[发明专利]等离子体处理装置以及等离子体处理方法

说明书

技术领域

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、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等、等离子体处理装置以及等离子体处理方法。

背景技术

以往，多晶硅（以下也称为“poly-Si”）等半导体薄膜广泛用于薄膜晶体管（以下也称为“TFT(Thin Film Transistor)”）或太阳能电池。尤其是，poly-SiTFT利用其载流子迁移率较高且能够在玻璃基板这样的透明绝缘基板上制作的特征，例如作为构成液晶显示装置、液晶投影仪、或者有机EL显示装置等的像素电路的开关元件，或者作为液晶驱动用驱动器的电路元件得到广泛使用。

作为在玻璃基板上制作高性能的TFT的方法，通常有称为“高温工艺”的制造方法。在TFT的制造工艺中，通常将工序中的使用最高温度为1000℃左右的高温的工艺称为“高温工艺”。作为高温工艺的特征，可举出：通过硅的固相生长能够形成质量较好的多晶硅膜；通过硅的热氧化能够得到质量好的栅极绝缘层；以及能够形成清洁的多晶硅与栅极绝缘层的界面。在高温工艺中，利用这些特征能够稳定地制造高迁移率并且可靠性高的高性能TFT。

另一方面，由于高温工艺是通过固相生长进行硅膜的结晶的工艺，所以需要在600℃左右的温度下进行48小时左右的长时间的热处理。这是时间相当长的工序，为了提高工序的生产能力（throughput），必然需要多个热处理炉，存在着难以实现低成本化的课题。此外，由于不得不使用石英玻璃作为耐热性高的绝缘性基板，所以基板的成本高，不适于大面积化。

另一方面，用于降低工序中的最高温度，在价格较低的大面积的玻璃基板上制作poly-Si TFT的技术是被称为“低温工艺”的技术。在TFT的制造工艺中，在最高温度大概为600℃以下的温度环境下，在价格较低的耐热性的玻璃基板上制造poly-Si TFT的工艺通常被称为“低温工艺”。在低温工艺中广泛使用激光结晶技术，该技术使用振荡时间为极短时间的脉冲激光进行硅膜的结晶。所谓激光结晶，是利用对基板上的硅薄膜照射高输出功率的脉冲激光，由此使该硅薄膜瞬时熔融，在该硅薄膜凝固的过程中进行结晶这一性质的技术。

但是，该激光结晶技术中存在几个较大的问题。一个问题是在通过激光结晶技术形成的多晶硅膜的内部局部存在的大量捕获能级。由于该捕获能级的存在，通过施加电压原本应在有源层中迁移的载流子被捕获，无法对电传导作出贡献，产生TFT的迁移率下降、阈值电压的增大等不良影响。

此外，还存在由于激光输出功率的限制而使玻璃基板的尺寸受到限制的问题。为了提高激光结晶工序的生产能力，需要增加一次能够结晶的面积。但是，由于目前的激光输出功率存在限制，所以在对第七代（1800mm×2100mm）等大型基板采用该结晶技术的情况下，为了将一块基板结晶需要很长时间。

另外，激光结晶技术是，通常使用线状成形的激光，通过使其扫描来进行结晶。由于激光输出功率存在限度，所以该线状光束比基板的宽度短，为了将基板整个表面结晶，需要分数次扫描激光。由此在基板内产生线状光束的接缝的区域，形成被二次扫描的区域。该区域与通过一次扫描进行了结晶的区域在结晶性上有很大不同。因此两者的元件特性有很大不同，成为器件产生的偏差的主要原因。

最后，激光结晶装置的装置结构复杂，并且消耗部件的成本高，因此存在装置成本以及运行成本高的课题。由此，使用了通过激光结晶装置进行结晶的多晶硅膜的TFT成为制造成本高的元件。

为了克服这样的基板尺寸的限制、装置成本高等课题，正在研究称为“热等离子流结晶法”的结晶技术（例如参考非专利文献1）。以下简单地说明本技术。使钨（W）阴极与水冷后的铜（Cu）阳极相对，施加DC电压后，在两极间产生电弧放电。通过在大气压下使氩气在该电极之间流过，从在铜阳极上开的喷出孔，喷出热等离子体。

所谓热等离子体，是指热平衡等离子体，是指离子、电子、中性原子等的温度大致相同且它们的温度具有10000K左右的超高温的热源。由此，热等离子能够容易地将被加热物体加热到高温，通过将堆积了非结晶硅（以下也称为“a-Si”）膜的基板在超高温的热等离子体前面进行高速扫描，能够使a-Si膜结晶。

这样，装置结构极其简单，并且是大气压下的结晶工艺，因此无须用密封腔室等高价部件覆盖装置，可望装置成本极其低。另外，结晶所需的实用物是氩气、电力、以及冷却水，因此是运行成本也较低的结晶技术。