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JP2013098067A - Plasma treatment device and method therefor - Google Patents

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JP2013098067A
JP2013098067A JP2011240941A JP2011240941A JP2013098067A JP 2013098067 A JP2013098067 A JP 2013098067A JP 2011240941 A JP2011240941 A JP 2011240941A JP 2011240941 A JP2011240941 A JP 2011240941A JP 2013098067 A JP2013098067 A JP 2013098067A
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gas
long
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Japanese (ja)
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Tomohiro Okumura
智洋 奥村
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Panasonic Corp
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Panasonic Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma treatment device capable of treating the whole desired region to be treated of a base material in a short time, when the surface and the vicinity of the base material are uniformly heat-treated at high temperature for a very short time, or when the base material is subjected to low temperature plasma treatment by irradiating the base material with plasma caused by reactant gas, or simultaneously spraying the plasma and the reactant gas on the base material, and to provide a method therefor.SOLUTION: In an inductive coupling type plasma torch unit T, a solenoid coil 3 is arranged around a long chamber surrounded by a first quartz plate 4, a second quartz plate 5 and a plurality of quartz tubes 6, and a plasma jet port 8 is provided at a lowest part of the inductive coupling type plasma torch unit T. Cooling water is supplied to the inner part of the quartz tube 6. While gas is supplied to a space 7 inside the long chamber, high frequency power is supplied to the solenoid coil 3, so as to generate plasma in the space 7 inside the long chamber, and a base material 2 is irradiated with the plasma.

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。   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, and the like. The present invention relates to a plasma processing apparatus and method.

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7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. 7 is a schematic diagram for explaining a semiconductor film crystallization method 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。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。   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. 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8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. 8 is a conceptual diagram showing the relationship between the depth from the outermost surface and the temperature. As shown in the figure, only the vicinity of the surface can be treated at a high temperature by moving the thermal plasma 35 at a high speed. 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.

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、基材の所望の被処理領域全体を短時間で処理することができるプラズマ処理装置及び方法を提供することを目的としている。   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. Therefore, it is an object of the present invention to provide a plasma processing apparatus and method capable of processing the entire desired region of the base material in a short time when the base material is subjected to low temperature plasma processing.

本願の第1発明のプラズマ処理装置は、長尺で線状の開口部と、前記開口部の長手方向と平行な向きに長尺な形状をもち、かつ、前記開口部と連通し、かつ、誘電体部材で囲まれた長尺チャンバと、前記チャンバ内にガスを導入するためのガス供給配管と、前記開口部の長手方向と平行な向きに長尺な形状をもつコイルと、前記コイルに接続された高周波電源と、基材載置台と、前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記チャンバと前記基材載置台とを相対的に移動可能とする移動機構を備えた装置において、前記誘電体部材の内部に、前記コイルの中心軸と平行に複数の冷媒流路が設けられていることを特徴とする。   The plasma processing apparatus of the first invention of the present application has a long and linear opening, a long shape in a direction parallel to the longitudinal direction of the opening, and communicates with the opening. A long chamber surrounded by a dielectric member, a gas supply pipe for introducing gas into the chamber, a coil having a long shape in a direction parallel to the longitudinal direction of the opening, and the coil An apparatus including a connected high-frequency power source, a substrate mounting table, and a moving mechanism that can move the chamber and the substrate mounting table relatively in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the opening. In the above, a plurality of refrigerant flow paths are provided in the dielectric member in parallel with the central axis of the coil.

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、基材の所望の被処理領域全体を短時間で処理することができる。   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. In this case, the entire desired region to be treated of the substrate can be processed in a short time.

本願の第1発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記誘電体部材が、複数の円筒管から構成されていることが望ましい。   In the plasma processing apparatus of the first invention of the present application, it is preferable that the dielectric member is composed of a plurality of cylindrical tubes.

このような構成により、簡単な構成でプラズマ処理装置を実現できる。   With such a configuration, a plasma processing apparatus can be realized with a simple configuration.

あるいは、前記誘電体部材が、環状の誘電体ブロックであってもよい。   Alternatively, the dielectric member may be an annular dielectric block.

このような構成により、内壁面の凹凸を少なくでき、かつ、部品点数を削減できる。   With such a configuration, the unevenness of the inner wall surface can be reduced, and the number of parts can be reduced.

