JP2013149891A - プラズマ処理装置 - Google Patents

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洋輔 酒井
Kazunori Nakamoto
和則 中本
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Abstract

【課題】位置ズレを生じたウエハを作業者がハンドリングすることなく回収することのできるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】真空容器内部に配置され内部でプラズマが形成される処理室と、この処理室内に配置されその上に前記プラズマを用いた処理の対象のウエハ1が載せられる試料台2と、この試料台2のウエハ1が載せられる載置面の外周に配置されたリング106と、載置面に配置されガスが上方に供給される開口205とを備え、ウエハ1が載置面上の所定の位置からずれてその外縁の一部が載置面より高い位置にあるリング106上に乗っていることが検出された場合に、開口205から前記ガスをウエハ1の裏面に向けて供給してウエハ1の位置を修正する。
【選択図】図2

Description

本発明はプラズマ処理装置に係り、特に位置ズレを生じた処理試料を真空保持したまま回収することに好適なプラズマ処理装置に関するものである。
従来の試料保持機構は、特許文献1に示されるように、プラズマが生成される空間内で絶縁体からなる矩形の被処理試料を載置保持する試料保持機構であって、前記被処理試料を載置保持する矩形の試料台と、前記試料台とこの試料台の試料保持面に保持された被処理試料との間にガスを供給するためのガス流路と、前記試料台の試料保持面に形成され、前記ガス流路からのガスを前記試料保持面上に案内する複数のガス穴と、前記ガス穴が形成される領域が前記試料保持面の内側になるようにして、前記ガス穴形成領域全面にわたって形成される凹部と、前記試料保持面の前記ガス穴形成領域の外周に形成される枠部と、前記枠部に形成した複数の試料位置ズレ検出孔と、前記試料位置ズレ検出孔と前記凹部とを連通する連通路と、前記ガス流路の圧力を測定する圧力測定手段と、前記試料台上に被処理試料を保持したときに,前記圧力測定手段からの検出圧力に基づいて前記ガス穴からのガスの漏れ量を検出し,その検出結果に基づいて前記所定の位置ズレ許容量以上の前記被処理試料の位置ズレの有無を検出する位置ズレ検出手段と、を備えることを特徴とする試料保持機構が知られている。
また、従来の試料脱離方法は、特許文献2に示されるように、昇降自在な電極上に設けられ且つ試料よりも寸法が小さい試料台と、昇降自在で試料台の下方から上方へ突き出し可能な押上げピンとを有し、試料台上に静電的に吸着固定された試料を脱離させる脱離装置を用いた試料の脱離方法であって、試料と試料台とを静電的に吸着固定するために電極に印加された電圧を除去する工程と、電極を下降させることで相対的に押上げピンの先端を試料台の上面から突出させて、試料の少なくとも一部分を試料台の上方に浮き上がらせる工程と、電極を上昇させることで相対的に押上げピンを下降させ、押上げピンの先端を試料台の上面よりも下方へ没入させることで、試料を試料台上に水平に載置して試料の裏面を試料台の上面に接触させる工程と、電極を下降させることで相対的に押上げピンの先端を試料台の上面から突出させて、試料を試料台の上方に浮き上がらせる工程と、押上げピンをさらに上昇させて試料を所定の高さまで持ち上げる工程とを有することを特徴とする試料の脱離方法が知られている。
特開2008−172170号公報 特開2008−41969号公報
しかしながら、従来の特許文献1に示される試料保持機構は、試料の位置ズレを検知して以降に試料を回収する方法について十分に配慮されていなかった。すなわち、許容量以上のズレを検出した後、作業者は装置を停止して装置内の試料をハンドリングすることで試料を装置外に除去する試料回収作業が必要となる。
すなわち、試料のズレを生じてから次の試料処理を再開するまでは、装置を稼働できない問題があった。特に真空処理装置内に搭載した試料保持機構においては、試料をハンドリングするためには装置のベントが必要であり、さらに試料除去後には装置を真空にする作業が必要であり、装置のダウンタイムが大きい。さらにエッチング処理装置に搭載した試料保持機構においては、試料回収作業して真空排気をした後に、装置内の温度や表面状態を整える操作が必要となり、装置のダウンタイムはさらに大きいものとなる。
