(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体材料で構成された内管及び外管からなる二重管と、金属材料で構成されたスリット状のプラズマ噴出口からなる筒状チャンバと、筒状チャンバ内にガスを供給するガス噴出口と、筒状チャンバの外側に設けられ、筒状チャンバ内に高周波電磁界を発生させるソレノイドコイルと、ソレノイドコイルに高周波電力を供給する高周波電源と、内管と外管の間に冷媒を流す冷却装置と、基材載置台とを備えた、誘導結合型プラズマを利用したプラズマ処理装置であって、
内管の内側の形状は、内管の外側の形状よりも扁平であり、かつ、外管が円筒形状または楕円筒形状で構成され、プラズマ噴出口の長手方向と基材載置台とが平行に配置されたまま、プラズマ噴出口の長手方向とは垂直な向きに、筒状チャンバと基材載置台とを相対的に移動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】
内管、外管とも円筒形状である、請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
内管の内側が直方体形状であり、内管の外側が円筒形状または楕円筒形状である、請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
内管の内側が楕円筒形状であり、内管の外側が円筒形状である、請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
絶縁体材料で構成された内管及び外管からなる二重管と、金属材料で構成されたスリット状のプラズマ噴出口からなる筒状チャンバと、筒状チャンバ内にガスを供給するガス噴出口と、筒状チャンバの外側に設けられ、筒状チャンバ内に高周波電磁界を発生させるソレノイドコイルと、ソレノイドコイルに高周波電力を供給する高周波電源と、内管と外管の間に冷媒を流す冷却装置と、基材載置台とを備えた、誘導結合型プラズマを利用したプラズマ処理装置であって、
外管が円筒形状または楕円筒形状であり、内管の内部に梁を備え、プラズマ噴出口の長手方向と基材載置台とが平行に配置されたまま、プラズマ噴出口の長手方向とは垂直な向きに、筒状チャンバと基材載置台とを相対的に移動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６】
内管の内側及び外側が直方体形状である、請求項５記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
絶縁体材料で構成され、内側の形状が外側の形状よりも扁平である内管、及び、円筒形状または楕円筒形状の外管からなる二重管と、
金属材料で構成されたスリット状のプラズマ噴出口からなる筒状チャンバ内にガスを供給しつつ、スリット状のプラズマ噴出口から基材載置台に載置された基材に向けてガスを噴出させながら、内管と外管の間に冷媒を流しつつ、筒状チャンバの外側に設けられたソレノイドコイルに高周波電力を供給することにより、筒状チャンバ内に高周波電磁界を発生させて、筒状チャンバ内にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口からプラズマを基材に照射するに際して、プラズマ噴出口の長手方向とは垂直な向きに、筒状チャンバと基材載置台とを相対的に移動しながら基材表面を熱処理すること、
を特徴とする誘導結合型プラズマを利用したプラズマ処理方法。
【請求項８】
内管、外管とも円筒形状である、請求項７記載のプラズマ処理方法。
【請求項９】
内管の内側が直方体形状であり、内管の外側が円筒形状または楕円筒形状である、請求項７記載のプラズマ処理方法。
【請求項１０】
内管の内側が楕円筒形状であり、内管の外側が円筒形状である、請求項７記載のプラズマ処理方法。
【請求項１１】
絶縁体材料で構成され、内部に梁を備えた内管、及び、円筒形状または楕円筒形状の外管からなる二重管と、
金属材料で構成されたスリット状のプラズマ噴出口からなる筒状チャンバ内にガスを供給しつつ、スリット状のプラズマ噴出口から基材載置台に載置された基材に向けてガスを噴出させながら、内管と外管の間に冷媒を流しつつ、筒状チャンバの外側に設けられたソレノイドコイルに高周波電力を供給することにより、筒状チャンバ内に高周波電磁界を発生させて、筒状チャンバ内にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口からプラズマを基材に照射するに際して、プラズマ噴出口の長手方向とは垂直な向きに、筒状チャンバと基材載置台とを相対的に移動しながら基材表面を熱処理すること、
を特徴とする誘導結合型プラズマを利用したプラズマ処理方法。
【請求項１２】
内管の内側及び外側が直方体形状である、請求項１１記載のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマを基材に照射して基材を処理する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。
【０００４】
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おこなうために、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。
【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おこな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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
図１５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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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２３）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）。
