JP2017079127A - Inductively coupled plasma generating apparatus, self bias applying apparatus, plasma processing apparatus, plasma generating method, and self bias applying method - Google Patents

Inductively coupled plasma generating apparatus, self bias applying apparatus, plasma processing apparatus, plasma generating method, and self bias applying method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inductively coupled plasma generating apparatus which is suitable for a minimal fab system and can be miniaturized, and further to provide a self bias applying apparatus, a plasma processing apparatus, a plasma generating method, and a self bias applying method.SOLUTION: The inductively coupled plasma generating apparatus includes: a high frequency power supply circuit 7 having a bridge circuit 7g for converting DC power 7a into high frequency power and outputting it, a transformer 7j for transforming the high frequency power output from the bridge circuit 7g, and a resonance capacitor C connected in series to the transformer 7j; and a plasma generation antenna 5e which is an inductor and is supplied with the high frequency power transformed by the transformer 7j.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、直流電力を高周波電力に変換して出力する電源回路を備えた誘導性結合プラズマ発生装置、セルフバイアス印加装置、プラズマ処理装置、プラズマ生成方法、およびセルフバイアス印加方法に関する。   The present invention relates to an inductively coupled plasma generator, a self-bias application device, a plasma processing device, a plasma generation method, and a self-bias application method that include a power supply circuit that converts DC power into high-frequency power and outputs the power.

近年、半導体デバイスの製造ラインとして、0.5インチサイズ(ハーフインチサイズ)のウェハに1個のデバイスを作成することを基本とし、そのために製造工程を複数の可搬性の単位処理装置で構成し、これら複数の単位処理装置をフローシップやジョブショップに再配置することを容易にすることで、超少量生産でかつ多品種生産に適切に対応できるようにしたミニマルファブシステムが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   In recent years, as a semiconductor device production line, it is fundamental to create one device on a 0.5-inch (half-inch) wafer. For this purpose, the manufacturing process is composed of a plurality of portable unit processing devices. , A minimal fab system has been proposed that makes it easy to relocate these multiple unit processing devices to flowships and job shops, making it suitable for ultra-low volume production and multi-product production ( For example, see Patent Document 1.)

このミニマルファブシステムに適合させた単位処理装置は、上下方向に長手方向を有する略直方体状に形成され外気から遮断された構成の、例えば所定の大きさに規格化され従来に比べ極めて狭小な内部空間を有する筐体を備えており、この筐体内に、ハーフインチサイズのウェハを処理するためのウェハ処理部を収容して構成されている(例えば、特許文献参照。)。   The unit processing apparatus adapted to this minimal fab system is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape having a longitudinal direction in the vertical direction and is cut off from the outside air. A housing having a space is provided, and a wafer processing unit for processing a half-inch size wafer is accommodated in the housing (for example, see Patent Literature).

国際公開第2012/029775号International Publication No. 2012/029775

しかしながら、上記特許文献1のミニマルファブシステムは、ハーフインチサイズのウェハを単位処理装置で一枚ずつ処理する方法であり、ハーフインチサイズのウェハの表面を、プラズマエッチング処理するプラズマ処理装置としては、何ら提案されていない。ミニマルファブシステムに適合させた単位処理装置の筐体は、極めて小さな内部空間を有するものであるため、例えばプラズマ生成とウェハへのイオン入射エネルギーとをそれぞれ独立に制御可能な誘導結合性プラズマエッチャーでは、プラズマ処理装置等のウェハ処理部を駆動させる電源回路や、チャンバ内にプラズマを生成するためのプラズマ生成部に使用する電源回路、ステージ上のウェハにバイアスを印加するウェハバイアス部に使用する電源回路としても、小型化が求められている。   However, the minimal fab system of Patent Document 1 is a method of processing half-inch size wafers one by one with a unit processing apparatus. As a plasma processing apparatus for plasma etching the surface of a half-inch size wafer, No suggestion has been made. The housing of the unit processing apparatus adapted to the minimal fab system has an extremely small internal space. For example, in an inductively coupled plasma etcher that can independently control plasma generation and ion incident energy to the wafer. , A power supply circuit for driving a wafer processing unit such as a plasma processing apparatus, a power supply circuit used for a plasma generation unit for generating plasma in a chamber, and a power supply used for a wafer bias unit for applying a bias to a wafer on a stage The circuit is also required to be downsized.

また、高周波電力をプラズマ生成部またはウェハバイアス部へ供給するためには、例えばアンテナやバイアス部等の負荷のインピーダンスを電源のインピーダンス、例えば50Ωと一致させて高周波電力の反射を抑制する必要があるので、プラズマの状態によって変化するインピーダンスを、可変キャパシタを用いて調整するインピーダンス整合法が用いられる。このインピーダンス整合法では、可変キャパシタを制御するモーター等の機械駆動部品およびその制御回路等がプラズマ生成部およびウェハバイアス部のそれぞれに必要となり、上述のミニマルファブシステムの筐体に収容することが容易ではない。また、ボッシュプロセス法などの高速でガスの置換を必要とするプロセス方式では、高速でインピーダンス整合を実現する手法が有効であるが、上記のインピーダンス整合法は、可変キャパシタの機械駆動でインピーダンス整合を調整するため、時間応答性に劣るという問題がある。   In order to supply high-frequency power to the plasma generation unit or the wafer bias unit, for example, it is necessary to match the impedance of a load such as an antenna or a bias unit with the impedance of a power source, for example, 50Ω to suppress reflection of the high-frequency power. Therefore, an impedance matching method is used in which the impedance that changes depending on the plasma state is adjusted using a variable capacitor. In this impedance matching method, a mechanical drive part such as a motor for controlling the variable capacitor and its control circuit are required for each of the plasma generation unit and the wafer bias unit, and can be easily accommodated in the case of the above-described minimal fab system. is not. For process methods that require gas replacement at high speed, such as the Bosch process method, a technique that achieves impedance matching at high speed is effective. However, the impedance matching method described above performs impedance matching by mechanical drive of a variable capacitor. In order to adjust, there exists a problem that it is inferior to time responsiveness.

本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、ミニマルファブシステムに適した、小型化可能な誘導性結合プラズマ発生装置、セルフバイアス印加装置、プラズマ処理装置、プラズマ生成方法、およびセルフバイアス印加方法を提供することにある。   The present invention has been made from the above-described prior art, and an object of the present invention is to reduce the size of an inductively coupled plasma generator, a self-bias applying device, a plasma processing device, and a plasma generation method suitable for a minimal fab system. And a self-bias application method.

上記目的を達成するために、本発明は、直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部、およびこの変圧部に直列接続された共振用キャパシタを有する電源回路と、インダクタであり前記変圧部にて変圧された高周波電力が供給されるプラズマ生成用アンテナと、を備える誘導性結合プラズマ発生装置とした。   To achieve the above object, the present invention provides an inverter unit that converts DC power into high-frequency power and outputs it, a transformer unit that transforms high-frequency power output from the inverter unit, and a series connection to the transformer unit. The inductively coupled plasma generator includes a power supply circuit having a resonance capacitor and a plasma generation antenna that is an inductor and is supplied with high-frequency power transformed by the transformer.

このように構成された本発明によれば、共振周波数に相当する周波数でインバータ部のスイッチングを行った際に、負荷に流す高周波電流を増大させることが可能となり、プラズマ生成用アンテナが負荷の場合には、誘導電磁界の強度が増加しプラズマ生成が可能となる。しかし、プラズマが生成された状態、またはプラズマの状態が変化した際には、負荷のインピーダンスが変動するため、共振周波数が変動してしまうものの、プラズマ生成用アンテナが接続されているため、プラズマ生成前後における共振状態からのずれを、駆動周波数を変化させることで調整し、常に共振状態を維持し効率よく高周波電力を投入することができる。したがって、一般的に可変キャパシタ群とキャパシタ制御用の機械駆動部品から成る大きな構成の、いわゆるマッチャーと呼ばれる、高周波電力のインピーダンス整合装置を用いることなく、高周波電力の投入が実現できるため、小型化が可能となり、所定の大きさに規格された単位処理装置にて構成されたミニマルファブシステムの電源回路に適している。   According to the present invention configured as described above, when switching of the inverter unit is performed at a frequency corresponding to the resonance frequency, it is possible to increase the high-frequency current flowing through the load, and when the plasma generating antenna is a load. In this case, the intensity of the induction electromagnetic field increases and plasma generation becomes possible. However, when the plasma is generated or when the plasma state changes, the impedance of the load fluctuates and the resonance frequency fluctuates. The deviation from the resonance state before and after is adjusted by changing the drive frequency, so that the resonance state can always be maintained and high-frequency power can be supplied efficiently. Therefore, since high-frequency power can be input without using a high-frequency power impedance matching device called a so-called matcher, which is generally composed of a variable capacitor group and a mechanical drive part for controlling the capacitor, downsizing is possible. This is possible, and is suitable for a power supply circuit of a minimal fab system configured by a unit processing device standardized to a predetermined size.

また、上記目的を達成するために、本発明は、前記電源回路は、前記インバータ部と前記変圧部との間の電流値を検出し、前記インバータ部から出力される高周波電力を制御する周波数制御部を備える誘導性結合プラズマ発生装置とした。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the power supply circuit detects a current value between the inverter unit and the transformer unit, and controls a high-frequency power output from the inverter unit. An inductively coupled plasma generator having a section is provided.

このように構成された本発明は、インバータ部と変圧部との間の電流値を検出し、例えばインバータ部の電圧と電流の位相が等しくなるように、すなわち負荷インピーダンスが純抵抗成分となる共振状態を常時保持するようにインバータ部から出力される高周波電力の周波数を制御することにより、負荷インピーダンスの変動に追従した共振状態の維持が可能となる。   The present invention configured as described above detects a current value between the inverter unit and the transformer unit, and for example, a resonance in which the voltage and current phases of the inverter unit are equal, that is, the load impedance is a pure resistance component. By controlling the frequency of the high-frequency power output from the inverter unit so as to always maintain the state, it is possible to maintain the resonance state following the fluctuation of the load impedance.

また、上記目的を達成するために、本発明は、前記インバータ部は、複数のスイッチング素子を有し、前記周波数制御部は、前記各スイッチング素子の電圧値と出力電流の電流値とを検出し検出した電圧値の位相と電流値の位相とを比較する位相比較部と、この位相比較部にて比較した位相のずれに基づいて前記各スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するスイッチング周波数制御部と、を有する誘導性結合プラズマ発生装置とした。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the inverter unit includes a plurality of switching elements, and the frequency control unit detects a voltage value of each switching element and a current value of an output current. A phase comparison unit that compares the phase of the detected voltage value and the phase of the current value; a switching frequency control unit that controls the switching frequency of each of the switching elements based on the phase shift compared by the phase comparison unit; An inductively coupled plasma generator having

このように構成された本発明は、各スイッチング素子の電圧値と出力電流の電流値とを検出し、この検出した電圧値の位相と電流値の位相とを位相比較部にて比較し、この位相のずれを無くすように各スイッチング素子のスイッチング周波数を周波数制御部にて制御することによって、共振状態を正確かつ高速に制御できる。   The present invention configured as described above detects the voltage value of each switching element and the current value of the output current, and compares the phase of the detected voltage value with the phase of the current value in a phase comparison unit. By controlling the switching frequency of each switching element by the frequency controller so as to eliminate the phase shift, the resonance state can be controlled accurately and at high speed.

また、上記目的を達成するために、本発明は、直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部、およびこの変圧部に直列接続された共振用インダクタを有する電源回路と、前記変圧部にて変圧された高周波電力が供給されるセルフバイアス用キャパシタと、前記キャパシタに
並列接続された共振用キャパシタと、を備えるセルフバイアス印加装置とした。
とした。
In order to achieve the above object, the present invention provides an inverter unit that converts DC power into high-frequency power and outputs it, a transformer unit that transforms high-frequency power output from the inverter unit, and the transformer unit. Self-bias application comprising: a power supply circuit having a resonance inductor connected in series; a self-bias capacitor to which high-frequency power transformed by the transformer is supplied; and a resonance capacitor connected in parallel to the capacitor The device.
It was.

このように構成された本発明は、共振周波数に相当する周波数でインバータ部のスイッチングを行った際に、負荷に流す高周波電流を増大させることが可能となり、セルフバイアス用キャパシタが負荷の場合には、ウェハへ効率よく高周波電圧を印加することが可能となる。しかし、プラズマが生成された状態、またはプラズマの状態が変化した際には、負荷のインピーダンスが変動するため、共振周波数が変動してしまうものの、例えば、負荷としてセルフバイアス用キャパシタが接続されているため、プラズマ生成前後における共振状態からのずれを、駆動周波数を変化させることで調整し、常にウェハへと高周波高電圧を印加することができる。したがって、一般的に可変キャパシタ群とキャパシタ制御用の機械駆動部品から成る大きな構成の、いわゆるマッチャーと呼ばれる、高周波電力のインピーダンス整合装置を用いることなく、高周波電力の投入が実現できるため、小型化が可能となり、所定の大きさに規格された単位処理装置にて構成されたミニマルファブシステムの電源回路に適している。   In the present invention configured as described above, when the inverter unit is switched at a frequency corresponding to the resonance frequency, it is possible to increase the high-frequency current flowing through the load, and when the self-bias capacitor is a load. It is possible to efficiently apply a high frequency voltage to the wafer. However, when the plasma is generated or when the plasma state changes, the impedance of the load fluctuates, so that the resonance frequency fluctuates. For example, a self-bias capacitor is connected as a load. Therefore, the deviation from the resonance state before and after plasma generation can be adjusted by changing the driving frequency, and a high frequency high voltage can always be applied to the wafer. Therefore, since high-frequency power can be input without using a high-frequency power impedance matching device called a so-called matcher, which is generally composed of a variable capacitor group and a mechanical drive part for controlling the capacitor, downsizing is possible. This is possible, and is suitable for a power supply circuit of a minimal fab system configured by a unit processing device standardized to a predetermined size.

また、上記目的を達成するために、本発明は、前記電源回路は、前記インバータ部と前記変圧部との間の電流値を検出し、前記インバータ部から出力される高周波電力を制御する周波数制御部を備えるセルフバイアス印加装置とした。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the power supply circuit detects a current value between the inverter unit and the transformer unit, and controls a high-frequency power output from the inverter unit. A self-bias application device having a section is provided.

