JP2005503648A - Plasma reactor, coil magnet system - Google Patents

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Abstract

本発明は、プラズマ処理作業の最中に、プラズマ処理装置のプラズマ・チャンバの中で、プロセスガスから発生させたプラズマを用いて行われるワークピースを処理するための方法である。前記装置は、前記プラズマ・チャンバの周囲を取り囲むように取り付けられた電磁石のアレイを備えている。前記方法は、下記工程を備える:前記チャンバ内のプロセスガスからプラズマを発生させ;プラズマ・パーティクルを前記ワークピースに衝突させ;前記電磁石に供給される電流信号の配置を選択し;前記電磁石に前記選択されたそれぞれの配置を与え、それによって、プラズマ処理作業の最中に前記プラズマに一つ以上の磁場形態を作用させる。The present invention is a method for processing a workpiece performed using plasma generated from a process gas in a plasma chamber of a plasma processing apparatus during a plasma processing operation. The apparatus includes an array of electromagnets mounted to surround the plasma chamber. The method comprises the steps of: generating a plasma from a process gas in the chamber; causing plasma particles to collide with the workpiece; selecting an arrangement of current signals supplied to the electromagnet; Given each selected arrangement, thereby applying one or more magnetic field configurations to the plasma during a plasma processing operation.

Description

【技術分野】
【0001】
<関連出願の記載>
この出願は、2001年9月14日に出願された米国仮出願番号60/318,890号の利益に基づき且つその利益をクレームする。上記出願の内容は、その全体で、リファレンスとしてここに組み込まれる。
【0002】
<本発明の分野>
本発明は、プラズマ処理システムに係り、特に、磁場をプラズマに作用させてプラズマの性質をコントロールし、それによって、ワークピースのプラズマ処理を改善するための方法及び装置に係る
【背景技術】
【0003】
<本発明の背景>
プラズマは、荷電粒子の集合体であり、ワークピースの上から材料を除去し、あるいはワークピースの上に材料を堆積するために使用される。プラズマは、集積回路(IC)の製造工程の中で、例えば、半導体基板の上から材料をエッチング(即ち、除去)する際、あるいは、半導体基板の上に材料をスパッタ(即ち、堆積)する際に使用される。プラズマは、プラズマ・チャンバ内に収容されたプロセスガスに高周波(RE)の電気信号を印加し、このプロセスガスの粒子をイオン化することによって形成される。高周波電源は、キャパシタンスを介して、インダクタンスを介して、または、キャパシタンス及びインダクタンスの双方を介して、プラズマに結合される。ワークピースをプラズマ処理する際に磁場をプラズマに作用させてプラズマの性質を改善し、それによって、ワークピースのプラズマ処理に対するコントロール性を改善することができる。
【0004】
磁場は、ワークピースのプラズマ処理の最中に、時折、使用され、それによって、チャンバ内にプラズマを保持し、あるいは、プラズマ処理の最中にプラズマの性質を変化させる。磁場は、例えば、チャンバ内にプラズマを保持するために使用され、それによって、チャンバの壁へのプラズマのロスを減少させ、プラズマ密度を増大させることができる。プラズマ密度の増大により、ワークピースに衝突するプラズマ・パーティクルの数が増大し、それによって、ワークピース処理が改善される。例えば、ワークピースのエッチングに必要とされる処理時間が減少する。磁場を用いてプラズマを保持することによって、また、チャンバの壁の表面や電極の表面などの、チャンバ内の表面上へのプラズマ・パーティクルの堆積を防止する。
【0005】
磁場はまた、チャンバ内でのプラズマの分布の均一性を改善するためにも使用される。プラズマ・チャンバ内でのプラズマの不均一な分布は、望ましくない。その理由は、不均一な分布は、ワークピースの不均一な処理と言う結果をもたらすからである。不均一に分布したプラズマは、ある状況においては、チャンバ内で処理されているワークピースにプラズマに起因する損傷と言う結果をもたらす。
【0006】
永久磁石または電磁石のアレイは、時折、プラズマに磁場を作用させるために使用される。永久磁石のアレイは、例えば、それらがチャンバの内側のプラズマに磁場を作用させるように配置することができる。あるいは、その代りに、プラズマに回転型の磁場を作用させるように、配置し且つ動かす(例えば、チャンバに対して回転させることによる)ことが可能であり、それによって、プラズマの均一性が改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
<本発明のサマリ>
本発明は、プラズマによるワークピースの処理をコントロールするために磁場を使用する方法及び装置に係る。
【0008】
<本発明の詳細な説明>
図1に、プラズマ処理システムのプラズマ処理装置(または、リアクタ)10の一例の概略図を示す。このプラズマ処理装置10は、プラズマ・チャンバ14を備え、このプラズマ・チャンバ14は、プラズマを収容し保持するための内部領域16を提供する。複数の電極を、互いに対して且つチャンバ14内のプロセスガスに対して、プラズマを発生させるような関係で、チャンバ14の中に取り付けることが可能である。これらの電極は、エネルギを与えられ、チャンバ14内のプロセスガスからプラズマを発生させる。
【0009】
本発明の説明を容易にするため、この装置10では、電極アセンブリが二つのみ描かれている。特に、第一の電極アセンブリ18は、チャンバ14の第一の側(装置例10の中のチャンバ14の内部16の上部)に取り付けられている。第二の電極アセンブリは、チャック型電極アセンブリ20の形で、チャンバ14の第二の側、即ち、チャンバ14の第一の側の反対側(装置例10の中のチャンバ14の内部16の下部)に、第一の電極アセンブリ18からスペースを空けて取り付けられている。
【0010】
第一の電極アセンブリ18は、複数の電極セグメントを備えていても良く、それらの各セグメントは、他のセグメントから電気的に切離され、且つ、対応している高周波電源によりそれぞれ独立に電力が供給され、且つ、選択されたトランスミッション用のプロセスガスが、所定の流速でプラズマ・チャンバの内側に独立に供給される。しかしながら、本発明の説明を簡単にするため、第一の電極アセンブリ18は、単一のシャワーヘッド型の電極として描かれている。第一の電極アセンブリ18は、内側チャンバ22を有している(図1中で破線を用いて概略的に表わされている)。内側チャンバ22は、ガス供給ラインを介して、ガス供給システム24と空気経路または流体経路がつながっている。
【0011】
選択されたガス(一種類又は複数種類)を電極アセンブリ18に供給することが可能であり、それによって、例えば、チャンバ14内をパージし、あるいは、チャンバ内部16でのプラズマ形成のためのプロセスガス(または、原料ガス)として当該ガスを供する。プロセスガスは、チャンバ22からプラズマ・チャンバ14の内部16へ、複数のガスポート(図示せず)を介して移送される。第一の電極のポートを通るガスの流れは、方向を示す矢印Gによって示されている。
【0012】
第一の及び第二の電極18、20は、それぞれ対応するマッチング・ネットワーク30、32を介して、それぞれの高周波供給源34、36に電気的に接続されている。それらの高周波供給源34、36は、電圧信号VB1、VB2を、それぞれ対応する電極18、20に供給する。マッチング・ネットワーク30、32を、それぞれの電極アセンブリ18、20によってプラズマに伝達される電力を最大化する目的で、それぞれの高周波電源34、36の間に挿入することができる。あるいは、その代りに、マッチング・ネットワーク30、32を制御システムに結合することもできる。
【0013】
各電極アセンブリ18、20は、流体を用いて独立に冷却することができる。この流体は、冷却システム38から、それぞれ、流体チャンバ39、41(破線で示されている)を通って各電極アセンブリ18、20の中に流れ、次いで、冷却システムに戻る。プラズマ処理装置10は、更に、真空システム40を備えており、この真空システム40は、真空ラインを介してプラズマ・チャンバ16と空気経路または流体経路がつながっている。プラズマ処理装置10は、オプションとして、一対の電極の形の電圧プローブ44、46を備えており、これらのプローブは、対応する高周波電源34、36のそれぞれと、対応する電極アセンブリ18、20のそれぞれとの間で、前記移送ラインに対して容量結合されている。
【0014】
電圧プローブの例については、米国特許出願60/259,862号(2001年1月8日出願)の中で詳しく説明され、且つ共通の符号が付けられており、上記出願の全体がリファレンスとしてここに組み込まれる。
【0015】
プラズマ処理装置10は、オプションとして、光学プローブ48を備えており、このプローブは、プラズマの分光学的及び光学的性質に基づいて、プラズマの性質及び状態を決定する。
【0016】
電磁石のシステムまたはアレイ51は、プラズマ・チャンバ14の周囲を取り囲むように取り付けられている。電磁石51は、ワークピースのプラズマ処理作業の最中に、プラズマに1または2以上の磁場を作用させるために運転され得る。磁場を作用させることにより、プラズマの状態を改善し、それによって、ワークピースの処理を改善する。
【0017】
図2に、プラズマ・チャンバ14に対する複数の電磁石51の配置の一例を示す。この装置例12は、51A−Lで示される12個の電磁石を備えている。示されている各電磁石51は、導電性の材料のコイルを備えたコイル・マグネットの形である。各コイルは、電源53と電気的につながっている(図1中に概略的に示されている)。
【0018】
特定のアレイの各コイル・マグネット51は、エア・コア(図示せず)の周囲に巻かれた導電性材料のコイルで構成され、あるいは、それに代わって、例えば、透磁性材料のコア55の周囲に巻かれた導電性材料のコイル(図1中に部分的に描かれている)で構成される。各コア55は、円筒状の断面(図に示されているように)とすることが可能であり、あるいは、その代わりに、任意の引き延ばされた断面(長軸の方向を例示した装置10の縦方向とした形)とすることもできる。
【0019】
コイル・マグネット51の各軸の方向は、プラズマ・チャンバ14に対して放射状に定められている。即ち、コイル・マグネット51の各軸は、電極アセンブリ18、20の間を、プラズマ・チャンバ14の中心を通って伸びる仮想軸(リアクタ例10では縦方向)から放射状に伸びている。外側の磁束伝達構造57は、コイル・マグネット51のアレイの周囲を取り囲むように取り付けることができる。その状態は、図2中に良く示されている。各コイル・マグネット51及び各コア55は、前記磁束伝達構造57との間で磁束が連続している。
【0020】
磁束伝達構造57の一つは環状の壁型の構造である。この外側の壁構造57と各コイル・マグネット51のコア55の双方は、例えば、鉄などの透磁性材料で構成することができる。各コア55は、この外側のリング構造57の上に形成することが可能であり、あるいは、この壁構造57とは別に形成した後に、この外側のリング構造57の上に取り付けることも可能である。
【0021】
各コイル・マグネット51及びそれに対応するコア55は、外側のリング構造57とプラズマ・チャンバ14の壁型構造59の間で放射方向に伸びていることが、図2から分かる。装置例10において、壁型構造59は、円筒状であって、前記処理チャンバ14の側壁を構成している。プラズマ・チャンバ14の壁型構造59は、適切な誘電材料または適切な金属材料で作ることができる。もし、壁型構造59が金属材料で作られる場合には、製作に非磁性金属材料を使用することによって、壁型構造59が、コイル・マグネット51によってプラズマ・チャンバ14内のプラズマに作用させる磁場と干渉しないようにする。
【0022】
装置例10の中の磁石のアレイは、図1の中のプラズマに対して縦方向に位置合わせされているが、この縦方向の配置は一つの例に過ぎない。磁石のアレイは、処理チャンバ、構造体(例えば、電極)、及びその中に収容される材料(例えば、ワークピースまたはプラズマ)などに対して縦方向に位置合わせして配置することもできる。例えば、装置10は、磁石のアレイが、ワークピースの上面、ワークピースの中心、または、例えばワークピースの少し上側など縦方向に位置合わせされるように、製作することができる。あるいは、磁石のアレイを、プラズマの中心に対して、または、例えばプラズマの少し上側若しくは下側に縦方向に位置合わせすることもできる。
