等离子体处理装置以及等离子体处理方法
阅读：1030发布：2020-06-19
专利汇可以提供等离子体处理装置以及等离子体处理方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了 等离子体 处理装置及等离子体处理方法，该等离子体处理装置包括：（1）腔室，其被 电介质 部件包围，且具备作为等离子体喷出口的开口部；（2）气体供给配管，其向腔室内部导入气体；（3）螺线管线圈，其配置在腔室附近；（4）高频电源，其连接于螺线管线圈，且具备脉冲调制功能；以及（5）基材载置台，其配置在等离子体喷出口侧。根据该等离子体处理装置，能够稳定地生成等离子体。，下面是等离子体处理装置以及等离子体处理方法专利的具体信息内容。
1.等离子体处理装置，其包括电感耦合型等离子体枪单元，
该电感耦合型等离子体枪单元包括：
腔室，其被电介质部件包围，且具备作为等离子体喷出口的开口部；
气体供给配管，其向所述腔室内部导入气体；以及
螺线管线圈，其配置在所述腔室附近，
该等离子体处理装置还包括：
高频电源，其连接于所述螺线管线圈，且具备脉冲调制功能；以及
基材载置台，其配置在所述等离子体喷出口侧，
所述等离子体喷出口形成为细长线状，
该等离子体处理装置还包括移动机构，该移动机构能够使所述腔室和所述基材载置台在与所述等离子体喷出口的长边方向垂直的方向相对移动。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，
在将与所述等离子体喷出口的长边方向垂直的方向的开口宽度设为D、将移动速度设为V时，所述脉冲调制功能基于下式进行所述高频电源的接通关断控制，即，D/V＞关断时间。
3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，
在将与所述等离子体喷出口的长边方向垂直的方向的开口宽度设为D、将移动速度设为V时，所述脉冲调制功能基于下式进行所述高频电源的接通关断控制，即，D/V×0.1＞关断时间。
4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，
所述腔室为细长的形状，
所述螺线管线圈在与所述等离子体喷出口的长边方向平行的方向上具有细长的形状。
5.等离子体处理方法，包括以下工序：
准备电感耦合型等离子体枪单元的工序，该电感耦合型等离子体枪单元包括被电介质部件包围且具备作为等离子体喷出口的开口部的腔室、向所述腔室内部导入气体的气体供给配管，以及配置在所述腔室附近的螺线管线圈；以及
从所述气体供给配管向所述腔室的内侧供给气体，同时从所述开口部向基材喷出所述气体，并且对所述螺线管线圈供给高频电力，在所述腔室内产生高频电磁场以产生等离子体，对所述基材的表面进行等离子体处理的工序，
在所述进行等离子体处理的工序中，以脉冲方式对所述高频电力进行接通关断控制，在使所述腔室和所述基材在与具有细长线状的所述等离子体喷出口的所述腔室的长边方向垂直的方向上相对移动的状态下进行处理。
6.如权利要求5所述的等离子体处理方法，
所述脉冲调制中的接通时间为100μs以上且10ms以下。
7.如权利要求5所述的等离子体处理方法，
所述脉冲调制中的关断时间为50μs以上。
8.如权利要求5所述的等离子体处理方法，
在将与所述等离子体喷出口的长边方向垂直的方向的开口宽度设为D、将移动速度设为V时，基于下式进行所述高频电力的接通关断控制，即，D/V＞关断时间。
9.如权利要求5所述的等离子体处理方法，
在将与所述等离子体喷出口的长边方向垂直的方向的开口宽度设为D、将移动速度设为V时，基于下式进行所述高频电力的接通关断控制，即，D/V×0.1＞关断时间。
等离子体处理装置以及等离子体处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及等离子体处理装置以及等离子体处理方法。本发明涉及对基材照射热等离子体以处理基材的热等离子体处理方法，或者向基材照射利用了反应气体的等离子体或者同时照射等离子体与反应气体流以处理基材的低温等离子体处理方法等。
