プラズマ処理装置及び方法
【課題】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する。
【解決手段】プラズマトーチユニットTにおいて、全体としてコイルをなす銅棒3が、石英ブロック4に設けられた銅棒挿入穴12内に配置され、石英ブロック4は、銅棒挿入穴12及び冷却水配管15内を流れる水によって冷却される。トーチユニットTの最下部にプラズマ噴出口8が設けられる。長尺チャンバ内部の空間7にガスを供給しつつ、銅棒3に高周波電力を供給して、長尺チャンバ内部の空間7にプラズマを発生させ、基材2に照射する。
【解決手段】プラズマトーチユニットTにおいて、全体としてコイルをなす銅棒3が、石英ブロック4に設けられた銅棒挿入穴12内に配置され、石英ブロック4は、銅棒挿入穴12及び冷却水配管15内を流れる水によって冷却される。トーチユニットTの最下部にプラズマ噴出口8が設けられる。長尺チャンバ内部の空間7にガスを供給しつつ、銅棒3に高周波電力を供給して、長尺チャンバ内部の空間7にプラズマを発生させ、基材2に照射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
図9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。
【0011】
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。
【0012】
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)。
【0013】
図10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10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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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)。
【0017】
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)。
【0018】
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)。
【0019】
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。
【0020】
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)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0021】
【特許文献1】特開2008−53634号公報
【特許文献2】特開平08−118027号公報
【特許文献3】特開2001−68298号公報
【特許文献4】特表2002−500818号公報
【特許文献5】特開平04−284974号公報
【特許文献6】特表2009−545165号公報
【特許文献7】特開2007−287454号公報
【特許文献8】特開2009−158251号公報
【非特許文献】
【0022】
【非特許文献1】S.Higashi, H.Kaku,T.Okada,H.Murakami and S.Miyazaki,Jpn.J.Appl.Phys.45,5B(2006)pp.4313−4320
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【課題を解決するための手段】
【0033】
本願の第1発明のプラズマ処理装置は、誘電体で囲まれた長尺チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体で囲まれた長尺の穴と、前記長尺の穴内に設けられた導体棒と、前記導体棒に接続された高周波電源と、前記チャンバに設けられたスリット状の開口部と、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、を有するプラズマ処理装置において、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たことを特徴とする。
【0034】
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。
【0035】
本願の第1発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記チャンバを含む長尺方向に垂直な面で切った任意の断面において、前記導体棒と前記導体棒以外の導体との距離が、前記導体棒と前記チャンバの距離よりも大きいことが望ましい。
【0036】
このような構成により、より高い効率でプラズマを発生させることが可能となる。
【0037】
また、好適には、前記チャンバが誘電体ブロックに設けられたスリットからなり、前記誘電体ブロックに、前記長尺の穴が設けられていることが望ましい。
【0038】
このような構成により、少ない部品点数でプラズマ処理装置を構成できる。
【0039】
また、好適には、前記導体棒を複数備え、前記複数の導体棒を端部で電気的に接続することによって、導体棒全体としてコイルを構成するよう構成されていることが望ましい。
【0040】
このような構成により、より高い効率でプラズマを発生させることが可能となる。
【0041】
また、この場合、好適には、前記複数の導体棒のうち、前記チャンバを挟んで対向する導体棒に逆位相の高周波電流が流れるよう構成されていてもよいし、同位相の高周波電流が流れるよう構成されていてもよい。
【0042】
また、好適には、前記長尺の穴に冷媒が流れるよう構成されていることが望ましい。
【0043】
このような構成により、プラズマ処理装置の効果的な冷却が実現できる。
【0044】
また、好適には、前記長尺の穴とは別に、前記誘電体ブロックに前記長尺の穴と平行な長尺の冷媒流路が設けられていることが望ましい。
【0045】
このような構成により、プラズマ処理装置の効果的な冷却が実現できる。
【0046】
また、この場合、好適には、前記長尺の穴及び前記長尺の冷媒流路が、前記長尺チャンバの長手方向の両側に設けられた2つの冷媒マニホールドと連通することが望ましい。
【0047】
このような構成により、より小型で簡潔な構成のプラズマ処理装置が実現できる。
【0048】
また、好適には、前記誘電体ブロックが、空気層を介して接地された導体ケース内に収納されていることが望ましい。
【0049】
このような構成により、異常放電を抑制することができる。また、プラズマ処理装置の軽量化を図ることができる。
【0050】
また、前記長尺の穴が誘電体製の円柱管からなる構成であってもよい。
【0051】
このような構成により、より安価なプラズマ処理装置を実現できる。
【0052】
また、この場合、好適には、前記長尺チャンバが、束ねられた複数の誘電体製の円柱管の隙間からなることが望ましい。
【0053】
このような構成により、さらに安価なプラズマ処理装置を実現できる。
【0054】
また、前記長尺チャンバの長手方向とは垂直な方向の幅が、前記開口部の長手方向とは垂直な方向の幅よりも広い構成であってもよい。
【0055】
このような構成により、安定したプラズマ処理を実現できる。
【0056】
本願の第2発明のプラズマ処理方法は、誘電体で囲まれた長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、前記長尺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、コイルに高周波電力を供給することで、前記長尺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において、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プラズマ処理方法であって、前記コイルは、前記長尺チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体で囲まれた長尺の穴内に設けられた導体棒からなることを特徴とする。
【0057】