【００１５】
図１６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１６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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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）。
【００１９】
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）。
【００２０】
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）。
【００２１】
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）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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【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
【非特許文献】
【００２３】
【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】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【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】
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、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】
【００３２】
本願の第１発明のプラズマ処理装置は、絶縁体材料で構成された内管及び外管からなる二重管と、金属材料で構成されたスリット状のプラズマ噴出口からなる筒状チャンバと、筒状チャンバ内にガスを供給するガス噴出口と、筒状チャンバの外側に設けられ、筒状チャンバ内に高周波電磁界を発生させるソレノイドコイルと、ソレノイドコイルに高周波電力を供給する高周波電源と、内管と外管の間に冷媒を流す冷却装置と、基材載置台とを備えた、誘導結合型プラズマを利用したプラズマ処理装置であって、内管の内側の形状は、内管の外側の形状よりも扁平であり、かつ、外管が円筒形状または楕円筒形状で構成され、プラズマ噴出口の長手方向と基材載置台とが平行に配置されたまま、プラズマ噴出口の長手方向とは垂直な向きに、筒状チャンバと基材載置台とを相対的に移動する移動機構を備えたことを特徴とする。
【００３３】
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。とくに、内管の内側の形状を、内管の外側の形状よりも扁平とすることで、内管の機械的強度を高めつつ、筒状チャンバの体積を小さくできるため、冷媒を多量に流しながら、プラズマ生成効率を高めることができる。
【００３４】
本願の第１発明のプラズマ処理装置において、内管、外管とも円筒形状であってもよい。
【００３５】
また、この場合、好適には、内管の内側が直方体形状であり、内管の外側が円筒形状または楕円筒形状であることが望ましい。
【００３６】
このような構成により、プラズマ生成効率をさらに高めることができる。
あるいは、内管の内側が楕円筒形状であり、内管の外側が円筒形状であってもよい。
このような構成により、内管の機械的強度をある程度高めつつ、プラズマ生成効率を高めることができる。
【００３７】
本願の第２発明のプラズマ処理装置は、絶縁体材料で構成された内管及び外管からなる二重管と、金属材料で構成されたスリット状のプラズマ噴出口からなる筒状チャンバと、筒状チャンバ内にガスを供給するガス噴出口と、筒状チャンバの外側に設けられ、筒状チャンバ内に高周波電磁界を発生させるソレノイドコイルと、ソレノイドコイルに高周波電力を供給する高周波電源と、内管と外管の間に冷媒を流す冷却装置と、基材載置台とを備えた、誘導結合型プラズマを利用したプラズマ処理装置であって、外管が円筒形状または楕円筒形状であり、内管の内部に梁を備え、プラズマ噴出口の長手方向と基材載置台とが平行に配置されたまま、プラズマ噴出口の長手方向とは垂直な向きに、筒状チャンバと基材載置台とを相対的に移動する移動機構を備えたことを特徴とする。
【００３８】
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。とくに、内管の内部に梁を備えたことで、内管の機械的強度を高めることができる。
【００３９】
このとき、内管の内側及び外側が直方体形状であってもよい。このような構成により、内管の冷却効率を高めることができる。
【００４０】
本願の第３発明のプラズマ処理方法は、絶縁体材料で構成され、内側の形状が外側の形状よりも扁平である内管、及び、円筒形状または楕円筒形状の外管からなる二重管と、金属材料で構成されたスリット状のプラズマ噴出口からなる筒状チャンバ内にガスを供給しつつ、スリット状のプラズマ噴出口から基材載置台に載置された基材に向けてガスを噴出させながら、内管と外管の間に冷媒を流しつつ、筒状チャンバの外側に設けられたソレノイドコイルに高周波電力を供給することにより、筒状チャンバ内に高周波電磁界を発生させて、筒状チャンバ内にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口からプラズマを基材に照射するに際して、プラズマ噴出口の長手方向とは垂直な向きに、筒状チャンバと基材載置台とを相対的に移動しながら基材表面を熱処理することを特徴とする。
【００４１】
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。とくに、内管の内側の形状を、内管の外側の形状よりも扁平とすることで、筒状チャンバの体積を小さくできるため、冷媒を多量に流しながら、プラズマ生成効率を高めることができる。
