JP5510437B2

JP5510437B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

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Publication number: JP5510437B2
Application number: JP2011267962A
Authority: JP
Inventors: 智洋奥村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: CN103151234B; JP2013120686A; CN103151234A; US20130146564A1; US9885115B2

Description

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。

従来より、大気圧で高密度の熱プラズマを発生させる方法として、誘導結合型プラズマトーチがよく知られている。この方法は、円筒型の誘電体チャンバの外側に巻き付けたコイルに高周波電力を供給することで、チャンバ内に熱プラズマを発生させるものである（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２を参照）。誘導結合型プラズマトーチは、プラズマ溶射、熱処理、粉体合成、元素分析などに利用されている。

特開平５−７４５９１号公報

吉田豊信、プラズマ核融合学会誌６９，７（１９９３）７７２ＨｉｒｏｎｏｂｕＹａｂｕｔａｅｔａｌ．， "ＤｅｓｉｇｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｄｕａｌｉｎｌｅｔＩＣＰｔｏｒｃｈｆｏｒｌｏｗｇａｓｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ"，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎａｌｙｔｉｃａｌＡｔｏｍｉｃＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，１７（２００２）１０９０−１０９５頁

しかしながら、非特許文献２に開示されているように、従来のプラズマトーチは、ガス流量を増すとプラズマが不安定化するという問題点があった。

これは、チャンバ内で環状プラズマが揺動した際に、ガス流れの下流域において環状プラズマとコイルとの距離が離れすぎて誘導結合を維持できなくなり、プラズマが失火してしまうためと考えられる。

本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、プラズマを安定して生成できるプラズマ処理装置及び方法を提供することを目的としている。

本願の第１発明のプラズマ処理装置は、誘電体部材に囲まれた長尺な形状の環状チャンバと、前記環状チャンバに連通し長尺で線状の開口部と、前記環状チャンバの内部にガスを導入するためのガス供給配管と、前記環状チャンバの近傍に設けられ、かつ、前記開口部の長手方向と平行な向きに長尺な形状のコイルと、前記コイルに接続された高周波電源と、基材を載置する基材載置台と、前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記環状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と、を有し、前記高周波電源が、パルス変調機能を備えたことを特徴とする。

このような構成により、プラズマを安定して生成できる。

また、前記誘電体部材は、内部誘電体ブロックが外部誘電体ブロックに挿入されることによって構成されていてもよい。

本願の第２発明のプラズマ処理方法は、誘電体部材で囲まれた長尺な形状の環状チャンバ内にガスを供給しつつ、前記環状チャンバに連通し長尺で線状の開口部から基材載置台に載置される基材に向けてガスを噴出すると共に、前記環状チャンバの近傍に設けられ、かつ、前記開口部の長手方向と平行な向きに長尺な形状のコイルにパルス変調しながら高周波電力を供給することで、前記環状チャンバ内に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ、前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記環状チャンバと前記基材載置台とを相対的に移動させながら前記基材の表面を処理することを特徴とする。

このような構成により、プラズマを安定して生成できる。

また、好適には、前記パルス変調におけるＯＮ時間が１００μｓ以上１０ｍｓ以下であることが望ましい。

このような構成により、プラズマの安定性をさらに増すことができる。

また、好ましくは、前記開口部の直径をＤ、移動速度をＶとしたとき、Ｄ／Ｖ＞ＯＦＦ時間であること、さらに好ましくは、Ｄ／Ｖ×０．１＞ＯＦＦ時間であることが望ましい。

このような構成により、均一性のよいプラズマ処理を実現できる。

あるいは、好ましくは、前記開口部の太さ（長手方向と垂直な向きの開口幅）をＤ、移動速度をＶとしたとき、Ｄ／Ｖ＞ＯＦＦ時間であること、さらに好ましくは、Ｄ／Ｖ×０．１＞ＯＦＦ時間であることが望ましい。

本発明によれば、プラズマを安定して生成できるプラズマ処理装置及び方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態３におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施の形態４におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図

以下、本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１を参照して説明する。

図１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を基材に垂直な面で切った断面図である。

誘導結合型プラズマトーチユニットＴにおいて、基材載置台１上に基材２が載置されている。円筒状に成形された導体製のソレノイドコイル３は、円筒形の第一石英ブロック４の内部に第二石英ブロック５が挿入されてなる石英ブロック群の周辺に配置される。チャンバ内部の空間７は、内部誘電体ブロックとしての第二石英ブロック５の内壁面と、これが挿入された外部誘電体ブロックとしての第一石英ブロック４の外壁面に囲まれている。つまり、チャンバ全体が誘電体で囲まれている構成である。

チャンバ内部の空間７に発生したプラズマは、チャンバにおける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。第二石英ブロック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、第二石英ブロック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、チャンバ内部の空間７に導入される。

