JP2006073723A - Plasma treatment device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide plasma treatment technology capable of impressing a stabilized and required voltage waveform on an object to be treated. <P>SOLUTION: The plasma treatment device is provided with a treatment gas introducing port 5, a vacuum exhausting means 2 and a stage 6 for mounting a specimen to convert the introduced treatment gas into plasma and apply plasma treatment on a specimen. The plasma treatment device is provided with a high-frequency voltage generating means 8 for supplying high-frequency power to the stage 6 and accelerating an ion incident to the specimen, a voltage sensor 10 for detecting a high-frequency voltage supplied to the stage and controlling a high-frequency voltage generating means so that the voltage becomes a set value, and a fixed impedance circuit 9 connected in parallel to the stage to serve as the load of the high-frequency voltage generating means 8 while the value of the impedance of the fixed impedance circuit is set so that power supplied to the side of the fixed impedance circuit becomes more than 50% of the output of the high-frequency voltage generating means 8. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、プラズマ処理技術に係り、特に、ばらつきのない処理性能を得ることのできるプラズマ処理技術に関する。   The present invention relates to a plasma processing technique, and more particularly to a plasma processing technique capable of obtaining a processing performance without variations.

半導体デバイスの微細化に対応して、プラズマ処理装置においては、ウエハ面内で均一な処理結果を実現できるプロセス条件(プロセスウインドウ)が年々狭くなってきている。このため、プラズマ処理装置には、より完全なプロセス状態の制御が求められている。これを実現するためには、プラズマの分布、プロセスガスの解離、あるいは処理チャンバ内の表面反応を極めて高精度に制御することのできる装置が必要とされる。   Corresponding to miniaturization of semiconductor devices, process conditions (process windows) capable of realizing a uniform processing result within a wafer surface are becoming narrower year by year in plasma processing apparatuses. For this reason, the plasma processing apparatus is required to control the process state more completely. In order to realize this, an apparatus capable of controlling the plasma distribution, the dissociation of the process gas, or the surface reaction in the processing chamber with extremely high accuracy is required.

プラズマ処理装置の多くは、通常、数100kHz〜数10MHzの高周波電圧を被処理物を保持するステージに供給し、被処理物に入射するイオンエネルギを制御している。また、被処理物に印加する高周波電圧を可変することにより被処理物に入射するイオンのエネルギを制御することができる。   Many plasma processing apparatuses normally supply a high-frequency voltage of several hundreds of kHz to several tens of MHz to a stage that holds the object to be processed to control ion energy incident on the object to be processed. In addition, the energy of ions incident on the object to be processed can be controlled by changing the high-frequency voltage applied to the object to be processed.

イオンエネルギを制御するのは電圧である。しかし、前記高周波の電圧の振幅を精度よく調整することは困難であるため、処理の繰り返し安定性の観点から、例えば、特許文献1に示されるように高周波電力を制御するイオンエネルギ制御が広く用いられている。また、近年では、高周波電圧制御(ピークトゥピーク電圧をよく使うので、本明細書では、Vpp制御と称する)も用いられるようになった。例えば、特許文献2,3には、Vpp電圧を一定に保つように電源を制御し、被処理物のエッチング速度を常時一定に保つことが示されている。また、特許文献4には、電圧制御と電力制御を必要に応じて切り替えることが示されている。   It is the voltage that controls the ion energy. However, since it is difficult to accurately adjust the amplitude of the high frequency voltage, from the viewpoint of repeated processing stability, for example, ion energy control for controlling high frequency power is widely used as disclosed in Patent Document 1. It has been. Further, in recent years, high-frequency voltage control (peak-to-peak voltage is often used, so in this specification, referred to as Vpp control) has come to be used. For example, Patent Documents 2 and 3 show that the power source is controlled so as to keep the Vpp voltage constant, and the etching rate of the workpiece is always kept constant. Patent Document 4 shows that voltage control and power control are switched as necessary.

図8は、従来のプラズマ処理装置を説明する図である。図において、処理チャンバ1は、例えば、表面をアルマイト処理したアルミニウム製あるいはステンレス製の真空容器であり、電気的に接地されている。処理チャンバ1は、真空排気手段2および被処理物である半導体ウエハ3を搬入出するための搬送システム4を備え、上部にはプラズマ発生手段7を備える。処理チャンバ1内には、半導体ウエハ3を載置するためのステージ6が設置される。ウエハは、搬送システム4により処理チャンバ中に搬入され、ステージ6上に保持される。ステージ6は通常、静電チャックを備え、半導体ウエハを電気的・熱的に確実に保持する。   FIG. 8 is a diagram for explaining a conventional plasma processing apparatus. In the figure, a processing chamber 1 is, for example, an aluminum or stainless steel vacuum vessel whose surface is anodized, and is electrically grounded. The processing chamber 1 includes a vacuum evacuation unit 2 and a transfer system 4 for loading and unloading a semiconductor wafer 3 that is an object to be processed. A stage 6 for placing the semiconductor wafer 3 is installed in the processing chamber 1. The wafer is loaded into the processing chamber by the transfer system 4 and held on the stage 6. The stage 6 is usually provided with an electrostatic chuck, and securely holds the semiconductor wafer electrically and thermally.

