JP4623932B2 - Plasma processing equipment - Google Patents
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Description
本発明はプラズマ処理装置又は方法に関し、とくにプラズマを第一室で発生させ、生成イオン及び遊離基の第二室への拡散を許容しその第二室でシリコン・ウェーハ又は他の加工物に対するエッチング又は蒸着を行うプラズマ処理装置又は方法に関する。プラズマ源泉と処理室とを分離する概念のものである。 The present invention relates to a plasma processing apparatus or method, and more particularly to generating a plasma in a first chamber, allowing diffusion of product ions and free radicals into a second chamber, and etching a silicon wafer or other workpiece in the second chamber. Alternatively, the present invention relates to a plasma processing apparatus or method for performing vapor deposition. The concept is to separate the plasma source and the processing chamber.
高密度のプラズマを発生させ、所要のエッチング又は蒸着の化学処理を高速化に利用できる遊離基の数を増やすことがしばしば有利になる。しかし、一般に高密度プラズマを発生させる時には、多数の遊離基に加えて多数のイオンが生じ、それがウェーハ又は他の加工物に対する損傷等の不所望効果を招く。
本発明の一目的は、加工物に到達するイオンの比率を減少させるように遊離基とイオンとの比を制御できる装置の提供にある。 One object of the present invention is to provide an apparatus capable of controlling the ratio of free radicals to ions so as to reduce the ratio of ions reaching the workpiece.
本発明の一面によると、プラズマを内部に発生させる設計のプラズマ誘起手段が設けられた第一室、発生したプラズマが拡散して被処理加工物に作用するための第二室、及びプラズマ誘起手段と独立に制御可能な磁界発生手段を備え、その磁界発生手段を前記両室中の少なくとも第一室に関連させて位置決めし且つ第二室内へ拡散し加工物に接近するイオン群の一部分を何れかの室の損失面へ向けることにより該イオン群を減衰させる如き構造とし、前記第一室を環状とし、該環状の内側及び外側に沿って個別に配置した永久磁石群、電磁石群、又はソレノイド群により環状の磁界発生手段を形成してなるプラズマ処理装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a first chamber provided with plasma inducing means designed to generate plasma therein, a second chamber in which the generated plasma diffuses and acts on the workpiece, and plasma inducing means A magnetic field generating means that can be controlled independently from each other, positioning the magnetic field generating means in relation to at least the first chamber in both the chambers, and diffusing into the second chamber and locating a part of the ion group approaching the workpiece. A permanent magnet group, an electromagnet group, or a solenoid having a structure in which the ion group is attenuated by being directed toward the loss surface of the chamber, the first chamber is annular, and is individually arranged along the inside and outside of the annular There is provided a plasma processing apparatus in which an annular magnetic field generating means is formed by a group .
磁界発生手段により装置に組み込まれる制御手段が、第二室へ進入しウェーハに到達すべきイオンと遊離基との数を相対的に調節する。従って、適当に方向性をもたせた磁界の使用により、中性の遊離基の拡散に影響することなくイオン拡散に影響を与えることができる。 Control means incorporated in the apparatus by the magnetic field generating means relatively adjusts the number of ions and free radicals that enter the second chamber and reach the wafer. Thus, the use of a suitably oriented magnetic field can affect ion diffusion without affecting neutral free radical diffusion.
好ましくは、前記磁界発生手段に、前記第一室の側壁の周りに設置した永久磁石群又は電磁石群を含める。前記第一室に沿う前記磁界発生手段を出力可変のソレノイドとしてもよい。 Preferably, the magnetic field generating means includes a permanent magnet group or an electromagnet group installed around the side wall of the first chamber. The magnetic field generating means along the first chamber may be a variable output solenoid.
前記装置には、その第二室の上方領域に付加的なプラズマ誘起手段を設けてもよい。その場合には、永久磁石群、電磁石群又はソレノイドを前記第二室の上方領域の前記付加的プラズマ誘起手段の周りに付加的磁界発生手段として設置してもよい。 The apparatus may be provided with additional plasma inducing means in the upper region of the second chamber. In that case, a permanent magnet group, an electromagnet group or a solenoid may be installed as an additional magnetic field generating means around the additional plasma inducing means in the upper region of the second chamber.
前記磁界発生手段には、前記両室の結合部分に形成した磁気的構造物を含め、該部分にダイポール磁界を形成することができる。 The magnetic field generating means may include a magnetic structure formed at a coupling portion between the two chambers, and a dipole magnetic field may be formed at the portion.
前記装置には、前記第一室の頂部へのガス供給入口に加えて、更に前記第二室内における前記両室の結合点下方部位に環状ガス供給口を含めてもよい。 In addition to the gas supply inlet to the top of the first chamber, the apparatus may further include an annular gas supply port at a site below the coupling point of the two chambers in the second chamber.
前記装置は、前記第二室に対する出力可変のソレノイドを所要位置に設け、前記第二室の加工物の高さ部位に磁界を発生させて加工物へ向かうイオン群の舵取りをすることができる。 The apparatus can provide a variable output solenoid for the second chamber at a required position, and generate a magnetic field at the height portion of the workpiece in the second chamber to steer the ion group toward the workpiece.
前記第一室に、環状プラズマ源泉と円筒形プラズマ源泉との組み合わせを設けてもよい。 A combination of an annular plasma source and a cylindrical plasma source may be provided in the first chamber.
前記第一室を径が異なり上下配置の2個以上の誘電性筒状区域によって形成し、各区域に個別プラズマ誘起手段を設けることができる。 The first chamber may be formed of two or more dielectric cylindrical sections having different diameters and arranged vertically, and individual plasma inducing means may be provided in each section.
前記第二室の室壁に沿う磁石列によって該第二室に磁気バケツを設けることができる。 A magnetic bucket can be provided in the second chamber by a magnet row along the chamber wall of the second chamber.
前記第一室の幾何学的形状を、円筒、段階付き円筒、錐、切頭錐、又は半球、又はそれら幾何学的形状の組合せにより形成することができる。 The geometric shape of the first chamber can be formed by a cylinder, a stepped cylinder, a cone, a truncated cone, or a hemisphere, or a combination of these geometries.
本発明の他の面によると、無線周波電源との誘導結合によりプラズマを発生させる設計のプラズマ誘起手段が室内に設けられた第一室、及び発生したプラズマが拡散して被処理加工物に作用するための第二室を備えてなり、前記第一室を径が異なり上下配置の2個以上の誘電性筒状区域によって形成し、各区域に無線周波電源との誘導結合によりプラズマを発生させる設計の個別プラズマ誘起手段を設けてなるプラズマ処理装置が提供される。 According to another aspect of the present invention, the first chamber is provided with plasma inducing means designed to generate plasma by inductive coupling with a radio frequency power source , and the generated plasma diffuses to act on the workpiece. The first chamber is formed by two or more dielectric cylindrical sections having different diameters and arranged vertically, and plasma is generated in each section by inductive coupling with a radio frequency power source. There is provided a plasma processing apparatus provided with individually designed plasma induction means.
前記第一室の個別の前記区域を結合する部分は、理想的には金属又は誘電性材料により形成され、当該区域群と直交又は傾斜交差するように位置決めされる。 The portions joining the individual areas of the first chamber are ideally made of metal or dielectric material and positioned so as to intersect or intersect perpendicularly with the areas.
前記多重区域の第一室に二つ以上の前記区域と関連付けられた磁界発生手段を設け、それぞれの磁界発生手段を、第二室へ拡散して加工物へ接近するイオン流を減衰させる如き構造とすることができる。 A structure in which the first chamber of the multiple zone is provided with magnetic field generating means associated with two or more of the zones, and each magnetic field generating means is diffused into the second chamber to attenuate the ion flow approaching the workpiece. It can be.
更に、広い面積での処理の実施を可能にするため、相互に同心配置した減衰用磁界発生手段対付き環状の第一室を設けることができる。 Furthermore, an annular first chamber with a pair of attenuating magnetic field generating means arranged concentrically with each other can be provided in order to enable the processing in a large area.
