JP3609015B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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ＳｉＨ_４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ＳｉＨ_４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Ｈｅ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。
【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。
【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。
【０００９】
▲１▼特許公報第２７００１７７号
反応ガス（ＳｉＨ_４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。
【００１０】
▲２▼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。
【００１１】
▲３▼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。
【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。
【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）
【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。
【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。
【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。
【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。
【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、
前記反応ガスが、Ｓｉ原子を含むガスのグループから選ばれたガスもしくはハロゲン系ガスのグループから選ばれたガスを含み、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（Ｔｏｒｒ）
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。
【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（Ｔｏｒｒ）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、
０．８×１０^６（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ｆ（Ｈｚ）≦５×１０^６（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）
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、
３×１０^６（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。
【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、
３×１０^６（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ｆ（Ｈｚ）≦５×１０^６（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）
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。
【００２１】
本発明において、不活性ガスとしては、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。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、Ｓｉ_２Ｈ_６ガスなどのＳｉ原子を含むガスが単体で、あるいはＨ_２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、ＳＦ_６、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、ＣＣｌ_４、ＰＣｌ_３などのハロゲン系ガスが単体で、あるいはＯ_２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。
【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。
【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。
【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１Ｔｏｒｒ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。
【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。
【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、ＳｉＨ_４やＳｉ_２Ｈ_６などのＳｉ原子を含むガスが単体で、あるいはＨ_２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、ＳＦ_６、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、ＣＣｌ_４、ＰＣｌ_３などのハロゲン系ガスが単体で、あるいはＯ_２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、Ｈｅガスを用いることが望ましい。
【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。

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、０．１Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ程度の範囲内の分圧Ｐｒが適切である。
【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）
【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１０００Ｌ／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。
【００３０】

【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、
０．８×１０^６（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ｆ（Ｈｚ）≦５×１０^６（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、
３×１０^６（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ｆ（Ｈｚ） （Ｄ）なる関係を満たすように設定される。
【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」
【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。
【００３４】
上記のように、不活性ガス（好ましくはＨｅ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。
【００３５】
▲１▼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。
▲２▼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。
【００３６】
実際には上記▲１▼▲２▼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▲２▼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。
【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。
【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ｖ_ｄｅとの関係を示した模式図である。電子ドリフト速度ｖ_ｄｅ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ｖ_ｄｅ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。
【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。
【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。
【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ｖ_ｄｅを示し、横軸、縦軸とも対数で表現している。Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３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。
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＝ｆ_ａのときに、プラズマ処理用ガス圧力をＰ_１→Ｐ_２→Ｐ_３と低圧力化すると、電子ドリフト速度はｖ_ｄｅ１→ｖ_ｄｅ２→ｖ_ｄｅ３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、Ｐ_２→Ｐ_３なる低圧力化は行えず、ドリフト速度がｖ_ｄｅ２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ｖ_ｄｅ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。
【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ｖ_ｄｅ、ｖ_ｄｉ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ｖ_ｄｅ、ｖ_ｄｉを積分して得られるドリフト振幅Ａ_ｄｅ、Ａ_ｄｉ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。
【００４４】
ｆ_ｃｅおよびｆ_ｃｉ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ｆ_ｃｅ、ｆ_ｃｉ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、

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、

なる関係を満たす十分条件である。
【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Ａ_ｄｉ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。
【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Ｖ_ｄｅ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Ａ_ｄｅ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Ｖ_ｄｅ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。
【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。
【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Ｐｉ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Ｖ_ｄｅ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５００Ｔｏｒｒ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。
【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。
【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ＳｉＨ_４とＨ_２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１３．５６ＭＨｚとした。
具体的な実験方法について説明する。反応ガス（ＳｉＨ_４ガスとＨ_２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。
【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／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。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。
【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（５００Ｔｏｒｒ）をより明確に確認できる。
【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ｖ_ｄｅ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ｖ_ｄｅ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ｖ_ｄｅ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ｖ_ｄｅ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Ｈｅ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。
【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（１６Ｔｏｒｒ）の結果も示している。

【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。
【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）
【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。

