目が発生するなどの課題があり、また非常に高価な設備を要する。
そこで、基材の近傍に線状の熱プラズマを発生させ、一方向にのみ走査することで、被加熱物の光吸収に依存しない加熱が可能で、また、継ぎ目なく、安価に熱処理を行う技術が検討されている（例えば、特許文献１〜３、及び、非特許文献１を参照）。
特開２０１３−１２０６３３号公報 特開２０１３−１２０６８４号公報 特開２０１３−１２０６８５号公報
Ｔ．Ｏｋｕｍｕｒａ ａｎｄ Ｈ．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１〜３に記載の線状の熱プラズマを発生させる技術では、線方向の加熱性能（基材への熱流入の大きさ）の分布を制御できないという問題点があった。従って、場合によっては温度などの均一性が悪いという問題点があった。
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、或いは、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、線方向の加熱性能（基材への熱流入の大きさ）の分布を制御することができ、均一性に優れたプラズマ処理装置及び方法、電子デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
本願の第１発明は、誘導結合型プラズマトーチを利用する装置であり、線状の開口部を備え、開口部以外が誘電体部材に囲まれた開口部に連通する環状のチャンバと、チャンバ内にガスを導入するガス供給配管と、チャンバ近傍に設けられたコイルと、コイルに接続された高周波電源と、基材載置台とを備え、開口部の近傍に、基材載置台に向けてガスを噴出する複数のガス噴出口が開口部がなす線の方向に並んで設けられたこと、を特徴とする。
このような構成により、線方向の加熱性能（基材への熱流入の大きさ）の分布を制御することができ、均一性に優れたプラズマ処理装置を実現できる。
本願の第１発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記複数のガス噴出口に供給するガス流量を、互いに独立に制御するガス流量制御装置を備えることが望ましい。
このような構成により、より精密に線方向の加熱性能（基材への熱流入の大きさ）の分布を制御することができる。
また、好適には、前記複数のガス噴出口にガスを導入するためのガス供給配管とは別に、前記チャンバの前記開口部でない部分に向けてガスを導入するためのガス供給配管を備えることが望ましい。
このような構成により、プラズマをより安定に発生させることができる。
また、好適には、前記チャンバを囲む前記誘電体部材のうち、前記基材載置台に相対する面を構成する部位が、前記開口部の線方向と平行に配置された円筒からなることが望ましい。
このような構成により、より高速なプラズマ処理が実現できる。
さらに、好適には、前記円筒を、前記円筒の軸を中心に回転させる回転機構を備えたることが望ましい。
このような構成により、さらに高速なプラズマ処理が実現できる。
また、好適には、前記複数のガス噴出口に向け、前記円筒に設けられた凹部と、前記円筒を支持する誘電体部材との間の空間を通ってガスが流れる構造となっていることが望ましい。
このような構成により、簡単な構成で、複数のガス噴出口を、開口部がなす線の方向に並んで設けることができる。
あるいは、前記複数のガス噴出口に向け、前記円筒と、前記円筒を支持する誘電体部材に設けられた凹部との間の空間を通ってガスが流れる構造となっていてもよい。
このような構成により、より均一な処理が実現できる。
本願の第２発明は、誘電体部材で囲まれた環状のチャンバ内にガスを供給しつつ、チャンバに連通する線状の開口部から基材に向けてガスを噴出し、コイルに高周波電力を供給することで、チャンバ内にプラズマを発生させ基材の表面を処理する誘導結合型プラズマトーチを利用する方法であって、開口部の近傍に、開口部がなす線の方向に並んで設けられた複数のガス噴出口から基材に向けてガスを噴出させつつ処理すること、を特徴とする。
このような構成により、線方向の加熱性能（基材への熱流入の大きさ）の分布を制御することができ、均一性に優れたプラズマ処理方法を実現できる。
本願の第３発明の電子デバイスの製造方法は、請求項３のプラズマ処理方法を用いることを特徴とする。
このような構成により、線方向の加熱性能（基材への熱流入の大きさ）の分布を制御することができ、均一性に優れた電子デバイスの製造方法を実現できる。
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、或いは、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プラズマ処理するに際して、線方向の加熱性能（基材への熱流入の大きさ）の分布を制御することができ、かつ均一に処理することができる。
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における開口部付近の拡大断面図 本発明の実施の形態２における開口部付近の拡大断面図 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３におけるプラズマ処理装置の構成を示す平面図 本発明の実施の形態３におけるプラズマ発生領域を示す斜視図 本発明の実施の形態３におけるコイルの構成を示す斜視図 本発明の実施の形態３におけるセラミックス筒の構成を示す斜視図 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４における第二セラミックスブロックの構成を示す斜視図
