JP4537188B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ウェハを処理するために高周波電源を用いる半導体製造装置に関するものである。
半導体基板に付着するパーティクル数を抑制する目的でステップ間で出力の大きさを制御することについて開示したものとして特許文献1がある。そのほか、2種類の異なった周波数を持つ高周波電源を切り換えることについていくつか知られている。
特開2003−68708号公報
プラズマを利用して半導体ウェハを処理するエッチング装置が広く利用されており、その一つにECR(電子サイクロトロン共鳴)方式のエッチング装置がある。この方式の一例を図11に示す。チャンバー1の外部に配置したソレノイドコイル2に直流電流を流して、チャンバー内に磁場を形成する。また、発振器3に高電圧を印加して例えばマイクロ波を発生させ、チャンバー内に導入する。これらマイクロ波と磁場との相乗効果で電子サイクロトロン共鳴(ECR)を生じ、チャンバーに導入したプロセスガス4をプラズマ化しECRプラズマ5を生成する。電極6には高周波バイアス電源7より高周波電力を印加しており、プラズマ中のイオンを半導体ウエハ8に対し、垂直に引き込み、かつ、入射イオンエネルギーを独立制御することで、加工精度の高い異方性エッチングを実現する。
通常、エッチング処理は複数の処理ステップから成り、各々の処理ステップについて処理時間、真空容器内の圧力、ソレノイドコイルに流す直流電流の強度、マイクロ波電力の強度、プロセスガスの導入量、電極に印加する高周波電力の強度ほか数多くのパラメータ設定を予め決めておく。そして、エッチング途中で処理ステップが切り換わると、次の処理ステップの設定に基づいて、各種パラメータの値を設定値通りとなるように制御する。このように、単一あるいは複数の処理ステップからなるエッチング処理に関する、一連のパラメータ設定を以下ではレシピと称するものとする。前記のようにウエハ8をエッチング処理するためのレシピ内で設定する各パラメータの値は、ステップ毎に大小様々である。そこで、全てのレシピに対して設定値に対する出力値の精度を高く保つために、1つのパラメータについて大小2つ以上の出力レンジを持ち、この出力レンジ切り換えることにより、小さい値を設定する場合は小さい出力用レンジで精度よく設定及び出力をさせることが可能である。しかし、前記処理ステップ間で出力の強度と出力のレンジを同時に切り換えた場合に、設定値以上の過大な出力がでる場合があり問題であった。そのため、出力強度と出力レンジのどちらを先に切り換えるかタイミングを制御することが必要である。
ここで、特許文献1では、カソード電極とアノード電極を備えるプラズマ装置を用いて、複数のプロセス処理に応じて前記カソード電極に印加する高周波電力の大きさを切り換えて前記複数のプロセス処理を連続した複数のステップで行うことについて述べられている。
しかしながら、この高周波電力の制御は、出力の強度と出力のレンジを同時に切り換えた時の必要以上に大きな出力電力の制御については記載されていない。高周波電源7の出力レンジの切り換えと出力強度の切り換えを同時に行う時、切り換えのタイミングが完全には一致せず、出力強度が先に切り換わる可能性がある。その一例を図12に示す。
出力強度が先に切り換わる可能性のある理由として、高周波電源7に対する、出力レンジの切り換えと出力強度の切り換えの指示タイミングのずれ、電源内部のリレー、電子部品等の遅延時間のばらつき等が考えられる。この場合、大きい出力レンジで例えば通常の100倍もの電力をタイミングがずれた時間の間(オーバーシュート時)、半導体ウェハ8に印加することになり、前記タイミングのずれが大きいほど、半導体ウェハ8のダメージが大きくなる。
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、連続する処理ステップ間での出力の強度と出力のレンジの同時切替えに伴いオーバーシュートが発生しても、半導体ウェハへのダメージの発生を低減させて、高精度に加工できる半導体製造装置を提供することを目的とする。
本発明は上記の課題を解決する為に次のような手段を採用した。