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。
【発明の効果】
【0058】
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。
【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】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
【図2】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
【図3】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
【図4】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
【図5】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
【図6】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
【図7】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斜視図
【図8】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
【図9】従来例におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図10】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
【発明を実施するための形態】
【0060】
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。
【0061】
(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。
【0062】
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)及び(c)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(b)は図1(a)の破線A〜A‘で切った断面図、図1(c)は図1(a)の破線B〜B‘で切った断面図である。また、図1(a)は図1(b)の破線で切った断面図である。
【0063】
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。
【0064】
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、コイルをなす導体棒としての銅棒3が、誘電体製の長尺チャンバを構成する石英ブロック4の内部に配置される。石英ブロック4の周囲に設けられた真鍮ブロック5及び真鍮蓋6で囲まれた部分に、石英ブロック4が収納されている。真鍮ブロック5及び真鍮蓋6は接地されるので、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。
【0065】
長尺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。つまり、長尺チャンバ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。
【0066】
真鍮蓋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、石英ブロック4に設けられた穴からなるプラズマガス供給配管10を介して、石英ブロック4に設けられたガス導入口としてのプラズマガス供給穴11より長尺チャンバ内部の空間7に導入される。プラズマガス供給配管10は長手方向に複数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。
【0067】
銅棒3は4本設けられており、これらは端部で電気的に接続され、全体としてコイルを構成するよう構成されている。各銅棒3は、長尺チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体である石英に囲まれた長尺の穴である銅棒挿入穴12内に設けられている。
【0068】
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。
【0069】
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15が設けられている。銅棒挿入穴12と冷却水配管15は互いに平行に配置された水路(冷媒流路)であり、真鍮ブロック16の外側に設けられた樹脂ケース17と真鍮ブロック16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18に連通している。樹脂ケース17には、図示しない冷媒導入口・冷媒排出口としての冷却水出入口が各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、長尺チャンバの長手方向の両側に2つの冷媒マニホールド18を備え、各部材に2つの冷媒マニホールド18を連通する冷媒流路を備えた構成である。
【0070】
銅棒3は冷却水マニホールド18内でカプラ19により電気的に接続され、4本の銅棒3全体として螺旋形で巻き数2のソレノイドコイルを形成する。銅棒3のうち2本は、真鍮ブロック16を貫通し、樹脂ケース17に設けられた高周波導入端子穴または接地端子穴を介して銅板20に接続され、銅板20を通じて図示しない高周波整合回路に接続される。
【0071】
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、断面が円形の銅棒挿入穴12及び冷却水配管15が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。
【0072】
なお、プラズマガスマニホールド9へのガス導入は、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たプラズマガス供給配管21を介して実現される。
【0073】
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、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コイルをなす銅棒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)(c)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。
【0074】
複数の銅棒3は平行に配置され、4本の銅棒3全体として螺旋形で巻き数2のソレノイドコイルを形成する。すなわち、複数の導体棒のうち、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒に逆位相の高周波電流が流れるよう構成されている。この場合、トーチユニットTの長尺方向に垂直な面で切った断面において、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒の中心を結ぶ線分の中点付近の誘導電磁界が強くなり、効率的なプラズマ発生を実現しうる。
【0075】
これに対して、4本の銅棒3の全てを冷却水マニホールド18内で束ね、長手方向の片側に高周波電力を供給し、他の片側を接地することにより、4本の銅棒3全てに同位相の高周波電流を流すこともできる。すなわち、複数の導体棒のうち、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒に同位相の高周波電流が流れるよう構成することも可能である。この場合、トーチユニットTの長尺方向に垂直な面で切った断面において、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒の中心を結ぶ線分の中点付近の誘導電磁界はほぼゼロになるが、長尺チャンバの上下端付近に強い誘導電磁界が発生するので、効率的なプラズマ発生を実現しうる。
【0076】
