JP2006344701A - Etching device and etching method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はエッチング装置およびエッチング方法に関し、特に均一なエッチング特性を得るための技術に関するものである。 The present invention relates to an etching apparatus and an etching method, and particularly to a technique for obtaining uniform etching characteristics.
半導体製造プロセス、特にプラズマを用いたドライエッチングでは、いかにしてウエハを均一にエッチングするかが重要なポイントなっている。均一なエッチングとは、エッチングレート、エッチング選択比、エッチング形状がウエハの全面にわたって可能な限り等しくなることである。均一なエッチングを実現するためには、ウエハの直上におけるプラズマ密度、電子温度、ラジカルの組成、電場(バイアス)、磁場及び圧力等を均一にすることが最適であるといわれている。 In a semiconductor manufacturing process, particularly dry etching using plasma, an important point is how to uniformly etch a wafer. Uniform etching means that the etching rate, etching selectivity, and etching shape are as equal as possible over the entire surface of the wafer. In order to realize uniform etching, it is said that it is optimal to make the plasma density, electron temperature, radical composition, electric field (bias), magnetic field, pressure, and the like right above the wafer uniform.
しかし、エッチングに使用されるガスの組成の均一化は実現困難である。あらゆるエッチングパラメータをウエハ面内で均一にしても、ウエハの周辺領域(つまり周縁部)におけるエッチングの非均一性は避けられない。このエッチングの非均一性は、ウエハ中央領域の周囲にも被エッチング材料が存在するため、ラジカルの消費が激しく、エッチング時に副生成物の発生量が多いのに対し、ウエハ周辺領域ではこれと逆の減少が生じるからである。 However, it is difficult to achieve a uniform gas composition used for etching. Even if all etching parameters are made uniform in the wafer surface, etching non-uniformity is unavoidable in the peripheral region (that is, the peripheral portion) of the wafer. This non-uniformity of etching is because the material to be etched is also present around the wafer central area, radical consumption is high, and a large amount of by-products are generated during etching. This is because a decrease in the amount occurs.
そこで、ウエハ面内の均一性を改善するために、ラジカルとイオンとを同時に作用させるプラズマ処理の最適化方法が提案されている。特許文献1に開示されたプラズマエッチング装置を図4に簡略に示す。 Therefore, in order to improve the uniformity within the wafer surface, an optimization method for plasma processing in which radicals and ions simultaneously act has been proposed. The plasma etching apparatus disclosed in Patent Document 1 is simply shown in FIG.
このプラズマエッチング装置では、チャンバ51内に、被処理体と対向するように外側上部電極52と内側上部電極53とが配置されている。外側上部電極52には、整合器54を介して第1の高周波電源55が電気的に接続されていて、チャンバ51内にプラズマが生成されている時に高周波電源55の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように調整される。
In this plasma etching apparatus, an outer upper electrode 52 and an inner
内側上部電極53は、多数の通気孔56が形成された電極板57が導電材料からなる電極支持体58に着脱可能に支持された構造である。電極支持体58の内部には、環状隔壁部材59で分割された中心ガス導入室60と周辺ガス導入室61とが設けられており、処理ガス供給源62から各室60,61に供給する処理ガスの流量比を流量制御弁等で調節することによって、中心ガス導入室60に連通した電極中心部の通気孔56から噴出するガスの流量と、周辺ガス導入室61に連通した電極周辺部の通気孔56から噴出するガスの流量との比率を任意に調整可能である。
The inner
そして、高周波放電領域をなす外側上部電極52と内側上部電極53との間で、高周波電界の強度または投入電力のバランスを変えることで、プラズマ密度の空間分布を制御する。また処理ガス噴出領域をなす内側上部電極53の中心部と周辺部との間でガス流量のバランスを変えることによって、ラジカル密度の空間分布を制御する。
Then, the spatial distribution of the plasma density is controlled by changing the strength of the high-frequency electric field or the balance of the input power between the outer upper electrode 52 and the inner
