(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密封可能なチャンバー内に、
保持脚を介してチャンバーに取り付けられることによってチャンバーの内壁面から隔離して設けられ、かつ処理対象の基板を収容する内側空間を形成する枠状の内部構造体と、
前記内側空間に前記基板を収容する基板保持部と、
前記内側空間に反応性ガスを供給する反応性ガス供給手段と、
前記内部構造体に支持され、前記内側空間で前記基板の両面側に配設され、かつ前記反応性ガスをプラズマ放電させるカソードおよびアノードと、
前記内部構造体に支持され、前記内側空間で前記基板を加熱するヒータと、
前記ヒータに接して設けられ、前記カソードおよびアノード間のプラズマ放電で発生するジュール熱を冷却ガスにより吸熱して前記内側空間外に放熱し得る空冷用ガス流通管と、
前記ヒータとチャンバーの外壁との間に接続されてチャンバーを介して外部にジュール熱を放熱し得る放熱板とを備え、
前記放熱板が、格子状またはストライプ状の孔を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記ヒータに接してチャンバー内の内側空間外にジュール熱を放熱し得る放熱フィンをさらに備えた請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記放熱フィンが、ヒータの中央部では密に、ヒータの周辺部では疎に配設されている請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記放熱フィンはその突出寸法が、ヒータの中央部では大きく、ヒータの周辺部では小さい請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記放熱フィンが、ヒータに面接触する平板と、この平板上に接続された波型フィンとからなる請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記空冷用ガス流通管が、導入したガスを直接チャンバー外に放出する構造である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記空冷用ガス流通管が、反応性ガス供給手段と接続され、導入したガスが反応性ガスとして内側空間に供給される構造である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
密封可能なチャンバーに、枠状の内部構造体と、反応性ガス供給手段と、カソードおよびアノードと、ヒータと、空冷用ガス流通管とが２組以上備えられ、一の組の前記空冷用ガス流通管が、他の組の前記反応性ガス供給手段と接続され、導入したガスが反応性ガスとして他の組の内側空間に供給される構造である請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項１に記載のプラズマ処理装置を用いて基板の表面に半導体薄膜を製造することを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、反応性ガスのプラズマ放電により基板にエッチングまたは成膜を施すプラズマ処理装置およびそれを用いた半導体薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  プラズマ処理装置は、半導体素子の製造において多用され、その目的に応じて様々な形態のものが実用化されている。
図６は、従来の一般的な縦型のプラズマ処理装置の概略断面図である。
このプラズマ処理装置は、外部大気圧の影響を受けて反応容器となるチャンバー１１を備える。チャンバー１１の内壁面には、プラズマ放電を起こすための対向するカソード２とアノード４、処理対象の基板１（例えば、ガラス基板）を加熱するヒータ２４が設けられている。なお、ヒータ２４は、チャンバー１１の壁面を構成する構造体として兼用されている。【０００３】  カソード２は、電気的な絶縁を得るために、絶縁物からなるカソード支持体５を介してチャンバー１１の内壁面に支持されている。
また、カソード２は、内部に反応性ガスを導入させるための空洞部を有すると共に、基板１と対向する表面には、穴明け加工により形成された多数の微小な貫通穴を有する。また、カソード２の端部にはガス導入管１０が接続されており、カソード２内に供給された反応性ガスが空洞部および貫通穴を通って基板１の表面に均一に供給される。
さらに、カソード２には、カソード２に高周波電力の供給するための高周波電源であるプラズマ励起電源１２とインピーダンス整合器１３とが接続されている。【０００４】  アノード４は、チャンバー１１の内壁面を構成するヒータ２４の表面に固定されている。また、アノード４の他方の面には、基板１の周縁部を保持する基板保持部（ホルダー）１５が設けられている。