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３を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを、開口部８がなす線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Ｔを、開口部８がなす線方向に平行で、かつ、基材に垂直な面で切った断面図である。
詳細には、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である。また、図２は、図１に示した誘導結合型プラズマトーチユニットＴ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。また、図３は、図１における開口部８付近の拡大断面図である。
図１及び図２において、基材載置台としての基材ステージ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、導体製のコイル３ａ及び３ｂ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２の表面によって囲まれた空間により、誘電体製のチャンバ７が画定される。
チャンバ７は、基材ステージ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３ａ及び３ｂの中心軸は、基材ステージ１に平行で、かつ、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３ａ及び３ｂの一巻きが構成する面は基材ステージ１がなす面に垂直な面に沿って、かつ、チャンバ７を含む平面に沿って設けられている。
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。
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、チャンバ７は、開口部８以外が誘電体で囲まれている構成である。
また、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）のチャンバ７を例示している。チャンバ７に発生したプラズマＰは、チャンバ７における長尺で線状の開口部８において、基材２の表面に接触する。また、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の内部に第一ガスマニホールド９が設けられている。第一ガス供給配管１０より第一ガスマニホールド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第一ガス供給穴１１（貫通穴）を介して、チャンバ７に導入される。このような構成により、長手方向に均一なガス流れを簡単に実現できる。第一ガス供給配管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。
第二セラミックスブロック５の内部に第二ガスマニホールド１２ａ、１２ｂ、１２ｃが設けられている。第二ガス供給配管１３ａ、１３ｂ、１３ｃより、それぞれ第二ガスマニホールド１２ａ、１２ｂ、１２ｃに供給されたガスは、それぞれ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第二ガス供給穴１４ａ、１４ｂ、１４ｃ（貫通穴）を介して、開口部８の近傍に導入される。
つまり、第二ガス供給穴１４ａ、１４ｂ、１４ｃの最下部が、誘導結合型プラズマトーチユニットＴから基材ステージ１に向けてガスを噴出させるガス噴出口となっている。つまり、開口部８の近傍に、基材ステージ１に向けてガスを噴出する複数のガス噴出口が、開口部８がなす線の方向に並んで設けられている構成である。第二ガス供給配管１３ａ、１３ｂ、１３ｃへ導入するガスの流量は、その上流に配管ごと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、互いに独立に制御される。
第一ガス供給穴１１及び第二ガス供給穴１４は、ともに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。また、第一ガスマニホールド９及び第二ガスマニホールド１２の内部に多孔質セラミックスなどを配置して、第一ガスマニホールド９及び第二ガスマニホールド１２内での放電を防止することができる。
コイル３ａ及び３ｂの内部は冷媒流路となっている。また、コイル３ａ及び３ｂは、セラミックスカバー１５に設けた溝と、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とによって囲まれた冷媒流路としての水路６内に配置される。水路６に水などの冷媒を流すことで、コイル３ａ及び３ｂ、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。
また、コイル３ａ及び３ｂ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、チャンバ７から離れた位置で並列に接続され、高周波電力を印加した際に、チャンバ７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３ａ及び３ｂ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、チャンバ７を挟んで二つを設けた方が、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。