理想的には、前記第一室に、熱伝導度が酸化アルミニウムより十分大きな窒化アルミニウム又は炭化シリコン又は他の誘電性材料で形成した誘電性プラズマ管を設けることにより、誘電性材料内に損傷原因となり得る高度の熱傾斜を生じさせない大電力運転を許容することができる。 Ideally, the first chamber is provided with a dielectric plasma tube made of aluminum nitride, silicon carbide or other dielectric material having a thermal conductivity sufficiently higher than that of aluminum oxide, thereby causing damage in the dielectric material. It is possible to allow high power operation without causing a high degree of thermal gradient.
活性ある処理の面積を増大させるため、本発明による複数個の前記第一室を、前記第二室の頂部を横切って設けることができる。 In order to increase the area of active treatment, a plurality of said first chambers according to the invention can be provided across the top of said second chamber.
本発明の他の実施例によれば、プラズマを発生させる設計のプラズマ誘起手段が室内に設けられた第一室、及び発生したプラズマが拡散して被処理加工物に作用するための第二室を備え、前記第一室に、熱伝導度が酸化アルミニウムより十分大きな窒化アルミニウム又は炭化シリコン又は他の誘電性材料で形成した誘電性プラズマ管を設けることにより、誘電性材料内に損傷原因となり得る高度の熱傾斜を生じさせない大電力運転を許容してなるプラズマ処理装置を用い、前記プラズマ誘起手段を誘電性材料内に損傷原因となり得る高度の熱傾斜を生じさせないように運転してなるプラズマ処理方法が提供される。 According to another embodiment of the present invention, a first chamber in which plasma inducing means designed to generate plasma is provided in the chamber, and a second chamber in which the generated plasma diffuses and acts on the workpiece. And providing a dielectric plasma tube made of aluminum nitride, silicon carbide or other dielectric material having a thermal conductivity sufficiently higher than that of aluminum oxide in the first chamber, which may cause damage in the dielectric material. Plasma processing that uses a plasma processing apparatus that allows high power operation without causing a high degree of thermal gradient, and that the plasma induction means is operated so as not to cause a high degree of thermal gradient that can cause damage in the dielectric material. method Ru is provided.
時間又は他のパラメータに依存する関数関係を介してエッチング又は蒸着段階の特定面と関連する制御手段が必要になる。例えば、エッチングされる表面へ到達するイオンの数を表面層が一旦除去された後は減少させる必要があるが、該表面へ到達する遊離基の数は一定値に維持してもよい。表面層の除去に要した時間の経過後は、遊離基対イオン比の新所要値への移行のために制御量のレベルを再調整することができる。制御量には距離の関数を含めることができ、遊離基数に対するイオン数の相対的な比率をウェーハ位置の関数として変化させることができる。 Control means associated with specific aspects of the etching or deposition stage are required via a functional relationship that depends on time or other parameters. For example, the number of ions reaching the surface to be etched needs to be reduced once the surface layer is removed, but the number of free radicals reaching the surface may be kept constant. After the time required to remove the surface layer, the control level can be readjusted to shift the free radical to ion ratio to the new required value. The controlled variable can include a function of distance, and the relative ratio of the number of ions to the number of free radicals can be varied as a function of wafer position.
シリコン又は他の適当な材料の中に深い溝をエッチングするには、切換式処理(ロバート・ボッシュGmbHの米国特許第5501893号(特許文献1)又はサーフェイス・テクノロジーの米国特許第6051503号(特許文献2)参照)を使うことができる。このような工法では、材料のエッチングと蒸着との段階が交互に行われ、その結果ウェーハ内へ異方性エッチングにより構造が形成される。更に詳しくは、蒸着ステップにおいて、溝又は他の構造の側壁及び底部の両者の上にポリマーが蒸着される。後続のエッチングステップにおいて、指向性イオン衝撃によって溝の底部からポリマーが優先的に除去され、次いで露出されたシリコンに対する化学的エッチングが行われる。化学的エッチングは基本的に等方性であるが、エッチング工法全体は異方性であり、その理由はポリマーの除去が溝の底からのみ行われ、且つ、各エッチングステップでのシリコンのエッチング深さが浅いからである。エッチングすべき構造表面の幾何学的形状を定義するため、エッチングステップの開始前に、例えばフォトレジスト製の適当なパターンマスクをウェーハに貼り付ける。溝の底部からのポリマー除去を目的とするイオン衝撃が、所要エッチング深さ到達前にマスクを侵食しないようにすることが、この工法全体の中の重要な一面であり、こうしないと構造の正確性が害われる。 To etch deep trenches in silicon or other suitable material, a switched process (Robert Bosch GmbH, US Pat. No. 5,501,893 or Surface Technology, US Pat. No. 5,051,503 (Patent Document). 2)) can be used. In such a construction method, the steps of material etching and vapor deposition are alternately performed, and as a result, a structure is formed in the wafer by anisotropic etching. More particularly, in the deposition step, a polymer is deposited on both the sidewalls and bottom of the groove or other structure. In subsequent etching steps, the polymer is preferentially removed from the bottom of the trench by directional ion bombardment, followed by chemical etching of the exposed silicon. Although chemical etching is essentially isotropic, the entire etching process is anisotropic because the polymer is removed only from the bottom of the groove and the silicon etch depth at each etching step. Because it is shallow. In order to define the geometry of the structure surface to be etched, a suitable pattern mask, for example made of photoresist, is applied to the wafer before the start of the etching step. It is an important aspect of the overall process that ion bombardment aimed at removing the polymer from the bottom of the trench does not erode the mask before reaching the required etch depth, otherwise the structure is accurate. Sex is harmed.
本出願人は、国際特許出願PCT/GB99/04168(特許文献3の「プラズマ処理装置」参照)において、ウェーハへの到達が許容される遊離基及びイオンの相対的な数の制御のために、永久磁石及び電磁石の配列の多数の例を記載した。切換式エッチング処理では、電磁石によって作る磁界を、エッチング段階に対してあるレベルとし、蒸着段階に対しては異なるレベルとする。ある状況の下では、エッチング及び蒸着ステップの何れか一方又は双方において磁界強度を変えるのが有利である。例えば、エッチング段階においてその初期部分で磁界強度を低く保ち高レベルのイオン流束をウェーハに到達させ、溝の底に蒸着したポリマーを除去してもよい。ポリマー除去の終了時に、磁界強度を上げて、ウェーハに到達するイオン流束を減少させ、マスクのエッチング速度を低減することができる。これに加えて、磁界強度をあるエッチング段階から次のエッチング段階へと、及び/又はある蒸着段階から次の蒸着段階へと調節するすることにより溝エッチングの進行に応じ遊離基に対するイオンの相対数を徐々に調節することができる。 In the international patent application PCT / GB99 / 04168 (see “Plasma Processing Apparatus” in Patent Document 3), the present applicant has decided to control the relative number of free radicals and ions allowed to reach the wafer. A number of examples of permanent magnet and electromagnet arrangements have been described. In the switched etching process, the magnetic field generated by the electromagnet is set at a certain level for the etching stage and at a different level for the vapor deposition stage. Under certain circumstances, it is advantageous to change the magnetic field strength during either or both of the etching and deposition steps. For example, in the etching stage, the magnetic field strength may be kept low at the initial portion to allow a high level of ion flux to reach the wafer and remove the polymer deposited on the bottom of the trench. At the end of polymer removal, the magnetic field strength can be increased to reduce the ion flux reaching the wafer and reduce the mask etch rate. In addition, the relative number of ions to free radicals as the groove etch progresses by adjusting the magnetic field strength from one etching stage to the next and / or from one deposition stage to the next. Can be adjusted gradually.
本出願は、プラズマ処理装置において、ウェーハ横断のエッチング速度の良好な一様性を保ちつつ高速エッチングを可能にし、且つ、エッチングする構造の形状の高精度な制御を可能にする諸特徴を詳細に記載する。本出願の記載は、特に上記切換式エッチング処理によって実施されるエッチングに関する。このことは、本出願から連続的エッチング処理又は連続的蒸着処理(ここに、「連続的」とは、処理速度又は他の処理面が時間に関して一定であることの暗示よりも寧ろ、処理が「エッチング段階と蒸着段階との間で切換えられないこと」を意味する。)を除外することを意図するものではない。 The present application details various features that enable high-speed etching while maintaining good uniformity of the etching rate across the wafer in the plasma processing apparatus, and also enables high-precision control of the shape of the structure to be etched. Describe. The description of this application relates in particular to etching performed by the switched etching process. This is because, from this application, a continuous etching process or a continuous deposition process (where “continuous” means that the process is “rather than the implied that the processing rate or other processing surface is constant over time” It is not intended to exclude "not being able to switch between the etching and deposition steps".
