JP2000169969A - Electric discharge plasma treatment - Google Patents

Electric discharge plasma treatment

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JP2000169969A
JP2000169969A JP11058698A JP5869899A JP2000169969A JP 2000169969 A JP2000169969 A JP 2000169969A JP 11058698 A JP11058698 A JP 11058698A JP 5869899 A JP5869899 A JP 5869899A JP 2000169969 A JP2000169969 A JP 2000169969A
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JP
Japan
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gas
pulse
discharge
time
simulation
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Application number
JP11058698A
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Japanese (ja)
Inventor
Takuya Yara
卓也 屋良
Motokazu Yuasa
基和 湯浅
Seizo Kato
征三 加藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sekisui Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sekisui Chemical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to rapidly obtain treatment conditions meeting purposes at the time of carrying out the surface treatment of a base material by using an electric discharge plasma. SOLUTION: This method executes the treatment of the base material surface by arranging counter electrodes under the pressure near the atmosphere pressure, impressing pulse voltage between the counter electrodes in the state of disposing the base material on one electrode of these counter electrodes to generate a plasma and using the plasma. The fluid motion in the discharge space and the transfer and reception of interparticle energy are simulated by using the data on the gaseous flow, such as the gas kind, gas flow velocity and gaseous pressure, of the gas to be discharged and the data on ionization fields, such as impressed voltage, pulse rise time, pulse electric field shape, pulse frequency, inter-electrode distance, as parameters, by which the degree of electrolytic dissociation of the gas of each time and space is determined and the pulse electric field shape is so determined as to maximize the time average in the degree of electrolytic dissociation of the gas of whole electric discharge space.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、大気圧近傍の圧力
下における放電プラズマ処理方法に関し、さらに詳しく
は、大気圧近傍の圧力下におけるグロー放電プラズマを
利用する上で、その電離度、電極間での荷電粒子の存在
傾向、及び導入した原料ガスの電離度・解離度、並びに
それら粒子による化学気相合成(CVD)反応をシミュ
レーションし、例えば放電パラメータの処理効果への寄
与度を予測して基材表面の処理を行う放電プラズマ処理
方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for treating a discharge plasma under a pressure near the atmospheric pressure, and more particularly, to the use of glow discharge plasma under a pressure near the atmospheric pressure, the degree of ionization and the distance between electrodes. Of the presence of charged particles, and the degree of ionization and dissociation of the introduced source gas, and the chemical vapor synthesis (CVD) reaction of the particles, for example, to predict the contribution of discharge parameters to the processing effect. The present invention relates to a discharge plasma treatment method for treating a substrate surface.

【0002】[0002]

【従来の技術】グロー放電プラズマを用いて、プラスチ
ックフィルム上に透明金属酸化物などの薄膜を連続的に
成膜する方法としては、特開平7−333404号公報
及び特開平8−165565号公報に示されているよう
な低圧力下でのプラズマCVDやスパッタリング法が公
開されている。しかし、これらの方法では、フィルムロ
ールを真空槽内に設置しているので、原料の搬入や製品
の搬出ごとに、真空の解除と形成を繰り返さなくてはな
らず、フィルム基材の交換に多くの時間を要する。しか
も複雑かつ大規模な真空放電装置を用いる必要があるこ
とから、設備がコスト高になるという問題がある。
2. Description of the Related Art A method for continuously forming a thin film of a transparent metal oxide or the like on a plastic film using glow discharge plasma is disclosed in JP-A-7-333404 and JP-A-8-165565. A plasma CVD or sputtering method under a low pressure as shown is disclosed. However, in these methods, since the film roll is installed in the vacuum chamber, the vacuum must be repeatedly released and formed every time a raw material is carried in or a product is carried out. It takes time. In addition, since it is necessary to use a complicated and large-scale vacuum discharge device, there is a problem that the equipment becomes expensive.

【0003】このような点を解消するため、本出願人
は、常圧パルスプラズマを用いた成膜法(CVD)を既
に提案している。
In order to solve such a problem, the present applicant has already proposed a film forming method (CVD) using normal-pressure pulsed plasma.

【0004】その成膜法は、互いに対向する一対の電極
で構成され、その一方または双方の電極の対向面(最表
面)が固体誘電体で被覆されてなる対向電極を、大気圧
近傍の圧力下に配し、その対向電極間にフィルム基材を
電極に接触させながら走行させると同時に、対向電極間
にパルス電圧を印加することによりグロー放電プラズマ
を発生させ、その放電プラズマを用いてフィルム基材に
薄膜を連続的に形成する方法である。この成膜法では、
大気圧環境下から直接フィルム基材を成膜環境下に導入
し、そのフィルム基材上に薄膜を直接成膜することがで
きる。
According to the film forming method, a counter electrode composed of a pair of electrodes facing each other and having one or both electrodes whose opposing surfaces (outermost surfaces) are coated with a solid dielectric is applied to a pressure near atmospheric pressure. The glow discharge plasma is generated by applying a pulse voltage between the opposing electrodes, and the glow discharge plasma is generated. This is a method of continuously forming a thin film on a material. In this film formation method,
A thin film can be formed directly on the film substrate by introducing the film substrate directly into the film forming environment from the atmospheric pressure environment.

【0005】なお、以上の常圧パルスプラズマを用いた
成膜法において、対向電極間に印加するパルス電圧は、
例えば図2〜図7に示すようなパルス波形のものが用い
られており、そのパルス波形の立ち上がりは、100μ
s以下とすることが好ましいとされている。また、対向
電極間に印加するパルス電界の周波数は、0.5kHz
〜100kHzの範囲とすることが好ましいとされてい
る。さらに、パルス電界におけるパルス継続時間は1μ
s〜1000μsの範囲、より好ましくは3μs〜20
0μsの範囲が良いとされている。
[0005] In the film forming method using the normal-pressure pulse plasma described above, the pulse voltage applied between the opposing electrodes is:
For example, a pulse waveform as shown in FIGS. 2 to 7 is used, and the rising edge of the pulse waveform is 100 μm.
It is said that it is preferably set to s or less. The frequency of the pulse electric field applied between the opposing electrodes is 0.5 kHz.
It is considered that the frequency is preferably in the range of 100100 kHz. Further, the pulse duration in the pulse electric field is 1 μm.
s to 1000 μs, more preferably 3 μs to 20 μs.
It is considered that the range of 0 μs is good.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところで、プラズマC
VDやスパッタリング法など、低圧下での放電現象は古
くから研究されており、その現象論から目的とする処理
効果に到る放電パラメータの傾向は、希薄気体シミュレ
ーションによって容易に予測できる。しかしながら、大
気圧近傍下でのグロー放電現象は近年発見されたもので
あり、前記した常圧パルスプラズマを用いた成膜法につ
いての学術的な諸現象の解明はいまだされておらず、そ
のため、目的とする処理効果を得る上で必要な放電パラ
メータは試行錯誤によって得るほかはなく、生産技術を
開発する上で膨大な時間を要しているのが現状である。
The plasma C
Discharge phenomena under a low pressure, such as VD and sputtering, have been studied for a long time, and the tendency of discharge parameters leading to a desired treatment effect can be easily predicted by lean gas simulation based on the phenomenology. However, the glow discharge phenomenon near the atmospheric pressure has recently been discovered, and the scientific phenomena of the film formation method using the normal-pressure pulse plasma described above have not been elucidated yet. At present, the discharge parameters required to obtain the desired processing effect must be obtained by trial and error, and enormous time is required to develop the production technology.

【0007】また、従来の希薄気体シミュレーション法
では、1種類の気体分子(主にアルゴンなどの単原子気
体)を計算対象としている(下記の文献1),2) 参照)。
このシミュレーション法において、計算時間を左右する
衝突ペアは、弾性衝突の場合で1ペア、非弾性では電子
衝突も追加されるため計算に10ペアが必要である。こ
れを常圧下でシミュレーションすると、その莫大な粒子
数からの計算は莫大なものとなる。
Further, in the conventional lean gas simulation method, one kind of gas molecule (mainly a monoatomic gas such as argon) is to be calculated (see the following literatures 1) and 2).
In this simulation method, one pair of collision pairs which determines the calculation time is required for elastic collision, and 10 pairs are required for calculation because electron collision is added for inelastic collision. If this is simulated under normal pressure, the calculation from the huge number of particles becomes enormous.