【００４２】
本願の第２発明のプラズマ処理方法において、内管、外管とも円筒形状であってもよい。
【００４３】
また、この場合、好適には、内管の内側が直方体形状であり、内管の外側が円筒形状または楕円筒形状であることが望ましい。
【００４４】
このような構成により、プラズマ生成効率をさらに高めることができる。
【００４５】
あるいは、内管の内側が楕円筒形状であり、内管の外側が円筒形状であってもよい。
このような構成により、内管の機械的強度をある程度高めつつ、プラズマ生成効率を高めることができる。
【００４６】
本願の第４発明のプラズマ処理方法は、絶縁体材料で構成され、内部に梁を備えた内管、及び、円筒形状または楕円筒形状の外管からなる二重管と、金属材料で構成されたスリット状のプラズマ噴出口からなる筒状チャンバ内にガスを供給しつつ、スリット状のプラズマ噴出口から基材載置台に載置された基材に向けてガスを噴出させながら、内管と外管の間に冷媒を流しつつ、筒状チャンバの外側に設けられたソレノイドコイルに高周波電力を供給することにより、筒状チャンバ内に高周波電磁界を発生させて、筒状チャンバ内にプラズマを発生させ、プラズマ噴出口からプラズマを基材に照射するに際して、プラズマ噴出口の長手方向とは垂直な向きに、筒状チャンバと基材載置台とを相対的に移動しながら基材表面を熱処理することを特徴とする。
【００４７】
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。とくに、内管の内部に梁を備えたことで、内管の機械的強度を高めることができる。
【００４８】
本願の第４発明のプラズマ処理方法において、内管の内側及び外側が直方体形状であってもよい。
【００４９】
このような構成により、内管の冷却効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００５０】
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、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】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態１における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態１における熱プラズマ処理装置の構成を示す斜視図
【図４】本発明の実施の形態２における熱プラズマ処理装置の構成を示す斜視図
【図５】本発明の実施の形態２における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図６】本発明の実施の形態２における熱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３における熱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における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図９】本発明の実施の形態３における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図１０】本発明の実施の形態４における熱プラズマ処理装置の構成を示す斜視図
【図１１】本発明の実施の形態４における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図１２】本発明の実施の形態４における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図１３】本発明の実施の形態５における熱プラズマ処理装置の構成を示す斜視図
【図１４】本発明の実施の形態５における熱プラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図１５】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１６】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】
【００５２】
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。
【００５３】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜図３を参照して説明する。
【００５４】
図１、２は本発明の実施の形態１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は、スリット状のプラズマ噴出口の長手方向と垂直な面で切った断面図である。また、図２は、スリット状のプラズマ噴出口の長手方向と平行な面で切った断面図である。
【００５５】
図１、２において、誘導結合型プラズマトーチユニットの基幹部となる筒状チャンバは、絶縁体材料で構成された内管１及び外管２からなる二重管と、二重管を支持するための、金属材料で構成された蓋３、４と、蓋３に固定されたカバー５と、カバー５に挿入されたガスノズル６と、蓋４に固定され、金属材料で構成されたプラズマノズル７とからなる。ガスノズル６には、プラズマガス供給孔８が設けられている。カバー５には、シースガスマニホールド９と、シースガスマニホールド９に連通するシースガス噴出口１０が設けられている。プラズマノズル７には、シールドガスマニホールド１１と、シールドガスマニホールド１１に連通するシールドガス噴出口１２が設けられている。ガスノズル６には、冷媒流路１３が設けられており、蓋４とプラズマノズル７に形成された溝から構成された冷媒流路１４が設けられている。蓋４には、冷媒流路１４に連通する冷媒噴出口１５が設けられ、蓋３には、冷媒吸入口１６と、冷媒吸入口１６に連通する冷媒流路１７が設けられている。冷媒流路１７は、蓋３に形成された溝とカバー５から構成されている。筒状チャンバの外側には、筒状チャンバ内に高周波電磁界を発生させるソレノイドコイル１８が設けられている。図中、黒い丸印は、ガスまたは冷媒を遮断するためのオーリングである。
【００５６】
