(57)【要約】【課題】熱プラズマを安定的に着火させることができ、かつ、誘電体部材の絶縁破壊が起きにくい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】誘導結合型プラズマトーチユニットＴは、第一コイル３、第二コイル１３、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からなる。第一コイル３及び第二コイル１３は直列に接続される。第二周波数の第二ＡＣ電源３０より第一コイル３と第二コイル１３にＡＣ電力を供給してプラズマを発生させ、次いで、第二周波数よりも周波数が低い第一周波数の第一ＡＣ電源２９からのＡＣ電力に切替えることで、第一コイル３の電圧を下げ、誘電体部材の絶縁破壊を起きにくくする。【選択図】図５
2015099642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体で囲まれたチャンバと、チャンバの一部またはチャンバに連通した空間を挟んで配置された第一コイル及び第二コイルと、チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記第一コイルと第二コイルの両方、または第一コイルと第二コイルのいずれかに第一周波数のＡＣ電力を供給する第一ＡＣ電源とを備えたプラズマ処理装置であって、
前記第一コイルと第二コイルの両方、または第一コイルと第二コイルのいずれかに、前記第一周波数よりも周波数が高い第二周波数のＡＣ電力を供給する第二ＡＣ電源を備えたこと、
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記第一コイルと前記第二コイルが直列接続されている、
請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記第一コイルと前記第二コイルが並列接続されている、
請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記第一コイルに第一ＡＣ電源からのＡＣ電力が供給され、前記第二コイルに第二ＡＣ電源からのＡＣ電力が供給される構成である、
請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記第一周波数が１０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下、前記第二周波数が１ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ以下である、
請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記チャンバが、スリット状の開口部と連通している長尺チャンバであり、前記開口部と対向して基材を保持する基材載置部が配置され、前記長尺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、前記長尺チャンバと前記基材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、
請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記チャンバが、基材載置部がなす平面に対して垂直に配置されている、
請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
誘電体で囲まれたチャンバ内にガスを供給しつつ、チャンバの一部またはチャンバに連通した空間を挟んで第１の放電用コイル及び第２の放電用コイルが配置された状態で、前記第一コイルと第二コイルの両方、または第一コイルと第二コイルのいずれかにＡＣ電力を供給することで、前記チャンバ内にＡＣ電磁界を発生させてプラズマを発生させるプラズマ処理方法であって、
前記第一コイルと第二コイルの両方、または第一コイルと第二コイルのいずれかに、前記第一周波数よりも周波数が高い第二周波数のＡＣ電力を供給すること、
を特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
前記第二周波数のＡＣ電力を供給することによりプラズマを着火するステップと、前記第一周波数のＡＣ電力を供給するとともに前記第二周波数のＡＣ電力の供給を停止するステップと、前記第一周波数のＡＣ電力の大きさを増大するステップと、前記チャンバを基材に対して相対的に移動させて基材を処理するステップとを含む、
請求項８記載のプラズマ処理方法。
【請求項１０】
前記第二周波数のＡＣ電力を供給することによりプラズマを着火するステップと、前記第二周波数のＡＣ電力を増加するステップと、前記第一周波数のＡＣ電力を供給するとともに前記第二周波数のＡＣ電力の供給を停止するステップと、前記チャンバを基材に対して相対的に移動させて基材を処理するステップとを含む、
請求項９記載のプラズマ処理方法。
【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。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、このレーザー結晶化技術には継ぎ目が発生するなどの課題があり、また非常に高価な設備を要する。
