JP2003115400A - Plasma processing equipment of large area wafer processing - Google Patents

Plasma processing equipment of large area wafer processing

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JP2003115400A
JP2003115400A JP2001306743A JP2001306743A JP2003115400A JP 2003115400 A JP2003115400 A JP 2003115400A JP 2001306743 A JP2001306743 A JP 2001306743A JP 2001306743 A JP2001306743 A JP 2001306743A JP 2003115400 A JP2003115400 A JP 2003115400A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the plasma processing equipment of a large area wafer processing which can control plasma density and uniformity. SOLUTION: The plasma processing equipment is used for the large area wafer processing. This plasma processing equipment has a doubly concentric rf electrode as an upper electrode. The doubly concentric rf electrode is used for generation of the plasma by the capacitive coupling-mechanism or the capacitive and the inductive coupling mechanism. It has a central rf electrode and an outside rf electrode of the doubly concentric rf electrode. The central rf electrode has a circular shape and the outside rf electrode is arranged around the central rf electrode. A dielectric component is arranged between the center and outside rf electrodes. Two rf generators are connected to the center and outside rf electrodes via a matching circuit and an rf filter, respectively. A 3rd flat plate rf electrode as an wafer holder is arranged at a bottom side surface parallel to the doubly concentric rf electrode. The sidewall of a reaction container is electrically grounded as a 4th electrode.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の応用の分野】本発明は大面積ウェハー処理の
プラズマ処理装置に関し、特に、望ましい平面でのプラ
ズマ密度について制御された径方向分布形状を有する大
面積プラズマ源に関するものである。この平面は二重同
心rf電極と下部電極との間に設定され、生成されたプ
ラズマはプラズマ支援エッチング、化学的気相成膜、そ
してスパッタ成膜の応用に有用である。これらの応用は
マイクロ(微小)電子産業におけるSi(シリコン)基
板または他の基板の上に半導体デバイスを作ることで使
用される。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma processing apparatus for large area wafer processing, and more particularly to a large area plasma source having a controlled radial distribution profile for plasma density in a desired plane. This plane is set between the double concentric rf electrode and the bottom electrode and the generated plasma is useful for plasma assisted etching, chemical vapor deposition, and sputter deposition applications. These applications are used in the microelectronics industry to fabricate semiconductor devices on Si (silicon) substrates or other substrates.

【0002】[0002]

【従来の技術】最近の10年で半導体デバイスメーカは
集積回路の製造に用いられるシリコンウェハーの標準直
径を100mmから300mmへと増大させた。マイク
ロ電子産業は、次の標準直径はおよそ450mmになる
であろうと予想している。シリコンウェハーの直径の増
大に伴って、これらのウェハーを処理するため大面積プ
ラズマ源が要求される。たとえより大きな面積のプラズ
マ源の製造が技術的に難しくないとしても、プラズマ密
度、プラズマ電位、プラズマ均一性、そしてウェハーの
平面におけるイオンと中性の半径方向の密度などといっ
たプラズマパラメータの制御性は非常に難しい。特に、
ウェハー表面におけるより高い半径方向のプラズマ均一
性はほとんどのウェハー処理にとって重要である。従来
のほとんどのプラズマ源において半径方向のプラズマ均
一性の制御性は制限を受け、特に、大面積ウェハー処理
のためにサイズが大きくなるときに制限を受ける。この
ことは従来の平行平板容量結合プラズマ装置を用いて詳
細に説明される。
2. Description of the Related Art In the last decade, semiconductor device manufacturers have increased the standard diameter of silicon wafers used to manufacture integrated circuits from 100 mm to 300 mm. The microelectronics industry expects the next standard diameter to be approximately 450 mm. With the increasing diameter of silicon wafers, large area plasma sources are required to process these wafers. Control of plasma parameters such as plasma density, plasma potential, plasma uniformity, and radial densities of ions and neutrals at the plane of the wafer, even if it is not technically difficult to fabricate larger area plasma sources. very hard. In particular,
Higher radial plasma uniformity at the wafer surface is important for most wafer processing. In most conventional plasma sources, the controllability of radial plasma uniformity is limited, especially when increasing size for large area wafer processing. This is explained in detail using a conventional parallel plate capacitively coupled plasma device.

【0003】従来の平行平板容量結合プラズマ装置の概
要図が図10に示される。このプラズマ装置は、上部電
極101と下部電極102と呼ばれる2つの平行電極、
円筒形側壁104、上部電極101の上の複数のガス導
入口110、そして排気ポート108から構成されてい
る。上部電極101には、rf(高周波)発生器115
から整合回路114を経由して13.56MHzの周波
数で代表的に動作するrf電流が与えられている。下部
電極102はrf電流を与えられてもよいし、与えられ
なくてもよい。図10に示された構造では、整合回路1
12を経由して下部電極102に接続されているrf発
生器113を有している。
A schematic diagram of a conventional parallel plate capacitively coupled plasma device is shown in FIG. This plasma device has two parallel electrodes called an upper electrode 101 and a lower electrode 102,
It is composed of a cylindrical side wall 104, a plurality of gas inlets 110 above the upper electrode 101, and an exhaust port 108. The upper electrode 101 has an rf (high frequency) generator 115.
Is supplied with a rf current that typically operates at a frequency of 13.56 MHz via a matching circuit 114. The lower electrode 102 may or may not be supplied with the rf current. In the structure shown in FIG. 10, the matching circuit 1
It has an rf generator 113 connected to the lower electrode 102 via 12.

【0004】上部電極101はリング形上部プレート1
04aに固定された誘電体部材103によって支持され
ている。上部電極101は内部にガスリザーバ109を
有し、その下面にガス導入口110を有している。主要
なガス導入パイプ111は上部電極101に結合されて
いる。同様にまた、下部電極102は底プレート106
に固定された誘電体部材105によって支持されてい
る。
The upper electrode 101 is a ring-shaped upper plate 1
It is supported by the dielectric member 103 fixed to 04a. The upper electrode 101 has a gas reservoir 109 inside and a gas inlet 110 on its lower surface. The main gas introduction pipe 111 is connected to the upper electrode 101. Similarly, the bottom electrode 102 also includes a bottom plate 106.
It is supported by a dielectric member 105 fixed to.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】プラズマは上部電極1
01に与えられたrf電力の容量的な結合によって生成
される。上部電極101の下側の半径方向のプラズマ密
度の変化は図11に示される。上部電極101は平板形
状であるので、上部電極101の近傍におけるプラズマ
密度はより高い径方向均一性を示す。これは116が付
された曲線によって示されている。このプラズマは、そ
の後、円筒形側壁104に向かって拡散し、その表面で
消滅する。それ故に、プラズマ密度とプラズマの径方向
均一性は下部電極102に向かって減少する。下部電極
102の上に搭載されたウェハーの表面近くの平面にお
けるプラズマの径方向均一性は117が付された曲線に
よって示されている。プラズマ密度のこの変化は、通
常、従来のほとんどの平行平板容量結合プラズマ源にと
って共通である。
The plasma is the upper electrode 1
01 produced by capacitive coupling of the rf power applied to. The change in plasma density in the radial direction below the upper electrode 101 is shown in FIG. Since the upper electrode 101 has a flat plate shape, the plasma density in the vicinity of the upper electrode 101 exhibits higher radial uniformity. This is indicated by the curve labeled 116. This plasma then diffuses toward the cylindrical sidewall 104 and extinguishes at its surface. Therefore, the plasma density and the radial uniformity of the plasma decrease towards the lower electrode 102. The radial uniformity of the plasma in the plane near the surface of the wafer mounted on the bottom electrode 102 is shown by the curve labeled 117. This change in plasma density is typically common to most conventional parallel plate capacitively coupled plasma sources.

【0006】基板表面におけるプラズマの径方向均一性
の減少を少なくすることができる2つの方法がある。第
1の方法は上部電極と下部電極の隙間を一定に保つこと
により上部電極の直径を増加させることである。これは
反応容器の直径と反応容器の体積を増加させる原因とな
る。それ故に、同じプラズマ密度と処理速度を得るため
には、より高いrf電力が要求される。第2の方法はプ
ラズマの速い拡散を容易にするため動作圧力を減少する
ことである。しかしながら、圧力の減少はプラズマ密度
の減少という結果をもたらし、それ故に、同じ処理速度
を維持するためrf電力が増大されなければならない。
There are two ways in which the reduction in radial uniformity of the plasma at the substrate surface can be reduced. The first method is to increase the diameter of the upper electrode by keeping the gap between the upper electrode and the lower electrode constant. This causes the diameter of the reaction vessel and the volume of the reaction vessel to increase. Therefore, higher rf power is required to obtain the same plasma density and processing speed. The second method is to reduce the operating pressure to facilitate fast diffusion of the plasma. However, the reduction in pressure results in a reduction in plasma density and therefore the rf power must be increased to maintain the same processing rate.

