JP5500097B2 - 誘導結合型プラズマ処理装置及び方法 - Google Patents

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、誘導結合型プラズマ処理装置及び方法に関するものである。

従来、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等の半導体薄膜は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：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。

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

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

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

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

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

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

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

図１４は、この熱プラズマを用いた半導体膜の結晶化方法を説明するための模式図である。

同図において、熱プラズマ発生装置４１は、陰極４２と、この陰極４２と所定距離だけ離間して対向配置される陽極４３とを備え構成される。陰極４２は、例えばタングステン等の導電体からなる。陽極４３は、例えば銅などの導電体からなる。また、陽極４３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４３には噴出孔（ノズル）４４が設けられている。陰極４２と陽極４３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４２と陽極４３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４４から熱プラズマ４５を噴出させることができる。ここで「熱プラズマ」とは、熱平衡プラズマであり、イオン、電子、中性原子などの温度がほぼ等しく、それらの温度が１００００Ｋ程度を有する超高温の熱源である。

このような熱プラズマを半導体膜の結晶化のための熱処理に利用することができる。具体的には、基板４６上に半導体膜４７（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４７に熱プラズマ（熱プラズマジェット）４５を当てる。このとき、熱プラズマ４５は、半導体膜４７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４７に当てられる。すなわち、熱プラズマ４５は第１軸方向に走査しながら半導体膜４７に当てられる。ここで「相対的に移動させる」とは、半導体膜４７（及びこれを支持する基板４６）と熱プラズマ４５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４５の走査により、半導体膜４７が熱プラズマ４５の有する高温によって加熱され、結晶化された半導体膜４８（本例ではポリシリコン膜）が得られる（例えば、特許文献１を参照）。

図１５は、最表面からの深さと温度の関係を示す概念図である。図１５に示すように、熱プラズマ４５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４５が通り過ぎた後、加熱された領域は速やかに冷却されるので、表面近傍はごく短時間だけ高温になる。

このような熱プラズマは、点状領域に発生させるのが一般的である。熱プラズマは、陰極４２からの熱電子放出によって維持されており、プラズマ密度の高い位置では熱電子放出がより盛んになるため、正のフィードバックがかかり、ますますプラズマ密度が高くなる。つまり、アーク放電は陰極の１点に集中して生じることとなり、熱プラズマは点状領域に発生する。

半導体膜の結晶化など、平板状の基材を一様に処理したい場合には、点状の熱プラズマを基材全体に渡って走査する必要があるが、走査回数を減らしてより短時間で処理できるプロセスを構築するには、熱プラズマの照射領域を広くすることが有効である。このため、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。

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）。

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）。

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）。

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。

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８を参照）。

特開２００８−５３６３４号公報 特開平０８−１１８０２７号公報 特開２００１−６８２９８号公報 特表２００２−５００８１８号公報 特開平０４−２８４９７４号公報 特表２００９−５４５１６５号公報 特開２００７−２８７４５４号公報 特開２００９−１５８２５１号公報

Ｓ．Ｈｉｇａｓｈｉ， Ｈ．Ｋａｋｕ，Ｔ．Ｏｋａｄａ，Ｈ．Ｍｕｒａｋａｍｉ ａｎｄ Ｓ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、仮に絶縁体材料の冷却の問題がないと仮定しても、従来例に示した特許文献６に記載の技術においては、絶縁体材料の内部空間に形成した高温プラズマは、その最下部から噴出するごく一部のみが基材に直接作用する構成であるため、電力効率が悪いという問題点がある。また、絶縁体材料の内部空間においては、中心付近のプラズマ密度が高くなるので、長尺方向にプラズマが不均一となり、基材を均一に処理することができないという問題点がある。

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。

また、従来例に示した特許文献８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。

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誘導結合型プラズマ処理装置及び方法を提供することを目的としている。

本願の第１発明の誘導結合型プラズマ処理装置は、スリット状で単一の開口部を備えた誘電体製の筒状チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記チャンバの周囲に設けられ高周波電流が流れることで前記チャンバ内に誘導結合型のプラズマを発生させる弧状の導体と、前記開口部と対向して配置され、かつ基材を保持する基材載置台と、を備えた誘導結合型プラズマ処理装置であって、前記チャンバの長手方向と前記開口部の長手方向とは平行に配置され、前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記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、前記弧状の導体は複数で互いに平行でかつ電気的に接続され、複数の導体には同位相の高周波電流が流れ、前記弧状の導体の弧が途切れた部分に前記開口部を設けたことを特徴とする。

