WO2009125477A1 - プラズマｃｖｄ用のカソード電極、およびプラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

プラズマｃｖｄ用のカソード電極、およびプラズマｃｖｄ装置 Download PDF

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    • H01J37/32532—Electrodes
    • H01J37/32541—Shape

Definitions

  • the present invention relates to a high-frequency capacitively coupled plasma CVD, and relates to a cathode electrode for plasma CVD using hollow cathode discharge and a plasma CVD apparatus provided with the cathode electrode for plasma CVD.
  • a plasma CVD apparatus using a capacitively coupled parallel plate electrode is known.
  • cathode and anode discharge parallel plate electrodes are arranged in a reaction vessel, and power is supplied to these electrodes using a low frequency or high frequency power source.
  • a reactive gas is introduced to generate plasma, and film formation is performed using this plasma.
  • a liquid crystal panel used for a liquid crystal display is required to have a large screen in order to display a large image, and a solar cell is also required to be large in order to improve power generation capacity and production efficiency.
  • Patent Documents 1 and 2 In a capacitively coupled plasma CVD apparatus, one using a hollow cathode discharge has been proposed in order to increase film forming efficiency (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • FIG. 18 is a diagram for explaining a configuration example of a conventional capacitively coupled plasma CVD apparatus using hollow cathode discharge.
  • a plasma CVD apparatus 110 shown in FIG. 18 has a cathode electrode 101 and an anode electrode 102 facing each other in a vacuum chamber 111, and supplies low-frequency or high-frequency AC power from a power source 115a between both electrodes.
  • the anode electrode 102 can be heated by a built-in heater 117, and a substrate 100 to be processed is disposed.
  • the inside of the vacuum chamber 111 is evacuated by the vacuum pump 113 and the reaction gas is introduced by the reaction gas introduction pipe 112.
  • the cathode electrode 101 is integrated with a shower head type inlet for introducing a reaction gas into the substrate surface, and the cathode plate surface has an uneven shape in which long cylindrical recesses are arranged in a lattice shape and connected by grooves, A small-diameter hole is formed in a long cylindrical recess to serve as a reaction gas inlet.
  • the reaction gas introduced from the reaction gas introduction pipe 112 is introduced to the substrate side through the hole in the recess.
  • JP 2002237374 A paragraph 0015
  • JP 2004-296526 A paragraph 0008
  • a conventionally proposed cathode electrode used for hollow cathode discharge has a concave and convex portion to be a hollow cathode electrode by forming a hole in a plate material constituting a flat cathode electrode by machining such as cutting. It is necessary to process a large number of ultrafine reactive gas ejection holes of about 0.4 mm, for example, on the bottom surface of the concave portion of the cathode electrode. Further, the ejection direction of the reactive gas ejection holes is perpendicular to the substrate surface.
  • the conventional cathode electrode has a configuration in which the reaction gas is ejected in a direction perpendicular to the substrate from the numerous fine holes formed in the bottom surface of the concave portion of the cathode plate.
  • the gas ejection amount of the reaction gas is non-uniform, so that the film thickness and film quality of the formed thin film are non-uniform within the same substrate surface.
  • the uniformity of the thickness of the thin film to be formed is closely related to the reactive gas ejection hole, the position of the reactive gas ejection hole formed in the cathode plate, the position of the reactive gas ejection hole,
  • the optimum range of process conditions such as gas flow rate, various gas flow rate ratios, pressure, input power, substrate temperature, etc., corresponding to the setting conditions of the reactive gas ejection holes such as the number to be installed is narrow.
  • the concave / convex shape to be the hollow cathode electrode is formed by processing such as cutting, there is a problem that the processing of the cathode electrode is difficult and the cost required for manufacturing becomes high.
  • the concave holes shown in Patent Document 1 are connected by grooves.
  • the inside of the hole becomes a hollow cathode discharge electrode space in which high-density plasma is generated, but the groove connecting each hole has insufficient electron gas supply even if the electron density is sufficient. Therefore, high density plasma is not generated. Therefore, there is a possibility that a problem may occur in terms of film formation uniformity.
  • an object of the present invention is to solve the problems of the conventional cathode electrode and to generate a high-density plasma by optimizing the cathode electrode.
  • the purpose is to widen the optimum range of plasma conditions by optimizing the cathode electrode, and to increase the deposition rate by increasing the effective area of the electrode that contributes to the discharge.
