KR100226556B1 - Vhf/uhf reactor - Google Patents

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KR100226556B1
KR100226556B1 KR1019910013174A KR910013174A KR100226556B1 KR 100226556 B1 KR100226556 B1 KR 100226556B1 KR 1019910013174 A KR1019910013174 A KR 1019910013174A KR 910013174 A KR910013174 A KR 910013174A KR 100226556 B1 KR100226556 B1 KR 100226556B1
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transmission line
energy
chamber
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케네쓰에스.콜린즈
크라이그에이.로데릭
찬-론양
데이비드엔.케이.왕
단마이단
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조셉 제이. 스위니
어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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Abstract

본 발명은 교류 전력(30)을 플라즈마 챔버(33)에 전달하는 저손실의 매우 짧은 전송 선로의 등축의 통합 전송 선로 구조(32)를 이용함으로써 플라즈마 발생용 VHF/UHF 주파수를 효과적으로 사용할 수 있게 하는 플라즈마 처리 반응기(10)를 게시한다. 50 - 800 메가헤르츠 범위의 VHF/UHF 주파수를 사용함으로써 실행 가능한 처리율(분리 또는 동시 에칭 및 증착)을 제공하고 13.56 ㎒ 등의 종래 주파수에 비해 감소된 외장 전압을 가능하게 한다. 따라서, 전기에 민감한 작은 기하학 장치에 대한 손실을 감소시킨다.The present invention utilizes an equiaxed, integrated transmission line structure 32 of a low loss, very short transmission line that delivers alternating current power 30 to the plasma chamber 33, thereby enabling effective use of the VHF / UHF frequency for plasma generation. Post the treatment reactor 10. The use of VHF / UHF frequencies in the 50-800 MHz range provides viable throughput (separation or simultaneous etching and deposition) and allows for a reduced external voltage compared to conventional frequencies such as 13.56 MHz. Thus, the loss for small geometry devices that are sensitive to electricity is reduced.

Description

VHF/UHF(초고주파/극초단파) 반응기 시스템VHF / UHF (Ultra High Frequency / Ultra High Frequency) Reactor System

제1도는 본 발명에 따른 UHF/VHF 플라즈마 반응기 시스템의 개략도.1 is a schematic representation of a UHF / VHF plasma reactor system according to the present invention.

제2도는 제 1 도의 반응기에 포함된 전송 선로 구조의 개략 등가도.2 is a schematic equivalent diagram of a transmission line structure included in the reactor of FIG.

제3도는 매칭 네트워크의 개략 회로도.3 is a schematic circuit diagram of a matching network.

제4도는 제3도의 개략적 회로의 실제 등가회로를 도시한 개략도.4 is a schematic diagram showing an actual equivalent circuit of the schematic circuit of FIG.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 플라즈마 처리 반응기 11 : 하우징10 plasma treatment reactor 11 housing

12 : 플라즈마 챔버의 측벽 15 : 웨이퍼12 sidewall of plasma chamber 15 wafer

18 : 드로틀 밸트 21 : 제어된 방사흐름18: throttle belt 21: controlled radial flow

23 : 배출 분기관 24 : 전도성 스크린23 outlet branch 24 conductive screen

27 : 가스 유입 분기관 30 : 전력 공급원27: gas inlet branch pipe 30: power supply source

31 : 매칭 네트워크 32 : 동축 통합 전송 선로 구조31 matching network 32 coaxial integrated transmission line structure

32C : 웨이퍼 지지 전극, 중앙 콘덕터, 캐소드32C: wafer support electrode, center conductor, cathode

32I : 절연체 32O : 외부 콘덕터32I: Insulator 32O: External Conductor

33 : 플라즈마 챔버 53 : 후방 전극33: plasma chamber 53: rear electrode

C1 : 가변 션트 커패시터 C2 : 가변 직렬 캐퍼시터C1: variable shunt capacitor C2: variable series capacitor

본 발명은 RF 플라즈마 처리 반응기에 관한 것이며, 더 상세히는 플라즈마를 발생시키기 위해 UHF/VHF 에너지를 이용하는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to an RF plasma processing reactor and, more particularly, to a plasma reactor that uses UHF / VHF energy to generate a plasma.

화학 기상 증착(CVD) 및 반응성 이온 에칭(RIE) 반응기 시스템과 같은 종래의 반도체 처리 시스템에서는, 약 10-500KHz의 저주파수에서 약 13.56-40.68㎒의 고주파를 갖는 RF 에너지를 이용한다. 약 1㎒ 이하에서 이온과 전자는 전기장의 진동이나 플라즈마에 생긴 어떠한 정상 상태의 전기장에 의해서도 가속화된다. 이러한 상대적 저주파에서 웨이퍼에 생기는 전극 시스 전압은 통상적으로 1 또는 그 이상의 킬로볼트 피이크까지이고, 이것은 200-300볼트의 손상 임계치보다 매우 크다. 수 ㎒ 이상에서 전자는 여전히 전기장의 변화에 부합할 수 있다. 더 무거운 이온은 전기장의 변화에 부합할 수 없지만, 정상 상태의 전기장에 의해 가속화된다. 이 주파수 범위(및 실제적인 가스 압력 및 전력 레벨)에서 정상 상태 시스 전압은 수백 내지 1000볼트 또는 그 이상의 범위에 있다.Conventional semiconductor processing systems, such as chemical vapor deposition (CVD) and reactive ion etching (RIE) reactor systems, utilize RF energy with high frequencies of about 13.56-40.68 MHz at low frequencies of about 10-500 KHz. Below about 1 MHz, ions and electrons are accelerated by the vibration of the electric field or by any steady-state electric field in the plasma. At this relatively low frequency, the electrode sheath voltage on the wafer is typically up to one or more kilovolt peaks, which is well above the damage threshold of 200-300 volts. Above a few MHz, the electrons can still respond to changes in the electric field. Heavier ions cannot match the change in the electric field, but are accelerated by the steady state electric field. In this frequency range (and actual gas pressure and power levels), the steady state sheath voltage is in the range of hundreds to 1000 volts or more.

