(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、該真空容器内を減圧下に保持するための排気手段と、高周波電力を印加する高周波電源と、原料ガス導入手段と、
前記真空容器内に、被成膜基板を置くための接地電極と、該接地電極と２〜５００ｍｍの間隔を空けて配置され前記高周波電源に接続された陰極と、該陰極と前記接地電極との間に配置された電位シールド板とを備えたプラズマＣＶＤ装置であって、
前記陰極は、前記接地電極に対向する側に対向面と複数の凹部とを有し、
前記電位シールド板は、前記陰極の各凹部と相対する各位置に貫通孔が形成されており、
該貫通孔は、凹部の電位シールド板と平行な平面への投影面積を１００％としたとき、電位シールド板と平行な平面への投影面積が５０〜２５０％となるものであり、
かつ、前記陰極と前記電位シールド板とは、最近接部の間隔が０．１〜２０ｍｍとなるよう配置され、前記陰極の対向面と前記電位シールド板との間には、陰極の対向面と前記電位シールド板との間隔が、０．１〜２０ｍｍである第１の領域と、（ｉ）隣接する凹部同士の間、（ｉｉ）隣接する貫通孔同士の間または（ｉｉｉ）隣接する凹部同士の間および隣接する貫通孔同士の間に、陰極と電位シールド板との間隔が１〜３０ｍｍである溝をなす第２の領域とが形成されるように、
陰極および／または電位シールド板に溝が形成されていることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記第１の領域と第２の領域とを電位シールド板に平行な面に投影したしたときの第１の領域の投影面積が前記第１の領域と前記第２の領域の投影面積の合計の７０〜９５％である請求項１のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記電位シールド板が加熱可能である請求項２のプラズマＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマＣＶＤ装置に関するものである。特にシリコン薄膜太陽電池や、薄膜トランジスタなどに利用される高品質なアモルファスシリコン薄膜を形成するためのプラズマＣＶＤ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、太陽電池の主流を成す単結晶シリコン系太陽電池または、多結晶シリコン系太陽電池と比較して、シリコン薄膜太陽電池は温度依存性が小さく、コスト的にも有利であるため次世代の太陽電池として注目されている。
【０００３】
シリコン薄膜太陽電池に用いられるアモルファスシリコン薄膜を作製するための技術として例えば平行平板型プラズマケミカルベーパーデポジション（ＣＶＤ）法が挙げられる（以下、ケミカルベーパーデポジションをＣＶＤと略す）。従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置を図４に示す。図４に示すプラズマＣＶＤ装置１には排気口６を経て真空度を保持する排気系を有する真空容器２が備えられ、同真空容器２内には陰極３と、被成膜基板１３を保持する接地電極１１が設置されている。接地電極１１の内部には基板を加熱するための加熱機構１２が内蔵されている。陰極３の内部には絶縁物を介して複数の導入孔７ａへとつながる原料ガス導入路７が設けられており、複数の導入孔７ａを通じて、原料ガスは被成膜基板１３上へ均一に導入される。また陰極３にはマッチングボックス１４を介し高周波電源１５が接続されている。かかる装置を用いて、排気系により一定の圧力に保持し、陰極３に高周波電力を印加してプラズマを発生させ、接地電極１１上に保持した被成膜基板１３の表面にアモルファスシリコン薄膜を形成する。
【０００４】
しかし、このような平行平板型プラズマＣＶＤ法で作製されたアモルファスシリコン薄膜は光照射により、膜中の中性ダングリングボンド（欠陥）が増大し、光劣化を起こすことが知られている。この光劣化はＳｔａｅｂｅｒ−Ｗｒｏｎｓｋｉ効果として３０年以上前に見出されているにも関わらず、未だに解消されていない。
【０００５】
この光劣化を起こすメカニズムに関して、現在明確に解明されたわけではないが、その光劣化と相関のあるものとして膜中のＳｉ−Ｈ２結合濃度が知られており、膜中のＳｉ−Ｈ２結合濃度が低いものは光劣化が少ないとの報告がされている（非特許文献１）。その中で膜中のＳｉ−Ｈ２結合濃度が増加する原因として、成膜中に発生する高次シランラジカル（（ＳｉＨ２）ｎ：ｎ＝２〜５）が原因であるとされており、高次シランラジカルはプラズマ中に生成したＳｉＨ２ラジカルが、Ｓｉ−Ｈ結合に挿入する逐次反応によって成長し、膜中に混入することによって、Ｓｉ−Ｈ２結合の増加や、初期のダングリングボンドを膜中に形成するとされている。
【０００６】