つまり、高周波放電領域と処理ガス噴出領域とが一致または対応していると、投入電力比の変化がラジカル密度の空間分布に影響し、またガス流量比の変化がプラズマ密度の空間分布に影響しまうので、上記したように高周波放電領域の分割レイアウトと処理ガス噴出領域の分割レイアウトとを独立させることにより、プラズマ密度分布とラジカル密度分布の独立制御を可能として、被処理体にラジカルとイオンとを同時に作用させるプラズマ処理の最適化を図っているのである。
従来のプラズマエッチング装置では、ウエハの表面全体にわたって均一なエッチングレートを得るために、すなわちウエハ表面で所望のエッチング効果を達成するために、処理ガスを均一に分配するように最適化された複数のバッフル、つまり中心ガス導入室60および周辺ガス導入室61が設けられている。
In a conventional plasma etching apparatus, a plurality of processes optimized to uniformly distribute a processing gas in order to obtain a uniform etching rate over the entire wafer surface, that is, to achieve a desired etching effect on the wafer surface. A baffle, that is, a central
しかしこれらのバッフルを含めた上部電極(外側上部電極52,内側上部電極53)の設計は、ウエハと上部電極との間の隙間が特定の値のときに、経験に基づいて均一に処理ガスを分配するのに最も適しており、ウエハと上部電極との隙間が変わる場合にそれに応じて調整するのは困難である。 However, the design of the upper electrode (outer upper electrode 52, inner upper electrode 53) including these baffles is based on experience when the process gas is uniformly distributed when the gap between the wafer and the upper electrode is a specific value. It is most suitable for distribution and is difficult to adjust accordingly when the gap between the wafer and the upper electrode changes.
また現状では、通気孔56は数百個形成され、その裏側へ均等にガス分配を確保するためのバッフルとして、中心ガス導入室60および周辺ガス導入室61といった複雑な幾何形状のガス導入室が形成されているが、今後も大口径化が予想されるウエハに対して、流量制御弁等でガス分配を制御することによりウエハ全体にわたって均一な圧力分布を生み出すことは困難である。そのためには、通気孔56とバッフルの数を増やす必要があり、通気孔56の数が増加するにつれて、またバッフルの数が増加するにつれて、装置構成が複雑になり、製造コストが大幅に上昇することになる。
At present, several hundreds of
さらに、高周波や電磁波を利用した技術が多くなる中、ガス噴出手段の構造はより複雑化されると予想される。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、大口径のウエハ等、ウエハ周辺領域の均一性が得られにくいエッチングプロセスに対しても、簡素なガス供給構造で均一なエッチング特性が得られるようにすることを目的とするものである。
Furthermore, as the technology using high frequency and electromagnetic waves increases, the structure of the gas ejection means is expected to become more complicated.
The present invention has been made in view of the above problems, and uniform etching characteristics can be obtained with a simple gas supply structure even for an etching process in which uniformity of a peripheral area of a wafer such as a large-diameter wafer is difficult to obtain. The purpose is to do so.
上記課題を解決するために、本発明のエッチング装置は、真空チャンバ内に、ウエハが設置されるステージと、前記ステージ上に設置されたウエハに対して上方からエッチングガスを吐出する上部ガス吐出手段とを備え、前記上部ガス吐出部から吐出されたエッチングガスを高周波電力によりプラズマ化して、プラズマ化した活性ガスにより前記ウエハをエッチングするエッチング装置において、前記ステージの外周近傍からステージ上のウエハの外周端に向けてエッチングガスを吐出する下部ガス吐出手段が設けられたことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, an etching apparatus of the present invention includes a stage in which a wafer is placed in a vacuum chamber, and an upper gas discharge means for discharging an etching gas from above to the wafer placed on the stage. In an etching apparatus that etches the etching gas discharged from the upper gas discharge section with high-frequency power and etches the wafer with the plasma-activated active gas, the outer periphery of the wafer on the stage from the vicinity of the outer periphery of the stage A lower gas discharge means for discharging an etching gas toward the end is provided.
