(57)【要約】高周波を印加して高周波容量結合型プラズマを形成するプラズマＣＶＤ用のカソード電極の構成において、アノード電極と対向して配置すると共に、アノード電極と対向する対向面を、底面から成る凹部と、この凹部の底面からアノード電極側に向かって突出する複数の突出部から形成される凸部とから成る凹凸形状とする。凸部の少なくとも何れか一つの突出部は、側面に反応ガスの噴出を可能とする反応ガス噴出し孔を少なくとも一つ有し、この反応ガス噴出し孔の反応ガスの噴出方向は、凹部の底面に対してほぼ平行とする。カソード電極の最適化によって高密度のプラズマを生成する。
2009125477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波を印加して高周波容量結合型プラズマを形成する電極であって、
カソード電極は、
アノード電極と対向して配置し、
アノード電極と対向する対向面は、底面から成る凹部と、当該凹部の底面からアノード電極側に向かって突出する複数の突出部から形成される凸部からなる凹凸形状を有し、
前凸部の少なくとも何れか一つの突出部は、側面に反応ガスの噴出を可能とする反応ガス噴出し孔を少なくとも一つ有し、
前記反応ガス噴出し孔の反応ガスの噴出方向は、凹部の底面に対してほぼ平行であることを特徴とするプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項２】
前記カソード電極の突出部は、反応ガスを反応ガス噴出し孔に供給するための反応ガス流路を突出部の内部に備え、
前記反応ガス流路は、突出部の軸方向に沿って設けられた第１の流路と、前記第１の流路から分岐して前記反応ガス噴出し孔に連結する底面とほぼ平行な方向に設けられた第２の流路から成ることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項３】
前記カソード電極の突出部の隣接間隔は０．５mm〜７mmの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項４】
前記カソード電極の突出部が備える反応ガス噴出し孔の孔径は０．１mm〜１．０mmの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項５】
前記カソード電極の突出部の底面からの高さは３mm〜１５mmの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項６】
前記カソード電極の底部および突出部の側面は、微細な凹凸面であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項７】
前記カソード電極の突出部は、凹部の底面上において、正方形の４つの頂点の位置と、４つの頂点で囲まれる中心の位置との正方形最密配列で配列されることを特徴とする請求項１から６の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項８】
前記カソード電極の突出部は、凹部の底面上において、正六角形の６つの頂点の位置と、６つの頂点で囲まれる中心の位置との六角形最密配列で配列されることを特徴とする請求項１から６の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項９】
前記カソード電極の突出部は、前記反応ガス噴出し孔が形成された突出部と前記反応ガス噴出し孔が形成されていない突出部とを凹部の底面上に所定の分布で配置することを特徴とする請求項１から８の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項１０】
前記カソード電極の突出部は、前記反応ガス噴出し孔が形成された突出部と前記反応ガス噴出し孔が形成されていない突出部とを１：４の比率で有し、
凹部の底面上において、正六角形の６つの頂点の位置と、６つの頂点で囲まれる中心の位置との六角形最密配列により配列されることを特徴とする請求項９に記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項１１】
前記カソード電極の突出部は、水平断面が円形の円筒の形状であることを特徴とする請求項１から１０の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項１２】
前記カソード電極の突出部は、水平断面が多角形の多角柱の形状であることを特徴とする請求項１から１０の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項１３】
前記カソード電極の突出部は、前記反応ガス噴出し孔を少なくとも一つ有することを特徴とする請求項１から８の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項１４】
前記カソード電極は、前記突出部を内側に囲む外周壁を備え、
前記外周壁の壁面高さは突出部の高さとほぼ同じであることを特徴とする請求項１から１３の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項１５】
前記カソード電極は、底面を構成するカソードベース板に設けた開口部に、突出部を構成する支柱を嵌め込むことで形成されることを特徴とする請求項１から１４の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ用のカソード電極。
【請求項１６】
