JP6857801B2 - 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

Description

本発明は、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、継ぎ目が発生したり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及び非特許文献１に記載の線状の熱プラズマを発生させる技術では、プラズマの照射強度を上げるために高周波電力を増大しすぎると、プラズマ源が熱により損傷してしまう。そのため、高周波電力を抑制せざるを得ず、結果として処理時間を十分に短くできないという問題点、また、処理速度（単位時間当たりに処理できる基板数）が小さくなる問題点があった。

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、短時間の加熱や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している。

本願の第１発明は、線状の開口部以外が誘電体部材に囲まれ、開口部に連通する環状チャンバと、環状チャンバの内部に第一のガスを導入する第一ガス供給配管と、環状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、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る。

該装置において、環状チャンバを囲む誘電体部材のうち、基材載置台に相対する面を構成する部位が、開口部がなす線の方向と平行に配置された円筒からなり、円筒の周囲のうちチャンバよりも外側の位置に、第一のガスと異なる第二のガスを導入する第二ガス供給配管を備えたこと、を特徴とするものである。

このような構成により、高パワーでも誘電体部材が損傷しにくくなるとともに、異常放電が効果的に抑制されるため、高速で安定な処理が可能な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、前記円筒は、内部に空洞をもつ管であり、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、前記円筒内部の空洞に冷媒を流す機構を備えることが望ましい。

このような構成により、より効果的に誘電体部材の損傷を抑制できる。

この場合、さらに好適には、前記円筒の内部の空洞に、前記コイルを構成する導体の一部である線状の導体が配置されていることが望ましい。

このような構成により、プラズマ発生効率に優れたプラズマ処理を実現できる。

この場合、さらに好適には、前記線状の導体の周りに、前記線状の導体がなす線方向と交差する向きに多数の導通部を有する導体部からなるシールドを設けることが望ましい。

このような構成により、ストリーマ放電などの好ましくない放電を効果的に抑制することができる。

また、好適には、「前記円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側の位置」が、前記円筒と、前記円筒の回転運動を支持するための軸受の間の空間であることが望ましい。

このような構成により、異常放電がより効果的に抑制される。

この場合、さらに好適には、前記「前記円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側の位置」に加えて、前記軸受と前記基材載置台の間を遮断する部材と、前記軸受との間の空間にも、第二のガスを導入できる構成であることが望ましい。

このような構成により、異常放電がさらに効果的に抑制される。

また、好適には、前記円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側で、第二ガス供給配管よりも内側の位置に、排気配管を備えることが望ましい。

このような構成により、異常放電がさらに効果的に抑制される。

本願の第２発明のプラズマ処理方法は、誘電体部材で囲まれた環状チャンバ内にガスを供給しつつ、環状チャンバに連通する線状の開口部から基材に向けて第一の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、環状チャンバの内部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る。該方法において、環状チャンバを囲む誘電体部材のうち、基材載置台に相対する面を構成する部位が、開口部がなす線の方向と平行に配置された円筒からなり、円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側の位置に、第一のガスと異なる第二のガスを導入しながら処理を行うこと、を特徴とするものである。

このような方法により、高パワーでも誘電体部材が損傷しにくくなるとともに、異常放電が効果的に抑制されるため、高速で安定な処理が可能な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、本願の第２発明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、高パワーでも誘電体部材が損傷しにくくなるとともに、異常放電が効果的に抑制されるため、高速で安定な処理が可能な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低温プラズマ処理するに際して、短時間の加熱や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。

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平面図 本発明の実施の形態１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１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１におけるシールド筒の構成を示す斜視図 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

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７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で、かつ、図１（ｂ）〜（ｃ）、図２〜図３（ａ）及び図４の点線Ａ−Ａ‘を通る面で切った断面図である。

図１（ｂ）〜（ｃ）及び図２〜図３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１（ａ）の点線を通る面で切った断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の点線Ｂ−Ｂ’で切った断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の点線Ｃ−Ｃ’で切った断面図、図２は、図１（ａ）の点線Ｄ−Ｄ’で切った断面図、図３（ａ）は、図１（ａ）の点線Ｅ−Ｅ’で切った断面図である。