高次シランラジカルの生成に関してプラズマ中のガス温度は重要な因子である。高次シランを成長させる逐次反応は三体反応であることが知られ、これを抑える手段としてガス加熱が有効であるとされている。ＳｉＨ２ラジカルのＳｉ−Ｈ結合への挿入反応により生成した高次シランは余剰なエネルギーを第三体（親分子であるＳｉＨ４）に吸収させることにより安定化を図る。そのため第三体がエネルギーを受け取れないような状態、つまり温度が高い状態であると三体反応が進行せず、高次シランの成長が抑制される。
【０００７】
上記反応機構を考慮して、非特許文献２、特許文献１、特許文献２のような成膜方法が提案されている。
【０００８】
非特許文献２は、トライオード法によりＳｉ−Ｈ２結合濃度を低くする成膜方法である。このトライオード法の成膜装置を図５に示す。トライオード法によるプラズマＣＶＤ装置は図５に示すように図４に示した平行平板型プラズマＣＶＤ装置の陰極３と接地電極１１との間にメッシュ電極１７を挿入し、このメッシュ電極には直流可変電源１６が接続されている。このようにトライオード法も平行平板型のＣＶＤ法の１種であるが、陰極３と接地電極１１との間にメッシュ電極１７を挿入し、これに電位（通常負電位）を印加することによって、陰極３とメッシュ電極１７との間にプラズマを閉じ込めることが可能になる。メッシュ電極１７と接地電極１１との間にはプラズマが生成しないため、成膜に寄与するラジカルは陰極３とメッシュ電極１７との間で生成し、メッシュ電極１７の空隙より拡散によって被成膜基板１３へと到達する。ラジカルの拡散距離は分子量の逆数の平方根に比例する。高次シランラジカルは分子量が大きいため、ＳｉＨ３ラジカルに比べ拡散距離が短いことを利用して、選択的にＳｉＨ３ラジカルを基板上へ輸送しようとするものである。これにより、非常に低いＳｉ−Ｈ２結合濃度を達成し、劣化率の低いアモルファスシリコン薄膜を得ている。
【０００９】
しかし、この技術では、高次シランラジカルを取り除くためには、メッシュ電極と接地電極との間の距離が必要となる。そのため、この距離が不十分であると高次シランラジカルを十分取り除けなくなり、高次シランラジカルを取り除くためにこの距離を長くすると成膜速度が遅くなるという問題がある。
【００１０】
特許文献１は、電極表面付近から被成膜基板と反対方向へ排気によって作られるガス流れにより拡散距離の短い高次シランラジカルを除去する成膜方法である。この方法の成膜装置を図６に示す。陰極３には、排気孔を兼ねる凹部（ホロー）４と原料ガス導入路７が備えられ、対向面５付近から被成膜基板１３と反対方向のガス流れが作られる。主に凹部４内でプラズマが発生し高次シランラジカルが生成するが、ガス流れにより拡散距離の短い高次シランラジカルは選択的に排気されることで膜中のＳｉ−Ｈ２結合やダングリングボンドの低減を図るものである。また、対向面５には各凹部の間に溝（図示しない）を作りプラズマ安定化も図っている。この方法であれば、前述のトライオード法のようなメッシュ電極および高次シランラジカルを選択除去するためのスペースが不要のためトライオード法と比較して速い成膜速度を得ることができる。
【００１１】
しかしながら、この電極構造では、陰極に備えられた凹部の外（例えば対向面や複数の凹部を連通する溝の中）にもプラズマが漏れるので、凹部の外で発生した高次シランラジカルは膜中に取り込まれ易いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−２１４２９６
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】松田彰久（A. Matsuda）他著，「ソーラーエナジーマテリアルズ アンド ソーラーセルズ( Solar Energy Materials & Sollar Cells ) ,２００３年，第７８巻， ｐ３−２６
【非特許文献２】清水諭（Satoshi Shimizu）他著，「ジャーナルオブアプライドフィジックス ( JOURNAL OF APPLIED PHYSICS)，２００７年，第１０１巻，ｐ０６４９１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで筆者らは図７のような複数の凹部（ホロー）４を備えた陰極３と電位シールド板８とを組み合わせ、プラズマを局在化する成膜方法を考えた。電位シールド板８を接地電位あるいは負電位に保つことにより、接地電極１１に保持された被成膜基板上へのプラズマの流出を防ぎ、原料ガス中に含まれる高次シランを排気口６より真空容器外へ排気し、プラズマ化した原料ガス中に含まれるＳｉＨ３ラジカルを被成膜基板上に優先的に到達させるものである。電位シールド板と対向面との距離を成膜条件に合わせて適切に設定することで対向面にプラズマを発生させなくすることが可能で、特許文献１の方法よりもより一層プラズマ局在化ができ、また、トライオード法よりも高速に高品質なアモルファスシリコン薄膜を得ることができる。
【００１５】