【0007】たとえrf電力の増大がプラズマ密度の増
大をもたらす結果となるにしても、より高いrf電力で
はプラズマ密度は飽和する。このrf電力の後、rf電
力の増大はプラズマ密度の増大をもたらすことはない。
反って、追加されたrf電力は、厳格な冷却の条件が要
求されているrf電極とその周辺のデバイスを過度に加
熱する原因となる。
At higher rf powers, the plasma density saturates, even though increasing rf power results in an increase in plasma density. After this rf power, increasing rf power does not result in increasing plasma density.
On the contrary, the added rf power causes excessive heating of the rf electrode and the devices around it, which require strict cooling conditions.

【0008】従って、従来の平行平板容量結合プラズマ
装置を用いて特に大面積ウェハー上のプラズマの密度と
均一性を制御することはいくぶん困難である。
Therefore, it is somewhat difficult to control the density and uniformity of plasma, especially on large area wafers, using conventional parallel plate capacitively coupled plasma equipment.

【0009】本発明の目的は、プラズマ密度と均一性を
制御できる大面積ウェハー処理のプラズマ処理装置を提
供することにある。
It is an object of the present invention to provide a plasma processing apparatus for processing a large area wafer capable of controlling plasma density and uniformity.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理装
置は、上記問題を解決するため、次のように構成され
る。
The plasma processing apparatus of the present invention is configured as follows in order to solve the above problems.

【0011】本発明による大面積ウェハー処理のための
プラズマ処理装置は二重同心rf電極を有している。こ
の二重同心rf電極は、容量的結合機構または容量的お
よび誘導的な結合機構によって、プラズマを生成するた
めに用いられる。二重同心rf電極の中央rf電極は円
形または円形に近い形状であり、その外側rf電極は中
央rf電極の周りに配置されている。誘電体部材が中央
と外側のrf電極の間に配置される。2つのrf発生器
はそれぞれ整合回路とrfフィルタを経由して中央と外
側のrf電極に接続される。ウェハーホルダとしての第
3の平板rf電極が二重同心rf電極に平行な下側平面
に配置される。反応容器の側壁は第4の電極として電気
的に接地されている。
The plasma processing apparatus for large area wafer processing according to the present invention has double concentric rf electrodes. This double concentric rf electrode is used to generate the plasma by a capacitive coupling mechanism or a capacitive and inductive coupling mechanism. The central rf electrode of the double concentric rf electrode has a circular shape or a shape close to a circular shape, and the outer rf electrode thereof is arranged around the central rf electrode. A dielectric member is disposed between the center and outer rf electrodes. The two rf generators are respectively connected to the central and outer rf electrodes via a matching circuit and an rf filter. A third flat plate rf electrode as a wafer holder is arranged on a lower plane parallel to the double concentric rf electrode. The side wall of the reaction container is electrically grounded as a fourth electrode.

【0012】新しい反応容器の構成が4つの電極を用い
て発明され、そこでは、上部電極は二重同心rf電極に
よって構成され、二重同心rf電極は独立に制御可能な
2つのプラズマを生成し、これら2つのプラズマは拡散
し1つのプラズマを作る。
A new reactor configuration was invented with four electrodes, in which the upper electrode was constituted by a double concentric rf electrode, which produced two independently controllable plasmas. , These two plasmas diffuse and make one plasma.

【0013】大面積ウェハー処理のための上記プラズマ
処理装置において、外側rf電極は容量的結合機構によ
ってプラズマを生成するため当該プラズマに面する広い
平坦表面を有している。
In the above plasma processing apparatus for large area wafer processing, the outer rf electrode has a large flat surface facing the plasma for generating the plasma by a capacitive coupling mechanism.

【0014】大面積ウェハー処理のための上記プラズマ
処理装置において、外側rf電極の代わりに単一ループ
アンテナが誘導的結合機構によってプラズマを生成する
ために用いられる。
In the above plasma processing apparatus for large area wafer processing, a single loop antenna is used instead of the outer rf electrode to generate plasma by an inductive coupling mechanism.

【0015】大面積ウェハー処理のための上記プラズマ
処理装置において、プラズマに面する中央と外側のrf
電極のいずれか一方の下面または両rf電極の下面は誘
電体部材または半導体部材によって覆われている。
In the above plasma processing apparatus for processing a large area wafer, the central and outer rf surfaces facing the plasma are exposed.
The lower surface of either one of the electrodes or the lower surface of both rf electrodes is covered with a dielectric member or a semiconductor member.

【0016】大面積ウェハー処理のための上記プラズマ
処理装置において、中央と外側のrf電極の1つまたは
両方は反応チャンバの中にプロセスガスを導入するため
のガスリザーバと複数のガス導入口を有している。
In the above plasma processing apparatus for large area wafer processing, one or both of the central and outer rf electrodes have a gas reservoir and a plurality of gas inlets for introducing a process gas into the reaction chamber. ing.

【0017】大面積ウェハー処理のための上記プラズマ
処理装置において、中央と外側のrf電極の1つまたは
両方はそれらの表面温度を制御する機構を備えている。
In the above plasma processing apparatus for large area wafer processing, one or both of the central and outer rf electrodes are provided with a mechanism for controlling their surface temperature.

【0018】大面積ウェハー処理のための上記プラズマ
処理装置において、二重同心rf電極は1〜100MH
zの範囲にある同じrf周波数または2つの異なるrf
周波数で動作する2つの異なるrf発生器によって、個
別に2つのrf電流を供給される。
In the above-mentioned plasma processing apparatus for processing a large area wafer, the double concentric rf electrodes are 1 to 100 MH.
Same rf frequency in the range of z or two different rf
Two separate rf currents are supplied by two different rf generators operating at frequency.

【0019】大面積ウェハー処理のための上記プラズマ
処理装置において、中央と外側のrf電極の各々は、r
f発生器と直流(DC)電圧供給器からそれぞれrf電
流と負にバイアスされた直流電圧が供給されており、1
つの電極に接続されたrf発生器と直流電圧供給器は他
のrf電極に接続されたそれらから独立している。
In the above plasma processing apparatus for processing a large area wafer, each of the center and outer rf electrodes is r.
The rf current and the negatively biased DC voltage are supplied from the f generator and the DC voltage supply, respectively.
The rf generator connected to one electrode and the DC voltage supply are independent of those connected to the other rf electrode.

【0020】大面積ウェハー処理のための上記プラズマ
処理装置において、二重同心rf電極の各rf電極は整
合回路と位相シフタを経由して対応するrf発生器に接
続されている。
In the above plasma processing apparatus for large area wafer processing, each rf electrode of the double concentric rf electrodes is connected to the corresponding rf generator via a matching circuit and a phase shifter.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下に、添付された図面に従って
好ましい実施形態が説明される。実施形態の説明を通し
て本発明の詳細が明らかにされる。
Preferred embodiments will be described below with reference to the accompanying drawings. The details of the present invention will be made clear through the description of the embodiments.

【0022】本発明の第1実施形態は、プラズマ処理装
置の断面図を示す図1を参照して説明される。この装置
は、二重同心rf(高周波)電極1,2、下部電極3、
円筒形側壁4、複数のガス導入口5および1つの排気ポ
ート6を備えた反応容器を有している。すべての電極は
金属、例えばアルミニウムで作られている。代表的に、
二重同心rf電極1,2は円形の形状を有している。特
に、外側rf電極は円形リング型の形状である。しかし
ながら、電極の形状としては四角形、五角形、六角形ま
たはいかなる類似の形状を用いてもよい。これらのrf
電極1,2の寸法は重要な事項ではない。もし二重同心
電極1,2が円形形状であり、プラズマ装置が300m
m直径のウェハー処理のためのものであるならば、中央
電極1の直径は200mmから300mmの範囲にあ
る。外側rf電極2の外形は200mmから500mm
の範囲にある。もしこれらのrf電極1と他の電極が異
なる形状にあるならば、同等の寸法が用いられる。中央
と外側のrf電極(1,2)は内部の誘電体リング7に
よって分離されている。誘電体リング7の材質は重要な
ことではなく、それは電極温度のごとき他の要件に依存
して選択される。誘電体リング7の最も狭い部分の幅は
重要ではなく、1mmから約20mmで変わり得る。外
側rf電極には、同様にまた、それを接地された表面か
ら電気的に絶縁させるために外側の誘電体リング8の上
に配置される。誘電体リング8の厚みと誘電率は重要な
ことではない。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, which shows a cross-sectional view of a plasma processing apparatus. This device has double concentric rf (high frequency) electrodes 1 and 2, a lower electrode 3,
It has a reaction vessel with a cylindrical side wall 4, a plurality of gas inlets 5 and one exhaust port 6. All electrodes are made of metal, eg aluminum. Typically,
The double concentric rf electrodes 1 and 2 have a circular shape. In particular, the outer rf electrode has a circular ring shape. However, the shape of the electrodes may be square, pentagonal, hexagonal or any similar shape. These rf
The dimensions of the electrodes 1, 2 are not important. If the double concentric electrodes 1 and 2 are circular, the plasma device is 300m
If it is intended for the processing of m-diameter wafers, the diameter of the central electrode 1 is in the range of 200 mm to 300 mm. The outer shape of the outer rf electrode 2 is 200 mm to 500 mm
Is in the range. If these rf electrodes 1 and the other electrodes are of different shapes, comparable dimensions are used. The inner and outer rf electrodes (1, 2) are separated by an inner dielectric ring 7. The material of the dielectric ring 7 is not critical and it is chosen depending on other requirements such as electrode temperature. The width of the narrowest part of the dielectric ring 7 is not critical and can vary from 1 mm to about 20 mm. The outer rf electrode is also placed on the outer dielectric ring 8 to electrically insulate it from the grounded surface. The thickness and the dielectric constant of the dielectric ring 8 are not important.