また、試料を作業者がハンドリングすると不注意で試料を割ってしまうリスクが生じる。特にクリーンルームに設置されたプラズマエッチング装置において試料を割ってしまうと、クリーンルーム自体の清掃が必要となり時間的経済的ロスが大きい。
また、従来の特許文献2に示される試料脱離方法は、試料と試料台の残留吸着力が大きく試料と試料台がスムーズに脱離しない場合に試料が跳ねてズレが生じる点について十分に配慮されていなかった。
本発明の目的は、位置ズレを生じた試料を作業者がハンドリングすることなく回収することのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明のプラズマ処理装置は、真空容器内部に配置され内部でプラズマが形成される処理室と、前記処理室内に配置され前記プラズマを用いた処理の対象のウエハが載せられる試料台と、前記試料台の前記ウエハが載せられる載置面の外周に配置されたリングと、前記載置面に配置されガスが上方に供給される開口とを備えており、前記ウエハが前記載置面上の所定の位置からずれて前記ウエハの外縁の一部が前記載置面より高い位置にある前記リング上に乗っていることが検出された場合に、前記開口から前記ガスを前記ウエハの裏面に向けて供給して前記ウエハの位置を修正する機能を有していることを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理装置は、更に、前記載置面を構成する誘電体製の膜の内部に配置され前記ウエハを前記誘電体膜上面に吸着して保持するための直流電力が供給される電極を備え、前記ウエハが前記載置面上で吸着保持された状態で前記開口から熱伝達用のガスが供給されることを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理装置は、更に、前記載置面上に前記ガスを上方に供給する複数の前記開口を備えていることを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理装置は、更に、前記試料台内部に配置され前記載置面に対して上下方向に駆動されて前記ウエハをその先端に載せて前記載置面から上方に離脱し、また、下方に接近させて前記載置面に載せる複数のピンを備え、前記ガスが供給される開口から前記ピンがこの載置面から上方に突出し、または、下方に収納されることを特徴とする。
本発明によれば、位置ズレを生じた試料を真空保持したまま正規位置にもどしてから搬出して回収することができる。
図1は本発明の一実施例であるプラズマ処理装置を示す断面図である。 図2は試料台を示す断面図である。 図3は試料台における試料位置ズレを説明する図である。 図4は試料をズレ位置から正規位置にもどしてから試料を搬出するフローチャートである。 図5は本発明の他の一実施例である試料台を示す断面図である。
本発明は、試料の位置ズレを検知したときに、伝熱ガスを一気に供給することで試料を吹き上げて、試料を正規位置にもどしてから搬出する。
以下、本発明の一実施例を図1乃至図4により説明する。図1は、プラズマ処理装置の概略図である。処理室3は、真空チャンバ102の上部に石英製のシャワープレート103と石英製の蓋101を設置し、真空チャンバ102の下面にはバルブ104を介して真空ポンプ105を接続して構成する。処理室3を構成する前記部材間の隙間は図示しないOリング等の適切なシール手段によって気密されており、処理室3内の圧力は10000分の1Paといった高真空に維持することができる。なお、処理室3の側面には図示しない試料1の導入口を備えており、処理室3の真空状態を保ったままに試料1の導入口を開けて試料1を処理室3に搬入出することのできる図示しない搬送機構を備えている。