また、この場合、4本の銅棒に高周波電流が分岐するので、1本当たりの電流が小さくなる。言い換えると、同じ太さの銅棒を使用した場合、コイル全体の直流抵抗及びインダクタンスが小さくなる。したがって、コイルにおける銅損が小さくなり、電力効率が高まる。
【0077】
長尺チャンバを挟んで同じ側に配置された2本の導体棒を冷却水マニホールド18内で束ねることで、巻き数1のコイルを2段に並列配置することも可能である。この場合も、複数の導体棒のうち、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒に逆位相の高周波電流が流れるが、2系統の銅棒に高周波電流が分岐するので、1本当たりの電流が小さくなる。言い換えると、同じ太さの銅棒を使用した場合、コイル全体の直流抵抗及びインダクタンスが小さくなる。したがって、コイルにおける銅損が小さくなり、電力効率が高まる。
【0078】
このような配線構成上の工夫によって銅損を低減する方法は、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。
【0079】
また、本構成では、長尺チャンバを含む長尺方向に垂直な面で切った任意の断面において、銅棒3と銅棒3以外の導体(真鍮ブロック5及び真鍮蓋6)との距離が、銅棒3と長尺チャンバの距離よりも大きくなっている。なお、ここでは、銅棒3と長尺チャンバの距離とは、銅棒3と長尺チャンバ内部の空間7(が構成する直方体)との距離を意味する。一般に、高周波電流源が形成する誘導電磁界は、高周波電流源からの距離の二乗に反比例するので、銅棒3と銅棒3以外の導体との距離が銅棒3と長尺チャンバの距離よりも近いと、プラズマ生成に有効な電磁界よりも銅棒3以外の導体内に渦電流を誘導する電磁界の方が大きくなり、銅損(渦電流損)が大きくなってしまう。これを避けるために、銅棒3と銅棒3以外の導体との距離が、銅棒3と長尺チャンバの距離よりも大きくなるように構成している。
【0080】
このような構成においては、銅棒3とプラズマ噴出口8の間にある程度の距離を保つ必要があるので、最もプラズマ噴出口8に近い銅棒3よりもプラズマ噴出口8に近い部位に、石英ブロック4を冷却するための冷却水配管15を配している。同様に、最も真鍮蓋6に近い銅棒3よりも真鍮蓋6に近い部位にも、石英ブロック4を冷却するための冷却水配管15を配している。
【0081】
また、真鍮ブロック5及び真鍮蓋6には、銅棒3からの距離を保ったとしても、銅損(渦電流損)が生じるので、これによる問題を防ぐために冷却水配管15を銅棒3に近い部位に設けている。
【0082】
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)。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15を設けることができる。
【0083】
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22の全体を処理することができる。
【0084】
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、コイルをなす銅棒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。
【0085】
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。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、チャンバ内部空間7の幅)は、プラズマ噴出口8の幅(図1(a)における隙間の幅)と同じか、少し大きく程度でよい。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。
【0086】
また、長尺チャンバの内部空間7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。
【0087】
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2について、図3を参照して説明する。
【0088】
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長尺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。
【0089】
本発明の実施の形態2においては、実施の形態1とは、石英ブロック4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。
【0090】
図3において、石英ブロック4が、空気層を介して、接地された導体ケースとしての真鍮ブロック5及び真鍮蓋6内に収納されている。
【0091】
実施の形態1においては、長時間トーチユニットを運転すると、石英ブロック4と真鍮ブロック5または真鍮蓋6の間の隙間に、Arなどの不活性ガスが侵入し、この隙間での異常放電が起きる場合がある。これを避けるために、本実施の形態では空気層を設けている。より確実にArなどの不活性ガスの滞留を抑制するには、空気層をトーチユニット外部の空間と連通させる穴を設けたり、ファンなどを使って、空気層の気体とトーチユニット外部の空間にある気体との交換を促進したりすることも有効である。
【0092】
なお、ここではトーチユニット外部の空間の雰囲気が空気であることを前提に説明したが、トーチユニット外部の空間の雰囲気がN2などの不活性かつ大気圧での放電開始電圧が高いガスである場合も、同様の効果がある。あるいは、この空気層に空気やN2などを流量制御機器を用いて供給し、Arなどの不活性ガスの滞留を避けることも有効である。
【0093】
また、本実施の形態においては、石英ブロック4、ひいてはトーチユニットTの軽量化を図ることができるという利点もある。
【0094】
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態3について、図4を参照して説明する。
【0095】
図4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1(a)に相当する。
【0096】
図4において、実施の形態1における石英ブロック4の代わりに、多数の石英管23が設けられている。すなわち、銅棒3を収納する長尺の穴としての銅棒挿入穴12及び冷却水配管15が、誘電体製の円柱管たる石英管23の内部空間として構成されている。そして、長尺チャンバ内部の空間7は、束ねられた複数の石英管23の隙間から構成されている。
【0097】
実施の形態1における石英ブロック4は、長尺方向に細長い穴を多数形成する必要があるため、比較的高価な部品となってしまうが、円柱状の石英管23は既製品が大量生産されているため安価であり、これを束ねて長尺チャンバを構成することで、安価なプラズマ処理装置を実現できる。
【0098】
(実施の形態4)
以下、本発明の実施の形態4について、図5を参照して説明する。
【0099】
図5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垂直な面で切った断面図であり、図1(a)に相当する。
【0100】
図5において、長尺チャンバの長手方向とは垂直な方向の幅が、プラズマ噴出口8の長手方向とは垂直な方向の幅よりも広い構成となっている。
【0101】
このような構成により、十分な放電空間を確保することで、安定したプラズマ処理を実現できる。
【0102】
(実施の形態5)
以下、本発明の実施の形態5について、図6を参照して説明する。
【0103】
図6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(a)に相当する。
【0104】
図6において、真鍮ブロック5の最下部に設けられた開口部の幅が、プラズマ噴出口8を構成する石英ブロック4の開口部の幅よりも広く構成されている。このような構成においては、銅棒3が発生する高周波電磁界がより下方にまでプラズマ励起を促すので、プラズマの噴出強度が高まり、より高温のプラズマを基材に作用させることが可能となる。
【0105】
(実施の形態6)
以下、本発明の実施の形態6について、図7を参照して説明する。
【0106】
図7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1(a)に相当する。
【0107】
