JP2002102685A - Plasma treatment method - Google Patents
Plasma treatment methodInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、成膜、加工、表面
処理などの処理を行うプラズマ処理方法に関し、更に詳
しくは、プラズマ処理用ガスに基づくプラズマを発生さ
せ、半導体膜や絶縁膜などの薄膜の成膜、加工、表面処
理などの処理を行い、特にプラズマ処理用ガスの圧力範
囲または高周波電力の周波数を特定することによって、
高速処理を可能にする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 plasma processing method for performing processes such as film formation, processing, and surface treatment. More specifically, the present invention relates to a plasma processing method for generating plasma based on a plasma processing gas to form a semiconductor film or an insulating film. By performing processes such as thin film deposition, processing, and surface treatment, in particular, by specifying the pressure range of the plasma processing gas or the frequency of the high-frequency power,
The present invention relates to a plasma processing method that enables high-speed processing.
【０００２】[0002]
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】半導体
膜や絶縁膜などの薄膜の成膜、加工、表面処理などの処
理を行うプラズマ処理においては、処理速度の高速化が
要求されている。処理速度を高速にするために、一般的
には、反応ガスの圧力を高めるという手法が採られてい
る。ところが、反応ガスの圧力を高めると、プラズマを
安定に発生させることが困難になる。2. Description of the Related Art In plasma processing for forming, processing, and surface-treating a thin film such as a semiconductor film and an insulating film, it is required to increase the processing speed. In order to increase the processing speed, a method of increasing the pressure of the reaction gas is generally adopted. However, when the pressure of the reaction gas is increased, it is difficult to generate plasma stably.
【０００３】そこで、特公平６−６０４１２号公報、特
許公報第２７００１７７号、特開平６−２９９３５８号
公報などには、反応ガスに不活性ガスを加えることによ
り、高圧力下で安定にプラズマを発生させ、維持する手
法が開示されている。これらの公報によれば、反応ガス
に大量の不活性ガスを加えているので、反応ガス分圧を
高めても、プラズマを安定に発生、維持でき、処理速度
を向上できる。Therefore, Japanese Patent Publication No. 6-60412, Japanese Patent No. 2700177, and Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-299358, etc. disclose the generation of plasma under a high pressure by adding an inert gas to a reaction gas. A method of causing and maintaining is disclosed. According to these publications, a large amount of inert gas is added to the reaction gas, so that even if the partial pressure of the reaction gas is increased, plasma can be stably generated and maintained, and the processing speed can be increased.
【０００４】上記の３つの公報は、反応ガスに不活性ガ
スを加え、高圧力下でプラズマ処理を行うという基本的
な考え方において共通している。そこで、一例として、
特許公報第２７００１７７号の開示内容について説明す
る。該公報は、薄膜形成方法に関するものであるが、そ
の基本思想は、加工方法、表面処理方法に対しても共通
するものである。[0004] The above three publications have a common idea that a plasma treatment is performed under a high pressure by adding an inert gas to a reaction gas. So, as an example,
The disclosure content of Patent Publication No. 2700177 will be described. Although this publication relates to a method of forming a thin film, the basic idea is common to a processing method and a surface treatment method.
【０００５】さて、この特許公報に開示されたプラズマ
処理装置は、主要部として反応容器を備え、この反応容
器内に放電電極と対向電極とを有する。そしていずれの
電極にも高抵抗体が取付けられている。対向電極は接地
されており、対向電極の高抵抗体の上には基板が搭載さ
れる。放電電極は高周波電源と接続される。両電極の側
方には、放電電極の高抵抗体と基板との間のギャップ部
にプラズマ処理用ガスが供給されるように、ノズルとガ
ス排出口とが設けられている。なお、薄膜を形成する場
合には、基板はヒータによって加熱される。[0005] The plasma processing apparatus disclosed in this patent publication has a reaction vessel as a main part, and has a discharge electrode and a counter electrode in the reaction vessel. A high-resistance body is attached to each of the electrodes. The counter electrode is grounded, and a substrate is mounted on the high resistance body of the counter electrode. The discharge electrode is connected to a high frequency power supply. A nozzle and a gas outlet are provided on both sides of the electrode so that a plasma processing gas is supplied to a gap between the high-resistance body of the discharge electrode and the substrate. When forming a thin film, the substrate is heated by a heater.
【０００６】上記の構成において、反応ガスと不活性ガ
スとの混合ガスからなるプラズマ処理用ガスを、ノズル
から反応容器の内部に導入し、放電電極に高周波電力を
供給する。不活性ガスとしては、Ｈｅガスが用いられ
る。反応ガスとしては、基板上にアモルファスＳｉ薄膜
を形成する場合にはＳｉＨ4ガスが用いられる。反応容
器内の前記プラズマ処理用ガスの圧力は大気圧近傍の圧
力であり、このうち、Ｈｅガスの割合は９０％以上であ
る。高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚである。上
記の手法によって、前記ギャップ部でグロー放電が起こ
り、前記プラズマ処理用ガスに基づくプラズマが発生す
る。そして、反応ガスであるＳｉＨ4ガスが解離され、
生成した反応種の作用によって、基板の上にアモルファ
スＳｉ薄膜が形成される。上記の手法によれば、プラズ
マ処理用ガス中の不活性ガス（この例においてはＨｅガ
ス）の割合が大きいので、プラズマ処理用ガスの圧力が
大気圧近傍の高圧力であってもグロー放電が起こり、プ
ラズマを安定に発生、維持できる。不活性ガスであるＨ
ｅガスの作用として、該公報には、下記の作用が記載さ
れている。[0006] In the above configuration, a plasma processing gas comprising a mixed gas of a reaction gas and an inert gas is introduced from the nozzle into the inside of the reaction vessel, and high-frequency power is supplied to the discharge electrode. He gas is used as the inert gas. As a reaction gas, when an amorphous Si thin film is formed on a substrate, SiH 4 gas is used. The pressure of the plasma processing gas in the reaction vessel is a pressure near the atmospheric pressure, and the proportion of the He gas is 90% or more. The frequency of the high-frequency power is 13.56 MHz. By the above method, glow discharge occurs in the gap portion, and plasma based on the plasma processing gas is generated. Then, SiH 4 gas as a reaction gas is dissociated,
An amorphous Si thin film is formed on the substrate by the action of the generated reactive species. According to the above method, since the ratio of the inert gas (He gas in this example) in the plasma processing gas is large, even if the pressure of the plasma processing gas is a high pressure near the atmospheric pressure, the glow discharge is performed. As a result, plasma can be stably generated and maintained. H which is an inert gas
The publication describes the following operation as the effect of e-gas.
【０００７】（ａ）Ｈｅは放電により励起されやすい。 （ｂ）Ｈｅは多くの準安定状態を有し、励起状態の活性
粒子（ラジカル）を多く作ることができる。 （ｃ）Ｈｅの活性粒子（ラジカル）が高密度に存在する
と、反応ガスの解離度を高めることができる。 （ｄ）Ｈｅ中ではイオンが拡散しやすく、放電が広がり
やすい。 このような性質のＨｅガスを加えることによって、反応
ガス分圧が高い状態であっても、プラズマを安定に発生
させ、維持できる。そして、反応ガス分圧が高いため、
プラズマ処理の処理速度を高めることができる。また、
プラズマ処理用ガスの圧力が大気圧近傍の圧力であるの
で、反応容器内を真空に引かなくてもよい。したがっ
て、真空チャンバや真空排気装置を必要とせず、設備に
要するコストを大幅に低減できる。(A) He is easily excited by discharge. (B) He has many metastable states, and can make many active particles (radicals) in an excited state. (C) If active particles (radicals) of He exist at a high density, the degree of dissociation of the reaction gas can be increased. (D) In He, ions are easily diffused and discharge is easily spread. By adding He gas having such properties, it is possible to stably generate and maintain plasma even when the partial pressure of the reaction gas is high. And because the reaction gas partial pressure is high,
The processing speed of the plasma processing can be increased. Also,
Since the pressure of the plasma processing gas is near atmospheric pressure, it is not necessary to evacuate the inside of the reaction vessel. Therefore, a vacuum chamber and a vacuum exhaust device are not required, and the cost required for the equipment can be significantly reduced.
【０００８】上記の従来技術では、反応ガスに大量の不
活性ガスを加えているので、反応ガス分圧を高めてもプ
ラズマを安定に発生、維持できる。そして、反応ガス分
圧が高いため、プラズマ処理の処理速度を高めることが
できる。しかしながら、近年のプラズマ処理において
は、薄膜太陽電池の製造プロセスに代表されるように、
処理速度の高速化に対する要求が非常に厳しい。すなわ
ち、処理速度の更なる向上が望まれている。処理速度の
高速化に関し、従来技術では以下のことが教示されてい
る。In the above prior art, since a large amount of inert gas is added to the reaction gas, plasma can be stably generated and maintained even if the partial pressure of the reaction gas is increased. Since the reaction gas partial pressure is high, the processing speed of the plasma processing can be increased. However, in recent plasma processing, as typified by a thin film solar cell manufacturing process,
The demand for higher processing speed is very severe. That is, further improvement in processing speed is desired. The prior art teaches the following regarding the increase in processing speed.
【０００９】特許公報第２７００１７７号 反応ガス（ＳｉＨ4ガス）と不活性ガス（Ｈｅガス）と
の混合ガスからなるプラズマ処理用ガスの圧力が大気圧
近傍の圧力である場合について、不活性ガスに対する反
応ガスの比率を大きくすることによって、処理速度が向
上することが示されている。なお、このように、プラズ
マ処理用ガス（反応ガスと不活性ガスとの混合ガス）の
圧力が一定の条件下で反応ガスの比率を大きくすること
は、反応ガス分圧を高くすることに相当する。[0009] Japanese Patent Publication No. 2700177 describes a case where the pressure of a plasma processing gas composed of a mixed gas of a reaction gas (SiH 4 gas) and an inert gas (He gas) is near atmospheric pressure. It has been shown that by increasing the ratio of the reaction gas, the processing speed is improved. As described above, increasing the ratio of the reaction gas under the condition that the pressure of the plasma processing gas (mixed gas of the reaction gas and the inert gas) is constant is equivalent to increasing the partial pressure of the reaction gas. I do.
【００１０】特開平６−２９９３５８号公報 反応ガス分圧を高くし（１０Ｔｏｒｒ以上）、それに応
じて不活性ガスを加えることにより、処理速度が向上す
ることが示されている。プラズマ処理用ガスの圧力は、
１０．２Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒに規定されている
が、この圧力範囲は、反応ガスのみによるプラズマの発
生限界と、低温プラズマの限界を示すものである。すな
わち、処理速度向上の観点から決定された圧力範囲は示
されていない。[0010] It is disclosed that the processing speed is improved by increasing the partial pressure of the reaction gas (10 Torr or more) and adding an inert gas accordingly. The pressure of the plasma processing gas is
Although the pressure range is defined as 10.2 Torr to 100 Torr, this pressure range indicates the limit of plasma generation by only the reaction gas and the limit of low-temperature plasma. That is, the pressure range determined from the viewpoint of improving the processing speed is not shown.
【００１１】特公平６−６０４１２号公報 大気圧下の放電の安定性から、プラズマ処理用ガス（反
応ガスと不活性ガスとの混合ガス）中の不活性ガスの割
合を規定しているが、処理速度の高速化については教示
していない。From the stability of discharge under atmospheric pressure, the proportion of an inert gas in a plasma processing gas (a mixed gas of a reaction gas and an inert gas) is specified. It does not teach increasing the processing speed.
【００１２】上記のように、従来技術は、反応ガス分圧
を高めることによる処理速度の向上効果を示している。
しかし、一定の反応ガス分圧に対する処理速度向上の指
針は与えていない。すなわち、「反応ガス分圧が一定の
条件下において、どの程度の不活性ガスを加えること
（どの程度の不活性ガス分圧に設定すること）が、処理
速度の向上に対して効果的であるか」という点について
は教示されていない。As described above, the prior art shows the effect of increasing the processing speed by increasing the partial pressure of the reaction gas.
However, there is no guide for improving the processing speed for a constant reaction gas partial pressure. That is, "how much inert gas is added (how much inert gas partial pressure is set) under the condition that the reaction gas partial pressure is constant is effective for improving the processing speed. Is not taught.
【００１３】本発明の第１の目的は、反応ガスと不活性
ガスとの混合ガスからなるプラズマ処理用ガスを用いた
プラズマ処理方法において、更なる処理速度の高速化を
図ることにある。ここで、前記したように反応ガス分圧
を高めること、及び、投入電力を高めることによって、
プラズマ処理速度が向上することは公知の通りである。
したがって、従来に比べて大幅な処理速度の向上を図る
には、更に、一定の反応ガス分圧、及び、一定の投入電
力の条件下において、反応ガスの利用効率と投入電力の
利用効率とを高めて、プラズマ処理速度を向上させるこ
とが重要である。この考え方をイメージ的に表現すると
下式のようになる。 Ｒａｔｅ＝η×Ｆ（Ｗ，Ｐｒ） （ａ）A first object of the present invention is to further increase the processing speed in a plasma processing method using a plasma processing gas comprising a mixed gas of a reaction gas and an inert gas. Here, as described above, by increasing the reaction gas partial pressure, and by increasing the input power,
It is known that the plasma processing speed is improved.
Therefore, in order to greatly improve the processing speed as compared with the conventional method, it is necessary to further improve the reaction gas use efficiency and the input power use efficiency under the condition of a constant reaction gas partial pressure and a constant input power. It is important to increase the plasma processing speed. When this concept is expressed in an image, the following expression is obtained. Rate = η × F (W, Pr) (a)
【００１４】ここで、Ｒａｔｅ：プラズマ処理速度、
η：処理効率、Ｗ：投入電力、Ｐｒ：反応ガス分圧、Ｆ
（Ｗ，Ｐｒ）：Ｗ、及び、Ｐｒの関数である。（ａ）式
において、Ｗを大きくすること、及び、Ｐｒを大きくす
ることによってＦ（Ｗ，Ｐｒ）が大きくなり、その結果
Ｒａｔｅが向上することは公知である。例えば、先に示
した３件の従来技術は、反応ガスに不活性ガスを加える
ことによって反応ガス分圧Ｐｒを高めることを可能と
し、このような反応ガス分圧Ｐｒを高めたことによって
Ｆ（Ｗ，Ｐｒ）を大きくしている。この点については、
特開平６−２９９３５８号公報の図２に明示されてい
る。Here, Rate: plasma processing speed,
η: processing efficiency, W: input power, Pr: partial pressure of reaction gas, F
(W, Pr): a function of W and Pr. In equation (a), it is known that increasing W and increasing Pr increases F (W, Pr), thereby improving Rate. For example, the three prior arts described above allow the reactive gas partial pressure Pr to be increased by adding an inert gas to the reactive gas, and by increasing the reactive gas partial pressure Pr, F ( W, Pr) are increased. In this regard,
This is clearly shown in FIG. 2 of JP-A-6-299358.