長方形の線状の開口部８が設けられ、基材２は、開口部８と対向して配置されている。事前にチャンバ７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３ａ及び３ｂに例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給することにより、チャンバ７にプラズマＰを発生させておき、その後、基材２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２の表面に曝露することにより、基材２をプラズマ処理することができる。
開口部８がなす線の方向に対して垂直な向きに、チャンバ７と基材ステージ１とを相対的に移動させることで、基材２を処理する。つまり、図１（ａ）の左右方向へ、図１（ｂ）の紙面に垂直な方向へ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたは基材ステージ１を動かす。
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）。Ｈ２ガスを僅かに加えることで、より高温のプラズマを得ることができる。
プラズマ発生の条件としては、走査速度＝５０〜３０００ｍｍ／ｓ、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。
図３に示すように、第一セラミックスブロック４における、開口部８の基材ステージ１に対向する面１７と、第二セラミックスブロック５の基材ステージ１に対向する面１８が、基材ステージ１がなす面に対して傾斜しており、開口部８が、基材ステージ１に向かって末広がりとなる形状をもつように構成されている。
このような構成では、開口部８の左右方向の中央部にプラズマＰがとどまりやすくなる。何故なら、プラズマＰが接触する壁としての開口部８の基材ステージ１に対向する面と、基材２との距離が、開口部８の中央部で最も広くなり、少しでも左右にプラズマが動くとエネルギー状態が上がってしまうため、もとの中央部に戻ろうとする力が働くためである。すなわち、このような構成により、プラズマの揺動が抑制され、安定なプラズマ処理を実現できる。
更に、開口部８近傍において、第二ガス供給穴１４から図の矢印方向（下方）にガスを噴出させることで、プラズマＰを基材２の方へ押し付けることができる。このことは、開口部８の基材ステージ１に対向する面からプラズマＰが遠ざかることを意味するので、高パワーを供給した場合においても誘電体部材が損傷しにくいため、高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。
また、同時に、第二ガス供給穴１４から下方にガスを噴出させない場合に比べて、プラズマＰが基材２に近づくことを意味するので、同一パワーで運転した場合にも、基材２の表面をより高温に処理することが可能となり、高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。
更に、開口部８の近傍に、基材ステージ１に向けてガスを噴出する複数のガス噴出口が、開口部８がなす線の方向に並んで設けられている構成であり、各ガス噴出口から噴出するガス流量は、系ごとにマスフローコントローラなどの流量制御装置により、互いに独立に制御される。従って、開口部８がなす線の方向の加熱性能（基材への熱流入の大きさ）の分布を制御することができ、均一性に優れたプラズマ処理装置を実現できる。
なお、本実施の形態においては、複数のガス噴出口にガスを導入するための第二ガス供給配管１３ａ、１３ｂ、１３ｃとは別に、チャンバ７の開口部８でない部分に向けてガスを導入するための第一ガス供給配管１０を備える構成となっている。開口部８付近では、導入したガスが誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材２との間を通じて拡散しやすいが、第一ガス供給配管１０から第一ガスマニホールド９及び第一ガス供給穴１１を介してチャンバ７に導入されたガスは、チャンバ７内を図１の上方から下方へ流れた後、開口部８の両端付近で誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材２との間の空間に達する。このように、複数のガス噴出口にガスを導入する経路と、チャンバ７の開口部８でない部分に向けてガスを導入する経路においては、ガスの流れ方に違いがある。したがって、本実施の形態のように、それぞれ別のガス供給経路を備え、それぞれを個別に流量制御した方が、プラズマをより安定に発生させることができる。
また、第一セラミックスブロック４における、開口部８の基材ステージ１に対向する面１７と、第二セラミックスブロック５の基材ステージ１に対向する面１８が、基材ステージ１がなす面に対して傾斜している場合を例示した。本例示に限定されることなく、第一セラミックスブロック４における、開口部８の基材ステージ１に対向する面１７と、第二セラミックスブロック５の基材ステージ１に対向する面１８が、基材ステージ１がなす面に対して平行であっても、開口部８の近傍に、基材ステージ１に向けてガスを噴出する複数のガス噴出口が、開口部８がなす線の方向に並んで設けられていれば、線方向の加熱性能の制御ができることはいうまでもない。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図４を参照して説明する。