このように構成された本発明は、インバータ部と変圧部との間の電流値を検出し、例えばインバータ部の電圧と電流の位相が等しくなるように、すなわち負荷インピーダンスが純抵抗成分となる共振状態を常時保持するようにインバータ部から出力される高周波電力の周波数を制御することにより、負荷インピーダンスの変動に追従した共振状態の維持が可能となる。   The present invention configured as described above detects a current value between the inverter unit and the transformer unit, and for example, a resonance in which the voltage and current phases of the inverter unit are equal, that is, the load impedance is a pure resistance component. By controlling the frequency of the high-frequency power output from the inverter unit so as to always maintain the state, it is possible to maintain the resonance state following the fluctuation of the load impedance.

また、上記目的を達成するために、本発明は、前記インバータ部は、複数のスイッチング素子を有し、前記周波数制御部は、前記各スイッチング素子の電圧値および出力電流の電流値を検出し、検出した電圧値の位相と電流値の位相とを比較する位相比較部と、この位相比較部にて比較した位相のずれに基づいて前記各スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するスイッチング周波数制御部と、を有するセルフバイアス印加装置とした。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the inverter unit includes a plurality of switching elements, and the frequency control unit detects a voltage value of each switching element and a current value of an output current, A phase comparison unit that compares the phase of the detected voltage value and the phase of the current value; a switching frequency control unit that controls the switching frequency of each of the switching elements based on the phase shift compared by the phase comparison unit; A self-bias application device having

このように構成された本発明は、各スイッチング素子の電圧値と出力電流の電流値とを検出し、この検出した電圧値の位相と電流値の位相とを位相比較部にて比較し、この位相のずれを無くすように各スイッチング素子のスイッチング周波数を周波数制御部にて制御することによって、共振状態を正確かつ高速に制御できる。   The present invention configured as described above detects the voltage value of each switching element and the current value of the output current, and compares the phase of the detected voltage value with the phase of the current value in a phase comparison unit. By controlling the switching frequency of each switching element by the frequency controller so as to eliminate the phase shift, the resonance state can be controlled accurately and at high speed.

また、上記目的を達成するために、本発明は、ウェハが設置されるステージと、このステージを覆うチャンバと、このチャンバ内を真空引きする真空引き部と、前記チャンバの前記ステージに対向する位置に設けられたガス供給部と、請求項1ないし3のいずれかに記載の誘導性結合プラズマ発生装置を有し前記ガス供給部内のエッチングガス中にプラズマを生成するプラズマ生成部と、請求項4ないし6のいずれかに記載のセルフバイアス印加装置を有し前記ステージ上に設置されたウェハに高周波電圧を印加し直流セルフバイアスを誘起するウェハバイアス部と、を具備するプラズマ処理装置とした。   In order to achieve the above object, the present invention provides a stage on which a wafer is placed, a chamber covering the stage, a vacuum evacuation unit for evacuating the chamber, and a position facing the stage of the chamber. A gas supply unit provided in the apparatus, a plasma generation unit that includes the inductively coupled plasma generation device according to any one of claims 1 to 3 and generates plasma in an etching gas in the gas supply unit, and A plasma processing apparatus having a self-bias application device according to any one of claims 6 to 6 and a wafer bias unit that induces a direct current self-bias by applying a high-frequency voltage to a wafer placed on the stage.

このように構成された本発明は、ステージにウェハを設置し、チャンバ内を真空引き部にて真空引きしてから、ガス供給部からプラズマ生成部へエッチングガスを供給しつつプラズマ生成用アンテナに高周波電力を供給してプラズマを生成する。プラズマの生成前後では、プラズマ生成用アンテナとプラズマとからなる負荷のインピーダンスが変化することから、共振周波数が変動するため、誘導性結合プラズマ発生装置のインバータ部の出力
電流と電圧との位相が揃うように高周波電力の周波数を制御することによって、高速かつ可変キャパシタを用いることなく共振状態を維持することができる。プラズマ生成部にて生成されたプラズマおよびラジカル種は、拡散にてウェハ上に到達する。同時に、セルフバイアス印加装置から出力される高周波電圧をウェハに印加する。ステージに設置されたウェハを含む領域にプラズマ生成部からのプラズマが流入することにより、ウェハバイアス部の共振周波数が変動するため、セルフバイアス印加装置のインバータ部の出力電流と電圧との位相が揃うようにウェハバイアス部での高周波電力の周波数を制御することによって、高速かつ可変キャパシタを用いることなく共振状態を維持することができる。
In the present invention configured as described above, the wafer is placed on the stage, the inside of the chamber is evacuated by the evacuation unit, and then the etching gas is supplied from the gas supply unit to the plasma generation unit. Plasma is generated by supplying high-frequency power. Before and after the plasma generation, the impedance of the load consisting of the plasma generation antenna and the plasma changes, so that the resonance frequency fluctuates, so that the phase of the output current and voltage of the inverter part of the inductively coupled plasma generator are aligned. Thus, by controlling the frequency of the high frequency power, the resonance state can be maintained without using a high speed and variable capacitor. The plasma and radical species generated by the plasma generation unit reach the wafer by diffusion. At the same time, a high-frequency voltage output from the self-bias application device is applied to the wafer. Since the resonance frequency of the wafer bias unit fluctuates when plasma from the plasma generation unit flows into the region including the wafer placed on the stage, the phases of the output current and voltage of the inverter unit of the self-bias application device are aligned. As described above, by controlling the frequency of the high-frequency power in the wafer bias portion, the resonance state can be maintained at high speed without using a variable capacitor.

すなわち、プラズマ生成部ではプラズマ生成用アンテナと共振用キャパシタとプラズマとによって生じる共振、ウェハバイアス部では共振用インダクタとセルフバイアス用キャパシタと共振用キャパシタとプラズマとによって生じる共振を、高周波電力の周波数を制御することによって維持できる。よって、インバータ部から出力される高周波電圧と電流の位相が等しくなるように制御することにより、高周波電力の供給先としてプラズマ生成用アンテナが接続されている場合においても、ウェハバイアス部が接続されている場合においても、プラズマ生成前後における共振状態を維持することができる。このため、一般的に大きな構成の、いわゆるマッチャーと呼ばれる、高周波電力のインピーダンス整合装置を用いることなく、共振状態の維持を実現可能であるため、小型化が可能となり、所定の大きさに規格された単位処理装置にて構成されたミニマルファブシステムの電源回路の制御方法として適している。また、マッチャー内の可変キャパシタを制御するような機械駆動部品が存在せず、周波数を制御することのみで共振状態を維持するため、時間的な応答の高速性もあり、ボッシュプロセスなどの高速応答性が求められるプロセスにも適している。   That is, in the plasma generation unit, the resonance generated by the plasma generation antenna, the resonance capacitor, and the plasma, and in the wafer bias unit, the resonance generated by the resonance inductor, the self-bias capacitor, the resonance capacitor, and the plasma, It can be maintained by controlling. Therefore, by controlling the high-frequency voltage and current output from the inverter unit to be equal, the wafer bias unit is connected even when the plasma generation antenna is connected as the high-frequency power supply destination. Even in such a case, the resonance state before and after plasma generation can be maintained. For this reason, the resonance state can be maintained without using a high-frequency power impedance matching device, which is generally called a so-called matcher, so that downsizing is possible, and it is standardized to a predetermined size. It is suitable as a control method for a power supply circuit of a minimal fab system composed of unit processing devices. In addition, there is no mechanical drive part that controls the variable capacitor in the matcher, and the resonance state is maintained only by controlling the frequency, so there is also a high speed of time response, and high speed response such as Bosch process. It is also suitable for processes that require high performance.

また、上記目的を達成するために、本発明は、複数のスイッチング素子を有し直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部と、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部と、この変圧部に直列接続されたインダクタおよびキャパシタと、を備える電源回路を用いたプラズマ生成方法であって、前記インバータ部から出力される高周波電力の位相が等しくなるように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するプラズマ生成方法とした。   In order to achieve the above object, the present invention provides an inverter unit having a plurality of switching elements for converting and outputting DC power to high frequency power, and transforming the high frequency power output from the inverter unit. A plasma generation method using a power supply circuit including a transformer unit, and an inductor and a capacitor connected in series to the transformer unit, wherein the switching is performed so that phases of high-frequency power output from the inverter unit are equal to each other The plasma generation method controls the switching frequency of the element.

このように構成された本発明は、インバータ部から出力される高周波電力の位相が等しくなるように、スイッチング素子のスイッチング周波数を制御することにより、常に共振状態を維持することができる。一方で、同位相の電圧と電流の積に相当する出力電力はインバータ部に接続された変圧部を含む出力側回路のインピーダンスと直流電源電圧で決まるため、その安定制御を実現することができる。   The present invention configured as described above can always maintain a resonance state by controlling the switching frequency of the switching element so that the phases of the high-frequency power output from the inverter unit are equal. On the other hand, since the output power corresponding to the product of the voltage and current in the same phase is determined by the impedance of the output side circuit including the transformer unit connected to the inverter unit and the DC power supply voltage, the stable control can be realized.

また、上記目的を達成するために、本発明は、複数のスイッチング素子を有し直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部と、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部と、この変圧部に直列接続されたインダクタおよびキャパシタと、を備える電源回路を用いたセルフバイアス印加方法であって、前記インバータ部から出力される高周波電力の位相が等しくなるように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するセルフバイアス印加方法とした。   In order to achieve the above object, the present invention provides an inverter unit having a plurality of switching elements for converting and outputting DC power to high frequency power, and transforming the high frequency power output from the inverter unit. A self-bias application method using a power supply circuit comprising a transformer unit, and an inductor and a capacitor connected in series to the transformer unit, wherein the phases of the high-frequency power output from the inverter unit are equal to each other. A self-bias application method for controlling the switching frequency of the switching element was adopted.

このように構成された本発明は、インバータ部から出力される高周波電力の位相が等しくなるように、スイッチング素子のスイッチング周波数を制御することにより、常に共振状態を維持することができる。一方で、同位相の電圧と電流の積に相当する出力電力はインバータ部に接続された変圧部を含む出力側回路のインピーダンスと直流電源電圧で決まるため、その安定制御を実現することができる。   The present invention configured as described above can always maintain a resonance state by controlling the switching frequency of the switching element so that the phases of the high-frequency power output from the inverter unit are equal. On the other hand, since the output power corresponding to the product of the voltage and current in the same phase is determined by the impedance of the output side circuit including the transformer unit connected to the inverter unit and the DC power supply voltage, the stable control can be realized.

本発明によれば、一般的に可変キャパシタ群とモーターとギア等のそれらの制御部品群から構成される大きな構成の、いわゆるマッチャーと呼ばれる、高周波電力のインピーダンス整合装置を用いることなく、出力先の共振状態を維持できるから、小型化でき、所定の大きさに規格された単位処理装置にて構成されたミニマルファブシステムの電源回路に用いることができる。   According to the present invention, a large configuration generally composed of a variable capacitor group and a control component group such as a motor and a gear is used. Since the resonance state can be maintained, it can be miniaturized and can be used in a power supply circuit of a minimal fab system configured by a unit processing device standardized to a predetermined size.

また、上記の効果は、誘導結合性プラズマ源からなるプラズマ生成部とウェハバイアス部のそれぞれに高周波電力が必要なプラズマ処理装置では、マッチャーと呼ばれるインピーダンス整合装置2台分のスペースを省くことができるため、ミニマルファブシステムの電源回路に適している。   In addition, the above effect can save space for two impedance matching devices called matchers in a plasma processing apparatus that requires high-frequency power for each of a plasma generation unit and a wafer bias unit composed of an inductively coupled plasma source. Therefore, it is suitable for the power supply circuit of the minimal fab system.

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the plasma processing apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 上記プラズマ処理装置のプラズマ生成部に高周波電力を供給する電源回路を示す概略図である。It is the schematic which shows the power supply circuit which supplies high frequency electric power to the plasma production part of the said plasma processing apparatus. 上記プラズマ処理装置のウェハバイアス部に高周波電力を供給する電源回路を示す概略図である。It is the schematic which shows the power supply circuit which supplies high frequency electric power to the wafer bias part of the said plasma processing apparatus. 上記プラズマ処理装置のインバータ部を示す制御回路図である。It is a control circuit diagram which shows the inverter part of the said plasma processing apparatus. 上記プラズマ処理装置が収容される筐体を示す外観図である。It is an external view which shows the housing | casing in which the said plasma processing apparatus is accommodated. 上記筐体内のレイアウトを示す概略図である。It is the schematic which shows the layout in the said housing | casing. 上記ウェハバイアス部に高周波電力を供給する電源回路の周波数制御部による周波数の制御方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the frequency control method by the frequency control part of the power supply circuit which supplies high frequency electric power to the said wafer bias part. 上記電源回路の電力制御部による周波数の制御方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control method of the frequency by the electric power control part of the said power supply circuit. 上記プラズマ処理装置のウェハバイアス部に高周波電力を供給する際の様子を示すグラフである。It is a graph which shows a mode at the time of supplying high frequency electric power to the wafer bias part of the said plasma processing apparatus. 上記プラズマ処理装置にてプラズマ処理したウェハの状態を示す電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph which shows the state of the wafer plasma-processed with the said plasma processing apparatus.

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置10を示す概略図である。図2は、プラズマ処理装置10のプラズマ生成部11に設置された高周波アンテナ5eに高周波電力を供給するための高周波電源回路7を示す概略図である。図3は、プラズマ処理装置10のプロセス部12内に設置されたステージ6に高周波電力を供給するための高周波電源回路9を示す概略図である。図4は、プラズマ処理装置10の高周波電源回路7,9を示す回路図である。図5は、プラズマ処理装置10が収容される筐体2を示す外観図である。図6は、筐体2内のレイアウトを示す概略図である。   FIG. 1 is a schematic view showing a plasma processing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing a high-frequency power supply circuit 7 for supplying high-frequency power to the high-frequency antenna 5 e installed in the plasma generation unit 11 of the plasma processing apparatus 10. FIG. 3 is a schematic diagram showing a high frequency power supply circuit 9 for supplying high frequency power to the stage 6 installed in the process unit 12 of the plasma processing apparatus 10. FIG. 4 is a circuit diagram showing the high frequency power supply circuits 7 and 9 of the plasma processing apparatus 10. FIG. 5 is an external view showing the housing 2 in which the plasma processing apparatus 10 is accommodated. FIG. 6 is a schematic diagram showing a layout in the housing 2.