【００１５】これに対し、本発明は、（ａ）式における
処理効率ηを向上させることを目指しているのであっ
て、従来技術とは処理速度Ｒａｔｅの高速化に対する基
本指針が全く異なる。すなわち本発明の目指すところ
は、一定の反応ガス分圧Ｐｒ及び一定の投入電力Ｗの条
件下（Ｆ（Ｗ，Ｐｒ）が一定の条件下）における、処理
速度Ｒａｔｅ（処理効率η）の向上である。On the other hand, the present invention aims at improving the processing efficiency η in the equation (a), and the basic guideline for increasing the processing rate Rate is completely different from the prior art. That is, the aim of the present invention is to improve the processing rate Rate (processing efficiency η) under the condition of a constant reactant gas partial pressure Pr and a constant input power W (F (W, Pr) is constant). is there.
【００１６】特公平６−６０４１２号公報や特許公報第
２７００１７７号によれば、反応ガスと不活性ガスとの
混合ガスからなるプラズマ処理用ガスの圧力を大気圧近
傍の圧力としているので、反応容器内を真空に引かなく
てもよい。このため、真空チャンバや真空排気装置を必
要とせず、設備に要するコストを大幅に低減できる。し
かし、真空に引かなくても、反応容器の内部には、プラ
ズマ処理用ガス（反応ガスと不活性ガスとの混合ガス）
が１気圧分充填されていなければならない。つまり、前
記プラズマ処理用ガスの圧力が高ければ、その分だけ多
くのプラズマ処理用ガスを反応容器内に導入する必要が
ある。特に、不活性ガスは反応容器内に大量に導入する
必要があり、これに要するコストが非常に高くなってく
る。すなわち、上記の従来技術によれば、設備に要する
コストが削減できる一方で、消耗品に要するコストが高
くなり、総合的に判断すると高コストになってしまう。According to Japanese Patent Publication No. 6-60412 and Japanese Patent Publication No. 2700177, the pressure of a plasma processing gas composed of a mixed gas of a reaction gas and an inert gas is set to a pressure near the atmospheric pressure. It is not necessary to evacuate the inside. Therefore, a vacuum chamber and a vacuum exhaust device are not required, and the cost required for the equipment can be significantly reduced. However, even if the vacuum is not applied, a plasma processing gas (a mixed gas of a reaction gas and an inert gas) is provided inside the reaction vessel.
Must be charged for 1 atm. That is, if the pressure of the plasma processing gas is high, it is necessary to introduce more plasma processing gas into the reaction vessel. In particular, it is necessary to introduce a large amount of the inert gas into the reaction vessel, and the cost required for this is extremely high. That is, according to the above-described conventional technology, the cost required for the equipment can be reduced, but the cost required for the consumables increases.
【００１７】本発明の第２の目的は、プラズマ処理の処
理速度を高めながらも、低コスト化を図ることである。A second object of the present invention is to reduce the cost while increasing the processing speed of the plasma processing.
【００１８】[0018]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するためになされたもので、電極と、ホルダーに保
持された基板とが対向して配置され、前記電極と前記ホ
ルダーとの間に高周波電力を供給することによって、前
記電極と前記基板との間で、プラズマ処理用ガスに基づ
くプラズマを発生させ、前記基板に対して、成膜、加工
および表面処理などの処理を行うプラズマ処理方法であ
って、前記プラズマ処理用ガスが反応ガスと不活性ガス
との混合ガスよりなり、前記プラズマ処理用ガスの圧力
Ｐ（Ｔｏｒｒ）を、前記反応ガスの分圧をＰｒ（Ｔｏｒ
ｒ）とするとき、 ４×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ）≦Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦５００（Ｔｏ
ｒｒ） なる関係を満たすように設定することを特徴とするプラ
ズマ処理方法を提供する。すなわち、本発明は、プラズ
マ処理用ガスの圧力範囲を特定することによって、一定
の投入電力および一定の反応ガス分圧の条件下において
も処理速度を高め、かつ低コスト化を可能にするもので
ある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. An electrode and a substrate held by a holder are arranged to face each other. By supplying high-frequency power between the electrodes, a plasma based on a plasma processing gas is generated between the electrode and the substrate, and a plasma is formed on the substrate to perform processing such as film formation, processing, and surface processing. In the processing method, the plasma processing gas is a mixed gas of a reaction gas and an inert gas, and the pressure P (Torr) of the plasma processing gas is set to Pr (Torr).
r), 4 × Pr (Torr) ≦ P (Torr) ≦ 500 (To
rr) A plasma processing method characterized by setting so as to satisfy the following relationship: In other words, the present invention specifies the pressure range of the plasma processing gas, thereby increasing the processing speed even under the condition of constant input power and constant reaction gas partial pressure, and enables cost reduction. is there.
【００１９】本発明において、プラズマ処理用ガスの圧
力Ｐ（Ｔｏｒｒ）は、前記反応ガスの分圧Ｐｒ（Ｔｏｒ
ｒ）に対して、 Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦２０×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ） なる関係を満足するように設定してもよい。更に、高周
波電力の周波数ｆ（Ｈｚ）は、プラズマ処理用ガスの圧
力Ｐ（Ｔｏｒｒ）に対して、 ０．８×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦
ｆ（Ｈｚ）≦５×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏ
ｒｒ） なる関係を満たすように設定してもよい。更に、高周波
電力の周波数ｆ（Ｈｚ）は、プラズマ処理用ガスの圧力
Ｐ（Ｔｏｒｒ）に対して、 ３×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ｆ
（Ｈｚ） なる関係を満たすように設定するのが好ましい。In the present invention, the pressure P (Torr) of the plasma processing gas is set to the partial pressure Pr (Torr) of the reaction gas.
r) may be set so as to satisfy the relationship of P (Torr) ≦ 20 × Pr (Torr). Further, the frequency f (Hz) of the high frequency power is 0.8 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) ≦ P with respect to the pressure P (Torr) of the plasma processing gas.
f (Hz) ≦ 5 × 10 6 (Hz / Torr) × P (To
rr) may be set so as to satisfy the following relationship. Furthermore, the frequency f (Hz) of the high-frequency power is 3 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) ≦ f with respect to the pressure P (Torr) of the plasma processing gas.
(Hz) is preferably set to satisfy the following relationship.
【００２０】本発明は、別の観点によれば、電極と、ホ
ルダーに保持された基板とが対向して配置され、前記電
極と前記ホルダーとの間に高周波電力を供給することに
よって、前記電極と前記基板との間で、プラズマ処理用
ガスに基づくプラズマを発生させ、前記基板に対して、
成膜、加工および表面処理などの処理を行うプラズマ処
理方法であって、高周波電力の周波数ｆ（Ｈｚ）を、プ
ラズマ処理用ガス圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）に対して、 ３×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ｆ
（Ｈｚ）≦５×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒ
ｒ） なる関係を満たすように設定するプラズマ処理方法を提
供する。According to another aspect of the present invention, an electrode and a substrate held by a holder are arranged to face each other, and by supplying high-frequency power between the electrode and the holder, the electrode is provided. Between the and the substrate, generating a plasma based on a plasma processing gas, for the substrate,
A plasma processing method for performing processes such as film formation, processing, and surface treatment, wherein a frequency f (Hz) of high-frequency power is set to 3 × 10 6 (Hz / Torr) with respect to a plasma processing gas pressure P (Torr). ) × P (Torr) ≦ f
(Hz) ≦ 5 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr
r) To provide a plasma processing method set to satisfy the following relationship:
【００２１】本発明において、不活性ガスとしては、Ｈ
ｅガス、Ａｒガス、Ｎｅガスなどが単体で、あるいは相
互に混合して用いられる。ただし、放電の安定性と基板
へのダメージの抑制とを考慮すると、Ｈｅガスを用いる
ことが望ましい。一方、反応ガスには、プラズマ処理の
目的に応じたガスが用いられる。例えばアモルファス、
微結晶や多結晶のＳｉ薄膜を形成する場合には、ＳｉＨ
4、Ｓｉ2Ｈ6ガスなどのＳｉ原子を含むガスが単体で、
あるいはＨ2などの他のガスと混合して用いられる。Ｓ
ｉ系基板の加工（プラズマエッチング）を行う場合に
は、ＳＦ6、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、ＣＣｌ4、ＰＣｌ3
などのハロゲン系ガスが単体で、あるいはＯ2などの他
のガスと混合して用いられる。親水性の表面処理を施す
場合には、アルコール類のような有機溶媒が用いられ
る。本発明に係るプラズマ処理方法は、以上の構成によ
り、成膜、加工、表面処理、特に基板に対して半導体膜
や絶縁膜などの薄膜の成膜処理を行う方法として好適に
採用できる。In the present invention, the inert gas is H
e gas, Ar gas, Ne gas, etc. are used alone or mixed with each other. However, in consideration of stability of discharge and suppression of damage to the substrate, it is desirable to use He gas. On the other hand, a gas suitable for the purpose of the plasma treatment is used as the reaction gas. For example, amorphous,
When a microcrystalline or polycrystalline Si thin film is formed, SiH
4 , gas containing Si atoms such as Si 2 H 6 gas alone,
Alternatively, it is used by being mixed with another gas such as H 2 . S
When processing the i-type substrate (plasma etching), SF 6 , CF 4 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , CCl 4 , PCl 3
Is used alone or as a mixture with another gas such as O 2 . When performing a hydrophilic surface treatment, an organic solvent such as an alcohol is used. The plasma processing method according to the present invention having the above structure can be suitably adopted as a method for performing film formation, processing, and surface treatment, particularly, a method for forming a thin film such as a semiconductor film or an insulating film on a substrate.
【００２２】[0022]
【発明の実施の形態】本発明の実施形態について、図１
〜図５を参照して説明する。プラズマ処理を行う装置
は、放電電極と基板との間でプラズマを発生させる構成
のものであれば良く、特に限定しない。但し、本発明で
は、プラズマ処理の処理速度を高速としているため、放
電空間に効率的にプラズマ処理用ガスを供給し、又、プ
ラズマ処理後のガスを効率的に排気する構成が望まし
い。例えば、図５に示したプラズマ処理装置２０が用い
られる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG.
This will be described with reference to FIGS. The apparatus for performing the plasma processing is not particularly limited as long as the apparatus generates plasma between the discharge electrode and the substrate. However, in the present invention, since the processing speed of the plasma processing is high, it is desirable that the plasma processing gas be efficiently supplied to the discharge space and the gas after the plasma processing be efficiently exhausted. For example, the plasma processing apparatus 20 shown in FIG. 5 is used.
【００２３】すなわち、プラズマ処理装置２０は、その
主要な構成として反応容器１を備え、この反応容器内に
は放電電極２と対向電極３とを有している。そして何れ
の電極２，３にも高抵抗体４，５が取り付けられてい
る。対向電極３は接地されており、対向電極３の高抵抗
体５の上には基板６が搭載されている。放電電極２は高
周波電源８と接続される。両電極２，３の側方には、放
電電極２の高抵抗体４と基板６との間のギャップｇ部に
プラズマ処理用ガスが供給されるように、ノズル７とガ
ス排出口１０とが設けられている。That is, the plasma processing apparatus 20 includes a reaction vessel 1 as its main configuration, and has a discharge electrode 2 and a counter electrode 3 in the reaction vessel. And, high resistance bodies 4 and 5 are attached to both electrodes 2 and 3. The counter electrode 3 is grounded, and a substrate 6 is mounted on the high-resistance body 5 of the counter electrode 3. Discharge electrode 2 is connected to high frequency power supply 8. A nozzle 7 and a gas outlet 10 are provided on both sides of the electrodes 2 and 3 such that a plasma processing gas is supplied to a gap g between the high-resistance body 4 and the substrate 6 of the discharge electrode 2. Is provided.
【００２４】そこで、図５のプラズマ処理装置２０を用
いる本発明のプラズマ処理方法について説明する。な
お、本発明においては、反応容器１は少なくとも１Ｔｏ
ｒｒ以下程度の真空度を維持できるものとしている。ま
た、図示しない真空排気装置が設けられている。ヒータ
９は、目的とするプラズマ処理の形態に応じて必要があ
れば用いる。薄膜を形成する場合は、基板６がヒータ９
によって加熱される。高抵抗体４，５は、アーク放電を
防止し安定なグロー放電を得るために設けているが、こ
れらがなくても、又は何れか一方のみを設けていても安
定なグロー放電が得られる場合には適宜に取り外しても
よい。Therefore, a plasma processing method of the present invention using the plasma processing apparatus 20 of FIG. 5 will be described. In the present invention, the reaction vessel 1 has at least 1 To
The degree of vacuum of about rr or less can be maintained. Further, a vacuum exhaust device (not shown) is provided. The heater 9 is used if necessary according to the desired form of the plasma processing. When a thin film is formed, the substrate 6 is
Heated by The high-resistance elements 4 and 5 are provided to prevent arc discharge and obtain a stable glow discharge. However, in the case where a stable glow discharge can be obtained without these elements or with only one of them. May be appropriately removed.
【００２５】反応容器１の内部は、図示しない真空排気
装置によって一旦減圧される。その後、反応ガスと不活
性ガスとの混合ガスからなるプラズマ処理用ガスを、ノ
ズル７から反応容器１の内部に導入し、反応容器１内の
プラズマ処理用ガス圧力Ｐを所定の圧力に保持する。The inside of the reaction vessel 1 is once depressurized by a vacuum exhaust device (not shown). After that, a plasma processing gas composed of a mixed gas of a reaction gas and an inert gas is introduced from the nozzle 7 into the reaction vessel 1, and the plasma processing gas pressure P in the reaction vessel 1 is maintained at a predetermined pressure. .