一方、電位シールド板によりプラズマを局在化させると、プラズマの点火に際し、陰極上のすべての凹部（ホロー）にプラズマを発生させるには、条件の設定を厳密に行う必要があるという新たな課題を発見した。点火条件が不適切である場合、プラズマが発生していない凹部（ホロー）が生じ、その部分では原料ガスの励起、分解が起こらず、被成膜基板上の対向する部分の膜厚が薄く、薄膜の膜厚分布が不均一になってしまう。膜厚分布が不均一であると、例えばアモルファスシリコン太陽電池の場合では、セル毎の電流密度を揃えるのが困難になりモジュール化したときの変換効率が低下してしまう。
【００１６】
この問題は、陰極が大面積になると顕著になることが想定され、将来大面積化による生産性向上を阻害する問題となる可能性がある。
【００１７】
点火時のみ投入電力を大きくすることで点火性を改善することは可能ではあるが、製造設備に高価な大容量電源を必要とする。更に、大きな電力を投入することで下地層や下地層と成膜層との界面を傷める問題もある。
【００１８】
また、点火時のみ圧力を下げてプラズマの局在化を緩和すると、プラズマが凹部（ホロー）からはみ出し点火性は向上するものの、第一の目的であった高次シランを選択的に排気する機能が不十分になる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明のプラズマＣＶＤ装置は以下の構成をとる。すなわち、真空容器と、該真空容器内を減圧下に保持するための排気手段と、高周波電力を印加する高周波電源と、原料ガス導入手段と、
前記真空容器内に、被成膜基板を置くための接地電極と、該接地電極と２〜５００ｍｍの間隔を空けて配置され前記高周波電源に接続された陰極と、該陰極と前記接地電極との間に配置された電位シールド板とを備えたプラズマＣＶＤ装置であって、
前記電位シールド板は、前記陰極の各凹部と相対する各位置に貫通孔が形成されており、
該貫通孔は、凹部の電位シールド板と平行な平面への投影面積を１００％としたとき、電位シールド板と平行な平面への投影面積が５０〜２５０％となるものであり、
かつ、前記陰極と前記電位シールド板とは、最近接部の間隔が０．１〜２０ｍｍとなるよう配置され、前記陰極の対向面と前記電位シールド板との間には、陰極の対向面と前記電位シールド板との間隔が、０．１〜２０ｍｍである第１の領域と、（ｉ）隣接する凹部同士の間、（ｉｉ）隣接する貫通孔同士の間または（ｉｉｉ）隣接する凹部同士の間および隣接する貫通孔同士の間に、陰極と電位シールド板との間隔が１〜３０ｍｍである溝をなす第２の領域とが形成されるように、
陰極および／または電位シールド板に溝が形成されていることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置である。
【００２０】
本発明のプラズマＣＶＤ装置において使用される真空容器は、排気手段により、該真空容器内を減圧下に保持し、原料ガスの微量の存在下で、容器内の電極に高周波電力を印加することによりプラズマを発生させ成膜を行うものである。そのため、後述する排気手段によって１００Ｐａ以上の真空度に到達できる程度にリークの少ない構造である必要がある。
【００２１】
本発明のプラズマＣＶＤ装置において使用される排気手段は、排気口を通じ真空ポンプによりなされる。排気口は真空容器にあってもよいし、陰極を中空として陰極に排気口を設けてもよい。陰極の凹部の先に排気口を設けると排気の流れによっても高次シランラジカルの選択除去ができるためより好ましい。真空ポンプは機械式ドライポンプやターボ分子ポンプ、油拡散ポンプ、クライオポンプ、イオンポンプ、油回転ポンプ、ソープションポンプなどを必要に応じて組み合わせて使うことができる。未反応の原料ガスや反応生成物、反応副生物を排気することになるため、ガス通路に油を使用しておらず油の劣化の恐れがない機械式ドライポンプがメンテナンス性において優れる。
【００２２】
本発明のプラズマＣＶＤ装置において使用される高周波電力を印加する高周波電源は、電源の容量を有効利用できるようにインピーダンスを補整するマッチングボックスを介して陰極と接続される。この高周波電源の周波数は任意に選択が可能で、生産性および均一性の観点から、好ましくは１００ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１０ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の周波数が選択できるものであればよい。
【００２３】
本発明のプラズマＣＶＤ装置において使用される原料ガス導入手段は、マスフローコントローラーで流量を調整して原料ガス導入路、原料ガス導入孔を通じて行われる。原料ガス導入孔は真空容器にあってもよいし、陰極を中空として陰極に原料ガス導入孔をもうけてもよい。電極を大型化した場合、陰極に原料ガス導入孔がある方が真空容器にあるよりも陰極−接地電極間に均一にガスを供給できるため好ましい。