図7において、真鍮ブロック5の最下部に設けられた開口部の幅が、プラズマ噴出口8を構成する石英ブロック4の開口部の幅よりも広く構成されている。実施の形態1においては、これらはほぼ等しい幅であった。Arなどの不活性ガスの濃度は、トーチユニットと基材との間の空間で高まるので、実施の形態1の構成は、真鍮ブロック5の最下部が高周波電磁界を遮蔽するため、この空間でのプラズマ励起を抑制するのに効果的であった。一方、本実施の形態においては、この空間でのプラズマ励起を抑制するため、真鍮ブロック5に設けたシールドガス供給配管からシールドガスをプラズマ噴出口8の近傍に噴出させる構成としている。
【0108】
すなわち、長尺チャンバ内部の空間7にArなどの不活性ガスを供給してプラズマを発生させる一方で、シールドガスとしてN2などの不活性かつ大気圧での放電開始電圧が高いガスをプラズマ噴出口8の近傍に、噴出する長尺のプラズマを、長尺方向に垂直な向きから挟み込むように供給し、プラズマを長尺形状に整形する。シールドガスの噴出口は、プラズマ噴出口8と平行なスリット状のガス出口であってもよいし、プラズマ噴出口8と平行に配置された多数の穴状のガス出口であってもよい。
【0109】
(実施の形態7)
以下、本発明の実施の形態7について、図8を参照して説明する。
【0110】
図8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1(a)に相当する。
【0111】
図8において、銅棒挿入穴12は他の冷却水配管15を構成する穴よりもその断面をなす円の直径が大きく、一つの銅棒挿入穴12の内部に複数の銅棒3を収納している。このような構成は、石英ブロック4に形成する長尺の穴の数を少なくするのに有効である。
【0112】
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。
【0113】
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。
【0114】
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。
【0115】
また、プラズマガス供給配管10が接地された導体に囲まれる構成としてもよい。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。プラズマガス供給配管10が接地された導体に囲まれる構成とすることにより、このような望ましくない放電を効果的に抑制できる。
【0116】
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。
【0117】
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。
【0118】
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。
【0119】
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。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。
【0120】
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。
【産業上の利用可能性】
【0121】
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。勿論、本発明は、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。
【0122】
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。
【符号の説明】
【0123】
1 基材載置台
2 基材
T プラズマトーチユニット
3 銅棒
4 石英ブロック
5 真鍮ブロック
6 真鍮蓋
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
12 銅棒挿入穴
13 シールドガスノズル
14 シールドガスマニホールド
15 冷却水配管
16 真鍮ブロック
17 樹脂ケース
18 冷却水マニホールド
19 カプラ
20 銅板
21 プラズマガス供給配管
22 薄膜
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
図9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。
【0011】
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。
【0012】
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)。
【0013】
図10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10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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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)。
【0017】
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)。
【0018】
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)。
【0019】
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。
【0020】
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)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0021】
【特許文献1】特開2008−53634号公報
【特許文献2】特開平08−118027号公報
【特許文献3】特開2001−68298号公報
【特許文献4】特表2002−500818号公報
【特許文献5】特開平04−284974号公報
【特許文献6】特表2009−545165号公報
【特許文献7】特開2007−287454号公報
【特許文献8】特開2009−158251号公報
【非特許文献】
【0022】
【非特許文献1】S.Higashi, H.Kaku,T.Okada,H.Murakami and S.Miyazaki,Jpn.J.Appl.Phys.45,5B(2006)pp.4313−4320
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【課題を解決するための手段】
【0033】
本願の第1発明のプラズマ処理装置は、誘電体で囲まれた長尺チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体で囲まれた長尺の穴と、前記長尺の穴内に設けられた導体棒と、前記導体棒に接続された高周波電源と、前記チャンバに設けられたスリット状の開口部と、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、を有するプラズマ処理装置において、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たことを特徴とする。
【0034】
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。
【0035】
本願の第1発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記チャンバを含む長尺方向に垂直な面で切った任意の断面において、前記導体棒と前記導体棒以外の導体との距離が、前記導体棒と前記チャンバの距離よりも大きいことが望ましい。
【0036】
このような構成により、より高い効率でプラズマを発生させることが可能となる。
【0037】
また、好適には、前記チャンバが誘電体ブロックに設けられたスリットからなり、前記誘電体ブロックに、前記長尺の穴が設けられていることが望ましい。
【0038】