下部ガス吐出手段のガス吐出部は、ステージに積載されたウエハの外周端に臨むガス吐出口を有しているのが好ましい。
ガス吐出部は、ステージとフォーカスリングとの間に配置されるのが都合よい。
The gas discharge part of the lower gas discharge means preferably has a gas discharge port facing the outer peripheral edge of the wafer loaded on the stage.
The gas discharge part is conveniently arranged between the stage and the focus ring.
下部ガス吐出手段は、ガス吐出部に向けてガスを供給するためのガス通路を含み、前記ガス吐出部および前記ガス通路の一端部はそれぞれリング状に形成され、前記ガス吐出部のガス吐出口はガス吐出部の周方向に沿って所定の間隔で複数個形成され、それぞれの下端が前記ガス通路のリング状部に連通していてよい。 The lower gas discharge means includes a gas passage for supplying gas toward the gas discharge portion, and the gas discharge portion and one end of the gas passage are each formed in a ring shape, and the gas discharge port of the gas discharge portion May be formed at a predetermined interval along the circumferential direction of the gas discharge portion, and the lower ends of each may communicate with the ring-shaped portion of the gas passage.
あるいは、下部ガス吐出手段は、ガス吐出部に向けてガスを供給するためのガス通路を含み、前記ガス吐出部および前記ガス通路の一端部はそれぞれリング状に形成され、前記ガス吐出部のガス吐出口はガス吐出部の周方向に沿うリング状に形成され、その下端が前記ガス通路のリング状部に連通していてよい。 Alternatively, the lower gas discharge means includes a gas passage for supplying gas toward the gas discharge portion, and the gas discharge portion and one end of the gas passage are each formed in a ring shape, and the gas of the gas discharge portion The discharge port may be formed in a ring shape along the circumferential direction of the gas discharge portion, and the lower end thereof may communicate with the ring shape portion of the gas passage.
また下部ガス吐出手段は、ガス吐出部に向けてガスを供給するためのガス通路を含み、前記ガス通路は、種類の異なる複数のエッチングガス及び不活性ガスのガス源にそれぞれ流量制御手段を介して接続され、前記ガス吐出部に向けて供給するガスの組成を前記流量制御手段それぞれの流量制御によって調整可能であるのが好ましい。 The lower gas discharge means includes a gas passage for supplying gas toward the gas discharge section, and the gas passage is connected to a plurality of different types of etching gas and inert gas gas sources via flow control means, respectively. It is preferable that the composition of the gas supplied to the gas discharge section can be adjusted by the flow rate control of each of the flow rate control means.
本発明のエッチング方法は、真空チャンバ内のステージ上にウエハを設置し、真空チャンバ内に供給するエッチングガスを高周波電力によりプラズマ化して、プラズマ化した活性ガスにより前記ウエハをエッチングする際に、前記ステージ上のウエハに対して上方からエッチングガスを吐出するとともに、前記ステージの外周近傍からウエハの外周端に向けてエッチングガスを吐出することを特徴とする。 In the etching method of the present invention, when a wafer is placed on a stage in a vacuum chamber, an etching gas supplied into the vacuum chamber is turned into plasma by high-frequency power, and the wafer is etched by plasmaized active gas. Etching gas is discharged from above to the wafer on the stage, and etching gas is discharged from the vicinity of the outer periphery of the stage toward the outer peripheral edge of the wafer.