【００２４】
本発明のプラズマＣＶＤ装置において使用される電極は、被成膜基板を置くための接地電極と、該接地電極と２〜５００ｍｍの間隔を空けて配置され前記高周波電源に接続された陰極と、該陰極と前記接地電極との間に配置された電位シールド板とからなる。接地電極は、基準電位に接続されており、通常は接地される。陰極は、基準電位（通常は接地）に高周波電源、マッチングボックス、直流電流阻止コンデンサを通じて接続される。電位シールド板は、任意の電位を印加できるように基準電位（通常は接地）に直流可変電源を通じて接続される。電位シールド板を接地電極と同電位にする場合は可変電源を省いてもよい。
【００２５】
また、本発明のプラズマＣＶＤ装置において使用される陰極は、前記接地電極に対向する側に配置された複数の凹部と対向面とを有している。ここで、凹部とは、陰極の内部に側面を有した開口により該開口の内部に側面で囲まれた一定の空間を形成するものであり、開口を接地電極に投影した図形の内接する最大の円の直径が２ｍｍ以上であり、対向面を基準とした側面の奥行きが２ｍｍ以上である。凹部の開口の接地電極に投影した図形の内接する最大の円の直径が２ｍｍよりも小さければパッシェンの法則により凹部の内部にプラズマを発生しにくくなる。また、凹部の対向面を基準とした奥行きが２ｍｍより小さい場合はホローカソード放電が起こらないかまたはごく限定的であり、成膜速度つまりは生産性が低下してしまう。
また、凹部は陰極に均一に配置されていることが膜厚分布を均一にする観点から好ましい。
【００２６】
また、対向面とは、陰極において接地電極に対向している面のことである。陰極に反応ガスの導入孔を配置する場合はこの面上に設けることになる。
【００２７】
また、本発明のプラズマＣＶＤ装置において使用される電位シールド板は、複数の貫通孔を有し、基準電位（通常は接地）に対して任意の電位を印加できる機構を持つ。プラズマの閉じ込めを考慮した場合、その電位シールド板８の貫通孔９の中心軸が、陰極３に形成された凹部４の中心軸と重なるように配置されることが好ましい。凹部４中には、ホローカソード放電によるプラズマが発生すると考えられ、貫通孔９と凹部４の中心軸が一致していると、プラズマから接地電位又は負電位である電位シールド板８までの距離が均等となり、プラズマの放電が安定するためである。また、電位シールド板８は、陰極の凹部４と相対する位置に、該各凹部の電位シールド板と平行な平面への投影面積の５０〜２５０％の投影面積を有する貫通孔９が形成されている（本明細書において、単に投影面積と言うときは、該電位シールド板と平行な平面への投影面積を言うものとする）。貫通孔９の投影面積が各凹部の投影面積の５０％より小さいとプラズマからの活性種の拡散が抑えられ成膜速度が著しく低下し、逆に２５０％よりも大きいとプラズマの閉じ込めが不十分となる。また、後述する第２の領域で発生するプラズマによりパウダーが生成した場合、貫通孔の投影面積が大きいと電位シールド板でパウダーが被成膜基板上へ到達するのを遮蔽する効果が小さくなる。好ましくは凹部４の投影面積の６５〜１５０％の範囲、より好ましくは８０〜１２０％の範囲である。電位シールド板８の貫通孔９の形状はテーパー状等の形状となっていてもかまわない。電位シールド板８に接続する直流可変電源 １６は電位をかけられるものであれば問題なく、周波数がｋＨｚオーダー以上の交流電源であれば自己バイアスが発生し直流電位をかけることができるので、本願発明においてはkHz程度の交流電源も、自己バイアスが発生し直流電位をかけることができるものについては直流可変電源と見なすものとする。接地電位とするのであれば直流可変電源１６は不要でそのまま接地すればよい。
【００２８】
また、本発明のプラズマＣＶＤ装置において、陰極とシールド板とは、後述する第１の領域における両電極の間隔（以降第１の間隔と記す）が０．１〜２０ｍｍとなるように配置されている。第１の間隔が０．１ｍｍより小さいと異常放電を起こす可能性が高まり、また２０ｍｍよりも大きいと陰極と電位シールド板との間でプラズマが生じやすくなるため、陰極と電位シールド板との間に、被成膜基板上に落ちるとピンホールの原因となるパウダーを生じやすくなり、パウダーをクリーニングするため装置の稼働率が低下してしまう。第１の間隔が０．２〜５ｍｍであるとより好ましい。
【００２９】
また本発明のプラズマＣＶＤ装置において、陰極と電位シールド板とは、陰極の対向面と電位シールド板の間には、間隔が、０．１〜２０ｍｍである第１の領域１０ａと、凹部および／または貫通孔の間に陰極とシールド板との間隔が１〜３０ｍｍであり且つ第１の領域の電極の対向面と電子シールド板との間隔よりも広い第２の領域１０ｂが連結路をなして形成されるように、陰極および／または電位シールド板の対向面が堀込まれている。かかる第２の領域１０ｂを通じてエネルギーの高い電子やイオンが各凹部の間を行き来することで、第２の領域１０ｂが形成されていないときと比べ点火性が向上する。第２の領域１０ｂの陰極とシールド板との間隔（以降第２の間隔と記す）が１ｍｍよりも小さいとエネルギーの高い電子やイオンが行き来するスペースが十分確保できないため点火性向上の効果が得られにくい。第２の間隔が３０ｍｍより大きいと、第２の領域１０ｂの中にプラズマが生じパウダーを発生しやすくなるので好ましくない。
