JP3156774B2 - High frequency plasma processing equipment with electron energy control function - Google Patents

High frequency plasma processing equipment with electron energy control function

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JP3156774B2 JP15845998A JP15845998A JP3156774B2 JP 3156774 B2 JP3156774 B2 JP 3156774B2 JP 15845998 A JP15845998 A JP 15845998A JP 15845998 A JP15845998 A JP 15845998A JP 3156774 B2 JP3156774 B2 JP 3156774B2
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春雄 進藤
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造工程や
LCD等の平面表示板製造工程などに使用されるプロセ
スプラズマの発生装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for generating a process plasma used in a semiconductor manufacturing process or a flat panel display such as an LCD.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体集積回路、特にLSIの製造工程
においては、エッチング及び薄膜CVD処理のためにプ
ラズマプロセスが多く利用されている。このプラズマプ
ロセスにおいては、電気的に励起されたプラズマ電子が
反応性ガスを分解し、それによって生成される中性活性
種あるいはイオン種をエッチング及び薄膜CVD等の材
料プロセスに用いる。従ってプロセスプラズマにあって
はプラズマ電子が本質的な役割を担っている。
2. Description of the Related Art In a process of manufacturing a semiconductor integrated circuit, especially an LSI, a plasma process is often used for etching and thin film CVD. In this plasma process, electrically excited plasma electrons decompose a reactive gas, and the neutral active species or ionic species generated thereby are used for material processes such as etching and thin film CVD. Therefore, plasma electrons play an essential role in the process plasma.

【0003】一方、近年のLSI微細化及び高密度化
は、プラズマプロセスにおけるプラズマ電子の制御に関
して厳しい要求を課すようになってきた。例えば、Si
O2/Si選択エッチングでは高速エッチングにおいて
微細パターン内でのSiとの選択性を確保しなければな
らないが、これはパターン寸法の減少に伴って困難にな
ってきている。このようなエッチング選択性の低下は、
高速エッチングに必要とされる高イオン量に基づいてプ
ラズマ電子が過度に高エネルギーとなり、選択性に直接
関係するラジカル量が減少するためである。
On the other hand, recent miniaturization and high density of LSIs have come to impose strict requirements on control of plasma electrons in a plasma process. For example, Si
In the O2 / Si selective etching, it is necessary to ensure the selectivity with Si in the fine pattern in the high-speed etching, but this has become difficult as the pattern size decreases. Such a decrease in etching selectivity is caused by
This is because plasma electrons have excessively high energy based on the high ion amount required for high-speed etching, and the amount of radicals directly related to selectivity decreases.

【0004】また、ゲート電極としての多結晶シリコン
のエッチングでは、下地シリコン酸化膜との界面にノッ
チと呼ばれる形状異常が現れ品質低下の原因となる。ノ
ッチ現象はゲート寸法の微細化とともに持ち上がった問
題であるが、その発生自体は微細パターン内でのイオン
軌道の湾曲によるもので、この軌道湾曲は微細パターン
内での正負電荷分布のアンバランスから起こるチャージ
アップによるものである。すなわち、電子エネルギーは
通常大きく、その速度は基板垂直方向と同時に横方向に
も広がっているため、微細パターンの底部にまで入りに
くい。このため、パターン底部はイオンにより正に、上
部は電子により負に帯電し、この電荷アンバランスによ
り発生する電界でイオン軌道の湾曲が起こり、形状異常
が発生する。この形状異常の発生する現象はパターン幅
が狭い、電子エネルギーが大きいほど顕著となるもので
あり、この観点からも電子エネルギーの低減化が要求さ
れる。
In the etching of polycrystalline silicon as a gate electrode, an abnormal shape called a notch appears at the interface with the underlying silicon oxide film, which causes a deterioration in quality. The notch phenomenon is a problem that has arisen with the miniaturization of gate dimensions, but the occurrence itself is due to the curvature of the ion trajectory in the fine pattern, and this trajectory curvature occurs due to the imbalance of the positive and negative charge distribution in the fine pattern. This is due to charge-up. That is, since the electron energy is usually large and the speed is spread in the horizontal direction as well as in the vertical direction of the substrate, it is difficult to reach the bottom of the fine pattern. For this reason, the bottom of the pattern is positively charged by the ions and the top is negatively charged by the electrons, and the electric field generated by the charge imbalance causes the ion orbit to be curved, resulting in an abnormal shape. The phenomenon in which the shape abnormality occurs is more remarkable as the pattern width is smaller and the electron energy is larger. From this viewpoint, reduction of the electron energy is required.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、微
細化が進む次世代LSIプロセスでは、プラズマ生成に
とって本質的な役割を担う電子エネルギーの制御が不可
欠な課題となる。従って、本発明の目的はプロセスプラ
ズマの電子エネルギーを広範囲に制御することが可能な
プラズマ発生装置を提供することである。
As described above, control of electron energy, which plays an essential role in plasma generation, is an indispensable subject in the next-generation LSI process in which miniaturization is advanced. Accordingly, an object of the present invention is to provide a plasma generator capable of controlling the electron energy of process plasma over a wide range.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】このため本発明は、プラ
ズマ生成室に近接した円形アンテナに、高周波電力を供
給してプラズマを発生させるようにした高周波プラズマ
処理装置において、前記円形アンテナが円周方向モード
を少なくとも2段階に切替え・選択するための両端子及
び中間タップを有するとともに、それらの両端子及び中
間タップを回路中に選択接続するための切替えスイッチ
を有するアンテナ及び整合器回路アセンブリを備えたも
のである。(なお、円形アンテナのモードには上述した
「円周方向モード」と、後述の「半径方向モード」が存
在するが、本発明は円周方向モードの違いによるプラズ
マ電子への影響力の差を利用するものであるため、以下
単に「モード」と言うときは、「円周方向モード」を指
すものとする。)
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, the present invention provides a high-frequency plasma processing apparatus for generating high-frequency power by supplying high-frequency power to a circular antenna close to a plasma generation chamber. An antenna and matching device circuit assembly having both terminals and an intermediate tap for switching and selecting a directional mode in at least two stages, and having a changeover switch for selectively connecting the both terminals and the intermediate tap in a circuit. It is a thing. (Note that the modes of the circular antenna include the “circumferential mode” described above and the “radial mode” described later, but the present invention considers the difference in the influence on the plasma electrons due to the difference in the circumferential mode. Since the term "mode" is used hereafter, the term "mode" refers to the "circumferential mode".)

