JP5656504B2 - 真空処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空処理装置に関し、特にプラズマを用いて基板に処理を行う真空処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

一般的に、薄膜太陽電池の生産性を向上させるためには、高品質なシリコン薄膜を、高速に、かつ、大面積で製膜することが重要である。このような高速かつ大面積な製膜を行う方法としては、プラズマＣＶＤ（化学気相成長）法による製膜方法が知られている。

プラズマＣＶＤ法による製膜を行うためには、プラズマを発生させるプラズマ生成装置（真空処理装置）が必要であり、効率良く製膜を行うプラズマ生成装置として、例えば特許文献１に開示されているリッジ導波管を利用したプラズマ生成装置が知られている。この種のプラズマ生成装置は、特許文献１の図１０に示されるように、高周波電源（ＲＦ電源）を強い電界に変換させる左右一対の変換器（分配室４０）と、これらの変換器の間に接続される放電室（有効空間１）とを備えて構成されている。

変換器は、互いに対向する上下一対の平板状のリッジ部を有するリッジ導波管からなる。また、放電室も、互いに対向する上下一対の平坦なリッジ電極板を有するリッジ導波管であり、変換器に連結されている。このように構成されたプラズマ生成装置において、変換器と放電室の内部を減圧し、この中に、プラズマの生成と薄膜の形成に必要な母ガスを供給し、電源から高周波電力を供給すると、放電室内にて近接対向するリッジ電極板の間にプラズマを発生させることができる。そして、このプラズマを利用してガラス基板等に製膜処理を施すことができる。基板は、放電室におけるリッジ電極板の間に配置されるのが一般的である。具体的には、上下のリッジ電極が水平になるように装置全体を設置し、上下の電極の間に基板を搬入して、この基板を下側のリッジ電極の上面に載置する。

従来のこのようなプラズマ生成装置では、リッジ導波管に対して、横方向からマイクロ波電力を供給する構造になっていて、リッジ導波管に沿った長手方向における電界強度分布に偏りが生じていた。即ち、リッジ導波管に沿った長手方向における電界強度分布は、分配室と称されるリッジ導波管に併設された部分および分配室からリッジ導波管にマイクロ波を供給するための結合穴の構成により定まる。そのため、リッジ導波管と分配室は同じ長さが必要であり、かつ分配室や結合穴における取りうる構成が制限されると、電界強度分布の均一性も制限されることからプラズマの均一化が困難になるという問題があった（特許文献１参照）。

特表平４−５０４６４０号公報

変換器には高周波電源から同軸ケーブルを介して高周波電力が導入され、変換器は供給された高周波電力を放電室側に伝送する役割を担っている。即ち、変換器のリッジ部には、電源ラインが接続されて、高周波電力の伝送モードを同軸伝送モードであるＴＥＭモードから方形導波管の基本伝送モードであるＴＥモードに変換して放電室（プロセス室）に伝送する。この変換部分で特性インピーダンス値が減少または増加する場合には、インピーダンス不整合に伴う反射波の発生が懸念される。

また、変換器におけるリッジ部の対向間隔は凡そ５０〜２００ｍｍ程度に設定され、放電室におけるリッジ電極板の対向間隔は凡そ３〜３０ｍｍ程度に設定されるため、変換器のリッジ部と放電室のリッジ電極板との接続部には数十〜百数十ｍｍのリッジ段差が存在する。このように、放電室におけるリッジ電極板の対向間隔が、変換器におけるリッジ部の対向間隔よりも狭く設定されており、変換器から放電室へと移行する境界部に大きなリッジ段差が存在するため、変換器から放電室にかけての特性インピーダンスが急激に減少または増加する傾向が生じ、インピーダンス不整合に伴う反射波発生が懸念されていた。従来は、高周波電源系統の整合器で調整する対応が実施されていたが、インピーダンス不整合に伴う反射波発生の抑制は十分ではなかった。

さらに、製膜処理等でプラズマ発生付近に膜が付着成長し始めると、特性インピーダンスがさらに変動し、これによって変換器の特性インピーダンス変動箇所からの反射波の発生が増加することが懸念されていた。また、変換器内で局所的な電界が増加した部分にはプラズマが発生し、変換器内部に膜が付着して変換器の特性が経時変化する懸念がある。特に、１ｍ^２を越える大きな面積の製膜を行うにあたっては、１ｍ^２あたり１ｋＷを越える大電力が投入されるため、反射波に起因して高周波電源系統の変調、故障の発生、場合によっては高周波電源系統の一部の焼損に至る場合があり、このような反射波の抑制対策の確立は非常に重要な課題である。一方では、電源周波数の高高周波化に伴い、反射波は極短時間に急速に大きくなることがあり、この反射波の発生を抑制するような電気的な構成をプラズマ生成装置に付加することは、技術的にも難しいだけでなく、装置構成の複雑化および価格上昇を招来するため、好ましくない。

ここで、変換器の内部において対向するリッジ部の間に、真空や空気中よりも誘電率の高いアルミナセラミックス等の充填材を充填することにより、変換器の内部における反射波の発生防止、および局所的な電界増加を抑制し、変換器内でのプラズマの発生を防止することが検討されている。これによれば、充填材を設置しない場合と比較して、変換器のリッジ部の高周波電力を放電室側に伝送する方向の寸法を小さくすることができ、プラズマ生成装置のコンパクト化にも貢献することができる。

