熱プラズマ処理装置
【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、基材の所望の被処理領域全体を短時間で処理することのできる熱プラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】内部に不活性ガス５を流す熱プラズマノズル１と基材２との間に配置されたノズルカバー７に線状スリット９が設けられ、熱プラズマノズルに電力を供給して、噴出口Ｆから熱プラズマジェット１０を発生させ、線状スリット９を通過したエネルギー束が基材２の表面に作用し、基材２の表面近傍１１を熱処理する。
【解決手段】内部に不活性ガス５を流す熱プラズマノズル１と基材２との間に配置されたノズルカバー７に線状スリット９が設けられ、熱プラズマノズルに電力を供給して、噴出口Ｆから熱プラズマジェット１０を発生させ、線状スリット９を通過したエネルギー束が基材２の表面に作用し、基材２の表面近傍１１を熱処理する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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装置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）又は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上、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、液晶プロジェクタ又は有機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ている製造方法がある。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。しかし、高温プロセスでは固相成長によりシリコン膜の結晶化を行うために、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上げ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。
【０００４】
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。
【０００５】
しかしながら、このレーザー結晶化技術にはいく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、装置コスト及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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。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とを含んで構成される。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との間に直流（ＤＣ）電圧を印加すると、両極３２，３３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、前記の噴出孔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。
【０００８】
このような熱プラズマ３５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１４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軸の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（及び半導体膜３７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いい、一方のみを移動させる場合と両者を共に移動させる場合と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）。
【０００９】
図１５は、半導体膜３７の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。
【００１０】
このような熱プラズマ３５は、点状領域に発生させるのが一般的である。熱プラズマ３５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、プラズマ密度が益々高くなる。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。
【００１１】
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。
【００１２】
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、又は、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）。
【００１３】
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）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【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
【特許文献】
【００１５】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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又は膜剥がれなどの不具合を生じることがある。
【００２０】
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、基材の表面近傍部分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ことのできる熱プラズマ処理装置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】
【００２１】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００２２】
本発明の第１態様によれば、噴射口から熱プラズマジェットを発生させる熱プラズマノズルと、
前記熱プラズマノズル内に不活性ガスを供給するガス供給装置と、
前記熱プラズマノズルに電力を供給する電源と、
前記噴出口の下流に配置される線状スリットを有するスリット形成部材と、
前記熱プラズマノズルと前記線状スリットとの距離及び前記線状スリットと被処理物との距離を一定に保ちながら、前記熱プラズマノズルと前記被処理物とを相対的に移動させる移動機構を備えたことを特徴とする熱プラズマ処理装置を提供する。
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、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。
【００２３】
本発明の第２態様によれば、前記線状スリットは、前記一対の凸部の間に形成されており、前記一対の凸部の高さが、前記熱プラズマノズルの中心に近いほど高いことを特徴とする、第１の態様に記載の熱プラズマ処理装置を提供する。
このような構成により、被処理物をより均一に熱処理することができる。
【００２４】
本発明の第３態様によれば、前記熱プラズマノズルの外面側に、ガス導入口と前記線状スリットを備えたノズルカバーが設けられ、前記噴出口と前記ガス導入口と前記線状スリットを除いた空間が閉じた空間をなすよう配置されていることを特徴とする、第１又は２の態様に記載の熱プラズマ処理装置を提供する。
このような構成により、線状スリットの過熱をより効果的に抑制できる。
【００２５】
本発明の第４態様によれば、前記熱プラズマノズルが、電極棒と、冷媒流路を内部に備えた電極筒とで構成され、前記電源により、前記電極棒と前記電極筒との間に電力が供給されることを特徴とする、第１〜３のいずれか１つの態様に記載の熱プラズマ処理装置を提供する。
このような構成により、簡単な構成で熱プラズマを得ることができる。
【００２６】
本発明の第５態様によれば、前記熱プラズマノズルが、誘電体筒と、前記誘電体筒の周囲に設けられたコイルとで構成され、前記電源により、前記コイルに電力が供給されることを特徴とする、第１〜３のいずれか１つの態様に記載の熱プラズマ処理装置を提供する。
このような構成により、より安定した熱プラズマを得ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、基材の表面近傍部分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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図２】本発明の前記第１実施形態におけるノズルカバーと線状スリットの構成を示す斜視図
