JP3717414B2 - Plasma processing equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体、液晶ディスプレイ用基板等の製造において有効なプラズマ処理装置、及び処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
シリコンウエハの大口径化及び半導体デバイスの微細化に対応して、プラズマプロセスにおいては、例えば、ガス流量、処理圧力、プラズマ生成用電力、ウエハ温度、バイアス電力等のプロセス制御パラメータについて、所望の処理結果が得られるパラメータの組み合わせの範囲、すなわちプロセスウインドウが年々狭くなってきている。
【0003】
それによって、装置立上げ時や、あるプロセスの立上げ時に所望のプラズマ処理を満足する条件が得られない、あるいは、初期のプラズマ処理では、所望の処理結果が得られても、処理チャンバの汚れなどに起因する装置状態のシフトが起きると、プロセスウインドウを外れてしまう等の問題が生じてきている。また、逆に処理チャンバを清掃した後は、処理チャンバ内部がきれいになったことや、処理チャンバを大気に開放したことによる内部の表面状態の変化等により、プロセス状態がシフトするので、エージングと呼ばれる空放電をし、装置をコンディショニングすることが必要となるが、このエージングも年々難しくなっており、エージング後、着工していいかどうかの判断も極めて難しくなっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題を解決するためには、装置及びプロセスの状態を確実に把握することが必要であり、通常、プロセス中の各種信号、例えば、プラズマの発光やその他のモニタ、プラズマソースやウエハバイアスの電流、電圧、インピーダンス状態を監視することが行われている。これらの値が、ある範囲に入っていなければ、異常な状態と判断するわけである。しかしながら、これらの信号が正常な値だからといって、正常なプラズマ処理が保証されるわけではないので、最終的には実際にウエハを処理してみないと判断できないことが多い。ウエハの大口径化によってこのウエハのコストも深刻な問題となっている。
【0005】
また、通常のプロセスモニタは、設置する場所が限られており、ウエハ位置でのプラズマ情報を的確に測定できるとは言い難い。本発明の課題は、ウエハ位置におけるプラズマやその他の必要なプロセスの状態を正確に測定し、高精度かつ安定した処理が可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題は、各種センサを内蔵したプラズマ測定用ステージヘッドあるいは、各種のセンサを内蔵した専用のテストウエハ(プラズマ測定用ウエハ)をウエハステージ位置に手作業もしくは、自動搬送により設置し、そのセンサの信号を用いて装置の管理を行うことによって解決される。プラズマ測定用ステージヘッドあるいはプラズマ測定用ウエハの出力信号は、ウエハステージに装備されたデータ通信用端子により外部に取り出され、データ収録装置に収録され、装置管理や着工判断等に活用される。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明は、半導体デバイスの製造の分野に限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製造や各種プラズマ表面処理等、様々な分野に適用が可能であるが、ここでは、半導体デバイス製造用のプラズマエッチング装置を例にとって、実施例を示すことにする。
【0008】
図1に、本発明の一実施例を示す。図中の処理チャンバ1は、例えば、ステンレスまたはアルミニウム等の真空容器であり、バタフライバルブ2を介してポンプ3が接続され、流量コントローラ6を介してエッチングガスが導入され、所望の圧力が保たれる。処理チャンバ1中には、ウエハ20を載置するためのウエハステージ13が設置され、このウエハステージ13を介して、ウエハ20には、高周波バイアスが印加される。
【0009】
一方、ウエハ20と対向する位置には、高周波電源5と接続されるプラズマソース16があり、導入されたエッチングガスを電離し、プラズマ12を生成し、ウエハ20のエッチングを行なう。本発明の特徴は、ウエハステージ13にデータ通信用端子14を装備した点であり、プラズマ測定用ステージヘッド11をウエハステージ13上に載置してプラズマ12の測定を行なう。プラズマ測定用ステージヘッド11には、例えばイオン電流プローブ15等のプラズマ12を測定するためのセンサが装備される。
【0010】
次にウエハステージ13やプラズマ測定用ステージヘッド11の構造について説明する。図2に本発明の一実施例となるウエハステージ13の断面図を示す。一般に、プラズマエッチング装置の場合、ウエハ20はメカニカルクランプもしくは静電吸着等の手法によってウエハステージ13に保持される。通常、このウエハステージ13の周囲にはセラミック等の絶縁体からなるサセプタ21(電極保護カバー)が備えられている。ここで、サセプタ21の裏にあたる位置には、電気信号をやり取りするためのデータ通信用端子14が設けられている。