【0008】文献1)南部・宇佐美・太田:希薄気体数値
シミュレーション法の基礎とプログラミング,機械学会
講習会資料,No.940-61 文献2)宇佐美・手島:DCMC法による超音速希薄自由
噴流の分子シミュレーション,日本機械学会論文集(B
編)64巻620号(1998-4),No.97-0939 本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、放電
プラズマを用いて基材の表面処理を行うにあたり、目的
に応じた処理条件を迅速に得ることが可能な放電プラズ
マ処理方法の提供を目的とする。
Reference 1) Nambu, Usami, Ota: Fundamentals and programming of diluted gas numerical simulation method, Materials of the Society of Mechanical Engineers, No. 940-61 Reference 2) Usami, Teshima: Supersonic diluted free jet molecules by DCMC method Simulation, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (B
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such circumstances, and in performing a surface treatment of a base material using discharge plasma, the present invention has been developed according to the purpose. An object of the present invention is to provide a discharge plasma processing method capable of quickly obtaining processing conditions.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、大気圧近傍の
圧力下に対向電極を配置し、この対向電極の一方の電極
上に基材を配した状態で、対向電極間にパルス電圧を印
加することにより放電プラズマを発生させ、その放電プ
ラズマを用いて基材の表面処理を行う方法であって、放
電対象ガスのガス種、ガス流速、ガス圧力等のガス流に
関するデータ、及び印加電圧、パルス立ち上がり/立ち
下がり時間、パルス電界形状、パルス周波数、電極間距
離等の電離場に関するデータをパラメータとして、放電
空間内の流体運動及び粒子間エネルギの授受をシミュレ
ーションすることにより、時間及び空間ごとのガス電離
度を求め、その放電空間全体のガス電離度を時間平均が
最大となるようにパルス電界形状を選定することによっ
て特徴づけられる。
According to the present invention, a counter electrode is arranged under a pressure near the atmospheric pressure, and a pulse voltage is applied between the counter electrodes in a state where a base material is disposed on one of the counter electrodes. A method for generating a discharge plasma by applying a voltage and applying a surface treatment to a substrate using the discharge plasma. The method includes data on a gas flow such as a gas type, a gas flow rate, and a gas pressure of a discharge target gas, and an applied voltage. By simulating the fluid motion in the discharge space and the transfer of energy between particles, using data on ionization field such as pulse rise / fall time, pulse electric field shape, pulse frequency, distance between electrodes as parameters, Is determined by determining the gas ionization degree of the entire discharge space and selecting the pulse electric field shape so that the time average is maximized.

【0010】本発明の放電プラズマ処理方法によれば、
ガス流に関わるパラメータ、例えばガス種、総ガス流
量、ガス流速等のパラメータ、及び、電離場に関わるパ
ラメータ、例えば印加電圧、パルス立ち上がり/立ち下
がり時間、パルス形状、周波数、電極間距離といったよ
うな数多くのパラメータのそれぞれの寄与及び相互依存
を加味した電離度を、シミュレーション計算により算出
することができるので、目的に応じた放電条件を絞るこ
とができ、それを実際に確認することで迅速に好適な放
電条件を得ることができる。
According to the discharge plasma processing method of the present invention,
Parameters related to gas flow, such as gas type, total gas flow rate, gas flow rate, etc., and parameters related to ionization field, such as applied voltage, pulse rise / fall time, pulse shape, frequency, distance between electrodes, etc. Since the degree of ionization taking into account the contribution and interdependence of each of a large number of parameters can be calculated by simulation calculation, the discharge conditions according to the purpose can be narrowed down, and it is quickly suitable by actually confirming it. Discharge conditions can be obtained.

【0011】次に、本発明の放電プラズマ処理方法に適
用するシミュレーション法について以下に詳細に説明す
る。
Next, a simulation method applied to the discharge plasma processing method of the present invention will be described in detail below.

【0012】まず、上記した常圧パルスプラズマを用い
た成膜法において発生する常圧プラズマは、放電電極間
の狭い空間(数mm)に限定されるが、0.1Torr
以上で行われることが多いので、低圧プラズマ法に比べ
4〜5桁高い圧力すなわち4〜5桁多い粒子数のガス雰
囲気下で粒子を電離し、また電極間が狭いことから基材
の極めて近傍で高密度のグロー放電が発生するので、極
めて高速に処理効果が得られることが特徴であり、この
ように電極間距離が狭いことから、グロー放電の診断法
として一般に用いられるラングミュアプローブ法では放
電に著しい影響が及ぶので、正確な放電状態を知ること
が困難である。
First, the normal pressure plasma generated in the film forming method using the normal pressure pulsed plasma is limited to a narrow space (several mm) between the discharge electrodes.
Since the above process is often performed, the particles are ionized under a gas atmosphere having a pressure that is 4 to 5 orders of magnitude higher than that of the low-pressure plasma method, that is, a particle count of 4 to 5 orders of magnitude higher. Is characterized by the fact that a high-density glow discharge is generated, so that the treatment effect can be obtained at a very high speed.The distance between the electrodes is so small that the Langmuir probe method, which is generally used as a glow discharge diagnostic method, is characterized by a discharge. , It is difficult to know an accurate discharge state.

【0013】そこで、本発明では、常圧パルスプラズマ
のシミュレーションを行って、目的に応じた処理条件
(放電条件)を得るという手法を採用するわけである
が、常圧パルスプラズマのシミュレーション計算は、前
記したように、低圧法(希薄気体シミュレーション)に
比べて莫大な数の粒子運動を扱うために膨大な量の計算
が必要になるという問題がある。
Therefore, in the present invention, a technique of simulating a normal-pressure pulse plasma and obtaining a processing condition (discharge condition) according to the purpose is adopted. As described above, there is a problem that an enormous amount of calculations are required to handle an enormous number of particle motions as compared with the low pressure method (lean gas simulation).

【0014】これを解決するため、本発明では、計算領
域をシミュレーション計算に問題のない範囲までの縮小
(計算領域の最適化)し、さらにシミュレーション計算
上において粒子運動(挙動)が同じと扱っても問題のな
い粒子群の動きを1つの擬似的な粒子で代表させる代表
粒子則(計算粒子数の最適化)を用いることで、計算量
の軽減化をはかっている。また、対向電極間へのガス流
も考慮することで、常圧パルスプラズマのシミュレーシ
ョン計算の正確性を高めている。
In order to solve this, in the present invention, the calculation region is reduced to a range where there is no problem in the simulation calculation (optimization of the calculation region), and the particle motion (behavior) is treated as the same in the simulation calculation. However, the amount of calculation is reduced by using a representative particle rule (optimizing the number of calculated particles) in which the motion of a particle group having no problem is represented by one pseudo particle. Also, by taking into account the gas flow between the opposed electrodes, the accuracy of the simulation calculation of the atmospheric pressure pulsed plasma is improved.

【0015】なお、上記した計算領域の縮小処理とは、
対向電極間の領域を所定数の層領域(セル)に分割し、
その各セルの厚さをシミュレーション計算に支障のない
程度の厚さまで薄くして、計算に用いるデータ数を少な
くするという処理である。
Note that the above-described calculation area reduction processing is as follows.
The area between the counter electrodes is divided into a predetermined number of layer areas (cells),
This is a process of reducing the thickness of each cell to a thickness that does not hinder the simulation calculation, thereby reducing the number of data used in the calculation.

【0016】常圧パルスプラズマのシミュレーション計
算の具体的な例を、図1を参照しつつ説明する。なお、
図1はコンピュータ等において実行されるシミュレーシ
ョン計算プログラムの動作内容を示すブロック図であ
る。また、この例のシミュレーション計算では、対向電
極を平行平板電極(図9参照)とし、その上部電極(1
2a)からパルス電界を印加し、下部電極(12b)を
接地電極としている。
A specific example of the simulation calculation of the normal pressure pulse plasma will be described with reference to FIG. In addition,
FIG. 1 is a block diagram showing the operation contents of a simulation calculation program executed on a computer or the like. In the simulation calculation of this example, the counter electrode is a parallel plate electrode (see FIG. 9), and the upper electrode (1
A pulse electric field is applied from 2a), and the lower electrode (12b) is used as a ground electrode.