【０００３】
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、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）。
【０００４】
誘導結合型プラズマトーチにおいては、プラズマの着火に工夫を要する。そこで、従来から種々の着火方法が検討されてきた。円筒チャンバの内部を真空にしてプラズマが起きやすい状態で着火させるもの（例えば、特許文献４を参照）、着火用のコイルを熱プラズマ発生用コイルとは別に設けるもの（例えば、特許文献５を参照）、着火用の金属棒を用いるもの（例えば、特許文献６を参照）が開示されている。
【０００５】
しかし、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、狭い空間を挟んで導体部材の高電圧部と低電圧部が向かい合う構造となっているため、特許文献４〜６記載のような特殊な着火方法を用いずとも、大気圧化で安定した着火を行うことができるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１２０６３３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１２０６８４号公報
【特許文献３】特開２０１３−１２０６８５号公報
【特許文献４】特開昭６１−６８９００号公報
【特許文献５】特開２００２−３４３５９９号公報
【特許文献６】特開平３−６７４９６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｔ．Ｏｋｕｍｕｒａ  ａｎｄ  Ｈ．Ｋａｗａｕｒａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５２（２０１３）０５ＥＥ０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、高電圧がかかる導電部材とプラズマの間に誘電体部材が配置されているため、熱処理性能を高めるために高周波電力を大きくすると、誘電体部材が絶縁破壊を起こすという問題点があった。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、プラズマを安定的に着火させることができ、かつ、誘電体部材の絶縁破壊が起きにくい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】
【００１０】
本願の第１発明のプラズマ処理装置は、誘電体で囲まれたチャンバと、チャンバの一部またはチャンバに連通した空間を挟んで配置された第一コイル及び第二コイルと、チャンバ内にガスを供給するガス導入口と、前記第一コイルと第二コイルの両方、または第一コイルと第二コイルのいずれかに第一周波数のＡＣ電力を供給する第一ＡＣ電源とを備えたプラズマ処理装置において、以下の特徴を有する。
【００１１】
第一コイルと第二コイルの両方、または第一コイルと第二コイルのいずれかに、前記第一周波数よりも周波数が高い第二周波数のＡＣ電力を供給する第二ＡＣ電源を備えたこと。
【００１２】
このような構成により、プラズマを安定的に着火させることができ、かつ、誘電体部材の絶縁破壊が起きにくくなる。
【００１３】
本願の第１発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記第一コイルと前記第二コイルが直列接続されていることが望ましい。
【００１４】
このような構成により、効率的なプラズマ発生が可能となる。
【００１５】
或いは、前記第一コイルと前記第二コイルが並列接続されていてもよい。
【００１６】
このような構成により、効率的なプラズマ発生が可能となる。
【００１７】
また、好適には、前記第一コイルに第一ＡＣ電源からのＡＣ電力が供給され、前記第二コイルに第二ＡＣ電源からのＡＣ電力が供給される構成とすることが望ましい。
【００１８】
このような構成により、プラズマを安定的に着火させることができ、かつ、誘電体部材の絶縁破壊が起きにくくなる。
【００１９】
また、好適には、前記第一周波数が１０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下、前記第二周波数が１ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ以下であることが望ましい。
【００２０】
このような構成により、プラズマを安定的に着火させることができ、かつ、誘電体部材の絶縁破壊が起きにくくなる。
【００２１】
また、好適には、前記チャンバが、スリット状の開口部と連通している長尺チャンバであり、前記開口部と対向して基材を保持する基材載置部が配置され、前記長尺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、前記長尺チャンバと前記基材とを相対的に移動可能とする移動機構を備えることが望ましい。
【００２２】
このような構成により、長尺の熱プラズマによる大面積のプラズマ処理が可能となる。
【００２３】
また、好適には、前記チャンバが、基材載置部がなす平面に対して垂直に配置されていることが望ましい。