背景技术
[0002] 以往，作为在大气压下产生高密度的热等离子体的方法，电感耦合型等离子体枪广为人知。该方法通过对卷绕于圆筒型的电介质腔室外侧的线圈供给高频电力，在电介质腔室内产生热等离子体(例如参照专利文献1、非专利文献1、非专利文献2)。电感耦合型等离子体枪用于等离子体热喷涂、热处理、粉体合成、元素分析等。
[0003] 此外，还公开了各种相关技术(例如参照专利文献2至4)。例如在专利文献2中公开了对高频电力进行脉冲调制的高频电容耦合型(CCP)大气压低温等离子体装置。在专利文献3中公开了对高频电力进行脉冲调制的真空低温等离子体ICP装置。在专利文献4中公开了对高频电力进行脉冲调制的真空的离子注入装置。
[0004] 现有技术文献
[0005] [专利文献1]日本特开平5-74591号公报
[0006] [专利文献2]日本特开2002-151478号公报
[0007] [专利文献3]日本特开平9-293600号公报
[0008] [专利文献4]日本特表2005-533391号公报
[0009] [非专利文献1]吉田丰信，等离子体核融合学会志69,7(1993)772
[0010] [非专利文献2]Hironobu Yabuta et.al.,“Desigh and evaluation of dual inlet ICP torch for low gas consumption"，Journal of Analytical Atomic Spectrometry,17(2002)pp1090-1095
[0011] 但是，如非专利文献2所公开的那样，以往的电感耦合型等离子体枪存在若增加气体流量则等离子体变得不稳定的问题。
[0012] 这是因为，在腔室内，环状等离子体发生了摆动时，在气流的下游区域，环状等离子体与线圈的距离过大，无法维持电感耦合，使得等离子体熄灭。
发明内容
[0013] 本发明是鉴于这样的问题而设立的，其目的在于提供能够稳定地生成等离子体的等离子体处理装置以及等离子体处理方法。
[0014] 本发明第一方面的等离子体处理装置包括电感耦合型等离子体枪单元，该电感耦合型等离子体枪单元包括：腔室，其被电介质部件包围，且具备作为等离子体喷出口的开口部；气体供给配管，其向所述腔室内部导入气体；以及螺线管线圈，其配置在所述腔室附近，该等离子体处理装置还包括：高频电源，其连接于所述螺线管线圈，且具备脉冲调制功能；以及基材载置台，其配置在所述等离子体喷出口侧，所述等离子体喷出口形成为细长线状，该等离子体处理装置还包括移动机构，该移动机构能够使所述腔室和所述基材载置台在与所述等离子体喷出口的长边方向垂直的方向相对移动。根据第一方面，能够稳定地生成等离子体。在第一方面中，优选腔室为环状。因为这样能够更稳定地生成等离子体。
[0015] 本发明第二方面的等离子体处理方法包括以下工序：准备电感耦合型等离子体枪单元的工序，该电感耦合型等离子体枪单元包括被电介质部件包围且具备作为等离子体喷出口的开口部的腔室、向所述腔室内部导入气体的气体供给配管，以及配置在所述腔室附近的螺线管线圈；以及从所述气体供给配管向所述腔室的内侧供给气体，同时从所述开口部向基材喷出所述气体，并且对所述螺线管线圈供给高频电力，在所述腔室内产生高频电磁场以产生等离子体，对所述基材的表面进行等离子体处理的工序，在所述进行等离子体处理的工序中，以脉冲方式对所述高频电力进行接通关断控制，在使所述腔室和所述基材在与具有细长线状的所述等离子体喷出口的所述腔室的长边方向垂直的方向上相对移动的状态下进行处理。在第二方面中，脉冲调制中的接通时间优选为100μs以上且10ms以下。因为这样能够更稳定地生成等离子体。
[0017] 图1是表示实施方式1的等离子体处理装置的概要的剖视图。
[0018] 图2是表示实施方式2的等离子体处理装置的概要的剖视图。