本発明のエッチング装置およびエッチング方法は、上部ガス吐出手段と下部ガス吐出手段とをそれぞれ独立して設けて、ウエハの上方からだけでなくウエハ周辺領域に対してもエッチングガスを吐出するようにしたものであり、簡素なガス供給構造でありながら、ウエハ周辺領域のエッチング特性に対する制御性が広がり、大口径のウエハのエッチングなど、ウエハ周辺領域の均一性が得られにくいエッチングプロセスでも、面内均一なエッチング特性を得ることが可能となる。 In the etching apparatus and the etching method of the present invention, the upper gas discharge means and the lower gas discharge means are provided independently so that the etching gas is discharged not only from above the wafer but also to the peripheral area of the wafer. Even with an etching process that has a simple gas supply structure, but has greater control over the etching characteristics of the wafer peripheral area, and it is difficult to obtain uniformity of the wafer peripheral area, such as etching of a large-diameter wafer, the in-plane uniformity Etching characteristics can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態におけるドライエッチング装置の概略構成図である。このドライエッチング装置は、真空チャンバ1内に、ウエハ2が設置されるステージ3と、ステージ3上に設置されたウエハ2に対して上方からガスを吐出可能な上部ガス吐出部4とを備えている。ステージ3は下部電極を兼ねたもので(以下、下部電極3と称す)、ウエハ2を保持する静電チャックまたは機械的チャック(図示せず)の機構を有しており、上部ガス吐出部4はステージ3に対向した上部電極5に一体に形成されている。このドライエッチング装置は例えば、平行平板型装置あるいはRIE型装置といったものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a dry etching apparatus according to an embodiment of the present invention. This dry etching apparatus includes, in a vacuum chamber 1, a stage 3 on which a wafer 2 is installed, and an upper gas discharge unit 4 that can discharge gas from above to the wafer 2 installed on the stage 3. Yes. The stage 3 also serves as a lower electrode (hereinafter referred to as the lower electrode 3), and has a mechanism of an electrostatic chuck or a mechanical chuck (not shown) for holding the wafer 2, and the upper gas discharge unit 4 Are integrally formed on the upper electrode 5 facing the stage 3. This dry etching apparatus is, for example, a parallel plate apparatus or an RIE apparatus.
真空チャンバ1は接地されており、真空チャンバ1外では、上部電極5とアースとの間に高周波電源6が接続され、下部電極3とアースとの間に高周波バイアス電源7が接続され、上部ガス吐出部5に向けてエッチングガスを供給するガス供給系8が設けられている。高周波電源6、高周波バイアス電源7は例えば13.56MHzの高周波電力を供給する。上部電極5と高周波電源6との間には、図示しない整合器が介装されている。
The vacuum chamber 1 is grounded, and outside the vacuum chamber 1, a high-frequency power source 6 is connected between the upper electrode 5 and the ground, and a high-frequency
上部ガス吐出部4は、複数のガス吐出口4aを持ったシャワープレートやノズルなどであって、複数種類のエッチングガス源9、例えばO2、Ar、C4F8、CO等のガス源にガス供給路10を通じて接続しており、ガス供給路10に介装された各別の流量制御機構11によってガス流量及びガス組成が調整されたガスの供給を受ける。
The upper gas discharge unit 4 is a shower plate or a nozzle having a plurality of
このドライエッチング装置の特徴は、下部電極3の外周近傍から下部電極3上のウエハ2の外周端に向けてガスを吐出する下部ガス吐出手段12を備えている点である。
下部ガス吐出手段12の内の下部ガス吐出部13は、シリコン、アルミニウム、ステンレス、酸化シリコン、酸化アルミニウム等を主体とする材料を用いて、図2にも示すようにガス吐出口13aを設けてリング状に形成されており、下部電極3が支持された支持台14の上面に積載またはネジ止め等により保持された状態で、上端が下部電極3上のウエハ2の上面とほぼ同じ高さとなるように寸法設定されている。
This dry etching apparatus is characterized in that it includes a lower gas discharge means 12 that discharges gas from the vicinity of the outer periphery of the lower electrode 3 toward the outer peripheral end of the wafer 2 on the lower electrode 3.
The lower
下部ガス吐出部13と支持台14の当接部分には、ガス供給路15が、下部ガス吐出部13の周方向に沿って、全周にわたってリング状に配置されている。ガス吐出口13aは、下部ガス吐出部13の上端内周のテーパ面で一端が開口し、他端がガス供給路15に連通するように、下部ガス吐出部13の周方向に沿って所定の間隔で複数個形成されていて、それぞれ、テーパ面の傾斜に見合った、ウエハ2の外周端(特にエッジ部分)に臨む斜め上向きの開口部を一端に有している。ガス供給路15は、複数種類のエッチングガス源16、例えばO2、Ar、C4F8、CHF3等のガス源に他端において接続しており、ガス流量及びガス組成を調整する各別の流量制御機構17を介装している。18はフォーカスリングである。
A
上記構成における作用を説明する。
搬送機構(図示せず)によってウエハ2を下部電極3上に載せ、真空チャンバ1内を真空排気系(図示せず)によって真空引きするとともに、ウエハ2を下部電極3上に静電チャックなどで保持し、その状態で、上部ガス吐出部4および下部ガス吐出部13を通じて真空チャンバ1内にエッチングガスを供給する。
The operation in the above configuration will be described.