このような構成により、少ない部品点数でプラズマ処理装置を構成できる。
【0039】
また、好適には、前記導体棒を複数備え、前記複数の導体棒を端部で電気的に接続することによって、導体棒全体としてコイルを構成するよう構成されていることが望ましい。
【0040】
このような構成により、より高い効率でプラズマを発生させることが可能となる。
【0041】
また、この場合、好適には、前記複数の導体棒のうち、前記チャンバを挟んで対向する導体棒に逆位相の高周波電流が流れるよう構成されていてもよいし、同位相の高周波電流が流れるよう構成されていてもよい。
【0042】
また、好適には、前記長尺の穴に冷媒が流れるよう構成されていることが望ましい。
【0043】
このような構成により、プラズマ処理装置の効果的な冷却が実現できる。
【0044】
また、好適には、前記長尺の穴とは別に、前記誘電体ブロックに前記長尺の穴と平行な長尺の冷媒流路が設けられていることが望ましい。
【0045】
このような構成により、プラズマ処理装置の効果的な冷却が実現できる。
【0046】
また、この場合、好適には、前記長尺の穴及び前記長尺の冷媒流路が、前記長尺チャンバの長手方向の両側に設けられた2つの冷媒マニホールドと連通することが望ましい。
【0047】
このような構成により、より小型で簡潔な構成のプラズマ処理装置が実現できる。
【0048】
また、好適には、前記誘電体ブロックが、空気層を介して接地された導体ケース内に収納されていることが望ましい。
【0049】
このような構成により、異常放電を抑制することができる。また、プラズマ処理装置の軽量化を図ることができる。
【0050】
また、前記長尺の穴が誘電体製の円柱管からなる構成であってもよい。
【0051】
このような構成により、より安価なプラズマ処理装置を実現できる。
【0052】
また、この場合、好適には、前記長尺チャンバが、束ねられた複数の誘電体製の円柱管の隙間からなることが望ましい。
【0053】
このような構成により、さらに安価なプラズマ処理装置を実現できる。
【0054】
また、前記長尺チャンバの長手方向とは垂直な方向の幅が、前記開口部の長手方向とは垂直な方向の幅よりも広い構成であってもよい。
【0055】
このような構成により、安定したプラズマ処理を実現できる。
【0056】
本願の第2発明のプラズマ処理方法は、誘電体で囲まれた長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、前記長尺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、コイルに高周波電力を供給することで、前記長尺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において、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プラズマ処理方法であって、前記コイルは、前記長尺チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体で囲まれた長尺の穴内に設けられた導体棒からなることを特徴とする。
【0057】
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。
【発明の効果】
【0058】
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。
【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】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
【図2】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
【図3】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
【図4】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
【図5】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
【図6】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
【図7】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斜視図
【図8】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
【図9】従来例におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図10】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
【発明を実施するための形態】
【0060】
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。
【0061】
(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。
【0062】
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)及び(c)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(b)は図1(a)の破線A〜A‘で切った断面図、図1(c)は図1(a)の破線B〜B‘で切った断面図である。また、図1(a)は図1(b)の破線で切った断面図である。
【0063】
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。
【0064】
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、コイルをなす導体棒としての銅棒3が、誘電体製の長尺チャンバを構成する石英ブロック4の内部に配置される。石英ブロック4の周囲に設けられた真鍮ブロック5及び真鍮蓋6で囲まれた部分に、石英ブロック4が収納されている。真鍮ブロック5及び真鍮蓋6は接地されるので、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。
【0065】
長尺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。つまり、長尺チャンバ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。
【0066】
真鍮蓋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、石英ブロック4に設けられた穴からなるプラズマガス供給配管10を介して、石英ブロック4に設けられたガス導入口としてのプラズマガス供給穴11より長尺チャンバ内部の空間7に導入される。プラズマガス供給配管10は長手方向に複数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。
【0067】
銅棒3は4本設けられており、これらは端部で電気的に接続され、全体としてコイルを構成するよう構成されている。各銅棒3は、長尺チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体である石英に囲まれた長尺の穴である銅棒挿入穴12内に設けられている。
【0068】
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。
【0069】
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15が設けられている。銅棒挿入穴12と冷却水配管15は互いに平行に配置された水路(冷媒流路)であり、真鍮ブロック16の外側に設けられた樹脂ケース17と真鍮ブロック16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18に連通している。樹脂ケース17には、図示しない冷媒導入口・冷媒排出口としての冷却水出入口が各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、長尺チャンバの長手方向の両側に2つの冷媒マニホールド18を備え、各部材に2つの冷媒マニホールド18を連通する冷媒流路を備えた構成である。