【0023】
プラズマ処理装置10の制御システムは、装置10の様々なコンポーネントに電気的に接続され、プラズマ処理装置10をモニター、および/または、コントロールする。制御システムは、ガス供給システム24、真空システム40、冷却システム38、電圧プローブ44、46、光学プローブ48、各高周波供給源34、36、及び、電源53に、電気的に接続することが可能であって、それらの運転をコントロールするようにプログラムすることができる。
【0024】
制御システムは、プローブ44、46、48及びシステム・コンポーネント24、34、36、38、40、53に対して、コントロール信号を送り、それらから入力信号(例えば、フィードバック信号)を受け取る。制御システムは、ワークピースのプラズマ処理をモニターし、コントロールすることができる。電源53をコントロールすることによって、制御システムは、コイル・マグネット51のアレイを構成している各コイル・マグネットへの電力を伝達をコントロールし、それによって、プラズマに作用させる磁場の性質をコントロールすることができる。
【0025】
制御システム60は、コンピュータ・システムによって構成することができる。そのコンピュータ・システムは、プロセッサ、当該プロセッサによってアクセス可能なコンピュータ・メモリ(ここで、当該メモリは、指示及びデータを貯えるために適したものであり、例えば、ランダムアクセス・メモリなどのようなプライマリー・メモリ、ディスクドライブなどのようなセカンダリー・メモリ)、及び、当該プロセッサとの間で通信をするデータ入力及び出力の能力を有することができる。
【0026】
本発明の方法を、プラズマ処理システムの例を参照しながら説明する。このプラズマ処理システムの運転は、図1を参照することによって理解することができる。処理対象のワークピース(または基板)62は、チャック型電極アセンブリ20によって提供される支持面の上に置かれる。制御システムは、真空システム40を起動させ、この真空システム40は、最初、プラズマ・チャンバ14の内部16の圧力をベース圧力(典型的には、10−7Torr〜10−4Torr)まで低下させ、チャンバ14の真空保持能力及びクリーン度を確認する。
【0027】
制御システムは、次いで、チャンバの圧力を、プラズマの形成及びプラズマによるワークピース62の処理のために適切なレベルまで上昇させる(適切な内部圧力は、例えば、約1mTorrから約1000mTorrの範囲である)。前記チャンバの内部16を適切な圧力にするために、制御システムは、前記ガス供給システム24を起動して、ガス導入ラインを介して前記チャンバの内部16へ所定のプロセス流速でプロセスガスを供給し、また、必要な場合には、ゲートバルブ(図示せず)を用いて真空システム40が絞られる。プロセスガスは、図1中で矢印Gで示されているように、ポートを通って第一の電極アセンブリの中に流れ込むことができる。
【0028】
ガス供給システム24に含まれる特定のガス(一種類または複数種類)は、特定のプラズマ処理アプリケーションに依存する。例えば、プラズマエッチング・アプリケーションの場合には、ガス供給システム24は、塩素、臭化水素、オクタフルオロシクロブタン(octafluorocyclobutane)、または、他の様々なフルオロカーボン化合物のガスを供給することができる。CVDアプリケーションの場合には、ガス供給システム24は、シラン、アンモニア、タングステン・テトラクロライド、チタン・テトラクロライド、またはそれらと同様なガスを供給することができる。
【0029】
CVDの際には、半導体ウエーハの上に金属薄膜、半導体薄膜または絶縁体薄膜(即ち、導電性、半導電性または絶縁性材料)を形成するために、プラズマを使用することができる。プラズマ−エンハンストCVDでは、所望の材料を堆積させるために必要となる反応エネルギーを供給するためにプラズマを使用する。
【0030】
制御システムは、次いで、第一及び第二の電極アセンブリ18、20に対応する高周波供給源34,36を起動する。高周波電源34、36は、対応する電極18、20に、選択された周波数で、電圧を供給することができる。制御システムは、プラズマ処理作業の最中に、周波供給源34、36をそれぞれ独立にコントロールして、例えば、周波数、および/または、各電源34、36が対応する電極アセンブリ18、20を駆動する電圧の大きさを調整することができる。
【0031】
高周波電源34、36は、低い圧力のプロセスガスをプラズマに変えるために運転することができる。電源34、36は、例えば、第一の電極18と第二の電極20の間に、交流電場を発生させるために運転することが可能であリ、それによって、それらの電極18、20の間の電子に電子の流れを生じさせる。例えば、電子は、この電場の中で加速され、その中で熱せられた電子の流れは、電子とガスの原子及び分子との間の多重衝突によりその運動エネルギーをそれに伝達することによって、プロセスガスの各原子及び分子をイオン化する。このプロセスによりプラズマ54が形成され、チャンバ14の中に閉じ込められて保持される。
【0032】
各高周波供給源34、36は、制御システムによって互いに独立にコントロールすることができるので、電源は、比較的低い周波数(即ち、550kHz未満の周波数)、中間の周波数(即ち、13.56MHz程度の周波数)、または、比較的高い周波数(60〜150MHz程度)のいずれでも運転することが可能である。エッチング用リアクタの例においては、第一の電極アセンブリ18のための高周波供給源34は、周波数60MHzで運転することが可能であり、第二の電極アセンブリ20のための高周波供給源36は、周波数2MHzで運転することが可能である。
【0033】
より一般的には、上記のリアクタ(あるいは、1または2以上の周波数で運転される1または2以上の電極を有するプラズマ処理装置の性能を改善するために、制御システムは、プログラムされ且つ運転され、それによって、ワークピースの処理の最中に1または2以上の磁場をプラズマに作用させ、その結果、磁場の性質(例えば、磁場の形態及び方向、磁場の強さ、磁場の持続時間、その他)をコントロールする。
【0034】
本発明によれば、動く部分を有していない単一の磁石のアレイ51を用いて、多数の可能な磁場形態を作り出すことが可能になる。図2及び3に、マグネット・システムを用いてプラズマ54に作用させることができる二つの磁場形態を示す(プラズマ54は、図1中のみに概略的に示されている)。図2は、交差型の磁場形態を示し、図3は、バケット形状の磁場形態を示す。
【0035】
例示されている交差型の磁場形態は、非直線状の(即ち、アーチ状の)磁力線を有している。この交差型の磁場形態は、プラズマの均一性を改善するために使用することができる。プラズマの均一性を増大することによって、単一の基板62に対するプロセスの均一性を増大させ、また、装置10で順に処理される複数の基板の間のプロセスの均一性を増大させる。電磁石のアレイ51は、下記の方法で、交差型の磁場形態を回転させるように運転することができる。バケット形状の磁場形態(図3)をプラズマに作用させることによって、プラズマの壁によるロスを減少させ、プラズマ密度を増大させる。
【0036】
所望の磁場形態を作り出すために、コイル・マグネット51A〜Lに電力を供給する電源53を実現するための回路68の例は、図4の中に概略的に示されている。特に、任意波形の発生装置70A〜Lのシリ−ズの中のそれぞれは、対応するアンプ71A〜Lを介して、電磁石のシステムのコイル・マグネット51A〜L(図4の中には示されていない)のそれぞれに電気的に接続されている。
【0037】
各任意波形の発生装置70A〜Lを、(図4中に示されていない電気的接続を介して)制御システムに電気的に接続することができる。制御システム60を、前記任意波形の発生装置70A〜Lのそれぞれを互いに独立にコントロールするようにプログラムすることが可能であり、それによって、それぞれの発生装置から、それぞれ対応するコイル・マグネット51A〜Lに伝達するための、任意の形状、強度及び位相の電流波形を発生させ、その結果、それぞれ対応するコイル・マグネット51A〜Lに極性を与えて、前記プラズマに作用する磁場を作り出すことができる。
【0038】
任意波形の発生装置70の全ては、単一の低電力リファレンス信号源72に対してフェーズ・ロックすることができる。各発生装置70は、リファレンス信号源72からのリファレンス信号に対して、その出力の位相をシフトさせることができる。
【0039】
図4の電源の配置は、制御システム(任意波形の発生装置70A〜Lのシリーズによって動作する)が、各コイル・マグネット51に互いに独立した電流波形を供給することを可能し、その電流波形の波形、強度、位相及び周期は、シリーズになっている他の全ての任意波形の発生装置によって発生させられる電流波形に対して独立である。このように、リファレンス信号源72からのリファレンス信号は、任意波形の発生装置のシステムからコイル・マグネット51に伝達される電流波形を同期させるために使用される。
【0040】
制御システムは、各任意波形の発生装置70のそれぞれについて独立にプログラムすることが可能であり、それによって、リファレンス信号源72からのリファレンス信号にロックされたスタート位相に関して異なる波形を発生させる。このような配置は、例えば、プラズマに2以上の磁場形態を作用させる際に、大きなフレキシビリティを提供する。この配置は、制御システムが、プラズマ処理作業の最中に、例えば、互いに連続している二つの磁場形態を特定の基板に作用させることを可能にする。このような二つの磁場形態は、互いに同一にすることも、互いに相違させることも可能である。磁場形態は、静止したものであっても回転するものであっても可能である。
【0041】
例えば、このような配置(即ち、各コイル・マグネットに対して別々の任意波形の発生装置を使用すること)は、オペレータが制御システムをプログラムし、それによって、処理作業の最中に、静止した磁場形態(例えば、方位角に関して)、及び、回転型の磁場形態をプラズマに作用させることを可能にする。それぞれの作用させる磁場形態は、プラズマに特定の変化をもたらすように選択することができる。例えば、回転型の交差型の磁場形態は、プラズマの均一性を改善するために使用される。
【0042】
他の例として、このような配置はまた、例え作用させる磁場が回転しているとしても、処理チャンバ内の特定の位置に作用するローカルな磁場(例えば、低い磁場または高い磁場の領域)が存在するように、波形が形成されることを可能にする。このようなローカルな磁場は、プラズマの特性の方位角によるバラツキを修正するために使用することが可能である。そのようなバラツキは、例えば、非対称的なガスの吹き込み及びプラズマのポンピングに起因している。
【0043】
電源53として使用可能な他の回路76が、図5の中に概略的に示されている。単一の任意波形の発生装置77がアンプ7lA〜Lのシリーズを駆動し、それぞれが、対応するコイル・マグネット(図5の中には示されていない)に電流を供給する。位相遅延回路78が、前記任意波形の発生装置と、前記アンプの一つを除く全てとの間に結合される。基本的に同一の信号が、各コイル・マグネット51A〜Lに送られるが、唯一の相違点は、上記の位相遅延回路の存在のために各信号の位相が互いに異なっていることである。従って、回路76は、例えば、コイル・マグネット51に与えられる電流波形が、同一の波形及び周期を有し、位相のみが互いに異なるように使用することができる。
【0044】
電力供給回路76は、方向が変化する回転型の磁場形態または磁場形態を供給することができる。電力供給回路76によって形成され回転さる磁場形態は、コイル・マグネットに伝達される電流波形の形状、コイル・マグネット・システムの中のコイル・マグネットの相対的位置の数、各コイル・マグネット51の相対強度、及び、電流信号の間の位相差などの、幾つかのファクターに依存している。制御システムを、回路76の任意波形の発生装置70をコントロールするようにプログラムすることによって、例えば、非直線的な(例えば、アーチ型の)磁力線を有する回転型の交差型の磁場形態を作り出すことが可能である。
【0045】
<運転>
制御システムは、いずれかの(または全ての)コイル・マグネット51に定常的な電流を流すことができる。制御システムは、また、いずれかの(または全ての)コイル・マグネット51に、時間的に変化する電流を流すこともできる(例えば、電力供給回路68を使用して)。コイル・マグネット51を通る、定常的な、および/または、時間的に変化する電流の分布は、前記プラズマに作用する磁場形態を決定し、磁場形態の時間による変化を決定する。適切な電流波形は、コイル・マグネット51に送られ、前記プラズマに作用する磁場を、例えば、回転させる。
【0046】
各コイル・マグネット51A〜Lに供給される電流波形は、各コイルを放射状に分極させる。放射状の分極の最中に、各コイル・マグネットの両側の端部は、北及び南の磁気分極を取ると想定される。一般的に、磁力線は、コイル・マグネット51の両極の間で伸びる。各コイル内の電流の流れの方向は、各コイル・マグネットの分極方向を決定する。コイル・マグネットの中を流れる電流の大きさは、各コイル・マグネットにより形成される磁場の強度、前記プラズマに作用する磁場の強度を決定する。
【0047】