【0011】
図3に、図2に示したウエハステージ13と組み合わせて使うためのイオン電流プローブアレイ内蔵プラズマ測定用ステージヘッド11を示す。このプラズマ測定用ステージヘッド11は、図2に示したサセプタ21を取り外し、代わりに、ウエハステージ13上に載置する。
【0012】
表面には、イオン電流プローブ15が、1つもしくは2つ以上設けられており、例えば、図4に示したように、十字あるいは他の配列によって全面に渡って配置することにより、プラズマ12の分布特性を把握することができる。
【0013】
例えば、図5に示すように、各イオン電流プローブ15には、DC電源34を用いて、負の電圧を印加することができ、そのときに各イオン電流プローブ15にプラズマ12から流れ込む電流は、ウエハステージ13上に設けられたデータ通信用端子14を介して外部に引き出され、ローパスフィルタ30を用いて高周波成分をカットし、抵抗31によって電圧に変換され、AD変換器32を介してコンピュータ33に取り込まれる。
【0014】
図2から図5に示した実施例における一つの問題は、図6に示すように、イオン電流プローブ15の数を増やすとイオン電流を引き出すためのデータ通信用端子14の数を同数ウエハステージ13に用意する必要がある点である。
【0015】
例えば、図7に示す実施例のように、プラズマ測定用ステージヘッド11側に回路切り替え用のスイッチ40を設けることによって、スイッチ40を駆動するためのスイッチ駆動用信号端子41と一つのイオン電流を引き出すためのデータ通信用端子14を用意すればよくなり、ウエハステージ13の構造が簡略化される。
【0016】
あるいは、図8に示す実施例のようにプラズマ測定用ステージヘッド11側にAD変換器32を内蔵することにより、直接デジタル信号のやり取りを行なっても良い。
【0017】
ここまでの実施例は、プラズマ測定用ステージヘッド11をサセプタ21と交換する方法を用いていたが、この場合、プラズマ測定用ステージヘッド11をセットするためには、処理チャンバ1を大気開放せざるを得ず、実際の生産ラインなどに適用するには困難がある。プラズマ測定用ステージヘッド11も、被処理物であるウエハ20と同様に搬送し、測定可能であることが望ましい。
【0018】
そこで、そのような要求に対応した実施例を図9に示す。まず、ウエハステージ13には、ウエハ20が載置される面に電気信号をやり取りするためのデータ通信用端子14を設ける。このデータ通信用端子14は、例えば、ウエハ20の自重に負ける程度のばね力でウエハ20の裏面に接触するようにしておけばよい。
【0019】
プラズマ測定用ウエハ50(プラズマ測定用ステージヘッド11に相当)は、ウエハ20用の搬送システムによって搬送が可能なように、ウエハ20とほぼ同じ外径寸法であり、また、ある程度の薄さと重量に抑える必要がある。
【0020】
プラズマ測定用ウエハ50の裏面には、ウエハステージ13に設けられたデータ通信用端子14の位置に、データ通信用端子14が設けられており、プラズマ測定用ウエハ50をウエハステージ13上に置くと、そのデータ通信用端子14が、ウエハステージ13側のデータ通信用端子14と接触して、電気的導通がとれる。また表面には、イオン電流を引き込むためのイオン電流プローブ15が設けられており、前記データ通信用端子14とは電気的に繋がっている。したがって、プラズマ12から入ってくるイオン電流は、処理チャンバ1外部に引き出され、例えば図5に示したような方法で測定可能となる。
【0021】
図1から図8に示した全ての実施例は、図9に示すような方法で、信号のやり取りを行なうことに特に問題は無い。しかしながら、図6に示したような回路を用いて、多数のイオン電流プローブ15の信号を外部に取り出そうとする場合、ウエハステージ13に多数のデータ通信用端子14を設けることが設計上困難な場合がある。データ通信用端子14がたとえ一つでも、プラズマ測定用ウエハ50は、ウエハ20の自動搬送システムで容易に設置や交換を行なうことが可能であるので、プラズマ12の分布を測定したいときは次のような方法を用いればよい。
【0022】
すなわち、図10に示す実施例のように、表面のイオン電流プローブ15の位置が異なる複数のプラズマ測定用ウエハ50を次々と搬送し、同じ条件で測定を行なうことにより、プラズマ12の分布を知ることができる。
【0023】
今までの実施例は全てイオン電流の測定を例にとって示したが、本発明はそれに限定されるものではない。今まで示した実施例について、イオン電流プローブ15の面積をイオン測定用に比べて小さくすることにより、電子を測定することが可能となるし、あるいは、図11に示す実施例のように、イオンエネルギの測定に対応したプラズマ測定用ステージヘッド11やプラズマ測定用ウエハ50との組み合わせも可能である。
【0024】