【0007】上記の構成におけるアンテナの円周方向モ
ードについて図1を参照して考察すると、円形アンテナ
1上を流れる電流が、矢印で示すように円周上で変化せ
ずに一周する“m=0モード”(図1A)では、これと
逆方向の円周方向電界中の、例えば4方向(図1の破線
で示す)の電子eはそれぞれの軌道を通じて、接線方向
の電界Eによりすべてが接線方向に加速され続け、比較
的高い電子エネルギーを有することになる。次に円形ア
ンテナ1上を流れる電流が、4本の太矢印で示すように
1周の間に2回変化する“m=1モード”(図1B)で
は、これら4電子のうち2電子はその軌道上で加速と減
速の両作用を受け、結果的に電子エネルギーはm=0モ
ードよりも明らかに低下する。さらに、円形アンテナ1
上を流れる電流が、8本の太矢印で示すように1周の間
に4回変化する“m=2モード”(図1C)では、これ
ら4電子のすべてがこの軌道上で加速と減速の両作用を
受けるため、結果的に電子エネルギーはm=1モードよ
りも明らかに低下することになる。
Considering the circumferential mode of the antenna in the above configuration with reference to FIG. 1, the current flowing on the circular antenna 1 does not change on the circumference as shown by the arrow, but "m = In the "0 mode" (FIG. 1A), electrons e in, for example, four directions (indicated by broken lines in FIG. 1) in the circumferential electric field in the opposite direction are all tangential by the tangential electric field E through their respective orbits. Direction and will have a relatively high electron energy. Next, in the “m = 1 mode” (FIG. 1B) in which the current flowing on the circular antenna 1 changes twice during one round as shown by four thick arrows, two of these four electrons are In the orbit, both the acceleration and the deceleration are performed, and as a result, the electron energy is significantly lower than in the m = 0 mode. Furthermore, circular antenna 1
In the "m = 2 mode" (FIG. 1C) in which the current flowing above changes four times during one round as shown by eight thick arrows, all of these four electrons accelerate and decelerate on this orbit. Due to both effects, the electron energy is consequently significantly lower than in the m = 1 mode.

【0008】円形アンテナの円周方向モードについて
は、上記m=0、m=1及びm=2のうち少なくとも2
段階を選択できるようにすれば、電子エネルギーを高/
低2段に切り換えられるが、所望に応じてこれら3段階
又はそれ以上のモード数として電子エネルギー強度をき
わめて広範囲に制御することも可能である。
For the circumferential mode of the circular antenna, at least two of the above-mentioned m = 0, m = 1 and m = 2
If the stage can be selected, the electron energy can be increased /
Although it is possible to switch between two low steps, it is also possible to control the electron energy intensity over a very wide range as these three or more modes as desired.