磁石のアレイの他の配置も可能である。例えば、各コイル・マグネット51の軸は、リアクタ例10の中の電極アセンブリ18、20の間を伸びる仮想軸から放射状に伸びているが、他の配置も可能である。例えば、各コイル・マグネット51は、その軸がリアクタ10に対して垂直になるように配置することもできる。垂直方向に向けられた各コイルは、エア・コイルでも良いし、コア材の周囲に巻き付けたコイルでも良い。各コイルがコア材料の周囲に巻き付けられる場合、各コアは、個別の構造であっても良いし、あるいは、リングまたはヨークなどの連続構造の一部を形成しても良い。
【0048】
このような垂直の配置は、幾つかの不利な点を有している(リアクタ例10の中の放射状の配置と比較して)。例えば、放射状に伸びる電磁石のアレイが磁場を発生させるために使用される場合、磁力線の大半がチャンバに入る。しかしながら、垂直の配置が使用された場合には、磁力線の大半は、プラズマ・チャンバ14の外側に沿って流れる、そのような傾向は、コイルがプラズマ・チャンバを取り囲むヨークの周囲に巻き付けられた場合に強まり、垂直に配置された各コイルの側面からの比較的少量の“リーク”または“外縁部分”がプラズマ・チャンバ14の中に入る。
【0049】
このように、垂直の配置は、チャンバの中のプラズマに磁場を作用させるために、垂直な各コイルの側面の外縁部の磁場に依拠することになる。コイルの垂直の配置を使用するマグネット・システムは、プラズマに磁場を作用させるために、外縁部の磁場に依拠しているので、特定の磁場強度を有する特定の形態を作り出す際に、同じ磁場強度を有する同じ形態を作り出すために放射状の配置を使用する場合と比較して、より多くの電力を必要とする。放射状に配置されたマグネット・システムは、垂直に配置されたマグネット・システムと比較して、より少ない電流を使用する。
【0050】
垂直の配置は、各コイルの側面から出る磁力線に依拠しているので、各コイルは、チャンバに磁力線を発射し、磁力線は、例えば、その反対側から出てチャンバの外へ離れる。外側を取り囲む構造には、また、プラズマ処理装置を取り囲んでいる領域を磁場からシールドすることが要求される。垂直に向けられた電磁石が、例えば、ヨークの周囲に巻きつけられる場合、もし、装置を取り囲む領域を磁場からシールドする必要があるときには、第二の透磁性のシールドが必要になる。
【0051】
第二の透磁性のシールド、あるいは、その他の磁束をシールド構造は、例えば、図1及び2に示された配置例においては必要にならない。その理由は、上記の構造57は、磁束を伝達する機能及び磁束をシールドする機能の双方を実現するからである。
【0052】
図2、3及び6に、コイル・マグネット51A〜Lを用いて、前記プラズマに作用させることができる磁場形態の例を示す。各コイル・マグネット51A〜Lの中を流れる電流の方向は、図2、3及び6中の方向を示す矢印で示されている。各コイル・マグネットの中の電流の相対的な大きさは、大雑把に、図2、3及び6中の方向を示す矢印の相対的なサイズで示されている。方向を示す矢印が無いことは、対応するコイル・マグネット51の中の瞬間的な電流の大きさがゼロであることを示している。鉄のリング構造57は、各形態において磁力線を閉じる。
【0053】
回転式で交差型の磁場形態を、例えば、電力供給回路68または76のいずれかを使用することによって、プラズマに作用させることができる。例えば、回転方向に関して前側のコイル、即ち磁場形態回転方向に対して反対側のコイルに対して位相がシフトされた複合電流波形を、各コイル・マグネット51に対して供給することができる。このような方法は、コイル・マグネットのいずれをも機械的に回転させること無く、交差型の磁場形態を回転させることを可能にする。
【0054】
図2は、時間の特定の瞬間における回転型で交差型の磁場形態を示す。この瞬間において、コイル・マグネット51A及び51Bに、互いに逆方向で、比較的大きな量の電流が流れる。コイル・マグネット51L及び51Gには、互いに逆方向で、コイル・マグネット51A及び51B内の電流と比較して小さな量の電流が流れる。そして、コイル・マグネットの対51Kと51D、51Jと51E、及び、51Iと51Fには、互いに逆方向で、順により小さいな量の電流が流れる(その様子は、前記方向を示す矢印の相対的なサイズで表わされている)。非直線的な磁力線は、処理チャンバ14内のアーチ状の矢印で示されているように、一般的に、各一対のコイル・マグネットのコイルの間で伸びる。コイル・マグネット51H及び51Gを流れる電流は、瞬間的に大きさゼロになり得る(それは、例えば、作用させるようとしている正確な磁場に依存する)。
【0055】
また、図2から次のことが分かる。磁力線は、一般的に、チャンバの一方の側のコイル・マグネット51A、51L、51K、51J及び51Iから、チャンバの反対の側のそれぞれ対応するコイル・マグネット51B、52C、51D、51B及び51Eへ伸びる。電流の(チャンバの反対の側の)大きさの減少は、事実上、約11時の方位角位置から約5時の方位角位置へ向かって増大する強度の磁場勾配を作り出す。この勾配は、ExBドリフトを補償するのに役立つ。
【0056】
ExBドリフトは、もし、均一な磁場がプラズマ・チャンバ14をワークピースに対して平行に横切り、これに対して、ワークピースに対して垂直な電場がチャンバの中に存在する場合に発生し得る。これらの電磁石による磁場のベクトル積は、ワークピースに対して平行で、双方の磁力線のセットに対して垂直である。これは、前記ベクトル積の方向(即ち、好ましい方向)に向かわせるという結果をもたらし、このことは、前記プラズマ・チャンバの一つのエリア(あるいは、コーナー)の中のプラズマの密度を高める。これは、ワークピースの処理の不均一性という結果をもたらし、それは、好ましくない。このようなExBドリフトを修正するために、磁場形態 が回転される。
【0057】
しかしながら、もし、磁場形態が均一であったとすると、回転型の前記磁場は、単に、プラズマの周囲を回る“ホット・スポット”(電子密度が相対的に高い領域)の原因となる。このような効果を修正するため、前記磁場形態の磁力線は曲線状に形成されており、それによって、電子を十分にファン・アウト("fan out")させて、ホット・スポット効果を減少させることになる。
【0058】
図3に、バケットタイプの磁場形態(あるいは、バケット形状の磁場形態)を示す。これは、チャンバ14の壁の周囲に磁気的なバケット("bucket")を形成する。この形態は、チャンバの中心に向かって伸びる磁力線のアーチ状の環形部を作り出す。これらの環形部は、チャンバの中心の中にプラズマを集中させると言う傾向を備えている。これは数々の利点をもたらす。その中には、例えば、チャンバの側壁及びチャンバ14内の他の表面に衝突するプラズマ・パーティクルの数を減少させ、且つ、プラズマ密度を増大させる(プラズマを狭い空間に閉じ込めることによる)と言う傾向が含まれる。プラズマ密度が増大するに従って、例えば、エッチングまたは堆積の速度が速くなる。ワークピースの処理が速くなるのに伴い、例えば、半導体の製造における商業的生産性が増大する。
【0059】
図3の中に示されているように、前記バケット形状の磁場形態は、アレイ状のコイル・マグネット51の内の互いに隣接する各対に同じ大きさで逆極性の電流(即ち、逆方向の電流)を流すことによって実現することができる。リアクタ12もまた、回転または振動するバケット形状を有する磁力線を作り出すことにより構成することができる。
【0060】
図6に、プラズマに回転型のバケット形状の磁場形態を作用させるための装置80の概略図を示す。この装置80は、装置12とほぼ同一であり、相違点は、そのチャンバ14の周囲に取り付けられたコイル・マグネットの数のみである。これら二つの実施形態12及び80の間で同じ構造に対して同じ参照符号が付されており、それらについての説明は省略する。
【0061】
前記チャンバ14の周囲に取り付けられたコイル・マグネットの数は、マグネット・システムによって作り出される磁場の分解能を決定する。即ち、周囲に配置されるコイル・マグネットの数が増加するに従って、チャンバの壁の内側を覆うバケット形状の磁場形態が細かくなる。“周囲の”磁場(即ち、壁に隣接する部分の磁場)をより良くコントロールするために、かなり多数のかなり小さいコイルが装置80のチャンバ14の周囲に取り付けられる。
【0062】
高い分解能の磁場が要求させるときには、互いに隣接するコイル・マグネット51のコアの内側の端部が互いに接触する寸前までになる。その様子は、図6に示されている。この装置80は、例えば、前記装置12と比べて二倍の数のコイル・マグネット51がチャンバの周囲に取り付けられているので、この装置80は、前記装置12を用いて実現されるバケット形状の磁場形態と比べて、高い分解能を実現するように運転することが可能である。使用されるコイルの数は、要求される磁場の分解能に依存する。一般的に、磁石の数が多くなるに従って磁場の分解能が高くなる。
【0063】
前記環状部の長さは、マグネットを組み合わせ、二つ、三つなど数を増やして運転することによって増大させることができる。即ち、バケット形状の磁場形態を作り出すために電磁石51を二つ組み合わせて運転するときには、各瞬間において、コイル51A及びBの中を流れる電流の大きさ及び方向を、互いに同一にする。同様に、コイル51C及びDの中を流れる電流の大きさ及び方向も、互いに同一にする。このようにして、コイル51A、51B(及び、コイル51C及び51D、以下、同様)は、事実上、単一のコイルとしての機能を果たす。チャンバの中に伸びるバケット形状の磁場形態の環形部が長くなるに従って、プラズマがプラズマ・チャンバ14の中心に向かってより強く絞られ、それによって、プラズマ密度及び反応速度が増大する。
【0064】
この装置80は、また、回転するまたは振動するバケット形状の磁場形態を作り出すために運転すること(例えば、図5の回路76を使用して)も可能であり、その磁場形態は、図3に示されている非回転型のバケット形状の磁場形態と同じ分解能を有している。しかし、この装置は、重なり合った環状部のパタ−ンを作り、そのようなパターンは、プラズマをより均一に絞る傾向を有する(図3の磁場形態と比較して)。
【0065】
以下に記載された例の方法に従って作られるバケット形状の磁場形態もまた、有利な効果を奏する。その理由は、いずれの時点においても、少なくとも幾つかの場所が、非ゼロの瞬間的な磁場強度を有しているからである。即ち、各時点において、処理チャンバの中の幾つかの場所において、作用している磁場が常に非ゼロになっている。
【0066】
振動型または回転型のバケット型の磁場は、有利な効果を奏する。その理由は、そのような磁場によって、磁力線が処理チャンバの壁(単数または複数)を同一の場所(単数または複数)で常に叩くことが防止されるからである。もし、バケット型の磁力線が回転されておらず、従って、例えば、壁を同一の場所で常に叩くような場合には、それは、プラズマ・パーティクルを壁の中に入る磁力線に沿ってそれらの場所に向けさせ、その結果、それらの場所において壁材料の劣化をもたらす可能性がある。
【0067】
静的な磁場によってもたらされる、このような壁材料のローカルな劣化は、例えば、互いに隣接する環状部の間のような箇所において発生し得る。そのような箇所では、互いに隣接する環状部からの磁力線が一緒にチャンバ壁14の中に入る。このようにして作用させるバケット型の磁場は、静的とすることも、振動させることも、あるいは、回転させることも可能ではあるが、長い期間、プラズマに静的なバケット型(または、その他のタイプ)の磁場を作用させることは好ましくないと言うことが分かる。その理由は、それが、処理チャンバの壁にローカルな劣化をもたらすからである。
【0068】
図6に、装置80が回転型のバケット形状の磁場形態を作り出すように運転されたときの、装置80の中の電流及び磁場の瞬間的な状態を示す。図7に、前記例の回転型のバケット形状の磁場形態が作り出されている間に、四つのコイル・マグネット51を通って流れる電流の大きさを表わすグラフを示す。装置80の中の回転型のバケット形状の磁場形態は、前記装置12を用いて作用させられるものと、本質的に同じ磁場分解能を有している。
【0069】
前記コイル・マグネット51A〜Xは、基本的に、二つの別々のマグネット・システムとして運転され、それらは、それぞれ、他のマグネット・システムに対して独立にバケット形状の磁場形態を作リ出す。第一のマグネット・システムは、51A、51C、51E、51G、51I、51K、51M、51O、51Q、51S、51U及び51Wを備え、第二のマグネット・システムは、それ以外のコイル・マグネット51を備える。
【0070】
図7のグラフは、コイル・マグネット51A〜Dの中を流れる電流を示す。互いに隣接するコイル・マグネット(例えば、51Aと51B)の中の電流波形は、互いに位相が90度異なっていることが分かる。その他の全てのコイル・マグネットの中の電流(例えば、コイル・マグネット51AとCのように)は、互いに位相が180度異なっている。
【0071】
図6に、時間txの時の磁力線を示す。この時間txもまた、図7のグラフに示されている。時間txにおいて、コイル・マグネットの1つのセット(51Bと51Dを含むセット)には最大の電流が流れ、コイル・マグネットの他のセット(51Aと51Bを含むセット)では、それぞれ、電流の大きさがゼロである。各セット(例えば、51Bと51D)の中で隣接するコイルには、図6の中及び図7のグラフで表される反対方向に向いた電流方向を示す矢印で示されるように、反対方向の電流が流れる。
【0072】