図11は、金属メッシュ52を重ね、その下にイオン電流測定用の電極17を設置し、金属メッシュ52の電位を変えながら、電極17に流入するイオン電流を測定することにより、イオンエネルギを測定することができる。
【0025】
以上、図には示さないが、本発明は、温度センサなどあらゆる物理、化学量の測定センサとの組み合わせが可能であり、これら複数の種類のセンサを積載したプラズマ測定用ステージヘッド11やプラズマ測定用ウエハ50を用いることも可能である。
【0026】
本発明は、ウエハステージ13に信号をやりとりするデータ通信用端子14を設けたことを最大の特徴とするが、本発明が対象とする信号は、電気信号に限られない。光、電磁波等の信号を含むあらゆる信号端子の装備が本発明に含まれる。
【0027】
図12は、本発明の一実施例であり、プラズマ12からの発光をプラズマ測定用ステージヘッド11に装備したレンズ60から取り込み、導光路61、コリメータ64等を介して、ウエハステージ13側に引き出している。また、光スイッチ62を用いて切り替えることにより複数の位置に入る発光を切り替えてモニタすることができる。プラズマ12の発光は、プラズマ12の情報を多く含んでおり、本発明により、ウエハ20位置に入るプラズマ12の発光を分析することが可能となる。
【0028】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、被処理物を保持するウエハステージにデータ通信用の端子を装備し、プラズマ状態を知るためのセンサをウエハステージ上に設置あるいは搬送し、前記データ通信用の端子を通じて信号を外部に取り出し、プラズマに関するデータを得ることにより、ウエハ位置における各種のプロセスに必要な情報を正確に得る事が出来るため、着工判断や装置管理等を的確に行うことが出来る。また、装置やプロセスの立上げを迅速化したり、テストウエハのコストを低減する効果がある。更に、装置状態を安定させることにより、高精度なプラズマ処理の制御が可能となり、微細なエッチング加工や、高品質な成膜加工、表面処理等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す断面図。
【図2】本発明の一実施例を示す断面図。
【図3】本発明の一実施例を示す断面図。
【図4】本発明の一実施例を示す斜視図。
【図5】本発明の一実施例を示す断面図。
【図6】本発明の一実施例を示す断面図。
【図7】本発明の一実施例を示す断面図。
【図8】本発明の一実施例を示す断面図。
【図9】本発明の一実施例を示す断面図。
【図10】本発明の一実施例を示す斜視図。
【図11】本発明の一実施例を示す断面図。
【図12】本発明の一実施例を示す断面図。
【符号の説明】
1…処理チャンバ、2…バタフライバルブ、3…ポンプ、4…整合器、5…高周波電源、6…流量コントローラ、7…高周波電源、8…整合器、9…圧力計、10…データ収録装置、11…プラズマ測定用ステージヘッド、12…プラズマ、13…ウエハステージ、14…データ通信用端子、15…イオン電流プローブ、16…プラズマソース、17…電極、20…ウエハ、21…サセプタ、30…ローパスフィルタ、31…IV変換器(抵抗)、32絶縁アンプ付AD変換器、33…コンピュータ、34…DC電源、40…スイッチ、41…スイッチ駆動用信号端子、50…プラズマ測定用ウエハ、51…ばね、52…金属メッシュ、53…DC電源1、54…DC電源2、55…電流計測器、56…イオンエネルギアナライザ、60…レンズ、61…導光路、62…光スイッチ、63…プリズム、64…コリメータ、65…光ファイバ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus and a processing method that are effective in manufacturing semiconductors, liquid crystal display substrates, and the like.
[0002]
[Prior art]
Corresponding to the increase in the diameter of silicon wafers and the miniaturization of semiconductor devices, in the plasma process, for example, desired process processing parameters such as gas flow rate, processing pressure, plasma generation power, wafer temperature, and bias power are processed. The range of parameter combinations for which results are obtained, that is, the process window, is becoming narrower year by year.