【0009】また、円形アンテナが半径方向モードn=
1となるように大円形部及び小円形部とこれらの円形部
を結ぶ半径部とからなる構造とすれば、上記の電子エネ
ルギー制御機能に加え、プラズマの半径方向分布を均一
化し、ウエハー処理特性の半径方向均一性を改善し、ウ
エハーの大口径化に有利なプラズマ発生装置を構成する
ことができる。
Further, when the circular antenna has a radial mode n =
A structure comprising a large circular portion, a small circular portion, and a radius portion connecting these circular portions so as to obtain a value of 1. In addition to the electron energy control function, the radial distribution of the plasma is made uniform, and the wafer processing characteristics are improved. Can be formed in a radial direction, and a plasma generating apparatus advantageous for increasing the diameter of a wafer can be formed.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】図2は、本発明のプラズマ発生装
置の典型的な実施例を示している。装置2は誘導結合型
のプラズマエッチング装置であり、3は装置本体をなす
反応チャンバー、4は石英板からなるチャンバー上蓋で
ある。この上蓋4上にはアンテナ導体5、及びアンテナ
導体冷却用の水冷パイプ6が配置され、さらに整合器及
び整合回路7が載置され、アンテナ及び整合器アセンブ
リ8を構成している。反応チャンバー3に関連する流路
系として、処理用ガス源接続口9及び真空吸引口10が
形成され、チャンバー底板3a上には絶縁リング11を
介して処理基板用電極12が取り付けられるとともに、
必要な電気接続としてアース線13がチャンバー側面に
接続され、接地側整合器14が電極12に接続される。
FIG. 2 shows a typical embodiment of the plasma generator of the present invention. The apparatus 2 is an inductively coupled plasma etching apparatus, 3 is a reaction chamber forming the apparatus main body, and 4 is a chamber upper lid made of a quartz plate. An antenna conductor 5 and a water-cooling pipe 6 for cooling the antenna conductor are arranged on the upper lid 4, and a matching device and a matching circuit 7 are mounted thereon to constitute an antenna and matching device assembly 8. A processing gas source connection port 9 and a vacuum suction port 10 are formed as a flow path system related to the reaction chamber 3, and a processing substrate electrode 12 is mounted on the chamber bottom plate 3 a via an insulating ring 11.
As necessary electrical connections, a ground wire 13 is connected to the side of the chamber, and a ground-side matcher 14 is connected to the electrode 12.

【0011】装置の駆動電源としては整合器及び整合回
路7に主RF電源15が接続され、接地側整合器14及
び接地電位との間にはバイアス用RF電源16が接続さ
れる。これらの電源15、16が付勢されると、上蓋5
上のアンテナにRF電力が供給され、反応チャンバー3
内に結合型の高密度プラズマが生成される。処理基板用
電極12上に設置された処理基板、典型的にはシリコン
ウエハー17に、この高密度プラズマを作用させて所定
のエッチング特性を実現するためには、アンテナ及び整
合器アセンブリ8を操作してアンテナ導体5における適
正な円周方向モード数を確立しなければならない。
As a driving power source of the apparatus, a main RF power source 15 is connected to the matching unit and matching circuit 7, and a bias RF power source 16 is connected between the matching unit 14 and the ground potential. When these power supplies 15 and 16 are energized, the upper cover 5
RF power is supplied to the upper antenna and the reaction chamber 3
A combined high-density plasma is generated therein. In order to apply the high-density plasma to a processing substrate, typically a silicon wafer 17 placed on the processing substrate electrode 12, to achieve predetermined etching characteristics, the antenna and matching unit assembly 8 must be operated. Therefore, an appropriate number of circumferential modes in the antenna conductor 5 must be established.

【0012】図3はアンテナ導体5が1巻である(これ
を“5−1”で指示する)場合のモード別構造モデルを
示すもので、モード“0”のアンテナ5−1Aでは、任
意の0°位置に設けたスリット分割型の端子ノード18
a、18bを、RF電流供給の両極端子とし、一方(こ
の場合、18a)から流入した電流が円形のアンテナ導
体5−1Aをそのまま1周して他方(この場合、18
b)に還流するようになっている。
FIG. 3 shows a structural model for each mode when the antenna conductor 5 has one turn (indicated by “5-1”). For the antenna 5-1A of mode “0”, an arbitrary Slit split type terminal node 18 provided at 0 ° position
a and 18b are the bipolar terminals for supplying the RF current, and the current flowing from one (in this case, 18a) makes one round around the circular antenna conductor 5-1A as it is (in this case, 18a).
Reflux in b).

【0013】モード“1”のアンテナ5−1Bでは、任
意の0°位置に設けた端子ノード19と、その0°位置
から180°の位置に設けた端子ノード20をRF電流
供給の両極端子とし、一方(この場合、19)から流入
した電流が円形のアンテナ導体5−1Bの両側に分流し
て他方(この場合、20)に達する構造であり、0°位
置と180°位置の2箇所で電流の向きが反転するよう
になっている。
In the antenna 5-1B of mode "1", the terminal node 19 provided at an arbitrary 0 ° position and the terminal node 20 provided at a position 180 ° from the 0 ° position are used as the bipolar terminals of the RF current supply. The current flowing from one (in this case, 19) is diverted to both sides of the circular antenna conductor 5-1B and reaches the other (in this case, 20), and has two positions of 0 ° position and 180 ° position. The direction of the current is reversed.

【0014】さらにモード“2”のアンテナ5−1Cで
は、任意の0°位置及び180°位置に設けた端子ノー
ド21及び22と、その0°位置及び180°位置から
それぞれ90°ずれた90°位置及び270°位置に設
けた端子ノード23及び24をRF電流供給の各一対の
両極端子とし、第1対のノード(この場合、21及び2
2)から流入した電流がアンテナ導体5−1Cの各位置
の両側に分流して第2対のノード(この場合、23、2
4)に達する構造であり、0°、90°、180°及び
270°の位置の4箇所で電流の向きが反転する。
Further, in the antenna 5-1C of mode "2", the terminal nodes 21 and 22 provided at arbitrary 0 ° and 180 ° positions and 90 ° shifted from the 0 ° and 180 ° positions by 90 ° respectively. The terminal nodes 23 and 24 provided at the position and the 270 ° position are a pair of bipolar terminals for supplying the RF current, respectively, and a first pair of nodes (in this case, 21 and 2)
2) is diverted to both sides of each position of the antenna conductor 5-1C, and flows into the second pair of nodes (in this case, 23, 2
4), and the current direction is reversed at four positions of 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °.