【0017】まず、放電対象ガス種(放電対象ガスの第
1イオン化ポテンシャル)、ガス流速、ガス圧力等のガ
スの流れに関わるデータ、及び、印加電圧、パルス立ち
上がり/立ち下がり時間、パルス電界形状、周波数、電
極間距離等の電離場(対向電極間)に関するデータを入
力(設定)すると、前記したような縮小処理及び代表粒
子則により、常圧プラズマシミュレーションを行い得
る、最適な計算領域及び計算粒子数を算出するととも
に、代表粒子の初期状態量を設定して、それらをデータ
として格納する。
First, data relating to the gas flow such as the type of gas to be discharged (first ionization potential of the gas to be discharged), gas flow velocity, gas pressure, etc., applied voltage, pulse rise / fall time, pulse electric field shape, When the data on the ionization field (between the opposed electrodes) such as the frequency and the distance between the electrodes is input (set), the optimal calculation region and the calculated particles for which the normal-pressure plasma simulation can be performed by the above-described reduction processing and the representative particle rule. The number is calculated, the initial state quantities of the representative particles are set, and these are stored as data.

【0018】次に、格納したデータから衝突代表粒子対
を抽出し、それら粒子の放電空間内での移動・衝突(流
体運動)と、衝突粒子間におけるエネルギの授受を計算
し、次いで、代表粒子間の補正・エネルギ蓄積等の処理
を行った後、これら処理後のデータから電離を判定し、
その判定結果から、時間及び空間ごとの電離度(%)を
求めてデータとして格納する。ここで、電離とは中性粒
子のガスがプラズマ化したことを指す。また、本発明に
おいて、粒子移動・衝突及びエネルギ授受の計算は、粒
子運動を扱う分野で一般に知られている演算式を用いて
行うので、その詳細な説明は省略する。
Next, a representative pair of collision particles is extracted from the stored data, and the movement and collision (fluid motion) of the particles in the discharge space and the transfer of energy between the collision particles are calculated. After performing processing such as correction and energy storage during the period, ionization is determined from the data after these processing,
From the determination result, the degree of ionization (%) for each time and space is obtained and stored as data. Here, ionization means that the gas of the neutral particles is turned into plasma. Further, in the present invention, the calculation of particle movement / collision and energy transfer is performed using an arithmetic expression generally known in the field of dealing with particle motion, and a detailed description thereof will be omitted.

【0019】そして、全ての計算領域の電離度の計算が
完了した時点で、それら計算データから平均電離度
(%)を求めて、各データ(電離度データ)を表示す
る。なお、電離度データは、数値、グラフ、分布密度画
像など、指定した方式で画面表示することができ、ま
た、フロッピィディスクなどの外部記憶媒体に出力でき
る。
When the calculation of the degree of ionization in all calculation regions is completed, an average degree of ionization (%) is obtained from the calculated data, and each data (ionization degree data) is displayed. The ionization degree data can be displayed on a screen in a designated manner such as a numerical value, a graph, a distribution density image, or the like, and can be output to an external storage medium such as a floppy disk.

【0020】ここで、以上のような常圧パルスプラズマ
のシミュレーション法において、より高速な処理を期待
する場合は、与えられた条件内で最大の電離度を得る組
み合わせを算出すればよい。しかしながら、基材がプラ
スチックである場合、高い電離度のプラズマをそのまま
処理に用いると、イオンの衝撃により基材に孔が空いた
り、変形したりすることがある。また、反応速度が高速
なガスを用いたCVDでは、イオン衝撃により得られる
膜が白濁するなどの問題となることがある。これを回避
する方法としては、電離度を下げるという方法の他に、
印加するパルスに正負の偏りを与えて、荷電粒子の空間
中の存在傾向を変化させる方法がある。例えば、基材が
配置された電極の対向電極近傍に発生したイオンの60
%以上が存在するようにパルス波形を選ぶことで、基材
へのイオン衝撃を和らげる効果が期待できる。
Here, in the normal pressure pulsed plasma simulation method as described above, when higher speed processing is expected, a combination that can obtain the maximum ionization degree within given conditions may be calculated. However, in the case where the substrate is plastic, if the plasma having a high ionization degree is used as it is in the treatment, holes or holes may be formed in the substrate due to ion bombardment. Further, in the CVD using a gas having a high reaction rate, there may be a problem that a film obtained by ion bombardment becomes cloudy. To avoid this, besides reducing the degree of ionization,
There is a method of giving a positive or negative bias to a pulse to be applied to change the tendency of charged particles to exist in space. For example, 60% of ions generated near the counter electrode of the electrode on which the substrate is disposed
By selecting the pulse waveform so that the percentage is not less than%, the effect of reducing the ion impact on the base material can be expected.

【0021】また、先の例で挙げたCVDにおいてイオ
ンの衝撃が問題にならない場合は、逆に、発生した反応
励起種の60%以上を基材を配した電極近傍に偏在さ
せ、基材への成膜速度を上げるとともに対向する電極へ
の膜付着を防ぐことも期待できる。これは、電極汚れを
防ぐことで、メンテナンス周期を長くして生産効率を上
げるなどの副次的な効果も期待できる。
If the ion bombardment does not pose a problem in the CVD described in the above example, on the contrary, 60% or more of the generated reaction-excited species are unevenly distributed near the electrode on which the substrate is arranged, and It can be expected that the film deposition rate is increased and the film deposition on the opposing electrode is prevented. This can be expected to have a secondary effect such as prolonging the maintenance cycle and improving production efficiency by preventing electrode contamination.

【0022】ここで、本発明方法を、導入ガスとして含
金属ガス等の気相反応ガスを用いたCVDに適用する場
合、以下に示すようなシミュレーションを重ねて実行す
ることにより、膜成長に関する情報(成膜速度、反応効
率等)を得ることができる。
Here, when the method of the present invention is applied to CVD using a gas-phase reaction gas such as a metal-containing gas as an introduced gas, information on film growth is obtained by repeatedly executing simulations as described below. (Deposition speed, reaction efficiency, etc.) can be obtained.

【0023】その例として、テトラエトキシシランと酸
素及び窒素との混合気体を導入ガスとして二酸化珪素の
成長をシミュレーション計算する場合を、以下、図10
に示すフローチャートを参照しつつ説明する。
As an example, a simulation calculation of the growth of silicon dioxide using a mixed gas of tetraethoxysilane and oxygen and nitrogen as an introduction gas will be described below with reference to FIG.
This will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

【0024】なお、このシミュレーション計算において
も、対向電極を平行平板電極(図9参照)とし、その上
部電極(12a)からパルス電界を印加し、下部電極
(12b)を接地電極としている。
Also in this simulation calculation, the counter electrode is a parallel plate electrode (see FIG. 9), a pulse electric field is applied from its upper electrode (12a), and the lower electrode (12b) is a ground electrode.

【0025】まず、先のシミュレーション法(図1)と
同様に、条件データの入力、CVD場(電離場)の条件
設定、計算領域セル分割、粒子の初期状態量の設定を行
う。次に、先のシミュレーション法と分子軌道法による
予備計算とを用いることにより、衝突ペア数を削減し
て、その分子への荷電粒子の衝突によるエネルギの授受
をシミュレーションすることにより、分子の電離・解離
等の反応を計算し、次いで、その計算処理後のデータか
ら解離を判定し、シリコン原子や酸素ラジカル(O*
の発生を判定する。
First, similarly to the above-described simulation method (FIG. 1), input of condition data, setting of conditions of a CVD field (ionization field), division of calculation area cells, and setting of initial state quantities of particles are performed. Next, by using the previous simulation method and the preliminary calculation by the molecular orbital method, the number of collision pairs is reduced, and the transfer of energy due to the collision of charged particles with the molecule is simulated, so that the ionization and Reactions such as dissociation are calculated, then dissociation is determined from the data after the calculation, and silicon atoms and oxygen radicals (O * )
Is determined.