【００２４】
このような構成により、より簡単な構成のプラズマ処理装置を実現できる。
【００２５】
本願の第２発明のプラズマ処理方法は、誘電体で囲まれたチャンバ内にガスを供給しつつ、チャンバの一部またはチャンバに連通した空間を挟んで第１の放電用コイル及び第２の放電用コイルが配置された状態で、前記第一コイルと第二コイルの両方、または第一コイルと第二コイルのいずれかにＡＣ電力を供給することで、前記チャンバ内にＡＣ電磁界を発生させてプラズマを発生させるプラズマ処理方法において、以下の特徴を有する。
【００２６】
第一コイルと第二コイルの両方、または第一コイルと第二コイルのいずれかに、前記第一周波数よりも周波数が高い第二周波数のＡＣ電力を供給すること。
【００２７】
このような構成により、プラズマを安定的に着火させることができ、かつ、誘電体部材の絶縁破壊が起きにくくなる。
【００２８】
本願の第２発明のプラズマ処理方法において、好適には、前記第二周波数のＡＣ電力を供給することによりプラズマを着火するステップと、前記第一周波数のＡＣ電力を供給するとともに前記第二周波数のＡＣ電力の供給を停止するステップと、前記第一周波数のＡＣ電力の大きさを増大するステップと、前記チャンバを基材に対して相対的に移動させて基材を処理するステップとを含むことが望ましい。
【００２９】
このような構成により、プラズマを安定的に着火させることができ、かつ、誘電体部材の絶縁破壊が起きにくくなる。
【００３０】
或いは、前記第二周波数のＡＣ電力を供給することによりプラズマを着火するステップと、前記第二周波数のＡＣ電力を増加するステップと、前記第一周波数のＡＣ電力を供給するとともに前記第二周波数のＡＣ電力の供給を停止するステップと、前記チャンバを基材に対して相対的に移動させて基材を処理するステップとを含む構成としてもよい。
【００３１】
このような構成により、プラズマを安定的に着火させることができ、かつ、誘電体部材の絶縁破壊が起きにくくなる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、プラズマを安定的に着火させることができ、かつ、誘電体部材の絶縁破壊が起きにくいプラズマ処理装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【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１における整合回路の構成を示す回路図
【図４】本発明の実施の形態１におけるインバータ等の構成を示す回路図
【図５】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６】本発明の実施の形態１におけるフィルタ等の構成を示す回路図
【図７】本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理装置の構成を示す斜視図
【図８】本発明の実施の形態３におけるプラズマ処理装置の構成を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
（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６を参照して説明する。
【００３６】
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Ｔの長尺方向に垂直な面で切った断面図である。図１（ｂ）は、誘導結合型プラズマトーチユニットの長尺方向に平行で、かつ、基材に垂直な面で切った断面図である。図１（ａ）は図１（ｂ）の破線で切った断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の破線で切った断面図、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。
【００３７】
図１及び図２において、基材１上に薄膜２が形成されている。誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、導体製の第一コイル３が誘電体製の第一セラミックブロック４の近傍に配置される。第一コイル３は、断面が円形の銅管を、断面が直方体の銅ブロックに接着したものである。第一セラミックブロック４、第二セラミックブロック５及び基材１の表面をなす薄膜２によって囲まれた空間により、誘電体製で長尺のチャンバ７が画定される。
【００３８】
チャンバ７は、基材１がなす面に垂直な面に沿って設けられている。また、第一コイル３の中心軸は、基材１に平行で、かつ、チャンバ７を含む平面に垂直な向きになるよう構成される。すなわち、第一コイル３の一巻きが構成する面は基材１がなす面に垂直な面に沿って、かつ、チャンバ７を含む平面に沿って設けられている。
【００３９】
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。
【００４０】
チャンバ７は、第一セラミックブロック４の一つの平面と、第二セラミックブロック５に設けた溝に囲まれている。また、これらの誘電体部材としての２つの誘電体ブロックは貼り合わされている。つまり、チャンバ７は、開口部８以外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、円形に限定されるものではない。