エッチング処理用のガスは、ガス導入口5よりチャンバ内に導入される。また、ステージ6には高周波電圧発生手段8が接続されて、プラズマ処理中に半導体ウエハ3に入射するイオンのエネルギを制御する。高周波電圧発生手段8は、必要とされる波形が正弦波等の単一波形でよい場合は、通常の高周波電源である。また、任意波形が必要となる場合は、任意波形発生器と増幅器の組み合わせにより構成する。電圧センサ10はその出力を高周波電圧発生手段8に対してフィードバックし、ステージ6に印加される電圧が一定となるように、高周波電圧発生手段8の出力値を制御する。   Etching gas is introduced into the chamber through the gas inlet 5. Further, a high frequency voltage generating means 8 is connected to the stage 6 to control the energy of ions incident on the semiconductor wafer 3 during plasma processing. The high-frequency voltage generation means 8 is a normal high-frequency power source when the required waveform may be a single waveform such as a sine wave. When an arbitrary waveform is required, it is configured by a combination of an arbitrary waveform generator and an amplifier. The voltage sensor 10 feeds back the output to the high-frequency voltage generating means 8 and controls the output value of the high-frequency voltage generating means 8 so that the voltage applied to the stage 6 is constant.

高周波電圧発生手段8とステージ6の間には、自動整合器13が設けられる。自動整合器13は、可変コンデンサや可変インダクタを備え、これらをモータによって調整することにより、負荷とのインピーダンス整合をとるものである。これにより、高周波電圧発生手段8からの高周波電力を効率よく処理チャンバ内に投入することができる。
特開平11−330059号 特開平5−234955号公報 特開平8−199378号公報 特許第3350389号
An automatic matching unit 13 is provided between the high-frequency voltage generation means 8 and the stage 6. The automatic matching unit 13 includes a variable capacitor and a variable inductor, and adjusts them with a motor to achieve impedance matching with a load. Thereby, the high frequency power from the high frequency voltage generating means 8 can be efficiently put into the processing chamber.
JP 11-330059 A JP-A-5-234955 JP-A-8-199378 Japanese Patent No. 3350389

近年のLSI製造プロセスにおいては、プロセス制御の高精度化と繰り返し安定性がもっとも重要である。例えば、前述の、被処理物に入射するイオンエネルギ制御に際して用いられるVpp制御と電力制御の優劣を考えると、Vpp制御の方が電力制御に比して、イオンエネルギをより直接的に示すパラメータに基づいて制御できる。しかし、Vpp制御は、波形の歪みなどによって値がばらつきやすい。このため電力制御の方がより安定した制御を行うことができる。   In recent LSI manufacturing processes, high accuracy of process control and repeated stability are the most important. For example, considering the superiority or inferiority of the above-mentioned Vpp control and power control used for controlling the ion energy incident on the object to be processed, the Vpp control is a parameter that indicates ion energy more directly than the power control. Can be controlled based on. However, the value of Vpp control is likely to vary due to waveform distortion or the like. For this reason, the power control can perform more stable control.

また、最近のプラズマ処理は、その処理時間が短い。このため、各処理毎の処理の立ち上がり時の挙動のばらつきが処理結果に大きな影響を与える。例えば、高周波電源は、前述のように、負荷(プラズマ装置の場合はステージ)との間にインピーダンス自動整合器13を備える。高周波電源から電力を投入するとき、自動整合器内の可変インダクタンスや可変コンデンサをモータ等で操作してインピーダンス整合をとる。整合がとれた時点で、負荷に所定の電力を供給することができる。   Also, recent plasma processing has a short processing time. For this reason, variation in behavior at the start of processing for each processing greatly affects the processing result. For example, as described above, the high-frequency power source includes the automatic impedance matching unit 13 between the load (stage in the case of a plasma apparatus). When power is supplied from a high-frequency power source, impedance matching is performed by operating a variable inductance or variable capacitor in the automatic matching unit with a motor or the like. When matching is achieved, predetermined power can be supplied to the load.

