等离子体处理装置以及等离子体处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种等离子体处理装置以及等离子体处理方法，其为对基材照射热等离子体并对基材进行处理的热等离子体处理、通过反应气体进行的等离子体处理、以及对基材同时照射等离子体和反应气体并对该基材进行处理的低温等离子体处理等。
【背景技术】
[0002]现有，多晶硅(poly-Si)等的半导体薄膜被广泛应用于薄膜晶体管(TFT:ThinFilm Transistor)和太阳能电池。特别是，poly-Si TFT有效利用载流子迀移率高、且能够在玻璃基板这样的透明绝缘基板上制作的特征，poly-Si TFT例如作为构成液晶显示装置、液晶投影机和有机EL显示装置等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被广泛应用。
[0003]作为在玻璃基板上制作高性能的TFT的方法，有一般被称为“高温工艺”的制造方法。在TFT的制造工艺中，一般将使用工序中的最高温度为1000°C左右的高温的工艺称为“高温工艺”。高温工艺的特征为:能够通过硅的固相生长形成较为优质的多晶硅薄膜、能够通过硅的热氧化得到优质的栅极绝缘层、以及能够形成干净的多晶硅与栅极绝缘层的界面。在高温工艺中，通过这些特征，能够稳定地制造高迀移率且可靠性高的高性能TFT。
[0004]另一方面，由于高温工艺为一种通过固相生长来进行硅膜的结晶的工艺，因此在600°C左右的温度下需要进行48小时左右的长时间的热处理。这是相当长时间的工序，为了提高工序的生产量，必然需要大量热处理炉，存在难以低成本化的问题。而且，作为耐热性高的绝缘性基板，不得不使用石英玻璃，因此基板的成本高，不适合大面积化。
[0005]另一方面，用于降低工序中的最高温度，在价格便宜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°C以下的温度环境下，在价格比较便宜的耐热性的玻璃基板上制造poly-Si TFT的工艺一般被称为“低温工艺”。在低温工艺中，使用振荡时间极短的脉冲激光来进行硅膜的结晶的激光结晶技术被广泛使用。激光结晶是指通过对基板上的硅薄膜照射高功率的脉冲激光使硅薄膜瞬间熔融，利用在该熔融的硅薄膜凝固的过程中进行结晶的性质的技术。
[0006]然而，在这种激光结晶技术中存在几大问题。问题之一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的陷获级。由于该陷获级的存在，本来应该通过施加电压来移动有源层的载流子被俘获，不能帮助导电，带来TFT的迀移率降低、阈值电压增大的恶劣影响。进而，因为激光输出的限制，还存在玻璃基板的尺寸被限制的问题。为了提高激光结晶工序的生产量，需要增加一次可结晶的面积。然而，在现有的激光输出上存在限制，因此在第7代(1800_X2100mm)的大型基板上采用该结晶技术的情况下，为了使一张基板结晶需要很长时间。
[0007]此外，激光结晶技术一般使用成形为线状的激光，通过使其进行扫描来进行结晶。由于在激光输出上存在限制，因此该直线光束比基板的宽度短，为了对基板整体进行结晶，需要分数次进行激光扫描。由此，在基板内产生直线光束的接缝区域，形成被扫描两次的区域。该区域与通过一次扫描进行了结晶的区域相比，结晶性有很大不同。因此，两者的元件特性有很大不同，成为设备偏差的重要原因。
[0008]最后，激光结晶装置的装置结构复杂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问题。由此，使用了通过激光结晶装置结晶后的多晶硅膜的TFT成为制造成本高的元件。
[0009]为了克服这种基板尺寸的限制、装置成本高的问题，研宄了一种被称为“热等离子流结晶法”的结晶技术(例如，参照非专利文献I)。以下对本技术进行简单说明。若使钨(W)阴极与水冷后的铜(Cu)阳极相对，并施加DC电压，则在两极间产生电弧放电。通过在该电极间在大气压下使氩气流过，从在铜阳极所开的喷出孔喷出热等离子体。
[0010]热等离子体是指热平衡等离子体，是离子、电子、中性原子等的温度大致相等且它们的温度具有10000K左右的超高温的热源。因此，热等离子体可容易地将被加热物体加热到高温，堆积有a-si (非晶硅)膜的基板高速扫描超高温热等离子体的前面，从而使a-Si膜结晶化。