【図３】ノズルカバーと線状スリットが無い場合の、基材に照射されるエネルギー分布を示す概念図
【図４Ａ】前記第１実施形態におけるノズルカバーと線状スリットが有る場合の、基材に照射されるｘ軸方向のエネルギー分布を示す概念図
【図４Ｂ】前記第１実施形態におけるノズルカバーと線状スリットが有る場合の、基材に照射されるｙ軸方向のエネルギー分布を示す概念図
【図５】前記第１実施形態における前記熱プラズマ処理装置のＸ−Ｙ駆動装置の構成を示す平面図
【図６】本発明の第２実施形態における熱プラズマ処理装置の熱プラズマノズルと線状スリットを設けたノズルカバーの構成を示す斜視図
【図７】図６の断面Ａを示す断面図に移動装置などを追加して示した前記熱プラズマ処理装置の説明図
【図８】図６の断面Ｂを示す断面図
【図９】図６の断面Ｃを示す断面図
【図１０】図６の断面Ｄを示す断面図
【図１１】図６の断面Ｅを示す断面図
【図１２】図６の断面Ｇを示す断面図
【図１３】本発明の第３実施形態における熱プラズマ処理装置において、図６の断面Ａに相当する位置での断面を示す断面図
【図１４】従来例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
【図１５】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】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態における熱プラズマ処理装置について図面を用いて説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図である。図１において、熱プラズマノズル１は、その下端が、被処理物としての基材２に対向するように（一例として、直交するように）配置される。熱プラズマノズル１は、中心導体であるカソードたる電極棒３と、電極棒３を取り囲むように配置されたアノードたる電極筒４とで構成され、電極棒３と電極筒４との間の隙間２２には、ガス供給装置５０から不活性ガス５を流す。不活性ガス５としては、典型的にはアルゴンを用いることができるが、ヘリウム、ネオン、若しくは、キセノンなどの希ガス、又は、窒素を用いることも可能である。電極筒４の下端部分は、下向きに先すぼまり、すなわち、大略円錐形状に構成されている。電極筒４の内部には冷媒流路６が設けられ、冷媒流路６に冷媒を流して電極筒４を冷却することにより、熱プラズマによる電極筒４の過熱が防止される。冷媒としては、一般に純水を用いる。
【００３１】
熱プラズマノズル１の下端には噴出口Ｆが設けられ、熱プラズマノズル１と基材２との間に、スリット形成部材の一例としてのノズルカバー７が配置される。ノズルカバー７は、大略長方形の板状部材７ａを有している。ノズルカバー７の板状部材７ａの内部には冷媒流路８が設けられ、冷媒流路８に冷媒を流してノズルカバー７の板状部材７ａを冷却することにより、熱プラズマによるノズルカバー７の板状部材７ａの過熱が防止される。ノズルカバー７には、さらに、長手方向沿いに線状スリット９が板状部材７ａを厚さ方向に貫通して設けられ、線状スリット９は噴出口Ｆの下流に配置される。線状スリット９の両側の板状部材７ａの上面には、熱プラズマノズル１の中心に近いほど、高くなるような一対の円弧板壁状の凸部７ｂが配置されている。一対の円弧板状の凸部７ｂの間には、一定間隔の線状スリット９が形成されている。この凸部７ｂ内にも冷媒流路８が形成されて、冷媒流路８に冷媒を流して凸部７ｂを冷却することにより、熱プラズマによる凸部７ｂの過熱が防止される。円弧板壁状の凸部７ｂは、円弧形状に限らず、三角形の山形状、多角形などでもよいとともに、熱プラズマノズル１の中心を境に、対称形状のほうが良い。
【００３２】
このような構成において、ガス供給装置５０から不活性ガス５を流しながら、電源５１から電極棒３と電極筒４の間に、電極棒３がマイナス、電極筒４がプラスになるよう直流電力を供給することにより、熱プラズマジェット１０が発生する。そして、熱プラズマジェット１０のうち、ノズルカバー７の線状スリット９を通過したエネルギー束が基材２の表面に作用し、基材２の表面近傍部分１１を熱処理する。このとき、熱プラズマノズル１と線状スリット９との距離（熱プラズマノズル１の下端と、線状スリット９が一対の凸部７ｂで形成される場合の一対の凸部７ｂの最上端の位置との距離）及び線状スリット９と基材２との距離（線状スリット９が一対の凸部７ｂで形成される場合の板状部材７ａに開口した線状スリット９の下端位置と、基材２の表面との距離）を一定に保ちながら、熱プラズマノズル１と基材２とを線状スリット９の線方向（長手方向）と垂直な向きに（太い矢印の向きに）相対的に移動させることにより、基材２の表面近傍部分１１をごく短時間だけ均一に高温熱処理することができる。相対的に移動させる方向は、線状スリット９の線方向（長手方向）と垂直な向きに限定されず、線状スリット９の線方向（長手方向）と交差する方向であれば、斜めでもよい。
【００３３】
このため、例えば、熱プラズマノズル１と線状スリット９との距離を一定に保持するために、支持部材５３により熱プラズマノズル１とノズルカバー７とを固定的に支持する。さらに、一例として、線状スリット９と基材２との距離を一定に保持しながら、基材２を載置する平面ステージ５４に対して、支持部材５３を相対的に移動させるｘｙテーブル又は直線移動機構などの移動装置５５（図５参照）とを備える。
【００３４】
図２は、本発明の第１実施形態におけるノズルカバー７と線状スリット９の構成を示す斜視図である。図２において、線状スリット９の高さ（図１におけるＨ）が、熱プラズマノズル１の中心に近いほど高くなるよう、線状スリット９の周囲に弧状の一対の凸部７ｂが設けられている。
【００３５】
図３は、ノズルカバー７と線状スリット９とが無い場合の、熱プラズマノズル１から基材２に熱プラズマが照射されるときのエネルギー分布を示す概念図である。互いに直交するｘ軸とｙ軸（基材２から熱プラズマノズル１に向かう方向をｚ軸方向としている）のどちらの方向についても、ほぼ同じ等方的な分布で、上に凸となるエネルギー分布である。
【００３６】
図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、ノズルカバー７と線状スリット９とが有る場合の、熱プラズマノズル１から基材２に熱プラズマが照射されるｘ軸方向とｙ軸方向エネルギー分布を示す概念図である。ｘ軸とｙ軸とは、図２に示す向きであり、ｘ軸は線状スリット９の線方向（長手方向）とは垂直な向き（つまり、熱プラズマノズル１を基材２に対して相対的に移動させる移動方向）、ｙ軸は線状スリット９の線方向である。基材２から熱プラズマノズル１に向かう方向をｚ軸方向としている。ｘ軸方向については、熱プラズマノズル１から照射される熱プラズマのエネルギー束のうち、周辺への広がり部分が線状スリット９によって遮蔽されるため、エネルギー分布が狭く鋭くなる。また、熱プラズマが線状スリット９を通過する際にプラズマジェット全体がノズルカバー７により冷却されるため、エネルギー束の最大値は小さくなる。一方、ｙ軸方向については、熱プラズマノズル１から照射される熱プラズマのエネルギー束が、ノズルカバー７に衝突してｙ軸方向に若干広がる。また、熱プラズマノズル１の中心に近いほど、一対の凸部７ｂで形成される線状スリット９の高さが高いために、中心に近いほどプラズマジェットがノズルカバー７で強く冷却され、エネルギー分布が平坦になる。したがって、基材２の表面近傍部分１１を、線状スリット９の線方向に対して均一に熱処理することができる。
【００３７】
このように、線状スリット９を利用して走査方向に狭く、走査方向に対して垂直な方向に広い分布を持つプラズマジェットを形成し、これを基材２上で高速に走査することにより、熱拡散長が十分小さいまま、大面積を同時に処理することができる。
【００３８】
次に、基材２の表面の全体を処理するためには、移動装置５５の例として、図５に示すＸ−Ｙ駆動装置５６を用いる。図５において、熱プラズマノズル１とノズルカバー７は、（支持部材５３を介して）Ｘ軸ガイド装置１２に支持され、Ｘ軸ガイド装置１２に
より図５の縦矢印の方向（ｘ軸方向）に可動であり、また、Ｘ軸ガイド装置１２は、Ｙ軸ガイド装置１３により図５の横矢印の方向（ｙ軸方向）に可動である。すなわち、真空吸着法などを用いて平面ステージ５４の表面に固定された基材２に対して、Ｙ軸ガイド装置１３とＸ軸ガイド装置１２とで構成されるＸ−Ｙ駆動装置５６を駆動して、Ｘ軸ガイド装置１２に支持された熱プラズマノズル１及びノズルカバー７をｘｙ軸方向に走査することにより、時間をずらせて基材２の表面全体を熱処理することができる。
【００３９】
なお、基材２の表面全体をムラなく熱処理するためには、走査する際の走査ピッチは、線状スリット９の線方向長さよりも小さいこと、さらには、図４Ｂにおけるｙ軸方向のエネルギー分布が平坦な部分の長さよりも小さいことが好ましい。
【００４０】
