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JP6295439B2 - プラズマ処理装置及び方法、電子デバイスの製造方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及び方法、電子デバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、プラズマ処理装置及び方法、電子デバイスの製造方法に関するものである。特に、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に関する。
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、長尺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）。
さて、プラズマ処理における一般的な問題として、静電ダメージと呼ばれるものがある。これは、プラズマの空間的な不均一などによって、被処理物（基材）に流入する電子電流とイオン電流の平衡状態が局所的に崩れ、電荷が蓄積する問題である。結果として、基材がトランジスタを内包している場合、ゲート絶縁膜がトンネル電流によって劣化し、絶縁耐圧が低下したり、フラットバンド電圧が変化したりするといった問題が生じる（例えば、非特許文献２を参照）。
表面洗浄などに用いられる容量結合型の低温大気圧プラズマにおいて、静電ダメージを抑制できるリモート式と呼ばれる方式がある。基材をプラズマ空間の内部に配置するダイレクト式と、プラズマ空間の外部に配置するリモート式とを比較すると、リモート式の方が、静電ダメージが少なくなると考えられている（例えば、特許文献４を参照）。
特開２０１３−１２０６３３号公報 特開２０１３−１２０６８４号公報 特開２０１３−１２０６８５号公報 特開２００３−１００６４６号公報
Ｔ．Ｏｋｕｍｕｒａ ａｎｄ Ｈ．Ｋａｗａｕｒａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５２（２０１３）０５ＥＥ０１ 福本吉人，住江伸吾，「プラズマチャージアップダメージ評価ウェーハの開発」，神戸製鋼技報，５２（２００２）８３頁
しかしながら、本件発明者らによる、特許文献１〜３、及び、非特許文献１記載の環状のチャンバを用いる方法では、コイルが発生する高周波電磁界によって基材に静電ダメージが生じるという問題点があった。また、基材に作用させる線状の熱プラズマ（開口部付近のプラズマ）の線方向とは垂直な向きに、多数の不安定なストリーマ放電が発生し、アーキングなどの不良現象の原因となることもあった。一方、特許文献４記載の容量結合型の低温大気圧プラズマは、プラズマの温度が低く（１０００℃未満）、熱処理や高速反応に不向きである。
本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、静電ダメージ及びストリーマ放電を抑制できるプラズマ処理装置及び方法を提供することを目的としている。
本願の第１発明のプラズマ処理装置は、線状の開口部を備え、開口部以外が誘電体部材に囲まれた開口部に連通する環状のチャンバと、チャンバ近傍に設けられたコイルと、コイルに接続された電源と、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において、以下の特徴を有する。
コイルを構成する素線の周りに、コイルがなす線方向とは交差する向きに配置された多数の導体線からなるシールドを設けたこと。
このような構成により、静電ダメージ及びストリーマ放電を抑制できる。
本願の第１発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記チャンバを囲む前記誘電体部材のうち、前記基材載置台に相対する面を構成する部位が、前記開口部の線方向と平行に配置された円筒からなること、が望ましい。
このような構成により、高速な処理が可能となる。
また、好適には、前記円筒の内部の空洞に、前記コイルの一部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、さらに高速な処理が可能となる。
また、好適には、前記シールドが、可変コンデンサを介して接地されていることが望ましい。
このような構成により、安定的にプラズマ処理を行うことができる。
また、好適には、前記円筒が、前記コイルの周囲を回転可能に構成されていることが望ましい。
このような構成により、さらに高速な処理が可能となる。
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のチャンバ内にガスを供給しつつ、チャンバに連通する線状の開口部から基材に向けてガスを噴出すると共に、コイルに高周波電力を供給することで、チャンバ内に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ基材の表面を処理するプラズマ処理方法において、以下の特徴を有する。
コイルを構成する素線の周りに、コイルがなす線方向とは交差する向きに多数の導体線からなるシールドが配置されている状態で処理すること。
このような構成により、静電ダメージ及びストリーマ放電を抑制できる。
本願の第３発明の電子デバイスの製造方法は、上述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、静電ダメージ及びストリーマ放電を抑制できる。
本発明によれば、基材の表面近傍をごく短時間だけ均一に高温熱処理するに際して、或いは、反応ガスによるプラズマまたはプラズマと反応ガス流を同時に基材へ照射して基材をプラズマ処理するに際して、静電ダメージ及びストリーマ放電を抑制できる。