【0023】プロセスガスは、最初、中央と外側のrf
電極(1,2)におけるガスリザーバ9,12と主要ガ
ス管11,12を経由して導入される。このガスは、そ
の後、中央と外側のrf電極(1,2)に作られた複数
のガス導入口5を通して反応容器へ移動する。たとえプ
ロセスガスが、図1に示されかつ上記で説明されたごと
く、中央と外側の両方のrf電極(1,2)を通して供
給されるとしても、当該プロセスガスをたった1つのr
f電極、例えば中央rf電極1を通してのみ供給するこ
とも可能である。さらに、中央と外側のrf電極を経由
して導入されるプロセスガスの流量は必ずしても同じで
あることはなく、異なるものにすることができる。さら
に、中央と外側のrf電極を通して導入されるプロセス
ガスまたはガス混合物は異なるものにすることができ
る。
The process gas is initially rf at the center and outside rf.
It is introduced via the gas reservoirs 9, 12 in the electrodes (1, 2) and the main gas pipes 11, 12. This gas then moves to the reaction vessel through a plurality of gas inlets 5 made in the central and outer rf electrodes (1, 2). Even if the process gas is supplied through both the central and outer rf electrodes (1,2) as shown in FIG. 1 and described above, only one process gas is supplied.
It is also possible to supply only through the f electrode, for example the central rf electrode 1. Furthermore, the flow rates of the process gases introduced via the central and outer rf electrodes are not always the same and can be different. Furthermore, the process gas or gas mixture introduced through the central and outer rf electrodes can be different.

【0024】中央と外側のrf電極(1,2)の両方は
温度制御機構を有している。この目的のためrf電極
1,2を通して流路39が作られている。流路39で
は、温度制御液体が流される。中央と外側のrf電極
1,2の流路39をそれぞれ分けて2つの異なる温度コ
ントローラに接続することによって中央と外側のrf電
極の温度は独立に制御することができる。図1におい
て、40は温度制御液体導入口を示し、41は温度制御
液体排出口を示している。
Both the central and the outer rf electrodes (1, 2) have a temperature control mechanism. For this purpose, a channel 39 is created through the rf electrodes 1 and 2. In the flow channel 39, the temperature control liquid flows. The temperatures of the central and outer rf electrodes can be independently controlled by separately dividing the channels 39 of the central and outer rf electrodes 1 and 2 and connecting them to two different temperature controllers. In FIG. 1, 40 indicates a temperature control liquid inlet, and 41 indicates a temperature control liquid outlet.

【0025】中央と外側のrf電極(1,2)は、2つ
の異なる周波数でまたは同じ周波数で動作する2つの異
なるrf発生器13,14にそれぞれ接続されている。
図1に示されるように、両方のrf発生器13,14は
反応容器の上部カバー24の外側に配置されている。r
f発生器13はrf整合回路15とrfフィルタ17を
経由して中央rf電極1に結合されている。rf発生器
14は整合回路16とrfフィルタ18を経由して外側
rf電極2に結合されている。通常、rf電流は対称的
なrf電流の流れを維持するために中央rf電極1の中
心に与えられる。しかしながら、rf電流は外側電極2
の上では、外側rf電極2上に対称的なrf電流の流れ
を得ることが難しいので、いかなる場所に与えてもよ
い。
The central and outer rf electrodes (1, 2) are respectively connected to two different rf generators 13, 14 operating at two different frequencies or at the same frequency.
As shown in FIG. 1, both rf generators 13, 14 are located outside the top cover 24 of the reaction vessel. r
The f generator 13 is coupled to the central rf electrode 1 via the rf matching circuit 15 and the rf filter 17. The rf generator 14 is coupled to the outer rf electrode 2 via a matching circuit 16 and an rf filter 18. Usually, the rf current is applied to the center of the central rf electrode 1 in order to maintain symmetrical rf current flow. However, the rf current is
Above, it is difficult to obtain a symmetrical rf current flow on the outer rf electrode 2, so it may be applied at any place.

【0026】いずれかのrf発生器におけるrf電流の
周波数は重要なことではなく、それは1〜100MHz
の範囲において変えることができる。当該電極1,2に
与えられるrf電流は、通常、それぞれ異なっている。
例えば、中央rf電極1に対し60MHzのrf電流が
与えられるのに対して、外側rf電極には13.56M
Hzのrf電流が与えられる。中央rf電極1に対して
は高い周波数のrf電流(例えば60MHz)が与えら
れ、外側のrf電極2に対しては低い周波数のrf電流
(例えば13.56MHz)を与えることが適当であ
る。これは、高い周波数、例えば60MHzのrf電流
が特に大面積の電極に非対称に与えられるとき、プラズ
マ密度が非対称に生成される傾向が生じるからである。
中央rf電極1のみがその表面に対称のrf電流の流れ
を与えるので、高い周波数のrf電流が中央rf電極1
に与えられるべきである。他方、rf電流の周波数が低
いとき、例えば13.56MHzのときには、rf電極
の表面上の非対称のrf電流の流れであっても非対称の
プラズマの発生の原因とはならない。それ故に、低い周
波数のrf電流が外側rf電極2に与えられるべきであ
り、それはその表面に非対称のrf電流の流れを与え
る。
The frequency of the rf current in either rf generator is not critical, it is 1-100 MHz.
Can be changed within the range. The rf currents applied to the electrodes 1 and 2 are usually different from each other.
For example, an rf current of 60 MHz is applied to the central rf electrode 1, while 13.56 M is applied to the outer rf electrode.
An rf current of Hz is provided. It is appropriate to provide a high frequency rf current (eg 60 MHz) to the central rf electrode 1 and a low frequency rf current (eg 13.56 MHz) to the outer rf electrode 2. This is because the plasma density tends to be generated asymmetrically when an rf current of high frequency, for example 60 MHz, is applied asymmetrically to a particularly large area electrode.
Only the central rf electrode 1 gives a symmetrical flow of rf current to its surface, so that the high frequency rf current will be transmitted to the central rf electrode 1.
Should be given to. On the other hand, when the frequency of the rf current is low, for example, 13.56 MHz, even the flow of the asymmetric rf current on the surface of the rf electrode does not cause the generation of asymmetric plasma. Therefore, a low frequency rf current should be applied to the outer rf electrode 2, which gives an asymmetric rf current flow on its surface.

【0027】中央と外側の電極1,2に与えられるrf
電流は、整合ボックス15,16とrfフィルタ17,
18を通して流れる。もしrf電流の周波数がf1とf
2であるならば、そしてそれぞれ中央と外側の電極の
1,2に与えらるならば、rfフィルタ17は周波数f
2のrf電流を除去し、rfフィルタ18は周波数f1
のrf電流を除去する。従ってrf発生器13,14の
各々のrf電流は他のrf発生器に流れ込まない。この
ことはrf発生器13,14の電気回路の安全性のため
重要である。しかしながら、もし両方のrf発生器のr
f周波数が同じであるならば、rfフィルタ17,18
は省略することができる。
Rf given to the central and outer electrodes 1 and 2
The currents are matched boxes 15, 16 and rf filter 17,
Flowing through 18. If the frequency of the rf current is f1 and f
2 and if given to the central and outer electrodes 1 and 2, respectively, the rf filter 17 has a frequency f
The rf current of 2 is removed, and the rf filter 18 has the frequency f1.
Rf current is removed. Therefore, the rf current of each of the rf generators 13 and 14 does not flow into the other rf generators. This is important for the safety of the electrical circuits of the rf generators 13,14. However, if the r of both rf generators
If the f frequencies are the same, the rf filters 17, 18
Can be omitted.