【0026】ここで、分子の電離・解離等の反応は、通
常、衝突断面積を用いて確率的手法(例えば、電気学
会:気体放電シミュレーション技法,電気学会技術報
告,No.140 p5-p13 参照)で処理されるが、この処理法
は分子シミュレーションの分野では高い信頼性が得られ
るものの、本発明が課題とする常圧下においては、各分
子の衝突断面積の基礎データが薄弱であるため、実際に
即した計算が困難となる。そこで、本発明においては、
シリコン原子や酸素ラジカルの発生を判定する際にエネ
ルギ蓄積法を用いる。エネルギ累積法は、分子の電離・
解離等の反応の累積エネルギがしきい値を超えたか否か
で判断するので、常圧下における気相反応計算には有効
な手法である。
Here, reactions such as ionization and dissociation of molecules are usually performed by a stochastic method using a collision cross section (for example, see IEEJ: Gas Discharge Simulation Technique, IEEJ Technical Report, No. 140, p5-p13). ), Although this method is highly reliable in the field of molecular simulation, but under normal pressure, which is the subject of the present invention, the basic data of the collision cross-section of each molecule is weak. Actual calculations are difficult. Therefore, in the present invention,
An energy storage method is used to determine the generation of silicon atoms and oxygen radicals. Energy accumulation method is based on ionization of molecules.
This is an effective method for calculating a gas phase reaction under normal pressure because it is determined based on whether or not the accumulated energy of a reaction such as dissociation has exceeded a threshold value.

【0027】以上のエネルギ累積法による判定(気相反
応計算)が終了し、分子(イオン)が基材表面に到達し
たことを確認した時点で、基材表面の反応領域での計算
に移行する。その基材表面反応計算は、基材表面領域で
の粒子の移動・衝突・エネルギ蓄積を計算し、分子が基
材表面に付着したか否かで、薄膜生成(成膜)を判定す
るという処理で行う。そして、以上の気相反応計算と基
材表面反応計算の各処理を、目的とするシミュレーショ
ン結果が得られるまで順次繰り返してゆく。
When the determination by the above-described energy accumulation method (gas phase reaction calculation) is completed, and it is confirmed that the molecules (ions) have reached the substrate surface, the process proceeds to the calculation in the reaction region on the substrate surface. . The substrate surface reaction calculation calculates the movement, collision, and energy accumulation of particles in the substrate surface area, and determines whether thin films are formed (film formation) based on whether molecules adhere to the substrate surface. Do with. Then, the above-described processes of the gas phase reaction calculation and the substrate surface reaction calculation are sequentially repeated until a desired simulation result is obtained.

【0028】ここで、以上の例において、気相反応計算
と基材表面反応計算とを組み合わせてシミュレーション
を行っている理由を、さらに詳しく説明する。
Here, the reason why the simulation is performed by combining the gas phase reaction calculation and the substrate surface reaction calculation in the above example will be described in further detail.

【0029】まず、成膜シミュレーションに関する手法
は、現在、多々報告されているが、そのほとんどが表面
反応に注目したものである。一方、放電シミュレーショ
ンでは、気相反応にのみ注目するのが常である(下記の
文献3),4) 参照)。
First, many techniques relating to film formation simulation have been reported at present, but most of them focus on surface reactions. On the other hand, in a discharge simulation, it is usual to pay attention only to a gas phase reaction (see the following references 3) and 4).

【0030】本発明のシミュレーションでは、実際の装
置に関する成膜結果の予測を目的としているため、気相
反応と基材表面反応の双方を両立させる必要がある。そ
こで、図10のフローチャートに示すように、気相反応
計算で得た結果を直接、表面反応計算のブロックに入力
し、成膜判定に至るまでループさせることで、1つのプ
ログラムにおいて気相反応と表面反応とを融合させ、気
相反応・表面反応を同時計算することで、実際の常圧パ
ルスプラズマCVDの結果との整合性を高めている。そ
して、このようなシミュレーション法によって、成膜に
至る分子数を算出でき、それによって成膜速度や導入ガ
ス濃度に対する反応効率等を予測することが可能とな
り、その情報を基に最適な成膜条件を迅速に得ることが
できる。
In the simulation of the present invention, since the purpose is to predict a film formation result for an actual apparatus, it is necessary to achieve both a gas phase reaction and a substrate surface reaction. Therefore, as shown in the flowchart of FIG. 10, the result obtained by the gas phase reaction calculation is directly input to the surface reaction calculation block and looped until the film formation determination is performed, so that the gas phase reaction and the By integrating the surface reaction and the simultaneous calculation of the gas phase reaction and the surface reaction, the consistency with the actual result of the normal pressure pulsed plasma CVD is improved. By such a simulation method, the number of molecules leading to film formation can be calculated, thereby making it possible to predict a film formation rate, a reaction efficiency with respect to an introduced gas concentration, and the like, and based on the information, optimal film formation conditions. Can be obtained quickly.

【0031】文献3)南部・中込:塩素のRFパルス放電
の粒子シミュレーション,第10回計算力学講演会講演
論文集,p245-p246 文献4)電気学会:非平衡rfプラズマの特性とシミュレ
ーション技法,電気学会技術報告,No.595 なお、本発明の放電プラズマ処理方法において、放電プ
ラズマを発生させるために使用する対向電極の材質とし
ては、銅、アルミニウム等の金属単体、ステンレス、真
鍮等の合金、あるいは金属間化合物等を挙げることがで
きる。対向電極は電界集中によるアーク放電の発生を避
けるために、電極間の距離がほぼ一定となる構造である
ことが好ましく、この条件を満たす電極構造としては、
前記した平行平板電極のほか、円筒対向平板型、球対向
平板型、双曲面対向平板型、同軸円筒型構造等を挙げる
ことができる。
Reference 3) Nanbu Nakanaka: Particle Simulation of RF Pulse Discharge of Chlorine, Proceedings of the 10th Computational Mechanics Conference, p245-p246 Reference 4) IEEJ: Characteristics and Simulation Techniques of Nonequilibrium rf Plasma, Electricity Technical report of the Society, No. 595 In the discharge plasma treatment method of the present invention, the material of the counter electrode used to generate discharge plasma is a simple metal such as copper or aluminum, an alloy such as stainless steel or brass, or Intermetallic compounds and the like can be mentioned. The counter electrode preferably has a structure in which the distance between the electrodes is substantially constant in order to avoid occurrence of arc discharge due to electric field concentration.
In addition to the above-mentioned parallel plate electrode, a cylindrical opposed plate type, a spherical opposed plate type, a hyperboloid opposed plate type, a coaxial cylindrical type structure and the like can be mentioned.

【0032】また、本発明の放電プラズマ処理方法にお
いて、対向電極の対向面の一方または双方に固体誘電体
を設置することが好ましい。この際、固体誘電体によっ
て覆われずに電極どうしが直接対向する部位があると、
そこからアーク放電が生じやすくなるため、固体誘電体
はこれを設置する側の電極に密着し、かつ、接する電極
の対向面を完全に覆うようにする。
In the discharge plasma processing method of the present invention, it is preferable to provide a solid dielectric on one or both of the opposing surfaces of the opposing electrode. At this time, if there is a part where the electrodes directly face each other without being covered by the solid dielectric,
Since an arc discharge is easily generated therefrom, the solid dielectric is in close contact with the electrode on which the solid dielectric is provided, and completely covers the opposing surface of the contacting electrode.

【0033】固体誘電体の形状は、シート状でもフィル
ム状でもよいが、厚みが0.5〜5mm程度であること
が好ましく、厚すぎると放電プラズマを発生するのに高
電圧を要し、薄すぎると電圧印加時に絶縁破壊が起こり
アーク放電が発生する。
The shape of the solid dielectric may be a sheet or a film, but is preferably about 0.5 to 5 mm. If it is too thick, a high voltage is required to generate discharge plasma, and If the voltage is too high, dielectric breakdown occurs when a voltage is applied, and arc discharge occurs.

【0034】固体誘電体の材質には、ポリテトラフルオ
ロエチレンやポリエチレンテレフタレート等のプラスチ
ック、ガラス、二酸化珪素、酸化アルミニウム、二酸化
ジルコニウム、二酸化チタニウム等の金属酸化物、チタ
ン酸バリウム等の複酸化物等が挙げられる。
Examples of the material of the solid dielectric include plastics such as polytetrafluoroethylene and polyethylene terephthalate, glass, metal oxides such as silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium dioxide and titanium dioxide, and double oxides such as barium titanate. Is mentioned.