図３（ｂ）は、図２の右端部付近の拡大図である。図４は、図１に示した誘導結合型プラズマトーチユニットＴを図１の下方から上方を見た平面図である。図５は、プラズマの発生領域を示す斜視図であり、図１（ａ）の右手前から斜め下方向を見た図である。図６は、コイルの構成を示す斜視図であり、図５と同様、図１（ａ）の右手前から斜め下方向を見た図である。また、図７は、シールド筒の構成を示す斜視図であり、図５と同様、図１（ａ）の右手前から斜め下方向を見た図である。

図１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、セラミックス管１３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とからなる２つの線状の領域（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）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、セラミックス管１３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６に示すように、コイル３ａとコイル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１７が設けられ、冷媒流路１６と第二セラミックスブロック５を貫通して外部との電気的接続がなされる。一方、コイル３ｂはセラミックス管１３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。本実施の形態においてはブラシを用いており、詳細は後述する。

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。

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２６が設けられている。第二ガス供給配管２７より第二ガスマニホールド２６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二ガス供給穴２８（貫通穴）を介して、セラミックス管１３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。つまり、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。第二ガス供給配管２７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。

第一ガス供給穴１１及び第二ガス供給穴２８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２６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２６内での放電を防止することができる。

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管１３が設けられ、チャンバ７の最下部の上面がセラミックス管１３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、セラミックス管１３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、セラミックス管１３は、内部に空洞をもつ管であり、その内部の空洞に冷媒を流す機構が備えられている。

回転する円筒状のセラミックス管１３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。

第一セラミックスブロック４と第三セラミックスブロック１４に囲まれた冷媒流路１６が設けられ、第一セラミックスブロック４の冷却がなされる。また、コイル３ａは、断面が円形の銅棒を、第二セラミックスブロック５と第四セラミックスブロック１５に囲まれた冷媒流路１６の内部に配置したものである。コイル３を中空の管とし、冷媒流路１６とは別系統で冷媒を給排してもよい。

このように、冷媒流路１６に水などの冷媒を流すことで、コイル３及び各セラミックス部品の冷却が可能である。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には優れた耐熱性が求められるので、窒化シリコンを主成分とするセラミックス、または、シリコン、アルミニウム、酸素、窒素を主成分とするセラミックスが適している。第三セラミックスブロック１４及び第四セラミックスブロック１５にはさほどの耐熱性は必要ないので、酸化アルミニウム（アルミナ）などの比較的安価なセラミックスを用いることができる。

銅棒１７は、図示しない継ぎ手によって第四セラミックスブロック１５に固定され、冷媒が漏れないように構成することが可能である。第一セラミックスブロック４と第三セラミックスブロック１４、及び、第二セラミックスブロック５と第四セラミックスブロック１５の間には、外部オーリング１９及び内部オーリング２０が配置され、冷媒が漏れないように構成されている。

冷媒流路１６は、図１（ｂ）に示すように、仕切り２１により内部で仕切られており、一続きの流路をなす。コイル３に流れる高周波電流の向きと冷媒流路１６に流れる冷媒の流れの向きが平行している構成である。また、図２及び図３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、従来例と比べてプラズマＰが若干いびつな形状となっているのは、チャンバ７をセラミックス管１３と干渉しないように配置する必要があるためである。

図１（ｄ）及び（ｆ）に示すように、セラミックス管１３は開口部８の線方向の長さよりも長く、チャンバ７から十分離れた位置にモータなどの回転機構（図示しない）を配置している。セラミックス管１３の回転によってチャンバ７の形状が変化しないよう、高精度の回転ガイドを設けて支持することが望ましく、ここではセラミックス製の軸受３０を設けている。軸受３０の内周部には内周溝３１が設けられ、軸受３０とセラミックス管１３の間の空間に、第一ガスマニホールド９及び第二ガスマニホールド２６に供給する第一のガスとは異なる種類のガス（第二のガス）を導入できるよう、構成されている。

つまり、セラミックス管１３の周囲のうちチャンバ７よりも外側の位置に、第一のガスと異なる第二のガスを導入するための第二ガス供給配管（図示しない）を備えた構成である。また、軸受３０には、内周溝３１に加えて下面溝３２が設けられ、内周溝３１と下面溝３２とは、図示しない貫通穴によって連通している。したがって、軸受３０と基材ステージ１の間を遮断するセラミックス製の下カバー３８と、軸受３０との間の空間にも、第二のガスを導入できる構成となっている。