[0011]像这样装置结构极其简单，且为在大气压力下的结晶工艺，因此，不需要用密闭腔等高价部件来覆盖装置，就能够期待装置成本变得极其便宜。此外结晶所需的实用物为氩气、电力和冷却水，因此是运行成本也低的结晶技术。
[0012]图19为用于说明使用了该热等离子体的半导体膜的结晶方法的模式图。
[0013]在图19中，热等离子体产生装置31构成为具备阴极32、和与该阴极32间隔规定距离并相对配置的阳极33。阴极32例如由钨等导电体构成。阳极33例如由铜等导电体构成。此外，阳极33形成为中空，并构成为能够向该中空部分通水来进行冷却。此外，在阳极33中设置有喷出孔(喷嘴)34。若在阴极32与阳极33之间施加直流(DC)电压，则在两极间产生电弧放电。在该状态下，在阴极32与阳极33之间在大气压力下使氩气等气体流过，从而能够从上述喷出孔34喷出热等尚子体35。
[0014]在此，“热等离子体”是指热平衡等离子体，是离子、电子、中性原子等的温度大致相等且它们的温度具有10000K左右的超高温的热源。
[0015]能够在用于半导体膜的结晶化的热处理中利用这样的热等离子体。具体来说，在基板36上形成半导体膜37 (例如，非晶硅膜)，向该半导体膜37照射热等离子体(热等离子流)35。此时，热等离子体35—边沿着与半导体摸37的表面平行的第I轴(图示的例中的左右方向)相对移动，一边被照向半导体膜37。S卩，热等离子体35 —边在第I轴方向上进行扫描，一边被照向半导体膜37。
[0016]在此，“相对移动”是指使半导体膜37 (以及支撑其的基板36)与热等离子体35相对移动，包含只使一方移动的情况和使两方均移动的情况。通过这样的热等离子体35的扫描，半导体膜37通过热等离子体35所具有的高温被加热，能够得到结晶后的半导体膜38 (在本例中为多晶硅膜)(例如，参照专利文献I)。
[0017]图20为表示距离基板最表面的深度与温度的关系的示意图。如图20所示，通过使热等离子体35高速移动，能够仅对表面附近在高温下进行处理。热等离子体35通过后，被加热后的区域被迅速冷却，表面附近只在极短的时间内变为高温。
[0018]这种热等离子体一般在点状区域产生。热等离子体通过来自阴极32的热电子放出而被维持。因此，在等离子体密度高的位置，热电子放出变得更活跃，因此，形成正反馈，等离子体密度越来越高。即，电弧放电集中在阴极的一点产生，热等离子体在点状区域产生。
[0019]在半导体膜的结晶化等想要同样地对平板状基材进行处理的情况下，需要以点状的热等离子体遍及基材整体地进行扫描，但为了减少扫描次数并构筑能够以更短的时间进行处理的工艺，扩大热等离子体的照射区域是有效的。因此，探讨了一种产生长的热等离子体，并仅在一个方向上进行扫描的技术。(例如，参照专利文献2?7)。
[0020]现有技术文献
[0021]专利文献
[0022]专利文献1:日本特开2008-53634号公报
[0023]专利文献2:国际公开第2011/142125号
[0024]专利文献3:日本特开2012-38839号公报
[0025]专利文献4:日本特开2012-54129号公报
[0026]专利文献5:日本特开2012-54130号公报
[0027]专利文献6:日本特开2012-54131号公报
[0028]专利文献7:日本特开2012-54132号公报
[0029]非专利文献
[0030]非专利文献1:S.Higashi, H.Kaku, T.0kada, H.Murakami and S.Miyazaki, Jpn.J.App1.Phys.45，5B (2006) pp.4313-4320
【发明内容】
[0031]然而，针对半导体的结晶化等只在极短的时间内对基材的表面附近进行高温处理的用途，在现有例中所示的专利文献2?7中所述的产生长的热等离子体的技术中，等离子体最高温的部分远离基板。因此，存在难以充分提高基板温度的问题。
[0032]本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供一种等离子体处理装置以及等离子体处理方法，在只在极短的时间内均匀地对基材的表面附近进行高温热处理的技术、通过反应气体进行的等离子体处理技术、以及同时向基材照射等离子体和反应气体流并对该基材进行处理的低温等离子体处理