ところが、例えば、対向するリッジ部の間隔が１００ｍｍである場合、この間にアルミナセラミックスを隙間なく充填すると、アルミナセラミックスの比重が３．９であることから、１ｍ^２当たり３９０ｋｇの重量となり、これが一対の変換器の両方に設けられるため、充填材だけで７８０ｋｇもの高重量となる。このため、プラズマ生成装置（真空処理装置）の重量が極端に重くなってしまい、装置の各部の剛性、強度を大幅に増強させなければならず、装置の搬送や据え付け等の作業にも困難が伴うという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、リッジ導波管を利用した放電室と変換器とを有し、放電室でプラズマを発生させる真空処理装置において、軽量かつコンパクトで簡素な構造により、変換器の内部における反射波とプラズマの発生を防止して、放電室において安定したプラズマを発生させることのできる真空処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
即ち、本発明に係る真空処理装置は、互いに平行に対向して配置され、その間にプラズマが生成される一方および他方のリッジ電極を有したリッジ導波管からなる放電室と、前記放電室の両端に隣接して配置され、互いに平行に対向して配置された一対の平板状のリッジ部を有したリッジ導波管からなり、高周波電源から供給された高周波電力を方形導波管の基本伝送モードに変換して前記放電室に伝送し、前記一方および他方のリッジ電極の間にプラズマを発生させる一対の変換器と、高周波電力を前記リッジ部に供給する電源手段と、前記電源手段と前記リッジ部との間を電気的に接続する電源ラインと、前記放電室および前記変換器の内部の気圧を減圧させる排気部と、を有し、前記変換器における前記リッジ部の対向間隔よりも、前記放電室における前記リッジ電極の対向間隔の方が狭く設定されて前記リッジ電極間でプラズマを発生させるように構成され、さらに、前記変換器の内部において、対向する前記リッジ部の間に充填される充填材を備え、該充填材は前記電源ラインが前記変換器に接続される電源導入部の周囲を取り囲む同心円状に構成されているとともに、前記充填材の比重は、前記電源導入部の近傍の範囲に比べて、その外周側の範囲の方が低く設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、前記変換器の内部において対向するリッジ部の間で電源導入部と同心円状に充填された充填材により、変換器の内部における特性インピーダンスの変化を緩やかにして反射波の発生を抑制するとともに、局所的な電界増加による変換器内でのプラズマの発生を抑制することができる。同時に、変換器の内部における誘電率が高くなるため、変換器の長さ方向の寸法を小さくして真空処理装置をコンパクト化することができる。

また、上記充填材は、前記電源導入部の近傍の範囲では高比重であるため誘電率が高く、その外周側の範囲では低比重であるため誘電率が低い。充填材の誘電率が高いほど特性インピーダンスを同軸伝送部分に近い値にすることができる。また、充填材の誘電率が高いほど、特性インピーダンスの変化が緩やかになり反射波を抑制できるとともに、プラズマの発生抑止効果が高い。そのため、反射波とプラズマの発生率が最も高い電源導入部の近傍の範囲では、高比重かつ高誘電率の充填材によって確実に反射波とプラズマの発生が抑制される。

しかも、電源導入部から離れるにつれて反射波とプラズマの発生率が低下するため、この部位に位置する充填材は低比重かつ低誘電率でもよい。このため、対向するリッジ部の間の空間全てに高比重な充填材を充填した場合に比べ、大幅な軽量化を果たすことができる。こうして、軽量かつ簡素な構成により、変換器における反射波とプラズマの発生を防止して、放電室において安定したプラズマを発生させることができる。

さらに、本発明に係る真空処理装置は、前記充填材が、前記電源導入部の近傍の範囲に設けられる高比重な充填素材と、この高比重な充填素材の外周側を取り巻く低比重な充填素材とが組み合わされたものであることを特徴とする。これにより、高比重な充填素材と低比重な充填素材とを容易に組み立て可能にして、充填材の全体構造をより簡素かつ安価なものにすることができる。

また、本発明に係る真空処理装置は、前記充填素材のうち、前記電源導入部の近傍の範囲に設けられる充填素材がアルミナセラミックスであることを特徴とする。アルミナセラミックスは誘電率が高くて安価な素材であるため、充填材として好適である。

また、本発明に係る真空処理装置は、前記電源ラインが、外部導体と内部導体とを有する同軸ケーブルであり、前記外部導体は、前記電源導入部において、対向する一方の前記リッジ部に電気的に接続され、前記内部導体は、前記一方のリッジ部と前記変換器の内部空間を貫通して他方の前記リッジ部に電気的に接続され、前記充填材は、前記変換器の内部において前記内部導体の周囲を取り囲むように設けられていることを特徴とする。

上記構成によれば、反射波とプラズマの発生率が最も高い電源導入部において、高比重で誘電率の高い充填材により、電源ライン（同軸ケーブル）の内部導体の周囲が取り囲まれるため、変換器の内部における反射波とプラズマの発生を確実に防止することができる。