図４は、本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを、開口部８がなす線方向に垂直な面で切った断面図における、開口部８付近の拡大断面図であり、実施の形態１の図３に相当する。
図４に示すように、第一セラミックスブロック４における、開口部８の基材ステージ１に対向する面１７と、第二セラミックスブロック５の基材ステージ１に対向する面１８が、基材ステージ１がなす面に対して傾斜しているが、これらは全体として蒲鉾状となっている。
なお、第一セラミックスブロック４における、開口部８の基材ステージ１に対向する面１７と、第二セラミックスブロック５の基材ステージ１に対向する面１８は、ともに楕円弧である。このような形状の場合も、開口部８が、基材ステージ１に向かって末広がりとなる形状をもつように構成されているといえる。このような構成によっても、開口部８の左右方向の中央部にプラズマＰがとどまりやすくなり、プラズマの揺動が抑制され、安定なプラズマ処理を実現できる。更に、開口部８近傍において、第二ガス供給穴１４から図の矢印方向（下方）にガスを噴出させることで、プラズマＰを基材２の方へ押し付けることができる。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図５〜図９を参照して説明する。
図５（ａ）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Ｔを、開口部８がなす線方向に垂直で、かつ、図５（ｂ）〜（ｃ）及び図６の点線Ａ−Ａ‘を通る面で切った断面図である。図５（ｂ）〜（ｃ）は、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを、開口部８がなす線方向に平行で、かつ、図５（ａ）の点線を通る面で切った断面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）の点線Ｂ−Ｂ’で切った断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）の点線Ｃ−Ｃ’で切った断面図である。図６は、図５に示した誘導結合型プラズマトーチユニットＴを図５の下方から上方を見た平面図である。図７は、プラズマの発生領域を示す斜視図であり、図５（ａ）の右手前から斜め下方向を見た図である。図８は、コイルの構成を示す斜視図であり、図７と同様、図５（ａ）の右手前から斜め下方向を見た図である。また、図９は、セラミックス筒の構成を示す斜視図であり、図５（ｃ）の右手前から斜め左方向を見た図である。
図５において、基材載置台としての基材ステージ１上に基材２が配置されている。誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、導体製のコイル３ａ及び３ｂが、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２によって囲まれた空間により画定される長尺で環状のチャンバ７の近傍に配置される。より具体的には、コイル３（３ａ及び３ｂ）はともに線状であり、基材ステージ１から遠い側のコイル３ａは、第二セラミックスブロック５に設けられた溝内に配置され、基材ステージ１に近い側のコイル３ｂは、セラミックス筒１９の内部に配置される。基材ステージ１がなす面に概ね垂直な面に沿ってコイル３及びチャンバ７が配置されている。
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。
チャンバ７は、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に設けた溝が一続きとなった環状の溝に囲まれている。つまり、チャンバ７全体が誘電体で囲まれている構成である。また、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ている。本実施の形態において、チャンバ７は、第一セラミックスブロック４に設けた長辺をなす直線部、第一セラミックスブロック４に設けた、前記直線部の両端に配された２つの短辺をなす直線部、及び、第一セラミックスブロック４と第二セラミックスブロック５の最下部に設けた長辺をなす直線部が連結されてなる、一続きの閉じたヒモ状の形状である。言い換えると、チャンバ７は、線状の開口部８に隣接した線状の領域（第一セラミックスブロック４と第二セラミックスブロック５の最下部に設けた長辺をなす直線部）と、これと平行に配置された線状の領域（第一セラミックスブロック４に設けた長辺をなす直線部）とからなる２つの線状の領域を含んでいる。また、開口部８を構成する環状のチャンバ７の内壁面は、セラミックス筒１９が開口部８の方向に露出している部分であり、線状をなしている。したがって、基材２にプラズマが照射される領域（開口部８付近）においては、基材ステージ１または基材２とチャンバ７の内壁面との距離が一定であるので、均一な処理を行うことができる。また、チャンバ７は全体として扁平であり、開口部８は、チャンバ７を囲う誘電体の一部を直線状に切除する（云い換えると、平面で分割する）ことによって開口されている。