図7から、各電流波形がサインカーブであることが分かる。また、図7のグラフから、上記の回転型のバケット形状の磁場形態で作り出される磁場は、前記プラズマ処理作業の最中にいずれの点においても消えないことが分かる。その理由は、電流は、いずれの瞬間のおいても、全てのコイル・マグネット51A〜Xの中でゼロになると言うことがないからである。
【0073】
上記の装置80の構造及び運転は、一つの例に過ぎない。三つ以上の独立のマグネット・システムを備えた装置を建設し、それによって、例えば、三つ以上の回転型の磁場形態を作り出すことを考えることができる。
【0074】
1または2以上の磁場形態を、特定のワークピース(例えば、半導体などのような)の処理の最中に1または2以上の磁場形態をプラズマに作用させて、処理の品質及歩留まりを改善することが可能である。例えば、半導体材料ウエーハの表面にパターンがエッチングされるエッチング作業(または、その代わりに堆積作業)の最中に、選択された磁場形態をプラズマに作用させることができる。任意波形の発生装置及びコイル・マグネット51のシステムを、磁場を作り出すために使用することができること、及び、任意波形の発生装置を制御システムによって制御することができることから、製造者は、特定の半導体材料のために、及び、特定の半導体エッチング(または、堆積)用途のために、適切な磁場形態を選択することができる
特定の用途のための最適な磁場形態の組み合わせの決定は、経験的に行うことができる。即ち、特定のタイプのウエーハの処理の最中に、特定の電流波形が1または2以上のマグネット・システムの選択されたコイル・マグネットに導入され、その結果が調べられる。エッチング/堆積の結果の品質を、エッチング/堆積プロセスの中で使用された磁場形態に照らして相関付け、または、調べることができる。
【0075】
例えば、もし、ワークピースにダメージが生じていたら、あるいは、処理の結果が均一でなかった場合には、コイル・マグネット51に導入される電流波形の分布を修正して(前記制御システムのプログラムをやり直すことにより)、前記プラズマに作用している磁場形態の、例えば、形態、強度、勾配、周期、その他を修正することができる。
【0076】
半導体をプラズマ・チャンバの中で処理するとき、その半導体は、プラズマの中の電子の均一でない濃度(高濃度または低濃度のいずれかのエリア)によって引き起こされるダメージを受け易い。プラズマの濃度の不均一性に起因して起こるダメージの大半は、処理作業の最終段階の近くで発生する。ワークピース(半導体など)の処理の最中にプラズマの非同一性から生ずるダメージを減少させるために、二つ以上の磁場形態を使用することができる。
【0077】
処理作業の第一部分の最中、(即ち)ワークピースがプラズマ密度の不均一性から比較的ダメージを受けにくいとき、1または2以上のバケット型の磁場形態をプラズマに作用させてプラズマ密度を増大させ、それによって、処理速度を増大させることができる。処理作業の初期段階において、プラズマ密度を増大させることによって、例えば、ワークピースから材料を速くエッチすることができる。次いで、プロセスの最後の近くで、そのような高速で処理を行うことが危険になった時に、他の磁場を処理チャンバに作用させ、それによって、処理作業の最後のクリティカルな段階の最中にプラズマの均一性を改善することができる。
【0078】
もう一つの例として、相対的に大きな環状場を有するバケット形状の磁場形態を、処理の初期段階の最中にプラズマに作用させることができる。次いで、中間サイズの環状場を有するバケット形状の磁場形態を、プラズマに作用させ、次いで、相対的に小さな環状場を有するバケット形状の磁場形態をプラズマに作用させることができる。処理作用の最中にバケット形状の磁場形態の環状場のサイズを減少させて行くことによって(処理時間に渡って段階的にあるいは連続的に)、処理の進行に従って、プラズマの密度を徐々にを減少させることができる。プラズマ処理の最終のクリティカルな段階の最中に、曲線の磁力線を有する回転型の交差型の磁場形態をプラズマに作用させ、それによって、プラズマ処理の最終のクリティカルな段階の最中にプラズマの均一性を増大させることができる。
【0079】
数多くの既知の原因によってプラズマの中にローカルな不均一が発生し得る。それらの原因には、ガス噴射の不均一性、プラズマに作用している高周波励起場の不均一性、プラズマ・チャンバ内のポンピングの不均一性、などが含まれる。各コイル・マグネットは、互いに独立した任意波形の発生装置で運転することができるので、磁石のアレイに送る電流の配置をコントロールするためのコントローラをプログラムして、プラズマの中のローカルな不均一性を補償することができる。このように、コントローラをプログラムして回転型の磁場を作り出し、それによって、作用させる磁場の中のローカルな不均一性を付与して、プラズマの中で生ずる密度の不均一性を補償することができる。
【0080】
上記の例では、プラズマ・チャンバの電極は、それぞれ対応する電圧供給源によって駆動されるように記載されているが、このことは、必ずしも、各電極が対応する電圧供給源によって駆動される必要であることを意味しないことが理解できるであろう。このようにして、例えば、処理の最中に、例えば、システム10の電極18、20の対の内の一つのまたは他の一つが定常的にグランド・レベルであること、あるいは、その他の静的な(即ち、変化しない)電圧レベルであること、が可能である。
【0081】
本発明の多くの特徴及び有利な効果は、詳細な説明から明らかである。従って、本発明の真の精神及び技術的範囲の中でフォローをする上記方法の、そのような特徴及び有利な効果の全てを、添付されているクレームでカバーすることが見込まれている。更に、多くの変形及び変更が当業者にとって容易であるので、図示され、説明された構造及び運転の態様のみに本発明が限定されることは意図されていない。更に、本発明の方法及び装置は、半導体技術の中で使用されている関係する装置及び方法(本来、複雑である)と同様に、しばしば、運転パラメータの適切な値を経験的に決定することによって、あるいは、所与のアプリケーションに対する最良のデザインに到達するためのコンピュータ・シミュレーションを行うことよって、最適な状態で実施される。従って、全ての適切な変形及び同等物は、本発明の精神及び技術的範囲の中に含まれると考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【0082】
【図1】本発明を説明するためのプラズマ処理システムの一例の概略図であって、このプラズマ処理システムは、プラズマ処理装置のプラズマ・チャンバ内のワークピース及びプラズマを示すとともに、外側の磁束伝達構造、及び、処理チャンバの周囲を取り囲む電磁石のアレイを示している。
【図2】図1の装置の部分の概略上面図であって、処理チャンバ、下部電極、外側の磁束伝達構造、及び、処理チャンバの周囲を取り囲む電磁石のアレイを示すとともに、処理チャンバの内側に作用している交差型の磁場形態を示している。
【図3】図2と同様な図であるが、処理チャンバの内側に作用しているバケット形状の磁場形態を示している点で図2とは異なっている。
【図4】磁石のアレイに電力を供給するための電力供給回路の例の概略図である。
【図5】磁石のアレイに電力を供給するための電力供給回路の第二の例の概略図である。
【図6】図3と同様な概略図であるが、二つの電磁石システムを用いて処理チャンバに作用させるバケット形状の磁場形態を示している点で図3と異なっている。
【図7】図6の装置の互いに隣接する四つの電磁石の中での電流の流れを示すグラフである。
【符号の説明】
【0083】
10、12、80・・・プラズマ処理装置、14・・・プラズマ・チャンバ、16・・・内部領域、18・・・第一の電極アセンブリ、20・・・第二の電極アセンブリ(チャック型電極アセンブリ)、22・・・内側チャンバ、24・・・ガス供給システム、30、32・・・マッチング・ネットワーク、34、36・・・高周波供給源、38・・・冷却システム、39、41・・・流体チャンバ、40・・・真空システム、44、46・・・電圧プローブ、48・・・光学プローブ、51、51A−L・・・電磁石(コイル・マグネット)、53・・・電源、54・・・プラズマ、55・・・コア、57・・・磁束伝達構造、59・・・壁型構造、60・・・制御システム、62・・・ワークピース(基板)、68・・・回路、電力供給回路、70A〜L・・・任意波形の発生装置、71A〜L・・・アンプ、72・・・リファレンス信号源、76・・・電力供給回路、78・・・位相遅延回路。
【Technical field】
[0001]
<Description of related applications>
This application is based on and claims the benefit of US Provisional Application No. 60 / 318,890, filed September 14, 2001. The contents of the above application are incorporated herein by reference in their entirety.
[0002]
<Field of the present invention>
The present invention relates to a plasma processing system, and more particularly to a method and apparatus for controlling a plasma property by applying a magnetic field to the plasma, thereby improving the plasma processing of a workpiece.
[Background]
[0003]
<Background of the present invention>
A plasma is a collection of charged particles that is used to remove material from or deposit material on the workpiece. Plasma is used during integrated circuit (IC) manufacturing processes, for example, when etching (ie, removing) material from or over a semiconductor substrate, or when sputtering (ie, depositing) material on a semiconductor substrate. Used for. The plasma is formed by applying a radio frequency (RE) electrical signal to the process gas contained in the plasma chamber and ionizing the particles of the process gas. The high frequency power supply is coupled to the plasma via a capacitance, via an inductance, or via both capacitance and inductance. When plasma processing a workpiece, a magnetic field can be applied to the plasma to improve the properties of the plasma, thereby improving the controllability of the workpiece for plasma processing.
[0004]
A magnetic field is sometimes used during plasma processing of the workpiece, thereby holding the plasma in the chamber or changing the nature of the plasma during plasma processing. The magnetic field can be used, for example, to hold the plasma in the chamber, thereby reducing the loss of plasma to the chamber walls and increasing the plasma density. Increased plasma density increases the number of plasma particles impinging on the workpiece, thereby improving workpiece processing. For example, the processing time required for workpiece etching is reduced. By using a magnetic field to hold the plasma, it also prevents the deposition of plasma particles on surfaces within the chamber, such as the chamber wall surfaces and electrode surfaces.