あるいは、前記誘電体部材が、複数の円筒管が接合された誘電体板であってもよい。   Alternatively, the dielectric member may be a dielectric plate in which a plurality of cylindrical tubes are joined.

このような構成により、軽量で、かつ、内壁面の凹凸を少なくできる。   With such a configuration, light weight and unevenness of the inner wall surface can be reduced.

また、好適には、前記開口部の短手方向の幅が、前記チャンバの短手方向の幅よりも小さいことが望ましい。   Preferably, the width of the opening in the short direction is smaller than the width of the chamber in the short direction.

このような構成により、効率のよいプラズマ発生と、短時間処理との両立を図ることができる。   With such a configuration, it is possible to achieve both efficient plasma generation and short-time processing.

また、好適には、前記誘電体部材が、前記複数の冷媒流路と連通するマニホールドを備えた蓋部及びノズル部に挟まれており、かつ、前記ノズル部に前記開口部が設けられていることが望ましい。   Preferably, the dielectric member is sandwiched between a lid portion and a nozzle portion having a manifold communicating with the plurality of refrigerant flow paths, and the nozzle portion is provided with the opening. It is desirable.

このような構成により、簡単な構成でプラズマ処理装置を実現できる。   With such a configuration, a plasma processing apparatus can be realized with a simple configuration.

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長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、前記チャンバに形成されたスリット状の開口部から基材に向けてガスを噴出すると共に、前記チャンバの長手方向と平行な向きに長尺な形状をもつ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るプラズマ処理方法であって、前記コイルの中心軸と平行に、前記誘電体部材の内部に設けられた複数の冷媒流路に冷媒を流しつつ、前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに前記チャンバと前記基材とを相対的に移動しながら前記基材の表面を処理することを特徴とする。   In the plasma processing method of the second invention of the present application, the gas is ejected from the slit-shaped opening formed in the chamber toward the substrate while supplying the gas into the long chamber surrounded by the dielectric member. And a plasma processing method for generating a high-frequency electromagnetic field in the chamber by supplying high-frequency power to a coil having a shape elongated in a direction parallel to the longitudinal direction of the chamber, the center axis of the coil The chamber and the base material are moved relative to each other in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the opening while flowing the coolant through a plurality of coolant channels provided inside the dielectric member The surface of the base material is treated while being processed.

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、基材の所望の被処理領域全体を短時間で処理することができる。   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. In this case, the entire desired region to be treated of the substrate can be processed in a short time.

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、基材の所望の被処理領域全体を短時間で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. In this case, the entire desired region to be treated of the substrate can be processed 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斜視図The perspective view which shows the structure of the plasma processing apparatus in Embodiment 2 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3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 3 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)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(c)は、基材に平行な面で切った断面図である。図1(a)は、図1(b)の破線A−A‘及び図1(c)の破線C−C’を含む面で切った断面図、図1(b)は図1(a)の破線及び図1(c)の破線D−D‘を含む面で切った断面図、図1(c)は図1(b)の破線B−B’で切った断面図である。   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. FIG. 1B is a cross-sectional view of the inductively coupled plasma torch unit cut along a plane parallel to the longitudinal direction and perpendicular to the substrate. FIG.1 (c) is sectional drawing cut | disconnected by the surface parallel to a base material. 1A is a cross-sectional view taken along a plane including a broken line AA ′ in FIG. 1B and a broken line CC ′ in FIG. 1C, and FIG. 1B is FIG. 1A. FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the broken line BB ′ of FIG. 1B, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the broken line BB ′ of FIG.

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. 2 is an assembly configuration diagram of the inductively coupled plasma torch unit shown in FIG. 1, in which perspective views of parts (parts) are arranged.

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、ソレノイドコイル3が取り囲む誘電体製の長尺チャンバは、第一石英板4、第二石英板5、及び、複数の円筒管としての石英管6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。第一石英板4の下面と石英管6の上面は、環状に隙間無く接合されている。同様に、石英管6の下面と、第二石英板5の上面は環状に隙間無く接合されている。オーリングを用いたシール方法を採用することも可能である。導体製の螺旋状のソレノイドコイル3が、長尺チャンバを取り囲むように、石英管6の周囲に配置される。   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 dielectric long chamber surrounded by the solenoid coil 3 is surrounded by a first quartz plate 4, a second quartz plate 5, and a quartz tube 6 as a plurality of cylindrical tubes. It is defined by a space (space 7 inside the long chamber). The lower surface of the first quartz plate 4 and the upper surface of the quartz tube 6 are joined in an annular shape without a gap. Similarly, the lower surface of the quartz tube 6 and the upper surface of the second quartz plate 5 are joined in an annular shape without a gap. It is also possible to employ a sealing method using an O-ring. A spiral solenoid coil 3 made of a conductor is arranged around the quartz tube 6 so as to surround the long chamber.