【0015】図4はアンテナ及び整合器アセンブリ8の
基本的実施例を示す回路図である。一巻アンテナ5−1
は、モード切替えスイッチSmと、モード指定スイッチ
S1、S2、S3を介して真空可変コンデンサC1、C
2を含むπ型整合器回路中に接続される。M1、M2は
C1、C2調整駆動用モータである。π型回路の両肩部
は可変コンデンサC2に接続されたスイッチSmのm0
位置を介して、アンテナ5−1(図3のアンテナ5−1
Cにおける4ノードの一つ(0°ノード)を、アンテナ
5−1Aにおけるスリット分割型ノードと同様に形成し
たもの)の0°ノードのスリット両側a、bに接続さ
れ、この両側a、b間に挿入されたモード指定スイッチ
S1と、他のモード指定スイッチS2、S3が閉じられ
ない限り、アンテナはこの状態で円周方向モード“0”
となる。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a basic embodiment of the antenna and matching box assembly 8. One-turn antenna 5-1
Are the vacuum variable capacitors C1, C2 via the mode changeover switch Sm and the mode designating switches S1, S2, S3.
2 in a π-type matching circuit. M1 and M2 are C1 and C2 adjustment drive motors. Both shoulders of the π-type circuit are connected to the variable capacitor C2 by the switch m0.
Through the position, the antenna 5-1 (the antenna 5-1 in FIG. 3)
One of the four nodes in C (0 ° node formed in the same manner as the slit-split type node in the antenna 5-1A) is connected to both sides a and b of the slit of the 0 ° node. As long as the mode designating switch S1 inserted into the antenna and the other mode designating switches S2 and S3 are not closed, the antenna remains in the circumferential mode “0” in this state.
Becomes

【0016】次にπ型回路の後肩部はスイッチSmのm
1位置において、アンテナ5−1の180°ノードcに
接続され、前肩部はモード指定スイッチS1のみの閉合
により0°位置スリットの両側a、bに一括接続される
ため、アンテナはこの状態で円周方向モード“1”とな
る。さらにπ型回路の後肩部はスイッチSmのm2位置
において、アンテナ5−1の90°ノードdに接続され
るとともにモード指定スイッチS3の閉合により270
°ノードeにも接続される。この状態において、π型回
路の前肩部は更なるモード指定スイッチS1、S2の閉
合により0°位置スリットの両側a、b及び180°ノ
ードcに一括接続されるため、アンテナは円周方向モー
ド“2”となる。
Next, the rear shoulder of the π-type circuit is m of the switch Sm.
At the 1 position, the antenna 5-1 is connected to the 180 ° node c, and the front shoulder is collectively connected to both sides a and b of the 0 ° position slit by closing only the mode designation switch S1, so that the antenna is in this state. It becomes the circumferential mode “1”. Further, the rear shoulder of the π-type circuit is connected to the 90 ° node d of the antenna 5-1 at the position m2 of the switch Sm, and is closed by the mode designation switch S3 to 270.
° Also connected to node e. In this state, the front shoulder of the π-type circuit is collectively connected to both sides a and b of the 0 ° position slit and the 180 ° node c by closing the further mode designating switches S1 and S2. It becomes “2”.

【0017】図5は第2の実施例におけるアンテナ及び
整合器アセンブリ8’を示す回路図である。この実施例
においては、図4の基本実施例におけるπ型整合器回路
に変えてインダクタンスLを含む逆L型回路とし、π型
の両肩部に接続されていたアンテナ5−1を含むスイッ
チ回路を、逆L型の後端(可変コンデンサC2’の後
端)と接地電位との間に接続したものである。各スイッ
チとアンテナ5−1との接続関係は図4と同様であり、
各部に同一参照数字を付して説明を省略する。この実施
例ではアンテナ導体の一端を直接接地することができる
ため、プラズマ装置としての安全性及び操作性がよくな
る。
FIG. 5 is a circuit diagram showing an antenna and matching box assembly 8 'according to the second embodiment. In this embodiment, a switch circuit including an antenna 5-1 connected to both of the π-type shoulders is replaced by an inverted L-type circuit including an inductance L instead of the π-type matching circuit in the basic embodiment of FIG. Is connected between the rear end of the inverted L-type (the rear end of the variable capacitor C2 ′) and the ground potential. The connection relationship between each switch and the antenna 5-1 is the same as in FIG.
The same reference numerals are given to the respective parts, and the description is omitted. In this embodiment, one end of the antenna conductor can be directly grounded, so that the safety and operability of the plasma device are improved.