また、良好なプラズマ処理を得るためには、被処理物に入射するイオンエネルギの平均的な値だけでなく、イオンエネルギの分布を制御することが有効である。例えば、Journal of Appled Physics, vol88 no2, p643,15 july 2000,のS.−B.WangとA.E.Wendtの論文等に示されているように、被処理物に印加する高周波の波形をデューティ比の低いパルス状にするなどの工夫を施すことにより、イオンのエネルギ分布の帯域を狭くすることができる。このようにイオンのエネルギを揃えると、例えばプラズマエッチングにおいては、より異方性の高いエッチング処理が可能となる。   In order to obtain a good plasma treatment, it is effective to control not only the average value of the ion energy incident on the workpiece but also the distribution of the ion energy. For example, S. of Journal of Appled Physics, vol88 no2, p643, 15 july 2000, -B. Wang and A.W. E. As shown in Wendt's paper, etc., the band of the ion energy distribution can be narrowed by making a high-frequency waveform applied to the object to be processed into a pulse shape with a low duty ratio. . If the energy of ions is aligned in this way, for example, in plasma etching, an etching process with higher anisotropy becomes possible.

しかしながら、このように、電圧発生手段において所望の波形の電圧を発生させたとしても、被処理物表面に発生する電圧波形は、ステージが持つインピーダンス成分、あるいはプラズマやイオンシースが持つインピーダンス成分によって変化してしまう。   However, even if a voltage having a desired waveform is generated by the voltage generating means in this way, the voltage waveform generated on the surface of the object to be processed varies depending on the impedance component of the stage or the impedance component of the plasma or ion sheath. Resulting in.

図9は、図8に示すプラズマ処理装置の等価回路を説明する図である。ステージ6のインピーダンスZSTは、内部の抵抗RST、配線ルートのインダクタンスLST、寄生容量CST等からなる。これらの値はステージ構造が変更されない限り一定であるので、ステージのインピーダンスZSTは一定値であると考えられる。一方、ウエハから上部のプラズマを含むインピーダンスZPLは、プラズマの抵抗RPL、ウエハ−プラズマ間のイオンシースの容量CS1、アース−プラズマ間のイオンシースの容量CS2等からなる。しかし、これらは放電状態によって変化する。このため、これらのインピーダンスからなる負荷インピーダンスZLOADは、プラズマの状態によって変化することになる。この変化に対応し、前記インピーダンス自動整合器13は、内部の可変コンデンサや可変インダクタンスを調整し、電流が効率的に図9に示した回路を流れるようにする。 FIG. 9 is a diagram for explaining an equivalent circuit of the plasma processing apparatus shown in FIG. The impedance Z ST of the stage 6 includes an internal resistance R ST, an inductance L ST of the wiring route , a parasitic capacitance C ST, and the like. Since these values are constant unless the stage structure is changed, the impedance ZST of the stage is considered to be a constant value. On the other hand, the impedance ZPL including the plasma above the wafer is composed of a plasma resistance R PL , a wafer-plasma ion sheath capacitance C S1 , a ground-plasma ion sheath capacitance C S2, and the like. However, these vary depending on the discharge state. For this reason, the load impedance Z LOAD composed of these impedances changes depending on the state of the plasma. In response to this change, the automatic impedance matching unit 13 adjusts the internal variable capacitor and variable inductance so that the current efficiently flows through the circuit shown in FIG.

ところで、自動整合器内の可変コンデンサや可変インダクタンスの調整に際しては、これらを構成する素子をモータ等で駆動して調整をとるため、整合がとれるまで数秒の時間を要する。一方、最近のプラズマプロセスは処理時間が短いものが多いことから、処理の立ち上がり時の整合がとれるまでの過程のばらつきが処理結果に大きな影響を与える。すなわち、ウエハ毎に行う前記整合過程の繰り返し安定性が処理結果に大きな影響を与えることになる。   By the way, when adjusting the variable capacitor and the variable inductance in the automatic matching device, it takes several seconds until the matching is achieved because the elements constituting them are driven by a motor or the like. On the other hand, since many of the recent plasma processes have a short processing time, variations in the process until alignment at the start of the processing is taken have a great influence on the processing result. That is, the repeated stability of the alignment process performed for each wafer greatly affects the processing result.

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、安定した所望の電圧波形を精度よく、且つ迅速に被処理物に印加することのできるプラズマ処理技術を提供するものである。   The present invention has been made in view of these problems, and provides a plasma processing technique capable of accurately and quickly applying a stable desired voltage waveform to an object to be processed.

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。   In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.