【００２６】反応ガスには、プラズマ処理の目的に応じ
たガスが用いられる。例えば、アモルファス、微結晶や
多結晶のＳｉ薄膜を形成する場合には、ＳｉＨ4やＳｉ2
Ｈ6などのＳｉ原子を含むガスが単体で、あるいはＨ2な
どの他のガスと混合して用いられる。Ｓｉ系基板の加工
（プラズマエッチング）を行う場合には、ＳＦ6、Ｃ
Ｆ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、ＣＣｌ4、ＰＣｌ3などのハロゲ
ン系ガスが単体で、あるいはＯ2などの他のガスと混合
して用いられる。親水性の表面処理を施す場合には、ア
ルコール類のような有機溶媒が用いられる。一方、不活
性ガスには、Ｈｅガス、Ａｒガス、Ｎｅガスなどが単体
で、あるいは相互に混合して用いられる。但し、放電の
安定性と、基板へのダメージの抑制とを考慮すると、Ｈ
ｅガスを用いることが望ましい。As the reaction gas, a gas suitable for the purpose of the plasma processing is used. For example, when forming an amorphous, microcrystalline or polycrystalline Si thin film, SiH 4 or Si 2
A gas containing Si atoms such as H 6 is used alone or as a mixture with another gas such as H 2 . When processing a Si-based substrate (plasma etching), SF 6 , C
A halogen-based gas such as F 4 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , CCl 4 , PCl 3 is used alone or as a mixture with another gas such as O 2 . When performing a hydrophilic surface treatment, an organic solvent such as an alcohol is used. On the other hand, as the inert gas, He gas, Ar gas, Ne gas, or the like is used alone or mixed with each other. However, considering the stability of discharge and the suppression of damage to the substrate, H
It is desirable to use e gas.
【００２７】前記プラズマ処理用ガスの反応容器内の圧
力Ｐは、下記（ｂ）式のように、反応ガス分圧Ｐｒと不
活性ガス分圧Ｐｉとの和によって表される。 ［プラズマ処理用ガス圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）］ ＝［不活性ガス分圧Ｐｉ（Ｔｏｒｒ）］＋［反応ガス分圧Ｐｒ（Ｔｏｒｒ）］ （ｂ） ここで、反応ガス分圧Ｐｒは、後記の（Ａ）式を成立さ
せるための必要条件として、少なくとも１２５Ｔｏｒｒ
以下とされている。反応ガスの種類にもよるが、０．１
Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ程度の範囲内の分圧Ｐｒが適
切である。The pressure P of the plasma processing gas in the reaction vessel is represented by the sum of the reaction gas partial pressure Pr and the inert gas partial pressure Pi as shown in the following equation (b). [Plasma processing gas pressure P (Torr)] = [inert gas partial pressure Pi (Torr)] + [reactive gas partial pressure Pr (Torr)] (b) Here, the reactive gas partial pressure Pr is expressed by ( A) As a necessary condition for satisfying the expression, at least 125 Torr
It is as follows. Depending on the type of reaction gas, 0.1
A partial pressure Pr in the range of about Torr to 100 Torr is appropriate.
【００２８】不活性ガス分圧Ｐｉは、反応ガス分圧Ｐｒ
に対してプラズマ処理用ガス圧力Ｐが下記（Ａ）式を満
たすように、設定されている。 ４×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ）≦Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦５００（Ｔｏｒｒ） （Ａ） プラズマ処理用ガス圧力Ｐは、好ましくは、（Ａ）式の
範囲内にあって、かつ、下記（Ｂ）式を満たすように設
定される。 Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦２０×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ） （Ｂ）The inert gas partial pressure Pi is the reaction gas partial pressure Pr.
Is set so that the plasma processing gas pressure P satisfies the following equation (A). 4 × Pr (Torr) ≦ P (Torr) ≦ 500 (Torr) (A) The plasma processing gas pressure P preferably falls within the range of the formula (A) and satisfies the following formula (B). It is set as follows. P (Torr) ≦ 20 × Pr (Torr) (B)
【００２９】上記のようにプラズマ処理用ガス圧力Ｐを
所定の圧力に設定した状態で、この圧力を維持しなが
ら、ノズル７とガス排出口１０とによってプラズマ処理
用ガスを一定流量で流す。ギャップｇ部の大きさは０．
１〜１０ｍｍ程度であり、プラズマ処理用ガスのチャン
バベースの総流量Ｑｃは数１００ｃｃ／ｍｉｎ〜数１０
００Ｌ／ｍｉｎ程度である。なお、「チャンバベース総
流量Ｑｃ」は下記の（ｄ）式のように定義され、また、
これと関連する「総流量Ｑ」、「反応ガス流量Ｑｒ」、
「不活性ガス流量Ｑｉ」については、夫々、（ｃ）式、
（ｅ）式、および（ｆ）式のように定義される。With the plasma processing gas pressure P set at a predetermined pressure as described above, the plasma processing gas flows at a constant flow rate through the nozzle 7 and the gas discharge port 10 while maintaining this pressure. The size of the gap g is 0.
The total flow rate Qc of the plasma processing gas at the chamber base is several hundred cc / min to several tens
It is about 00 L / min. The “chamber base total flow rate Qc” is defined as in the following equation (d).
The “total flow rate Q”, “reaction gas flow rate Qr”,
Regarding the “inert gas flow rate Qi”, respectively, equation (c),
It is defined as in equations (e) and (f).
【００３０】 ・［総流量Ｑ（ＳＣＣＭ）］ ＝［不活性ガス流量Ｑｉ（ＳＣＣＭ）］＋［反応ガス流量Ｑｒ（ＳＣＣＭ）］ （ｃ） ・［チャンバベース総流量Ｑｃ（ｃｃ／ｍｉｎ）］ ＝［総流量Ｑ（ＳＣＣＭ）］×［７６０（Ｔｏｒｒ）］ ／［プラズマ処理用ガス圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）］ （ｄ） ・［反応ガス流量Ｑｒ（ＳＣＣＭ）］ ＝［反応ガス分圧Ｐｒ（Ｔｏｒｒ）］ ×［チャンバベース総流量Ｑｃ（ｃｃ／ｍｉｎ）］ ／［７６０（Ｔｏｒｒ）］ （ｅ） ・［不活性ガス流量Ｑｉ（ＳＣＣＭ）］ ＝［不活性ガス分圧Ｐｉ（Ｔｏｒｒ）］ ×［チャンバベース総流量Ｑｃ（ｃｃ／ｍｉｎ）］ ／［７６０（Ｔｏｒｒ）］ （ｆ）[Total flow rate Q (SCCM)] = [Inert gas flow rate Qi (SCCM)] + [Reactive gas flow rate Qr (SCCM)] (c) • [Chamber base total flow rate Qc (cc / min)] = [Total flow rate Q (SCCM)] × [760 (Torr)] / [Plasma processing gas pressure P (Torr)] (d) · [Reaction gas flow rate Qr (SCCM)] = [Reaction gas partial pressure Pr (Torr)] ] X [total chamber base flow rate Qc (cc / min)] / [760 (Torr)] (e)-[Inert gas flow rate Qi (SCCM)] = [inert gas partial pressure Pi (Torr)] x [chamber Base total flow rate Qc (cc / min)] / [760 (Torr)] (f)
【００３１】上記の構成において、放電電極２に高周波
電力を供給すると、ギャップｇ部でグロー放電が起こ
り、前記プラズマ処理用ガスに基づくプラズマが発生す
る。そして、プラズマ処理用ガス中の反応ガス分子がプ
ラズマによって分解、励起されて、反応種が生成され
る。この反応種の作用により、基板６に対する所望のプ
ラズマ処理が施される。ここで、放電電極２に供給され
る高周波電力の周波数ｆは、前記プラズマ処理用ガス圧
力Ｐに対して、 ０．８×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ ｆ（Ｈｚ）≦５×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）（Ｃ） なる関係を満たすように設定される。好ましくは、
（Ｃ）式の範囲内にあって、かつ、 ３×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ｆ（Ｈｚ） （Ｄ） なる関係を満たすように設定される。In the above configuration, when high-frequency power is supplied to the discharge electrode 2, glow discharge occurs in the gap g, and plasma based on the plasma processing gas is generated. Then, the reactive gas molecules in the plasma processing gas are decomposed and excited by the plasma to generate reactive species. The desired plasma treatment is performed on the substrate 6 by the action of the reactive species. Here, the frequency f of the high-frequency power supplied to the discharge electrode 2 is 0.8 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) ≦ f (Hz) ≦ It is set so as to satisfy the relationship of 5 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) (C). Preferably,
It is set so as to be within the range of the expression (C) and satisfy the relationship of 3 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) ≦ f (Hz) (D).
【００３２】次に、本発明のプラズマ処理方法の作用
を、以下の項目にて説明する。 Ｉ．「（Ａ）（Ｂ）式にて規定されるプラズマ処理用ガ
ス圧力Ｐの作用」 II．「（Ｃ）（Ｄ）式にて規定される周波数ｆの作用」Next, the operation of the plasma processing method of the present invention will be described in the following items. I. "Action of plasma processing gas pressure P defined by equations (A) and (B)" II. "Action of frequency f defined by equations (C) and (D)"
【００３３】Ｉ．「（Ａ）（Ｂ）式にて規定されるプラ
ズマ処理用ガス圧力Ｐの作用」従来技術の説明と重複す
るが、まず、反応ガスに不活性ガスを加えることの効果
を説明する。最も好ましい不活性ガスはＨｅガスと考え
られるが、Ｈｅガスの効果としては、放電開始電圧が低
いこと、及び、高エネルギ（約２０ｅＶ）の準安定状態
をもつことが挙げられる。しかも、準安定状態のＨｅラ
ジカルは、寿命が極めて長く拡散速度も速い。このよう
な性質のＨｅガスを加えることによって、反応ガス分圧
Ｐｒを高めてもプラズマ安定に発生、維持できる。そし
て、反応ガス分圧Ｐｒを高くできるので、プラズマ処理
速度を高速化することができる。なお、ＡｒやＮｅなど
のＨｅ以外の不活性ガスについては、放電開始電圧やラ
ジカル寿命などの数値がＨｅとは異なるものの、上記と
同様の効果を呈する。 I. "Plastic specified by formulas (A) and (B)
Effect of Gas Pressure P for Zuma Treatment "Although the description is the same as that of the prior art, first, the effect of adding an inert gas to the reaction gas will be described. The most preferred inert gas is considered to be He gas. The effects of He gas include a low discharge starting voltage and a high energy (about 20 eV) metastable state. Moreover, the He radical in the metastable state has an extremely long lifetime and a high diffusion rate. By adding He gas having such properties, plasma can be generated and maintained stably even when the reaction gas partial pressure Pr is increased. Further, since the reaction gas partial pressure Pr can be increased, the plasma processing speed can be increased. It should be noted that an inert gas other than He, such as Ar or Ne, exhibits the same effects as described above, although numerical values such as a discharge starting voltage and a radical life are different from He.
【００３４】上記のように、不活性ガス（好ましくはＨ
ｅガス）は、反応ガス分圧Ｐｒを高めた状態でプラズマ
を安定に維持するために不可欠である。しかしながら、
処理速度の観点においては、不活性ガスが大量にあるこ
とが必ずしも望ましいとは限らない。すなわち、反応ガ
ス分圧Ｐｒが一定である場合に、不活性ガス分圧Ｐｉが
高ければ高いほど処理速度が速いとは限らない。この点
が本発明の着眼点である。いま、投入電力Ｗ、及び、反
応ガス分圧Ｐｒを一定として、不活性ガス分圧Ｐｉを低
くする（プラズマ処理用ガス圧力Ｐを低くする）場合に
ついて考える。この場合には、例えば、以下のような相
反する現象が考えられる。As mentioned above, an inert gas (preferably H
e gas) is indispensable for maintaining stable plasma with the reaction gas partial pressure Pr increased. However,
From the viewpoint of processing speed, it is not always desirable that a large amount of the inert gas be present. That is, when the reactive gas partial pressure Pr is constant, the higher the inert gas partial pressure Pi, the higher the processing speed is not always. This is the focus of the present invention. Now, let us consider a case where the input power W and the reactive gas partial pressure Pr are kept constant and the inert gas partial pressure Pi is lowered (the plasma processing gas pressure P is lowered). In this case, for example, the following conflicting phenomena can be considered.
【００３５】不活性ガス分圧Ｐｉが低い分、準安定状
態の不活性ガスラジカルの密度が減少し、不活性ガスラ
ジカルと反応ガス分子との単位時間当たりの衝突回数が
減少する。このために、反応ガス分子の解離が起こりに
くくなり、プラズマ処理に係わる反応種の密度が減少し
て処理速度が遅くなる。 不活性ガス分圧Ｐｉが低い分（プラズマ処理用ガス圧
力Ｐが低い分）、不活性ガス原子（またはラジカル）に
対する電子の衝突回数が減少して、電界による電子のド
リフト速度が大きくなる。一方、反応ガス分圧Ｐｒ（す
なわち反応ガス分子密度）は一定であるから、電子ドリ
フト速度の増大に伴い、電子と反応ガス分子との単位時
間当たりの衝突回数が増加する。また、このときに電子
の持つ運動エネルギは大きい。これにより反応ガス分子
の解離が促進される。その結果、プラズマ処理に係わる
反応種の密度が増加し、処理速度が向上する。The lower the inert gas partial pressure Pi, the lower the density of metastable inert gas radicals, and the less the number of collisions between inert gas radicals and reactive gas molecules per unit time. For this reason, the dissociation of the reaction gas molecules is less likely to occur, and the density of the reactive species involved in the plasma processing is reduced, thereby reducing the processing speed. The lower the inert gas partial pressure Pi (the lower the plasma processing gas pressure P), the smaller the number of collisions of electrons with the inert gas atoms (or radicals), and the higher the electron drift speed due to the electric field. On the other hand, since the reactive gas partial pressure Pr (that is, the reactive gas molecule density) is constant, the number of collisions between the electrons and the reactive gas molecules per unit time increases as the electron drift speed increases. At this time, the kinetic energy of the electrons is large. This promotes the dissociation of the reaction gas molecules. As a result, the density of reactive species involved in the plasma processing increases, and the processing speed improves.