[0005]
The magnetic field is also used to improve the uniformity of the plasma distribution within the chamber. A non-uniform distribution of plasma within the plasma chamber is undesirable. The reason is that non-uniform distribution results in non-uniform processing of the workpiece. A non-uniformly distributed plasma can in some circumstances result in plasma-induced damage to the workpiece being processed in the chamber.
[0006]
Permanent magnet or electromagnet arrays are sometimes used to apply a magnetic field to the plasma. The array of permanent magnets can be arranged, for example, such that they exert a magnetic field on the plasma inside the chamber. Alternatively, it can be placed and moved (eg, by rotating with respect to the chamber) to exert a rotating magnetic field on the plasma, thereby improving plasma uniformity. The
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0007]
<Summary of the present invention>
The present invention relates to a method and apparatus that uses a magnetic field to control the processing of a workpiece by a plasma.
[0008]
<Detailed Description of the Invention>
FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of a plasma processing apparatus (or reactor) 10 of a plasma processing system. The plasma processing apparatus 10 includes a plasma chamber 14 that provides an internal region 16 for containing and holding the plasma. A plurality of electrodes can be mounted in the chamber 14 in a relationship that generates a plasma relative to each other and to the process gas in the chamber 14. These electrodes are energized and generate a plasma from the process gas in the chamber 14.
[0009]
For ease of explanation of the present invention, only two electrode assemblies are depicted in this device 10. In particular, the first electrode assembly 18 is attached to the first side of the chamber 14 (the top of the interior 16 of the chamber 14 in the example apparatus 10). The second electrode assembly is in the form of a chuck-type electrode assembly 20, the second side of the chamber 14, ie the opposite side of the first side of the chamber 14 (the lower part of the interior 16 of the chamber 14 in the example apparatus 10). ) With a space from the first electrode assembly 18.
[0010]
The first electrode assembly 18 may comprise a plurality of electrode segments, each of which is electrically isolated from the other segments and independently powered by a corresponding high frequency power source. A process gas for the selected and selected transmission is independently supplied to the inside of the plasma chamber at a predetermined flow rate. However, to simplify the description of the present invention, the first electrode assembly 18 is depicted as a single showerhead type electrode. The first electrode assembly 18 has an inner chamber 22 (represented schematically in FIG. 1 using dashed lines). The inner chamber 22 is connected to a gas supply system 24 through an air supply line or a fluid path via a gas supply line.
[0011]
A selected gas or gases can be supplied to the electrode assembly 18 so that, for example, a process gas for purging the chamber 14 or forming a plasma within the chamber interior 16 is provided. The gas is provided as (or source gas). Process gas is transferred from the chamber 22 to the interior 16 of the plasma chamber 14 via a plurality of gas ports (not shown). The gas flow through the port of the first electrode is indicated by an arrow G indicating the direction.
[0012]
The first and second electrodes 18, 20 are electrically connected to respective high frequency sources 34, 36 via corresponding matching networks 30, 32, respectively. These high-frequency supply sources 34 and 36 supply voltage signals VB1 and VB2 to the corresponding electrodes 18 and 20, respectively. Matching networks 30, 32 can be inserted between the respective high frequency power sources 34, 36 in order to maximize the power transferred to the plasma by the respective electrode assemblies 18, 20. Alternatively, the matching networks 30, 32 can be coupled to the control system.
[0013]
Each electrode assembly 18, 20 can be cooled independently using a fluid. This fluid flows from the cooling system 38 through the fluid chambers 39, 41 (shown in dashed lines), respectively, into each electrode assembly 18, 20, and then returns to the cooling system. The plasma processing apparatus 10 further includes a vacuum system 40. The vacuum system 40 is connected to the plasma chamber 16 and an air path or a fluid path via a vacuum line. The plasma processing apparatus 10 optionally includes voltage probes 44, 46 in the form of a pair of electrodes, each of which corresponds to a corresponding high frequency power supply 34, 36 and a corresponding electrode assembly 18, 20, respectively. And capacitively coupled to the transfer line.
[0014]
Examples of voltage probes are described in detail in U.S. Patent Application No. 60 / 259,862 (filed Jan. 8, 2001) and have common reference numerals, the entire application is hereby incorporated by reference. Incorporated into.
[0015]
The plasma processing apparatus 10 optionally includes an optical probe 48 that determines the nature and state of the plasma based on the spectroscopic and optical properties of the plasma.
[0016]
An electromagnet system or array 51 is mounted to surround the periphery of the plasma chamber 14. The electromagnet 51 can be operated to apply one or more magnetic fields to the plasma during the plasma processing operation of the workpiece. By applying a magnetic field, the state of the plasma is improved, thereby improving the processing of the workpiece.
[0017]
FIG. 2 shows an example of the arrangement of the plurality of electromagnets 51 with respect to the plasma chamber 14. This device example 12 includes twelve electromagnets indicated by 51A-L. Each electromagnet 51 shown is in the form of a coil magnet with a coil of conductive material. Each coil is electrically connected to a power source 53 (shown schematically in FIG. 1).
[0018]
Each coil magnet 51 of a particular array is comprised of a coil of conductive material wound around an air core (not shown), or alternatively, for example, around the core 55 of magnetically permeable material. 1 is composed of a coil of conductive material wound partially on (which is partially depicted in FIG. 1). Each core 55 can have a cylindrical cross-section (as shown in the figure), or alternatively any elongated cross-section (a device illustrating the direction of the major axis) 10 in the vertical direction).
[0019]
The direction of each axis of the coil magnet 51 is determined radially with respect to the plasma chamber 14. That is, each axis of the coil magnet 51 extends radially between the electrode assemblies 18 and 20 from a virtual axis (longitudinal direction in the reactor example 10) extending through the center of the plasma chamber 14. The outer magnetic flux transmission structure 57 can be attached to surround the array of coil magnets 51. This state is well illustrated in FIG. Each coil / magnet 51 and each core 55 is continuous with the magnetic flux transmission structure 57.
[0020]
One of the magnetic flux transmission structures 57 is an annular wall type structure. Both the outer wall structure 57 and the core 55 of each coil magnet 51 can be made of a magnetically permeable material such as iron. Each core 55 can be formed on the outer ring structure 57, or can be formed on the outer ring structure 57 after being formed separately from the wall structure 57. .
[0021]
It can be seen from FIG. 2 that each coil magnet 51 and its corresponding core 55 extend radially between the outer ring structure 57 and the wall structure 59 of the plasma chamber 14. In the apparatus example 10, the wall-type structure 59 is cylindrical and constitutes the side wall of the processing chamber. The wall-type structure 59 of the plasma chamber 14 can be made of a suitable dielectric material or a suitable metal material. If the wall-type structure 59 is made of a metal material, the magnetic field that the wall-type structure 59 acts on the plasma in the plasma chamber 14 by the coil magnet 51 by using a non-magnetic metal material for fabrication. To avoid interference.
[0022]
The array of magnets in the example apparatus 10 is aligned vertically with respect to the plasma in FIG. 1, but this longitudinal arrangement is only one example. The array of magnets can also be placed in vertical alignment with respect to the processing chamber, structure (eg, electrode), and material (eg, workpiece or plasma) contained therein. For example, the device 10 can be fabricated such that the array of magnets is aligned vertically, such as the top surface of the workpiece, the center of the workpiece, or slightly above the workpiece, for example. Alternatively, the array of magnets can be longitudinally aligned with respect to the center of the plasma or, for example, slightly above or below the plasma.
[0023]
The control system of the plasma processing apparatus 10 is electrically connected to various components of the apparatus 10 to monitor and / or control the plasma processing apparatus 10. The control system can be electrically connected to the gas supply system 24, vacuum system 40, cooling system 38, voltage probes 44, 46, optical probe 48, each high frequency supply 34, 36, and power supply 53. And can be programmed to control their driving.
[0024]
The control system sends control signals to and receives input signals (eg, feedback signals) from the probes 44, 46, 48 and the system components 24, 34, 36, 38, 40, 53. The control system can monitor and control the plasma treatment of the workpiece. By controlling the power supply 53, the control system controls the transmission of power to each coil magnet constituting the array of coil magnets 51, thereby controlling the nature of the magnetic field acting on the plasma. Can do.
[0025]
The control system 60 can be configured by a computer system. The computer system includes a processor, computer memory accessible by the processor, where the memory is suitable for storing instructions and data, eg, a primary memory such as a random access memory. A secondary memory such as a memory, disk drive, etc.) and data input and output capabilities to communicate with the processor.
[0026]
The method of the present invention will be described with reference to an example of a plasma processing system. The operation of this plasma processing system can be understood by referring to FIG. A workpiece (or substrate) 62 to be processed is placed on a support surface provided by the chucked electrode assembly 20. The control system activates the vacuum system 40, which initially sets the pressure in the interior 16 of the plasma chamber 14 to the base pressure (typically 10 -7 Torr-10 -4 Torr), and confirm the vacuum holding capacity and cleanliness of the chamber 14.
[0027]
The control system then raises the chamber pressure to a level appropriate for plasma formation and processing of the workpiece 62 with the plasma (a suitable internal pressure is in the range of, for example, about 1 mTorr to about 1000 mTorr). . In order to bring the chamber interior 16 to an appropriate pressure, the control system activates the gas supply system 24 to supply process gas at a predetermined process flow rate to the chamber interior 16 via a gas introduction line. If necessary, the vacuum system 40 is throttled using a gate valve (not shown). Process gas may flow through the port and into the first electrode assembly, as indicated by arrow G in FIG.
[0028]
The particular gas (es) contained in the gas supply system 24 depends on the particular plasma processing application. For example, for plasma etching applications, gas supply system 24 can supply chlorine, hydrogen bromide, octafluorocyclobutane, or various other fluorocarbon compound gases. For CVD applications, the gas supply system 24 can supply silane, ammonia, tungsten tetrachloride, titanium tetrachloride, or similar gases.
[0029]
During CVD, plasma can be used to form a metal thin film, semiconductor thin film or insulator thin film (ie, conductive, semiconductive or insulating material) on the semiconductor wafer. In plasma-enhanced CVD, plasma is used to supply the reaction energy required to deposit the desired material.
[0030]
The control system then activates the high frequency sources 34, 36 corresponding to the first and second electrode assemblies 18, 20. The high frequency power supplies 34 and 36 can supply voltages to the corresponding electrodes 18 and 20 at a selected frequency. During the plasma processing operation, the control system independently controls the frequency sources 34, 36 to drive, for example, the frequency and / or power supply 34, 36 to the corresponding electrode assembly 18, 20 respectively. The magnitude of the voltage can be adjusted.
[0031]
The high frequency power supplies 34, 36 can be operated to convert low pressure process gas to plasma. The power sources 34, 36 can be operated, for example, to generate an alternating electric field between the first electrode 18 and the second electrode 20, whereby between the electrodes 18, 20. This causes an electron flow to occur. For example, an electron is accelerated in this electric field, and the flow of electrons heated therein transfers the kinetic energy to it by multiple collisions between the electrons and gas atoms and molecules, thereby allowing the process gas to flow. Each atom and molecule of is ionized. This process creates a plasma 54 that is confined and held in the chamber 14.
[0032]
Since each high-frequency source 34, 36 can be controlled independently of each other by the control system, the power supply has a relatively low frequency (ie, a frequency below 550 kHz), an intermediate frequency (ie, a frequency on the order of 13.56 MHz). ) Or a relatively high frequency (about 60 to 150 MHz). In the example of the etching reactor, the high frequency source 34 for the first electrode assembly 18 can be operated at a frequency of 60 MHz and the high frequency source 36 for the second electrode assembly 20 is It is possible to operate at 2 MHz.
[0033]
More generally, in order to improve the performance of the reactor described above (or a plasma processing apparatus having one or more electrodes operated at one or more frequencies, the control system is programmed and operated. , Thereby causing one or more magnetic fields to act on the plasma during workpiece processing, so that the nature of the magnetic field (eg, magnetic field shape and direction, magnetic field strength, magnetic field duration, etc. ).