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。

また、好適には、前記弧状の導体の両端が、導体からなる高周波印加棒及び接地棒に接続され、前記高周波印加棒及び前記接地棒の長手方向と前記開口部の長手方向とが平行に配置されていることが望ましい。

このような構成により、弧状の導体への高周波印加が簡単に行える。

また、好適には、前記筒状チャンバの長手方向の両側に２つの冷媒マニホールドを備え、
前記筒状チャンバに、前記２つの冷媒マニホールドを連通する冷媒流路を備えることが望ましい。

このような構成により、プラズマ処理装置の効率的な冷却が簡単に行える。

また、好適には、前記筒状チャンバの長手方向の両側に２つの冷媒マニホールドを備え、
前記筒状チャンバに、前記２つの冷媒マニホールドを連通する冷媒流路を備え、
前記高周波印加棒及び前記接地棒が中空の管からなり、前記高周波印加棒または前記接地棒のうち一方が、前記２つの冷媒マニホールドのうちの一方と連通し、前記高周波印加棒または前記接地棒のうち他の一方が、前記２つの冷媒マニホールドのうちの他の一方と連通していることが望ましい。

このような構成により、プラズマ処理装置の効率的な冷却に加え、弧状の導体、高周波印加棒及び接地棒の冷却が簡単に行える。

また、好適には、前記複数の弧状の導体の間に、前記ガス導入口に連通する複数のガス配管が設けられていることが望ましい。

このような構成により、長手方向に均一なガス流れの形成を簡単に行える。

また、好適には、前記筒状チャンバ、前記弧状の導体、前記高周波印加棒及び前記接地棒が、接地電位の導体カバー内に収納され、前記高周波印加棒と前記導体カバーとの間に、絶縁棒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、高周波の漏洩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。

また、好適には、前記筒状チャンバの内部空間が、前記筒状チャンバに設けられたスリットであることが望ましい。

このような構成により、筒状チャンバを簡単に形成できる。

また、前記筒状チャンバに設けられたスリットの幅が、前記開口部に向けて一定であってもよいし、前記開口部に向けて徐々に広くなってもよいし、あるいは、前記開口部に向けて徐々に狭くなってもよい。

本願の第２発明の誘導結合型プラズマ処理方法は、筒状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で単一の開口部から基材に向けてガスを噴出すると共に、前記チャンバの周囲に設けられた弧状の導体に高周波電流を供給することで、前記チャンバ内に誘導結合型のプラズマを発生させる誘導結合型プラズマ処理方法において、前記弧状の導体は複数で互いに平行でかつ電気的に接続され、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に際して、複数の導体に同位相の高周波電流を流すと共に、前記弧状の導体の弧が途切れた部分に前記開口部が配置された状態で前記基材の表面を処理することを特徴とする。

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。

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。

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斜視図 本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 本発明の実施の形態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斜視図 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５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６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７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８におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 従来例におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 従来例における最表面からの深さと温度の関係を示す概念図

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

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜図３を参照して説明する。

図１Ａ（ａ）及び（ｂ）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１Ｂ（ｃ）及び（ｄ）は、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に平行で、かつ、基材に垂直な面で切った断面図である。図１Ｂ（ｃ）は図１Ａ（ｂ）の破線Ａ〜Ａ‘で切った断面図、図１Ｂ（ｄ）は図１Ａ（ｂ）の破線Ｂ〜Ｂ‘で切った断面図、図１Ａ（ａ）は図１Ｂ（ｃ）の破線Ｃ〜Ｃ’で切った断面図、図１Ａ（ｂ）は図１Ｂ（ｃ）の破線Ｄ〜Ｄ’で切った断面図である。

また、図２は、図１Ａ及び図１Ｂ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、各部品の斜視図を並べたものである。また、図３は、図１Ｂ（ｄ）のＥ部の拡大図である。

図１〜図３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、コイルをなす弧状の導体としての銅管３が、誘電体製の筒状チャンバを構成する石英ブロック４の周囲に配置される。石英ブロック４の下方に設けられた真鍮ブロック５と、金属製のカバー６の内部に、銅管３及び石英ブロック４が収納されている。真鍮ブロック５及びカバー６は接地されるので、高周波の漏洩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。