【００３６】実際には上記の現象が複合的に作用す
るものと予測されるが、プラズマ処理速度には、何らか
の不活性ガス分圧Ｐｉ（プラズマ処理用ガス圧力Ｐ）依
存性があるものと考え、これを確認する実験（後記の実
施例１）を行った。そして、実験結果を分析したとこ
ろ、上記の因子が支配的に寄与していることを見いだ
し、従来では「反応ガス分圧Ｐｒを高めた状態でも、プ
ラズマを安定に維持できる」という長所のみがクローズ
アップされていた不活性ガスに対して、「この不活性ガ
スが多すぎると（不活性ガス分圧Ｐｉが高すぎると）、
逆に処理速度が低下する」という新たな知見を得た。す
なわち、反応ガス分子の解離には、反応ガス分子に対す
る不活性ガスラジカルの衝突よりも、むしろ電子の衝突
の方が支配的に寄与していることが分かった。Actually, it is expected that the above-mentioned phenomena act in combination, but it is considered that the plasma processing speed depends on some inert gas partial pressure Pi (plasma processing gas pressure P). An experiment (Example 1 described later) for confirming this was performed. Analysis of the experimental results revealed that the above factors dominantly contributed. Conventionally, only the advantage that "the plasma can be stably maintained even when the reaction gas partial pressure Pr is increased" is closed. For the inert gas that has been raised, "If this inert gas is too large (the inert gas partial pressure Pi is too high),
On the contrary, the processing speed is reduced. " That is, it was found that electron collisions dominantly contribute to the dissociation of the reaction gas molecules, rather than collisions of the inert gas radicals with the reaction gas molecules.
【００３７】上記の知見に基づくと、反応ガス分圧Ｐｒ
が一定の条件下では、「プラズマの安定維持が可能な程
度に不活性ガスを加え、不活性ガス分圧Ｐｉ（プラズマ
処理用ガス圧力Ｐ）はなるべく低い圧力に設定されるこ
と」が望ましい。これによって、電子のドリフト速度が
増加し、効率的に反応ガス分子が解離される。上記の
（Ａ）式及び（Ｂ）式は、この望ましいプラズマ処理用
ガス圧力Ｐの範囲（不活性ガス分圧Ｐｉの範囲）を、実
験結果（実施例１）に基づいて定式化したものであり、
図１の模式図を参照することによってより明確に理解で
きる。Based on the above findings, the reaction gas partial pressure Pr
However, under certain conditions, it is desirable that "an inert gas be added to such an extent that plasma can be stably maintained, and the inert gas partial pressure Pi (plasma processing gas pressure P) be set as low as possible". As a result, the electron drift speed increases, and the reaction gas molecules are efficiently dissociated. The above equations (A) and (B) are obtained by formulating the desirable range of the plasma processing gas pressure P (the range of the inert gas partial pressure Pi) based on the experimental results (Example 1). Yes,
It can be more clearly understood by referring to the schematic diagram of FIG.
【００３８】図１（ａ）は、反応ガス分圧Ｐｒ及び投入
電力Ｗを一定とした場合について、プラズマ処理用ガス
圧力Ｐと電子ドリフト速度ｖdeとの関係を示した模式図
である。電子ドリフト速度ｖdeは、プラズマ処理用ガス
圧力Ｐを低くすることにより（不活性ガス分圧Ｐｉを低
くすることにより）増加するが、この増加割合は、後記
の実施例１に示すように５００Ｔｏｒｒ以下の圧力Ｐに
対して顕著なものとなる。上記したように、反応ガス分
圧Ｐｒが一定の条件下では、電子ドリフト速度ｖdeの増
加に伴ってプラズマ処理速度が向上するため、プラズマ
処理用ガス圧力Ｐは５００Ｔｏｒｒ以下であって、なる
べく低い圧力に設定されることが望ましい。FIG. 1A is a schematic diagram showing the relationship between the plasma processing gas pressure P and the electron drift velocity v de when the reaction gas partial pressure Pr and the input power W are constant. The electron drift velocity v de is increased by lowering the plasma processing gas pressure P (by lowering the inert gas partial pressure Pi). The increasing rate is 500 Torr as shown in Example 1 described later. It becomes remarkable for the following pressure P. As described above, when the reaction gas partial pressure Pr is constant, the plasma processing speed increases with an increase in the electron drift velocity v de , and thus the plasma processing gas pressure P is 500 Torr or less and is as low as possible. Preferably, the pressure is set.
【００３９】しかしながら、プラズマ処理用ガス圧力Ｐ
（不活性ガス分圧Ｐｉ）を低圧力化しようとしても、プ
ラズマ安定性の観点から圧力Ｐには下限が存在する。す
なわち、反応ガス分圧Ｐｒに応じて、所定量以上の不活
性ガスを加えなければ（不活性ガス分圧Ｐｉを所定値以
上としなければ）、プラズマを安定に維持できない。図
１（ｂ）は、プラズマ処理用ガス圧力Ｐとプラズマ安定
度との関係をイメージ的に表現した図である。プラズマ
を安定に維持するためには、後記の実施例１に示すよう
に、反応ガス分圧Ｐｒの３倍以上の不活性ガス分圧Ｐｉ
（反応ガス分圧Ｐｒの４倍以上のプラズマ処理用ガス圧
力Ｐ）が必要である。However, the plasma processing gas pressure P
Even if an attempt is made to lower the (inert gas partial pressure Pi), the pressure P has a lower limit from the viewpoint of plasma stability. That is, unless an inert gas of a predetermined amount or more is added in accordance with the reaction gas partial pressure Pr (unless the inert gas partial pressure Pi is set to a predetermined value or more), the plasma cannot be stably maintained. FIG. 1B is a diagram schematically illustrating the relationship between the plasma processing gas pressure P and the plasma stability. In order to maintain the plasma stably, as shown in Example 1 described later, the inert gas partial pressure Pi is three times or more the reactive gas partial pressure Pr.
(Plasma processing gas pressure P that is at least four times the reaction gas partial pressure Pr) is required.
【００４０】図１（ａ）に示した電子ドリフト速度と、
図１（ｂ）に示したプラズマ安定度との相関により、プ
ラズマ処理用ガス圧力Ｐとプラズマ処理速度との関係
は、模式的に図１（ｃ）のように表される。図１（ｃ）
中に、（Ａ）式及び（Ｂ）式にて規定される圧力範囲を
示しているが、（Ａ）式を満たす範囲内、特に（Ａ）式
かつ（Ｂ）式を満たす範囲内に、プラズマ処理速度のピ
ークが存在する。したがって、一定の反応ガス分圧Ｐｒ
に対して、（Ａ）式及び（Ｂ）式にて規定される範囲内
にプラズマ処理用ガス圧力Ｐを設定することによって、
投入電力、及び、反応ガスの利用効率を高めて、プラズ
マ処理速度を向上させることができる。The electron drift velocity shown in FIG.
Based on the correlation with the plasma stability shown in FIG. 1B, the relationship between the plasma processing gas pressure P and the plasma processing speed is schematically shown in FIG. 1C. FIG. 1 (c)
In the figure, the pressure ranges defined by the expressions (A) and (B) are shown, but within the range satisfying the expression (A), particularly within the range satisfying the expressions (A) and (B), There is a peak in the plasma processing speed. Therefore, a constant reaction gas partial pressure Pr
By setting the plasma processing gas pressure P within the range defined by the equations (A) and (B),
The input power and the utilization efficiency of the reaction gas can be increased, and the plasma processing speed can be improved.
【００４１】II．「（Ｃ）（Ｄ）式にて規定される周波
数ｆの作用」図１（ａ）に示したように、反応ガス分圧
Ｐｒを一定として、プラズマ処理用ガス圧力Ｐ（不活性
ガス分圧Ｐｉ）を低圧力化すると、電子ドリフト速度ｖ
deが増加する。図２は、この内容を、高周波電力の周波
数ｆを横軸として模式的に表現したものである。縦軸は
電子ドリフト速度ｖdeを示し、横軸、縦軸とも対数で表
現している。Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3は、下式の（ｇ−１）〜
（ｇ−３）に示される圧力であり、これらと，（Ａ）式
で規定されたプラズマ処理用ガス圧力Ｐとの間には（ｇ
−４）式に示す関係がある。 Ｐ1＝５００Ｔｏｒｒ （ｇ−１） Ｐ2＝４×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ） （ｇ−２） Ｐ3＜４×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ） （ｇ−３） Ｐ3＜Ｐ2≦Ｐ≦Ｐ1 （ｇ−４） II. "Frequencies defined by equations (C) and (D)
As shown in several action of f "FIG. 1 (a), a constant reaction gas partial pressure Pr, the plasma processing gas pressure P (the inert gas partial pressure Pi) to a low pressure of, electron drift velocity v
de increases. FIG. 2 schematically illustrates this content with the frequency f of the high-frequency power as the horizontal axis. The vertical axis indicates the electron drift velocity v de, and both the horizontal axis and the vertical axis are expressed by logarithms. P 1 , P 2 , and P 3 are represented by (g-1) to
(G-3), and between these and the plasma processing gas pressure P defined by the equation (A), (g-3)
-4) There is a relationship shown in the equation. P 1 = 500Torr (g-1 ) P 2 = 4 × Pr (Torr) (g-2) P 3 <4 × Pr (Torr) (g-3) P 3 <P 2 ≦ P ≦ P 1 (g- 4)
【００４２】図２より、周波数ｆ＝ｆaのときに、プラ
ズマ処理用ガス圧力をＰ1→Ｐ2→Ｐ3と低圧力化する
と、電子ドリフト速度はｖde1→ｖde2→ｖde3に増加す
る。しかしながら、図１（ｂ）に示したようなプラズマ
安定性の観点から、Ｐ2→Ｐ3なる低圧力化は行えず、ド
リフト速度がｖde2以下に制限される。すなわち、
（Ａ）式によるプラズマ処理用ガス圧力Ｐ（不活性ガス
分圧Ｐｉ）の設定のみでは、プラズマ処理速度が制限を
受ける。そこで、「反応ガスと不活性ガスとの混合ガス
からなるプラズマ処理用ガスを用いたプラズマ処理方法
においては、反応ガス分子に対する不活性ガスラジカル
の衝突よりも、電子の衝突の方が反応ガス分子の解離に
支配的に寄与している」という上記の知見に基づき、さ
らに、高周波電力の周波数ｆを（Ｃ）式及び（Ｄ）式に
規定される範囲内に設定した。そして、これによって更
なる処理速度の向上を図った。すなわち、プラズマ処理
用ガス圧力Ｐの設定によって電子ドリフト速度ｖdeを高
めるとともに、更に、周波数ｆの設定によって、電子に
効率的にエネルギを供給し、また電子密度を高めて、反
応ガス分子の解離を一層促進させた。[0042] From FIG. 2, when the frequency f = f a, increasing the gas pressure for the plasma treatment when low pressure of the P 1 → P 2 → P 3 , the electron drift velocity v de1 → v de2 → v de3 I do. However, from the viewpoint of plasma stability as shown in FIG. 1B, the pressure P 2 → P 3 cannot be lowered, and the drift speed is limited to v de2 or less. That is,
The plasma processing speed is limited only by the setting of the plasma processing gas pressure P (inert gas partial pressure Pi) according to the equation (A). Thus, in a plasma processing method using a plasma processing gas composed of a mixed gas of a reactive gas and an inert gas, the collision of electrons with the reactive gas molecules is more effective than the collision of inert gas radicals with the reactive gas molecules. And the frequency f of the high-frequency power is set within the range defined by the equations (C) and (D). Thus, the processing speed was further improved. That is, by setting the plasma processing gas pressure P, the electron drift velocity v de is increased, and further, by setting the frequency f, the energy is efficiently supplied to the electrons and the electron density is increased to dissociate the reaction gas molecules. Was further promoted.
【００４３】図３（ａ）は、（ｇ−４）式の関係にある
プラズマ処理用ガス圧力Ｐに対して、周波数ｆと、電子
および不活性ガスイオン（例えばＨｅ+）のドリフト速
度ｖd e、ｖdiの関係を示したものである。また図３
（ｂ）は、図３（ａ）のドリフト速度ｖde、ｖdiを積分
して得られるドリフト振幅Ａde、Ａdiを縦軸とした図で
ある。図３（ａ）、（ｂ）においても、横軸、縦軸とも
対数で表現している。FIG. 3A shows the relationship of the equation (g-4).
With respect to the plasma processing gas pressure P, the frequency f and the electron
And inert gas ions (eg, He+) Drift speed
Degree vd e, VdiThis shows the relationship. FIG.
(B) shows the drift velocity v of FIG.de, VdiIntegral
Drift amplitude A obtained byde, AdiWith the vertical axis
is there. Also in FIGS. 3A and 3B, both the horizontal axis and the vertical axis
Expressed in logarithm.
【００４４】ｆceおよびｆciは、それぞれ、電子および
不活性ガスイオンが高周波電界に追従する臨界の周波数
を表している。臨界周波数ｆce、ｆciは、後記の項目
［補足説明１．電子およびイオンのドリフト振動］にて
補足するように、プラズマ処理用ガス圧力Ｐに応じて変
化し、 ｆce（Ｈｚ）≧５×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ） （ｈ） ｆci（Ｈｚ）≦０．８×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）（ｉ） なる関係にて表される。すなわち、（Ｃ）式にて規定される周波数範囲は、 ｆci≦ｆ≦ｆce （ｊ） なる関係を満たす十分条件である。F ce and f ci represent the critical frequencies at which electrons and inert gas ions follow the high frequency electric field, respectively. The critical frequencies f ce and f ci are described in the following item [Supplementary Explanation 1. Electron and ion drift oscillations], f ce (Hz) ≧ 5 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) (h) f ci (Hz) ≦ 0.8 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) (i) That is, the frequency range defined by the expression (C) is a sufficient condition that satisfies the relationship of f ci ≦ f ≦ f ce (j).