処理室3の上部の空間は、シャワープレート103と蓋101と真空チャンバ102とガス導入穴107で構成したガスだまり109である。ガスだまり109の構成部材間の隙間は図示しないOリング等のシール手段によって気密に接続されている。処理ガスは、処理ガス供給装置108からまずガスだまり109に導入され、次いでシャワープレート103に設けた多数のシャワープレート貫通穴110を通り、処理室3内にシャワー状に導入される。処理ガスとしては、プロセス毎に単一の物質ガス、あるいは複数の物質を所定の比量で最適な流量比で混合したガスを用いる。たとえば、被エッチング材料がSi系の材料であれば、HBr/Cl/Oのガス系もしくは、左記に組み合わせてSF、CF、CHF等のフッ素系ガスが好適に使用できる。
処理室3の上方には、円盤状のアンテナ111を設置する。アンテナ111にはマイクロ波発振器112を接続しており、アンテナ111に高周波電圧を印加して電磁波を生成することができる。処理室3に導入された電磁波と、真空チャンバ102の周囲を取り巻いて設置したコイル113によって生じる磁場との相互作用により、処理室3内には高密度なプラズマを生成することができる。
処理室3の下方には、半導体試料等の試料1を配置する試料台2が設けられており、試料1が載置される面には静電チャック4が取り付けられている。なお、試料台2には静電チャック4によって保持する試料1にバイアス電圧を印加する高周波電源114と、試料1を吸着・保持するために静電吸着電源115と、試料1と静電チャック4の間に伝熱ガスを供給するための伝熱ガス供給装置116が接続されている。尚、符号106はフォーカスリング、符号117は制御装置である。
図2に試料台2の詳細を示す。試料台2上部の静電チャック4は、この場合、電気絶縁膜200と静電吸着電極201と誘電体膜202を積層してなる。静電吸着電極201は2枚とし、外電極201aと内電極201bを備えたダイポール型とし、それぞれの電極は静電吸着電源115に接続する。尚、押上げピン206を挟んで内電極201bと反対側に記載されている電極は内電極201bと一体物である。
すなわち、押上げピン206は内電極201bを貫通して設けられた開口部内を上下に動く。試料1の載置面の最外周部とそれから内側に離間した位置にリング状の凸部203、204が形成されている。試料1の裏面への伝熱ガスの供給は、凸部領域以外の凹部領域に設けられたガス供給穴205を介して行う。
ガス供給穴205への伝熱ガス供給ラインにはバルブ208を備えており、バルブ208の開度を調整することで伝熱ガス供給量およびガス圧力を調節することができる。なお、リング状の最外周凸部203,リング状凸部204の間の空間にはガス供給穴205からの伝熱ガスが供給される。なお、伝熱ガス供給ラインにコンプレッサ等の圧縮手段を取り付けることにより、広範囲の圧力制御が可能となる。
また、伝熱ガスは処理室3へ放出するため、試料1を処理する際には試料1の反応に影響しないように、反応ガスに比べ数桁少ない流量としている。また、試料台2は図示しない冷媒を流すことのできる放熱手段を備えている。符号206は押上げピン、符号209はシール、符号210は押し上げピン、符号211は押し上げピン駆動装置を示す。
なお、試料台2の材質としては、適度な強度があればどのような金属でも使用でき、たとえばステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、チタンなどが好適に使用できる。または金属でなくとも構わない。また、電気絶縁膜200および誘電体膜202の材質は、絶縁性を維持することができ、かつプラズマ耐性があればどのような材質であっても構わないが、例えばアルミナ(酸化アルミニウム、Al)やイットリア(酸化イットリウム、Y)が好適に使用される。また、静電吸着電極201の材質としては、どのような金属でも構わないが、例えばタングステンやニッケルなどが好適に使用される。
なお、本実施例において静電吸着電極201は外電極201aと内電極201bの2枚を備えたダイポール型としたが、必ずしもダイポール型である必要はなく、モノポール型であっても構わない。また、静電吸着以外による吸着方法であってもよい。
図2に示した本実施例としての試料台2を用いるときの、試料1の正規位置ならびにズレ位置を図3によって説明する。フォーカスリング106は試料台2の試料1の載置面の外周の試料1の載置面より低い部分を保護するリング形状である。フォーカスリング106は、その内周側に試料1の載置面よりも低い位置に試料対向面301を備え、その外周側に試料1の載置面よりも高い位置に試料乗り上げ面302を備えている。試料1が試料乗り上げ面302に乗り上げることなく静電チャック4に載置されているとき、試料1は正規位置にあるとする。