そして、本発明に係るプラズマ処理方法は、前記各態様における真空処理装置を用いて基板にプラズマ処理を施すことを特徴とする。これにより、高品質なプラズマ処理を行うことができる。

以上のように、本発明に係る真空処理装置およびプラズマ処理方法によれば、リッジ導波管を利用した放電室と変換器とを有し、放電室でプラズマを発生させる真空処理装置において、軽量かつ簡素な構造により、変換器の内部における反射波の発生および局所的な電界増加によるプラズマの発生を抑制し、放電室において安定したプラズマを発生させ、高品質なプラズマ処理を行うことができるという効果を奏する。

本発明に係るダブルリッジ型の製膜装置の概略構成を説明する模式図である。 図１の放電室の構成を示すII-II断面視図である。 本発明の第１実施形態に係る変換器を示す図１のIII-III断面視図である。 本発明の第２実施形態に係る変換器を示す図１のIII-III断面視図である。 図１のV-V線に沿う横断面図である。 シングルリッジ型の製膜装置の放電室を示す斜視図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。本実施形態においては、本発明を、一辺が１ｍを越える大面積な基板に対して、アモルファス太陽電池や微結晶太陽電池等に用いられる非晶質シリコン、微結晶シリコン等の結晶質シリコン、窒化シリコン等からなる膜の製膜処理をプラズマＣＶＤ法によって行うことが可能な製膜装置（真空処理装置）１に適用した場合について説明する。

図１は製膜装置１の概略構成を説明する模式図である。製膜装置１は、放電室（プロセス室）２と、この放電室２の両端に隣接して配置された変換器３Ａ，３Ｂと、これらの変換器３Ａ，３Ｂに一端が接続される同軸ケーブル４Ａ，４Ｂ（電源ライン）と、これらの同軸ケーブル４Ａ，４Ｂの他端に接続される高周波電源５Ａ，５Ｂ（電源手段）と、同軸ケーブル４Ａ，４Ｂの中間部に接続されたサーキュレータ７Ａ，７Ｂを介して接続された整合器６Ａ，６Ｂと、放電室２に接続される排気部９およびガス供給部１０を主な構成要素として備えている。サーキュレータ７Ａおよびサーキュレータ７Ｂは、それぞれ高周波電源５Ａ，５Ｂから供給された高周波電力を放電室（プロセス室）２に導くとともに、高周波電源５Ａ，５Ｂに対して進行方向が違う高周波電力が入力されることを防止するものである。

図１に示すように、放電室２および変換器３Ａ，３Ｂは、函状の真空容器８に収納されている。真空容器８には排気部９が接続され、真空容器８および放電室２、変換器３Ａ，３Ｂの内部が排気部９により０．１ｋＰａから１０ｋＰａ程度の真空状態とされる。このため、放電室２および変換器３Ａ，３Ｂならびに真空容器８は内外の圧力差に耐え得る構造とされる。排気部９としては、本発明において特に限定されることはなく、たとえば公知の真空ポンプ、圧力調整弁と真空排気配管等を用いることができる。

真空容器８の材質としては、例えばステンレス鋼（ＪＩＳ規格におけるＳＵＳ材）や、一般構造用圧延材（ＪＩＳ規格におけるＳＳ材）等から形成し、リブ材等で補強された構成を用いることができる。また、放電室２は、非磁性または弱磁性を有し、且つ導電性を有する、アルミニウム合金材料等の材料から形成された容器状の部品であって、所謂ダブルリッジ型の導波管状に形成されたものである。

図１〜図３に示すように、放電室２には、上下方向（後述のＥ方向）に配列された上下一対のリッジ電極２１ａ（一方のリッジ電極）とリッジ電極２１ｂ（他方のリッジ電極）が設けられている。これら一対のリッジ電極２１ａ，２１ｂは、ダブルリッジ導波管である放電室２における主要部分となるリッジ形状を構成するものであり、互いに平行に対向配置された平板状の部分である。そして、この放電室２に、プラズマ製膜処理が施される基板Ｓが収容される。この基板Ｓは、例えば下側のリッジ電極２１ｂの上に載置される。

また、下側のリッジ電極２１ｂにおいて、上側のリッジ電極２１ａと反対側の面にあたるリッジ電極２１ｂの外側面には、図示しない均熱温調器を設けて、基板Ｓの温度を制御してもよい。なお、基板Ｓは必ずしも一対の放電用のリッジ電極２１ａ，２１ｂの間に配置する必要はなく、例えば下側のリッジ電極２１ｂに製膜種が通過できる多数の通気孔を設け、この下側のリッジ電極２１ｂの下面から所定の間隔を空けて上述の均熱温調器を設け、その上面に基板Ｓを載置して、基板Ｓの温度を制御しながら製膜処理を行ってもよい。