[0003]
As a result, conditions that satisfy the desired plasma treatment cannot be obtained when the apparatus is started up or when a certain process is started up, or the initial plasma treatment does not contaminate the processing chamber even if the desired treatment result is obtained. When a shift of the apparatus state caused by the above occurs, there is a problem that the process window is off. Conversely, after the process chamber is cleaned, the process state shifts due to the inside of the process chamber being cleaned or the change of the internal surface state due to the opening of the process chamber to the atmosphere, so it is called aging. Although it is necessary to discharge the air and condition the device, this aging has become difficult year by year, and it is extremely difficult to determine whether or not to start construction after aging.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to solve such problems, it is necessary to reliably grasp the state of the apparatus and the process. Usually, various signals during the process, for example, plasma emission and other monitors, plasma source and wafer bias are used. The current, voltage, and impedance state of the device are monitored. If these values are not within a certain range, it is determined that the state is abnormal. However, even if these signals are normal values, normal plasma processing is not guaranteed, and in many cases, it cannot be determined unless the wafer is finally processed. As the wafer diameter increases, the cost of the wafer becomes a serious problem.
[0005]
In addition, the place where an ordinary process monitor is installed is limited, and it is difficult to say that plasma information at the wafer position can be accurately measured. An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus capable of accurately measuring the state of plasma at a wafer position and other necessary processes and performing high-precision and stable processing.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The above-mentioned problem is that a plasma measurement stage head incorporating various sensors or a dedicated test wafer (plasma measurement wafer) incorporating various sensors is manually or automatically transferred to the wafer stage position. The problem is solved by managing the apparatus using the signal of the sensor. The output signal of the stage head for plasma measurement or the wafer for plasma measurement is taken out to the outside by a data communication terminal provided on the wafer stage, recorded in a data recording device, and used for device management, start-up judgment and the like.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is not limited to the field of manufacturing semiconductor devices, and can be applied to various fields such as manufacturing liquid crystal displays and various plasma surface treatments. Here, plasma etching for manufacturing semiconductor devices is used. Taking the apparatus as an example, an embodiment will be described.
[0008]
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. The processing chamber 1 in the figure is a vacuum vessel made of, for example, stainless steel or aluminum, and a pump 3 is connected through a
[0009]
On the other hand, there is a plasma source 16 connected to the high
[0010]
Next, the structure of the wafer stage 13 and the plasma measurement stage head 11 will be described. FIG. 2 shows a cross-sectional view of a wafer stage 13 according to an embodiment of the present invention. Generally, in the case of a plasma etching apparatus, the wafer 20 is held on the wafer stage 13 by a technique such as mechanical clamping or electrostatic adsorption. Normally, a susceptor 21 (electrode protective cover) made of an insulator such as ceramic is provided around the wafer stage 13. Here, a
[0011]
FIG. 3 shows an ion current probe array built-in plasma measurement stage head 11 for use in combination with the wafer stage 13 shown in FIG. The plasma measurement stage head 11 is placed on the wafer stage 13 instead of the susceptor 21 shown in FIG.
[0012]
One or two or more ion current probes 15 are provided on the surface. For example, as shown in FIG. 4, the distribution of the plasma 12 is achieved by arranging the ion current probes 15 over the entire surface by a cross or other arrangement. The characteristics can be grasped.
[0013]
For example, as shown in FIG. 5, a negative voltage can be applied to each ion current probe 15 using a DC power supply 34, and the current flowing from the plasma 12 into each ion current probe 15 at that time is A high-frequency component is cut out using a low-pass filter 30 through a
[0014]
One problem in the embodiment shown in FIGS. 2 to 5 is that, as shown in FIG. 6, when the number of ion current probes 15 is increased, the number of
[0015]
For example, as in the embodiment shown in FIG. 7, by providing a circuit switching switch 40 on the plasma measurement stage head 11 side, a switch
[0016]
Alternatively, digital signals may be directly exchanged by incorporating an
[0017]
In the embodiments so far, the method of replacing the plasma measurement stage head 11 with the susceptor 21 has been used. In this case, in order to set the plasma measurement stage head 11, the processing chamber 1 must be opened to the atmosphere. It is difficult to apply to an actual production line. It is desirable that the plasma measurement stage head 11 can be transported and measured in the same manner as the wafer 20 that is the object to be processed.
