プラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置
【課題】プラズマＣＶＤ及びプラズマエッチングの分野において、生産コストの低減に必要な、高速で基板サイズの大面積化が可能なプラズマ表面処理方法およびプラズマ表面処理装置を提供する。
【解決手段】導波管を備えた空洞共振器１と、高周波電源２０と、インピーダンス整合器３２と、３端子サーキュレータ５０と、該３端子サーキュレータ５０に接続された無反射終端器５２及び反射波検知器５４とから成るプラズマ表面処理装置で、インピーダンスの整合を取るに際し、供給電力のアンテナ２からの反射波が最小に、かつ、該空洞共振器内部に放射される電力が最大になるように調整可能としたことを特徴とする。リッジ６１を有する導波管を用いることも特徴とする。
【解決手段】導波管を備えた空洞共振器１と、高周波電源２０と、インピーダンス整合器３２と、３端子サーキュレータ５０と、該３端子サーキュレータ５０に接続された無反射終端器５２及び反射波検知器５４とから成るプラズマ表面処理装置で、インピーダンスの整合を取るに際し、供給電力のアンテナ２からの反射波が最小に、かつ、該空洞共振器内部に放射される電力が最大になるように調整可能としたことを特徴とする。リッジ６１を有する導波管を用いることも特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを利用して基板の表面に所定の処理を施すプラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置に関する。特に、薄膜太陽電池、薄膜トランジスタ、電子写真用感光体及び半導体デバイ等に用いられる薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置、並びに各種電子デバイスの微細加工に用いられるプラズマエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜太陽電池の発電膜であるアモルファスＳｉ膜及び微結晶Ｓｉ膜、並びに液晶デイスプレイの等薄膜トランジスタ等の絶縁性薄膜（窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等）の形成へのプラズマＣＶＤ装置の応用では、製造する製品の生産コストの低減のために、製膜の高速化、高品質化及び基板サイズの大面積化（１ｍｘ１ｍを超える面積）に関するニーズが強くなっている。
また、多結晶シリコン太陽電池の反射膜及びパッシベーション膜等に用いられる窒化シリコン膜及び酸化シリコン膜等の形成へのプラズマＣＶＤ装置の応用においても、同様のニーズがある。
プラズマエッチング装置についても、エッチング微細加工精度の向上及び基板サイズの大面積化が求められている。
このようなニーズに対応可能なプラズマ表面処理装置には、例えば、平行平板電極を用いた容量結合型高周波プラズマ表面処理装置、アンテナを用いた誘導結合型高周波プラズマ表面処理装置及び導波管（空洞共振器）を用いたマイクロ波プラズマ表面処理装置があり、それぞれに実用化されている。
【０００３】
表面処理の高速化を図るには、一般にプラズマ密度を高くすることが最も効果的である（プラズマ密度はプラズマ生成に用いる電源周波数に比例して増大する）ことから、プラズマ励起周波数をＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）あるいはＵＨＦ帯域(３００ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚ）にしたプラズマ表面処理装置が開発されている。
微結晶シリコンの製膜への応用においては、プラズマ励起周波数の増大に加えて、プラズマ生成の際の圧力を高くすることが高品質で高速の膜形成により一層、効果的であることが知られている（非特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、プラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置の応用において、従来技術には、いろいろな課題が依然として残されている。
ＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）のプラズマ表面処理装置では、例えば、薄膜太陽電池の発電膜であるアモルファスＳｉ膜及び微結晶Ｓｉ膜、並びに液晶デイスプレイの等薄膜トランジスタ等の絶縁性薄膜（窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等）等の製造への応用、多結晶シリコン太陽電池の反射膜及びパッシベーション膜等の製造への応用において、大面積基板への対応は可能であるが、製膜速度が遅いという問題がある。したがって、生産コストの低減を図るというニーズには対応困難である。
【０００５】
ＶＨＦのプラズマ表面処理装置では、例えば、薄膜太陽電池の発電膜であるアモルファスＳｉ膜及び微結晶Ｓｉ膜、並びに液晶デイスプレイの等薄膜トランジスタ等の絶縁性薄膜（窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等）等の製造への応用、多結晶シリコン太陽電池の反射膜及びパッシベーション膜等の製造への応用において、高品質で高速製膜が可能であるが、プラズマ生成で定在波が発生することから、一般的には大面積基板への応用が出来ないという問題がある（非特許文献２）。
電極に平行平板型を用いる場合、供給される電力の約５０％が電力電送路及び電極の裏面側と側面側等で消費され、プラズマの生成に消費されるのは約５０％あり、投入電力のプラズマ生成への有効活用化についての問題が指摘されている（非特許文献３）。これは、電極に平行平板型を用いるプラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置の応用において、供給される電力がプラズマ生成に利用される効率が著しく悪いということを意味している。即ち、電極に平行平板型を用いる場合には供給電力の損失が大きい。
ＶＨＦプラズマによる大面積基板への対応事例として、例えば、特許文献１及び２に記載の位相変調方式によるＶＨＦプラズマ表面処理装置がある。これは、高品質で高速製膜が可能で、１．４ｍｘ１ｍ級大面積基板への応用も可能である。しかしながら、製膜の不均一性は±１５〜２０％程度であり、インピーダンスの整合が困難であることに加えて、電力供給回路に破損が生じることがあるという欠点が指摘されている（特許文献１及び２参照）。即ち、一般的に大面積化が困難であるＶＨＦプラズマによる大面積基板の表面処理が容易に実現できるという特長があるが、供給電力を位相変調することに起因するインピーダンス整合の不適合及びそれに起因すると見られる電力供給回路のジュール熱による破損問題を抱えている。
また、ＶＨＦプラズマによる大面積基板への対応事例として、例えば、特許文献３に記載の定在波重畳方式によるＶＨＦプラズマ表面処理装置がある。これはは、一般的に大面積化が困難であるＶＨＦプラズマによる大面積基板の表面処理が容易に実現できる。この方式は、プラズマ生成における不均一性は±１０％程度であり、インピーダンスの整合も容易であることから、実用化が期待されている。しかしながら、まだ開発段階にある（特許文献３）。
【０００６】
２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマ表面処理装置は、主として、電子デバイスのエッチングに用いられている。基板面積は８〜１２インチ程度で、薄膜太陽電池への応用（面積１ｍｘ１ｍ級以上）に比べると、小面積である。圧力は約１ＫＰａ程度以下であり、薄膜太陽電池への応用（約１ＫＰａ程度以上）に比べると、低圧力条件である。
プラズマ生成室は、マイクロ波電力の供給手段で分けると、アンテナ型と導波管型がある（特許文献４〜９）。プラズマ処理室は、プラズマ生成室に隣接して設置され、その間に誘電体窓（例えば、石英）が配置される。プラズマ生成に必要な電磁波エネルギーは、誘電体窓からプラズマ処理室へ放射される。
なお、特許文献４には、マイクロ波伝播での波面の均一化方法及びその手段、及び定在波の電波伝播方向における減衰抑制方法が記載されている。また、特許文献５には、空洞共振器と基板処理室を連結した構造を有するプラズマ表面処理装置が記載されている。また、特許文献６には、空洞共振器に高周波電力を供給する際に用いられるアンテナの構造が記載されている。
【０００７】
最近、リッジを有する導波管を用いたプラズマ表面処理装置が提案されている（特許文献７〜９）。リッジを活用することにより、導波管内部の電界分布が均一化されるとのことである。
特許文献７〜９には、リッジを有する導波管を用いたプラズマ表面処理装置のエッチングや製膜への応用に関わる装置構成が記載されている。なお、特許文献８及び９には、誘電体窓（例えば、石英）を用いないで、開口を設置してその開口から電磁波エネルギーを放射するような構成が示されている。
しかしながら、２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマ表面処理装置及びリッジを有する導波管を用いたプラズマ表面処理装置の大面積基板を対象にした大面積化（面積１ｍｘ１ｍ級以上面積１ｍｘ１ｍ級以上）への応用は、まだ実現できていない（特許文献４〜９）。
【０００８】
【特許文献１】特許第４７８６２８９号（図１〜図５、図８）
【特許文献２】特開２００２−１１０５６６（図１、図３）
【特許文献３】特許第４２６４９６２号（図１〜図６、図１１〜１２）
【特許文献４】特開平１１−４５７９９（図１〜図３、図１２〜図１４）
【特許文献５】特開平１１−１９５５００（図１、図２、図５〜図８）
【特許文献６】特開平０８−１８６４１０（図１〜図４）
【特許文献７】特表平０４−５０４６４０（図１、図５、図９、図１０）
【特許文献８】特表２００１−５１８６７８（図１〜図５、図６〜図８）
【特許文献９】特開２０１１−３５３２７（図１、図７〜図１３）
【０００９】
【非特許文献１】Ａ．Ｐｅｒｒｅｔ、Ｐ．Ｃｈａｂｅｒｔ、Ｊ．Ｐ．Ｂｏｏｔｈ、Ｊ．Ｊｏｌｌｙ、Ｊ．Ｇｕｉｌｌｏｎ ａｎｄ Ｐｈ．Ａｕｖｒａｙ：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．８３、Ｎｏ．２（１４ Ｊｕｌｙ ２００３）、２４３−２４５．
【非特許文献２】Ｍ．Ｋｏｎｄｏ、Ｍ．Ｆｕｋａｗａ、Ｌ．Ｇｕｏ、Ａ．Ｍａｔｓｕｄａ：Ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｔ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ ２６６−２６９（２０００）、８４−８９．
【非特許文献３】Ｊ．Ａ．Ｂａｇｇｅｒｍａｎ、Ｒ．Ｊ．Ｖｉｓｓｅｒ、ａｎｄ Ｅ．Ｊ．Ｈ．Ｃｏｌｌａｒｔ：Ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ａ ｌｏｗ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｎ２ ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、Ｖｏｌ．７６、Ｎｏ．２、１５ Ｊｕｌｙ １９９４、７３８−７４６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のプラズマ表面処理装置は、プラズマ励起周波数として１３．５６ＭＨｚを用いると、製膜速度やエッチング速度が遅い、という問題がある。
製膜速度あるいはエッチング速度の高速化を図るには、プラズマ密度を増大化する必要があり、高密度プラズマを生成するには、励起周波数のＶＨＦ化あるいはＵＨＦ化が必要で、かつ、プラズマ生成の電力を増大させる必要がある。
励起周波数をＶＨＦ化あるいはＵＨＦ化すると、波長が短くなるので電極に定在波が発生し、均一なプラズマの生成は困難という、問題がある。電力を増大すると、反射波及び定在波等によるジュール熱により電力供給線路が破損するという問題が起こる。
その結果、面積１ｍｘ１ｍ程度以上の大面積基板を対象にしたプラズマ表面処理の高速化は困難であるという、問題がある。
近年、薄膜太陽電池の発電膜であるアモルファスＳｉ膜及び微結晶Ｓｉ膜、並びに液晶デイスプレイの等薄膜トランジスタ等の絶縁性薄膜（窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等）の形成、多結晶シリコン太陽電池の反射膜及びパッシベーション膜の形成及びエッチング微細加工等の分野における生産コストの低減を目指した基板サイズの大面積化（１ｍｘ１ｍを超える面積）に関するプラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置について開発研究が行われている。しかしながら、生産コスト低減の実現に必要な、高速で、かつ、基板サイズの大面積化（１ｍｘ１ｍを超える面積）が可能なプラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置は出現していない。
したがって、製品の生産コスト低減を実現するために必要な、製膜の高速化、高品質化及び基板サイズの大面積化（１ｍｘ１ｍを超える面積）に関するニーズに対応できない、という課題がある。
【００１１】
本発明は、上記課題の解決を目的とするものである。即ち、従来のプラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理方法が有する上記の問題を解消することが可能なプラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、上記の課題を解決可能なアイデイアを見出した。
【００１３】
本願に係る第１の発明のプラズマ表面処理方法は、矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスをそれぞれ整合する第１及び第２の整合器と、を具備したプラズマ表面処理装置を用いて、基板の表面をプラズマ処理するプラズマ表面処理方法において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
なお、上記無反射終端器は、反射波吸収負荷と呼ばれることもある。無反射終端器は入力された電力の反射を抑制し、その電力を電気抵抗で消費し、吸収するものである。
【００１５】
本願に係る第２の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第１の発明のプラズマ表面処理方法において、前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるとともに、
前記第１の３端子サーキュレータと前記第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器を配置し、前記第２の３端子サーキュレータと前記第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器を配置するとともに、該第１の電力検知器で検知される電力値及び第２の電力検知器で検知される電力値がそれぞれ最小値となるように、前記第１及び第２の整合器のリアクタンスをそれぞれに調整するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
本願に係る第３の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第１あるいは２の発明のいずれか一つの発明のプラズマ表面処理方法において、前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるとともに、
前記空洞共振器の中心軸上の前記第１のアンテナ側の端部に第１の電波検知装置を配置し、前記空洞共振器の中心軸上の前記第２のアンテナ側の端部に第２の電波検知装置を配置して、該第１の電波検知装置で検知される電波の強さ及び該第２の電波検知装置で検知される電波の強さが最大値となり、かつ、前記第１の電力検知器で検知される電力値及び前記第２の電力検知器で検知される電力値とが最小値となるように、前記第１及び第２の整合器のリアクタンスをそれぞれに調整するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
本願に係る第４の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第２の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第１のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
本願に係る第５の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第２の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第２のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とする。
【００１９】
本願に係る第６の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第３の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第１のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第２の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とする。
【００２０】
本願に係る第７の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第３の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第２のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第１の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とする。
【００２１】
本願に係る第８の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第２の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源の出力を前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータと前記第１のアンテナから成る第１の電力供給手段と、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータと前記第２のアンテナから成る第２の電力供給手段を用いて前記空洞共振器に供給するに際し、
該第２の整合器と該第２のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第２の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するという第１の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第１の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するという第２の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータを接続し、該第２の整合器と該第２のサーキュレータを接続し、該第１の工程及び該第２の工程で選定された該第１及び第２の整合器のリアクタンスを維持しつつ、該高周波電源の出力が該第１及び第２のアンテナから該空洞共振器へ供給されるという第３の工程と、から成ることを特徴とする。
【００２２】
本願に係る第９の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第３の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源の出力を前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータと前記第１のアンテナから成る第１の電力供給手段と、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータと前記第２のアンテナから成る第２の電力供給手段を用いて前記空洞共振器に供給するに際し、
該第２の整合器と該第２のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第２の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するという第１の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第１の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するという第２の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータを接続し、該第２の整合器と該第２のサーキュレータを接続し、該第１の工程及び該第２の工程で選定された該第１及び第２の整合器のリアクタンスを維持しつつ、該高周波電源の出力が該第１及び第２のアンテナから該空洞共振器へ供給されるという第３の工程と、から成ることを特徴とする。
【００２３】
本願に係る第１０の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第１から９までの発明のいずれか一つの発明のプラズマ表面処理方法において、前記第１及び第２のアンテナに供給される電力の電圧の位相差が零度である同相状態と、該第１及び第２のアンテナに供給される電力の電圧の位相差が１８０度である逆相状態とを、時間的に交互に発生させるようにしたことを特徴とする。
【００２４】
本願に係る第１１の発明のプラズマ表面処理装置は、プラズマを利用して気密性を有する反応容器に配置された基板の表面をプラズマ処理するプラズマ表面処理装置において、
矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、
該空洞共振器にアンテナを介して高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
排気系に接続された排気孔を有し、基板が載置される基板保持手段を備えた基板処理室と、を備え、該基板処理室が該空洞共振器に連結して設置され、該空洞共振器と該基板処理室を貫通する貫通孔を設置するとともに、該空洞共振器の壁に不活性ガスを噴出する不活性ガス噴出手段を配置し、該基板処理室側の該貫通孔の近傍に反応性ガスあるいは反応性ガスと不活性ガスを含む複数種類のガスの混合ガスを噴出する反応性ガス噴出手段を配置したことを特徴とする。
【００２５】
本願に係る第１２の発明のプラズマ表面処理装置は、矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスを整合する第１及び第２の整合器と、を具備し、生成されたプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理装置において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ第１及び第２の３端子サーキュレータが配置され、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ前記高周波電源の出力電力が供給され、
該第１及び第２の３端子サーキュレータに該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を消費させる第１及び第２の無反射終端器がそれぞれ接続されるとともに、
該第１のアンテナと該第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器が設置され、
該第２のアンテナと該第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器が設置されるという構造を有することを特徴とする。
【００２６】
本願に係る第１３の発明のプラズマ表面処理装置は、矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスを整合する第１及び第２の整合器と、を具備し、生成されたプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理装置において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ第１及び第２の３端子サーキュレータを配置されて、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ前記高周波電源の出力電力が供給され、
該第１及び第２の３端子サーキュレータに該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を消費させる第１及び第２の無反射終端器がそれぞれ接続されるとともに
該第１のアンテナと該第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器が設置され、該第２のアンテナと該第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器が設置され、
前記空洞共振器の中心軸上の該第１のアンテナ側の端部に電波の強さを検知する第１の電波検知装置が設置され、該空洞共振器の中心軸上の該第２のアンテナ側の端部に電波の強さを検知する第２の電波検知装置が設置されるという構造を有することを特徴とする。
【００２７】
本願に係る第１４の発明のプラズマ表面処理装置は、本願に係る第１１〜１３の発明のいずれか一つの発明のプラズマ表面処理装置において、前記高周波電源は前記空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置された第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相を調整する移相器を備え、前記第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相が同相である同相状態と、該前記第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相が１８０度である逆相状態の２つの状態を時間的に交互に切り替えるようにしたこと特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
従来技術では、励起周波数をＶＨＦ化あるいはＵＨＦ化すると、波長が短くなるので電極に定在波が発生し、均一なプラズマの生成は困難という、問題がある。プラズマ処理の高速化のために電力を増大すると、反射波及び定在波等によるジュール熱により電力供給線路が破損するという問題が起こる。その結果、面積１ｍｘ１ｍ程度以上の大面積基板を対象にしたプラズマ表面処理の高速化は困難であるという、問題がある。
本発明によれば、電力供給線路の焼損の主たる原因であるアンテナからの反射波を無反射終端器で消滅することが可能であり、インピーダンス整合での干渉波（反射波、及び反射波と同じ方向に伝播してくる電力）を無反射終端器で消滅することが可能である。また、
プラズマ生成で最も重要であるインピーダンスの整合が確実に実施可能である。即ち、反射波及び定在波等によるジュール熱により電力供給線路が破損という問題が解消できる。
また、従来のＶＨＦプラズマ技術での定在波によるプラズマの非一様化問題に関し、本発明では定在波重畳方式（腹の位置が異なる２つの定在波を異なる時間帯で交互に生成する方式）が応用可能であり、プラズマを一様化出来る。
したがって、本発明によれば、従来の方法及び装置では困難視されているプラズマ表面処理の高速化、大面積化、均一化、安定化が可能である。その結果、生産設備の稼働率及び製品の歩留まりが著しく向上する。この効果は産業上、極めて多大の価値を有する、と言える。
特に、半導体や電子デバイス等の分野における大面積基板を対象にした高速、高品質シリコン系膜製造での生産性向上及び製造コストの低減に寄与できる効果は著しく大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な外観図である。
【図２】図２は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な説明図（基板処理室と空洞共振器の断面図、高周波電力供給手段のブロック図）である。
【図３】図３は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、空洞共振器の壁と基板処理室の壁を貫通した貫通孔を示す平面図（空洞共振器内部から見たもの）である。
【図４】図４は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、空洞共振器の壁と基板処理室の壁の間に設置された反応性ガスあるいは反応性ガスと不活性ガスの混合ガスを噴出する反応性ガス噴出孔を示す平面図（基板処理室内部から見たもの）である。
【図５】図５は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、電力導入部を示す断面図である。
【図６】図６は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、第１及び第２のアンテナと電流導入端子と同軸ケーブルの接続を示す断面図である。
【図７】図７は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的なブロック図で、高周波電源から供給された電力の伝播経路を示す説明図である。
【図８】図８は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材である空洞共振器の内部を伝播する電磁波を模式的に示す説明図である。
【図９】図９は本発明の第１及び第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材である空洞共振器の内部に発生する電波の定在波を示す模式的な説明図である。
【図１０】図１０は本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な説明図（基板処理室と空洞共振器の断面図、高周波電力供給手段のブロック図）である。
【図１１】図１１は本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、電力導入部を示す断面図である。