なお、基板２を固定して熱プラズマノズル１とノズルカバーをＸ−Ｙ駆動装置５６で移動させる場合を例示したが、熱プラズマノズル１とノズルカバー７とを固定して、基板２をＸ−Ｙ駆動装置５６で移動させても良い。つまり、熱プラズマ処理装置としては、熱プラズマノズル１と被処理物２とを線状スリット９の線方向と垂直な向きに相対的に移動させる移動機構を備えればよい。
【００４１】
このようにして、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若しくは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若しくは脱ガス低減、シリカ微粒子の集合体からなる誘電体層の表面平坦化若しくは脱ガス低減、又は、種々の電子デバイスのリフローなど、様々な表面処理に適用できる。
【００４２】
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について、図６〜図１２を参照して説明する。
図６は、本発明の第２実施形態における熱プラズマノズル１Ａと線状スリット９Ａを設けたノズルカバー１４の構成を示す斜視図である。図６において、円筒状の熱プラズマノズル１Ａの下端部が直方体形状のノズルカバー１４の中央部に挿入されている。その構成をより詳しく説明するため、図６において断面切断線Ａ〜Ｅ、Ｇで切った断面図である図７〜図１２を用いる。断面切断線Ａ〜Ｅ、Ｇで切った断面図を、単に、断面Ａ〜Ｅ、Ｇと称する。断面Ａ〜Ｄは線状スリット９Ａと垂直な面、断面Ｅ及びＧは線状スリット９Ａと平行な面である。また、断面Ａは熱プラズマノズル１Ａの中心軸を通る面、断面Ｃは熱プラズマノズル１Ａの最外周を通る面、断面Ｂは断面Ａと断面Ｃの中間であり、断面Ｄは熱プラズマノズル１Ａよりも外側である。断面Ｅは熱プラズマノズル１Ａの中心軸を通る面、断面Ｇは断面Ｅよりも少し右側で、線状スリット９Ａよりもわずかに外側の位置である。
【００４３】
図７は、断面Ａを示す断面図に移動装置などを追加して示した前記熱プラズマ処理装置の説明図である。断面Ａは、熱プラズマノズル１Ａの中心に近くを通る断面であり、熱プラズマノズル１Ａとノズルカバー１４とが図示されている。図７において、熱プラズマノズル１Ａは、被処理物としての基材２に対向するように（一例として、直交するように）配置される。熱プラズマノズル１Ａは、中心導体であるカソードたる電極棒３と、電極棒３を取り囲むように配置されたアノードたる電極筒４とで構成され、電極棒３と電極筒４との間の隙間２３には、ガス供給装置５０から不活性ガス５を流す。不活性ガス５としては、典型的にはアルゴンを用いることができるが、ヘリウム、ネオン、若しくは、キセノンなどの希ガス、又は、窒素を用いることも可能である。電極筒４の下端部分は、下向きに先すぼまり、すなわち、大略円錐形状に構成されている。電極筒４の内部には冷媒流路６が設けられ、冷媒流路６に冷媒を流して電極筒４を冷却することにより、熱プラズマによる電極筒４の過熱が防止される。冷媒としては、一般に純水を用いる。
【００４４】
熱プラズマノズル１Ａの下端には噴出口Ｆが設けられ、熱プラズマノズル１Ａと基材２の間に、スリット形成部材の別の例としてのノズルカバー１４が配置される。ノズルカバー１４の上部の中央部には、熱プラズマノズル１Ａの下端部外面との間に空間２４をあけて熱プラズマノズル１Ａを保持する保持部１４ａを有している。ノズルカバー１４の内部には冷媒流路１５が設けられ、冷媒流路１５に冷媒を流してノズルカバー１４を冷却することにより、熱プラズマによるノズルカバー１４の過熱が防止される。ノズルカバー１４には、その下部に配置された一対の壁部１４ｂにより、長手方向沿いに線状スリット９Ａが形成され、線状スリット９Ａは噴出口Ｆの下流に配置される。保持部１４ａの下端には壁部１４ｂが接続されている。この各壁部１４ｂは、熱プラズマノズル１Ａの中心に近いほど、高くなるような円弧板壁状の凸部で構成されている。一対の円弧板状の凸部の壁部１４ｂ間には、一定間隔の線状スリット９Ａが形成されている。円弧板壁状の凸部１４ｂは、円弧形状に限らず、三角形の山形状、多角形などでもよいとともに、熱プラズマノズル１Ａの中心を境に、対称形状のほうが良い。
【００４５】
熱プラズマノズル１Ａの下端部の外側に配置されたノズルカバー１４の保持部１４ａには、不活性ガス供給装置５７に接続されたガス導入口１６が設けられている。熱プラズマノズル１Ａの下端部と、その外側に配置されたノズルカバー１４の保持部１４ａとの間には、空間２４が形成されており、空間２４はガス導入口１６と連通している。よって、不活性ガス供給装置５７から供給された不活性ガス１７が、ガス導入口１６から空間２４内に供給されて、熱プラズマノズル１Ａの下端部の外側で、かつ、ノズルカバー１４の保持部１４ａの内側の空間２４を、線状スリット９Ａに向かって下向きに流れるように構成されている。つまり、噴出口Ｆとガス導入口１６と線状スリット９Ａを除いた空間が、閉じた空間をなすよう配置されている。不活性ガス１５としては、典型的にはアルゴンを用いることができるが、ヘリウム、ネオン、若しくはキセノンなどの希ガス、又は、窒素を用いることも可能である。
【００４６】
このような構成において、ガス供給装置５０及び不活性ガス供給装置５７から不活性ガス５及び１７をそれぞれ流しながら、電源５１から電極棒３と電極筒４との間に、電極棒３がマイナス、電極筒４がプラスになるよう直流電力を供給することにより、熱プラズマジェット１０が発生する。そして、熱プラズマジェット１０のうち、ノズルカバー１４の線状スリット９Ａを通過したエネルギー束が基材２の表面に作用し、基材２の表面近傍部分１１を熱処理する。このとき、熱プラズマノズル１Ａと線状スリット９Ａとの距離（熱プラズマノズル１Ａの下端と、線状スリット９Ａが一対の壁部１４ｂで形成される場合の一対の壁部１４ｂの最上端の位置との距離）及び線状スリット９Ａと基材２との距離（線状スリット９Ａが一対の壁部１４ｂで形成される場合のノズルカバー１４の底面に開口した線状スリット９Ａの下端位置と、基材２の表面との距離）を一定に保ちながら、熱プラズマノズル１Ａと基材２とを線状スリット９Ａの線方向（長手方向）と垂直な向きに（太い矢印の向きに）相対的に移動させることにより、基材２の表面近傍部分１１をごく短時間だけ均一に高温熱処理することができる。
【００４７】
このため、例えば、熱プラズマノズル１Ａと線状スリット９Ａとの距離を一定に保持するために、支持部材５３により熱プラズマノズル１Ａとノズルカバー１４とを固定的に支持する。さらに、一例として、線状スリット９Ａと基材２との距離を一定に保持しながら、基材２を載置する平面ステージ５４に対して、支持部材５３を相対的に移動させるｘｙテーブル又は直線移動機構などの移動装置５５（図５参照）とを備える。
【００４８】
なお、ガス導入口１６を、電極棒３の近傍に設ける場合を例示したが、ガス導入口１６を、電極棒３の近傍だけでなく線状スリット９Ａの線方向に複数配置してもよいし、あるいは、スリット状の導入口を設けてもよい。ガス導入口１６を、電極棒３の近傍だけでなく線状スリット９Ａの線方向に複数配置したり、あるいは、スリット状の導入口を設けた場合、ノズルカバー１４の過熱抑制作用が、線状スリット９Ａの線方向に均一化されるという利点がある。
【００４９】
図８は断面Ｂを示す。断面Ａは、熱プラズマノズル１Ａの中心からやや外れた位置を通る断面であり、熱プラズマノズル１Ａとノズルカバー１４とが図示されている。線状スリット９Ａの高さＨＢは、図７における線状スリット９Ａの高さＨＡよりも低くなっている。言い換えれば、図８における線状スリット９Ａよりも、図７における線状スリット９Ａは熱プラズマノズル１の中心に近く、図８の線状スリット９Ａの高さＨＢよりも図７における線状スリット９Ａの高さＨＡが高くなっていることから、線状スリット９Ａの高さが熱プラズマノズル１の中心に近いほど高くなるよう構成されていることがわかる。
【００５０】
図９は断面Ｃを示す。断面Ｃでは、熱プラズマノズル１Ａは現れず、ノズルカバー１４のみが図示されることになる。線状スリット９Ａの高さＨＣは、図８における線状スリット９Ａの高さＨＢよりもさらに低くなっており、線状スリット９Ａの高さが熱プラズマノズル１Ａの中心から遠ざかるほど低くなるように構成されている。
図１０は断面Ｄを示す。断面Ｄでは、熱プラズマノズル１Ａから離れた位置であり、熱プラズマノズル１Ａは現れず、ノズルカバー１４のみが図示されることになる。線状スリット９Ａは、もはやこの断面には現れない。
【００５１】
図１１は断面Ｅを示す。熱プラズマノズル１Ａから照射されるエネルギー束がノズルカバー１４に衝突して若干広がるため、噴出口Ｆよりも広いプラズマジェットが得られる。なお、１４ｃは線状スリット９Ａの長さ方向の端部を示す。
図１２は断面Ｇを示す。線状スリット９Ａの高さが、熱プラズマノズル１Ａの中心に近いほど高くなるよう、線状スリット９Ａを形成する壁部１４ｂが円弧状の凸部で形成されることが明示されている。
【００５２】
このように、熱プラズマノズル１Ａの下端部の外側に、ガス導入口１６と線状スリット９Ａを備えたノズルカバー１４が設けられ、噴出口Ｆとガス導入口１６と線状スリット９Ａを除いた空間が閉じた空間をなすよう配置されている場合、不活性ガス１７を、熱プラズマノズル１Ａの外側で、かつ、ノズルカバー１４の内側の空間２４において、線状スリット９Ａに向かって下向きに流すことができるので、ノズルカバー１４の過熱をより効果的に抑制することができる。