高周波を印加して高周波容量結合型プラズマを形成するプラズマＣＶＤ装置であって、
カソード電極およびアノード電極を備える真空チャンバーと、
前記真空チャンバー内の前記カソード電極の上流側に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記真空チャンバー内から反応ガスをプロセスチャンバー外に排出する排気部と、
前記真空チャンバー内の圧力を所定圧力に制御する制御部と、
前記カソード電極と前記アノード電極間に電力を供給する電力供給部と、
前記カソード電極と前記アノード電極との間に処理基板を配置する基板ホルダとを備え、
前記カソード電極は請求項１から請求項１５の何れか一つに記載のカソード電極であり、
前記反応ガス供給部によってカソード電極の上流側に供給された反応ガスを、カソード電極が備える反応ガス噴出し孔からカソード電極とアノード電極との間に噴出させることを特徴とする、プラズマＣＶＤ装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載されたプラズマＣＶＤ装置を用いて成膜されたシリコン半導体薄膜、シリコン窒化薄膜、シリコン酸化薄膜、シリコン酸窒化薄膜、カーボン薄膜の何れかの薄膜を含む太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波容量結合型プラズマＣＶＤに関し、ホローカソード放電を利用したプラズマＣＶＤ用のカソード電極、およびこのプラズマＣＶＤ用のカソード電極を備えたプラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に成膜を行って薄膜等を製造する成膜装置が知られている。このような成膜装置として、プラズマＣＶＤ装置があり、太陽電池用薄膜、感光ドラム、液晶ディスプレイ等に用いられるＴＦＴアレイ等の種々の半導体製造に使用されている。【０００３】
従来、容量結合型平行平板電極を利用したプラズマＣＶＤ装置が知られている。この容量結合型平行平板電極を利用したプラズマＣＶＤ装置は、反応容器内にカソードとアノードの放電用の平行平板電極を配置し、低周波又は高周波の電源を用いて、これらの電極に電力を供給すると共に、反応ガスを導入してプラズマを発生させ、このプラズマを用いて成膜を行う。【０００４】
半導体製造では、薄膜の大面積化が望まれている。例えば、液晶ディスプレイに用いる液晶パネルでは大画像を表示するために画面の大型化が望まれ、太陽電池においても発電能力や生産効率を向上させるために大型化が望まれている。【０００５】
容量結合型プラズマＣＶＤ装置において、成膜効率を高めるためにホローカソード放電を利用したものが提案されている（例えば、特許文献１，２）。【０００６】
図１８は、ホローカソード放電を利用した従来の容量結合型プラズマＣＶＤ装置の構成例を説明するための図である。【０００７】
図１８に示すプラズマＣＶＤ装置１１０は、真空チャンバー１１１内にカソード電極１０１とアノード電極１０２の電極を対向させて配置し、両電極間に電源１１５ａから低周波又は高周波の交流の電力を供給する。アノード電極１０２は内蔵されたヒータ１１７によって加熱可能であり、処理対象の基板１００が配置される。【０００８】
真空チャンバー１１１内は真空ポンプ１１３によって排気されると共に、反応ガス導入管１１２によって反応ガスが導入される。【０００９】
カソード電極１０１は、反応ガスを基板面に導入するシャワーヘッド型導入口と一体型とし、カソード板表面を、長円筒状の凹部を格子状に配列したものを溝で連結させた凹凸形状とし、長円筒状の凹部に小径の穴を作製して反応ガス導入口としている。反応ガス導入管１１２から導入された反応ガスは、凹部の穴を通って基板側に導入される。
【特許文献１】特開２００２−２３７４５９号公報（段落００１５）
【特許文献２】特開２００４−２９６５２６号公報（段落０００８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来提案されているホローカソード放電に用いるカソード電極は、平板のカソード電極を構成する板材を切削等の加工によって穴を形成することによって、ホローカソード電極となる凹凸部を形成している。カソード電極の凹部の底面には、例えば、０．４mm程度の極細の反応ガス噴出し孔を多数加工する必要がある。また、反応ガス噴出し孔の噴出し方向は、基板面に対して垂直方向となる。【００１１】
従来のカソード電極は、上記したように、カソード板の凹部の底面に形成した多数の極細穴から基板に対して垂直方向に反応ガスを噴出す構成であるため、各反応ガス噴出し孔から噴出される反応ガスのガス噴出量が不均一となり、そのため、成膜された薄膜の膜厚や膜質が同一の基板面内で不均一となるという問題がある。【００１２】
また、成膜される薄膜の膜厚の均一性は、反応ガス噴出し孔と密接な関連性があるため、カソード板に形成する反応ガス噴出し孔を配置する位置、反応ガス噴出し孔の設置する個数等の反応ガス噴出し孔の設定条件に対応する、ガス流量、各種ガス流量比、圧力、投入電力、基板温度等のプロセス条件の最適範囲が狭いという問題がある。例えば、基板のプロセス条件において、カソードに形成された反応ガス噴出し孔の設定条件で定まる最適な圧力範囲で最適な圧力を選択することが難しいという問題がある。【００１３】
また、ホローカソード電極となる凹凸形状を切削等の加工によって形成するため、カソード電極の加工が難しく、製作に要する費用が高くなるという問題がある。【００１４】
