JP4212215B2 - 表面処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板への各種表面処理、特に基板への成膜処理に適した表面処理装置に関し、更に詳しくは、結晶質薄膜を高品質で且つ高速に成膜することが可能な表面処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から平行平板電極に高周波電力を印加して反応ガスをプラズマ状態にし、化学的に活性なイオンやラジカルに分解させて、エッチングや成膜などの表面処理を行う表面処理装置が知られている。
【０００３】
例えば、成膜処理を行う従来の平行平板型プラズマＣＶＤ (Chemical Vapor Deposition) 装置は、ケーシング内に一対の平板状のプラズマ発生電極が平行に対向して設けられている。前記プラズマ発生電極のうち、一方の電極は基板支持台としての機能を兼ね備えており、更に、同装置は基板の温度を、気相成長に適した温度に調整するためにヒータが設けられている。前記一方の電極に基板を載置した状態で、両プラズマ発生電極間に高周波数の電源（１３. ５６ＭＨｚの電源）による電力が印加されると、これら電極間でプラズマが発生し、原料ガス、例えばモノシランガスが活性化され、前記基板表面にシリコン膜が形成される。
【０００４】
かかる従来の平行平板型のプラズマＣＶＤ装置にあっては、基板を載置する平板状の前記プラズマ発生電極の面積を大きくすることで、大面積の基板を一度の成膜処理で成膜することができるといった利点を有している。しかしながら、従来の平行平板型のプラズマＣＶＤ装置にあっては、両プラズマ発生電極によりプラズマ化された原料ガスは成膜ガス処理室内に均一に拡散され、その一部が前記電極上に載置された基板の成膜に寄与するだけである。このため原料ガスの利用効率が低く、例えばアモルファスシリコン薄膜や徴結晶シリコン薄膜を基板上に成膜しようとする場合、成膜速度が１〜２Å／sec.程度と、投入電力が大きいにもかかわらず、成膜速度は遅い。そのため太陽電池などの比較的膜厚の厚い半導体デバイスを製作するには、更に長時問を要し、低スループット、高コストの主要因となっていた。
【０００５】
そこで、成膜速度を上げるために、高周波電源による投入電力を増大させることも考えられる。しかしながら、投入電力を増大させることにより、プラズマ中の荷電粒子のもつエネルギーが大きくなる。この高エネルギーをもった荷電粒子の基板への衝突によるダメージで、同基板は膜質に劣化を来す。更には高周波電源による高周波電力の増大に伴い、気相中で微粉末が多量に発生することになり、微粉末による膜質の劣化も飛躍的に増大することとなる。
【０００６】
従って、従来の平行平板型のプラズマＣＶＤ装置にあっては、こうした高エネルギーの荷電粒子の衝突によるダメージや微粉末による膜質の劣化を避けるために、投入電力を抑えざるを得ない。即ち、実質的には投入電力の上限値が存在し、成膜速度を一定レベル以上に高めることができなかった。
【０００７】
また、平行平板型のプラズマによるエッチング装置にあっては、投入電力の増大による処理品質の劣化は成膜処理に比べれば少ないため、投入電力を増大させて処理速度をある程度は高めることができる。しかしながら、エッチング処理の品質向上や製造効率の向上、製造コストの削減などの目的から、更なる処理速度の向上が望まれているのが現状である。
【０００８】
これに対して、特開平１１−１４５４９２号公報に開示されている走行する被処理体である帯状部材への光起電力素子の形成装置は、高周波電力印加電極（カソード電極）の放電空間における表面積を、前記帯状部材を含むアノード電極全体の放電空間における表面積よりも大きくし、グロー放電生起時のカソード電極の電位を帯状部材を含む接地されたアノード電極に対して＋３０Ｖ以上の正電位を維持させている。更に、前記カソード電極には前記帯状部材の走行方向に直交して複数のしきり状電極を設置し、隣り合うしきり状電極の間にも放電を生起させている。このように、帯状部材及びアノード電極に対してカソード電極を＋３０Ｖ以上の正電位に維持すると共に、しきり状電極をもつ上述のようなカソード電極構造とすることにより、帯状部材を含むアノード電極側において材料ガスの励起、分解反応を促進している。
【０００９】
上記公報に開示された光起電力素子の形成装置は確かに、帯状部材を含むアノード電極側において材料ガスの励起、分解反応を促進することにより、成膜速度は向上すると考えられる。しかしながら、帯状部材とカソード電極との空間においてもグロー放電を発生させているため、相変わらず荷電粒子の衝突によるダメージは避けられない。
【００１０】
そこで、例えば特開昭６１−３２４１７号公報に開示されている薄膜形成装置は、基板に薄膜形成を行うための真空室内に、対向する一対のプラズマ発生電極を有する画成室からなる活性化気体発生装置が配されている。前記活性化気体発生装置の一壁部には活性化気体を真空室内へと噴出するための単一の細孔が形成されている。また、前記真空室内には前記細孔に対向する位置に基板が支持されている。
【００１１】
前記薄膜形成装置では前記一対のプラズマ発生電極に高周波電力を印加して、両電極間にグロー放電を発生させてプラズマを作る。前記活性化気体発生装置内に導入された原料ガスは、このプラズマによって分解される。このとき、真空室に配された真空ポンプと前記細孔のコンダクタンスとを調整することにより、前記真空室の真空度を前記活性化気体発生装置よりも２〜３桁低くなるようにして、活性化された原料ガスを基板に向けて前記細孔から噴出させる。
【００１２】
このように薄膜形成を行う真空室内において画成された活性化気体発生装置の内部にプラズマ発生電極を配し、同活性化気体発生装置において活性化された原料ガスを基板に向けて積極的に吹き付ける薄膜形成装置では、投入電力を増大させることなく、成膜速度を高めることができる。更には、投入電力を増大させてより強いプラズマを発生させた場合にも、プラズマ発生電極は画成された前記活性化気体発生装置内に設置されており、同電極間でのグロー放電により基板へダメージを与える虞れが全くない。そのため、投入電力を増大させて成膜速度を更に高めることが可能となる。また、成膜速度が高まるにもかかわらず、薄膜の結晶化も促進され、従来よりも速い成膜速度で高品質の薄膜を形成することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、プラズマ発生室と成膜処理室とを画成することにより成膜速度が高まってはいるが、更なる成膜速度の向上が望まれており、特に、太陽電池等の用途として微結晶薄膜の高速成膜が強く望まれている。更には、二つの室に画成しているため表面処理装置の内部構造が複雑になり、また、二つの室での差圧発生のために大型の真空ポンプが必要であるなど、その製作コストが高騰するといった問題もある。
そこで本発明はかかる要望を達成すべく、更に高速且つ高品質に表面処理が可能で、製作コストの低減が図れる表面処理装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
かかる課題を解決するために、請求項１に係る発明は、プラズマ発生手段、原料ガス導入口、及び基板支持台を備えたケーシング内に、前記プラズマ発生手段によりプラズマを発生させて原料ガスをプラズマ化し、前記基板支持台上に載置された基板表面をプラズマ処理する表面処理装置であって、前記プラズマ発生手段を備えたプラズマ発生領域と前記基板支持台を備えた基板処理領域との間に、一以上のプラズマ吹出口を有するアノード電極が前記ケーシングの内壁面から離間して介装されており、少なくとも一の前記アノード電極は一以上のホロー放電発生域を有してなることを特徴としている。
【００１５】
更に、本件請求項２に係る発明は、プラズマ発生手段、原料ガス導入口、及び基板支持台を備えたケーシング内に、前記プラズマ発生手段によりプラズマを発生させて原料ガスをプラズマ化し、前記基板支持台上に載置された基板表面をプラズマ処理する表面処理装置であって、前記プラズマ発生手段を備えたプラズマ発生領域と前記基板支持台を備えた基板処理領域との間に、一以上のプラズマ吹出口を有するアノード電極が前記ケーシングの内壁面から離間して介装されており、前記プラズマ発生領域には一以上のホロー放電発生域を有するホロープラズマ発生電極が配されてなることを特徴としている。
【００１６】
また、本件請求項３に係る発明は、プラズマ発生手段、原料ガス導入口、及び基板支持台を備えたケーシング内に、前記プラズマ発生手段によりプラズマを発生させて原料ガスをプラズマ化し、前記基板支持台上に載置された基板表面をプラズマ処理する表面処理装置であって、前記ケーシングは、前記プラズマ発生手段を備えたプラズマ発生領域と前記基板支持台を備えた基板処理領域との間に一以上のプラズマ吹出口を有するアノード電極がアノード電極が前記ケーシングの内壁面から離間して介装されており、少なくとも一の前記アノード電極は一以上のホロー放電発生域を有してなり、前記プラズマ発生領域には一以上のホロー放電発生域を有するホロープラズマ発生電極が配されてなることを特徴としている。
【００１７】
なお、本発明においてホロー放電とは、特に貫通孔や凹部、空洞部分において認められるプラズマが強く発生し、プラズマの密度が高くなる現象をいう。
プラズマ発生手段としては、カソード及びアノードからなる一対のプラズマ発生電極による放電や、三極以上の電極を有する放電、マイクロ波放電、容量結合型放電、誘導結合型放電、ヘリコン波放電、ＰＩＧ放電、電子線励起放電などの手段を採用できる。
【００１８】
請求項１及び３に係る発明において、前記プラズマ発生領域と前記基板処理領域との間に介装されたプレート部材であるアノード電極に発生するホロー放電は、ホローアノード放電となる。
【００１９】
なお、前記プラズマ発生手段としてカソード及びアノードからなる一対のプラズマ発生電極を採用する場合には、そのいずれかの電極もプレート部材として採用することができる。カソード電極にプレート部材を使用した場合には、ホロー放電発生域において発生する放電はホローカソード放電となる。
なお、本明細書においては、放電のための主たる電力を印加する側の電極をカソード電極とし、同カソード電極に対向する電極をアノード電極としている。
【００２０】
そして、特に、アノード電極に形成されているプラズマ吹出口をホロー放電の発生域とすることが、基板処理領域へと導入されるプラズマをより効果的に高密度にすることができるため、好ましい。
また、プラズマ発生手段である一対のプラズマ発生電極とは別途に、二つの領域にプレート部材を介装させ、同プレート部材にプラズマ吹出口を形成してもよい。
【００２１】
本件請求項２及び３に係る発明にあっては、前記プラズマ発生手段としてカソード及びアノードからなる一対のプラズマ発生電極を採用する場合に、前記プラズマ発生電極の少なくとも一方の電極を前記ホロープラズマ発生電極として兼用させることもできる。或いは、前記プラズマ発生電極とは別個に、第三の電極として前記ホロープラズマ発生電極を配することもできる。
【００２２】
上述したような本発明の表面処理装置は、ケーシング内のプラズマ発生領域と基板処理領域との間にプレート部材を介装させればよく、同プレート部材により二つの領域を完全に画成する必要がない。そのため、装置の構造が単純化され、装置の製作コストの低減を図ることができる。
【００２３】
更には、前記プレート部材に所要の電位を付与することができ、同プレート部材のホロー放電発生域、例えばプラズマ吹出口におけるホロー放電をより効率よく発生させることが可能になる。また、前記プレート部材に所要の電位を付与するための手段も容易に設置できる。
【００２４】