【００４５】図３（ａ）を参照して、（Ｃ）式を満たす
周波数領域、すなわち、（ｊ）式を十分に満たす周波数
領域においては、不活性ガスイオンを高周波電界に追従
させず、電子のみを電界に追従させることができる。し
たがって、イオンに対して電界からのエネルギを消費さ
せずに、反応ガス分子の解離に支配的に寄与する電子に
対してのみ、効率的にエネルギを供給することができ
る。したがって、（Ｃ）式の設定によって反応ガス分子
の解離が促進され、プラズマ処理速度をさらに向上させ
ることができる。しかも、上記設定においては、図３
（ｂ）に示す如くにイオンの振幅Ａdiをかなり小さくで
きるので、基板に対するダメージも少なくて済む。Referring to FIG. 3A, in a frequency region satisfying the expression (C), that is, a frequency region sufficiently satisfying the expression (j), the inert gas ions do not follow the high-frequency electric field, and the electrons do not follow the high-frequency electric field. Only the electric field can follow the electric field. Therefore, the energy can be efficiently supplied only to the electrons that dominantly contribute to the dissociation of the reaction gas molecules without consuming the energy from the electric field for the ions. Therefore, the dissociation of the reaction gas molecules is promoted by the setting of the expression (C), and the plasma processing speed can be further improved. Moreover, in the above setting, FIG.
As shown in (b), the amplitude A di of the ions can be considerably reduced, so that damage to the substrate can be reduced.
【００４６】次に、（Ｃ）式の範囲内において周波数ｆ
を高めていくと、図３（ａ）（ｂ）に示すように、電子
ドリフト速度Ｖdeを維持しながら、電子ドリフト振幅Ａ
deを小さくすることができる。このように電子ドリフト
振幅Ａdeを小さくすると、図４に示す如くに、ギャップ
ｇ部内のイオンシースを薄くし、バルクプラズマにおけ
る電子密度を高めることができる。上記したように、反
応ガス分子の解離には電子の衝突が支配的に寄与してい
るから、周波数ｆを高めて電子密度を高めることによっ
て、プラズマ処理速度の更なる向上を図ることができ
る。一方、ｆ＞ｆ ceなる領域まで周波数ｆを高めると、
電子が高周波電界に追従できなくなり、電界から十分な
エネルギを得られなくなる。またドリフト速度Ｖdeも低
下するので、逆にプラズマ処理速度が低下してしまう。
したがって、（Ｃ）式を満たす範囲内にあって、かつ、
（Ｄ）式を満たすようななるべく高い周波数ｆを選定す
ることによって、電子に効率的にエネルギを供給し、更
に電子密度を高めてプラズマ処理速度を向上させること
ができる。Next, within the range of the equation (C), the frequency f
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b),
Drift speed VdeWhile maintaining the electron drift amplitude A
deCan be reduced. Thus the electron drift
Amplitude AdeIs reduced, as shown in FIG.
Thin the ion sheath in the g section and apply it to bulk plasma.
Electron density can be increased. As mentioned above,
Electron collisions dominantly contribute to the dissociation of reactive gas molecules.
Therefore, by increasing the frequency f and increasing the electron density,
The plasma processing speed can be further improved
You. On the other hand, f> f ceWhen the frequency f is increased to the region
Electrons cannot follow the high-frequency electric field, and
Energy cannot be obtained. Drift speed VdeAlso low
As a result, the plasma processing speed is reduced.
Therefore, it is within the range satisfying the expression (C), and
Select the highest possible frequency f that satisfies the formula (D)
This effectively supplies energy to the electrons and updates them.
To increase the plasma density by increasing the electron density
Can be.
【００４７】なお、（Ｃ）式および（Ｄ）式に規定され
る周波数範囲については、不活性ガスを用いずに、プラ
ズマ処理用ガスとして反応ガスのみを用いた場合にも成
立するものである。なぜなら、プラズマ処理用ガスが反
応ガスのみであるので、反応ガス分子は、当然、電子と
の衝突によって解離されるからである。すなわち、電子
に効率的にエネルギを供給でき、また電子密度を高めら
れる条件の（Ｃ）式および（Ｄ）式は、不活性ガスを用
いない場合においても好適な条件となるのである。The frequency ranges defined by the equations (C) and (D) are satisfied even when only the reaction gas is used as the plasma processing gas without using the inert gas. . This is because the reaction gas is the only gas for plasma processing, and the reaction gas molecules are naturally dissociated by collision with electrons. That is, the conditions (C) and (D), under which the energy can be efficiently supplied to the electrons and the electron density can be increased, are favorable conditions even when no inert gas is used.
【００４８】上記で説明してきたように、本発明では、
「一定の反応ガス分圧Ｐｒに対して、不活性ガス分圧Ｐ
ｉが高すぎると、逆に処理速度が低下する」との知見に
基づき、プラズマ処理用ガス圧力Ｐを（Ａ）式及び
（Ｂ）式を満たすように設定した。その結果、電子のド
リフト速度Ｖdeが増大し、これによってプラズマ処理速
度を大幅に向上させることができた。具体的には、投入
電力Ｗ及び反応ガス分圧Ｐｒが一定の条件下において、
（Ａ）式及び（Ｂ）式を満たす範囲内にプラズマ処理用
ガス圧力Ｐを設定したところ、これが大気圧付近の場合
に比べて大幅に処理速度が向上した。すなわち、投入電
力、及び反応ガスの利用効率を大幅に向上でき、本発明
の第１の目的を達成できた。また、プラズマ処理速度を
高めながらも、プラズマ処理用ガスの圧力を５００Ｔｏ
ｒｒ以下としたため、これを１気圧とした場合に比べて
反応容器内に導入する不活性ガスが少なくて済んだ。す
なわち、不活性ガスに要するコストを削減でき、本発明
の第２の目的を達成できた。As described above, in the present invention,
"For a constant reactive gas partial pressure Pr, the inert gas partial pressure P
If i is too high, the processing speed will decrease, on the contrary, "the plasma processing gas pressure P was set to satisfy the equations (A) and (B). As a result, the electron drift speed V de was increased, and thereby the plasma processing speed could be greatly improved. Specifically, under the condition that the input power W and the reaction gas partial pressure Pr are constant,
When the plasma processing gas pressure P was set within the range satisfying the equations (A) and (B), the processing speed was greatly improved as compared with the case where the gas pressure P was near the atmospheric pressure. That is, the input power and the utilization efficiency of the reaction gas can be greatly improved, and the first object of the present invention has been achieved. Also, while increasing the plasma processing speed, the pressure of the plasma processing gas is increased to 500
Since the pressure was set to rr or less, less inert gas was introduced into the reaction vessel than when the pressure was set to 1 atm. That is, the cost required for the inert gas can be reduced, and the second object of the present invention can be achieved.
【００４９】更に、本発明では、上記範囲内のプラズマ
処理用ガス圧力Ｐに対して、高周波電力の周波数ｆを
（Ｃ）式及び（Ｄ）式にて規定される範囲内に設定した
から、電子に効率的にエネルギを供給し、また電子密度
を高めて、プラズマ処理速度を更に向上させることがで
きた。以下に、上記で規定したプラズマ処理用ガス圧力
Ｐの限定理由と、周波数ｆの限定理由とに関わる実験結
果について説明する。Further, in the present invention, the frequency f of the high frequency power is set within the range defined by the equations (C) and (D) for the plasma processing gas pressure P within the above range. The energy was efficiently supplied to the electrons, and the electron density was increased, so that the plasma processing speed could be further improved. In the following, experimental results relating to the above-described reason for limiting the plasma processing gas pressure P and the reason for limiting the frequency f will be described.
【００５０】［実施例１］本実施例では、上記（Ａ）、
（Ｂ）式に示したプラズマ処理用ガス圧力Ｐの限定理由
に関わる実験結果について説明する。不活性ガスとして
Ｈｅガスを用い、また、反応ガスとしてＳｉＨ4とＨ2と
の混合ガスを用いて、ガラス基板に対するＳｉ薄膜の成
膜実験を行った。プラズマ処理に用いた装置は図５と同
型の装置であり、高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨ
ｚとした。具体的な実験方法について説明する。反応ガ
ス（ＳｉＨ4ガスとＨ2ガスとの混合ガス）の分圧Ｐｒお
よび投入電力を一定とし、プラズマ処理用ガス圧力Ｐ
（Ｈｅガス分圧Ｐｉ）を変化させて、成膜速度の変化を
調べた。[Embodiment 1] In this embodiment, (A)
An experimental result concerning the reason for limiting the plasma processing gas pressure P shown in the equation (B) will be described. Using a He gas as an inert gas and a mixed gas of SiH 4 and H 2 as a reaction gas, an experiment of forming a Si thin film on a glass substrate was performed. The apparatus used for the plasma processing is the same type as that shown in FIG. 5, and the frequency of the high-frequency power is 13.56 MHz.
z. A specific experimental method will be described. With the partial pressure Pr and the input power of the reaction gas (mixed gas of SiH 4 gas and H 2 gas) kept constant, the plasma processing gas pressure P
(He gas partial pressure Pi) was changed, and the change in the film formation rate was examined.
【００５１】図６は、２種類の反応ガス分圧Ｐｒに対し
て、上記実験を行った結果である。なお、図中の同一シ
ンボルの間では、Ｈｅガス分圧Ｐｉ以外の条件は同一条
件とし、またチャンバベース総流量Ｑｃ（ｃｃ／ｍｉ
ｎ）も一定としたため、（ｅ）式に基づき、反応ガス流
量Ｑｒ（ＳＣＣＭ）も一定である。図において成膜速
度：０Å／Ｓのプロットは、放電が不安定となりプラズ
マを維持できなかった場合を示している。FIG. 6 shows the results of the above-described experiment performed on two kinds of reaction gas partial pressures Pr. It should be noted that, among the same symbols in the drawing, the conditions other than the He gas partial pressure Pi are the same, and the chamber base total flow rate Qc (cc / mi)
Since n) is also constant, the reaction gas flow rate Qr (SCCM) is also constant based on the equation (e). In the drawing, the plot of film forming rate: 0 ° / S shows the case where the discharge was unstable and the plasma could not be maintained.
【００５２】図６の結果は図１（ｃ）に示した模式図と
符合しており、何れの反応ガス分圧Ｐｒに対しても、プ
ラズマ処理用ガス圧力Ｐ：５００Ｔｏｒｒを臨界点と
し、これ以下においては圧力Ｐを低くすることによって
成膜速度が向上している。そして、成膜速度がピークを
とった後は、圧力Ｐの低圧力化に伴い成膜速度が低下す
る。図７は、圧力Ｐが７６０Ｔｏｒｒのときの値で規格
化した成膜速度を、図６中の各々の反応ガス分圧に対し
て示したものであり、上記の臨界圧力（５００Ｔｏｒ
ｒ）をより明確に確認できる。The results in FIG. 6 correspond to the schematic diagram shown in FIG. 1 (c). For any of the reaction gas partial pressures Pr, the plasma processing gas pressure P: 500 Torr is set as the critical point. In the following, the film forming speed is improved by lowering the pressure P. Then, after the film formation rate has peaked, the film formation rate decreases as the pressure P decreases. FIG. 7 shows the film formation rate normalized by the value when the pressure P is 760 Torr with respect to each partial pressure of the reaction gas in FIG. 6, and shows the above critical pressure (500 Torr).
r) can be confirmed more clearly.
【００５３】次に、上記実験結果を分析したところ、成
膜速度は電子のドリフト速度ｖdeと強い相関があること
が分かった。図８は、プラズマ処理用ガス圧力Ｐの（−
０．５）乗を横軸として図６のグラフを書き直したもの
である。この図より、Ｐ(-0. 5)が比較的小さい領域（圧
力Ｐが比較的高い領域）においては、成膜速度が圧力Ｐ
の（−０．５）乗にほぼ比例している。一方、後記の項
目［補足説明２．電子ドリフト速度のプラズマ処理用ガ
ス圧力依存性］にて補足するように、電子のドリフト速
度ｖdeも理論的に圧力Ｐの（−０．５）乗に比例するか
ら、成膜速度は、電子のドリフト速度ｖdeにほぼ比例し
ていることが分かる。すなわち、図６の結果は、プラズ
マ処理用ガス圧力Ｐ（Ｈｅガス分圧Ｐｉ）の低圧力化に
よって電子のドリフト速度ｖdeが増大し、これに伴って
成膜速度が増加したものと解釈できる。以上の分析よ
り、反応ガス分子の解離には、反応ガス分子に対するＨ
ｅラジカルの衝突よりも電子の衝突の方が支配的に寄与
しており、プラズマ処理用ガス圧力Ｐ（不活性ガス分圧
Ｐｉ）を低圧力化することの効果を、物理現象に立脚し
たものとして確認できた。そして、圧力Ｐを低くするこ
との効果（電子のドリフト速度を増加させることによっ
て、成膜速度を増加させる効果）が、５００Ｔｏｒｒ以
下の圧力Ｐにおいて顕著なものとなることを実験的に確
認できた。すなわち、成膜速度を向上させるためのプラ
ズマ処理用ガス圧力Ｐとして、 Ｐ≦５００Ｔｏｒｒ （ｋ） なる条件を規定できた。なお、上記のようにＨｅラジカ
ルが反応ガス分子の解離にあまり寄与しない理由につい
ては、以下のように考えている。すなわち、Ｈｅラジカ
ルは、高エネルギを有しているものの質量が重く、また
電気的に中性であるために電界によって加速されない。
このため、電子に比べて反応ガス分子との衝突回数が少
なく、反応ガス分子の解離効果があまり大きくないもの
と考えている。Next, when the above experimental results were analyzed,
The film velocity is the electron drift velocity vdeStrong correlation with
I understood. FIG. 8 shows (−) of the plasma processing gas pressure P.
0.5) The graph of Fig. 6 rewritten with the power as the horizontal axis
It is. From this figure, P(-0. Five)Is relatively small (pressure
In a region where the force P is relatively high), the film formation speed is increased by the pressure P
Is approximately proportional to the (-0.5) power. On the other hand,
Eye [Supplemental Explanation 2. Gas for plasma processing of electron drift velocity
Pressure dependence], the drift speed of electrons
Degree vdeIs also theoretically proportional to the pressure P raised to the (-0.5) power?
Thus, the film formation speed is determined by the electron drift speed vdeIs almost proportional to
You can see that it is. That is, the result of FIG.