また、コイル３は、２つの線状の領域のみに沿って配置された２本の線状の導体からなる。つまり、コイル３は、２つの短辺をなす直線部に沿っては設けられていない。旧来の誘導結合型プラズマトーチにおいては、円筒形のチャンバを取り巻くように螺旋状のコイルが設けられるのが通常であった。つまり、チャンバの全体に沿ってコイルが配置される。また、非特許文献１に開示されている新しい細長いタイプ（ライン状のプラズマ処理を実現するもの）の誘導結合型プラズマトーチにおいても、コイルはチャンバの全体に沿って配置されていた。本実施の形態のような、２つの長辺と２つの短辺からなるチャンバにおいては、より長い領域となる長辺に沿ってのみコイルを配置するだけで、所望のプラズマを得ることができる。従来のような螺旋形やスパイラル形のコイルでは、円筒内にコイルを配置できなかったが、本実施の形態で説明するように、コイルが線状なので、これを回転する円筒内に配置できるという大きな利点がある。なお、図８に示すように、コイル３ａと３ｂには、開口部８の長手方向に沿って逆向き（逆位相）の高周波電力を印加する。ここでは、１つの高周波電源２５を分岐する場合を例示したが、２台の高周波電源を、フェーズシフターなどを適宜用いて同期運転させてもよい。コイル３ａ及び３ｂが並列回路を構成しているため、合成インダクタンスが小さくなり、駆動電圧が小さくて済むという利点もある。コイル３ａの両端には、コイル３ａとは垂直方向に連続した接続部としての銅棒２４が設けられ、外部との電気的接続がなされる。一方、コイル３ｂはセラミックス筒１９を貫通して、ブラシまたはロータリーコネクタなどで構成された回転導通機構を介して外部との電気的接続がなされる。
チャンバ７に発生したプラズマＰは、チャンバ７の最下部をなすプラズマ噴出口（第一セラミックスブロック４と第二セラミックスブロック５の最下部に設けた長辺をなす直線状の開口部８）より基材２に向けて噴出する。また、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。
第一セラミックスブロック４に設けた長方形の溝は第一ガスマニホールド９である。第一ガス供給配管１０より第一ガスマニホールド９に供給されたガスは、第一セラミックスブロック４に設けられた溝と第二セラミックスブロック５の平面部との間に位置するガス導入部としての第一ガス供給穴１１を介して、チャンバ７に導入される。このような構成により、長手方向に均一なガス流れを簡単に実現できる。第一ガス供給配管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。
３本の第二ガス供給配管２０より供給されたガスは、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ガス導入溝２１を介して、セラミックス筒１９と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との間の空間を通り、開口部８の近傍に導入される。それぞれの第二ガス供給配管２０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それぞれ制御される。図９に示すように、セラミックス筒１９に設けられた３つの凹部２２と、セラミックス筒１９を支持する誘電体部材として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の間の空間を通ってガスが流れる構造となっている。凹部２２と凹部２２の間の領域２３では、セラミックス筒１９の直径が凹部２２よりも若干太くなっている。セラミックス筒１９が回転する際に、セラミックス筒１９と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とは接触しない（図示しない軸受に接触する）ので、凹部２２と凹部２２の間の領域２３においてもガスは連通するが、凹部２２のコンダクタンスを凹部２２と凹部２２の間の領域２３のコンダクタンスに比べて十分大きくなるよう設計しておくことで、３つのガス経路の流量配分を制御することが可能である。
このような構成では、凹部２２の下方の、開口部８に向けて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との隙間が広くなる部分が、誘導結合型プラズマトーチユニットＴから基材ステージ１に向けてガスを噴出させるガス噴出口２９となっている。つまり、開口部８の近傍に、基材ステージ１に向けてガスを噴出する複数のガス噴出口２９が、開口部８がなす線の方向に並んで設けられている構成である。また、図５（ａ）に示すように、ガス噴出口２９は開口部８を挟んで両側から斜め下方に向けてガスが噴出する構造となっており、プラズマＰを開口部８の中央に保持しつつ、下方に押す効果を有する。また、ガス導入溝２１が開口部８とは正反対の位置（図５（ａ）ではセラミックス筒１９の上方）に配置されているので、ひとつの凹部２２を通ったガスは、両側のガス噴出口２９からほぼ均等に噴出し、プラズマＰを開口部８の中央に保持するのにとくに有効となっている。つまり、図５（ａ）において、開口部８の左右方向の中央部にプラズマＰがとどまりやすくなる。このことと、プラズマＰを基材２の方へ押し付けることは、開口部８近傍のセラミックス部材（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及びセラミックス筒１９）からプラズマＰが遠ざかることを意味するので、高パワーを供給した場合においても誘電体部材が損傷しにくくなり、高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。また、同時に、プラズマＰが基材２に近づくことを意味するので、同一パワーで運転した場合にも、基材２の表面をより高温に処理することが可能となり、高速な処理が可能なプラズマ処理を実現できる。