図７に示すように、ファラデーシールドとして作用するシールド筒２５は、コイル３ｂを構成する素線の周りに、コイル３ｂがなす線方向とは交差する向きに多数の導通部としての導体線２５ａを有する導体部からなる。ひとつの導体線２５ａは円形であり、それらがひとつの直線に沿って等間隔で並べられ、それらの円の中心付近にコイル３ｂを配置する。

複数の導体線２５ａは、その電位を等しく保つため、接続線２５ｂによって導通が図られる。コイル３ｂには高い高周波電圧が印加されるので、コイル３ｂとシールド筒２５との間で放電が起きるのを防止するため、セラミックス管１３の内部の冷媒流路１６には、水ではなく絶縁性に優れた冷媒、たとえば絶縁油、ガルデンなどを流すことが好ましい。

基材ステージ１から遠い側のコイル３ａは、基材２や開口部８から十分離れているので、ファラデーシールドをその周囲に配置していないが、より確実に容量結合を抑制するために、基材ステージ１から遠い側のコイル３ａの周囲に、コイル３ｂの周囲と同様の構造のシールド筒を設けてもよい。

シールド筒２５は、セラミックス管１３の端部にねじ込まれたシールド筒端部３３と導通しており、第一ブラシ４０を介して回転しながら常時、外部回路と電気的な接続が確保される。シールド筒端部３３にねじ込まれた第一セラミックスアダプタ３４に、第一コイル端部３５がねじ込まれており、第一コイル端部３５にコイル３ｂが導通している。したがって、コイル３ｂへの通電は、第二ブラシ４１及び第一コイル端部３５を介して実現される。第二セラミックスアダプタ３６が第一コイル端部３５にねじ込まれ、さらにロータリージョイント３７が第二セラミックスアダプタ３６にねじ込まれている。

コイル３ｂの端部には第一冷媒通路３９が形成され、この第一冷媒通路３９を通じて、第一セラミックスアダプタ３４の内部の冷媒流路と、第二セラミックスアダプタ３６の内部の冷媒流路が連通する構成である。このような構成により、ロータリージョイント（回転継手）３７からセラミックス管１３の内部への冷媒の給排が実現される。

シールド筒２５は、可変コンデンサ４７を介して接地される。可変コンデンサ４７は、モータ４８の回転によって容量（キャパシタンス）が変化する。モータ４８の位置は、コンデンサ制御装置４９からの指令により決定される。誘導結合型プラズマ源においても、放電の着火は容量結合によって生じるので、高周波電力を印加する前から放電が着火するまでは、可変コンデンサ４７の容量を小さく（例えば、２００Ω以上になるように）設定する。

このとき、シールド筒２５には、コイル３ｂに現れる電圧の数十％の電圧が現れるので、良好な着火性が保たれる。一旦着火したことを、図示しないフォトダイオードなどで検知した後、可変コンデンサ４７の容量を大きく（例えば、２０Ω以下になるように）するようにコンデンサ制御装置４９からの指令値を変更する。このとき、シールド筒２５の電位は接地電位に近くなるので、容量結合性をシールド（遮蔽）する効果が高まる。

次いで、ガス種を変更したり、高周波電力を増加したりするなどして、誘導結合性放電へのモードジャンプを行い、続いて基材２のプラズマ処理を実施する。あるいは、誘導結合性放電へのモードジャンプを行うまで可変コンデンサの容量は小さいままにしておき、基材の処理をする直前に容量を大きくしてもよい。このような手順を踏むことで、良好な着火性と、基材処理時の良好なシールド性（静電ダメージやストリーマが抑制された状態）を両立できる。

セラミックス管１３の他端にねじ込まれた第三セラミックスアダプタ４２には、第二コイル端部４３がねじ込まれ、第二コイル端部４３にコイル３ｂが導通している。したがって、コイル３ｂへの通電は、第三ブラシ４５及び第二コイル端部４３を介して実現される。第四セラミックスアダプタ４４が第二コイル端部４３にねじ込まれ、さらにロータリージョイント３７が第四セラミックスアダプタ４４にねじ込まれている。コイル３ｂの端部には第二冷媒通路４６が形成され、この第二冷媒通路４６を通じて、第三セラミックスアダプタ４２の内部の冷媒流路と、第四セラミックスアダプタ４４の内部の冷媒流路が連通する構成である。