【0028】ウェハーホルダ19としてどのような従来
のウェハーホルダを用いてもよい。ウェハーホルダ19
は底プレート23に固定される。通常、ウェハーホルダ
19はrf電極を含む誘電体部材である。このrf電極
は前述した下部電極3に相当している。当該rf電極は
4電極形プラズマ装置において第3の電極となる。下部
電極3はウェハーホルダ19の中に埋め込まれ、誘電体
部材42によって覆われている。加えて、ウェハーホル
ダ19は冷却または加熱の機構(図において示されてい
ない)を含んでもよい。下部電極3は、反応容器の残り
の部分からそれを電気的に絶縁させるため、誘電体部材
20の上に配置される。下部電極3は整合回路21を通
してrf発生器22からrf電流を与えられる。しかし
ながら、下部電極3に対してrf電流を与える構造は省
略することができる。rf電流の周波数は重要なことで
はなく、500KHzから15MHzまでの範囲にあ
る。下部電極に対してrf電力を適用する目的は、下部
電極3の上に自己バイアス直流電圧を発生させるためで
ある。もしrf電力が適用されないとすると、下部電極
3は電気的に接地されるか、または浮遊状態にある。下
部電極3の電気的状態は、この実施形態または期待され
る応用にとって重要なことではなく、こうしてウェハー
処理のタイプに応じて変わり得るものである。
Any conventional wafer holder may be used as the wafer holder 19. Wafer holder 19
Are fixed to the bottom plate 23. Usually, the wafer holder 19 is a dielectric member including an rf electrode. This rf electrode corresponds to the lower electrode 3 described above. The rf electrode becomes the third electrode in the four-electrode type plasma device. The lower electrode 3 is embedded in the wafer holder 19 and covered with the dielectric member 42. In addition, the wafer holder 19 may include a cooling or heating mechanism (not shown in the figure). The lower electrode 3 is disposed on the dielectric member 20 to electrically insulate it from the rest of the reaction vessel. The lower electrode 3 is supplied with an rf current from an rf generator 22 through a matching circuit 21. However, the structure for applying the rf current to the lower electrode 3 can be omitted. The frequency of the rf current is not critical and lies in the range 500 KHz to 15 MHz. The purpose of applying rf power to the lower electrode is to generate a self-biased DC voltage on the lower electrode 3. If no rf power is applied, the bottom electrode 3 is either electrically grounded or floating. The electrical state of the bottom electrode 3 is not critical to this embodiment or the expected application and thus can vary depending on the type of wafer processing.

【0029】反応容器の円筒形側壁4は電気的に接地さ
れ、第4の電極として作用する。何故ならば、当該側壁
4の内側表面はプラズマと接触しており、二重同心rf
電極(1,2)と下部電極(3)によって、容量的結合
機構によってプラズマの中に入るすべてのrf電流を集
めるからである。しかしながら、接地電極としてプラズ
マからrf電流を集める目的で、側壁の内側に配置され
た接地シールドを用いてもよい。当該シールドは容易に
反応容器から取り外すことができるので、シールドを用
いることは反応容器の洗浄手順を容易にする。特に、そ
れは、プラズマ処理ガスの化学的成分がシールドの表面
上のいかなる望ましくない膜を堆積するときに都合がよ
い。
The cylindrical side wall 4 of the reaction vessel is electrically grounded and acts as a fourth electrode. Because the inner surface of the side wall 4 is in contact with the plasma, the double concentric rf
This is because the electrodes (1, 2) and the lower electrode (3) collect all the rf currents entering the plasma by the capacitive coupling mechanism. However, a ground shield placed inside the sidewall may be used as the ground electrode for the purpose of collecting the rf current from the plasma. The use of the shield facilitates the reaction vessel cleaning procedure, as the shield can be easily removed from the reaction vessel. In particular, it is advantageous when the chemical constituents of the plasma processing gas deposit any unwanted films on the surface of the shield.

【0030】加えて、ウェハー搬送ポート25が円筒形
側壁4に形成され、排気ポート6が当該側壁4の下側に
形成されている。
In addition, the wafer transfer port 25 is formed on the cylindrical side wall 4, and the exhaust port 6 is formed on the lower side of the side wall 4.

【0031】図1に示された構造において、2つのrf
電流が中央と外側のrf電極1,2に対し別々に与えら
れるとき、プラズマは反応容器において容量的結合機構
によって生成される。両方のrf電極1,2によるプラ
ズマ生成のメカニズムは採用されたrf電流の周波数に
拘わらず容量的結合プロセスであることに注意すべきで
ある。上部電極(1,2)と下部電極3の間のいかなる
望ましい平面でもプラズマ密度とプラズマの径方向分布
は、与えられたrf電流の周波数と電力に依存する。
In the structure shown in FIG. 1, two rf
When an electric current is applied separately to the central and outer rf electrodes 1, 2, plasma is generated in the reaction vessel by a capacitive coupling mechanism. It should be noted that the mechanism of plasma generation by both rf electrodes 1, 2 is a capacitive coupling process regardless of the frequency of the rf current adopted. The plasma density and radial distribution of the plasma in any desired plane between the upper electrode (1, 2) and the lower electrode 3 depends on the frequency and power of the applied rf current.

【0032】上側の中央と外側のrf電極1,2の近傍
で発生したプラズマの径方向の形状が図2に示される。
もし中央rf電極1のみにrf電流が与えられたとする
と、プラズマの密度は中心でピークを持ち、反応容器の
側壁4に向かって減衰する。これは26が付された曲線
によって示されている。この滑らかなピラミッド型形状
のプラズマは、それが下部電極3の方向に移動すると
き、側壁に向かってプラズマの拡散が動くので、さらに
不均一となる。不均一性の変化は、圧力と与えられたr
f電力とに依存する。同様に、もし外側rf電極2のみ
にrf電流が与えられたとすると、外側rf電極2の下
側にドーナツ型のプラズマが生成される。このプラズマ
の径方向の形状は図2において27が付された曲線によ
って示されている。中央と外側のrf電極1,2に同時
にrf電流が与えられるとき、前述した両方のプラズマ
が生成される。これらの2つのプラズマは拡散プロセス
によって1つのプラズマを作るので、結果としてのプラ
ズマの径方向の形状は個々のプラズマの形状から異なっ
たものとなる。ドーナツ形状のプラズマの存在のため
に、結果としてのプラズマの径方向のプラズマの均一性
は図2で28として符号が与えられた曲線によって示さ
れるごとく改善される。プラズマ(26)の周縁とプラ
ズマ(27)の内縁との間のオーバラップした領域は、
合成されたプラズマの平坦な径方向形状を作る。上側の
中央と外側のrf電極1,2に与えられた2つのrf電
力は、要求される径方向分布の均一性を有するプラズマ
が作られるまで、独立に変化させられる。
FIG. 2 shows the radial shape of the plasma generated near the upper center and the outer rf electrodes 1 and 2.
If the rf current is applied only to the central rf electrode 1, the plasma density has a peak at the center and decays toward the side wall 4 of the reaction vessel. This is indicated by the curve labeled 26. This smooth pyramidal shaped plasma becomes even more non-uniform as it moves towards the lower electrode 3 as the plasma diffusion moves towards the sidewalls. The change in inhomogeneity depends on the pressure and the applied r
f power. Similarly, if an rf current is applied only to the outer rf electrode 2, a donut-shaped plasma is generated below the outer rf electrode 2. The radial shape of this plasma is shown by the curve labeled 27 in FIG. When the rf currents are simultaneously applied to the central and outer rf electrodes 1 and 2, both plasmas described above are generated. Since these two plasmas make one plasma by the diffusion process, the radial shape of the resulting plasma will be different from the shape of the individual plasmas. Due to the presence of the doughnut-shaped plasma, the radial plasma uniformity of the resulting plasma is improved as shown by the curve labeled 28 in FIG. The overlapping area between the periphery of the plasma (26) and the inner edge of the plasma (27) is
Create a flat radial shape for the synthesized plasma. The two rf powers applied to the upper center and outer rf electrodes 1, 2 are independently varied until a plasma is created with the required radial distribution uniformity.

【0033】上記の実施形態の四極形のプラズマ処理装
置は、下部(すなわち第3の)電極3上に配置された大
面積ウェハーの上で要求される径方向プラズマ均一性を
有するプラズマを得ることを容易化する。このことは二
重同心rf電極1,2に与えられるrf電力を制御する
ことによって、または二重同心rf電極1,2に与えら
れるrf電流の周波数を適当に選択することによって、
またはこれらの両方の方式を用いることによって達成す
ることができる。
The quadrupole plasma processing apparatus of the above embodiment obtains a plasma having the required radial plasma uniformity on a large area wafer placed on the lower (ie third) electrode 3. To facilitate. This can be achieved by controlling the rf power applied to the double concentric rf electrodes 1, 2, or by properly selecting the frequency of the rf current applied to the double concentric rf electrodes 1, 2.
Alternatively, it can be achieved by using both of these methods.