【0035】ただし、上記固体誘電体は、比誘電率が2
以上(25℃環境下、以下同)であることが好ましい。
このような誘電体としては、ポリテトラフルオロエチレ
ン、ガラス、金属酸化膜等を挙げることができる。
However, the solid dielectric has a relative dielectric constant of 2
It is preferable that the above conditions (under a 25 ° C. environment, the same applies hereinafter).
Examples of such a dielectric include polytetrafluoroethylene, glass, and a metal oxide film.

【0036】[0036]

【実施例】まず、本発明の実施例として、以下のシミュ
レーション1〜6と処理例1〜6とから放電条件(パル
ス電界波形)を絞り込む場合の例を示す。 <シミュレーション1>放電ガス;アルゴンガス、ガス
圧力760Torr、ガス流速1.0m/sのガス流条
件のもとで、電極間距離2mmの平行平板電極の上部電
極を印加電極として、下部電極を接地極として(図9参
照)、印加電圧+2kV,−2kV、立ち上がり5μs
ec、立ち下がり時間5μsec、周波数4kHz(λ
=25μsec)の図2に示すパルス波形1を電離場の
データとして、図1に示した手順でシミュレーションを
行い、平均電離度を求めた。
First, as an embodiment of the present invention, an example in which discharge conditions (pulse electric field waveform) are narrowed down from the following simulations 1 to 6 and processing examples 1 to 6 will be described. <Simulation 1> Discharge gas: Argon gas, gas pressure of 760 Torr, gas flow rate of 1.0 m / s, and gas flow conditions of 1.0 m / s. As poles (see FIG. 9), applied voltage +2 kV, -2 kV, rising 5 μs
ec, fall time 5 μsec, frequency 4 kHz (λ
= 25 μsec) as the ionization field data, a simulation was performed in the procedure shown in FIG. 1, and the average ionization degree was obtained.

【0037】その結果、パルス印加中の平均電離度は
1.4%であった。電極間中のイオンの密度分布の挙動
は時間に伴って増加していき、T=2λ/5秒後(正電
界印加時)は上部電極近傍に集中し、負電界開始からパ
ルス終了までは電極間全面に存在することが分かった。 <シミュレーション2>図3に示すように、パルス波形
2の正電位から負電位に到る立ち下がり時間をλ/10
(2.5μsec)とした以外はシミュレーション1と
同じとした。このときの平均電離度は2.2%であっ
た。電極間中のイオンの存在傾向は、シミュレーション
1と同様に正電界印加時は上部電極近傍に集中し、負電
界開始からパルス終了までは電極間全面に存在した。 <シミュレーション3>図4に示すように、パルス波形
3の立ち上がりの時間をλ/10(2.5μsec)と
した以外はシミュレーション1と同じとした。このとき
の平均電離度は2.62%であり、イオンの存在傾向は
シミュレーション1及び2と同様であった。
As a result, the average ionization degree during the pulse application was 1.4%. The behavior of the ion density distribution between the electrodes increases with time, and after T = 2λ / 5 seconds (when a positive electric field is applied), the ions concentrate near the upper electrode. It was found to exist all over the area. <Simulation 2> As shown in FIG. 3, the fall time from the positive potential to the negative potential of the pulse waveform 2 is λ / 10
(2.5 μsec), except that it was the same as Simulation 1. At this time, the average ionization degree was 2.2%. Like the simulation 1, the tendency of the ions existing between the electrodes was concentrated near the upper electrode when the positive electric field was applied, and existed on the entire surface between the electrodes from the start of the negative electric field to the end of the pulse. <Simulation 3> As shown in FIG. 4, the same as Simulation 1 except that the rising time of the pulse waveform 3 was λ / 10 (2.5 μsec). At this time, the average ionization degree was 2.62%, and the existence tendency of ions was the same as in Simulations 1 and 2.

【0038】以上のシミュレーション1〜3の傾向か
ら、電離度を向上させるにはパルス立ち上がり/立ち下
がり時間を高速にすることが効果的であることが分か
る。特に立ち上がり時間を速くすることが効果的であ
る。シミュレーション1〜3では、パルス休止時間を含
む周期長を固定したので、印加時間が短縮されている
が、それにも関わらず電離度が向上している。これは、
立ち上がり/立ち下がり時間が粒子の加速に寄与する値
であり、結果として得られる粒子速度が運動エネルギに
2乗で寄与することが影響しているものと考えられる。
From the above simulations 1 to 3, it can be seen that it is effective to increase the pulse rise / fall time to improve the degree of ionization. In particular, it is effective to increase the rise time. In the simulations 1 to 3, the application time was shortened because the cycle length including the pulse pause time was fixed, but the ionization degree was improved despite that. this is,
The rise / fall time is a value that contributes to the acceleration of the particles, and it is considered that the resulting particle velocity contributes to the kinetic energy as a square.

【0039】これらの結果から、以下のシミュレーショ
ン4を想定し、電離度を想定した。 <シミュレーション4>図5に示すように、パルス波形
4の立ち上がり時間を3λ/40(1.875μs)、
立ち下がり時間を3λ/20(3.75μs)とした以
外はシミュレーション1と同じとした。このときの平均
電離度は3.1%であった。
From these results, the following simulation 4 was assumed, and the degree of ionization was assumed. <Simulation 4> As shown in FIG. 5, the rise time of the pulse waveform 4 was 3λ / 40 (1.875 μs),
It was the same as Simulation 1 except that the fall time was 3λ / 20 (3.75 μs). At this time, the average ionization degree was 3.1%.

【0040】以上のシミュレーション1〜4の結果を、
シミュレーション1の電離度を1とした相対電離度で比
較したのが図8である。このように立ち上がり時間を変
化させることで電離度の向上が図れることを予測でき
る。 <処理例1>図9に示す常圧プラズマ処理装置(チャン
バ11:ガラス製 容量:8L)において、接地した下
部電極12b(φ140mm)から2mm上方に上部電
極12a(φ140mm)を配置して、油圧回転ポンプ
(図示せず)でチャンバ11内が0.1Torrになる
まで排気を行い、次いで、チャンバ11内が760To
rrになるまでアルゴンガスを導入した。その後、立ち
上がり時間5μs、立ち下がり時間5μsのパルス電源
13を使い、上部電極12aと下部電極12bとの間に
周波数4kHzで、正電位3kV、負電位3kVのパル
ス電界を印加して、電極間に流れる電流を求め、電極面
積で割ることで電流密度を求めた。このときの電流密度
は62mA/cm2 であった。
The results of the above simulations 1 to 4 are
FIG. 8 shows a comparison based on relative ionization degrees where the ionization degree in simulation 1 was set to 1. It can be predicted that the ionization degree can be improved by changing the rise time in this way. <Processing Example 1> In the normal-pressure plasma processing apparatus (chamber 11: glass capacity: 8 L) shown in FIG. 9, the upper electrode 12a (φ140 mm) is arranged 2 mm above the grounded lower electrode 12b (φ140 mm), The inside of the chamber 11 is evacuated by a rotary pump (not shown) until the pressure in the chamber 11 becomes 0.1 Torr, and then the inside of the chamber 11 is 760 Ton.
Argon gas was introduced until the pressure reached rr. Thereafter, using a pulse power supply 13 having a rise time of 5 μs and a fall time of 5 μs, a pulse electric field of a positive potential of 3 kV and a negative potential of 3 kV is applied between the upper electrode 12a and the lower electrode 12b at a frequency of 4 kHz, and the electrodes are applied. The flowing current was determined and the current density was determined by dividing by the electrode area. The current density at this time was 62 mA / cm 2 .

【0041】ここで、常圧放電では、荷電粒子の平均自
由行程が極めて小さいためプラズマが電極間のみで発生
する。電流密度はこの現象を利用して簡易的に対向電極
間(上下の電極間)に発生したプラズマ密度を比較する
目安となる。 <処理例2>立ち上がり時間2.5μs、立ち下がり時
間2.5μsのパルス電源を用いた以外は処理例1と同
じとした。このときの電流密度は125mA/cm2
あった。 <処理例3>立ち上がり時間0.5μs、立ち下がり時
間0.5μsのパルス電源を用いた以外は処理例1と同
じとした。このときの電流密度は240mA/cm2
あった。
Here, in normal pressure discharge, plasma is generated only between the electrodes because the mean free path of the charged particles is extremely small. The current density is a measure for simply comparing the plasma density generated between the opposed electrodes (between the upper and lower electrodes) by utilizing this phenomenon. <Processing example 2> The processing example was the same as the processing example 1 except that a pulse power source having a rise time of 2.5 µs and a fall time of 2.5 µs was used. The current density at this time was 125 mA / cm 2 . <Processing example 3> The processing example was the same as the processing example 1 except that a pulse power source having a rise time of 0.5 µs and a fall time of 0.5 µs was used. The current density at this time was 240 mA / cm 2 .