【0018】図6はアンテナ導体5を2回巻とし(これ
を“5−2”で指示する)、半径方向モードをn=1と
した場合の円周方向モード別の構造モデルを示すもの
で、円周方向モードm=0のアンテナ5−2Aでは、外
周コイルにおける任意の0°位置に設けたスリット分割
型の端子ノード25a、25bを、RF電流供給の両極
端子とし、外周コイルと内周コイルとの接続は180°
位置に設けたスリット分割型の中継導体部26a、26
bにより行うものである。これにより端子ノード25
a、25bの一方から流入した電流は、アンテナ導体5
−2Aの外周コイル及び内周コイルを、中継導体部26
a、26bにおける迂回点を挟んで1周し、他方のノー
ドに還流するようになっている。
FIG. 6 shows a structural model for each circumferential mode when the antenna conductor 5 is wound twice (indicated by "5-2") and the radial mode is n = 1. In the antenna 5-2A in the circumferential mode m = 0, the slit-divided terminal nodes 25a and 25b provided at arbitrary 0 ° positions in the outer peripheral coil are used as the bipolar terminals for supplying the RF current, and the outer peripheral coil and the inner peripheral 180 ° connection with coil
Slit-type relay conductors 26a, 26 provided at the positions
b. This allows terminal node 25
a, 25b flows into the antenna conductor 5
-2A outer coil and inner coil are connected to the relay conductor 26.
The circuit makes a round around the detour point at a and 26b and returns to the other node.

【0019】モードm=1のアンテナ5−2Bでは、外
周コイル及び内周コイルにおける任意の0°位置にそれ
ぞれ形成された端子ノード27、28をRF電流供給の
両極端子とし、外周コイルと内周コイルとの接続はこの
場合も180°位置に設けたスリット分割型の中継導体
部26a、26bにより行うものである。これにより、
端子ノード27、28の一方から流入した電流はアンテ
ナ導体5─2Bの外周コイル又は内周コイルの両側に分
流し、中継導体部26a、26bに流入・迂回してさら
に他方のコイルの両側に分流し、他方のノードに達する
構造であり、内外両コイルとも0°位置と180°位置
の2箇所で電流の向きが反転するようになっている。
In the antenna 5-2B of mode m = 1, the terminal nodes 27 and 28 formed at arbitrary 0 ° positions in the outer coil and the inner coil are used as the bipolar terminals for supplying the RF current, respectively. In this case, the connection with the coil is also made by the slit-division-type relay conductor portions 26a and 26b provided at the 180 ° position. This allows
The current flowing from one of the terminal nodes 27 and 28 is diverted to both sides of the outer coil or the inner coil of the antenna conductor 5 # 2B, flows into and bypasses the relay conductors 26a and 26b, and is further divided to both sides of the other coil. The current flows to the other node, and the direction of the current is reversed at both the 0 ° position and the 180 ° position in both the inner and outer coils.

【0020】さらにモードm=2のアンテナ5−2Cで
は、外周コイルにおける任意の0°位置及び180°位
置に形成された端子ノード29及び30と、内周コイル
における任意の0°位置及び180°位置に形成された
端子ノード31及び32をそれぞれ破線で示すように一
括してRF電流供給のための各極端子とし、外周コイル
と内周コイルとの接続は90°位置及び270°位置に
それぞれ形成されたスリット分割型の中継導体部33
a、33b及び34a、34bにより行うものである。
外周端子ノード29、30又は内周端子ノード31、3
2から流入した電流はアンテナ導体5−2Cの外周コイ
ル又は内周コイルの両側に分流し、スリット分割型の中
継導体部33a、33b及び34a、34bに流入・迂
回して他方のコイルの両側にそれぞれ分流し、他方の一
括ノードに達する構造であり、内外両コイルとも0°、
90°、180°及び270°の位置の4箇所で電流の
向きが反転する。
Further, in the antenna 5-2C of mode m = 2, the terminal nodes 29 and 30 formed at arbitrary 0 ° positions and 180 ° positions in the outer peripheral coil, and at the arbitrary 0 ° positions and 180 ° position in the inner peripheral coil. The terminal nodes 31 and 32 formed at the positions are collectively used as the pole terminals for supplying the RF current as indicated by broken lines, and the connection between the outer and inner coils is at the 90 ° position and the 270 ° position, respectively. The formed slit-division-type relay conductor portion 33
a, 33b and 34a, 34b.
Outer peripheral terminal nodes 29 and 30 or inner peripheral terminal nodes 31 and 3
2 flows into both sides of the outer coil or inner coil of the antenna conductor 5-2C, flows into and bypasses the slit-division-type relay conductors 33a, 33b and 34a, 34b, and flows into and out of the other coil. It is a structure that shunts each and reaches the other collective node.
The directions of the currents are reversed at four positions of 90 °, 180 °, and 270 °.