<全体構成>
本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置10は、図5および図6に示すように、予め規格された大きさの筐体2内に収容されたミニマルファブ(minimal fabrication)構
想に基づくミニマルエッチング装置であり、単位処理装置(小型装置)としてのミニマルファブシステム用処理装置1に収容されている。ここで、ミニマルファブ構想とは、多品種少量という半導体製造市場に最適なもので、省資源・省エネルギー・省投資・高性能な多様なファブに対応でき、例えば特開2012−54414号公報に記載の生産をミニマル化させるミニマル生産システムを実現させるものである。
<Overall configuration>
As shown in FIGS. 5 and 6, the plasma processing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention is a minimal etching based on a minimal fabrication concept housed in a case 2 having a standardized size. It is a device, and is accommodated in the processing device 1 for a minimal fab system as a unit processing device (small device). Here, the minimal fab concept is optimal for the semiconductor manufacturing market with a small amount of various products, and can cope with various fabs that save resources, save energy, save investment, and have high performance. For example, it is described in JP 2012-54414 A It realizes a minimal production system that minimizes production.

筐体2は、上下方向に長手方向を有する略直方体状に形成された、幅(x)0.294m×奥行(y)0.45m×高さ(z)1.44mの大きさに統一され、内部への微粒子およびガス分子のそれぞれの侵入を遮断し、外気から遮断された処理室である。筐体2の上側の装置上部2aには、ウェハWを処理するためのウェハ処理部2fが設けられている。ウェハ処理部2fには、ウェハWをイオンエッチングするための処理装置本体であるプラズマ処理装置10が収容されている。ここで、プラズマ処理装置10によるプラズマエッチングとしては、ウェハWの表面上に積層されているレジストパターンに対応させてウェハWの表面をエッチングする等である。   The casing 2 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape having a longitudinal direction in the vertical direction, and is unified to a size of width (x) 0.294 m × depth (y) 0.45 m × height (z) 1.44 m. The processing chamber is configured to block the intrusion of fine particles and gas molecules into the interior and from the outside air. A wafer processing unit 2 f for processing the wafer W is provided on the upper part 2 a of the apparatus on the upper side of the housing 2. The wafer processing unit 2f accommodates a plasma processing apparatus 10 which is a processing apparatus main body for ion etching the wafer W. Here, plasma etching by the plasma processing apparatus 10 includes etching the surface of the wafer W in correspondence with the resist pattern laminated on the surface of the wafer W.

プラズマ処理装置10より上方の装置上部2aには、プラズマ処理装置10でのプラズマエッチングに用いられる、例えばエッチングガスG等を供給するための供給部3aが収容されている。なお、ミニマルファブシステム用処理装置1は、AC100V、10Aの消費電力で、各処理を行うよう統一化されている。   The apparatus upper part 2 a above the plasma processing apparatus 10 accommodates a supply unit 3 a for supplying, for example, an etching gas G used for plasma etching in the plasma processing apparatus 10. Note that the minimal fab system processing apparatus 1 is unified to perform each process with power consumption of AC 100 V and 10 A.

筐体2の下側には、装置上部2a内のプラズマ処理装置10を制御する制御装置等を内蔵するための装置下部2bが設けられている。装置下部2bには、プラズマ処理装置10でのエッチングの際に用いられるエッチングガスGが充填された高圧ボンベ(図示せず)等が収容されている。装置下部2bの背面には、プラズマ処理装置10でのエッチングの際に用いられた後のエッチングガスG等の気体を筐体2外へ排出させるアウトレットとなる排出部3bが設けられている。排出部3bは、排出部3bから排出されてくる気体を貯留するタンク(図示せず)等に接続されている。   On the lower side of the housing 2, there is provided an apparatus lower part 2 b for incorporating a control device for controlling the plasma processing apparatus 10 in the apparatus upper part 2 a. The apparatus lower part 2b accommodates a high-pressure cylinder (not shown) filled with an etching gas G used for etching in the plasma processing apparatus 10. On the back surface of the apparatus lower part 2 b, there is provided a discharge part 3 b serving as an outlet for discharging a gas such as an etching gas G after being used for etching in the plasma processing apparatus 10 to the outside of the housing 2. The discharge unit 3b is connected to a tank (not shown) that stores gas discharged from the discharge unit 3b.

筐体2の装置上部2aの上下方向の中間部には、装置上部2aの正面側が上方に凹状に切り欠かれた形状とされている。装置上部2aの上側の正面側には、操作パネル2cが取り付けられている。装置上部2aの下側の部分は、ウェハWを筐体2内に搬入させる前室2dとなっている。前室2dの上面の略中央部には、搬送容器としてのミニマルシャトル(図示せず)を設置するためのシャトル収容部としての略円形状のドッキングポート2eが設けられている。ドッキングポート2eには、ドッキングポート2eに嵌合させたミニマルシャトルを固定するためのクランプ(図示せず)が設けられている。   At the middle part of the upper part 2a of the device upper part 2a of the housing 2, the front side of the device upper part 2a is cut into a concave shape upward. An operation panel 2c is attached to the upper front side of the apparatus upper portion 2a. The lower part of the upper part 2 a of the apparatus is a front chamber 2 d for carrying the wafer W into the housing 2. A substantially circular docking port 2e as a shuttle accommodating portion for installing a minimal shuttle (not shown) as a transport container is provided at a substantially central portion on the upper surface of the front chamber 2d. The docking port 2e is provided with a clamp (not shown) for fixing the minimal shuttle fitted to the docking port 2e.

前室2dは、筐体2内への微粒子およびガス分子のそれぞれを遮断する構成となっている。前室2d内には、ミニマルシャトル内に収容されているウェハWを外気に曝す等することなく筐体2内へ出し入れできるようにするための搬送装置としてのPLAD(Particle Lock Air-tight Docking)システム2gが取り付けられている。PLADシステム2
gは、ドッキングポート2eから搬入されてくるウェハWをプラズマ処理装置10の所定位置へ搬送するとともに、プラズマ処理装置10にてエッチングされた後のウェハWをドッキングポート2eへ搬出する。
The front chamber 2d is configured to block each of fine particles and gas molecules into the housing 2. In the front chamber 2d, PLAD (Particle Lock Air-tight Docking) as a transfer device for enabling the wafer W accommodated in the minimal shuttle to be taken in and out of the housing 2 without being exposed to the outside air. System 2g is attached. PLAD system 2
g transfers the wafer W loaded from the docking port 2e to a predetermined position of the plasma processing apparatus 10 and unloads the wafer W after being etched by the plasma processing apparatus 10 to the docking port 2e.

<プラズマ処理装置>
プラズマ処理装置10は、筐体2内の前室2dの後側上部のウェハ処理部2f内に収容されている。プラズマ処理装置10にてエッチングするウェハWは、所定の大きさ、例えば直径12.5mm(ハーフインチサイズ)の円形状の表面を有し、単結晶シリコン(Si)にて構成された円盤状に形成されている。ウェハWの表面には、予め所定のレジストパターンが形成され、プラズマエッチング前の状態とされている。ここで、ウェハWは、ミニマルファブ構想に適合したウェハサイズ、すなわち極小単位の半導体デバイスを作製するための極めて小さなウェハサイズである。
<Plasma processing equipment>
The plasma processing apparatus 10 is accommodated in a wafer processing unit 2 f at the upper rear side of the front chamber 2 d in the housing 2. A wafer W to be etched by the plasma processing apparatus 10 has a circular surface having a predetermined size, for example, a diameter of 12.5 mm (half inch size), and is formed in a disk shape made of single crystal silicon (Si). Is formed. A predetermined resist pattern is formed in advance on the surface of the wafer W, and is in a state before plasma etching. Here, the wafer W is a wafer size that conforms to the minimal fab concept, that is, an extremely small wafer size for manufacturing a semiconductor device in a very small unit.

なお、極小単位とは、極小単位の半導体デバイス、例えば0.5インチサイズ(ハーフインチサイズ)のウェハWから1cmの1個の半導体デバイスを作製するものや、作成するデバイスの大きさに応じ、1個に限定されることなく、極小単位の半導体デバイスを
作製するための極めて小さなウェハサイズであれば、1枚のウェハWから作成可能な限りにおいて、極小単位を2個以上としても良い。
Note that the minimum unit is a semiconductor device of a minimum unit, for example, one semiconductor device having a size of 1 cm 2 from a wafer W of 0.5 inch size (half inch size) or the size of the device to be created. Without being limited to one, the minimum unit may be two or more as long as it can be manufactured from one wafer W as long as it is an extremely small wafer size for manufacturing a semiconductor device of a minimum unit.

プラズマ処理装置10は、いわゆる高周波インバータを用いた反応性イオンエッチング装置、すなわちICP(Inductively Coupled Plasma:誘導性結合プラズマ)のプラズマエッチャーである。プラズマ処理装置10は、後述するプラズマ生成用絶縁管5dに取り付けられた高周波アンテナ5eに高周波電力を印加してプラズマを生成することによりエッチングガスG中に多量のフッ素ラジカル(F)および電子とイオン(SF2+、Ar)を発生させるとともに、ステージ6に高周波電圧を印加してイオンシースを発生させ、プラズマ生成部11でイオン化させたプラスイオン(SF2+、Ar)をウェハWの表面に略垂直に叩き込んで垂直エッチングする。プラズマ処理装置10は、図1に示すように、チャンバ5と、このチャンバ5内に設置されるステージ6とを備え、このステージ6をチャンバ5にて気密に覆う構成となっている。 The plasma processing apparatus 10 is a reactive ion etching apparatus using a so-called high frequency inverter, that is, a plasma etcher of ICP (Inductively Coupled Plasma). The plasma processing apparatus 10 generates a large amount of fluorine radicals (F), electrons and ions in the etching gas G by generating plasma by applying high-frequency power to a high-frequency antenna 5e attached to a plasma-generating insulating tube 5d described later. (SF 2+ , Ar + ) is generated, and a high frequency voltage is applied to the stage 6 to generate an ion sheath, and positive ions (SF 2+ , Ar + ) ionized by the plasma generation unit 11 are generated on the surface of the wafer W. Etch vertically and etch vertically. As shown in FIG. 1, the plasma processing apparatus 10 includes a chamber 5 and a stage 6 installed in the chamber 5, and the stage 6 is hermetically covered with the chamber 5.

<チャンバ>
チャンバ5は、例えば接地された金属製真空容器にて構成されている。チャンバ5は、円筒状または直方体状の本体部5aを有し、本体部5aの軸方向を上下方向に沿わせて設置され、本体部5aの上端側が円盤状の上板5bにて閉塞された形状とされている。上板5bの中心位置には、円形状の開口部5cが形成されており、開口部5cには、プラズマ生成部としての絶縁管であるプラズマ生成用絶縁管5dの下端側が気密性を保持して取り付けられている。プラズマ生成用絶縁管5dは、本体部5aの内寸法より小さく、ウェハWの外寸法より若干大きな外寸法を有する円筒状であり、例えばガラスやセラミック等の円形絶縁材管にて形成されている。プラズマ生成用絶縁管5dの下端側は、開口部5cに接着またはOリングシール等されて取り付けられている。
<Chamber>
The chamber 5 is composed of, for example, a grounded metal vacuum vessel. The chamber 5 has a cylindrical or rectangular parallelepiped main body part 5a, is installed with the main body part 5a axially extending along the vertical direction, and the upper end side of the main body part 5a is closed by a disk-shaped upper plate 5b. It is made into a shape. A circular opening 5c is formed at the center position of the upper plate 5b, and the lower end side of the plasma generating insulating tube 5d, which is an insulating tube serving as a plasma generating portion, maintains airtightness in the opening 5c. Attached. The plasma generating insulating tube 5d has a cylindrical shape having an outer size smaller than the inner size of the main body 5a and slightly larger than the outer size of the wafer W, and is formed of a circular insulating material tube such as glass or ceramic. . The lower end side of the plasma generating insulating tube 5d is attached to the opening 5c by bonding or O-ring sealing.

プラズマ生成用絶縁管5dの上部からは、例えば六フッ化硫黄(SF)とアルゴン(Ar)との混合ガス(SF/Ar)等のエッチングガスGが供給され、このプラズマ生成用絶縁管5dにてプラズマPを生成する。なお、エッチングガスGとしては、六フッ化硫黄(SF)のみのガスや、四フッ化炭素(CF)のみのガス、四フッ化炭素(CF)とアルゴン(Ar)と酸素(O)の混合ガス(CF/Ar/O)等の混合ガスであってもよい。 An etching gas G such as a mixed gas (SF 6 / Ar) of sulfur hexafluoride (SF 6 ) and argon (Ar) is supplied from the upper part of the plasma generating insulating tube 5 d, and this plasma generating insulating tube Plasma P is generated in 5d. As the etching gas G, only sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas, carbon tetrafluoride (CF 4 ) gas, carbon tetrafluoride (CF 4 ), argon (Ar), and oxygen (O 2 ) A mixed gas such as a mixed gas (CF 4 / Ar / O 2 ) may be used.

プラズマ生成用絶縁管5dには、インダクタに相当するプラズマ生成用アンテナである高周波アンテナ5eが取り付けられている。高周波アンテナ5eは、プラズマ生成用絶縁管5d内部のエッチングガスGを電離しプラズマPを発生させ、プラズマP由来のフッ素ラジカル(F)を多量に発生させるラジカル発生部でもある。高周波アンテナ5eは、誘導結合性プラズマ源の誘導性負荷である電力供給対象であり、例えば導電性を有する銅線等をプラズマ生成用絶縁管5dの外側に、数10〜数100巻周方向に巻き付けられたコイル状に構成されている。高周波アンテナ5eの両端部、すなわち上端部および下端部のそれぞれには、電極部としてのアンテナ端子5f,5gが設けられている。   A high frequency antenna 5e, which is a plasma generation antenna corresponding to an inductor, is attached to the plasma generation insulating tube 5d. The high-frequency antenna 5e is also a radical generator that ionizes the etching gas G inside the plasma generating insulating tube 5d to generate plasma P and generate a large amount of fluorine radicals (F) derived from the plasma P. The high-frequency antenna 5e is a power supply target that is an inductive load of the inductively coupled plasma source. For example, a conductive copper wire or the like is placed outside the plasma generating insulating tube 5d in the direction of several tens to several hundreds of turns. It is configured in a wound coil shape. Antenna terminals 5f and 5g as electrode portions are provided at both ends of the high-frequency antenna 5e, that is, at the upper end and the lower end, respectively.