特に、前記プラズマ発生手段として一対のプラズマ発生電極を採用し、前記プレート部材をプラズマ発生電極の一極として使用する場合に、前記プレート部材を対向する電極に対して接離可能とするよう、接離手段を設けることができる。このように前記プレート部材を対向する電極に対して接離可能にすれば、例えば印加電力やその他の表面処理条件に応じて、前記プレート部材と対向する電極との距離、即ちプラズマ発生電極間の距離を適宜調製することが可能となる。それにより、プラズマ発生電極間の放電の強度を調節し、処理速度や処理品質を所望の程度に制御できる。
【００２５】
上記表面処理装置により表面処理を施すには、先ず、ガス供給管を通じてケーシング内に原料ガス及びキャリアガスを注入し、プラズマ発生手段によりプラズマ発生領域にプラズマを発生させる。ここで本発明の表面処理装置では、前記プラズマ発生領域と前記基板処理領域との間にアノード電極が介装されているが、各領域は従来の装置のように完全に仕切られるようには画成されてはいない。このように、本発明にあっては二つの領域の間にアノード電極を介装させるに過ぎず、二つの領域を完全に画成していないため、２つの領域が完全に画成されている場合に比べるとガスの利用効率は若干低下するものの、二つの領域間に介装された前記アノード電極によりガスをプラズマ発生領域に留まらせることができるため、比較的高効率にプラズマ化することが可能である。
【００２６】
前記プラズマ発生領域において発生したプラズマは、前記基板処理領域からの排気による内部ガスの流れや拡散によって、前記プラズマ吹出口から前記基板処理領域へと流れ出す。このとき、適切なガス流量やプラズマパラメータを与えることにより、前記プラズマ発生領域のプラズマが前記プラズマ吹出口から前記基板処理領域へと円滑に輸送される。また、前記プラズマ発生領域と前記基板処理領域との間にアノード電極を介装させることにより、基板に対するプラズマによるイオンダメージを低減できる。
【００２７】
なお、原料ガスは、前記プラズマ発生領域内で発生したプラズマが、基板処理領域へと吹き出して基板表面へ到るまでの間で導入することもできる。プラズマ中の活性化された原料ガスは、前記プラズマの流れにより前記処理領域内の基板表面へと到達し、同基板にエッチングや成膜等の表面処理が施される。
【００２８】
本件請求項１に係る発明にあっては、アノード電極の一以上のホロー放電発生域において、ホロー放電を発生させることが重要である。このホロー放電によって前記アノード電極のホロー放電発生域において新たにプラズマが生成されるため、基板処理領域へと導かれるプラズマの密度が高められる。
【００２９】
特に、前記アノード電極に形成されているプラズマ吹出口をホロー放電発生域とした場合には、プラズマ発生領域で発生したプラズマが、ホロー放電の発生しているプラズマ吹出口を通過する際に、衝突などによる相互作用によって前記プラズマ内の荷電粒子 (電子又はイオン）のエネルギーが低下する。電子のエネルギーが低下することにより、電子は、原料ガスから表面処理に寄与する中性活性種を生成するに十分であり、しかも基板表面に衝突して損傷させるイオンは生成することの少ない適度な強度のエネルギーとなるため、結果としてイオンを増加させることなく中性活性種の数を増やすことができる。また、プラズマ内の高エネルギーイオンの数を減少させることにより、これらのイオンによる基板損傷の影響を減少できる。
【００３０】
このように、ホロー放電により、プラズマ密度が向上して表面処理に寄与する中性活性種が増加するため、表面処理の速度が高められる。また、プラズマ内に存在する、基板に衝突してダメージを与えるイオンのエネルギーを低下させることにより、基板表面の劣化を抑制でき、高品質の表面処理を高速で行うことができる。
【００３１】
本件請求項２に係る発明にあっては、前記プラズマ発生領域内にホロープラズマ発生電極を配することが重要である。例えばプラズマ発生手段としてアノード及びカソードからなる一対のプラズマ発生電極を採用した場合には、少なくともその一方をホロープラズマ発生電極として使用することができる。すなわち、アノード電極でホローアノード放電が発生し、又はカソード電極でホローカソード電極が発生し、或いは両電極においてそれぞれホロー放電が発生させることが必要である。前記ホロー放電を発生させることにより、そのホロー放電発生域において新たにプラズマが生成されるため、基板処理領域へと導かれるプラズマの密度が大きくなり、表面処理に寄与する活性種が増加するため、表面処理の速度が更に高められる。
【００３２】
更に本件請求項３に係る発明にあっては、上述したプレート部材のホロー放電発生域でのホロー放電とホロープラズマ発生電極であるアノード電極でのホロー放電との両方を発生させている。そのため、プレート部材でのホロー放電とアノード電極でのホロー放電とのそれぞれの上述した作用効果を併せ持つこととなり、表面処理の速度及び品質がより高められる。
【００３３】
更には、プレート部材におけるホロー放電だけでなく、ホロープラズマ発生電極であるアノード電極のホロー放電が生じることにより、上述したそれぞれの放電によるの作用効果に加え、以下のような相乗的な作用効果も得られるものである。すなわち、プレート部材におけるホロー放電に加え、ホロープラズマ発生電極でのホロー放電が生じることにより、電極でのホロー放電域での電子温度が低下すると共に電子密度が高くなるため、プロセスプラズマとしての性能が向上する。更に、例えばカソード電極がホロープラズマ発生電極であり、同カソード電極でホロー放電が発生する場合は、同カソード電極での高周波電圧が減少すると共に自己バイアス電圧が上昇するため、プラズマ発生領域に生じたプラズマの有する空間電位も上昇する。その結果、プレート部材におけるホロー放電が生じやすくなり、同プレート部材において高密度なプラズマを生成することが可能となる。また、同様の理由からプラズマ発生領域では電界集中も生じやすくなり、局所的に高密度プラズマ化された不均一な放電が生成可能となる。
【００３４】
前記ホロープラズマ発生電極の電極材料としては、また、プラズマ発生手段として一対のプラズマ発生電極を使用する場合にはその電極材料として、ＳＵＳやＡｌなどの他に、Ｎｉ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｗなどを採用することができる。プラズマからのイオン衝撃による二次イオン放出係数が大きな電極材料を使用すると、プラズマがより高密度になるので、処理速度が向上する。また、特に、シリコンの成膜処理を行う表面処理装置である場合には、電極材料としてＳｉを使用すると、その電極自身が薄膜材料の供給源として機能するので、成膜速度が向上すると共にその安定性も増す。更に、Ｓｉからなる電極にボロンやリンを予めドーピングしておけば、薄膜へのドーピングを自動的に行うことが可能となり、特に極く微量のドーピングを行うときに有利である。
【００３５】
前記基板としてはガラス、有機フィルム、或いはＳＵＳ等の金属を使用することができる。さらに本発明の表面処理装置は成膜やアッシング、エッチング、イオンドーピング等の各種表面処理に使用できるが、前記基板表面にアモルファスシリコンや、更には結晶質シリコンなどのシリコン薄膜や酸化膜を成膜する際に特に好適に使用される。
【００３６】
前記プラズマ吹出口を多数設ける場合に、特に、その全ての吹出口をホロー放電発生域としてホロー放電を生じせしめれば、大面積の基板に対しても均一な薄膜を高速で成膜することができるため、好ましい。
【００３７】
前記原料ガス導入口は、前記プラズマ発生領域に開口させてもよく、或いは、前記プラズマ発生領域にはキャリアガスのみを導入し、前記原料ガス導入口は前記プラズマ吹出口の側面に開口させることもできる。更には、例えば原料ガス導入用のパイプなどの導入手段を用いて、前記原料ガス導入口を基板処理領域に開口させ、原料ガスを基板処理領域における前記プラズマ吹出口と基板との間に導入してもよい。前記原料ガス導入口を前記吹出口に開口させる場合や、基板処理領域に開口させる場合には、前記原料ガスは前記吹出口を通過するプラズマ化されたキャリアガスによりプラズマ化される。この場合には、前記プラズマ発生領域の内壁面が前記原料ガスにより汚染されることがない。
【００３８】
なお、前記プラズマ発生電極には直流電源又は高周波電源を接続して直流〜高周波電力まで印加することが可能であるが、特に、高周波電力を投入することが好ましい。更に、カソード電極及びアノード電極にそれぞれ直流又は交流の電源、或いはパルス発生電源によってバイアスを印加することもできる。
【００３９】
前記プラズマ吹出口においてホロー放電を発生させるために、本件請求項４に係る発明では、少なくとも一の前記プラズマ吹出口における最小部分の開口幅Ｗ(1) を、Ｗ(1) ≦５Ｌ(e) 又はＷ(1) ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定している。但し、Ｌ(e) は所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程であり、Ｘとは所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚みである。また、少なくとも一の前記プラズマ吹出口における最小部分の前記開口幅Ｗ(1) は、Ｘ／２０≦Ｗ(1) をも満足する範囲、更にはＸ／５≦Ｗ(1) をも満足する範囲に設定することが好ましい。
【００４０】
なお、電子とガス分子（原子を含む）との散乱における電子の平均自由行程は、ガス圧、原子・分子の散乱断面積及び温度に依存するが、前記プラズマ発生条件には、これらガス圧、原子・分子の散乱断面積、及び温度などが含まれている。
【００４１】
前記プラズマ吹出口の前記開口幅Ｗ(1) を上記範囲に設定することにより、前記プラズマ吹出口において効果的にホロー放電を発生させることができると共に、前記吹出口から効率良くプラズマを吹出させることができる。
【００４２】
なお、本発明において前記プラズマ吹出口の開口幅Ｗ(1) とは、前記プラズマ吹出口の開口形状が円形の場合には直径であり、矩形状やスリット形状の場合には短辺の長さ寸法である。すなわち、開口形状における最短寸法部分を開口幅Ｗ(1) としている。
【００４３】
前記プラズマ吹出口の形状はプラズマ発生領域のプラズマを積極的に吹出口内に引き込み、基板処理領域においてプラズマを所望の角度で拡散させて噴出することのできる形状を採用することができる。例えば、円形断面の円柱形状や、プラズマ発生領域から基板処理領域に向けて拡径する載頭円錐形状、及びその組み合わせ、更には上流側の略半部が下流側に向けて縮径し、下流側の半部が下流側に向けて拡径する形状などが挙げられる。更には上述したように断面が矩形状の角柱状であってもよく、スリット形状とすることも可能である。
【００４４】
また、基板の広い面積にわたって表面処理を施す場合には、例えば円形の前記プラズマ吹出口を所要のパターンで複数、形成することができる。或いは、一筆書きできる実質的に連続した長尺なスリット形状、具体的には渦巻き形状や蛇行形状にしてもよい。
【００４５】
本件請求項５に係る発明によれば、前記ホロープラズマ発生電極は、プラズマ発生手段により発生したプラズマとの対向面に一以上の凹部を有してなり、少なくとも一の前記凹部がホロー放電の発生域とされている。
また、本件請求項６に係る発明によれば、前記ホロープラズマ発生電極は空洞体であって、同電極はプラズマ発生手段により発生したプラズマとの対向部分に空洞内部に連通する１以上の貫通孔を有してなり、少なくとも一の前記貫通孔がホロー放電の発生域とされている。
【００４６】