【００３０】
前記第１の領域１０ａと第２の領域１０ｂとを電位シールド板に平行な面に投影したとき（図２ｂ）の第１の領域１０ａの投影面積が第１の領域と第２の領域の投影面積の合計の７０〜９５％であることが好ましい。第１の領域の投影面積が第１の領域と第２の領域の投影面積の合計の７０％より小さくなる（つまり連通路の割合が大きくなる）と、連通路の部分で発生するプラズマが相対的に多くなるため、陰極４と電位シールド板８との間にパウダーを生じ易くなる。第１の領域の投影面積が第１の領域と第２の領域の投影面積の合計の９５％よりも大きくなる（つまり連通路の割合が小さくなる）とエネルギーの高い電子やイオンが行き来するスペースが十分確保できないため点火性向上の効果が得られにくい。
【００３１】
また、前記電位シールド板には加熱機構が備わっていることが好ましい。これは、シランラジカルが高次シランラジカルへと成長する過程の逐次反応を抑制するためであると同時に点火性向上のためでもある。電位シールド板を加熱することでプラズマ付近のガス温度が上がると、圧力一定条件下ではガス密度が下がり電子やイオンの拡散距離が伸びる。このことによりエネルギーの高い電子やイオンが凹部から隣接する凹部へ移動することが容易となるためである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、以下に説明するとおり、点火時に大電力を投入することなく、また点火時に圧力を低く変更することなく、陰極凹部内にプラズマを発生させることができる。このことにより、複数の凹部を備えた陰極と電位シールド板とを利用したプラズマ閉じ込めによるアモルファスシリコン薄膜の高品質化を大面積に適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明にかかる第一実施形態によるプラズマＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。
【図２ａ】電位シールド板の斜視概略図である。
【図２ｂ】第１の領域と第２の領域とを電位シールド板に平行な面に投影した概略図である。
【図３】本発明にかかる第二実施形態によるプラズマＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。
【図４】従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。
【図５】従来のトライオード法を用いたプラズマＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。
【図６】従来の複数の凹部を備えた陰極と電位シールド板とを組み合わせたプラズマＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。
【図７】先行技術を参考に筆者らが考案したプラズマＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
【００３５】
［第一実施の形態］
図１は本発明の第一実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。
【００３６】
図１によると本発明のプラズマＣＶＤ装置１には、その内部を減圧状態に保持する排気系を備えた真空容器２と、真空容器２内には複数の凹部４を備えた陰極３と、被成膜基板１３が置かれる接地電極１１が設置されている。
【００３７】
陰極３と接地電極１１との間隔は２〜５００ｍｍである。陰極３に設けられた凹部４の大きさにもよるが、２ｍｍよりも狭いと凹部の真下だけ膜厚が厚くなり膜厚分布が悪化してしまう。一方、間隔を離すに従い成膜速度が低下するため、５００ｍｍ以上は現実的な生産性が得られない。より好ましくは１０〜２００ｍｍであり、更により好ましくは２０〜６０ｍｍである。
【００３８】
陰極３にはマッチングボックス１４を介して、高周波電源１５が接続されている。この高周波電源の周波数は任意に選択が可能で、生産性および均一性の観点から、好ましくは１００ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１０ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下の周波数が選択できるものであればよい。
【００３９】