プラズマ処理装置は、二つ以上の室からなり、通常は第二室がより大きく、ウェーハ又は他の加工物が適当な支持台の上に載せられる。この支持台は、処理中又はその前若しくは後にウェーハを冷却又は加熱する機構を含むことができる。支持台はまた、連続的又はパルス化した無線周波又は直流の電圧が室からウェーハに印加されるのを許容し、ウェーハへ向かうイオンの加速を可能にする。支持台の中に、ウェーハの挿入又は引抜の遠隔操作のできる機構を含めることができる。通常はこの室の壁に、圧力計及び他の診断手段用の開口を設け、また室内を所要圧に保つために使われる真空ポンプ装置へのガス流出用の一つ以上の比較的大きな開口を穿つ。 A plasma processing apparatus consists of two or more chambers, typically a larger second chamber on which a wafer or other workpiece is placed on a suitable support. The support can include a mechanism for cooling or heating the wafer during or before or after processing. The support also allows a continuous or pulsed radio frequency or direct current voltage to be applied from the chamber to the wafer, allowing acceleration of ions toward the wafer. A mechanism capable of remotely controlling the insertion or withdrawal of the wafer can be included in the support base. The chamber walls are usually provided with openings for pressure gauges and other diagnostic means, and one or more relatively large openings for gas outflow to the vacuum pump device used to maintain the chamber at the required pressure. Wear.
典型的には、一つ以上の第一室の容積が、ウェーハが取付けられる第二室に比して小さい。この第一室内でプラズマが創り出され且つ維持され、イオン及び遊離基が第二室内へ拡散する。磁気減衰器のような制御手段を使って、第二室内へ向かうイオンと遊離基との流束を限定することができる。一つの第一室への言及は、プラズマ形成用の複数の室の使用、及びウェーハが取付けられる第二室へ向うイオンと遊離基との流束を制御する複数の制御手段の併用を除外するものではない。複数の第一室でプラズマが形成される時、全ての室を同時に動作させるか、供給ガスを同一とするか、又は各プラズマへの入力レベルを同一とするか等について何らの制限をも意味しない。 Typically, the volume of one or more first chambers is small compared to the second chamber in which the wafer is mounted. A plasma is created and maintained in this first chamber, and ions and free radicals diffuse into the second chamber. Control means such as a magnetic attenuator can be used to limit the flux of ions and free radicals going into the second chamber. Reference to one first chamber excludes the use of multiple chambers for plasma formation and the combined use of multiple control means to control the flux of ions and free radicals towards the second chamber where the wafer is mounted. It is not a thing. When plasma is formed in multiple first chambers, it means that all chambers are operated at the same time, the supply gas is the same, or the input level to each plasma is the same, etc. do not do.
本発明の他の面によれば、加工物へのプラズマの伝送を制御する方法において、プラズマをプラズマ誘起手段により第一室内で発生させ、該プラズマが被処理加工物に作用するため第二室へ拡散するのを許容し、次いで前記両室中の少なくとも第一室に関連して位置決めされされ且つ前記プラズマ誘起手段と独立に制御可能な磁界発生手段をして前記第二室内へ拡散し加工物に接近するイオン群の一部分を何れかの室の損失面へ向けることにより該イオン群を減衰させる如く作用させ、前記第一室を環状とし、該環状の内側及び外側に沿って個別に配置した永久磁石群、電磁石群、又はソレノイド群により環状の磁界発生手段を形成してなるプラズマの伝送制御方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, in a method for controlling the transmission of plasma to a workpiece, the plasma is generated in the first chamber by a plasma inducing means, and the plasma acts on the workpiece to be processed. Diffusing into the second chamber with magnetic field generating means positioned relative to at least the first chamber of both chambers and controllable independently of the plasma inducing means. A part of the ion group approaching the object is directed to the loss surface of one of the chambers so that the ion group is attenuated , and the first chamber is formed in an annular shape, and is individually arranged along the inside and the outside of the annular shape. There is provided a plasma transmission control method in which an annular magnetic field generating means is formed by a permanent magnet group, an electromagnet group, or a solenoid group .
本発明は各種態様で実施可能であるが、添付図を参照して以下に好ましい実施例を説明する。 Although the present invention can be implemented in various modes, preferred embodiments will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1に図式的に示す装置の単一の第一室Aにおいて、プラズマが生成され且つウェーハの配置されるべき第二室への該プラズマの流出が許容される。ウェーハ1は、下方室Bのウェーハ支持台2の上に置かれる。ウェーハ用機械的クランプ2A、又は静電的クランプ、又はこの状況に適する他の適当な手段によってウェーハと支持台の温度制御された部分との間に良好な熱的接触を維持する。ウェーハ裏面と支持台2の表面との二つの表面の間の熱伝導を改善するため、入口3を介してヘリウム等の加圧ガスを注入し、二面の間の狭い間隙に薄層として充填する。支持台の適当な部分を、適当なインピーダンスマッチング装置5を介して、無線周波又は直流の連続的又はパルス状電源例えば無線周波電源4に接続し、ウェーハ上に形成されシース(sheath)に制御電位差を加え、それによってウェーハに衝突するイオンのエネルギーを制御する。室内の通常の処理高さ位置を記号6で示す。ガスはポンピングポート7を介して排出される。
In the single first chamber A of the apparatus schematically shown in FIG. 1, plasma is generated and allowed to flow into the second chamber where the wafer is to be placed. The wafer 1 is placed on the
永久磁石21gの群(図2参照)を室Bの周囲壁に(必要ならば室Aの周囲壁にも)柱状に配置して「磁気バケツ」を形成する。「多重尖端」又は「杭棚」配列が、イオン及び遊離基の室壁への拡散を低減する作用を持つ。歴史的には「磁気バケツ」が室内のプラズマ密度増大のために使われてきたが、その理由は「磁気バケツ」がない場合に比し室の内部での所与のイオン・遊離基生成率に対する壁への損失率が低下することにあった。もし室Aに対し磁気的閉じ込め(magnetic confinement)を施す場合には、それは主としてこの目的及び中性遊離基が高密度である高密度プラズマの形成に資するためである。 A group of permanent magnets 21g (see FIG. 2) is arranged in a column shape on the peripheral wall of the chamber B (and also on the peripheral wall of the chamber A if necessary) to form a “magnetic bucket”. The “multiple tip” or “pile shelf” arrangement has the effect of reducing the diffusion of ions and free radicals into the chamber wall. Historically, “magnetic buckets” have been used to increase the plasma density in a room, because the rate of production of a given ion and free radical inside the room is greater than when there is no “magnetic bucket”. The loss rate to the wall was to decrease. If magnetic confinement is applied to chamber A, it is primarily for this purpose and to contribute to the formation of a high density plasma with a high density of neutral free radicals.