第一セラミックスブロック４と第二セラミックスブロック５の間に、円筒状のセラミックス筒１９が設けられ、チャンバ７の最下部の上面がセラミックス筒１９により構成される配置となっている。つまり、チャンバ７を囲む誘電体部材のうち、基材ステージ１に相対する面を構成する部位が、開口部８の線方向と平行に配置された円筒からなっている。また、セラミックス筒１９を、その軸を中心に回転させる回転機構が備えられている。さらに、セラミックス筒１９は、内部に空洞をもつ管であり、その内部の空洞が水路６として機能し、冷媒を流すことができる。
回転する円筒状のセラミックス筒１９の内部に、円筒の軸に沿って線状のコイル３ｂが設けられている。このような配置は、コイル３ｂと、開口部８と連通しこれに隣接するチャンバ７の直線部との距離を小さくできる。つまり、コイル３とチャンバ７の距離を近づけた配置が可能となる。このことは、プラズマ生成効率の向上に大きく寄与する。つまり、高速で効率的なプラズマ処理が実現できる。
図６及び図７からわかるように、発生するプラズマＰは開口部８の線方向の長さと同じ長さの２つの長方形がＬ字状に接合された立体の外縁と同じような形状となる。このように、プラズマＰが若干いびつな形状となっているのは、チャンバ７をセラミックス筒１９と干渉しないように配置する必要があるためである。
チャンバ７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、高周波電源２５よりコイル３に高周波電力を供給することにより、チャンバ７にプラズマＰを発生させ、開口部８からプラズマＰを基材２に照射することにより、基材２をプラズマ処理することができる。開口部８の線方向（長手方向）に対して垂直な向きに、チャンバ７と基材ステージ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５（ａ）の左右方向へ誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたは基材ステージ１を動かす。
基材２を効率的に処理するために誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材２との距離を小さくしていったとき、最も大きな熱量を受けるのは、基材ステージ１近傍のチャンバ７の、基材ステージ１とは反対側の部分（基材ステージ１に相対する部分）の内壁面である。したがって、損傷を抑制するためには、この部分をより効果的に冷却する必要がある。そこで、本実施の形態においては、水路６を内部に備えたセラミックス筒１９を用いる構成とした。セラミックス筒１９を円筒状とすることで高い強度が確保でき、内部の水圧を高められるので、より多くの冷却水を流すことが可能となる。また、セラミックス筒１９を回転させることで、プラズマＰから熱を受ける面が常に入れ替わる構成としている。つまり、プラズマＰから熱を受けて高温になった部分は、回転によって速やかにプラズマＰから熱を受けない位置に移動し、急速に冷却される。したがって、従来例と比べて飛躍的に高い高周波電力を印加できるようになり、高速のプラズマ処理が可能となる。
このように、本実施の形態によれば、高い高周波電力を投入することができる。つまり、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、或いは、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、高速な処理が可能で、かつ、プラズマを安定的に利用することができる。つまり、大きな電力で運転できるため、プラズマの照射強度が上げられ、結果として処理速度（単位時間当たりに処理できる基板数）が大きくなる。
チャンバ７内に供給するガスとして種々のものが使用可能だが、プラズマの安定性、着火性、プラズマに暴露される部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）。Ｈ２ガスを僅かに加えることで、より高温のプラズマを得ることができる。
プラズマ発生の条件としては、走査速度＝５０〜３０００ｍｍ／ｓ、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。
本実施の形態においては、開口部８の近傍に、基材ステージ１に向けてガスを噴出する複数のガス噴出口２９が、開口部８がなす線の方向に並んで設けられている構成であり、各ガス噴出口２９から噴出するガス流量は、系ごとにマスフローコントローラなどの流量制御装置により、互いに独立に制御される。従って、開口部８がなす線の方向の加熱性能（基材への熱流入の大きさ）の分布を制御することができ、均一性に優れたプラズマ処理装置を実現できる。