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、第一石英板4、第二石英板5、及び、複数の石英管6に囲まれている。つまり、長尺チャンバ全体が誘電体で囲まれている構成である。長尺チャンバ内部の空間7に発生したプラズマは、長尺チャンバにおけるスリット状の開口部(第二石英板5の下方に設けられた、幅が狭い方の開口部)としてのプラズマ噴出口8より基材2に向けて噴出する。また、長尺チャンバの長手方向とプラズマ噴出口8の長手方向とは平行に配置されている。   A space 7 inside the long chamber is surrounded by a first quartz plate 4, a second quartz plate 5, and a plurality of quartz tubes 6. That is, the entire long chamber is surrounded by a dielectric. Plasma generated in the space 7 inside the long chamber is from a plasma outlet 8 serving as a slit-like opening (a narrow opening provided below the second quartz plate 5) in the long chamber. It ejects toward the base material 2. Further, the longitudinal direction of the long chamber and the longitudinal direction of the plasma jet outlet 8 are arranged in parallel.

第一石英板4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、第一石英板4に設けられた長尺の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 on the first quartz plate 4. The gas supplied from the plasma gas supply pipe 10 to the plasma gas manifold 9 is a long chamber through a plasma gas supply hole 11 (through hole) as a long gas introduction portion provided in the first quartz plate 4. It is introduced into the internal space 7. 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、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てもよい。   The plasma gas supply hole 11 is a long slit, but a plurality of round holes may be provided in the longitudinal direction.

ソレノイドコイル3の中心軸は、長尺チャンバの中心軸、プラズマ噴出口8の中心軸と一致するように配置されている。なお、この中心軸は、図1(a)に示された破線、及び、図1(b)に示されている破線A−A‘である。   The central axis of the solenoid coil 3 is arranged so as to coincide with the central axis of the long chamber and the central axis of the plasma ejection port 8. The central axis is a broken line shown in FIG. 1A and a broken line A-A ′ shown in FIG.

また、基材載置台1に近い部分に、シールドガス供給口としてのシールドガスノズル13が配置され、その内部にはシールドガスマニホールド14が設けられる。このように、2系統のガス導入が準備されており、プラズマ生成に適したプラズマガスとは別にシールドガスを供給して、大気中の酸素、二酸化炭素など、処理に不要、あるいは悪影響を及ぼすガスのプラズマ照射面への混入を低減することが可能となる。   Further, a shield gas nozzle 13 as a shield gas supply port is disposed in a portion close to the substrate mounting table 1, and a shield gas manifold 14 is provided therein. In this way, two systems of gas introduction are prepared, and a shielding gas is supplied in addition to the plasma gas suitable for plasma generation, such as oxygen and carbon dioxide in the atmosphere, which are unnecessary or have an adverse effect on the processing. It is possible to reduce contamination of the plasma irradiation surface.

なお、シールドガス供給口は、プラズマ噴出口8の長尺方向と平行な向きに長尺な形状をもつスリットであってもよいし、あるいは、プラズマ噴出口8の長尺方向と平行な向きに並んだ多数の穴であってもよい。   The shield gas supply port may be a slit having a shape that is long in a direction parallel to the long direction of the plasma outlet 8, or may be in a direction parallel to the long direction of the plasma outlet 8. It may be a number of holes arranged side by side.