一方で試料1が試料乗り上げ面302に乗り上げているとき、試料1はズレ位置にあるとする。試料1の正規位置ならびにズレ位置は、フォーカスリング106の試料対向面301と試料乗り上げ面301の接続部のうち試料1載置面と同一面上の境界線303によって規定する。
図4は、試料1をズレ位置から正規位置にもどして試料1を搬出するフローチャートであり、本実施例ではプラズマエッチング処理あるいは除電処理が何らかのエラーで停止したときに、エラーを生じた試料1を試料台2から取り除き、次の試料1を処理再開する方法を示す。
試料1をエッチング処理してその後に除電処理するまでの一連の処理中に、制御装置117が何らかの異常を検知すると、その後にエラー発生500するとともに、処理ガス供給装置108からの処理ガス供給を停止し、マイクロ波発振器112からアンテナ111への高周波電圧の印加を停止し、コイル113からの磁場発生を停止し、高周波電源114によるバイアス電圧の印加を停止し、静電吸着電源115による電圧印加を停止し、伝熱ガス供給装置116からの伝熱ガス供給を停止し、処理室3は放熱手段による冷却機能を維持したまま真空状態に保持される。このとき、エラー発生からの経過時間tを制御装置117によってカウント開始時間t=0501しておく。装置作業者がエラー後処理の開始502を制御装置117に指示すると、装置はエラー後処理動作550を自動で実施する。
試料1を静電チャック4から取り除くためには残留吸着力を低減しておくことが肝要であるから、適切な除電操作530を実施する。除電操作530としては、例えばプラズマを照射する方法がある。ただし、エッチング処理中に検知した異常のうちでエッチング性能に重大な影響を及ぼさない異常を検知した場合には、除電処理を含む所定処理を全て完了してからエラー発生する。
従って除電操作530をエラー発生試料処理停止500した後に一律に実施するのではなく、試料1に対する除電処理をエラー発生試料処理停止500以前に完了しているか否かを除電判定503し、エラー発生試料処理停止500以前に除電操作530が完了している場合はエラー後処理動作550における最初の除電操作530をスキップすることで、エラー後処理動作550にかかる時間を短縮し装置のダウンタイムを低減することができる。
また、エラー発生試料処理停止500して以降、装置作業者がエラー後処理開始502の指示をするまでには、装置作業者の都合に左右されて、長い時間を要することがある。試料1を試料台2に長時間にわたって載置したままにすると、放熱手段としての冷媒を試料台2に流通することで生じる静電気に起因して静電チャック4が帯電し試料1と静電チャック4との間で吸着力が生じることがある。そこで本実施例においては時間tと許容値tsetの大小比較の時間判定504して、t>tsetの場合には除電操作530を実施するフローとし、試料1ズレを生じる可能性を低減している。
以上のようにして試料1と静電チャック4の間に作用する残留吸着力を可能な限り低減してから、時間判定504の直後に、押上げピン206を上下動作505する。押上げピン206を上昇させて試料1を静電チャック4から脱離させるとき、残留吸着力が比較的低減していれば試料1と静電チャック4とがスムーズに脱離し、試料1の水平位置はほとんど変化しないので、次いで押上げピン206を下降させると試料1はフォーカスリング106の試料乗り上げ面302に乗り上げることなく静電チャック4の正規位置に載置される。
一方で、残留吸着力があまり低減していない場合に押上げピン206を上昇させて試料1を静電チャック4から脱離させると、脱離の瞬間には試料1に押上げピン206から比較的大きな力が作用するため、脱離して以降に試料1が振動したり跳ね上がったりして試料1が水平方向に不規則に移動してしまう。
このような場合に次いで押上げピン206を下降させると、試料1はフォーカスリング106の試料乗り上げ面302に乗り上げた状態すなわち試料1は位置ズレの状態となってしまう。さらには、周方向で残留吸着力が分布を持つ場合に押上げピン206を上昇させると、まず周方向で残留吸着力が比較的弱い側で試料1が静電チャック4から脱離し、一方で周方向で残留吸着力の比較的強い側の試料1は最後まで静電チャック4と脱離しないために、試料1が傾いて押上げピン206とフォーカスリング106に支持されることがある。