  • the purpose is to optimize the cathode electrode so that the cathode can be easily processed at a low cost, and the cathode can be easily maintained.
  • At least one of the protrusions has at least one reaction gas ejection hole that enables reaction gas to be ejected on the side surface.
  • the reaction gas ejection direction of the reaction gas ejection hole is such that It is almost parallel to the bottom surface.
  • anode electrode By making the anode electrode concave and convex, a hollow cathode can be formed, and electrons emitted by the incidence of ions on the cathode surface can be confined between the cathode electrodes composed of convex portions and concave portions, thereby forming a high-density electron space.
  • High-density plasma is generated by jetting reactive gas into this high-density electron space.
  • the reaction gas can be uniformly introduced into the high-density electron space by setting the ejection direction of the reaction gas to be parallel to the bottom surface of the recess of the anode electrode.
  • the protrusion constituting the convex portion of the cathode electrode includes a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to the reaction gas ejection hole inside the protrusion.
  • the reactive gas flow path is provided in a direction substantially parallel to the first flow path provided along the axial direction of the protruding portion and the bottom surface branched from the first flow path and connected to the reactive gas ejection hole. Second channel.
  • the interval at which the protruding portions of the cathode electrode are adjacent can be determined based on the mean free path of electrons. For example, by setting the distance to about 1 to 1.5 times the mean free path of electrons, the plasma is in a hollow state. Therefore, the area efficiency can be improved in the generation of high-density plasma.
  • a numerical example of the distance between the cathode electrodes can be set within a range of 0.5 mm to 7 mm, for example.
  • the distance between the cathodes is a major factor that determines the characteristics.
  • a close-packed arrangement is used in order to make it possible to set a wide range of setting optimum conditions such as pressure, temperature, and gas type as process parameters. Do.
  • a plurality of distances can be set between the electrodes, and a wide range of process conditions can be handled.
  • the distance between the cathode electrodes in this close-packed arrangement is such that the adjacent distance between adjacent protrusions is about 1 to 1.5 times the mean free path of electrons as described above.
  • a square close-packed arrangement or a hexagonal close-packed arrangement can be used.
  • the protruding portions of the cathode electrode are arranged at the positions of the four vertices of the square and the center surrounded by the four vertices on the bottom surface of the recess.
  • the protruding portions of the cathode electrode are arranged on the bottom surface of the concave portion at the positions of the six apexes of the regular hexagon and the center position surrounded by the six apexes.
  • the protruding portion of the cathode electrode includes a protruding portion in which a reactive gas ejection hole is formed and a protruding portion in which no reactive gas ejection hole is formed, and these protruding portions are arranged in a predetermined distribution on the bottom surface of the concave portion. can do.
  • the arrangement of the protrusions can be a distribution in which the ratio of the protrusions in which the reaction gas ejection holes are formed and the protrusions in which the reaction gas ejection holes are not formed is 1: 4. Can be provided in a close-packed arrangement.
  • the shape of the protruding portion of the cathode electrode can be any shape, for example, a cylindrical shape with a circular horizontal section or a polygonal column with a horizontal cross section.
  • the protruding portion of the cathode electrode can be configured to have at least one reactive gas ejection hole, and all the protruding portions can also be configured to have the reactive gas ejection hole.
  • the cathode electrode of the present invention can be formed by forming the projecting portion with a column, forming an opening in the cathode base plate, and fitting the column constituting the projecting portion into the opening.
  • the plasma CVD apparatus of the present invention is a plasma CVD apparatus that forms a high frequency capacitively coupled plasma by applying a high frequency, and includes a vacuum chamber including a cathode electrode and an anode electrode, and an upstream of the cathode electrode in the vacuum chamber.
  • a reaction gas supply unit for supplying a reaction gas to the side, an exhaust unit for discharging the reaction gas from the vacuum chamber to the outside of the process chamber, a control unit for controlling the pressure in the vacuum chamber to a predetermined pressure, a cathode electrode and an anode electrode
  • a power supply unit that supplies electric power in between and a substrate holder that disposes the processing substrate between the cathode electrode and the anode electrode can be provided.