このように、前記ホロープラズマ発生電極に凹部を形成したり、或いは前記ホロープラズマ発生電極を空洞体としその空洞内部に連通する貫通孔を形成し、それら凹部又は貫通孔をホロー放電の発生域とすることにより、実質的にプラズマと接触するホロープラズマ発生電極の表面積が増大する。例えばカソード電極をホロープラズマ発生電極とし、同カソード電極にカソード放電域を形成した場合には、グロー放電生成時におけるカソード電極の電位（自己バイアス）をプラスの方向へともっていくことができ、接地されているアノード電極近傍での投入電力の消費、すなわち原料ガスの励起、分解反応を促進し、表面処理の速度を向上させることができる。
【００４７】
このような自己バイアスの制御はプラズマ空間電位の制御にもつながり、イオンの基板への衝突によるダメージの大きさをも意図的に調整できる。従って、例えば成膜処理を施す場合に、その結晶性薄膜の結晶性を制御することができる。
【００４８】
前記凹部又は前記貫通孔において効果的にホロー放電を発生させるために、本件請求項７に係る発明では、前記凹部又は前記貫通孔における最小部分の開口幅Ｗ(2) を、Ｗ(2) ≦５Ｌ(e) 又はＷ(2) ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定している。但し、Ｌ(e) は所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程であり、Ｘとは所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚みである。
【００４９】
なお、前記凹部又は前記貫通孔の断面形状は円形や多角形などを採用でき、その開口形状における最短寸法部分を開口幅Ｗ(2) としている。更に、少なくとも一の前記プラズマ吹出口における最小部分の前記開口幅Ｗ(2) は、Ｘ／２０≦Ｗ(2) をも満足する範囲、更にはＸ／５≦Ｗ(2) をも満足する範囲に設定することが好ましい。
【００５０】
本件請求項８に係る発明によれば、前記ホロープラズマ発生電極は空洞体であって、同電極はプラズマ発生手段により発生したプラズマとの対向部分に空洞内部に連通する１以上の貫通孔を有してなり、空洞内部の少なくとも一部がホロー放電の発生域とされている。
このように、空洞内部の少なくとも一部においてホロー放電を発生させることで、プラズマの密度を更に高めることができるため、原料ガスの励起、分解反応が著しく促進され表面処理の速度も向上する。また、前記ホロープラズマ発生電極がカソード電極である場合には、プラズマに接触するカソード電極の表面積を増大させることにより、自己バイアスを更に正方向の電位へと制御ができるため、原料ガスの励起、分解反応が更に促進され表面処理の速度も著しく向上する。
【００５１】
また、エッチングやアッシング、イオンドーピングなど、イオンの基板への衝突により悪影響を及ぼすことのない表面処理を行う装置に関しては、前記ホロープラズマ発生電極をアノード電極により構成し、そのアノード電極の内壁面を基板支持台とし、前記アノード電極内を前記基板処理領域とすることもできる。なお、この場合には前記基板処理領域の全体がアノード電極により囲まれて、前記基板処理領域とプラズマ発生領域とが実質的に画成されることになる。
【００５２】
基板はホローアノード放電に直接曝されることになり、エッチングやアッシング、イオンドーピングなどの処理速度が向上する。但し、アノード電極の内部をプラズマ発生領域とは画成された基板処理領域とするかかる表面処理装置では、イオンの基板への衝突ダメージが大きいため、成膜処理にはどちらかといえば不適である。
【００５３】
更に空洞体からなる前記ホロープラズマ発生電極は、その表面積を増やすために空洞内部の高さ方向に延びる１以上の隔壁を配することが好ましい。すなわち、前記ホロープラズマ発生電極の空洞内部が前記隔壁により複数に画成されることが好ましい。この場合には、それぞれの画成された領域ごとに少なくとも１の前記貫通孔を形成する必要がある。
【００５４】
前記ホロープラズマ発生電極の空洞内部においてホロー放電を効率よく発生させるために、本件請求項９に係る発明によれば、前記ホロープラズマ発生電極の前記貫通孔の形成方向に沿った空洞内部の少なくとも一部における対面距離Ｈが、Ｈ≦５Ｌ(e) 又はＨ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定される。但し、Ｌ(e) は所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程であり、Ｘとは所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚みである。空洞体である前記ホロープラズマ発生電極の前記貫通孔の形成方向に沿った空洞内部の対面距離Ｈは、Ｘ／２０≦Ｈをも満足する範囲、更にはＸ／５≦Ｈをも満足する範囲に設定することが好ましい。
【００５５】
また、本件請求項１０に係る発明によれば、前記プラズマ吹出口の近傍、及び／又は凹部、貫通孔の近傍、及び／又は前記空洞内部に磁場が形成されている。ここで「近傍」とは前記プラズマ吹出口、凹部、貫通孔の内部や、同吹出口、凹部、貫通孔の開口周縁或いはその近傍を含む。また、前記磁石はその磁場の磁力線が前記プラズマ吹出口、凹部、貫通孔の軸線方向と平行に、また、前記空洞内部では電極面と平行になるように配することが好ましい。
【００５６】
磁場の強さは前記プラズマ吹出口、凹部、貫通孔の中心部、又は空洞内部で１〜２０００ｍＴとすることが好ましく、更には５〜５００ｍＴとすることが好ましい。また、プラズマ吹出口及び／又は凹部、貫通孔の内壁面及びその近傍、又は空洞内壁部の近傍では磁場の強さを２〜２０００ｍＴとすることが好ましく、更には５〜１０００ｍＴとすることが好ましい。
【００５７】
このように磁場を配することにより、電子の軌道を調整して、ホロー放電が生じている前記プラズマ吹出口内及びその近傍や、ホローカソード放電又はホローアノード放電が生じている前記凹部又は貫通孔の内部及びその近傍、或いは空洞内部に電子を長時間留まらせることができ、表面処理に寄与する活性種の生成が促進される。そのため、表面処理速度が更に向上する。なお、この磁場により電子のエネルギーには何ら変化はないため、電子エネルギーが大きくなって悪影響を及ぼすイオンを生成することもなく、高品質な表面処理を維持できる。
【００５８】
更に、本件請求項１１に係る発明によれば、前記基板に所望の電位を印加するための電位印加手段を備えている。この電位印加手段とは、例えば、前記基板が載置されている前記基板支持台に対して所望の電位を印加することにより、前記基板にも同電位を印加することができる。また、同電位印加手段は、必要に応じて、前記基板に到達するプロセスプラズマの電位Ｖｓや基板の電位をモニターする手段を含む。前記プロセスプラズマの電位Ｖｓは、同プラズマの大部分が接触している電極の電位により決まる。従って、例えばプラズマ発生電極等の高周波電圧と自己バイアスとをモニターすることにより、前記プロセスプラズマの電位Ｖｓをモニターすることができる。
【００５９】
例えば基板に成膜処理を施す場合には、プラズマからのイオンダメージを抑制するため、同基板を前記プロセスプラズマの電位Ｖｓとの差電圧を小さくすることが望ましく、前記プラズマの電位Ｖｓと概ね同一の電位を印加することがより好ましい。成膜処理の場合の基板への印加電位は、前記プロセスプラズマの電位Ｖｓに対して１／２〜１倍の範囲であることが好ましい。また、例えばエッチング処理を施す場合には、前記プラズマの電位Ｖｓよりも小さい電位、特にマイナスの電圧を印加することにより、異方性を向上させることができる。
【００６０】
このように、基板に所望の電位を印加して、前記基板とプラズマとの差電圧を意図的に制御することにより、成膜処理の場合には処理速度を落とすことなくプラズマのダメージを低減されるなどの膜質の制御が可能となり、また、エッチング処理の場合には、異方性をなどのエッチング形状を制御できる。
【００６１】
また、前記プラズマ吹出口及び／又は凹部、貫通孔の少なくとも片側の開口縁にノズル体を突設させることが好ましい。同ノズル体はその中心線を前記プラズマ吹出口及び／又は凹部、貫通孔の軸線方向と一致させてもよく、或いは同ノズル体の中心線を前記プラズマ吹出口及び／又は凹部、貫通孔の同軸線方向に対して角度をもって配設してもよい。また、前記ノズル体の形状も、断面形状が一定の筒体や、断面寸法を漸減又は漸増させる筒体であってもよい。更には、チューブ状のノズル体をらせん状に配してもよい。
【００６２】
前記プラズマ吹出口及び／又は凹部、貫通孔に前記ノズル体を突設させることにより、前記プラズマ吹出口の形成されている部材や、前記ホロープラズマ発生電極の厚み寸法を不必要に厚くすることがなく、前記プラズマ吹出口及び／又は凹部、貫通孔の長さ寸法を自由に設定でき、その長さを大きくすればそれらプラズマ吹出口及び／又は凹部、貫通孔でのホロー放電の発生域が広がるため、プラズマ密度も高まり表面処理速度も向上する。
【００６３】
更に、前記ノズル体のノズル長が不定長であることが好ましい。すなわち、プラズマ吹出口及び／又は凹部、或いはプラズマ吹出口及び／又は貫通孔において、その全てのノズル体が均一の長さとする必要はなく、適宜、変化させることができる。このようにノズル体の長さを変化させることにより、基板へ到達するプラズマの強度を、その基板の全表面において均一化することができる。
【００６４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面及び好適な実施例を参照して具体的に説明する。
図１は本発明の第１実施例である表面処理装置１の概略図である。同装置１では外気と遮断するケーシング２が接地されている。同ケーシング２の内部は、プラズマ発生領域３と基板処理領域４との２つの領域が上下に形成されており、それら領域の間には電極材料からなる水平のアノード電極６が介装されている。
【００６５】
前記プラズマ発生領域３には、ケーシング２の絶縁体により形成されている上壁２ａに、電極部材５が、前記アノード電極６に平行に取り付けられている。前記電極部材５は高周波電源Ｐに接続されており、同電極部材５と対向して平行に配された前記アノード電極６は接地されている。前記電極部材５に電力を印加することにより、前記電極部材５とアノード電極６との間に放電が生じ、プラズマが発生する。すなわち、前記電極部材５がプラズマ発生電極を構成するカソード電極である。
【００６６】
本発明では、上述したように前記アノード電極６をケーシング２の内壁面には密着させずに離間させて、適宜手段、例えばケーシング２の床面からの支持部材などによって、ケーシング２内に設置している。そのため、前記アノード電極６の設置が容易であり、装置の製作コストを低減させることができる。また、本実施例では同アノード電極６を接地しているが、同アノード電極６はケーシング２とは独立して接地されているため、同アノード電極６に所望のバイアスを印加することも可能である。更には、アノード電極６の位置を上下に移動させてカソード電極５との距離を変更可能にすることもできる。前記アノード電極６とカソード電極５との距離を変更することにより、例えば印加電力等の処理条件に応じて両者間の放電強度を調整でき、処理速度や処理品質が制御可能になる。
【００６７】
前記プラズマ発生領域３と基板処理領域４との間に介装された前記アノード電極６の中心には円形の通孔７が形成されており、同通孔７は本発明のプラズマ吹出口７を構成する。
【００６８】
本実施例においては、前記プラズマ吹出口７の断面形状を円形としているが、他にも例えば矩形状としたり、或いはプラズマ発生領域３から基板処理領域４に向けて拡径する載頭円錐形状や、載頭角錐形状、更には上流側の略半部が下流側に向けて縮径し、下流側の半部が下流側に向けて拡径する形状などとすることも可能である。また、前記プラズマ吹出口７をスリット形状とすることも可能である。