【0042】以上の処理例1〜3の傾向から、パルスの
立ち上がり/立ち下がり時間は実際の放電現象において
もプラズマ密度向上に寄与する値であることが分かる。 <シミュレーション5>印加電圧を+2kV、−1kV
とし、図6に示すように正電界に偏ったパルス波形5と
した以外はシミュレーション1と同じとした。このとき
の平均電離密度は1.9%であった。ただし、パルス休
止時間は2λ/5となる。
From the tendency of the above processing examples 1 to 3, it can be understood that the rise / fall time of the pulse is a value that contributes to the improvement of the plasma density even in the actual discharge phenomenon. <Simulation 5> The applied voltage is +2 kV, -1 kV
The simulation was the same as the simulation 1 except that the pulse waveform 5 was biased to the positive electric field as shown in FIG. At this time, the average ionization density was 1.9%. However, the pulse pause time is 2λ / 5.

【0043】このシミュレーション5の場合、パルス電
界の変化に伴う電極間中のイオンと電子の分布に大きな
変化が現れる。イオンの電極間分布は、まずT=0〜2
λ/5秒間(0〜10μs間、正電界間)においては、
上部電極近傍から下部電極に向かって傾斜的に存在し、
負電界移行後に急速に消失する。ほぼ消失するまでの時
間はT=λ/2秒後でその時間までに総電離数の95%
が電離している。これにより総電離数の95%のイオン
を上部電極近傍に集中させた状態が得られる。このパル
ス形状の場合、下部電極近傍はイオンに曝される時間が
短時間で済む。このため、下部電極側(接地極側)に基
材を配置したとき、基材へのイオン衝撃を低減させたい
場合、図6のような正電界に偏在したパルス波形が有利
であると予測できる。 <シミュレーション6>印加電圧を+1kV、−2kV
とし、図7に示すように負電界に偏ったパルス波形6と
した以外はシミュレーション5と同じとした。このとき
の平均電離度は1.9%であった。電極間中の荷電粒子
分布の傾向は、シミュレーション5とは逆に下部電極近
傍にイオンが偏在した形となる。ここから、処理速度を
上げるなど、イオンの与える効果を積極的に用いたい場
合は、図7のように負電界に偏ったパルス波形で放電を
行うことが有効であることが予測される。 <処理例4>図9に示す常圧パルスプラズマ処理装置
(チャンバ11:ガラス製、容量8L)において、接地
した下部電極12b(φ140mm、表面を比誘電率1
6のZrO2 誘電体で被覆したもの)上に三酢酸セルロ
ース(TAC)フィルム(コニカ製 厚さ80μm)を
配置し、TACフィルムF表面から2mm上方に上部電
極12a(φ140mm、表面は比誘電率16のZrO
2 誘電体で被覆したもの)を配置して以下の条件でTi
O2 薄膜を成膜した。
In the case of the simulation 5, a large change appears in the distribution of ions and electrons between the electrodes due to the change in the pulse electric field. The distribution of ions between the electrodes is, first, T = 0 to 2
In λ / 5 seconds (0 to 10 μs, between positive electric fields)
There is a gradient from near the upper electrode to the lower electrode,
Disappears rapidly after transition to the negative electric field. The time until almost disappearance is 95% of the total ionization number by T = λ / 2 seconds later.
Is ionizing. Thus, a state where ions of 95% of the total ionization number are concentrated near the upper electrode is obtained. In the case of this pulse shape, the vicinity of the lower electrode can be exposed to ions in a short time. For this reason, when the base material is arranged on the lower electrode side (ground electrode side), when it is desired to reduce ion bombardment on the base material, a pulse waveform unevenly distributed in a positive electric field as shown in FIG. 6 can be expected to be advantageous. . <Simulation 6> The applied voltage is +1 kV, -2 kV
The simulation was the same as the simulation 5, except that the pulse waveform 6 was biased to the negative electric field as shown in FIG. At this time, the average ionization degree was 1.9%. The tendency of the charged particle distribution between the electrodes is such that ions are unevenly distributed near the lower electrode, contrary to the simulation 5. From this, when it is desired to positively use the effect of ions, such as increasing the processing speed, it is expected that discharging with a pulse waveform biased to a negative electric field as shown in FIG. 7 is effective. <Processing Example 4> In a normal-pressure pulse plasma processing apparatus (chamber 11: glass, capacity 8 L) shown in FIG. 9, a grounded lower electrode 12 b (φ140 mm, surface having a relative dielectric constant of 1)
6, a cellulose triacetate (TAC) film (80 μm thick, made by Konica) was placed on the ZrO2 dielectric, and the upper electrode 12a (φ140 mm, relative permittivity of 16 was 2 mm above the surface of the TAC film F). ZrO
2 coated with a dielectric) and placed under the following conditions
An O2 thin film was formed.

【0044】油回転ポンプでチャンバ11内が0.1T
orrになるまで排気を行い、次いでチャンバ11内が
760Torrになるまでアルゴンガスを不活性ガス導
入口(図示せず)から導入し、その後、上部電極12a
の上流側に設けた反応ガス導入器14から流量2scc
mの気化Ti(O-iPr)4 と、流量998sccmの
アルゴンガスとの混合気を導入した。混合気を1分間導
入した後、上部電極12aと下部電極12bとの間に立
ち上がり時間5μs、立ち下がり時間5μs、周波数4
kHzで、正電位2kV、負電位2kVのパルス電界を
印加し、150秒間放電してTACフィルムFの表面に
TiO2 薄膜を成膜した。 <処理例5>放電パルスを正電位2kV、負電位1kV
とした以外は、処理例4と同じとした。 <処理例6>放電パルスを正電位1kV、負電位2kV
とした以外は、処理例4と同じとした。
0.1 T inside the chamber 11 with an oil rotary pump
or evacuated until the pressure in the chamber 11 reaches 760 Torr, and then argon gas is introduced from an inert gas inlet (not shown) until the pressure in the chamber 11 reaches 760 Torr.
Flow rate 2 scc from the reaction gas introducer 14 provided on the upstream side of
A mixture of m vaporized Ti (O-iPr) 4 and argon gas at a flow rate of 998 sccm was introduced. After introducing the mixture for one minute, a rise time of 5 μs, a fall time of 5 μs, and a frequency of 4 μm are applied between the upper electrode 12a and the lower electrode 12b.
A pulse electric field having a positive potential of 2 kV and a negative potential of 2 kV was applied at a frequency of 1 kHz and discharged for 150 seconds to form a TiO2 thin film on the surface of the TAC film F. <Processing example 5> Discharge pulse is positive potential 2 kV, negative potential 1 kV
The procedure was the same as that of Processing Example 4 except for the above. <Processing example 6> Discharge pulse is set to positive potential 1 kV, negative potential 2 kV
The procedure was the same as that of Processing Example 4 except for the above.

【0045】以上の処理例4〜6の結果を以下の表1に
まとめる。屈折率及び膜厚の計測はエリプソメータ(溝
尻光学工業所製、DVA−36VW)で5点測定し、平
均値を求めた。ただし、処理例6については、膜が白濁
し、光学的計測では膜厚計測ができなかったので、高分
解能走査型電子顕微鏡(日立製作所製 S−4500)
を用い、断面像から計測した。
Table 1 below summarizes the results of the above processing examples 4 to 6. The refractive index and the film thickness were measured at five points using an ellipsometer (DVA-36VW, manufactured by Mizojiri Optical Industrial Co., Ltd.), and the average value was obtained. However, in processing example 6, the film became cloudy and the film thickness could not be measured by optical measurement. Therefore, a high-resolution scanning electron microscope (S-4500 manufactured by Hitachi, Ltd.)
Was measured from the cross-sectional image.