【0070】
銅棒3は冷却水マニホールド18内でカプラ19により電気的に接続され、4本の銅棒3全体として螺旋形で巻き数2のソレノイドコイルを形成する。銅棒3のうち2本は、真鍮ブロック16を貫通し、樹脂ケース17に設けられた高周波導入端子穴または接地端子穴を介して銅板20に接続され、銅板20を通じて図示しない高周波整合回路に接続される。
【0071】
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、断面が円形の銅棒挿入穴12及び冷却水配管15が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。
【0072】
なお、プラズマガスマニホールド9へのガス導入は、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たプラズマガス供給配管21を介して実現される。
【0073】
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、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コイルをなす銅棒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)(c)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。
【0074】
複数の銅棒3は平行に配置され、4本の銅棒3全体として螺旋形で巻き数2のソレノイドコイルを形成する。すなわち、複数の導体棒のうち、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒に逆位相の高周波電流が流れるよう構成されている。この場合、トーチユニットTの長尺方向に垂直な面で切った断面において、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒の中心を結ぶ線分の中点付近の誘導電磁界が強くなり、効率的なプラズマ発生を実現しうる。
【0075】
これに対して、4本の銅棒3の全てを冷却水マニホールド18内で束ね、長手方向の片側に高周波電力を供給し、他の片側を接地することにより、4本の銅棒3全てに同位相の高周波電流を流すこともできる。すなわち、複数の導体棒のうち、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒に同位相の高周波電流が流れるよう構成することも可能である。この場合、トーチユニットTの長尺方向に垂直な面で切った断面において、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒の中心を結ぶ線分の中点付近の誘導電磁界はほぼゼロになるが、長尺チャンバの上下端付近に強い誘導電磁界が発生するので、効率的なプラズマ発生を実現しうる。
【0076】
また、この場合、4本の銅棒に高周波電流が分岐するので、1本当たりの電流が小さくなる。言い換えると、同じ太さの銅棒を使用した場合、コイル全体の直流抵抗及びインダクタンスが小さくなる。したがって、コイルにおける銅損が小さくなり、電力効率が高まる。
【0077】
長尺チャンバを挟んで同じ側に配置された2本の導体棒を冷却水マニホールド18内で束ねることで、巻き数1のコイルを2段に並列配置することも可能である。この場合も、複数の導体棒のうち、長尺チャンバを挟んで対向する導体棒に逆位相の高周波電流が流れるが、2系統の銅棒に高周波電流が分岐するので、1本当たりの電流が小さくなる。言い換えると、同じ太さの銅棒を使用した場合、コイル全体の直流抵抗及びインダクタンスが小さくなる。したがって、コイルにおける銅損が小さくなり、電力効率が高まる。
【0078】
このような配線構成上の工夫によって銅損を低減する方法は、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。
【0079】
また、本構成では、長尺チャンバを含む長尺方向に垂直な面で切った任意の断面において、銅棒3と銅棒3以外の導体(真鍮ブロック5及び真鍮蓋6)との距離が、銅棒3と長尺チャンバの距離よりも大きくなっている。なお、ここでは、銅棒3と長尺チャンバの距離とは、銅棒3と長尺チャンバ内部の空間7(が構成する直方体)との距離を意味する。一般に、高周波電流源が形成する誘導電磁界は、高周波電流源からの距離の二乗に反比例するので、銅棒3と銅棒3以外の導体との距離が銅棒3と長尺チャンバの距離よりも近いと、プラズマ生成に有効な電磁界よりも銅棒3以外の導体内に渦電流を誘導する電磁界の方が大きくなり、銅損(渦電流損)が大きくなってしまう。これを避けるために、銅棒3と銅棒3以外の導体との距離が、銅棒3と長尺チャンバの距離よりも大きくなるように構成している。
【0080】
このような構成においては、銅棒3とプラズマ噴出口8の間にある程度の距離を保つ必要があるので、最もプラズマ噴出口8に近い銅棒3よりもプラズマ噴出口8に近い部位に、石英ブロック4を冷却するための冷却水配管15を配している。同様に、最も真鍮蓋6に近い銅棒3よりも真鍮蓋6に近い部位にも、石英ブロック4を冷却するための冷却水配管15を配している。
【0081】
また、真鍮ブロック5及び真鍮蓋6には、銅棒3からの距離を保ったとしても、銅損(渦電流損)が生じるので、これによる問題を防ぐために冷却水配管15を銅棒3に近い部位に設けている。
【0082】
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)。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15を設けることができる。
【0083】
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22の全体を処理することができる。
【0084】
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、コイルをなす銅棒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。
【0085】
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。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、チャンバ内部空間7の幅)は、プラズマ噴出口8の幅(図1(a)における隙間の幅)と同じか、少し大きく程度でよい。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。
【0086】
また、長尺チャンバの内部空間7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。
【0087】
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2について、図3を参照して説明する。
【0088】
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長尺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。
【0089】
本発明の実施の形態2においては、実施の形態1とは、石英ブロック4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。
【0090】
図3において、石英ブロック4が、空気層を介して、接地された導体ケースとしての真鍮ブロック5及び真鍮蓋6内に収納されている。
【0091】
実施の形態1においては、長時間トーチユニットを運転すると、石英ブロック4と真鍮ブロック5または真鍮蓋6の間の隙間に、Arなどの不活性ガスが侵入し、この隙間での異常放電が起きる場合がある。これを避けるために、本実施の形態では空気層を設けている。より確実にArなどの不活性ガスの滞留を抑制するには、空気層をトーチユニット外部の空間と連通させる穴を設けたり、ファンなどを使って、空気層の気体とトーチユニット外部の空間にある気体との交換を促進したりすることも有効である。