【００４１】
本実施の形態においては、長方形（２つの長辺をなす直線部と、その両端に２つの短辺をなす直線が連結されてなる、一続きの閉じたヒモ状の形状）のチャンバ７を例示している。チャンバ７に発生したプラズマＰは、チャンバ７における長尺で線状の開口部８において、基材１の表面をなす薄膜２に接触する。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。
【００４２】
第二セラミックブロック５の内部にプラズマガスマニホールド９が設けられている。プラズマガス供給配管１０よりプラズマガスマニホールド９に供給されたガスは、第二セラミックブロック５に設けられたガス導入部としてのプラズマガス供給穴１１（貫通穴）を介して、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。
【００４３】
プラズマガス供給穴１１は、長尺のスリットであるが、丸い穴状のものを長手方向に複数設けたものであってもよい。
【００４４】
基材１は、基材載置部としての基材ホルダ１２上に載置される。基材ホルダ１２には、基材１の外形とほぼ相似形でわずかに小さい貫通穴と、基材１の外形とほぼ相似形でわずかに大きい座グリ部とが設けられ、基材１をこの座グリ部に載せることで、基材ホルダ１２の誘導結合型プラズマトーチユニットＴに対向する側の面の座グリ部よりも外側の部分と、基材１の表面とがほぼ同一面を構成するよう、座グリ部の深さは基材１の厚さとほぼ等しく構成される。
【００４５】
このような構成とすることで、基材ホルダ１２を誘導結合型プラズマトーチユニットＴに対して相対的に移動させたとき、基材ホルダ１２の位置にかかわらず、プラズマを発生させる空間たるチャンバ７の形状がほぼ一定となる。つまり、移動にともなうプラズマの揺動を抑えることができる。
【００４６】
導体製の第二コイル１３が第二セラミックブロック５の近傍に配置される。第二コイル１３は、第一コイル３同様、断面が円形の銅管を、断面が直方体の銅ブロックに接着したものである。また、第二コイル１３の中心軸は、基材１に平行で、かつ、チャンバ７を含む平面に垂直な向きになるよう構成される。すなわち、第二コイル１３の一巻きが構成する面は基材１がなす面に垂直な面に沿って、かつ、チャンバ７を含む平面に沿って設けられている。
【００４７】
第一コイル３及び第二コイル１３内の銅管の内部は冷媒流路となっている。また、その外側に接着された銅ブロックは、接着剤（図示しない）によって第一セラミックブロック４または第二セラミックブロック５に接着されている。このように、第一コイル３及び第二コイル１３の断面を直方体とすることで、第一セラミックブロック４または第二セラミックブロック５との間の接着剤をできるだけ薄くすることができるので、良好な熱伝導が確保される。従って、第一コイル３及び第二コイル１３を構成する銅管に水などの冷媒を流すことで、第一コイル３、第二コイル１３、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の冷却が可能である。
【００４８】
長方形の線状の開口部８が設けられ、基材１（或いは、基材１上の薄膜２）は、開口部８と対向して配置されている。事前に、チャンバ７内にガスを供給しつつ、開口部８からガスを噴出させながら、図示していないＡＣ電源としての高周波電源より第一コイル３及び第二コイル１３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を発生させておき、その後、基材１を誘導結合型プラズマトーチユニットＴの近傍に移動させ、開口部８付近のプラズマを基材１の表面をなす薄膜２に曝露する。その結果、基材１上の薄膜２をプラズマ処理することができる。
【００４９】
高周波電力の供給方法については後に詳細を述べる。開口部８の長手方向に対して垂直な向きに、チャンバ７と基材１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（ａ）の左右方向へ、図１（ｂ）の紙面に垂直な方向へ、誘導結合型プラズマトーチユニットＴまたは基材１を動かす。
【００５０】
チャンバ７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）。
【００５１】
プラズマ発生の条件としては、走査速度＝５０〜３０００ｍｍ／ｓ、プラズマガス総流量＝１〜１００ＳＬＭ、Ａｒ＋Ｈ2ガス中のＨ2濃度＝０〜１０％、高周波電力＝０．５〜５０ｋＷ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。
【００５２】
このように、開口部８の長手方向と、基材１とが平行に配置されたまま、開口部８の長手方向とは垂直な向きに、チャンバ７と基材１とを相対的に移動するので、図１（ｂ）に示すように、生成すべきプラズマの長さと、基材１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。
【００５３】
また、プラズマＰにおいて温度、電子密度、活性粒子密度の高い部分を基材１の表面に曝露させるので、高速な処理、或いは、高温処理が可能となる。