【0046】[0046]

【表1】 [Table 1]

【0047】表1から分かるように、処理例4の正負同
等のパルス波形印加時に比較して処理例5の場合、Ti
O2 の理論屈折率(2.3)に近い屈折率が得られてい
る。また、成膜速度に関しては処理例5が処理例4,6
に比して遅い。これは、処理例5の場合、基材近傍には
イオンの存在が少ないためイオン衝撃が軽微であったた
め成長は遅いが緻密な膜が成長したものと考えられる。
処理例4において屈折率が低いのは表面がイオン衝撃に
よって荒らされ、多孔質表面となり、空気とTiO2 の
平均的屈折率が現れたためと考えられる。すなわち、シ
ミュレーション5での予測によって説明できる結果が得
られている。
As can be seen from Table 1, in the case of the processing example 5, compared with the case of applying the same pulse waveform in the processing example 4, the Ti
A refractive index close to the theoretical refractive index (2.3) of O2 is obtained. Regarding the film forming speed, the processing example 5 is the same as the processing examples 4 and 6.
Slower than. This is considered to be due to the fact that in the case of the processing example 5, the ion bombardment was slight because there was little ion in the vicinity of the base material, so that the growth was slow but the dense film grew.
It is considered that the reason why the refractive index was low in the treatment example 4 was that the surface was roughened by ion bombardment, the surface became porous, and the average refractive index of air and TiO2 appeared. That is, a result that can be explained by the prediction in the simulation 5 is obtained.

【0048】処理例6の場合、成長速度は速いが、透明
の膜が得られておらず、白濁した。これは、基材近傍に
集中したイオンの存在で高速に反応ガスを分解、膜成長
に向かう反面、イオン衝撃あるいは過反応によるTiO
2 の微粉化によって白濁した膜になったと考えられる。
このことから、上記したシミュレーション6は現実に則
した結果を得たものと判断できる。
In the case of processing example 6, although the growth rate was high, a transparent film was not obtained and the film became cloudy. This is because, in the presence of ions concentrated near the base material, the reaction gas is rapidly decomposed and the film is grown.
It is considered that the film became cloudy due to the pulverization of 2.
From this, it can be determined that the above-described simulation 6 has obtained results in accordance with reality.

【0049】次に、図10に示したシミュレーション計
算の具体例を、処理例とともに以下に説明する。 <シミュレーション7> 放電ガス:N2 84%+O2 15.9% 成膜ガス:テトラアルコキシシラン(TEOS)0.1
% ガス圧力:760Torr ガス流速:1.0m/s 以上のガス条件のもとで、電極間距離2mmの平行平板
電極の上部電極を印加電極とし、下部電極を接地極とし
て(図9参照)、印加電圧+9kV、−9kV、立ち上
がり時間5μsec、立ち下がり時間5μsec、周波
数4kHz(λ=25μsec)の図2に示すパルス波
形1を電離場のデータとし、また、電極上及び電極間温
度を70℃として、図10に示した手順でシミュレーシ
ョンを行い、膜成長の時間依存性を求めた。
Next, a specific example of the simulation calculation shown in FIG. 10 will be described below together with a processing example. <Simulation 7> Discharge gas: N2 84% + O2 15.9% Film formation gas: Tetraalkoxysilane (TEOS) 0.1
% Gas pressure: 760 Torr Gas flow rate: 1.0 m / s Under the above gas conditions, the upper electrode of the parallel plate electrode having a distance between the electrodes of 2 mm is used as the applied electrode, and the lower electrode is used as the ground electrode (see FIG. 9). The pulse waveform 1 shown in FIG. 2 with an applied voltage of +9 kV, −9 kV, a rise time of 5 μsec, a fall time of 5 μsec, and a frequency of 4 kHz (λ = 25 μsec) is used as the data of the ionization field. A simulation was performed according to the procedure shown in FIG. 10 to determine the time dependence of the film growth.

【0050】その結果、下記の表2及び図11の各計算
値に示すように、表面拡散から核成長までの時間0.5
秒が経過した後、約70Å/秒の成長速度でSiO2 膜
が成長することが算出された。
As a result, as shown in the following Table 2 and each calculated value in FIG. 11, the time from surface diffusion to nucleus growth is 0.5.
After a lapse of seconds, it was calculated that the SiO2 film grew at a growth rate of about 70 DEG / sec.

【0051】[0051]

【表2】 [Table 2]

【0052】<処理例7>図9に示す常圧プラズマ処理
装置(チャンバ11:ガラス製 容量:8L)におい
て、接地した下部電極12b(φ140mm)から2m
m上方に上部電極12a(φ140mm)を配置して、
油圧回転ポンプ(図示せず)でチャンバ11内が0.1
Torrになるまで排気を行い、次いで、チャンバ11
内が760TorrになるまでN2 84%+O2 15.
9%及びTEOS0.1%の混合気を導入した。その
後、立ち上がり時間5μs、立ち下がり時間5μsのパ
ルス電源13を使い、上部電極12aと下部電極12b
との間に周波数4kHzで、正電位9kV、負電位9k
Vのパルス電界を印加し、70℃に加熱した下部電極1
2b上にPET基材(東レ株式会社製 ルミラーT50
厚さ80μm)を配した状態で、10秒間放電して酸
化シリコン薄膜を成膜した。
<Processing Example 7> In the normal-pressure plasma processing apparatus (chamber 11: glass capacity: 8 L) shown in FIG. 9, 2 m from the grounded lower electrode 12 b (φ140 mm).
The upper electrode 12a (φ140 mm) is arranged above
The inside of the chamber 11 is set to 0.1 by a hydraulic rotary pump (not shown).
Evacuation is performed until the pressure reaches Torr.
14. N2 84% + O2 until the pressure reaches 760 Torr.
A mixture of 9% and TEOS 0.1% was introduced. Thereafter, the upper electrode 12a and the lower electrode 12b are used by using a pulse power source 13 having a rise time of 5 μs and a fall time of 5 μs.
At a frequency of 4 kHz, a positive potential of 9 kV, and a negative potential of 9 kV.
A lower electrode 1 heated to 70 ° C. by applying a pulsed electric field of V
PET base material (Lumirror T50 manufactured by Toray Industries, Inc.)
(Thickness: 80 μm) was discharged for 10 seconds to form a silicon oxide thin film.

【0053】この処理例7で得られた薄膜の膜厚を、エ
リプソメータ(溝尻光学工業所製、DVA−36VW)
で5点測定し、平均値を求めた。その結果(実験値)を
上記の表2及び図11に示す。
The thickness of the thin film obtained in Processing Example 7 was measured using an ellipsometer (DVA-36VW, manufactured by Mizojiri Optical Industrial Co., Ltd.).
Was measured at five points, and the average value was determined. The results (experimental values) are shown in Table 2 and FIG.

【0054】以上の表2及び図11において、処理例7
による膜厚(実験値)は、シミュレーション7による膜
厚(計算値)よりも小さな値となっているが、これは、
シミュレーション計算において、導入ガスの電極間から
の漏れ流量や正確な反応効率を条件として用いていない
ために生じるずれであると考えられる。 <シミュレーション8>ガス圧力790Torr、ガス
流速1.0m/s、放電ガスN2 :O2 =21:4のガ
ス条件を一定とし、原料ガスであるテトラアルコキシシ
ラン(TEOS)濃度を0.05〜0.2%の範囲にお
いて0.05%刻みで変化させた。放電時間は10秒と
し、電離場及び温度条件はシミュレーション7と同じと
して、膜成長速度の濃度依存性を計算した。その結果
(計算値)を、下記の表3及び図12に示す。
In the above Table 2 and FIG.
Is smaller than the film thickness (calculated value) obtained by the simulation 7,
In the simulation calculation, it is considered that the deviation occurs because the leakage flow rate of the introduced gas from between the electrodes and the accurate reaction efficiency are not used as conditions. <Simulation 8> The gas pressure was set to 790 Torr, the gas flow rate was set to 1.0 m / s, the discharge gas N2: O2 was set to 21: 4, and the concentration of the raw material gas, tetraalkoxysilane (TEOS) was set to 0.05 to 0. It was changed in 0.05% steps in the range of 2%. The discharge time was 10 seconds, the ionization field and the temperature conditions were the same as in the simulation 7, and the concentration dependence of the film growth rate was calculated. The results (calculated values) are shown in Table 3 below and FIG.