また、カソード板の底面に多数の細穴が形成されているため、カソード電極のメンテナンスが困難であるという問題がある。【００１５】
また、特許文献１に示される凹部の穴は溝によって連結する構成としている。この構成では、穴の内部は高密度プラズマが生成されるホローカソード放電電極空間となるが、各穴を連結する溝は、十分な電子密度であっても、反応ガスの供給が不十分となるため、高密度プラズマは生成されない。そのため、成膜の均一性の点で問題が生じるおそれがある。【００１６】
また、ホローカソード放電の有効面積が狭く、充分な成膜速度の向上が図れないという問題がある。【００１７】
そこで、本発明は上記の従来のカソード電極が備える課題を解決し、カソード電極を最適化して高密度なプラズマを生成することを目的とする。【００１８】
より詳細には、カソード電極を最適化することによってプラズマ条件の最適範囲を広くすることを目的とし、放電に寄与する電極の有効面積を広めて成膜速度を向上させることを目的とする。【００１９】
また、カソード電極を最適化することによってカソードの加工が容易で廉価な構成とすることを目的とし、カソードのメンテナンスが容易な構成とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、高周波を印加して高周波容量結合型プラズマを形成するプラズマＣＶＤ用のカソード電極の構成において、アノード電極と対向して配置すると共に、アノード電極と対向する対向面を、底面から成る凹部と、この凹部の底面からアノード電極側に向かって突出する複数の突出部から形成される凸部とから成る凹凸形状とする。【００２１】
凸部の少なくとも何れか一つの突出部は、側面に反応ガスの噴出を可能とする反応ガス噴出し孔を少なくとも一つ有し、この反応ガス噴出し孔の反応ガスの噴出方向は、凹部の底面に対してほぼ平行である。【００２２】
アノード電極を凹凸形状とすることによって、ホローカソードを形成し、カソード面へのイオン入射により放出さる電子を凸部と凹部からなるカソード電極間に閉じ込め、高密度電子の空間を形成することができる。この高密度電子空間に反応ガスを噴出させることで高密度のプラズマを生成する。このとき、反応ガスの噴出方向をアノード電極の凹部の底面と平行方向とすることによって、高密度電子空間に反応ガスを均一に導入することができる。【００２３】
これによって、高エネルギー電子と反応ガスとの衝突確率を向上させると共に、凸部の突出部間において均一に高密度プラズマを生成する。【００２４】
カソード電極の凸部を構成する突出部は、反応ガスを反応ガス噴出し孔に供給するための反応ガス流路を突出部の内部に備える。反応ガス流路は、突出部の軸方向に沿って設けられた第１の流路と、この第１の流路から分岐して反応ガス噴出し孔に連結する底面とほぼ平行な方向に設けられた第２の流路から成る。【００２５】
反応ガスは、第１の流路により突出部の軸方向に導入された後に第２の流路に分岐され、反応ガス噴出し孔から凹凸部で形成される空間部分に噴出される。反応ガス噴出し孔の噴出し方向は凹部の底面、および基板面に対してほぼ平行である。反応ガスの噴出し方向を、凹部の底面、および基板面に対してほぼ平行とすることで、カソード電極間に形成される高密度電子空間内において反応ガスを均一とすることができる。【００２６】
カソード電極の突出部が隣接する間隔は電子の平均自由工程に基づいて定めることができ、例えば、電子の平均自由工程の１〜１．５倍程度の距離に定めることによって、プラズマが中空状態となる空間部分が存在しない配置とし、高密度プラズマの生成において面積効率を高めることができる。このカソード電極間距離の数値例は、例えば、０．５mm〜７mmの範囲内とすることができる。【００２７】
カソード電極の突出部が備える反応ガス噴出し孔の孔径は０．１mm〜１．０mmの範囲内に定めることができ、また、カソード電極の突出部の底面からの高さは３mm〜１５mmの範囲内に定めることができる。【００２８】
また、カソード電極の底面および突出部の側面には、セラミックブラス処理や薬液処理により表面を梨地等の微細な凹凸面を形成し、これによってカソード電極の電極面積を増大させ、電子の放出効率を高めることができる。【００２９】
また、アルミニウム電極であれば、アルマイト処理と封孔処理による表面処理も電子放出有効面積を増やすことができる。これは同時にエッチングガスに対する耐性向上も実現できる。【００３０】
ホローカソード放電では、カソード間距離がその特性を決定する大きな要素である。本発明は、カソード電極の配置において、多様な電極間距離を形成することによって、プロセスパラメータである圧力、温度、ガス種等の最適条件の設定幅を広く設定可能とするために最密配置を行う。本発明の最密配置によれば、各電極間において、複数の距離を設定することができ、幅広いプロセス条件に対応することができる。【００３１】
なお、カソード電極間の配置距離は、この最密配置において、前記したように隣接する突出部の隣接距離が電子の平均自由工程の１〜１．５倍程度の距離とする。【００３２】
最密配置として、正方形最密配列あるいは六角形最密配列とすることができる。正方形最密配列では、カソード電極の突出部は、凹部の底面上において、正方形の４つの頂点の位置と、４つの頂点で囲まれる中心の位置に配列する。また、六角形最密配列では、カソード電極の突出部は、凹部の底面上において、正六角形の６つの頂点の位置と、６つの頂点で囲まれる中心の位置に配列する。【００３３】
カソード電極の突出部は、反応ガス噴出し孔が形成された突出部と反応ガス噴出し孔が形成されていない突出部とを含み、これらの突出部は凹部の底面上に所定の分布で配置することができる。【００３４】