For lowering the gas pressure P for processing (He gas partial pressure Pi)
Therefore, the electron drift velocity vdeIncrease, and with this
This can be interpreted as an increase in the deposition rate. The above analysis
In addition, the dissociation of the reaction gas molecule requires H
Electron collisions dominant over e-radical collisions
And the plasma processing gas pressure P (inert gas partial pressure)
The effect of lowering Pi) is based on physical phenomena.
Was confirmed. Then, reduce the pressure P.
Effect (by increasing the electron drift velocity)
The effect of increasing the deposition rate) is 500 Torr or less.
It has been experimentally confirmed that this becomes significant at the lower pressure P.
It was recognized. That is, a plug for improving the deposition rate
The condition of P ≦ 500 Torr (k) was defined as the gas pressure P for dirt treatment. In addition, as described above, He
The reason why the gas does not contribute so much to the dissociation of
I think as follows. That is, He Radio
Have high energy but high mass, and
It is not accelerated by an electric field because it is electrically neutral.
Therefore, the number of collisions with the reactant gas molecules is smaller than that of electrons.
No significant effect on dissociation of reactant gas molecules
I believe.
【００５４】ここまでは、プラズマ処理用ガス圧力Ｐの
低圧力化によって、成膜速度が増加する点について説明
してきた。しかしながら、プラズマ処理用ガス圧力Ｐ
（Ｈｅガス分圧Ｐｉ）を低圧力化しすぎると、プラズマ
の安定性が失われてくる。すなわち、プラズマ処理用ガ
ス圧力Ｐには下限が存在する。図９は、下記（ｌ）式に
て定義されるＨｅガス濃度Ｃｉを横軸にとり、主に図６
のグラフを書き直したものである。図９中には、図６の
条件に加え、反応ガス分圧Ｐｒが比較的高い場合（１６
Ｔｏｒｒ）の結果も示している。 ［不活性ガス濃度Ｃｉ］ ＝［不活性ガス分圧Ｐｉ（Ｔｏｒｒ）］ ／［プラズマ処理用ガス圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）］ （ｌ）Up to this point, it has been described that the film forming speed is increased by lowering the plasma processing gas pressure P. However, the plasma processing gas pressure P
If the (He gas partial pressure Pi) is too low, the stability of the plasma will be lost. That is, the plasma processing gas pressure P has a lower limit. FIG. 9 mainly shows the He gas concentration Ci defined by the following equation (1) on the horizontal axis, and mainly shows FIG.
This is a rewrite of the graph. FIG. 9 shows the case where the reaction gas partial pressure Pr is relatively high (16
Torr) are also shown. [Inert gas concentration Ci] = [Inert gas partial pressure Pi (Torr)] / [Plasma processing gas pressure P (Torr)] (1)
【００５５】図９より、Ｈｅガス濃度Ｃｉ：０．７５以
上の条件においては、０．４８〜１６Ｔｏｒｒの範囲の
如何なる反応ガス分圧Ｐｒに対しても、プラズマの安定
維持が可能であることを確認できる。すなわち、プラズ
マを安定に維持するためのプラズマ処理用ガス圧力Ｐと
して、 Ｐ≧４×Ｐｒ （ｍ） なる条件を規定できた。なお、プラズマの安定性を一層
高めるには、プラズマ処理用ガス圧力Ｐを（ｍ）式で規
定される下限圧力よりも少し高めておく方が好ましい。FIG. 9 shows that the plasma can be stably maintained for any reaction gas partial pressure Pr in the range of 0.48 to 16 Torr under the condition of the He gas concentration Ci: 0.75 or more. You can check. That is, the condition of P ≧ 4 × Pr (m) was defined as the plasma processing gas pressure P for maintaining the plasma stably. In order to further enhance the stability of the plasma, it is preferable that the plasma processing gas pressure P be slightly higher than the lower limit pressure defined by the equation (m).
【００５６】本発明では、上記の（ｋ）式および（ｍ）
式に基づき、プラズマ処理用ガス圧力Ｐの範囲を（Ａ）
式のように規定した。 ４×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ）≦Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦５００（Ｔｏｒｒ） （Ａ） そして、プラズマ処理用ガス圧力Ｐを、（Ａ）式で規定
される範囲内にあって、かつ、（Ｂ）式に示すような、
なるべく低い圧力に設定することによって、成膜速度を
向上させた。 Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦２０×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ） （Ｂ）In the present invention, the above equation (k) and (m)
Based on the equation, the range of the plasma processing gas pressure P is (A)
Specified as in the equation. 4 × Pr (Torr) ≦ P (Torr) ≦ 500 (Torr) (A) Then, the plasma processing gas pressure P is within the range defined by the formula (A), and As shown,
By setting the pressure as low as possible, the deposition rate was improved. P (Torr) ≦ 20 × Pr (Torr) (B)
【００５７】図１０は、図６の横軸を拡大し、比較的低
圧力側のデータを示したものであるが、（Ａ）式の範囲
内、特に（Ａ）式かつ（Ｂ）式を満たす範囲内に、成膜
速度のピークが存在することを確認できる。ここで、先
に示した図６の結果について一部注釈を加えておく。図
６は、「反応ガス分圧Ｐｒが一定の場合に、プラズマ処
理用ガス圧力Ｐを低くすることによって成膜速度が向上
する」という結果を示していたが、この結果は、「下記
（ｎ）式に基づく反応ガス濃度Ｃｒの増加による成膜速
度の向上」を表しているものと誤解されるかもしれな
い。 ［反応ガス濃度Ｃｒ］ ＝［反応ガス分圧Ｐｒ（Ｔｏｒｒ）］ ／［プラズマ処理用ガス圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）］ （ｎ）FIG. 10 is an enlarged view of the horizontal axis of FIG. 6 showing data on the relatively low pressure side. In the range of the expression (A), particularly, the expressions (A) and (B) It can be confirmed that a peak of the film formation rate exists within the range to be satisfied. Here, some annotations are added to the results of FIG. 6 described above. FIG. 6 shows the result that “the film forming rate is improved by lowering the plasma processing gas pressure P when the reaction gas partial pressure Pr is constant”. )), An improvement in the deposition rate due to an increase in the reaction gas concentration Cr based on the equation ”may be misunderstood. [Reaction gas concentration Cr] = [reaction gas partial pressure Pr (Torr)] / [plasma processing gas pressure P (Torr)] (n)
【００５８】しかし、成膜速度の向上効果は、反応ガス
濃度Ｃｒの増加によるものではなく、あくまでプラズマ
処理用ガス圧力Ｐ（不活性ガス分圧Ｐｉ）を低くするこ
とによって得られているものである。この点については
図１１より明らかである。図１１は、電力、反応ガス濃
度Ｃｒ、および反応ガス流量Ｑｒを一定として、成膜速
度のプラズマ処理用ガス圧力Ｐ依存性を調べた結果であ
る。図には３つの異なる条件の結果を示しているが、反
応ガス濃度Ｃｒが一定である（又は、反応ガス分圧Ｐｒ
が低い）にも拘わらず、プラズマ処理用ガスの圧力Ｐを
低くすることによって、成膜速度が向上しているのを確
認できる。However, the effect of improving the film formation rate is not attributable to the increase in the reaction gas concentration Cr, but is obtained only by lowering the plasma processing gas pressure P (inert gas partial pressure Pi). is there. This point is clear from FIG. FIG. 11 shows the results of examining the plasma processing gas pressure P dependence of the film formation rate while keeping the power, the reaction gas concentration Cr, and the reaction gas flow rate Qr constant. The figure shows the results under three different conditions, but the reaction gas concentration Cr is constant (or the reaction gas partial pressure Pr
Despite this, it can be confirmed that the film forming rate is improved by lowering the pressure P of the plasma processing gas.
【００５９】次に、本実施例によって作成されたアモル
ファスＳｉ薄膜の特性を調べた。図１２は、図１０に示
した条件で作製したＳｉ薄膜の光感度を、プラズマ処理
用ガス圧力Ｐに対してプロットしたものである。図１０
と図１２を比較して、成膜速度が最大となるプラズマ処
理用ガス圧力Ｐの付近で、光感度も最大値をとっている
ことが分かる。この理由は定かではないが、プラズマの
安定性を維持しつつ、反応ガスを効率的に分解する圧力
条件（（Ａ）及び（Ｂ）式）において、薄膜形成のため
の望ましい反応種が生成できたものと思われる。なお、
上記現象の理解としては、例えば、反応ガス分子が効率
的に分解されることによって（反応ガス分子（親分子）
の密度が減少することによって）、解離された反応種と
反応ガス分子（親分子）との重合が抑制されたり、Ｈｅ
ガスが適量に含まれることによって、ガス温度が適切に
調整されていることなどが予測されるが、明確な知見は
得られていない。Next, the characteristics of the amorphous Si thin film formed according to this embodiment were examined. FIG. 12 is a graph in which the photosensitivity of the Si thin film formed under the conditions shown in FIG. 10 is plotted against the plasma processing gas pressure P. FIG.
12 and FIG. 12, it can be seen that the photosensitivity also has a maximum value near the plasma processing gas pressure P at which the film formation rate is maximum. The reason for this is not clear, but under the pressure conditions (Equations (A) and (B)) that efficiently decompose the reaction gas while maintaining the stability of the plasma, it is possible to generate the desired reactive species for forming the thin film. It seems to have been. In addition,
The above phenomenon is understood, for example, by the fact that the reaction gas molecules are efficiently decomposed (reaction gas molecules (parent molecules)
Of the reaction gas molecules (parent molecules) due to the decrease in the density of
Although it is expected that the gas temperature is appropriately adjusted by including the gas in an appropriate amount, clear knowledge has not been obtained.
【００６０】［実施例２］上記の実施例１では、不活性
ガスとしてＨｅを用いた実験結果を示した。しかしなが
ら、本発明の不活性ガスは、これに限定されない。１例
として、不活性ガスにＡｒを用いて実験を行った。実験
条件は、図１０中の○プロットで示した条件と同じであ
り、プラズマ処理用ガス圧力Ｐは８Ｔｏｒｒとした。そ
の結果、成膜速度は３０Å／ｓであり、Ｈｅを用いた場
合の結果と大差はなかった。また、１０5〜１０6オーダ
の光感度を有するアモルファスＳｉ薄膜が得られた。Example 2 In Example 1 described above, the experimental results using He as the inert gas were shown. However, the inert gas of the present invention is not limited to this. As an example, an experiment was performed using Ar as an inert gas. The experimental conditions were the same as the conditions shown by the プ ロ ッ ト plot in FIG. 10, and the plasma processing gas pressure P was 8 Torr. As a result, the film formation rate was 30 ° / s, which was not much different from the result obtained when He was used. An amorphous Si thin film having a photosensitivity of the order of 10 5 to 10 6 was obtained.
【００６１】［実施例３］上記の実施例１では、反応ガ
スとしてＳｉＨ4とＨ2との混合ガスを用い、Ｓｉ薄膜の
成膜実験の結果について説明してきた。しかしながら、
本発明の反応ガスはこれに限定されず、また、プラズマ
処理の形態も成膜には限定されない。本実施例では、不
活性ガスとしてＨｅガスを用い、また反応ガスとしてＳ
Ｆ6を用いて、シリコン基板のエッチング実験を行っ
た。具体的には、ＳＦ6ガス分圧Ｐｒおよび投入電力を
一定とし、プラズマ処理用ガス圧力Ｐ（Ｈｅガス分圧Ｐ
ｉ）を変化させて、シリコン基板のエッチング速度の変
化を調べた。実験に用いた高周波電力の周波数は５０Ｍ
Ｈｚである。なお、本実験においても、Ｈｅガス分圧Ｐ
ｉ以外の条件は同一条件とし、チャンバベース総流量Ｑ
ｃ（ｃｃ／ｍｉｎ）も一定としたため、（ｅ）式に基づ
き、反応ガス流量Ｑｒ（ＳＣＣＭ）も一定である。[Embodiment 3] In the above-described Embodiment 1, the result of the experiment of forming a Si thin film using a mixed gas of SiH 4 and H 2 as the reaction gas has been described. However,
The reaction gas of the present invention is not limited to this, and the form of plasma treatment is not limited to film formation. In this embodiment, He gas is used as an inert gas, and S gas is used as a reaction gas.
A silicon substrate etching experiment was performed using F 6 . Specifically, SF 6 gas partial pressure Pr and input power is constant, plasma processing gas pressure P (the He gas partial pressure P
By changing i), the change in the etching rate of the silicon substrate was examined. The frequency of the high-frequency power used in the experiment is 50M
Hz. In this experiment, the He gas partial pressure P
Conditions other than i are the same, and the total flow rate Q
Since c (cc / min) is also constant, the reaction gas flow rate Qr (SCCM) is also constant based on equation (e).
【００６２】実験結果は図１３に示す如くで、実施例１
（図７）と同様に、プラズマ処理用ガス圧力Ｐ：５００
Ｔｏｒｒを臨界点とし、これ以下においては圧力Ｐを低
くすることによってエッチング速度が増加することを確
認できた。また、図１４に示すように、エッチング速度
が、圧力Ｐの（−０．５）乗にほぼ比例していることを
確認できた。The experimental results are as shown in FIG.
As in (FIG. 7), the plasma processing gas pressure P: 500
It was confirmed that the etching rate was increased by lowering the pressure P below Torr as the critical point. In addition, as shown in FIG. 14, it was confirmed that the etching rate was substantially proportional to the pressure P raised to the (-0.5) power.
【００６３】［実施例４］本実施例では、上記（Ｃ）、
（Ｄ）式に示した周波数ｆの限定範囲に関わる実験結果
について説明する。図１０中の□プロットで示した条件
のうちプラズマ処理用ガス圧力Ｐ＝１５Ｔｏｒｒのデー
タに対して、周波数ｆを変更して成膜速度の変化を調べ
た。（Ｃ）式かつ（Ｄ）式を満たす様に、周波数ｆを５
０ＭＨｚに設定したところ、成膜速度が９０Å／Ｓ以上
と、１３．５６ＭＨｚの場合の１．２倍以上に向上し
た。一方、（Ｃ）式の範囲外となる１００ＭＨｚにまで
周波数ｆを高めると成膜速度は約７０Å／Ｓと、１３．
５６ＭＨｚの場合よりも若干低下した。[Embodiment 4] In this embodiment, (C)
An experimental result concerning the limited range of the frequency f shown in the equation (D) will be described. With respect to the data of the plasma processing gas pressure P = 15 Torr among the conditions shown by the square plots in FIG. 10, the frequency f was changed and the change in the film formation rate was examined. The frequency f is set to 5 so as to satisfy the equations (C) and (D).