【図１２】図１２は本発明の第３の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な外観図である。
【図１３】図１３は図１２のＡ−Ａ線の断面図であり、基板処理室と空洞共振器の説明図である。
【図１４】図１４は図１２のＢ−Ｂ線の断面図であり、基板処理室と空洞共振器の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下の実施例での説明では、プラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理装置を用いたシリコン膜の製造方法の一例として、シリコン系薄膜を製作する装置及び方法が記載されているが、本願の発明対象が下記の例に限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
先ず、本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理装置を用いたシリコン系膜の製造方法を図１〜図９を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な外観図である。図２は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な説明図（基板処理室と空洞共振器の断面図、高周波電力供給手段のブロック図）である。図３は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、空洞共振器の壁と基板処理室の壁を貫通した貫通孔を示す平面図（空洞共振器内部から見たもの）である。図４は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、空洞共振器の壁と基板処理室の壁の間に設置された反応性ガスあるいは反応性ガスと不活性ガスの混合ガスを噴出する反応性ガス噴出孔を示す平面図（基板処理室内部から見たもの）である。図５は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、電力導入部を示す断面図である。図６は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、第１及び第２のアンテナと電流導入端子と同軸ケーブルの接続を示す断面図である。図７は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的なブロック図で、高周波電源から供給された電力の伝播経路を示す説明図である。図８は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材である空洞共振器の内部を伝播する電磁波を模式的に示す説明図である。図９は本発明の第１及び第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材である空洞共振器の内部に発生する電波の定在波を示す模式的な説明図である。
【００３２】
なお、本実施例ではプラズマ表面処理装置の一例として、プラズマを利用した製膜装置、即ち、プラズマＣＶＤ装置を説明しているので、放電用ガスにシラン（ＳｉＨ４）及び水素（Ｈ２）を用いているが、プラズマを利用したエッチング装置、即ち、プラズマエッチング装置の場合には、放電用ガスにエッチング用ガス、例えば、塩素（Ｃｌ２）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）などが用いられる。また、プラズマによるスパッタ装置の場合には、Ａｒ、Ｎ２、Ｏ２などが用いられる。
【００３３】
先ず、装置の構成を、図１〜図９を参照して説明する。
符番１は空洞共振器である。空洞共振器１は、断面形状が長辺ａと短辺ｂからなる矩形で、電磁波がＴＥ１０モードで共振する矩形導波管１ａと電力導入部１ａａ、１ａｂから構成される。なお、この材料はアルミニウム、アルミニウム系合金、あるいはＳＵＳ等の金属で、例えばアルミニウムである。サイズは、使用する電力の波長に依存するが、例えば、外寸法で、長さ２ｍｘ幅０．５ｍｘ高さ８ｃｍとする。また、空洞共振器１の壁外部には図示しない冷媒を通すパイプが設置されており、空洞共振器１の温度を制御することが可能である。
この空洞共振器１には、後述の放電用ガスをプラズマ化するための電力を供給する一対のアンテナ２ａ、２ｂ、即ち、空洞共振器１の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置された第１のアンテナ２ａ及び第２のアンテナ２ｂが設置されている。
また、この空洞共振器１の２つの長辺ａの一方（ここでは空洞共振器の上面８と呼ぶ）には、後述の放電用ガスとしての不活性ガス、例えば、水素、酸素、窒素等を噴出する不活性ガス噴出孔３が多数設置されている。
また、この空洞共振器１には、後述の基板処理室４の壁（ここでは基板処理室の上面５と呼ぶ）と空洞共振器１の２つの長辺ａの他方（ここでは空洞共振器の下面６と呼ぶ）を貫通した貫通孔７が多数設置されている。
【００３４】
符番４は基板処理室で、基板９を載置する基板保持台１０、及び排気管１４ａ、１４ｂを備えている。基板処理室４の形状は、箱形で、その材料はアルミニウム、アルミニウム系合金、あるいはＳＵＳ等の金属で、例えばアルミニウムである。サイズは、例えば、外寸法で、長さ１．６ｍｘ幅０．８ｍｘ高さ８０ｃｍとする。なお、基板処理室４の外壁は図示しない冷媒を通すパイプが設置されており、基板処理室４の温度を制御することが可能である。
符番７は貫通孔で、孔のサイズは３ｍｍｘ３ｍｍ〜２０ｍｍｘ２０ｍｍ程度（深さは１０〜３０ｍｍ、例えば２０ｍｍである）で、例えば５ｍｍｘ５ｍｍである。貫通孔７は、空洞共振器１と基板処理室４を貫通しているので、後述する空洞共振器１内部で発生の電力波の一部が基板処理室４へ漏洩し、電界を発生する。この電界は、後述するように、反応性ガス噴出孔１３から噴出するシランガス（ＳｉＨ４）や水素ガス（Ｈ２）をプラズマ化する。
符番１０は基板保持台で、図示しない基板ヒータを内臓し、その上に設置される基板９の温度を１００〜４５０℃の範囲で、任意の温度に設定可能である。なお、基板保持台１０は基板ヒータの他に、冷媒を通すパイプを内蔵しており、基板保持台１０の温度を制御することが可能である。また、基板保持台１０の形状は、例えば、矩形で、その材料は金属で、空洞共振器１に平行に設置される。その具体的なサイズは、例えば、外寸法で、長さ約１．３ｍｘ幅約５０ｃｍｘ高さ約２０ｃｍとする。
符番９は基板である。基板９は、図示しない基板搬入搬出装置で、基板保持台１０に設置され、また、取り出される。ここでは、この基板９に微結晶シリコン膜が形成される。
【００３５】
基板９の表面と基板処理室４の上面５の間隔は、図示しない移動手段で基板保持台１０を上下に作動させることにより、予め、任意に設定可能であり、５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲で、例えば３０ｍｍに設定される。
【００３６】
符番１１は不活性ガス供給管で、図示しない放電用ガス供給源から供給された、例えば、水素、酸素、窒素等の不活性ガスを不活性ガス噴出孔３に搬送する。不活性ガス噴出孔３は不活性ガスを噴出させる。噴出された不活性ガスは、貫通孔７を介して基板処理室４へ搬送される。なお、空洞共振器１及び基板処理室４の内部のガスは図示しない真空ポンプにより、後述の排気孔１４ａ、１４ｂを介して排気される。
不活性ガス噴出孔３から噴出される不活性ガスの流量は、図示しない放電用ガス供給源に付属の不活性ガスの流量計で、０．２〜２０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で設定される。
【００３７】
符番１２は、反応性ガス供給管である。反応性ガス供給管１２は図示しない放電用ガス供給源から供給された反応性ガス、例えば、シランガスＳｉＨ４あるいはシランガスＳｉＨ４と水素の混合ガスを反応性ガス噴出孔１３へ搬送させる。反応性ガス噴出孔１３はシランガスＳｉＨ４あるいはシランガスＳｉＨ４と水素の混合ガスを基板処理室４の上面５近傍に噴出させる。噴出された反応性ガスは、後述の排気孔１４ａ、１４ｂを介して排気される。
反応性ガス噴出孔１３から噴出される反応性ガスの流量は、図示しない放電用ガス供給源に付属の反応性ガスの流量計で、０．１〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で設定される。なお、シランガスＳｉＨ４と水素の混合ガスを供給する場合は、シランガスＳｉＨ４と水素の混合ガスの流量比Ｈ２／ＳｉＨ４＝０．５〜５０の範囲で調整される。噴出した反応性ガスは、排気管１４ａ、１４ｂから図示しない真空ポンプにより外部へ排出される。
符番１４ａ、１４ｂは排気管である。排気管１４ａ、１４ｂは図示しない真空ポンプと組み合わせて用いられ、空洞共振器１及び基板処理室４内のガスを排出する。
【００３８】
空洞共振器１及び基板処理室４内の圧力は、図示しない圧力計によりモニターされ、図示しない圧力調整弁により自動的に所定の値に調整、設定される。
なお、ここでは、反応性ガスと不活性ガスの総流量２〜２０ＳＬＭの範囲で、圧力１．３３３Ｐａ（０．０１Ｔｏｒｒ）〜１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）程度に調整できる。
また、放電用ガスを供給しない場合、空洞共振器１及び基板処理室４の真空到達圧力は２．６６〜３．９９Ｅ−５Ｐａ（２〜３Ｅ−７Ｔｏｒｒ）程度である。
【００３９】
符番２０は高周波電源である。高周波電源２０は、周波数１０〜１００ＭＨｚの任意の周波数の正弦波の信号を発生し、電力増幅して、出力する。また、高周波電源２０は２つの出力（ここでは第１の出力２０ａ及び第２の出力２０ｂと呼ぶ）を有し、２つの出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差を、０〜１８０度の範囲で任意の値に調整ができる。また、パルス幅が数μ秒〜１０００ｍ秒程度の範囲でパルス変調が可能である。即ち、２つの出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相が、例えば零度に保たれて、かつ、パルス変調された第１のパルス電力と、その位相差が、例えば１８０度に保たれて、かつつ、パルス変調された第２のパルス電力を異なる時間帯で交互に出力することが可能である。これは、高周波電源２０の第１の出力２０ａと第２の出力２０ｂの電圧の位相差が、例えば、０度と１８０度に整えられた２つのパルス電力が、異なる時間帯に交互に出力されるという意味である。
高周波電源２０には、図示しない出力値（進行波）のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、その反射波による電力増幅器の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
【００４０】
符番２１ａ、符番２２ａ、符番２３ａ、符番５１ａは同軸ケーブルで、高周波数の電力を電送することができる。
符番３２ａは第１の整合器である。第１の整合器３２ａの内部には、可変インダクタと可変コンダクターが配置されている。第１の整合器３２ａは、同軸ケーブル２１ａを介して入力された高周波電源２０の第１の出力２０ａを、同軸ケーブル２２ａ、後述の第１の３端子サーキュレータ５０ａ、同軸ケーブル２３ａ、後述の第１の電流導入端子２５ａ、及び第１のアンテナ２ａから成る第１の電力供給手段を介して、空洞共振器１に電力を放射する。そして、高周波電源２０と第１のアンテナ２ａとのインピーダンスの整合を取ることができる。なお、整合を取ることについては、以下に詳しく説明する。
【００４１】
符番５０ａは第１の３端子サーキュレータで、第１、第２及び第３の端子を有する。第１の端子から入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第２の端子に出力される。第２の端子から入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第３の端子に出力される。第３の端子からの入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第１の端子に出力される。なお、３端子サーキュレータ５０ａとして、電力用途の市販品を用いることができる。
符番５２ａは第１の無反射終端器（反射波吸収負荷と呼ばれることもある）である。第１の無反射終端器５２ａは入力された電力の反射を抑制し、その電力を電気抵抗で消費し、吸収するものである。なお、無反射終端は純抵抗Ｒのみで構成する。なお、純抵抗Ｒの値は同軸ケーブルのインピーダンスを考慮し、調整する。
符番５３ａは第１の方向性結合器である。第１の方向性結合器５３ａは、同軸ケーブル５１ａ内を、第１の３端子サーキュレータ５０ａから第１の無反射終端５２ａへ伝播する電力を検知し、その信号を後述の第１の電力検知器５４ａに送信する。
符番５４ａは第１の電力検知器である。第１の電力検知器５４ａは、第１の方向性結合器５３ａから送信された電気信号を受信し、その受信信号を電力値に変換して、その値を表示する。
【００４２】
なお、第１の電力検知器５４ａは、第１のアンテナ２ａからの反射波を検出するとともに、第２のアンテナ２ｂから放射され、空洞共振器１を通過し、第１のアンテナ２ａを介して伝搬してくる電力を検知するので、後述するように、第２の整合器の調整の際に利用される。
【００４３】
符番２５ａは第１の電流導入端子で、空洞共振器１の気密を保持して、同軸ケーブル２３ａと第１のアンテナ２ａを接続する。同軸ケーブル２３ａと第１の電流導入端子２５ａと第１のアンテナ２ａの接続は、図６に示すように、同軸ケーブル２３ａの芯線２４ａを第１の電流導入端子２５ａの芯線部の凹部２６ａに差し込み、第１の電流導入端子２５ａの芯線部の凹部２７ａに第１のアンテナ２ａを差し込む。そして、同軸ケーブル２３ａの袋ナット３０ａと第１の電流導入端子２５ａのネジ部３１ａを用いて固着する。第１の電流導入端子２５ａと第１のアンテナ２ａはＯリングを介して固着する。
符番２ａは第１のアンテナである。第１のアンテナ２ａは第１の電流導入端子２５ａを介して供給された高周波電源２０の出力電力を、空洞共振器１に放射させる。なお、第１のアンテナ２ａの先端部３３ａは空洞共振器１の電力導入部１ａａに接続されている。
【００４４】
高周波電源２０の出力が第１のアンテナに給電されると、空洞共振器１の内部に電磁波が放射されて、強い電界が発生する。この電界により空洞共振器１内部にプラズマが生成される。
また、空洞共振器１の下面に設置された貫通孔７から電磁波が漏洩して電界が発生する。この電界により基板処理室の上面５の近傍にプラズマが生成される。
【００４５】
ここで、第１の３端子サーキュレータ５０ａ及び第１の無反射終端器５２ａの機能を説明する。
図２、図５、図６及び図７において、第１の整合器３２ａから第１の３端子サーキュレータ５０ａの第１の端子に入力された電力Ｗａ（１）は第２の端子からＷａ（１）として出力され、同軸ケーブル２３ａ、第１の電流導入端子２５ａを介して第１のアンテナ２ａに供給される。そうすると、第１のアンテナ２ａ及びその近傍で反射波Ｗａ（１１）が発生する。その反射波Ｗａ（１１）は同軸ケーブル２３ａを逆流し、第１の３端子サーキュレータ５０ａの第２の端子に入射する。第２の端子に入射した反射波Ｗａ（１１）は第３の端子から出力されて、同軸ケーブル５１ａを介して第１の無反射終端器５２ａに入力される。第１の無反射終端５２ａに入力された反射波Ｗａ（１１）は第１の無反射終端器５２ａ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、反射波Ｗａ（１１）は消滅する。
【００４６】
他方、第２のアンテナ２ｂに入射した第２の３端子サーキュレータ５０ｂの電力Ｗｂ（１）の一部分は、空洞共振器１を通過して、第１のアンテナ２ａ、第１の電流導入端子２５ａ、同軸ケーブル２３ａを介して、第１の３端子サーキュレータ５０ａの第２の端子に入射する。その電力をＷｂ（１２）とする。これは、反射波Ｗａ（１１）と同じ方向に伝搬する電力である。
第２の端子に入射した電力Ｗｂ（１２）は第３の端子から出力されて、同軸ケーブル５１ａを介して第１の無反射終端器５２ａに入力される。第１の無反射終端器５２ａに入力された電力Ｗｂ（１２）は第１の無反射終端器５２ａ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、電力Ｗｂ（１２）は消滅する。
したがって、第１の３端子サーキュレータ５０ａから第１の整合器３２ａへ伝搬する電力は無い。これは、第１の３端子サーキュレータ５０ａから上流側の電力電送線路において定在波が発生しない、ということを意味する。
また、第１のアンテナ２ａと第１の３端子サーキュレータ５０ａ間には定在波が発生しないという条件が整う。これは、第１の３端子サーキュレータ５０ａと第１のアンテナ２ａとの間に定在波が発生しない、ということを意味する。
【００４７】
符番２１ｂ、符番２２ｂ、符番２３ｂ、符番５１ｂは同軸ケーブルで、高周波数の電力を電送することができる。
符番３２ｂは第２の整合器である。第２の整合器３２ｂの内部には、可変インダクタと可変コンダクターが配置されている。第２の整合器３２ｂは、同軸ケーブル２１ｂを介して入力された高周波電源２０の第２の出力２０ｂを、同軸ケーブル２２ｂ、後述の第２の３端子サーキュレータ５０ｂ、同軸ケーブル２３ｂ、後述の第２の電流導入端子２５ｂ、及び第２のアンテナ２ｂから成る第２の電力供給手段を介して、空洞共振器１に電力を放射する。そして、高周波電源２０と第２のアンテナ２ｂとのインピーダンスの整合を取ることができる。なお、整合を取ることについては、以下に詳しく説明する。
【００４８】
符番５０ｂは第２の３端子サーキュレータで、第４、第５及び第６の端子を有する。第４の端子から入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第５の端子に出力される。第５の端子から入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第６の端子に出力される。第６の端子からの入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第４の端子に出力される。なお、第２の３端子サーキュレータ５０ｂとして、電力用途の市販品を用いることができる。
符番５２ｂは第２の無反射終端器（反射波吸収負荷と呼ばれることもある）である。第２の無反射終端器５２ｂは入力された電力の反射を抑制し、その電力を電気抵抗で消費し、吸収するものである。なお、無反射終端は純抵抗Ｒのみで構成する。なお、純抵抗Ｒの値は同軸ケーブルのインピーダンスを考慮し、調整する。
符番５３ｂは第１の方向性結合器である。第１の方向性結合器５３ｂは、同軸ケーブル５１ｂ内を、第２の３端子サーキュレータ５０ｂから第２の無反射終端５２ｂへ伝播する電力を検知し、その信号を後述の第２の電力検知器５４ｂに送信する。
符番５４ｂは第２の電力検知器である。第２の電力検知器５４ｂは、第２の方向性結合器５３ｂから送信された電気信号を受信し、その受信信号を電力値に変換して、その値を表示する。
【００４９】
なお、第２の電力検知器５４ｂは、第２のアンテナ２ｂからの反射波を検出するとともに、第１のアンテナ２ａから放射され、空洞共振器１を通過し、第２のアンテナ２ｂを介して伝搬してくる電力を検知するので、後述するように、第１の整合器の調整の際に利用される。
【００５０】
符番２５ｂは第２の電流導入端子で、空洞共振器１の気密を保持して、同軸ケーブル２３ｂと第２のアンテナ２ｂを接続する。同軸ケーブル２３ｂと第２の電流導入端子２５ｂと第２のアンテナ２ｂの接続は、図６に示した第１のアンテナ２ａと第１の電流導入端子２５ａと同軸ケーブル２３ａの場合と同じである。
符番２ｂは第２のアンテナである。第２のアンテナ２ｂは第２の電流導入端子２５ｂを介して供給された高周波電源２０の出力電力を、空洞共振器１に放射させる。なお、第２のアンテナ２ｂの先端部３３ｂは空洞共振器１の電力導入部１ａｂに接続されている。
なお、高周波電源２０の出力が第２のアンテナ２ｂに給電されると、空洞共振器１の内部に電磁波が放射されて、強い電界が発生する。この電界により空洞共振器１内部にプラズマが生成される。
また、空洞共振器１の下面に設置された貫通孔７から電磁波が漏洩して電界が発生する。この電界により基板処理室の上面５の近傍にプラズマが生成される。
【００５１】
ここで、第２の３端子サーキュレータ５０ｂ及び第２の無反射終端器５２ｂの機能を説明する。
図２、図５、図６及び図７において、第２の整合器３２ｂから第２の３端子サーキュレータ５０ｂの第４の端子に入力された電力Ｗｂ（１）は第５の端子からＷｂ（１）として出力され、同軸ケーブル２３ｂ、第２の電流導入端子２５ｂを介して第２のアンテナ２ｂに供給される。そうすると、第２のアンテナ２ｂ及びその近傍で反射波Ｗｂ（１１）が発生する。その反射波Ｗｂ（１１）は同軸ケーブル２３ｂを逆流し、第２の３端子サーキュレータ５０ｂの第５の端子に入射する。第５の端子に入射した反射波Ｗｂ（１１）は第６の端子から出力されて、同軸ケーブル５１ｂを介して第２の無反射終端器５２ｂに入力される。第２の無反射終端５２ｂに入力された反射波Ｗｂ（１１）は第２の無反射終端器５２ｂ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、反射波Ｗｂ（１１）は消滅する。
【００５２】
他方、第１のアンテナ２ａに入射した第１の３端子サーキュレータ５０ａの電力Ｗａ（１）の一部分は、空洞共振器１を通過して、第２のアンテナ２ｂ、第２の電流導入端子２５ｂ、同軸ケーブル２３ｂを介して、第２の３端子サーキュレータ５０ｂの第５の端子に入射する。その電力をＷａ（１２）とする。これは、反射波Ｗｂ（１１）と同じ方向に伝搬する電力である。
第５の端子に入射した電力Ｗａ（１２）は第６の端子から出力されて、同軸ケーブル５１ｂを介して第２の無反射終端器５２ｂに入力される。第２の無反射終端器５２ｂに入力された電力Ｗａ（１２）は第２の無反射終端器５２ｂ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、電力Ｗａ（１２）は消滅する。
したがって、第２の３端子サーキュレータ５０ｂから第２の整合器３２ｂへ伝搬する電力は無い。これは、第２の３端子サーキュレータ５０ｂから上流側の電力電送線路において定在波が発生しない、ということを意味する。
また、第２のアンテナ２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂ間には定在波が発生しないという条件が整う。これは、第２の３端子サーキュレータ５０ｂと第２のアンテナ２ｂとの間に定在波が発生しない、ということを意味する。
【００５３】
上記の装置構成では、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂより上流側に上記Ｗａ（１１）、Ｗｂ（２１）、Ｗａ（１２）及びＷｂ（１２）が伝播しないので、従来の装置で起こるようなジュール熱発生による焼損（破損）問題は発生しない。
また、従来装置で問題となる定在波は発生しないので、定在波に起因する焼損（破損）問題は発生しない。
なお、既に実用化され、市販されている電力用途の３端子サーキュレータは空冷あるいは水冷機能を有しているので、３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂの破損（焼損）の問題はないと、考えられる。
【００５４】
次に、上述のプラズマ表面処理装置を用いて、微結晶シリコン膜を製膜する方法を説明する。なお、図１〜図９を参照する。
【００５５】
図２〜図４において、予め、基板９を基板保持台１０に設置し、図示しない真空ポンプを稼動させ、空洞共振器１及び基板処理室４内の空気及び不純物ガス等を除去した後、放電用ガス供給源から不活性ガス供給管１１及び不活性ガス噴出孔３を介して水素（Ｈ２）ガスを噴出させるとともに、シランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスを反応性ガス供給管１２及び反応性ガス噴出孔１３を介して基板処理室４内に噴出させる。
不活性ガス噴出孔３から噴出させる水素（Ｈ２）の流量は、１〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５ＳＬＭとする。反応性ガス噴出孔１３から噴出させる混合ガスは、混合比を水素（Ｈ２）／シランガス（ＳｉＨ４）＝１０／１〜１／１の範囲、例えば、２／１とし、混合ガスの流量を、２〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５．０ ＳＬＭを供給する。空洞共振器１及び基板処理室４内部の圧力は、１３３．３〜５３３．２Ｐａ（１〜４Ｔｏｒｒ）の範囲、例えば、１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）に維持する。基板温度は１００〜３５０℃の範囲、例えば２２０℃に保持する。
なお、基板９のサイズは、基板保持台１０のサイズに合わせて、長さ１ｍｘ幅４０ｃｍ（厚み４ｍｍ）とする。
【００５６】
次に、高周波電源２０の出力を上記第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給する手順を、以下説明する。図２及び図７を参照する。
【００５７】
第１のステップ（第１の工程）：高周波電源２０と第１のアンテナ２ａとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂの接続を遮断する（第２の３端子サーキュレータ５０ｂに接続された同軸ケーブル２２ｂを引き抜く）。
（２）高周波電源の第１の出力２０ａの周波数を選定し、例えば７０ＭＨｚとし、その出力２０ａの所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、その出力２０ａを同軸ケーブル２１ａ、第１の整合器３２ａ、第１の３端子サーキュレータ５０ａ、同軸ケーブル２３ａ、第１の電流導入端子２５ａを介して第１のアンテナ２ａに供給する。
ただし、第２の出力２０ｂはゼロに保持しておく。
（３）第１のアンテナ２ａからの反射波Ｗａ（１１）を第１の検出器５４ａで検出し、検出された電力値が最小になるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整するとともに、第２の電力検出器５４ｂで検出された電力値が最大となるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。即ち、第２の整合器３２ｂと第２のサーキュレータ５０ｂの接続を遮断した状態で、第１の電力検出器５４ａで検出される電力値が最小で、かつ、第２の電力検出器５４ｂで検出される電力値が最大となるように、第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。
（４）第１の整合器３２ａは、この調整された状態を保持する。
（５）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂを接続する。
【００５８】
第２のステップ（第２の工程）：高周波電源２０と第２のアンテナ２ｂとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）第１の整合器３２ａと第１の３端子サーキュレータ５０ａの接続を遮断する（第１の３端子サーキュレータ５０ａに接続された同軸ケーブル２２ａを引き抜く）。
（２）高周波電源の第２の出力２０ｂを所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数は上記ステップ１と同じとし、パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、同軸ケーブル２１ｂ、第２の整合器３２ｂ、第２の３端子サーキュレータ５０ｂ、同軸ケーブル２３ｂ、第２の電流導入端子２５ｂを介して第２のアンテナ２ｂに供給する。ただし、第１の出力２０ａはゼロに保持しておく。
（３）第２のアンテナ２ｂからの反射波Ｗｂ（１１）を第２の検出器５４ｂで検出し、検出された電力値が最小になるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整するとともに、第１の電力検出器５４ａで検出された電力値が最大となるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。即ち、第１の整合器３２ａと第１のサーキュレータ５０ａの接続を遮断した状態で、第２の電力検出器５４ｂで検出される電力値が最小で、かつ、第１の電力検出器５４ａで検出される電力値が最大となるように、第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。
（４）第２の整合器３２ｂは、この調整された状態を保持する。
（５）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂを接続する。
【００５９】
第３のステップ（第３の工程）：次の手順により、高周波電源２０の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂを所定の値に調整して、その出力をそれぞれ第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給する。
（１）高周波電源の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂをパルス変調し、その出力を所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数を第１及び第２のステップと同じ周波数とする。例えば７０ＭＨｚとする。
（２）先ず、第１のパルス電力として、次の設定を行う。パルス幅Ｈｗを１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧（正弦波）の位相差をゼロ度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差が零度に設定されたパルス変調された第１及び第２の出力を、第１のパルス電力と呼ぶ。
（３）次に、第２のパルス電力として、次の設定を行う。第１のパルス電力と異なる時間帯にパルス電力を出力させる。パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差を１８０度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、この位相差が１８０度に設定されてパルス変調された第１及び第２の出力を第２のパルス電力と呼ぶ。
（４）第１及び第２のパルス電力のパルス立ち上がり時間をパルス周期Ｔｏの半分の時間、例えば、０．７５ｍ秒ずらす。これにより、第１及び第２のパルス電力を時間的に交互に供給することが可能である。