本実施形態では、放電室２が延びる方向をＬ方向（図１における左右方向）とし、リッジ電極２１ａ，２１ｂの面に直交してプラズマ放電時の電界が生じる方向をＥ方向（図１における上下方向）とし、一対のリッジ電極２１ａ，２１ｂに沿い、かつＥ方向と直交する方向をＨ方向（図１における紙面に対して直交する方向）とする。さらに、図２に示すように、一方のリッジ電極２１ａから他方のリッジ電極２１ｂまでの距離がリッジ電極対向間隔ｄ１（ｍｍ）と定められる。このリッジ電極対向間隔ｄ１は、高周波電源５Ａ，５Ｂの周波数、基板Ｓの大きさやプラズマ製膜処理の種類等に応じて、凡そ３〜３０ｍｍ程度の範囲に設定される。

基板Ｓとしては透光性ガラス基板を例示することができる。例えば、太陽電池パネルに用いられるものでは、縦横の大きさが１．４ｍ×１．１ｍ、厚さが３．０ｍｍから４．５ｍｍのものを挙げることができる。

図３は、変換器３Ａ，３Ｂの構成を説明する模式図である。変換器３Ａ，３Ｂは、放電室２と同様に、アルミニウム合金材料等の導電性を有し非磁性または弱磁性を有する材料から形成された容器状の部品であって、放電室２と同様にダブルリッジ導波管状に形成されている。

図１に示すように、変換器３Ａ，３Ｂは、それぞれ高周波電源５Ａ，５Ｂから同軸ケーブル４Ａ，４Ｂを介して供給される高周波電力が導入される部分であって、供給された高周波電力を放電室２側に伝送する役割を担っている。これらの変換器３Ａ，３Ｂは、放電室２の、Ｌ方向の端部に連結され、電気的に接続されている。なお、変換器３Ａ，３Ｂを放電室２に対して一体的に設けてもよい。

変換器３Ａ，３Ｂには、図１および図３に示すように、それぞれ上下一対の平板状のリッジ部３１ａ，３１ｂが設けられている。これらのリッジ部３１ａ，３１ｂは、ダブルリッジ導波管である変換器３Ａ，３Ｂにおけるリッジ形状を構成するものであり、互いに平行に対向して配置されている。変換器３Ａ，３Ｂは、リッジ導波管の特性を利用して、高周波電力の伝送モードを同軸伝送モードであるＴＥＭモードから方形導波管の基本伝送モードであるＴＥモードに変換して、放電室（プロセス室）２に伝送する。

変換器３Ａ，３Ｂにおける一方のリッジ部３１ａから他方のリッジ部３１ｂまでの距離がリッジ部対向間隔ｄ２（ｍｍ）と定められる（図３参照）。このリッジ部対向間隔ｄ２は、高周波電源５Ａ，５Ｂの周波数、基板Ｓの大きさやプラズマ製膜処理の種類等に応じて、凡そ５０〜２００ｍｍ程度の範囲に設定される。

図１および図３に示すように、同軸ケーブル４Ａ，４Ｂが変換器３Ａ，３Ｂに接続される部分が電源導入部Ｃとなっている。同軸ケーブル４Ａ，４Ｂは、外部導体４１および内部導体４２を有しており、電源導入部Ｃにおいて外部導体４１が例えば上側のリッジ部３１ａに電気的に接続され、内部導体４２が上側のリッジ部３１ａと変換器３の内部空間を貫通して下側のリッジ部３１ｂに電気的に接続されている。同軸ケーブル４Ａ，４Ｂは、それぞれ、高周波電源５Ａ，５Ｂから供給された高周波電力を変換器３Ａ，３Ｂに導くものである。なお、高周波電源５Ａ，５Ｂとしては、公知のものを用いることができる。

本発明において、高周波電源５Ａ，５Ｂは、周波数が１３．５６ＭＨｚ以上、好ましくは３０ＭＨｚから４００ＭＨｚ（ＶＨＦ帯からＵＨＦ帯）に設定されている。これは、１３．５６ＭＨｚよりも周波数が低いと、ダブルリッジ導波管である放電室２と変換器３Ａ，３Ｂのサイズが基板Ｓのサイズに対して大型化するために装置設置スペースが増加し、逆に周波数が４００ＭＨｚより高いと、放電室（プロセス室）２が延びる方向（Ｌ方向）に生じる定在波の影響が増大してプラズマの均一性が低下するためである。さらに、リッジ導波管の特性により、リッジ電極２１ａ，２１ｂの間ではリッジ電極に沿う方向（Ｈ方向）の電界強度分布がほぼ均一になる。そして、リッジ電極２１ａ，２１ｂの間ではプラズマを生成可能な程度の強い電界強度を得ることができる。

その一方で、放電室２には、高周波電源５Ａから供給された高周波電力と、高周波電源５Ｂから供給された高周波電力により、定在波が形成される。このとき、電源５Ａおよび電源５Ｂから供給される高周波電力の位相が固定されていると、定在波の位置（位相）が固定され、リッジ電極２１ａ，２１ｂにおける放電室２の長さ方向（Ｌ方向）の電界強度の分布に偏りが生じる。そこで、高周波電源５Ａおよび高周波電源５Ｂの少なくとも一方から供給される高周波電力の位相を調節することにより、放電室２に形成される定在波の位置の調節が行われる。これにより、リッジ電極２１ａ，２１ｂにおけるＬ方向の電界強度の分布が時間平均的に均一化される。