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平面図 本発明の実施の形態１におけるプラズマの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におけるシールドの構成を示す斜視図 本発明の実施の形態２におけるシールドの構成を示す斜視図 本発明の実施の形態３におけるシールド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５におけるプラズマ処理装置の構成を示す斜視図
以下、本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置について図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜図５を参照して説明する。
図１（ａ）は、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ある。同図において、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）〜（ｅ）及び図２の点線Ａ−Ａ‘を通る面で切った断面図である。
図１（ｂ）〜（ｅ）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１（ｄ）は図１（ａ）の点線Ｄ−Ｄ’で切った断面図、図１（ｅ）は図１（ａ）の点線Ｅ−Ｅ’で切った断面図である。
図２は、図１に示した誘導結合型プラズマトーチユニットＴを図１の下方から上方を見た平面図である。図３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４は、コイルの構成を示す斜視図であり、図３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５は、シールド筒の構成を示す斜視図であり、図３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トレー１２上に基材１が配置され、基材１の上に薄膜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、第一セラミックブロック４、第二セラミックブロック５及びトレー１２（或いは、その上の基材１）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、トレー１２から遠い側のコイル３ａは、第二セラミックブロック５に設けられた溝内に配置され、トレー１２に近い側のコイル３ｂは、セラミック管１３の内部に配置される。
基材１は、基材載置台としてのトレー１２上に配置される。トレー１２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、第一セラミックブロック４及び第二セラミックブロック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、第一セラミックブロック４に設けた長辺をなす直線部、第一セラミックブロック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１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１またはトレー１２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コイル形状であっても問題なく熱プラズマを発生させることができることは、発明者らが初めて明らかにしたことである。このような、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４に示すように、コイル３ａと３ｂには、開口部８の長手方向に沿って逆向き（逆位相）の高周波電力を印加する。ここでは、１つの高周波電源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、外部との電気的接続がなされる。一方、コイル３ｂはセラミック管１３を貫通して、ロータリージョイントなどで構成された回転機構を貫通して外部との電気的接続がなされる。
チャンバ７に発生したプラズマＰは、チャンバ７の最下部をなすプラズマ噴出口（第二セラミックブロック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１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。
第一セラミックブロック４に設けた長方形の溝は、ガスマニホールド９であり、その内部には多孔質セラミックス材がはめ込まれている。ガス供給配管１０よりガスマニホールド９に供給されたガスは、第一セラミックブロック４に設けられた溝と第二セラミックブロック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。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。また、ガスマニホールド９内を多孔質セラミックス材で構成することで、ガス流れの均一化が実現できるとともに、ガスマニホールド９近傍での異常放電を防止することができる。
ガス供給穴１１は、長手方向に丸い穴状のものを複数設けたものであるが、長手方向に線状のスリットを設けたものであってもよい。