ウェーハに到達するイオンの数を遊離基の数に比して減少させる必要ある場合に、室Bに磁気的閉じ込めを加えることは一見非論理的に見えるが、それは「磁気バケツ」がない場合に比して,室B中へ拡散するイオンをより効果的に閉じ込め得るであろうからである。しかし室Bに対しては、磁気的閉じ込め使用の目的が、主としてウェーハに到達するイオン流束の均一性(uniformity)を増大させることにある。室Bの周囲に磁気的閉じ込めが無い場合には、室Aから室B内へ下降するプラズマの拡散時に、ウェーハ位置への到達前に室Bの壁へのイオンと電子との損失が生じる。室Aからウェーハへの距離の増大と共にプラズマ密度が減少し、更に非均一性が増大し、密度が室の軸線部で最大となる。室Bの周囲の磁気的閉じ込めは、壁へのプラズマ損失を減らすので、ウェーハ位置でのプラズマ均一性のかなりの増大を確実にする。室Bの周りに磁気的閉じ込めを設ける提案は、室Bの周りに磁気的閉じ込めを持たない装置の使用の排除を意図しない。即ち、「磁気バケツ」の使用に有利性がある時にのみ、それを使用する。 Adding a magnetic confinement to chamber B may seem illogical when the number of ions reaching the wafer needs to be reduced relative to the number of free radicals, but in the absence of a “magnetic bucket” This is because ions that diffuse into the chamber B can be confined more effectively. However, for chamber B, the purpose of using magnetic confinement is primarily to increase the uniformity of the ion flux reaching the wafer. If there is no magnetic confinement around chamber B, there will be a loss of ions and electrons to the walls of chamber B before reaching the wafer position during the diffusion of the plasma descending from chamber A into chamber B. As the distance from chamber A to the wafer increases, the plasma density decreases, non-uniformity increases, and the density is maximized at the chamber axis. Magnetic confinement around chamber B ensures a substantial increase in plasma uniformity at the wafer location as it reduces plasma loss to the wall. The proposal to provide magnetic confinement around chamber B is not intended to exclude the use of devices that do not have magnetic confinement around chamber B. That is, it is used only when there is an advantage to using a “magnetic bucket”.
ウェーハ位置でイオンの数を少なくして中性遊離基の数を増大させると共に高度のイオンの空間均一性を保つには、室B内に良好なイオン閉じ込めを設けるだけでなく同時に室Aから外へ拡散するイオンの数を遊離基の数に比して著しく少なくする必要がある。所要の結果を得るために、室Aと一体又は両室の中間に配置する磁気的プラズマ減衰器を、室Bのプラズマ閉じ込めと併用することができる。この目的のため、永久磁石又は電磁石により双極磁気プラズマ減衰器を形成することができる。 To reduce the number of ions at the wafer position to increase the number of neutral free radicals and to maintain a high degree of spatial uniformity of ions, not only provide good ion confinement in chamber B, but simultaneously leave chamber A It is necessary to significantly reduce the number of ions diffusing to the number of free radicals. To obtain the required result, a magnetic plasma attenuator that is integrated with chamber A or in the middle of both chambers can be used in combination with chamber B plasma confinement. For this purpose, a bipolar magnetic plasma attenuator can be formed by permanent magnets or electromagnets.
ウェーハを処理する高さレベルに好ましくは、室B内に電磁石9によってソレノイド磁界を形成し、その電磁石9を室外(図示例)又は室内に設ける。磁界強度を制御して、切換式処理の異なる段階に対して異なる磁界強度値をとるようにし、更に処理の進行に伴い処理段階が何れであるかに応じ磁界強度値が上向き又は下向きに傾斜変化するようにしてもよい。この磁界の目的は、ウェーハ表面に到達するイオンの方向性の制御、及びウェーハ表面上におけるイオン流束の均一性の支援にある。
Preferably, a solenoid magnetic field is formed in the chamber B by the
処理プラズマは、上方の室A内で形成される。本明細書の以下の記載において、無線周波電源との誘導結合により生成され維持されるプラズマに言及する。しかし、このことは他のプラズマ生成手段、例えばマイクロ波(エレクトロン・サイクロトロン共鳴形式を含む。)、ヘリコン(helicon)波、電子源としての加熱フィラメント付き又は無しの直流手段等の使用を排除するものでないことはもちろんである。図1に示すアンテナ10は、誘電性材料製の筒状管11の周りに位置し、そのアンテナを介して(電源点21からの)無線周波電力が前記管内で形成されるプラズマへ誘導結合される。その管の幾何学的形状は、図示以外のもの、例えば断面が5角形又は他の形状でもよい。その幾何学的形状は、上記に代えて円錐形11A、切頭円錐形11B、半球形11C、又はそれらの組合せ(図3参照)のものとしてもよい。多くの場合、一つのアンテナ10を使って電力をプラズマに結合する。しかし、エッチング処理又は蒸着処理の均一性の向上を、2個以上のアンテナ10A、10Bの使用、とくに誘電性管11の異径部分(図3(B)参照)への取付け使用により達成できる。
The processing plasma is formed in the upper chamber A. In the following description of this specification, reference is made to a plasma generated and maintained by inductive coupling with a radio frequency power source. However, this excludes the use of other plasma generation means such as microwaves (including electron cyclotron resonance type), helicon waves, direct current means with or without a heated filament as an electron source. Of course not. An
管11を形成するめの誘電性材料は、処理用ガスと相性が良い適当な材料としてのアルミナ、水晶、その他適当な材料である。炭化シリコン等の材料を使うのが有利であるが、それはアルミナより高い熱伝導率をもち、従ってプラズマに接する内側壁面から外側の冷却手段への熱伝達をより良好にするからである。炭化シリコンは、その高い導電率のゆえに、無線周波電源の誘導的結合が望ましいモードである場合に室内への静電容量的結合の低下を助ける。窒化アルミニウムは他の利用可能な材料であり、高い熱伝導率と低い導電率とを併せ持ち、良好な熱伝達を許すが、外部アンテナ10からプラズマへの無線周波電力結合に対する影響は小さい。プラズマ密度が高い場合には、窒化アルミニウム又は炭化シリコンの高い熱伝導率が特に有利である。これは、管の内外間の温度傾斜が、アルミナ等の熱伝導率が比較的低くない材料の場合に比して低減されるからである。誘電性管におけるかなりの膨張差は、亀裂の発生と伝播の原因及び真空度維持の喪失の原因となり得る。
The dielectric material for forming the
場合によっては、ウェーハ処理の均一性の面から、室Aを径が異なる二つ以上の円筒状誘電性区域11X、11Y(図5参照)によって形成する幾何学的形状を使うのが有利になる。その場合には、プラズマへの無線周波電源の結合を、それぞれ各筒状区域の周りに設けた二つ以上の個別アンテナ10A、10Bによって行える。これを単一の誘電性材料構造とするか、又は導電性又は非導電性のインタフェース・フランジ部分12及び適当な真空封止手段付きの二つ以上の区域11X、11Yによって構成してもよい。円筒状区域について説明したが、これは方形又は六角形断面等の他の幾何学形状を排除するものではない。二つ以上の個別アンテナは、個別インピーダンス整合ユニットと、個別無線周波電源又は分割出力付き単一電源を使用する。図5を参照するに、アンテナ10Aを介してプラズマに結合された電力はウェーハ中心部に到達するイオン及び遊離基の流束に対する影響をより強く持ち、他方のアンテナ10Bを介してプラズマに結合された電力はウェーハの外周部に到達するイオン及び遊離基の流束に対する影響をより強く持つ。イオン及び遊離基の横方向拡散は前記効果が画然としたものでないことを意味するが、上方室Aとウェーハとの間の距離が大きくない限り、前記効果は真である。二つ以上のアンテナへ供給される無線周波電力の相対レベルを調節することにより、この室内のプラズマ断面及びウェーハ上へのプラズマの効果が調節可能になる。処理のエッチング段階と蒸着段階との何れが進行中であるかに応じて、相対的電力レベルを異なる値に調節する。
In some cases, from the viewpoint of uniformity of wafer processing, it is advantageous to use a geometric shape in which the chamber A is formed by two or more cylindrical
図1を参照するに、上方室Aは、側壁を形成する誘電性円筒管11、並びに頂部を閉鎖するプレート13及び円筒に対する適当な真空封止手段によって形成される。頂部プレートは金属製が通常であり、室内ヘの処理ガスの供給を許容する適当な接続手段14を有する。室内でのガス分布が一様となるように適当な手段を組み込む。例えば図4又は図5に記号15で示す窓を頂部プレートに設け、処理の最終点での測定目的等のプラズマ又はウェーハの観察を許容する。この誘電性円筒管の下端は、直接に又は通常金属製である中間的な短管区域を介して、下方室Bの蓋17へのインタフェースとなり、その短管区域は接地されるか、電気的にフロートとされるか、又は選ばれた電位にバイアスされる。
Referring to FIG. 1, the upper chamber A is formed by a dielectric
以上の説明は上方室Aの蓋を介する処理ガスの供給を含むが、付加的に又は代替的に、下方室Bの内部の下方室蓋17に近い部位に設けたガスリング16から上向きに室Aへガス供給するのが望ましい場合もあり得る。場合によっては、上方室Aの蓋を介して一つのガスを供給し、異なるガスを下方室B内に設けられたガスリング16から供給する。上方室Aの幾何学的形状が半球若しくは円錐であり総て誘電性材料のみからなる場合には、上方室Aの頂部へガスを供給するのが可能でなく、下方室内のガスリング16が不可欠である。
The above description includes the supply of the processing gas via the lid of the upper chamber A, but in addition or alternatively, the chamber is directed upward from the
切換式処理(switched process)の場合には、実施されているのが処理のエッチング段階か又は不動態化(passivation)段階かに応じて適正な処理ガスを、上方室Aの蓋の供給口、又は下方処理室B内のガス供給リング16から供給することに、それぞれ利点があり得る。そうではなく、ある処理段階では両ルートを介するガス供給が望ましく、他の処理段階では一方のルートのみを介するのが望ましい場合もあり得る。両処理段階の各々において、装置内への処理ガス供給にどのルートを使う時にも、ガス流入口の適正な制御を質量流量制御器によって行うことができる。処理室から真空ポンプへのガス流コンダクタンス(conductance)の制御には自動圧力制御(APC)を使うことができ、これは処理室圧力の制御を可能にする。
In the case of switchable processing (switched- process) is a proper process gas depending on whether the etching step, or passivation (passivation) stage of processing what is implemented, the supply port of the cover of the upper chamber A, Alternatively, there may be advantages in supplying from the
ある状況の下では、切換式処理の二段階の各々に対し、相当に異なる処理室内圧力を使うことが望ましい。例えば、エッチング段階では高圧、不動態化段階で低圧である。このことは、処理室へのガス供給に係る質量流量制御器及び処理室・真空ポンプ間のガスコンダクタンス制御用の圧力制御弁に対する適当な高速制御によって達成できる。 Under certain circumstances, it may be desirable to use significantly different process chamber pressures for each of the two stages of the switching process. For example, high pressure in the etching stage and low pressure in the passivation stage. This can be achieved by appropriate high-speed control of a mass flow controller for supplying gas to the processing chamber and a pressure control valve for controlling gas conductance between the processing chamber and the vacuum pump.