なお、本実施の形態においては、複数のガス噴出口２９にガスを導入するための第二ガス供給配管２０とは別に、チャンバ７の開口部８でない部分に向けてガスを導入するための第一ガス供給配管１０を備える構成となっている。開口部８付近では、導入したガスが誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材２との間を通じて拡散しやすいが、第一ガス供給配管１０から第一ガスマニホールド９及び第一ガス供給穴１１を介してチャンバ７に導入されたガスは、チャンバ７内を図５の上方から下方へ流れた後、開口部８の両端付近で誘導結合型プラズマトーチユニットＴと基材２との間の空間に達する。このように、複数のガス噴出口にガスを導入する経路と、チャンバ７の開口部８でない部分に向けてガスを導入する経路においては、ガスの流れ方に違いがある。したがって、本実施の形態のように、それぞれ別のガス供給経路を備え、それぞれを個別に流量制御した方が、プラズマをより安定に発生させることができる。
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図１０〜図１１を参照して説明する。
図１０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Ｔを、開口部８がなす線方向に平行で、かつ、図５（ａ）の点線Ｃ−Ｃ’で切った断面図であり、実施の形態１の図５（ｃ）に相当する。図１１は、第二セラミックスブロック５の構成を示す斜視図であり、図１０の右手前から斜め下方向を見た図である。
図１０に示すように、本実施の形態においては、実施の形態３における凹部２２はセラミックス筒１９に設けられていない。その代わりに、図１１に示すように、セラミックス筒１９と、セラミックス筒１９を支持する誘電体部材として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における、セラミックス筒１９を支持する円筒状の貫通穴の内壁面２６に設けられた凹部２７との間の空間を通ってガスが流れる構造を採用している。凹部２７と凹部２７の間の領域２８では、セラミックス筒１９を支持する円筒状の貫通穴の内壁面２６の直径が凹部２７よりも若干細くなっている。セラミックス筒１９が回転する際に、セラミックス筒１９と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とは接触しない（図示しない軸受に接触する）ので、凹部２７と凹部２７の間の領域２８においてもガスは連通するが、凹部２７のコンダクタンスを凹部２７と凹部２７の間の領域２８のコンダクタンスに比較して十分大きくなるよう設計しておくことで、３つのガス経路の流量配分を制御することが可能である。
実施の形態１においては、セラミックス筒１９の直径が場所によって異なる構成であるため、基材２とセラミックス筒１９との距離が線方向で厳密には一定でなく、処理ムラが生じるおそれがある。一方、本実施の形態においては、セラミックス筒１９の直径が一定なので、基材２とセラミックス筒１９との距離が線方向で一定となり、処理ムラが生じにくいという利点がある。ただし、部品加工上の手間は実施の形態３の方が少ない。
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、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを、固定された基材ステージ１に対して走査してもよいし、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、基材ステージ１を走査してもよい。
また、基材載置台として、平板状の基材２を載せるための基材ステージ１を例示したが、ロール・トゥ・ロール方式でフィルム状の基材を処理する方法にも本発明は適用可能であり、その場合は、フィルムを保持するローラなどが基材載置台として作用する。
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。それにより、従来例で述べた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。勿論、シリコン半導体集積回路の酸化、活性化、シリサイド形成などのアニール、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。
前述のとおり、誘導結合型プラズマトーチにおいては、弱い放電と強い放電の２つのモードが存在しうるが、本発明は強い放電を効果的に利用するためのものであるということもできる。
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供給することによって、プラズマと反応ガス流を同時に基材へ照射し、エッチング、ＣＶＤ、ドーピングなどのプラズマ処理を実現することもできる。プラズマガスとしてアルゴンを主成分とするガスを用いると、実施例で詳しく例示したように、熱プラズマが発生する。
一方、プラズマガスとしてヘリウムを主成分とするガスを用いると、比較的低温のプラズマを発生させることができる。このような方法で、基材をあまり加熱することなく、エッチングや成膜などの処理が可能となる。エッチングに用いる反応ガスとしては、ハロゲン含有ガス、例えば、ＣｘＦｙ（ｘ、ｙは自然数）、ＳＦ６などがあり、シリコンやシリコン化合物などをエッチングすることができる。
反応ガスとしてＯ２を用いれば、有機物の除去、レジストアッシングなどが可能となる。ＣＶＤに用いる反応ガスとしては、モノシラン、ジシランなどがあり、シリコンやシリコン化合物の成膜が可能となる。