[0018]
FIG. 9 shows an embodiment corresponding to such a request. First, the wafer stage 13 is provided with a
[0019]
The plasma measurement wafer 50 (corresponding to the plasma measurement stage head 11) has substantially the same outer diameter as that of the wafer 20 so that it can be transferred by the transfer system for the wafer 20, and has a certain thickness and weight. It is necessary to suppress.
[0020]
On the back surface of the
[0021]
In all of the embodiments shown in FIGS. 1 to 8, there is no particular problem in exchanging signals by the method shown in FIG. However, in the case where it is difficult to design a large number of
[0022]
That is, as in the embodiment shown in FIG. 10, a plurality of
[0023]
Although all the embodiments so far have been shown taking the measurement of ion current as an example, the present invention is not limited to this. In the embodiment shown so far, by making the area of the ion current probe 15 smaller than that for ion measurement, it becomes possible to measure electrons, or, as in the embodiment shown in FIG. A combination with the plasma measurement stage head 11 or the
[0024]
In FIG. 11, the ion energy is measured by superposing the
[0025]
Although not shown in the drawings, the present invention can be combined with any physical or chemical measurement sensor such as a temperature sensor, and the plasma measurement stage head 11 or the plasma measurement equipped with these plural types of sensors. It is also possible to use a
[0026]
Although the present invention is characterized in that the
[0027]
FIG. 12 shows an embodiment of the present invention, in which light emitted from the plasma 12 is taken in from a lens 60 mounted on the plasma measurement stage head 11 and drawn out to the wafer stage 13 side through a light guide 61 and a collimator 64. ing. Further, by switching using the optical switch 62, it is possible to switch and monitor the light emission entering a plurality of positions. The light emission of the plasma 12 contains a lot of information of the plasma 12, and according to the present invention, the light emission of the plasma 12 entering the wafer 20 position can be analyzed.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a wafer stage holding a workpiece is equipped with a terminal for data communication, and a sensor for knowing the plasma state is installed or transported on the wafer stage, through the terminal for data communication. By extracting the signal to the outside and obtaining data related to plasma, information necessary for various processes at the wafer position can be obtained accurately, so that it is possible to accurately determine the start of construction and management of the apparatus. In addition, there are effects of accelerating the start-up of apparatuses and processes and reducing the cost of test wafers. Furthermore, by stabilizing the state of the apparatus, it is possible to control plasma processing with high accuracy, and fine etching processing, high-quality film formation processing, surface treatment, and the like are possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Processing chamber, 2 ... Butterfly valve, 3 ... Pump, 4 ... Matching device, 5 ... High frequency power supply, 6 ... Flow controller, 7 ... High frequency power supply, 8 ... Matching device, 9 ... Pressure gauge, 10 ... Data recording device, DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Plasma measurement stage head, 12 ... Plasma, 13 ... Wafer stage, 14 ... Data communication terminal, 15 ... Ion current probe, 16 ... Plasma source, 17 ... Electrode, 20 ... Wafer, 21 ... Susceptor, 30 ... Low pass Filter, 31 ... IV converter (resistor), 32 AD converter with insulation amplifier, 33 ... Computer, 34 ... DC power supply, 40 ... Switch, 41 ... Switch drive signal terminal, 50 ... Plasma measurement wafer, 51 ...
Claims (3)
ウエハステージのデータ通信用端子に接続されプラズマの状態に関するデータを取得するデータ取得装置を処理チャンバの外部に設け、
通常のプラズマ処理中は設置されず、必要に応じてウエハステージ上にプラズマ測定用ステージヘッドを設置し該ステージヘッドに設置されたセンサからの出力を前記各々のデータ通信用端子を介して処理チャンバ外部のデータ取得装置に取り出すことを特徴とするプラズマ処理装置。A processing chamber, comprising: a plasma source, a data communication terminal provided on the upper surface of the perimeter of the wafer stage to be connected to the data communication terminal of the flop plasma measurement stage head together when holding the object to be treated wafers A plasma processing apparatus comprising a stage,
A data acquisition device connected to the data communication terminal of the wafer stage for acquiring data relating to the plasma state is provided outside the processing chamber,
It is not installed during normal plasma processing, but if necessary, a stage head for plasma measurement is installed on the wafer stage, and the output from the sensor installed on the stage head is processed through each data communication terminal. A plasma processing apparatus which is taken out by an external data acquisition apparatus.
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