（５）高周波電源２０の出力を所要の電力値に、例えば、第１及び第２のパルス電力をそれぞれ、３ＫＷに設定する。
【００６０】
ところで、上記第１のパルス電力が第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給されると、アンテナ２ａ、２ｂから電力波が放射される。その様子を模式的に図８に示す。
第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂからパルス状に供給される電力の電圧波は、同一電源から発振され、互いに空洞共振器１内部を伝播していくので、すなわち、両者は互いに向かい合った方向から伝播しあって重なり合うので、干渉現象が発生する。
図８において、第１のアンテナ２ａ側から第２のアンテナ２ｂの方向の距離をｘとし、ｘの正方向へ伝播する電圧波をＷａ（ｘ、ｔ）、ｘの負方向へ伝播する電圧波、即ち第２のアンテナ２ｂ側から第１のアンテナ２ａの方向へ伝播する電圧波をＷｂ（ｘ，ｔ）とすると、次のように表現される。
Ｗａ（ｘ、ｔ）＝Ｖ１・ｓｉｎ（ωｔ＋２πｘ／λ）
Ｗｂ（ｘ、ｔ）＝Ｖ１・ｓｉｎ｛ωｔ−２π（ｘ−Ｌ０）／λ＋Δθ｝
ただし、Ｖ１は電圧波の振幅、ωは電圧の角周波数、λは電圧波の波長、ｔは時間、Ｌ０は第１及び第２のアンテナの間隔、Δθは第１のアンテナから放出される電力の電圧波と第２のアンテナから放出される電力の電圧波の位相差である。この２つの電圧波の合成波Ｗ１（ｘ、ｔ）は次式のようになる。
Ｗ１（ｘ、ｔ）＝Ｗａ（ｘ、ｔ）＋Ｗｂ（ｘ、ｔ）
＝２・Ｖ１ｃｏｓ｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝・ｓｉｎ｛ωｔ＋（πＬ０／λ＋Δθ／２）
上記合成波Ｗ１（ｘ、ｔ）は、次に示すような性質を有する。即ち、Δθ＝０の場合、生成されるプラズマの強さは２つのアンテナ間の中央部（ｘ＝Ｌ０／２）が強く、該中央部から離れるにしたがって弱くなる。Δθ＞０の場合、プラズマの強い部分が一方の給電点側へ移動し、Δθ＜０の場合、他方の給電点側へ移動する。
電力の強さは、電界の二乗に比例する。これは電圧波の振幅値の二乗に比例する、という意味である。即ち、電力の強さＩ１（ｘ、ｔ）は、
Ｉ１（ｘ、ｔ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝Ｉ１（ｘ）・・・時間的に変動しない。
と表される。
【００６１】
上記第３のステップにおいて、第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂから、第１のパルス電力（位相差＝零度）と第２のパルス電力（位相差＝１８０度）が異なる時間帯に交互に放射されるので、空洞共振器１内部の電力の強さはその２つの電力が重畳される。
即ち、第１のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ１（ｘ）と表わし、第２のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ２（ｘ）と表わすと、次のようになる。
Ｉ１（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
Ｉ２（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−９０°｝
＝ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
この電力の強さＩ１（ｘ）及びＩ２（ｘ）を模式的に図９に示す。
空洞共振器１内部の電力の強さＩ（ｘ、ｔ）は第１及び第２のパルス電力の周期より長い時間で見ると、次式で表わされるように、波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
プラズマの強さは電力の強さに比例するので、空洞共振器１内部のプラズマの強さは一様となる、ということを示している。
また、上式は、第１及び第２のパルス電力の位相差の設定において、±５度程度のずれが生じても、空洞共振器１内部の電力の強さ、即ち、プラズマの強さはほぼ一様となることを示している。
【００６２】
上記第３のステップでの第１のパルス電力及び第２のパルス電力で、１０〜２０分程度の時間、プラズマを生成すると、基板９に微結晶シリコン膜が堆積する。なお、シランガスの他に大量の水素ガスが供給されるので、得られる膜はアモルファスＳｉではなく、微結晶膜になる。
ここで、不活性ガス噴出孔３から噴出する水素（Ｈ２）及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するシランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスのプラズマ化及びラデイカル種の生成について説明する。
空洞共振器１の上面に位置する不活性ガス噴出孔３から噴出した水素（Ｈ２）は第１及び第２のパルス電力でプラズマ化される。水素（Ｈ２）がプラズマ化されると、化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）が多量生成され、そして、Ｈ２→Ｈ＋Ｈの反応が起こり、多量の原子状Ｈが生成される。その結果、空洞共振器１に生成された多量の化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）と多量の原子状Ｈは、貫通孔７から基板処理室４に拡散し、基板処理室４に流入する。
基板処理室４の上面には、第１のパルス電力及び第２のパルス電力の貫通孔７から漏れによる電界が発生している。この電界の強さは貫通孔７の大きさに影響されるが、水素（Ｈ２）やシランガス（ＳｉＨ４より）をプラズマ化するには十分な強さである。なお、本実施例では、貫通孔７のサイズは５ｍｍｘ５ｍｍ程度である。
【００６３】
基板処理室４の上面に位置する反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスがプラズマ化されると、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３の反応が起こる。この反応は、プラズマが強い場合、ジシラン（ＳｉＨ２＋ＳｉＨ４→Ｓｉ２Ｈ６）やトリシラン（ＳｉＨ２＋Ｓｉ２Ｈ６→Ｓｉ３Ｈ８）等のダスト（パウダー）が形成されるが、プラズマが弱く、かつ、大量の原子状Ｈがあれば、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３、及びＨ＋ＳｉＨ４→Ｈ２＋ＳｉＨ３の反応が起こり易い。なお、プラズマでの電子エネルギーが８．７５ｅＶ以上であればＳｉＨ３が生成され、９．４７ｅＶ以上であればＳｉＨ２が生成されることが、一般に知られている。
【００６４】
基板処理室４上面近傍において、貫通孔７から流入する大量の原子状Ｈ及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスのプラズマ化によって、基板９に微結晶シリコン膜が堆積される。
【００６５】
その膜厚分布は、空洞共振器１内部の電界分布Ｉｆ（ｘ）、即ち次式に比例した形となる。
Ｉｆ（ｘ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
ただし、Ｉ（ｘ）は膜の厚み、ｘは基板中央からその周辺方向への距離、λは使用電力の波長（プラズマ中での波長）である。
結晶化率の測定には、ラマンスペクトル分析器を用い、膜中の結晶Ｓｉピーク（５１７ｃｍ−１）ＩｃとアモルファスＳｉピーク（４７０〜４８０ｃｍ−１）Ｉａを求めて、結晶化率（％）＝１００ｘＩｃ／（Ｉａ＋Ｉｃ）と定義し、評価される。
【００６６】
上述のように、実施例１によれば、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂの上流側に上記供給電力の反射波及び干渉波は戻らない。その結果、電力供給の流れで見て、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂより上流側の電力電送線路には反射波及び干渉波が戻らないので、従来の装置で起こる焼損（破損）問題は発生しない。
また、インピーダンスの整合において、第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂのそれぞれのリアクタンス（ＬとＣ）を調整は、時間をずらして別々に行うので、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）の影響はない。
第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂを同時に用いる場合においても、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）は第１及び第２の無反射終端器５２ａ、５２ｂ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、それぞれの干渉波の影響はない。
したがって、本実施例では、従来の技術では問題視される電力供給線路での定在波の発生に起因する装置の破損（焼損）問題及びインピーダンス整合の不適合の問題は、解消される。
また、プラズマの強さが波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
したがって、基板サイズが大面積であっても製膜される膜の厚み分布は一様になる。
【００６７】
（実施例２）
本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理装置を用いたシリコン系膜の製造方法を図１０〜図１１を参照して説明する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
図１０は本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な説明図（基板処理室と空洞共振器の断面図、高周波電力供給手段のブロック図）である。図１１は本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、電力導入部を示す断面図である。
なお、本実施例ではプラズマを利用した製膜装置、即ち、プラズマＣＶＤ装置を説明しているので、放電用ガスにシラン（ＳｉＨ４）及び水素（Ｈ２）を用いているが、プラズマを利用したエッチング装置、即ち、プラズマエッチング装置の場合には、放電用ガスにエッチング用ガス、例えば、塩素（Ｃｌ２）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）などが用いられる。また、プラズマによるスパッタ装置の場合には、Ａｒ、Ｎ２、Ｏ２などが用いられる。
【００６８】
先ず、電力供給系の構成を、図１０及び図１１を参照して説明する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
図１０及び図１１において、符番７０ａ、符番７１ａ、符番７２ａ、符番７３ａ、符番７０ｂ、符番７１ｂ、符番７２ｂ、及び符番７３ｂ以外は、実施例１で示した図１〜図９と同じである。装置構成部材の中で実施例１と同じものは説明を省略する。
【００６９】
符番７０ａ、符番７１ａ、符番７２ａ及び符番７３ａは、それぞれ、第１の検知用アンテナ、第３の電流導入端子、同軸ケーブル、及び第１の電波検知装置である。第１の検知用アンテナ７０ａは空洞共振器１の中心軸上の一方の端部に、例えば第１のアンテナに近い位置に設置される。第３の電流導入端子７１ａは図６図示の第１の電流導入端子と同様の構造を有する。第１の電波検知装置は第１の検知用アンテナ７０ａが受信した電波の信号を検知し、表示する。
第１の検知用アンテナ７０ａ、第３の電流導入端子７１ａ、同軸ケーブル７２ａ、及び第１の電波検知装置７３ａは、組み合わせて用いることにより、後述の第２の整合器３２ｂの調整に用いられる。
【００７０】
符番７０ｂ、符番７１ｂ、符番７２ｂ及び符番７３ｂは、それぞれ、第２の検知用アンテナ、第４の電流導入端子、同軸ケーブル、及び第２の電波検知装置である。第２の検知用アンテナ７０ｂは空洞共振器１の中心軸上の他方の端部に、例えば第２のアンテナに近い位置に設置される。第４の電流導入端子７１ｂは図６図示の第１の電流導入端子と同様の構造を有する。第２の電波検知装置は第２の検知用アンテナ７０ｂが受信した電波の信号を検知し、表示する。
第２の検知用アンテナ７０ｂ、第４の電流導入端子７１ｂ、同軸ケーブル７２ｂ、及び第２の電波検知装置７３ｂは、組み合わせて用いることにより、後述の第１の整合器３２ａの調整に用いられる。
【００７１】
次に、上述のプラズマ表面処理装置を用いて、微結晶シリコン膜を製膜する方法を説明する。図１０、図１１を参照する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
【００７２】
図１０において、予め、基板９を基板保持台１０に設置し、図示しない真空ポンプを稼動させ、空洞共振器１及び基板処理室４内の空気及び不純物ガス等を除去した後、放電用ガス供給源から不活性ガス供給管１１及び不活性ガス噴出孔３を介して水素（Ｈ２）ガスを噴出させるとともに、シランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスを反応性ガス供給管１２及び反応性ガス噴出孔１３を介して基板処理室４内に噴出させる。
不活性ガス噴出孔３から噴出させる水素（Ｈ２）の流量は、１〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５ＳＬＭとする。反応性ガス噴出孔１３から噴出させる混合ガスは、混合比を水素（Ｈ２）／シランガス（ＳｉＨ４）＝１０／１〜１／１の範囲、例えば、２／１とし、混合ガスの流量を、２〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５．０ ＳＬＭを供給する。空洞共振器１及び基板処理室４内部の圧力は、１３３．３〜５３３．２Ｐａ（１〜４Ｔｏｒｒ）の範囲、例えば、１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）に維持する。基板温度は１００〜３５０℃の範囲、例えば２２０℃に保持する。
なお、基板９のサイズは、基板保持台１０のサイズに合わせて、長さ１ｍｘ幅４０ｃｍ（厚み４ｍｍ）とする。
【００７３】
次に、高周波電源２０の出力を上記第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給するのであるが、以下に示す手順で行う。図１０及び図１１を参照する。また、なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
【００７４】
第１のステップ（第１の工程）：高周波電源２０と第１のアンテナ２ａとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）高周波電源の第１の出力２０ａを所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。その周波数を選定し、例えば７０ＭＨｚとし、パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、高周波電源２０の第１の出力２０ａの所要電力の１０％〜４０％、例えば１ＫＷとし、その出力２０ａを同軸ケーブル２１ａ、第１の整合器３２ａ、第１の３端子サーキュレータ５０ａ、同軸ケーブル２３ａ、第１の電流導入端子２５ａを介して第１のアンテナ２ａに供給する。ただし、第２の出力２０ｂはゼロに保持しておく。
（２）第１のアンテナ２ａからの反射波Ｗａ（１１）を第１の検出器５４ａで検出し、検出された電力値が最小になるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整するとともに、第２の検知用アンテナ７０ａを介して第２の電波検知装置７３ｂで検出された電力値が最大となるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。即ち、第１の検出器５４ａ及び第２の電波検知装置７３ｂで検知した電力値を利用して、第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。
（３）第１の整合器３２ａはこの調整された状態を保持する。
【００７５】
第２のステップ（第２の工程）：高周波電源２０と第２のアンテナ２ｂとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）高周波電源の第２の出力２０ｂを所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数を上記第１ステップと同じく７０ＭＨｚとし、パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、高周波電源２０の第１の出力２０ａの所要電力の１０％〜４０％、例えば１ＫＷとし、その出力２０ａを同軸ケーブル２１ａ、第１の整合器３２ａ、第１の３端子サーキュレータ５０ａ、同軸ケーブル２３ａ、第１の電流導入端子２５ａを介して第１のアンテナ２ａに供給する。ただし、第１の出力２０ａはゼロに保持しておく。
（２）第２のアンテナ２ｂからの反射波Ｗｂ（１１）を第２の検出器５４ｂで検出し、検出された電力値が最小になるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整するとともに、第１の検知用アンテナ７０ｂを介して第１の電波検知装置７３ａで検出された電力値が最大となるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。即ち、第２の検出器５４ｂ及び第１の電波検知装置７３ａで検知した電力値を利用して、第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。
（３）第２の整合器３２ｂはこの調整された状態を保持する。
【００７６】
第３のステップ（第３の工程）：次の手順により、高周波電源２０の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂを所定の値に調整して、その出力をそれぞれ第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給する。
（１）高周波電源の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂをパルス変調し、その出力を所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数を第１及び第２のステップと同じ周波数とする。例えば７０ＭＨｚとする。
（２）先ず、第１のパルス電力として、次の設定を行う。パルス幅Ｈｗを１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧（正弦波）の位相差をゼロ度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差が零度に設定されたパルス変調された第１及び第２の出力を、第１のパルス電力と呼ぶ。
（３）次に、第２のパルス電力として、次の設定を行う。第１のパルス電力と異なる時間帯にパルス電力を出力させる。パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差を１８０度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、この位相差が１８０度に設定されてパルス変調された第１及び第２の出力を第２のパルス電力と呼ぶ。
（４）第１及び第２のパルス電力のパルス立ち上がり時間をパルス周期Ｔｏの半分の時間、例えば、０．７５ｍ秒ずらす。これにより、第１及び第２のパルス電力を時間的に交互に供給することが可能となる。
（５）高周波電源２０の出力を所要の電力値に、例えば、第１及び第２のパルス電力をそれぞれ、３ＫＷに設定する。
【００７７】
ところで、上記第１のパルス電力が第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給されると、アンテナ２ａ、２ｂから電力波が放射される。その様子を模式的に図８に示す。
第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂからパルス状に供給される電力の電圧波は、同一電源から発振され、互いに空洞共振器１内部を伝播していくので、すなわち、両者は互いに向かい合った方向から伝播しあって重なり合うので、干渉現象が発生する。
図８において、第１のアンテナ２ａ側から第２のアンテナ２ｂの方向の距離をｘとし、ｘの正方向へ伝播する電圧波をＷａ（ｘ、ｔ）、ｘの負方向へ伝播する電圧波、即ち第２のアンテナ２ｂ側から第１のアンテナ２ａの方向へ伝播する電圧波をＷｂ（ｘ，ｔ）とすると、次のように表現される。
Ｗａ（ｘ、ｔ）＝Ｖ１・ｓｉｎ（ωｔ＋２πｘ／λ）
Ｗｂ（ｘ、ｔ）＝Ｖ１・ｓｉｎ｛ωｔ−２π（ｘ−Ｌ０）／λ＋Δθ｝
ただし、Ｖ１は電圧波の振幅、ωは電圧の角周波数、λは電圧波の波長、ｔは時間、Ｌ０は第１及び第２のアンテナの間隔、Δθは第１のアンテナから放出される電力の電圧波と第２のアンテナから放出される電力の電圧波の位相差である。この２つの電圧波の合成波Ｗ１（ｘ、ｔ）は次式のようになる。
Ｗ１（ｘ、ｔ）＝Ｗａ（ｘ、ｔ）＋Ｗｂ（ｘ、ｔ）
＝２・Ｖ１ｃｏｓ｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝・ｓｉｎ｛ωｔ＋（πＬ０／λ＋Δθ／２）
上記合成波Ｗ１（ｘ、ｔ）は、次に示すような性質を有する。即ち、Δθ＝０の場合、生成されるプラズマの強さは２つのアンテナ間の中央部（ｘ＝Ｌ０／２）が強く、該中央部から離れるにしたがって弱くなる。Δθ＞０の場合、プラズマの強い部分が一方の給電点側へ移動し、Δθ＜０の場合、他方の給電点側へ移動する。
電力の強さは、電界の二乗に比例する。これは電圧波の振幅値の二乗に比例する、という意味である。即ち、電力の強さＩ１（ｘ、ｔ）は、
Ｉ１（ｘ、ｔ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝Ｉ１（ｘ）・・・時間的に変動しない。
と表される。
【００７８】
上記第３のステップにおいて、第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂから、第１のパルス電力（位相差＝零度）と第２のパルス電力（位相差＝１８０度）が異なる時間帯に交互に放射されるので、空洞共振器１内部の電力の強さはその２つの電力が重畳される。
即ち、第１のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ１（ｘ）と表わし、第２のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ２（ｘ）と表わすと、次のようになる。
Ｉ１（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
Ｉ２（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−９０°｝
＝ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
この電力の強さＩ１（ｘ）及びＩ２（ｘ）を模式的に図９に示す。
空洞共振器１内部の電力の強さＩ（ｘ、ｔ）は第１及び第２のパルス電力の周期より長い時間で見ると、次式で表わされるように、波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
プラズマの強さは電力の強さに比例するので、空洞共振器１内部のプラズマの強さは一様となる、ということを示している。
また、上式は、第１及び第２のパルス電力の位相差の設定において、±５度程度のずれが生じても、空洞共振器１内部の電力の強さ、即ち、プラズマの強さはほぼ一様となることを示している。
【００７９】
上記第３のステップでの第１のパルス電力及び第２のパルス電力で、１０〜２０分程度の時間、プラズマを生成すると、基板９に微結晶シリコン膜が堆積する。なお、シランガスの他に大量の水素ガスが供給されるので、得られる膜はアモルファスＳｉではなく、微結晶膜になる。
ここで、不活性ガス噴出孔３から噴出する水素（Ｈ２）及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するシランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスのプラズマ化及びラデイカル種の生成について説明する。
空洞共振器１の上面に位置する不活性ガス噴出孔３から噴出した水素（Ｈ２）は第１及び第２のパルス電力でプラズマ化される。水素（Ｈ２）がプラズマ化されると、化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）が多量生成され、そして、Ｈ２→Ｈ＋Ｈの反応が起こり、多量の原子状Ｈが生成される。その結果、空洞共振器１に生成された多量の化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）と多量の原子状Ｈは、貫通孔７から基板処理室４に拡散し、基板処理室４に流入する。
基板処理室４の上面には、第１のパルス電力及び第２のパルス電力の貫通孔７から漏れによる電界が発生している。この電界の強さは貫通孔７の大きさに影響されるが、水素（Ｈ２）やシランガス（ＳｉＨ４より）をプラズマ化するには十分な強さである。なお、本実施例では、貫通孔７のサイズは５ｍｍｘ５ｍｍ程度である。
基板処理室４の上面に位置する反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスがプラズマ化されると、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３の反応が起こる。この反応は、プラズマが強い場合、ジシラン（ＳｉＨ２＋ＳｉＨ４→Ｓｉ２Ｈ６）やトリシラン（ＳｉＨ２＋Ｓｉ２Ｈ６→Ｓｉ３Ｈ８）等のダスト（パウダー）が形成されるが、プラズマが弱く、かつ、大量の原子状Ｈがあれば、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３、及びＨ＋ＳｉＨ４→Ｈ２＋ＳｉＨ３の反応が起こり易い。なお、プラズマでの電子エネルギーが８．７５ｅＶ以上であればＳｉＨ３が生成され、９．４７ｅＶ以上であればＳｉＨ２が生成されることが、一般に知られている。
基板処理室４上面近傍において、貫通孔７から流入する大量の原子状Ｈ及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスのプラズマ化によって、基板９に微結晶シリコン膜が堆積される。
【００８０】
その膜厚分布は、空洞共振器１内部の電界分布Ｉｆ（ｘ）、即ち次式に比例した形となる。
Ｉｆ（ｘ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
ただし、Ｉ（ｘ）は膜の厚み、ｘは基板中央からその周辺方向への距離、λは使用電力の波長（プラズマ中での波長）である。
結晶化率の測定には、ラマンスペクトル分析器を用い、膜中の結晶Ｓｉピーク（５１７ｃｍ−１）ＩｃとアモルファスＳｉピーク（４７０〜４８０ｃｍ−１）Ｉａを求めて、結晶化率（％）＝１００ｘＩｃ／（Ｉａ＋Ｉｃ）と定義し、評価される。
【００８１】
上述のように、実施例２によれば、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂの上流側に上記供給電力の反射波及び干渉波は戻らない。その結果、電力供給の流れで見て、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂより上流側の電力電送線路には反射波及び干渉波が戻らないので、従来の装置で起こる焼損（破損）問題は発生しない。
また、インピーダンスの整合において、第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂのそれぞれのリアクタンス（ＬとＣ）を調整は、時間をずらして別々に行うので、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）の影響はない。
第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂを同時に用いる場合においても、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）は第１及び第２の無反射終端器５２ａ、５２ｂ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、それぞれの干渉波の影響はない。
したがって、本実施例では、従来の技術では問題視される電力供給線路での定在波の発生に起因する装置の破損（焼損）問題及びインピーダンス整合の不適合の問題は、解消される。
また、プラズマの強さが波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
したがって、基板サイズが大面積であっても製膜される膜の厚み分布は一様になる。
【００８２】
（実施例３）
本発明の第３の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理装置を用いたシリコン系膜の製造方法を図１２〜図１４を参照して説明する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
図１２は本発明の第３の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な外観図である。図１３は図１２のＡ−Ａ線の断面図であり、基板処理室と空洞共振器の説明図である。図１４は図１２のＢ−Ｂ線の断面図であり、基板処理室と空洞共振器の説明図である。
なお、本実施例ではプラズマを利用した製膜装置、即ち、プラズマＣＶＤ装置を説明しているので、放電用ガスにシラン（ＳｉＨ４）及び水素（Ｈ２）を用いているが、プラズマを利用したエッチング装置、即ち、プラズマエッチング装置の場合には、放電用ガスにエッチング用ガス、例えば、塩素（Ｃｌ２）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）などが用いられる。また、プラズマによるスパッタ装置の場合には、Ａｒ、Ｎ２、Ｏ２などが用いられる。
【００８３】
先ず、装置の構成について、図１２〜図１４を参照して説明する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
図１２〜図１４において、符番６０、符番６１、及び符番６２以外は、実施例１で示した図１〜図９と同じである。装置構成部材の中で実施例１と同じものは説明を省略する。