ソレノイドコイル3は中空の導体管からなり、内部に冷却水などの冷媒が流れるよう構成されている。また、蓋部としての第一石英板4及びノズル部としての第二石英板5の内部にマニホールドとしての冷媒流路15内が設けられ、冷媒配管16を介してチラーとの間で冷媒の給排水を行う。石英管6の内部は、コイルの中心軸と平行に設けられた複数の冷媒流路を構成する。例えば、第一石英板4に設けられた冷媒配管16から給水された冷却水は、第一石英板4内の冷媒流路15に導かれ、石英管6内を通り、石英管6が嵌め込まれる第二石英板5の凹部を介して第二石英板5内の冷媒流路15に達し、第二石英板5に設けられた冷媒配管16より排水される。なお、冷媒の流れの向きは逆であってもよい。   The solenoid coil 3 is formed of a hollow conductor tube and is configured such that a coolant such as cooling water flows therein. In addition, inside the first quartz plate 4 as the lid portion and the second quartz plate 5 as the nozzle portion, the inside of the refrigerant flow path 15 as a manifold is provided, and supply and drainage of refrigerant to and from the chiller via the refrigerant pipe 16. I do. The inside of the quartz tube 6 constitutes a plurality of refrigerant flow paths provided in parallel with the central axis of the coil. For example, cooling water supplied from a refrigerant pipe 16 provided in the first quartz plate 4 is guided to the refrigerant flow path 15 in the first quartz plate 4, passes through the quartz tube 6, and the quartz tube 6 is fitted therein. It reaches the refrigerant flow path 15 in the second quartz plate 5 through the recess of the second quartz plate 5 and is drained from the refrigerant pipe 16 provided in the second quartz plate 5. In addition, the direction of the refrigerant flow may be reversed.

このようにして、長尺チャンバを構成する部材の冷却が実現される。このような構成では、断面が円形である石英管6に冷媒を流すので、石英管6の内圧(水圧)が高くなった場合においても、石英管6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。   In this way, cooling of the members constituting the long chamber is realized. In such a configuration, since the refrigerant flows through the quartz tube 6 having a circular cross section, the quartz tube 6 is not easily deformed even when the internal pressure (water pressure) of the quartz tube 6 increases. 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.

長方形のスリット状のプラズマ噴出口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、プラズマ噴出口8と対向して配置されている。   A rectangular slit-shaped plasma ejection port 8 is provided, and the substrate mounting table 1 (or the substrate 2 on the substrate mounting table 1) is disposed to face the plasma ejection port 8.

この状態で、長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、プラズマ噴出口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にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口8からプラズマを基材2に照射することにより、基材2上の薄膜22をプラズマ処理することができる。プラズマ噴出口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)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。   In this state, high-frequency power is supplied to the solenoid coil 3 from a high-frequency power source (not shown) while gas is being injected from the plasma outlet 8 toward the base material 2 while supplying gas into the long chamber. The thin film 22 on the substrate 2 can be plasma-treated by generating plasma in the space 7 inside the long chamber and irradiating the substrate 2 with the plasma from the plasma outlet 8. 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 plasma ejection port 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 FIG.

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).

なお、本構成においては、プラズマ噴出口8の長手方向の長さが、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。   In this configuration, since the length in the longitudinal direction of the plasma outlet 8 is equal to or larger than the width of the base material 2, a single scan (the inductively coupled plasma torch unit T and the base material mounting table 1 is performed). The entire thin film 22 in the vicinity of the surface of the substrate 2 can be processed by relatively moving).

このようなプラズマ処理装置において、長尺チャンバ内にガス噴出口よりArまたはAr+H2ガスを供給しつつ、プラズマ噴出口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を発生させ、プラズマ噴出口8からプラズマを基材2に照射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, a high-frequency power source (not shown) is supplied while Ar or Ar + H 2 gas is supplied from a gas outlet into a long chamber and gas is jetted from the plasma outlet 8 toward the substrate 2. Further, by supplying high frequency power of 13.56 MHz to the solenoid coil 3, plasma is generated by generating a high frequency electromagnetic field in the space 7 inside the long chamber, and the plasma is supplied from the plasma outlet 8 to the substrate 2. By performing irradiation and scanning, heat treatment such as crystallization of a semiconductor film can be performed.

プラズマ発生の条件としては、プラズマ噴出口8と基材2間の距離=3〜50mm、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%、シールドガス(N2)流量=1〜100SLM、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、プラズマ噴出口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、プラズマ噴出口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, the distance between the plasma jet port 8 and the substrate 2 = 3 to 50 mm, the scanning speed = 50 to 3000 mm / s, the total plasma gas flow rate = 1 to 100 SLM, the H 2 concentration in Ar + H 2 gas = 0-10%, shielding gas (N 2) flow rate = 1~100SLM, a value of about RF power = 0.5~10KW appropriate. However, among these quantities, the gas flow rate and power are values per 100 mm of the length of the plasma jet port 8. This is because it is considered appropriate to input parameters proportional to the length of the plasma jet port 8 for parameters such as gas flow rate and electric power.