処理ガスの導入口、真空排気手段および試料を載置するステージを備え、導入した処理ガスをプラズマ化して試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、ステージに高周波電力を供給して試料に入射するイオンを加速する高周波電圧発生手段と、ステージに供給される高周波電圧を検出して、該電圧が設定値になるように高周波電圧発生手段を制御する電圧センサと、前記ステージに並列に接続され、前記高周波発生手段の負荷として作用する固定インピーダンス回路を備え、固定インピーダンス回路のインピーダンスは、固定インピーダンス回路側に供給される電力が前記高周波電圧発生手段の出力の50%以上になるように設定した。     In a plasma processing apparatus that includes a processing gas inlet, a vacuum exhaust means, and a stage on which a sample is placed, and converts the introduced processing gas into plasma and applies plasma processing to the sample, high frequency power is supplied to the stage and incident on the sample A high-frequency voltage generating means for accelerating ions, a voltage sensor for detecting a high-frequency voltage supplied to the stage and controlling the high-frequency voltage generating means so that the voltage becomes a set value, and connected in parallel to the stage; A fixed impedance circuit acting as a load of the high frequency generating means was provided, and the impedance of the fixed impedance circuit was set so that the power supplied to the fixed impedance circuit side was 50% or more of the output of the high frequency voltage generating means.

本発明は、以上の構成を備えるため、安定した所望の電圧波形を被処理物に印加することができる。   Since this invention is provided with the above structure, the stable desired voltage waveform can be applied to a to-be-processed object.

図1は、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図である。なお、図において図8に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。   FIG. 1 is a diagram illustrating a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those shown in FIG.

図に示すように、ステージ6に印加される電圧を計測する電圧センサ10が設けられる。電圧センサ10はその出力を高周波電圧発生手段8に対してフィードバックし、ステージ6に印加される電圧が一定となるように、高周波電圧発生手段8の出力値を制御する。   As shown in the figure, a voltage sensor 10 for measuring a voltage applied to the stage 6 is provided. The voltage sensor 10 feeds back the output to the high-frequency voltage generating means 8 and controls the output value of the high-frequency voltage generating means 8 so that the voltage applied to the stage 6 is constant.

また、本発明では、従来の自動整合器に代えて、インピーダンスを微調整することのできる半固定整合回路11が設けられる。また、固定インピーダンス回路9を前記ステージに並列に接続する。すなわち、ウエハバイアスを供給するためのメインの給電回路であるステージと接地間を側路バイパスするように接続する。なお、この固定インピーダンス回路9は、純抵抗に近いもので構成するのが望ましいが、インダクタンス成分あるいはキャパシタンス成分を有していても良い。固定インピーダンス回路9は、バイパス電流による発熱が大きいため、冷却手段12を装備するとよい。   In the present invention, a semi-fixed matching circuit 11 capable of finely adjusting the impedance is provided instead of the conventional automatic matching device. A fixed impedance circuit 9 is connected in parallel to the stage. In other words, the connection between the stage, which is the main power supply circuit for supplying the wafer bias, and the ground is bypassed. The fixed impedance circuit 9 is preferably made of a resistor close to a pure resistance, but may have an inductance component or a capacitance component. Since the fixed impedance circuit 9 generates a large amount of heat due to the bypass current, it is preferable to provide the cooling means 12.

図2は、図1に示すプラズマ処理装置の等価回路を説明する図である。なお、図において、図9に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。   FIG. 2 is a diagram for explaining an equivalent circuit of the plasma processing apparatus shown in FIG. In the figure, the same parts as those shown in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

この例においては、固定インピーダンス回路9として純抵抗RSHを用いる。純抵抗RSHの値を負荷インピーダンスZLOADの値に比して十分小さく設定することにより、負荷インピーダンスZLOAD、の値の変動に係わらず電力の大部分が固定インピーダンス回路としての純抵抗RSHに投入されることになる。 In this example, a pure resistor R SH is used as the fixed impedance circuit 9. By setting the pure resistance value of R SH than the value of the load impedance Z LOAD sufficiently small, the load impedance Z LOAD, the pure resistance R SH as majority fixed impedance circuit of the power regardless of the fluctuation of the value Will be thrown into.

したがって、電圧センサ10により検出するステージ6の電圧Vppは、プラズマ状態にほとんど無関係に以下の式で決まる。すなわち、プラズマ処理に際して、従来のように自動整合器による整合がとれるまで時間遅れを伴うことなく、所望の電圧Vppをステージ6に供給することができる。   Therefore, the voltage Vpp of the stage 6 detected by the voltage sensor 10 is determined by the following equation almost regardless of the plasma state. That is, at the time of plasma processing, a desired voltage Vpp can be supplied to the stage 6 without a time delay until matching by an automatic matching unit is achieved as in the prior art.