アンテナ端子5f,5g間には、誘導性インピーダンスを有する高周波アンテナ5eに高周波電流を供給する第1電源回路としての高周波電力供給装置である高周波電源回路7が取り付けられている。高周波電源回路7は、アンテナ端子5f,5g間に高周波電力を印加し、高周波アンテナ5eを流れる高周波電流による誘導電磁界によって、プラズマ生成用絶縁管5d内を通過するエッチングガスG中にプラズマPを発生させる。プラズマ生成用絶縁管5dは、プラズマ生成用絶縁管5dを通過するエッチングガスGの一部を電離しプラズマPおよびフッ素ラジカル(F)を発生させるプラズマ生成部11となっている。ここで、高周波アンテナ5eと高周波電源回路7とにより、誘導性結合プラズマ発生装置10Aが構成されている。   Between the antenna terminals 5f and 5g, a high frequency power supply circuit 7 which is a high frequency power supply device as a first power supply circuit for supplying a high frequency current to the high frequency antenna 5e having inductive impedance is attached. The high frequency power supply circuit 7 applies high frequency power between the antenna terminals 5f and 5g, and generates plasma P in the etching gas G passing through the plasma generating insulating tube 5d by an induction electromagnetic field caused by high frequency current flowing through the high frequency antenna 5e. generate. The plasma generating insulating tube 5d is a plasma generating unit 11 that ionizes a part of the etching gas G passing through the plasma generating insulating tube 5d to generate plasma P and fluorine radicals (F). Here, the high frequency antenna 5e and the high frequency power supply circuit 7 constitute an inductively coupled plasma generator 10A.

チャンバ5の下方には、チャンバ5の下端を閉塞する蓋体5hが取り付けられている。蓋体5hには、チャンバ5内を真空引きするための真空引き部としての真空形成装置8が取り付けられている。真空形成装置8は、装置下部2b内に収容され、チャンバ5内のステージ6上にウェハWが設置された状態で、チャンバ5内を真空引きする。   A lid 5 h that closes the lower end of the chamber 5 is attached below the chamber 5. A vacuum forming device 8 is attached to the lid 5h as a vacuuming part for evacuating the inside of the chamber 5. The vacuum forming apparatus 8 is accommodated in the apparatus lower part 2 b and evacuates the chamber 5 with the wafer W placed on the stage 6 in the chamber 5.

高周波電源回路7は、図2に示すように、フル・ブリッジ型のインバータ電源であって、直流電力を供給するための直流電源部としてのDC電源7aと、DC電源7aから直流電力が供給され、直流電力のうちの直流電流をスイッチングにより、例えば数100kHzの高周波電力に変換して出力する電力変換回路7cと、電力変換回路7cが出力する高周波電力の周波数を制御するためのゲートドライバ回路7mとを備える。ゲートドライバ回路7mは、各スイッチング素子S1〜S4のゲート電圧を制御する構成になっている。   As shown in FIG. 2, the high frequency power supply circuit 7 is a full bridge type inverter power supply, and is supplied with DC power from a DC power supply 7a as a DC power supply unit for supplying DC power and DC power supply 7a. A power conversion circuit 7c that converts and outputs a DC current of the DC power to a high frequency power of, for example, several hundred kHz by switching, and a gate driver circuit 7m for controlling the frequency of the high frequency power output by the power conversion circuit 7c. With. The gate driver circuit 7m is configured to control the gate voltage of each switching element S1 to S4.

電流変換回路7cは、例えばFET素子またはIGBT素子からなる複数、例えば計4つのスイッチング素子S1〜S4を有するインバータ電源部としてのブリッジ回路7gを備える。これらスイッチング素子S1〜S4のうちの2つのスイッチング素子S1,S2は、直列接続された直列回路7hとされ、DC電源7aに並列接続されている。他の2つのスイッチング素子S3,S4もまた、直列接続された直列回路7iとされ、これら2つのスイッチング素子S3,S4を除く他の2つのスイッチング素子S1,S2の直列回路7hおよびDC電源7aのそれぞれに対して並列接続されている。各直列回路7h,7iのスイッチング素子S1,S2間およびスイッチング素子S3,S4間には、インピーダンス変換用の変圧部としての変圧器7jが直列接続されている。変圧器7jは、高周波アンテナ5eに直列接続されている。変圧器7jおよび高周波アンテナ5e間には、共振用キャパシタCが直列接続されている。   The current conversion circuit 7c includes a bridge circuit 7g serving as an inverter power supply unit having a plurality of, for example, a total of four switching elements S1 to S4 made of, for example, FET elements or IGBT elements. Of these switching elements S1 to S4, two switching elements S1 and S2 form a series circuit 7h connected in series and are connected in parallel to a DC power source 7a. The other two switching elements S3 and S4 are also a series circuit 7i connected in series, and the series circuit 7h of the other two switching elements S1 and S2 excluding these two switching elements S3 and S4 and the DC power source 7a. They are connected in parallel to each other. Between the switching elements S1 and S2 and between the switching elements S3 and S4 of each series circuit 7h and 7i, a transformer 7j as a transformer for impedance conversion is connected in series. The transformer 7j is connected in series to the high frequency antenna 5e. A resonance capacitor C is connected in series between the transformer 7j and the high-frequency antenna 5e.

<ステージ>
ステージ6は、図1に示すように、チャンバ5内に収容されつつ、チャンバ5の上下方向に軸方向を沿わせつつ、チャンバ5の開口部5cの鉛直下に設置されている。ステージ6は、チャンバ5の開口部5cに対し同心状に位置しつつ、開口部5cから所定間隔ほど下方に間隔を空けた位置に設置されている。ステージ6は、円柱状の本体部6aを備え、本体部6aの軸方向を上下方向に沿わせた状態で設置されている。本体部6aの上端面は、閉塞されて平坦な円盤状の設置面6bとされ、設置面6b上にウェハWが設置される。すなわち、本体部6aは、ウェハWの外径寸法より若干大きな外径寸法に形成され、ウェハWの外径寸法より若干大きな径寸法を有する設置面6bとされている。
<Stage>
As shown in FIG. 1, the stage 6 is installed in the chamber 5 and vertically below the opening 5 c of the chamber 5 while keeping the axial direction along the vertical direction of the chamber 5. The stage 6 is disposed concentrically with the opening 5c of the chamber 5 and is spaced from the opening 5c by a predetermined distance. The stage 6 includes a columnar main body 6a and is installed in a state where the axial direction of the main body 6a is along the vertical direction. The upper end surface of the main body 6a is closed to form a flat disk-shaped installation surface 6b, and the wafer W is installed on the installation surface 6b. That is, the main body 6 a is formed as an installation surface 6 b having an outer diameter dimension slightly larger than the outer diameter dimension of the wafer W and having a diameter dimension slightly larger than the outer diameter dimension of the wafer W.

ステージ6の本体部6aの下面およびチャンバの蓋体5hには、ウェハバイアス端子6c,6dが接続されている。ウェハバイアス端子6c,6d間には、高周波電力供給装置である高周波電源回路9が接続され、高周波電源回路9からウェハバイアス端子6c,6d間に高周波電力が供給される。プラズマ生成部11で生成されたプラズマP内の電子とイオンがウェハWへ拡散および流入した状態で高周波電源回路9によってウェハWとチャンバ5と間に高周波電圧を印加し、高周波電源回路9内に含まれるブロッキングキャパシタC1によって直流電流が抑止されるため、ウェハWが帯電しウェハW近傍にイオンシースが発生し、垂直な直流電界が形成される。したがって高周波電源回路9によってウェハWへ高周波電力を印加することで、ウェハWへ入射するイオンのエネルギーが制御される。すなわち、ステージ6上は、高周波電源回路9から供給される高周波電力によって、ステージ6上に設置されたウェハWにバイアスを印加するウェハバイアス部としてのプロセス部12となっている。ここで、高周波電源回路9およびウェハバイアス端子6c,6dによって、プラズマPに起因して自発的に形成される直流電圧を発生させるためのセルフバイアス印加装置10Bが構成されている。   Wafer bias terminals 6c and 6d are connected to the lower surface of the main body 6a of the stage 6 and the lid 5h of the chamber. A high frequency power supply circuit 9 which is a high frequency power supply device is connected between the wafer bias terminals 6c and 6d, and high frequency power is supplied from the high frequency power supply circuit 9 to the wafer bias terminals 6c and 6d. A high frequency voltage is applied between the wafer W and the chamber 5 by the high frequency power supply circuit 9 in a state where electrons and ions in the plasma P generated by the plasma generation unit 11 diffuse and flow into the wafer W. Since the direct current is suppressed by the included blocking capacitor C1, the wafer W is charged, an ion sheath is generated in the vicinity of the wafer W, and a vertical direct current electric field is formed. Therefore, the energy of ions incident on the wafer W is controlled by applying high frequency power to the wafer W by the high frequency power supply circuit 9. That is, the stage 6 is a process unit 12 as a wafer bias unit that applies a bias to the wafer W placed on the stage 6 by high-frequency power supplied from the high-frequency power supply circuit 9. Here, the high-frequency power supply circuit 9 and the wafer bias terminals 6c and 6d constitute a self-bias applying device 10B for generating a DC voltage that is spontaneously formed due to the plasma P.

高周波電源回路9は、容量性インピーダンスを有するウェハステージ6cとチャンバ6dと間に高周波電圧を印加するための第2電源回路としての高周波電力印加装置である。高周波電源回路9は、図3に示すように、高周波電源回路7と同様に、直流電力を供給するための直流電源部としてのDC電源9aと、DC電源9aから直流電力が供給され、例えば数100kHzの高周波電力に変換して出力する電力変換回路9cと、電力変換回路9cが出力する高周波電力の周波数を制御するためのゲートドライバ回路9mを備える。ゲートドライバ回路9mは、各スイッチング素子S5〜S8のゲート電圧を制御する構成になっている。   The high frequency power supply circuit 9 is a high frequency power application device as a second power supply circuit for applying a high frequency voltage between the wafer stage 6c having capacitive impedance and the chamber 6d. As shown in FIG. 3, the high-frequency power supply circuit 9 is supplied with a DC power supply 9a as a DC power supply unit for supplying DC power and DC power supplied from the DC power supply 9a, as in the case of the high-frequency power supply circuit 7. A power conversion circuit 9c that converts and outputs high-frequency power of 100 kHz and a gate driver circuit 9m for controlling the frequency of the high-frequency power output by the power conversion circuit 9c are provided. The gate driver circuit 9m is configured to control the gate voltage of each switching element S5 to S8.

電流変換回路9cは、例えばFET素子またはIGBT素子からなる複数、例えば計4つのスイッチング素子S5〜S8を有するインバータ部としてのブリッジ回路9gを備える。これらスイッチング素子S5〜S8のうちの2つのスイッチング素子S5,S6は、直列接続された直列回路9hとされ、DC電源9aに並列接続されている。他の2つのスイッチング素子S7,S8もまた、直列接続された直列回路9iとされ、これら2つのスイッチング素子S7,S8を除く他の2つのスイッチング素子S5,S6の直列回路9hおよびDC電源9aのそれぞれに対して並列接続されている。各直列回路9h,9iのスイッチング素子S5,S6間およびスイッチング素子S7,S8間には、高周波電力を変圧するための変圧部としての変圧器9jが直列接続されている。変圧器9jは、出力負荷でありキャパシタに相当するウェハバイアス端子6c,6d間に直列接続されている。変圧器9jおよびウェハバイアス端子6c,6d間には、共振用キャパシタC2が並列接続されている。共振用キャパシタC2と変圧器9jとの間には、共振用インダクタIおよび負荷の直流電流をゼロとするためのセルフバイアス誘起用キャパシタであるブロッキングキャパシタC1が直列接続されている。そして、これら共振用インダクタIおよび共振用キャパシタC2によってLC共振回路が構成されている。   The current conversion circuit 9c includes a bridge circuit 9g as an inverter unit having a plurality of, for example, a total of four switching elements S5 to S8 made of, for example, FET elements or IGBT elements. Of these switching elements S5 to S8, two switching elements S5 and S6 form a series circuit 9h connected in series and are connected in parallel to a DC power supply 9a. The other two switching elements S7 and S8 are also a series circuit 9i connected in series, and the series circuit 9h of the other two switching elements S5 and S6 excluding these two switching elements S7 and S8 and the DC power source 9a. They are connected in parallel to each other. Between the switching elements S5 and S6 of each series circuit 9h and 9i and between the switching elements S7 and S8, a transformer 9j as a transformer for transforming high-frequency power is connected in series. The transformer 9j is an output load and is connected in series between wafer bias terminals 6c and 6d corresponding to a capacitor. A resonance capacitor C2 is connected in parallel between the transformer 9j and the wafer bias terminals 6c and 6d. Between the resonance capacitor C2 and the transformer 9j, a resonance inductor I and a blocking capacitor C1, which is a self-bias induction capacitor for making the direct current of the load zero, are connected in series. The resonance inductor I and the resonance capacitor C2 constitute an LC resonance circuit.

高周波電源回路7(9)は、後述するそれぞれの共振条件および電力設定値を満足するように、図4に示す制御回路により制御する。電力制御部7b(9b)は、DC電源7a(9a)が出力する直流電力の電圧値をモニタリングしてPID(Proportional-Integral-Derivative)制御する。電力制御部7b(9b)は、DC電源7a(9a)から出力された電力値を検出して電力信号として出力する電力検出部7e(9e)と、電力検出部7e(9e)にて検出して出力した電力信号に基づいてDC電源7a(9a)が出力する直流電力の電力値を制御する電力制御回路としてのPID制御回路7f(9f)とを有する。PID制御回路7f(9f)には、DC電源7a(9a)が出力する直流電力の電力値を設定可能とするための出力電力設定値が入力される。   The high frequency power supply circuit 7 (9) is controlled by the control circuit shown in FIG. 4 so as to satisfy each resonance condition and power set value described later. The power control unit 7b (9b) performs PID (Proportional-Integral-Derivative) control by monitoring the voltage value of the DC power output from the DC power source 7a (9a). The power control unit 7b (9b) detects the power value output from the DC power source 7a (9a) and outputs it as a power signal, and the power detection unit 7e (9e) detects the power value. And a PID control circuit 7f (9f) as a power control circuit for controlling the power value of the DC power output from the DC power source 7a (9a) based on the output power signal. The PID control circuit 7f (9f) receives an output power set value for enabling setting of the power value of DC power output from the DC power source 7a (9a).