このように、プラズマ噴出口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、プラズマ噴出口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。   As described above, the long chamber and the substrate mounting table 1 are arranged in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the plasma nozzle 8 while the longitudinal direction of the plasma nozzle 8 and the substrate mounting table 1 are arranged in parallel. Therefore, the length of the plasma to be generated and the processing length of the substrate 2 can be configured to be substantially equal.

また、長尺チャンバをその中心軸に垂直な面で切った断面の幅(図1(a)における、長尺チャンバ内部の空間7の幅)は、プラズマ噴出口8の幅よりも大きい構成としている。すなわち、開口部の短手方向の幅が、チャンバの短手方向の幅よりも小さくなるよう構成している。   Further, the width of the cross section obtained by cutting the long chamber along a plane perpendicular to the central axis thereof (the width of the space 7 inside the long chamber in FIG. 1A) is configured to be larger than the width of the plasma outlet 8. Yes. That is, the width of the opening in the short direction is configured to be smaller than the width of the chamber in the short direction.

このような構成により、効率のよいプラズマ発生と、短時間処理との両立を図ることができる。つまり、生成すべきプラズマの体積を、従来と比較して小さくすることができるため、電力効率が飛躍的に高まる。一方、高温のプラズマジェットが通過する時間が短くなるので、より短時間の処理が可能となる。   With such a configuration, it is possible to achieve both efficient plasma generation and short-time processing. That is, since the volume of plasma to be generated can be reduced as compared with the conventional one, power efficiency is dramatically increased. On the other hand, since the time during which the high-temperature plasma jet passes is shortened, processing in a shorter time becomes possible.

(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2について、図3及び図4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 FIGS.

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4は、誘導結合型プラズマトーチユニットを、基材に平行な面で切った断面図である。なお、図4の破線C−C‘で切った断面は図1(a)と同様であり、また、図4の破線D−D’で切った断面は図1(b)と同様である。   FIG. 3 shows the configuration of the plasma processing apparatus in accordance with the second exemplary embodiment of the present invention, and is an assembly configuration diagram of the inductively coupled plasma torch unit, in which perspective views of parts (part) are arranged. FIG. 4 is a cross-sectional view of the inductively coupled plasma torch unit cut along a plane parallel to the substrate. 4 is the same as FIG. 1A, and the cross section taken along the broken line D-D ′ in FIG. 4 is the same as FIG.

実施の形態2においては、石英管6の代わりに、環状の誘電体ブロックとしての石英ブロック12が設けられ、石英ブロック12には、コイルの中心軸と平行に設けられた複数の冷媒流路15が設けられている。石英ブロック12の内部に設けられた長尺の貫通穴の内側が、長尺チャンバ内部の空間7を構成する。   In the second embodiment, instead of the quartz tube 6, a quartz block 12 as an annular dielectric block is provided, and the quartz block 12 has a plurality of refrigerant channels 15 provided parallel to the central axis of the coil. Is provided. The inside of the long through hole provided in the quartz block 12 constitutes a space 7 inside the long chamber.

このような構成では、実施の形態1では凹凸形状であった、長尺チャンバの内壁面がフラットになる(凹凸が少なくなる)。したがって、より安定した放電を得ることができる。また、部品点数が削減されるという利点がある。   In such a configuration, the inner wall surface of the long chamber, which was a concavo-convex shape in the first embodiment, is flat (the concavo-convex is reduced). Therefore, a more stable discharge can be obtained. Moreover, there is an advantage that the number of parts is reduced.

(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態3について、図5及び図6を参照して説明する。
(Embodiment 3)
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

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の長尺方向に垂直な面で切った断面図である。図5(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5(c)は、基材に平行な面で切った断面図である。図5(a)は、図5(b)の破線A−A‘及び図5(c)の破線C−C’を含む面で切った断面図、図5(b)は図5(a)の破線及び図5(c)の破線D−D‘を含む面で切った断面図、図5(c)は図5(b)の破線B−B’で切った断面図である。   FIG. 5A shows the configuration of the plasma processing apparatus according to Embodiment 3 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. 5B is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the longitudinal direction of the inductively coupled plasma torch unit and perpendicular to the substrate. FIG.5 (c) is sectional drawing cut | disconnected by the surface parallel to a base material. 5A is a cross-sectional view taken along a plane including a broken line AA ′ in FIG. 5B and a broken line CC ′ in FIG. 5C, and FIG. 5B is FIG. 5A. FIG. 5C is a sectional view taken along a broken line BB ′ in FIG. 5B and FIG. 5C is a sectional view taken along a broken line BB ′ in FIG.