Vpp=2.83(P・RSH1/2
ここで、Pは高周波電圧発生手段8の出力である。
Vpp = 2.83 (P · R SH ) 1/2
Here, P is the output of the high-frequency voltage generating means 8.

LSIを構成するトランジスタのゲート等を加工するエッチング装置においては、近年のPoly−Si膜の薄膜化により、ウエハに印加するバイアス電圧は小さくなる方向にある。このため、一般的なVppの値としては600V程度あれば十分である。したがって、抵抗RSHを50Ω、高周波電圧発生手段8の出力Pの最大値を1500Wとすれば、得られるVppは662Vとなり、ほぼ十分な値が得られる。高周波電圧発生手段8の出力としては、従来よりも高い値が要求されるが、近年のパワートランジスタ技術の進歩により電源の価格はその出力に比例せず、比較的大出力の電源でも小出力の電源とのコスト差はすくない。 In an etching apparatus for processing the gates of transistors constituting an LSI, the bias voltage applied to the wafer tends to decrease due to the recent thinning of the Poly-Si film. For this reason, about 600V is sufficient as a general value of Vpp. Therefore, if the resistance R SH is 50Ω and the maximum value of the output P of the high-frequency voltage generation means 8 is 1500 W, the obtained Vpp is 662 V, which is almost sufficient. The output of the high-frequency voltage generation means 8 is required to be higher than the conventional value, but due to recent advances in power transistor technology, the price of the power supply is not proportional to the output, and even a relatively large output power supply has a small output. The cost difference with the power supply is not great.

固定インピーダンス回路9は、純抵抗に限られず、インダクタンスやキャパシタンス成分を有してもよい。しかしながら、いずれの場合もステージに印加される電圧を安定化させる観点から、ある程度の抵抗成分を有していることが望ましい。   The fixed impedance circuit 9 is not limited to a pure resistance, and may have an inductance or a capacitance component. However, in any case, it is desirable to have a certain resistance component from the viewpoint of stabilizing the voltage applied to the stage.

図3は、固定インピーダンス回路9が、抵抗RSHとインダクタンスLSHからなる場合を示す図である。このとき、固定インピーダンス回路9側に効率的に電力を投入するため、固定整合回路11の内部に、インダクタンスLSHと直列共振する値に近いキャパシタンスCMCが必要となる。キャパシタンスCMCを可変とし、微調整することにより、固定インピーダンス回路9に流れる電流の割合を調整することができる。 FIG. 3 is a diagram illustrating a case where the fixed impedance circuit 9 includes a resistor R SH and an inductance L SH . At this time, in order to efficiently introduce the power to a fixed impedance circuit 9 side, the interior of the fixed matching circuit 11, the capacitance C MC is required close to the value of resonant inductance L SH series. The capacitance C MC as a variable, by finely adjusting, it is possible to adjust the ratio of the current flowing through the fixed impedance circuit 9.

図2、図3のいずれの等価回路の場合においても、ステージ6からプラズマを介して処理チャンバ(アース)に至る経路でなく、固定インピーダンス回路9を介してアースに至る経路に大部分の電流が流れるように回路定数を設定する。これにより、高周波電圧発生手段8から見た負荷側インピーダンス(負荷インピーダンスZLOADと固定インピーダンス回路9の並列インピーダンス)は、プラズマ状態、すなわち、RPL、CS1、CS2によらずほぼ一定になり、整合回路を11の回路定数をほぼ固定化することができる。 2 and FIG. 3, most of the current flows not on the path from the stage 6 to the processing chamber (earth) via the plasma but on the path to the ground via the fixed impedance circuit 9. Set circuit constants to flow. Thereby, the load side impedance (the parallel impedance of the load impedance Z LOAD and the fixed impedance circuit 9) viewed from the high frequency voltage generating means 8 becomes substantially constant irrespective of the plasma state, that is, R PL , C S1 , C S2. Thus, the circuit constant of the matching circuit can be almost fixed.

図4は、純抵抗RSHを変化させ、固定インピーダンス回路9に消費される電力を変化させたときの、高周波電圧発生手段8から見た負荷側インピーダンス(複素インピーダンスZ=R+jX)示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing a load-side impedance (complex impedance Z = R + jX) viewed from the high-frequency voltage generating means 8 when the pure resistance R SH is changed and the power consumed by the fixed impedance circuit 9 is changed. .