このように傾いた試料1を処理室3から搬出しようとしても、試料1が押上げピン206上に略水平に保持されている場合のみに対応した搬送機構を用いる場合は、試料1を正常に搬送することが難しく、また試料1の割れを生じてしまうこともある。本実施例においては、そのように試料1が傾いた場合であっても、いったん押上げピン206を下降させることで、試料1は位置ズレ状態となるため、試料1の割れを回避することができる。
押上げピン上下動作505をした結果としての試料1位置ズレの判定507は、どのような手段であっても構わないが、本実施例においては伝熱ガスをバルブ208で調節しながら一定流量で導入するときの伝熱ガスラインの圧力Pをモニタし、Psetとの大小を比較する方法とした。
試料1がズレ位置にある場合のほうが、試料1が静電チャック4の正規位置にある場合に比べて、試料1と静電チャック4の隙間が大きいために伝熱ガスライン圧力Pが小さい。すなわち、試料1の位置ズレと正規位置による伝熱ガスライン圧力Pを予め測定して把握しておけば、Psetを適切に設定することができる。
試料1の位置ズレの試料ズレ判定507の結果P≦Psetであれば、試料1はズレ位置にあることから、試料1を正規位置に戻すために伝熱ガス吹き出し動作である試料位置ズレ補正動作520を実施する。ズレ位置にある試料1に対してガス供給穴205から伝熱ガスを一気に供給すると、試料1にはその試料面と鉛直に上向きの力が作用し、試料1は吹き飛ばされる。吹き飛ばされる直前の試料1は水平から傾いているために、吹き飛ばされた試料1は試料台2の中心方向へ移動するので、試料1を正規位置にもどすことができる。
なお、本実施例では試料位置ズレ補正動作520を1回実施するとしたが、複数回の吹き出しを連続して実施してもよい。一方で、試料1の位置ズレの試料ズレ判定507において、P>Psetであれば、試料1は正規位置にある。
1つの搬送機構を複数の処理室3で共通で使用する装置構成の場合には、他の処理室3に対して搬送機構が動作しているために、エラー後処理動作550を実施中の処理室3から試料1を搬出することができないことがある。特に長い時間を要してしまう場合には、放熱手段としての冷媒を流通することで生じる静電気によって試料台2が帯電し試料1と試料台2に吸着力が生じてしまうことがある。
そこで、試料1を搬送機構によって搬出するために押上げピンを上昇動作509する直前に、プッシャ上下505の直後および伝熱ガス吹き出しの試料位置ズレ補正動作520の直後からの時間tと許容値tsetの大小を時間判定508し、t≦tsetの場合に限って試料1の搬出の動作を開始する搬出開始509すなわち押上げピン206を上昇させ、試料1と静電チャック4をスムーズに脱離し、試料1のズレによる搬送トラブルを回避することができる。
試料1を伝熱ガスで吹いて移動すると、試料1あるいは静電チャック4表面が摩擦で傷ついてコンタミが生じその後の試料1処理に影響を及ぼすことがあるので、エラー後処理動作550を終了した後でダミーの試料1の十数枚を処理室3に搬送して静電チャック4に載置510し、コンタミを除去してから、試料1を処理再開するダミー試料処理511を行う。なおこのダミー試料処理510は複数回実施しても構わない。
以上のように、図4に示すフローに従うと、搬送機構で試料1を処理室3から搬出する直前の押上げピン上昇動作は正規位置の試料1に対してのみ実施することになり、なおかつその動作によって試料1と静電チャック4が脱離するときに試料1が水平方向に移動することはない。従って、フォーカスリング106の境界線303を搬送機構が試料1を搬送できる範囲内に設定すれば、試料1のズレや割れなどのトラブルのない試料1の搬送を提供できる。
次に、本発明の他の一実施例を図5により説明する。図5はプラズマ処理装置における試料台2を示す断面図である。図5において、図3と同符号は同一部材を示し説明を省略する。この試料台2では、静電チャック4表面に円周上にガス供給穴230、231およびバルブ240、241を備えている。図では伝熱ガスラインを2系統しか描いていないが、このほかにも図示しない伝熱ガスラインを備えており、複数系統の伝熱ガスラインを備えている。