具体的には、定在波の位置が、時間の経過に伴いＬ方向に、ｓｉｎ波状や、三角波状や、階段（ステップ）状に移動するように高周波電源５Ａおよび高周波電源５Ｂから供給される高周波電力の位相が調節される。定在波が移動する範囲や、定在波を移動させる方式（ｓｉｎ波状、三角波状、階段状等）や、位相調整の周期の適正化は、電力の分布や、プラズマからの発光の分布や、プラズマ密度の分布や、製膜された膜に係る特性の分布等に基づいて行われる。膜に係る特性としては、膜厚や、膜質や、太陽電池等の半導体としての特性等を挙げることができる。リッジ部を形成したリッジ導波管の特性と、高周波電源５Ａ，５Ｂから供給された高周波電力の位相変調により、基板Ｓに対してＨ方向とＬ方向のいずれの方向にも均一なプラズマを広い範囲に生成することができ、大面積基板へ製膜するにあたり、高品質な膜を均一に製膜することができる。

一方、ガス供給部１０は、放電室２等から離れた位置に配置され、基板Ｓの表面にプラズマ製膜処理を施すのに必要な原料ガスを含む母ガス（例えば、ＳｉＨ_４ガス等）を、放電室２の内部においてリッジ電極２１ａ，２１ｂの間に供給するものである。

図２および図３に示すように、変換器３Ａ，３Ｂにおけるリッジ部３１ａ，３１ｂ間のリッジ部対向間隔ｄ２（凡そ５０〜２００ｍｍ）よりも、放電室２におけるリッジ電極２１ａ，２１ｂ間のリッジ電極対向間隔ｄ１（凡そ３〜３０ｍｍ）の方が狭く設定されているため、リッジ部３１ａ，３１ｂとリッジ電極２１ａ，２１ｂとの境界部に数十〜百数十ミリのリッジ段差Ｄ（図１参照）が存在している。

そして、図３に示すように、変換器３Ａ，３Ｂの内部において、対向するリッジ部３１ａ，３１ｂの間の空間に充填材３５が充填されている。この充填材３５は、変換器３Ａ，３Ｂの内部空間における電源導入部Ｃの誘電率を増加させてリッジ部３１ａ，３１ｂ間に反射波およびプラズマが発生することを防止する機能を持つ。

充填素材３５は、変換器３Ａ，３Ｂの内部空間において、電源導入部Ｃの近傍の範囲に設けられ、同軸ケーブル４Ａ，４Ｂの内部導体４２の周囲を密に取り囲む同心円の円柱形状に形成されて、その上下両面がリッジ部３１ａ，３１ｂに接している。充填素材３５ａの素材としてはアルミナセラミックスが適用されている。アルミナセラミックスの比重は３．９と比較的軽量であり、誘電率が凡そ９．４と高い値であり、製造も容易なことから安価で一般的な素材であるため、充填材として用いるには好適である。もちろん、アルミナセラミックス以外の物質でもよいが、誘電率が真空や空気中よりも高いもの（真空の誘電率＝１）である必要がある。

以上のように構成された製膜装置１において、放電室２の内部に設置された基板Ｓには、以下の手順によりプラズマ製膜処理が施される。

まず、図１および図３に示すように、図示しない基板搬送装置により、基板Ｓが、放電室２におけるリッジ電極２１ｂの上に配置される。その後、図１に示す排気部９により真空容器８、放電室２、変換器３Ａ，３Ｂの内部から空気等の気体が排気される。

さらに、高周波電源５Ａ，５Ｂから、周波数が１３．５６ＭＨｚ以上、好ましくは３０ＭＨｚから４００ＭＨｚの高周波電力が同軸ケーブル４Ａ，４Ｂと変換器３Ａ，３Ｂを経て放電室２のリッジ電極２１ａ，２１ｂに供給されるとともに、ガス供給部１０からリッジ電極２１ａ，２１ｂの間に、例えばＳｉＨ_４ガス等の母ガスが供給される。この時、真空容器８内を排気する排気部９の排気量が制御されて、放電室２等の内部、即ちリッジ電極２１ａ，２１ｂの間の気圧が０．１ｋＰａから１０ｋＰａ程度の真空状態に保たれる。

一方、高周波電源５Ａ，５Ｂから供給された高周波電力は、同軸ケーブル４Ａ，４Ｂと整合器６Ａ，６Ｂを介して変換器３Ａ，３Ｂに伝送される。整合器６Ａ，６Ｂでは高周波電力を伝送する系統におけるインピーダンス等の値が調節される。そして、変換器３Ａ，３Ｂにおいて、高周波電力の伝送モードが、同軸伝送モードであるＴＥＭモードから方形導波管の基本伝送モードであるＴＥモードに変換され、変換部３Ａ，３Ｂから放電室２のリッジ電極２１ａ，２１ｂに伝送される。リッジ電極２１ａ，２１ｂでは、そのリッジ電極対向間隔ｄ１が狭く設定されたことで強い電界が発生し、このリッジ電極２１ａ，２１ｂの間に母ガスを導入することで母ガスが電離されてプラズマが生成される。