或いは、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）に代表されるシリコンを含有した有機ガスとＯ２の混合ガスを用いれば、シリコン酸化膜を成膜することができる。その他、撥水性・親水性を改質する表面処理など、種々の低温プラズマ処理が可能である。容量結合型大気圧プラズマを用いた従来技術に比較すると、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く、より高密度なプラズマが発生可能である。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、さまざまな電子デバイスの製造に利用可能で、例えば、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、半導体の活性化アニール、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、高速な処理が可能で、かつ、プラズマを安定的に利用することができる有用な発明である。
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。
Ｔ 誘導結合型プラズマトーチユニット
１ 基材ステージ
２ 基材
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ コイル
４ 第一セラミックスブロック
５ 第二セラミックスブロック
６ 水路
７ チャンバ
８ 開口部
９ 第一ガスマニホールド
１０ 第一ガス供給配管
１１ 第一ガス供給穴
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 第二ガスマニホールド
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，２０ 第二ガス供給配管
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 第二ガス供給穴
１５ セラミックスカバー
Ｐ プラズマ

Claims (8)

  1. 線状の開口部を備え、前記開口部以外が誘電体部材に囲まれた前記開口部に連通する環状のチャンバと、前記チャンバ内にガスを導入するガス供給配管と、前記チャンバ近傍に設けられたコイルと、前記コイルに接続された高周波電源と、基材載置台とを備え、誘導結合型プラズマトーチを利用するプラズマ処理装置であって、
    前記開口部の近傍に、前記基材載置台に向けてガスを噴出する複数のガス噴出口が、前記開口部がなす線の方向に並んで設けられ、
    前記複数のガス噴出口に供給するガス流量を、互いに独立に制御するガス流量制御装置を備えたこと、
    を特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記複数のガス噴出口にガスを導入するガス供給配管とは別に、前記チャンバの前記開口部でない部分に向けてガスを導入するガス供給配管を備えたこと、
    を特徴とする、請求項１記載のプラズマ処理装置。
  3. 線状の開口部を備え、前記開口部以外が誘電体部材に囲まれた前記開口部に連通する環状のチャンバと、前記チャンバ内にガスを導入するガス供給配管と、前記チャンバ近傍に設けられたコイルと、前記コイルに接続された高周波電源と、基材載置台とを備え、誘導結合型プラズマトーチを利用するプラズマ処理装置であって、
    前記開口部の近傍に、前記基材載置台に向けてガスを噴出する複数のガス噴出口が、前記開口部がなす線の方向に並んで設けられ、
    前記チャンバを囲む前記誘電体部材のうち、前記基材載置台に相対する面を構成する部位が、前記開口部の線方向と平行に配置された円筒からなること、
    を特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 前記円筒を、前記円筒の軸を中心に回転させる回転機構を備えたこと、
    を特徴とする、請求項３記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記複数のガス噴出口に向け、前記円筒に設けられた凹部と、前記円筒を支持する誘電体部材との間の空間を通ってガスが流れる構造となっていること、
    を特徴とする、請求項３記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記複数のガス噴出口に向け、前記円筒と、前記円筒を支持する誘電体部材に設けられた凹部との間の空間を通ってガスが流れる構造となっていること、
    を特徴とする、請求項３記載のプラズマ処理装置。
  7. 誘電体部材で囲まれた環状のチャンバ内にガスを供給しつつ、前記チャンバに連通する線状の開口部から基材に向けてガスを噴出すると共に、コイルに高周波電力を供給することで、前記チャンバ内に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ、前記基材の表面を処理する、誘導結合型プラズマトーチを利用するプラズマ処理方法であって、
    前記開口部の近傍に、前記開口部がなす線の方向に並んで設けられた複数のガス噴出口から、ガス流量制御装置により前記複数のガス噴出口から噴出するガス流量を互いに独立に制御しながら、
    前記基材載置台に向けてガスを噴出させつつ処理すること、
    を特徴とするプラズマ処理方法。
  8. 請求項７のプラズマ処理方法を用いることを特徴とする、
    電子デバイスの製造方法。
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