The wafer 2 is placed on the lower electrode 3 by a transfer mechanism (not shown), the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated by an evacuation system (not shown), and the wafer 2 is placed on the lower electrode 3 by an electrostatic chuck or the like. In this state, the etching gas is supplied into the vacuum chamber 1 through the upper gas discharge unit 4 and the lower
真空チャンバ1内の圧力が一定になったら、高周波電源6より上部電極5に高周波電力を印加して、真空チャンバ1内のエッチングガスをプラズマ化し、プラズマ化した活性ガスを、高周波バイアス電源7から下部電極3に印加する高周波電力により下部電極3側に引き込んで、下部電極3上のウエハ2の表面をエッチングする。
When the pressure in the vacuum chamber 1 becomes constant, a high-frequency power is applied to the upper electrode 5 from the high-frequency power source 6 to turn the etching gas in the vacuum chamber 1 into plasma, and the plasma-activated active gas is supplied from the high-frequency
この際に、上部ガス吐出部4に対しては、流量制御機構11により、ウエハ2のエッチングに最適なガスをO2、Ar、C4F8、CO等のガス源9から選択し、その流量及び組成を調整して混合ガスとしてガス供給路10を通じて送り、上部ガス吐出部4のガス吐出口4aを通じてウエハ2の上方から吐出させる。
At this time, for the upper gas discharge unit 4, the
また下部ガス吐出部13に対しては、流量制御機構17により、ウエハ2のエッチングに最適なガスをO2、Ar、C4F8、CHF3等のガス源16から選択し、その流量及び組成を調整して混合ガスまたは単ガスとしてガス供給路15を通じて送り、下部ガス吐出部13のガス吐出口13aを通じてウエハ2の外周端および周辺領域に対して吐出させる。
For the lower
たとえば、コンタクトホールあるいはビアホールの形成、パッド形成のようなデポ性の強いエッチングの場合、酸化膜などのウエハ2の周辺領域に対して吐出するガスとして、ウエハ中央領域のデポ性に寄与しているCHF3ガスを選択し、デポ成分とは逆の働きをするO2ガスの比率を上部ガス吐出部4側よりも下げ、エッチングレートへの寄与が大きいC4F8ガスの比率を上部ガス吐出部4側よりも下げる。 For example, in the case of etching with strong deposition properties such as formation of contact holes or via holes and pad formation, the gas discharged to the peripheral region of the wafer 2 such as an oxide film contributes to the deposition properties of the wafer central region. Select CHF 3 gas, lower the ratio of O 2 gas, which works opposite to the deposition component, from the upper gas discharge part 4 side, and discharge the upper gas ratio of C 4 F 8 gas, which has a large contribution to the etching rate Lower than part 4 side.
つまり、ウエハ2の中央領域および周辺領域に対して、上部ガス吐出部4とガス供給路10、下部ガス吐出部13とガス供給路15といった、簡素な構造の個別のガス吐出系を設けて、それぞれエッチングガスを吐出し、且つそのエッチングガスの流量および組成も変えられるようにすることにより、ウエハ2の周辺領域に対して吐出するガスについて、その周辺領域で過剰となるO2などのラジカルの比率を下げ、かつその周辺領域で不足する、副生成物の影響を補正するためのCHF3などデポ性のガスを増やすようにしたのである。
That is, with respect to the central region and the peripheral region of the wafer 2, individual gas discharge systems having a simple structure such as the upper gas discharge unit 4 and the
このようにすることにより、300mm以上の大口径ウエハのエッチングや、ウエハの中央領域と周辺領域とで均一性が得られにくいエッチングプロセスであっても、面内均一なエッチング特性を得ることが可能になる。 This makes it possible to obtain in-plane uniform etching characteristics even when etching a large-diameter wafer of 300 mm or more or an etching process in which uniformity is difficult to obtain in the central region and the peripheral region of the wafer. become.