【0021】上記の2回巻アンテナを用いたアンテナ及
び整合器アセンブリについても、図4及び図5に示した
回路8及び8’に準じて構成することができる。但し、
半径方向モードm=0及びm=1のアンテナにおいて中
継導体部数は一対であるが、半径方向モードm=2のア
ンテナの中継導体部数は二対であるため、アンテナを差
し替えるか又は一対の中継導体部は固定的に設け、他の
一対を電気的に形成したり除去したりするスイッチ構造
を設ける必要がある。
The antenna and matching device assembly using the two-turn antenna described above can also be configured in accordance with the circuits 8 and 8 'shown in FIGS. However,
Although the number of relay conductors in the antennas in the radial mode m = 0 and m = 1 is one pair, the number of relay conductors in the antenna in the radial mode m = 2 is two, so that the antenna is replaced or the pair of relay conductors is replaced. It is necessary to provide a fixed structure and a switch structure for electrically forming and removing the other pair.

【0022】実験及び考察 図4に示したアンテナ及びΠ型整合器アセンブリの基本
実施例において、アンテナモード数がm=0の場合と、
m=1の場合に発生するプラズマ電子エネルギーを次の
ようにして比較・測定した。実験に用いたプラズマ発生
装置(図示せず)は、内径27cmのSUS製チャンバ
ーを備え、そのチャンバー内のプラズマ電子エネルギー
を静電プローブ法により測定するようにしたものであ
る。半径方向モードm=0及びm=1のアンテナ5−1
A、5−1Bは、図3A及びBを参照して、いずれも円
環本体の内径が11cm、外径が16cm(従って導体
幅2.5cm)、ノード幅が2.5cmであり、アンテ
ナ5−1Aのノード間スリット幅は1mmとした。
Experiments and Discussion In the basic embodiment of the antenna and Π-type matching box assembly shown in FIG. 4, the case where the number of antenna modes is m = 0,
The plasma electron energy generated when m = 1 was compared and measured as follows. The plasma generator (not shown) used in the experiment was provided with a SUS chamber having an inner diameter of 27 cm, and the plasma electron energy in the chamber was measured by an electrostatic probe method. Antenna 5-1 in radial mode m = 0 and m = 1
3A and 3B, the inner diameter of the annular main body is 11 cm, the outer diameter is 16 cm (the conductor width is 2.5 cm), the node width is 2.5 cm, and The inter-node slit width of -1A was 1 mm.

【0023】チャンバー内にはアルゴンプラズマを生成
し、静電プローブによりその電子エネルギーを代表する
電子温度及び電子密度を測定した。図7では電子温度の
半径方向依存性を、図8では電子密度の半径方向依存性
を、いずれもモードm=0とm=1について測定し且つ
比較したグラフを、RF電力が700Wの場合(A)
と、900Wの場合(B)とに分けて作図したものであ
る。これらの結果によれば、図8の電子密度グラフでは
m=0とm=1との間でほとんど差が認められないが、
図7のグラフではm=1の場合の電子温度はm=0の場
合のほぼ半分程度まで低下する。この結果は、モード数
による電子エネルギー制御が可能であることを良く示し
ている。
An argon plasma was generated in the chamber, and an electron temperature and an electron density representing the electron energy were measured by an electrostatic probe. FIG. 7 shows the radial dependence of the electron temperature, and FIG. 8 shows the radial dependence of the electron density in each of the modes m = 0 and m = 1. A)
And the case of 900 W (B). According to these results, in the electron density graph of FIG. 8, there is almost no difference between m = 0 and m = 1,
In the graph of FIG. 7, the electron temperature in the case of m = 1 drops to about half of that in the case of m = 0. This result clearly shows that electron energy control by the number of modes is possible.

【0024】図9及び10は、この場合の電子エネルギ
ー分布の実測値をアンテナモード間で比較したものであ
る。図9(RF電力900W)及び図10(RF電力7
00W)の場合とも、モード数m=1の場合の電子エネ
ルギーは小さく、その半値幅もm=0の場合の約半分し
かないことが明らかであり、従ってモード数をm=0、
m=1間で切替えることにより、電子エネルギー制御を
確実に行えることが分かる。なお、これらの図におい
て、Teqとは実測値をMaxwell分布関数にフィッテン
グさせたときに得られる等価的温度、Vsとはプラズ
マ空間電位である。また、グラフ名(ラベル)としての
Maxwellは実測値に最もフィットするMaxwell分布関数
の理論曲線を表し、DruyvesteynとはDruyvesteyn分布
関数の理論曲線を表し、これは熱力学的平衡条件での理
論関数がMaxwell分布関数であるのに対し、電界の影響
を考慮した理論関数である。このDruyvesteyn分布関数
は、データ上でピークエネルギーの大きい方の理論曲線
である。また、Experimentは実測の曲線を示し、ノイ
ズの多い曲線であるため、他の曲線からは容易に識別で
きるであろう。なお、測定器上ではこれらの曲線はカラ
ー表示され、容易に区別できる。
FIGS. 9 and 10 show the measured values of the electron energy distribution in this case in comparison between the antenna modes. 9 (RF power 900 W) and FIG. 10 (RF power 7
00W), it is clear that the electron energy in the case of the mode number m = 1 is small and the half width is only about half that in the case of m = 0, so that the mode number is m = 0,
It can be seen that by switching between m = 1, electron energy control can be performed reliably. In these figures, Teq is an equivalent temperature obtained when the measured value is fitted to a Maxwell distribution function, and Vs is a plasma space potential. In addition, Maxwell as a graph name (label) represents a theoretical curve of a Maxwell distribution function that best fits an actually measured value, and Druyvesteyn represents a theoretical curve of a Druyvesteyn distribution function, which is a theoretical function under thermodynamic equilibrium conditions. While this is a Maxwell distribution function, it is a theoretical function that takes into account the influence of an electric field. This Druyvesteyn distribution function is a theoretical curve with the larger peak energy on the data. Experiment shows an actually measured curve and is a noisy curve, so it can be easily identified from other curves. Note that these curves are displayed in color on the measuring instrument and can be easily distinguished.