【００５３】
（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態について、図１３を参照して説明する。
図１３は、本発明の第３実施形態における熱プラズマノズル１８と線状スリット９Ｂを設けたノズルカバー１４Ｂの構成を示す断面図である。熱プラズマノズル１８と線状スリット９Ｂを設けたノズルカバー１４Ｂの構成全体を示す斜視図は、図６と同様な斜視図であるため、図示を省略する。図１３は、図６の断面切断線Ａで切った断面である。図１３において、熱プラズマノズル１８は、被処理物としての基材２に対向するように（一例として、直交するように）配置される。熱プラズマノズル１８は、誘電体筒１９と、誘電体筒１９の内部に設けられた冷媒流路２０と、誘電体筒１９の周囲に設けられたコイル２１とで構成されている。誘電体筒１９の中心軸に沿ってガス供給装置５０から不活性ガス５を流す。不活性ガス５としては、典型的にはアルゴンを用いることができるが、ヘリウム、ネオン、若しくは、キセノンなどの希ガス、又は、窒素を用いることも可能である。誘電体筒１９の内部には冷媒流路２０が設けられ、冷媒流路２０に冷媒を流して誘電体筒１９を冷却することにより、熱プラズマによる誘電体筒１９の過熱が防止される。冷媒としては、一般に純水を用いる。
【００５４】
熱プラズマノズル１８には噴出口Ｆが設けられ、熱プラズマノズル１８と基材２との間に、スリット形成部材のさらに別の例としてのノズルカバー１４Ｂが配置される。ノズルカバー１４Ｂの上部の中央部には、熱プラズマノズル１８の下端部外面の誘電体筒１９との間に空間２４Ｂをあけて熱プラズマノズル１８を保持する保持部１４ｅを有している。ノズルカバー１４Ｂの内部には冷媒流路１５が設けられ、冷媒流路１５に冷媒を流してノズルカバー１４を冷却することにより、熱プラズマによるノズルカバー１４の過熱が防止される。冷媒としては、一般に純水を用いる。ノズルカバー１４Ｂには、その下部に配置された一対の壁部１４ｄにより、長手方向沿いに線状スリット９Ｂが設けられ、線状スリット９Ｂは噴出口Ｆの下流に配置される。保持部１４ｅの下端には壁部１４ｄが接続されている。この各壁部１４ｄは、熱プラズマノズル１８の中心に近いほど、高くなるような円弧板壁状の凸部で構成されている。一対の円弧板状の凸部の壁部１４ｄ間には、一定間隔の線状スリット９Ｂが形成されている。円弧板壁状の凸部１４ｄは、円弧形状に限らず、三角形の山形状、多角形などでもよいとともに、熱プラズマノズル１の中心を境に、対称形状のほうが良い。
【００５５】
熱プラズマノズル１８の下端部の外側に配置されたノズルカバー１４Ｂの保持部１４ｅには、不活性ガス供給装置５７に接続されたガス導入口１６が設けられている。熱プラズマノズル１８の下端部と、その外側に配置されたノズルカバー１４Ｂの保持部１４ｅとの間には、空間２４Ｂが形成されており、空間２４Ｂはガス導入口１６と連通している。よって、不活性ガス供給装置５７から供給された不活性ガス１７が、ガス導入口１６から空間２４内に供給されて、熱プラズマノズル１８の下端部の外側で、かつ、ノズルカバー１４Ｂの保持部１４ｅの内側の空間２４を、線状スリット９Ｂに向かって下向きに流れるように構成されている。つまり、噴出口Ｆとガス導入口１６と線状スリット９を除いた空間が閉じた空間をなすよう配置されている。不活性ガス１５としては、典型的にはアルゴンを用いることができるが、ヘリウム、ネオン、若しくはキセノンなどの希ガス、又は、窒素を用いることも可能である。
【００５６】
このような構成において、ガス供給装置５０及び不活性ガス供給装置５７から不活性ガス５及び１７をそれぞれ流しながら、高周波電力供給用電源５１Ｂからコイル２１に高周波電力を供給することにより、熱プラズマジェット１０が発生する。そして、熱プラズマジェット１０のうち、ノズルカバー１４Ｂの線状スリット９Ｂを通過したエネルギー束が基材２の表面に作用し、基材２の表面近傍部分１１を熱処理する。このとき、熱プラズマノズル１８と線状スリット９Ｂとの距離（熱プラズマノズル１８の下端と、線状スリット９Ｂが一対の壁部１４ｄで形成される場合の一対の壁部１４ｄの最上端の位置との距離）及び線状スリット９Ｂと基材２との距離（線状スリット９Ｂが一対の壁部１４ｄで形成される場合のノズルカバー１４Ｂの底面に開口した線状スリット９Ｂの下端位置と、基材２の表面との距離）を一定に保ちながら、熱プラズマノズル１８と基材２とを線状スリット９Ｂの線方向（長手方向）と垂直な向きに（太い矢印の向きに）相対的に移動させることにより、基材２の表面近傍部分１１をごく短時間だけ均一に高温熱処理することができる。
【００５７】
このような熱プラズマノズル１８は誘導結合型熱プラズマ（ＩＣＴＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｌａｓｍａ）と呼ぶことができる。この方式においては、無電極であるため、電極からの熱電子放出によらない放電維持が可能で、空間を強力な誘導電界で電離する。したがって、電極を構成する材料による基材の汚染、又は、パーティクル（ダスト）が少なくなり、プラズマジェットの安定性が高く、エネルギー束の変動が小さいという利点がある。
【００５８】
以上述べた、第１〜第３実施形態にかかる熱プラズマ処理装置は、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、特開２００１−３１５１号公報に開示されているような、カソードトーチとアノードトーチを組合せたマルチトーチ熱プラズマ源の噴射口の下流に線状スリットを配置してもよい。あるいは、誘導結合型熱プラズマの上流に直流型熱プラズマを設けるハイブリッド型熱プラズマ源の噴射口の下流に線状スリットを配置してもよい。
【００５９】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明は、ＴＦＴ用半導体膜の結晶化又は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又は脱ガス低減、シリカ微粒子の集合体からなる誘電体層の表面平坦化又は脱ガス低減、種々の電子デバイスのリフローなど、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。
【符号の説明】
【００６１】
１，１Ａ 熱プラズマノズル
２ 基材
３ 電極棒
４ 電極筒
５ 不活性ガス
６ 冷媒流路
７ ノズルカバー
７ａ 板状部材
７ｂ 凸部
８ 冷媒流路
９，９Ａ,９Ｂ 線状スリット
１０ 熱プラズマジェット
１１ 基材の表面近傍部分
１２ Ｘ軸ガイド装置
１３ Ｙ軸ガイド装置
１４，１４Ｂ ノズルカバー
１４ａ，１４ｅ 保持部
１４ｂ，１４ｄ 壁部
１４ｃ 線状スリットの長さ方向の端部
１５ 冷媒流路
１６ ガス導入口
１７ 不活性ガス
１８ 熱プラズマノズル
１９ 誘電体筒
２０ 冷媒流路
２１ コイル
２２ 隙間
２３ 隙間
２４ 空間
５０ ガス供給装置
５１ 電源
５１Ｂ 高周波電力供給用電源
５３ 支持部材
５４ 台部材
５５ 移動装置
５６ Ｘ−Ｙ駆動装置
５７ 不活性ガス供給装置
Ｆ 噴出口
Ｈ，ＨＡ，ＨＢ，ＨＣ 線状スリットの高さ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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装置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）又は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上、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、液晶プロジェクタ又は有機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ている製造方法がある。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。しかし、高温プロセスでは固相成長によりシリコン膜の結晶化を行うために、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上げ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。
【０００４】
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。
【０００５】