筒状チャンバ内部の空間７は、石英ブロック４に設けられたスリットである。筒状チャンバ内部の空間７に発生したプラズマは、筒状チャンバにおけるスリット状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。銅管３からなる弧状の導体の弧が途切れた部分が図の下方に相当し、そこに開口部としてのプラズマ噴出口８が設けられている構成である。また、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。

カバー６の上方に、プラズマガスマニホールド９が設けられる。プラズマガスマニホールドに供給されたガスは、導体製のプラズマガス供給配管１０を介して、石英ブロック４に設けられ、下方にガス導入口としての開口部を備えたプラズマガス供給穴１１より筒状チャンバ内部の空間７に導入される。銅管３とプラズマガス供給配管１０は、これらの間の空間での放電を抑制するために、樹脂ブロック１２により埋められている。このように、複数の弧状の銅管３の間に、ガス導入口に連通する複数のプラズマガス供給配管１０が設けられているので、長手方向に均一なガス流れを簡単に形成できる。

また、基材載置台１に近い部分に、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。

銅管３の内部には、高周波印加棒としての上流側銅管１５及び接地棒としての下流側銅管１６の内部を介して、絶縁性冷媒としての水が流れる。すなわち、銅管３の内部の空間と、中空の上流側銅管１５及び下流側銅管１６の内部の空間は連通するよう構成されている。また、石英ブロック４及び真鍮ブロック５には、これらを貫通する冷却水配管１７が設けられている。これらの水路（冷媒流路）は、真鍮ブロック１８の外側に設けられた樹脂ケース１９と真鍮ブロック１８との間の空間がなす冷媒マニホールドとしての冷却水マニホールド２０に連通している。

樹脂ケース１９には、冷媒導入口・冷媒排出口としての冷却水出入口２１が各１箇所ずつ設けられ、トーチユニットＴへの水冷配管の引き回しが非常に簡潔なものとなっており、小型のトーチを構成しうる。すなわち、筒状チャンバの長手方向の両側に２つの冷媒マニホールド２０を備え、各部材に２つの冷媒マニホールド２０を連通する冷媒流路を備えた構成である。

なお、上流側銅管１５及び下流側銅管１６への給排水は、逆方向に延びた銅管延長部２２に設けられた冷却水出入口２３（円筒状の銅管の側面に設けられた穴）から行われる。つまり、冷却水出入口２３は冷却水マニホールド２０内に配置され、上流側銅管１５及び下流側銅管１６のうち一方が、２つの冷媒マニホールドのうちの一方と連通し、上流側銅管１５及び下流側銅管１６のうち他の一方が、２つの冷媒マニホールドのうちの他の一方と連通している。上流側銅管１５及び下流側銅管１６は、真鍮ブロック１８を貫通する樹脂ブッシュ２４の内部を通り、樹脂ケース１９に設けられた高周波導入端子穴２５及び接地端子穴２６を介して銅ブロック２７に接続され、銅板２８を通じて図示しない高周波整合回路に接続される。

また、上流側銅管１５及び下流側銅管１６は、絶縁棒としての樹脂ブロック２９により、接地電位となる真鍮ブロック５及びカバー６との絶縁が図られ、樹脂ブロック３０により接地電位となる真鍮ブロック１８との絶縁が図られている。

このように、本実施の形態においては、石英ブロック４を貫通する、断面が円形の冷却水配管１７が複数設けられているので、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る。

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。この状態で、筒状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コイルをなす銅管３に高周波電力を供給することにより、筒状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３１をプラズマ処理することができる。

本構成においては、コイルとしての銅管３が、チャンバの周囲に設けられた弧状の導体からなり、弧状の導体の弧が途切れた部分に開口部としてのプラズマ噴出口８を設けたことが特徴で、プラズマ噴出口８の長手方向に対して垂直な向きに、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１Ａ（ａ），（ｂ）の左右方向へ、図１Ｂ（ｃ），（ｄ）の紙面に垂直な方向へ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたは基材載置台１を動かす。