本発明の第1の観点によれば、試料を処理する処理室と、前記処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源装置と、前記処理室内に設置された試料台に高周波を印加する高周波電源装置と、処理ステップ毎に複数の出力強度及び出力レンジを設定したレシピに基づいて前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置を制御する制御手段とを有するプラズマ処理装置において、前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置は、出力強度及び出力レンジを切り換えるための回路を有し、前記制御手段は、前記処理ステップを切り換える際、処理中の処理ステップと次の処理ステップとに使用する設定に応じて、前記出力強度及び出力レンジを切り換えるための回路を用いて、前記出力強度または前記出力レンジのいずれか一方を先に切り換えて後他方を切り換えて前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置からの出力値が一時的に低減もしくは所定値に抑制されて後に前記次の処理ステップの設定値に移行するように、調節することを特徴とする。
本発明の第2の観点によれば、前記制御手段は、大きな出力レンジへ切り換える場合は、先に前記出力強度を切り換え、後に前記出力レンジを切り換え、小さな出力レンジへ切り換える場合は、先に前記出力レンジを切り換え、後に前記出力強度を切り換えることを特徴とする。
本発明によれば、連続する処理ステップ間で出力の強度と出力のレンジの切替を行っても、半導体ウェハのダメージ発生を低減し、高精度にエッチングできる半導体製造装置を提供することができる。
以下、本発明の第1の実施例を、図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施例になるプラズマ処理装置の主要部を示すものである。本図においては、図11で示した構成要素のうち、高周波バイアス電源7、制御マイコン9、設定手段10を示している。9はエッチング装置用制御マイコンであり、エッチング処理について予め入力されたレシピに基づいて、高周波バイアス電源7他の構成機器へ各々の指令を与えると共に、装置の状態を監視する。10は本発明の中核となる設定手段であり、レシピ及び高周波バイアス電源7の出力強度モニタ値、出力レンジステータスに基づいて、高周波バイアス電源7に出力強度設定値、出力レンジ設定を指令する。
ここで、出力強度設定値と出力強度モニタ値については、例えば、出力0Wから高周波バイアス電源7の最大出力電力値までに対して、直流信号電圧0Vから10Vまでのレンジとすることが考えられる。また、出力レンジ設定と出力レンジステータスについては、例えば、ハイレベルの出力強度で小さい出力レンジ、ローレベルの出力強度で大きい出力レンジとすることが考えられる。
次に、設定手段10の処理ステップの一部a〜hについて、図2を用いて説明する。
a:「処理ステップ間で小さい出力レンジから大きい出力レンジへ切り換えがあるか」を判断し、「ある」のときbに処理を進め、「なし」のときeに処理を進める。
b:aの判断において、「ある」のとき次の処理ステップで、出力強度の切り換えを指示する。
c:bに引き続き、「出力強度の切り換えが済みであるか」を判断し、「なし」のときはこの判断処理を繰り返し、「ある」のとき、dに処理を進める。
d:cの判断において、「ある」のとき出力レンジの切り換えを指示する。
e:aの判断において、「なし」のとき、「処理ステップ間で大きい出力レンジから小さい出力レンジへ切り換えがあるか」を判断し、「ある」のときfに処理を進める。
f:eの判断において、「ある」のとき次の処理ステップで出力レンジの切り換えを指示する。
g:eに引き続き、「出力レンジの切り換えが済みであるか」を判断し、「なし」のときはこの判断処理を繰り返し、「ある」のとき、hに処理を進める。
h:gの判断において、「ある」のとき出力強度の切り換えを指示する。
ここで、出力強度の切り換えとは、次の処理ステップの出力強度を高周波バイアス電源7に指示することを意味する。出力レンジの切り換えも同様に、次の処理ステップの出力レンジを高周波バイアス電源7に指示することを意味する。