しかしながら、このレーザー結晶化技術にはいく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、装置コスト及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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。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とを含んで構成される。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との間に直流（ＤＣ）電圧を印加すると、両極３２，３３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、前記の噴出孔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。
【０００８】
このような熱プラズマ３５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１４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軸の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（及び半導体膜３７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いい、一方のみを移動させる場合と両者を共に移動させる場合と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）。
【０００９】
図１５は、半導体膜３７の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。
【００１０】
このような熱プラズマ３５は、点状領域に発生させるのが一般的である。熱プラズマ３５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、プラズマ密度が益々高くなる。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。
【００１１】
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。
【００１２】
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、又は、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）。
【００１３】
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）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【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
【特許文献】
【００１５】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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又は膜剥がれなどの不具合を生じることがある。
【００２０】
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、基材の表面近傍部分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ことのできる熱プラズマ処理装置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】
【００２１】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００２２】
本発明の第１態様によれば、噴射口から熱プラズマジェットを発生させる熱プラズマノズルと、
前記熱プラズマノズル内に不活性ガスを供給するガス供給装置と、
前記熱プラズマノズルに電力を供給する電源と、
前記噴出口の下流に配置される線状スリットを有するスリット形成部材と、
前記熱プラズマノズルと前記線状スリットとの距離及び前記線状スリットと被処理物との距離を一定に保ちながら、前記熱プラズマノズルと前記被処理物とを相対的に移動させる移動機構を備えたことを特徴とする熱プラズマ処理装置を提供する。
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、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。
【００２３】
本発明の第２態様によれば、前記線状スリットは、前記一対の凸部の間に形成されており、前記一対の凸部の高さが、前記熱プラズマノズルの中心に近いほど高いことを特徴とする、第１の態様に記載の熱プラズマ処理装置を提供する。
このような構成により、被処理物をより均一に熱処理することができる。
【００２４】
本発明の第３態様によれば、前記熱プラズマノズルの外面側に、ガス導入口と前記線状スリットを備えたノズルカバーが設けられ、前記噴出口と前記ガス導入口と前記線状スリットを除いた空間が閉じた空間をなすよう配置されていることを特徴とする、第１又は２の態様に記載の熱プラズマ処理装置を提供する。
このような構成により、線状スリットの過熱をより効果的に抑制できる。
【００２５】
本発明の第４態様によれば、前記熱プラズマノズルが、電極棒と、冷媒流路を内部に備えた電極筒とで構成され、前記電源により、前記電極棒と前記電極筒との間に電力が供給されることを特徴とする、第１〜３のいずれか１つの態様に記載の熱プラズマ処理装置を提供する。
このような構成により、簡単な構成で熱プラズマを得ることができる。
【００２６】
本発明の第５態様によれば、前記熱プラズマノズルが、誘電体筒と、前記誘電体筒の周囲に設けられたコイルとで構成され、前記電源により、前記コイルに電力が供給されることを特徴とする、第１〜３のいずれか１つの態様に記載の熱プラズマ処理装置を提供する。
このような構成により、より安定した熱プラズマを得ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、基材の表面近傍部分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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図２】本発明の前記第１実施形態におけるノズルカバーと線状スリットの構成を示す斜視図
【図３】ノズルカバーと線状スリットが無い場合の、基材に照射されるエネルギー分布を示す概念図
【図４Ａ】前記第１実施形態におけるノズルカバーと線状スリットが有る場合の、基材に照射されるｘ軸方向のエネルギー分布を示す概念図
【図４Ｂ】前記第１実施形態におけるノズルカバーと線状スリットが有る場合の、基材に照射されるｙ軸方向のエネルギー分布を示す概念図
【図５】前記第１実施形態における前記熱プラズマ処理装置のＸ−Ｙ駆動装置の構成を示す平面図
【図６】本発明の第２実施形態における熱プラズマ処理装置の熱プラズマノズルと線状スリットを設けたノズルカバーの構成を示す斜視図
【図７】図６の断面Ａを示す断面図に移動装置などを追加して示した前記熱プラズマ処理装置の説明図
【図８】図６の断面Ｂを示す断面図
【図９】図６の断面Ｃを示す断面図
【図１０】図６の断面Ｄを示す断面図
【図１１】図６の断面Ｅを示す断面図
【図１２】図６の断面Ｇを示す断面図
【図１３】本発明の第３実施形態における熱プラズマ処理装置において、図６の断面Ａに相当する位置での断面を示す断面図
【図１４】従来例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
【図１５】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】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態における熱プラズマ処理装置について図面を用いて説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図である。図１において、熱プラズマノズル１は、その下端が、被処理物としての基材２に対向するように（一例として、直交するように）配置される。熱プラズマノズル１は、中心導体であるカソードたる電極棒３と、電極棒３を取り囲むように配置されたアノードたる電極筒４とで構成され、電極棒３と電極筒４との間の隙間２２には、ガス供給装置５０から不活性ガス５を流す。不活性ガス５としては、典型的にはアルゴンを用いることができるが、ヘリウム、ネオン、若しくは、キセノンなどの希ガス、又は、窒素を用いることも可能である。電極筒４の下端部分は、下向きに先すぼまり、すなわち、大略円錐形状に構成されている。電極筒４の内部には冷媒流路６が設けられ、冷媒流路６に冷媒を流して電極筒４を冷却することにより、熱プラズマによる電極筒４の過熱が防止される。冷媒としては、一般に純水を用いる。
【００３１】