上方室A内でプラズマを形成するため、上方室を取巻くアンテナ10に無線周波電力を供給すると共に関連入口手段を介して所要の処理ガスを導入する必要がある。プラズマからの活動的電子が中性ガスに衝突することにより中性遊離基が形成され、従って上方室A内にはイオン、電子、遊離基及び未分離の供給ガスが混在するであろう。これらの種は全て下方室Bへ拡散するが、その数は容積内及び壁面での再結合により減少する。イオンと電子とは室の壁において容易に再結合するが、遊離基は多数回の衝突後も生残るであろう。下方室B内に磁気閉込めが存在する場合には、この室の壁面へのイオン及び電子の損失は著しく低減される。
In order to form plasma in the upper chamber A, it is necessary to supply radio frequency power to the
上方室Aが取付けられるべき下方室Bの蓋17の開口、又は存在する場合の中間短管区域の内径の大きさの制限は、上方室と下方室との間においてより高い圧力差を許容する。これは処理効率を向上させるが、その理由は、上方室におけるより高い圧力が衝突を増加させるのでイオン及び遊離基の形成に有利に働くことにあり、また下方室における圧力の低減はその容積内での再結合の発生を減少させる。この処置は、明らかにガス供給が上方室内へ向けられる場合にのみ使用可能であり、上記制限によりイオン又は遊離基の損失が増大する場合には好ましくない結果を生じ得る。可変開口度の自動圧力制御(APC)機構をこの位置に含めることができる。しかしAPC機構の物理的設計によってはイオン流、とくにウェーハに達するそれの一様性が低下する。
The opening of the
必要に応じ、永久磁石8又は電磁石を使って形成されたダイポール磁界を、上方室Aの下端を横切って(又は、存在する場合の中間短管領域を横切って)印加して磁気プラズマ減衰器を形成してもよい。その磁界発生のために使われる永久磁石又は電磁石は、一般に前記室の外に位置決めされるが、その一部又は全部をその室内に設けてもよい。この磁界の作用は、電子と次いでイオンとをそれらが失われるべき壁(損失面)へ偏向させるにあり、従って、下方室内へ進行するイオンの数の制御を可能にするが、半径方向の流束は低下させない。
A magnetic plasma attenuator is applied by applying a dipole magnetic field formed using a
磁石構造が前記室の中にある場合には、その幾何学的構造に従って、遊離基に対する局部損失面積をわずかながら増大させると予想される。下方室内へ移行する遊離基に対するイオンの相対的な数の制御は、処理全体のより大きな制御を可能にする。とくに切換式制御に対して電磁石又は永久磁石・電磁石混合を用いた場合には、遊離基に対するイオンの相対的数を、処理の前記二段階の各々に対し異なった適正比率値とする制御が実施可能となる。 If the magnet structure is in the chamber, it is expected to increase the local loss area for free radicals slightly according to its geometry. Control of the relative number of ions relative to free radicals migrating into the lower chamber allows greater control of the overall process. In particular, when using electromagnet or permanent magnet / electromagnet mixture for switching control, control is performed so that the relative number of ions to free radicals is a different appropriate ratio value for each of the two stages of processing. It becomes possible.
上方室A内のプラズマに向かう無線周波電力の制御は、形成されるべきイオン及び遊離基の数を定めるが、一般に両者は入力電力の増加に応じて増大する。処理ガスの流束と圧力もまた影響する。高いエッチング速度を生じさせる要求も強まっており、そのための化学反応は極めて多数の遊離基を必要とし、他方イオンの数はエッチング後の構造やマスクに対する不所望の損傷低減のために制限する必要がある。多数のイオン及び遊離基を発生させるためのプラズマ密度制御と、ウェーハに到達するイオン成分を低下させる「磁気プラズマ減衰器」との組合せは、圧倒的に化学的な高速エッチングをイオン関連の不所望効果の低減と共に達成することを可能にする。ウェーハへの大イオン流に関連した不所望効果には、高速マスクエッチング及びエッチング後の構造の側壁断面制御の問題が含まれる。 Control of the radio frequency power toward the plasma in the upper chamber A determines the number of ions and free radicals to be formed, but generally both increase with increasing input power. Process gas flux and pressure are also affected. There is also an increasing demand for high etch rates, and the chemical reaction therefore requires a very large number of free radicals, while the number of ions must be limited to reduce unwanted damage to the structure and mask after etching. is there. The combination of plasma density control to generate a large number of ions and free radicals and a “magnetic plasma attenuator” that reduces the ionic content that reaches the wafer, overwhelmingly reduces chemical high-speed etching to ion-related undesired Allows to be achieved with reduced effect. Undesirable effects associated with large ion flow to the wafer include high speed mask etching and post-etch structure sidewall cross-section control issues.
「磁気プラズマ減衰器」のダイポール形状は、上方室を横切る磁界の印加がイオン及び遊離基の直角方向への偏向を誘起する欠点を有し、プラズマ発生領域からウェーハへ下降する間におけるイオン流の円筒状対称性の低下等を伴う。このため、ウェーハに加える処理の一様性の低下が起こり得る。 The dipole shape of the “magnetic plasma attenuator” has the disadvantage that application of a magnetic field across the upper chamber induces a perpendicular deflection of ions and free radicals, and the flow of ions during descending from the plasma generation region to the wafer. This is accompanied by a decrease in cylindrical symmetry. For this reason, the uniformity of the process added to a wafer may occur.