また、「出力強度の切り換えが済みであるか」は、出力強度モニタ値が指示した出力強度設定値に対して所定の範囲内の値となることで判断することが考えられるが、高周波バイアス電源の仕様から切り換えに要する時間に余裕を持たせた所定の時間を経過したことで判断することも考えられる。「出力レンジの切り換えが済みであるか」も同様に、出力レンジステータスが設定した出力レンジ設定と一致するか否かで判断することが考えられるが、高周波バイアス電源の仕様から切り換えに要する時間に余裕を持たせた所定の時間を経過したことで判断することも考えられる。
先に、発明が解決しようとする課題として、メインエッチングの処理ステップでは大きい出力レンジとし、続くオーバーエッチングの処理ステップではメインエッチングの処理の時より小さい出力レンジとする場合、オーバーエッチングの処理ステップに切り換える際、高周波電源の出力レンジの切り換えと出力強度の切り換えのタイミングが完全には一致せず、出力レンジが先に切り替わると、例えば通常の100倍もの電力を半導体ウェハに印加することになり、半導体ウェハにダメージを与える問題点を示した。
この問題点に関し、図3に、前後の処理ステップの各ケースについて、半導体ウェハにダメージを与える可能性があるか否かのケーススタディ結果をまとめた。
図3は、切り換え前後の2つの処理ステップについて、出力レンジと出力強度のうちいずれが先に切り換わるかというタイミングの各組合せについて、連続する処理ステップ間で、出力の強度と出力のレンジの同時切替えに伴うオーバーシュートが発生した場合の、出力電力の変化によるダメージの問題の有無をまとめたものである。ただし、説明の簡単化のため、大きい出力レンジでの出力強度が、小さい出力レンジでの出力強度の例えば100倍であるなど、相当に大きいことを前提とした。
ケース1:前の処理ステップが小さい出力レンジ/出力強度大、
後の処理ステップが大きい出力レンジ/出力強度小、
切り換えタイミングは出力強度が先
ケース2:前の処理ステップが小さい出力レンジ/出力強度大、
後の処理ステップが大きい出力レンジ/出力強度小、
切り換えタイミングは出力レンジが先
ケース3:前の処理ステップが大きい出力レンジ/出力強度小、
後の処理ステップが小さい出力レンジ/出力強度大、
切り換えタイミングは出力強度が先
ケース4:前の処理ステップが大きい出力レンジ/出力強度小、
後の処理ステップが小さい出力レンジ/出力強度大、
切り換えタイミングは出力レンジが先
ケース1では、前後の処理ステップ切り換え時に、出力レンジと出力強度の切り換えタイミングのずれによって「小さい出力レンジ/出力強度小」の期間が発生するものの、出力電力が小さくなるので、この状態は半導体ウェハにダメージを与えることは殆ど無い。これに対して、ケース2では、「大きい出力レンジ/出力強度大」の期間が、切り換えタイミングのずれの時間分発生するため、出力電力が大きくなり、半導体ウェハにダメージを与える可能性がある。この観点からは、ケース3でも同様に出力電力が大きくなり、半導体ウェハにダメージを与える可能性がある。
このような問題点に関して、図1、図2で説明した本発明の第1の実施例を適用した場合の動作を図4に示す。本実施例によれば、小さい出力レンジから大きい出力レンジへ切り換える際には、ケース2に相当する場合でも、図2中のa⇒b⇒c⇒dの処理により、出力レンジよりも出力強度を先に切り換えるため過渡期の出力電力が小さくなり(ケース1と同じ動作)、ダメージ発生を低減できる。
また、大きい出力レンジから小さい出力レンジへ切り換える際には、ケース3に相当する場合でも、図2中のa⇒e⇒f⇒g⇒hの処理により、出力強度よりも出力レンジを先に切り換えるため過渡期の出力電力が小さくなり(ケース4と同じ動作)、ダメージ発生を低減できる。
以上のようにして、本実施例によれば、処理ステップ間で出力レンジを切り換える際に、過渡的に出力電力が大きくなることを自動的に防止することで、半導体ウェハのダメージを低減し、高精度にエッチングできる半導体製造装置を提供でき、半導体ウェハの製品安全性を高めることができる。
また、図1に示した設定手段10の機能を制御マイコン9のソフトウェアにて実現することが考えられるが、制御マイコン9から高周波バイアス電源7にシリアル通信等の手段で切り換えを一括して指令するケースでは、設定手段10の機能を高周波バイアス電源7に持たせることも考えられる。あるいは制御マイコン9や高周波バイアス電源7にてエッチング装置を構成済みの場合、これらとは別のハードウェアで実現し、制御マイコン9と高周波バイアス電源7との間に追加するようにして、制御マイコン1、高周波バイアス電源7を何ら変更することなく、または、微小な変更により実現できる。