このような状態において、リッジ電極２１ａ，２１ｂの間で材料ガスが分解や活性化して製膜種が発生する。材料ガスにＳｉＨ_４とＨ_２を主成分に用い、このプラズマを基板Ｓの面内において均一に形成することにより、基板Ｓの上に均一な膜、例えばアモルファスシリコン膜や結晶質シリコン膜が形成される。

放電室２は、リッジ部（リッジ電極２１ａ，２１ｂ）を形成したリッジ導波管であるため、その特性により、リッジ電極２１ａ，２１ｂの間ではＨ方向の電界強度分布がほぼ均一になる。さらに、高周波電源５Ａおよび高周波電源５Ｂの少なくとも一方から供給される高周波電力の位相を時間的に変調することにより、放電室２に形成される定在波の位置を変化させ、リッジ電極２１ａ，２１ｂにおけるＬ方向の電界強度の分布が時間平均的に均一化される。リッジ導波管を用いることにより、伝送損出が小さい効果も加わり、Ｈ方向とＬ方向ともに電界強度分布がほぼ均一化された領域を容易に大面積化できる。

そして、先述した通り、変換器３Ａ，３Ｂにおけるリッジ部３１ａ，３１ｂ間のリッジ対向間隔ｄ２（凡そ５０〜２００ｍｍ）よりも、放電室２におけるリッジ電極２１ａ，２１ｂ間のリッジ電極対向間隔ｄ１（凡そ３〜３０ｍｍ）の方が狭く設定されていて、リッジ部３１ａ，３１ｂとリッジ電極２１ａ，２１ｂとの境界部に数十〜百数十ミリのリッジ段差Ｄ（図１参照）が存在しているため、このリッジ段差Ｄの影響で変換器３Ａ，３Ｂから放電室２にかけて特性インピーダンスが急激に大きく減少あるいは増加して特性インピーダンス不整合となっており、変換器３Ａ，３Ｂの内部空間における反射波発生の原因となっている。

これに対し、変換器３Ａ，３Ｂの内部空間の一部に充填材３５が充填されていて、さらにその形状が内部導体４２の周囲を取り囲む同心円の円柱形状に形成されているため、同軸伝送モードであるＴＥＭモードから方形導波管の基本伝送モードであるＴＥモードに変換にあたっての特性インピーダンス不整合を抑制することができる。充填材３５の誘電率が高いほど特性インピーダンスを同軸伝送部分に近い値にすることができるので、特性インピーダンスの変化が緩やかになり反射波を抑制できる。また、充填材３５の誘電率が１（真空の値）よりも高いために局所的な電界増加が抑制され、プラズマの発生抑止効果が高い。

従って、変換器３Ａ，３Ｂの内部空間における特性インピーダンスの不整合部分を緩和し、反射波およびプラズマの発生を防止することができる。また、変換器３Ａ，３Ｂの内部空間において、充填材３５は誘電率が１（真空の値）よりも高いために、充填材３５を設けない場合に比べて変換器３Ａ，３ＢのＬ方向の寸法を短縮することができ、製膜装置１のコンパクト化に貢献することができる。なお、本実施形態において、充填材３５は内部導体４２の周囲を取り囲む同心円の円柱状としたが、円柱状に変えて球状等に形成してもよい。

例えば、リッジ部３１ａ，３１ｂのリッジ対向間隔ｄ２が１００ｍｍであり、充填材の外形寸法が１ｍ×１ｍの角型であるとすると、この充填材を全てアルミナセラミックスからなる高比重な充填素材で形成した場合には、アルミナセラミックスの比重が３．９であることから、充填材の全体重量が３９０ｋｇとなる。しかし、本実施形態のように、電源導入部Ｃ近傍の範囲のみに高比重な充填素材３５を円柱状に設けた場合には、その直径を上記の角型の充填材の一辺（１ｍ）の約半分の５００ｍｍで構成した場合は、アルミナセラミックスからなる充填素材３５の重量は片側で７７ｋｇとなり、片側の約３１３ｋｇの軽量化になる。これを両側の変換器３Ａ，３Ｂに適用すれば、倍の約６２６ｋｇの軽量化を実現することができる。

このように、本発明によれば、軽量かつ簡素な構成により、変換器３Ａ，３Ｂにおける特性インピーダンスの急な減少または増加による反射波の発生防止と、局所的な電界増加を抑制しプラズマの発生を防止することができる。その結果、高周波電源５Ａ，５Ｂの系統における変調や故障、焼損等を有効に防止するとともに、リッジ電極２１ａ，２１ｂ間の、放電室２の長さ方向（Ｌ方向）の電界の伝送の減衰を抑制し時間平均的に均一化することができ、基板Ｓに対してプラズマを均一かつ広範囲に分布させて、大面積基板へ製膜するにあたり、均一かつ高品質なプラズマ製膜処理を行うことができる。

また、充填素材３５が、誘電率が高くて安価な素材であるアルミナセラミックスとされているため、変換器３Ａ，３Ｂにおける反射波とプラズマの発生を良好に防止するとともに、製膜装置１の製造を容易にすることができる。