複数の銅管３は平行に配置され、それらの両端部が上流側銅管１５及び下流側銅管１６に接続されている。上流側銅管１５には高周波電力が供給され、下流側銅管１６は接地される。したがって、複数の銅管３には同位相の高周波電流が流れる。また、弧状の銅管３が筒状チャンバ内部の空間７を取り囲むように配置されているので、筒状チャンバ内部の空間７において、銅管３に流れる高周波電流によって励起される誘導電磁界が強めあい、効率的にプラズマを生成できる。また、このような構成とすることにより、コイルのインダクタンスが極めて小さくなり、電力効率の改善を図ることもできる。これは、処理したい基材２の幅が大きい場合、すなわち、誘導結合型プラズマトーチユニットＴが長尺方向に長くなる場合にとくに有効である。

なお、上流側銅管１５及び下流側銅管１６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。このような構成により、コイルへの高周波印加が簡単に行える。

筒状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）。真鍮ブロック５のプラズマ噴出口８の下流にあたる部分は、基材２に向かって徐々に広くなる空間を形成している。このような構成により、真鍮ブロック５へのプラズマの接触によるプラズマ密度の低下を抑制できると同時に、プラズマと接触する部位に近い位置に冷却水配管１７を設けることができる。

なお、本構成においては、プラズマ噴射口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（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３１の全体を処理することができる。

このようなプラズマ処理装置において、筒状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、コイルをなす銅管３に供給することにより、筒状チャンバ内部の空間７に高周波電磁界を発生させて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。

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、筒状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。また、筒状チャンバをその中心軸に垂直な面で切った断面の幅（図１Ｂ（ｃ）における、チャンバ内部空間７の幅）は、プラズマ噴出口８の幅（図１Ｂ（ｃ）における隙間の長さ）より少しでも大きければよい。つまり、生成すべきプラズマの体積を、従来と比較して極めて小さくすることができる。その結果、電力効率が飛躍的に高まる。

また、筒状チャンバの内部空間においては、長尺方向に比較的均一なプラズマが生成できるので、特許文献６に開示されている従来例などと比べて、基材を均一に処理することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図４〜図５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の長尺方向に平行な面で切った断面図であり、図１Ｂ（ｃ）に相当する。また、図５は、図４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（一部）であり、各部品の斜視図を並べたものである。

本発明の実施の形態２においては、実施の形態１とは、樹脂ブロック１２の形状が異なり、かつ、樹脂ブロック３３を追加しただけであるから、それ以外の説明は省略する。

樹脂ブロック１２と樹脂ブロック３３には、銅管３との間に隙間ができないように、半円柱状の溝が形成されている。このような構成により、銅管３の周囲（銅管３と石英ブロック４やカバー６との間の空間）での異常放電を効果的に抑制できる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図６〜図７を参照して説明する。

図６は本発明の実施の形態３におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図であり、図１Ａ（ａ）及び（ｂ）に相当する。また、図７は、図６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（一部）であり、各部品の斜視図を並べたものである。

本発明の実施の形態３においては、実施の形態１とは、樹脂ブロック１２と樹脂ブロック２９の形状が異なり、かつ、樹脂ブロック３３及び樹脂ブロック３４を追加しただけであるから、それ以外の説明は省略する。

樹脂ブロック１２と樹脂ブロック３３には、銅管３との間に隙間ができないように、半円柱状の溝が形成されている。このような構成により、銅管３の周囲（銅管３と石英ブロック４やカバー６との間の空間）での異常放電を効果的に抑制できる。同様に、樹脂ブロック３４にも半円柱状の溝が形成されており、銅管３の周囲（銅管３と石英ブロック４との間の空間）での異常放電を効果的に抑制できる。樹脂ブロック３４が銅管３と石英ブロック４の間に挿入されているため、上流側銅管１５及び下流側銅管１６の間の幅は、石英ブロック４の幅よりも大きくなる。これにより、樹脂ブロック２９の形状をコの字型として、上流側銅管１５及び下流側銅管１６と、石英ブロック４との間に隙間ができないように構成している。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図８〜図９を参照して説明する。

図８は本発明の実施の形態４におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に平行な面で切った断面図であり、図１Ｂ（ｃ）に相当する。また、図９は、図８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（一部）であり、各部品の斜視図を並べたものである。

本発明の実施の形態４においては、実施の形態１とは、銅管３と樹脂ブロック１２の形状が異なるだけであるから、それ以外の説明は省略する。

銅管３は帯状の１本のコイルを構成しており、プラズマガス供給配管１０を配置するための２箇所の貫通穴を備える。このような構成により、コイルとしての銅管の断面積が増すため、損失が少ない高周波駆動が可能となる。