図4に示すように、固定インピーダンス回路9で消費される電力が大きいほど、負荷のインピーダンスのプラズマ状態に対する動きが小さくなることが分かる。このような特性は、プラズマ状態、被処理物であるウエハの径、ステージの設計によっても異なるが、高周波電圧発生手段8の出力のうち、50%ほどの電力が固定インピーダンス回路9に消費されれば、十分な効果が得られる。   As shown in FIG. 4, it can be seen that the greater the power consumed by the fixed impedance circuit 9, the less the load impedance moves with respect to the plasma state. Such characteristics vary depending on the plasma state, the diameter of the wafer that is the object to be processed, and the stage design, but about 50% of the output of the high-frequency voltage generating means 8 is consumed by the fixed impedance circuit 9. As a result, a sufficient effect can be obtained.

負荷側インピーダンス(負荷インピーダンスZLOADと固定インピーダンス回路9の並列インピーダンス)の変化が十分小さい場合には、電圧センサ10の出力を高周波電圧発生手段8に対してフィードバックして電圧センサ10の検出値が一定となるように、電圧発生手段8の出力値を制御することにより、プロセスの制御を安定かつ高速に行うことが可能となる。 When the change in the load side impedance (the load impedance Z LOAD and the parallel impedance of the fixed impedance circuit 9) is sufficiently small, the output of the voltage sensor 10 is fed back to the high frequency voltage generating means 8 and the detected value of the voltage sensor 10 is By controlling the output value of the voltage generator 8 so as to be constant, the process can be controlled stably and at high speed.

すなわち、この例においては、所定の電圧指示(Vpp)に対して、電圧センサの10により高周波電圧発生手段8の出力をフィードバック制御するだけで、所望の電圧Vppの電圧を整合された状態でステージに供給することができる。また、自動整合器は不要であるため、10msのオーダで所望の電圧Vppをステージに印加することができ、初期整合動作に起因する処理結果のばらつきを撤廃することができる。   In other words, in this example, the output of the high-frequency voltage generating means 8 is only feedback controlled by the voltage sensor 10 in response to a predetermined voltage instruction (Vpp), and the stage of the desired voltage Vpp is matched. Can be supplied to. Further, since an automatic matching unit is unnecessary, a desired voltage Vpp can be applied to the stage in the order of 10 ms, and variations in processing results due to the initial matching operation can be eliminated.

図5及び図6は、本発明による作用効果説明する図であり、図5は、図8に示す従来の構成において、高周波電圧発生手段8の出力電圧波形(a)、及び電圧センサ10が検出する電圧波形(b)を説明する図である。図5に示すように従来の構成においては、イオンシースにおける電子及びイオンのウエハへの入射特性の差に起因して波形が歪む。図2,3,及び9に示す等価回路においては、イオンシースを単なるコンデンサ容量として記載したが、実際には、高周波の1周期に渡って、イオンは常時プラズマからウエハに入射できるが、電子はウエハの電圧がもっとも正になった時間の一瞬にしか入射できない。このため波形には歪みが発生する。さらに、プラズマの状態や整合回路の構成等によっては、ウエハバイアス電圧波形にさまざまな高調波が重畳される。このためピークツーピーク電圧(Vpp)で制御しようとしても、ピークとして何処の電圧を採用すべきであるの可の判定が難しい場合がある。このような場合には、Vpp制御は電力制御に比して制御の安定性が悪くなる。   FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams for explaining the function and effect of the present invention. FIG. 5 shows the output voltage waveform (a) of the high-frequency voltage generating means 8 and the voltage sensor 10 in the conventional configuration shown in FIG. It is a figure explaining the voltage waveform (b) to do. As shown in FIG. 5, in the conventional configuration, the waveform is distorted due to the difference in the incident characteristics of electrons and ions in the ion sheath to the wafer. In the equivalent circuit shown in FIGS. 2, 3, and 9, the ion sheath is described as a simple capacitor capacity. In practice, however, ions can always enter the wafer from the plasma over one period of high frequency, but the electrons It can enter only for a moment when the wafer voltage becomes the most positive. For this reason, distortion occurs in the waveform. Furthermore, various harmonics are superimposed on the wafer bias voltage waveform depending on the state of the plasma and the configuration of the matching circuit. For this reason, even if it is going to control by peak-to-peak voltage (Vpp), it may be difficult to determine what voltage should be adopted as a peak. In such a case, the Vpp control is less stable than the power control.