【００５４】
第一コイル３には、第一周波数のＡＣ電力を供給する第一ＡＣ電源と、第一周波数よりも周波数が高い第二周波数のＡＣ電力を供給する第二ＡＣ電源を接続する。図３は、周波数４ＭＨｚの第二ＡＣ電源と第一コイル３との間に設けられる、インピーダンスマッチング用の整合回路１８の構成を示す回路図である。
【００５５】
図３において、入力端子１９と高周波電源とが同軸ケーブルで接続される。出力端子２０は、後に述べるようにフィルタ回路を介して第一コイル３に接続される。入力端子１９と接地電位との間に第一可変コンデンサ２１が接続され、入力端子１９と出力端子２０との間に第二可変コンデンサ２２と整合用固定コイル２３が直列に接続される。
【００５６】
図４は、周波数１００ｋＨｚの第一ＡＣ電源の構成を示すインバータ等の回路図である。図４において、商用電源２４から供給された電力が、インバータ回路２５により周波数可変のＡＣ電力に変換され、トランス２６を介して出力端子２７及び２８から電力が出力される。出力端子２７は、後に述べるようにフィルタ回路を介して第一コイル３に接続される。出力端子２８は接地される。出力されるＡＣ電力の周波数は、インバータ２５によって可変となっており（１００ｋＨｚは典型値）、負荷でできるだけ多くの電力が消費されるよう負荷インピーダンスに応じて調整される。
【００５７】
図５は、図１〜図２に示した誘導結合型プラズマトーチユニットＴを組立てた状態を示す斜視図である。図５において、第一コイル３の一端１４が、第一ＡＣ電源２９及び第二ＡＣ電源３０に接続される。
【００５８】
ここでは、整合回路やフィルタは省略している。第一コイル３の他端１５は、第二コイル１３の一端１７に接続され、他端１６は接地される。ここでは、第一コイル３の一巻きが構成する面は基材１がなす面に垂直な面に沿って、かつ、チャンバ７を含む平面に沿って設けられている。また、第一コイル３は、第一セラミックブロック４の外側、第二セラミックブロック５の外側に各一つずつ配置され、かつ、チャンバ７から離れた位置で直列に接続され、高周波電力を印加した際にチャンバ７に発生させる高周波電磁界の向きが互いに等しくなるようになっている。
【００５９】
第一コイル３は、これら二つのうちのどちらか一方だけでも機能しうるが、本実施の形態のように、チャンバ７を挟んで二つを設けた方が、チャンバ７内に発生する電磁界の強度を強めることができるという利点がある。
【００６０】
図６は、フィルタ等の構成を示す回路図である。第一ＡＣ電源２９は、図４で示した回路全体を意味する。第一ＡＣ電源２９の出力端子２７とフィルタ３１の出力端子３２の間に、直列にインダクタ３３が接続される。出力端子３２と接地電位との間に、キャパシタ３４が接続される。出力端子３２は、第一コイル３の一端１４に接続される。インダクタ３３及びキャパシタ３４は、周波数の低い第一ＡＣ電力を出力端子３２から第一コイル３に供給しつつ、周波数の高いＡＣ電力が第一ＡＣ電源２９に入るのを防ぐローパスフィルタとしての役割をもつ。
【００６１】
一方、第二ＡＣ電源３０は整合回路１８を介して、フィルタ３１の出力端子３２の間に、直列にキャパシタ３５が接続される。出力端子３２と接地電位との間には、インダクタ３６が接続される。キャパシタ３５及びインダクタ３６は、周波数の高い第二ＡＣ電力を出力端子３２から第一コイル３に供給しつつ、周波数の低いＡＣ電力が第二ＡＣ電源３０に入るのを防ぐハイパスフィルタとしての役割をもつ。
【００６２】
このような構成の誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいては、狭い空間（チャンバ７）を挟んで、導体部材の高電圧部たる第一コイル３と低電圧部たる第二コイル１３が向かい合う構造となっているので、周波数４ＭＨｚの第二高周波電力を第一コイル３に供給することで第一コイル３に高電圧を生じさせることができれば、チャンバ７の全周に渡って高電界が生じ、プラズマが着火する。一般に誘導結合型プラズマトーチにおいては、容量結合モードでプラズマを着火させた後、誘導結合モードへのモードジャンプを経て運転される。
【００６３】
モードジャンプとは、プラズマが低温・低電子密度の容量結合モードと高温・高電子密度の誘導結合モードとの間で不連続な状態変化を起こす現象を指す。大気圧下における容量結合モードの放電は、狭ギャップにおいて起きやすいことから、本構成においては、従来例の特許文献４〜６記載のような特殊な着火方法を用いずとも、比較的容易に容量結合モードのプラズマが得られる。
【００６４】
ここで、第一コイル３に生じる高周波電圧について考察してみる。第一コイル３のインダクタンスは、第一コイル３の形状に依存するが、例えばＬ＝１．７μＨである。コイルのインピーダンスはＺ＝２πｆＬ＝４３Ωとなる（ｆは周波数）。また、整合回路１８の出力端子２０から負荷側（第一コイル３の側）を見たときのインピーダンスの実部は、第一コイル３の形状や誘導結合型プラズマトーチユニットＴの構造に依存するが、例えばＲ＝１０Ωである。
【００６５】
従って、例えば、Ｐ＝３０ｋＷで運転したときに第一コイル３に流れる電流は、Ｉ＝（Ｐ／Ｒ）1/2＝５５Ａである。従って、第一コイル３の端子間電圧は、Ｖ＝ＺＩ＝２．４ｋＶとなる。