また、同一の真空チャンバ1を使用して、コンタクトやエッチバック等のようにウエハの中央領域と周辺領域とでエッチング特性が大きく相違する異種のプロセスを処理することが可能になる。この場合、下部ガス吐出部13から噴出するガスの組成を変化させる方法の他に、ガスの噴出向きや噴出初速が異なる複数種類のガス吐出手段、ガス吐出口を利用する方法もある。
Further, by using the same vacuum chamber 1, it becomes possible to process different types of processes such as contacts and etchback, in which etching characteristics are greatly different between the central region and the peripheral region of the wafer. In this case, in addition to the method of changing the composition of the gas ejected from the lower
また、ウエハ2の周辺領域やその近傍、たとえばフォーカスリング18にデポが付着し易いプロセスでは、ウエハ2の外周近傍(つまりガス吐出口13a)から未反応のバージンガス、例えばAr、N2、Heを流すことにより、ウエハ2の周辺領域やフォーカスリングに対するデポ性を低減することができ、デポによるエッチストップの防止やフォーカスリングのクリーニング頻度を低減できる。
Further, in a process in which deposits are likely to adhere to the peripheral region of the wafer 2 or the vicinity thereof, for example, the
また、上記したように上部ガス吐出部4と下部ガス吐出部13の両者からほぼ同様のガスを同時に供給するだけでなく、たとえば、上部ガス吐出部4から不活性ガスのみを吐出し、下部ガス吐出部13からエッチングガスを吐出するステップを含めることにより、エッチング特性を最適なものにすることも可能である。
Further, as described above, not only substantially the same gas is simultaneously supplied from both the upper gas discharge portion 4 and the lower
また、下部ガス吐出部13を下部電極3に一体に設けることにより、上部電極あるいは上部ガス流量制御を内側・外側でそれぞれ制御するような構造の複雑化を回避するとともにチャンバ全体の構造を簡素化でき、下部ガス吐出手段12によるガス流量の制御によりエッチングプロセスの制御性を容易にすることができる。
Further, by providing the lower
図3は上記したドライエッチング装置に配置される他の下部ガス吐出部13を示す。この下部ガス吐出部13では、ガス吐出口13bは、テーパ面で一端が開口し、他端がガス供給路15に連通するように、リング状の下部ガス吐出部13の全周にわたってリング状に形成されており、テーパ面の傾斜に見合った、ウエハ2の外周端(特にエッジ部分)に臨む斜め上向きの開口部を有している。このような下部ガス吐出部13でも上述したのと同様の効果が得られる。下部ガス吐出部13の加工形状には特に制限はない。プロセスによっては、異なる方向にガスを吐出する別途のガス吐出口を設けておくのも好ましい。
FIG. 3 shows another lower
本発明のエッチング装置およびエッチング方法は、大口径のウエハのエッチングなど、ウエハ周辺領域の均一性が得られにくいエッチングプロセスでエッチング特性を向上させるのに有用である。 The etching apparatus and the etching method of the present invention are useful for improving etching characteristics in an etching process in which uniformity of a wafer peripheral region is difficult to obtain, such as etching of a large-diameter wafer.
1 真空チャンバ
2 ウエハ
3 下部電極(ステージ)
4 上部ガス吐出部
5 上部電極
10 ガス供給路
11 流量制御機構
13 下部ガス吐出部
15 ガス供給路
17 流量制御機構
18 フォーカスリング
1 Vacuum chamber 2 Wafer 3 Lower electrode (stage)
4 Upper gas discharge part 5 Upper electrode
10 Gas supply path
11 Flow control mechanism
13 Lower gas discharge part
15 Gas supply path
17 Flow control mechanism
18 Focus ring
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