【００８４】
符番６１はリッジである。リッジ６１は長辺ａと短辺ｂを有する矩形導波管の長辺ａに設けられ、該矩形導波管の中央部分の間隙を短辺ｂ側に比べて短くする。
符番６０はリッジを有する導波管である。一般に、リッジを有する導波管は電力を送信する能力がリッジの無い導波管に比べて増大するということが、知られている。リッジを有する導波管６０は中心軸に直交した面での断面形状が図１４に示されているように、Ｈ型をしている。そして、中央部分（Ｈの横棒に相当する部分）の上面と下面の間隙ｄと両端部（Ｈの縦棒に相当する部分）の間隙ｄはほぼ同じである。ここでは、１ｃｍ〜３０ｃｍ程度の範囲で、例えば３ｃｍとする。
リッジを有する導波管６０の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にはそれぞれ第１のアンテナ２ａ及び第２のアンテナ２ｂが設置されている。
リッジを有する導波管６０の上面８には不活性ガスを噴出する不活性ガス噴出孔３が設置されている。また、リッジを有する導波管６０の下面６には、該下面６と基板処理室４の壁（ここでは基板処理室の上面５と呼ぶ）を貫通する貫通孔７が多数設置されている。
なお、この貫通孔７はリッジを有する導波管６０内部で生成される電界の一部分を基板処理室の上面５に漏洩させるという作用を有する。
リッジを有する導波管６０の材料はアルミニウム、アルミニウム系合金、あるいはＳＵＳ等の金属で、例えばアルミニウムである。サイズは、使用する電力の波長に依存するが、例えば、外寸法で、長さ２ｍｘ幅０．６ｍｘ高さ５ｃｍ（幅方向の両端部での高さ６０ｃｍとする。また、リッジを有する導波管６０の壁外部には図示しない冷媒を通すパイプが設置されており、空洞共振器１の温度を制御することが可能である。
符番６２はリッジ連結部である。リッジ連結部６２は、リッジを有する導波管６０を備えた空洞共振１器の中心軸両端部とリッジを接続する部分である。ここでは、リッジ連結部６２を曲線的にしているが、階段状に接続しても良い。
【００８５】
次に、上述のプラズマ表面処理装置を用いて、微結晶シリコン膜を製膜する方法を説明する。図１０、図１１を参照する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
【００８６】
図１３及び図１４において、予め、基板９を基板保持台１０に設置し、図示しない真空ポンプを稼動させ、空洞共振器１及び基板処理室４内の空気及び不純物ガス等を除去した後、放電用ガス供給源から不活性ガス供給管１１及び不活性ガス噴出孔３を介して水素（Ｈ２）ガスを噴出させるとともに、シランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスを反応性ガス供給管１２及び反応性ガス噴出孔１３を介して基板処理室４内に噴出させる。
不活性ガス噴出孔３から噴出させる水素（Ｈ２）の流量は、１〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５ＳＬＭとする。反応性ガス噴出孔１３から噴出させる混合ガスは、混合比を水素（Ｈ２）／シランガス（ＳｉＨ４）＝１０／１〜１／１の範囲、例えば、２／１とし、混合ガスの流量を、２〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５．０ ＳＬＭを供給する。空洞共振器１及び基板処理室４内部の圧力は、１３３．３〜５３３．２Ｐａ（１〜４Ｔｏｒｒ）の範囲、例えば、１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）に維持する。基板温度は１００〜３５０℃の範囲、例えば２２０℃に保持する。
なお、基板９のサイズは、基板保持台１０のサイズに合わせて、長さ１ｍｘ幅４０ｃｍ（厚み４ｍｍ）とする。
【００８７】
次に、高周波電源２０の出力を、以下に示す手順で、第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給する。図１３及び図１４を参照する。また、なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
【００８８】
第１のステップ（第１の工程）：高周波電源２０と第１のアンテナ２ａとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂの接続を遮断する（第２の３端子サーキュレータ５０ｂに接続された同軸ケーブル２２ｂを引き抜く）。
（２）高周波電源の第１の出力２０ａの周波数を選定し、例えば７０ＭＨｚとし、その出力２０ａの所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、その出力２０ａを同軸ケーブル２１ａ、第１の整合器３２ａ、第１の３端子サーキュレータ５０ａ、同軸ケーブル２３ａ、第１の電流導入端子２５ａを介して第１のアンテナ２ａに供給する。
ただし、第２の出力２０ｂはゼロに保持しておく。
（３）第１のアンテナ２ａからの反射波Ｗａ（１１）を第１の検出器５４ａで検出し、検出された電力値が最小になるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整するとともに、第２の電力検出器５４ｂで検出された電力値が最大となるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。即ち、第２の整合器３２ｂと第２のサーキュレータ５０ｂの接続を遮断した状態で、第１の電力検出器５４ａで検出される電力値が最小で、かつ、第２の電力検出器５４ｂで検出される電力値が最大となるように、第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。
（４）第１の整合器３２ａは、この調整された状態を保持する。
（５）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂを接続する。
【００８９】
第２のステップ（第２の工程）：高周波電源２０と第２のアンテナ２ｂとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）第１の整合器３２ａと第１の３端子サーキュレータ５０ａの接続を遮断する（第１の３端子サーキュレータ５０ａに接続された同軸ケーブル２２ａを引き抜く）。
（２）高周波電源の第２の出力２０ｂを所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数は上記ステップ１と同じとし、パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、同軸ケーブル２１ｂ、第２の整合器３２ｂ、第２の３端子サーキュレータ５０ｂ、同軸ケーブル２３ｂ、第２の電流導入端子２５ｂを介して第２のアンテナ２ｂに供給する。ただし、第１の出力２０ａはゼロに保持しておく。
（３）第２のアンテナ２ｂからの反射波Ｗｂ（１１）を第２の検出器５４ｂで検出し、検出された電力値が最小になるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整するとともに、第１の電力検出器５４ａで検出された電力値が最大となるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。即ち、第１の整合器３２ａと第１のサーキュレータ５０ａの接続を遮断した状態で、第２の電力検出器５４ｂで検出される電力値が最小で、かつ、第１の電力検出器５４ａで検出される電力値が最大となるように、第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。
（４）第２の整合器３２ｂは、この調整された状態を保持する。
（５）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂを接続する。
【００９０】
第３のステップ（第３の工程）：次の手順により、高周波電源２０の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂを所定の値に調整して、その出力をそれぞれ第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給する。
（１）高周波電源の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂをパルス変調し、その出力を所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数を第１及び第２のステップと同じ周波数とする。例えば７０ＭＨｚとする。
（２）先ず、第１のパルス電力として、次の設定を行う。パルス幅Ｈｗを１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧（正弦波）の位相差をゼロ度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差が零度に設定されたパルス変調された第１及び第２の出力を、第１のパルス電力と呼ぶ。
（３）次に、第２のパルス電力として、次の設定を行う。第１のパルス電力と異なる時間帯にパルス電力を出力させる。パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差を１８０度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、この位相差が１８０度に設定されてパルス変調された第１及び第２の出力を第２のパルス電力と呼ぶ。
（４）第１及び第２のパルス電力のパルス立ち上がり時間をパルス周期Ｔｏの半分の時間、例えば、０．７５ｍ秒ずらす。これにより、第１及び第２のパルス電力を時間的に交互に供給することが可能である。
（５）高周波電源２０の出力を所要の電力値に、例えば、第１及び第２のパルス電力をそれぞれ、５ＫＷに設定する。なお、実施例３では、実施例１及び２の場合に比べて、リッジを有する導波管６１の作用により、供給電力を増大できる。
【００９１】
上記第３のステップにおいて、実施例１及び２の場合と同様に、第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂから、第１のパルス電力（位相差＝零度）と第２のパルス電力（位相差＝１８０度）が時間的に交互に放射されるので、空洞共振器１内部の電力の強さはその２つの電力が重畳される。
即ち、第１のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ１（ｘ）と表わし、第２のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ２（ｘ）と表わすと、次のようになる。
Ｉ１（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
Ｉ２（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−９０°｝
＝ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
この電力の強さＩ１（ｘ）及びＩ２（ｘ）を模式的に図９に示す。
空洞共振器１内部の電力の強さＩ（ｘ、ｔ）は第１及び第２のパルス電力の周期より長い時間で見ると、次式で表わされるように、波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
プラズマの強さは電力の強さに比例するので、空洞共振器１内部のプラズマの強さは一様となる、ということを示している。
また、上式は、第１及び第２のパルス電力の位相差の設定において、±５度程度のずれが生じても、空洞共振器１内部の電力の強さ、即ち、プラズマの強さはほぼ一様となることを示している。
【００９２】
上記第３のステップでの第１のパルス電力及び第２のパルス電力で、１０〜２０分程度の時間、プラズマを生成すると、基板９に微結晶シリコン膜が堆積する。なお、シランガスの他に大量の水素ガスが供給されるので、得られる膜はアモルファスＳｉではなく、微結晶膜になる。
ここで、不活性ガス噴出孔３から噴出する水素（Ｈ２）及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するシランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスのプラズマ化及びラデイカル種の生成について説明する。
空洞共振器１の上面に位置する不活性ガス噴出孔３から噴出した水素（Ｈ２）は第１及び第２のパルス電力でプラズマ化される。水素（Ｈ２）がプラズマ化されると、化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）が多量生成され、そして、Ｈ２→Ｈ＋Ｈの反応が起こり、多量の原子状Ｈが生成される。その結果、空洞共振器１に生成された多量の化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）と多量の原子状Ｈは、貫通孔７から基板処理室４に拡散し、基板処理室４に流入する。
基板処理室４の上面には、第１のパルス電力及び第２のパルス電力の貫通孔７から漏れによる電界が発生している。この電界の強さは貫通孔７の大きさに影響されるが、水素（Ｈ２）やシランガス（ＳｉＨ４より）をプラズマ化するには十分な強さである。なお、本実施例では、貫通孔７のサイズは５ｍｍｘ５ｍｍ程度である。
基板処理室４の上面に位置する反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスがプラズマ化されると、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３の反応が起こる。この反応は、プラズマが強い場合、ジシラン（ＳｉＨ２＋ＳｉＨ４→Ｓｉ２Ｈ６）やトリシラン（ＳｉＨ２＋Ｓｉ２Ｈ６→Ｓｉ３Ｈ８）等のダスト（パウダー）が形成されるが、プラズマが弱く、かつ、大量の原子状Ｈがあれば、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３、及びＨ＋ＳｉＨ４→Ｈ２＋ＳｉＨ３の反応が起こり易い。なお、プラズマでの電子エネルギーが８．７５ｅＶ以上であればＳｉＨ３が生成され、９．４７ｅＶ以上であればＳｉＨ２が生成されることが、一般に知られている。
基板処理室４上面近傍において、貫通孔７から流入する大量の原子状Ｈ及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスのプラズマ化によって、基板９に微結晶シリコン膜が堆積される。
【００９３】
その膜厚分布は、空洞共振器１内部の電界分布Ｉｆ（ｘ）、即ち次式に比例した形となる。
Ｉｆ（ｘ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
ただし、Ｉ（ｘ）は膜の厚み、ｘは基板中央からその周辺方向への距離、λは使用電力の波長（プラズマ中での波長）である。
結晶化率の測定には、ラマンスペクトル分析器を用い、膜中の結晶Ｓｉピーク（５１７ｃｍ−１）ＩｃとアモルファスＳｉピーク（４７０〜４８０ｃｍ−１）Ｉａを求めて、結晶化率（％）＝１００ｘＩｃ／（Ｉａ＋Ｉｃ）と定義し、評価される。
【００９４】
上述のように、実施例１によれば、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂの上流側に上記供給電力の反射波及び干渉波は戻らない。その結果、電力供給の流れで見て、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂより上流側の電力電送線路には反射波及び干渉波が戻らないので、従来の装置で起こる焼損（破損）問題は発生しない。
また、インピーダンスの整合において、第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂのそれぞれのリアクタンス（ＬとＣ）を調整は、時間をずらして別々に行うので、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）の影響はない。
第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂを同時に用いる場合においても、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）は第１及び第２の無反射終端器５２ａ、５２ｂ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、それぞれの干渉波の影響はない。
したがって、本実施例では、従来の技術では問題視される電力供給線路での定在波の発生に起因する装置の破損（焼損）問題及びインピーダンス整合の不適合の問題は、解消される。
また、プラズマの強さが波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
したがって、基板サイズが大面積であっても製膜される膜の厚み分布は一様になる。
【００９５】
（実施例４）
本発明の第４の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理装置を用いたシリコン系膜の製造方法を説明する。
実施例１〜３では、図２、図１０及び図１３に示すように、基板製膜室４は基板９を固定して製膜する方法を説明した。
実施例４では、図示しない基板搬送装置を用いて、空洞共振器１あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器６０の中心軸に直交する方向に基板を動かしながら製膜を行う。基板を動かしながら製膜を行う方法及び装置は、プラズマ発生源を除いて、特に困難な技術的問題はない。
図２、あるいは、図１０、あるいは図１３における基板処理室４に、空洞共振器１の軸芯に直交する方向に基板９を移動することが出来る図示ない基板搬送装置を設置する。そして、基板９を動かしながら実施例１〜３で説明した方法と同様な方法で基板に処理を行う。
この方法では、基板の移動方向における基板寸法に制限がないので、基板形状が長尺の板状の場合でも、ロール状のフイルム状の場合でも、特に問題なく、プラズマ処理が行える、という応用上のメリットがある。
【符号の説明】
【００９６】
１・・・空洞共振器、
１ａ・・・矩形導波管、
１ａａ、１ａｂ・・・第１及び第２の電力導入部、
２ａ、２ｂ・・・第１及び第２のアンテナ、
３・・・不活性ガス噴出孔、
４・・・基板処理室、
７・・・貫通孔、
９・・・基板、
１０・・・基板保持台、
１３・・・反応ガス噴出孔、
２５ａ、２５ｂ・・・第１及び第２の電流導入端子、
２０・・・高周波電源、
３２ａ、３２ｂ・・・第１及び第２の整合器、
５０ａ、５０ｂ・・・第１及び第２の３端子サーキュレータ、
５２ａ、５２ｂ・・・第１及び第２の無反射終端器、
５３ａ、５３ｂ・・・第１及び第２の方向性結合器、
５４ａ、５４ｂ・・・第１及び第２の電力検知器、
６０・・・リッジを有する導波管、
６１・・・リッジ、
７０ａ、７０ｂ・・・第１及び第２の検知用アンテナ、
７３ａ７３ｂ・・・第１及び第２の電波検知装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを利用して基板の表面に所定の処理を施すプラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置に関する。特に、薄膜太陽電池、薄膜トランジスタ、電子写真用感光体及び半導体デバイ等に用いられる薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置、並びに各種電子デバイスの微細加工に用いられるプラズマエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜太陽電池の発電膜であるアモルファスＳｉ膜及び微結晶Ｓｉ膜、並びに液晶デイスプレイの等薄膜トランジスタ等の絶縁性薄膜（窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等）の形成へのプラズマＣＶＤ装置の応用では、製造する製品の生産コストの低減のために、製膜の高速化、高品質化及び基板サイズの大面積化（１ｍｘ１ｍを超える面積）に関するニーズが強くなっている。
また、多結晶シリコン太陽電池の反射膜及びパッシベーション膜等に用いられる窒化シリコン膜及び酸化シリコン膜等の形成へのプラズマＣＶＤ装置の応用においても、同様のニーズがある。
プラズマエッチング装置についても、エッチング微細加工精度の向上及び基板サイズの大面積化が求められている。
このようなニーズに対応可能なプラズマ表面処理装置には、例えば、平行平板電極を用いた容量結合型高周波プラズマ表面処理装置、アンテナを用いた誘導結合型高周波プラズマ表面処理装置及び導波管（空洞共振器）を用いたマイクロ波プラズマ表面処理装置があり、それぞれに実用化されている。
【０００３】
表面処理の高速化を図るには、一般にプラズマ密度を高くすることが最も効果的である（プラズマ密度はプラズマ生成に用いる電源周波数に比例して増大する）ことから、プラズマ励起周波数をＶＨＦ帯域（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）あるいはＵＨＦ帯域(３００ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚ）にしたプラズマ表面処理装置が開発されている。
微結晶シリコンの製膜への応用においては、プラズマ励起周波数の増大に加えて、プラズマ生成の際の圧力を高くすることが高品質で高速の膜形成により一層、効果的であることが知られている（非特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、プラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置の応用において、従来技術には、いろいろな課題が依然として残されている。
ＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）のプラズマ表面処理装置では、例えば、薄膜太陽電池の発電膜であるアモルファスＳｉ膜及び微結晶Ｓｉ膜、並びに液晶デイスプレイの等薄膜トランジスタ等の絶縁性薄膜（窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等）等の製造への応用、多結晶シリコン太陽電池の反射膜及びパッシベーション膜等の製造への応用において、大面積基板への対応は可能であるが、製膜速度が遅いという問題がある。したがって、生産コストの低減を図るというニーズには対応困難である。
【０００５】
ＶＨＦのプラズマ表面処理装置では、例えば、薄膜太陽電池の発電膜であるアモルファスＳｉ膜及び微結晶Ｓｉ膜、並びに液晶デイスプレイの等薄膜トランジスタ等の絶縁性薄膜（窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等）等の製造への応用、多結晶シリコン太陽電池の反射膜及びパッシベーション膜等の製造への応用において、高品質で高速製膜が可能であるが、プラズマ生成で定在波が発生することから、一般的には大面積基板への応用が出来ないという問題がある（非特許文献２）。
電極に平行平板型を用いる場合、供給される電力の約５０％が電力電送路及び電極の裏面側と側面側等で消費され、プラズマの生成に消費されるのは約５０％あり、投入電力のプラズマ生成への有効活用化についての問題が指摘されている（非特許文献３）。これは、電極に平行平板型を用いるプラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置の応用において、供給される電力がプラズマ生成に利用される効率が著しく悪いということを意味している。即ち、電極に平行平板型を用いる場合には供給電力の損失が大きい。
ＶＨＦプラズマによる大面積基板への対応事例として、例えば、特許文献１及び２に記載の位相変調方式によるＶＨＦプラズマ表面処理装置がある。これは、高品質で高速製膜が可能で、１．４ｍｘ１ｍ級大面積基板への応用も可能である。しかしながら、製膜の不均一性は±１５〜２０％程度であり、インピーダンスの整合が困難であることに加えて、電力供給回路に破損が生じることがあるという欠点が指摘されている（特許文献１及び２参照）。即ち、一般的に大面積化が困難であるＶＨＦプラズマによる大面積基板の表面処理が容易に実現できるという特長があるが、供給電力を位相変調することに起因するインピーダンス整合の不適合及びそれに起因すると見られる電力供給回路のジュール熱による破損問題を抱えている。
また、ＶＨＦプラズマによる大面積基板への対応事例として、例えば、特許文献３に記載の定在波重畳方式によるＶＨＦプラズマ表面処理装置がある。これはは、一般的に大面積化が困難であるＶＨＦプラズマによる大面積基板の表面処理が容易に実現できる。この方式は、プラズマ生成における不均一性は±１０％程度であり、インピーダンスの整合も容易であることから、実用化が期待されている。しかしながら、まだ開発段階にある（特許文献３）。
【０００６】
２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマ表面処理装置は、主として、電子デバイスのエッチングに用いられている。基板面積は８〜１２インチ程度で、薄膜太陽電池への応用（面積１ｍｘ１ｍ級以上）に比べると、小面積である。圧力は約１ＫＰａ程度以下であり、薄膜太陽電池への応用（約１ＫＰａ程度以上）に比べると、低圧力条件である。
プラズマ生成室は、マイクロ波電力の供給手段で分けると、アンテナ型と導波管型がある（特許文献４〜９）。プラズマ処理室は、プラズマ生成室に隣接して設置され、その間に誘電体窓（例えば、石英）が配置される。プラズマ生成に必要な電磁波エネルギーは、誘電体窓からプラズマ処理室へ放射される。
なお、特許文献４には、マイクロ波伝播での波面の均一化方法及びその手段、及び定在波の電波伝播方向における減衰抑制方法が記載されている。また、特許文献５には、空洞共振器と基板処理室を連結した構造を有するプラズマ表面処理装置が記載されている。また、特許文献６には、空洞共振器に高周波電力を供給する際に用いられるアンテナの構造が記載されている。
【０００７】
最近、リッジを有する導波管を用いたプラズマ表面処理装置が提案されている（特許文献７〜９）。リッジを活用することにより、導波管内部の電界分布が均一化されるとのことである。
特許文献７〜９には、リッジを有する導波管を用いたプラズマ表面処理装置のエッチングや製膜への応用に関わる装置構成が記載されている。なお、特許文献８及び９には、誘電体窓（例えば、石英）を用いないで、開口を設置してその開口から電磁波エネルギーを放射するような構成が示されている。
しかしながら、２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマ表面処理装置及びリッジを有する導波管を用いたプラズマ表面処理装置の大面積基板を対象にした大面積化（面積１ｍｘ１ｍ級以上面積１ｍｘ１ｍ級以上）への応用は、まだ実現できていない（特許文献４〜９）。
【０００８】
【特許文献１】特許第４７８６２８９号（図１〜図５、図８）
【特許文献２】特開２００２−１１０５６６（図１、図３）
【特許文献３】特許第４２６４９６２号（図１〜図６、図１１〜１２）
【特許文献４】特開平１１−４５７９９（図１〜図３、図１２〜図１４）
【特許文献５】特開平１１−１９５５００（図１、図２、図５〜図８）
【特許文献６】特開平０８−１８６４１０（図１〜図４）
【特許文献７】特表平０４−５０４６４０（図１、図５、図９、図１０）
【特許文献８】特表２００１−５１８６７８（図１〜図５、図６〜図８）
【特許文献９】特開２０１１−３５３２７（図１、図７〜図１３）
【０００９】
【非特許文献１】Ａ．Ｐｅｒｒｅｔ、Ｐ．Ｃｈａｂｅｒｔ、Ｊ．Ｐ．Ｂｏｏｔｈ、Ｊ．Ｊｏｌｌｙ、Ｊ．Ｇｕｉｌｌｏｎ ａｎｄ Ｐｈ．Ａｕｖｒａｙ：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．８３、Ｎｏ．２（１４ Ｊｕｌｙ ２００３）、２４３−２４５．
【非特許文献２】Ｍ．Ｋｏｎｄｏ、Ｍ．Ｆｕｋａｗａ、Ｌ．Ｇｕｏ、Ａ．Ｍａｔｓｕｄａ：Ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｔ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ ２６６−２６９（２０００）、８４−８９．
【非特許文献３】Ｊ．Ａ．Ｂａｇｇｅｒｍａｎ、Ｒ．Ｊ．Ｖｉｓｓｅｒ、ａｎｄ Ｅ．Ｊ．Ｈ．Ｃｏｌｌａｒｔ：Ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ａ ｌｏｗ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｎ２ ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、Ｖｏｌ．７６、Ｎｏ．２、１５ Ｊｕｌｙ １９９４、７３８−７４６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のプラズマ表面処理装置は、プラズマ励起周波数として１３．５６ＭＨｚを用いると、製膜速度やエッチング速度が遅い、という問題がある。
製膜速度あるいはエッチング速度の高速化を図るには、プラズマ密度を増大化する必要があり、高密度プラズマを生成するには、励起周波数のＶＨＦ化あるいはＵＨＦ化が必要で、かつ、プラズマ生成の電力を増大させる必要がある。
励起周波数をＶＨＦ化あるいはＵＨＦ化すると、波長が短くなるので電極に定在波が発生し、均一なプラズマの生成は困難という、問題がある。電力を増大すると、反射波及び定在波等によるジュール熱により電力供給線路が破損するという問題が起こる。
その結果、面積１ｍｘ１ｍ程度以上の大面積基板を対象にしたプラズマ表面処理の高速化は困難であるという、問題がある。
近年、薄膜太陽電池の発電膜であるアモルファスＳｉ膜及び微結晶Ｓｉ膜、並びに液晶デイスプレイの等薄膜トランジスタ等の絶縁性薄膜（窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等）の形成、多結晶シリコン太陽電池の反射膜及びパッシベーション膜の形成及びエッチング微細加工等の分野における生産コストの低減を目指した基板サイズの大面積化（１ｍｘ１ｍを超える面積）に関するプラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置について開発研究が行われている。しかしながら、生産コスト低減の実現に必要な、高速で、かつ、基板サイズの大面積化（１ｍｘ１ｍを超える面積）が可能なプラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置は出現していない。