【0055】[0055]

【表3】 [Table 3]

【0056】<処理例8>TEOS濃度を0.05〜
0.2%の範囲において0.05%刻みで変化させた以
外は、処理例7と同じとして成膜を行った。
<Processing Example 8> TEOS concentration of 0.05 to
A film was formed in the same manner as in Processing Example 7, except that the thickness was changed in 0.05% steps in the range of 0.2%.

【0057】この処理例8で得られた薄膜の膜厚を、エ
リプソメータ(溝尻光学工業所製、DVA−36VW)
で5点測定し、平均値を求めた。その結果(実験値)を
上記の表3及び図12に示す。
The thickness of the thin film obtained in Processing Example 8 was measured using an ellipsometer (DVA-36VW, manufactured by Mizojiri Optical Industrial Co., Ltd.).
Was measured at five points, and the average value was determined. The results (experimental values) are shown in Table 3 and FIG.

【0058】以上の表3及び図12において、シミュレ
ーション8による計算値と処理例8による実験値との間
に若干のずれが見られるものの、十分に実条件をシミュ
レーションしていると考えられる。なお、低濃度領域に
おいて膜厚(実験値)の下方への折れ曲りが見られる
が、これは、膜厚が極めて薄いために測定誤差を多く含
むことに起因するものと考えられる。
In Table 3 and FIG. 12, although there is a slight difference between the calculated value by the simulation 8 and the experimental value by the processing example 8, it is considered that the actual conditions are sufficiently simulated. Note that a downward bend in the film thickness (experimental value) is observed in the low-concentration region, which is considered to be due to the fact that the film thickness is extremely thin and includes many measurement errors.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の放電プラ
ズマ処理方法によれば、ガス流及び電離場に関するデー
タをパラメータとして、放電空間内の流体運動及び粒子
間エネルギの授受をシミュレーションすることにより、
時間及び空間ごとのガス電離度を求め、その放電空間全
体のガス電離度を時間平均が最大となるようにパルス電
界形状を選定するので、目的に応じた処理条件にまで迅
速に達成することができ、放電プラズマ処理に要する時
間を大幅に短縮することができる。
As described above, according to the discharge plasma processing method of the present invention, the data on the gas flow and the ionization field are used as parameters to simulate the fluid motion in the discharge space and the transfer of energy between particles. ,
The gas ionization degree for each time and space is determined, and the pulse electric field shape is selected so that the time average of the gas ionization degree of the entire discharge space is maximized, so that processing conditions according to the purpose can be quickly achieved. As a result, the time required for the discharge plasma treatment can be significantly reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の放電プラズマ処理方法に用いるシミュ
レーション計算の内容を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing the contents of a simulation calculation used in the discharge plasma processing method of the present invention.

【図2】本発明の実施例で用いたパルス波形1を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing a pulse waveform 1 used in an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施例で用いたパルス波形2を示す図
である。
FIG. 3 is a diagram showing a pulse waveform 2 used in an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例で用いたパルス波形3を示す図
である。
FIG. 4 is a diagram showing a pulse waveform 3 used in an embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施例で用いたパルス波形4を示す図
である。
FIG. 5 is a diagram showing a pulse waveform 4 used in an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施例で用いたパルス波形5を示す図
である。
FIG. 6 is a diagram showing a pulse waveform 5 used in an example of the present invention.

【図7】本発明の実施例で用いたパルス波形6を示す図
である。
FIG. 7 is a diagram showing a pulse waveform 6 used in an embodiment of the present invention.

【図8】電離度の波形依存性を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the waveform dependence of the degree of ionization.

【図9】本発明の実施例で用いた常圧パルスプラズマ処
理装置の構成を模式的に示す図である。
FIG. 9 is a diagram schematically showing a configuration of a normal-pressure pulse plasma processing apparatus used in an embodiment of the present invention.

【図10】本発明の放電プラズマ処理方法に用いるシミ
ュレーション計算の他の例の内容を示すブロック図であ
る。
FIG. 10 is a block diagram showing the contents of another example of the simulation calculation used for the discharge plasma processing method of the present invention.

【図11】膜成長の時間依存性の計算値及び実験値を示
すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing calculated values and experimental values of time dependence of film growth.

【図12】膜成長速度のTEOS濃度依存性の計算値及
び実験値を示すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing calculated values and experimental values of the dependence of the film growth rate on the TEOS concentration.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 チャンバ 12a 上部電極 12b 下部電極 13 パルス電源 14 反応ガス導入器 F TACフィルム(基材) Reference Signs List 11 chamber 12a upper electrode 12b lower electrode 13 pulse power supply 14 reactive gas introducer F TAC film (base material)

フロントページの続き Fターム(参考) 4F073 BA16 BA24 BB01 CA01 HA01 HA09 HA12 HA15 4K030 AA06 AA09 AA14 AA18 BA44 FA03 HA07 HA16 JA01 JA09 JA11 JA14 JA16 KA30 KA32Continued on the front page F term (reference) 4F073 BA16 BA24 BB01 CA01 HA01 HA09 HA12 HA15 4K030 AA06 AA09 AA14 AA18 BA44 FA03 HA07 HA16 JA01 JA09 JA11 JA14 JA16 KA30 KA32

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 大気圧近傍の圧力下に対向電極を配置
し、この対向電極の一方の電極上に基材を配した状態
で、対向電極間にパルス電圧を印加することにより放電
プラズマを発生させ、その放電プラズマを用いて基材表
面の処理を行う方法であって、 放電対象ガスのガス種、ガス流速、ガス圧力等のガス流
に関するデータ、及び印加電圧、パルス立ち上がり/立
ち下がり時間、パルス電界形状、パルス周波数、電極間
距離等の電離場に関するデータをパラメータとして、放
電空間内の流体運動及び粒子間エネルギの授受をシミュ
レーションすることにより、時間及び空間ごとのガス電
離度を求め、その放電空間全体のガス電離度を時間平均
が最大となるようにパルス電界形状を選定することを特
徴とする放電プラズマ処理方法。
1. A discharge plasma is generated by arranging a counter electrode under a pressure close to the atmospheric pressure and applying a pulse voltage between the counter electrodes while a base material is disposed on one of the counter electrodes. A method for treating the surface of the base material using the discharge plasma, comprising: data on a gas type such as a gas to be discharged, a gas flow rate, a gas pressure, and the like; an applied voltage; a pulse rise / fall time; By simulating the fluid motion in the discharge space and the transfer of energy between particles using the data on the ionization field such as the pulse electric field shape, the pulse frequency, and the distance between the electrodes as parameters, the gas ionization degree for each time and space is obtained. A discharge plasma processing method characterized in that a pulse electric field shape is selected so that a time average of a gas ionization degree of an entire discharge space becomes maximum.
【請求項2】 上記シミュレーションにより時間及び空
間ごとのガス電離度を求めて、空間放電内における荷電
粒子の時間的な存在傾向を算出し、プラズマ中のイオン
が、電極上に配した基材表面近傍に60%以上存在する
ようにパルス電界形状を選定することを特徴とする請求
項1記載の放電プラズマ処理方法。
2. The method according to claim 1, further comprising calculating a gas ionization degree for each time and space by said simulation, calculating a temporal existence tendency of the charged particles in the space discharge, and distributing ions in the plasma to the surface of the substrate disposed on the electrode. 2. The discharge plasma processing method according to claim 1, wherein the shape of the pulse electric field is selected so as to be 60% or more in the vicinity.
【請求項3】 上記シミュレーションにより時間及び空
間ごとのガス電離度を求めて、空間放電内における荷電
粒子の時間的な存在傾向を算出し、プラズマ中のイオン
が、基材が配された電極と対向する電極の近傍に60%
以上存在するようにパルス電界形状を選定することを特
徴とする請求項1記載の放電プラズマ処理方法。
3. The gas ionization degree for each time and space is obtained by the above simulation, and the temporal existence tendency of the charged particles in the space discharge is calculated, and the ions in the plasma are separated from the electrode on which the base material is arranged. 60% near the opposing electrode
2. The discharge plasma processing method according to claim 1, wherein the pulse electric field shape is selected so as to exist.
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