図5は、図1にて設定した出力強度設定値、出力レンジ設定値を高周波電源内部で切り換える場合のブロック線図の一実施例を示す。制御部、増幅部、検出部をそれぞれ2個以上持ち、出力強度7iを仮に0〜10Vに変化させた時、小さい出力レンジでの出力は仮に0〜10W、大きいレンジでの出力は仮に0〜1000Wの出力電力7dが得られるとする。
ステップ1で出力電力5Wを設定し、ステップ2で100W、ステップ3で8Wを設定しようとすると、まずステップ1の時は出力強度5Vで出力レンジ切り換え7aにより小さい出力レンジにし、制御部7b、増幅部7c、検出部7eにて5Wを出力する。次にステップ2への切り換わり時、出力強度7iを先に切り換え、後に出力レンジ切り換え7aにより大きい出力レンジへ切り換えることにより、先に切り換わった出力強度1Vが小さい出力レンジの回路である制御部7b、増幅部7c、検出部7eを通り、出力電力1Wを出力する。続いて大きい出力レンジに切り換えることにより、出力強度1Vが制御部7h、増幅部7f、検出部7gを通り出力電力100Wを出力する。この時、先に出力レンジが切り換わると出力強度5V、大きい出力レンジとなり500Wの電力を出力し、ウエハにダメージを与えてしまう。次にステップ2からステップ3に切り換わり時、出力レンジを先に切り換え、後に出力強度を切り換えることにより、ステップ2の出力強度1Vのまま大きい出力レンジから小さい出力レンジに切り換わり1Wの出力電力を出力する。次に出力強度を8Vにすることにより出力電力8Wが得られる。この時出力強度iが先に切り換わると大きい出力レンジ、出力強度8Vとなり800Wの電力を出力してしまう。
ここで、出力レンジを切り換えることについては、図5のブロック線図に示すように、制御部、増幅部、検出部をそれぞれ2個以上持つ方法もあるが、例えば図6のように増幅部と検出部のみ切り換える、あるいは検出部のみ切り換えるなど、他に制御部、増幅部、検出部等の組み合わせにより出力レンジを切り換える方法はいく通りも考えられる。また、大きい出力レンジと小さい出力レンジの制御回路や切り換え部は同じ高周波電源内部にあることもあれば、2つ以上に別れていても構わない。外部の制御装置で制御することもできる。図5で示すように、小さい出力レンジで使用する増幅部7b、検出部7eなど、大きい出力電力に切り換えた時も出力部に接続されたままとなるような箇所には大きい電力に対する保護機能を付加することも考えられる。
以上、高周波バイアス電源の出力のレンジ切り換えについて述べたが、高周波バイアス電源に限らず、例えばプラズマソース電源の出力のレンジ切り換えに本発明を適用することも可能である。また、前記実施例の出力強度の切り換えはアナログインターフェースを例に記載したが、デジタルインターフェースにおいても適用できる。
本発明の第2の実施例を、図7のレシピを用いて説明する。図7は、各処理ステップの時間、出力レンジ、出力強度等レシピの各設定項目を縦に並べ、メインエッチング、オーバーエッチングなど、各処理ステップを処理の順番にしたがって左から右に並べた表である。メインエッチングでは、大きい出力レンジにて100W出力とし、後のオーバーエッチングでは小さい出力レンジにて10W出力とする例である。
ここで、メインエッチングとオーバーエッチングの間に、小さい出力レンジにて1W出力の処理ステップ(図7中の切り換えステップ)を設けることが、本実施例の特徴である。このような切り換えステップにより、まず、出力レンジを切り換え、電力を1Wに下げることを確実に実施し、次にオーバーエッチングの処理ステップで大きい出力強度に切り換えるものである。
切り換えステップを設けることにより、その時間分(本例では1秒)処理時間が増え、また前後の処理ステップの組合せ毎に切り換えステップの検討を要するものの、本実施例によっても、半導体ウェハへのダメージを低減するという点で、第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