When the frequency was set to 0 MHz, the film forming rate was 90 ° / S or more, which was 1.2 times or more that of 13.56 MHz. On the other hand, when the frequency f is increased to 100 MHz, which is out of the range of the expression (C), the film forming rate becomes about 70 ° / S, and 13.
This is slightly lower than the case of 56 MHz.
【００６４】［変形例１］上記の実施例１〜４では、プ
ラズマ処理装置として、図５に示す装置を用いた結果を
示した。しかしながら、本発明に使用するプラズマ処理
装置は如何なる形態のものであってもよい。一例とし
て、公知のシャワー電極タイプのプラズマ処理装置を用
いて、実施例１と同様の実験を行った。成膜速度は図１
０のデータに比べ数％程度高い値で、図１０と同様の傾
向が得られた。[Modification 1] In the above Examples 1 to 4, the results obtained by using the apparatus shown in FIG. 5 as the plasma processing apparatus were shown. However, the plasma processing apparatus used in the present invention may be in any form. As an example, the same experiment as in Example 1 was performed using a known shower electrode type plasma processing apparatus. Fig. 1
A value similar to that of FIG. 10 was obtained at a value about several percent higher than the data of 0.
【００６５】［補足説明１．電子およびイオンのドリフ
ト振動］電子およびイオンの臨界周波数ｆce、ｆciに関
する、上記の（ｈ）式および（ｉ）式について、その導
出過程を説明する。プラズマ中の個々の電子は、熱運動
による無秩序速度をもって他の粒子と衝突しつつ、全体
としては電界方向に移動している。この全体的な運動の
速度が電子ドリフト速度ｖdeであり、電子の無秩序速度
とは区別して考えるものである。なお、電子の無秩序速
度は分布関数で表現されるが、平均化して扱い、これを
電子熱速度ｖteと呼ぶことにする。[Supplementary Explanation 1. Drift Oscillation of Electrons and Ions] The derivation process of the above equations (h) and (i) regarding the critical frequencies f ce and f ci of electrons and ions will be described. Individual electrons in the plasma collide with other particles at a random velocity due to thermal motion, and move as a whole in the direction of the electric field. The speed of this overall movement is the electron drift speed v de , which is to be distinguished from the disorder speed of electrons. Although the disorder speed of electrons is represented by a distribution function, it is treated by averaging, and this is called an electron heat speed vte .
【００６６】電界中の電子のドリフト運動の方程式は、
下式で与えられる。 ｍe・ｄｖde／ｄｔ＋νe・ｍe・ｖde＝ｅ・Ｅ （１） ここで、ｍe：電子の質量、ｖde：電子のドリフト速
度、ｔ：時間、νe：電子の衝突頻度（１個の電子が、
単位時間内に、プラズマ処理用ガス中のその他の粒子と
衝突する回数） ｅ：電子の電荷、Ｅ：高周波電源によって与えられる高
周波電界であり、更に電界Ｅは（２）式のように、また
衝突頻度νeは（３）式のように表せる。 Ｅ＝Ｅ0・ｅｘｐ（ｊ・２π・ｆ・ｔ） （２） （Ｅ0：高周波電界の振幅、ｆ：高周波電力の周波数、ｊ：虚数） νe＝ｖte／λe （３） （λe：電子の平均自由行程、ｖte：電子の熱速度） また、（３）式中の電子の平均自由行程λeは、 λe＝（ｋ・Ｔg／Ｐ）／（πｒ2） （４） （ｋ：ボルツマン定数、Ｐ：プラズマ処理用ガスの圧力、 ｒ：プラズマ処理用ガス中に存在する粒子の平均半径、Ｔg：気体温度） で表される。The equation for the drift motion of electrons in an electric field is
It is given by the following equation. m e · dv de / dt + ν e · m e · v de = e · E (1) where, m e: electron mass, v de: electron drift velocity, t: time, [nu e: electron collision frequency (One electron is
(The number of times of collision with other particles in the plasma processing gas within a unit time) e: electric charge of an electron, E: a high-frequency electric field provided by a high-frequency power supply, The collision frequency v e can be expressed as in equation (3). E = E 0 · exp (j · 2π · f · t) (2) (E 0 : amplitude of high frequency electric field, f: frequency of high frequency power, j: imaginary number) ν e = v te / λ e (3) ( λ e : mean free path of the electron, v te : heat velocity of the electron) Further, the mean free path of the electron λ e in the equation (3) is λ e = (k · T g / P) / (πr 2 ) (K: Boltzmann's constant, P: pressure of plasma processing gas, r: average radius of particles existing in the plasma processing gas, T g : gas temperature).
【００６７】（１）式を解くと、 ｖde＝（ｅ・Ｅ／ｍe）／（ｊ・２π・ｆ＋νe） （５） が得られる。なお（５）式は、衝突頻度νe（電子の熱
速度ｖte）が電子ドリフト速度ｖdeに依存しないものと
して得た解であるが、ここでは特には問題とならない。
なぜなら、後記するように、ｖteを（１３）式のように
置くことによって、臨界周波数ｆceを求めているからで
ある。また、不活性ガスイオンのドリフト速度ｖdi、衝
突頻度νiについても、（５）式及び（３）式と同様に
表され、 ｖdi＝（ｅ・Ｅ／ｍi）／（ｊ・２π・ｆ＋νi） （６） （ｍi：イオンの質量、νi：イオンの衝突頻度） νi＝ｖti／λi （７） （λi：イオンの平均自由行程、ｖti：イオンの熱速度） となる。なお、（７）式中のイオンの平均自由行程λiは、 λi＝（ｋ・Ｔg／Ｐ）／（４π・ｒ2） （８） で表される。By solving the equation (1), the following is obtained: v de = (e · E / me ) / (j · 2π · f + ν e ) (5) Equation (5) is a solution obtained assuming that the collision frequency ν e (thermal velocity of the electron v te ) does not depend on the electron drift velocity v de , but does not pose any particular problem here.
This is because, as described later, the critical frequency f ce is obtained by placing v te as in equation (13). In addition, the drift velocity v di of the inert gas ion and the collision frequency ν i are expressed in the same manner as in the equations (5) and (3), and v di = (e · E / m i ) / (j · 2π) F + v i ) (6) (m i : mass of ion, v i : collision frequency of ion) v i = v ti / λ i (7) (λ i : mean free path of the ion, v ti : heat of the ion Speed). The mean free path λ i of the ion in the equation (7) is represented by λ i = (k · T g / P) / (4π · r 2 ) (8)
【００６８】（５）式および（６）式より、高周波電力
の周波数ｆと、電子及びイオンのドリフト速度ｖde、ｖ
diの関係は、先に示した図３（ａ）のようになる。ここ
で、電子及びイオンの臨界周波数ｆce、ｆciは、下式の
ように表される。 ｆce＝νe／（２π） （９） ｆci＝νi／（２π） （１０） （３）（４）（９）式から、ｆceは、 ｆce＝ｖte・Ｐ・ｒ2／（２ｋ・Ｔg） （１１） となり、また（７）（８）（１０）式より、ｆciは、 ｆci＝２・ｖti・Ｐ・ｒ2／（ｋ・Ｔg） （１２） となる。From the equations (5) and (6), the frequency f of the high-frequency power and the drift velocities v de , v
The relationship of di is as shown in FIG. Here, the critical frequencies f ce and f ci of the electrons and ions are represented by the following equations. f ce = v e / (2π) (9) f ci = v i / (2π) (10) (3) (4) From equation (9), f ce is f ce = v te · P · r 2 / (2k · T g ) (11), and from equations (7), (8) and (10), f ci is f ci = 2 · v ti · P · r 2 / (k · T g ) (12) ).
【００６９】ここで、電子の熱速度ｖteは、電界が強く
電子のドリフト速度ｖdeが大きくなると増加する傾向に
あるが、少なくとも以下の関係を満たしている。 ｖte≧｛（８・ｋ・Ｔe）／（π・ｍe）｝1/2（Ｔe：イオン温度）（１３） また、イオンの熱速度ｖtiは、概ね下式のようにあらわ
される。 ｖti＝｛（８・ｋ・Ｔi）／（π・ｍi）｝1/2（Ｔi：イオン温度）（１４） なお、（１３）式および（１４）式の右辺は、電子およ
びイオンの無秩序速度がＭａｘｗｅｌｌの速度分布に従
うとしたときの平均速度を表している。Here, the thermal velocity v te of the electrons tends to increase when the electric field is strong and the drift velocity v de of the electrons increases, but satisfies at least the following relationship. v te ≧ {(8 · k · T e ) / (π · m e )} 1/2 (T e : ion temperature) (13) Further, the heat velocity v ti of the ion is generally expressed by the following equation. It is. v ti = {(8 · k · T i ) / (π · m i )} 1/2 (T i : ion temperature) (14) Note that the right sides of the expressions (13) and (14) represent electrons and It represents the average velocity when the disordered velocity of ions follows the Maxwell velocity distribution.
【００７０】（１１）式および（１３）式より、 ｆce≧［０．８０・｛（ｋ・ｍe）-0.5・ｒ2｝・｛Te 0.5／Ｔg｝］・Ｐ （１５） また、（１２）式および（１４）式より、 ｆci＝［３．２・｛（ｋ・ｍi）-0.5・ｒ2｝・｛Ti 0.5／Ｔg｝］・Ｐ （１６） が得られる。[0070] (11) and (13) from the equation, f ce ≧ [0.80 · { (k · m e) -0.5 · r 2} · {T e 0.5 / T g}] · P (15) Further, the from (12) and (14), f ci = [3.2 · { (k · m i) -0.5 · r 2} · {T i 0.5 / T g}] · P (16) can get.
【００７１】気体温度Ｔg、電子温度Ｔe、および、イオ
ン温度Ｔiは、プラズマ処理用ガス圧力Ｐによって変化
するものであるが、少なくとも、下式のような関係にあ
る。 ５００Ｋ≦Ｔi≒Ｔg≦５０００Ｋ （１７） Ｔe≧５０００Ｋ （１８） したがって、（１５）式および（１６）式において、
（１７）、（１８）式の関係を考慮し、更に、ｋ＝１．
３８×１０-23（Ｊ／Ｋ）を代入すると、 ｆce≧［３．０×１０9（Ｊ-0.5）］ ×［｛（ｍe -0.5・ｒ2）・Ｐ｝（Ｊ0.5・Ｈｚ）］ （１９ ） ｆci≦［３．９×１０10（Ｊ-0.5）］ ×［｛（ｍi -0.5・ｒ2）・Ｐ｝（Ｊ0.5・Ｈｚ）］ （２０ ）が得られる。The gas temperature T g , the electron temperature T e , and the ion temperature T i vary depending on the plasma processing gas pressure P, but have at least the following relationship. 500K ≦ T i ≒ T g ≦ 5000K (17) T e ≧ 5000K (18) Thus, in (15) and (16),
Considering the relations of equations (17) and (18), k = 1.
Substituting 38 × 10 -23 (J / K ), f ce ≧ [3.0 × 10 9 (J -0.5)] × [{(m e -0.5 · r 2) · P} (J 0.5 · Hz )] (19) f ci ≦ [3.9 × 10 10 (J -0.5)] × [{(m i -0.5 · r 2) · P} (J 0.5 · Hz)] (20) is obtained.
【００７２】ここで、プラズマ処理用ガス中の大部分の
粒子は、（Ａ）式に示されるように不活性ガス原子（ま
たはラジカル）であり、不活性ガスのうち最も原子半径
の小さいものはＨｅであるから、如何なる不活性ガスを
用いた場合においても、 ｒ≧１．１×１０-10（ｍ） （２１） なる関係が成立する。したがって、（１９）式に、ｍｅ
＝９．１１×１０-31（ｋｇ）を代入し、更に（２１）
式の関係を考慮することによって、 ｆce（Ｈｚ）≧［３．８×１０4（Ｈｚ／Ｐａ）］×Ｐ（Ｐａ） ＝５×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ） （２２） が得られる。Here, most of the particles in the plasma processing gas are inert gas atoms (or radicals) as shown in the equation (A), and the inert gas having the smallest atomic radius is the inert gas. Since He is used, the relationship of r ≧ 1.1 × 10 −10 (m) (21) holds even when any inert gas is used. Therefore, in equation (19), me
= 9.11 × 10 −31 (kg), and (21)
By considering the relationship of the expression, f ce (Hz) ≧ [3.8 × 10 4 (Hz / Pa)] × P (Pa) = 5 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) (22 ) Is obtained.
【００７３】次に、（２０）式中の（ｍi -0.5・ｒ2）な
るパラメータに着目した場合、不活性ガスのうち、この
パラメータを最大とするものはＨｅであるから、如何な
る不活性ガスを用いた場合においても、 ｍi -0.5・ｒ2≦（６．６×１０-27ｋｇ）-0.5・（１．１×１０-10ｍ）2 （２３） なる関係が成立する。したがって、この関係を考慮すると、 ｆci（Ｈｚ）≦［５．８×１０3（Ｈｚ／Ｐａ）］×Ｐ（Ｐａ） ＝０．８×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ） （２４） が得られる。Next, when attention is paid to the parameter (m i -0.5 · r 2 ) in the equation (20), the inert gas which maximizes this parameter among the inert gases is He. in the case of using the gas, m i -0.5 · r 2 ≦ (6.6 × 10 -27 kg) -0.5 · (1.1 × 10 -10 m) 2 (23) the relationship is established. Therefore, considering this relationship, f ci (Hz) ≦ [5.8 × 10 3 (Hz / Pa)] × P (Pa) = 0.8 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) ( 24) is obtained.