【００６９】
前記プラズマ吹出口７の開口幅Ｗ、すなわち直径Ｗは、Ｗ≦５Ｌ(e) 又はＷ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定している。但し、Ｌ(e) は所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程であり、Ｘとは所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚みである。かかる範囲に設定することにより、前記プラズマ吹出口７をホローアノード放電の発生域とすることができる。前記開口幅ＷをＸ／２０≦Ｗの範囲に設定することが好ましく、更には、前記開口幅ＷをＸ／５≦Ｗの範囲に設定することが好ましい。
【００７０】
また、前記プラズマ吹出口７の長さ方向（厚さ方向）の寸法Ｔは概ねＸ／５０を下限とする。上限は装置寸法上の制約、すなわち前記アノード電極６の厚み、によって決定される。このプラズマ吹出口７の長さＴは、上述したガス圧及び直径の場合には０．１ｍｍ〜１００ｍｍが好ましい。なお、ホロー放電を効率良く発生させる観点からは、前記プラズマ吹出口７の長さＴは大きいほうが有利であり、より強いプラズマを発生させることができる。そのため、前記プラズマ吹出口７の開口縁部にノズル体を取り付けて、前記プラズマ吹出口７の実質的な長さＴを大きくさせることもできる。
【００７１】
本実施例にあっては、前記ケーシング２の上壁２ａ及びカソード電極５を貫通してガス供給口８が形成されており、このガス供給口８からプラズマ発生領域３内に、成膜処理の場合には例えばモノシラン等の原料ガスと、プラズマの発生を促進すると共にプラズマを安定化し、且つ原料ガスを基板Ｓまで搬送するためのキャリアガスとの混合ガスを導入している。なお、このガス供給口８は円筒状に限定されるものではなく、矩形筒状であってもよい。
【００７２】
更に、同ガス供給口８の形成位置も上述の位置に限定されるものではなく、任意の位置に形成することが可能である。例えば図２に示すように、前記凹部５ａの底部に開口する位置に形成してもよく、或いは前記アノード電極６の周壁部に開口する位置に形成することもできる。また、前記ガス供給口８を複数形成することもできる。
【００７３】
なお、前記ガス供給口８からはプラズマ発生領域３へキャリアガスのみを導入して、原料ガスは別途、異なる導入口を設けて前記プラズマ発生領域３、成膜処理領域４、或いは前記プラズマ吹出口７の途中へと導入することもできる。
【００７４】
前記基板処理領域４内には前記プラズマ吹出口７に対向する位置に基板支持台９が配されている。本実施例においては前記基板支持台９は接地されているため、同支持台９上に載置された基板Ｓも同様に接地されることとなる。なお、前記基板支持台９、すなわち基板Ｓを接地せずに直流的又は交流的にバイアス印加することも、パルス的にバイアス印加することも可能である。或いは、前記基板支持台９に対して基板Ｓを電気的に絶縁することも可能である。また、前記基板支持台９にはヒータが内蔵されており、前記基板支持台９の上面に載置された基板Ｓの温度を、気相成長に適した温度に調整する。
【００７５】
上記表面処理装置１により成膜処理を施す場合に、前記カソード電極５に高周波電源Ｐにより高周波電力を投入すると、前記電極５，６間で放電が起こり、前記プラズマ発生領域３内にプラズマが発生する。そのプラズマにより、同プラズマ発生領域３に導入された原料ガス及びキャリアガスが活性化され、成膜に寄与する活性種が生成される。このとき、前記基板処理領域４からの排気に伴う内部ガスの流れと、さらに拡散とによって、同プラズマ発生領域３内のプラズマは、前記プラズマ吹出口７から前記基板処理領域４内へと流れ出る。このプラズマの流れにより前記処理領域４内の基板Ｓ表面がプラズマ処理され、同基板４の表面に薄膜が形成される。
【００７６】
このとき、本発明にあっては、前記プラズマ吹出口７の開口幅Ｗを上述の範囲内に設定することにより、前記プラズマ吹出口７にはホローアノード放電が発生する。このホローアノード放電によって前記プラズマ吹出口７には新たにプラズマが生成されるため、基板処理領域４へと導かれるプラズマの密度が高められる。更には、プラズマ発生領域３で発生したプラズマが、ホローアノード放電の発生域であるプラズマ吹出口７を通過する際に、前記プラズマ内の電子のエネルギーが、活性種を生成するに十分で、イオンを生成するには不充分な強度まで適度に低減されるため、基板処理領域４へと導かれるプラズマは成膜に寄与する活性種が更に増大し、密度の大きなプラズマとなり、成膜速度が著しく向上する。更には、ホローアノード放電の発生しているプラズマ吹出口７を通過する際に、前記プラズマ内のイオンエネルギーも低下するため、基板処理領域４へと導かれたプラズマには、基板に衝突してダメージを与えるイオンが少なく、高品質な成膜が可能となる。
【００７７】
なお、上述したように本実施例では前記基板支持台９、即ち基板Ｓが接地されているが、同基板Ｓを接地せずに所望の電位を印加することも可能である。成膜処理にあたって、同基板Ｓに到達するプロセスプラズマの電位Ｖｓに対して１／２〜１倍の電位を前記基板Ｓに印加し、同基板と前記プロセスプラズマとの差電圧を小さくすることにより、プラズマからのイオンダメージを減少させて高品質の薄膜を成膜することが可能となる。
【００７８】
このとき、前記プロセスプラズマの電位Ｖｓは、同プラズマの大部分が接触している電極の電位により決まる。従って、例えばカソード電極等の高周波電圧と自己バイアスとをモニターすることにより、前記プロセスプラズマの電位Ｖｓをモニターすることができる。
【００７９】
更に、本実施例では、円形断面の単一のプラズマ吹出口７が形成されているが、基板Ｓの広い面積にわたって表面処理を施す場合には、前記プラズマ吹出口７を例えば図１７〜図２０に示すような配置で複数形成することもできる。図１７（ａ）に示す正６角形を基本とする配置や、図１７（ｂ）に示す４角形を基本とする配置、図１７（ｃ）に示す３角形を基本とする配置などが好ましい。更には、図１８（ａ）〜（ｃ）に示すように、これらの配置において中心部分にはプラズマ吹出口を形成しない配置が更に好ましい。また、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）に示す放射状や、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）に示す中心部分を除く配置とすることも好ましい。
【００８０】
更には、一筆書きできる実質的に一続きのスリット形状、例えば図２１に示すような渦巻き状や蛇行状などの形状とすれば、大面積にわたって均一な処理が可能となる。なお、複数孔にする場合も、スリット状にする場合も、それらの孔径やスリット幅Ｗは本発明の範囲内に設定することが好ましい。但し、複数の孔を一定の孔径とする必要はなく、またスリット幅もその長さ方向で一定である必要はない。均一にホローアノード放電を発生させるためには、各種条件に応じて前記孔径やスリット幅はアノード電極の中心部分から外縁部分へとその寸法を漸減又は漸増させることが望ましい。
【００８１】
また、上記実施例では前記アノード電極６を接地しているが、前記電極５，６にそれぞれ直流又は交流の電源又はパルス電源によってバイアスを印加することもできる。このとき、本発明は前記アノード電極６をケーシング２の内壁面に密着しておらず、例えば床面からの支持部材などによってケーシングから独立して設置されているため、同アノード電極６へのバイアスの印加が容易である。
【００８２】
なお、本実施例にあっては前記基板処理領域４から内部ガスを排気しているため前記表面処理装置内ではプラズマ発生領域３から基板処理領域４への内部ガスの流れが形成されているが、これに限定されるものではない。前記プラズマ発生領域に内部ガスの排気口を設けて、内部ガスの流れを逆にすることもできる。但し、この場合には前記プラズマ発生領域３から前記基板処理領域４へのプラズマの輸送が拡散によってのみなされ、内部ガスの流れによるプラズマの輸送は期待できないため、表面処理速度が若干、低下するものの、従来よりも高速な処理は確保される。また、ガスの導入はケーシングの任意の位置にて可能である。特には、基板処理領域４からガスを導入する場合に拡散の効果を得やすい。
【００８３】
更に、上述した装置を用いて、アッシングやエッチング、イオンドーピング等の他の表面処理を行う場合にも、従来よりも低温で且つ高速に表面処理を行うことが可能である。なお、例えばエッチング処理を施す場合には、前記基板Ｓに対して前記プロセスプラズマの電位Ｖｓよりも小さい電位、特にマイナスの電圧を印加することにより、異方性を向上させることができる。
【００８４】
以下、本発明の他の実施例について図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施例と同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００８５】
図２は本発明の第２実施例による表面処理装置２０の概略図である。同実施例では、カソード電極が異なる以外は実施例１と同一の構成を備えている。
本第２実施例ではカソード電極１０が本発明のホロープラズマ発生電極を構成している。即ち、前記カソード電極１０の前記アノード電極６との対向面に、断面が円形をなす複数の凹部１０ａが形成されている。この凹部１０ａの開口幅Ｗ、すなわち直径Ｗは、Ｗ≦５Ｌ(e) 又はＷ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定している。但し、Ｌ(e) は所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程であり、Ｘとは所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚みである。
【００８６】
前記開口幅ＷをＸ／２０≦Ｗの範囲に設定することが好ましく、更には、前記開口幅ＷをＸ／５≦Ｗの範囲に設定することが好ましい。前記プラズマ発生条件のうちガス圧が１０〜１４００Ｐａの範囲内にあるときは、前記凹部１０ａの直径は０．１〜１００ｍｍの範囲に設定され、より好ましくは１〜２０ｍｍである。前記凹部１０ａの直径をかかる範囲に設定することにより、前記凹部１０ａをホローカソード放電の発生域とすることができる。
【００８７】
前記複数の凹部１０ａは図１７〜図２０に示すような配置で形成することが好ましい。図１７（ａ）に示す正６角形を基本とする配置や、図１７（ｂ）に示す４角形を基本とする配置、図１７（ｃ）に示す３角形を基本とする配置などが好ましい。更には、図１８（ａ）〜（ｃ）に示すように、これらの配置において中心部分、即ち、プラズマ吹出口７の直上位置には凹部１０ａを形成しない配置が更に好ましい。また、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）に示す放射状や、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）に示す中心部分を除く配置とすることも好ましい。
【００８８】
また、前記凹部１０ａの深さＤは概ねＸ／５０を下限とする。上限は装置寸法上の制約、すなわち前記カソード電極１０の厚みによって決定される。この凹部１０ａの深さＤは、上述したガス圧及び直径の場合には０．１ｍｍ〜１００ｍｍが好ましい。なお、ホロー放電を効率良く発生させる観点からは、前記凹部１０ａの深さＤは大きいほうが有利であり、より強いプラズマを発生させることができる。そのため、前記凹部５ａの開口縁部にノズル体を取り付けて、前記凹部１０ａの実質的な深さＤを大きくさせることもできる。