【0034】次に図3を参照して第2の実施形態が説明
される。第2の実施形態の構成は、中央と外側の電極
1,2の下側に誘電体または高抵抗半導体のプレート2
9を追加することを除いて、第1実施形態で説明された
ものと同じである。それ故に、この装置における誘電体
プレート29の特性とその役割のみが説明される。誘電
体プレート29の厚みは重要な事項ではなく、1〜10
mmの範囲にあり得る。さらに、誘電体プレート29に
用いられる誘電体のタイプ(例えば、水晶、SiN、テ
フロン(登録商標)、シリコン等)と誘電率は、同様に
また、重要なことではない。材質の厚みやその型は、応
用のタイプに依存して選択される。プロセスガスはrf
電極1,2と誘電体プレート29に作られた複数のガス
導入口5を通して導入される。この誘電体プレート29
の目的は以下に説明される。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. The configuration of the second embodiment is such that the dielectric or high-resistance semiconductor plate 2 is provided below the central and outer electrodes 1 and 2.
It is the same as that described in the first embodiment except that 9 is added. Therefore, only the characteristics of the dielectric plate 29 and its role in this device are described. The thickness of the dielectric plate 29 is not an important matter, and is 1 to 10
It can be in the range of mm. Moreover, the type of dielectric (eg, quartz, SiN, Teflon, silicon, etc.) and the dielectric constant used for the dielectric plate 29 are likewise and not critical. The material thickness and its type are selected depending on the type of application. Process gas is rf
It is introduced through the electrodes 1 and 2 and a plurality of gas introduction ports 5 formed in the dielectric plate 29. This dielectric plate 29
The purpose of is described below.

【0035】第1実施形態で説明された中央と外側のr
f電極1,2はいかなる材料によっても覆われていな
い。それ故に電極1,2を作る金属材料がプラズマに晒
される。プラズマが生成されるとき、rf電極1,2の
上に自己バイアス直流電圧が生成される。もしこれらの
直流電圧が十分に高いならば、プラズマ中のイオンはエ
ネルギを得て電極1,2の金属表面に衝突する、そして
rf電極表面のスパッタリングという結果をもたらす。
これはプラズマとウェハー表面を汚染し、欠陥のあるデ
バイスという結果をもたらす。それ故に第1実施形態で
与えられた構成はより低いrf電力でのみ適用され、ま
たはウェハー処理のための金属スパッタによって問題が
ない場合に適用される。特に、第1実施形態の構成はプ
ラズマ支援化学気相成長にとって適している。
The center and outer r described in the first embodiment
The f electrodes 1 and 2 are not covered with any material. Therefore, the metallic material from which the electrodes 1, 2 are made is exposed to the plasma. When plasma is generated, a self-biased DC voltage is generated on the rf electrodes 1 and 2. If these DC voltages are high enough, the ions in the plasma gain energy and strike the metal surface of electrodes 1, 2 and result in sputtering of the rf electrode surface.
This contaminates the plasma and the wafer surface, resulting in defective devices. Therefore, the configuration given in the first embodiment is only applied at lower rf power, or where there is no problem with metal sputter for wafer processing. In particular, the configuration of the first embodiment is suitable for plasma-assisted chemical vapor deposition.

【0036】前述した理由のため、第2実施形態で上側
に配置された中央と外側のrf電極1,2は誘電体プレ
ート29によって覆われている。誘電体プレート29は
適当な誘電体によって作られている。誘電体プレート2
9の代わりにカバープレートとしてスパッタ工程によっ
ていかなる問題も引き起こさない半導体部材を用いても
よい。例えば高抵抗シリコンまたは水晶は、スパッタさ
れたシリコンは反応容器における他のガスと反応してガ
ス種を形成し、それ故、それは考慮された工程にとって
いかなる問題も引き起こさないため、誘電体エッチング
処理にとって有用である。さらにこの構成は誘電体また
は半導体のスパッタ成膜の応用に用いられ得る。この場
合において、誘電体または半導体のプレートはプラズマ
状態における化学的反応を伴ってまたは伴わないでスパ
ッタされ、ウェハー表面の上に堆積される必要のある物
質で作られている。しかしながら、もしこの構成がスパ
ッタ成膜応用に用いられる場合には、プロセスガスは側
壁4にまたは底プレート23上に作られたガス導入口を
通して導入されなければならない。中央と外側のrf電
極1,2の下側に配置された誘電体または半導体のプレ
ート29の上にいかなるガス導入口もあってはならな
い。
For the above-mentioned reason, the central and outer rf electrodes 1 and 2 arranged on the upper side in the second embodiment are covered with the dielectric plate 29. The dielectric plate 29 is made of a suitable dielectric material. Dielectric plate 2
Instead of 9, a semiconductor member that does not cause any problems due to the sputtering process may be used as the cover plate. For example, high-resistivity silicon or quartz can be used for dielectric etching processes because sputtered silicon reacts with other gases in the reaction vessel to form gas species, which therefore causes no problems for the process considered. It is useful. In addition, this configuration may be used in dielectric or semiconductor sputter deposition applications. In this case, the dielectric or semiconductor plate is made of a material that needs to be sputtered with or without chemical reaction in the plasma state and deposited on the wafer surface. However, if this configuration is used in a sputter deposition application, the process gas must be introduced into the sidewall 4 or through a gas inlet made on the bottom plate 23. There should be no gas inlet above the dielectric or semiconductor plate 29 located below the central and outer rf electrodes 1, 2.

【0037】次に図4を参照して第3の実施形態が説明
される。この図は第3実施形態の模式図を示す。第3実
施形態の構成は金属スパッタ成膜に特に向いている。こ
こで、中央と外側のrf電極1,2は金属で作られてお
り、例えば銅であり、それはスパッタされそしてウェハ
ーホルダ19の上に載置されたウェハー上に堆積される
ことが必要である。もし第1実施形態において与えられ
た構成が金属スパッタ成膜に用いられたとすると、rf
電極1,2からスパッタされた金属原子は誘電体リング
7,8の下側表面の上に堆積される。これらの誘電体リ
ング7,8は、それぞれ、rf電極1,2の間、そして
外側rf電極2と接地された壁の間にある。これはrf
電極(1,2)と接地との間を電気的に接続するという
結果をもたらす。rf電極1,2の間、そして外側rf
電極2と接地との間で連続的な金属の膜が形成されるこ
とを防止するため、第3実施形態における誘電体リング
7,8の構成は、図4に示されるごとく、変更される。
上述した目的のため、深い溝または隙間30が誘電体リ
ング7,8の各々の内側面と外側面の上に形成され、こ
れらはrf電極1,2の各々に隣り合っている。これら
の溝30はrf電極1,2の周りに円形の形状となって
いる。溝の厚みと幅は通常2mm以下であり、高さまた
は深さはrf電極1,2の厚みに依存する。その高さは
10mmから40mmの範囲にあってもよい。スパッタ
された金属の原子は深い溝30の上側の部分に届くこと
ができないので、連続的な金属膜が堆積することはでき
ない。こうして、rf電極(1,2)と接地との間に電
気的接続が形成されることが防止される。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. This figure shows a schematic diagram of the third embodiment. The configuration of the third embodiment is particularly suitable for metal sputter film formation. Here, the central and outer rf electrodes 1, 2 are made of metal, for example copper, which needs to be sputtered and deposited on a wafer mounted on a wafer holder 19. . If the configuration given in the first embodiment is used for metal sputter deposition, rf
Metal atoms sputtered from the electrodes 1, 2 are deposited on the lower surface of the dielectric rings 7, 8. These dielectric rings 7, 8 are respectively between the rf electrodes 1, 2 and between the outer rf electrode 2 and the grounded wall. This is rf
The result is an electrical connection between the electrodes (1, 2) and ground. Between rf electrodes 1 and 2, and outside rf
In order to prevent the formation of a continuous metal film between the electrode 2 and the ground, the configuration of the dielectric rings 7 and 8 in the third embodiment is changed as shown in FIG.
For the purposes described above, deep grooves or gaps 30 have been formed on the inner and outer surfaces of each of the dielectric rings 7, 8 which are adjacent to each of the rf electrodes 1, 2. These grooves 30 have a circular shape around the rf electrodes 1 and 2. The thickness and width of the groove are usually 2 mm or less, and the height or depth depends on the thickness of the rf electrodes 1 and 2. Its height may range from 10 mm to 40 mm. Since the sputtered metal atoms cannot reach the upper part of the deep trench 30, a continuous metal film cannot be deposited. In this way an electrical connection is prevented from being formed between the rf electrode (1, 2) and ground.