基板１の表面に均質な膜厚と膜質とを備えた膜を形成するためには、カソード２とアノード４との間（プラズマ放電領域）の間隙距離を高い精度で設定する必要がある。そのため、カソード２の周辺部分は固定ネジ（図示せず）により一定間隔で固定されている。
チャンバー１１、カソード２およびアノード４は、ステンレス鋼またはアルミニウム合金などで構成され、それらの断熱材としてセラミックスなどが用いられている。反応性ガスとしてエッチング用ガスを使用する場合には、チャンバー全体がアルミニウム合金で構成される。【０００５】  処理対象の基板１は、基板保持部１５に固定され、ヒータ２４により一定温度（例えば、１００℃〜６００℃）に加熱される。
チャンバー内の真空を保持するために、チャンバー内の各接続部には真空シール部（図示せず）が設けられている。反応性ラジカルの影響が及ぶカソード２の真空シール部やヒータ２４の真空シール部には、デュポン  ダウ  エラストロマー株式会社製のバイトン（登録商標）やカルレッツ（登録商標）などのフッ素系ゴムシール材が用いられている。【０００６】  ヒータ２４およびカソード支持体５の外側には、チャンバーや真空シール部の温度上昇を抑えるために、冷却部１４が配置されている。
チャンバー内の反応性ガスの圧力を自在に制御するために、チャンバーにおけるプラズマ放電領域近傍の一壁部には排気口が設けられており、この排気口に排気管９を介して圧力制御器２２、真空ポンプ２１および排ガス中の有害物質を除去するための除害装置２３が接続されている。【０００７】  このようなプラズマ処理装置において、反応性ガスの圧力を制御した状態で、カソード２とアノード４との間にグロー放電を発生させ、基板１上に非晶質または結晶性の膜を形成する。
また、プラズマ化学技術においてエッチングあるいは成膜の均一性を改善したプラズマ反応装置も提案されている。【０００８】  以上のような従来のプラズマ処理装置には、次のようないくつかの問題点がある。
（Ａ）カソード、アノードおよびヒータがチャンバーの上壁および底壁に固定されているために、外部への熱伝導が大きくなり、接地とシール部の冷却装置（冷却部）が必要になる。
（Ｂ）カソードおよびアノードは、それ自体チャンバーとの高い絶縁性が要求されるが、外部大気圧の影響を受けるチャンバーの壁面に兼用されているために、装置全体が大きな構造体となり、各構成部材が高価になり、チャンバーの裏面側からの冷却装置（冷却部）が必要になる。
（Ｃ）ヒータはチャンバーの上壁および底壁に固定されているために、その固定部の冷却が必要になる。【０００９】（Ｄ）カソードおよびアノードは、絶縁物からなる構造体を介してチャンバーの内壁面に支持されている構造であるため、電力導入に対して壁面との接地距離を確保することが難しく、プラズマ放電も壁面などの影響を受け易い。この影響を最小限に抑えるためには、カソードからチャンバー壁面を可能な限り遠ざける必要があるが、このようにすると、チャンバーのサイズが大型化し、大幅なコスト高の要因になる。
（Ｅ）装置の構成部材の中で大型構造物となるカソードは、チャンバー壁面との間で電気的な絶縁を確保するだけでなく、反応性ガスの漏洩を防止しなければならない。そのため、大型の絶縁部材が必要となり、大幅なコスト高の要因になる。
（Ｆ）反応性ガスとしてフッ素系エッチングガスを使用する場合には、真空シール部やプラズマ放電領域近傍のカソードおよびアノードの真空シール部に、高価なフッ素系ゴムシール材を用いなければならず、大幅なコスト高の要因になる。【００１０】（Ｇ）排気口は、プラズマ放電領域の周囲の一方向にのみ設けられているために、反応性ガスのコンダクタンスが小さくなり、多量のガス置換が困難となる。
（Ｈ）高周波電力の供給がカソードの裏面側から行われるために、プラズマ放電領域がカソードの表面側の一面に制限される。
（Ｉ）縦型のプラズマ処理装置の場合には、基板を周囲で固定するため、接地が充分でないおそれがある。【００１１】  米国特許第４，２６４，３９３号明細書（特許文献１）に記載されているプラズマ処理装置は、アノードとカソードが周囲の部材と接触することなく配置され、特別な冷却機構が備わっていない。