【0092】
なお、ここではトーチユニット外部の空間の雰囲気が空気であることを前提に説明したが、トーチユニット外部の空間の雰囲気がN2などの不活性かつ大気圧での放電開始電圧が高いガスである場合も、同様の効果がある。あるいは、この空気層に空気やN2などを流量制御機器を用いて供給し、Arなどの不活性ガスの滞留を避けることも有効である。
【0093】
また、本実施の形態においては、石英ブロック4、ひいてはトーチユニットTの軽量化を図ることができるという利点もある。
【0094】
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態3について、図4を参照して説明する。
【0095】
図4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1(a)に相当する。
【0096】
図4において、実施の形態1における石英ブロック4の代わりに、多数の石英管23が設けられている。すなわち、銅棒3を収納する長尺の穴としての銅棒挿入穴12及び冷却水配管15が、誘電体製の円柱管たる石英管23の内部空間として構成されている。そして、長尺チャンバ内部の空間7は、束ねられた複数の石英管23の隙間から構成されている。
【0097】
実施の形態1における石英ブロック4は、長尺方向に細長い穴を多数形成する必要があるため、比較的高価な部品となってしまうが、円柱状の石英管23は既製品が大量生産されているため安価であり、これを束ねて長尺チャンバを構成することで、安価なプラズマ処理装置を実現できる。
【0098】
(実施の形態4)
以下、本発明の実施の形態4について、図5を参照して説明する。
【0099】
図5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垂直な面で切った断面図であり、図1(a)に相当する。
【0100】
図5において、長尺チャンバの長手方向とは垂直な方向の幅が、プラズマ噴出口8の長手方向とは垂直な方向の幅よりも広い構成となっている。
【0101】
このような構成により、十分な放電空間を確保することで、安定したプラズマ処理を実現できる。
【0102】
(実施の形態5)
以下、本発明の実施の形態5について、図6を参照して説明する。
【0103】
図6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(a)に相当する。
【0104】
図6において、真鍮ブロック5の最下部に設けられた開口部の幅が、プラズマ噴出口8を構成する石英ブロック4の開口部の幅よりも広く構成されている。このような構成においては、銅棒3が発生する高周波電磁界がより下方にまでプラズマ励起を促すので、プラズマの噴出強度が高まり、より高温のプラズマを基材に作用させることが可能となる。
【0105】
(実施の形態6)
以下、本発明の実施の形態6について、図7を参照して説明する。
【0106】
図7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1(a)に相当する。
【0107】
図7において、真鍮ブロック5の最下部に設けられた開口部の幅が、プラズマ噴出口8を構成する石英ブロック4の開口部の幅よりも広く構成されている。実施の形態1においては、これらはほぼ等しい幅であった。Arなどの不活性ガスの濃度は、トーチユニットと基材との間の空間で高まるので、実施の形態1の構成は、真鍮ブロック5の最下部が高周波電磁界を遮蔽するため、この空間でのプラズマ励起を抑制するのに効果的であった。一方、本実施の形態においては、この空間でのプラズマ励起を抑制するため、真鍮ブロック5に設けたシールドガス供給配管からシールドガスをプラズマ噴出口8の近傍に噴出させる構成としている。
【0108】
すなわち、長尺チャンバ内部の空間7にArなどの不活性ガスを供給してプラズマを発生させる一方で、シールドガスとしてN2などの不活性かつ大気圧での放電開始電圧が高いガスをプラズマ噴出口8の近傍に、噴出する長尺のプラズマを、長尺方向に垂直な向きから挟み込むように供給し、プラズマを長尺形状に整形する。シールドガスの噴出口は、プラズマ噴出口8と平行なスリット状のガス出口であってもよいし、プラズマ噴出口8と平行に配置された多数の穴状のガス出口であってもよい。
【0109】
(実施の形態7)
以下、本発明の実施の形態7について、図8を参照して説明する。
【0110】
図8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1(a)に相当する。
【0111】
図8において、銅棒挿入穴12は他の冷却水配管15を構成する穴よりもその断面をなす円の直径が大きく、一つの銅棒挿入穴12の内部に複数の銅棒3を収納している。このような構成は、石英ブロック4に形成する長尺の穴の数を少なくするのに有効である。
【0112】
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。
【0113】
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。
【0114】
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。
【0115】
また、プラズマガス供給配管10が接地された導体に囲まれる構成としてもよい。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。プラズマガス供給配管10が接地された導体に囲まれる構成とすることにより、このような望ましくない放電を効果的に抑制できる。
【0116】
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。
【0117】
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。
【0118】
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。
【0119】
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。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。
【0120】
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。
【産業上の利用可能性】
【0121】
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。勿論、本発明は、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。
【0122】
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。
【符号の説明】
【0123】
1 基材載置台
2 基材
T プラズマトーチユニット
3 銅棒
4 石英ブロック
5 真鍮ブロック
6 真鍮蓋
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
12 銅棒挿入穴
13 シールドガスノズル
14 シールドガスマニホールド
15 冷却水配管
16 真鍮ブロック
17 樹脂ケース
18 冷却水マニホールド
19 カプラ
20 銅板
21 プラズマガス供給配管
22 薄膜
【特許請求の範囲】
【請求項1】
誘電体で囲まれた長尺チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体で囲まれた長尺の穴と、前記長尺の穴内に設けられた導体棒と、前記導体棒に接続された高周波電源と、前記チャンバに設けられたスリット状の開口部と、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、を有するプラズマ処理装置において、
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たこと
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項2】