[0034]
According to the present invention, it is possible to create a large number of possible magnetic field configurations using a single magnet array 51 having no moving parts. 2 and 3 show two magnetic field configurations that can be applied to the plasma 54 using a magnet system (the plasma 54 is shown schematically only in FIG. 1). FIG. 2 shows a cross-type magnetic field configuration, and FIG. 3 shows a bucket-shaped magnetic field configuration.
[0035]
The illustrated crossed magnetic field configuration has non-linear (ie, arched) magnetic field lines. This crossed magnetic field configuration can be used to improve plasma uniformity. Increasing the plasma uniformity increases the process uniformity for a single substrate 62 and also increases the process uniformity among multiple substrates that are sequentially processed by the apparatus 10. The electromagnet array 51 can be operated to rotate the intersecting magnetic field configuration in the following manner. By applying a bucket-shaped magnetic field configuration (FIG. 3) to the plasma, the loss due to the plasma wall is reduced and the plasma density is increased.
[0036]
An example of a circuit 68 for implementing a power supply 53 that supplies power to the coil magnets 51A-L to create the desired magnetic field configuration is shown schematically in FIG. In particular, each of the series of arbitrary waveform generators 70A-L is shown in FIG. 4 as coil magnets 51A-L of the electromagnet system via corresponding amplifiers 71A-L. Is not electrically connected).
[0037]
Each arbitrary waveform generator 70A-L can be electrically connected to a control system (via electrical connections not shown in FIG. 4). The control system 60 can be programmed to control each of the arbitrary waveform generators 70A-L independently of each other so that the respective coil magnets 51A-L can be controlled from the respective generators. A current waveform having an arbitrary shape, intensity, and phase is transmitted to the coil, and as a result, a polarity is given to the corresponding coil magnets 51A to 51L to create a magnetic field that acts on the plasma.
[0038]
All of the arbitrary waveform generator 70 can be phase locked to a single low power reference signal source 72. Each generator 70 can shift the phase of its output with respect to the reference signal from the reference signal source 72.
[0039]
The power supply arrangement of FIG. 4 allows the control system (operated by the series of arbitrary waveform generators 70A-L) to supply independent current waveforms to each of the coil magnets 51. Waveform, intensity, phase and period are independent of the current waveform generated by all other arbitrary waveform generators in series. Thus, the reference signal from the reference signal source 72 is used to synchronize the current waveform transmitted to the coil magnet 51 from the system of the arbitrary waveform generator.
[0040]
The control system can be independently programmed for each arbitrary waveform generator 70, thereby generating a different waveform with respect to the start phase locked to the reference signal from the reference signal source 72. Such an arrangement provides great flexibility, for example, when applying more than one magnetic field configuration to the plasma. This arrangement allows the control system to apply, for example, two consecutive magnetic field configurations to a particular substrate during the plasma processing operation. Such two magnetic field configurations can be the same or different from each other. The form of the magnetic field can be stationary or rotating.
[0041]
For example, such an arrangement (ie, using a separate arbitrary waveform generator for each coil magnet) allows the operator to program the control system so that it remains stationary during processing operations. A magnetic field configuration (eg, with respect to azimuth) and a rotating magnetic field configuration can be applied to the plasma. Each applied magnetic field configuration can be selected to produce a specific change in the plasma. For example, a rotating, crossed magnetic field configuration is used to improve plasma uniformity.
[0042]
As another example, such an arrangement may also have a local magnetic field (eg, a low or high magnetic field region) acting at a specific location within the processing chamber, even if the acting magnetic field is rotating. To allow the waveform to be formed. Such a local magnetic field can be used to correct variations in plasma characteristics due to azimuth. Such variations are caused, for example, by asymmetric gas injection and plasma pumping.
[0043]
Another circuit 76 that can be used as the power supply 53 is shown schematically in FIG. A single arbitrary waveform generator 77 drives a series of amplifiers 7lA-L, each supplying current to a corresponding coil magnet (not shown in FIG. 5). A phase delay circuit 78 is coupled between the arbitrary waveform generator and all but one of the amplifiers. Basically, the same signal is sent to each of the coil magnets 51A to 51L, but the only difference is that the phases of the signals are different from each other due to the presence of the phase delay circuit. Therefore, the circuit 76 can be used so that, for example, the current waveform applied to the coil magnet 51 has the same waveform and period, and only the phases are different from each other.
[0044]
The power supply circuit 76 can supply a rotating magnetic field form or a magnetic field form whose direction changes. The form of the magnetic field formed and rotated by the power supply circuit 76 includes the shape of the current waveform transmitted to the coil magnet, the number of relative positions of the coil magnet in the coil magnet system, and the relative position of each coil magnet 51. It depends on several factors such as the intensity and the phase difference between the current signals. By creating a control system to control the generator 70 of the arbitrary waveform of the circuit 76, for example, creating a rotating, crossed magnetic field configuration with non-linear (eg, arched) magnetic field lines Is possible.
[0045]
<Driving>
The control system can pass a steady current through any (or all) coil magnets 51. The control system can also cause any (or all) coil magnets 51 to pass a time-varying current (eg, using the power supply circuit 68). The distribution of the steady and / or time-varying current through the coil magnet 51 determines the magnetic field form acting on the plasma and determines the change in the magnetic field form over time. An appropriate current waveform is sent to the coil magnet 51 to rotate the magnetic field acting on the plasma, for example.
[0046]
The current waveform supplied to each coil magnet 51A-L polarizes each coil radially. During radial polarization, the ends on either side of each coil magnet are assumed to take north and south magnetic polarization. In general, the lines of magnetic force extend between the two poles of the coil magnet 51. The direction of current flow in each coil determines the polarization direction of each coil magnet. The magnitude of the current flowing through the coil magnet determines the strength of the magnetic field formed by each coil magnet and the strength of the magnetic field acting on the plasma.
[0047]
Other arrangements of magnet arrays are possible. For example, the axis of each coil magnet 51 extends radially from a virtual axis extending between the electrode assemblies 18 and 20 in the example reactor 10, but other arrangements are possible. For example, each coil magnet 51 can be arranged so that its axis is perpendicular to the reactor 10. Each coil oriented in the vertical direction may be an air coil or a coil wound around the core material. When each coil is wound around a core material, each core may be a separate structure or may form part of a continuous structure such as a ring or yoke.
[0048]
Such a vertical arrangement has several disadvantages (compared to the radial arrangement in example reactor 10). For example, if an array of radially extending electromagnets is used to generate a magnetic field, most of the magnetic field lines enter the chamber. However, when a vertical arrangement is used, the majority of the magnetic field lines flow along the outside of the plasma chamber 14, such a tendency when the coil is wrapped around a yoke surrounding the plasma chamber. A relatively small amount of “leak” or “outer edge” from the side of each vertically arranged coil enters the plasma chamber 14.
[0049]
Thus, the vertical arrangement will rely on the magnetic field at the outer edge of the side of each vertical coil to exert a magnetic field on the plasma in the chamber. Magnet systems that use a vertical arrangement of coils rely on the magnetic field at the outer edge to exert a magnetic field on the plasma, so the same magnetic field strength is created when creating a specific form with a specific magnetic field strength. More power is required compared to using a radial arrangement to create the same form with A radially arranged magnet system uses less current compared to a vertically arranged magnet system.
[0050]
Since the vertical arrangement relies on the magnetic field lines emanating from the sides of each coil, each coil fires a magnetic field line into the chamber, which e.g. exits from the opposite side and leaves the chamber. The structure surrounding the outside is also required to shield the area surrounding the plasma processing apparatus from the magnetic field. If a vertically oriented electromagnet is wound, for example, around the yoke, a second permeable shield is required if the area surrounding the device needs to be shielded from the magnetic field.
[0051]
A second magnetically permeable shield or other magnetic flux shield structure is not required, for example, in the arrangement shown in FIGS. The reason is that the structure 57 realizes both a function of transmitting magnetic flux and a function of shielding magnetic flux.
[0052]
FIGS. 2, 3 and 6 show examples of magnetic field forms that can be applied to the plasma using coil magnets 51A-L. The direction of the current flowing through each of the coil magnets 51A-L is indicated by an arrow indicating the direction in FIGS. The relative magnitude of the current in each coil magnet is roughly indicated by the relative size of the arrows indicating the direction in FIGS. The absence of a direction arrow indicates that the instantaneous current magnitude in the corresponding coil magnet 51 is zero. The iron ring structure 57 closes the lines of magnetic force in each configuration.
[0053]
A rotating, crossed magnetic field configuration can be applied to the plasma, for example, by using either power supply circuit 68 or 76. For example, a composite current waveform whose phase is shifted with respect to the coil on the front side with respect to the rotation direction, that is, the coil on the opposite side with respect to the rotation direction of the magnetic field form can be supplied to each coil magnet 51. Such a method makes it possible to rotate the cross-type magnetic field configuration without mechanically rotating any of the coils and magnets.
[0054]
FIG. 2 shows a rotating and intersecting magnetic field configuration at a specific moment in time. At this moment, a relatively large amount of current flows through the coil magnets 51A and 51B in opposite directions. A small amount of current flows through the coil magnets 51L and 51G in opposite directions compared to the current in the coil magnets 51A and 51B. The coil magnet pairs 51K and 51D, 51J and 51E, and 51I and 51F have smaller amounts of current flowing in opposite directions in order (the state is relative to the arrow indicating the direction). Is represented in a size). Non-linear magnetic field lines typically extend between the coils of each pair of coil magnets, as indicated by arcuate arrows in the processing chamber 14. The current flowing through the coil magnets 51H and 51G can be instantaneously zero in magnitude (which depends, for example, on the exact magnetic field that is to be applied).
[0055]
Moreover, the following is understood from FIG. The field lines generally extend from coil magnets 51A, 51L, 51K, 51J and 51I on one side of the chamber to corresponding coil magnets 51B, 52C, 51D, 51B and 51E on the opposite side of the chamber, respectively. . The reduction in magnitude of the current (on the opposite side of the chamber) effectively creates a strong magnetic field gradient that increases from an azimuth position of about 11 o'clock to an azimuth position of about 5 o'clock. This slope helps to compensate for ExB drift.
[0056]
ExB drift can occur if a uniform magnetic field traverses the plasma chamber 14 parallel to the workpiece, whereas an electric field perpendicular to the workpiece is present in the chamber. The vector product of the magnetic fields by these electromagnets is parallel to the workpiece and perpendicular to both sets of magnetic field lines. This results in the direction of the vector product (i.e., the preferred direction), which increases the density of the plasma in one area (or corner) of the plasma chamber. This results in non-uniform workpiece processing, which is undesirable. To correct such ExB drift, the magnetic field morphology is rotated.
[0057]
However, if the magnetic field form is uniform, the rotating magnetic field simply causes “hot spots” (regions with relatively high electron density) around the plasma. In order to correct this effect, the magnetic field lines of the magnetic field form are curved, thereby sufficiently fanning out electrons ("fan out") to reduce the hot spot effect. become.
[0058]
FIG. 3 shows a bucket-type magnetic field configuration (or a bucket-shaped magnetic field configuration). This forms a magnetic bucket around the wall of the chamber 14. This configuration creates an arcuate annulus of magnetic field lines extending toward the center of the chamber. These annulus tend to concentrate the plasma in the center of the chamber. This brings a number of advantages. Among them, for example, the tendency to reduce the number of plasma particles impinging on the chamber sidewalls and other surfaces in the chamber 14 and increase the plasma density (by confining the plasma in a narrow space). Is included. As the plasma density increases, for example, the rate of etching or deposition increases. As workpieces are processed faster, for example, commercial productivity in semiconductor manufacturing increases.
[0059]
As shown in FIG. 3, the bucket-shaped magnetic field configuration has the same magnitude and opposite polarity current (i.e., reverse direction) in each pair of adjacent coil magnets 51 in the array. This can be realized by flowing a current. The reactor 12 can also be constructed by creating magnetic field lines having a bucket shape that rotates or vibrates.