この装置は、従来の半導体処理装置のような冷却機構がないために、装置構造自体を簡略化できるという長所を有する。【００１２】  しかしながら、この装置は、成膜やクリーニング（エッチング）で発生するプラズマによる発熱を十分に緩和できる機構を備えていないので、プロセスの安定性に大きな支障をきたすおそれがある。すなわち、プラズマ処理装置に高周波電力（ＲＦ）や直流電力（ＤＣ）を供給してプラズマを発生させると、大部分の電力はガス分解に使用されるが、一部１００〜１０００ｃａｌ／分のジュール熱が発生する。このジュール熱は、基板温度を０．１〜１℃／分で上昇させ、例えばプラズマ放電を伴うプロセス時間が２０分の場合、最大２０℃の基板温度上昇をもたらすことになる。本発明の発明者らは、実験によりこのような温度上昇の事実を確認している。【００１３】
【特許文献１】米国特許第４，２６４，３９３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】  本発明は、簡便な構造でカソードおよびアノードを配置することができると共に、良好な膜堆積、膜厚分布を得ることができ、装置全体構造の簡略化、ひいては低価格化を実現し得るプラズマ処理装置およびそれを用いた半導体薄膜の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
かくして、本発明によれば、密封可能なチャンバー内に、保持脚を介してチャンバーに取り付けられることによってチャンバーの内壁面から隔離して設けられ、かつ処理対象の基板を収容する内側空間を形成する枠状の内部構造体と、前記内側空間に前記基板を収容する基板保持部と、前記内側空間に反応性ガスを供給する反応性ガス供給手段と、前記内部構造体に支持され、前記内側空間で前記基板の両面側に配設され、かつ前記反応性ガスをプラズマ放電させるカソードおよびアノードと、前記内部構造体に支持され、前記内側空間で前記基板を加熱するヒータと、前記ヒータに接して設けられ、前記カソードおよびアノード間のプラズマ放電で発生するジュール熱を冷却ガスにより吸熱して前記内側空間外に放熱し得る空冷用ガス流通管と、前記ヒータとチャンバーの外壁との間に接続されてチャンバーを介して外部にジュール熱を放熱し得る放熱板とを備え、前記放熱板が、板状、格子状またはストライプ状の形状を有することを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１６】  また、本発明によれば、上記のプラズマ処理装置を用いて基板の表面に半導体薄膜を製造することを特徴とする半導体薄膜の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のプラズマ処理装置は、カソード、アノードおよびヒータがチャンバーの壁面から隔離して内部構造体により支持されているので、大気圧に対する補強が不要であり、装
置全体の構造を簡略化し、装置の低価格化を実現することができる。
また、本発明のプラズマ処理装置は、プラズマ放電で発生するジュール熱による温度上昇を緩和するための放熱手段（空冷用ガス流通管）を備えているので、プラズマ処理中の温度を安定化して、プロセスを安定化させることができ、均一な膜質や膜厚を有する良好な膜形成を行うことができる。
【００１８】  さらに、放熱手段により装置外部への熱伝導が抑えられ、チャンバー外壁面の冷却装置を省略することができるので、装置を簡略化し、装置の低価格化を実現することができる。
また、本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、半導体薄膜または光学的薄膜を用いた太陽電池、ＴＦＴ、感光体などの半導体素子を低コストでしかも効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の実施の形態１であって、（ａ）は縦構造を示す概略断面図であり、（ｂ）は平面構造を示す概略平面図である。
【図２】本発明のプラズマ処理装置の実施の形態２であって、（ａ）は縦構造を示す概略断面図であり、（ｂ）は平面構造を示す概略平面図である。
【図３】実施の形態２における放熱手段を上方から見た図であって、（ａ）は波型フィンの突出寸法を変えた場合、（ｂ）は波型フィンの波長を変えた場合、（ｃ）は波型フィンの突出寸法および波長を変えた場合を示す。
【図４】本発明のプラズマ処理装置であって、（ａ）は実施の形態３−１の縦構造を示す概略断面図であり、（ｂ）は実施の形態３−２の縦構造を示す概略断面図である。
【図５】実施の形態３−１および３−２における空冷用ガス流通管であって、（ａ）は側面側から見た構造を示す概略断面図であり、（ｂ）は平面側から見た構造を示す概略断面図である。
【図６】従来のプラズマ処理装置の概略断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明のプラズマ処理装置は、
密封可能なチャンバー内に、
チャンバーの内壁面から隔離して設けられ、かつ処理対象の基板を収容する内側空間を形成する内部構造体と、
前記内側空間に前記基板を収容する基板保持部と、