被成膜基板１３は接地電極１１上に動かないように配置されていればよく、例えば接地電極１１に座繰りを設けて被成膜基板１３をその中に置いても、別の治具で被成膜基板１３を接地電極１１に押し付けてもよい。また接地電極１１の内部には被成膜基板１３を加熱するための加熱機構１２が内蔵されていても良い。
【００４０】
陰極３にはプラズマを閉じ込める空間となる凹部（ホロー）４が形成されている。なお本発明における凹部とは、陰極の内部に側面を有した開口により該開口の内部に側面で囲まれた一定の空間を形成するものであり、開口を接地電極に投影した図形の内接する最大の円の直径が２ｍｍ以上であり、対向面を基準とした側面の奥行きが２ｍｍ以上である。凹部の開口の接地電極に投影した図形の内接する最大の円の直径が２ｍｍよりも小さければパッシェンの法則により凹部の内部にプラズマを発生しにくくなる。一方、凹部が大きすぎると凹部の中心と端でのプラズマ強度差が大きくなり膜厚分布が悪化するため、より好ましくは開口部を接地電極に投影した図形の内接する最大の円の直径が５０ｍｍ以下である。また、凹部の対向面を基準とした奥行きが２ｍｍより小さい場合はホローカソード放電が起こらないまたはごく限定的であり、成膜速度つまりは生産性が低下してしまう。この要件を満たせば図３のように必ずしも端面が閉じている必要はない。本第一実施の形態においては、陰極３は排気口６が設けられた中空構造であり、陰極３に形成された凹部４は、陰極３内部の中空部に連通しており、凹部４を通じて電極上面の排気口６から、図示しない真空ポンプ接続され減圧排気が可能となっている。また、被成膜基板１３上の膜厚分布を考えると、この凹部４は陰極表面上に均一に配置されていることが好ましい。
【００４１】
また本第一実施の形態においては、陰極３の内部に図１に示すように、原料ガスを供給するための原料ガス導入路７が形成されており、原料ガス導入孔７ａは陰極３の対向面に設けられている。原料ガス導入孔７ａは陰極表面上に均一に配置されていることが好ましい。また原料ガス導入路をかかる態様で配置することに伴い、電位シールド板８には陰極３の原料ガス導入孔７ａに相対する位置に原料ガス導入用の貫通孔が形成されている。原料ガスは、図示しないマスフローコントローラーにより流量をコントロールして前記原料ガス導入路７を経て真空容器２内に供給される。
【００４２】
成膜を行う際の排気は陰極３上部に形成された排気口６からのみからの排気でもかまわないが、これ以外に図中にはない排気系を真空容器に設け圧力調整を行っても良い。
【００４３】
成膜を行う際の原料ガスには一般的にシランガス（ＳｉＨ４）が用いられるが、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）やメチルシラン、金属ハロゲン化物、ジボラン、フォスフィン等のガスを選択することも可能である。また水素や、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスで希釈してもかまわない。
【００４４】
さらに、図１のプラズマＣＶＤ装置には、陰極３の接地電極１１の側に、複数の貫通孔９が形成された電位シールド板８が設置されている。
【００４５】
この電位シールド板８を設置する目的は、陰極３に形成された凹部４の内部にプラズマを局在化させるためであり、トライオード法の要素を取り入れるためである。そのために電位シールド板８を接地すること、あるいは電位シールド板８に直流可変電源１６等を接続し電位を印加して電位を一定に保つことはプラズマをコントロールする上で非常に有効な手段である。電位シールド板８を基準電位（通常は接地電位）または、負電位とすることで、プラズマを凹部４の中に閉じ込め、電位シールド板８と被成膜基板１３との間に存在するプラズマを弱めることが可能となる。また、電位シールド板８に接続する直流可変電源１６は電位をかけられるものであれば問題なく、周波数がｋＨｚオーダー以上の交流電源であれば自己バイアスが発生し直流電位をかけることができるので、直流電源以外にも、kHz程度の交流電源やRF電源を用いてもよい。電位シールド板を基準電位（通常は接地電位）とするのであれば直流可変電源１６は不要でそのまま接地すればよい。
【００４６】
プラズマの閉じ込めを考慮した場合、その電位シールド板８の貫通孔９の中心軸が、陰極３に形成された凹部４の中心軸と重なるように配置されることが好ましい。凹部４中には、ホローカソード放電によるプラズマが発生すると考えられ、貫通孔９と凹部４の中心軸が一致していると、プラズマから基準電位（通常は接地電位）又は負電位である電位シールド板８までの距離が均等となり、プラズマの放電が安定するためである。また、電位シールド板８は、陰極４の対向面をカバーすると共に、陰極の凹部４と相対する位置に各凹部の投影面積の５０〜２５０％の貫通孔９が形成されている。貫通孔９の投影面積が各凹部の投影面積の５０％より小さいとプラズマからの活性種の拡散が抑えられ成膜速度が著しく低下し、逆に２５０％よりも大きいとプラズマの閉じ込めが不十分となる。また、後述する溝部分で発生するプラズマによりパウダーが生成した場合、貫通孔の投影面積が大きいと電位シールド板でパウダーが被成膜基板上へ到達するのを遮蔽する効果が薄まる。好ましくは凹部４の投影面積の６５〜１５０％の範囲、より好ましくは８０〜１２０％の範囲である。電位シールド板８の貫通孔９の形状はテーパー状等の形状となっていてもかまわない。