周波数制御部7d(9d)は、ブリッジ回路7g(9g)の出力電流、すなわち計2つのスイッチング素子S1,S2、S3,S4(S5,S6、S7,S8)が直列接続された直列回路7h,7i(9h,9i)と変圧器7j(9j)との間の電流値(電流信号)を検出し、この電流信号と、出力電圧と同位相のS1〜S4(S5〜S8)のゲート電圧信号とが入力される位相比較回路7k(9k)と、各スイッチング素子S1〜S4(S5〜S8)のゲート電圧を生成するゲートドライバ回路7m(9m)と、位相比較回路7k(9k)にて比較した位相差を積分する積分器7n(9n)と、初期周波数を与える予め定めた所定の基準電圧から積分器7n(9n)の信号分周波数をシフトしたクロック信号を出力するスイッチング周波数制御部としての電圧制御型発振器(Voltage-controlled oscillator:VCO)7p(9p)とを有する。位相比較回路7k(9k)は、電圧制御
型発振器7p(9p)からゲートドライバ回路7m(9m)へ出力される電圧信号が入力され、ブリッジ回路7g(9g)の出力電圧の位相に相当する電圧信号の位相と、ブリッジ回路7g(9g)の出力電流の電流信号の位相とを比較し、所定時間毎の、ブリッジ回路7g(9g)が出力する高周波電圧と電流との位相差を算出する。この制御により、高周波電圧と電流との位相差がゼロになるように、すなわちブリッジ回路7g(9g)に接
続された負荷のインピーダンスが純抵抗成分となる、すなわち共振状態を維持するように出力周波数を自動調整する。これらのブリッジ回路7g(9g)と周波数制御部7d(9d)とを同時に動作させることで、共振状態を維持しながら出力電力を一定に保持する制御が可能となる。
The frequency control unit 7d (9d) includes an output current of the bridge circuit 7g (9g), that is, a series circuit 7h in which a total of two switching elements S1, S2, S3, S4 (S5, S6, S7, S8) are connected in series. The current value (current signal) between 7i (9h, 9i) and the transformer 7j (9j) is detected, and this current signal and the gate voltage signal of S1 to S4 (S5 to S8) in phase with the output voltage Are compared by the phase comparison circuit 7k (9k), the gate driver circuit 7m (9m) that generates the gate voltages of the switching elements S1 to S4 (S5 to S8), and the phase comparison circuit 7k (9k). An integrator 7n (9n) that integrates the phase difference, and a switching frequency that outputs a clock signal obtained by shifting the frequency of the signal of the integrator 7n (9n) from a predetermined reference voltage that gives an initial frequency. Voltage controlled oscillator as a control unit: and a (Voltage-controlled oscillator VCO) 7p (9p). The phase comparison circuit 7k (9k) receives a voltage signal output from the voltage controlled oscillator 7p (9p) to the gate driver circuit 7m (9m), and a voltage corresponding to the phase of the output voltage of the bridge circuit 7g (9g). The phase of the signal is compared with the phase of the current signal of the output current of the bridge circuit 7g (9g), and the phase difference between the high-frequency voltage and current output by the bridge circuit 7g (9g) is calculated every predetermined time. By this control, the output frequency is set so that the phase difference between the high-frequency voltage and the current becomes zero, that is, the impedance of the load connected to the bridge circuit 7g (9g) becomes a pure resistance component, that is, maintains the resonance state. Adjust automatically. By operating the bridge circuit 7g (9g) and the frequency control unit 7d (9d) at the same time, it is possible to control to maintain the output power constant while maintaining the resonance state.

次に、上記一実施形態のプラズマ処理装置10を用いたプラズマエッチング方法について説明する。   Next, a plasma etching method using the plasma processing apparatus 10 of the one embodiment will be described.

まず、エッチング前のウェハWが収容されたミニマルシャトルを、筐体2の前室2dのドッキングポート2eに嵌合させて設置する。この状態で、筐体2の所定位置、例えば操作パネル2c等に表示等されているスタートスイッチ(図示せず)を押す。すると、ドッキングポート2eに設置したミニマルシャトルが開放し、ミニマルシャトル内に収容されているウェハWが、PLADシステム2gにてプラズマ処理装置10のステージ6上の所定位置へ搬送されて設置される。このとき、ステージ6は、例えばステージ6とチャンバ5とが相対的に上下動される等して、チャンバ5内からステージ6が取り出された状態とされている。   First, the minimal shuttle in which the wafer W before etching is accommodated is installed in the docking port 2e of the front chamber 2d of the housing 2. In this state, a start switch (not shown) displayed on a predetermined position of the housing 2, for example, the operation panel 2c is pressed. Then, the minimal shuttle installed in the docking port 2e is opened, and the wafer W accommodated in the minimal shuttle is transferred to a predetermined position on the stage 6 of the plasma processing apparatus 10 by the PLAD system 2g. At this time, the stage 6 is in a state where the stage 6 is taken out of the chamber 5 by, for example, the stage 6 and the chamber 5 being moved up and down relatively.

この後、プラズマ処理装置10のチャンバ5が蓋体5hにて密封され、このチャンバ5内が略真空になるまで真空形成装置8にて真空引きされる。この状態で、チャンバ5に接続されたプラズマ生成用絶縁管5dへエッチングガスGを供給し、プラズマ生成用絶縁管5dおよびチャンバ5内の圧力が所定の圧力に維持される。この後、高周波電源回路7,9のそれぞれがオンされ、高周波アンテナ5eに高周波電力が供給されるとともにプラズマ生成用絶縁管5d内部でイオン、電子、ラジカルから成るプラズマPが生成され、ウェハWへ向かって拡散する。ステージ6に高周波電力を印加する高周波電源回路9は、直列に挿入されたブロッキングキャパシタC1により直流電流がゼロに抑止されるため、プラズマPからウェハWへ流入するイオンと電子のフラックスが等しくなるように、ウェハWが帯電する。その結果、ウェハW近傍にはウェハWに向かう方向に沿った電位傾斜が形成され、垂直な電界が形成される。   Thereafter, the chamber 5 of the plasma processing apparatus 10 is sealed with a lid 5h, and the vacuum forming apparatus 8 is evacuated until the inside of the chamber 5 is substantially vacuumed. In this state, the etching gas G is supplied to the plasma generation insulating tube 5d connected to the chamber 5, and the pressure in the plasma generation insulating tube 5d and the chamber 5 is maintained at a predetermined pressure. Thereafter, each of the high-frequency power supply circuits 7 and 9 is turned on, high-frequency power is supplied to the high-frequency antenna 5e, and plasma P composed of ions, electrons, and radicals is generated inside the plasma generating insulating tube 5d. Diffuse towards. In the high frequency power supply circuit 9 for applying high frequency power to the stage 6, the direct current is suppressed to zero by the blocking capacitor C1 inserted in series, so that the flux of ions and electrons flowing from the plasma P to the wafer W becomes equal. In addition, the wafer W is charged. As a result, a potential gradient along the direction toward the wafer W is formed in the vicinity of the wafer W, and a vertical electric field is formed.

この結果、エッチングガスGは、プラズマ生成用絶縁管5d内の高周波アンテナ5eが取り付けられている箇所を通過する際に、高周波アンテナ5eに印加された高周波電力によってエッチングガスG中にプラズマPを発生させ、このエッチングガスGを構成するSFのフッ素をラジカル化させ、多量のフッ素ラジカル(F)を発生させる。すなわち、このエッチングガスG中のSFが分離されて、多量のフッ素ラジカル(F)が生成される。 As a result, the etching gas G generates plasma P in the etching gas G by the high-frequency power applied to the high-frequency antenna 5e when passing through the place where the high-frequency antenna 5e is attached in the plasma generation insulating tube 5d. Then, the fluorine of SF 6 constituting this etching gas G is radicalized to generate a large amount of fluorine radicals (F). That is, SF 6 in the etching gas G is separated, and a large amount of fluorine radicals (F) are generated.

さらに、ステージ6に印加された高周波電力によって、上述のように、ステージ6の上方に上下方向に沿ったイオンシースと電界Eとが形成される。この結果、プラズマ生成用絶縁管5dから拡散してくるプラズマPのプラスイオン(SF2+、Ar)が加速されてウェハWへと垂直に叩き付けられ、ウェハWがエッチングされる。同時に、プラズマ生成用絶縁管5dから拡散してくるラジカル化されたフッ素ラジカル(F)がウェハWと化学的に反応し、ウェハWがエッチングされる。これら二つンエッチング過程がウェハW上に設けられたレジストパターンを介して進行するため、ウェハWが予め形成されたレジストパターンに従ってプラズマエッチングされる。 Furthermore, the ion sheath and the electric field E along the vertical direction are formed above the stage 6 by the high-frequency power applied to the stage 6 as described above. As a result, the positive ions (SF 2+ , Ar + ) of the plasma P diffusing from the plasma generating insulating tube 5d are accelerated and struck perpendicularly to the wafer W, and the wafer W is etched. At the same time, the radicalized fluorine radical (F) diffused from the plasma generating insulating tube 5d chemically reacts with the wafer W, and the wafer W is etched. Since these two etching processes proceed through a resist pattern provided on the wafer W, the wafer W is plasma etched according to a resist pattern formed in advance.

すなわち、高周波アンテナ5eに印加された高周波電力によってプラズマP由来のフッ素ラジカル(F)とイオン(SF2+、Ar)がウェハWへ供給され、ステージ6に印加された高周波電力により、ウェハWへのイオン入射エネルギーが制御される。これらのフッ素ラジカル(F)とSiとの化学反応によるエッチング過程と、イオンによる物理エッチング過程とが重畳することで、シリコンのエッチング過程が進行する。また、エッチ
ングガスGに酸素(O)などの保護膜(SiO)形成用のガスを混入した場合には、エッチング孔への保護膜形成と、イオンによる底面保護膜の物理エッチング、およびフッ素ラジカル(F)によるシリコンエッチング過程とが同時に進行することで、アスペクト比の高いエッチング加工が実現される。
That is, the fluorine radical (F) and ions (SF 2+ , Ar + ) derived from the plasma P are supplied to the wafer W by the high frequency power applied to the high frequency antenna 5 e, and the wafer W is supplied to the wafer W by the high frequency power applied to the stage 6. The ion incident energy is controlled. The etching process by the chemical reaction between these fluorine radicals (F) and Si overlaps with the physical etching process by ions, so that the silicon etching process proceeds. Further, when mixed with oxygen (O 2) protective film such as gas (SiO 2) for forming an etching gas G includes a protective film formed on the etching hole, physical etching of the bottom protective film by ions, and fluorine The etching process with a high aspect ratio is realized by the simultaneous progress of the silicon etching process by radicals (F).

この後、ウェハWのエッチングが完了した後、チャンバ5の密封が解除され、例えばステージ6とチャンバ5とを相対的に上下動させる等して、チャンバ5内からステージ6を取り出し、このステージ6上に設置されているウェハWを、PLADシステム2gによる引き戻し動作にてミニマルシャトル上に設置されてから、このミニマルシャトルが閉操作されてウェハWが収容される。さらに、ウェハWが収容されたミニマルシャトルを、前室2cのドッキングポート2eから取り外すことによって、ウェハWが搬出される。   Thereafter, after the etching of the wafer W is completed, the sealing of the chamber 5 is released, and the stage 6 is taken out of the chamber 5 by, for example, moving the stage 6 and the chamber 5 up and down relatively. After the wafer W placed on the wafer is placed on the minimal shuttle by the pull back operation by the PLAD system 2g, the minimal shuttle is closed and the wafer W is accommodated. Further, the wafer W is unloaded by removing the minimal shuttle accommodating the wafer W from the docking port 2e of the front chamber 2c.

次に、上記一実施形態のプラズマ処理装置10のプラズマ生成部11の高周波アンテナ5eに高周波電力を印加する高周波電源回路7の共振制御について説明する。   Next, resonance control of the high-frequency power supply circuit 7 that applies high-frequency power to the high-frequency antenna 5e of the plasma generation unit 11 of the plasma processing apparatus 10 of the above-described embodiment will be described.

インバータ方式の高周波電源回路7は、スイッチング損失を抑制する観点から、出力する駆動周波数、すなわち高周波電力の周波数を、例えば100kHz〜500Hz等の比較的低い周波数としている。高周波アンテナ5eによる誘電磁界は、dΦ/dt(Φ:鎖交磁束)に比例するため、出力する高周波電力の周波数において、プラズマ生成部11にてプラズマPが生成可能な誘電磁界となるように、高周波アンテナ5eの巻き数を、例えば30〜300巻程度の範囲としている。   From the viewpoint of suppressing switching loss, the inverter type high frequency power supply circuit 7 sets the output drive frequency, that is, the frequency of the high frequency power to a relatively low frequency such as 100 kHz to 500 Hz. Since the dielectric magnetic field generated by the high-frequency antenna 5e is proportional to dΦ / dt (Φ: interlinkage magnetic flux), so that the plasma P can be generated by the plasma generator 11 at the frequency of the output high-frequency power. The number of turns of the high-frequency antenna 5e is, for example, in the range of about 30 to 300 turns.

高周波電源回路7が出力する高周波電力の周波数は、ゲートドライバ回路7mへの入力クロック周波数に、上述の電圧制御型発振器7pを用いることにより、容易に制御可能となっている。DC電源7aから供給される直流電力の電圧・電流容量の範囲内で動作させるためのインピーダンス変換の役割を果たす変圧器7jおよび共振用キャパシタCを介して高周波アンテナ5eに接続しているため、高周波アンテナ5eのインダクタンスをLとし、共振用キャパシタCのキャパシタンスをCとすると、出力する高周波電力の最大周波数fは、(式1)f=1/2π√(LC)となる。   The frequency of the high-frequency power output from the high-frequency power supply circuit 7 can be easily controlled by using the voltage-controlled oscillator 7p described above as the input clock frequency to the gate driver circuit 7m. Since it is connected to the high frequency antenna 5e via the transformer 7j and the resonance capacitor C that play the role of impedance conversion for operating within the range of the voltage and current capacity of the direct current power supplied from the DC power source 7a, When the inductance of the antenna 5e is L and the capacitance of the resonance capacitor C is C, the maximum frequency f of the high-frequency power to be output is (Expression 1) f = 1 / 2π√ (LC).