第一セラミックブロック４と第二セラミックブロック５の間に、円筒状のセラミック管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、トレー１２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。回転機構としては、セラミック管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ることが望ましく、ベルトドライブなどの機構によってモータなどの回転動力が伝達される。また、内部に冷媒を流しつつ回転できるよう、回転継手（ロータリージョイント）を用いることができる。
回転する円筒状のセラミック管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。
第一セラミックブロック４と第三セラミックブロック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、第二セラミックブロック５と第四セラミックブロック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及び各セラミック部品の冷却が可能である。第一セラミックブロック４及び第二セラミックブロック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。第三セラミックブロック１４及び第四セラミックブロック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。第一セラミックブロック４と第三セラミックブロック１４、及び、第二セラミックブロック５と第四セラミックブロック１５の間には、外側オーリング１９及び内側オーリング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の線方向の長さが等しい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。
チャンバ７内にプラズマガスを供給しつつ、開口部８から基材１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１に照射することにより、基材１上の薄膜２をプラズマ処理することができる。開口部８の線方向（長手方向）と交差する向き（典型的には垂直な向き）に、チャンバ７とトレー１２とを相対的に移動させることで、基材１を処理する。つまり、図１の左右方向へ誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたはトレー１２を動かす。
基材１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１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、トレー１２近傍のチャンバ７の、トレー１２とは反対側の部分（トレー１２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管１３を用いる構成とした。セラミック管１３を円筒状とすることで高い強度が確保でき、内部の冷媒圧を高められるので、より多くの冷媒を流すことが可能となる。
また、セラミック管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、高速なプラズマ処理が可能となる。
チャンバ７内に供給するプラズマ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、とくに希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）。
このようなプラズマ処理装置において、チャンバ７内にプラズマガスとしてＡｒまたはＡｒ＋Ｈ2ガスを供給しつつ、開口部８から基材１に向けてガスを噴出させながら、高周波電源２４より１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、コイル３に供給することにより、チャンバ７に高周波電磁界を発生させることでプラズマＰを発生させ、開口部８からプラズマＰを基材１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。
プラズマ発生の条件としては、開口部８と基材１間の距離＝０．１〜５ｍｍ、走査速度＝２０〜３０００ｍｍ／ｓ、プラズマガス総流量＝１〜１００ＳＬＭ、Ａｒ＋Ｈ2ガス中のＨ2濃度＝０〜１０％、高周波電力＝０．５〜３０ｋＷ程度の値が適切である。ただし、これらの諸量のうち、ガス流量及び電力は、開口部８の長さ１００ｍｍ当たりの値である。ガス流量や電力などのパラメータは、開口部８の長さに比例した量を投入することが適切と考えられるためである。
このように、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。
発明が解決しようとする課題において述べたように、従来の構成では、コイルによって発生する高周波電磁界によって基材に静電ダメージが生じるという問題点があった。また、基材に作用させる線状の熱プラズマ（開口部付近のプラズマ）の線方向とは垂直な向きに、多数の不安定なストリーマ放電が発生し、アーキングなどの不良現象の原因となることもあった。これらの現象が起きる原因は、誘導結合型の放電が発生するのと同時に、弱いながらも容量結合型の放電が発生してしまうことによるものと考えられる。
誘導結合型のプラズマ源において、コイルの周辺における容量結合性の電界（コイルの素線の法線方向の電界）を弱め、コイルとプラズマとの容量結合を弱めるための構成として、古くからファラデーシールドが良く知られている。ファラデーシールドは、例えば、特開２００２−２３７４８９に開示されているように、コイルの素線と交差する向きに配置された多数の導体線からなる。しかしながら、本願の発明のような、熱プラズマトーチであって、環状のチャンバを用いるもの、線状のコイルを用いるものでは従来に参考となる事例がなかった。