突出部の配置は、反応ガス噴出し孔が形成された突出部と反応ガス噴出し孔が形成されていない突出部との比率を１：４の比率とする分布とすることができ、六角形最密配列に提供することができる。【００３５】
また、カソード電極の突出部の形状は、例えば、水平断面が円形の円筒の形状や、水平断面が多角形の多角柱の形状とするなど任意の形状とすることができる。【００３６】
また、カソード電極の突出部は、反応ガス噴出し孔を少なくとも一つ有する構成とすることができ、すべての突出部が反応ガス噴出し孔を有する構成とすることもできる。【００３７】
カソード電極は、突出部を内側に囲む外周壁を備え、この外周壁の壁面高さは突出部の高さとほぼ同じとすることができる。カソード放電空間は、突出部間が形成する空間の他に、突出部と外壁外とが形成する空間とすることができる。【００３８】
また、本発明のカソード電極は、突出部を支柱で形成し、カソードベース板に開口部を形成し、この開口部に突出部を構成する支柱を嵌め込むことで形成することができる。この支柱とカソードベース板との構成とすることで、カソード板を微細加工に要する加工の手間を省き、加工時間を短縮することができる。【００３９】
また、本発明のプラズマＣＶＤ装置は、高周波を印加して高周波容量結合型プラズマを形成するプラズマＣＶＤ装置であって、カソード電極およびアノード電極を備える真空チャンバーと、真空チャンバー内の前記カソード電極の上流側に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、真空チャンバー内から反応ガスをプロセスチャンバー外に排出する排気部と、真空チャンバー内の圧力を所定圧力に制御する制御部と、カソード電極とアノード電極間に電力を供給する電力供給部と、カソード電極とアノード電極との間に処理基板を配置する基板ホルダとを備える構成とすることができる。【００４０】
プラズマＣＶＤ装置は本発明のカソード電極を用いることにより、反応ガス供給部によってカソード電極の上流側に供給された反応ガスを、カソード電極が備える反応ガス噴出し孔からカソード電極とアノード電極との間に噴出させることができる。【００４１】
また、本発明のプラズマＣＶＤ装置は、シリコン半導体薄膜、シリコン窒化薄膜、シリコン酸化薄膜、シリコン酸窒化薄膜、カーボン薄膜の何れかの薄膜を含む太陽電池を作製することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、カソード電極を最適化して高密度なプラズマを生成することができる。また、本発明によれば、カソード電極を最適化することによってプラズマ条件の最適範囲を広くすることができ、放電に寄与する電極の有効面積を広めて成膜速度を向上させることができる。【００４３】
カソード電極を最適化することによってカソードの加工が容易で廉価な構成とすることができ、カソードのメンテナンスを容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】ホローカソード電極のカソード電極とアノード電極との位置関係と給電を説明するための概略図である。
【図２】ホローカソード電極を複数配置した例を示す図である。
【図３】ホローカソード電極を複数配置した例を示す図である。
【図４】雰囲気温度が３７３Ｋ、６７３Ｋ、および７７３Ｋにおける窒素（Ｎ２）ガスの圧力（Pa）と平均自由工程（MFP）の関係を示すグラフである。
【図５】雰囲気温度が６７３Ｋの窒素ガスの圧力とカソード電極間距離を示すグラフである。
【図６】雰囲気温度が６７３ＫにおけるＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２の各ガスの圧力（Pa）と平均自由工程（MFP）の関係を示すグラフである。
【図７】本発明のプラズマＣＶＤ装置の概略を説明するための図である。
【図８】本発明のプラズマＣＶＤ装置の概略を説明するためのカソード電極の部分を説明するための図である。
【図９】本発明のカソード電極を説明するための平面図および断面図である。
【図１０】本発明のカソード電極を説明するための斜視図である。
【図１１】本発明のカソード電極を外壁部で囲む状態を示す図である。
【図１２】六角形最密配列と正方形最密配列を説明するための図である。
【図１３】全ての各突出部（カソード支柱）に反応ガス噴出し孔を設ける構成例を説明するための図である。
【図１４】全ての各突出部（カソード支柱）に反応ガス噴出し孔を設ける構成例を説明するための図である。
【図１５】全ての各突出部（カソード支柱）に反応ガス噴出し孔を設ける構成例を説明するための図である。
【図１６】反応ガス噴出し孔を有する突出部と有しない突出部とを所定の分布で混在させる構成例を説明するための図である。
【図１７】本発明のカソード電極の突出部（カソード支柱）の形状例を説明するための図である。
【図１８】ホローカソード放電を利用した従来の容量結合型プラズマＣＶＤ装置の構成例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ アノード電極
１Ａ 凸部
１Ｂ 凹部
１ａ 突出部
１ｂ 嵌込部
１ｃ カソード支柱
１ｄ 孔
１ｅ ガス流路
１ｆ 開口部
１ｇ 底面
１ｈ カソードベース板
１ｉ 外壁部
１ｊ 壁面
１ｋ 開口部
２ アノード電極
１０  プラズマＣＶＤ装置
１１ 真空チャンバー
１２ ガス供給部
１３ 排気部
１４ 圧力制御部
１４ａ  弁制御部
１４ｂ  排気速度制御弁