ただし、プラズマ生成用絶縁管5d内にプラズマPが生成されると、この生成したプラズマP自体が有するインピーダンスによって、負荷のインピーダンスが変動する。このため、出力する高周波電力の周波数を制御することによって、プラズマP生成前後、すなわち常時最適なインピーダンス整合状態を維持することが可能となる。よって、プラズマP生成後においては、出力する高周波電力の周波数が共振周波数と等しくなるように、例えば手動または自動にてゲートドライバ回路7mへの入力クロック周波数を調整することによって、プラズマP生成前後におけるインピーダンス共振状態を維持する。   However, when the plasma P is generated in the plasma generating insulating tube 5d, the impedance of the load varies depending on the impedance of the generated plasma P itself. For this reason, by controlling the frequency of the high-frequency power to be output, it is possible to maintain the optimum impedance matching state before and after the plasma P generation, that is, at all times. Therefore, after the plasma P is generated, the input clock frequency to the gate driver circuit 7m is adjusted manually or automatically so that the frequency of the output high-frequency power becomes equal to the resonance frequency, for example, before and after the plasma P generation. Maintain impedance resonance.

次に、上記一実施形態のプラズマ処理装置10のプロセス部12に高周波電圧を印加する高周波電源回路9のセルフバイアス誘起方法および共振制御について、図3を参照して説明する。   Next, a self-bias induction method and resonance control of the high-frequency power supply circuit 9 that applies a high-frequency voltage to the process unit 12 of the plasma processing apparatus 10 according to the embodiment will be described with reference to FIG.

高周波電源回路9は、ウェハWが設置されるステージ6が負荷であり、主としてチャンバ5の内壁との間の浮遊容量(Csub)がインピーダンスの主成分となり、一般的には、例えば数10pF〜数100pF程度の値で、各プラズマ処理装置10の構成に固有の値である。上記式1の共振条件を、高周波電源回路9が出力する高周波電力の周波数の範囲内で数10pF〜数100pF程度の容量性負荷に対して満たすためには、例えば1mH〜100mH程度の比較的大型なインダクタンスが必要となる。このため、ステージ6に対して並列に、浮遊容量(Csub)より十分大きな数μF程度の共振用キャパシタC2を接続し、高周波電源回路9の負荷のインピーダンスが共振用キャパシタC2のみで決
定する構成としている。
In the high-frequency power supply circuit 9, the stage 6 on which the wafer W is installed is a load, and the stray capacitance (Csub) between the inner wall of the chamber 5 is the main component of the impedance. Generally, for example, several tens of pF to several tens of pF The value is about 100 pF and is unique to the configuration of each plasma processing apparatus 10. In order to satisfy the resonance condition of Formula 1 above for a capacitive load of about several tens of pF to several hundreds of pF within the frequency range of the high frequency power output from the high frequency power supply circuit 9, for example, a relatively large size of about 1 mH to 100 mH A large inductance is required. Therefore, a configuration in which a resonance capacitor C2 of about several μF sufficiently larger than the stray capacitance (Csub) is connected in parallel to the stage 6 and the load impedance of the high-frequency power supply circuit 9 is determined only by the resonance capacitor C2. Yes.

また、ステージ6への高周波電圧印加の主な目的は、プラズマP中のイオンと電子の挙動に起因するDCセルフバイアスの誘起であり、負荷の回路に直列にキャパシタを挿入し、DC電流がゼロとなるように回路を構成する必要があり、上記一実施形態では、数μF
のセルフバイアス用のキャパシタであるブロッキングキャパシタC1を直列に挿入している。この場合の共振条件は、(式2)f=1/2π√(LCs)、但し、Cs=(C1×C2)/(C1+C2)となる。このとき、必要なインダクタンスは、十分に小型設計が可能な150μHとなり、ステージ6に印加される高周波電力は、変圧器9jから出力される電流Iと共振用キャパシタC2によって定まる。ここで、高周波電源回路9は、ブロッキングキャパシタC1からステージ6へ流入していくプラズマ荷電粒子に起因する直流電流がゼロ(0)になるため、自動的かつ自発的に、ステージ6に直流バイアスが印加され、酸化膜等の絶縁物のエッチングが可能となる。
The main purpose of applying a high-frequency voltage to the stage 6 is to induce a DC self-bias due to the behavior of ions and electrons in the plasma P. A capacitor is inserted in series with the load circuit, and the DC current is zero. In the above embodiment, the circuit must be configured to be several μF.
A blocking capacitor C1, which is a self-bias capacitor, is inserted in series. The resonance condition in this case is (Expression 2) f = 1 / 2π√ (LCs), where Cs = (C1 × C2) / (C1 + C2). At this time, the required inductance is 150 μH that allows a sufficiently small design, and the high-frequency power applied to the stage 6 is determined by the current I output from the transformer 9j and the resonance capacitor C2. Here, since the DC current caused by the plasma charged particles flowing into the stage 6 from the blocking capacitor C1 becomes zero (0), the high frequency power supply circuit 9 automatically and spontaneously applies a DC bias to the stage 6. When applied, an insulator such as an oxide film can be etched.

次に、上記一実施形態のプラズマ処理装置10のプラズマ生成部11およびプロセス部12にそれぞれ使用する高周波電源回路7,9の自動共振制御および電力制御について、図4、図7および図8を参照して説明する。ただし、上記一実施形態では、高周波電源回路7,9は,DC電源部7a(9a)、ゲートドライバ回路7m(9m)およびスイッチング素子S1〜S4(S5〜S8)は、同等品を使用しているため、各高周波電源回路7,9にて同様の制御を適用できる。   Next, referring to FIG. 4, FIG. 7 and FIG. 8 for automatic resonance control and power control of the high-frequency power supply circuits 7 and 9 used in the plasma generation unit 11 and the process unit 12 of the plasma processing apparatus 10 of the above-described embodiment To explain. However, in the above-described embodiment, the high frequency power supply circuits 7 and 9 are equivalent to the DC power supply unit 7a (9a), the gate driver circuit 7m (9m), and the switching elements S1 to S4 (S5 to S8). Therefore, the same control can be applied to each of the high frequency power supply circuits 7 and 9.

具体的に、高周波電源回路7(9)は、ブリッジ回路7g(9g)から出力される高周波電力の出力電圧と、この高周波電力の出力電流の位相が等しくなるように自動追従する。高周波電源回路7(9)は、プラズマ生成部11にてプラズマPを生成する前のブリッジ回路7g(9g)から出力される高周波電力の初期周波数が予め入力されている(ステップS11)。そして、ブリッジ回路7g(9g)の出力電圧と位相が等しい各スイッチング素子S1〜S4(S5〜S8)のゲート電圧の電圧信号と、ブリッジ回路7g(9g)から出力される高周波電力の電流信号とのそれぞれが位相比較回路7k(9k)に入力され、これら電圧信号および電流信号の位相が比較され、ブリッジ回路7g(9g)の各スイッチング素子S1〜S4(S5〜S8)の共振周波数からゲート電圧の周波数(ゲート周波数)のずれを電圧に変換した値が、位相比較回路7k(9k)にて出力される(ステップS12)。   Specifically, the high frequency power supply circuit 7 (9) automatically follows the output voltage of the high frequency power output from the bridge circuit 7g (9g) and the phase of the output current of the high frequency power to be equal. The high frequency power supply circuit 7 (9) is preliminarily input with the initial frequency of the high frequency power output from the bridge circuit 7g (9g) before the plasma P is generated by the plasma generator 11 (step S11). A voltage signal of the gate voltage of each of the switching elements S1 to S4 (S5 to S8) having the same phase as the output voltage of the bridge circuit 7g (9g), and a current signal of high-frequency power output from the bridge circuit 7g (9g) Are input to the phase comparison circuit 7k (9k), the phases of the voltage signal and current signal are compared, and the gate voltage is determined from the resonance frequency of each switching element S1 to S4 (S5 to S8) of the bridge circuit 7g (9g). A value obtained by converting the shift in frequency (gate frequency) into a voltage is output by the phase comparison circuit 7k (9k) (step S12).

そして、これら各スイッチング素子S1〜S4(S5〜S8)のゲード電圧信号の周波数が、ブリッジ回路7g(9g)が変圧器7j(9j)へ出力する出力電流の位相と等しくなるように、電圧制御型発振器7p(9p)にて各スイッチング素子S1〜S4(S5〜S8)のゲート電圧のクロック周波数、すなわちスイッチング周波数を制御する(ステップS13)。   The voltage control is performed so that the frequency of the gate voltage signal of each of the switching elements S1 to S4 (S5 to S8) is equal to the phase of the output current output from the bridge circuit 7g (9g) to the transformer 7j (9j). The clock frequency of the gate voltage of each switching element S1 to S4 (S5 to S8), that is, the switching frequency is controlled by the type oscillator 7p (9p) (step S13).

プラズマ生成部11にてプラズマPが生成されると、プラズマP自体が有するインピーダンスによって、プラズマ生成部11およびプロセス部12のそれぞれにおいて負荷となるインピーダンスが変動する(ステップS14)。すると、各スイッチング素子S1〜S4(S5〜S8)のゲート電圧の電圧信号の位相が、ブリッジ回路7g(9g)から出力される高周波電力の電流信号の位相より大きいかが位相比較回路7k(9k)にて判断される(ステップS15)。   When the plasma P is generated by the plasma generation unit 11, the impedance that becomes a load in each of the plasma generation unit 11 and the process unit 12 varies depending on the impedance of the plasma P itself (step S14). Then, whether the phase of the voltage signal of the gate voltage of each switching element S1 to S4 (S5 to S8) is larger than the phase of the current signal of the high frequency power output from the bridge circuit 7g (9g) is the phase comparison circuit 7k (9k). (Step S15).

そして、電圧信号の位相が電流信号の位相より大きい場合(ステップS15/YES)は、電圧制御型発振器7p(9p)にて各スイッチング素子S1〜S4(S5〜S8)のゲート信号の周波数を小さくする制御がされ、電圧信号の位相が電流信号の位相以下の場合(ステップS15/NO)は、電圧制御型発振器7p(9p)にて各スイッチング素子
S1〜S4(S5〜S8)のゲート信号の周波数を大きくする制御がされ、ブリッジ回路7g(9g)の出力電圧と同位相の各スイッチング素子S1〜S4(S5〜S8)のゲート信号の周波数が、ブリッジ回路7g(9g)が変圧器7j(9j)へ出力する出力電流の位相と等しくなるまで、上記ステップS12〜ステップS15の処理が繰り替えされることによって、プラズマPの状態によって変動する共振周波数に自動追従される。
If the phase of the voltage signal is larger than the phase of the current signal (step S15 / YES), the frequency of the gate signal of each switching element S1 to S4 (S5 to S8) is decreased by the voltage controlled oscillator 7p (9p). When the phase of the voltage signal is equal to or less than the phase of the current signal (step S15 / NO), the voltage-controlled oscillator 7p (9p) uses the gate signals of the switching elements S1 to S4 (S5 to S8). The frequency is controlled to be increased so that the frequency of the gate signal of each of the switching elements S1 to S4 (S5 to S8) in phase with the output voltage of the bridge circuit 7g (9g) is the same as that of the bridge circuit 7g (9g). Step S12 to step S15 are repeated until the phase of the output current output to 9j) becomes equal to the state of the plasma P. It is automatically follow the resonance frequency varies with.

さらに、高周波電源回路7(9)は、プラズマ生成部11にてプラズマPが生成されると、プラズマP自体が有するインピーダンスによって、負荷となるインピーダンスが変動するため、高周波アンテナ5eおよびステージ6に供給される高周波電力自体も変動してしまう。そこで、電力制御部7b(9b)は、目標値となる出力電力設定値、すなわち設定電力をPID制御回路7f(9f)に予め設定する(ステップS21)。そして、DC電源7a(9a)が出力する電圧値および電流値に基づき電力検出部7e(9e)にて、DC電源7a(9a)が出力する直流電力の電力値を算出し、この算出した電力値に基づく電力信号をPID制御回路7f(9f)に出力する(ステップS22)。その後、この出力された電力信号に応じた電力値、すなわち出力電力が設定電力より大ききかがPID制御回路7f(9f)にて判断される(ステップS23)。   Further, when the plasma P is generated by the plasma generator 11, the high frequency power supply circuit 7 (9) supplies the high frequency antenna 5e and the stage 6 because the impedance as a load varies depending on the impedance of the plasma P itself. The high frequency power itself is also fluctuating. Therefore, the power control unit 7b (9b) presets the output power set value as the target value, that is, the set power, in the PID control circuit 7f (9f) (step S21). Then, based on the voltage value and the current value output from the DC power supply 7a (9a), the power detection unit 7e (9e) calculates the power value of the DC power output from the DC power supply 7a (9a). A power signal based on the value is output to the PID control circuit 7f (9f) (step S22). Thereafter, the PID control circuit 7f (9f) determines whether the power value corresponding to the output power signal, that is, the output power is larger than the set power (step S23).

そして、出力電力が設定電力より大きい場合(ステップS23/YES)は、PID制御回路7f(9f)にてDC電源7a(9a)の出力電力を小さくする制御がされ、出力電力が設定電力以下の場合(ステップS23/NO)は、PID制御回路7f(9f)にてDC電源7a(9a)の出力電力を大きくする制御がされ、DC電源7a(9a)の出力電力が設定電力に等しくなるまで、上記ステップS21〜ステップS23の処理が繰り替えされ、DC電源7a(9a)から安定した電力供給を行う。   When the output power is larger than the set power (step S23 / YES), the PID control circuit 7f (9f) is controlled to reduce the output power of the DC power source 7a (9a), and the output power is less than the set power. In the case (step S23 / NO), the PID control circuit 7f (9f) is controlled to increase the output power of the DC power supply 7a (9a) until the output power of the DC power supply 7a (9a) becomes equal to the set power. The processes in steps S21 to S23 are repeated, and stable power supply is performed from the DC power source 7a (9a).

上記一実施形態のプラズマ処理装置10においては、異方性を有する精密垂直加工、及びその際のエッチングレートを最適化する目的から、プラズマ生成部11におけるイオン密度およびラジカル密度の制御と、ウェハWに対するイオンの入射エネルギーとを独立させて制御する必要がある。特に、ウェハW上に保護膜を積層させるプロセスと、この保護膜の底面部のみをイオンエッチングするプロセスを同時に行う場合には、より周波数の高い高周波電力をプロセス部12に印加する必要がある。この必要性に関しては、プラズマ生成部11の高周波アンテナ5eに高周波電力を供給する高周波電源回路7と、プロセス部12のステージ6に高周波電力を供給する高周波電源回路9とを別個にすることで対応し、上述のようにそれぞれに自動制御を適用する。
対応できる。
In the plasma processing apparatus 10 of the above-described embodiment, for the purpose of optimizing the precision vertical processing having anisotropy and the etching rate at that time, the control of the ion density and radical density in the plasma generation unit 11 and the wafer W are performed. Therefore, it is necessary to control the incident energy of ions with respect to. In particular, when simultaneously performing the process of laminating the protective film on the wafer W and the process of ion etching only the bottom surface of the protective film, it is necessary to apply high-frequency power having a higher frequency to the process unit 12. Regarding this necessity, a high frequency power supply circuit 7 that supplies high frequency power to the high frequency antenna 5e of the plasma generation unit 11 and a high frequency power supply circuit 9 that supplies high frequency power to the stage 6 of the process unit 12 are dealt with separately. Then, automatic control is applied to each as described above.
Yes.