誘導結合型プラズマトーチユニットＴは、全体が接地された導体製のシールド部材（図示しない）で囲われ、高周波の漏洩（ノイズ）が効果的に防止できるとともに、好ましくない異常放電などを効果的に防止できる。ソレノイドコイル３は中空の銅管からなり、内部が冷媒流路となっている。すなわち、水などの冷媒を流すことで、冷却が可能である。

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、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ソレノイドコイル３に高周波電力を供給することにより、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。

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）。

このようなプラズマ処理装置において、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、ソレノイドコイル３に供給することにより、チャンバ内部の空間７に高周波電磁界を発生させることで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に照射することで、熱処理や、溶射、成膜、エッチングなどのプラズマ処理を行うことができる。

ここで、ソレノイドコイル３に供給する高周波電力の波形について説明する。従来例では、所謂連続波（ＣＷ＝ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）の高周波電力を供給することが一般的で、ガス流量を増すとプラズマが不安定化することが知られている。高速度カメラなどを用いて詳細にプラズマを観察したところ、プラズマが最も明るく発光している部分（ドーナツ状のプラズマ、以下、ドーナツプラズマと呼ぶ）が、図のＰ１、Ｐ２、Ｐ３に示すような状態に刻々と変化している（以下、これをプラズマの揺動と呼ぶ）ことがわかった。そして、Ｐ３のようにチャンバの外部にドーナツプラズマがはみ出したり、あるいは、ソレノイドコイル３とドーナツプラズマの一部との距離が離れすぎると、ドーナツプラズマが維持できなくなり、失火してしまうようであった。また、プラズマの揺動の速さは、ガス流量を増すほど速くなることもわかった。

そこで、ソレノイドコイル３に供給する高周波電力をパルス変調する方法を考案した。これは、プラズマの揺動する速さよりも速く高周波をＯＮ／ＯＦＦすることで、安定した位置にドーナツプラズマを固定させようとするものである。実験の結果、パルスのＯＮ時間を十分短くすることにより、安定的に再現性のよいプラズマ発生を行えることがわかった。

さらに、パルス変調におけるＯＮ時間は、１００μｓ以上１０ｍｓ以下であることが望ましいことも判明した。ＯＮ時間があまりに短いと、高周波電力の反射波が増し、制御が難しくなる。これは、負荷としての整合回路＋ソレノイドコイルのＱ値が高く、帯域が狭いために起きる現象である。逆に、ＯＮ時間が長すぎると、プラズマの揺動を抑制することが難しくなる。

なお、ＯＦＦ時間が短すぎると、ＯＦＦ時間中にプラズマが完全に失火しなくなり、プラズマの揺動を抑制できなくなるので、ＯＦＦ時間は５０μｓ以上とすることが望ましい。

また、ＯＮ時間／（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）＝デューティー比は大きいほど処理速度の低下を抑えられるので、デューティー比は大きいほどよい。デューティー比は、プラズマの揺動の抑制度合いとの兼ね合いで決定すべきパラメータであるが、概ね５０％以上９０％以下程度であることが望ましい。

また、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを、基材載置台１と相対的に移動（走査）させて、基材２の全体を処理する場合には、プラズマ噴出口８が基材２上の任意の点を通過する時間よりも、ＯＦＦ時間が十分小さくなるように配慮することも重要である。例えば、プラズマ噴出口８の直径をＤ、走査速度をＶとすると、プラズマ噴出口８が基材２上の任意の点を通過する時間はＤ／Ｖで表されるので、Ｄ／Ｖ＞ＯＦＦ時間である必要がある。好ましくは、Ｄ／Ｖ×０．１＞ＯＦＦ時間であることが望ましい。これは、多くのプラズマ処理において、処理速度の均一性として１０％以下のばらつきが要求されることから導かれる。

なお、開口部としてのプラズマ噴出口が長尺で線状であり、かつ、長手方向に対して垂直な向きに、チャンバと基材載置台とを相対的に移動させながら処理を行うことで、大型基板などの処理を短時間で行うことができる。この場合には、前述の円筒型の場合と同様の理由により、開口部の太さ（長手方向と垂直な向きの開口幅）をＤ、移動速度をＶとしたとき、Ｄ／Ｖ＞ＯＦＦ時間であること、さらに好ましくは、Ｄ／Ｖ×０．１＞ＯＦＦ時間であることが望ましい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図２を参照して説明する。

図２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を基材に垂直な面で切った断面図である。

図２においては、チャンバ内部の空間７は環状である。すなわち、第一石英ブロック４の内部に、凸形の第二石英ブロック５が挿入され、第一石英ブロック４の内壁面と第二石英ブロック５の凸部の外壁面との間に、環状の空間が形成されている。