熱プラズマノズル１の下端には噴出口Ｆが設けられ、熱プラズマノズル１と基材２との間に、スリット形成部材の一例としてのノズルカバー７が配置される。ノズルカバー７は、大略長方形の板状部材７ａを有している。ノズルカバー７の板状部材７ａの内部には冷媒流路８が設けられ、冷媒流路８に冷媒を流してノズルカバー７の板状部材７ａを冷却することにより、熱プラズマによるノズルカバー７の板状部材７ａの過熱が防止される。ノズルカバー７には、さらに、長手方向沿いに線状スリット９が板状部材７ａを厚さ方向に貫通して設けられ、線状スリット９は噴出口Ｆの下流に配置される。線状スリット９の両側の板状部材７ａの上面には、熱プラズマノズル１の中心に近いほど、高くなるような一対の円弧板壁状の凸部７ｂが配置されている。一対の円弧板状の凸部７ｂの間には、一定間隔の線状スリット９が形成されている。この凸部７ｂ内にも冷媒流路８が形成されて、冷媒流路８に冷媒を流して凸部７ｂを冷却することにより、熱プラズマによる凸部７ｂの過熱が防止される。円弧板壁状の凸部７ｂは、円弧形状に限らず、三角形の山形状、多角形などでもよいとともに、熱プラズマノズル１の中心を境に、対称形状のほうが良い。
【００３２】
このような構成において、ガス供給装置５０から不活性ガス５を流しながら、電源５１から電極棒３と電極筒４の間に、電極棒３がマイナス、電極筒４がプラスになるよう直流電力を供給することにより、熱プラズマジェット１０が発生する。そして、熱プラズマジェット１０のうち、ノズルカバー７の線状スリット９を通過したエネルギー束が基材２の表面に作用し、基材２の表面近傍部分１１を熱処理する。このとき、熱プラズマノズル１と線状スリット９との距離（熱プラズマノズル１の下端と、線状スリット９が一対の凸部７ｂで形成される場合の一対の凸部７ｂの最上端の位置との距離）及び線状スリット９と基材２との距離（線状スリット９が一対の凸部７ｂで形成される場合の板状部材７ａに開口した線状スリット９の下端位置と、基材２の表面との距離）を一定に保ちながら、熱プラズマノズル１と基材２とを線状スリット９の線方向（長手方向）と垂直な向きに（太い矢印の向きに）相対的に移動させることにより、基材２の表面近傍部分１１をごく短時間だけ均一に高温熱処理することができる。相対的に移動させる方向は、線状スリット９の線方向（長手方向）と垂直な向きに限定されず、線状スリット９の線方向（長手方向）と交差する方向であれば、斜めでもよい。
【００３３】
このため、例えば、熱プラズマノズル１と線状スリット９との距離を一定に保持するために、支持部材５３により熱プラズマノズル１とノズルカバー７とを固定的に支持する。さらに、一例として、線状スリット９と基材２との距離を一定に保持しながら、基材２を載置する平面ステージ５４に対して、支持部材５３を相対的に移動させるｘｙテーブル又は直線移動機構などの移動装置５５（図５参照）とを備える。
【００３４】
図２は、本発明の第１実施形態におけるノズルカバー７と線状スリット９の構成を示す斜視図である。図２において、線状スリット９の高さ（図１におけるＨ）が、熱プラズマノズル１の中心に近いほど高くなるよう、線状スリット９の周囲に弧状の一対の凸部７ｂが設けられている。
【００３５】
図３は、ノズルカバー７と線状スリット９とが無い場合の、熱プラズマノズル１から基材２に熱プラズマが照射されるときのエネルギー分布を示す概念図である。互いに直交するｘ軸とｙ軸（基材２から熱プラズマノズル１に向かう方向をｚ軸方向としている）のどちらの方向についても、ほぼ同じ等方的な分布で、上に凸となるエネルギー分布である。
【００３６】
図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、ノズルカバー７と線状スリット９とが有る場合の、熱プラズマノズル１から基材２に熱プラズマが照射されるｘ軸方向とｙ軸方向エネルギー分布を示す概念図である。ｘ軸とｙ軸とは、図２に示す向きであり、ｘ軸は線状スリット９の線方向（長手方向）とは垂直な向き（つまり、熱プラズマノズル１を基材２に対して相対的に移動させる移動方向）、ｙ軸は線状スリット９の線方向である。基材２から熱プラズマノズル１に向かう方向をｚ軸方向としている。ｘ軸方向については、熱プラズマノズル１から照射される熱プラズマのエネルギー束のうち、周辺への広がり部分が線状スリット９によって遮蔽されるため、エネルギー分布が狭く鋭くなる。また、熱プラズマが線状スリット９を通過する際にプラズマジェット全体がノズルカバー７により冷却されるため、エネルギー束の最大値は小さくなる。一方、ｙ軸方向については、熱プラズマノズル１から照射される熱プラズマのエネルギー束が、ノズルカバー７に衝突してｙ軸方向に若干広がる。また、熱プラズマノズル１の中心に近いほど、一対の凸部７ｂで形成される線状スリット９の高さが高いために、中心に近いほどプラズマジェットがノズルカバー７で強く冷却され、エネルギー分布が平坦になる。したがって、基材２の表面近傍部分１１を、線状スリット９の線方向に対して均一に熱処理することができる。
【００３７】
このように、線状スリット９を利用して走査方向に狭く、走査方向に対して垂直な方向に広い分布を持つプラズマジェットを形成し、これを基材２上で高速に走査することにより、熱拡散長が十分小さいまま、大面積を同時に処理することができる。
【００３８】
次に、基材２の表面の全体を処理するためには、移動装置５５の例として、図５に示すＸ−Ｙ駆動装置５６を用いる。図５において、熱プラズマノズル１とノズルカバー７は、（支持部材５３を介して）Ｘ軸ガイド装置１２に支持され、Ｘ軸ガイド装置１２に
より図５の縦矢印の方向（ｘ軸方向）に可動であり、また、Ｘ軸ガイド装置１２は、Ｙ軸ガイド装置１３により図５の横矢印の方向（ｙ軸方向）に可動である。すなわち、真空吸着法などを用いて平面ステージ５４の表面に固定された基材２に対して、Ｙ軸ガイド装置１３とＸ軸ガイド装置１２とで構成されるＸ−Ｙ駆動装置５６を駆動して、Ｘ軸ガイド装置１２に支持された熱プラズマノズル１及びノズルカバー７をｘｙ軸方向に走査することにより、時間をずらせて基材２の表面全体を熱処理することができる。
【００３９】
なお、基材２の表面全体をムラなく熱処理するためには、走査する際の走査ピッチは、線状スリット９の線方向長さよりも小さいこと、さらには、図４Ｂにおけるｙ軸方向のエネルギー分布が平坦な部分の長さよりも小さいことが好ましい。
【００４０】
なお、基板２を固定して熱プラズマノズル１とノズルカバーをＸ−Ｙ駆動装置５６で移動させる場合を例示したが、熱プラズマノズル１とノズルカバー７とを固定して、基板２をＸ−Ｙ駆動装置５６で移動させても良い。つまり、熱プラズマ処理装置としては、熱プラズマノズル１と被処理物２とを線状スリット９の線方向と垂直な向きに相対的に移動させる移動機構を備えればよい。
【００４１】
このようにして、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若しくは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若しくは脱ガス低減、シリカ微粒子の集合体からなる誘電体層の表面平坦化若しくは脱ガス低減、又は、種々の電子デバイスのリフローなど、様々な表面処理に適用できる。
【００４２】
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について、図６〜図１２を参照して説明する。
図６は、本発明の第２実施形態における熱プラズマノズル１Ａと線状スリット９Ａを設けたノズルカバー１４の構成を示す斜視図である。図６において、円筒状の熱プラズマノズル１Ａの下端部が直方体形状のノズルカバー１４の中央部に挿入されている。その構成をより詳しく説明するため、図６において断面切断線Ａ〜Ｅ、Ｇで切った断面図である図７〜図１２を用いる。断面切断線Ａ〜Ｅ、Ｇで切った断面図を、単に、断面Ａ〜Ｅ、Ｇと称する。断面Ａ〜Ｄは線状スリット９Ａと垂直な面、断面Ｅ及びＧは線状スリット９Ａと平行な面である。また、断面Ａは熱プラズマノズル１Ａの中心軸を通る面、断面Ｃは熱プラズマノズル１Ａの最外周を通る面、断面Ｂは断面Ａと断面Ｃの中間であり、断面Ｄは熱プラズマノズル１Ａよりも外側である。断面Ｅは熱プラズマノズル１Ａの中心軸を通る面、断面Ｇは断面Ｅよりも少し右側で、線状スリット９Ａよりもわずかに外側の位置である。
【００４３】
図７は、断面Ａを示す断面図に移動装置などを追加して示した前記熱プラズマ処理装置の説明図である。断面Ａは、熱プラズマノズル１Ａの中心に近くを通る断面であり、熱プラズマノズル１Ａとノズルカバー１４とが図示されている。図７において、熱プラズマノズル１Ａは、被処理物としての基材２に対向するように（一例として、直交するように）配置される。熱プラズマノズル１Ａは、中心導体であるカソードたる電極棒３と、電極棒３を取り囲むように配置されたアノードたる電極筒４とで構成され、電極棒３と電極筒４との間の隙間２３には、ガス供給装置５０から不活性ガス５を流す。不活性ガス５としては、典型的にはアルゴンを用いることができるが、ヘリウム、ネオン、若しくは、キセノンなどの希ガス、又は、窒素を用いることも可能である。電極筒４の下端部分は、下向きに先すぼまり、すなわち、大略円錐形状に構成されている。電極筒４の内部には冷媒流路６が設けられ、冷媒流路６に冷媒を流して電極筒４を冷却することにより、熱プラズマによる電極筒４の過熱が防止される。冷媒としては、一般に純水を用いる。