ミニマルファブシステム用処理装置1は、比較的小型な筐体2に、真空排気系や、ガス制御系、プラズマ源、バイアス電源、装置制御用のインターフェイス、ガスボンベ、除外設備等を含む全てのコンポーネントを収納する必要がある。このため、プラズマ生成部11用の高周波電源回路7およびプロセス部12用の高周波電源回路9のそれぞれの小型化が必要である。これら高周波電源回路7,9は、従来のマッチャーを用いたものの場合、筐体2内における空間占有率が大きく、配線での電力損失や、配線によるインピーダンスの変動を可能な限り抑制する目的から、マッチャーを、負荷に近くに設置したり、負荷に直付けしたりする必要があるため、装置の設計やデザイン上の制約が非常に大きい。   The processing apparatus 1 for a minimal fab system includes all components including a vacuum exhaust system, a gas control system, a plasma source, a bias power supply, an apparatus control interface, a gas cylinder, and an exclusion facility in a relatively small casing 2. Need to be stored. For this reason, it is necessary to reduce the size of the high-frequency power circuit 7 for the plasma generator 11 and the high-frequency power circuit 9 for the process unit 12. These high-frequency power supply circuits 7 and 9 have a large space occupancy in the housing 2 in the case of using a conventional matcher, and for the purpose of suppressing power loss in the wiring and fluctuations in impedance due to the wiring as much as possible. Since it is necessary to install the matcher close to the load or to attach it directly to the load, the design of the apparatus and the restrictions on the design are very large.

さらに、各高周波電源回路7,9においては、排熱および消費電力をより少なくすることが望まれているため、直流電力から高周波電力への変換効率を高くする必要がある。特に、各コンポーネントを筐体2内に収容する場合は、出力する高周波電力の特性によって高周波ノイズが発生し、機器の誤作動や破損が生じるおそれがあるため、そのノイズ対策が容易な装置構成にする必要がある。一般的に、高周波ノイズを抑制する方法としては、接地金属によるシールドが効果的であるが、出力する高周波電力の周波数が、例えば数M
Hz〜数10MHzの場合には、わずかな配線のたわみがインダクタンスとして作用してしまうため、装置の組み立て状態に応じて、高周波ノイズによる特性が変化してしまう。
Further, in each of the high frequency power supply circuits 7 and 9, since it is desired to reduce the exhaust heat and power consumption, it is necessary to increase the conversion efficiency from DC power to high frequency power. In particular, when each component is housed in the housing 2, high frequency noise may occur due to the characteristics of the high frequency power to be output, which may cause malfunction or damage of the device. There is a need to. Generally, as a method for suppressing high frequency noise, shielding with a ground metal is effective, but the frequency of the high frequency power to be output is, for example, several M
In the case of Hz to several tens of MHz, a slight deflection of the wiring acts as an inductance, so that characteristics due to high frequency noise change depending on the assembly state of the device.

プロセス部12では、ステージ6上のウェハWと、チャンバ5との間の浮遊容量(インピーダンス:1/jωCsub)に応じて、接地されたチャンバ5へ流れる高周波電力と電流との関係が決定する。よって、所定の高周波電力を供給した場合、出力する高周波電力の周波数が高いほど、その電流値が大きくなり、チャンバ5および接地箇所を流れて電源へと戻ってくる電流に起因するノイズの影響が大きくなってしまう。そのため、装置を組み立てる都度、ノイズ対策や配線の調整が必要となる。一方、プラズマ生成部11は、高周波アンテナ5eのみで電流の往路および復路が形成されるため、接地箇所を流れる電流に起因するノイズの影響はさほど大きくない。したがって高周波電力の周波数を100kHz〜500kHz程度にすることで、特に、プロセス部12でのノイズの影響を軽減できる。   In the process unit 12, the relationship between the high-frequency power flowing into the grounded chamber 5 and the current is determined according to the stray capacitance (impedance: 1 / jωCsub) between the wafer W on the stage 6 and the chamber 5. Therefore, when a predetermined high-frequency power is supplied, the higher the frequency of the high-frequency power to be output, the larger the current value, and the influence of noise caused by the current flowing through the chamber 5 and the grounded part and returning to the power source. It gets bigger. Therefore, every time the device is assembled, noise countermeasures and wiring adjustments are required. On the other hand, since the plasma generation unit 11 forms the forward and return paths of current only by the high-frequency antenna 5e, the influence of noise due to the current flowing through the grounded portion is not so great. Therefore, by setting the frequency of the high-frequency power to about 100 kHz to 500 kHz, particularly the influence of noise in the process unit 12 can be reduced.

ウェハWの表面を均一にプラズマエッチングするためには、ウェハWへの入射イオンのフラックス(流束)およびエネルギー、およびラジカルのフラックスを均一にする必要がある。すなわち、プラズマ生成部11にて生成されるプラズマ密度の均一性に加え、入射イオンのフラックス、ステージ6上に設置されたウェハWの表面電位、ラジカルの生成レートに寄与する電子温度(電子エネルギー分布関数)の均一化が重要である。プラズマ生成部11にて生成されるプラズマP中への高周波電磁場の浸透距離(表皮厚δ)は、(式3)δ=−C/(ωIm(K 1/2),K=−ωps /ω(1−iv/ω)で表される。ここで、Kは、プラズマPの比誘電率であり、一般的な従来のプラズマ処理装置のプラズマ生成部に使用される周波数13.56MHz、アルゴンガスを使用し、圧力を10mTorr、プラズマ密度を5×1017−3と仮定すると、δは5cm程度となり、プラズマ生成部のガス供給管周辺で電磁場の大部分が吸収されるため、この領域に高エネルギー電子が形成され、電子温度分布が不均一になってしまう。 In order to perform plasma etching on the surface of the wafer W uniformly, it is necessary to make the flux (flux) of incident ions on the wafer W and energy, and the flux of radicals uniform. That is, in addition to the uniformity of the plasma density generated by the plasma generator 11, the flux of incident ions, the surface potential of the wafer W placed on the stage 6, the electron temperature that contributes to the radical generation rate (electron energy distribution) Function) is important. The penetration distance (skin thickness δ) of the high-frequency electromagnetic field into the plasma P generated by the plasma generation unit 11 is (Equation 3) δ = −C / (ωIm (K p 1/2 ), K P = −ω ps 2 / ω 2 (1-iv m / ω), where K p is the relative permittivity of plasma P, and is used in a plasma generation unit of a general conventional plasma processing apparatus. Assuming that the frequency is 13.56 MHz, argon gas is used, the pressure is 10 mTorr, and the plasma density is 5 × 10 17 m −3 , δ is about 5 cm, and most of the electromagnetic field is absorbed around the gas supply pipe of the plasma generation unit. Therefore, high energy electrons are formed in this region, and the electron temperature distribution becomes non-uniform.

そこで、上記一実施形態のプラズマ処理装置10においては、マッチャーレスの反応性エッチング装置とし、プラズマ処理装置10のプラズマ生成部11およびプロセス部12の電源回路として高周波電源回路7,9を用いる構成としている。これら高周波電源回路7,9は、ブリッジ回路7g,9gから出力される高周波電力の周波数を可変とし、かつ負荷をLC共振回路として、最適なインピーダンス(純負荷抵抗)を実現できる構成となっている。   Therefore, the plasma processing apparatus 10 of the above-described embodiment is a matcherless reactive etching apparatus, and the high frequency power supply circuits 7 and 9 are used as the power supply circuits of the plasma generation unit 11 and the process unit 12 of the plasma processing apparatus 10. Yes. These high-frequency power supply circuits 7 and 9 have a configuration in which the frequency of the high-frequency power output from the bridge circuits 7g and 9g can be varied, and an optimum impedance (pure load resistance) can be realized by using the load as an LC resonance circuit. .

よって、プラズマ処理装置10のプラズマ生成部11でのプラズマPの生成、あるいはプラズマPの変動に基づく、負荷インピーダンスのリアクタンス成分の変動があっても、高周波アンテナ5eおよびステージ6へ供給される高周波電力の周波数が可変であり高速な調整が可能であるから、高周波アンテナ5eへ供給される高周波電力と、ステージ6へ供給される高周波電力とのそれぞれに対して、安定した共振状態の維持がマッチャーを使用せずに実現できる。   Therefore, even if there is a change in the reactance component of the load impedance based on the generation of the plasma P in the plasma generation unit 11 of the plasma processing apparatus 10 or the change in the plasma P, the high-frequency power supplied to the high-frequency antenna 5e and the stage 6 Therefore, a stable resonance state can be maintained for each of the high-frequency power supplied to the high-frequency antenna 5e and the high-frequency power supplied to the stage 6. It can be realized without using it.

一方で、上述のように、共振状態の維持によりリアクタンス成分の補正は可能であるが、プラズマPの生成または変動に伴う負荷インピーダンスの抵抗成分の変動に対しては周波数による調整が原理的に不可能であり、出力電力の安定制御が必要となる。そこで、電力制御部7b(9b)によるDC電源7a(9a)の出力電力のPID制御によって、安定した電力供給が可能である。これらのことから、これら高周波電源回路7,9を用いることにより、可変キャパシタ等から構成されるマッチャーを使用せずに、高周波アンテナ5eおよびステージ6へ供給する高周波電力の安定した共振状態を確保できるとともに、安定した出力電力の保持が可能となる。   On the other hand, as described above, it is possible to correct the reactance component by maintaining the resonance state, but in principle, adjustment by the frequency is not effective for the variation of the resistance component of the load impedance accompanying the generation or variation of the plasma P. This is possible, and stable control of the output power is required. Therefore, stable power supply is possible by PID control of the output power of the DC power supply 7a (9a) by the power control unit 7b (9b). Therefore, by using these high-frequency power supply circuits 7 and 9, a stable resonance state of high-frequency power supplied to the high-frequency antenna 5e and the stage 6 can be secured without using a matcher composed of a variable capacitor or the like. At the same time, stable output power can be maintained.

また、比較的大きなウェハの処理を行うメガファブ用のプラズマ処理装置に供給する高周波電力、例えば13.56MHzに比べ、プラズマ生成部11の高周波アンテナ5eおよびプロセス部12のステージ6に供給する高周波電力の周波数を、例えば数100kHzと低くしている。このため、各高周波電源回路7,9から高周波アンテナ5eまたはステージ6までの配線によるインピーダンスの変化を小さくでき、かつノイズを低減することができる。よって、これら各高周波電源回路7,9から高周波アンテナ5eまたはステージ6までの距離を柔軟に変更することが可能となるため、比較的小さな筐体6内に各コンポーネントを収容する必要のあるミニマルファブシステム用処理装置1の装置設計において、非常に大きな利点となる。   Further, the high-frequency power supplied to the megafab plasma processing apparatus for processing a relatively large wafer, for example, the high-frequency power supplied to the high-frequency antenna 5e of the plasma generation unit 11 and the stage 6 of the process unit 12 as compared with 13.56 MHz, for example. The frequency is as low as several hundred kHz, for example. For this reason, a change in impedance due to wiring from the high-frequency power supply circuits 7 and 9 to the high-frequency antenna 5e or the stage 6 can be reduced, and noise can be reduced. Therefore, the distance from each of the high frequency power supply circuits 7 and 9 to the high frequency antenna 5e or the stage 6 can be flexibly changed. Therefore, a minimal fab that needs to accommodate each component in a relatively small casing 6 is possible. This is a great advantage in the device design of the system processing apparatus 1.

さらに、各高周波電源回路7,9は、フル・ブリッジ型のブリッジ回路7g,9gを用いた構成としており、これらブリッジ回路7g,9gから出力される高周波電力の周波数は、一般に最大でも1MHz程度である。ところが、これら高周波電源回路7,9は、90%以上の直流電力から高周波電力への変換効率を実現可能な構成であるため、これら高周波電源回路7,9から高周波アンテナ5eまたはステージ6までの配線における電力損失や、配線によるインピーダンスの変動が抑制できる。   Further, the high frequency power supply circuits 7 and 9 are configured using full bridge type bridge circuits 7g and 9g, and the frequency of the high frequency power output from the bridge circuits 7g and 9g is generally about 1 MHz at the maximum. is there. However, since these high frequency power supply circuits 7 and 9 have a configuration capable of realizing a conversion efficiency from DC power of 90% or more to high frequency power, wiring from the high frequency power supply circuits 7 and 9 to the high frequency antenna 5e or the stage 6 is possible. Power loss and impedance fluctuations due to wiring can be suppressed.

また、これら高周波電源回路7,9が出力する高周波電力の周波数は、従来のマッチャーを用いた電源回路比べて低く、周波数が低いことから、プラズマ生成部11にて生成されるプラズマP中への電磁場の浸透距離(表皮厚δ)が大きくなり、電磁場が、プラズマ生成部11の内部まで浸透し、中心領域の電子加熱も可能になるため、電子温度または電子エネルギー分布関数の均一化が可能となる。特に、電子温度は、イオン・ラジカル生成時等における衝突性発生プロセスでの影響が大きいことから、均一なプラズマ生成およびラジカル生成を可能とし、均一なウェハ処理が可能となる。   In addition, the frequency of the high-frequency power output from these high-frequency power supply circuits 7 and 9 is lower than that of a power supply circuit using a conventional matcher, and thus the frequency is low. Since the penetration distance (skin thickness δ) of the electromagnetic field increases, the electromagnetic field penetrates into the plasma generation unit 11 and electron heating in the central region is possible, so that the electron temperature or the electron energy distribution function can be made uniform. Become. In particular, the electron temperature has a great influence on the collision generation process during the generation of ions and radicals, so that uniform plasma generation and radical generation are possible, and uniform wafer processing is possible.