【００６６】
ここでは、第二ＡＣ電力の周波数が４ＭＨｚの場合を例示したが、周波数が高いほど第一コイル３の端子間電圧は高くなるので、大気圧化で安定した着火を行うことができる。しかしながら、誘電体部材たる第一セラミックブロック４や第二セラミックブロック５に用いられる、アルミナ、窒化珪素などのセラミックス材料の耐電圧は１０ｋＶ／ｍｍのオーダーであるから、第一セラミックブロック４や第二セラミックブロック５の冷却効率を高めるためにその厚さを小さくすると、絶縁破壊が起きる危険がある。このように、高い周波数で駆動すると、着火性は良くなる反面、絶縁破壊のリスクが高くなる。
【００６７】
また、基材１にトランジスタなどの微小な電子デバイスが形成されている場合、誘導結合型プラズマトーチユニットＴがこれら電子デバイスの近傍を通過することになるため、トランジスタの閾値電圧シフトや絶縁不良が生じるなど、高周波電磁界の照射によってその機能が破壊されることがある。つまり、基材１へのダメージが生じる恐れがある。
【００６８】
以上の考察から、駆動周波数が高いほどプラズマの着火は容易だが、絶縁破壊やダメージの恐れがある。
【００６９】
そこで、本実施の形態においては、次のような運転シーケンスを採用する。まず、４ＭＨｚの第二ＡＣ電力を第一コイル３及び第二コイル１３に供給し、容量結合モードにてプラズマを着火する。次いで、１００ｋＨｚの第一ＡＣ電力を第一コイル３及び第二コイル１３に供給する。次に、第二ＡＣ電力の供給を停止する。このとき、既に着火したプラズマは失火せず、容量結合モードにて維持されるのに十分な大きさの第一ＡＣ電力としておく。次いで、第一ＡＣ電力の電力を大きくし、誘導結合モードへのモードジャンプを行い、必要な電力値に調整後、基材１を走査して基材１の処理を行う。
【００７０】
或いは、次のようなシーケンスも可能である。まず、４ＭＨｚの第二ＡＣ電力を第一コイル３及び第二コイル１３に供給し、容量結合モードにてプラズマを着火する。次いで、第二ＡＣ電力の電力を大きくし、誘導結合モードへのモードジャンプを行う。次に、１００ｋＨｚの第一ＡＣ電力を第一コイル３及び第二コイル１３に供給する。次に、第二ＡＣ電力の供給を停止する。このとき、既に誘導結合モードに移行したプラズマがそのまま誘導結合モードにて維持されるのに十分な大きさの第一ＡＣ電力としておく。第一ＡＣ電力の大きさを必要な電力値に調整後、基材１を走査して基材１の処理を行う。
【００７１】
或いは、次のようなシーケンスも可能である。まず、４ＭＨｚの第二ＡＣ電力を第一コイル３及び第二コイル１３に供給し、容量結合モードにてプラズマを着火する。次いで、第二ＡＣ電力の電力を大きくし、誘導結合モードへのモードジャンプを行う。次に、１００ｋＨｚの第一ＡＣ電力を第一コイル３及び第二コイル１３に供給する。次に、徐々に第二ＡＣ電力を小さくしつつ、徐々に第一ＡＣ電力を大きくしていき、誘導結合モードに移行したプラズマがそのまま誘導結合モードにて維持されたまま、徐々に第二ＡＣ電力から第一ＡＣ電力による運転へと移行していく。最終的には第二ＡＣ電力の供給を停止し、第一ＡＣ電力の大きさを必要な電力値に調整後、基材１を走査して基材１の処理を行う。
【００７２】
或いは、次のようなシーケンスも可能である。まず、４ＭＨｚの第二ＡＣ電力を第一コイル３及び第二コイル１３に供給し、容量結合モードにてプラズマを着火する。次いで、１００ｋＨｚの第一ＡＣ電力を第一コイル３及び第二コイル１３に供給する。そのまま第一ＡＣ電力の電力を大きくし、誘導結合モードへのモードジャンプを行う。次に、第二ＡＣ電力の供給を停止する。第一ＡＣ電力の大きさを必要な電力値に調整後、基材１を走査して基材１の処理を行う。
【００７３】
以上述べた以外にも、種々のシーケンス上の工夫が可能である。
【００７４】
このように、本実施の形態によれば、高い駆動周波数を用いたプラズマの着火容易性と、低い駆動周波数を用いた耐絶縁破壊性・耐ダメージ性の両立を図ることができる。従って、従来例よりも大きい電力での運転が可能となり、処理の高速化が実現できる。
【００７５】
また、プラズマの発生を検知するプラズマ発生検知装置、例えば、プラズマの発光を捉えるためのフォトダイオード、トーチの温度を捉える温度計、ダミー基板や基材ホルダの温度を捉える温度計などを設けておき、プラズマの発生や誘導結合モードへのモードジャンプを検知した結果に基づいて第二ＡＣ電力から第一ＡＣ電力への切り替えを制御する制御ユニット（図示しない）を備えてもよい。
【００７６】
第一ＡＣ電力の周波数、すなわち第一周波数は１０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下、第二ＡＣ電力の周波数、すなわち第二周波数は１ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ以下であることが望ましい。１０ｋＨｚより低い周波数では、誘導結合モードのプラズマ維持が困難である。１ＭＨｚより高い周波数では、上述した低周波駆動の利点が得られない。一方、１ＭＨｚ以上の周波数では、プラズマの着火が容易となるが、３０ＭＨｚより高いと、第一コイル３及び第二コイル１３のインダクタンスが高すぎてインピーダンス整合が極めて困難となる。