前記内側空間に反応性ガスを供給する反応性ガス供給手段と、
前記内部構造体に支持され、前記内側空間で前記基板の両面側に配設され、かつ前記反応性ガスをプラズマ放電させるカソードおよびアノードと、
前記内部構造体に支持され、前記内側空間で前記基板を加熱するヒータと、
プラズマ放電で発生するジュール熱を前記内側空間外に放熱し得る放熱手段とを備える。
【００２１】  本発明のプラズマ処理装置は、第１の特徴として、カソード、アノードおよびヒータが内部構造体により支持されてなり、その内部構造体がチャンバーの内壁面から隔離して設けられている。
内部構造体は、カソード、アノードおよびヒータなどの部材を保持し得る強度を有し、かつチャンバー内部に導入する反応性ガスの置換を妨げない構造体であれば、特に限定されないが、例えば、角材などの枠状の構造体が好ましい。
また、内部構造体は、熱伝導性および耐熱性を備えた材料からなるのが好ましく、ステンレス鋼またはアルミニウム合金などからなるのが好ましい。【００２２】  内部構造体は、チャンバーの内壁面から隔離して設けられるが、例えば、内部構造体の重量を支えるのに十分な部材を介してチャンバーに設けられるのが好ましい。
このような部材としては、例えば、図１の図番２５に示すような保持脚が挙げられる。
保持脚は、内部構造体とチャンバーを隔離して、内部構造体からの熱伝導を抑制するものであり、その長さはできるだけ長く、かつ設置面積はできるだけ小さいのが好ましい。図１の保持脚はチャンバーの底面に設置されているが、その位置は特に限定されず、チャンバーの側面、上面またはそれらの組み合わせであってもよい。【００２３】  内部構造体の底面とアノードの下面との間には、アノードからの輻射熱による内部構造体の温度上昇を抑えるために、一定寸法の間隙が設けられているのが好ましい。
この間隙の寸法は、プラズマ処理装置および他の部材の大きさにより適宜決定すればよく、通常１０〜３０ｍｍ程度である。その他の内部構造体の寸法もプラズマ処理装置および他の部材の大きさにより適宜決定すればよい。【００２４】  本発明のプラズマ処理装置は、第２の特徴として、プラズマ放電で発生するジュール熱を内側空間外に放熱し得る放熱手段を備えてなる。
この放熱手段は、プラズマによる内側空間の温度上昇を緩和できるものであれば特に限定されないが、
（１）チャンバーに接してチャンバーを介して外部にジュール熱を放熱し得る放熱板、
（２）ヒータに接してチャンバー内の内側空間外にジュール熱を放熱し得る放熱フィン、
（３）ヒータに接して設けられ、かつ冷却ガスによりジュール熱を吸熱する空冷用ガス流通管、または前記（１）〜（３）のいずれかの組み合わせであるのが好ましい。【００２５】  このような放熱手段を備えることにより、プラズマ放電で発生するジュール熱が熱伝導によってヒータからチャンバー壁面に適度に放熱され、種々の条件でプラズマ放電を行っても、ヒータ温度が一定に保たれ、プロセスの安定性が向上し、均一な膜質や膜厚を有する良好な膜形成を行うことができ、かつ装置の連続運転が可能となる。
次に、各放熱手段について述べる。【００２６】（１）放熱板
放熱板は、熱伝導性および耐熱性を備えた材料からなるのが好ましく、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、鉄、ニッケルまたはステンレス鋼からなるのが特に好ましい。
放熱板は、板状、格子状（網状）、ストライプ状の形状を有するのが好ましい。
また、放熱板は、チャンバー内部に導入する反応性ガスの置換を妨げない形状であるのが好ましい。これにより、プラズマ放電領域におけるガスのコンダクタンスが大きくなり、多量のガス置換が可能となり、プロセスが安定化するので好ましい。
放熱板は、例えば、図１に示すように、内部構造体の基板側の外壁側に、チャンバーに接して設けられるのが好ましい。
放熱板は、１００〜１０００ｃａｌ／分の熱量を放熱するのが好ましい。【００２７】（２）放熱フィン
放熱フィンは、一般に伝熱面積を増加させるために熱交換器などで用いられるひれ状のフィンを応用したものである。
放熱フィンは、熱伝導性および耐熱性を備えた材料からなるのが好ましく、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、鉄、ニッケルまたはステンレス鋼からなるのが特に好ましい。【００２８】  放熱フィンは、その形状は特に限定されないが、例えばヒータの裏面に接触する平板と、平板上に接続された２種類の波型フィンからなり、一方の波型フィンはヒータの中央部で密に、他方の波型フィンはヒータの周辺部で疎に形成されている構成とすることが好ましい。あるいは、ヒータの中央部に配設される一方の波型フィンは突出寸法が大きく、ヒータの周辺部に配設される他方の波型フィンは突出寸法が小さく設定された構成であることが好ましい。つまり、放熱フィンの表面積を、ヒータの中央部では大きく、ヒータの周辺部では小さくすればよい。