また、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. 6 is an assembly configuration diagram of the inductively coupled plasma torch unit shown in FIG. 5, in which perspective views of parts (parts) are arranged.

実施の形態3においては、石英管6の内側に、誘電体板としての第三石英板18が接合されている。第三石英板18の内部に設けられた長尺の貫通穴の内側が、長尺チャンバ内部の空間7を構成する。石英管6と第三石英板18とは、接着剤19によって接合されており、第三石英板18と石英管6との間で良好な熱伝導性が確保される。接合は、溶接法によるものであってもよい。冷却効率を確保するため、接着剤を用いる場合はできるだけ薄く、均一に塗布することが好ましい。   In the third embodiment, a third quartz plate 18 as a dielectric plate is joined to the inside of the quartz tube 6. The inside of the long through hole provided in the third quartz plate 18 constitutes the space 7 inside the long chamber. The quartz tube 6 and the third quartz plate 18 are joined by an adhesive 19, and good thermal conductivity is ensured between the third quartz plate 18 and the quartz tube 6. The joining may be by a welding method. In order to ensure cooling efficiency, when using an adhesive, it is preferable to apply it as thinly as possible and uniformly.

石英管6を第三石英板18に接合する構成の利点は、既成の板材、管材を活用できるため、安価・短納期で製作可能であること、また、肉厚の石英ブロックに貫通穴をあける場合に比べて、長尺チャンバと冷媒流路の距離を小さくできるため、冷却効率が良いこと、である。   The advantage of the structure in which the quartz tube 6 is joined to the third quartz plate 18 is that an existing plate material and tube material can be used, so that it can be manufactured at a low cost and with a short delivery time, and a through hole is made in a thick quartz block. Compared to the case, since the distance between the long chamber and the refrigerant flow path can be reduced, the cooling efficiency is good.

このような構成では、実施の形態1では凹凸形状であった、長尺チャンバの内壁面がフラットになる(凹凸が少なくなる)。したがって、より安定した放電を得ることができる。また、実施の形態2に比べてトーチユニットが軽量になるという利点がある。   In such a configuration, the inner wall surface of the long chamber, which was a concavo-convex shape in the first embodiment, is flat (the concavo-convex is reduced). Therefore, a more stable discharge can be obtained. In addition, there is an advantage that the torch unit is lighter than the second embodiment.

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が、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。   In addition, the various configurations of the present invention enable high-temperature treatment of the vicinity of the surface of the base material 2, but for crystallization of a TFT semiconductor film and modification of a solar cell semiconductor film described in detail in the conventional example. Of course, it can be applied to cleaning and reducing degassing of the protective layer of plasma display panels, flattening and reducing degassing of dielectric layers composed of aggregates of silica particles, reflow of various electronic devices, solid impurities It can be applied to various surface treatments such as plasma doping using a 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、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。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。 In addition, the case where high-temperature heat treatment is performed in the vicinity of the surface of the base material uniformly for a very short time is illustrated in detail. 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. 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、Cxy(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。 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. If O 2 is used as the reaction gas, it is possible to remove organic substances, resist ashing, and the like.

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。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処理することが可能となる。 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). 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 processed 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、基材の所望の被処理領域全体を短時間で処理する上で有用な発明である。   As described above, the present invention can be applied to the crystallization of the TFT semiconductor film and the modification of the semiconductor film for the solar cell, as well as cleaning the protective layer of the plasma display panel, reducing the degassing, Uniformity in the vicinity of the surface of the substrate for only a short time in various surface treatments such as surface flattening of dielectric layers consisting of aggregates, reduction of degassing, reflow of various electronic devices, plasma doping using solid impurity sources, etc. In the high temperature heat treatment, the present invention is useful for treating the entire desired region of the base material in a short time.

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処理する上で有用な発明である。   In addition, it is a useful invention for processing a desired whole region of a substrate in a short time in low temperature plasma processing such as etching, film formation, doping, and surface modification in manufacturing various electronic devices. .