１５  電力供給部
１５ａ  電源
１５ｂ  整合器
１６ 基板ホルダ
１７ ヒータ
２０ 反応ガス
２１ 陰極降下
２２ 負グロー
２３ 陽光柱
２４ 中空部分
１００  基板
１０１  カソード電極
１０２  アノード電極
１１０  装置
１１１  真空チャンバー
１１２  反応ガス導入管
１１３  真空ポンプ
１１５ａ  電源
１１７  ヒータ
MFP 平均自由工程
ne 電子密度
S1 最短距離
S2 最長距離
Ｔ 板厚
Ｔe 電子温度
λｄ デバイ長
λe 平均自由工程
λg 平均自由工程
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。【００４７】
はじめに、図１〜図７を用いてホローカソード電極の構成および動作について説明する。図１はホローカソード電極のカソード電極とアノード電極との位置関係と給電を説明するための概略図である。【００４８】
ホローカソード電極は、カソード電極１とアノード電極２との間に電源１５ａを接続して、低周波あるいは高周波の交流を印加する。カソード電極１の電極面は、イオン照射によって電子を放出する。ホローカソード電極は、この放出された電子をカソード電極１間に閉じ込めることによって、高密度電子の空間を形成する。この高密度電子空間内に反応ガス２０を導入することにより、高密度プラズマを生成する。【００４９】
カソード電極１とアノード電極２との間には、カソード電極１側から、電界強度が直線的に低下する陰極降下２１、電界強度が零となる負グロー２２、イオンと電子の密度が等しく全体で外部に電荷が表れない一様に発光する陽光柱２３が形成される。陽光柱２３はプラズマ状態である。ホローカソード電極では、カソード電極１を対向させることで、両カソード電極１には、それぞれ陰極降下２１と負グロー２２とが形成されている。【００５０】
電子の閉じ込めは、カソード電極１の側面に発生する陰極降下２１によって電子がカソード電極１の面に入射することなくデバイ遮断され、カソード電極１の側面でPendulum効果と呼ばれる反発、反跳を繰り返して高密度電子空間が形成される。【００５１】
反応ガスのガス分子と衝突した電子のほとんどは弾性散乱電子であり、高エネルギーを維持している。これらの電子は、カソード電極の電極側面間を反跳しながら散乱するため、マクロ的視点で観察した場合には、面内で均一な高電子密度空間を形成している。【００５２】
プラズマ生成は、反応ガスと閉じ込められた高エネルギー電子との衝突によって維持される。したがって、電子が閉じ込められた空間と、反応ガスの噴出し位置との位置関係によって高密度プラズマが生成される場所が決定する。【００５３】
図１において、陰極降下２１中の“λｄ”はデバイ長であり、電子はこのデバイ長λｄよりも内側（カソード電極側）に浸入できずに反発される。また、図１中の“ｂ”は電子の平均自由工程（mean free pass）であり、“ｃ”は隣接する負グロー２２間の距離を示している。【００５４】
隣接するカソード電極１間の距離は“ａ＋λｄ”で表され、デバイ長λｄがａと比較して充分に小さい場合には、“ａ”で表される。なお、“ａ”は、電子の平均自由工程（mean free pass）ｂの２倍とｃとの和（２ｂ＋ｃ）である。【００５５】
カソード電極１から放出された電子は、電子の平均自由工程（mean free pass）ｂの付近で反応ガスと衝突して、ガス分子をイオン化してプラズマを生成する。プラズマはカソード電極１の電極面に貼り付くように生成されるため、負グロー２２間の距離ｃが長い場合には、この部分はプラズマがない中空部分２４となる。【００５６】
ここで、デバイ長λｄと電子温度Ｔeと電子密度neとの関係は以下の式（１）で表される。【００５７】
【数１】
2009125477.tif 000003
【００５８】
表１は、上記式（１）を用いて、一般的な高密度グロー放電プラズマの電子温度Ｔeと電子密度neを算出した例を示している。【００５９】
【表１】
2009125477.tif 000004
【００６０】
図２，図３は、図１に示したホローカソード電極を複数配置した例を示している。ホローカソード電極を面上に複数配置することによって、大面積の成膜に対応することができる。【００６１】
図２はプラズマの中空部分ｃが多い場合を示し、図３はプラズマの中空部分ｃが極めて少ない場合を示している。隣接するカソード電極１間の距離ｅを、電子の平均自由工程の１倍〜１．５倍程度としたとき、隣接するカソード電極１間はプラズマで満たされる。この構成を面内で複数のカソード電極に設けることによって、面積効率のよい高密度プラズマが生成される。【００６２】
電子の平均自由工程は雰囲気温度と圧力とガス分子の大きさで決定される。したがって、最も面積効率よくホローカソード放電を生成するには、ホローカソード電極となるカソード電極の電極面間の距離を電子の平均自由工程の１倍から１．５倍程度とし、この間隔でカソード電極の凸部を構成する突出部を配置することで最適な配置が得られる。【００６３】
図４は雰囲気温度が３７３Ｋ、６７３Ｋ、および７７３Ｋにおける窒素（Ｎ２）ガスの圧力（Pa）と平均自由工程（MFP）の関係を示している。【００６４】
ガス分子の平均自由工程λgは、以下の式（２）で表される。
λg＝3.11×１０−２４×Ｔ４／（Ｐ×ｄ２）    …（２）【００６５】
また、電子の平均自由工程λeは、以下の式（３）で表される。
λe＝λg ×４√２                        …（３）【００６６】