放熱フィンのその他の構造としては、上述の密に配置した波型フィンと疎に配置した波型フィンを１枚の金属板にて構成したものであってもよい。さらには、１枚の金属板にて波型フィンを平面的に見て蛇行状に形成し、中央部の波型フィンを周囲部の波型フィンよりも蛇行の周期を短くして密に配置してもよい。
このように、放熱フィンの密度、設計寸法、形状等を適宜調整することで、例えば、放熱量が中央部で大きく、周辺部で小さくように、ヒータ温度の面内分布が調整することができる。
放熱フィンは、例えば、図２に示すように、内部構造体の基板側の外壁に、ヒータに接して設けられるのが好ましい。【００２９】（３）空冷用ガス流通管
空冷用ガス流通管は、熱伝導性および耐熱性を備えた材料からなるのが好ましく、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、鉄、ニッケルまたはステンレス鋼からなるのが特に好ましい。
空冷用ガス流通管は、導入したガスを冷却用ガス導入管を通じて直接チャンバー外に放出する構造であるのが好ましい。
また、空冷用ガス流通管は、反応性ガス供給手段と接続され、導入したガスが反応性ガスとして内側空間に供給される構造であってもよい。【００３０】  さらに、密封可能なチャンバーに、内部構造体と、反応性ガス供給手段と、カソードおよびアノードと、ヒータと、放熱手段とが２組以上備えられ、空冷用ガス流通管が、他の組の反応性ガス供給手段と接続され、導入したガスが反応性ガスとして他の組の内側空間に供給される構造であってもよい。
空冷用ガス流通管は、例えば、図４に示すように、ヒータの基板に相対する面に、ヒータに接して設けられる。図４（ａ）は、空冷用ガス流通管が冷却用ガス導入管を通じて反応性ガス供給手段と接続されない装置を示し、図４（ｂ）は、前記の接続がある装置を示す。また、図５は、ヒータ内に設けられた空冷用ガス流通管の構造を示す。【００３１】  次に、本発明のプラズマ処理装置の好適な実施形態について、図面を用いて説明する。実施の形態１〜３は、上記の放熱手段（１）〜（３）に対応する。
なお、これらの実施形態は一例であり、種々の形態での実施が本発明の範囲内で可能である。【００３２】（実施の形態１）
図１は、実施の形態１のプラズマ処理装置の（ａ）縦構造を示す概略断面図および（ｂ）平面構造を示す概略平面図である。
チャンバー１１は、真空容器としての強度を有し、熱伝導性および耐熱性を備えた材料からなるのが好ましく、ステンレス鋼またはアルミニウム合金などからなる。【００３３】  チャンバー１１は、その内部を任意の真空度に制御することができるように構成されている。このため、チャンバー１１の嵌合部分はＯリングなどによって完全に密閉されている。また、チャンバー１１には、排気管９を介して圧力制御器２２および真空ポンプ２１が接続され、真空ポンプ２１にはチャンバー１１に導入された反応性ガスが反応した後の排ガス中に含まれる有害物質を除去するための除害装置２３が接続されている。
チャンバー１１の底面には、内部構造体８、カソード２、アノード４およびヒータ２４などの部材の重量を支え得る十分な強度を有する保持脚２５が固定され、その保持脚２５に内部構造体８が固定されている。【００３４】  内部構造体８は、カソード２、アノード４およびヒータ２４などの部材の重量を支え得る十分な強度を有する、ステンレス鋼またはアルミニウム合金などからなる角材の枠状の構造体である。
内部構造体８の底面とアノード４の下面との間には、アノード４からの輻射熱による内部構造体８の熱上昇を抑えるために、一定寸法の間隙が設けられている。その間隙は、図１の装置では、１０〜３０ｍｍである。【００３５】  アノード４は、熱伝導性および耐熱性を備えた材料からなるのが好ましく、ステンレス鋼、アルミニウム合金、カーボンなどからなるのが特に好ましい。
アノード４の寸法は、基板１の寸法に合わせて適宜設定すればよい。図１の装置では、ガラス基板１の寸法９００〜１２００×４００〜９００ｍｍに対して、アノード４の寸法は１０００〜１５００ｍｍ×６００〜１０００ｍｍである。【００３６】  アノード４は、ヒータ２４を内蔵している。
ヒータ２４としては、例えば、アルミニウム合金中にシースヒータなどの密閉型加熱装置と熱電対などの密閉型温度センサとを内蔵したものが挙げられる。これにより、アノード４を、例えば室温〜３００℃に加熱制御することができる。【００３７】  ヒータ２４とチャンバー外壁との間は、放熱板２６で接続されている。すなわち、放熱板２６は、内部構造体の基板側の外壁側に設けられ、チャンバーに接している。