図6は、図1に示す本実施形態の構成において、高周波電圧発生手段8の出力電圧波形(a)、及び電圧センサ10が検出する電圧波形(b)を説明する図である。本実施形態の構成においては、図6に示すように、高周波電圧発生手段から見た負荷側インピーダンス(負荷インピーダンスZLOADと固定インピーダンス回路9の並列インピーダンス)が純抵抗に近いため、波形はほとんど歪まない。このため高周波電圧発生手段8により正弦波電圧(a)を与えれば、ステージには、ほぼそのままの波形の電圧(b)を供給することができる。したがって、ピークツーピーク電圧を検出するときのばらつきがきわめて小さく、安定なプラズマ処理を実現できる。 FIG. 6 is a diagram for explaining the output voltage waveform (a) of the high-frequency voltage generation means 8 and the voltage waveform (b) detected by the voltage sensor 10 in the configuration of the present embodiment shown in FIG. In the configuration of the present embodiment, as shown in FIG. 6, the load side impedance (the parallel impedance of the load impedance Z LOAD and the fixed impedance circuit 9) viewed from the high-frequency voltage generating means is close to the pure resistance, so the waveform is almost distorted. Absent. For this reason, if the sine wave voltage (a) is applied by the high frequency voltage generating means 8, the voltage (b) having almost the same waveform can be supplied to the stage. Therefore, the variation in detecting the peak-to-peak voltage is extremely small, and stable plasma processing can be realized.

図7は、高周波電発発生手段としてデューティ比の低い矩形波発生手段を用いた際の、高周波電圧発生手段8の出力電圧波形(a)、及び電圧センサ10が検出する電圧波形(b)を説明する図である。   FIG. 7 shows the output voltage waveform (a) of the high-frequency voltage generating means 8 and the voltage waveform (b) detected by the voltage sensor 10 when a rectangular wave generating means having a low duty ratio is used as the high-frequency electricity generating means. It is a figure explaining.

図7に示すようなデューティー比の低い矩形波を発生した場合においても、ほぼそれに近い波形の電圧をステージに印加することができる。ウエハ位置ではステージ内のインダクタンスLST、及びステージ−ウエハ間の容量CESCの影響により若干波形が歪むが、これさえ考慮すれば、高周波電圧発生手段で発生した波形に近い波形をウエハに与えることができる。このような波形を与えることにより。前述の論文(Journal of Appled Physics)に示されるように、イオンのエネルギ分布を狭帯域化、すなわち、ある決まったエネルギに揃えることができる。また、イオンエネルギを狭帯域化することにより、J.Vac.Sci.Technol.B22,p826(2004)のR.Silapuntらの論文等に示されるように、エッチング形状、下地やレジストに対する選択比がそれぞれ改善されることが知られており、エッチング性能を高性能化することができる。 Even when a rectangular wave having a low duty ratio as shown in FIG. 7 is generated, a voltage having a waveform close to that can be applied to the stage. At the wafer position, the waveform is slightly distorted by the effect of the inductance L ST in the stage and the capacitance C ESC between the stage and the wafer. Can do. By giving such a waveform. As shown in the above-mentioned paper (Journal of Appled Physics), the energy distribution of ions can be narrowed, that is, aligned with a certain energy. Also, by narrowing the ion energy, J. Vac. Sci. Technol. B22, p. As shown in the paper by Silapunt et al., It is known that the etching shape, the selectivity with respect to the base and the resist are improved, and the etching performance can be improved.

以上説明したように、本実施形態によれば、処理結果のばらつきの少ないプラズマ処理を実現することができる。また、イオンエネルギの平均値のみならず、イオンエネルギの分布を精密に制御することが可能となり、特にプラズマエッチング処理において、垂直性が高い優れたエッチングプロファイルを多彩なデバイスアプリケーションに対して実現することができる。また、全体としてのプラズマ処理性能および装置の稼働率が向上し、ハイスループットでの微細なエッチング加工や、高品質な成膜加工、表面処理等が可能となる。なお、本発明は、半導体デバイスの製造の分野に限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製造や、各種材料の成膜、表面処理に適用が可能である。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize plasma processing with little variation in processing results. In addition, it is possible to precisely control not only the average value of ion energy but also the distribution of ion energy. In particular, in plasma etching processing, an excellent etching profile with high perpendicularity should be realized for various device applications. Can do. In addition, the overall plasma processing performance and the operating rate of the apparatus are improved, and fine etching processing with high throughput, high-quality film formation processing, surface processing, and the like are possible. The present invention is not limited to the field of manufacturing semiconductor devices, and can be applied to the manufacture of liquid crystal displays, film formation of various materials, and surface treatments.