【0025】次に、モードm=1とm=2との間の電子
エネルギーの相違を理論的に考察する。この電子エネル
ギー評価は平板プラズマにおいて行ったものである。図
11に示したプラズマ平面において、Lはアンテナモー
ド変化による電界モード変化の距離であり、y=0とy
=2Lは同じ場所(周期2Lでの繰り返し)と考える。
ここでEyを誘導電荷の強さ、λを電子の平均自由行程
として、一平均自由行程あたりの電子エネルギーがy=
0からy=Lまでの間に蓄積される量Uは、
Next, the difference in electron energy between modes m = 1 and m = 2 will be considered theoretically. This electron energy evaluation was performed on a flat plate plasma. In the plasma plane shown in FIG. 11, L is the distance of electric field mode change due to antenna mode change, and y = 0 and y
= 2L is considered to be the same place (repetition at a period of 2L).
Here, when Ey is the intensity of the induced charge and λ is the mean free path of the electron, the electron energy per one mean free path is y =
The amount U accumulated between 0 and y = L is

【0026】[0026]

【式1】 (Equation 1)

【0027】上式を、その積分路長で割り平均電界を求
めると、
When the above equation is divided by its integral path length to obtain an average electric field,

【0028】[0028]

【式2】 (Equation 2)

【0029】この式の右辺第1項(2Ey /π)はモー
ド0の場合の平均電界であり、同第2項中のL/λをL
/λ=Xとおけば、X=4でモード1、X=2でモード
2であるから、第2項(X−π/2)/XはX≧π/2
において1以下であり、モード1の場合に0.61、モ
ード2の場合に0.21となって後者は前者の約35%
?となり、電子加速は約40%低下すると考えられる。
なお、前記第2項(X−π/2)/XはX≦π/2にお
いて、符号(電界方向)が反転し1以上になる場合があ
ると考えられるが、実際にはθ=π/2まで積分するこ
と自体、反転電界の過大評価であり、θを適当に制限す
ればすべてのXの正領域で1以下にすることが可能であ
る。
The first term (2E y / π) on the right side of this equation is the average electric field in the case of mode 0, and L / λ in the second term is L
If / λ = X, then mode 1 at X = 4 and mode 2 at X = 2, the second term (X−π / 2) / X is X ≧ π / 2
Is less than or equal to 1 and 0.61 in the case of mode 1 and 0.21 in the case of mode 2, which is about 35% of the former.
? It is considered that the electron acceleration is reduced by about 40%.
It is considered that the sign (electric field direction) of the second term (X−π / 2) / X may be inverted to 1 or more when X ≦ π / 2, but actually θ = π / Integrating up to 2 itself is an overestimation of the reversal electric field, and it is possible to make it 1 or less in all the positive regions of X if θ is appropriately limited.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明は、以上述べたとおり、高周波プ
ラズマ発生装置におけるアンテナの円周方向モードを切
り換えることによりプラズマの電子エネルギーを制御
し、高速エッチングにおける微細パターン加工等に必要
な高イオン量/低電子エネルギー状態の確立等、プロセ
スの要求に応じた電子エネルギー制御を可能とするもの
である。
As described above, the present invention controls the electron energy of the plasma by switching the circumferential mode of the antenna in the high-frequency plasma generator, thereby increasing the amount of high ions necessary for processing fine patterns in high-speed etching. / Electron energy control according to process requirements, such as establishment of a low electron energy state.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の電子エネルギー制御の原理を(A)半
径方向モードm=0、(B)同m=1、及び(C)m=
2のアンテナモデルとともにに示す模式図である。
FIG. 1 shows the principle of electron energy control of the present invention in (A) radial mode m = 0, (B) m = 1, and (C) m =
It is a schematic diagram shown with 2 antenna models.

【図2】本発明の高周波プラズマ発生装置の実施例を示
す構造略図である。
FIG. 2 is a schematic structural view showing an embodiment of a high-frequency plasma generator of the present invention.

【図3】本発明の装置実施例に用いる一巻アンテナにお
ける(A)半径方向モードm=0、(B)同m=1、及
び(C)m=2の構造モデルを示す模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a structural model of (A) a radial mode m = 0, (B) m = 1, and (C) m = 2 in a single-turn antenna used in the device embodiment of the present invention. .