しかも、本実施形態における製膜装置１では、高周波電源５Ａ，５Ｂとリッジ部３１ａ，３１ｂの電源導入部Ｃとの間を電気的に接続する電源ラインを、外部導体４１と内部導体４２とを有する同軸ケーブル４Ａ，４Ｂとし、その外部導体４１を一方のリッジ部３１ａに接続し、内部導体４２を、一方のリッジ部３１ａと変換器３Ａ，３Ｂの内部空間を貫通させて他方のリッジ部３１ｂに接続し、変換器３Ａ，３Ｂの内部において、充填素材３５ａにより内部導体４２の周囲を取り囲むように構成したため、反射波とプラズマの発生率が高い電源導入部Ｃ付近、特に変換器３Ａ，３Ｂの内部における内部導体４２の周囲近傍において、反射波とプラズマの発生を確実に防止することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について、図４、図５を参照して説明する。本実施形態において、図１から図３に示す第１実施形態の構成と異なるのは、充填材３５が、変換器３Ａ，３Ｂにおけるリッジ部３１ａ，３１ｂ間の空間のほぼ全域に亘って充填されており、この充填材３５の比重が、同軸ケーブル４Ａ，４Ｂがリッジ部３１ａ，３１ｂに接続される電源導入部Ｃの近傍の範囲に比べて、その外周側の範囲の方が低く設定されている点であり、他の部分の構成は第１実施形態と同一である。

具体的には、充填材３５は２種類の比重の異なる充填素材３５ａと充填素材３５ｂとが組み合わされて構成されている。充填素材３５ａは、変換器３Ａ，３Ｂの内部空間において、平面視（図５参照）で電源導入部Ｃの近傍の範囲に設けられ、同軸ケーブル４Ａ，４Ｂの内部導体４２の周囲を密に取り囲む同心円の円柱形状に形成されて、その上下両面がリッジ部３１ａ，３１ｂに接している。充填素材３５ａの素材は第１実施形態と同様にアルミナセラミックスが適用されている。

一方、充填素材３５ｂは、その中央部に充填素材３５ａが密に嵌り込む嵌合穴３６（図５参照）を有する矩形状（直方体状）に形成されており、嵌合穴３６に充填素材３５ａが嵌合されることによって充填素材３５ａの外周側を取り巻くようになっており、その上下両面がリッジ部３１ａ，３１ｂに接している。充填素材３５ｂの素材としては、アルミナセラミックスよりも比重の小さなもの、例えばＳｉＯ_２（比重２．４）やステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２：比重２．７）が適用されている。もちろん、これら以外の物質でもよいが、その比重がアルミナセラミックスよりも格段に低く、かつその誘電率が真空や空気中よりも高いもの（真空の誘電率＝１）である必要がある。なお、例えば充填素材３５ａを固体状の素材（例えばアルミナセラミックス）とし、充填素材３５ｂを充填素材３５ａと同一素材の粉体を、互いに空間を有して圧縮結合（焼結等）させて充填素材３５ａよりも比重の小さい固体となるように形成し、これらを組み合わせて充填材３５を構成してもよい。

本実施形態では、充填材３５の比重が、変換器３Ａ，３Ｂの電源導入部Ｃ近傍の範囲（充填素材３５ａの部分）における比重に比べて、その外周側の範囲（充填素材３５ｂの部分）における比重が低く設定されているため、反射波とプラズマの発生率が最も高い電源導入部Ｃ近傍の範囲では高比重かつ高誘電率の充填素材３５ａによって反射波とプラズマの発生を確実に防止することができる。

また、電源導入部Ｃから離れるにつれて反射波とプラズマの発生率が低下するため、電源導入部Ｃの周囲に位置する充填素材３５ｂは低比重かつ低誘電率でも問題がなく、充填素材３５ｂを設置しない第１実施形態よりも、より確実に反射波とプラズマの発生を防止できる。このため、対向するリッジ部３１ａ，３１ｂの間の空間全てに高比重な充填素材３５ａを充填した場合に比べ、大幅な軽量化を果たすことができ、電源導入部Ｃ近傍の範囲のみに高比重かつ高誘電率の充填素材３５ａを設置した場合（第１実施形態）よりも、反射波とプラズマの発生をさらに確実に防止することができる。

例えば、リッジ部３１ａ，３１ｂのリッジ対向間隔ｄ２が１００ｍｍであり、充填材３５の外形寸法が１ｍ×１ｍであるとすると、充填材３５を全てアルミナセラミックスからなる高比重な充填素材３５ａで形成した場合には、アルミナセラミックスの比重が３．９であることから、充填材３５の全体重量が３９０ｋｇとなる。しかし、本実施形態のように、電源導入部Ｃ近傍の範囲のみを高比重な充填素材３５ａで形成し、その外周側の範囲を、例えばステアタイトからなる低比重な充填素材３５ｂで形成した場合には、充填素材３５ａの直径を１００ｍｍにしたとして、ステアタイトの比重が２．７であることから、アルミナセラミックスからなる充填素材３５ａと併せて充填材３５の全体重量は２７１ｋｇとなり、片側の約１１９ｋｇの軽量化になる。これを両側の変換器３Ａ，３Ｂに適用すれば、倍の約２３８ｋｇの軽量化を実現することができる。