ここで、Ｔ（K）は雰囲気温度、Ｐ（Pa）は圧力、ｄ(m)はガス分子の直径を表している。窒素ガス、４００℃、６７Pa（０．５Torr）の場合では、電子の平均自由工程λeは１．２２mmとなる。【００６７】
図５は雰囲気温度が６７３Ｋの窒素ガスの圧力とカソード電極間距離を示している。なお、ここでは、カソード電極間距離は電子の平均自由工程λeの１倍と１．５倍を想定している。図５中の白抜きの三角点は平均自由工程λeの１倍をカソード電極間距離とした場合を示し、黒塗り三角点は平均自由工程λeの１．５倍をカソード電極間距離とした場合を示している。電子の平均自由工程λeは前記した図４から求めることができる。【００６８】
図６は雰囲気温度が６７３ＫにおけるＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２の各ガスの圧力（Pa）と平均自由工程（MFP）の関係を示している。【００６９】
前記図３に示すホローカソード電極の複数配置において、カソード電極間距離を電子の平均自由工程λeの１倍から１．５倍程度とすることによってプラズマの中空部分ｃを少なくする構成とし、高密度電子空間に反応ガスを効率よく供給することによって高密度プラズマを生成することができる。【００７０】
本発明は、上記カソード電極の構成において、カソード電極間の距離が電子の平均自由工程λeの１倍から１．５倍程度となるようにして高密度電子空間を形成すると共に、この高密度電子空間内に反応ガスを効率的に供給する構成を提供するものである。【００７１】
図７，図８は、本発明のプラズマＣＶＤ装置の概略を説明するための図である。図８は主にカソード電極の部分を示している。【００７２】
プラズマＣＶＤ装置１０は、真空チャンバー１１内にカソード電極１とアノード電極２の電極を対向させて配置し、両電極間に電源１５ａから低周波又は高周波の交流の電力を供給する。アノード電極２内にはヒータ１７が内蔵されて加熱可能とし、基板ホルダ１６上に処理対象の基板１００を配置する。電源１５ａとカソード電極１との間には、インピーダンスを整合する整合器１５ｂが接続され、反射電力によるカソード電極１への電力供給の損失を低減させている。【００７３】
真空チャンバー１１内は真空ポンプ等の排気部１３によって排気されると共に、ガス供給部１２から反応ガスが導入される。また、真空チャンバー１１内の圧力は圧力制御部１４によって制御される。圧力制御部１４は、例えば、排気部１３による排気速度を制御する排気速度制御弁１４ｂと弁制御部１４ａによって構成することができる。【００７４】
カソード電極１は、カソードベース板１ｈの底面１ｇに複数の突出部１ａをアノード電極２側に向けて突出させて取り付けることで構成し、カソードベース板１ｈの底面１ｇによる凹部１Ｂと、複数の突出部１ａによる凸部１Ａとによって凹凸形状を形成している。突出部１ａは、その内部に反応ガスを通すガス流路１ｅが形成され、側面部分に設けた反応ガス噴出し孔１ｄから突出部１ａ間の空間部分に反応ガスを噴出する。このとき、反応ガス噴出し孔１ｄから噴出される反応ガスは、カソードベース板１ｈの底面１ｇの面に対してほぼ平行とすることで、複数の突出部１ａで挟まれる空間部分が反応ガスで十分に満たされるようにする。【００７５】
なお、反応ガスは、カソードベース板１ｈの底面１ｇと反対側の面に形成した開口部１ｆからガス流路１ｅ内に導入する。【００７６】
図９，図１０はカソード電極の構成を説明するための図であり、図９はカソード電極を説明するための平面図および断面図であり、図１０はカソード電極を説明するための斜視図である。【００７７】
本発明のカソード電極１は、凸部を構成する複数の突出部１ａと、これら突出部１ａを保持するカソードベース板１ｈとを備える。各突出部１ａは、カソードベース板１ｈ内に嵌込される嵌込部１ｂと共にカソード支柱１ｃを構成している。カソード支柱１ｃは、カソードベース板１ｈに開けた開口部１ｋ内に嵌込部１ｂを嵌め込むことによって取り付ける構成としている。【００７８】
カソード支柱１ｃは、突出部１ａおよび嵌込部１ｂ内に反応ガスを通すガス流路１ｅが形成され、突出部１ａの先端側において、突出部１ａの側面に形成した反応ガス噴出し孔１ｄに連結している。また、ガス流路１ｅの他端側には開口部１ｆが形成され、ガス供給部１２から供給された反応ガスをガス流路１ｅ内に導入する。【００７９】
反応ガス噴出し孔１ｄは、カソードベース板１ｈの底面１ｇの面とほぼ並行な方向に反応ガスを噴出する方向に開口されている。一つの突出部１ａに複数の反応ガス噴出し孔１ｄを設ける構成では、ガス流路１ｅを分岐して各反応ガス噴出し孔１ｄに連結する。【００８０】
図９（ａ）、（ｂ）は突出部１ａの配置状態を示している。この配置において、隣接する突出部１ａの側面間の距離は、最短距離S1と最長距離S2との間の距離となる。なお、ここでは、突出部１ａの直径をＤとしている。【００８１】
複数の突出部１ａからなる凸部１Ａ、およびカソードベース板１ｈの底面１ｇからなる凹部１Ｂは、カソードベース板１ｈの側面部分に形成した外壁部１ｉによって囲まれ、凸部１Ａの外側部分は、突出部１ａと外壁部１ｉの壁面１ｊとの間でホローカソード放電空間を形成する。図１１は、複数の突出部１ａによる凸部１Ａおよびカソードベース板１ｈの底面１ｇによる凹部１Ｂの凹凸が、外壁部１ｉ内に囲まれた状態を示している。【００８２】
ガス流路１ｅの径は０．５mmからカソード支柱１ｃの直径Ｄの範囲内、反応ガス噴出し孔１ｄの径は０．１mmから１．０mm程度の孔径とし、カソードベース板１ｈの板厚Ｔは３mmから２０mm程度、カソード支柱１ｃに径Ｄは２mmから６mm程度、突出部１ａの突き出し長さＨは３mmから１５mm程度とする。【００８３】