【図4】図3の構造モデルに従ったアンテナを含むアン
テナ及び整合器アセンブリの第1の実施例を示す回路図
である。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a first embodiment of an antenna and matching box assembly including an antenna according to the structural model of FIG. 3;

【図5】図3の構造モデルに従ったアンテナを含むアン
テナ及び整合器アセンブリの第2の実施例を示す回路図
である。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a second embodiment of the antenna and matching box assembly including the antenna according to the structural model of FIG. 3;

【図6】本発明のプラズマ発生装置に用いるための二巻
アンテナにおける(A)半径方向モードm=0、(B)
同m=1、及び(C)m=2の構造モデルを示す模式図
である。
FIG. 6 shows (A) a radial mode m = 0 and (B) in a two-turn antenna for use in the plasma generator of the present invention.
It is a schematic diagram which shows the structural model of the same m = 1 and (C) m = 2.

【図7】アンテナモードによる電子温度の相違を、RF
電力700Wの場合(A)及び900Wの場合(B)に
分けて示すグラフである。
FIG. 7 shows the difference in electron temperature between antenna modes by using RF
It is a graph divided into the case (A) of electric power 700W and the case (B) of 900W.

【図8】アンテナモードによる電子密度の相違を、RF
電力700Wの場合(A)及び900Wの場合(B)に
分けて示すグラフである。
FIG. 8 shows the difference in electron density depending on the antenna mode,
It is a graph divided into the case (A) of electric power 700W and the case (B) of 900W.

【図9】アンテナモードによる電子エネルギー分布の相
違を、RF電力700Wの場合(A)及び900Wの場
合(B)に分けて示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the difference in electron energy distribution depending on the antenna mode in the case of RF power of 700 W (A) and in the case of 900 W of RF power (B).

【図10】アンテナモードによる電子エネルギー分布の
相違を、RF電力700Wの場合(A)及び900Wの
場合(B)に分けて示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing a difference in electron energy distribution depending on an antenna mode in a case of RF power of 700 W (A) and a case of RF power of 900 W (B).

【図11】アンテナモードm=1とm=2による電子エ
ネルギーの相違を説明するための平板状プラズマのプラ
ズマ平面座標を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing plasma plane coordinates of a plate-like plasma for describing a difference in electron energy between antenna modes m = 1 and m = 2.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 円形アンテナ 2 プラズマエッチング装置 3 反応チャンバー 4 石英製上蓋4 5 アンテナ導体 6 水冷パイプ6 7 整合器及び整合回路 8 アンテナ及び整合器アセンブリ 9 処理用ガス源接続口 10 真空吸引口10 11 絶縁リング 12 処理基板用電極 13 アース線 14 接地側整合器 15 主RF電源15 16 バイアス用RF電源 17 シリコンウエハー17 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Circular antenna 2 Plasma etching apparatus 3 Reaction chamber 4 Quartz upper lid 4 5 Antenna conductor 6 Water cooling pipe 6 7 Matching device and matching circuit 8 Antenna and matching device assembly 9 Processing gas source connection port 10 Vacuum suction port 10 11 Insulation ring 12 Processing substrate electrode 13 Ground wire 14 Ground side matcher 15 Main RF power supply 15 16 RF power supply for bias 17 Silicon wafer 17

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 プラズマ生成室に近接した円形アンテナ
に、高周波電力を供給してプラズマを発生させるように
した高周波プラズマ処理装置において、前記円形アンテ
ナが円周方向モードを少なくとも2段階に切替え・選択
するための両端子及び中間タップを有するとともに、そ
れらの両端子及び中間タップを回路中に選択接続するた
めの切替えスイッチを有するアンテナ及び整合器回路ア
センブリを備えたことを特徴とする電子エネルギー制御
機能を有する高周波プラズマ処理装置。
1. A high-frequency plasma processing apparatus in which high-frequency power is supplied to a circular antenna close to a plasma generation chamber to generate plasma, wherein the circular antenna switches and selects a circumferential mode in at least two stages. An electronic energy control function, comprising an antenna and a matching circuit circuit assembly having both terminals and an intermediate tap for performing the connection, and a changeover switch for selectively connecting the both terminals and the intermediate tap in a circuit. A high-frequency plasma processing apparatus having:
【請求項2】 前記円形アンテナが円周方向モードをm
=0、m=1及びm=2の3段階を選択しうる両端子及
び中間タップ構造を有することを特徴とする請求項1記
載の高周波プラズマ処理装置。
2. The method according to claim 1, wherein the circular antenna has a circumferential mode of m.
2. The high-frequency plasma processing apparatus according to claim 1, further comprising a double terminal and an intermediate tap structure which can select three stages of = 0, m = 1 and m = 2.
【請求項3】 前記前記円形アンテナが半径方向モード
n=1となるように大円形部及び小円形部とこれらの円
形部を結ぶ半径部とからなることを特徴とする請求項2
記載の高周波プラズマ処理装置。
3. The circular antenna according to claim 2, wherein the circular antenna includes a large circular portion, a small circular portion, and a radius portion connecting these circular portions so that a radial mode n = 1.
The high-frequency plasma processing apparatus according to the above.
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