【0038】中央と外側のrf電極1,2は、第1実施
形態で説明されたように、それぞれrf発生器13,1
4からrf電力を与えられる。加えて、rf電極1,2
の各々は、それぞれ、rfカットフィルタ(33,3
4)を経由して直流電圧供給器31,32に接続されて
いる。直流電圧を応用する目的はスパッタ速度を増大さ
せるためにrf電極1,2の上に負のバイアス電圧を与
えることである。直流電圧供給器31,32から中央と
外側のrf電極1,2に与えられる直流電圧の値は異な
っており、重要なことではない。rfプラズマによって
生成された自己バイアス電圧が、要求されたスパッタ速
度を有するのに十分である場合には、この構成は直流電
圧供給器31,32がない状態で用いてもよい。
The center and outer rf electrodes 1 and 2 have the rf generators 13 and 1, respectively, as described in the first embodiment.
Rf power from 4. In addition, the rf electrodes 1 and 2
Of the rf cut filter (33, 3
It is connected to the DC voltage supply devices 31, 32 via 4). The purpose of applying the DC voltage is to provide a negative bias voltage on the rf electrodes 1, 2 to increase the sputter rate. The DC voltage values applied to the central and outer rf electrodes 1 and 2 from the DC voltage supply devices 31 and 32 are different and are not important. If the self-bias voltage generated by the rf plasma is sufficient to have the required sputter rate, this configuration may be used without the DC voltage supplies 31, 32.

【0039】加えて第1実施形態において示された中央
と外側のrf電極1,2に作られた複数のガス導入口
は、この第3実施形態では省略されている。代わりに、
プロセスガスは、図4に示されるごとく、反応容器の円
筒形側壁4の周りに作られたいくつかのガス導入口を通
して導入される。この目的のため、いくつかのガス導入
口35を有する円形の管36が円筒形側壁4に固定され
ている。そのとき、プロセスガスは、主要ガス導入部3
7を経由して円形管36に供給される。
In addition, the plurality of gas inlets formed in the central and outer rf electrodes 1 and 2 shown in the first embodiment are omitted in the third embodiment. instead of,
The process gas is introduced through several gas inlets made around the cylindrical side wall 4 of the reaction vessel, as shown in FIG. For this purpose, a circular tube 36 with several gas inlets 35 is fixed to the cylindrical side wall 4. At that time, the process gas is the main gas introduction part 3
It is supplied to the circular tube 36 via 7.

【0040】しかしながら、前述した構造の代わりに、
プロセスガスを供給するための異なる機構を用いること
ができる。例えば、プロセスガスは底プレート23上に
形成された単一のガス導入管を経由して供給することも
できる。前述した変形を除いて、すべての他の構成は第
1実施形態のそれと同じである。
However, instead of the structure described above,
Different mechanisms for supplying the process gas can be used. For example, the process gas may be supplied via a single gas introducing pipe formed on the bottom plate 23. Except for the modifications described above, all other configurations are the same as in the first embodiment.

【0041】スパッタ装置の操作手順もまた、第1実施
形態で説明されたものと同じである。膜の均一性と成膜
速度のごとき堆積された膜について要求された特性を得
るため、中央と外側のrf電極1,2に与えられるrf
電流と直流電圧は適当に変化させられる。
The operating procedure of the sputtering apparatus is also the same as that described in the first embodiment. Rf provided to the center and outer rf electrodes 1 and 2 to obtain the required properties of the deposited film, such as film uniformity and deposition rate.
The current and DC voltage can be changed appropriately.

【0042】図5、図6、図7を参照して第4の実施形
態が説明される。この構成は、第2実施形態における外
側rf電極2を、金属で作られた単一ループrfアンテ
ナ38によって置き換えることにより得られる。中央r
f電極1と単一ループrfアンテナ38の上面図が図6
に示される。単一ループrfアンテナ38の一端はrf
フィルタ18と整合回路44を経由してrf発生器43
に接続されている。単一ループrfアンテナ38の他端
は接地されている。単一ループアンテナ38に接続され
たrf発生器43の周波数は重要なことではなく、通
常、500KHzから20MHzの範囲にある。通常、
より低いrf周波数は次の理由のため単一ループrfア
ンテナ38にとってより都合がよい。
The fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 5, 6 and 7. This configuration is obtained by replacing the outer rf electrode 2 in the second embodiment with a single loop rf antenna 38 made of metal. Central r
A top view of the f-electrode 1 and the single loop rf antenna 38 is shown in FIG.
Shown in. One end of the single loop rf antenna 38 is rf
Rf generator 43 via filter 18 and matching circuit 44
It is connected to the. The other end of the single loop rf antenna 38 is grounded. The frequency of the rf generator 43 connected to the single loop antenna 38 is not critical and is typically in the range 500 KHz to 20 MHz. Normal,
Lower rf frequencies are more convenient for single loop rf antenna 38 for the following reasons.

【0043】単一ループrfアンテナ38の目的は単一
ループrfアンテナ38の下側に誘導結合プラズマを生
成することにある。この目的のため、誘導rf電流のイ
ンピーダンスは最少化されるべきである。もし単一ルー
プrfアンテナ38のインダクションがLであり、誘導
電流のインピーダンスがZLであるならば、ZL=i・2
πf・Lであり、ここでfはrf電流の周波数である。
従って、もし周波数fが低減すると、ZLは低下するこ
とになり、このことは単一ループrfアンテナ38から
プラズマへ流れる誘導電流を強めることになる。
The purpose of the single loop rf antenna 38 is to create an inductively coupled plasma below the single loop rf antenna 38. For this purpose, the impedance of the induced rf current should be minimized. If the induction of the single loop rf antenna 38 is L and the impedance of the induced current is Z L , then Z L = i · 2
πf · L, where f is the frequency of the rf current.
Therefore, if the frequency f is reduced, Z L will be reduced, which intensifies the induced current flowing from the single loop rf antenna 38 into the plasma.

【0044】図6において示された単一ループrfアン
テナ38の両端の一方がたとえ電気的に接地されたとし
ても、その端部は図7に示されるごとくキャパシタC1
を経由して接地部に接続され得る。この構成は、通常、
図6で示された構成に比較して単一ループrfアンテナ
38の端部の間により小さい電位差を作り出す。このこ
とは単一ループrfアンテナ38の下側のプラズマ密度
の周方向(方位角方向)の変化を減少させるために重要
である。
Even if one of the two ends of the single loop rf antenna 38 shown in FIG. 6 is electrically grounded, its end is a capacitor C1 as shown in FIG.
Can be connected to the ground via. This configuration is usually
It creates a smaller potential difference between the ends of the single loop rf antenna 38 compared to the configuration shown in FIG. This is important to reduce the circumferential (azimuth) variation in plasma density below the single loop rf antenna 38.

【0045】単一ループrfアンテナ38の厚みは通常
2mmより小さい。単一ループrfアンテナ38のプラ
ズマに向かう最下部は図5に示されるごとくナイフエッ
ジを有するごとく鋭利に作られてもよい。これはプラズ
マに対するrf電力の容量的結合の可能性を減じるため
である。
The thickness of the single loop rf antenna 38 is typically less than 2 mm. The bottom portion of the single loop rf antenna 38 facing the plasma may be sharpened to have knife edges as shown in FIG. This is to reduce the possibility of capacitive coupling of rf power to the plasma.

【0046】中央rf電極1の下面と単一ループrfア
ンテナ38は、第2実施形態において述べられたと同様
に、誘電体プレート29によって覆われている。しかし
ながら、誘電体プレート29は本質的なことではなく、
それ故に誘電体プレート29なしの構成を用いることも
可能である。
The lower surface of the central rf electrode 1 and the single loop rf antenna 38 are covered by the dielectric plate 29, as described in the second embodiment. However, the dielectric plate 29 is not essential,
Therefore, it is also possible to use a configuration without the dielectric plate 29.

【0047】プラズマは、中央rf電極1からプラズマ
へのrf電力の容量的結合機構によって中央領域に生成
される。加えて、ドーナツ形状のプラズマが誘導的結合
機構によって単一ループrfアンテナ38の下側に生成
される。誘導的結合機構はより高いプラズマ密度を作り
出すので、この構成は、前述した各実施形態におけるそ
れらと比較して、反応容器でプラズマ密度の増大という
結果をもたらす。この構成の操作手順は先の実施形態で
説明された手順と同じである。
Plasma is generated in the central region by the capacitive coupling mechanism of rf power from the central rf electrode 1 to the plasma. In addition, a donut-shaped plasma is generated below the single loop rf antenna 38 by an inductive coupling mechanism. This configuration results in an increase in plasma density in the reaction vessel as compared to those in the previously described embodiments, as the inductive coupling mechanism creates a higher plasma density. The operation procedure of this configuration is the same as the procedure described in the previous embodiment.

【0048】第5実施形態は、第4実施形態の拡張であ
り、金属スパッタ成膜応用を目的とするためのものであ
る。第5実施形態の模式図が図8に示される。第3実施
形態において説明されたように、誘電体リング7,8の
表面上に連続的な金属膜が堆積することを避けるため、
溝または隙間が誘電体リング7,8の下面に作られる。
The fifth embodiment is an extension of the fourth embodiment and is intended for metal sputter film formation application. A schematic diagram of the fifth embodiment is shown in FIG. As described in the third embodiment, in order to avoid depositing a continuous metal film on the surfaces of the dielectric rings 7 and 8,
Grooves or gaps are made in the lower surface of the dielectric rings 7,8.