本発明の第3の実施例を、図8、図9を用いて説明する。図8は、前記のように出力強度、出力レンジの切り換え機能を有し、処理ステップ間で出力強度、出力レンジの切り換え順序を制御することにより、必要以上の過大な電力の増加を抑えることができるが、その他の方法として任意に可変できる設定値以上の出力電力が出力しないように出力電力の抑制機能を付加することもできる。図9は、図8の第3の実施例を使用して、連続する処理ステップ間で出力の強度と出力のレンジの同時切替えに伴うオーバーシュートが発生した場合に、半導体ウェハにダメージを与える可能性があるか否かのケーススタディ結果を示している。
図8に示すように、小さいレンジ用検出部7e、大きいレンジ用検出部7g共に常時出力電力を検出し、現在の出力電力+αで出力抑制機能を働かせておき、この抑制信号にある時間tのタイマを設けて出力機能、出力レンジが切り換わっても、任意の時間の間は切り換わり前の出力電力+αで出力電力dを抑制するようにすることもできる。
この機能について仮の数値で説明すると、例えば抑制する出力抑制電力値α=10W、抑制時間t=0.5sとし、ステップ1で出力電力5W、ステップ2で100W、ステップ3で8Wを設定しようとすると、まずステップ1の時は出力強度5V、小さい出力レンジにし5Wを出力する。次にステップ2への切り換わり時、ケース2のように出力レンジが先に切り換わった場合、ステップ2の目標値100Wに対し500Wを出力してしまう。しかし、ステップ1の出力電力5Wを常時検知していた検出部7gと出力抑制部7kにより、出力レンジが先に切り換わっても、出力電力5W+出力抑制電力値10W=15Wで出力抑制時間0.5sの間出力が抑制されその間に出力強度が2Vになり、抑制時間後出力電力として100Wが出力される。即ち、図9のケース2の例では、過渡期における出力電力の増加を抑制するので、半導体ウェハにダメージを与えることが殆ど無い。
次に、ステップ2からステップ3に切り換わり時、出力レンジを先に切り換え、後に出力強度を切り換えることにより、ステップ2の出力強度1Vのまま大きい出力レンジから小さい出力レンジに切り換わり1Wの出力電力を出力するが、先に出力強度が切り換わると大きい出力レンジ、出力強度8Vとなり800Wの電力を出力してしまう。このケース3の場合も、ステップ2の出力電力100Wを常時検知していた検出部7gと出力抑制部7kにより、出力強度が先に切り換わっても、出力電力100W+出力抑制電力値10W=110Wで出力抑制時間0.5sの間出力が抑制されその間に小さい出力レンジに切り換わり、抑制時間後出力電力として8Wが出力される。即ち、ケース3の例でも、過渡期における出力電力の増加を抑制するので半導体ウェハにダメージを与えることが殆ど無い。
このように、図8の第3の実施例を使用した場合には、図9の全ケースについて切替え時の出力電力値が低減あるいは抑制されるため、半導体ウェハにダメージの発生自体あるいは発生に伴う影響を低減することが出来る。
なお、前記の出力抑制電力値αや出力抑制時間tは、任意に変更することもでき、外部制御機器により設定を変更することも可能である。
また、前記の現在の出力電力の代わりに、切り換え前の出力強度設定値を用いることも考えられる。さらに、前記出力強度、出力レンジ切り換え時の出力抑制機能はステップ1の始まり時や同ステップの間に使用することも考えられる。また、必要に応じてはある時間のみ出力抑制機能を無効に設定することも可能であり、出力強度のみの変化の場合は出力電力を抑制すると出力強度設定値に対し出力電力の応答が遅れることも考えられるため無効とすることも考えられるであろう。
本発明の第4の実施例を、図10を用いて説明する。図1で示す設定手段10の処理ステップの一部に、出力強度、出力レンジを同時に切り換える場合、または出力強度のみを切り換える場合、または出力レンジのみ切り換える場合に、前記切り換えを行う前に出力電力を強制的に0Wにする処理を入れる。
a:「処理ステップ間で出力レンジの切り換えがあるか」を判断し、「ある」のとき、bに処理を進め、「なし」のときgに処理を進める。
b:aの判断において、「ある」のとき次の処理ステップで、出力強度を0Vにする、または出力電力が0Wになるような信号を高周波電源に指示する。
c:bに引き続き、次の処理ステップで、出力レンジの切り換えを指示する。