このように、本発明によれば、軽量かつ簡素な構成により、変換器３Ａ，３Ｂにおける特性インピーダンスの急激な減少または増加による反射波の発生を防止するとともに、局所的な電界増加を抑制して変換器３Ａ，３Ｂの内部におけるプラズマの発生を防止することができる。その結果、高周波電源５Ａ，５Ｂの系統における変調や故障、焼損等を有効に防止するとともに、リッジ電極２１ａ，２１ｂ間の、放電室２の長さ方向（Ｌ方向）の電界の伝送の減衰を抑制し、時間平均的に均一化することができ、基板Ｓに対してプラズマを均一かつ広範囲に分布させて、大面積基板へ製膜するにあたり、均一かつ高品質なプラズマ製膜処理を行うことができる。

また、充填材３５が、電源導入部Ｃの近傍の範囲に設けられる高比重な充填素材３５ａと、この充填素材３５ａの外周側を取り巻く低比重な充填素材３５ｂとが組み合わされたものであるため、充填素材３５ａと充填素材３５ｂとを容易に組み立て可能にして、充填材３５の全体構造をより簡素かつ安価なものにし、その製造を容易にすることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施形態においては、本発明をダブルリッジ導波管状に形成された放電室２および変換器３Ａ，３Ｂを備えた製膜装置１に適用した例について説明したが、図６に示すように、所謂シングルリッジ導波管状に形成された放電室および変換器を備えた製膜装置にも本発明を適用することができる。

また、上記の実施形態においては、基板Ｓを水平に設置する横型の製膜装置１に適用した構成例を説明したが、基板Ｓを鉛直上下方向に傾斜させて設置する縦型の製膜装置にも適用することができる。基板Ｓを傾斜させて設置する場合は、基板Ｓは鉛直方向からθ＝７°〜１２°傾斜させることで、基板自重のｓｉｎ(θ)成分により基板を安定して支持させるとともに、基板搬送時のゲート弁通過幅や製膜装置の設置床面積を少なく出来るので、好ましい。

また、上記の実施形態においては、本発明をプラズマＣＶＤ法による製膜装置１に適用して説明したが、この発明は製膜装置に限られることなく、プラズマエッチング等のプラズマ処理を行う装置等、その他各種の装置にも広範囲に適用可能なものである。

１ 製膜装置（真空処理装置）
２ 放電室（プロセス室）
３Ａ，３Ｂ 変換器
４Ａ，４Ｂ 同軸ケーブル（電源ライン）
５Ａ，５Ｂ 高周波電源（電源手段）
９ 排気部
２１ａ，２１ｂ リッジ電極
３１ａ，３１ｂ リッジ部
３５ 充填材
３５ａ 高比重な充填素材
３５ｂ 低比重な充填素材
４１ 外部導体
４２ 内部導体
ｄ１ リッジ電極対向間隔
ｄ２ リッジ部対向間隔
Ｃ 電源導入部
Ｓ 基板

Claims (5)

1. 互いに平行に対向して配置され、その間にプラズマが生成される一方および他方のリッジ電極を有したリッジ導波管からなる放電室と、
   前記放電室の両端に隣接して配置され、互いに平行に対向して配置された一対の平板状のリッジ部を有したリッジ導波管からなり、高周波電源から供給された高周波電力を方形導波管の基本伝送モードに変換して前記放電室に伝送し、前記一方および他方のリッジ電極の間にプラズマを発生させる一対の変換器と、
   高周波電力を前記リッジ部に供給する電源手段と、
   前記電源手段と前記リッジ部との間を電気的に接続する電源ラインと、
   前記放電室および前記変換器の内部の気圧を減圧させる排気部と、を有し、
   前記変換器における前記リッジ部の対向間隔よりも、前記放電室における前記リッジ電極の対向間隔の方が狭く設定されて前記リッジ電極間でプラズマを発生させるように構成され、
   さらに、前記変換器の内部において、対向する前記リッジ部の間に充填される充填材を備え、
   該充填材は前記電源ラインが前記変換器に接続される電源導入部の周囲を取り囲む同心円状に構成されているとともに、前記充填材の比重は、前記電源導入部の近傍の範囲に比べて、その外周側の範囲の方が低く設定されていることを特徴とする真空処理装置。
2. 前記充填材は、前記電源導入部の近傍の範囲に設けられる高比重な充填素材と、この高比重な充填素材の外周側を取り巻く低比重な充填素材とが組み合わされたものであることを特徴とする請求項１に記載の真空処理装置。
3. 前記充填素材のうち、前記電源導入部の近傍の範囲に設けられる充填素材はアルミナセラミックスであることを特徴とする請求項１または２に記載の真空処理装置。
4. 前記電源ラインは、外部導体と内部導体とを有する同軸ケーブルであり、前記外部導体は、前記電源導入部において、対向する一方の前記リッジ部に電気的に接続され、前記内部導体は、前記一方のリッジ部と前記変換器の内部空間を貫通して他方の前記リッジ部に電気的に接続され、前記充填材は、前記変換器の内部において前記内部導体の周囲を取り囲むように設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空処理装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の真空処理装置を用いて基板にプラズマ処理を施すことを特徴とするプラズマ処理方法。

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