そこで、本願発明者らは図１及び図５に示すようなシールド筒２５を用いたファラデーシールド構造を考案した。
図において、コイルを構成する素線の周りに、コイルがなす線方向とは交差する向きに配置された多数の導体線２５ａからなるシールドを設ける。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。
トレー１２から遠い側のコイル３ａは、基材１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、トレー１２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、可変コンデンサ２６を介して接地される。可変コンデンサ２６は、モーター２７の回転によって容量（キャパシタンス）が変化する。モーター２７の位置は、コンデンサ制御装置２８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２６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２６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２８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。
可変コンデンサ２６を用いずに着火性とシールド性の両立を図る構成としては、シールド筒２５を、コイル３ｂの軸方向に平行移動可能な構成としておくことが考えられる。つまり、シールド筒２５を、開口部８の近傍から離れた位置に配置した状態（シールド性がほとんど無い状態）で着火させた後、開口部８の近傍にシールド筒２５を平行移動させ、シールド性を高めることができる。
その他の可変コンデンサ２６を用いずに着火性とシールド性の両立を図る構成としては、シールド筒２５を、固定コンデンサで接地電位と絶縁した状態で、コイル３を駆動する高周波電源２４とは別の第二高周波電源に接続するものが考えられる。つまり、着火シーケンスにおいて第二高周波電源からシールド筒２５に高周波電力を供給して、容量結合による着火を行い、着火後に第二高周波電源からの電力供給を停止して、シールド筒２５をファラデーシールドとして機能させる構成である。この場合、第二高周波電源を用いるのではなく、高周波電源２４を２つに分岐して、その一方をシールド筒２５に接続する方法も有効である。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図６を参照して説明する。
図６は、本発明の実施の形態２におけるシールドの構成を示す斜視図である。
図６においては、実施の形態１と異なり、各々の円形の導体線２５ａの電位を等しく保つための接続線２５ｂが千鳥状に配置される。ここで千鳥状とは、導体線２５ａがなす円の円周方向に角度θをとったとき、複数の接続線２５ｂが異なるθ位置に配置されることを意味する。
セラミック管１３とシールド筒２５との相対的な位置関係が固定されている場合、セラミック管１３を回転させると、シールド筒２５も一緒に回転する。このとき、実施の形態１の構成だと、接続線２５ｂが図５の真下の位置（基材またはトレーに最も近づく位置）に到達した際、基材の直上の誘導性電界が若干弱められるため、プラズマ処理が一瞬弱くなってしまう。つまり、処理の均一性が若干劣る。
実施の形態２においては、接続線２５ｂを千鳥状に配置しているので、シールド筒２５の回転位置に依存して基材直上の放電が弱くなることを効果的に抑制できる。つまり、より均一な処理を実現できる。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図７を参照して説明する。
図７は、本発明の実施の形態３におけるシールドの構成を示す斜視図である。
図７においては、実施の形態１と異なり、各々の導体線２５ａが半円形に構成され、向きを揃えた形で連なっている。このようなシールド筒２５の使い方として、２通りのものが考えられる。
１つ目は、図７が、図１の下方から斜め上を見た斜視図となるような配置とすることである。この場合、コイル３ｂにおいて、図１の下方のみがシールドされる。そして、実施の形態１と同様、可変コンデンサを用いてシールド性を変化させ、着火性とシールド性の両立を図る。この場合、コイル３ｂにおいて、図１の上方はシールドされないが、シールド性はそれで十分な場合が多い。
２つ目は、シールド筒２５を可変コンデンサを介さずに常に接地しつつ、着火シーケンスにおいて、図７が、図１の上方から斜め下を見た斜視図となるような配置としている。開口部８近傍がほとんどシールドされない構成として着火性を確保しつつ、着火後にシールド筒２５を１８０度回転させる。図７が、図１の下方から斜め上を見た斜視図となるような配置とし、開口部８近傍を十分にシールドされる構成とすることである。このような構成としても、着火性とシールド性の両立を図ることができる。
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図８を参照して説明する。
図８は、本発明の実施の形態４におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを、開口部８がなす線方向に垂直な面で切った断面図であり、図１（ａ）に相当する。
図５において、基材載置台としてのトレー１２（図示しない）上に載置された基材１上に薄膜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、２本の線状の導体からなるコイル３が、円筒状のセラミック管１３の内部に配置される。