したがって、製品の生産コスト低減を実現するために必要な、製膜の高速化、高品質化及び基板サイズの大面積化（１ｍｘ１ｍを超える面積）に関するニーズに対応できない、という課題がある。
【００１１】
本発明は、上記課題の解決を目的とするものである。即ち、従来のプラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理方法が有する上記の問題を解消することが可能なプラズマ表面処理方法及びプラズマ表面処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、上記の課題を解決可能なアイデイアを見出した。
【００１３】
本願に係る第１の発明のプラズマ表面処理方法は、矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスをそれぞれ整合する第１及び第２の整合器と、を具備したプラズマ表面処理装置を用いて、基板の表面をプラズマ処理するプラズマ表面処理方法において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
なお、上記無反射終端器は、反射波吸収負荷と呼ばれることもある。無反射終端器は入力された電力の反射を抑制し、その電力を電気抵抗で消費し、吸収するものである。
【００１５】
本願に係る第２の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第１の発明のプラズマ表面処理方法において、前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるとともに、
前記第１の３端子サーキュレータと前記第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器を配置し、前記第２の３端子サーキュレータと前記第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器を配置するとともに、該第１の電力検知器で検知される電力値及び第２の電力検知器で検知される電力値がそれぞれ最小値となるように、前記第１及び第２の整合器のリアクタンスをそれぞれに調整するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
本願に係る第３の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第１あるいは２の発明のいずれか一つの発明のプラズマ表面処理方法において、前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるとともに、
前記空洞共振器の中心軸上の前記第１のアンテナ側の端部に第１の電波検知装置を配置し、前記空洞共振器の中心軸上の前記第２のアンテナ側の端部に第２の電波検知装置を配置して、該第１の電波検知装置で検知される電波の強さ及び該第２の電波検知装置で検知される電波の強さが最大値となり、かつ、前記第１の電力検知器で検知される電力値及び前記第２の電力検知器で検知される電力値とが最小値となるように、前記第１及び第２の整合器のリアクタンスをそれぞれに調整するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
本願に係る第４の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第２の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第１のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
本願に係る第５の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第２の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第２のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とする。
【００１９】
本願に係る第６の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第３の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第１のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第２の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とする。
【００２０】
本願に係る第７の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第３の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第２のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第１の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とする。
【００２１】
本願に係る第８の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第２の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源の出力を前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータと前記第１のアンテナから成る第１の電力供給手段と、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータと前記第２のアンテナから成る第２の電力供給手段を用いて前記空洞共振器に供給するに際し、
該第２の整合器と該第２のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第２の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するという第１の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第１の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するという第２の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータを接続し、該第２の整合器と該第２のサーキュレータを接続し、該第１の工程及び該第２の工程で選定された該第１及び第２の整合器のリアクタンスを維持しつつ、該高周波電源の出力が該第１及び第２のアンテナから該空洞共振器へ供給されるという第３の工程と、から成ることを特徴とする。
【００２２】
本願に係る第９の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第３の発明のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源の出力を前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータと前記第１のアンテナから成る第１の電力供給手段と、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータと前記第２のアンテナから成る第２の電力供給手段を用いて前記空洞共振器に供給するに際し、
該第２の整合器と該第２のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第２の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するという第１の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第１の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するという第２の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータを接続し、該第２の整合器と該第２のサーキュレータを接続し、該第１の工程及び該第２の工程で選定された該第１及び第２の整合器のリアクタンスを維持しつつ、該高周波電源の出力が該第１及び第２のアンテナから該空洞共振器へ供給されるという第３の工程と、から成ることを特徴とする。
【００２３】
本願に係る第１０の発明のプラズマ表面処理方法は、本願に係る第１から９までの発明のいずれか一つの発明のプラズマ表面処理方法において、前記第１及び第２のアンテナに供給される電力の電圧の位相差が零度である同相状態と、該第１及び第２のアンテナに供給される電力の電圧の位相差が１８０度である逆相状態とを、時間的に交互に発生させるようにしたことを特徴とする。
【００２４】
本願に係る第１１の発明のプラズマ表面処理装置は、プラズマを利用して気密性を有する反応容器に配置された基板の表面をプラズマ処理するプラズマ表面処理装置において、
矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、
該空洞共振器にアンテナを介して高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
排気系に接続された排気孔を有し、基板が載置される基板保持手段を備えた基板処理室と、を備え、該基板処理室が該空洞共振器に連結して設置され、該空洞共振器と該基板処理室を貫通する貫通孔を設置するとともに、該空洞共振器の壁に不活性ガスを噴出する不活性ガス噴出手段を配置し、該基板処理室側の該貫通孔の近傍に反応性ガスあるいは反応性ガスと不活性ガスを含む複数種類のガスの混合ガスを噴出する反応性ガス噴出手段を配置したことを特徴とする。
【００２５】
本願に係る第１２の発明のプラズマ表面処理装置は、矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスを整合する第１及び第２の整合器と、を具備し、生成されたプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理装置において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ第１及び第２の３端子サーキュレータが配置され、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ前記高周波電源の出力電力が供給され、
該第１及び第２の３端子サーキュレータに該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を消費させる第１及び第２の無反射終端器がそれぞれ接続されるとともに、
該第１のアンテナと該第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器が設置され、
該第２のアンテナと該第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器が設置されるという構造を有することを特徴とする。
【００２６】
本願に係る第１３の発明のプラズマ表面処理装置は、矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスを整合する第１及び第２の整合器と、を具備し、生成されたプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理装置において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ第１及び第２の３端子サーキュレータを配置されて、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ前記高周波電源の出力電力が供給され、
該第１及び第２の３端子サーキュレータに該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を消費させる第１及び第２の無反射終端器がそれぞれ接続されるとともに
該第１のアンテナと該第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器が設置され、該第２のアンテナと該第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器が設置され、
前記空洞共振器の中心軸上の該第１のアンテナ側の端部に電波の強さを検知する第１の電波検知装置が設置され、該空洞共振器の中心軸上の該第２のアンテナ側の端部に電波の強さを検知する第２の電波検知装置が設置されるという構造を有することを特徴とする。
【００２７】
本願に係る第１４の発明のプラズマ表面処理装置は、本願に係る第１１〜１３の発明のいずれか一つの発明のプラズマ表面処理装置において、前記高周波電源は前記空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置された第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相を調整する移相器を備え、前記第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相が同相である同相状態と、該前記第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相が１８０度である逆相状態の２つの状態を時間的に交互に切り替えるようにしたこと特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
従来技術では、励起周波数をＶＨＦ化あるいはＵＨＦ化すると、波長が短くなるので電極に定在波が発生し、均一なプラズマの生成は困難という、問題がある。プラズマ処理の高速化のために電力を増大すると、反射波及び定在波等によるジュール熱により電力供給線路が破損するという問題が起こる。その結果、面積１ｍｘ１ｍ程度以上の大面積基板を対象にしたプラズマ表面処理の高速化は困難であるという、問題がある。
本発明によれば、電力供給線路の焼損の主たる原因であるアンテナからの反射波を無反射終端器で消滅することが可能であり、インピーダンス整合での干渉波（反射波、及び反射波と同じ方向に伝播してくる電力）を無反射終端器で消滅することが可能である。また、
プラズマ生成で最も重要であるインピーダンスの整合が確実に実施可能である。即ち、反射波及び定在波等によるジュール熱により電力供給線路が破損という問題が解消できる。
また、従来のＶＨＦプラズマ技術での定在波によるプラズマの非一様化問題に関し、本発明では定在波重畳方式（腹の位置が異なる２つの定在波を異なる時間帯で交互に生成する方式）が応用可能であり、プラズマを一様化出来る。
したがって、本発明によれば、従来の方法及び装置では困難視されているプラズマ表面処理の高速化、大面積化、均一化、安定化が可能である。その結果、生産設備の稼働率及び製品の歩留まりが著しく向上する。この効果は産業上、極めて多大の価値を有する、と言える。
特に、半導体や電子デバイス等の分野における大面積基板を対象にした高速、高品質シリコン系膜製造での生産性向上及び製造コストの低減に寄与できる効果は著しく大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な外観図である。
【図２】図２は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な説明図（基板処理室と空洞共振器の断面図、高周波電力供給手段のブロック図）である。
【図３】図３は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、空洞共振器の壁と基板処理室の壁を貫通した貫通孔を示す平面図（空洞共振器内部から見たもの）である。
【図４】図４は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、空洞共振器の壁と基板処理室の壁の間に設置された反応性ガスあるいは反応性ガスと不活性ガスの混合ガスを噴出する反応性ガス噴出孔を示す平面図（基板処理室内部から見たもの）である。
【図５】図５は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、電力導入部を示す断面図である。
【図６】図６は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、第１及び第２のアンテナと電流導入端子と同軸ケーブルの接続を示す断面図である。
【図７】図７は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的なブロック図で、高周波電源から供給された電力の伝播経路を示す説明図である。
【図８】図８は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材である空洞共振器の内部を伝播する電磁波を模式的に示す説明図である。
【図９】図９は本発明の第１及び第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材である空洞共振器の内部に発生する電波の定在波を示す模式的な説明図である。
【図１０】図１０は本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な説明図（基板処理室と空洞共振器の断面図、高周波電力供給手段のブロック図）である。
【図１１】図１１は本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、電力導入部を示す断面図である。
【図１２】図１２は本発明の第３の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な外観図である。
【図１３】図１３は図１２のＡ−Ａ線の断面図であり、基板処理室と空洞共振器の説明図である。
【図１４】図１４は図１２のＢ−Ｂ線の断面図であり、基板処理室と空洞共振器の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下の実施例での説明では、プラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理装置を用いたシリコン膜の製造方法の一例として、シリコン系薄膜を製作する装置及び方法が記載されているが、本願の発明対象が下記の例に限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
先ず、本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理装置を用いたシリコン系膜の製造方法を図１〜図９を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な外観図である。図２は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な説明図（基板処理室と空洞共振器の断面図、高周波電力供給手段のブロック図）である。図３は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、空洞共振器の壁と基板処理室の壁を貫通した貫通孔を示す平面図（空洞共振器内部から見たもの）である。図４は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、空洞共振器の壁と基板処理室の壁の間に設置された反応性ガスあるいは反応性ガスと不活性ガスの混合ガスを噴出する反応性ガス噴出孔を示す平面図（基板処理室内部から見たもの）である。図５は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、電力導入部を示す断面図である。図６は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、第１及び第２のアンテナと電流導入端子と同軸ケーブルの接続を示す断面図である。図７は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的なブロック図で、高周波電源から供給された電力の伝播経路を示す説明図である。図８は本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材である空洞共振器の内部を伝播する電磁波を模式的に示す説明図である。図９は本発明の第１及び第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材である空洞共振器の内部に発生する電波の定在波を示す模式的な説明図である。
【００３２】
なお、本実施例ではプラズマ表面処理装置の一例として、プラズマを利用した製膜装置、即ち、プラズマＣＶＤ装置を説明しているので、放電用ガスにシラン（ＳｉＨ４）及び水素（Ｈ２）を用いているが、プラズマを利用したエッチング装置、即ち、プラズマエッチング装置の場合には、放電用ガスにエッチング用ガス、例えば、塩素（Ｃｌ２）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）などが用いられる。また、プラズマによるスパッタ装置の場合には、Ａｒ、Ｎ２、Ｏ２などが用いられる。
【００３３】
先ず、装置の構成を、図１〜図９を参照して説明する。
符番１は空洞共振器である。空洞共振器１は、断面形状が長辺ａと短辺ｂからなる矩形で、電磁波がＴＥ１０モードで共振する矩形導波管１ａと電力導入部１ａａ、１ａｂから構成される。なお、この材料はアルミニウム、アルミニウム系合金、あるいはＳＵＳ等の金属で、例えばアルミニウムである。サイズは、使用する電力の波長に依存するが、例えば、外寸法で、長さ２ｍｘ幅０．５ｍｘ高さ８ｃｍとする。また、空洞共振器１の壁外部には図示しない冷媒を通すパイプが設置されており、空洞共振器１の温度を制御することが可能である。
この空洞共振器１には、後述の放電用ガスをプラズマ化するための電力を供給する一対のアンテナ２ａ、２ｂ、即ち、空洞共振器１の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置された第１のアンテナ２ａ及び第２のアンテナ２ｂが設置されている。
また、この空洞共振器１の２つの長辺ａの一方（ここでは空洞共振器の上面８と呼ぶ）には、後述の放電用ガスとしての不活性ガス、例えば、水素、酸素、窒素等を噴出する不活性ガス噴出孔３が多数設置されている。
また、この空洞共振器１には、後述の基板処理室４の壁（ここでは基板処理室の上面５と呼ぶ）と空洞共振器１の２つの長辺ａの他方（ここでは空洞共振器の下面６と呼ぶ）を貫通した貫通孔７が多数設置されている。
【００３４】
符番４は基板処理室で、基板９を載置する基板保持台１０、及び排気管１４ａ、１４ｂを備えている。基板処理室４の形状は、箱形で、その材料はアルミニウム、アルミニウム系合金、あるいはＳＵＳ等の金属で、例えばアルミニウムである。サイズは、例えば、外寸法で、長さ１．６ｍｘ幅０．８ｍｘ高さ８０ｃｍとする。なお、基板処理室４の外壁は図示しない冷媒を通すパイプが設置されており、基板処理室４の温度を制御することが可能である。
符番７は貫通孔で、孔のサイズは３ｍｍｘ３ｍｍ〜２０ｍｍｘ２０ｍｍ程度（深さは１０〜３０ｍｍ、例えば２０ｍｍである）で、例えば５ｍｍｘ５ｍｍである。貫通孔７は、空洞共振器１と基板処理室４を貫通しているので、後述する空洞共振器１内部で発生の電力波の一部が基板処理室４へ漏洩し、電界を発生する。この電界は、後述するように、反応性ガス噴出孔１３から噴出するシランガス（ＳｉＨ４）や水素ガス（Ｈ２）をプラズマ化する。
符番１０は基板保持台で、図示しない基板ヒータを内臓し、その上に設置される基板９の温度を１００〜４５０℃の範囲で、任意の温度に設定可能である。なお、基板保持台１０は基板ヒータの他に、冷媒を通すパイプを内蔵しており、基板保持台１０の温度を制御することが可能である。また、基板保持台１０の形状は、例えば、矩形で、その材料は金属で、空洞共振器１に平行に設置される。その具体的なサイズは、例えば、外寸法で、長さ約１．３ｍｘ幅約５０ｃｍｘ高さ約２０ｃｍとする。
符番９は基板である。基板９は、図示しない基板搬入搬出装置で、基板保持台１０に設置され、また、取り出される。ここでは、この基板９に微結晶シリコン膜が形成される。
【００３５】
基板９の表面と基板処理室４の上面５の間隔は、図示しない移動手段で基板保持台１０を上下に作動させることにより、予め、任意に設定可能であり、５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲で、例えば３０ｍｍに設定される。
【００３６】
符番１１は不活性ガス供給管で、図示しない放電用ガス供給源から供給された、例えば、水素、酸素、窒素等の不活性ガスを不活性ガス噴出孔３に搬送する。不活性ガス噴出孔３は不活性ガスを噴出させる。噴出された不活性ガスは、貫通孔７を介して基板処理室４へ搬送される。なお、空洞共振器１及び基板処理室４の内部のガスは図示しない真空ポンプにより、後述の排気孔１４ａ、１４ｂを介して排気される。
不活性ガス噴出孔３から噴出される不活性ガスの流量は、図示しない放電用ガス供給源に付属の不活性ガスの流量計で、０．２〜２０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で設定される。
【００３７】
符番１２は、反応性ガス供給管である。反応性ガス供給管１２は図示しない放電用ガス供給源から供給された反応性ガス、例えば、シランガスＳｉＨ４あるいはシランガスＳｉＨ４と水素の混合ガスを反応性ガス噴出孔１３へ搬送させる。反応性ガス噴出孔１３はシランガスＳｉＨ４あるいはシランガスＳｉＨ４と水素の混合ガスを基板処理室４の上面５近傍に噴出させる。噴出された反応性ガスは、後述の排気孔１４ａ、１４ｂを介して排気される。
反応性ガス噴出孔１３から噴出される反応性ガスの流量は、図示しない放電用ガス供給源に付属の反応性ガスの流量計で、０．１〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で設定される。なお、シランガスＳｉＨ４と水素の混合ガスを供給する場合は、シランガスＳｉＨ４と水素の混合ガスの流量比Ｈ２／ＳｉＨ４＝０．５〜５０の範囲で調整される。噴出した反応性ガスは、排気管１４ａ、１４ｂから図示しない真空ポンプにより外部へ排出される。
符番１４ａ、１４ｂは排気管である。排気管１４ａ、１４ｂは図示しない真空ポンプと組み合わせて用いられ、空洞共振器１及び基板処理室４内のガスを排出する。
【００３８】
空洞共振器１及び基板処理室４内の圧力は、図示しない圧力計によりモニターされ、図示しない圧力調整弁により自動的に所定の値に調整、設定される。
なお、ここでは、反応性ガスと不活性ガスの総流量２〜２０ＳＬＭの範囲で、圧力１．３３３Ｐａ（０．０１Ｔｏｒｒ）〜１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）程度に調整できる。
また、放電用ガスを供給しない場合、空洞共振器１及び基板処理室４の真空到達圧力は２．６６〜３．９９Ｅ−５Ｐａ（２〜３Ｅ−７Ｔｏｒｒ）程度である。
【００３９】
符番２０は高周波電源である。高周波電源２０は、周波数１０〜１００ＭＨｚの任意の周波数の正弦波の信号を発生し、電力増幅して、出力する。また、高周波電源２０は２つの出力（ここでは第１の出力２０ａ及び第２の出力２０ｂと呼ぶ）を有し、２つの出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差を、０〜１８０度の範囲で任意の値に調整ができる。また、パルス幅が数μ秒〜１０００ｍ秒程度の範囲でパルス変調が可能である。即ち、２つの出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相が、例えば零度に保たれて、かつ、パルス変調された第１のパルス電力と、その位相差が、例えば１８０度に保たれて、かつつ、パルス変調された第２のパルス電力を異なる時間帯で交互に出力することが可能である。これは、高周波電源２０の第１の出力２０ａと第２の出力２０ｂの電圧の位相差が、例えば、０度と１８０度に整えられた２つのパルス電力が、異なる時間帯に交互に出力されるという意味である。
高周波電源２０には、図示しない出力値（進行波）のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、その反射波による電力増幅器の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
【００４０】
符番２１ａ、符番２２ａ、符番２３ａ、符番５１ａは同軸ケーブルで、高周波数の電力を電送することができる。
符番３２ａは第１の整合器である。第１の整合器３２ａの内部には、可変インダクタと可変コンダクターが配置されている。第１の整合器３２ａは、同軸ケーブル２１ａを介して入力された高周波電源２０の第１の出力２０ａを、同軸ケーブル２２ａ、後述の第１の３端子サーキュレータ５０ａ、同軸ケーブル２３ａ、後述の第１の電流導入端子２５ａ、及び第１のアンテナ２ａから成る第１の電力供給手段を介して、空洞共振器１に電力を放射する。そして、高周波電源２０と第１のアンテナ２ａとのインピーダンスの整合を取ることができる。なお、整合を取ることについては、以下に詳しく説明する。
【００４１】
符番５０ａは第１の３端子サーキュレータで、第１、第２及び第３の端子を有する。第１の端子から入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第２の端子に出力される。第２の端子から入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第３の端子に出力される。第３の端子からの入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第１の端子に出力される。なお、３端子サーキュレータ５０ａとして、電力用途の市販品を用いることができる。
符番５２ａは第１の無反射終端器（反射波吸収負荷と呼ばれることもある）である。第１の無反射終端器５２ａは入力された電力の反射を抑制し、その電力を電気抵抗で消費し、吸収するものである。なお、無反射終端は純抵抗Ｒのみで構成する。なお、純抵抗Ｒの値は同軸ケーブルのインピーダンスを考慮し、調整する。
符番５３ａは第１の方向性結合器である。第１の方向性結合器５３ａは、同軸ケーブル５１ａ内を、第１の３端子サーキュレータ５０ａから第１の無反射終端５２ａへ伝播する電力を検知し、その信号を後述の第１の電力検知器５４ａに送信する。
符番５４ａは第１の電力検知器である。第１の電力検知器５４ａは、第１の方向性結合器５３ａから送信された電気信号を受信し、その受信信号を電力値に変換して、その値を表示する。
【００４２】