【００８９】
なお、本実施例にあっては前記凹部１０ａは円形断面であるが、他にも多角形状としてもよい。断面積も一定でなくてもよく、軸線方向に断面積を変化させ、例えば底面が開口よりも大きく、或いは小さい凹部であってもよい。更には、前記凹部１０ａを矩形状や図２１に示すような渦巻き形状や蛇行形状などの溝構造とすることもできる。このような矩形状や渦巻き形状等の溝構造とする場合には、その凹部１０ａの開口幅Ｗとは溝幅（溝壁間の寸法）であり、この溝幅を上述の範囲内で設定する。なお、この溝幅は一定でなくてもよく、カソード電極１０の中心から外縁へ向けてその溝幅を漸減又は漸増させることもできる。また、前記凹部１０ａの内壁面に部分的な凹凸を形成してもよい。複数の前記凹部１０ａは、互いに同一寸法及び同一形態とする必要は無く、異なる寸法及び形態をもつ凹部１０ａを複数形成してもよい。
【００９０】
このとき、前記カソード電極１０には複数の凹部１０ａが形成されており、しかも同凹部１０ａの開口幅Ｗが上述の範囲内に設定されているため、印加する高周波電力に応じて通常のグロー放電からホローカソード放電を含む放電に移行する。同凹部１０ａにおいてホローカソード放電が発生し、同凹部１０ａにおいて新たなプラズマが発生する。そのため、前記プラズマ発生領域３内において発生するプラズマは密度の大きなプラズマとなり、成膜処理に寄与する活性種が増加するため、表面処理の速度が高められる。また、前記カソード電極１０に凹部１０ａを形成することにより、実質的にプラズマと接触するカソード電極１０の表面積が増大する。それにより、放電生成時における自己バイアスをよりプラスの方向へともっていくことができ、接地されているアノード電極６近傍での原料ガスの励起、分解反応を促進し、表面処理の速度を向上させることができる。
【００９１】
更には、プラズマ吹出口７におけるホローアノード放電に加え、ホローカソード放電が生じることにより、両電極１０，６間でのプラズマの電子温度が低下すると共に電子密度が高くなるため、プロセスプラズマとしての性能が向上する。更に、ホローカソード放電によりカソード電極１０での高周波電圧が減少すると共に自己バイアス電圧が上昇するため、両電極１０，６間に生じたプラズマの有する空間電位も上昇する。その結果、プラズマ吹出口７におけるホローアノード放電が生じやすくなり、同プラズマ吹出口７において高密度なプラズマを生成することができるといった相乗効果が得られる。また、同様の理由からプラズマ発生領域３内では電界集中も生じやすくなり、局所的に高密度プラズマ化された不均一な放電が生成可能となる。
【００９２】
図３は、本発明の第３実施例による表面処理装置２１の概略図である。同装置２１は、カソード電極１０に形成された凹部１０ａの内壁面及びプラズマ吹出口７の内壁面に磁石１１が配されている点で上述した第１実施例と異なるが、その他の構成は上記第１実施例の表面処理装置１と同一である。なお、前記磁石１１は、前記凹部１０ａや前記プラズマ吹出口７に磁場を付与するように配されていればよい。したがって、前記磁石１１は同図３に示すように前記内壁面内に埋設する他にも、例えば、前記カソード電極１０内の前記凹部１０ａの上方に埋設したり、或いは前記カソード電極１０の外部に配することもでき、さらにはこれらの配置の組み合わせであってもよい。なお、これらの磁石１１の配置にあたっては、前記磁石１１がプラズマに直接晒されることがないように磁石１１を取り付けることが好ましい。
【００９３】
前記磁石１１の磁場は、磁力線の方向が上記凹部１０ａ及びプラズマ吹出口７の各軸線方向と平行になるように印加されていることが好ましい。同磁石の強度は前記凹部１１０ａ及びプラズマ吹出口７のそれぞれの軸中心において１〜２０００ｍＴ、内壁面及びその近傍では２〜２０００ｍＴとし、より好ましくは軸中心で５〜５００ｍＴ、内壁面及びその近傍で５〜１０００ｍＴである。
【００９４】
このように凹部１０ａ及びプラズマ吹出口７に磁場を形成することにより、そこに発生しているプラズマ内の電子の軌道を前記磁場により調整し、前記凹部１０ａ及びプラズマ吹出口７の内部に電子を長く留まらせることができる。この電子の軌道調整により、電子のエネルギー（電子温度）を高めることなく、原料ガスへの電子の作用時間を長くできるため、活性種の生成が促進され、成膜速度が向上する。
【００９５】
また、磁石１１を配して磁場を形成することにより、凹部１０ａの開口幅Ｗや深さＤ又はプラズマ吹出口７の開口幅Ｗの寸法の許容範囲が、磁石１１を配していない場合に比べて概ね３０％程度広がる。
【００９６】
なお、本実施例では全ての凹部１０ａ及びプラズマ吹出口７に磁石１１を配しているが、それら全てに磁石１１を配するのではなく、選択されたいずれかにのみ磁石１１を配することもできる。更には電磁石等の手段により磁場を形成することも可能である。また、磁石の極性を含めた磁場の配置と同磁場の強度とは、プラズマ密度を高めるよう任意に設定される。
【００９７】
図４は、本発明の第４実施例による表面処理装置２２の概略図である。この表面処理装置２２も、ケーシング２内のプラズマ発生領域３と基板処理領域４との２つの領域の間にアノード電極６′が介装されている。前記アノード電極６′はプラズマ発生電極のアノード電極であり、同アノード電極６′の中心には円形のプラズマ吹出口７′が形成されている。
【００９８】
前記カソード電極１０は前記アノード電極６′との対向面に、断面が円形をなす複数の凹部１０ａが形成されており、この凹部１０ａの開口幅Ｗは、Ｗ≦５Ｌ(e) 又はＷ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定されている。更に好ましくは、前記開口幅ＷはＸ／５≦Ｗの範囲に設定される。前記凹部１０ａの直径をかかる範囲に設定することにより、前記凹部１０ａにおいてホローカソード放電が発生する。
【００９９】
本実施例の以上の構成は上述した第２実施例と同様であるが、前記アノード電極６′に形成されているプラズマ吹出口７′の開口幅Ｗが大きくため、又は長さ（厚み）Ｔが小さいため、同プラズマ吹出口７′においてホロー放電が発生していない点で上述した第１実施例の表面処理装置１とは異なるものである。
【０１００】
本実施例では、プラズマ吹出口７′においてホロー放電が発生しないため、上述した第１実施例よりは表面処理の速度及び品質が若干劣るものの、カソード電極１０の凹部１０ａにおいてホローカソード放電が生じているため、従来の表面処理装置と比較すれば、その処理速度及び処理品質は向上している。
【０１０１】
図５は本発明の第５実施例による表面処理装置２３の概略図である。同装置２３は、本発明のホロープラズマ発生電極であるカソード電極１２が中空円柱状の空洞体である点で上述した第２実施例と異なるが、その他の構成は上記第２実施例の表面処理装置１と同一である。
【０１０２】
空洞体である前記カソード電極１２は、アノード電極６との対向部分、すなわち前記カソード電極１２の下壁部１２ａに、空洞内部に連通する円形断面をもつ複数の貫通孔１２ｂが形成されている。この貫通孔１２ｂは図１７〜図２０に示すような配置で形成することが好ましい。なお、この貫通孔１２ｂは前記アノード電極６に形成されたプラズマ吹出口７の直上位置を避けた位置、即ち図１８又は図２０に示す配置で形成することがより望ましい。
【０１０３】
この貫通孔１２ｂをホローカソード放電の発生域とし得るよう、その開口幅Ｗ、すなわち直径ＷをＷ≦５Ｌ(e) 又はＷ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定している。但し、Ｌ(e) は所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程であり、Ｘは所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚みである。なお、前記開口幅ＷはＸ／２０≦Ｗの範囲に設定されることが好ましく、更には、Ｘ／５≦Ｗの範囲に設定されることがより好ましい。
【０１０４】
また、複数の前記貫通孔１２ｂは開口幅Ｗが全て同一でなくてもよく、複数の前記貫通孔１２ｂにおいて均一にホローカソード放電を発生させるために、適宜、異なる開口幅Ｗに設定することができる。特に、印加電力の周波数に応じて、或いは、その他の条件によって、中心付近の貫通孔１２ｂは開口幅Ｗを小さくし外縁方向にその開口幅Ｗを漸増させ、或いは、中心付近で開口幅Ｗを大きくし外縁方向にその開口幅Ｗを漸減させることが好ましい。
【０１０５】
前記プラズマ発生条件のうちガス圧が１０〜１４００Ｐａの範囲内にあるときは、前記貫通孔１２ｂの直径は０．１〜１００ｍｍの範囲に設定され、より好ましくは１〜２０ｍｍである。前記貫通孔１２ｂの直径をかかる範囲に設定することにより、前記貫通孔１２ｂにホローカソード放電が発生する。
【０１０６】
また、前記貫通孔１２ｂの長さＴ、すなわち本実施例の場合には前記下壁部１２ａの厚みＴは概ねＸ／５０を下限とする。上限は装置寸法上の制約によって決定される。この貫通孔１２ｂの長さＴは上述したガス圧及び直径の場合には、０．３〜７０ｍｍが好ましい。
【０１０７】
なお、本実施例にあっては前記貫通孔１２ｂは円形断面であるが、他にも楕円形、矩形、多角形、不定形状など任意の形状とすることができる。断面積も一定でなくてもよく、軸線方向に断面積を変化させてもよい。更には、前記貫通孔１２ｂを断面が矩形状のスリット構造としたり、或いは図２１に示すような渦巻き形状、蛇行状などの一次元的広がりをもつスリット構造とすることもできる。このようなスリット構造とする場合には、その貫通孔１２ｂの開口幅Ｗとはスリット幅であり、このスリット幅を上述の範囲内で設定する。なお、このスリット幅は一定でなくてもよく、中心から外縁へ向けて漸増又は漸減させることもできる。また、前記貫通孔１２ｂの内壁面に部分的な凹凸を形成してもよい。複数の前記貫通孔１２ｂは、互いに同一寸法及び同一形態とする必要は無く、異なる寸法及び形態をもつ貫通孔１２ｂを複数形成してもよい。
【０１０８】
更に、本実施例にあっては、前記カソード電極１２の空洞内部をホローカソード放電の発生域とし得るよう、前記カソード電極１２の前記貫通孔１２ｂの形成方向に沿った空洞内部の対面距離、即ち図面では上下の高さＨを、Ｈ≦５Ｌ(e) 又はＨ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定している。但し、Ｌ(e) は所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程であり、Ｘは所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚みである。前記空洞内部の高さＨは、Ｘ／２０≦Ｈの範囲に設定することが好ましく、更には、Ｘ／５≦Ｈの範囲に設定することが好ましい。前記プラズマ発生条件のうちガス圧が上述したように１０〜１４００Ｐａの範囲内にあり、且つ貫通孔１１ｂの寸法が上述の範囲に有る場合には、空洞内部の高さＨは０．１〜１００ｍｍに設定することが好ましく、更には空洞内部の高さＨは１〜２０ｍｍに設定することがより好ましい。
【０１０９】
なお、図示例では前記空洞内部の高さＨを一定にしているが、前記高さＨは一定でなくてもよく、空洞内部の少なくとも一部において、前記高さＨを上述した範囲内に設定すればよい。ホローカソード放電を空洞内部の略全域にわたって均一に発生させるために、印加電力の周波数に応じて、或いは、その他の条件によって、中心付近での空洞内部の高さＨを小さくし外縁方向にその高さＨを漸増させ、或いは、中心付近で高さＨを大きくし外縁方向にその高さＨを漸減させることが好ましい。
【０１１０】