【００４７】
このようにしてプラズマを凹部４中に閉じ込めることにより、プラズマは排気の流れの中に存在することになる。このため拡散長の短い高次シランは排気の流れによって排気され、また拡散長の長いＳｉＨ３ラジカルは拡散によって基板方向へと到達することが可能となる。
【００４８】
また、電位シールド板８と被成膜基板１３との間のプラズマが弱められることにより、電位シールド板８と被成膜基板１３との間では新たな活性種の発生はほとんどなくなることになる。これにより成膜に寄与する高次シラン、ＳｉＨ２ラジカルや、ＳｉＨ３ラジカルは電位シールド板８の貫通孔９より被成膜基板１３の方向へ拡散したものに限られることになる。
【００４９】
電位シールド板８と被成膜基板１３との間で起こる反応としては以下のようなものが考えられる。
ＳｉｍＨ２ｍ＋１  ＋  ＳｉＨ４  →  ＳｉｍＨ２ｍ＋２  ＋  ＳｉＨ３  （ｍは２以上の整数）
（式１）
ＳｉＨ２  ＋  ＳｉＨ４  →  Ｓｉ２Ｈ６                           （式２）
ＳｉＨ３  ＋  ＳｉＨ４  →  ＳｉＨ４  ＋  ＳｉＨ３                （式３）
排気の流れに逆らい被成膜基板１３の方向へ拡散した高次シランラジカルは、被成膜基板１３の方向へ拡散中に親分子であるＳｉＨ４と反応し不活性な高次シランになることにより成膜には関与せず排気される（式１）。ＳｉＨ２ラジカルは拡散しながら高次シランへ成長していく過程で親分子であるＳｉＨ４と反応し不活性になることにより、成膜には関与せず排気される（式２）。一方で親分子との反応により変化しないＳｉＨ３ラジカル（式３）は基板へ到達し、選択的に成膜に寄与することにより、高品質な膜を得ることが可能になる。
【００５０】
陰極と電位シールド板とは、最近接部の間隔が０．１〜２０ｍｍとなるように配置されている。最近接部の間隔が０．１ｍｍより小さいと異常放電を起こす可能性が高まり、また２０ｍｍよりも大きいと陰極と電位シールド板との間でプラズマが生じやすくなるため、陰極と電位シールド板との間に、被成膜基板上に落ちるとピンホールの原因となるパウダーを生じやすくなり、パウダーをクリーニングするため装置の稼働率が低下してしまう。
【００５１】
陰極の対向面と電位シールド板との間には、間隔が、０．１〜２０ｍｍである第１の領域１０ａと、凹部および／または貫通孔の間に陰極とシールド板との間隔が１〜３０ｍｍであり且つ第１の領域の電極の対向面と電子シールド板との間隔よりも広い第２の領域１０ｂが連結路をなして形成されるように、陰極および／または電位シールド板の対向面が堀込まれている。図２ａは、かかる第１の領域および第２の領域の１例として、対向面が掘り込まれた電位シールド板の斜視概略図を示している。図２ａでは、電位シールド板の対向面のみが掘り込むことで形成されているが、かかる掘り込みによる第２の領域形成は、陰極を掘り込んで形成してもよいし、一部は陰極を一部は電位シールド板を掘り込むことで形成されてもよい。かかる第２の領域１０ｂを通じてエネルギーの高い電子やイオンが各凹部の間を行き来することで、第２の領域１０ｂが形成されていないときと比べ点火性が向上する。第２の領域１０ｂの陰極とシールド板との間隔が１ｍｍよりも小さいとエネルギーの高い電子やイオンが行き来するスペースが十分確保できないため点火性向上の効果が得られにくい。第２の領域１０ｂの陰極とシールド板との間隔が３０ｍｍより深いと、その溝の中にプラズマが生じパウダーを発生しやすくなるので好ましくない。より好ましくは、第２の間隔は第１の間隔の１２０％以上である。第２の間隔が第１の間隔の１２０％より小さいと、連結路により確保されるエネルギーの高い電子やイオンが行き来するスペースが、連結路がない場合と比べてあまり増加しないので点火性向上の効果が限定的である。
【００５２】
前記第１の領域１０ａと第２の領域１０ｂとを電位シールド板に平行な面に投影したとき（図２ｂ）の第１の領域１０ａの投影面積が第１の領域と第２の領域の投影面積の合計の７０〜９５％であることが好ましい。第１の領域の投影面積が第１の領域と第２の領域の投影面積の合計の７０％より小さくなる（つまり連通路の割合が大きくなる）と、連通路の部分で発生するプラズマが相対的に多くなるため、陰極４と電位シールド板８との間にパウダーを生じ易くなる。第１の領域の投影面積が第１の領域と第２の領域の投影面積の９５％よりも大きくなる（つまり連通路の割合が小さくなる）とエネルギーの高い電子やイオンが行き来するスペースが十分確保できないため点火性向上の効果が得られにくい。