放熱板２６は、熱伝導性および耐熱性を備えた材料からなるのが好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが特に好ましい。【００３８】  放熱板２６の寸法は、基板１の寸法に合わせて適宜設定すればよい。図１の装置では、長さ１００〜５００ｍｍ×幅１２００〜１０００ｍｍ×厚さ１〜３ｍｍ、長さ１００〜５００ｍｍ×幅８００〜５００ｍｍ×厚さ１〜３ｍｍのアルミニウム板各２枚からなる放熱板である。
放熱板２６は、チャンバー内部に導入する反応性ガスの置換を妨げない形状が好ましく、図１の装置では、格子状（網状）になっている。【００３９】  上記のような放熱板２６でヒータ温度を３００℃、外壁温度を６０℃とした場合、この放熱板からの放熱量は、プラズマ放電で発生するジュール熱よりも若干大きい、約１２００ｃａｌ／分となる。
これにより、プラズマ放電で発生するジュール熱を放熱することができるため、プロセス中の温度を面内での均一性を保ちながら、一定にすることができる。【００４０】  アノード４は、その４隅に配されたアノード支持体６により支持されている。その支持寸法は、アノード４が撓むおそれがないように適宜設定すればよく、図１の装置では、３０ｍｍ×５０ｍｍである。
アノード支持体６は、熱伝導による内部構造体８の熱上昇を抑えるために、熱伝導率の小さい材料からなるのが好ましく、例えば、ジルコニア（酸化ジルコニウム）が挙げられる。【００４１】  アノード４とアノード支持体６との接触面積は、アノード支持体６の熱伝導によってアノード４の熱が内部構造体８に伝達されるのを抑えるために、できるだけ小さい方が好ましい。この接触面積を小さくするために、アノード支持体６には、アノード支持体６の強度を損なわない範囲で深さ１ｍｍ〜５ｍｍ程度の掘り込みが設けられていてもよい。【００４２】  カソード２は、熱伝導性および耐熱性を備えた材料からなるのが好ましく、ステンレス鋼、アルミニウム合金、カーボンなどからなるのが特に好ましい。
カソード２の寸法は、基板１の寸法に合わせて適宜設定すればよい。図１の装置では、ガラス基板１の寸法９００〜１２００×４００〜９００ｍｍに対して、アノード４の寸法を１０００〜１５００ｍｍ×６００〜１０００ｍｍである。【００４３】  カソード２は、その内部に反応性ガス導入管１０を通じて反応性ガスが導入される空洞管を有している。反応性ガスとして、例えば、Ｈ２で希釈したＳｉＨ４ガスが挙げられる。
また、カソード２は、その表面に反応性ガスを基板１上に供給するための多数の貫通穴が設けられている。この貫通穴は、穴明け加工により形成することができ、その寸法は、例えば、直径０．１〜２ｍｍ程度、ピッチ数ｍｍ〜数ｃｍ程度である。【００４４】  カソード２とアノード４との間隙（距離）は、数ｍｍ〜数十ｍｍ程度で、その寸法精度は数％以内が好ましい。図１の装置では、距離２ｍｍ〜３０ｍｍ、寸法精度１％以下である。
カソード２は、アノード４と対向してカソード支持体５に設置されている。
カソード支持体５は、電気絶縁性と共に、カソード２を保持し得る強度が要求され、セラミックスなどの材料からなるのが好ましく、例えば、ジルコニア、アルミナ（酸化アルミニウム）およびガラスなどが挙げられる。【００４５】  カソード２は、その４隅に配されたカソード支持体５により支持されているが、カソード２の周辺部全体が支持されてもよい。
カソード２とカソード支持体５との接触面積は、カソード支持体５の熱伝導によってカソード２の熱が内部構造体８に伝達されるのを抑えるために、カソード２に撓みが発生しない範囲で、できるだけ小さい方が好ましい。また、その配置も前記の条件を満たすように適宜設定すればよい。図１の装置では、１００ｍｍ×５０ｍｍである。
カソード支持体５は、チャンバー１１内に設けられた内部構造体８に取り付けられている。【００４６】  カソード２には、プラズマ励起電源１２がインピーダンス整合器１３を介して電気的に接続されることで、電力が供給される。例えば、プラズマ励起電源１２は、ＡＣ周波数１．００〜１０８．４８ＭＨｚ、出力電力１０Ｗ〜１００ｋＷである。図１の装置では、ＡＣ周波数１３．５６〜８１．４２ＭＨｚ、出力電力１０Ｗ〜１０ｋＷである。【００４７】  基板１としては、半導体薄膜または光学的薄膜を用いた太陽電池、ＴＦＴ、感光体などの半導体素子などの製造用基板が挙げられ、半導体基板が特に好ましい。