  • the plasma CVD apparatus allows the reaction gas supplied to the upstream side of the cathode electrode by the reaction gas supply unit to pass between the cathode electrode and the anode electrode from the reaction gas ejection hole provided in the cathode electrode. Can be spouted.
  • the plasma CVD apparatus of the present invention can produce a solar cell including any one of a silicon semiconductor thin film, a silicon nitride thin film, a silicon oxide thin film, a silicon oxynitride thin film, and a carbon thin film.
  • high-density plasma can be generated by optimizing the cathode electrode. Further, according to the present invention, the optimum range of plasma conditions can be widened by optimizing the cathode electrode, and the effective area of the electrode contributing to discharge can be widened to improve the deposition rate.
  • the cathode By optimizing the cathode electrode, the cathode can be processed easily and inexpensively, and the cathode can be easily maintained.
  • Ambient temperature is a graph showing a relationship of SiH 4, NH 3, the pressure of the gas in N 2 (Pa) a mean free (MFP) in 673 K. It is a figure for demonstrating the outline of the plasma CVD apparatus of this invention. It is a figure for demonstrating the part of the cathode electrode for demonstrating the outline of the plasma CVD apparatus of this invention. It is the top view and sectional drawing for demonstrating the cathode electrode of this invention. It is a perspective view for demonstrating the cathode electrode of this invention. It is a figure which shows the state which surrounds the cathode electrode of this invention with an outer wall part. It is a figure for demonstrating a hexagonal close-packed arrangement and a square close-packed arrangement.
  • FIG. 1 is a schematic view for explaining the positional relationship between the cathode electrode and the anode electrode of the hollow cathode electrode and power feeding.
  • the hollow cathode electrode is connected to a power source 15a between the cathode electrode 1 and the anode electrode 2 to apply a low frequency or high frequency alternating current.
  • the electrode surface of the cathode electrode 1 emits electrons by ion irradiation.
  • the hollow cathode electrode confines the emitted electrons between the cathode electrodes 1 to form a high-density electron space. By introducing the reaction gas 20 into the high density electron space, high density plasma is generated.
  • a positive column 23 is formed which emits light uniformly without any external charge.
  • the positive column 23 is in a plasma state.
  • a cathode drop 21 and a negative glow 22 are formed on both cathode electrodes 1 by making the cathode electrodes 1 face each other.
  • the electrons are confined by the cathode drop 21 generated on the side surface of the cathode electrode 1 without being incident on the surface of the cathode electrode 1 and repeatedly repelling and recoiling called the Pendulum effect on the side surface of the cathode electrode 1.
  • a high density electron space is formed.
  • FIG. 2 shows a case where the plasma hollow portion c is large
  • FIG. 3 shows a case where the plasma hollow portion c is very small.
  • the distance e between adjacent cathode electrodes 1 is about 1 to 1.5 times the mean free path of electrons
  • the space between adjacent cathode electrodes 1 is filled with plasma.
  • the mean free path of electrons is determined by the ambient temperature, pressure and gas molecule size. Therefore, in order to generate the hollow cathode discharge with the most area efficiency, the distance between the electrode surfaces of the cathode electrode serving as the hollow cathode electrode is set to about 1 to 1.5 times the mean free path of electrons, and the cathode electrode is formed at this interval.
  • An optimal arrangement can be obtained by arranging the protruding parts constituting the convex parts.
  • ⁇ g 3.11 ⁇ 10 ⁇ 24 ⁇ T4 / (P ⁇ d2) (2)
  • T (K) represents the ambient temperature
  • P (Pa) represents the pressure
  • d (m) represents the diameter of the gas molecule.
  • the mean free path ⁇ e of electrons is 1.22 mm.
  • FIG. 5 shows the pressure of nitrogen gas having an ambient temperature of 673 K and the distance between the cathode electrodes.
  • the distance between the cathode electrodes is assumed to be 1 and 1.5 times the mean free path ⁇ e of electrons.
  • the white triangle points in FIG. 5 indicate the case where the distance between the cathode electrodes is 1 times the mean free process ⁇ e, and the black triangle points indicate the case where the distance between the cathode electrodes is 1.5 times the mean free process ⁇ e. Is shown.
  • the electron mean free path ⁇ e can be obtained from FIG.
  • FIG. 6 shows the relationship between the pressure (Pa) of each gas of SiH 4 , NH 3 , and N 2 and the mean free process (MFP) when the ambient temperature is 673K.
  • a high-density electron space is formed such that the distance between the cathode electrodes is about 1 to 1.5 times the electron mean free path ⁇ e.
  • a configuration for efficiently supplying a reaction gas into a space is provided.
  • FIG. 7 and 8 are diagrams for explaining the outline of the plasma CVD apparatus of the present invention.