【００７７】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図７を参照して説明する。
【００７８】
図７は本発明の実施の形態２における、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを組立てた状態を示す斜視図である。図７において、第一コイル３の一端１４及び第二コイル１３の一端１７に、第一ＡＣ電源２９及び第二ＡＣ電源３０が接続される。第一コイル３の他端１５及び第二コイル１３の他端１６は接地される。つまり、第一コイル３と第二コイル１３が並列接続されている。
【００７９】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。第一コイル３及び第二コイル１３の合成インダクタンスが実施の形態１よりも小さくなるので、コイルの電圧（第一コイル３の端子間電圧など）が小さくなるという利点がある。
【００８０】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図８を参照して説明する。
【００８１】
図８は本発明の実施の形態３における、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを組立てた状態を示す斜視図である。図８において、第一コイル３の一端１４に第一ＡＣ電源２９が接続され、第二コイル１３の一端１６に、第二ＡＣ電源３０が接続される。第一コイル３の他端１５及び第二コイル１３の他端１７は接地される。
【００８２】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。第二ＡＣ電源の負荷が第一コイル３のみとなるので、第二ＡＣ電源からみた負荷インダクタンスが実施の形態１よりも小さくなるので、コイルの電圧（第一コイル３の端子間電圧など）が小さくなるという利点がある。
【００８３】
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。
【００８４】
例えば、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、基材ホルダ１２を走査するものを例示したが、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に対して走査してもよい。
【００８５】
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。その結果、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。更に、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、半導体デバイスのＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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プラズマガスの周辺に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。
【００９１】
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。
【００９２】
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、極薄の酸化膜形成などが可能となる。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。
【００９３】
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。本発明の構成は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効率よく処理することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
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、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、半導体デバイスのＲＴＰ、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、様々な表面処理に有用な発明である。
【００９５】
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。
【符号の説明】
【００９６】
Ｔ  誘導結合型プラズマトーチユニット
１  基材
２  薄膜
３  第一コイル
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  プラズマガスマニホールド
１０  プラズマガス供給配管
１１  プラズマガス供給穴
１３  第二コイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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