基板１は、アノード４のカソード２に相対する面に、内部構造体８に固定された基板保持部（ホルダー）１５により設置されている。【００４８】  上記の構成のプラズマ処理装置において、反応性ガスを所定の流量および圧力でカソード２とアノード４との間隙に充填し、カソード２とアノード４とに高周波電力を印加したところ、カソード２とアノード４との間にグロー放電領域（プラズマ放電領域）を発生させることができた。そして、基板１上に、非晶質または結晶性の膜を形成することができた。【００４９】（実施の形態２）
図２は、実施の形態２のプラズマ処理装置の（ａ）縦構造を示す概略断面図および（ｂ）平面構造を示す概略平面図である。
実施の形態２のプラズマ処理装置の構造は、放熱手段の構造以外は実施の形態１と同様であり、主として異なる点を説明する。なお、図２において、図１と同様の構成要素には同一の符号を付している。【００５０】  アノード４は、実施の形態１と同様の寸法で、ヒータ２４が内蔵されている。
そして、ヒータ２４の裏面には、放熱フィン２７が複数枚接続されている。すなわち、放熱フィン２７は、内部構造体の基板側の外壁面に設けられている。なお、図２では、放熱フィン２７はチャンバー１１に接していないが、接していてもよい。【００５１】  この放熱フィン２７は、図２（ａ）、（ｂ）および図３（ａ）に示すように、ヒータ２４の裏面に接触する平板２７ｃと、平板２７ｃ上に接触して固定された２種類の波型フィン２７ａ、２７ｂとからなる。この放熱フィン２７では、ヒータ裏面において、プラズマ放電で発生するジュール熱が蓄熱され易い中央部に突出寸法Ｔ１の大きい波型フィン２７ａが配置され、周辺部に突出寸法Ｔ２の小さい波型フィン２７ｂが配置されている。この場合、各波型フィン２７ａ、２７ｂの波の波長（間隔）Ｌ１、Ｌ２は略等しい。このような放熱フィン２７をヒータ２４の裏面に取り付け、ヒータ温度を３００℃、外壁温度を６０℃とする場合、放熱フィン２７を以下のような設計とすることにより、放熱フィン２７からの放熱量は、プラズマ放電で発生するジュール熱よりも若干大きい約１２００ｃａｌ／分となる。
放熱フィン２７の材質：アルミニウム
平板２７ｃのサイズ：縦１０００〜１５００ｍｍ×横６００〜１０００ｍｍ
平板２７ｃの厚み：１〜１０ｍｍ
各波型フィン２７ａ、２７ｂの厚さ：１〜５ｍｍ
波型フィン２７ａの突出寸法Ｔ１：５〜３０ｍｍ
波型フィン２７ｂの突出寸法Ｔ２：３〜１０ｍｍ
各波型フィン２７ａ、２７ｂの波長：５〜３０ｍｍ
波型フィン２７ａの平板２７ｃに対する占有面積：３０００００〜１２０００００ｍｍ２
波型フィン２７ｂの平板２７ｃに対する占有面積：３０００００〜１５０００００ｍｍ２
このようにすることにより、プラズマ放電で発生するジュール熱を放熱することができるため、プロセス中の温度を面内での均一性を保ちながら、一定にすることができる。【００５２】  図３（ａ）のように、中央部の波型フィン２７ａの突出寸法Ｔ１を大きくすることにより表面積を大きくする以外に、図３（ｂ）に示すように、放熱フィン１２７において、ヒータ中央部で波型フィン１２７ａを密になるように、かつヒータ周辺部で波型フィン１２７ｂを疎になるように構成してもよい。つまり、各波型フィン１２７ａ、１２７ｂにおいて、各突出寸法Ｔ１、Ｔ２を略等しくし、波型フィン１２７ａの波長Ｌ１を波型フィン１２７ｂの波長Ｌ２よりも短くしてもよい。なお、この場合も、上述のように、必要な放熱量が得られるように各波型フィン１２７ａ、１２７ｂの各種寸法を設定する。
あるいは、図３（ｃ）に示すように、放熱フィン２２７において、中央部の波型フィン２２７ａの突出寸法Ｔ１を周辺部の波型フィン２２７ｂの突出寸法Ｔ２よりも大きくし、かつ中央部の波型フィン２２７ａの波長Ｌ１を周辺部の波型フィン２２７ｂの波長Ｌ２よりも小さくしてもよい。なお、この場合も、上述のように、必要な放熱量が得られるように各波型フィン２２７ａ、２２７ｂの各種寸法を設定する。【００５３】  上記の構成のプラズマ処理装置において、反応性ガスを所定の流量および圧力でカソード２とアノード４との間隙に充填し、カソード２とアノード４とに高周波電力を印加したところ、カソード２とアノード４との間にグロー放電領域（プラズマ放電領域）を発生させることができた。そして、基板１上に、非晶質または結晶性の膜を形成することができた。【００５４】（実施の形態３）
図４（ａ）は実施の形態３−１のプラズマ処理装置の縦構造を示す概略断面図であり、図４（ｂ）は実施の形態３−２のプラズマ処理装置の縦構造を示す概略断面図である。
また、図５は、実施の形態３のプラズマ処理装置におけるヒータに設けられた空冷用ガス流通管７の構造を示す概略図であって、図５（ａ）は側面側から見た図であり、図５（ｂ）は平面側から見た図である。