[0019] 图3是实施方式2的等离子体处理装置的组装示意图。
[0020] 图4是表示实施方式3的等离子体处理装置的概要的剖视图。
[0021] 图5是表示实施方式3的等离子体处理装置的概要的剖视图。
[0022] 标记说明
[0023] 1 基材载置台
[0024] 2 基材
[0025] T 电感耦合型等离子体枪组件(组件)
[0026] 3 螺线管线圈(线圈)
[0027] 4 外部电介质块
[0028] 5 内部电介质块
[0029] 7 (腔室)内部
[0030] 8 等离子体喷出口
[0031] 9 气体配管(等离子体气体歧管)
[0032] 10 气体供给配管
[0033] 22 薄膜
具体实施方式
[0034] 下面，使用附图说明本发明实施方式的等离子体处理装置。
[0035] [等离子体处理装置]
[0036] (实施方式1)
[0037] 图1是表示实施方式1的等离子体处理装置的概要的剖视图。图1表示在基材载置台1上配置基材2，并对基材2的表面的薄膜22正在进行等离子体处理的等离子体处理装置的使用状态。图1是用垂直于基材2的面剖开电感耦合型等离子体枪组件而得到的剖视图。
[0038] 如图1所示，等离子体处理装置包括基材载置台1以及配置在基材载置台1上方的电感耦合型等离子体枪组件(以下也称为“组件”)T。
[0039] 组件T包括由电介质部件形成的腔室20，该腔室20具备：在下端具有等离子体喷出口8的外部电介质块4、以及配置于外部电介质块4的上端的内部电介质块5。内部电介质块5具备以能够向腔室20的内部7供给气体的方式与外部连通的气体配管(等离子体气体歧管)9。
[0040] 组件T包括：经由内部电介质块5的气体配管9向腔室20的内部7导入气体的气体供给配管10、配置于腔室20外周的由导体形成的圆筒状螺线管线圈(以下也称为“线圈”)3、以及连接于线圈3的具有脉冲调制功能的高频电源(未图示)。
[0041] 这样，腔室20的内部7被电介质包围。对腔室20的内部7供给气体，同时对线圈3供给高频电力，由此能够在腔室20的内部7中产生等离子体。这里，腔室20是在重力方向上细长(长形)的圆筒形状。但是，腔室20的形状并不特别限制，也可以是无底中空状的长方体。
[0042] 更优选的是，等离子体处理装置还具有使腔室20与基材载置台1相对移动的移动机构(未图示)。这是因为，能够在不使等离子体处理装置变得大型的情况下在短时间内进行大型基板等的处理。优选的是，在将腔室20的等离子体喷出口(以下也称为“开口部”)8的直径设为D、将移动速度设为V时，脉冲调制功能基于下式(1)或者下式(2)进行高频电源的接通关断(on-off)控制。
[0043] D/V＞关断时间 (1)
[0044] D/V×0.1＞关断时间 (2)
[0045] 因为这样能够进行均匀性高的等离子体处理。
[0046] 电感耦合型等离子体枪组件T优选由整体接地的用导体制成的屏蔽部件(未图示)包围。这是因为，能够有效地防止高频的泄漏(噪声)，并且能够有效地防止不希望的异常放电等。优选线圈3由中空的铜管形成，内部为制冷剂流路。这是因为，通过使水等制冷剂流动，能够进行电感耦合型等离子体枪组件T的冷却。
[0047] [高频电力的波形]
[0048] 说明对线圈3供给的高频电力的波形。
[0049] 本发明人对于供给所谓连续波(CW＝continuous wave)的高频电力的工序，使用高速照相机等详细地观察了等离子体。其结果，认识到等离子体最明亮地发光的环状的等离子体部分(以下称为“环形等离子体”)时时刻刻变化为图1的P1、P2、P3所示的状态(以下称为“等离子体的摆动”)。并且，进一步研究的结果，本发明人认识到：(1)如P3那样，环形等离子体从腔室20的内部7向外部露出；(2)线圈3与环形等离子体的一部分的距离过大时，无法维持环形等离子，使其熄灭；(3)等离子体的摆动速度随着气体流量增加而变快。