（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５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５におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図であり、図１（ｂ）に相当する。

本発明の実施の形態１においては、筒状チャンバは直方体形状の石英ブロックにより構成されていたが、本発明の実施の形態５においては、複数の円筒状の石英管３５を門型に並べることにより、スリット状の筒状チャンバを構成している。

（実施の形態６）
以下、本発明の実施の形態６について、図１１を参照して説明する。

図１１は本発明の実施の形態６におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図であり、図１Ａ（ａ）に相当する。

本発明の実施の形態１においては、筒状チャンバに設けられたスリット（筒状チャンバ内部の空間７）の幅が、開口部としてのプラズマ噴出口８に向けて一定である場合を例示したが、本発明の実施の形態６においては、筒状チャンバに設けられたスリット（筒状チャンバ内部の空間７）の幅が、開口部としてのプラズマ噴出口８に向けて徐々に狭くなっている。このような構成により、プラズマの発生を確実にしながら、より狭い範囲にプラズマを照射することができる。

（実施の形態７）
以下、本発明の実施の形態７について、図１２を参照して説明する。

図１２は本発明の実施の形態７におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に垂直な面で切った断面図であり、図１Ａ（ａ）に相当する。

本発明の実施の形態１においては、筒状チャンバに設けられたスリット（筒状チャンバ内部の空間７）の幅が、開口部としてのプラズマ噴出口８に向けて一定である場合を例示したが、本発明の実施の形態７においては、筒状チャンバに設けられたスリット（筒状チャンバ内部の空間７）の幅が、開口部としてのプラズマ噴出口８に向けて徐々に広くなっている。このような構成により、プラズマの発生効率を高く保ちながら、より広い範囲にプラズマを照射することができる。

（実施の形態８）
以下、本発明の実施の形態８について、図１３を参照して説明する。

図１３は本発明の実施の形態８におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットの組立構成図（一部）であり、各部品の斜視図を並べたものである。

本発明の実施の形態８においては、実施の形態１とは、コイルの形状が異なるだけであるから、それ以外の説明は省略する。

コイルは、複数の弧状の導体が平行に配置され、かつ、互いに隣り合う複数の弧状の導体に逆位相の高周波電流が流れるように蛇行配置されている銅管３からなる。つまり、コイルは一筆書き可能な形状で、ジグザグ状に石英ブロック４を取り囲むように配置される。このような構成により、互いに隣り合う銅管どうしがスリット（筒状チャンバ内部の空間７）に形成する誘導電磁界が強められるため、効率のよいプラズマ生成が可能となる。

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。

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。

また、プラズマガス供給配管１０が石英ブロック４を貫通して筒状チャンバ内部の空間７に露出するまで延長されていてもよい。プラズマガス供給配管１０が誘電体製である場合は、配管内部に高周波電磁界が照射され、配管内部で望ましくない放電を生じることがある。本発明の各実施の形態において、プラズマガス供給配管１０を金属製とする場合を例示したが、これは、上記のような望ましくない放電を抑制するためである。その効果をより高めるためには、放電させたくない部位を導体で囲うことが有効であり、プラズマガス供給配管１０を、石英ブロック４を貫通して筒状チャンバ内部の空間７に露出するまで延長することが好ましいといえる。

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。

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

また、基材の表面近傍をごく短時間だけ均一に高温熱処理する場合について詳しく例示したが、反応ガスによるプラズマまたはプラズマと反応ガス流を同時に基材へ照射して基材を低温プラズマ処理する場合においても、本発明は適用できる。プラズマガスに反応ガスを混ぜることにより、反応ガスによるプラズマを基材へ照射し、エッチングやＣＶＤが実現できる。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。一方、プラズマガスとしてヘリウムを主成分とするガスを用いると、比較的低温のプラズマを発生させることができる。このような方法で、基材をあまり加熱することなく、エッチングや成膜などの処理が可能となる。エッチングに用いる反応ガスとしては、ハロゲン含有ガス、例えば、Ｃ_xＦ_y（ｘ、ｙは自然数）、ＳＦ₆
などがあり、シリコンやシリコン化合物などをエッチングすることができる。反応ガスとしてＯ₂を用いれば、有機物の除去、レジストアッシングなどが可能となる。

ＣＶＤに用いる反応ガスとしては、モノシラン、ジシランなどがあり、シリコンやシリコン化合物の成膜が可能となる。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。