図３は、図１、２とは上下を逆にして、内管１、外管２、蓋３、４、プラズマノズル７の組合せ状態を示す斜視図である。詳細部は省略して描いている。内管１、外管２ともに円筒形状である。
【００５７】
基材載置台１９上に基材２０が載置された状態で、筒状チャンバ内に、プラズマガス供給孔８、シースガス噴出口１０よりガスを供給しつつ、長方形のスリット状のプラズマ噴出口２１から基材２０に向けてガスを噴出させながら、シールドガス噴出口１２よりガスを供給しつつ、図示していない高周波電源より、筒状チャンバの外側に設けられたソレノイドコイル１８に高周波電力を供給することにより、筒状チャンバ内にプラズマＰを発生させ、プラズマ噴出口２１からプラズマＰを基材２０に照射する。
【００５８】
プラズマ噴出口２１の長手方向と基材載置台１９とが平行に配置されたまま、プラズマ噴出口２１の長手方向とは垂直な向き（図１における紙面と平行な向き、図２における紙面とは垂直な向き）に、筒状チャンバを含むプラズマトーチユニットと基材載置台１９とを相対的に移動しながら基材表面を熱処理することができる。このようにして、基材２０の表面近傍２２を均一に熱処理することができる。なお、図１及び２において、ガスの流れを実線の矢印で示している。
【００５９】
熱処理を行う際には、数千度以上の高温となるプラズマＰから保護するために、各部に冷媒を流して冷却する必要がある。図示しない冷却装置としての冷媒循環装置から供給された冷媒、たとえば冷却水は、プラズマノズル７内の冷媒流路１４に導入され、冷媒噴出口１５を通って内管１と外管２の間を流れ、冷媒吸入口１６を通って蓋３内の冷媒流路１７に達したのち、図示しない配管を通じて冷媒循環装置に帰還する。ガスノズル６内も、冷媒流路１３に冷却水を流すことによって冷却される。
【００６０】
また、ソレノイドコイル１８は、内管１及び外管２と同軸に配置された螺旋形の銅管であり、内部に冷却水を流して冷却する構成である。なお、図１及び２において、冷却水の流れを破線の矢印で示している。
【００６１】
このような熱プラズマ処理装置において、筒状チャンバ内にガス噴出口よりＡｒまたはＡｒ＋Ｈ２ガスを供給しつつ、プラズマ噴出口２１から基材２０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、ソレノイドコイル１８に供給することにより、筒状チャンバ内にプラズマＰを発生させ、プラズマ噴出口２１からプラズマＰを基材２０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。
【００６２】
このように、スリット状のプラズマ噴出口２１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もつプラズマジェットを形成し、これを基材２０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。
【００６３】
基材２０全体を処理するためには、Ｘ−Ｙ駆動系を用いればよい。その際、基材２０を固定して筒状チャンバをＸ−Ｙ駆動系で移動させてもよいし、筒状チャンバを固定して基材２０をＸ−Ｙ駆動系で移動させてもよい。つまり、熱プラズマ処理装置としては、筒状チャンバと被処理物とを、線状スリット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。
【００６４】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図４〜図６を参照して説明する。
【００６５】
図４は、本発明の実施の形態２における内管１、外管２、蓋３、４、プラズマノズル７の組合せ状態を示す斜視図である。詳細部は省略して描いている。また、図５、６は本発明の実施の形態２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４は、図５、６とは上下を逆にして描いている。図５は、スリット状のプラズマ噴出口の長手方向と垂直な面で切った断面図である。また、図６は、スリット状のプラズマ噴出口の長手方向と平行な面で切った断面図である。内管１の内側が直方体形状、内管１の外側が円筒形状であり、外管２は円筒形状である。つまり、内管１の内側の形状が、内管１の外側の形状よりも扁平となっている。それ以外の構成については、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００６６】
このような構成においては、内管１の機械的強度は、肉厚が厚い分だけ実施の形態１よりも高くなる。したがって、冷媒を多量に流すことができる。また、筒状チャンバの体積を小さくできるため、プラズマ生成効率（所定電力におけるプラズマ密度）を高めることができる。
【００６７】
なお、外管２は楕円筒形状であってもよく、内管１の外側は楕円筒形状であってもよい。
【００６８】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図７〜９を参照して説明する。
【００６９】
図７は、本発明の実施の形態３における内管１、外管２、蓋３、４、プラズマノズル７の組合せ状態を示す斜視図である。詳細部は省略して描いている。また、図８、９は本発明の実施の形態３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。
【００７０】
図７は、図８、９とは上下を逆にして描いている。図８は、スリット状のプラズマ噴出口の長手方向と垂直な面で切った断面図である。また、図９は、スリット状のプラズマ噴出口の長手方向と平行な面で切った断面図である。内管１の内側及び外側が直方体形状であり、外管２は円筒形状である。また、内管１の内部に小さな円柱状の梁２３を備えている。それ以外の構成については、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７１】
このような構成においては、内管１の肉厚が薄いことによる機械的強度の低下を、梁２３によって補えるため、内管１と外管２の間の冷媒圧力を高くすることができる。したがって、冷媒を多量に流すことができ、内管の冷却効率を高めることができる。また、筒状チャンバの体積を小さくできるため、プラズマ生成効率（所定電力におけるプラズマ密度）を高めることができる。