また、図示例では前記カソード電極１２は壁部が略均一な厚みをもち、全体が中空になっている空洞体であるが、周壁部を厚くし、中心部分のみを中空状にしたり、或いは局部的な中空部分を形成することもできる。また、その中空部分に凹部を形成することもできる。
【０１１１】
前記カソード電極１２の上壁部１２ｃの中心に円筒状のガス供給口１２ｄを形成し、このガス供給口１２ｄから前記カソード電極１１の空洞内部に、モノシラン等の原料ガスと、プラズマの発生を促進すると共にプラズマを安定化し、且つ原料ガスを基板Ｓまで搬送するためのキャリアガスとの混合ガスを導入している。なお、このガス供給口１２ｄは円筒状に限定されるものではなく、矩形筒状であってもよい。更に、同ガス供給口１２ｄの形成位置も前記上壁部１２ｃの中心に限定されるものではなく、任意の位置に、任意の個数、形成することが可能である。
【０１１２】
かかるガス供給口１２ｄから前記カソード電極１２の内部に導入された混合ガスは、前記貫通孔１２ｂから前記プラズマ発生領域３内にシャワー状に導入される。このように、混合ガスを一旦、前記カソード電極１２の内部に貯留したのち、前記貫通孔１２ｂからシャワー状に前記プラズマ発生領域３内に導入することにより、前記混合ガスを均一の濃度及び圧力で前記プラズマ発生領域３内に導入することができる。
【０１１３】
なお、前記カソード電極１２の空洞内部にはキャリアガスのみを導入して、原料ガスは別途、異なる導入口を設けて前記プラズマ発生領域３の内部、成膜処理領域４の内部、或いはプラズマ吹出口７の途中へと導入することもできる。
【０１１４】
前記カソード電極１２に高周波電源Ｐにより高周波電力を投入すると、前記電極１２，６間で放電が起こり、前記プラズマ発生領域３内にプラズマが発生する。印加する高周波電力に応じて通常のグロー放電からホローカソード放電を含む放電に移行する。このとき、前記カソード電極１２は、前記貫通孔１２ｂにホローカソード放電が発生し、同貫通孔１２ｂにおいて新たなプラズマが発生すると共に、同カソード電極１２の空洞内部においてもホローカソード放電が発生して新たなプラズマが発生している。そのため、前記プラズマ発生領域３内において発生するプラズマは密度の大きなプラズマとなり、成膜処理に寄与する活性種が増加するため、表面処理の速度が高められる。
【０１１５】
また、前記カソード電極１２は空洞体であり、貫通孔１２ｂを形成して同貫通孔１２ｂと空洞内部とにプラズマを発生させているため、実質的にプラズマと接触するカソード電極１２の表面積が、上述した第２実施例の場合よりも更に増大する。それにより、放電生成時における自己バイアスをよりプラスの側へともっていくことができ、接地されているアノード電極６近傍での原料ガスの励起、分解反応を促進し、表面処理の速度をより向上させることができる。
【０１１６】
更に、空洞体であるカソード電極１２の空洞内部や前記貫通孔１２ｂに磁場を形成するよう、適宜の個所に磁石を配することもできる。なおその際には、磁石の磁場は、磁力線の方向が上記貫通孔１２ｂの軸線方向と平行になるように、また前記空洞内部では電極面と平行になるように、印加されることが望ましい。同磁石の強度は前記貫通孔及び空洞内部の中心において１〜２０００ｍＴ、貫通孔及び空洞内部の内壁面及びその近傍で２〜２０００ｍＴとし、より好ましくは中心で５〜５００ｍＴ、内壁面及びその近傍で５〜１０００ｍＴとする。
【０１１７】
このように貫通孔１２ｂや空洞内部に磁場を形成することにより、そこに発生しているプラズマ内の電子の軌道を前記磁場により調整し、前記貫通孔１２ｂ及び空洞内部に電子を長く留まらせることができる。この電子の軌道調整により、電子のエネルギー（電子温度）を高めることなく、原料ガスへの電子の作用時間を長くできるため、活性種の生成が促進され、成膜速度が向上する。
【０１１８】
なお、磁場は全ての貫通孔１２ｂに形成する必要は無く、選択されたいずれかにのみ磁場を形成することもできる。また、電磁石等の手段により磁場を形成することも可能である。
【０１１９】
更に、カソード電極１２における貫通孔１２ｂ又はその空洞内部でのホローカソード放電により生じるプラズマ密度を大きくするために、前記貫通孔１２ｂにおいてホローカソード放電を効率良く発生させる観点からは、前記貫通孔１２ｂの長さＴは大きいほうが有利であり、より強いプラズマを発生させることができる。しかしながら、前記カソード電極１２の下壁部１２ａの厚みは、材料コストの観点からも空洞内部に導入されるガス圧及び印加電力に耐え得る最小の厚みにすることが望ましい。
【０１２０】
そのため、前記貫通孔１２ｂの長さＴを長くするためには、同貫通孔１２ｂの周縁にノズル体を取り付けることが望ましい。なお、このノズル体は前記貫通孔１２ｂからプラズマ発生領域３側へ突設してもよく、或いは空洞内部へ突設することもできる。更には両側へ突設してもよい。また、同ノズル体を磁石により構成することもできる。但し、磁石が直接プラズマに晒されることのないようにすることが好ましい。
【０１２１】
なお、ノズル体はその中心線を貫通孔１２ｂの線と一致させて配してもよく、前記ノズル体の中心線を前記貫通孔１２ｂの軸線に対して角度をもって配する、即ち、ノズル体を斜めに配することもできる。また、ノズル体は断面積が一定の筒体や、断面積を漸増又は漸減させる形状をもつ筒体、更にはチューブ状のノズル体をらせん状に配することもできる。かかるノズル体の変形については、上述したプラズマ吹出口７や凹部１０ａに取り付けられるノズル体にも適用が可能である。
【０１２２】
更に、プラズマが接触するカソード電極１２の表面積を増大させるために、同カソード電極１２の空洞内部をその高さ方向に延在する隔壁により仕切ることもできる。このように表面積を自在に調節することができるため、同カソード電極１２の自己バイアスを自由に制御できる。なお、前記隔壁はカソード電極１２の上下の壁部と密着していなくてもよく、隙間が形成され仕切られた各空間が連通していてもよい。
【０１２３】
仕切られた各空間にはそれぞれにガス供給口を設けることが望ましい。或いは、前記アノード電極の周壁部に開口する位置にガス供給口を形成することもでき、また、それら複数のガス供給口を組み合わせて複数形成することもできる。前記カソード電極１２の前記ガス供給口からはキャリアガスのみを導入して、原料ガスは前記アノード電極のガス供給口、或いは別途、異なる導入口を設けて前記プラズマ発生領域３の内部、成膜処理領域４の内部、或いは前記プラズマ吹出口７の途中へと導入することもできる。
【０１２４】
カソード電極１２が空洞体である上述した第５実施例では、図５に示すようにカソード電極１２の空洞内部のほぼ全域においてホローカソード放電が発生している。しかしながら、前記カソード電極１２の空洞内部の高さ寸法や、貫通孔１２ｄの形状、数、及び配置、更には磁石の配置などによって、前記空洞内部の全域にわたってホロー放電が発生しない場合もあり、前記空洞内部の一部にのみホローカソード放電が発生し、或いは前記空洞内部において不均一にホローカソード放電が発生することもある。一般的傾向として、ホロー放電を起こしている貫通孔近傍の中空部分では、空洞内部でも他よりも明るいホロー放電が発生している。いずれの貫通孔１２ｂにおいてもホロー放電が発生せず、空洞内部の少なくとも一部においてのみホロー放電が生じていても処理速度、品質ともに向上する効果がある。
【０１２５】
図６は、第６実施例による表面処理装置２４の概略図である。同装置２４は、カソード電極１２′の空洞内部にホローカソード放電が発生しないように、同空洞内部の内壁面を絶縁体により構成している点で上述した第５実施例と異なるが、その他の構成は上記第５実施例の表面処理装置２３と同一である。
【０１２６】
ただし、前記カソード電極１２′の下壁部１２ａ内面において一部電極を露出させてもよく、その場合には前記プラズマ発生領域３において発生したプラズマが貫通孔１２ｂを通って空洞内部へと侵入し、その露出した電極面を這うことができる。それにより、プラズマが実質的に接触し得るカソード電極１２′の表面積を増大させることができ、自己バイアスの増大を図ることができる。
【０１２７】
また、前記カソード電極１２′の空洞内部にホローカソード放電を発生させないためには、上述のように内壁面を絶縁体で構成することの他にも、同空洞内部の高さＨを高くする方法が挙げられるが、この高さＨは、ＲＦパワーやガス圧によっても変化するため、内壁面を絶縁体で構成する方法がより確実である。
【０１２８】
このようにプラズマの発生場所を制御できると共に、カソード電極１２′のプラズマと接触する表面積をも調節でき、自己バイアスをも制御できるため、用途に応じた強さのプラズマを発生させることができる。
【０１２９】
なお、上述した空洞体であるカソード電極１２の変形例として、例えば図７（ａ）に示す空洞体であるカソード電極１５のように、空洞内部に連通する複数の貫通孔１５ｂを有する下壁部１５ａと、上壁部１５ｃとの間を、一以上の貫通孔１５ｄを有する一以上の仕切り壁１５ｅにより上下に複数段に仕切ることができる。また、このとき、図７（ｂ）に示す空洞体であるカソード電極１５′のように、下壁部１５ａに形成された複数の貫通孔１３ｂと、仕切り壁１５ｅに形成された複数の貫通孔１５ｄとが、上下方向に互いに重ならないようにそれぞれの貫通孔１５ｂ，１５ｄを形成することが好ましい。
【０１３０】
また、各貫通孔１５ｂ，１５ｄの数を下壁部１５ａと仕切り壁１５ｅとの間で異ならせてもよい。また、各貫通孔１５ｂ，１５ｄの開口寸法も下壁部１５ａと仕切り壁１５ｅとで異ならせてもよく、更には、下壁部１５ａの複数の貫通孔１５ｂや、仕切り壁１５ｅの複数の貫通孔１５ｄにおいても、全て均一の開口寸法とする必要はなく、開口寸法を中心部分から外縁方向に漸減又は漸増させるように変化させることもできる。
【０１３１】
上述した空洞体であるカソード電極１２の更に他の変形例として、図７（ｃ）に示す空洞体からなるカソード電極１６のように、複数の中空電極部材１６ａを連結口１６ｂにより上下に複数段に連結することもできる。なお、図示された空間の任意の点がホロー放電プラズマの発生域となり得る。
【０１３２】
なお、上述したいずれの実施例も表面処理装置の上方にプラズマ発生領域３を、その下方に基板処理領域４を設けているが、これら実施例とは逆に、下方にプラズマ発生領域を配して、その上方に基板処理領域を設け、プラズマを下方から上方へと流出させるタイプの装置とすることも可能である。更には、表面処理装置のケーシング内に左右にプラズマ発生領域と基板処理領域とを水平に配し、プラズマを横方向に流出させるタイプの装置とすることも可能である。いずれの場合にあっても、基板はプラズマ吹出口に対向させてプラズマの流出方向に直交して配することができ、或いは、基板をプラズマの流出方向と平行に配することも可能である。また、プラズマ発生手段も一対のプラズマ発生電極に限定されるものではなく、例えば三極以上の電極を有する放電、マイクロ波放電や容量結合型放電、誘導結合型放電、ＰＩＧ放電、電子線励起放電によるプラズマ発生手段なども採用できる。
【０１３３】
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、ホローカソード放電が発生するカソード電極１０，１２のアノード電極側及び／又はその反対側の近傍に、他の電極１３を配することもできる。他の電極１３はカソード電極１０に形成された凹部１０ａ又は空洞体であるカソード電極１２に形成された貫通孔１２ｂの開口幅Ｗよりも小さな開口幅をもつ小孔１３ａが多数形成されている。或いは、前記他の電極１３はメッシュ状であってもよい。なお、ホローカソード放電が発生する貫通孔を有するカソード電極の場合であっても、同様に、前記貫通孔の開口幅Ｗよりも小さな小孔が多数形成された他の電極を配することもできる。