このような構成により、ロータリージョイント３７からセラミックス管１３の内部への冷媒の給排が実現される。また、第四セラミックスアダプタ４４にはギアが形成されており、モータ（図示しない）の回転動力が伝達される。

チャンバ７内に第一ガスを供給しつつ、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２４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１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、冷媒流路１６を内部に備えたセラミックス管１３を用いる構成とした。セラミックス管１３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、セラミックス管１３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。

ここで、軸受３０に設けた内周溝３１及び下面溝３２に第二のガスを供給する作用・効果について説明する。セラミックス管１３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との間の空間には、第一ガスが供給される。したがって、第二のガスを供給しない場合、軸受３０とセラミックス管１３の間の空間、及び、軸受３０と下カバー３８の間の空間には、第一ガスが侵入することとなる。

第一ガスの圧力は、セラミックス管１３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との間の空間では、誘導結合型プラズマトーチユニットＴの外気圧力に比べて高いので、結局、軸受３０とセラミックス管１３の間の空間、及び、軸受３０と下カバー３８の間の空間が、第一ガスで満たされることとなる。すると、プラズマがこの狭い空間に入り込み、異常放電となって誘導結合型プラズマトーチユニットＴの損傷を引き起こす場合がある。発明者らの実験によると、現時点では理由は不明であるが、可変コンデンサ４７の容量を増した場合に、より異常放電が発生しやすくなる傾向があった。

そこで、軸受３０に設けた内周溝３１及び下面溝３２に第二のガスを供給することで、異常放電の抑制を図った。第二のガスとしては、放電が起きにくいガス、例えばドライエア、窒素、酸素などを用いることができる。第二のガスを内周溝３１及び下面溝３２に供給することにより、放電が軸受３０とその外側へは広がることが困難となり、効果的に異常放電を抑制することができた。

第二のガスの流量は、軸受３０ひとつあたり１０ｓｃｃｍ以上１ＳＬＭ以下が適切であった。流量が小さすぎると、異常放電抑制効果が得られず、逆に流量が大きすぎると、第二のガスがセラミックス管１３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との間の空間へ入り込んでしまい、プラズマの失火を引き起こす現象が見られた。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図８〜図９を参照して説明する。

図８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がなす線方向に平行な面で切った断面であり、図２に相当する。また、図９は、図８の右端部付近の拡大図であり、図３（ｂ）に相当する。

図８〜図９において、第一セラミックスブロック４（及び、図示しないが、第二セラミックスブロック５）が軸受３０と相対する面となる内壁部に第二内周溝４７が設けられており、軸受３０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の間の空間に、第一ガスマニホールド９及び第二ガスマニホールド２６に供給する第一のガスとは異なる種類のガス（第二のガス）を導入できるよう、構成されている。つまり、チャンバ７を構成する誘電体部材と軸受との間の空間にも、第二のガスを導入できる構成である。

さらに、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がセラミックス管１３と相対する面となる内壁部であり、かつ、チャンバ７よりも外側で内周溝３１及び第二内周溝４７よりも内側の位置に、排気溝４８が設けられている。排気溝４８は図示しない減圧することが可能な配管に接続され、この配管とともに排気配管を構成する。つまり、セラミックス管１３の周囲のうちチャンバ７よりも外側で、第二ガス供給配管よりも内側の位置に、排気配管を備えた構成である。

内周溝３１及び下面溝３２に第二のガスを供給することで異常放電の抑制を図れるものの、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と軸受３０の間の空間にも第一ガスが侵入するので、異常放電が抑制しきれない。そこで、本実施の形態では、第二内周溝４７に第二ガスを導入することにより、さらなる異常放電抑制を図った。

また、排気溝４８からガスを排気することで、さらに効果的な異常放電抑制が可能となる。内周溝３１及び第二内周溝４７に供給する第二ガスの流量が小さすぎると、異常放電抑制効果が得られず、逆に流量が大きすぎると、第二のガスがセラミックス管１３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との間の空間へ入り込んでしまい、プラズマの失火を引き起こす現象が見られる。本実施の形態では、排気溝４８からガスを排気する構成となっている。