一つの実施例では、Ｔ＝５mmおよび７mm、Ｄ＝３mm、Ｓ１＝１．０mmおよび１．５mm、Ｈ＝５mmおよび７mm、がス流路の径は１．０mm、反応ガス噴出し孔の径は０．４mmとしている。また、反応ガスは、ＳｉＨ４、圧力は７０Pa、雰囲気温度は６７３Ｋを想定している。【００８４】
ここで、アノード電極の突出部間の距離S1は、図４〜図６に基づいて想定することができる。例えば、図６において、雰囲気温度が６７３Ｋ、圧力６７PaにおけるＳｉＨ４の平均自由工程MFPは１．０６mmが得られ、ＮＨ３の平均自由工程MFPは２．１０mmが得られる。上記した実施例では、主原料ガスであるＳｉＨ４を考慮して得られた平均自由工程MFPの値１．０６mmに基づいてＳ１＝１．０mmまたはＳ１＝１．５mmを設定している。【００８５】
次に、カソードベース板１ｈの底面１ｇ上に配列するカソード支柱１ｃの配列について説明する。【００８６】
ホローカソード放電では、カソード間距離がその特性を決定する大きな要素であり、カソード電極の配置において多様な電極間距離を形成することによって、プロセスパラメータである圧力、温度、ガス種等の最適条件の設定幅を広く設定可能とすることができる。カソード電極を最密配置することで、各電極間において複数の距離を設定することができ、プロセス条件によって最適な電極間距離が異なった場合であっても対応することが可能となる。【００８７】
以下、六角形最密配列と正方形最密配列の例について説明する。図１２は六角形最密配列と正方形最密配列を説明するための図である。【００８８】
図１２（ａ）に示す六角形最密配列では、正六角形の６つの頂点の位置と、６つの頂点で囲まれる中心の位置に配列する。カソード電極の突出部（カソード支柱）をこれらの頂点位置と中心位置には配置することで、隣接する突出部１ａの側面間の距離は、最短距離S1と最長距離S2との間の距離となる。【００８９】
また、図１２（ｂ）に示す正方形最密配列では、正方形の４つの頂点の位置と、４つの頂点で囲まれる中心の位置に配列する。カソード電極の突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）をこれらの頂点位置と中心位置には配置することで、隣接する突出部１ａの側面間の距離は、最短距離S1と最長距離S2との間の距離となる。【００９０】
なお、図１２（ａ）と図１２（ｂ）の最短距離S1と最長距離S2の距離は、それぞれの配列距離に応じた値であって、同一の値を表すものではない。【００９１】
また、配列された各突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）は、全ての各突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）に反応ガス噴出し孔１ｄを設ける構成に限らず、反応ガス噴出し孔１ｄを有する突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）と、反応ガス噴出し孔１ｄを有しない突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）とを所定の分布で混在させる構成としてもよい。【００９２】
図１３〜図１５は、全ての各突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）に反応ガス噴出し孔１ｄを設ける構成例であり、図１３は六角形最密配列の例を示し、図１４，図１５は正方形最密配列の例を示している。【００９３】
図１３に示す例では、突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）を六角形最密配列すると共に、全ての突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）は反応ガス噴出し孔１ｄを有し、互いに隣接する突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）の最長距離S2の方向を噴出し方向としている。【００９４】
図１４に示す例では、突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）を正方形配列すると共に、全ての突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）は反応ガス噴出し孔１ｄを有し、互いに隣接する突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）の最長距離S2の方向を噴出し方向としている。また、図１５に示す例では、突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）を正方形配列すると共に、全ての突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）は反応ガス噴出し孔１ｄを有し、互いに隣接する突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）の最長距離S2の方向を噴出し方向と、最短距離S1の方向を噴出し方向とを組み合わせている。【００９５】