【０１３４】
他の電極１３はフローティング状態を含む任意の電圧にバイアスされており、特に好ましくは、接地されているアノード電極６の電圧とプラズマが有する空間電位の最大値との間の電圧値に設定され、或いは、ホローカソード放電が発生しているカソード電極１０の電圧とプラズマの有する空間電位の最大値との間の電圧値に設定されている。
【０１３５】
更に、前記他の電極１３に形成されている小孔１３ａを図８に示すように、カソード電極１０，１２の凹部１０ａ又は貫通孔１２ｂに対応する位置に形成すれば、電子が更にホローカソード放電域に閉じ込められて、いっそう大電流の放電である超高密度ホローカソード放電が可能になる。
【０１３６】
或いは、図９（ａ）及び９（ｂ）に示すように、カソード電極１０″に形成された凹部１０ａ″や、カソード電極１２″に形成された貫通孔１２ｂ″において、開口部分の面積が前記凹部１０ａ″や貫通孔１２ｂ″の他の部分の断面積よりも十分小さく形成することにより、電子をホローカソード放電域である前記凹部１０ａ″や前記貫通孔１２ｂ″内または中空部に効率よくに閉じ込めることができる。なお、同図では前記凹部１０ａ″や貫通孔１２ｂ″はその上半部が円柱状で下半部が半球状であるが、円錐状や角錐状、更には紡錘形状としてもよい。
【０１３７】
図１０は本発明の第７実施例である表面処理装置２５の概略図である。同装置２５は、カソード電極５と対向して平行に配されたアノード電極として機能するプレート部材１４が空洞体である点で上述した第１実施例と異なるが、その他の構成は上記第１実施例の表面処理装置１と略同一である。
【０１３８】
前記アノード電極１４はその中心に、上壁部１４ａと下壁部１４ｂとを一直線上に貫通する単一のプラズマ吹出口７が形成されている。更に、本実施例にあっては、前記アノード電極１４の空洞内部をホローアノード放電の発生域とし得るよう、前記空洞内部の前記プラズマ吹出口７の形成方向に沿った対面距離、即ち図では上下壁部１４ａ，１４ｂ間の高さＨを、Ｈ≦５Ｌ(e) 又はＨ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定している。但し、Ｌ(e) は所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程であり、Ｘは所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚みである。前記空洞内部の高さＨは、Ｘ／２０≦Ｈの範囲に設定することが好ましく、更には、Ｘ／５≦Ｈの範囲に設定することが好ましい。
【０１３９】
本実施例においては、プラズマ吹出口７におけるホローアノード放電に加え、更に、アノード電極１４の空洞内部においてホローアノード放電が発生し、前記アノード電極１４の空洞内部においても新たなプラズマが発生している。そのため、基板Ｓへと到達するプロセスプラズマの密度が更に高まり、成膜処理に寄与する活性種が増加するため、表面処理速度が向上すると共に、その処理品質も更に向上する。もちろん、いずれか一方においてのみ、ホロー放電を発生する場合であっても、従来よりも処理速度、品質ともに向上する。
【０１４０】
なお、図示例では前記アノード電極１４の空洞内部の高さＨを一定にしているが、前記高さＨは一定でなくてもよい。ホローアノード放電を空洞内部の略全域にわたって均一に発生させるために、印加電力の周波数に応じて、或いは、その他の条件によって、中心付近での空洞内部の高さＨを小さくし外縁方向にその高さＨを漸増させ、或いは、中心付近で高さＨを大きくし外縁方向にその高さＨを漸減させることが好ましい。
【０１４１】
或いは、前記アノード電極１４は空洞内部全体においてホローアノード放電を発生させる必要は無く、少なくとも一部においてホローアノード放電を発生させることができれば、表面処理の品質及び処理速度の向上が認められる。
【０１４２】
図１１は上述した空洞体であるアノード電極１４の変形例である。上述したアノード電極１４は中心に単一のプラズマ吹出口７を貫通して形成していたが、図１１に示すアノード電極１４′のように、上壁部１４ａと下壁部１４ｂとにそれぞれ空洞内部に連通する、プラズマ吹出口としての複数の貫通孔１４ｃを形成することも可能である。なおこの場合、上壁部１４ａの貫通孔１４ｃと下壁部１４ｂの貫通孔１４ｃとは上下に一直線上に並ばないように互いにずらして形成することが好ましい。更に、貫通孔１４ｃを図１７〜図２０の配列で形成することが好ましい。
【０１４３】
また、複数の前記貫通孔１４ｃは開口幅Ｗが全て同一でなくてもよく、複数の前記貫通孔１４ｃにおいて均一にホローアノード放電を発生させるために、適宜、異なる開口幅Ｗに設定することができる。特に、印加電力の周波数に応じて、或いは、その他の条件によって、中心付近の貫通孔１４ｃは開口幅Ｗを小さくし外縁方向にその開口幅Ｗを漸増させ、或いは、中心付近で開口幅Ｗを大きくし外縁方向にその開口幅Ｗを漸減させることが好ましい。
【０１４４】
また、前記貫通孔１４ｃの長さＴ、すなわち本実施例の場合には前記下壁部１４ａの厚みＴは概ねＸ／５０を下限とする。上限は装置寸法上の制約によって決定される。この貫通孔１４ｃの長さＴは上述したガス圧及び直径の場合には、０．１〜７０ｍｍが好ましい。
【０１４５】
なお、本実施例にあっては前記貫通孔１４ｃは円形断面であるが、他にも楕円形、矩形、多角形、不定形状など任意の形状とすることができる。断面積も一定でなくてもよく、軸線方向に断面積を変化させてもよい。更には、前記貫通孔１４ｃを断面が矩形状のスリット構造としたり、或いは図２１に示すような渦巻き形状、蛇行状などの一次元的広がりをもつスリット構造とすることもできる。このようなスリット構造とする場合には、その貫通孔１４ｃの開口幅Ｗとはスリット幅であり、このスリット幅を上述の範囲内で設定する。また、前記貫通孔１４ｃの内壁面に部分的な凹凸を形成してもよい。複数の前記貫通孔１４ｃは、互いに同一寸法及び同一形態とする必要は無く、異なる寸法及び形態をもつ貫通孔１４ｃを複数形成してもよい。
【０１４６】
前記アノード電極１４′には、前記貫通孔１４ｃの内壁面や空洞内部に開口するガス供給口８′を形成することができる。例えば成膜処理の場合には、前記プラズマ発生領域３へはキャリアガスのみを導入し、前記アノード電極１４′のガス供給口８′からはモノシラン等の原料ガスを導入することにより、同原料ガスの不要な空間での分解を防止し、原料ガスを効率よく成膜処理に寄与させることができる。なお、複数の貫通孔１４ｃの全てにガス供給口８′を設けることもでき、或いは一部の貫通孔１４ｃにのみガス供給口８′を設けることもできる。更に、空洞内部の内壁面には複数のガス供給口８′を開口させることもできる。
【０１４７】
更に、アノード電極１４′における空洞内部及び貫通孔１４ｃでのホローアノード放電により生じるプラズマ密度を大きくする変形例を、図１２及び図１３に示す。
先ず、前記貫通孔１４ｃにおいてホローアノード放電を効率良く発生させる観点からは、前記貫通孔１４ｃの長さＴは大きいほうが有利であり、より強いプラズマを発生させることができる。しかしながら、前記アノード電極の上下壁部１４ａ，１４ｂの厚みは、材料コストの観点からも空洞内部に導入されるガス圧及び印加電力に耐え得る最小の厚みにすることが望ましい。
【０１４８】
そのため、前記貫通孔１４ｃの長さＴを長くするためには、下壁部１４ｂの貫通孔１４ｃの周縁にノズル体１７を取り付けることが望ましい。なお、このノズル体１７は前記貫通孔１４ｃから基板処理領域４側へ突設してもよく、或いは空洞体１４ａの内部へ突設することもできる。更には両側へ突設してもよい。また、同ノズル体１７を図１２に示すように磁石１１によって構成することもできる。このとき、磁石１１は直接プラズマに晒されないように配することが好ましい。
【０１４９】
なお、図１２に示すノズル体１７はいずれも、その中心線を貫通孔１４ｃの線と一致させて配しているが、前記ノズル体１７の中心線を前記貫通孔１４ｃの軸線に対して角度をもって配する、即ち、ノズル体１７を斜めに配することもできる。また、図１２に示すノズル体１７は断面積が一定の筒体であるが、かかる形状に限定されるものではなく、その断面積を漸増又は漸減させる形状をもつ筒体であってもよい。更にはチューブ状のノズル体をらせん状に配することもできる。
【０１５０】
更に、プラズマが接触するアノード電極１４′の表面積を増大させるために、前記アノード電極１４′の空洞内部に、上下方向に延びる隔壁や水平方向に延びる隔壁を設けて、内部を複数室に分割することもできる。なお、内部の分割された各室に形成されている貫通孔１４ｃは全て同一であってもよく、或いは異ならせることもできる。また、上下方向に延びる前記隔壁は、前記上下壁部１４ａ，１４ｂとの間に隙間が形成され、各室が連通していてもよい。
【０１５１】
また、前記アノード電極１４′には、図１３に示すように、プラズマ吹出口である前記貫通孔１４ｃや空洞内部に磁場を付与するように磁石１１を各貫通孔１４ｃの内周面、前記上下壁部１４ａ，１４ｂ、或いは周壁部に埋設したり、それらの近傍に配することができる。前記磁石１１は、その磁力線の方向が貫通孔１４ｃの軸線方向と平行になるように磁場が印加されるよう、或いは磁力線の方向が前記上下壁部１４ａ，１４ｂと平行になるように磁場が印加されるよう、配されていることが好ましい。
【０１５２】
このように貫通孔１４ｃや空洞内部に磁場を形成することにより、そこに発生しているプラズマ内の電子の軌道を前記磁場により調整し、前記貫通孔１４ｃや空洞内部に電子を長く留まらせることができる。この電子の軌道調整により、電子のエネルギー（電子温度）を高めることなく、原料ガスへの電子の作用時間を長くできるため、活性種の生成が促進され、成膜速度が向上する。この図１２及び図１３に示す構造は、図２〜図９に示すカソード電極１０，１０′，１０″，１２，１２′，１２″，１５，１５′，１６において適用しても同様の効果が得られる。
【０１５３】
なお、上述したアノード電極であるプレート部材１４が空洞体である本第７実施例の表面処理装置２５において、カソード電極５を上述した第２〜第６実施例に示すようなホローカソード放電域を有するカソード電極１０，１２に変更することも勿論、可能である。その場合には、それぞれ上述した各実施例での作用効果を兼ね備えており、ホローアノード放電やホローカソード放電によって、プロセスプラズマの密度が高まり、各種処理速度が著しく向上する。
【０１５４】
図１４は本発明の第８実施例である表面処理装置２６の概略図である。同表面処理装置４０は、空洞体からなり、アノード電極でもあるプレート部材１８の内部が基板処理領域４′を構成している。
空洞体からなるアノード電極１８は上壁部１８ａの中心に貫通孔１８ｂが形成されており、この貫通孔１８ｂがプラズマ吹出口を構成している。また、同アノード電極１８の下壁部１８ｃの内面中央部分が基板支持台を構成すると共に、同下壁部１８ｃの周縁部分には複数の排気口１８ｄが形成されている。また、同下壁部１８ｃの中央部分には基板の加熱手段を内装させることもできる。なお、アノード電極１８内の基板の支持位置や排気口１８ｄの形成位置は上述のものに限定されるものではなく、任意の位置を選択できる。
【０１５５】
本実施例にあっては、前記アノード電極１８の貫通孔１８ｂをホローアノード放電の発生域とし得るよう、前記貫通孔１８ｂの開口幅Ｗを、Ｗ≦５Ｌ(e) 又はＷ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定している。更に前記開口幅Ｗは、Ｘ／２０≦Ｗの範囲に設定することが好ましく、Ｘ／５≦Ｗの範囲に設定することがより好ましい。また、本施例にあっては、前記アノード電極１８の空洞内部をもホローアノード放電の発生域とし得るよう、前記空洞内部の高さＨを、Ｈ≦５Ｌ(e) 又はＨ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定している。前記空洞内部の高さＨも、Ｘ／２０≦Ｈの範囲に設定することが好ましく、更には、Ｘ／５≦Ｈの範囲に設定することが好ましい。