なお、第１の電力検知器５４ａは、第１のアンテナ２ａからの反射波を検出するとともに、第２のアンテナ２ｂから放射され、空洞共振器１を通過し、第１のアンテナ２ａを介して伝搬してくる電力を検知するので、後述するように、第２の整合器の調整の際に利用される。
【００４３】
符番２５ａは第１の電流導入端子で、空洞共振器１の気密を保持して、同軸ケーブル２３ａと第１のアンテナ２ａを接続する。同軸ケーブル２３ａと第１の電流導入端子２５ａと第１のアンテナ２ａの接続は、図６に示すように、同軸ケーブル２３ａの芯線２４ａを第１の電流導入端子２５ａの芯線部の凹部２６ａに差し込み、第１の電流導入端子２５ａの芯線部の凹部２７ａに第１のアンテナ２ａを差し込む。そして、同軸ケーブル２３ａの袋ナット３０ａと第１の電流導入端子２５ａのネジ部３１ａを用いて固着する。第１の電流導入端子２５ａと第１のアンテナ２ａはＯリングを介して固着する。
符番２ａは第１のアンテナである。第１のアンテナ２ａは第１の電流導入端子２５ａを介して供給された高周波電源２０の出力電力を、空洞共振器１に放射させる。なお、第１のアンテナ２ａの先端部３３ａは空洞共振器１の電力導入部１ａａに接続されている。
【００４４】
高周波電源２０の出力が第１のアンテナに給電されると、空洞共振器１の内部に電磁波が放射されて、強い電界が発生する。この電界により空洞共振器１内部にプラズマが生成される。
また、空洞共振器１の下面に設置された貫通孔７から電磁波が漏洩して電界が発生する。この電界により基板処理室の上面５の近傍にプラズマが生成される。
【００４５】
ここで、第１の３端子サーキュレータ５０ａ及び第１の無反射終端器５２ａの機能を説明する。
図２、図５、図６及び図７において、第１の整合器３２ａから第１の３端子サーキュレータ５０ａの第１の端子に入力された電力Ｗａ（１）は第２の端子からＷａ（１）として出力され、同軸ケーブル２３ａ、第１の電流導入端子２５ａを介して第１のアンテナ２ａに供給される。そうすると、第１のアンテナ２ａ及びその近傍で反射波Ｗａ（１１）が発生する。その反射波Ｗａ（１１）は同軸ケーブル２３ａを逆流し、第１の３端子サーキュレータ５０ａの第２の端子に入射する。第２の端子に入射した反射波Ｗａ（１１）は第３の端子から出力されて、同軸ケーブル５１ａを介して第１の無反射終端器５２ａに入力される。第１の無反射終端５２ａに入力された反射波Ｗａ（１１）は第１の無反射終端器５２ａ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、反射波Ｗａ（１１）は消滅する。
【００４６】
他方、第２のアンテナ２ｂに入射した第２の３端子サーキュレータ５０ｂの電力Ｗｂ（１）の一部分は、空洞共振器１を通過して、第１のアンテナ２ａ、第１の電流導入端子２５ａ、同軸ケーブル２３ａを介して、第１の３端子サーキュレータ５０ａの第２の端子に入射する。その電力をＷｂ（１２）とする。これは、反射波Ｗａ（１１）と同じ方向に伝搬する電力である。
第２の端子に入射した電力Ｗｂ（１２）は第３の端子から出力されて、同軸ケーブル５１ａを介して第１の無反射終端器５２ａに入力される。第１の無反射終端器５２ａに入力された電力Ｗｂ（１２）は第１の無反射終端器５２ａ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、電力Ｗｂ（１２）は消滅する。
したがって、第１の３端子サーキュレータ５０ａから第１の整合器３２ａへ伝搬する電力は無い。これは、第１の３端子サーキュレータ５０ａから上流側の電力電送線路において定在波が発生しない、ということを意味する。
また、第１のアンテナ２ａと第１の３端子サーキュレータ５０ａ間には定在波が発生しないという条件が整う。これは、第１の３端子サーキュレータ５０ａと第１のアンテナ２ａとの間に定在波が発生しない、ということを意味する。
【００４７】
符番２１ｂ、符番２２ｂ、符番２３ｂ、符番５１ｂは同軸ケーブルで、高周波数の電力を電送することができる。
符番３２ｂは第２の整合器である。第２の整合器３２ｂの内部には、可変インダクタと可変コンダクターが配置されている。第２の整合器３２ｂは、同軸ケーブル２１ｂを介して入力された高周波電源２０の第２の出力２０ｂを、同軸ケーブル２２ｂ、後述の第２の３端子サーキュレータ５０ｂ、同軸ケーブル２３ｂ、後述の第２の電流導入端子２５ｂ、及び第２のアンテナ２ｂから成る第２の電力供給手段を介して、空洞共振器１に電力を放射する。そして、高周波電源２０と第２のアンテナ２ｂとのインピーダンスの整合を取ることができる。なお、整合を取ることについては、以下に詳しく説明する。
【００４８】
符番５０ｂは第２の３端子サーキュレータで、第４、第５及び第６の端子を有する。第４の端子から入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第５の端子に出力される。第５の端子から入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第６の端子に出力される。第６の端子からの入力された電力は矢印（図２を参照）の方向に沿って第４の端子に出力される。なお、第２の３端子サーキュレータ５０ｂとして、電力用途の市販品を用いることができる。
符番５２ｂは第２の無反射終端器（反射波吸収負荷と呼ばれることもある）である。第２の無反射終端器５２ｂは入力された電力の反射を抑制し、その電力を電気抵抗で消費し、吸収するものである。なお、無反射終端は純抵抗Ｒのみで構成する。なお、純抵抗Ｒの値は同軸ケーブルのインピーダンスを考慮し、調整する。
符番５３ｂは第１の方向性結合器である。第１の方向性結合器５３ｂは、同軸ケーブル５１ｂ内を、第２の３端子サーキュレータ５０ｂから第２の無反射終端５２ｂへ伝播する電力を検知し、その信号を後述の第２の電力検知器５４ｂに送信する。
符番５４ｂは第２の電力検知器である。第２の電力検知器５４ｂは、第２の方向性結合器５３ｂから送信された電気信号を受信し、その受信信号を電力値に変換して、その値を表示する。
【００４９】
なお、第２の電力検知器５４ｂは、第２のアンテナ２ｂからの反射波を検出するとともに、第１のアンテナ２ａから放射され、空洞共振器１を通過し、第２のアンテナ２ｂを介して伝搬してくる電力を検知するので、後述するように、第１の整合器の調整の際に利用される。
【００５０】
符番２５ｂは第２の電流導入端子で、空洞共振器１の気密を保持して、同軸ケーブル２３ｂと第２のアンテナ２ｂを接続する。同軸ケーブル２３ｂと第２の電流導入端子２５ｂと第２のアンテナ２ｂの接続は、図６に示した第１のアンテナ２ａと第１の電流導入端子２５ａと同軸ケーブル２３ａの場合と同じである。
符番２ｂは第２のアンテナである。第２のアンテナ２ｂは第２の電流導入端子２５ｂを介して供給された高周波電源２０の出力電力を、空洞共振器１に放射させる。なお、第２のアンテナ２ｂの先端部３３ｂは空洞共振器１の電力導入部１ａｂに接続されている。
なお、高周波電源２０の出力が第２のアンテナ２ｂに給電されると、空洞共振器１の内部に電磁波が放射されて、強い電界が発生する。この電界により空洞共振器１内部にプラズマが生成される。
また、空洞共振器１の下面に設置された貫通孔７から電磁波が漏洩して電界が発生する。この電界により基板処理室の上面５の近傍にプラズマが生成される。
【００５１】
ここで、第２の３端子サーキュレータ５０ｂ及び第２の無反射終端器５２ｂの機能を説明する。
図２、図５、図６及び図７において、第２の整合器３２ｂから第２の３端子サーキュレータ５０ｂの第４の端子に入力された電力Ｗｂ（１）は第５の端子からＷｂ（１）として出力され、同軸ケーブル２３ｂ、第２の電流導入端子２５ｂを介して第２のアンテナ２ｂに供給される。そうすると、第２のアンテナ２ｂ及びその近傍で反射波Ｗｂ（１１）が発生する。その反射波Ｗｂ（１１）は同軸ケーブル２３ｂを逆流し、第２の３端子サーキュレータ５０ｂの第５の端子に入射する。第５の端子に入射した反射波Ｗｂ（１１）は第６の端子から出力されて、同軸ケーブル５１ｂを介して第２の無反射終端器５２ｂに入力される。第２の無反射終端５２ｂに入力された反射波Ｗｂ（１１）は第２の無反射終端器５２ｂ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、反射波Ｗｂ（１１）は消滅する。
【００５２】
他方、第１のアンテナ２ａに入射した第１の３端子サーキュレータ５０ａの電力Ｗａ（１）の一部分は、空洞共振器１を通過して、第２のアンテナ２ｂ、第２の電流導入端子２５ｂ、同軸ケーブル２３ｂを介して、第２の３端子サーキュレータ５０ｂの第５の端子に入射する。その電力をＷａ（１２）とする。これは、反射波Ｗｂ（１１）と同じ方向に伝搬する電力である。
第５の端子に入射した電力Ｗａ（１２）は第６の端子から出力されて、同軸ケーブル５１ｂを介して第２の無反射終端器５２ｂに入力される。第２の無反射終端器５２ｂに入力された電力Ｗａ（１２）は第２の無反射終端器５２ｂ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、電力Ｗａ（１２）は消滅する。
したがって、第２の３端子サーキュレータ５０ｂから第２の整合器３２ｂへ伝搬する電力は無い。これは、第２の３端子サーキュレータ５０ｂから上流側の電力電送線路において定在波が発生しない、ということを意味する。
また、第２のアンテナ２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂ間には定在波が発生しないという条件が整う。これは、第２の３端子サーキュレータ５０ｂと第２のアンテナ２ｂとの間に定在波が発生しない、ということを意味する。
【００５３】
上記の装置構成では、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂより上流側に上記Ｗａ（１１）、Ｗｂ（２１）、Ｗａ（１２）及びＷｂ（１２）が伝播しないので、従来の装置で起こるようなジュール熱発生による焼損（破損）問題は発生しない。
また、従来装置で問題となる定在波は発生しないので、定在波に起因する焼損（破損）問題は発生しない。
なお、既に実用化され、市販されている電力用途の３端子サーキュレータは空冷あるいは水冷機能を有しているので、３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂの破損（焼損）の問題はないと、考えられる。
【００５４】
次に、上述のプラズマ表面処理装置を用いて、微結晶シリコン膜を製膜する方法を説明する。なお、図１〜図９を参照する。
【００５５】
図２〜図４において、予め、基板９を基板保持台１０に設置し、図示しない真空ポンプを稼動させ、空洞共振器１及び基板処理室４内の空気及び不純物ガス等を除去した後、放電用ガス供給源から不活性ガス供給管１１及び不活性ガス噴出孔３を介して水素（Ｈ２）ガスを噴出させるとともに、シランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスを反応性ガス供給管１２及び反応性ガス噴出孔１３を介して基板処理室４内に噴出させる。
不活性ガス噴出孔３から噴出させる水素（Ｈ２）の流量は、１〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５ＳＬＭとする。反応性ガス噴出孔１３から噴出させる混合ガスは、混合比を水素（Ｈ２）／シランガス（ＳｉＨ４）＝１０／１〜１／１の範囲、例えば、２／１とし、混合ガスの流量を、２〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５．０ ＳＬＭを供給する。空洞共振器１及び基板処理室４内部の圧力は、１３３．３〜５３３．２Ｐａ（１〜４Ｔｏｒｒ）の範囲、例えば、１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）に維持する。基板温度は１００〜３５０℃の範囲、例えば２２０℃に保持する。
なお、基板９のサイズは、基板保持台１０のサイズに合わせて、長さ１ｍｘ幅４０ｃｍ（厚み４ｍｍ）とする。
【００５６】
次に、高周波電源２０の出力を上記第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給する手順を、以下説明する。図２及び図７を参照する。
【００５７】
第１のステップ（第１の工程）：高周波電源２０と第１のアンテナ２ａとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂの接続を遮断する（第２の３端子サーキュレータ５０ｂに接続された同軸ケーブル２２ｂを引き抜く）。
（２）高周波電源の第１の出力２０ａの周波数を選定し、例えば７０ＭＨｚとし、その出力２０ａの所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、その出力２０ａを同軸ケーブル２１ａ、第１の整合器３２ａ、第１の３端子サーキュレータ５０ａ、同軸ケーブル２３ａ、第１の電流導入端子２５ａを介して第１のアンテナ２ａに供給する。
ただし、第２の出力２０ｂはゼロに保持しておく。
（３）第１のアンテナ２ａからの反射波Ｗａ（１１）を第１の検出器５４ａで検出し、検出された電力値が最小になるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整するとともに、第２の電力検出器５４ｂで検出された電力値が最大となるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。即ち、第２の整合器３２ｂと第２のサーキュレータ５０ｂの接続を遮断した状態で、第１の電力検出器５４ａで検出される電力値が最小で、かつ、第２の電力検出器５４ｂで検出される電力値が最大となるように、第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。
（４）第１の整合器３２ａは、この調整された状態を保持する。
（５）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂを接続する。
【００５８】
第２のステップ（第２の工程）：高周波電源２０と第２のアンテナ２ｂとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）第１の整合器３２ａと第１の３端子サーキュレータ５０ａの接続を遮断する（第１の３端子サーキュレータ５０ａに接続された同軸ケーブル２２ａを引き抜く）。
（２）高周波電源の第２の出力２０ｂを所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数は上記ステップ１と同じとし、パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、同軸ケーブル２１ｂ、第２の整合器３２ｂ、第２の３端子サーキュレータ５０ｂ、同軸ケーブル２３ｂ、第２の電流導入端子２５ｂを介して第２のアンテナ２ｂに供給する。ただし、第１の出力２０ａはゼロに保持しておく。
（３）第２のアンテナ２ｂからの反射波Ｗｂ（１１）を第２の検出器５４ｂで検出し、検出された電力値が最小になるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整するとともに、第１の電力検出器５４ａで検出された電力値が最大となるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。即ち、第１の整合器３２ａと第１のサーキュレータ５０ａの接続を遮断した状態で、第２の電力検出器５４ｂで検出される電力値が最小で、かつ、第１の電力検出器５４ａで検出される電力値が最大となるように、第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。
（４）第２の整合器３２ｂは、この調整された状態を保持する。
（５）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂを接続する。
【００５９】
第３のステップ（第３の工程）：次の手順により、高周波電源２０の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂを所定の値に調整して、その出力をそれぞれ第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給する。
（１）高周波電源の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂをパルス変調し、その出力を所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数を第１及び第２のステップと同じ周波数とする。例えば７０ＭＨｚとする。
（２）先ず、第１のパルス電力として、次の設定を行う。パルス幅Ｈｗを１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧（正弦波）の位相差をゼロ度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差が零度に設定されたパルス変調された第１及び第２の出力を、第１のパルス電力と呼ぶ。
（３）次に、第２のパルス電力として、次の設定を行う。第１のパルス電力と異なる時間帯にパルス電力を出力させる。パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差を１８０度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、この位相差が１８０度に設定されてパルス変調された第１及び第２の出力を第２のパルス電力と呼ぶ。
（４）第１及び第２のパルス電力のパルス立ち上がり時間をパルス周期Ｔｏの半分の時間、例えば、０．７５ｍ秒ずらす。これにより、第１及び第２のパルス電力を時間的に交互に供給することが可能である。
（５）高周波電源２０の出力を所要の電力値に、例えば、第１及び第２のパルス電力をそれぞれ、３ＫＷに設定する。
【００６０】
ところで、上記第１のパルス電力が第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給されると、アンテナ２ａ、２ｂから電力波が放射される。その様子を模式的に図８に示す。
第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂからパルス状に供給される電力の電圧波は、同一電源から発振され、互いに空洞共振器１内部を伝播していくので、すなわち、両者は互いに向かい合った方向から伝播しあって重なり合うので、干渉現象が発生する。
図８において、第１のアンテナ２ａ側から第２のアンテナ２ｂの方向の距離をｘとし、ｘの正方向へ伝播する電圧波をＷａ（ｘ、ｔ）、ｘの負方向へ伝播する電圧波、即ち第２のアンテナ２ｂ側から第１のアンテナ２ａの方向へ伝播する電圧波をＷｂ（ｘ，ｔ）とすると、次のように表現される。
Ｗａ（ｘ、ｔ）＝Ｖ１・ｓｉｎ（ωｔ＋２πｘ／λ）
Ｗｂ（ｘ、ｔ）＝Ｖ１・ｓｉｎ｛ωｔ−２π（ｘ−Ｌ０）／λ＋Δθ｝
ただし、Ｖ１は電圧波の振幅、ωは電圧の角周波数、λは電圧波の波長、ｔは時間、Ｌ０は第１及び第２のアンテナの間隔、Δθは第１のアンテナから放出される電力の電圧波と第２のアンテナから放出される電力の電圧波の位相差である。この２つの電圧波の合成波Ｗ１（ｘ、ｔ）は次式のようになる。
Ｗ１（ｘ、ｔ）＝Ｗａ（ｘ、ｔ）＋Ｗｂ（ｘ、ｔ）
＝２・Ｖ１ｃｏｓ｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝・ｓｉｎ｛ωｔ＋（πＬ０／λ＋Δθ／２）
上記合成波Ｗ１（ｘ、ｔ）は、次に示すような性質を有する。即ち、Δθ＝０の場合、生成されるプラズマの強さは２つのアンテナ間の中央部（ｘ＝Ｌ０／２）が強く、該中央部から離れるにしたがって弱くなる。Δθ＞０の場合、プラズマの強い部分が一方の給電点側へ移動し、Δθ＜０の場合、他方の給電点側へ移動する。
電力の強さは、電界の二乗に比例する。これは電圧波の振幅値の二乗に比例する、という意味である。即ち、電力の強さＩ１（ｘ、ｔ）は、
Ｉ１（ｘ、ｔ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝Ｉ１（ｘ）・・・時間的に変動しない。
と表される。
【００６１】
上記第３のステップにおいて、第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂから、第１のパルス電力（位相差＝零度）と第２のパルス電力（位相差＝１８０度）が異なる時間帯に交互に放射されるので、空洞共振器１内部の電力の強さはその２つの電力が重畳される。
即ち、第１のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ１（ｘ）と表わし、第２のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ２（ｘ）と表わすと、次のようになる。
Ｉ１（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
Ｉ２（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−９０°｝
＝ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
この電力の強さＩ１（ｘ）及びＩ２（ｘ）を模式的に図９に示す。
空洞共振器１内部の電力の強さＩ（ｘ、ｔ）は第１及び第２のパルス電力の周期より長い時間で見ると、次式で表わされるように、波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
プラズマの強さは電力の強さに比例するので、空洞共振器１内部のプラズマの強さは一様となる、ということを示している。
また、上式は、第１及び第２のパルス電力の位相差の設定において、±５度程度のずれが生じても、空洞共振器１内部の電力の強さ、即ち、プラズマの強さはほぼ一様となることを示している。
【００６２】
上記第３のステップでの第１のパルス電力及び第２のパルス電力で、１０〜２０分程度の時間、プラズマを生成すると、基板９に微結晶シリコン膜が堆積する。なお、シランガスの他に大量の水素ガスが供給されるので、得られる膜はアモルファスＳｉではなく、微結晶膜になる。
ここで、不活性ガス噴出孔３から噴出する水素（Ｈ２）及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するシランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスのプラズマ化及びラデイカル種の生成について説明する。
空洞共振器１の上面に位置する不活性ガス噴出孔３から噴出した水素（Ｈ２）は第１及び第２のパルス電力でプラズマ化される。水素（Ｈ２）がプラズマ化されると、化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）が多量生成され、そして、Ｈ２→Ｈ＋Ｈの反応が起こり、多量の原子状Ｈが生成される。その結果、空洞共振器１に生成された多量の化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）と多量の原子状Ｈは、貫通孔７から基板処理室４に拡散し、基板処理室４に流入する。
基板処理室４の上面には、第１のパルス電力及び第２のパルス電力の貫通孔７から漏れによる電界が発生している。この電界の強さは貫通孔７の大きさに影響されるが、水素（Ｈ２）やシランガス（ＳｉＨ４より）をプラズマ化するには十分な強さである。なお、本実施例では、貫通孔７のサイズは５ｍｍｘ５ｍｍ程度である。
【００６３】
基板処理室４の上面に位置する反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスがプラズマ化されると、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３の反応が起こる。この反応は、プラズマが強い場合、ジシラン（ＳｉＨ２＋ＳｉＨ４→Ｓｉ２Ｈ６）やトリシラン（ＳｉＨ２＋Ｓｉ２Ｈ６→Ｓｉ３Ｈ８）等のダスト（パウダー）が形成されるが、プラズマが弱く、かつ、大量の原子状Ｈがあれば、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３、及びＨ＋ＳｉＨ４→Ｈ２＋ＳｉＨ３の反応が起こり易い。なお、プラズマでの電子エネルギーが８．７５ｅＶ以上であればＳｉＨ３が生成され、９．４７ｅＶ以上であればＳｉＨ２が生成されることが、一般に知られている。
【００６４】
基板処理室４上面近傍において、貫通孔７から流入する大量の原子状Ｈ及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスのプラズマ化によって、基板９に微結晶シリコン膜が堆積される。
【００６５】
その膜厚分布は、空洞共振器１内部の電界分布Ｉｆ（ｘ）、即ち次式に比例した形となる。
Ｉｆ（ｘ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
ただし、Ｉ（ｘ）は膜の厚み、ｘは基板中央からその周辺方向への距離、λは使用電力の波長（プラズマ中での波長）である。
結晶化率の測定には、ラマンスペクトル分析器を用い、膜中の結晶Ｓｉピーク（５１７ｃｍ−１）ＩｃとアモルファスＳｉピーク（４７０〜４８０ｃｍ−１）Ｉａを求めて、結晶化率（％）＝１００ｘＩｃ／（Ｉａ＋Ｉｃ）と定義し、評価される。
【００６６】
上述のように、実施例１によれば、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂの上流側に上記供給電力の反射波及び干渉波は戻らない。その結果、電力供給の流れで見て、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂより上流側の電力電送線路には反射波及び干渉波が戻らないので、従来の装置で起こる焼損（破損）問題は発生しない。
また、インピーダンスの整合において、第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂのそれぞれのリアクタンス（ＬとＣ）を調整は、時間をずらして別々に行うので、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）の影響はない。
第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂを同時に用いる場合においても、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）は第１及び第２の無反射終端器５２ａ、５２ｂ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、それぞれの干渉波の影響はない。
したがって、本実施例では、従来の技術では問題視される電力供給線路での定在波の発生に起因する装置の破損（焼損）問題及びインピーダンス整合の不適合の問題は、解消される。
また、プラズマの強さが波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
したがって、基板サイズが大面積であっても製膜される膜の厚み分布は一様になる。
【００６７】
（実施例２）
本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理装置を用いたシリコン系膜の製造方法を図１０〜図１１を参照して説明する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
図１０は本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な説明図（基板処理室と空洞共振器の断面図、高周波電力供給手段のブロック図）である。図１１は本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成部材を示す模式的な説明図で、電力導入部を示す断面図である。
なお、本実施例ではプラズマを利用した製膜装置、即ち、プラズマＣＶＤ装置を説明しているので、放電用ガスにシラン（ＳｉＨ４）及び水素（Ｈ２）を用いているが、プラズマを利用したエッチング装置、即ち、プラズマエッチング装置の場合には、放電用ガスにエッチング用ガス、例えば、塩素（Ｃｌ２）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）などが用いられる。また、プラズマによるスパッタ装置の場合には、Ａｒ、Ｎ２、Ｏ２などが用いられる。
【００６８】
先ず、電力供給系の構成を、図１０及び図１１を参照して説明する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
図１０及び図１１において、符番７０ａ、符番７１ａ、符番７２ａ、符番７３ａ、符番７０ｂ、符番７１ｂ、符番７２ｂ、及び符番７３ｂ以外は、実施例１で示した図１〜図９と同じである。装置構成部材の中で実施例１と同じものは説明を省略する。
【００６９】
符番７０ａ、符番７１ａ、符番７２ａ及び符番７３ａは、それぞれ、第１の検知用アンテナ、第３の電流導入端子、同軸ケーブル、及び第１の電波検知装置である。第１の検知用アンテナ７０ａは空洞共振器１の中心軸上の一方の端部に、例えば第１のアンテナに近い位置に設置される。第３の電流導入端子７１ａは図６図示の第１の電流導入端子と同様の構造を有する。第１の電波検知装置は第１の検知用アンテナ７０ａが受信した電波の信号を検知し、表示する。
第１の検知用アンテナ７０ａ、第３の電流導入端子７１ａ、同軸ケーブル７２ａ、及び第１の電波検知装置７３ａは、組み合わせて用いることにより、後述の第２の整合器３２ｂの調整に用いられる。
【００７０】
符番７０ｂ、符番７１ｂ、符番７２ｂ及び符番７３ｂは、それぞれ、第２の検知用アンテナ、第４の電流導入端子、同軸ケーブル、及び第２の電波検知装置である。第２の検知用アンテナ７０ｂは空洞共振器１の中心軸上の他方の端部に、例えば第２のアンテナに近い位置に設置される。第４の電流導入端子７１ｂは図６図示の第１の電流導入端子と同様の構造を有する。第２の電波検知装置は第２の検知用アンテナ７０ｂが受信した電波の信号を検知し、表示する。
第２の検知用アンテナ７０ｂ、第４の電流導入端子７１ｂ、同軸ケーブル７２ｂ、及び第２の電波検知装置７３ｂは、組み合わせて用いることにより、後述の第１の整合器３２ａの調整に用いられる。
【００７１】
次に、上述のプラズマ表面処理装置を用いて、微結晶シリコン膜を製膜する方法を説明する。図１０、図１１を参照する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
【００７２】
図１０において、予め、基板９を基板保持台１０に設置し、図示しない真空ポンプを稼動させ、空洞共振器１及び基板処理室４内の空気及び不純物ガス等を除去した後、放電用ガス供給源から不活性ガス供給管１１及び不活性ガス噴出孔３を介して水素（Ｈ２）ガスを噴出させるとともに、シランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスを反応性ガス供給管１２及び反応性ガス噴出孔１３を介して基板処理室４内に噴出させる。