[0060]
FIG. 6 shows a schematic view of an apparatus 80 for applying a rotating bucket-shaped magnetic field form to plasma. This device 80 is substantially the same as the device 12, the only difference being the number of coil magnets attached around the chamber 14. The same reference numerals are given to the same structures between these two embodiments 12 and 80, and description thereof will be omitted.
[0061]
The number of coil magnets mounted around the chamber 14 determines the resolution of the magnetic field produced by the magnet system. That is, as the number of coil magnets arranged around increases, the bucket-shaped magnetic field form covering the inside of the chamber wall becomes finer. In order to better control the “ambient” magnetic field (ie, the magnetic field in the part adjacent to the wall), a fairly large number of fairly small coils are mounted around the chamber 14 of the device 80.
[0062]
When a magnetic field with high resolution is required, the inner ends of the cores of the coil magnets 51 adjacent to each other are just before contacting each other. This is illustrated in FIG. Since this device 80 has, for example, twice the number of coil magnets 51 as compared with the device 12 mounted around the chamber, the device 80 has a bucket shape realized using the device 12. It is possible to operate so as to realize a high resolution compared to the magnetic field form. The number of coils used depends on the required magnetic field resolution. Generally, the resolution of the magnetic field increases as the number of magnets increases.
[0063]
The length of the annular portion can be increased by combining a magnet and increasing the number such as two or three. That is, when the two electromagnets 51 are operated in combination to create a bucket-shaped magnetic field form, the magnitude and direction of the current flowing in the coils 51A and 51B are made the same at each moment. Similarly, the magnitudes and directions of the currents flowing through the coils 51C and D are also the same. In this way, the coils 51A and 51B (and the coils 51C and 51D, hereinafter the same) substantially function as a single coil. As the annulus in the form of a bucket-shaped magnetic field extending into the chamber becomes longer, the plasma is more tightly squeezed toward the center of the plasma chamber 14, thereby increasing the plasma density and reaction rate.
[0064]
The device 80 can also be operated (eg, using the circuit 76 of FIG. 5) to create a rotating or oscillating bucket-shaped magnetic field configuration, which is illustrated in FIG. It has the same resolution as the non-rotating bucket-shaped magnetic field configuration shown. However, this device creates an overlapping annular pattern, and such a pattern tends to squeeze the plasma more uniformly (compared to the magnetic field configuration of FIG. 3).
[0065]
Bucket-shaped magnetic field configurations made according to the example method described below also have advantageous effects. This is because at any point in time, at least some locations have non-zero instantaneous magnetic field strengths. That is, at each point in time, at several locations within the processing chamber, the acting magnetic field is always non-zero.
[0066]
An oscillating or rotating bucket magnetic field has an advantageous effect. The reason is that such a magnetic field prevents the field lines from constantly striking the processing chamber wall (s) at the same location (s). If the bucket-type magnetic field lines are not rotated, so, for example, if the wall is always struck at the same location, it will cause plasma particles to enter those locations along the magnetic field lines that enter the wall. Can result in degradation of the wall material at those locations.
[0067]
Such local degradation of the wall material caused by a static magnetic field can occur, for example, at locations such as between adjacent annular portions. At such points, the magnetic field lines from adjacent annular portions enter the chamber wall 14 together. The bucket-type magnetic field that acts in this way can be static, vibrated, or rotated, but for long periods of time it is a static bucket-type (or other type of plasma) It can be seen that it is not preferable to apply a magnetic field of the type). The reason is that it causes local degradation to the walls of the processing chamber.
[0068]
FIG. 6 shows the instantaneous state of the current and magnetic field in the device 80 when the device 80 is operated to create a rotating bucket-shaped magnetic field configuration. FIG. 7 shows a graph representing the magnitude of current flowing through the four coil magnets 51 while the rotating bucket-shaped magnetic field configuration of the above example is created. The rotating bucket-shaped magnetic field configuration in the device 80 has essentially the same magnetic field resolution as that applied using the device 12.
[0069]
The coil magnets 51A-X are basically operated as two separate magnet systems, each creating a bucket-shaped magnetic field configuration independently of the other magnet systems. The first magnet system includes 51A, 51C, 51E, 51G, 51I, 51K, 51M, 51O, 51Q, 51S, 51U and 51W, and the second magnet system includes the other coil magnets 51. Prepare.
[0070]
The graph of FIG. 7 shows the current flowing through the coil magnets 51A-D. It can be seen that the current waveforms in the adjacent coil magnets (eg, 51A and 51B) are 90 degrees out of phase with each other. The currents in all other coils and magnets (such as the coil magnets 51A and 51C) are 180 degrees out of phase with each other.
[0071]
FIG. 6 shows magnetic field lines at time tx. This time tx is also shown in the graph of FIG. At time tx, the maximum current flows through one set of coil magnets (a set including 51B and 51D), and the magnitude of current flows in the other set of coil magnets (a set including 51A and 51B). Is zero. The adjacent coils in each set (e.g. 51B and 51D) are in the opposite direction, as indicated by the arrows indicating the current direction in the opposite direction represented in the graph of FIG. 6 and FIG. Current flows.
[0072]
FIG. 7 shows that each current waveform is a sine curve. In addition, it can be seen from the graph of FIG. 7 that the magnetic field created in the above-described rotary bucket-shaped magnetic field configuration does not disappear at any point during the plasma processing operation. The reason is that the current does not become zero in all the coil magnets 51A to X at any instant.
[0073]
The structure and operation of the device 80 described above is only one example. It can be envisaged to build a device with three or more independent magnet systems, thereby creating, for example, three or more rotating magnetic field configurations.
[0074]
One or more magnetic field configurations can be applied to the plasma during the processing of a particular workpiece (such as a semiconductor) to improve processing quality and yield. It is possible. For example, a selected magnetic field configuration can be applied to the plasma during an etching operation (or alternatively a deposition operation) in which a pattern is etched on the surface of a semiconductor material wafer. Because the arbitrary waveform generator and the coil magnet 51 system can be used to create a magnetic field, and the arbitrary waveform generator can be controlled by a control system, the manufacturer can select a specific semiconductor. Appropriate magnetic field configurations can be selected for materials and for specific semiconductor etching (or deposition) applications
The determination of the optimal magnetic field configuration combination for a particular application can be made empirically. That is, during the processing of a specific type of wafer, a specific current waveform is introduced into selected coil magnets of one or more magnet systems and the results are examined. The quality of the etching / deposition results can be correlated or examined in light of the magnetic field configuration used in the etching / deposition process.
[0075]
For example, if the workpiece is damaged or the processing result is not uniform, the distribution of the current waveform introduced into the coil magnet 51 is corrected (the program of the control system is By redoing, for example, the morphology, intensity, gradient, period, etc. of the magnetic field morphology acting on the plasma can be modified.
[0076]
When processing a semiconductor in a plasma chamber, the semiconductor is susceptible to damage caused by non-uniform concentrations of electrons in the plasma (either high or low concentration areas). Most of the damage caused by plasma concentration non-uniformity occurs near the final stage of the processing operation. Two or more magnetic field configurations can be used to reduce damage resulting from plasma non-identity during processing of a workpiece (such as a semiconductor).
[0077]
During the first part of the processing operation (ie) when the workpiece is relatively less susceptible to damage due to plasma density inhomogeneities, the plasma density is increased by applying one or more bucket-type magnetic field configurations to the plasma. Thereby increasing the processing speed. In the early stages of processing operations, by increasing the plasma density, for example, material can be rapidly etched from the workpiece. Then, near the end of the process, when it becomes dangerous to process at such a high speed, another magnetic field is applied to the processing chamber, thereby during the final critical phase of the processing operation. Plasma uniformity can be improved.
[0078]
As another example, a bucket-shaped magnetic field configuration having a relatively large annular field can be applied to the plasma during the initial stages of processing. A bucket-shaped magnetic field configuration having an intermediate sized annular field can then be applied to the plasma, and then a bucket-shaped magnetic field configuration having a relatively small annular field can be applied to the plasma. By gradually reducing the size of the annular field in the form of a bucket-shaped magnetic field during the processing action (stepwise or continuously over the processing time), the plasma density is gradually reduced as the processing progresses. Can be reduced. During the final critical phase of the plasma treatment, a rotating, crossed magnetic field configuration with curvilinear magnetic field lines is applied to the plasma, thereby ensuring that the plasma is uniform during the final critical phase of the plasma treatment. Can be increased.
[0079]
A number of known causes can cause local inhomogeneities in the plasma. These causes include gas injection non-uniformity, high-frequency excitation field non-uniformity acting on the plasma, pumping non-uniformity in the plasma chamber, and the like. Each coil magnet can be operated with an arbitrary waveform generator independent of each other, so the controller for controlling the placement of the current sent to the array of magnets can be programmed to create local non-uniformities in the plasma Can be compensated. In this way, the controller can be programmed to create a rotating magnetic field, thereby providing local inhomogeneities in the applied magnetic field and compensating for density inhomogeneities occurring in the plasma. it can.
[0080]
In the above example, the electrodes of the plasma chamber are described as being driven by corresponding voltage sources, but this does not necessarily require that each electrode be driven by a corresponding voltage source. It will be understood that it does not mean something. Thus, for example, during processing, for example, one or the other of the pair of electrodes 18, 20 of the system 10 is constantly at ground level, or other static It is possible to have a voltage level that is not (ie, does not change).
[0081]
The many features and advantages of the present invention are apparent from the detailed description. It is therefore anticipated that the appended claims will cover all such features and advantages of the method of following within the true spirit and scope of the invention. Further, since many variations and modifications will be apparent to those skilled in the art, it is not intended that the invention be limited only to the structures and operating aspects shown and described. Furthermore, the methods and apparatus of the present invention often determine empirically the appropriate values of operating parameters, as well as related apparatus and methods (which are inherently complex) used in semiconductor technology. Or by performing computer simulations to arrive at the best design for a given application. Accordingly, all suitable modifications and equivalents should be considered within the spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
[0082]
FIG. 1 is a schematic diagram of an example of a plasma processing system for illustrating the present invention, the plasma processing system showing a workpiece and plasma in a plasma chamber of a plasma processing apparatus and an outer magnetic flux transfer Fig. 2 shows the structure and an array of electromagnets surrounding the periphery of the processing chamber.
FIG. 2 is a schematic top view of a portion of the apparatus of FIG. 1, showing the processing chamber, the bottom electrode, the outer magnetic flux transmission structure, and an array of electromagnets surrounding the processing chamber and within the processing chamber; The acting cross-type magnetic field form is shown.
FIG. 3 is a view similar to FIG. 2, but differs from FIG. 2 in that it shows a bucket-shaped magnetic field configuration acting inside the processing chamber.
FIG. 4 is a schematic diagram of an example of a power supply circuit for supplying power to an array of magnets.
FIG. 5 is a schematic diagram of a second example of a power supply circuit for supplying power to an array of magnets.
6 is a schematic diagram similar to FIG. 3, but differs from FIG. 3 in that it shows a bucket-shaped magnetic field configuration applied to the processing chamber using two electromagnet systems.
7 is a graph showing the current flow in four adjacent electromagnets of the apparatus of FIG.
[Explanation of symbols]
[0083]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 12, 80 ... Plasma processing apparatus, 14 ... Plasma chamber, 16 ... Internal region, 18 ... 1st electrode assembly, 20 ... 2nd electrode assembly (chuck type electrode) Assembly), 22 ... inner chamber, 24 ... gas supply system, 30, 32 ... matching network, 34, 36 ... high frequency source, 38 ... cooling system, 39, 41 ... Fluid chamber, 40 ... Vacuum system, 44, 46 ... Voltage probe, 48 ... Optical probe, 51, 51A-L ... Electromagnet (coil magnet), 53 ... Power supply, 54 ..Plasma, 55 ... core, 57 ... magnetic flux transmission structure, 59 ... wall type structure, 60 ... control system, 62 ... workpiece (substrate), 68 ... circuit, power Supply Road, 70A~L ... arbitrary waveform generator, 71A~L ... amplifier, 72 ... reference signal source, 76 ... power supply circuit, 78 ... phase delay circuit.