【０１５６】
但し、Ｌ(e) は所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程であり、Ｘは所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚みである。
【０１５７】
同基板処理装置２６では、基板処理領域４′をアノード電極１８の空洞内部に形成し、このアノード電極１８の空洞内部にはホローアノード放電を発生させているため、基板Ｓの処理に寄与するプラズマの密度が極めて高まり、処理速度も著しく向上する。但し、この基板処理装置２６では、プラズマによる基板Ｓへのイオンダメージが大きいため成膜処理にはどちらかといえば不適であり、同装置２６はエッチング、アッシング又はイオンドーピングの処理により適している。
【０１５８】
図１５及び図１６は基板処理領域４′を構成する空洞体からなるプレート部材（アノード電極）の変形例である。図１５に示すアノード電極１８′は上壁部１８ａにプラズマ吹出口を構成する複数の貫通孔１８ｂが形成されている点で上述のアノード電極１８とは異なる。なお、前記貫通孔１８ｂは図１７〜図２０に示すような配置で形成することが好ましい。
【０１５９】
この複数の貫通孔１８ｂは、本実施例にあっては円形断面であるが、他にも楕円形、矩形、多角形、不定形状など任意の形状とすることができる。断面積も一定でなくてもよく、軸線方向に断面積を変化させてもよい。更には、前記貫通孔１８ｂを断面が矩形状のスリット構造としたり、或いは図２１に示すような渦巻き形状、蛇行状などの一次元的広がりをもつスリット構造とすることもできる。このようなスリット構造とする場合には、その貫通孔１８ｂの開口幅Ｗとはスリット幅であり、このスリット幅を上述の範囲内で設定する。また、前記貫通孔１８ｂの内壁面に部分的な凹凸を形成してもよい。複数の前記貫通孔１８ｂは、互いに同一寸法及び同一形態とする必要は無く、異なる寸法及び形態をもつ貫通孔１８ｄを複数形成してもよい。
【０１６０】
また、図１６に示すアノード電極１８″は、プラズマ吹出口である前記貫通孔１８ｂや排気口１８ｄ、空洞内部に磁場を付与するように磁石１１を各貫通孔１８ｂや排気口１８ｄの内周面、前記空洞内部の上下壁部１８ａ，１８ｃ、或いは周壁部に埋設したり、それらの近傍に配することができる。前記磁石１１は、その磁力線の方向が貫通孔１８ｂや排気口１８ｄの軸線方向と平行になるように磁場が印加されるよう、或いは磁力線の方向が前記上下壁部１８ａ，１８ｄと平行になるように磁場が印加されるよう、配されていることが好ましい。なお、同図１６は磁石の配置の多様な具体例を一図に示しているものであり、磁石の配置は一部のみであってもよい。
【０１６１】
このようにプラズマ吹出口である貫通孔１８ｂや空洞内部に磁場を形成することにより、そこに発生しているプラズマ内の電子の軌道を前記磁場により調整し、前記貫通孔１８ｂや空洞内部に電子を長く留まらせることができる。この電子の軌道調整により、電子のエネルギー（電子温度）を高めることなく、原料ガスへの電子の作用時間を長くできるため、活性種の生成が促進され、成膜速度が向上する。電極１８においても仕切り板や図１２に示すノズル体などの上述した構成を取り得る。
【０１６２】
以上説明した本発明の各種実施例及び変形例では、プラズマ発生電極には高周波電源Ｐにより高周波電力を投入しているが、直流電源により直流電圧を印加することもできる。或いは、それぞれ直流や交流の電源又はパルス電源によってバイアスを印加してもよい。
また、表面処理領域４に配された基板Ｓとプラズマ吹出口７との間にメッシュ状の電極を設置してトライオード型に構成し、また様々なバイアスを印加することも可能である。更には、ノズル体或いは貫通孔部にのみ直流、交流又はパルス電源によりバイアスを印加してもよい。この場合には、ノズル体或いは貫通孔部のみが電極の他の部分に対して電気的に絶縁される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である表面処理装置の概略図である。
【図２】本発明の第２実施例である表面処理装置の概略図である。
【図３】本発明の第３実施例である表面処理装置の概略図である。
【図４】本発明の第４実施例である表面処理装置の概略図である。
【図５】本発明の第５実施例である表面処理装置の概略図である。
【図６】本発明の第６実施例である表面処理装置の概略図である。
【図７】空洞状のカソード電極の他の態様を示す概略図である。
【図８】本発明の他の実施例による表面処理装置におけるカソード電極部分の概略図である。
【図９】本発明の更に他の実施例による表面処理装置におけるカソード電極部分の概略図である。
【図１０】本発明の第７実施例である表面処理装置の概略図である。
【図１１】上記第７実施例におけるアノード電極の変形例を示す概略図である。
【図１２】上記第７実施例におけるアノード電極の他の変形例を示す概略図である。
【図１３】上記第７実施例におけるアノード電極の更に他の変形例を示す概略図である。
【図１４】本発明の第８実施例である表面処理装置の概略図である。
【図１５】上記第８実施例におけるアノード電極の変形例を示す概略図である。
【図１６】上記第８実施例におけるアノード電極の他の変形例を示す概略図である。
【図１７】多数の貫通孔又は凹部の配置例を示す図である。
【図１８】多数の貫通孔又は凹部の他の配置例を示す図である。
【図１９】多数の貫通孔又は凹部の更に他の配置例を示す図である。
【図２０】多数の貫通孔又は凹部の更に他の配置例を示す図である。
【図２１】渦巻き状の貫通孔又は凹部の説明図である。
【符号の説明】
１，20〜26 表面処理装置
２ ケーシング
２ａ 上壁
３ プラズマ発生領域
４ 基板処理領域
５ カソード電極
６ プレート部材（アノード電極）
７ プラズマ吹出口
８ ガス供給口
９ 基板支持台
１０ カソード電極
１０ａ 凹部
１１ 磁石
１２ カソード電極
１２ａ 下壁部
１２ｂ 貫通孔
１２ｃ 上壁部
１２ｄ ガス供給口
１３ 他の電極
１３ａ 小孔
１４ アノード電極
１４ａ 上壁部
１４ｂ 下壁部
１４ｃ 貫通孔
１５ カソード電極
１５ａ 下壁部
１５ｂ 貫通孔
１５ｃ 上壁部
１５ｄ 貫通孔
１５ｅ 仕切り壁
１６ カソード電極
１６ａ 中空電極部材
１６ｂ 連結口
１７ ノズル体
１８ アノード電極
１８ａ 上壁部
１８ｂ 貫通孔
１８ｃ 下壁部
１８ｄ 排気口
Ｓ 基板
Ｐ 高周波電源

Claims (11)

1. プラズマ発生手段、原料ガス導入口、及び基板支持台を備えたケーシング内に、前記プラズマ発生手段によりプラズマを発生させて原料ガスをプラズマ化し、前記基板支持台上に載置された基板表面をプラズマ処理する表面処理装置であって、
   前記プラズマ発生手段を備えたプラズマ発生領域と前記基板支持台を備えた基板処理領域との間に、一以上のプラズマ吹出口を有するアノード電極が前記ケーシングの内壁面から離間して介装されており、
   少なくとも一の前記アノード電極は一以上のホロー放電発生域を有してなる
   ことを特徴とする表面処理装置。
2. プラズマ発生手段、原料ガス導入口、及び基板支持台を備えたケーシング内に、前記プラズマ発生手段によりプラズマを発生させて原料ガスをプラズマ化し、前記基板支持台上に載置された基板表面をプラズマ処理する表面処理装置であって、
   前記プラズマ発生手段を備えたプラズマ発生領域と前記基板支持台を備えた基板処理領域との間に、一以上のプラズマ吹出口を有するアノード電極が前記ケーシングの内壁面から離間して介装されており、
   前記プラズマ発生領域には一以上のホロー放電発生域を有するホロープラズマ発生電極が配されてなる
   ことを特徴とする表面処理装置。
3. プラズマ発生手段、原料ガス導入口、及び基板支持台を備えたケーシング内に、前記プラズマ発生手段によりプラズマを発生させて原料ガスをプラズマ化し、前記基板支持台上に載置された基板表面をプラズマ処理する表面処理装置であって、
   前記ケーシングは、前記プラズマ発生手段を備えたプラズマ発生領域と前記基板支持台を備えた基板処理領域との間に一以上のプラズマ吹出口を有するアノード電極が前記ケーシングの内壁面から離間して介装されており、
   少なくとも一の前記アノード電極は一以上のホロー放電発生域を有してなり、
   前記プラズマ発生領域には一以上のホロー放電発生域を有するホロープラズマ発生電極が配されてなる
   ことを特徴とする表面処理装置。
4. 少なくとも一の前記プラズマ吹出口における最小部分の開口幅Ｗ(1) は、Ｗ(1) ≦５Ｌ(e) 又はＷ(1) ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の表面処理装置。
   但し、Ｌ(e) ：所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程
   Ｘ ：所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚み
5. 前記ホロープラズマ発生電極は、プラズマ発生手段により発生したプラズマとの対向面に一以上の凹部を有してなり、少なくとも一の前記凹部が前記ホロー放電発生域とされてなる請求項２又は３記載の表面処理装置。
6. 前記ホロープラズマ発生電極は空洞体であって、同電極はプラズマ発生手段により発生したプラズマとの対向部分に空洞内部に連通する１以上の貫通孔を有してなり、少なくとも一の前記貫通孔が前記ホロー放電発生域とされてなる請求項２又は３記載の表面処理装置。
7. 前記凹部又は前記貫通孔における最小部分の開口幅Ｗ(2) は、Ｗ(2) ≦５Ｌ(e) 又はＷ(2) ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定されてなる請求項５又は６記載の表面処理装置。
   但し、Ｌ(e) ：所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程
   Ｘ ：所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚み
8. 前記ホロープラズマ発生電極は空洞体であって、同電極はプラズマ発生手段により発生したプラズマとの対向部分に空洞内部に連通する１以上の貫通孔を有してなり、空洞内部の少なくとも一部がホロー放電の発生域とされてなる請求項２、３又は６記載の表面処理装置。
9. 前記ホロープラズマ発生電極の前記貫通孔の形成方向に沿った空洞内部の少なくとも一部における対面距離Ｈは、Ｈ≦５Ｌ(e) 又はＨ≦２０Ｘのいずれかを満足する範囲に設定されてなる請求項８記載の表面処理装置。
   但し、Ｌ(e) ：所望のプラズマ発生条件下において、原料ガス種及びそこから分解発生する電気的に中性の原子、分子種（活性種）のうち最も直径の小さな原子又は分子種（活性種）に対する電子の平均自由行程
   Ｘ ：所望のプラズマ発生条件下において発生するシース層の厚み
10. 前記プラズマ吹出口の近傍、及び／又は凹部、貫通孔の近傍、及び／又は前記空洞内部に磁場が形成されてなる請求項１〜９のいずれかに記載の表面処理装置。
11. 前記基板に所望の電位を印加するための電位印加手段を備えてなる請求項 1〜１０のいずれかに記載の表面処理装置。

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