不活性ガス噴出孔３から噴出させる水素（Ｈ２）の流量は、１〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５ＳＬＭとする。反応性ガス噴出孔１３から噴出させる混合ガスは、混合比を水素（Ｈ２）／シランガス（ＳｉＨ４）＝１０／１〜１／１の範囲、例えば、２／１とし、混合ガスの流量を、２〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５．０ ＳＬＭを供給する。空洞共振器１及び基板処理室４内部の圧力は、１３３．３〜５３３．２Ｐａ（１〜４Ｔｏｒｒ）の範囲、例えば、１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）に維持する。基板温度は１００〜３５０℃の範囲、例えば２２０℃に保持する。
なお、基板９のサイズは、基板保持台１０のサイズに合わせて、長さ１ｍｘ幅４０ｃｍ（厚み４ｍｍ）とする。
【００７３】
次に、高周波電源２０の出力を上記第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給するのであるが、以下に示す手順で行う。図１０及び図１１を参照する。また、なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
【００７４】
第１のステップ（第１の工程）：高周波電源２０と第１のアンテナ２ａとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）高周波電源の第１の出力２０ａを所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。その周波数を選定し、例えば７０ＭＨｚとし、パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、高周波電源２０の第１の出力２０ａの所要電力の１０％〜４０％、例えば１ＫＷとし、その出力２０ａを同軸ケーブル２１ａ、第１の整合器３２ａ、第１の３端子サーキュレータ５０ａ、同軸ケーブル２３ａ、第１の電流導入端子２５ａを介して第１のアンテナ２ａに供給する。ただし、第２の出力２０ｂはゼロに保持しておく。
（２）第１のアンテナ２ａからの反射波Ｗａ（１１）を第１の検出器５４ａで検出し、検出された電力値が最小になるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整するとともに、第２の検知用アンテナ７０ａを介して第２の電波検知装置７３ｂで検出された電力値が最大となるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。即ち、第１の検出器５４ａ及び第２の電波検知装置７３ｂで検知した電力値を利用して、第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。
（３）第１の整合器３２ａはこの調整された状態を保持する。
【００７５】
第２のステップ（第２の工程）：高周波電源２０と第２のアンテナ２ｂとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）高周波電源の第２の出力２０ｂを所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数を上記第１ステップと同じく７０ＭＨｚとし、パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、高周波電源２０の第１の出力２０ａの所要電力の１０％〜４０％、例えば１ＫＷとし、その出力２０ａを同軸ケーブル２１ａ、第１の整合器３２ａ、第１の３端子サーキュレータ５０ａ、同軸ケーブル２３ａ、第１の電流導入端子２５ａを介して第１のアンテナ２ａに供給する。ただし、第１の出力２０ａはゼロに保持しておく。
（２）第２のアンテナ２ｂからの反射波Ｗｂ（１１）を第２の検出器５４ｂで検出し、検出された電力値が最小になるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整するとともに、第１の検知用アンテナ７０ｂを介して第１の電波検知装置７３ａで検出された電力値が最大となるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。即ち、第２の検出器５４ｂ及び第１の電波検知装置７３ａで検知した電力値を利用して、第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。
（３）第２の整合器３２ｂはこの調整された状態を保持する。
【００７６】
第３のステップ（第３の工程）：次の手順により、高周波電源２０の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂを所定の値に調整して、その出力をそれぞれ第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給する。
（１）高周波電源の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂをパルス変調し、その出力を所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数を第１及び第２のステップと同じ周波数とする。例えば７０ＭＨｚとする。
（２）先ず、第１のパルス電力として、次の設定を行う。パルス幅Ｈｗを１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧（正弦波）の位相差をゼロ度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差が零度に設定されたパルス変調された第１及び第２の出力を、第１のパルス電力と呼ぶ。
（３）次に、第２のパルス電力として、次の設定を行う。第１のパルス電力と異なる時間帯にパルス電力を出力させる。パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差を１８０度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、この位相差が１８０度に設定されてパルス変調された第１及び第２の出力を第２のパルス電力と呼ぶ。
（４）第１及び第２のパルス電力のパルス立ち上がり時間をパルス周期Ｔｏの半分の時間、例えば、０．７５ｍ秒ずらす。これにより、第１及び第２のパルス電力を時間的に交互に供給することが可能となる。
（５）高周波電源２０の出力を所要の電力値に、例えば、第１及び第２のパルス電力をそれぞれ、３ＫＷに設定する。
【００７７】
ところで、上記第１のパルス電力が第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給されると、アンテナ２ａ、２ｂから電力波が放射される。その様子を模式的に図８に示す。
第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂからパルス状に供給される電力の電圧波は、同一電源から発振され、互いに空洞共振器１内部を伝播していくので、すなわち、両者は互いに向かい合った方向から伝播しあって重なり合うので、干渉現象が発生する。
図８において、第１のアンテナ２ａ側から第２のアンテナ２ｂの方向の距離をｘとし、ｘの正方向へ伝播する電圧波をＷａ（ｘ、ｔ）、ｘの負方向へ伝播する電圧波、即ち第２のアンテナ２ｂ側から第１のアンテナ２ａの方向へ伝播する電圧波をＷｂ（ｘ，ｔ）とすると、次のように表現される。
Ｗａ（ｘ、ｔ）＝Ｖ１・ｓｉｎ（ωｔ＋２πｘ／λ）
Ｗｂ（ｘ、ｔ）＝Ｖ１・ｓｉｎ｛ωｔ−２π（ｘ−Ｌ０）／λ＋Δθ｝
ただし、Ｖ１は電圧波の振幅、ωは電圧の角周波数、λは電圧波の波長、ｔは時間、Ｌ０は第１及び第２のアンテナの間隔、Δθは第１のアンテナから放出される電力の電圧波と第２のアンテナから放出される電力の電圧波の位相差である。この２つの電圧波の合成波Ｗ１（ｘ、ｔ）は次式のようになる。
Ｗ１（ｘ、ｔ）＝Ｗａ（ｘ、ｔ）＋Ｗｂ（ｘ、ｔ）
＝２・Ｖ１ｃｏｓ｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝・ｓｉｎ｛ωｔ＋（πＬ０／λ＋Δθ／２）
上記合成波Ｗ１（ｘ、ｔ）は、次に示すような性質を有する。即ち、Δθ＝０の場合、生成されるプラズマの強さは２つのアンテナ間の中央部（ｘ＝Ｌ０／２）が強く、該中央部から離れるにしたがって弱くなる。Δθ＞０の場合、プラズマの強い部分が一方の給電点側へ移動し、Δθ＜０の場合、他方の給電点側へ移動する。
電力の強さは、電界の二乗に比例する。これは電圧波の振幅値の二乗に比例する、という意味である。即ち、電力の強さＩ１（ｘ、ｔ）は、
Ｉ１（ｘ、ｔ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝Ｉ１（ｘ）・・・時間的に変動しない。
と表される。
【００７８】
上記第３のステップにおいて、第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂから、第１のパルス電力（位相差＝零度）と第２のパルス電力（位相差＝１８０度）が異なる時間帯に交互に放射されるので、空洞共振器１内部の電力の強さはその２つの電力が重畳される。
即ち、第１のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ１（ｘ）と表わし、第２のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ２（ｘ）と表わすと、次のようになる。
Ｉ１（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
Ｉ２（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−９０°｝
＝ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
この電力の強さＩ１（ｘ）及びＩ２（ｘ）を模式的に図９に示す。
空洞共振器１内部の電力の強さＩ（ｘ、ｔ）は第１及び第２のパルス電力の周期より長い時間で見ると、次式で表わされるように、波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
プラズマの強さは電力の強さに比例するので、空洞共振器１内部のプラズマの強さは一様となる、ということを示している。
また、上式は、第１及び第２のパルス電力の位相差の設定において、±５度程度のずれが生じても、空洞共振器１内部の電力の強さ、即ち、プラズマの強さはほぼ一様となることを示している。
【００７９】
上記第３のステップでの第１のパルス電力及び第２のパルス電力で、１０〜２０分程度の時間、プラズマを生成すると、基板９に微結晶シリコン膜が堆積する。なお、シランガスの他に大量の水素ガスが供給されるので、得られる膜はアモルファスＳｉではなく、微結晶膜になる。
ここで、不活性ガス噴出孔３から噴出する水素（Ｈ２）及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するシランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスのプラズマ化及びラデイカル種の生成について説明する。
空洞共振器１の上面に位置する不活性ガス噴出孔３から噴出した水素（Ｈ２）は第１及び第２のパルス電力でプラズマ化される。水素（Ｈ２）がプラズマ化されると、化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）が多量生成され、そして、Ｈ２→Ｈ＋Ｈの反応が起こり、多量の原子状Ｈが生成される。その結果、空洞共振器１に生成された多量の化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）と多量の原子状Ｈは、貫通孔７から基板処理室４に拡散し、基板処理室４に流入する。
基板処理室４の上面には、第１のパルス電力及び第２のパルス電力の貫通孔７から漏れによる電界が発生している。この電界の強さは貫通孔７の大きさに影響されるが、水素（Ｈ２）やシランガス（ＳｉＨ４より）をプラズマ化するには十分な強さである。なお、本実施例では、貫通孔７のサイズは５ｍｍｘ５ｍｍ程度である。
基板処理室４の上面に位置する反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスがプラズマ化されると、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３の反応が起こる。この反応は、プラズマが強い場合、ジシラン（ＳｉＨ２＋ＳｉＨ４→Ｓｉ２Ｈ６）やトリシラン（ＳｉＨ２＋Ｓｉ２Ｈ６→Ｓｉ３Ｈ８）等のダスト（パウダー）が形成されるが、プラズマが弱く、かつ、大量の原子状Ｈがあれば、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３、及びＨ＋ＳｉＨ４→Ｈ２＋ＳｉＨ３の反応が起こり易い。なお、プラズマでの電子エネルギーが８．７５ｅＶ以上であればＳｉＨ３が生成され、９．４７ｅＶ以上であればＳｉＨ２が生成されることが、一般に知られている。
基板処理室４上面近傍において、貫通孔７から流入する大量の原子状Ｈ及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスのプラズマ化によって、基板９に微結晶シリコン膜が堆積される。
【００８０】
その膜厚分布は、空洞共振器１内部の電界分布Ｉｆ（ｘ）、即ち次式に比例した形となる。
Ｉｆ（ｘ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
ただし、Ｉ（ｘ）は膜の厚み、ｘは基板中央からその周辺方向への距離、λは使用電力の波長（プラズマ中での波長）である。
結晶化率の測定には、ラマンスペクトル分析器を用い、膜中の結晶Ｓｉピーク（５１７ｃｍ−１）ＩｃとアモルファスＳｉピーク（４７０〜４８０ｃｍ−１）Ｉａを求めて、結晶化率（％）＝１００ｘＩｃ／（Ｉａ＋Ｉｃ）と定義し、評価される。
【００８１】
上述のように、実施例２によれば、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂの上流側に上記供給電力の反射波及び干渉波は戻らない。その結果、電力供給の流れで見て、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂより上流側の電力電送線路には反射波及び干渉波が戻らないので、従来の装置で起こる焼損（破損）問題は発生しない。
また、インピーダンスの整合において、第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂのそれぞれのリアクタンス（ＬとＣ）を調整は、時間をずらして別々に行うので、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）の影響はない。
第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂを同時に用いる場合においても、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）は第１及び第２の無反射終端器５２ａ、５２ｂ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、それぞれの干渉波の影響はない。
したがって、本実施例では、従来の技術では問題視される電力供給線路での定在波の発生に起因する装置の破損（焼損）問題及びインピーダンス整合の不適合の問題は、解消される。
また、プラズマの強さが波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
したがって、基板サイズが大面積であっても製膜される膜の厚み分布は一様になる。
【００８２】
（実施例３）
本発明の第３の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理装置を用いたシリコン系膜の製造方法を図１２〜図１４を参照して説明する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
図１２は本発明の第３の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置の構成を示す模式的な外観図である。図１３は図１２のＡ−Ａ線の断面図であり、基板処理室と空洞共振器の説明図である。図１４は図１２のＢ−Ｂ線の断面図であり、基板処理室と空洞共振器の説明図である。
なお、本実施例ではプラズマを利用した製膜装置、即ち、プラズマＣＶＤ装置を説明しているので、放電用ガスにシラン（ＳｉＨ４）及び水素（Ｈ２）を用いているが、プラズマを利用したエッチング装置、即ち、プラズマエッチング装置の場合には、放電用ガスにエッチング用ガス、例えば、塩素（Ｃｌ２）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）などが用いられる。また、プラズマによるスパッタ装置の場合には、Ａｒ、Ｎ２、Ｏ２などが用いられる。
【００８３】
先ず、装置の構成について、図１２〜図１４を参照して説明する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
図１２〜図１４において、符番６０、符番６１、及び符番６２以外は、実施例１で示した図１〜図９と同じである。装置構成部材の中で実施例１と同じものは説明を省略する。
【００８４】
符番６１はリッジである。リッジ６１は長辺ａと短辺ｂを有する矩形導波管の長辺ａに設けられ、該矩形導波管の中央部分の間隙を短辺ｂ側に比べて短くする。
符番６０はリッジを有する導波管である。一般に、リッジを有する導波管は電力を送信する能力がリッジの無い導波管に比べて増大するということが、知られている。リッジを有する導波管６０は中心軸に直交した面での断面形状が図１４に示されているように、Ｈ型をしている。そして、中央部分（Ｈの横棒に相当する部分）の上面と下面の間隙ｄと両端部（Ｈの縦棒に相当する部分）の間隙ｄはほぼ同じである。ここでは、１ｃｍ〜３０ｃｍ程度の範囲で、例えば３ｃｍとする。
リッジを有する導波管６０の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にはそれぞれ第１のアンテナ２ａ及び第２のアンテナ２ｂが設置されている。
リッジを有する導波管６０の上面８には不活性ガスを噴出する不活性ガス噴出孔３が設置されている。また、リッジを有する導波管６０の下面６には、該下面６と基板処理室４の壁（ここでは基板処理室の上面５と呼ぶ）を貫通する貫通孔７が多数設置されている。
なお、この貫通孔７はリッジを有する導波管６０内部で生成される電界の一部分を基板処理室の上面５に漏洩させるという作用を有する。
リッジを有する導波管６０の材料はアルミニウム、アルミニウム系合金、あるいはＳＵＳ等の金属で、例えばアルミニウムである。サイズは、使用する電力の波長に依存するが、例えば、外寸法で、長さ２ｍｘ幅０．６ｍｘ高さ５ｃｍ（幅方向の両端部での高さ６０ｃｍとする。また、リッジを有する導波管６０の壁外部には図示しない冷媒を通すパイプが設置されており、空洞共振器１の温度を制御することが可能である。
符番６２はリッジ連結部である。リッジ連結部６２は、リッジを有する導波管６０を備えた空洞共振１器の中心軸両端部とリッジを接続する部分である。ここでは、リッジ連結部６２を曲線的にしているが、階段状に接続しても良い。
【００８５】
次に、上述のプラズマ表面処理装置を用いて、微結晶シリコン膜を製膜する方法を説明する。図１０、図１１を参照する。なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
【００８６】
図１３及び図１４において、予め、基板９を基板保持台１０に設置し、図示しない真空ポンプを稼動させ、空洞共振器１及び基板処理室４内の空気及び不純物ガス等を除去した後、放電用ガス供給源から不活性ガス供給管１１及び不活性ガス噴出孔３を介して水素（Ｈ２）ガスを噴出させるとともに、シランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスを反応性ガス供給管１２及び反応性ガス噴出孔１３を介して基板処理室４内に噴出させる。
不活性ガス噴出孔３から噴出させる水素（Ｈ２）の流量は、１〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５ＳＬＭとする。反応性ガス噴出孔１３から噴出させる混合ガスは、混合比を水素（Ｈ２）／シランガス（ＳｉＨ４）＝１０／１〜１／１の範囲、例えば、２／１とし、混合ガスの流量を、２〜１０ＳＬＭ（標準状態換算でのガス流量：Ｌ／分）の範囲で、例えば５．０ ＳＬＭを供給する。空洞共振器１及び基板処理室４内部の圧力は、１３３．３〜５３３．２Ｐａ（１〜４Ｔｏｒｒ）の範囲、例えば、１３３．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）に維持する。基板温度は１００〜３５０℃の範囲、例えば２２０℃に保持する。
なお、基板９のサイズは、基板保持台１０のサイズに合わせて、長さ１ｍｘ幅４０ｃｍ（厚み４ｍｍ）とする。
【００８７】
次に、高周波電源２０の出力を、以下に示す手順で、第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給する。図１３及び図１４を参照する。また、なお、実施例１で示した図１〜図９も参照する。
【００８８】
第１のステップ（第１の工程）：高周波電源２０と第１のアンテナ２ａとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂの接続を遮断する（第２の３端子サーキュレータ５０ｂに接続された同軸ケーブル２２ｂを引き抜く）。
（２）高周波電源の第１の出力２０ａの周波数を選定し、例えば７０ＭＨｚとし、その出力２０ａの所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、その出力２０ａを同軸ケーブル２１ａ、第１の整合器３２ａ、第１の３端子サーキュレータ５０ａ、同軸ケーブル２３ａ、第１の電流導入端子２５ａを介して第１のアンテナ２ａに供給する。
ただし、第２の出力２０ｂはゼロに保持しておく。
（３）第１のアンテナ２ａからの反射波Ｗａ（１１）を第１の検出器５４ａで検出し、検出された電力値が最小になるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整するとともに、第２の電力検出器５４ｂで検出された電力値が最大となるように第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。即ち、第２の整合器３２ｂと第２のサーキュレータ５０ｂの接続を遮断した状態で、第１の電力検出器５４ａで検出される電力値が最小で、かつ、第２の電力検出器５４ｂで検出される電力値が最大となるように、第１の整合器３２ａのリアクタンスを調整する。
（４）第１の整合器３２ａは、この調整された状態を保持する。
（５）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂを接続する。
【００８９】
第２のステップ（第２の工程）：高周波電源２０と第２のアンテナ２ｂとのインピーダンスの整合を次のように行う。
（１）第１の整合器３２ａと第１の３端子サーキュレータ５０ａの接続を遮断する（第１の３端子サーキュレータ５０ａに接続された同軸ケーブル２２ａを引き抜く）。
（２）高周波電源の第２の出力２０ｂを所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数は上記ステップ１と同じとし、パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝１ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とし、同軸ケーブル２１ｂ、第２の整合器３２ｂ、第２の３端子サーキュレータ５０ｂ、同軸ケーブル２３ｂ、第２の電流導入端子２５ｂを介して第２のアンテナ２ｂに供給する。ただし、第１の出力２０ａはゼロに保持しておく。
（３）第２のアンテナ２ｂからの反射波Ｗｂ（１１）を第２の検出器５４ｂで検出し、検出された電力値が最小になるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整するとともに、第１の電力検出器５４ａで検出された電力値が最大となるように第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。即ち、第１の整合器３２ａと第１のサーキュレータ５０ａの接続を遮断した状態で、第２の電力検出器５４ｂで検出される電力値が最小で、かつ、第１の電力検出器５４ａで検出される電力値が最大となるように、第２の整合器３２ｂのリアクタンスを調整する。
（４）第２の整合器３２ｂは、この調整された状態を保持する。
（５）第２の整合器３２ｂと第２の３端子サーキュレータ５０ｂを接続する。
【００９０】
第３のステップ（第３の工程）：次の手順により、高周波電源２０の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂを所定の値に調整して、その出力をそれぞれ第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂに供給する。
（１）高周波電源の第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂをパルス変調し、その出力を所要電力の１０％〜４０％程度、例えば１ＫＷとする。周波数を第１及び第２のステップと同じ周波数とする。例えば７０ＭＨｚとする。
（２）先ず、第１のパルス電力として、次の設定を行う。パルス幅Ｈｗを１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧（正弦波）の位相差をゼロ度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差が零度に設定されたパルス変調された第１及び第２の出力を、第１のパルス電力と呼ぶ。
（３）次に、第２のパルス電力として、次の設定を行う。第１のパルス電力と異なる時間帯にパルス電力を出力させる。パルス幅Ｈｗは１０μ〜１０００ｍ秒の範囲、例えばＨｗ＝０．５ｍ秒、パルス周期Ｔｏは２ｍ秒〜０．１ｍ秒（繰り返し周波数５００Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）の範囲、例えばＴｏ＝１．５ｍ秒とする。そして、第１及び第２の出力２０ａ、２０ｂの電圧の位相差を１８０度に設定する。（位相差の設定は、好ましくは、第１及び第２の電流導入端子２５ａ、２５ｂでの電圧の位相をモニターして、設定する）。
ここで、この位相差が１８０度に設定されてパルス変調された第１及び第２の出力を第２のパルス電力と呼ぶ。
（４）第１及び第２のパルス電力のパルス立ち上がり時間をパルス周期Ｔｏの半分の時間、例えば、０．７５ｍ秒ずらす。これにより、第１及び第２のパルス電力を時間的に交互に供給することが可能である。
（５）高周波電源２０の出力を所要の電力値に、例えば、第１及び第２のパルス電力をそれぞれ、５ＫＷに設定する。なお、実施例３では、実施例１及び２の場合に比べて、リッジを有する導波管６１の作用により、供給電力を増大できる。
【００９１】
上記第３のステップにおいて、実施例１及び２の場合と同様に、第１及び第２のアンテナ２ａ、２ｂから、第１のパルス電力（位相差＝零度）と第２のパルス電力（位相差＝１８０度）が時間的に交互に放射されるので、空洞共振器１内部の電力の強さはその２つの電力が重畳される。
即ち、第１のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ１（ｘ）と表わし、第２のパルス電力での空洞共振器１内部の電力の強さをＩ２（ｘ）と表わすと、次のようになる。
Ｉ１（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
Ｉ２（ｘ）∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−Δθ／２｝
＝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ−９０°｝
＝ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
この電力の強さＩ１（ｘ）及びＩ２（ｘ）を模式的に図９に示す。
空洞共振器１内部の電力の強さＩ（ｘ、ｔ）は第１及び第２のパルス電力の周期より長い時間で見ると、次式で表わされるように、波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
プラズマの強さは電力の強さに比例するので、空洞共振器１内部のプラズマの強さは一様となる、ということを示している。
また、上式は、第１及び第２のパルス電力の位相差の設定において、±５度程度のずれが生じても、空洞共振器１内部の電力の強さ、即ち、プラズマの強さはほぼ一様となることを示している。
【００９２】
上記第３のステップでの第１のパルス電力及び第２のパルス電力で、１０〜２０分程度の時間、プラズマを生成すると、基板９に微結晶シリコン膜が堆積する。なお、シランガスの他に大量の水素ガスが供給されるので、得られる膜はアモルファスＳｉではなく、微結晶膜になる。
ここで、不活性ガス噴出孔３から噴出する水素（Ｈ２）及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するシランガス（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスのプラズマ化及びラデイカル種の生成について説明する。
空洞共振器１の上面に位置する不活性ガス噴出孔３から噴出した水素（Ｈ２）は第１及び第２のパルス電力でプラズマ化される。水素（Ｈ２）がプラズマ化されると、化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）が多量生成され、そして、Ｈ２→Ｈ＋Ｈの反応が起こり、多量の原子状Ｈが生成される。その結果、空洞共振器１に生成された多量の化学的に活性の励起状態の水素（Ｈ２）と多量の原子状Ｈは、貫通孔７から基板処理室４に拡散し、基板処理室４に流入する。