[0050] 本发明人基于上述认识设计了对向线圈3供给的高频电力进行脉冲调制的方法。这种方法通过比等离子体的摆动速度更快地对高频进行接通/关断控制，从而使环形等离子体固定于稳定的位置。根据实验结果可知，通过使脉冲的接通时间十分短，能够稳定且再现性良好地产生等离子体。
[0051] 此外，本发明人认识到，脉冲调制中的接通时间优选为100μs以上且10ms以下，关断时间优选为50μs以上。
[0052] 本发明基于上述认识。下面通过说明使用图1的等离子体处理装置的等离子体处理方法，对本发明进行说明。
[0053] [等离子体处理方法]
[0054] (1)首先，准备图1所示的等离子体处理装置。
[0055] (2)接着，从气体供给配管10注入气体。接着，经由气体配管9向腔室20的内部7导入气体。作为向腔室20内供给的气体，能够使用各种气体。考虑等离子体的稳定性、点火性、以及暴露于等离子体中的部件的寿命等，优选以惰性气体为主体。例如，能够使用氩(Ar)气或者混合(Ar+H2)气体。其中，优选的是Ar气体。此外，在仅用Ar气体生成等离子体的情况下，等离子体达到相当的高温(10000K以上)。
[0056] (3)向配置于腔室20外周的线圈3供给13.56MHz的高频电力。由此在腔室20内产生高频电磁场。由此，在腔室20内的外部电介质块4的内侧侧面与内部电介质块5的侧面之间产生等离子体。此外，(3)工序虽然可以与(2)工序同时进行，但优选在(2)工序之后进行。
[0057] (4)另一方面，准备基材2，将基材2配置于图1的基材载置台1上。优选的是，(4)工序在与腔室20离开的位置，例如在腔室20的侧方等处进行。
[0058] (5)将腔室20配置于基材2的上方，从等离子体喷出口8向基材2照射在腔室20的内部7中产生的等离子体。于是，利用等离子体对基材2的表面进行等离子体处理。
[0059] (6)在与等离子体喷出口8垂直的方向上，使基材2与腔室20相对移动，利用腔室20扫描基材2。(6)工序虽然可以与(5)工序同时进行，但优选的是，在腔室20的移动速度达到恒定后使腔室20在基材2上进行扫描。
[0060] 由此，能够对基材2上的薄膜22进行等离子体处理。并且，通过从等离子体喷出口8向基材2照射等离子体，能够进行热处理、热喷涂、成膜、蚀刻等的等离子体处理。
[0061] (7)优选的是，在上述(3)至(6)的等离子体处理工序中，以脉冲方式对高频电力进行接通关断控制。而且，脉冲调制中的接通时间优选为100μs以上且10ms以下。这是因为，若接通时间比上述下限值短，则高频电力的反射波增加，难以控制。相反地，若接通时间与上述上限值相比过长，则难以抑制等离子体的摆动。
[0062] 脉冲调制中的关断时间优选为50μs以上。这是因为，若关断时间过短，则在关断时间中等离子体不完全熄灭，无法抑制等离子体的摆动。因此，关断时间为50μs以上是较为理想的。接通时间/(接通时间+关断时间)＝占空比越大，越能够抑制处理速度的降低。因此，优选的是，占空比大。占空比是应根据与等离子体摆动的抑制程度的平衡来决定的参数。优选的是，占空比大致为50％以上且90％以下左右。
[0063] 在进行等离子体处理的工序中，优选在使组件T与基材载置台1相对移动(扫描)的状态下进行处理。这是因为，即使等离子体处理对象是大型基板，也能够在短时间内进行等离子体处理。在对基材2整体进行处理的情况下，优选的是，考虑使关断时间比等离子体喷出口8通过基材2上的任意点的时间十分小。例如，在将等离子体喷出口8的直径设为D、将移动(扫描)速度设为V时，等离子体喷出口8通过基材2上的任意点的时间可以用D/V表示。因此，优选基于下式(1)或者下式(2)进行高频电力的接通关断控制。
[0064] D/V＞关断时间 (1)
[0065] D/V×0.1＞关断时间 (2)
[0066] 尤其是，优选基于式2进行控制。因为在许多等离子体处理中，作为处理速度的均匀性要求10％以下的偏差，由此导出上述方式。