【００７４】［補足説明２．電子ドリフト速度のプラズ
マ処理用ガス圧力依存性］電子ドリフト速度のプラズマ
処理用ガス圧力依存性について説明する。本発明では、
（Ｃ）式に規定されるように、ｆ≦ｆceなる周波数ｆを
用いているが、このような周波数領域いおいては、電子
の慣性の効果（（１）式中のｍe・ｄｖde／ｄｔの項）
が無視でき、電子ドリフト速度ｖdeは、 ｖde＝（ｅ・Ｅ）／（ｍe・νe） （２５） で表される。ここで、電子は質量が小さく電界によって
加速されやすい。このため、電界が強い場合には、電子
が運動エネルギーの一定割合αを他の粒子との衝突によ
って失い、これと等しいエネルギを電界から得るものと
考えられる。すなわち下式が成り立つ。 ｅ・Ｅ・ｖde＝α・｛（１／２）・ｍe・ｖte 2｝・νe （２６）[Supplementary Explanation 2. Dependence of Electron Drift Speed on Plasma Processing Gas Pressure] The following describes the electron drift speed on the plasma processing gas pressure. In the present invention,
As defined in the formula (C), is used the f ≦ f ce becomes frequency f, such a frequency domain Ioite is, m e · dv effect of electron inertia ((1) where de / dt term)
Is negligible, and the electron drift velocity v de is represented by: v de = (e · E) / ( me · ν e ) (25) Here, electrons have a small mass and are easily accelerated by an electric field. For this reason, when the electric field is strong, it is considered that electrons lose a constant ratio α of the kinetic energy due to collision with other particles, and the same energy is obtained from the electric field. That is, the following equation holds. e · E · v de = α · ｛(1/2) · me · v te 2 ｝ · ν e (26)
【００７５】（３）式の関係を用い、（２５）式と（２
６）式との連立方程式を解くと、 ｖde＝（α／２）1/4・（ｅ・Ｅ・λe／ｍe）1/2 （２７） が得られる。（４）式から、電子の平均自由行程λeは、λe∝Ｐ-1であるから、 ｖde∝Ｐ-1/2 （２８） が成立つ。なお、（２７）式は、（２）式を用いて以下
のようにも表現できる。 ｖde＝±（α／２）1/4・（ｅ・Ｅ0・λe／ｍe）1/2 ×｜ｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）｜1/2 （２９） （符号の＋は、ｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）≧０のとき 符号の−は、ｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）＜０のとき） また、（２９）式より、ドリフト運動に基づく電子の振
動振幅Ａde（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）は、 Ａde＝∫0 1/2fｖde・ｄｔ ＝０．４・（α／２）1/4・（ｅ・Ｅ0・λe／ｍe）1/2／ｆ （３０ ） となる。Using the relationship of equation (3), equations (25) and (2)
Solving the simultaneous equation with equation (6) yields: v de = (α / 2) 1/4 · (e · E · λ e / me ) 1/2 (27) From equation (4), the mean free path λ e of the electron is λ e ∝P −1 , so that v de ∝P -1/2 (28) holds. Expression (27) can also be expressed as follows using expression (2). v de = ± (α / 2) 1/4 · (e · E 0 · λ e / m e ) 1/2 × | sin (2π · f · t) | 1/2 (29) (+ of the sign is , Sin (2π · f · t) ≧ 0 The sign − is when sin (2π · f · t) <0) Also, from equation (29), the oscillation amplitude A de ( peak-to-peak) is: A de = ∫ 0 1 / 2f v de · dt = 0.4 · (α / 2) 1/4 · (e · E 0 · λ e / me ) 1/2 / f (30).
【００７６】[0076]
【発明の効果】本発明は、反応ガスと不活性ガスとの混
合ガスからなるプラズマ処理用ガスを用いたプラズマ処
理方法において、反応ガス分圧Ｐｒ（Ｔｏｒｒ）に対し
て、 ４×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ）≦Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦５００（Ｔｏ
ｒｒ） なる関係を満たすようにプラズマ処理用ガスの圧力Ｐ
（Ｔｏｒｒ）を設定しているので、投入電力、及び、反
応ガスの利用効率を向上させて、プラズマ処理速度を大
幅に向上させることができる。更に、本発明は、プラズ
マ処理速度を高めながらも、プラズマ処理用ガスの圧力
を５００Ｔｏｒｒ以下としているため、これを１気圧と
した場合に比べて反応容器内に導入する不活性ガスが少
なくて済む。すなわち、不活性ガスに要するコストを削
減できる。更に、本発明では、上記のプラズマ処理用ガ
ス圧力Ｐに対して、 ０．８×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦
ｆ（Ｈｚ）≦５×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏ
ｒｒ）となる関係を満たすように高周波電力の周波数ｆ
（Ｈｚ）を設定しているので、電子に効率的にエネルギ
を供給し、また電子密度を高めて、プラズマ処理速度を
更に向上させることができる。The present invention relates to a plasma processing method using a plasma processing gas comprising a mixed gas of a reaction gas and an inert gas, wherein 4 × Pr (Torr) is applied to the reaction gas partial pressure Pr (Torr). ) ≦ P (Torr) ≦ 500 (To
rr) The pressure P of the plasma processing gas so as to satisfy the following relationship:
Since (Torr) is set, the input power and the utilization efficiency of the reaction gas can be improved, and the plasma processing speed can be greatly improved. Furthermore, in the present invention, since the pressure of the plasma processing gas is set to 500 Torr or less while increasing the plasma processing speed, less inert gas needs to be introduced into the reaction vessel than when the pressure is set to 1 atm. . That is, the cost required for the inert gas can be reduced. Further, in the present invention, for the above plasma processing gas pressure P, 0.8 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) ≦
f (Hz) ≦ 5 × 10 6 (Hz / Torr) × P (To
rr) so that the frequency f
Since (Hz) is set, it is possible to efficiently supply energy to the electrons, increase the electron density, and further improve the plasma processing speed.
【図１】本発明で規定されるプラズマ処理用ガス圧力Ｐ
の作用を説明する図である。FIG. 1 is a plasma processing gas pressure P defined in the present invention.
FIG.
【図２】横軸を周波数ｆ、縦軸を電子ドリフト速度ｖde
として、プラズマ処理用ガス圧力Ｐの低圧力化に伴う、
電子ドリフト速度ｖdeの変化を説明する図である。FIG. 2 shows the frequency f on the horizontal axis and the electron drift velocity v de on the vertical axis.
As the plasma processing gas pressure P decreases,
FIG. 5 is a diagram for explaining a change in an electron drift velocity v de .
【図３】本発明で規定される周波数ｆの作用を説明する
図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the function of a frequency f specified in the present invention.
【図４】電子のドリフト振動振幅Ａdeを小さくすること
による作用を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining an operation by reducing the drift oscillation amplitude A de of electrons.
【図５】本発明に用いられるプラズマ処理装置の基本構
成図である。FIG. 5 is a basic configuration diagram of a plasma processing apparatus used in the present invention.
【図６】本発明の実施例１による実験結果で、プラズマ
処理用ガス圧力Ｐと成膜速度の関係を示すグラフであ
る。FIG. 6 is a graph showing a relationship between a plasma processing gas pressure P and a film forming rate in an experimental result according to the first embodiment of the present invention.
【図７】成膜速度の相対値を縦軸として、図６を表現し
直したグラフである。FIG. 7 is a graph in which FIG. 6 is re-expressed with the relative value of the film formation rate taken as the vertical axis.
【図８】プラズマ処理用ガス圧力Ｐの（−０．５）乗を
横軸として、図６を表現し直したグラフである。FIG. 8 is a graph re-expressing FIG. 6 with the abscissa representing the plasma processing gas pressure P raised to the (−0.5) power.
【図９】本発明の実施例１による実験結果で、Ｈｅガス
濃度Ｃｉと成膜速度の関係を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a relationship between a He gas concentration Ci and a film forming speed in an experimental result according to the first embodiment of the present invention.
【図１０】図６の横軸を拡大し、併せて、（Ａ）式およ
び（Ｂ）式にて規定されるプラズマ処理用ガス圧力Ｐの
範囲を示したグラフである。10 is a graph showing the range of the plasma processing gas pressure P defined by the equations (A) and (B), with the horizontal axis of FIG. 6 enlarged.
【図１１】本発明の実施例１による実験結果で、反応ガ
ス濃度を一定とした場合の、プラズマ処理用ガス圧力Ｐ
と成膜速度の関係を示すグラフである。FIG. 11 shows an experimental result according to the first embodiment of the present invention, in which the plasma processing gas pressure P when the reaction gas concentration is constant.
4 is a graph showing the relationship between the film formation speed and the film formation speed.
【図１２】本発明の実施例１による実験結果で、プラズ
マ処理用ガス圧力Ｐと、成膜されたＳｉ薄膜の光感度と
の関係を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the relationship between the plasma processing gas pressure P and the photosensitivity of the formed Si thin film in the experimental results according to the first embodiment of the present invention.
【図１３】本発明の実施例３による実験結果で、プラズ
マ処理用ガス圧力Ｐとエッチング速度の関係を示すグラ
フである。FIG. 13 is a graph showing a relationship between a plasma processing gas pressure P and an etching rate in an experimental result according to the third embodiment of the present invention.
【図１４】プラズマ処理用ガス圧力Ｐの（−０．５）乗
を横軸として、図１３を表現し直したグラフである。FIG. 14 is a graph re-expressing FIG. 13 with the abscissa representing the plasma processing gas pressure P raised to the (-0.5) power.
１ 反応容器 ２ 放電電極 ３ 対向電極 ４ 高抵抗体 ５ 高抵抗体 ６ 基板 ７ ノズル ８ 高周波電源 １０ ガス排出口 ２０ プラズマ処理装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction container 2 Discharge electrode 3 Counter electrode 4 High resistance element 5 High resistance element 6 Substrate 7 Nozzle 8 High frequency power supply 10 Gas outlet 20 Plasma processing device
フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G075 AA24 AA30 AA62 BC06 BD14 CA02 CA05 CA25 CA47 CA57 CA63 EB42 4K030 AA06 AA16 AA17 BA29 FA03 JA09 KA30 5F045 AA08 AB03 AB04 AC01 AF07 BB08 BB09 DP04 EE14 EH14 EH19 GB06 Continued on front page F term (reference) 4G075 AA24 AA30 AA62 BC06 BD14 CA02 CA05 CA25 CA47 CA57 CA63 EB42 4K030 AA06 AA16 AA17 BA29 FA03 JA09 KA30 5F045 AA08 AB03 AB04 AC01 AF07 BB08 BB09 DP04 EE14 EH14 EH19 GB
Claims (6)
対向して配置され、前記電極と前記ホルダーとの間に高
周波電力を供給することによって、前記電極と前記基板
との間で、プラズマ処理用ガスに基づくプラズマを発生
させ、前記基板に対して、成膜、加工および表面処理な
どの処理を行うプラズマ処理方法であって、 前記プラズマ処理用ガスが反応ガスと不活性ガスとの混
合ガスよりなり、 前記プラズマ処理用ガスの圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）を、 前記反応ガスの分圧をＰｒ（Ｔｏｒｒ）とするとき、 ４×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ）≦Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦５００（Ｔｏ
ｒｒ） なる関係を満たすように設定することを特徴とするプラ
ズマ処理方法。An electrode and a substrate held by a holder are arranged to face each other, and high-frequency power is supplied between the electrode and the holder, so that plasma is generated between the electrode and the substrate. A plasma processing method for generating plasma based on a processing gas and performing processing such as film formation, processing, and surface processing on the substrate, wherein the plasma processing gas is a mixture of a reactive gas and an inert gas. When the pressure P (Torr) of the plasma processing gas and the partial pressure of the reaction gas are Pr (Torr), 4 × Pr (Torr) ≦ P (Torr) ≦ 500 (To)
rr) A plasma processing method characterized by setting so as to satisfy the following relationship:
ｒｒ）は、 前記反応ガスの分圧Ｐｒ（Ｔｏｒｒ）に対して、 Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦２０×Ｐｒ（Ｔｏｒｒ） なる関係を満足するように設定されることを特徴とする
請求項１に記載のプラズマ処理方法。2. The pressure P (To) of the plasma processing gas.
2. The method according to claim 1, wherein rr) is set so as to satisfy a relationship of P (Torr) ≦ 20 × Pr (Torr) with respect to the partial pressure of the reaction gas Pr (Torr). Plasma treatment method.
て、 ０．８×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦
ｆ（Ｈｚ）≦５×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏ
ｒｒ） なる関係を満たすように設定されることを特徴とする請
求項１または２に記載のプラズマ処理方法。3. The frequency f (Hz) of the high-frequency power is 0.8 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) ≦ P (Torr) of the plasma processing gas.
f (Hz) ≦ 5 × 10 6 (Hz / Torr) × P (To
rr) The plasma processing method according to claim 1, wherein the relationship is set so as to satisfy the following relationship.
て、 ３×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ｆ
（Ｈｚ） なる関係を満たすように設定されることを特徴とする請
求項３に記載のプラズマ処理方法。4. The frequency f (Hz) of the high-frequency power is 3 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) ≦ f with respect to the pressure P (Torr) of the plasma processing gas.
The plasma processing method according to claim 3, wherein the setting is made so as to satisfy the following relationship: (Hz).
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のプラ
ズマ処理方法。5. The plasma processing method according to claim 1, wherein the inert gas is He gas.
対向して配置され、前記電極と前記ホルダーとの間に高
周波電力を供給することによって、前記電極と前記基板
との間で、プラズマ処理用ガスに基づくプラズマを発生
させ、前記基板に対して、成膜、加工および表面処理な
どの処理を行うプラズマ処理方法であって、 前記高周波電力の周波数ｆ（Ｈｚ）を、 前記プラズマ処理用ガス圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）に対して、 ３×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ｆ
（Ｈｚ）≦５×１０6（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒ
ｒ） なる関係を満たすように設定されることを特徴とするプ
ラズマ処理方法。6. An electrode and a substrate held by a holder are arranged to face each other, and by supplying high-frequency power between the electrode and the holder, plasma is generated between the electrode and the substrate. A plasma processing method for generating plasma based on a processing gas and performing processing such as film formation, processing, and surface processing on the substrate, wherein a frequency f (Hz) of the high-frequency power is used for the plasma processing. With respect to the gas pressure P (Torr), 3 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr) ≦ f
(Hz) ≦ 5 × 10 6 (Hz / Torr) × P (Torr
r) A plasma processing method characterized by being set so as to satisfy the following relationship:
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