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。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。

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 銅管
４ 石英ブロック
５ 真鍮ブロック
６ カバー
７ 筒状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
１２ 樹脂ブロック
１３ シールドガスノズル
１４ シールドガスマニホールド
１５ 上流側銅管
１６ 下流側銅管
１７ 冷却水配管
１８ 真鍮ブロック
１９ 樹脂ケース
２０ 冷却水マニホールド
２１ 冷却水出入口
２２ 銅管延長部
２３ 冷却水出入口
２４ 樹脂ブッシュ
２５ 高周波導入端子穴
２６ 接地端子穴
２７ 銅ブロック
２８ 銅板
２９ 樹脂ブロック
３０ 樹脂ブロック
３１ 薄膜
３２ プラズマガス供給配管

Claims (11)

1. スリット状で単一の開口部を備えた誘電体製の筒状チャンバと、
   前記チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、
   前記チャンバの周囲に設けられ高周波電流が流れることで前記チャンバ内に誘導結合型のプラズマを発生させる弧状の導体と、
   前記開口部と対向して配置され、かつ基材を保持する基材載置台と、
   を備えた誘導結合型プラズマ処理装置であって、
   前記チャンバの長手方向と前記開口部の長手方向とは平行に配置され、
   前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記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、
   前記弧状の導体は複数で互いに平行でかつ電気的に接続され、複数の導体には同位相の高周波電流が流れ、
   前記弧状の導体の弧が途切れた部分に前記開口部を設けたこと
   を特徴とする誘導結合型プラズマ処理装置。
2. 前記弧状の導体の両端が、導体からなる高周波印加棒及び接地棒に接続され、前記高周波印加棒及び前記接地棒の長手方向と前記開口部の長手方向とが平行に配置されている、請求項１記載の誘導結合型プラズマ処理装置。
3. 前記筒状チャンバの長手方向の両側に２つの冷媒マニホールドを備え、
   前記筒状チャンバに、前記２つの冷媒マニホールドを連通する冷媒流路を備えた、請求項１記載の誘導結合型プラズマ処理装置。
4. 前記筒状チャンバの長手方向の両側に２つの冷媒マニホールドを備え、
   前記筒状チャンバに、前記２つの冷媒マニホールドを連通する冷媒流路を備え、
   前記高周波印加棒及び前記接地棒が中空の管からなり、前記高周波印加棒または前記接地棒のうち一方が、前記２つの冷媒マニホールドのうちの一方と連通し、前記高周波印加棒または前記接地棒のうち他の一方が、前記２つの冷媒マニホールドのうちの他の一方と連通している、請求項１記載の誘導結合型プラズマ処理装置。
5. 前記複数の弧状の導体の間に、前記ガス導入口に連通する複数のガス配管が設けられている、請求項１記載の誘導結合型プラズマ処理装置。
6. 前記筒状チャンバ、前記弧状の導体、前記高周波印加棒及び前記接地棒が、接地電位の導体カバー内に収納され、前記高周波印加棒と前記導体カバーとの間に、絶縁棒が配置されている、請求項１記載の誘導結合型プラズマ処理装置。
7. 前記筒状チャンバの内部空間が、前記筒状チャンバに設けられたスリットである、請求項１記載の誘導結合型プラズマ処理装置。
8. 前記筒状チャンバに設けられたスリットの幅が、前記開口部に向けて一定である、請求項６記載の誘導結合型プラズマ処理装置。
9. 前記筒状チャンバに設けられたスリットの幅が、前記開口部に向けて徐々に広くなる、請求項６記載の誘導結合型プラズマ処理装置。
10. 前記筒状チャンバに設けられたスリットの幅が、前記開口部に向けて徐々に狭くなる、請求項６記載の誘導結合型プラズマ処理装置。
11. 筒状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で単一の開口部から基材に向けてガスを噴出すると共に、前記チャンバの周囲に設けられた弧状の導体に高周波電流を供給することで、前記チャンバ内に誘導結合型のプラズマを発生させる誘導結合型プラズマ処理方法において、
    前記弧状の導体は複数で互いに平行でかつ電気的に接続され、
    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に際して、複数の導体に同位相の高周波電流を流すと共に、前記弧状の導体の弧が途切れた部分に前記開口部が配置された状態で前記基材の表面を処理すること
    を特徴とする誘導結合型プラズマ処理方法。

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