【００５３】
また、前記電位シールド板には加熱機構が備わっていることが好ましい。これは、シランラジカルが高次シランラジカルへと成長する過程の逐次反応を抑制するためであると同時に点火性向上のためでもある。電位シールド板を加熱することでプラズマ付近のガス温度が上がると、圧力一定条件下ではガス密度が下がり電子やイオンの拡散距離が伸びる。このことによりエネルギーの高い電子やイオンが凹部から隣接する凹部へ移動することが容易となるためである。
【００５４】
［第二実施の形態］
第二実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置は、図３のように第一実施の形態のプラズマＣＶＤ装置の排気口６、原料ガス導入路７の位置を変更させたものである。第二実施の形態では、排気の流れが被成膜基板１４から遠のく方向と一致しないため、第一実施の形態と比べ排気流れを利用した高次シランラジカルの選択的除去の効力は落ちるが、電極構造を単純にできる利点があり、既存設備を改造する際には好適である。
【００５５】
原料ガス供給や排気を、陰極３を通じてではなく、真空容器２の側面または下面から行っても、本発明の目的である陰極凹部へのプラズマ点火性において第一実施の形態同様の効果が得られる。
（実施例１）
［第一実施の形態］に記載の構造を有し、真空ポンプが機械式ドライポンプであり、陰極と接地電極との間隔が３０ｍｍであり、陰極の対向面のサイズが１８０ｍｍ×１８０ｍｍであり、陰極に８５個配置される凹部が直径１０ｍｍ深さ４０ｍｍの円柱形であり、陰極の凹部の電位シールド板の貫通孔の中心軸が重なっており、電位シールド板の貫通孔の電位シールド板に平行な面への投影面積が陰極の凹部の電位シールド板に平行な面への投影面積の１００％であり、陰極と電位シールド板との第１の間隔が１ｍｍであり、第２の間隔が４ｍｍであり、第１の領域の電位シールド板に平行な面への投影面積が第１の領域と第２の領域の電位シールド板に平行な面への投影面積の合計の８１％であるプラズマＣＶＤ装置を用いた。
【００５６】
原料ガスにＳｉＨ４を使い、流量を５０ｓｃｃｍとし、圧力を２５Ｐａとした。
【００５７】
接地電極温度を２１０℃とし、電位シールド板温度を２１０℃とし、電力を５０Ｗとする条件で、成膜を実施し、５０００オングストローム（５００ｎｍ）の厚みのアモルファスシリコン膜を成膜した。
成膜時、陰極の凹部すべてにプラズマが発生し、陰極中央の真下に置かれた３０ｍｍ四方の基板上の膜厚分布は±１０％以内であった。
（実施例２）
陰極と電位シールド板との第１の間隔が２ｍｍ、第２の間隔が１ｍｍ、第１の領域の電位シールド板に平行な面への投影面積が第１の領域と第２の領域の投影面積の合計の７４％であること以外は（実施例１）と同様の装置、条件でアモルファスシリコン膜を５０００オングストローム（５００ｎｍ）成膜した。
成膜時、陰極の凹部すべてにプラズマが発生し、陰極中央の真下に置かれた３０ｍｍ四方の基板上の膜厚分布は±１０％以内であった。
（比較例１）
電位シールド板に溝を配さず、第１の領域が電位シールド板に平行な面に投影した第１の領域と第２の領域の投影面積の合計の１００％を占めること以外は（実施例１）と同様の装置、条件でアモルファスシリコン膜を５０００オングストローム（５００ｎｍ）成膜した。
成膜時、陰極の凹部のうち６８個だけにプラズマが発生し、陰極中央の真下に置かれた３０ｍｍ四方の基板上の膜厚分布は±１７％であった。
【００５８】
このことより、本発明のプラズマＣＶＤ装置が、電極の全域にわたり凹部内にプラズマを発生させることを容易とし、良好な膜厚分布が得られることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、プラズマＣＶＤ装置およびアモルファスシリコン薄膜形成に限らず、微結晶シリコン薄膜等の各種薄膜形成、エッチング装置や、プラズマ表面処理装置などにも応用することができるが、その応用範囲が、これらに限られるものではない。
【符号の説明】
【００６０】
１      プラズマＣＶＤ装置
２      真空容器
３      陰極
４      凹部
５      対向面
６      排気口
７      原料ガス導入路
７ａ    原料ガス導入孔
８      電位シールド板
９      貫通孔
１０ａ  第１の領域
１０ｂ  第２の領域（陰極の対向面と電位シールド板との距離が第１の領域と比べ長い）
１１    接地電極
１２    基板加熱機構
１３    被成膜基板
１４    マッチングボックス
１５    高周波電源
１６    直流可変電源
１７    メッシュ電極
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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