図4に示すコイル18が上方室Aに沿って発生するソレノイド磁場は、上記ダイポール磁場に対する「磁気プラズマ減衰器」としての利点を有する。磁界強度の慎重な調節により円筒状の対称性が維持されると共に、管11内のアンテナ10と隣接する部位に形成される高密度プラズマ領域19が磁場線(field lines)20により閉込められる。磁場線は、蓋13で又はその近傍で上方室Aの壁面と交差し、且つ、上方室Aの基部近傍又は下方室Bの蓋17若しくはその側壁上部と交差する。(ダイポール磁界発生用)磁石8の除外は、プラズマの非一様性の原因となり得るものを取り除く。かなりの数の遊離基が上方室A内で発生可能であり、それらが下方室へ拡散する。しかし、関連のイオン流は磁場線と壁との交差部分での損失により減少し、そのためにウェーハに到達するイオン数と遊離基数との比の所要態様の減少が確保される。図5に示すように、二つの円筒状管11X、11Yの夫々に対して個別のソレノイドコイル18A、18Bを設け、プラズマ制御の高度化を図ってもよい。二つのアンテナにより、二つの個別高密度プラズマ領域19A、19Bが形成される。
The solenoid magnetic field generated by the
磁気閉じ込めが下方室B内に施された場合には、上方室Aの周りのソレノイド・コイル18からの磁場線に閉じ込められた電子の一部分は、下方室Bの壁面における強い磁界と出会う。これによって局部的な電子反射(mirroring of the electrons)が発生し、それら電子は生残ってガス分子と更なる励起及びイオン化衝突に加わる。従って、上方室Aの周りのソレノイドからの磁場強度がウェーハ1ヘ向かうイオンの流束を著しく低下させ、同時に励起及びイオン化衝突を増大させるに十分であるような事態が起こり得る。この機構による遊離基の生成率の上昇は、ウェーハの化学的エッチング速度を増加させる可能性を持つ。
When magnetic confinement is applied in the lower chamber B, some of the electrons confined in the magnetic field lines from the
既に説明した特徴の幾つかを含むプラズマ源泉と処理室との分離に関する実験的運転を試みた。その構成を図6に示す。プラズマ発生用の上方室Aに、その中央近傍位置に適当な支持手段で保持された無線周波アンテナ10付きの誘電性管11を設けた。無線周波電源21からの無線周波電力をマッチング装置22経由でアンテナ10へ供給し、マッチング装置22はプラズマインピーダンスを電源の50オームインピーダンスに整合させた。プラズマ室Aの周りに電磁ソレノイド18を配置し、その付勢時に代表的磁界線20に示す磁界パターンを発生させた。この電磁ソレノイド18は、プラズマ源泉・処理室分離型の装置に組み込んだ唯一の磁気イオン減衰手段であった。プラズマ源泉と処理室との間には、いかなる形式のダイポール磁気イオン減衰器をも設けなかった。
An experimental operation was attempted on the separation of the plasma source and the processing chamber, including some of the features already described. The configuration is shown in FIG. In the upper chamber A for plasma generation, a
処理室Bには、プラズマ閉込めを改良するため、小磁石の群を周囲に沿って配置して(図2と同様な)「磁気バケツ」を設けたが、処理室の周りのウェーハ処理高さ6又はその近傍には電磁石を設けなかった。 The processing chamber B is provided with a “magnetic bucket” (similar to FIG. 2) with a group of small magnets arranged around the periphery to improve plasma confinement. No electromagnet was provided at 6 or in the vicinity thereof.
プラズマが形成される室Aの周りの電磁ソレノイド18が形成するソレノイド型磁界が、処理室Bに取り付けたウェーハ1へ到達するイオン流束を減衰させる上での有効性を測定する特定の実験を行った。この実験作業では、シリコン・ウェーハを加工物として使ったが、他の材料性のウェーハ又はプラズマ誘起処理の対象に供される代替の対象物も同様に加工物になり得ることを理解すべきである。
A specific experiment to measure the effectiveness of the solenoid-type magnetic field formed by the
小さなラングミュア探針23を、処理室Bの壁の入口を介して差込み、該室に装填された試験ウェーハの表面直径上で該室の直径に沿って移動できるようにした。そのラングミュア探針23を使ってウェーハ直上のイオンの流束を該室の直径上の位置の関数として測定した。
A
処理室の直径上の位置の関数として測定したイオン流束の実験結果を図7に示す。複数のカーブは夫々、プラズマが形成される室Aの周りの電磁ソレノイドに流れる電流の異なる値に対するものである。磁界の強さは、ソレノイドを流れる電流の増加に従って増大する。グラフから、磁界強度の増大に伴ってウェーハ処理高さまで到達するイオン流束が減少すること、及び処理室の直径上の主要部分におけるイオン流束の大きさの一様性がある程度まで増えることは明らかである。 The experimental results of ion flux measured as a function of position on the diameter of the processing chamber are shown in FIG. The plurality of curves are for different values of the current flowing through the electromagnetic solenoid around the chamber A where the plasma is formed. The strength of the magnetic field increases with increasing current through the solenoid. From the graph, it can be seen that as the magnetic field strength increases, the ion flux reaching the wafer processing height decreases, and the uniformity of the ion flux size in the main part on the diameter of the processing chamber increases to some extent. it is obvious.
ラングミュア探針によるイオン流束の実験的測定を、更なる実験によって補強した。即ち、室Aの周囲に電磁ソレノイドを使用することにより、処理中のウェーハに対するイオン関連効果を低減させると共に高い化学的エッチング速度を実現した。 Experimental measurements of ion flux with a Langmuir probe were reinforced by further experiments. That is, the use of an electromagnetic solenoid around chamber A reduced ion related effects on the wafer being processed and achieved a high chemical etch rate.
電磁的イオン減衰器の使用は、ウェーハに到達する中性遊離基の流束を高く保ちつつ、ウェーハに到達するイオンの流束を低下させるために有効である。この手法は、エッチング過程が主として化学的であって遊離基の流束で駆動されるが、マスクの侵食が主としてそこへ到達するイオンの流束によってなされる場合に明らかに有用である。 The use of an electromagnetic ion attenuator is effective for reducing the flux of ions reaching the wafer while keeping the neutral free radical flux reaching the wafer high. This approach is clearly useful when the etching process is primarily chemical and driven by free radical flux, but mask erosion is primarily done by the flux of ions reaching it.
ある場合は、ウェーハに到達する中性遊離基の数に比して同様なイオンの数を、磁気的減衰器のみによって得られるよりも低いレベルまで低下させることが望ましい。他の場合には、高い磁界強度の下で磁気的減衰器を作動させることが望ましい理由が存在する。特定の処理に対する所要の結果を得る一つの方法は、室Aで形成されるプラズマを、磁気的減衰器を操作すると同じ態様でパルス的にオン・オフするものである。 In some cases, it is desirable to reduce the number of similar ions relative to the number of neutral free radicals reaching the wafer to a level lower than that obtained by a magnetic attenuator alone. In other cases, there are reasons why it is desirable to operate a magnetic attenuator under high magnetic field strength. One way to obtain the required results for a particular process is to pulse the plasma formed in chamber A on and off in the same manner as the magnetic attenuator is operated.