  • FIG. 8 mainly shows the cathode electrode portion.
  • the plasma CVD apparatus 10 is arranged with the cathode electrode 1 and the anode electrode 2 facing each other in the vacuum chamber 11, and supplies low-frequency or high-frequency AC power from a power source 15a between both electrodes.
  • a heater 17 is built in the anode electrode 2 so that heating is possible, and the substrate 100 to be processed is disposed on the substrate holder 16.
  • a matching unit 15b that matches impedance is connected between the power supply 15a and the cathode electrode 1 to reduce a loss of power supply to the cathode electrode 1 due to reflected power.
  • the inside of the vacuum chamber 11 is exhausted by an exhaust unit 13 such as a vacuum pump, and a reaction gas is introduced from a gas supply unit 12.
  • the pressure in the vacuum chamber 11 is controlled by the pressure control unit 14.
  • the pressure control unit 14 can be configured by, for example, an exhaust speed control valve 14b that controls the exhaust speed of the exhaust unit 13 and a valve control unit 14a.
  • the cathode electrode 1 is configured by attaching a plurality of protrusions 1a to the bottom surface 1g of the cathode base plate 1h so as to protrude toward the anode electrode 2 side.
  • An uneven shape is formed by the convex portion 1A formed by the portion 1a.
  • the protrusion 1a is formed with a gas flow path 1e through which a reaction gas passes, and the reaction gas is ejected into a space portion between the protrusions 1a from a reaction gas ejection hole 1d provided in a side surface portion.
  • reaction gas ejected from the reaction gas ejection hole 1d is substantially parallel to the surface of the bottom surface 1g of the cathode base plate 1h, so that the space portion sandwiched between the plurality of protrusions 1a is the reaction gas. Make sure you are fully satisfied.
  • FIG. 9 and 10 are diagrams for explaining the configuration of the cathode electrode, FIG. 9 is a plan view and a sectional view for explaining the cathode electrode, and FIG. 10 is a perspective view for explaining the cathode electrode. is there.
  • the cathode strut 1c is formed with a gas flow path 1e through which a reaction gas passes through the protruding portion 1a and the fitting portion 1b, and in the reaction gas ejection hole 1d formed on the side surface of the protruding portion 1a on the tip side of the protruding portion 1a. It is connected.
  • An opening 1f is formed on the other end side of the gas channel 1e, and the reaction gas supplied from the gas supply unit 12 is introduced into the gas channel 1e.
  • the reactive gas ejection hole 1d is opened in a direction in which reactive gas is ejected in a direction substantially parallel to the surface of the bottom surface 1g of the cathode base plate 1h.
  • the gas flow path 1e is branched and connected to each reaction gas ejection hole 1d.
  • 9 (a) and 9 (b) show the arrangement state of the protruding portion 1a.
  • the distance between the side surfaces of the adjacent protrusions 1a is the distance between the shortest distance S1 and the longest distance S2.
  • the diameter of the protruding portion 1a is D.
  • a hollow cathode discharge space is formed between the protruding portion 1a and the wall surface 1j of the outer wall portion 1i.
  • FIG. 11 shows a state in which the protrusions 1A formed by the plurality of protrusions 1a and the recesses / protrusions 1B formed by the bottom surface 1g of the cathode base plate 1h are surrounded by the outer wall 1i.
  • the diameter of the gas flow path 1e is in the range of 0.5 mm to the diameter D of the cathode support column 1c, the diameter of the reactive gas ejection hole 1d is about 0.1 mm to 1.0 mm, and the thickness T of the cathode base plate 1h. Is about 3 mm to 20 mm, the diameter D of the cathode column 1c is about 2 mm to 6 mm, and the protruding length H of the protruding portion 1a is about 3 mm to 15 mm.
  • T 5 mm and 7 mm
  • D 3 mm
  • S1 1.0 mm and 1.5 mm
  • H 5 mm and 7 mm
  • the diameter of the flow path is 1.0 mm
  • the reaction gas is assumed to be SiH 4 , the pressure is 70 Pa, and the ambient temperature is 673K.
  • the distance S1 between the protruding portions of the anode electrode can be assumed based on FIGS.
  • an average free process MFP of SiH 4 at an atmospheric temperature of 673 K and a pressure of 67 Pa is 1.06 mm
  • an average free process MFP of NH 3 is 2.10 mm.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a hexagonal close-packed arrangement and a square close-packed arrangement.
  • the hexagonal close-packed arrangement is arranged at the positions of the six vertices of the regular hexagon and the center position surrounded by the six vertices.
  • the distance between the side surfaces of the adjacent protrusions 1a is the distance between the shortest distance S1 and the longest distance S2. .
  • the distances of the shortest distance S1 and the longest distance S2 in FIGS. 12A and 12B are values corresponding to the respective array distances and do not represent the same value.