つまり、第一ガス及び第二ガスの流量としてかなり広い範囲に渡って、排気溝４８よりも内側（チャンバ７に近い側）は第一ガスがほぼ１００％で第二ガスが混入しない雰囲気、排気溝４８よりも外側（チャンバ７から遠い側）は第二ガスがほぼ１００％で第一ガスが混入しない雰囲気を実現できる。したがって、より安定的に異常放電を抑制することができる。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図１０を参照して説明する。

図１０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がなす線方向に平行な面で切った断面であり、図３（ｂ）に相当する。

図１０においては、実施の形態２で用いた第二内周溝４７は設けられていない。一方、軸受３０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の間の空間が接着剤で埋められている。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がセラミックス管１３と相対する面となる内壁部であり、かつ、チャンバ７よりも外側で内周溝３１よりも内側の位置に、排気溝４８が設けられている。軸受３０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の間の空間には第一ガスが侵入しない構成であるため、実施の形態２と同様の異常放電抑制効果を得ることができる。

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

例えば、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを、固定された基材ステージ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、セラミックス管を、その軸を中心に回転させる回転機構を備えた場合を例示したが、回転させなくとも、円管状であればその肉厚を薄くできるので、効果的な冷却が可能となる。したがって、回転機構は必須ではない。

また、本発明の種々の構成によって、基材２の表面近傍を高温処理することが可能となる。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ことは勿論、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。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。

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 コイル
４ 第一セラミックスブロック
１３ セラミックス管
１６ 冷媒流路
２５ シールド筒
３０ 軸受
３１ 内周溝
３２ 下面溝
３３ シールド筒端部
３４ 第一セラミックスアダプタ
３５ 第一コイル端部
３６ 第二セラミックスアダプタ
３７ ロータリージョイント
３８ 下カバー
３９ 第一冷媒通路
４０ 第一ブラシ
４１ 第二ブラシ
４２ 第三セラミックスアダプタ
４３ 第二コイル端部
４４ 第四セラミックスアダプタ
４５ 第三ブラシ
４６ 第二冷媒通路
Ｐ プラズマ

Claims (7)

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チャンバと、
   前記環状チャンバの内部に第一のガスを導入する第一ガス供給配管と、
   前記環状チャンバの近傍に設けられたコイルと、
   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、
   前記環状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、前記開口部がなす線の方向と平行に配置された円筒からなり、
   前記円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側の位置に、前記第一のガスと異なる第二のガスを導入する第二ガス供給配管を備え、
   前記円筒は、内部に空洞をもつ管であり、
   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、前記円筒の内部の空洞に冷媒を流す機構を備え、
   前記円筒の内部の空洞に、前記コイルを構成する導体の一部である線状の導体が配置されていること、
   を特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記線状の導体の周りに、前記線状の導体がなす線方向と交差する向きに多数の導通部を有する導体部からなるシールドを設けた、
   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チャンバと、
   前記環状チャンバの内部に第一のガスを導入する第一ガス供給配管と、
   前記環状チャンバの近傍に設けられたコイルと、
   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、
   前記環状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、前記開口部がなす線の方向と平行に配置された円筒からなり、
   前記円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側の位置に、前記第一のガスと異なる第二のガスを導入する第二ガス供給配管を備え、
   「前記円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側の位置」が、前記円筒と、前記円筒の回転運動を支持する軸受の間の空間である、
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 「前記円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側の位置」に加えて、前記軸受と前記基材載置台の間を遮断する部材と、前記軸受との間の空間にも、第二のガスを導入できる構成である、
   請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 前記円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側で、第二ガス供給配管よりも内側の位置に、排気配管を備えた、
   請求項３記載のプラズマ処理装置。
6. 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第一の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、前記開口部がなす線の方向と平行に配置された円筒からなり、前記円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側の位置に、前記第一のガスと異なる第二のガスを導入しながら処理を行うものであり、
   「前記円筒の周囲のうち前記チャンバよりも外側の位置」が、前記円筒と、前記円筒の回転運動を支持する軸受の間の空間であること、
   を特徴とするプラズマ処理方法。
7. 請求項６のプラズマ処理方法を用いる、
   電子デバイスの製造方法。

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