伝熱ガス供給量およびガス圧力はそれぞれの伝熱ガスラインで独立して制御することができる。本実施例によれば、試料1の位置ズレの試料ズレ判定507において、各伝熱ガスラインの圧力Pをモニタすれば、試料ズレを生じた場合における試料1のズレ方向を特定することができる。すなわち、試料1がフォーカスリング106の試料乗り上げ面302に乗り上げている付近においては静電チャック4と試料1との隙間は比較的広く、この近傍に備えたガス供給穴230,231に接続した伝熱ガスライン圧力は周囲の伝熱ガスラインの圧力よりも低い値となる。
また、ズレ位置にある試料1を正規位置に戻すために伝熱ガス吹き出し動作をする試料位置ズレ補正動作520とき、試料1のズレ方向の情報をもとに、ガス供給穴230,231それぞれについて異なるガス供給量として試料面に作用する力の周方向分布を低減することで、試料1に作用する回転モーメントが低減するので試料1を略水平にしたまま安定に移動させることができる。
1 試料
2 試料台
3 処理室
4 静電チャック
101 蓋
102 真空チャンバ
103 シャワープレート
104 バルブ
105 真空ポンプ
106 フォーカスリング
107 ガス導入穴
108 処理ガス供給装置
109 ガスだまり
110 シャワープレート貫通穴
111 アンテナ
112 マイクロ波発振器
113 コイル
114 高周波電源
115 静電吸着電源
116 伝熱ガス供給装置
117 制御装置
200 電気絶縁膜
201 静電吸着電極
202 誘電体膜
203 最外周凸部
204 リング状凸部
205 ガス供給穴
206 押上げピン
208 バルブ
209 シール
210 押上げピン
211 押上げピン駆動装置
230 ガス供給穴
231 ガス供給穴
240 バルブ
241 バルブ
301 試料対向面
302 試料乗り上げ面
303 境界線
500 エラー発生試料処理停止
501 時間t=0
502 エラー後処理開始
503 除電判定
504 時間判定
505 押上げピン上下動作
506 時間t=0
507 試料ズレ判定
508 時間判定
509 搬出開始
510 ダミー試料処理
511 試料処理再開
520 試料位置ズレ補正動作
530 除電操作
550 エラー後処理動作

Claims (4)

  1. 真空容器内部に配置され内部でプラズマが形成される処理室と、前記処理室内に配置され前記プラズマを用いた処理の対象のウエハが載せられる試料台と、前記試料台の前記ウエハが載せられる載置面の外周に配置されたリングと、前記載置面に配置されガスが上方に供給される開口とを備えており、
    前記ウエハが前記載置面上の所定の位置からずれて前記ウエハの外縁の一部が前記載置面より高い位置にある前記リング上に乗っていることが検出された場合に、前記開口から前記ガスを前記ウエハの裏面に向けて供給して前記ウエハの位置を修正する機能を有していることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 請求項1に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記載置面を構成する誘電体製の膜の内部に配置され前記ウエハを前記誘電体膜上面に吸着して保持するための直流電力が供給される電極を備え、前記ウエハが前記載置面上で吸着保持された状態で前記開口から熱伝達用のガスが供給されることを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項1または2に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記載置面上に前記ガスを上方に供給する複数の前記開口を備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項1乃至3の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記試料台内部に配置され前記載置面に対して上下方向に駆動されて前記ウエハをその先端に載せて前記載置面から上方に離脱し、また、下方に接近させて前記載置面に載せる複数のピンを備え、前記ガスが供給される開口から前記ピンがこの載置面から上方に突出し、または、下方に収納されることを特徴とするプラズマ処理装置。
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