さらに、それぞれをマッチャーレスの高周波電源回路7,9としたため、ミニマルファブシステム用処理装置1の比較的小型な筐体2であっても、従来必要であったマッチャーを設置するためのスペースが不要となり、これらスペースを有効活用できる。よって、真空排気系、ガス導入系、あるいはコントローラ等を、筐体2内のより適切な位置に効率良く組み込むことが可能となる。すなわち、高周波電圧印加装置を用7,9いることによって、筐体2内の有効利用可能な空間を増加できる。   Furthermore, since each of them is a matcher-less high-frequency power supply circuit 7, 9, even a relatively small housing 2 of the minimal fab system processing device 1 does not require a space for installing a matcher that was conventionally required. Thus, these spaces can be used effectively. Therefore, a vacuum exhaust system, a gas introduction system, a controller, or the like can be efficiently incorporated at a more appropriate position in the housing 2. That is, by using the high-frequency voltage application devices 7 and 9, the space that can be effectively used in the housing 2 can be increased.

次に、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置10につき、高周波電源回路9を用いてプロセス部12に高周波電力を供給し、セルフバイアスを誘起した場合の実施例1について、図9を参照して説明する。図9は、プラズマ処理装置10のプロセス部12に高周波電源回路9にて高周波電力を供給する際の様子を示すグラフである。   Next, for the plasma processing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention, refer to FIG. 9 for Example 1 in which self-bias is induced by supplying high frequency power to the process unit 12 using the high frequency power supply circuit 9. To explain. FIG. 9 is a graph showing a state in which high-frequency power is supplied to the process unit 12 of the plasma processing apparatus 10 by the high-frequency power circuit 9.

高周波電源回路7を用い、プラズマ生成部11に高周波電力を供給してチャンバ5内にプラズマPを定常的に生成した状態で、高周波電源回路9からプロセス部12のステージ6に高周波電力を供給した際のステージ6の電位を測定したところ、図9に示すように、高周波電源回路9をオンすると同時に、300Vppの高周波電圧が高周波電源回路9から出力され、同時に−100Vの直流電圧が重畳した状態となった。この結果、プロセス部12に高周波電力が印加されると同時に、直流(DC)セルフバイアスが誘起されることが分かった。   Using the high frequency power supply circuit 7, the high frequency power is supplied to the stage 6 of the process unit 12 from the high frequency power supply circuit 9 in a state in which the high frequency power is supplied to the plasma generation unit 11 and the plasma P is constantly generated in the chamber 5. When the potential of the stage 6 was measured, as shown in FIG. 9, the high-frequency power supply circuit 9 was turned on, and at the same time, a high-frequency voltage of 300 Vpp was output from the high-frequency power supply circuit 9 and simultaneously a DC voltage of −100 V was superimposed. It became. As a result, it was found that a direct current (DC) self-bias was induced simultaneously with the application of high-frequency power to the process unit 12.

次に、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置10にてエッチング処理を行った実施例2について、図10を参照して説明する。図10は、プラズマ処理装置10にてプラズマ処理したウェハWの状態を示す電子顕微鏡写真である。   Next, Example 2 in which an etching process is performed in the plasma processing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is an electron micrograph showing the state of the wafer W plasma-processed by the plasma processing apparatus 10.

プラズマ処理装置10のプラズマ生成部11のプラズマ生成用絶縁管5dに、アルゴン(Ar)ガス60sccmと、六フッ化硫黄(SF)ガス3.7sccmとの混合ガスをエッチングガスGとして導入する。そして、高周波電源回路7の消費電力を110Wとし、プロセス部12の高周波電源回路9の消費電力を18.2Wとし、エッチング時間を10分とする。この条件で、SiOのパターニングマスクMを施したSiウェハWをプラズマ処理装置10にてエッチングした際の、ウェハWのSEM画像を確認したところ、図10に示すように、0.1μm/min程度のエッチングレートが得られていることが分かり、適切な反応性エッチングが行われていることが分かった。 A mixed gas of argon (Ar) gas 60 sccm and sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas 3.7 sccm is introduced as an etching gas G into the plasma generating insulating tube 5 d of the plasma generating unit 11 of the plasma processing apparatus 10. The power consumption of the high frequency power supply circuit 7 is 110 W, the power consumption of the high frequency power supply circuit 9 of the process unit 12 is 18.2 W, and the etching time is 10 minutes. Under this condition, an SEM image of the wafer W when the Si wafer W to which the SiO 2 patterning mask M was applied was etched by the plasma processing apparatus 10 was confirmed. As shown in FIG. It turned out that the etching rate of the grade was acquired, and it turned out that appropriate reactive etching is performed.

<その他>
なお、上記一実施形態においては、プラズマ処理装置10を用いて、レジストパターンが積層されたウェハWをエッチングする構成とした。しかしながら、本発明はこれに限定されることはなく、レジストパターンが積層された単結晶シリコン構造のウェハW以外であっても、対応させて用いることができる。
<Others>
In the above embodiment, the plasma processing apparatus 10 is used to etch the wafer W on which the resist pattern is laminated. However, the present invention is not limited to this, and can be used in correspondence with wafers other than the single crystal silicon wafer W on which resist patterns are stacked.

1 ミニマルファブシステム用処理装置(単位処理装置)
2 筐体
2a 装置上部
2b 装置下部
2c 操作パネル
2d 前室
2e ドッキングポート
2f ウェハ処理部
2g PLADシステム
3a 供給部
3b 排出部
5 チャンバ
5a 本体部
5b 上板
5c 開口部
5d プラズマ生成用絶縁管(ガス供給部)
5e 高周波アンテナ(プラズマ生成用アンテナ)
5f,5g アンテナ端子
5h 蓋体
6 ステージ
6a 本体部
6b 設置面
6c,6d ウェハバイアス端子
7 高周波電源回路(電源回路)
7a DC電源
7b 電力制御部
7c 電力変換回路
7d 周波数制御部
7e 電力検出部
7f PID制御回路
7g ブリッジ回路(インバータ部)
7h,7i 直列回路
7j 変圧器
7k 位相比較回路(位相比較部)
7m ゲートドライバ回路
7n 積分器
7p 電圧制御型発振器(スイッチング周波数制御部)
8 真空形成装置(真空引き部)
9 高周波電源回路(電源回路)
9a DC電源
9b 電力制御部
9c 電力変換回路
9d 周波数制御部
9e 電力検出部
9f PID制御回路
9g ブリッジ回路(インバータ部)
9h,9i 直列回路
9j 変圧器
9k 位相比較回路(位相比較部)
9m ゲートドライバ回路
9n 積分器
9p 電圧制御型発振器(スイッチング周波数制御部)
10 プラズマ処理装置
10A 誘導性結合プラズマ発生装置
10B セルフバイアス印加装置
11 プラズマ生成部
12 プロセス部(ウェハバイアス部)
G エッチングガス
P プラズマ
W ウェハ
S1〜S8 スイッチング素子
C 共振用キャパシタ
C1 ブロッキングキャパシタ(セルフバイアス用キャパシタ)
C2 共振用キャパシタ
I 共振用インダクタ
M パターニングマスク
1 Processing equipment for minimal fab system (unit processing equipment)
2 housing 2a upper part 2b lower part 2c operation panel 2d front chamber 2e docking port 2f wafer processing part 2g PLAD system 3a supply part 3b discharge part 5 chamber 5a body part 5b upper plate 5c opening 5d insulating tube for gas generation (gas Supply department)
5e High frequency antenna (plasma generating antenna)
5f, 5g Antenna terminal 5h Lid 6 Stage 6a Main body 6b Installation surface 6c, 6d Wafer bias terminal 7 High frequency power circuit (power circuit)
7a DC power source 7b Power control unit 7c Power conversion circuit 7d Frequency control unit 7e Power detection unit 7f PID control circuit 7g Bridge circuit (inverter unit)
7h, 7i Series circuit 7j Transformer 7k Phase comparison circuit (phase comparison unit)
7m Gate driver circuit 7n Integrator 7p Voltage controlled oscillator (switching frequency controller)
8 Vacuum forming device (evacuation part)
9 High-frequency power circuit (power circuit)
9a DC power source 9b Power control unit 9c Power conversion circuit 9d Frequency control unit 9e Power detection unit 9f PID control circuit 9g Bridge circuit (inverter unit)
9h, 9i Series circuit 9j Transformer 9k Phase comparison circuit (Phase comparison unit)
9m Gate driver circuit 9n Integrator 9p Voltage controlled oscillator (switching frequency controller)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Plasma processing apparatus 10A Inductively coupled plasma generator 10B Self-bias application apparatus 11 Plasma generation part 12 Process part (wafer bias part)
G etching gas P plasma W wafer S1 to S8 switching element C resonance capacitor C1 blocking capacitor (self-bias capacitor)
C2 Resonant capacitor I Resonant inductor M Patterning mask

Claims (9)

直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部、およびこの変圧部に直列接続された共振用キャパシタを有する電源回路と、
インダクタであり前記変圧部にて変圧された高周波電力が供給されるプラズマ生成用アンテナと、
を備えることを特徴とする誘導性結合プラズマ発生装置。
An inverter unit that converts DC power into high-frequency power and outputs it, a transformer unit for transforming the high-frequency power output from the inverter unit, and a power supply circuit having a resonance capacitor connected in series to the transformer unit;
An antenna for plasma generation that is an inductor and is supplied with high-frequency power transformed by the transformer;
An inductively coupled plasma generator characterized by comprising:
請求項1記載の誘導性結合プラズマ発生装置において、
前記電源回路は、前記インバータ部と前記変圧部との間の電流値を検出し、前記インバータ部から出力される高周波電力を制御する周波数制御部を備える
ことを特徴とする誘導性結合プラズマ発生装置。
The inductively coupled plasma generator according to claim 1,
The power supply circuit includes a frequency control unit that detects a current value between the inverter unit and the transformer unit and controls high-frequency power output from the inverter unit. .
請求項2記載の誘導性結合プラズマ発生装置において、
前記インバータ部は、複数のスイッチング素子を有し、
前記周波数制御部は、前記各スイッチング素子の電圧値と出力電流の電流値とを検出し検出した電圧値の位相と電流値の位相とを比較する位相比較部と、この位相比較部にて比較した位相のずれに基づいて前記各スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するスイッチング周波数制御部と、を有する
ことを特徴とする誘導性結合プラズマ発生装置。
The inductively coupled plasma generator according to claim 2,
The inverter unit has a plurality of switching elements,
The frequency control unit detects the voltage value of each switching element and the current value of the output current and compares the detected voltage value phase with the phase of the current value, and compares the phase value with the phase comparison unit. A switching frequency control unit that controls a switching frequency of each of the switching elements based on the phase shift.
直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部、
このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部と、この変圧部に直列接続された共振用インダクタ、および前記変圧部にて変圧された高周波電力が供給されるセルフバイアス用キャパシタを有する電源回路と、
前記キャパシタに並列接続された共振用キャパシタと、
を備えることを特徴とするセルフバイアス印加装置。
An inverter unit that converts DC power into high frequency power and outputs it,
A transformer for transforming the high-frequency power output from the inverter, a resonance inductor connected in series to the transformer, and a self-bias capacitor to which the high-frequency power transformed by the transformer is supplied A power circuit having
A resonant capacitor connected in parallel to the capacitor;
A self-bias applying device comprising:
請求項4記載のセルフバイアス印加装置において、
前記電源回路は、前記インバータ部と前記変圧部との間の電流値を検出し、前記インバータ部から出力される高周波電力を制御する周波数制御部を備える
ことを特徴とするセルフバイアス印加装置。
The self-bias application device according to claim 4, wherein
The power supply circuit includes a frequency control unit that detects a current value between the inverter unit and the transformer unit and controls high-frequency power output from the inverter unit.
請求項5記載のセルフバイアス印加装置において、
前記インバータ部は、複数のスイッチング素子を有し、
前記周波数制御部は、前記各スイッチング素子の電圧値および出力電流の電流値を検出し、検出した電圧値の位相と電流値の位相とを比較する位相比較部と、この位相比較部にて比較した位相のずれに基づいて前記各スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するスイッチング周波数制御部と、を有する
ことを特徴とするセルフバイアス印加装置。
The self-bias application device according to claim 5, wherein
The inverter unit has a plurality of switching elements,
The frequency control unit detects the voltage value of each switching element and the current value of the output current, and compares the phase of the detected voltage value with the phase of the current value, and compares the phase value with the phase comparison unit. And a switching frequency control unit that controls the switching frequency of each of the switching elements based on the phase shift.
ウェハが設置されるステージと、
このステージを覆うチャンバと、
このチャンバ内を真空引きする真空引き部と、
前記チャンバの前記ステージに対向する位置に設けられたガス供給部と、
請求項1ないし3のいずれかに記載の誘導性結合プラズマ発生装置を有し前記ガス供給部内のエッチングガス中にプラズマを生成するプラズマ生成部と、
請求項4ないし6のいずれかに記載のセルフバイアス印加装置を有し前記ステージ上に設置されたウェハに高周波電圧を印加し直流セルフバイアスを誘起するウェハバイアス部
と、を具備する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
A stage on which the wafer is placed;
A chamber covering this stage;
A vacuuming part for evacuating the chamber;
A gas supply unit provided at a position facing the stage of the chamber;
A plasma generator having the inductively coupled plasma generator according to any one of claims 1 to 3 for generating plasma in an etching gas in the gas supply unit;
A wafer bias unit having the self-bias application device according to any one of claims 4 to 6 and applying a high-frequency voltage to a wafer placed on the stage to induce a DC self-bias. Plasma processing equipment.
複数のスイッチング素子を有し直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部と、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部と、この変圧部に直列接続されたインダクタおよびキャパシタと、を備える電源回路を用いたプラズマ生成方法であって、
前記インバータ部から出力される高周波電力の位相が等しくなるように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する
ことを特徴とするプラズマ生成方法。
An inverter unit having a plurality of switching elements and converting DC power to high frequency power and outputting, a transformer unit for transforming high frequency power output from the inverter unit, an inductor connected in series to the transformer unit, and A plasma generation method using a power supply circuit comprising a capacitor,
The plasma generation method, wherein the switching frequency of the switching element is controlled so that the phases of the high-frequency power output from the inverter unit are equal.
複数のスイッチング素子を有し直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部と、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部と、この変圧部に直列接続されたインダクタおよびキャパシタと、を備える電源回路を用いたセルフバイアス印加方法であって、前記インバータ部から出力される高周波電力の位相が等しくなるように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する
ことを特徴とするセルフバイアス印加方法。
An inverter unit having a plurality of switching elements and converting DC power to high frequency power and outputting, a transformer unit for transforming high frequency power output from the inverter unit, an inductor connected in series to the transformer unit, and A self-bias application method using a power supply circuit including a capacitor, wherein the switching frequency of the switching element is controlled so that the phases of the high-frequency power output from the inverter unit are equal to each other. Bias application method.
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