【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。
【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。
【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、１０^５〜１０^６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。
【００６１】
［実施例３］
上記の実施例１では、反応ガスとしてＳｉＨ_４とＨ_２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ＳＦ_６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、ＳＦ_６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Ｐｉ）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５０ＭＨｚである。なお、本実験においても、Ｈｅガス分圧Ｐｉ以外の条件は同一条件とし、チャンバベース総流量Ｑｃ（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。
【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：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。
【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５０ＭＨｚ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。
【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１０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。
【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ｆ_ｃｅ、ｆ_ｃｉ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ｖ_ｄｅ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ｖ_ｔｅと呼ぶことにする。
【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。
ｍ_ｅ・ｄｖ_ｄｅ／ｄｔ＋ν_ｅ・ｍ_ｅ・ｖ_ｄｅ＝ｅ・Ｅ （１）
ここで、
ｍ_ｅ：電子の質量、ｖ_ｄｅ：電子のドリフト速度、ｔ：時間、
ν_ｅ：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ν_ｅは（３）式のように表せる。
Ｅ＝Ｅ_０・ｅｘｐ（ｊ・２π・ｆ・ｔ） （２）
（Ｅ_０：高周波電界の振幅、ｆ：高周波電力の周波数、ｊ：虚数）
ν_ｅ＝ｖ_ｔｅ／λ_ｅ （３）
（λ_ｅ：電子の平均自由行程、ｖ_ｔｅ：電子の熱速度）
また、（３）式中の電子の平均自由行程λ_ｅは、
λ_ｅ＝（ｋ・Ｔ_ｇ／Ｐ）／（πｒ^２） （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、Ｔ_ｇ：気体温度）
で表される。
【００６７】
（１）式を解くと、
ｖ_ｄｅ＝（ｅ・Ｅ／ｍ_ｅ）／（ｊ・２π・ｆ＋ν_ｅ） （５）
が得られる。なお（５）式は、衝突頻度ν_ｅ（電子の熱速度ｖ_ｔｅ）が電子ドリフト速度ｖ_ｄｅ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、ｖ_ｔｅを（１３）式のように置くことによって、臨界周波数ｆ_ｃｅ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ｖ_ｄｉ、衝突頻度ν_ｉについても、（５）式及び（３）式と同様に表され、
ｖ_ｄｉ＝（ｅ・Ｅ／ｍ_ｉ）／（ｊ・２π・ｆ＋ν_ｉ） （６）
（ｍ_ｉ：イオンの質量、ν_ｉ：イオンの衝突頻度）
ν_ｉ＝ｖ_ｔｉ／λ_ｉ （７）
（λ_ｉ：イオンの平均自由行程、ｖ_ｔｉ：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λ_ｉは、
λ_ｉ＝（ｋ・Ｔ_ｇ／Ｐ）／（４π・ｒ^２） （８）
で表される。
【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ｖ_ｄｅ、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ｆ_ｃｅ、ｆ_ｃｉは、下式のように表される。
ｆ_ｃｅ＝ν_ｅ／（２π） （９）
ｆ_ｃｉ＝ν_ｉ／（２π） （１０）
（３）（４）（９）式から、ｆ_ｃｅは、
ｆ_ｃｅ＝ｖ_ｔｅ・Ｐ・ｒ^２／（２ｋ・Ｔ_ｇ） （１１）
となり、また（７）（８）（１０）式より、ｆ_ｃｉは、
ｆ_ｃｉ＝２・ｖ_ｔｉ・Ｐ・ｒ^２／（ｋ・Ｔ_ｇ） （１２）
となる。
【００６９】
ここで、電子の熱速度ｖ_ｔｅは、電界が強く電子のドリフト速度ｖ_ｄｅ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。
ｖ_ｔｅ≧｛（８・ｋ・Ｔ_ｅ）／（π・ｍ_ｅ）｝^１／２（Ｔ_ｅ：イオン温度）（１３）
また、イオンの熱速度ｖ_ｔｉは、概ね下式のようにあらわされる。
ｖ_ｔｉ＝｛（８・ｋ・Ｔ_ｉ）／（π・ｍ_ｉ）｝^１／２（Ｔ_ｉ：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。
【００７０】
（１１）式および（１３）式より、
ｆ_ｃｅ≧［０．８０・｛（ｋ・ｍ_ｅ）^−０．５・ｒ^２｝・｛Ｔ_ｅ ^０．５／Ｔ_ｇ｝］・Ｐ（１５）
また、（１２）式および（１４）式より、
ｆ_ｃｉ＝［３．２・｛（ｋ・ｍ_ｉ）^−０．５・ｒ^２｝・｛Ｔ_ｉ ^０．５／Ｔ_ｇ｝］・Ｐ（１６）
が得られる。
【００７１】
気体温度Ｔ_ｇ、電子温度Ｔ_ｅ、および、イオン温度Ｔ_ｉ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≦Ｔ_ｉ≒Ｔ_ｇ≦５０００Ｋ （１７）
Ｔ_ｅ≧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、
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）が得られる。
【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、

が得られる。
【００７３】
次に、（２０）式中の（ｍ_ｉ ^−０．５・ｒ^２）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、

なる関係が成立する。したがって、この関係を考慮すると、

が得られる。
【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≦ｆ_ｃｅ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ｍ_ｅ・ｄｖ_ｄｅ／ｄｔの項）が無視でき、電子ドリフト速度ｖ_ｄｅは、
ｖ_ｄｅ＝（ｅ・Ｅ）／（ｍ_ｅ・ν_ｅ） （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・ｖ_ｄｅ＝α・｛（１／２）・ｍ_ｅ・ｖ_ｔｅ ^２｝・ν_ｅ （２６）
【００７５】
（３）式の関係を用い、（２５）式と（２６）式との連立方程式を解くと、
ｖ_ｄｅ＝（α／２）^１／４・（ｅ・Ｅ・λ_ｅ／ｍ_ｅ）^１／２ （２７）
が得られる。（４）式から、電子の平均自由行程λ_ｅは、λ_ｅ∝Ｐ^−１であるから、
ｖ_ｄｅ∝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。

（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Ａ_ｄｅ（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ）は、

となる。
【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（Ｔｏｒｒ）
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、
０．８×１０^６（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）≦ｆ（Ｈｚ）≦５×１０^６（Ｈｚ／Ｔｏｒｒ）×Ｐ（Ｔｏｒｒ）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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【図２】横軸を周波数ｆ、縦軸を電子ドリフト速度ｖ_ｄｅ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ｖ_ｄｅの変化を説明する図である。
【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。
【図４】電子のドリフト振動振幅Ａ_ｄｅを小さくすることによる作用を説明する図である。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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

Claims (6)

1. 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、
   前記反応ガスが、Ｓｉ原子を含むガスのグループから選ばれたガスもしくはハロゲン系ガスのグループから選ばれたガスを含み、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（Ｔｏｒｒ）
   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。
2. 前記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（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。
3. 前記高周波電力の周波数ｆ（Ｈｚ）は、
   前記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（Ｔｏｒｒ）
   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。
4. 前記高周波電力の周波数ｆ（Ｈｚ）は、
   前記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。
5. 前記不活性ガスは、Ｈｅガスであること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。
6. 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（Ｔｏｒｒ）
   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。

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