チャンバ７は、セラミック管１３、第一セラミックブロック２２及び基材１によって囲まれた空間により画定された、トレー１２に平行な環状の空間であり、トレー１２がなす面に概ね平行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。シールド筒２５の構成としては、実施の形態１〜３のいずれかと同様のものを利用できる。
本実施の形態によれば、基材１が長尺の熱プラズマに近く、また、長尺のチャンバ７を構成する２つの長い直線部の両方を用いて基材１に直接プラズマを照射する構成であるため、ガス及び高周波電力の利用効率に優れる。つまり、一度の走査で基材１が２度プラズマの照射を受けるので、より短時間でプラズマ処理を行うことができ、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。また、実施の形態１〜３と同様、着火性とシールド性の両立を図ることができる。
（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図９〜図１０を参照して説明する。
図９は、本発明の実施の形態５におけるプラズマ処理装置の構成を示すもので、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを、開口部８がなす線方向に垂直な面で切った断面図であり、図１（ａ）に相当する。図１０は、図９に示した誘導結合型プラズマトーチユニットＴの組立構成図であり、各部品（一部）の斜視図を並べたものである。
図９〜図１０においては、実施の形態１〜４と異なり、回転するセラミック管１３は備えられていない。従来例の非特許文献１の構成に、ファラデーシールド２９を追加配置した構成である。つまり、コイル３と第一セラミックブロック４及び第二セラミックブロック５との間に、ファラデーシールド２９が設けられる。ファラデーシールド２９は、コイルがなす線方向とは交差する向きに配置された多数の導体線２９ａと、これらの導体線２９ａの電位を等しく保つため、接続線２９ｂによって導通が図られたものである。また、ひとつの導体線２９ａはＬ字形であり、その内側にコイル３を配置する。
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、固定されたトレー１２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、トレー１２を走査してもよい。
また、チャンバが、線状の開口部に隣接した線状の領域と、これと平行に配置された線状の領域とからなる２つの線状の領域を含む。コイルが、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場合を例示したが、線状の開口部に隣接した線状の領域を回転するセラミック管によって構成する場合、コイルの一部をこの内部に配置し、チャンバのそれ以外の領域は線状でなく（任意の曲線）ても、線状のコイルによる設計自由度に関する優位性を活かしつつ、高い効率でプラズマを発生させることは可能である。この場合の構成は、チャンバが、線状の開口部に隣接した線状の領域を含み、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、開口部の線方向と平行に配置された円筒からなり、円筒を、円筒の軸を中心に回転させる回転機構を備え、
円筒の内部の空洞に、コイルの一部が配置されているものとなる。
また、本発明の種々の構成によって、基材１の表面近傍を高温処理することが可能となる。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。無論、シリコン半導体集積回路の酸化、活性化、シリサイド形成などのアニール、プラズマディスプレイパネルの保護層の清浄化や脱ガス低減、シリカ微粒子の集合体からなる誘電体層の表面平坦化や脱ガス低減、種々の電子デバイスのリフロー、固体不純物源を用いたプラズマドーピングなど、様々な表面処理に適用できる。
また、太陽電池の製造方法としては、シリコンインゴットを粉砕して得られる粉末を基材上に塗布し、これにプラズマを照射して溶融させ多結晶シリコン膜を得る方法にも適用可能である。
また、説明においては簡単のため「熱プラズマ」という言葉を用いているが、熱プラズマと低温プラズマの区分けは厳密には難しく、また、例えば、田中康規「熱プラズマにおける非平衡性」プラズマ核融合学会誌、Ｖｏｌ．８２、Ｎｏ．８（２００６）ｐｐ．４７９−４８３において解説されているように、熱的平衡性のみでプラズマの種類を区分することも困難である。
本発明は、基材を熱処理することを一つの目的としており、熱プラズマ、熱平衡プラズマ、高温プラズマなどの用語にとらわれず、高温のプラズマを照射する技術に関するものに適用可能である。前述のとおり、誘導結合型プラズマトーチにおいては、弱い放電と強い放電の２つのモードが存在しうるが、本発明は強い放電を効果的に利用するためのものであるということもできる。
また、基材の表面近傍をごく短時間だけ均一に高温熱処理する場合について詳しく例示したが、反応ガスによるプラズマまたはプラズマと反応ガス流を同時に基材へ照射して基材を低温プラズマ処理する場合においても、本発明は適用できる。プラズマガスに反応ガスを混ぜることにより、反応ガスによるプラズマを基材へ照射し、エッチングやＣＶＤが実現できる。
或いは、プラズマガスとしては希ガスまたは希ガスに少量のＨ2ガスを加えたガスを用いつつ、シールドガスとして反応ガスを含むガスを供給することによって、プラズマと反応ガス流を同時に基材へ照射し、エッチング、ＣＶＤ、ドーピングなどのプラズマ処理を実現することもできる。プラズマガスとしてアルゴンを主成分とするガスを用いると、実施例で詳しく例示したように、熱プラズマが発生する。