図１６は、反応ガス噴出し孔１ｄを有する突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）と、反応ガス噴出し孔１ｄを有しない突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）とを所定の分布で混在させる構成例であり、反応ガス噴出し孔１ｄを有する突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）と、反応ガス噴出し孔１ｄを有しない突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）とを１：３の比率とした例を示している。【００９６】
反応ガス噴出し孔１ｄを有する突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）と、反応ガス噴出し孔１ｄを有しない突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）とを所定の分布で混在させることによって、ガス種や圧力や温度等のプロセス条件に応じた反応ガスの導入を行うことができる。【００９７】
上記した配置により、隣接する突出部１ａの電極間距離に多様性を持たせると共に、電極間空間に反応ガスを均一に噴出すことができる。【００９８】
また、前記した図１３〜図１６の例では、反応ガス噴出し孔１ｄに反応ガスの噴出し方向は平面上において同一方向、又は直交する方向、あるいは４５°の方向としているが、反応ガスの噴出し方向は、各突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）において任意とし、噴出し方向を分散させる構成としてもよい。【００９９】
カソード電極の突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）の形状は、断面形状が円形の円筒形に限らず、断面形状が楕円あるいは多角形の柱状形としてもよい。【０１００】
図１７は、カソード電極の突出部１ａ（カソード支柱１ｃ）の形状例を説明するための図である。【０１０１】
図１７（ａ）は断面形状が円形の円筒形状の例であり、図１７（ｂ）は断面形状が楕円形の筒状形状の例である。また、図１７（ｃ）は断面形状が矩形の柱状体の例であり、図１７（ｄ）は断面形状が三角形の柱状体の例である。図１７（ｃ）、（ｄ）の柱状体の例では、各平面の全面あるいは任意の面の反応ガス噴出し孔を形成することができる。【０１０２】
本発明の態様によれば、以下の効果を奏することができる。【０１０３】
（ａ）ホローカソード放電において、凸部の突起部（カソード支柱）を最密配置し、反応ガスを凹部の底面および基板と平行な方向に噴き出すことにより、均一で高密度のプレズマの生成面積を増大させることができる。【０１０４】
（ｂ）反応ガスを凹部の底面および基板と平行な方向に噴き出すことにより、反応ガスのガス密度分布の偏りが低減するため、プラズマの均一性の悪化を抑制することができ、成膜膜圧および膜質の均一性を図ることができる。【０１０５】
（ｃ）凸部を構成するカソード支柱を凹部の底面に形成した開口部に嵌め込む構成とすることによって、カソード電極の作製費用や低減し加工時間を短縮することができる。カソードベース板に多数の細孔を開けることによって、ホローカソード放電のための凹凸形状を形成する場合には、加工費用がかさむと共に加工時間を要し、かつ、加工歩留まりが悪いが、突起部（カソード支柱）を底面に嵌め込む構成によれば、細孔の加工が不要であり、加工時間を短縮し、加工歩留まりを大幅に向上させることができる。【０１０６】
（ｄ）凸部を構成するカソード支柱を凹部の底面に形成した開口部に嵌め込む構成とすることによって、カソード支柱の交換が可能となり、保守性が向上する。【０１０７】
（ｅ）凸部を構成するカソード支柱を凹部の底面に形成した開口部に嵌め込む構成とすることによって、プロセス条件に応じて最適形状のカソード支柱への交換が可能である。【０１０８】
（ｆ）高密度プラズマを均一化することによって、成膜速度を向上させることができる。【０１０９】
（ｇ）複数のカソード支柱を六角形最密配列あるいは正方形最密配列で配列することによって、カソード電極間の距離に多様性を持たせることができ、最適プロセス圧力範囲や最適プロセス温度範囲等の最適プロセス条件範囲を増大させることができる。【０１１０】
（ｈ）従来の平行平板電極による構成では、高密度、大面積の容量結合高周波放電を行うためには、プラズマ密度の向上や定在波によるプラズマ密度の不均一を解消するために、例えば１３．５６MHzのＲＦ帯の周波数からＶＨＦ帯の周波数に切り替える必要があるが、電源の周波数に関わりなく、大面積で均一な高密度プラズマの生成が可能となる。【０１１１】
（ｉ）ホローカソード電極において、凹部に導入するガスを凹部の底面および基板に対して平行に導入することでガス密度を均一化することにより、同じプロセス圧力で、低排気速度や小流量ガス導入とすることでガス流量を少量化した場合であっても、安定した均一な高密度プラズマの生成が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、太陽電池用薄膜に限らず、スパッタリング装置、ＣＶＤ装置、アッシング装置、エッチング装置、ＭＢＥ装置、蒸着装置などに適用することができる。
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１１】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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