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 第一石英板
5 第二石英板
6 石英管
7 長尺チャンバ内部の空間
8 プラズマ噴出口
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
13 シールドガスノズル
14 シールドガスマニホールド
15 冷媒流路
16 冷媒配管
22 薄膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate mounting base 2 Substrate T Inductive coupling type plasma torch unit 3 Solenoid coil 4 First quartz plate 5 Second quartz plate 6 Quartz tube 7 Space inside long chamber 8 Plasma outlet 9 Plasma gas manifold 10 Plasma gas supply Piping 11 Plasma gas supply hole 13 Shield gas nozzle 14 Shield gas manifold 15 Refrigerant flow path 16 Refrigerant pipe 22 Thin film

Claims (7)

長尺で線状の開口部と、前記開口部の長手方向と平行な向きに長尺な形状をもち、かつ、前記開口部と連通し、かつ、誘電体部材で囲まれた長尺チャンバと、前記長尺チャンバ内にガスを導入するためのガス供給配管と、前記開口部の長手方向と平行な向きに長尺な形状をもつコイルと、前記コイルに接続された高周波電源と、基材載置台と、前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記チャンバと前記基材載置台とを相対的に移動可能とする移動機構を備えた装置において、
前記誘電体部材の内部に、前記コイルの中心軸と平行に複数の冷媒流路が設けられていること、
を特徴とするプラズマ処理装置。
A long and linear opening; and a long chamber having a long shape in a direction parallel to the longitudinal direction of the opening, the long chamber communicating with the opening, and surrounded by a dielectric member; A gas supply pipe for introducing gas into the long chamber, a coil having a long shape in a direction parallel to the longitudinal direction of the opening, a high-frequency power source connected to the coil, and a base material In the apparatus provided with a moving mechanism that enables the mounting table and the chamber and the base material mounting table to move relative to each other in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the opening,
A plurality of refrigerant flow paths are provided in the dielectric member in parallel with the central axis of the coil;
A plasma processing apparatus.
前記誘電体部材は、複数の円筒管から構成されている、請求項1記載のプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the dielectric member includes a plurality of cylindrical tubes. 前記誘電体部材は、環状の誘電体ブロックである、請求項1記載のプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the dielectric member is an annular dielectric block. 前記誘電体部材は、複数の円筒管が接合された誘電体板である、請求項1記載のプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the dielectric member is a dielectric plate in which a plurality of cylindrical tubes are joined. 前記開口部の短手方向の幅が、前記チャンバの短手方向の幅よりも小さい、請求項1記載のプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein a width of the opening in a short direction is smaller than a width of the chamber in a short direction. 前記誘電体部材は、前記複数の冷媒流路と連通するマニホールドを備えた蓋部及びノズル部に挟まれており、かつ、前記ノズル部に前記開口部が設けられている、請求項1記載のプラズマ処理装置。 2. The dielectric member according to claim 1, wherein the dielectric member is sandwiched between a lid portion and a nozzle portion having a manifold communicating with the plurality of refrigerant flow paths, and the opening portion is provided in the nozzle portion. Plasma processing equipment. 誘電体部材で囲まれた長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、前記チャンバに形成されたスリット状の開口部から基材に向けてガスを噴出すると共に、前記チャンバの長手方向と平行な向きに長尺な形状をもつ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るプラズマ処理方法であって、
前記コイルの中心軸と平行に、前記誘電体部材の内部に設けられた複数の冷媒流路に冷媒を流しつつ、
前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに前記チャンバと前記基材とを相対的に移動しながら前記基材の表面を処理すること、
を特徴とするプラズマ処理方法。
While supplying gas into the long chamber surrounded by the dielectric member, the gas is ejected from the slit-shaped opening formed in the chamber toward the base material, and the direction parallel to the longitudinal direction of the chamber A plasma processing method for generating a high-frequency electromagnetic field in the chamber by supplying high-frequency power to a coil having a long shape,
While flowing a coolant through a plurality of coolant channels provided inside the dielectric member in parallel with the central axis of the coil,
Treating the surface of the substrate while relatively moving the chamber and the substrate in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the opening;
A plasma processing method characterized by the above.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014231636A (en) * 2013-05-30 2014-12-11 小島プレス工業株式会社 Plasma cvd apparatus and method of forming plasma cvd film
JP2015146279A (en) * 2014-02-04 2015-08-13 パナソニックIpマネジメント株式会社 plasma processing apparatus and method

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