一方、プラズマガスとしてヘリウムを主成分とするガスを用いると、比較的低温のプラズマを発生させることができる。このような方法で、基材をあまり加熱することなく、エッチングや成膜などの処理が可能となる。エッチングに用いる反応ガスとしては、ハロゲン含有ガス、例えば、ＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）、ＳＦ6などがあり、シリコンやシリコン化合物などをエッチングすることができる。反応ガスとしてＯ2を用いれば、有機物の除去、レジストアッシングなどが可能となる。ＣＶＤに用いる反応ガスとしては、モノシラン、ジシランなどがあり、シリコンやシリコン化合物の成膜が可能となる。
或いは、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）に代表されるシリコンを含有した有機ガスとＯ2の混合ガスを用いれば、シリコン酸化膜を成膜することができる。その他、撥水性・親水性を改質する表面処理など、種々の低温プラズマ処理が可能である。
容量結合型大気圧プラズマを用いた従来技術に比較すると、誘導結合型であるため、単位体積あたり高いパワー密度を投入してもアーク放電に移行しにくく、より高密度なプラズマが発生可能であり、その結果、速い反応速度が得られ、基材の所望の被処理領域全体を短時間で効率よく処理することが可能となる。
以上のように本発明は、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、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
２ 薄膜
３，３ａ，３ｂ コイル
４ 第一セラミックブロック
５ 第二セラミックブロック
７ チャンバ
８ 開口部
９ ガスマニホールド
１０ ガス供給配管
１１ ガス供給穴
１２ トレー
１３ セラミック管
１４ 第三セラミックブロック
１５ 第四セラミックブロック
１６ 冷媒流路
１７ 銅棒
１９ 外側オーリング
２０ 内側オーリング
２４ 高周波電源
２５ シールド筒
２６ 可変コンデンサ
２７ モーター
２８ コンデンサ制御装置
２９ ファラデーシールド
２９ａ 導体線
２９ｂ 接続線
Ｐ プラズマ

Claims (8)

  1. 線状の開口部を備え、前記開口部以外が誘電体部材に囲まれた前記開口部に連通する環状のチャンバと、前記チャンバ近傍に設けられたコイルと、前記コイルに接続された電源と、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、
    前記チャンバが、線状の開口部に隣接した線状の領域を含み、
    前記コイルが、前記線状の領域に沿って配置された線状の導体を含み、
    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は交差する向きに配置された多数の導体線からなるシールドを設けたこと、
    を特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記チャンバを囲む前記誘電体部材のうち、前記基材載置台に相対する面を構成する部位が、前記開口部の線方向と平行に配置された円筒からなること、
    を特徴とする、請求項１記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記円筒の内部の空洞に、前記コイルの一部が配置されていること、
    を特徴とする、請求項２記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記シールドが、可変コンデンサを介して接地されていること、
    を特徴とする、請求項１記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記円筒が、前記コイルの周囲を回転可能に構成されていること、
    を特徴とする、請求項２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、
    前記チャンバが、線状の開口部に隣接した線状の領域を含み、
    前記コイルが、前記チャンバの近傍に設けられており、
    前記コイルが、前記線状の領域に沿って配置された線状の導体を含み、
    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は交差する向きに多数の導体線からなるシールドが配置されている状態で処理すること、
    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ことを特徴とする、
    電子デバイスの製造方法。
  8. 線状の開口部を備え、前記開口部以外が誘電体部材に囲まれた前記開口部に連通する環状のチャンバと、前記チャンバ近傍に設けられたコイルと、前記コイルに接続された電源と、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、
    前記コイルを構成する素線の周りの一部を囲うように、前記コイルがなす線方向とは交差する向きに配置された多数の導体線からなるシールドを設け、
    前記シールドが、前記誘電体部材と前記コイルとの間に配置されており
    前記シールドが、前記誘電体部材に沿って配置されたＬ字状であること、
    を特徴とするプラズマ処理装置。
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