【0049】さらに中央rf電極1上の複数のガス導入
口が省略される。その代わりに、プロセスガスは第3実
施形態において説明されたごとく反応容器の円筒形側壁
において作られたガス導入口を通して導入される。これ
らの変更部分を除いて、その他のすべてのハードウエア
構成は第4実施形態において与えられたものと同じであ
る。
Further, a plurality of gas introduction ports on the central rf electrode 1 are omitted. Instead, the process gas is introduced through a gas inlet made in the cylindrical side wall of the reaction vessel as described in the third embodiment. Except for these changes, all other hardware configurations are the same as those given in the fourth embodiment.

【0050】いくつかの金属成膜工程は、ウェハー表面
上に膜を堆積させる前に上部電極1からのスパッタ原子
をイオン化させるため、高密度プラズマを要求する。こ
れらの応用のため、単一ループrfアンテナ38の下側
に生成される誘導結合プラズマは高密度プラズマを作り
出すので、第5実施形態において与えられた構成が使わ
れる。
Some metal deposition processes require a high density plasma to ionize sputtered atoms from the top electrode 1 before depositing the film on the wafer surface. For these applications, the inductively coupled plasma created below the single loop rf antenna 38 creates a high density plasma, so the configuration given in the fifth embodiment is used.

【0051】第6実施形態は図9を参照して説明され
る。この構成は図3に示された第2実施形態の拡張であ
る。ここでは、二重同心rf電極1,2に接続されたr
f電力供給回路が変更される。rf発生器13,14の
周波数は図9に示された同じもの(f1,f2)が採用
される。rf発生器13,14からのrf電流は、整合
回路15,16と位相シフタ45,46を経由して、中
央と外側のrf電極1,2に供給される。それぞれ、位
相シフタ45,46を使用することによって、各rf発
生器(13,14)から到来するrf電流の位相は任意
に変化させられる。図9において、位相シフタ45,4
6はそれぞれ整合回路15,16とrf電極1,2との
間に配置される。しかしながら、以下に説明するのと同
じ結果を得るために位相シフタをrf発生器と整合回路
との間に配置することもできる。前述した変更部分を除
いて、第6実施形態のすべての他のハードウエアは第2
実施形態において与えられたものと同じである。
The sixth embodiment will be described with reference to FIG. This configuration is an extension of the second embodiment shown in FIG. Here, r connected to the double concentric rf electrodes 1 and 2
f The power supply circuit is changed. The same frequencies (f1, f2) shown in FIG. 9 are adopted as the frequencies of the rf generators 13, 14. The rf currents from the rf generators 13 and 14 are supplied to the central and outer rf electrodes 1 and 2 via the matching circuits 15 and 16 and the phase shifters 45 and 46. By using the phase shifters 45 and 46, respectively, the phase of the rf current coming from each rf generator (13, 14) can be arbitrarily changed. In FIG. 9, phase shifters 45, 4
6 is arranged between the matching circuits 15 and 16 and the rf electrodes 1 and 2, respectively. However, a phase shifter can be placed between the rf generator and the matching circuit to achieve the same result as described below. Except for the modified parts described above, all other hardware of the sixth embodiment is the second hardware.
It is the same as that given in the embodiment.

【0052】位相シフタ45,46は、プラズマ密度、
プラズマ電位、プラズマの均一性のごときプラズマの特
性を変化させるために用いられる。通常、プラズマが容
量的結合機構によって生成されるとき、rf電極から到
来するrf電流は接地電極へ流れる。しかしながら、も
し同じrf周波数でありかつ180°位相がずれたrf
電流で動作する他のrf電極があるとするならば、2つ
の電極1,2から到来するrf電流は相互に流れる。従
って、もし中央と外側のrf電極1,2のrf電流の位
相のずれが180°であるならば、当該rf電流はこれ
ら2つの電極の間を流れる。このことは、中央と外側の
rf電極1,2の間の領域にプラズマを閉じ込めること
の原因となり、下部電極に向かうプラズマの拡張を制限
することになる。これは、ウェハー表面の近傍において
プラズマ電位を減じる可能性を有する。
The phase shifters 45 and 46 are connected to the plasma density,
It is used to change plasma characteristics such as plasma potential and plasma uniformity. Normally, when plasma is generated by the capacitive coupling mechanism, the rf current coming from the rf electrode flows to the ground electrode. However, if the same rf frequency and 180 degrees out of phase rf
If there are other rf electrodes operating with current, the rf currents coming from the two electrodes 1, 2 will flow to each other. Therefore, if the rf currents of the central and outer rf electrodes 1 and 2 are 180 degrees out of phase, the rf current will flow between these two electrodes. This causes the plasma to be confined in the region between the central and outer rf electrodes 1, 2 and limits the expansion of the plasma towards the lower electrode. This has the potential to reduce the plasma potential in the vicinity of the wafer surface.

【0053】プラズマに向かう中央と外側のrf電極
1,2の下面においてrf電流の正確な位相のシフトを
監視することは困難である。何故ならば、位相シフタ4
5または46の以後の伝送線の寄生的なインダクタンス
(誘導成分)とキャパシタンス(容量成分)がrf電流
の位相変化を生じさせるからである。それ故に、実際的
な実験によって適当な位相シフトが得られなくてはなら
ない。最初に、プラズマは、中央と外側のrf電極1,
2にrf電流を与えることによって生成される。そのと
き、いずれか一方のrf発生器13または14から到来
するrf電流の位相が望ましいプラズマ特性が結果とし
て得られるまで、ゆっくりと変化させられる。プラズマ
の特性は従来のラングミュアープローブ(Reference:D.
N. Ruzic,Electric probes for for low temperature p
lasmas, AVS pres, USA, 1994)、またはプラズマ吸収
プローブ(Reference:H.Kokura, K.Nakamura, I.Ghanas
hevand H.Sugai, Jpn. J.Appl. Phys. 38, 5262(199
9))のごとき技術を用いることによって監視される。い
くつかの場合、プラズマの光学的な放出強度の変化はr
f電流の位相を変化させるいくつかの情報を与えるかも
しれない。この実験は1回のみなされなければならな
い、何故ならば、関連データが得られた後、それらはそ
の後に引き続くウェハー処理のために用いられるからで
ある。
It is difficult to monitor the exact phase shift of the rf current on the bottom surfaces of the central and outer rf electrodes 1, 2 towards the plasma. Because the phase shifter 4
This is because the parasitic inductance (induction component) and capacitance (capacitance component) of the transmission line after 5 or 46 cause a phase change of the rf current. Therefore, a practical experiment must obtain the proper phase shift. First, the plasma is generated by the central and outer rf electrodes 1,
2 by providing an rf current. The phase of the rf current coming from either rf generator 13 or 14 is then slowly changed until the desired plasma characteristics are obtained. The characteristics of plasma are the same as those of the conventional Langmuir probe (Reference: D.
N. Ruzic, Electric probes for for low temperature p
lasmas, AVS pres, USA, 1994) or plasma absorption probe (Reference: H.Kokura, K.Nakamura, I.Ghanas)
hevand H. Sugai, Jpn. J. Appl. Phys. 38, 5262 (199
9)). In some cases, the change in the optical emission intensity of the plasma is r
It may give some information that changes the phase of the f-current. This experiment has to be done only once, after the relevant data have been obtained, they are used for subsequent wafer processing.

【0054】たとえ第6実施形態において採用されたr
f電流の流れのメカニズムが第2実施形態において与え
られた構成を用いられて説明されたとしても、同じrf
電流の流れメカニズムは第1と第3の実施形態において
与えられた構成に適用することができる。何故ならば、
第1、第2、第3の実施形態における中央と外側のrf
電極は容量的結合機構によってプラズマを生成するから
である。
Even if r is adopted in the sixth embodiment,
Even if the mechanism of f current flow is explained using the configuration given in the second embodiment, the same rf
The current flow mechanism can be applied to the configurations given in the first and third embodiments. because,
Central and outer rf in the first, second and third embodiments
This is because the electrodes generate plasma by the capacitive coupling mechanism.

【0055】前述した実施形態において説明された特徴
的技術事項は、本発明の目的を達成するために適宜に組
み合せることができる。
The characteristic technical matters described in the above-described embodiments can be combined as appropriate in order to achieve the object of the present invention.

【0056】[0056]

【発明の効果】本発明のプラズマ処理装置は、二重同心
rf電極、すなわち中央と外側のrf電極を含む改善さ
れた構造がプラズマ密度を制御することができ、反応容
器の径方向におけるプラズマ密度の均一性を達成するこ
とができるので、大面積ウェハーの処理に有用である。
According to the plasma processing apparatus of the present invention, the improved structure including the double concentric rf electrodes, that is, the central and outer rf electrodes can control the plasma density, and the plasma density in the radial direction of the reaction vessel. It is useful for processing large area wafers because it can achieve uniformity of

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

【図1】この図は本発明の第1実施形態を示す断面図で
ある。
FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of the present invention.