シリコンをSF6ガスでエッチングする特定の場合には、シリコンのエッチングが主としてプラズマ内で形成されるフッ素の遊離基の化学反応によることが理解されている。また、一定の条件下では、プラズマにより形成されたフッ素の遊離基がプラズマ消滅後もかなり長い時間存続できることが知られている。しかしイオン密度は、プラズマの遮断(switch off)の後、極めて高速度で低下するのが通常である。プラズマを適当な速度及び適切なマークスペース比(mark space ratio)のパルスでオン・オフすれば、これら二つの種が有する存続時間の差を有利に利用できる。ボズウェル及びポルテオス(Boswell and Porteous [J. Appl. Phys.62(8), American Insti. Of Phys. 1987]、非特許文献1参照)は、2ミリ秒のパルス群に対し周期10ミリ秒とし、シリコンの平均エッチング速度を連続的プラズマに対する速度と基本的に等しくしたSF6プラズマのパルス操作を記載する。荷電種の存続時間は1ミリ秒以下であると見出されたが、これはこの種の低圧放電で典型的なものである。パルス操作されたプラズマ(pulsed plasma、パルス操作プラズマ)のみについて、ボズウェル及びポルテオスの結果は、イオン流束対遊離基流束の時間平均比が、連続的プラズマにおける当該比の0.3倍以下に低減可能であることを示す。従って、パルス操作プラズマと磁気減衰器との組合せ概念は、ウェーハへ到達するイオン流束対遊離基流束の比を、何れか一方の技術単独の場合よりも低い値にできる可能性をもつ。 In the specific case of etching silicon with SF 6 gas, it is understood that the etching of silicon is primarily due to chemical reactions of fluorine free radicals formed in the plasma. It is also known that under certain conditions, fluorine free radicals formed by plasma can survive for a considerably long time after plasma extinction. However, the ion density usually decreases at a very high rate after the plasma is switched off. If the plasma is turned on and off with a pulse at a suitable speed and a suitable mark space ratio, the difference in the lifetimes of these two species can be used to advantage. Boswell and Porteous (see J. Appl. Phys. 62 (8), American Insti. Of Phys. 1987), Non-Patent Document 1), a period of 10 milliseconds for a pulse group of 2 milliseconds, An SF 6 plasma pulsing operation in which the average etch rate of silicon is essentially equal to the rate for a continuous plasma is described. The lifetime of the charged species was found to be less than 1 millisecond, which is typical for this type of low pressure discharge. For pulsed plasma only, Boswell and Porteos results show that the time-average ratio of ion flux to free radical flux can be reduced to less than 0.3 times that for continuous plasma. Indicates that Therefore, the combined concept of pulsed plasma and magnetic attenuator has the potential to make the ratio of ion flux to free radical flux reaching the wafer lower than that of either technique alone.
図1又は図6に示すようなプラズマ源泉とウェーハ処理室との分離方式の使用は、一定サイズのウェーハに対する特定な処理に対して大きな効果を奏する。一般に、プラズマ源泉で生成した中性遊離基はウェーハまで拡散降下し、そこでウェーハ表面と化学反応する。ウェーハ表面に到達するイオン流束は、磁気減衰器の使用及び必要な場合のプラズマ源泉におけるパルス操作によって制御できる。プラズマ源泉の周囲における電磁ソレノイド・イオン減衰器18の使用は、ウェーハへ到達するイオン流束を低減するように働き、一定限度内でウェーハ直径方向のイオン流束の一様化を助けるが、単純なプラズマ源泉分離には、その幾何学的形状による一定の限界がある。
The use of the separation method of the plasma source and the wafer processing chamber as shown in FIG. 1 or FIG. 6 has a great effect on a specific process for a wafer having a certain size. In general, neutral free radicals generated in a plasma source diffuse down to the wafer where they chemically react with the wafer surface. The ion flux reaching the wafer surface can be controlled by the use of a magnetic attenuator and, if necessary, pulsed operation in the plasma source. The use of an electromagnetic
印加された無線周波電力が許容可能なレベル以下であるときに、プラズマ源泉室内で高密度プラズマを効率的に形成するには、その容積を合理的に小さくすべきである。その源泉周囲の電磁ソレノイドもまた、その電流責務を低くすることにより合理的に小さくできる。プラズマ源泉で生成した中性遊離基はウェーハまで拡散降下してウェーハに到達し、その半径の関数としての遊離基の流束は、一部分ではプラズマ室の幾何学的形状により、他の部分では処理室の真空ポンプ装置及び他の調節装置により定まる。 In order to efficiently form a high density plasma in the plasma source chamber when the applied radio frequency power is below an acceptable level, its volume should be reasonably small. The electromagnetic solenoid around the source can also be made reasonably small by lowering its current duty. Neutral free radicals generated at the plasma source diffuse down to the wafer and reach the wafer, and the free radical flux as a function of its radius is partially processed by the plasma chamber geometry and processed elsewhere. Determined by chamber vacuum pump and other regulators.
ウェーハ表面におけるイオン流束の大きさ及び一様性は、磁気的減衰器によって定まり、またプラズマ源泉室の幾何学的形状及びプラズマ閉じ込め促進用の磁石が処理室Bの周縁に位置しているか否かによっても定まる。ウェーハの直径に比して小さなプラズマ源泉の場合には、ウェーハの中心から周縁までに亘りほぼ一様なイオン流束を維持するのは困難であろう。ウェーハと同軸で単一の分離型プラズマ源泉の場合におけるウェーハに到るイオン流束密度は、中心部から周縁部に向けて減少し易い。 The size and uniformity of the ion flux on the wafer surface is determined by a magnetic attenuator, and whether the geometry of the plasma source chamber and the magnet for promoting plasma confinement are located at the periphery of the processing chamber B or not. It depends on what. In the case of a plasma source that is small relative to the diameter of the wafer, it may be difficult to maintain a substantially uniform ion flux from the center to the periphery of the wafer. In the case of a single separated plasma source that is coaxial with the wafer, the ion flux density reaching the wafer tends to decrease from the central portion toward the peripheral portion.
多くの場合、ウェーハの中心と周縁との間のイオン流束密度の傾斜は感知可能な問題を何ら生じさせず、特に処理が圧倒的に化学的に駆動される時にそうである。処理が、イオンにより駆動されるか、又は処理の少なくとも一部分においてウェーハ表面と直角にウェーハへ衝突するイオン流束の正確な定義に依存する場合には、以上に説明した処理装置の幾何学的構成ではイオン流束の十分な一様性及び指向性が得られないであろう。このような場合には、ウェーハに到達するイオン流束の一様性を改善するために更なる手段を講じる必要があろう。 In many cases, the ion flux density gradient between the center and periphery of the wafer does not cause any appreciable problems, especially when the process is overwhelmingly chemically driven. If the process is driven by ions or depends on the exact definition of the ion flux impinging on the wafer at right angles to the wafer surface in at least part of the process, the geometry of the processing apparatus described above However, sufficient uniformity and directivity of ion flux will not be obtained. In such cases, additional measures may need to be taken to improve the uniformity of the ion flux reaching the wafer.
上記問題点の軽減に資すように設計されたプラズマ処理装置の特定構成の一例を図8に示す。この構成は、本書の上記に説明したものと類似形状の分離型プラズマ源泉の使用に基礎をおく。プラズマは、同様なプラズマ源泉室A内で中性遊離基と共に形成され、中性遊離基はウェーハが支持される処理室B内へ拡散・下降する。プラズマからのイオンも同様に処理室内へ拡散・下降するが、磁気イオン減衰器18がイオン流束に対し所要の削減を加えるように作動する。ウェーハへ向かうイオン流束の一様性を改善するため、処理室Bの壁の一部分上における磁気プラズマ閉じ込めを利用する。
An example of a specific configuration of a plasma processing apparatus designed to contribute to alleviating the above problems is shown in FIG. This configuration is based on the use of a separate plasma source with a shape similar to that described above in this document. The plasma is formed together with neutral free radicals in the same plasma source chamber A, and the neutral free radicals diffuse and descend into the processing chamber B where the wafer is supported. Similarly, ions from the plasma diffuse and descend into the processing chamber, but the
分離型処理装置の代替構成が先に説明したものと異なる点は、処理室Bの上方区域の周囲のアンテナ24により内部結合された無線周波電力の使用によって処理室内に形成される二次プラズマにある。無線周波電力の二次プラズマへの誘導結合に関するこの説明は、例示として与えるものであり、他の手段、例えばミクロ波電力使用による処理室内の二次プラズマ生成を排除するものではない。
The alternative configuration of the separate processing apparatus differs from that previously described in the secondary plasma formed in the processing chamber by the use of radio frequency power internally coupled by the
処理室Bの上方区域の周囲のアンテナは、その室内に環状プラズマを形成し、それが次いでその室の容積全体に拡散する。一般に、このアンテナに供給される電力は、より小さなプラズマ源泉室Aの周囲のアンテナ10へ供給されるそれに比し著しく少ない。この二次プラズマを形成する第一の目的はプラズマ室の周縁付近に付加的にイオンを作り、それによってウェーハ周縁部に向かうイオン流束を増大させるにある。この二次プラズマに供給される電力の注意深い調節により、プラズマ源泉室Aから磁気的イオン減衰器18を介してウェーハの周縁部に到達するイオン流束における不足分を上記付加的イオンによって補充することができる。殆どの場合、二次プラズマはウェーハ周縁部に向かうイオン流束を増加させるために使われ、発生する余剰遊離基の重要性は小さいが、これら余剰遊離基が進行中の処理にとって有益な場合もある。必要な場合には、処理室Bのアンテナ24が位置する部位の処理室Bの領域の周囲にソレノイド型の磁気イオン減衰器を設けることが可能であり、処理室の主要容積内へ進入するイオンの数と遊離基の数との比を制御することができる。
The antenna around the upper area of the processing chamber B forms an annular plasma in the chamber which then diffuses throughout the chamber volume. In general, the power supplied to this antenna is significantly less than that supplied to the
プラズマ源泉分離型のプラズマ処理装置の上記代替的構成に対しては、一般に処理ガスがプラズマ室Aの蓋の中にある入口14を介して供給される。しかし、その代わりに処理室B内でその蓋の近傍に位置するガスリング16を介して供給することもできる。状況によっては、処理ガスを入口14及びガスリング16の双方から同時に供給するか、又は各ルートから違うガスを供給する。
For the alternative configuration of the plasma source separation type plasma processing apparatus, processing gas is generally supplied through an
切換式処理を実施する時は、何れの処理段階が実施されているかに応じて入口14及び16のどちらか一方又は双方へガスが供給される。例えば、エッチング段階を実施する場合には、ガスが主として入口14を介してプラズマ室Aの頂部へ供給され、そこでガスは高密度プラズマに曝され極めて多数のエッチング遊離基を発生する。不働態化段階を実施する場合には、ガスが主としてガスリング16を介して供給され、処理室Bの上方区域の周囲のアンテナ24を使ってプラズマを形成し、室Aではプラズマが形成されないか又は弱いプラズマが形成される。この例は、一つの可能なシナリオを記載するが、切換式処理の何れかの段階に対するガス供給ルート又はプラズマ発生領域の選択肢を何らかの態様で制限することを意図するものではない。
When performing a switchable process, gas is supplied to either or both
基本的な分離源泉型の装置について以上説明したように、処理室B内の圧力は切換式処理の二つの段階の各々において著しく相違するように制御される。 As described above for the basic separation source type apparatus, the pressure in the processing chamber B is controlled to be significantly different in each of the two stages of the switching process.