前記チャンバを含む長尺方向に垂直な面で切った任意の断面において、前記導体棒と前記導体棒以外の導体との距離が、前記導体棒と前記チャンバの距離よりも大きいことを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置。
【請求項3】
前記チャンバが誘電体ブロックに設けられたスリットからなり、前記誘電体ブロックに、前記長尺の穴が設けら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。
【請求項4】
前記導体棒を複数備え、前記複数の導体棒を端部で電気的に接続することによって、導体棒全体としてコイルを構成するよう構成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。
【請求項5】
前記複数の導体棒のうち、前記チャンバを挟んで対向する導体棒に逆位相の高周波電流が流れるよう構成されていることを特徴とする請求項4記載のプラズマ処理装置。
【請求項6】
前記複数の導体棒のうち、前記チャンバを挟んで対向する導体棒に同位相の高周波電流が流れるよう構成されていることを特徴とする請求項4記載のプラズマ処理装置。
【請求項7】
前記長尺の穴に冷媒が流れるよう構成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。
【請求項8】
前記長尺の穴とは別に、前記誘電体ブロックに前記長尺の穴と平行な長尺の冷媒流路が設けられていることを特徴とする請求項3記載のプラズマ処理装置。
【請求項9】
前記長尺の穴及び前記長尺の冷媒流路が、前記長尺チャンバの長手方向の両側に設けられた2つの冷媒マニホールドと連通することを特徴とする請求項8記載のプラズマ処理装置。
【請求項10】
前記誘電体ブロックが、空気層を介して接地された導体ケース内に収納されていることを特徴とする請求項3記載のプラズマ処理装置。
【請求項11】
前記長尺の穴が誘電体製の円柱管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。
【請求項12】
前記長尺チャンバが、束ねられた複数の誘電体製の円柱管の隙間からなることを特徴とする請求項11記載のプラズマ処理装置。
【請求項13】
前記長尺チャンバの長手方向とは垂直な方向の幅が、前記開口部の長手方向とは垂直な方向の幅よりも広いことを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置。
【請求項14】
誘電体で囲まれた長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、前記長尺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、コイルに高周波電力を供給することで、前記長尺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において、
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プラズマ処理方法であって、
前記コイルは、前記長尺チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体で囲まれた長尺の穴内に設けられた導体棒からなること
を特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項1】
誘電体で囲まれた長尺チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体で囲まれた長尺の穴と、前記長尺の穴内に設けられた導体棒と、前記導体棒に接続された高周波電源と、前記チャンバに設けられたスリット状の開口部と、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、を有するプラズマ処理装置において、
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たこと
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項2】
前記チャンバを含む長尺方向に垂直な面で切った任意の断面において、前記導体棒と前記導体棒以外の導体との距離が、前記導体棒と前記チャンバの距離よりも大きいことを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置。
【請求項3】
前記チャンバが誘電体ブロックに設けられたスリットからなり、前記誘電体ブロックに、前記長尺の穴が設けら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。
【請求項4】
前記導体棒を複数備え、前記複数の導体棒を端部で電気的に接続することによって、導体棒全体としてコイルを構成するよう構成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。
【請求項5】
前記複数の導体棒のうち、前記チャンバを挟んで対向する導体棒に逆位相の高周波電流が流れるよう構成されていることを特徴とする請求項4記載のプラズマ処理装置。
【請求項6】
前記複数の導体棒のうち、前記チャンバを挟んで対向する導体棒に同位相の高周波電流が流れるよう構成されていることを特徴とする請求項4記載のプラズマ処理装置。
【請求項7】
前記長尺の穴に冷媒が流れるよう構成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。
【請求項8】
前記長尺の穴とは別に、前記誘電体ブロックに前記長尺の穴と平行な長尺の冷媒流路が設けられていることを特徴とする請求項3記載のプラズマ処理装置。
【請求項9】
前記長尺の穴及び前記長尺の冷媒流路が、前記長尺チャンバの長手方向の両側に設けられた2つの冷媒マニホールドと連通することを特徴とする請求項8記載のプラズマ処理装置。
【請求項10】
前記誘電体ブロックが、空気層を介して接地された導体ケース内に収納されていることを特徴とする請求項3記載のプラズマ処理装置。
【請求項11】
前記長尺の穴が誘電体製の円柱管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。
【請求項12】
前記長尺チャンバが、束ねられた複数の誘電体製の円柱管の隙間からなることを特徴とする請求項11記載のプラズマ処理装置。
【請求項13】
前記長尺チャンバの長手方向とは垂直な方向の幅が、前記開口部の長手方向とは垂直な方向の幅よりも広いことを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置。
【請求項14】
誘電体で囲まれた長尺チャンバ内にガスを供給しつつ、前記長尺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、コイルに高周波電力を供給することで、前記長尺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において、
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プラズマ処理方法であって、
前記コイルは、前記長尺チャンバに平行に設けられ、かつ、誘電体で囲まれた長尺の穴内に設けられた導体棒からなること
を特徴とするプラズマ処理方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【公開番号】特開2012−174500(P2012−174500A)
【公開日】平成24年9月10日(2012.9.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−35664(P2011−35664)
【出願日】平成23年2月22日(2011.2.22)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年9月10日(2012.9.10)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年2月22日(2011.2.22)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】
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