Claims (26)

プラズマ処理作業の最中に、プラズマ処理装置のプラズマ・チャンバの中で、プロセスガスから発生させたプラズマを用いて行われるワークピースを処理するための方法であって、
当該装置は、前記プラズマ・チャンバの周囲を取り囲むように取り付けられた電磁石のアレイを備え、
当該方法は、下記工程を備える:
前記チャンバ内でプロセスガスからプラズマを発生させ;
プラズマ・パーティクルを前記ワークピースに衝突させ;
前記電磁石に供給される電流信号の配置を選択し;
前記電磁石に各前記選択された配置を与え、それによって、プラズマ処理作業の最中に前記プラズマに一つ以上の磁場形態を作用させる。
A method for processing a workpiece performed using plasma generated from a process gas in a plasma chamber of a plasma processing apparatus during a plasma processing operation, comprising:
The apparatus comprises an array of electromagnets mounted so as to surround the plasma chamber,
The method comprises the following steps:
Generating a plasma from a process gas in the chamber;
Causing plasma particles to collide with the workpiece;
Selecting an arrangement of current signals supplied to the electromagnet;
Each electromagnet is provided with each selected arrangement, thereby causing one or more magnetic field configurations to act on the plasma during a plasma processing operation.
下記特徴を備えた請求項1に記載の方法、
磁場形態の少なくとも一つは、非回転型の磁場形態である。
The method of claim 1 comprising the following features:
At least one of the magnetic field forms is a non-rotating magnetic field form.
下記特徴を備えた請求項1に記載の方法、
磁場形態の少なくとも一つは、回転型の磁場形態である。
The method of claim 1 comprising the following features:
At least one of the magnetic field forms is a rotating magnetic field form.
下記特徴を備えた請求項3に記載の方法、
前記少なくとも一つの回転型の磁場形態は、前記プラズマのプラズマ密度の不均一性を修正し、これに対して、
前記少なくとも一つの回転型の磁場形態は、前記プラズマに作用を与える。
The method of claim 3 comprising the following features:
The at least one rotating magnetic field configuration corrects the plasma density non-uniformity of the plasma, whereas
The at least one rotating magnetic field configuration acts on the plasma.
下記特徴を備えた請求項4に記載の方法、
前記少なくとも一つの回転型の磁場形態は、交差型の磁場形態である。
The method of claim 4 comprising the following features:
The at least one rotating magnetic field form is a cross-type magnetic field form.
下記特徴を備えた請求項5に記載の方法、
前記交差型の磁場形態の磁力線は、非直線形状である。
The method of claim 5, comprising the following features:
The crossed magnetic field lines have a non-linear shape.
下記特徴を備えた請求項2に記載の方法、
前記少なくとも一つの非回転型の磁場形態は、バケット形状の磁場形態である。
The method of claim 2, comprising the following features:
The at least one non-rotating magnetic field form is a bucket-shaped magnetic field form.
下記特徴を備えた請求項1に記載の方法、
前記一つ以上の磁場形態は、交差型の磁場形態及びバケット形状の磁場形態を含む。
The method of claim 1 comprising the following features:
The one or more magnetic field configurations include a cross-type magnetic field configuration and a bucket-shaped magnetic field configuration.
下記特徴を備えた請求項1に記載の方法、
前記配置を与えることは、
プラズマ処理作業の第一部分の最中に、前記プラズマにバケット形状の磁場形態を作用させるように前記電流信号を供給すること、及び、
プラズマ処理作業の第二部分の最中に、前記プラズマに交差型の磁場形態を作用させること、を含む。
The method of claim 1 comprising the following features:
Giving the arrangement
Providing the current signal to exert a bucket-shaped magnetic field configuration on the plasma during the first part of the plasma processing operation; and
Applying a cross-type magnetic field configuration to the plasma during the second part of the plasma processing operation.
下記特徴を備えた請求項9に記載の方法、
前記プラズマ処理作業の前記第一部分の最中に、複数のバケット形状の磁場形態を前記プラズマに作用させ、それによって、プラズマ密度を所定の率に減少させる。
The method of claim 9, comprising the following features:
During the first portion of the plasma processing operation, a plurality of bucket-shaped magnetic field configurations are applied to the plasma, thereby reducing the plasma density to a predetermined rate.
下記特徴を備えた請求項10に記載の方法、
前記交差型の磁場形態の前記磁力線は、非直線形状である。
The method of claim 10 comprising the following features:
The line of magnetic force in the form of the intersecting magnetic field has a non-linear shape.
下記特徴を備えた請求項11に記載の方法、
前記交差型の磁場形態は、前記プラズマの不均一性を修正する。
12. The method of claim 11, comprising the following features:
The intersecting magnetic field morphology corrects the plasma inhomogeneity.
下記特徴を備えた請求項1に記載の方法、
磁場形態の少なくとも一つは、処理の最中にその方向を変化させる。
The method of claim 1 comprising the following features:
At least one of the magnetic field forms changes its direction during processing.
下記特徴を備えた請求項13に記載の方法、
処理の最中にその方向を変化させる前記磁場形態の少なくとも一つは、回転によってその方向を変化させる。
14. The method of claim 13, comprising the following features:
At least one of the magnetic field configurations that change its direction during processing changes its direction by rotation.
プラズマ処理作業の最中に、プラズマ処理装置のプラズマ・チャンバの中で、プロセスガスから発生させたプラズマを用いて行われるワークピースを処理するための方法であって、
当該装置は、前記プラズマ・チャンバの周囲を取り囲むように取り付けられた電磁石のアレイを備え、
当該方法は、下記工程を備える:
前記チャンバ内でプロセスガスからプラズマを発生させ;
プラズマ・パーティクルを前記ワークピースに衝突させ;
前記電磁石に電流信号の配置を供給し;
それによって、前記プラズマ処理作業の最中に、前記電磁石が、回転するバケット形状の磁場形態を前記プラズマに作用させる。
A method for processing a workpiece performed using plasma generated from a process gas in a plasma chamber of a plasma processing apparatus during a plasma processing operation, comprising:
The apparatus comprises an array of electromagnets mounted so as to surround the plasma chamber,
The method comprises the following steps:
Generating a plasma from a process gas in the chamber;
Causing plasma particles to collide with the workpiece;
Supplying a current signal arrangement to the electromagnet;
Accordingly, during the plasma processing operation, the electromagnet causes a rotating bucket-shaped magnetic field form to act on the plasma.
下記特徴を備えた請求項15に記載の方法、
前記電磁石のアレイは、
電磁石の第一のシステム及び電磁石の第二のシステムを備え、
各システムの各電磁石は、他方のシステムの電磁石の対の間に配置される。
The method of claim 15 comprising the following features:
The electromagnet array is:
Comprising a first system of electromagnets and a second system of electromagnets;
Each electromagnet of each system is placed between the pair of electromagnets of the other system.
下記特徴を備えた請求項16に記載の方法、
少なくとも一つの電磁石システムの中の電流信号は、前記磁場回転の最中のいずれの時点でも非零強度である。
The method of claim 16, comprising the following features:
The current signal in the at least one electromagnet system is non-zero intensity at any point during the magnetic field rotation.
下記構成を備えたワークピースの処理のためのプラズマ処理装置:
プラズマを保持するための内部領域を有するプラズマ・チャンバ;
プラズマ発生源;
前記プラズマ・チャンバの前記内部領域と流体経路がつながっている真空システム;
前記プラズマ・チャンバの前記内部領域と流体経路がつながっているガス供給システム;
前記プラズマ・チャンバの周囲を取り囲むように取り付けられた複数のコイル・マグネット、各コイル・マグネットは、前記プラズマ・チャンバの軸から放射状に伸びる軸を有している;
複数の任意波形の発生装置、各発生装置は、前記複数のコイル・マグネットの内の対応する一つに電気的に接続されている;及び、
前記ガス供給システム、前記真空システム、前記冷却システム、及び前記複数の任意波形の発生装置に電気的に結合された制御システム;
前記制御システムは、前記任意波形の発生装置を運転するように構成され、それによって、前記プラズマ処理作業の最中に前記コイル・マグネットが前記プラズマに磁場形態を作用させる。
Plasma processing equipment for processing workpieces with the following configuration:
A plasma chamber having an internal region for holding the plasma;
Plasma source;
A vacuum system in fluid communication with the internal region of the plasma chamber;
A gas supply system in fluid communication with the internal region of the plasma chamber;
A plurality of coil magnets attached to surround the periphery of the plasma chamber, each coil magnet having an axis extending radially from the axis of the plasma chamber;
A plurality of arbitrary waveform generators, each generator being electrically connected to a corresponding one of the plurality of coils and magnets; and
A control system electrically coupled to the gas supply system, the vacuum system, the cooling system, and the plurality of arbitrary waveform generators;
The control system is configured to operate the arbitrary waveform generator so that the coil magnet exerts a magnetic field configuration on the plasma during the plasma processing operation.
下記特徴を備えた請求項18に記載のプラズマ処理装置:
前記プラズマ発生源は、前記チャンバの中に取り付けられた1または2以上の電極アセンブリ、及び1または2以上の高周波電源を備え、各高周波電源は、それぞれ対応する電極アセンブリに電気的に結合されている。
The plasma processing apparatus according to claim 18, comprising the following features:
The plasma generation source includes one or more electrode assemblies mounted in the chamber and one or more radio frequency power sources, and each radio frequency power source is electrically coupled to a corresponding electrode assembly. Yes.
下記特徴を備えた請求項19に記載のプラズマ処理装置:
各コイル・マグネットはエア・コイルである。
The plasma processing apparatus according to claim 19, comprising the following features:
Each coil magnet is an air coil.
下記特徴を備えた請求項19に記載のプラズマ処理装置:
各コイル・マグネットは、透磁性材料のコアを有している。
The plasma processing apparatus according to claim 19, comprising the following features:
Each coil magnet has a core made of a magnetically permeable material.
下記特徴を備えた請求項21に記載のプラズマ処理装置:
更に、前記コイル・マグネットのアレイを取り囲む様に取り付けられた外側磁束伝達構造を備え、
各コイル・マグネットと各コアは、当該磁束伝達構造との間で磁束が連続している。
The plasma processing apparatus according to claim 21, comprising the following features:
In addition, an outer magnetic flux transmission structure attached to surround the coil magnet array,
Each coil / magnet and each core has a continuous magnetic flux between the magnetic flux transmission structure.
下記特徴を備えた請求項22に記載のプラズマ処理装置:
前記磁束伝達構造は、環状の壁型構造である。
The plasma processing apparatus according to claim 22, comprising the following features:
The magnetic flux transmission structure is an annular wall type structure.
下記特徴を備えた請求項23に記載のプラズマ処理装置:
前記環状の壁型構造は、透磁性材料で作られている。
The plasma processing apparatus according to claim 23, comprising the following features:
The annular wall structure is made of a magnetically permeable material.
下記特徴を備えた請求項24に記載のプラズマ処理装置:
各コアは、前記環状の壁型構造に取り付けられている。
The plasma processing apparatus according to claim 24, comprising the following features:
Each core is attached to the annular wall structure.
下記特徴を備えた請求項18に記載のプラズマ処理装置:
前記複数の任意波形の発生装置を構成しているそれぞれの任意波形の発生装置は、
複数のコイル・マグネットの内の対応している一つに、複数のアンプの内の対応している一つを介して、電気的に結合されている。
The plasma processing apparatus according to claim 18, comprising the following features:
Each of the arbitrary waveform generators constituting the plurality of arbitrary waveform generators,
A corresponding one of the plurality of coils and magnets is electrically coupled via a corresponding one of the plurality of amplifiers.
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