[0067] 在进行等离子体处理的工序中，优选使等离子体喷出口8的形状为细长(长条)的线状形状，并在与长边方向垂直的方向上使腔室和基材载置台相对移动的状态下进行处理。因为这样能够使等离子体处理装置小型化。另外，能够在短时间内进行大型基板等的等离子体处理。此时，优选的是，在将开口部的开口宽度(与长边方向垂直的方向的开口宽度)设为D、将移动速度设为V时，基于下式1或者下式2进行高频电力的接通关断控制。
[0068] D/V＞关断时间 (1)
[0069] D/V×0.1＞关断时间 (2)
[0070] 因为这样能够对等离子体处理对象进行均匀性良好的等离子体处理。尤其是，优选基于式2进行控制。
[0071] (实施方式2)
[0072] 图2是表示实施方式2的等离子体处理装置的概要的剖视图。图2是用垂直于基材2的面剖开电感耦合型等离子体枪组件而得到的剖视图。以与实施方式1的不同点为中心进行说明。
[0073] 实施方式2的等离子体处理装置除了将腔室20替换为腔室30以外，与实施方式1同样构成。
[0074] 腔室30包括：在下端具备等离子体喷出口28的外部电介质块24、以及配置于外部电介质块24的上端的内部电介质块25。外部电介质块24以及内部电介质块25由电介质部件形成。
[0075] 外部电介质块24具有：圆筒状的外部电介质块主体24a，在其内部7形成等离子体产生区域；以及锥形部24b，其从外部电介质块主体24a的基材载置台1侧开口部起，越接近基材载置台1直径越窄，且在下端具备等离子体喷出口8。
[0076] 如图2所示，内部电介质块25由具备与外部连通的气体配管10的内部电介质块主体25a、从内部电介质块主体25a突设且直径比内部电介质块主体25a小的突体25b、以及设置于突体25b前端的锥形部25c形成。
[0077] 在如图3所示，将下端侧为凸形的内部电介质块25b配置在外部电介质块25a的内侧时，在外部电介质块25a的侧面与内部电介质块25b的侧面之间，形成环状的等离子体产生区域。通过形成环状的等离子体产生区域，能够抑制等离子体的摆动，实现更稳定的等离子体生成。此外，如图3所示，在外部电介质块24的外周配置线圈3。
[0078] 通过使用这种在内部7形成环状的等离子体产生区域的腔室30，能够生成更稳定的等离子体。例如，在作为开口部的等离子体喷出口为细长的线状形状(长条形)的情况下，腔室形状也需要采用细长的形状(长条形)。但是，通过在腔室30的内部7形成环状的等离子体产生区域，能够稳定地产生细长(长条状)的高密度等离子体。另一方面，在对高频进行CW驱动时，出现在图2的上下方向上的等离子体的摆动(例如，时时刻刻变化为图中P1、P2所示的状态的现象)。因此，通过与实施方式1同样地进行脉冲驱动，能够抑制等离子体的摆动，生成更稳定的等离子体。
[0079] (实施方式3)
[0080] 图4和图5表示实施方式3的等离子体处理装置的概要的剖视图。是用垂直于基材的面剖开电感耦合型等离子体枪组件T而得到的剖视图。
[0081] 如图4所示，实施方式3的等离子体处理装置除了将图2的锥形部25c替换为图4所示的底面直径比突体35b的直径大的圆锥台状的锥形部35c以外，与实施方式2同样构成。即，在内部电介质块35的侧部形成槽，在该槽与外部电解质块24的内壁面之间形成等离子体产生区域，这一点与实施方式2不同。在这样的结构中，也在对高频进行CW驱动时，出现在图的上下方向上的、等离子体的摆动(例如，时时刻刻变化为图中的P1、P2所示的状态的现象)。因此，通过与实施方式1同样地进行脉冲驱动，能够抑制等离子体的摆动，生成更稳定的等离子体。
[0082] 提高脉冲的驱动频率，减小接通时间、关断时间后，如图4所示，环形等离子体的生成位置例如集中于P1，得到稳定的等离子体。
[0083] 以上所述的等离子体处理装置以及方法只不过例示了本发明的适用范围中的典型例。
[0084] 例如，在使电感耦合型等离子体枪组件T与基材载置台1相对移动的情况下，可以对固定的基材载置台1进行扫描，也可以使基材载置台1对固定的电感耦合型等离子体枪组件T进行扫描。