【図2】この図は第1実施形態に基づいて中央と外側の
rf電極によって分離してかつ同時に生成されたプラズ
マ密度の径方向の分布形状を示す。
FIG. 2 shows a radial distribution shape of plasma densities generated simultaneously and separately by the central and outer rf electrodes according to the first embodiment.

【図3】この図は本発明の第2実施形態を示す断面図で
ある。
FIG. 3 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.

【図4】この図は本発明の第3実施形態を示す断面図で
ある。
FIG. 4 is a sectional view showing a third embodiment of the present invention.

【図5】この図は第4実施形態を示す断面図である。FIG. 5 is a sectional view showing a fourth embodiment.

【図6】この図は第4実施形態における中央rf電極、
単一ループアンテナ、誘電体リング、rf電気的接続の
上面図である。
FIG. 6 shows a central rf electrode according to the fourth embodiment,
FIG. 6 is a top view of a single loop antenna, dielectric ring, rf electrical connection.

【図7】この図は第4実施形態における中央rf電極、
単一ループアンテナ、誘電体リング、rf電気的接続の
上面図である。
FIG. 7 shows a central rf electrode according to the fourth embodiment,
FIG. 6 is a top view of a single loop antenna, dielectric ring, rf electrical connection.

【図8】この図は第5実施形態の断面図である。FIG. 8 is a sectional view of the fifth embodiment.

【図9】この図は第6実施形態の断面図である。FIG. 9 is a sectional view of a sixth embodiment.

【図10】この図は従来の平行平板容量結合型プラズマ
源である。
FIG. 10 shows a conventional parallel plate capacitively coupled plasma source.

【図11】この図は、図10に示された従来のプラズマ
源における径方向プラズマ密度の分布形状の変化であ
る。
FIG. 11 is a change in distribution profile of radial plasma density in the conventional plasma source shown in FIG.

【参照符号の説明】[Explanation of reference symbols]

1 中央rf電極 2 外側rf電極 3 下部電極 4 側壁 5 ガス導入口 6 排気ポート 7,8 誘電体リング 9,10 ガスリザーバ 13,14 rf発生器 15,16 整合回路 17,18 rfフィルタ 19 ウェハーホルダ 26,27,28 プラズマ密度の径方向の形状 30 深い円形溝 31 直流電圧供給器 33,34 rfカットオフフィルタ 38 単一ループrfアンテナ 39 流路 45,46 位相シフタ 1 Central rf electrode 2 outer rf electrode 3 Lower electrode 4 side walls 5 gas inlet 6 exhaust port 7,8 Dielectric ring 9,10 Gas reservoir 13,14 rf generator 15,16 Matching circuit 17,18 rf filter 19 Wafer holder 26, 27, 28 Radial shape of plasma density 30 deep circular groove 31 DC voltage supply 33,34 rf cutoff filter 38 single loop rf antenna 39 channels 45,46 Phase shifter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K029 AA06 AA24 BD01 CA13 DA06 DC35 4K030 CA04 CA12 EA06 FA03 FA04 JA10 JA18 JA19 KA16 KA20 KA41 5F045 AA08 BB02 EB02 EF05 EH04 EH05 EH08 EH12 EH13 EH19 EJ05    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F term (reference) 4K029 AA06 AA24 BD01 CA13 DA06                       DC35                 4K030 CA04 CA12 EA06 FA03 FA04                       JA10 JA18 JA19 KA16 KA20                       KA41                 5F045 AA08 BB02 EB02 EF05 EH04                       EH05 EH08 EH12 EH13 EH19                       EJ05

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 容量的結合機構または容量的および誘導
的な結合機構によるプラズマ発生のための二重同心rf
電極であって、そこでは前記二重同心rf電極の中央r
f電極は円形または円形に近い形状であり、それに対し
て前記二重同心rf電極の外側rf電極は前記中央rf
電極の周りに配置される前記二重同心rf電極と、 前記中央と外側のrf電極の間に配置される誘電体部材
と、 前記中央と外側のrf電極に対して整合回路とrfフィ
ルタを経由してそれぞれに接続される2つのrf発生器
と、 前記二重同心rf電極に対して平行な下側平面に配置さ
れるウェハーホルダとしての第3の平板rf電極と、そ
して第4の電極として電気的に接地される反応容器側壁
と、 から成る大面積ウェハー処理のプラズマ処理装置。
1. Double concentric rf for plasma generation by capacitive coupling mechanism or capacitive and inductive coupling mechanism.
An electrode, wherein the center r of the double concentric rf electrode
The f-electrode has a circular shape or a shape close to a circular shape, while the outer rf electrode of the double concentric rf electrode has the central rf electrode.
The double concentric rf electrode arranged around the electrode, a dielectric member arranged between the central and outer rf electrodes, and a matching circuit and an rf filter for the central and outer rf electrodes Two rf generators connected to each other, a third flat plate rf electrode as a wafer holder arranged on a lower plane parallel to the double concentric rf electrode, and a fourth electrode as a fourth electrode. A plasma processing apparatus for large-area wafer processing, which comprises a reaction container side wall that is electrically grounded.
【請求項2】 前記外側rf電極は容量的結合機構によ
ってプラズマを発生するためプラズマに対向する広い平
坦な表面を有する請求項1記載の大面積ウェハー処理の
プラズマ処理装置。
2. The plasma processing apparatus for large area wafer processing according to claim 1, wherein the outer rf electrode has a wide flat surface facing the plasma to generate plasma by a capacitive coupling mechanism.
【請求項3】 前記外側rf電極の代わりに単一ループ
アンテナが誘導的結合機構によってプラズマを生成する
ために用いられる請求項1記載の大面積ウェハー処理の
プラズマ処理装置。
3. The plasma processing apparatus for large area wafer processing according to claim 1, wherein a single loop antenna is used instead of the outer rf electrode to generate plasma by an inductive coupling mechanism.
【請求項4】 プラズマに対向する前記中央と外側のr
f電極のいずれか1つの下面または前記両方の下面は誘
電体部材または半導体部材によって覆われている請求項
1または2記載の大面積ウェハー処理のプラズマ処理装
置。
4. The central and outer r facing the plasma
The plasma processing apparatus for large area wafer processing according to claim 1 or 2, wherein the lower surface of any one of the f electrodes or both lower surfaces thereof are covered with a dielectric member or a semiconductor member.
【請求項5】 前記中央と外側のrf電極のいずれか1
つまたは両方は反応チャンバの中へプロセスガスを導入
するためガスリザーバと複数のガス導入口を含む請求項
1〜4のいずれか1項に記載の大面積ウェハー処理のプ
ラズマ処理装置。
5. One of the central and outer rf electrodes
5. The plasma processing apparatus for large area wafer processing according to claim 1, wherein one or both of them includes a gas reservoir and a plurality of gas inlets for introducing a process gas into the reaction chamber.
【請求項6】 前記中央と外側のrf電極は、それらの
表面温度を制御するための機構を含む請求項1〜4のい
ずれか1項に記載の大面積ウェハー処理のプラズマ処理
装置。
6. The plasma processing apparatus for large area wafer processing according to claim 1, wherein the central and outer rf electrodes include a mechanism for controlling the surface temperature of the central and outer rf electrodes.
【請求項7】 前記二重同心rf電極は、同じrf周波
数で動作するかまたは2つの異なるrf周波数によって
動作しかつその周波数が1〜100MHzの範囲にある
2つの異なるrf発生器によって個別に2つのrf電流
が供給される請求項1〜6のいずれか1項に記載の大面
積ウェハー処理のプラズマ処理装置。
7. The dual concentric rf electrode operates separately at two different rf generators operating at the same rf frequency or at two different rf frequencies and the frequencies being in the range of 1-100 MHz. The plasma processing apparatus for large area wafer processing according to claim 1, wherein two rf currents are supplied.
【請求項8】 前記中央と外側のrf電極の各々は、r
f発生器と直流電圧供給器とからそれぞれrf電流と負
にバイアスされた直流電圧を供給され、そして1つの電
極に結合された前記のrf発生器と直流電圧供給器は他
のrf電極に接続されたそれらから独立である請求項1
〜6のいずれか1項に記載の大面積のウェハー処理のプ
ラズマ処理装置。
8. Each of the center and outer rf electrodes is r
The rf generator and the DC voltage supply are respectively supplied with an rf current and a DC voltage negatively biased, and said rf generator and DC voltage supply connected to one electrode are connected to another rf electrode. Claim 1 independent of those
7. A plasma processing apparatus for large-area wafer processing according to any one of items 6 to 6.
【請求項9】 前記二重同心rf電極の各rf電極は整
合回路と位相シフタを介して対応するrf発生器に接続
されている請求項1〜6のいずれか1項に記載の大面積
ウェハー処理のプラズマ処理装置。
9. The large area wafer according to claim 1, wherein each rf electrode of said double concentric rf electrode is connected to a corresponding rf generator through a matching circuit and a phase shifter. Plasma processing equipment.
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