【００４４】
熱プラズマノズル１Ａの下端には噴出口Ｆが設けられ、熱プラズマノズル１Ａと基材２の間に、スリット形成部材の別の例としてのノズルカバー１４が配置される。ノズルカバー１４の上部の中央部には、熱プラズマノズル１Ａの下端部外面との間に空間２４をあけて熱プラズマノズル１Ａを保持する保持部１４ａを有している。ノズルカバー１４の内部には冷媒流路１５が設けられ、冷媒流路１５に冷媒を流してノズルカバー１４を冷却することにより、熱プラズマによるノズルカバー１４の過熱が防止される。ノズルカバー１４には、その下部に配置された一対の壁部１４ｂにより、長手方向沿いに線状スリット９Ａが形成され、線状スリット９Ａは噴出口Ｆの下流に配置される。保持部１４ａの下端には壁部１４ｂが接続されている。この各壁部１４ｂは、熱プラズマノズル１Ａの中心に近いほど、高くなるような円弧板壁状の凸部で構成されている。一対の円弧板状の凸部の壁部１４ｂ間には、一定間隔の線状スリット９Ａが形成されている。円弧板壁状の凸部１４ｂは、円弧形状に限らず、三角形の山形状、多角形などでもよいとともに、熱プラズマノズル１Ａの中心を境に、対称形状のほうが良い。
【００４５】
熱プラズマノズル１Ａの下端部の外側に配置されたノズルカバー１４の保持部１４ａには、不活性ガス供給装置５７に接続されたガス導入口１６が設けられている。熱プラズマノズル１Ａの下端部と、その外側に配置されたノズルカバー１４の保持部１４ａとの間には、空間２４が形成されており、空間２４はガス導入口１６と連通している。よって、不活性ガス供給装置５７から供給された不活性ガス１７が、ガス導入口１６から空間２４内に供給されて、熱プラズマノズル１Ａの下端部の外側で、かつ、ノズルカバー１４の保持部１４ａの内側の空間２４を、線状スリット９Ａに向かって下向きに流れるように構成されている。つまり、噴出口Ｆとガス導入口１６と線状スリット９Ａを除いた空間が、閉じた空間をなすよう配置されている。不活性ガス１５としては、典型的にはアルゴンを用いることができるが、ヘリウム、ネオン、若しくはキセノンなどの希ガス、又は、窒素を用いることも可能である。
【００４６】
このような構成において、ガス供給装置５０及び不活性ガス供給装置５７から不活性ガス５及び１７をそれぞれ流しながら、電源５１から電極棒３と電極筒４との間に、電極棒３がマイナス、電極筒４がプラスになるよう直流電力を供給することにより、熱プラズマジェット１０が発生する。そして、熱プラズマジェット１０のうち、ノズルカバー１４の線状スリット９Ａを通過したエネルギー束が基材２の表面に作用し、基材２の表面近傍部分１１を熱処理する。このとき、熱プラズマノズル１Ａと線状スリット９Ａとの距離（熱プラズマノズル１Ａの下端と、線状スリット９Ａが一対の壁部１４ｂで形成される場合の一対の壁部１４ｂの最上端の位置との距離）及び線状スリット９Ａと基材２との距離（線状スリット９Ａが一対の壁部１４ｂで形成される場合のノズルカバー１４の底面に開口した線状スリット９Ａの下端位置と、基材２の表面との距離）を一定に保ちながら、熱プラズマノズル１Ａと基材２とを線状スリット９Ａの線方向（長手方向）と垂直な向きに（太い矢印の向きに）相対的に移動させることにより、基材２の表面近傍部分１１をごく短時間だけ均一に高温熱処理することができる。
【００４７】
このため、例えば、熱プラズマノズル１Ａと線状スリット９Ａとの距離を一定に保持するために、支持部材５３により熱プラズマノズル１Ａとノズルカバー１４とを固定的に支持する。さらに、一例として、線状スリット９Ａと基材２との距離を一定に保持しながら、基材２を載置する平面ステージ５４に対して、支持部材５３を相対的に移動させるｘｙテーブル又は直線移動機構などの移動装置５５（図５参照）とを備える。
【００４８】
なお、ガス導入口１６を、電極棒３の近傍に設ける場合を例示したが、ガス導入口１６を、電極棒３の近傍だけでなく線状スリット９Ａの線方向に複数配置してもよいし、あるいは、スリット状の導入口を設けてもよい。ガス導入口１６を、電極棒３の近傍だけでなく線状スリット９Ａの線方向に複数配置したり、あるいは、スリット状の導入口を設けた場合、ノズルカバー１４の過熱抑制作用が、線状スリット９Ａの線方向に均一化されるという利点がある。
【００４９】
図８は断面Ｂを示す。断面Ａは、熱プラズマノズル１Ａの中心からやや外れた位置を通る断面であり、熱プラズマノズル１Ａとノズルカバー１４とが図示されている。線状スリット９Ａの高さＨＢは、図７における線状スリット９Ａの高さＨＡよりも低くなっている。言い換えれば、図８における線状スリット９Ａよりも、図７における線状スリット９Ａは熱プラズマノズル１の中心に近く、図８の線状スリット９Ａの高さＨＢよりも図７における線状スリット９Ａの高さＨＡが高くなっていることから、線状スリット９Ａの高さが熱プラズマノズル１の中心に近いほど高くなるよう構成されていることがわかる。
【００５０】
図９は断面Ｃを示す。断面Ｃでは、熱プラズマノズル１Ａは現れず、ノズルカバー１４のみが図示されることになる。線状スリット９Ａの高さＨＣは、図８における線状スリット９Ａの高さＨＢよりもさらに低くなっており、線状スリット９Ａの高さが熱プラズマノズル１Ａの中心から遠ざかるほど低くなるように構成されている。
図１０は断面Ｄを示す。断面Ｄでは、熱プラズマノズル１Ａから離れた位置であり、熱プラズマノズル１Ａは現れず、ノズルカバー１４のみが図示されることになる。線状スリット９Ａは、もはやこの断面には現れない。
【００５１】
図１１は断面Ｅを示す。熱プラズマノズル１Ａから照射されるエネルギー束がノズルカバー１４に衝突して若干広がるため、噴出口Ｆよりも広いプラズマジェットが得られる。なお、１４ｃは線状スリット９Ａの長さ方向の端部を示す。
図１２は断面Ｇを示す。線状スリット９Ａの高さが、熱プラズマノズル１Ａの中心に近いほど高くなるよう、線状スリット９Ａを形成する壁部１４ｂが円弧状の凸部で形成されることが明示されている。
【００５２】
このように、熱プラズマノズル１Ａの下端部の外側に、ガス導入口１６と線状スリット９Ａを備えたノズルカバー１４が設けられ、噴出口Ｆとガス導入口１６と線状スリット９Ａを除いた空間が閉じた空間をなすよう配置されている場合、不活性ガス１７を、熱プラズマノズル１Ａの外側で、かつ、ノズルカバー１４の内側の空間２４において、線状スリット９Ａに向かって下向きに流すことができるので、ノズルカバー１４の過熱をより効果的に抑制することができる。
【００５３】
（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態について、図１３を参照して説明する。
図１３は、本発明の第３実施形態における熱プラズマノズル１８と線状スリット９Ｂを設けたノズルカバー１４Ｂの構成を示す断面図である。熱プラズマノズル１８と線状スリット９Ｂを設けたノズルカバー１４Ｂの構成全体を示す斜視図は、図６と同様な斜視図であるため、図示を省略する。図１３は、図６の断面切断線Ａで切った断面である。図１３において、熱プラズマノズル１８は、被処理物としての基材２に対向するように（一例として、直交するように）配置される。熱プラズマノズル１８は、誘電体筒１９と、誘電体筒１９の内部に設けられた冷媒流路２０と、誘電体筒１９の周囲に設けられたコイル２１とで構成されている。誘電体筒１９の中心軸に沿ってガス供給装置５０から不活性ガス５を流す。不活性ガス５としては、典型的にはアルゴンを用いることができるが、ヘリウム、ネオン、若しくは、キセノンなどの希ガス、又は、窒素を用いることも可能である。誘電体筒１９の内部には冷媒流路２０が設けられ、冷媒流路２０に冷媒を流して誘電体筒１９を冷却することにより、熱プラズマによる誘電体筒１９の過熱が防止される。冷媒としては、一般に純水を用いる。
【００５４】
熱プラズマノズル１８には噴出口Ｆが設けられ、熱プラズマノズル１８と基材２との間に、スリット形成部材のさらに別の例としてのノズルカバー１４Ｂが配置される。ノズルカバー１４Ｂの上部の中央部には、熱プラズマノズル１８の下端部外面の誘電体筒１９との間に空間２４Ｂをあけて熱プラズマノズル１８を保持する保持部１４ｅを有している。ノズルカバー１４Ｂの内部には冷媒流路１５が設けられ、冷媒流路１５に冷媒を流してノズルカバー１４を冷却することにより、熱プラズマによるノズルカバー１４の過熱が防止される。冷媒としては、一般に純水を用いる。ノズルカバー１４Ｂには、その下部に配置された一対の壁部１４ｄにより、長手方向沿いに線状スリット９Ｂが設けられ、線状スリット９Ｂは噴出口Ｆの下流に配置される。保持部１４ｅの下端には壁部１４ｄが接続されている。この各壁部１４ｄは、熱プラズマノズル１８の中心に近いほど、高くなるような円弧板壁状の凸部で構成されている。一対の円弧板状の凸部の壁部１４ｄ間には、一定間隔の線状スリット９Ｂが形成されている。円弧板壁状の凸部１４ｄは、円弧形状に限らず、三角形の山形状、多角形などでもよいとともに、熱プラズマノズル１の中心を境に、対称形状のほうが良い。
【００５５】