本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図である。It is a figure explaining the plasma processing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 図1に示すプラズマ処理装置の等価回路を説明する図である。It is a figure explaining the equivalent circuit of the plasma processing apparatus shown in FIG. 固定インピーダンス回路9が抵抗RSHとインダクタンスLSHからなる場合を示す図である。Is a diagram showing a case where fixed impedance circuit 9 comprises a resistor R SH and the inductance L SH. 純抵抗RSHを変化させ、固定インピーダンス回路9に消費される電力を変化させたときの、高周波電圧発生手段8から見た負荷側インピーダンス示す図である。It is a figure which shows the load side impedance seen from the high frequency voltage generation means 8, when the pure resistance RSH is changed and the electric power consumed by the fixed impedance circuit 9 is changed. 高周波電圧発生手段8の出力電圧波形(a)及び電圧センサ10が検出する電圧波形(b)を説明する図である。It is a figure explaining the output voltage waveform (a) of the high frequency voltage generation means 8, and the voltage waveform (b) which the voltage sensor 10 detects. 高周波電圧発生手段8の出力電圧波形(a)及び電圧センサ10が検出する電圧波形(b)を説明する図である。It is a figure explaining the output voltage waveform (a) of the high frequency voltage generation means 8, and the voltage waveform (b) which the voltage sensor 10 detects. 高周波電発発生手段としてデューティ比の低い矩形波発生手段を用いた際の、高周波電圧発生手段8の出力電圧波形(a)、及び電圧センサ10が検出する電圧波形(b)を説明する図である。The figure explaining the output voltage waveform (a) of the high frequency voltage generation means 8 and the voltage waveform (b) detected by the voltage sensor 10 when the rectangular wave generation means having a low duty ratio is used as the high frequency electricity generation means. is there. 従来のプラズマ処理装置を説明する図である。It is a figure explaining the conventional plasma processing apparatus. 図8に示すプラズマ処理装置の等価回路を説明する図である。It is a figure explaining the equivalent circuit of the plasma processing apparatus shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 処理チャンバ
2 真空排気手段
3 半導体ウエハ
4 搬送システム
5 ガス導入口
6 ステージ
7 プラズマ発生手段
8 高周波電圧発生手段
9 固定インピーダンス回路
10 電圧センサ
11 半固定整合回路
12 冷却手段
13 インピーダンス自動整合器
14 プラズマ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Processing chamber 2 Vacuum exhaust means 3 Semiconductor wafer 4 Transfer system 5 Gas inlet 6 Stage 7 Plasma generating means 8 High frequency voltage generating means 9 Fixed impedance circuit 10 Voltage sensor 11 Semi-fixed matching circuit 12 Cooling means 13 Impedance automatic matching device 14 Plasma

Claims (4)

処理ガスの導入口、真空排気手段および試料を載置するステージを備え、導入した処理ガスをプラズマ化して試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
ステージに高周波電力を供給して試料に入射するイオンを加速する高周波電圧発生手段と、
ステージに供給される高周波電圧を検出して、該電圧が設定値になるように高周波電圧発生手段を制御する電圧センサと、
前記ステージに並列に接続され、前記高周波発生手段の負荷として作用する固定インピーダンス回路を備え、
固定インピーダンス回路のインピーダンスは、固定インピーダンス回路側に供給される電力が前記高周波電圧発生手段の出力の50%以上になるように設定したことを特徴とするプラズマ処理装置。
In a plasma processing apparatus comprising a processing gas inlet, a vacuum exhaust means and a stage on which a sample is placed, and converting the introduced processing gas into plasma and subjecting the sample to plasma processing,
High-frequency voltage generation means for accelerating ions incident on the sample by supplying high-frequency power to the stage;
A voltage sensor for detecting a high-frequency voltage supplied to the stage and controlling the high-frequency voltage generating means so that the voltage becomes a set value;
A fixed impedance circuit connected in parallel to the stage and acting as a load of the high-frequency generating means;
The plasma processing apparatus, wherein the impedance of the fixed impedance circuit is set so that the power supplied to the fixed impedance circuit side is 50% or more of the output of the high-frequency voltage generating means.
請求項1記載のプラズマ処理装置において、
高周波電圧発生手段はインピーダンスを微調整することのできる半固定整合器を介して発生した高周波電圧をステージに供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to claim 1,
A high-frequency voltage generating means supplies a high-frequency voltage generated through a semi-fixed matching unit capable of finely adjusting impedance to a stage.
請求項1記載のプラズマ処理装置において、
固定インピーダンス回路の固定インピーダンスは冷却手段を備えた抵抗器であることを特徴とするプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to claim 1,
The plasma processing apparatus, wherein the fixed impedance of the fixed impedance circuit is a resistor having a cooling means.
請求項1記載のプラズマ処理装置において
高周波電圧発生手段は、高周波のパルス電圧を発生することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the high frequency voltage generating means generates a high frequency pulse voltage.
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