このような、環状のチャンバを用いることにより、より安定なプラズマ生成が可能となる。例えば、開口部としてのプラズマ噴出口が長尺で線状である場合には、チャンバ形状も長尺形とする必要があるが、チャンバを環状とすることにより、細長い長尺状の高密度プラズマを安定的に発生させることができる。一方、図の上下方向のプラズマの揺動（例えば、図のＰ１、Ｐ２に示すような状態に刻々と変化する現象）は、高周波をＣＷ駆動する際には現れてしまうので、実施の形態１と同様にパルス駆動することにより、プラズマの揺動を抑制し、より安定なプラズマ生成を実現することができる。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図３及び図４を参照して説明する。

図３及び図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を基材に垂直な面で切った断面図である。

図３においては、第二石英ブロック５の中間部に内側に向けて溝を形成することで、この溝と第一石英ブロック４の内壁面との間に環状チャンバ内部の空間７を構成している点が、実施の形態２と異なる。このような構成においても、図の上下方向のプラズマの揺動（例えば、図のＰ１、Ｐ２に示すような状態に刻々と変化する現象）は、高周波をＣＷ駆動する際には現れてしまうので、実施の形態１と同様にパルス駆動することにより、プラズマの揺動を抑制し、より安定なプラズマ生成を実現することができる。

パルスの駆動周波数を上げ、ＯＮ時間、ＯＦＦ時間を小さくしていくと、図４に示すように、ドーナツプラズマの生成位置がＰに集約されるようになり、安定したプラズマが得られる。

以上述べたプラズマ処理装置及び方法は、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。

例えば、誘導結合型プラズマトーチユニットＴを基材載置台１に対して相対的に移動させる場合には、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。

また、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。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。

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。

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。

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別ノズルから供給することによって、プラズマと反応ガス流を同時に基材へ照射し、エッチング、ＣＶＤ、ドーピングなどのプラズマ処理を実現することもできる。プラズマガスとしてアルゴンを主成分とするガスを用いると、実施例で詳しく例示したように、熱プラズマが発生する。

一方、プラズマガスとしてヘリウムを主成分とするガスを用いると、比較的低温のプラズマを発生させることができる。このような方法で、基材をあまり加熱することなく、エッチングや成膜などの処理が可能となる。エッチングに用いる反応ガスとしては、ハロゲン含有ガス、例えば、Ｃ_xＦ_y（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。

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。本発明では、誘導結合型プラズマトーチを用いているため、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。

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、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、プラズマを安定的かつ効率的に発生させ、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。

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。

１基材載置台
２基材
Ｔ誘導結合型プラズマトーチユニット
３ソレノイドコイル
４第一石英ブロック
５第二石英ブロック
７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
２２薄膜

Claims

誘電体部材に囲まれた長尺な形状の環状チャンバと、
前記環状チャンバに連通し長尺で線状の開口部と、
前記環状チャンバの内部にガスを導入するためのガス供給配管と、
前記環状チャンバの近傍に設けられ、かつ、前記開口部の長手方向と平行な向きに長尺な形状のコイルと、
前記コイルに接続された高周波電源と、
基材を載置する基材載置台と、
前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記環状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と、を有し、
前記高周波電源が、パルス変調機能を備えたこと、
を特徴とするプラズマ処理装置。
前記誘電体部材は、内部誘電体ブロックが外部誘電体ブロックに挿入されることによって構成されている、
請求項１記載のプラズマ処理装置。
誘電体部材で囲まれた長尺な形状の環状チャンバ内にガスを供給しつつ、前記環状チャンバに連通し長尺で線状の開口部から基材載置台に載置される基材に向けてガスを噴出すると共に、
前記環状チャンバの近傍に設けられ、かつ、前記開口部の長手方向と平行な向きに長尺な形状のコイルにパルス変調しながら高周波電力を供給することで、前記環状チャンバ内に高周波電磁界を発生させてプラズマを発生させ、
前記開口部の長手方向に対して垂直な向きに、前記環状チャンバと前記基材載置台とを相対的に移動させながら前記基材の表面を処理すること、
を特徴とするプラズマ処理方法。
前記パルス変調におけるＯＮ時間が１００μｓ以上１０ｍｓ以下である、
請求項３記載のプラズマ処理方法。
前記パルス変調におけるＯＦＦ時間が５０μｓ以上である、
請求項３記載のプラズマ処理方法。
前記開口部の直径をＤ、移動速度をＶとしたとき、Ｄ／Ｖ＞ＯＦＦ時間である、
請求項３記載のプラズマ処理方法。
前記開口部の直径をＤ、移動速度をＶとしたとき、Ｄ／Ｖ×０．１＞ＯＦＦ時間である、請求項３記載のプラズマ処理方法。
前記開口部の太さ（長手方向と垂直な向きの開口幅）をＤ、移動速度をＶとしたとき、Ｄ／Ｖ＞ＯＦＦ時間である、
請求項３記載のプラズマ処理方法。
前記開口部の太さ（長手方向と垂直な向きの開口幅）をＤ、移動速度をＶとしたとき、Ｄ／Ｖ×０．１＞ＯＦＦ時間である、
請求項３記載のプラズマ処理方法。