熱プラズマノズル１８の下端部の外側に配置されたノズルカバー１４Ｂの保持部１４ｅには、不活性ガス供給装置５７に接続されたガス導入口１６が設けられている。熱プラズマノズル１８の下端部と、その外側に配置されたノズルカバー１４Ｂの保持部１４ｅとの間には、空間２４Ｂが形成されており、空間２４Ｂはガス導入口１６と連通している。よって、不活性ガス供給装置５７から供給された不活性ガス１７が、ガス導入口１６から空間２４内に供給されて、熱プラズマノズル１８の下端部の外側で、かつ、ノズルカバー１４Ｂの保持部１４ｅの内側の空間２４を、線状スリット９Ｂに向かって下向きに流れるように構成されている。つまり、噴出口Ｆとガス導入口１６と線状スリット９を除いた空間が閉じた空間をなすよう配置されている。不活性ガス１５としては、典型的にはアルゴンを用いることができるが、ヘリウム、ネオン、若しくはキセノンなどの希ガス、又は、窒素を用いることも可能である。
【００５６】
このような構成において、ガス供給装置５０及び不活性ガス供給装置５７から不活性ガス５及び１７をそれぞれ流しながら、高周波電力供給用電源５１Ｂからコイル２１に高周波電力を供給することにより、熱プラズマジェット１０が発生する。そして、熱プラズマジェット１０のうち、ノズルカバー１４Ｂの線状スリット９Ｂを通過したエネルギー束が基材２の表面に作用し、基材２の表面近傍部分１１を熱処理する。このとき、熱プラズマノズル１８と線状スリット９Ｂとの距離（熱プラズマノズル１８の下端と、線状スリット９Ｂが一対の壁部１４ｄで形成される場合の一対の壁部１４ｄの最上端の位置との距離）及び線状スリット９Ｂと基材２との距離（線状スリット９Ｂが一対の壁部１４ｄで形成される場合のノズルカバー１４Ｂの底面に開口した線状スリット９Ｂの下端位置と、基材２の表面との距離）を一定に保ちながら、熱プラズマノズル１８と基材２とを線状スリット９Ｂの線方向（長手方向）と垂直な向きに（太い矢印の向きに）相対的に移動させることにより、基材２の表面近傍部分１１をごく短時間だけ均一に高温熱処理することができる。
【００５７】
このような熱プラズマノズル１８は誘導結合型熱プラズマ（ＩＣＴＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｌａｓｍａ）と呼ぶことができる。この方式においては、無電極であるため、電極からの熱電子放出によらない放電維持が可能で、空間を強力な誘導電界で電離する。したがって、電極を構成する材料による基材の汚染、又は、パーティクル（ダスト）が少なくなり、プラズマジェットの安定性が高く、エネルギー束の変動が小さいという利点がある。
【００５８】
以上述べた、第１〜第３実施形態にかかる熱プラズマ処理装置は、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、特開２００１−３１５１号公報に開示されているような、カソードトーチとアノードトーチを組合せたマルチトーチ熱プラズマ源の噴射口の下流に線状スリットを配置してもよい。あるいは、誘導結合型熱プラズマの上流に直流型熱プラズマを設けるハイブリッド型熱プラズマ源の噴射口の下流に線状スリットを配置してもよい。
【００５９】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明は、ＴＦＴ用半導体膜の結晶化又は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又は脱ガス低減、シリカ微粒子の集合体からなる誘電体層の表面平坦化又は脱ガス低減、種々の電子デバイスのリフローなど、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。
【符号の説明】
【００６１】
１，１Ａ 熱プラズマノズル
２ 基材
３ 電極棒
４ 電極筒
５ 不活性ガス
６ 冷媒流路
７ ノズルカバー
７ａ 板状部材
７ｂ 凸部
８ 冷媒流路
９，９Ａ,９Ｂ 線状スリット
１０ 熱プラズマジェット
１１ 基材の表面近傍部分
１２ Ｘ軸ガイド装置
１３ Ｙ軸ガイド装置
１４，１４Ｂ ノズルカバー
１４ａ，１４ｅ 保持部
１４ｂ，１４ｄ 壁部
１４ｃ 線状スリットの長さ方向の端部
１５ 冷媒流路
１６ ガス導入口
１７ 不活性ガス
１８ 熱プラズマノズル
１９ 誘電体筒
２０ 冷媒流路
２１ コイル
２２ 隙間
２３ 隙間
２４ 空間
５０ ガス供給装置
５１ 電源
５１Ｂ 高周波電力供給用電源
５３ 支持部材
５４ 台部材
５５ 移動装置
５６ Ｘ−Ｙ駆動装置
５７ 不活性ガス供給装置
Ｆ 噴出口
Ｈ，ＨＡ，ＨＢ，ＨＣ 線状スリットの高さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射口から熱プラズマジェットを発生させる熱プラズマノズルと、
前記熱プラズマノズル内に不活性ガスを供給するガス供給装置と、
前記熱プラズマノズルに電力を供給する電源と、
前記噴出口の下流に配置される線状スリットを有するスリット形成部材と、
前記熱プラズマノズルと前記線状スリットとの距離及び前記線状スリットと被処理物との距離を一定に保ちながら、前記熱プラズマノズルと前記被処理物とを相対的に移動させる移動機構を備えたことを特徴とする熱プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記線状スリットは、前記一対の凸部の間に形成されており、前記一対の凸部の高さが、前記熱プラズマノズルの中心に近いほど高いことを特徴とする、請求項１に記載の熱プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記熱プラズマノズルの外面側に、ガス導入口と前記線状スリットを備えたノズルカバーが設けられ、前記噴出口と前記ガス導入口と前記線状スリットを除いた空間が閉じた空間をなすよう配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記熱プラズマノズルが、電極棒と、冷媒流路を内部に備えた電極筒とで構成され、前記電源により、前記電極棒と前記電極筒との間に電力が供給されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記熱プラズマノズルが、誘電体筒と、前記誘電体筒の周囲に設けられたコイルとで構成され、前記電源により、前記コイルに電力が供給されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱プラズマ処理装置。
【請求項１】
噴射口から熱プラズマジェットを発生させる熱プラズマノズルと、
前記熱プラズマノズル内に不活性ガスを供給するガス供給装置と、
前記熱プラズマノズルに電力を供給する電源と、
前記噴出口の下流に配置される線状スリットを有するスリット形成部材と、
前記熱プラズマノズルと前記線状スリットとの距離及び前記線状スリットと被処理物との距離を一定に保ちながら、前記熱プラズマノズルと前記被処理物とを相対的に移動させる移動機構を備えたことを特徴とする熱プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記線状スリットは、前記一対の凸部の間に形成されており、前記一対の凸部の高さが、前記熱プラズマノズルの中心に近いほど高いことを特徴とする、請求項１に記載の熱プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記熱プラズマノズルの外面側に、ガス導入口と前記線状スリットを備えたノズルカバーが設けられ、前記噴出口と前記ガス導入口と前記線状スリットを除いた空間が閉じた空間をなすよう配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記熱プラズマノズルが、電極棒と、冷媒流路を内部に備えた電極筒とで構成され、前記電源により、前記電極棒と前記電極筒との間に電力が供給されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記熱プラズマノズルが、誘電体筒と、前記誘電体筒の周囲に設けられたコイルとで構成され、前記電源により、前記コイルに電力が供給されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱プラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−７１０１０（Ｐ２０１１−７１０１０Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２２３１２（Ｐ２００９−２２２３１２）
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【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２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【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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