基板処理室４の上面には、第１のパルス電力及び第２のパルス電力の貫通孔７から漏れによる電界が発生している。この電界の強さは貫通孔７の大きさに影響されるが、水素（Ｈ２）やシランガス（ＳｉＨ４より）をプラズマ化するには十分な強さである。なお、本実施例では、貫通孔７のサイズは５ｍｍｘ５ｍｍ程度である。
基板処理室４の上面に位置する反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスがプラズマ化されると、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３の反応が起こる。この反応は、プラズマが強い場合、ジシラン（ＳｉＨ２＋ＳｉＨ４→Ｓｉ２Ｈ６）やトリシラン（ＳｉＨ２＋Ｓｉ２Ｈ６→Ｓｉ３Ｈ８）等のダスト（パウダー）が形成されるが、プラズマが弱く、かつ、大量の原子状Ｈがあれば、ＳｉＨ４→Ｈ＋ＳｉＨ３、及びＨ＋ＳｉＨ４→Ｈ２＋ＳｉＨ３の反応が起こり易い。なお、プラズマでの電子エネルギーが８．７５ｅＶ以上であればＳｉＨ３が生成され、９．４７ｅＶ以上であればＳｉＨ２が生成されることが、一般に知られている。
基板処理室４上面近傍において、貫通孔７から流入する大量の原子状Ｈ及び反応性ガス噴出孔１３から噴出するＳｉＨ４ガスのプラズマ化によって、基板９に微結晶シリコン膜が堆積される。
【００９３】
その膜厚分布は、空洞共振器１内部の電界分布Ｉｆ（ｘ）、即ち次式に比例した形となる。
Ｉｆ（ｘ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
ただし、Ｉ（ｘ）は膜の厚み、ｘは基板中央からその周辺方向への距離、λは使用電力の波長（プラズマ中での波長）である。
結晶化率の測定には、ラマンスペクトル分析器を用い、膜中の結晶Ｓｉピーク（５１７ｃｍ−１）ＩｃとアモルファスＳｉピーク（４７０〜４８０ｃｍ−１）Ｉａを求めて、結晶化率（％）＝１００ｘＩｃ／（Ｉａ＋Ｉｃ）と定義し、評価される。
【００９４】
上述のように、実施例１によれば、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂの上流側に上記供給電力の反射波及び干渉波は戻らない。その結果、電力供給の流れで見て、第１及び第２の３端子サーキュレータ５０ａ、５０ｂより上流側の電力電送線路には反射波及び干渉波が戻らないので、従来の装置で起こる焼損（破損）問題は発生しない。
また、インピーダンスの整合において、第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂのそれぞれのリアクタンス（ＬとＣ）を調整は、時間をずらして別々に行うので、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）の影響はない。
第１の整合器３２ａ及び第２の整合器３２ｂを同時に用いる場合においても、それぞれの干渉波、即ち、上記のＷｂ（１２）及びＷａ（１２）は第１及び第２の無反射終端器５２ａ、５２ｂ内部の電気抵抗で消費、吸収される。その結果、それぞれの干渉波の影響はない。
したがって、本実施例では、従来の技術では問題視される電力供給線路での定在波の発生に起因する装置の破損（焼損）問題及びインピーダンス整合の不適合の問題は、解消される。
また、プラズマの強さが波長λに影響されず、時間的、空間的に一定になる。
Ｉ（ｘ、ｔ）
∝ｃｏｓ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝＋ｓｉｎ２｛２π（ｘ−Ｌ０／２）／λ｝
＝１（一定）
したがって、基板サイズが大面積であっても製膜される膜の厚み分布は一様になる。
【００９５】
（実施例４）
本発明の第４の実施形態に係わるプラズマ表面処理装置及びプラズマ表面処理装置を用いたシリコン系膜の製造方法を説明する。
実施例１〜３では、図２、図１０及び図１３に示すように、基板製膜室４は基板９を固定して製膜する方法を説明した。
実施例４では、図示しない基板搬送装置を用いて、空洞共振器１あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器６０の中心軸に直交する方向に基板を動かしながら製膜を行う。基板を動かしながら製膜を行う方法及び装置は、プラズマ発生源を除いて、特に困難な技術的問題はない。
図２、あるいは、図１０、あるいは図１３における基板処理室４に、空洞共振器１の軸芯に直交する方向に基板９を移動することが出来る図示ない基板搬送装置を設置する。そして、基板９を動かしながら実施例１〜３で説明した方法と同様な方法で基板に処理を行う。
この方法では、基板の移動方向における基板寸法に制限がないので、基板形状が長尺の板状の場合でも、ロール状のフイルム状の場合でも、特に問題なく、プラズマ処理が行える、という応用上のメリットがある。
【符号の説明】
【００９６】
１・・・空洞共振器、
１ａ・・・矩形導波管、
１ａａ、１ａｂ・・・第１及び第２の電力導入部、
２ａ、２ｂ・・・第１及び第２のアンテナ、
３・・・不活性ガス噴出孔、
４・・・基板処理室、
７・・・貫通孔、
９・・・基板、
１０・・・基板保持台、
１３・・・反応ガス噴出孔、
２５ａ、２５ｂ・・・第１及び第２の電流導入端子、
２０・・・高周波電源、
３２ａ、３２ｂ・・・第１及び第２の整合器、
５０ａ、５０ｂ・・・第１及び第２の３端子サーキュレータ、
５２ａ、５２ｂ・・・第１及び第２の無反射終端器、
５３ａ、５３ｂ・・・第１及び第２の方向性結合器、
５４ａ、５４ｂ・・・第１及び第２の電力検知器、
６０・・・リッジを有する導波管、
６１・・・リッジ、
７０ａ、７０ｂ・・・第１及び第２の検知用アンテナ、
７３ａ７３ｂ・・・第１及び第２の電波検知装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスをそれぞれ整合する第１及び第２の整合器と、を具備したプラズマ表面処理装置を用いて、基板の表面をプラズマ処理するプラズマ表面処理方法において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ表面処理方法において、前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるとともに、
前記第１の３端子サーキュレータと前記第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器を配置し、前記第２の３端子サーキュレータと前記第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器を配置するとともに、該第１の電力検知器で検知される電力値及び第２の電力検知器で検知される電力値がそれぞれ最小値となるように、前記第１及び第２の整合器のリアクタンスをそれぞれに調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項３】
請求項１あるいは２のいずれか一つに記載のプラズマ表面処理方法において、前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるとともに、
前記空洞共振器の中心軸上の前記第１のアンテナ側の端部に第１の電波検知装置を配置し、前記空洞共振器の中心軸上の前記第２のアンテナ側の端部に第２の電波検知装置を配置して、該第１の電波検知装置で検知される電波の強さ及び該第２の電波検知装置で検知される電波の強さが最大値となり、かつ、前記第１の電力検知器で検知される電力値及び前記第２の電力検知器で検知される電力値とが最小値となるように、前記第１及び第２の整合器のリアクタンスをそれぞれに調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項４】
請求項２に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第１のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項５】
請求項２に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第２のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項６】
請求項３に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第１のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第２の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項７】
請求項３に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第２のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第１の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項８】
請求項２に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源の出力を前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータと前記第１のアンテナから成る第１の電力供給手段と、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータと前記第２のアンテナから成る第２の電力供給手段を用いて前記空洞共振器に供給するに際し、
該第２の整合器と該第２のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第２の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するという第１の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第１の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するという第２の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータを接続し、該第２の整合器と該第２のサーキュレータを接続し、該第１の工程及び該第２の工程で選定された該第１及び第２の整合器のリアクタンスを維持しつつ、該高周波電源の出力が該第１及び第２のアンテナから該空洞共振器へ供給されるという第３の工程と、から成ることを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項９】
請求項３に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源の出力を前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータと前記第１のアンテナから成る第１の電力供給手段と、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータと前記第２のアンテナから成る第２の電力供給手段を用いて前記空洞共振器に供給するに際し、
該第２の整合器と該第２のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第２の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するという第１の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第１の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するという第２の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータを接続し、該第２の整合器と該第２のサーキュレータを接続し、該第１の工程及び該第２の工程で選定された該第１及び第２の整合器のリアクタンスを維持しつつ、該高周波電源の出力が該第１及び第２のアンテナから該空洞共振器へ供給されるという第３の工程と、から成ることを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか一つに記載のプラズマ表面処理方法において、
前記第１及び第２のアンテナに供給される電力の電圧の位相差が零度である同相状態と、該第１及び第２のアンテナに供給される電力の電圧の位相差が１８０度である逆相状態とを、時間的に交互に発生させるようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項１１】
プラズマを利用して気密性を有する反応容器に配置された基板の表面をプラズマ処理するプラズマ表面処理装置において、
矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、
該空洞共振器にアンテナを介して高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
排気系に接続された排気孔を有し、基板が載置される基板保持手段を備えた基板処理室と、を備え、
該基板処理室が該空洞共振器に連結して設置され、該空洞共振器と該基板処理室を貫通する貫通孔を設置するとともに、該空洞共振器の壁に不活性ガスを噴出する不活性ガス噴出手段を配置し、該基板処理室側の該貫通孔の近傍に反応性ガスあるいは反応性ガスと不活性ガスを含む複数種類のガスの混合ガスを噴出する反応性ガス噴出手段を配置したことを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項１２】
矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスを整合する第１及び第２の整合器と、を具備し、生成されたプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理装置において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ第１及び第２の３端子サーキュレータが配置され、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ前記高周波電源の出力電力が供給され、
該第１及び第２の３端子サーキュレータに該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を消費させる第１及び第２の無反射終端器がそれぞれ接続されるとともに、
該第１のアンテナと該第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器が設置され、
該第２のアンテナと該第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器が設置されるという構造を有することを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項１３】
矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスを整合する第１及び第２の整合器と、を具備し、生成されたプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理装置において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ第１及び第２の３端子サーキュレータを配置されて、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ前記高周波電源の出力電力が供給され、
該第１及び第２の３端子サーキュレータに該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を消費させる第１及び第２の無反射終端器がそれぞれ接続されるとともに
該第１のアンテナと該第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器が設置され、該第２のアンテナと該第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器が設置され、
前記空洞共振器の中心軸上の該第１のアンテナ側の端部に電波の強さを検知する第１の電波検知装置が設置され、該空洞共振器の中心軸上の該第２のアンテナ側の端部に電波の強さを検知する第２の電波検知装置が設置されるという構造を有することを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項１４】
請求項１１から１３までのいずれか一つに記載のプラズマ表面処理装置において、
前記高周波電源は前記空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置された第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相を調整する移相器を備え、前記第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相が同相である同相状態と、該前記第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相が１８０度である逆相状態の２つの状態を時間的に交互に切り替えるようにしたこと特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項１】
矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスをそれぞれ整合する第１及び第２の整合器と、を具備したプラズマ表面処理装置を用いて、基板の表面をプラズマ処理するプラズマ表面処理方法において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ表面処理方法において、前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるとともに、
前記第１の３端子サーキュレータと前記第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器を配置し、前記第２の３端子サーキュレータと前記第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器を配置するとともに、該第１の電力検知器で検知される電力値及び第２の電力検知器で検知される電力値がそれぞれ最小値となるように、前記第１及び第２の整合器のリアクタンスをそれぞれに調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項３】
請求項１あるいは２のいずれか一つに記載のプラズマ表面処理方法において、前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ、第１及び第２の３端子サーキュレータを配置し、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ電力を供給し、該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を該第１及び第２の３端子サーキュレータにそれぞれに接続された第１及び第２の無反射終端器で消費させるとともに、
前記空洞共振器の中心軸上の前記第１のアンテナ側の端部に第１の電波検知装置を配置し、前記空洞共振器の中心軸上の前記第２のアンテナ側の端部に第２の電波検知装置を配置して、該第１の電波検知装置で検知される電波の強さ及び該第２の電波検知装置で検知される電波の強さが最大値となり、かつ、前記第１の電力検知器で検知される電力値及び前記第２の電力検知器で検知される電力値とが最小値となるように、前記第１及び第２の整合器のリアクタンスをそれぞれに調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項４】
請求項２に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第１のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項５】
請求項２に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第２のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項６】
請求項３に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第１のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第２の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項７】
請求項３に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源と前記第２のアンテナとのインピーダンスの整合を取るに際し、前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータの接続を遮断した状態において、前記第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、前記第１の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項８】
請求項２に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源の出力を前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータと前記第１のアンテナから成る第１の電力供給手段と、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータと前記第２のアンテナから成る第２の電力供給手段を用いて前記空洞共振器に供給するに際し、
該第２の整合器と該第２のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第２の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するという第１の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第１の電力検出器で検出される電力値が最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するという第２の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータを接続し、該第２の整合器と該第２のサーキュレータを接続し、該第１の工程及び該第２の工程で選定された該第１及び第２の整合器のリアクタンスを維持しつつ、該高周波電源の出力が該第１及び第２のアンテナから該空洞共振器へ供給されるという第３の工程と、から成ることを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項９】
請求項３に記載のプラズマ表面処理方法において、前記高周波電源の出力を前記第１の整合器と前記第１のサーキュレータと前記第１のアンテナから成る第１の電力供給手段と、前記第２の整合器と前記第２のサーキュレータと前記第２のアンテナから成る第２の電力供給手段を用いて前記空洞共振器に供給するに際し、
該第２の整合器と該第２のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第１の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第２の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第１の整合器のリアクタンスを調整するという第１の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータの接続を遮断した状態で、該第２の電力検出器で検出される電力値が最小で、かつ、該第１の電波検知装置で検出される電波の強さが最大となるように、該第２の整合器のリアクタンスを調整するという第２の工程と、
該第１の整合器と該第１のサーキュレータを接続し、該第２の整合器と該第２のサーキュレータを接続し、該第１の工程及び該第２の工程で選定された該第１及び第２の整合器のリアクタンスを維持しつつ、該高周波電源の出力が該第１及び第２のアンテナから該空洞共振器へ供給されるという第３の工程と、から成ることを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか一つに記載のプラズマ表面処理方法において、
前記第１及び第２のアンテナに供給される電力の電圧の位相差が零度である同相状態と、該第１及び第２のアンテナに供給される電力の電圧の位相差が１８０度である逆相状態とを、時間的に交互に発生させるようにしたことを特徴とするプラズマ表面処理方法。
【請求項１１】
プラズマを利用して気密性を有する反応容器に配置された基板の表面をプラズマ処理するプラズマ表面処理装置において、
矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、
該空洞共振器にアンテナを介して高周波電力を供給する高周波電力供給手段と、
排気系に接続された排気孔を有し、基板が載置される基板保持手段を備えた基板処理室と、を備え、
該基板処理室が該空洞共振器に連結して設置され、該空洞共振器と該基板処理室を貫通する貫通孔を設置するとともに、該空洞共振器の壁に不活性ガスを噴出する不活性ガス噴出手段を配置し、該基板処理室側の該貫通孔の近傍に反応性ガスあるいは反応性ガスと不活性ガスを含む複数種類のガスの混合ガスを噴出する反応性ガス噴出手段を配置したことを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項１２】
矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスを整合する第１及び第２の整合器と、を具備し、生成されたプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理装置において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ第１及び第２の３端子サーキュレータが配置され、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ前記高周波電源の出力電力が供給され、
該第１及び第２の３端子サーキュレータに該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を消費させる第１及び第２の無反射終端器がそれぞれ接続されるとともに、
該第１のアンテナと該第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器が設置され、
該第２のアンテナと該第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器が設置されるという構造を有することを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項１３】
矩形導波管あるいはリッジを有する導波管を備えた空洞共振器と、基板が載置される基板保持手段を備え、該空洞共振器に連結して設置される基板処理室と、該空洞共振器と該基板処理室の排気を行う排気装置と、該空洞共振器と該基板処理室に放電用ガスを供給する放電用ガス供給装置と、該空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置される第１及び第２のアンテナと、該第１及び第２のアンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源から該第１及び第２のアンテナに供給された電力の反射波を遮断するサーキュレータと、該高周波電源と該第１及び第２のアンテナとのインピーダンスを整合する第１及び第２の整合器と、を具備し、生成されたプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理装置において、
前記第１の整合器と前記第１のアンテナの間及び前記第２の整合器と前記第２のアンテナの間にそれぞれ第１及び第２の３端子サーキュレータを配置されて、該第１及び第２の３端子サーキュレータを介して該第１及び第２のアンテナにそれぞれ前記高周波電源の出力電力が供給され、
該第１及び第２の３端子サーキュレータに該第１及び第２のアンテナからの反射波あるいは該反射波と同じ方向に伝播する電力を消費させる第１及び第２の無反射終端器がそれぞれ接続されるとともに
該第１のアンテナと該第１の無反射終端器の間に第１の電力検知器が設置され、該第２のアンテナと該第２の無反射終端器の間に第２の電力検知器が設置され、
前記空洞共振器の中心軸上の該第１のアンテナ側の端部に電波の強さを検知する第１の電波検知装置が設置され、該空洞共振器の中心軸上の該第２のアンテナ側の端部に電波の強さを検知する第２の電波検知装置が設置されるという構造を有することを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項１４】
請求項１１から１３までのいずれか一つに記載のプラズマ表面処理装置において、
前記高周波電源は前記空洞共振器の中心軸上の一方の端部及び他方の端部にそれぞれ設置された第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相を調整する移相器を備え、前記第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相が同相である同相状態と、該前記第１及び第２のアンテナに供給される高周波電力の電圧の位相が１８０度である逆相状態の２つの状態を時間的に交互に切り替えるようにしたこと特徴とするプラズマ表面処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２１２９２１（Ｐ２０１２−２１２９２１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【公開請求】
【出願番号】特願２０１２−１４４１０７（Ｐ２０１２−１４４１０７）
【出願日】平成２４年６月２７日（２０１２．６．２７）
【出願人】（３０３０３４９０８）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４４１０７（Ｐ２０１２−１４４１０７）
【出願日】平成２４年６月２７日（２０１２．６．２７）
【出願人】（３０３０３４９０８）
【Ｆターム（参考）】
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