以上の説明は、処理室Bの上方部分の外側周囲にあって電力を二次プラズマに結合するアンテナ24に対するものであったが、これは適当に絶縁した上で処理室内部に支持したアンテナの使用を排除するものではない。外側に取付けたアンテナと同じ目的を果たすため、このような内側取付けアンテナは、一般に処理室周縁の近傍における大直径上に位置決めされる。内側取付けアンテナは、処理室の壁の一部における適当な貫通給電用の接続手段を必要とし、それにより無線周波電力を接続し且つ可能な場合に中空アンテナを介して冷却媒体を循環させる。
The above description is for the
磁気イオン減衰器付き分離源泉型のプラズマ処理装置の他の実施例を図9に示す。この構成における処理室は、基本的に図1又は図6に示されるものであるがプラズマ源泉室は相違する。この場合、プラズマ源泉室は環状であり、外側誘電性円筒111の半径方向外側に位置する一つのアンテナ101と、内側誘電性円筒112の半径方向内側に位置する第二のアンテナ102とを使用する。これら二つのアンテナには、二つの個別電源又は適当な電力分岐手段付きの一つの電源から無線周波の電力が供給される。ある条件下ではプラズマ特性の微調整のために各アンテナに供給される相対的電力を調節するのが有利であるが、大多数の場合において二つのアンテナは一つの固定電力比で共同駆動される。
Another embodiment of a separation source type plasma processing apparatus with a magnetic ion attenuator is shown in FIG. The processing chamber in this configuration is basically shown in FIG. 1 or FIG. 6, but the plasma source chamber is different. In this case, the plasma source chamber is annular and uses one
二つの電磁ソレノイドが構造に組み込まれており、一方のソレノイド181は外側アンテナ101の半径方向外側に位置し、他方のソレノイド182は内側アンテナ102の半径方向内側に位置する。これらソレノイドの各々に流れる電流を適当に調節することにより、環状プラズマ源泉に対する電磁イオン減衰器を形成できる。留意すべきことに、図9に示される磁界線パターン20(該パターンはウェーハに到達するイオン流束を減衰させる上で有効である。)を形成するため、二つのソレノイド181及び182に流れる電流は各ソレノイドの内部に反対向きの磁界を生じさせるようなものでなければならない。二つのソレノイド電磁石の各々から所要の磁界強度を得るために夫々を個別の電流源から駆動してもよい。しかし、多くの場合において、両ソレノイドの間に一定比率で電流を分割する手段と共に単一電流源を使うのが望ましい。
Two electromagnetic solenoids are incorporated into the structure, one
大きなウェーハを処理する場合には、分離源泉型プラズマ処理装置に対して、単純な小型円筒形プラズマ室よりも、環状プラズマ源泉を使うのが有利となる可能性がある。その理由は、この幾何学的形状がプラズマ室からの遊離基及びイオンがより大きな直径で処理室へ進入するのを確実にし、且つ、ウェーハ処理高さを適正に選ぶことにより、異なる拡散特性を有利に使えることにある。ウェーハ表面に達する一様なイオン流束を実現するためには、このことは特に重要である。 When processing large wafers, it may be advantageous to use an annular plasma source for a separate source plasma processing apparatus rather than a simple small cylindrical plasma chamber. The reason is that this geometry ensures that free radicals and ions from the plasma chamber enter the process chamber with a larger diameter, and that different diffusion characteristics can be achieved by properly selecting the wafer processing height. It is in advantageous use. This is particularly important in order to achieve a uniform ion flux reaching the wafer surface.
上記構造を、円筒型の環形状の場合について説明したが、これは方形、六角形又は他の多辺形環状形態を有する同様な構造の排除を意図するものではない。 Although the above structure has been described for the case of a cylindrical annulus, this is not intended to exclude similar structures having square, hexagonal or other polygonal ring configurations.
当業者にとって、大きな処理室内へイオン及び遊離基を供給することが必要な場合に、図9の環状プラズマ源泉泉構造を一つ以上の平面内の二つ以上の直径で反復することを考慮するのは不合理ではない。適当な直径の環状プラズマ源泉と単純な円筒形プラズマ源泉とを対称軸上で組合わせることは、ある環境下で用途を有し得る。 Those skilled in the art will consider repeating the annular plasma source spring structure of FIG. 9 with two or more diameters in one or more planes when it is necessary to supply ions and free radicals into a large processing chamber. It is not unreasonable. Combining an appropriate diameter annular plasma source and a simple cylindrical plasma source on an axis of symmetry may have application under certain circumstances.
環状プラズマ室を使う場合には、処理室Bの上方区域周囲に付加的なアンテナを設けることが必要となる可能性は少ないと考慮されるが、必要な場合にはこの選択肢をもなお考慮することができる。 When using an annular plasma chamber, it is considered unlikely that it will be necessary to provide an additional antenna around the upper area of processing chamber B, but this option is still considered if necessary. be able to.
本発明の装置内で処理を実施するため装置を操作する時は,使用される一つ以上の電磁石の磁界強度により、時間の関数として変化する減衰磁界、従ってイオン減衰の時間可変性(time variability)を作ることが可能である。 When operating the apparatus to perform processing within the apparatus of the present invention, the decay field, which varies as a function of time, and therefore the time variability of ion decay, depending on the field strength of one or more electromagnets used. ) Is possible.
1…ウェーハ 2…支持台
3…入口 4…電源
5…マッチング・ユニット
6…通常処理の高さ 7…ポンピングポート
8…下方室 9…電磁石
10…アンテナ 11…円筒管
12…フランジ 13…プレート
14…処理ガスの接続手段 15…窓
16…ガスリング 17…蓋
18…ソレノイド・コイル 19…高密度プラズマ領域
20…磁界線 21…電源
21g…永久磁石
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
10 ...
12…
14 ... Process gas connection means 15 ... Window
16 ...
18 ...
20 ...
21g ... Permanent magnet
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