実施の形態３のプラズマ処理装置の構造は、放熱手段の構造以外は実施の形態１と同様であり、主として異なる点を説明する。なお、図４および図５において、図１と同様の構成要素には同一の符号を付している。【００５５】  アノード４は、実施の形態１と同様の寸法で、ヒータ２４が内蔵されている。例えば、図５に示されるように、アノード４がヒータ２４および空冷用ガス流通管７と一体化している。すなわち、ヒータ２４の基板１に相対する面には、空冷用ガス流通管７が内蔵されている。【００５６】  図５（ｂ）では、空冷用ガス流通管７は、冷却用ガス導入管２９から３本に分岐してヒータ２４の長手方向に平行に延び、再び１本に収束して冷却ガス排気管３０に接続されている場合を例示している。この空冷用ガス流通管７は、プラズマ放電で発生するジュール熱が吸熱され易いように、図５（ｂ）の形態に限らず、中央部にガス管が例えば蛇行状に形成されて密になるように設計されていてもよい。例えば、熱伝導性の良好なアルミニウムでこのように配管された空冷用ガス流通管７に原料ガスの一部である水素を導入した場合、空冷用ガス流通管７からの放熱量は、プラズマ放電で発生するジュール熱よりも若干大きい、約１０００〜３０００ｃａｌ／分となる。
これにより、プラズマ放電で発生するジュール熱を放熱することができるため、プロセス中の温度を面内での均一性を保ちながら、一定にすることができる。【００５７】  実施の形態３−１の装置では、図４（ａ）に示すように、冷却用ガスを冷却用ガス導入管２９を通して空冷用ガス流通管７に導入し、冷却用ガス排気管３０を通して排気している。
一方、実施の形態３−２の装置では、図４（ｂ）に示すように、冷却用ガスの代わりに反応性ガス（原料ガス）を冷却用ガス導入管２９を通して空冷用ガス流通管７に導入し、これを排気せず冷却ガス排気管３１を通して、反応性ガスとして内側空間にカソード２を通じて供給する。一般に、原料ガスを適度に加熱することは、膜の高品質化やクリーニングレートの向上につながることから、原料ガスを空冷用ガス流通管７に通してジュール熱を吸収させるガス加熱はプロセスによい影響を与えるので、好ましい。
したがって、空冷用ガス流通管が、反応性ガス供給手段と接続され、導入したガスが反応性ガスとして内側空間に供給される構造であるのが好ましい。【００５８】  実施の形態３−１では、冷却用ガスとして窒素などの不活性ガスを用いる。しかし、窒素の熱伝導率は水素に比べて約１／８であるため、実施の形態３−２の場合と同等の放熱を行うためにはほぼ１桁程度多い流量でガスを導入する必要がある。
したがって、通常、原料ガスの一部として使用する水素の希釈ガスとして使用される排気ガス希釈窒素を流用するのが好ましい。これにより、ガスによる放熱量が約１０００〜３０００ｃａｌ／分になると共に、排気窒素ガスの温度を数十℃上昇させることができ、排気配管の保温効果により、パウダーの付着に伴う排気配管の詰まりを防止できるので好ましい。【００５９】
実施の形態３−２の変形として、本発明のプラズマ処理装置は、密封可能なチャンバーに、枠状の内部構造体と、反応性ガス供給手段と、カソードおよびアノードと、ヒータと、空冷用ガス流通管とが２組以上備えられ、一の組の空冷用ガス流通管が、他の組の反応性ガス供給手段と接続され、導入したガスが反応性ガスとして他の組の内側空間に供給される構造であってもよい。つまり、一つのヒータに接続された冷却ガス排気管が複数に分岐して複数の反応性ガス供給手段（ガス導入管）と接続されるように構成することにより、一つのヒータ内の空冷用ガス流通管が複数のカソード内部と接続されることとなる。これによって、一つのヒータ内で加熱された反応性ガスを複数の内側空間に供給することができる。
【００６０】  上記の構成のプラズマ処理装置において、反応性ガスを所定の流量および圧力でカソード２とアノード４との間隙に充填し、カソード２とアノード４とに高周波電力を印加したところ、カソード２とアノード４との間にグロー放電領域（プラズマ放電領域）を発生させることができた。そして、基板１上に、非晶質または結晶性の膜を形成することができた。【００６１】  このように、本発明によれば、上記のプラズマ処理装置を用いて基板の表面に半導体薄膜を製造することを特徴とする半導体薄膜の製造方法が提供される。
また、本発明の半導体薄膜の製造方法によれば、半導体薄膜または光学的薄膜を用いた太陽電池、ＴＦＴ、感光体などの半導体素子を低コストでしかも効率よく製造することができる。
【図１】
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【図２】
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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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