  • each of the arranged protrusions 1a is not limited to the configuration in which all the protrusions 1a (cathode struts 1c) are provided with the reaction gas ejection holes 1d, but the protrusions having the reaction gas ejection holes 1d. It is good also as a structure which mixes the part 1a (cathode support
  • FIGS. 13 to 15 are configuration examples in which all the projecting portions 1a (cathode struts 1c) are provided with reactive gas ejection holes 1d.
  • FIG. 13 shows an example of a hexagonal close-packed arrangement
  • FIGS. Shows an example of a square close-packed arrangement.
  • the protrusions 1a (cathode struts 1c) are arranged in a hexagonal close-packed manner, and all the protrusions 1a (cathode struts 1c) have reaction gas ejection holes 1d and are adjacent to each other.
  • the direction of the longest distance S2 of 1a (cathode support 1c) is the ejection direction.
  • the protrusions 1 a (cathode struts 1 c) are arranged in a square shape, and all the protrusions 1 a (cathode struts 1 c) have reaction gas ejection holes 1 d and are adjacent to each other.
  • the direction of the longest distance S2 of the column 1c) is the ejection direction.
  • the protrusions 1a (cathode struts 1c) are arranged in a square shape, and all the protrusions 1a (cathode struts 1c) have reaction gas ejection holes 1d and are adjacent to each other.
  • the direction of the longest distance S2 of the (cathode support 1c) is combined with the ejection direction and the direction of the shortest distance S1 is combined with the ejection direction.
  • FIG. 16 shows a configuration example in which the protruding portion 1a (cathode column 1c) having the reactive gas ejection hole 1d and the protruding portion 1a (cathode column 1c) not having the reactive gas ejection hole 1d are mixed in a predetermined distribution.
  • An example is shown in which the protrusion 1a (cathode strut 1c) having the reaction gas ejection hole 1d and the protrusion 1a (cathode strut 1c) not having the reaction gas ejection hole 1d have a ratio of 1: 3. Yes.
  • the gas type and pressure are mixed.
  • the reaction gas can be introduced in accordance with process conditions such as temperature and temperature.
  • the distance between the electrodes of the adjacent protrusions 1a can be varied, and the reaction gas can be uniformly ejected into the interelectrode space.
  • the shape of the protruding portion 1a (cathode support 1c) of the cathode electrode is not limited to a cylindrical shape with a circular cross-sectional shape, and may be a columnar shape with an elliptical or polygonal cross-sectional shape.
  • FIG. 17 (a) is an example of a cylindrical shape with a circular cross-sectional shape
  • FIG. 17 (b) is an example of a cylindrical shape with an elliptical cross-sectional shape
  • FIG. 17C is an example of a columnar body having a rectangular cross-sectional shape
  • FIG. 17D is an example of a columnar body having a triangular cross-sectional shape.
  • reaction gas ejection holes can be formed on the entire surface of each plane or on an arbitrary surface.
  • the projections (cathode struts) of the convex portions are arranged in the most dense manner, and the reaction gas is ejected in a direction parallel to the bottom surface of the concave portions and the substrate, thereby reducing the generation area of the uniform and high-density plasma. Can be increased.
  • the film formation rate can be improved by homogenizing the high-density plasma.
  • the present invention can be applied not only to a thin film for solar cells but also to a sputtering apparatus, a CVD apparatus, an ashing apparatus, an etching apparatus, an MBE apparatus, a vapor deposition apparatus, and the like.

Abstract

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。

Description

プラズマＣＶＤ用のカソード電極、およびプラズマＣＶＤ装置
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）。
　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。
　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。
　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。
　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。
特開２００２－２３７４５９号公報（段落００１５） 特開２００４－２９６５２６号公報（段落０００８）
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。 ホローカソード電極を複数配置した例を示す図である。 ホローカソード電極を複数配置した例を示す図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 本発明のカソード電極を説明するための斜視図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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
　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
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）
　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）
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　（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。
　（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。
　（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。
　（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。
　（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。
　（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。
　（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。
　（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。
　（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。
　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。

Claims (17)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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