【００７２】
プラズマＰは、梁２３の無い部分にしか生成されないが、拡散によってある程度拡がるため、プラズマ噴出口２１から噴出するプラズマは、スリットの長手方向にある程度均一にすることができる。
【００７３】
なお、外管２は楕円筒形状であってもよい。
【００７４】
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図１０〜１２を参照して説明する。
【００７５】
図１０は、本発明の実施の形態４における内管１、外管２、蓋３、４、プラズマノズル７の組合せ状態を示す斜視図である。詳細部は省略して描いている。また、図１１、１２は本発明の実施の形態４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１０は、図１１、１２とは上下を逆にして描いている。
【００７６】
図１１は、スリット状のプラズマ噴出口の長手方向と垂直な面で切った断面図である。また、図１２は、スリット状のプラズマ噴出口の長手方向と平行な面で切った断面図である。内管１の内側及び外側が直方体形状であり、外管２は円筒形状である。また、内管１の内部に、筒状チャンバ内のガス流れを、ガス流れ方向に平行な複数の流路に分割する、細長い直方体形状の梁２４を備えている。それ以外の構成については、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７７】
このような構成においては、内管１の肉厚が薄いことによる機械的強度の低下を、梁２４によって補えるため、内管１と外管２の間の冷媒圧力を高くすることができる。したがって、冷媒を多量に流すことができ、内管の冷却効率を高めることができる。また、筒状チャンバの体積を小さくできるため、プラズマ生成効率（所定電力におけるプラズマ密度）を高めることができる。
【００７８】
プラズマＰは、梁２４の無い部分にしか生成されないが、拡散によってある程度拡がるため、プラズマ噴出口２１から噴出するプラズマは、スリットの長手方向にある程度均一にすることができる。また、筒状チャンバ内のガス流れを、ガス流れ方向に平行な複数の流路に分割する構成であるため、筒状チャンバ内のガス流れは層流状になりやすく、安定したプラズマ処理が実現できる。
【００７９】
なお、外管２は楕円筒形状であってもよい。
【００８０】
（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図１３〜１４を参照して説明する。
【００８１】
図１３は、本発明の実施の形態５における内管１、外管２、蓋３、４、プラズマノズル７の組合せ状態を示す斜視図である。詳細部は省略して描いている。また、図１４は本発明の実施の形態５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１３は、図１４とは上下を逆にして描いている。図１４は、スリット状のプラズマ噴出口の長手方向と垂直な面で切った断面図である。スリット状のプラズマ噴出口の長手方向と平行な面で切った断面は図２と同様である。内管１の内側の形状が、内管１の外側の形状よりも扁平となるよう、内管１の内側を楕円筒形状、内管１の外側を円筒形状としている。それ以外の構成については、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００８２】
このような構成においては、内管１の肉厚もある程度厚くすることができ、かつ、機械的強度もある程度確保できる。したがって、冷媒をある程度多量に流すことができ、内管の冷却効率を高めることができる。また、筒状チャンバの体積をある程度小さくできるため、プラズマ生成効率（所定電力におけるプラズマ密度）をある程度高めることができる。
【００８３】
以上述べた熱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】
本発明の種々の構成によって、基材２０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。
【００８５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
以上のように本発明は、ＴＦＴ用半導体膜の結晶化や太陽電池用半導体膜の改質に適用可能であることは勿論、プラズマディスプレイパネルの保護層の清浄化や脱ガス低減、シリカ微粒子の集合体からなる誘電体層の表面平坦化や脱ガス低減、種々の電子デバイスのリフローなど、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】
【００８７】
１    内管
２    外管
３    蓋
４    蓋
５    カバー
６    ガスノズル
７    プラズマノズル
８    プラズマガス供給孔
９    シースガスマニホールド
１０  シースガス噴出口
１１  シールドガスマニホールド
１２  シールドガス噴出口
１３  冷媒流路
１４  冷媒流路
１５  冷媒噴出口
１６  冷媒吸入口
１７  冷媒流路
１８  ソレノイドコイル
１９  基材載置台
２０  基材
２１  プラズマ噴出口
２２  基材の表面近傍
Ｐ    プラズマ
【図１】
0005321552.tif 000002
【図２】
0005321552.tif 000003
【図３】
0005321552.tif 000004
【図４】
0005321552.tif 000005
【図５】
0005321552.tif 000006
【図６】
0005321552.tif 000007
【図７】
0005321552.tif 000008
【図８】
0005321552.tif 000009
【図９】
0005321552.tif 000010
【図１０】
0005321552.tif 000011
【図１１】
0005321552.tif 000012
【図１２】
0005321552.tif 000013
【図１３】
0005321552.tif 000014
【図１４】
0005321552.tif 000015
【図１５】
0005321552.tif 000016
【図１６】
0005321552.tif 000017