[0085] 另外，通过本发明的各种结构，能够对基材2的表面附近进行高温处理。当然能够适用于在以往例中详细描述的TFT用半导体膜的结晶和太阳能电池用半导体膜的改性。此外，还能够适用于等离子体显示面板的保护层的清洁化或减少脱气、由氧化硅微粒的集合体形成的电介质层的表面平坦化或减少脱气、各种电子器件的回流、以及使用了固体杂质源的等离子体掺杂等各种表面处理。另外，作为太阳能电池的制造方法，还能够适用于将粉碎硅锭而得到的粉末涂敷在基材上，对其照射等离子体并使其熔融而得到多晶硅膜的方法。
[0086] 另外，为了使等离子体容易点火，也能够使用点火源。作为点火源，能够利用在燃气热水器等中使用的点火用火花装置等。
[0087] 另外，在说明中为了简单起见使用了“热等离子体”这一用语，但难以严格区分热等离子体与低温等离子体，而且，例如，如田中康规“热等离子体中的非平衡性”(等离子体核融合学会志，Vol.82、No.8(2006)pp.479－483)中所解说的那样，仅通过热的平衡性难以区分等离子体的种类。本发明的目的之一在于对基材进行热处理，不拘泥于热等离子体、热平衡等离子体、高温等离子体等用语，能够适用于照射高温等离子体的技术。
[0088] 另外，详细例示了在极短时间内对基材的表面附近均匀地进行高温热处理的情况。但在向基材照射利用了反应气体的等离子体或者同时照射等离子体与反应气体流以对基材进行低温等离子体处理的情况下，也能够适用本发明。通过在等离子体气体中混合反应气体，向基材照射利用了反应气体的等离子体，能够进行蚀刻或CVD(化学气相沉积)处理。或者，也可以使用稀有气体或者在稀有气体中添加少量的H2气而得到的气体作为等离子体气体，同时从其他喷嘴供给包含反应气体的气体作为保护气体。并且，也可以对基材同时照射等离子体和反应气体流，从而进行蚀刻、CVD、掺杂等的等离子体处理。在作为等离子体气体使用以氩为主要成分的气体时，如实施例中详细例示的那样产生热等离子体。
[0089] 另一方面，在作为等离子体气体使用以氦为主要成分的气体时，能够产生比较低温的等离子体。通过这种方法，能够在不太对基材加热的情况下进行蚀刻或成膜等处理。作为用于蚀刻的反应气体，有含有卤素的气体，例如CxFy(x、y是自然数)、SF6等，能够对硅或硅化合物等进行蚀刻。
[0090] 若作为反应气体使用O2，则能够进行有机物的除去、抗蚀剂灰化等。作为用于CVD的反应气体，有甲硅烷、乙硅烷等，能够进行硅或硅化合物的成膜。或者，若使用以TEOS(四乙氧基硅烷(Tetraethoxy silane))为代表的含硅的有机气体和O2的混合气体，则能够形成硅氧化膜。
[0091] 此外，还能够进行对疏水性或亲水性进行改性的表面处理等各种低温等离子体处理。在本发明中，由于使用电感耦合型等离子体枪，所以即使每单位体积投入高功率密度，也不易转为电弧放电。因此，能够产生更高密度的等离子体。其结果，可以得到较快的反应速度，能够在短时间内对基材的期望的整个被处理区域高效地进行处理。
[0093] 工业实用性
[0094] 如上所述，本发明能够适用于TFT用半导体膜的结晶化和太阳能电池用半导体膜的改性。本发明在以极短时间对基材的表面附近均匀地进行高温热处理的基材表面处理中，稳定且高效地产生等离子体而在短时间内高效地对基材的期望的整个被处理区域进行处理，在这一方面是很有用的。本发明例如能够适用于等离子体显示面板的保护层的清洁化或减少脱气、由氧化硅微粒的集合体形成的电介质层的表面平坦化或减少脱气、各种电子器件的回流、以及使用了固体杂质源的等离子体掺杂等。
[0095] 另外，在各种电子设备等的制造中的蚀刻、成膜、掺杂、表面改性等低温等离子体处理中，在短时间内对基材的期望的整个被处理区域高效率地进行处理，在这一方面本发明是很有用的。
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