d:cに引き続き、「出力レンジの切り換えが済みであるか」を判断し、「なし」のときはこの判断処理を繰り返し、「ある」のとき、eに処理を進める。
e:dの判断において、「ある」のとき出力強度の切り換えを指示する。
f:bで出力電力が0Wになるような信号を高周波電源に指示した場合は、その指示を無効に切り換える指示をする。
g:aの判断において、「なし」のとき次の処理ステップで出力強度の切り換えを指示する。
ここで、出力強度の切り換えとは、次の処理ステップの出力強度を高周波バイアス電源7に指示することを意味する。出力レンジの切り換えも同様に、次の処理ステップの出力レンジを高周波バイアス電源7に指示することを意味する。
また、「出力レンジの切り換えが済みであるか」は、出力レンジステータスが設定した出力レンジ設定と一致するか否かで判断することが考えられるが、高周波バイアス電源の仕様から切り換えに要する時間に余裕を持たせた所定の時間を経過したことで判断することも考えられる。
本発明の第1の実施例のブロック図。 図1の設定手段の機能図。 半導体ウェハにダメージを与える可能性があるか否かのケーススタディ結果を示す図。 本発明の第1の実施例を適用した場合の、半導体ウェハにダメージを与える可能性があるか否かのケーススタディ結果を示す図。 本発明の第1の実施例のブロック線図の一例を示す図。 本発明の第1の実施例のブロック線図の他の例を示す図。 本発明の第2の実施例のレシピを示す図。 本発明の第3の実施例のブロック線図。 本発明の第3の実施例を適用した場合の、半導体ウェハにダメージを与える可能性があるか否かのケーススタディ結果を示す図。 本発明の第4の実施例になる設定手段の機能図。 従来のエッチング装置のブロック図。 従来方法での、半導体ウェハのダメージ発生原因を示す図。
符号の説明
1…チャンバー、2…ソレノイドコイル、3…発振器、4…プロセスガス、5…ECRプラズマ、6…電極、7…高周波バイアス電源、8…半導体ウェハ、9…制御マイコン、10…設定手段。

Claims (3)

  1. 試料を処理する処理室と、前記処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源装置と、前記処理室内に設置された試料台に高周波を印加する高周波電源装置と、処理ステップ毎に複数の出力強度及び出力レンジを設定したレシピに基づいて前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置を制御する制御手段とを有するプラズマ処理装置において、
    前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置は、出力強度及び出力レンジを切り換えるための回路を有し、
    前記制御手段は、前記処理ステップを切り換える際、処理中の処理ステップと次の処理ステップとに使用する設定に応じて、前記出力強度及び出力レンジを切り換えるための回路を用いて、前記出力強度または前記出力レンジのいずれか一方を先に切り換えて後他方を切り換えて前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置からの出力値が一時的に低減もしくは所定値に抑制されて後に前記次の処理ステップの設定値に移行するように、調節することを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 請求項1に記載のプラズマ処理装置において、
    前記制御手段は、大きな出力レンジへ切り換える場合は、先に前記出力強度を切り換え、後に前記出力レンジを切り換え、
    小さな出力レンジへ切り換える場合は、先に前記出力レンジを切り換え、後に前記出力強度を切り換えることを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項に記載のプラズマ処理装置において、
    前記制御手段は、前記処理ステップ間で前記出力強度を増加する場合は、先に前記出力強度を切り換え、後に前記出力レンジを切り換えると共に、前記処理ステップ間で前記出力強度を減少する場合は、先に前記出力レンジを切り換え、後に前記出力強度を切り換えることを特徴とするプラズマ処理装置。
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