RF 시스템에서 바이어스 전압을 감소시키는 바람직한 방법에는 자장을 플라즈마에 가하는 단계가 포함된다. 이 B장은 전자를 웨이퍼 표면 부근 영역에 한정하고, 이온 전류와 이온 플럭스 밀도를 증가시키고, 그래서 전압과 이온 에너지에 대한 요구를 감소시키도록 한다. 비교에 의하여, 이산화 실리콘을 에칭하기 위한 비자성 RIE 공정은 13.56㎒로 가해진 RF 에너지, 10-15ℓ 체적의 비대칭 시스템, 50밀리토르 압력 및 약 8-10 대 1의 애노드 영역 대 웨이퍼 지지 캐소드 영역의 비율을 가지며 약 800볼트의 웨이퍼(캐소드) 시스 전압을 발생시킬 수 있다. 60가우스의 자장을 적용함으로써 바이어스 전압을 약 25-30%, 즉 800볼트에서 약 500-600볼트로 감소시키는 한편, 에칭률을 약 50% 증가시킬 수 있다.Preferred methods of reducing the bias voltage in an RF system include applying a magnetic field to the plasma. This B field confines electrons to the region near the wafer surface, increasing ion current and ion flux density, and thus reducing the need for voltage and ion energy. By comparison, the non-magnetic RIE process for etching silicon dioxide is based on RF energy applied at 13.56 MHz, 10-15 L asymmetric system, 50 millitorr pressure and about 8-10 to 1 anode area to wafer support cathode area. And can generate about 800 volts of wafer (cathode) sheath voltage. Applying a 60 gauss magnetic field can reduce the bias voltage from about 25-30%, or from 800 volts to about 500-600 volts, while increasing the etch rate by about 50%.

하지만, 웨이퍼에 평행한 정상장 B를 적용하면 E × B 이온/전자 드리프트(drift)와 웨이퍼 직경 방향으로의 플라즈마 밀도 경사(gradient)가 생긴다. 플라즈마 경사는 웨이퍼 전체에 결쳐 불균일성 에칭, 증착 및 다른 막 특성을 초래한다. 불균일성은 웨이퍼 주위의 자장을 회전시킴으로써, 통상적으로는 영구자석의 기계적 이동에 의해 90°의 위상차로 구동되는 전자기 코일 쌍을 사용함으로써, 또는 코일쌍의 전류를 스텝으로 순간적으로 조절하거나 자장을 조절된 비율로 이동시킴으로써 감소될 수 있다. 하지만, 비록 이 자장을 회전시킴으로써 불균일 경사를 감소시킬 수 있지만, 통상 어느 정도의 불균일성이 남는다.However, application of a normal field B parallel to the wafer results in an E × B ion / electron drift and a plasma density gradient in the wafer radial direction. Plasma inclination results in non-uniform etching, deposition and other film properties throughout the wafer. Non-uniformity can be achieved by rotating the magnetic field around the wafer, typically by using a pair of electromagnetic coils driven by a phase difference of 90 ° by mechanical movement of the permanent magnet, or by instantaneously adjusting the coil pair's current in steps or adjusting the magnetic field. Can be reduced by moving in proportion. However, although the non-uniform tilt can be reduced by rotating this magnetic field, some non-uniformity usually remains.

또한, 자장은 창, 슬릿 밸브, 하드웨어 및 다른 불연속부의 존재로 인해 변하기 쉬운 타고난 부수적 단점이 있다. 그래서, 자장을 이용하기 위해서는 자장의 기하학적 및 여러 부품의 효과를 감안하여 매우 주의깊게 챔버를 설계해야 한다.In addition, the magnetic field has a natural inherent disadvantage that is variable due to the presence of windows, slit valves, hardware and other discontinuities. Therefore, in order to use the magnetic field, it is necessary to design the chamber very carefully in consideration of the geometry of the magnetic field and the effects of various parts.

마지막으로, 코일, 특히 하나의 챔버에 대해 2쌍, 또는 그 이상의 코일을 채워서 콤팩트 시스템을 얻기는 어려우며, 이는 특히 헬름 홀쯔 코일 구조 및/또는 공통(common) 로드 록을 둘러싸는 개별 자기-강화 반응기 챔버의 멀티 챔버 시스템을 사용할 때 더욱 그러하다.Finally, it is difficult to obtain a compact system by filling two pairs, or more, of coils, in particular one chamber, which is particularly self-reinforcing reactor surrounding the Helm Holtz coil structure and / or common load locks. This is even more true when using a chamber's multi-chamber system.

발명자 쳉 등의 미합중국 특허 제 4,842,683호에는, 자장 세기 및 방향을 일시적 및 선택적으로 변화시킬 수 있는 능력을 가졌고 콤팩트한 멀티 챔버 반응기 시스템용으로 설계된 특정 반응기 시스템이 공개되어 있다.United States Patent No. 4,842,683 to inventor, et al. Discloses a specific reactor system that has the ability to temporarily and selectively change the field strength and direction and is designed for compact multi-chamber reactor systems.

다른 공지된 반응기 시스템들은 플라즈마를 발생시키기 위해 800㎒이상, 통상적으로 2.45㎓의 주파수의 마이크로파 에너지를 사용한다. 이 기술은 고밀도 플라즈마와 낮은 입자 에너지를 생성하여 전기 유도에 의한 장치의 손상을 최소화시킨다. 하지만, 이산화 실리콘의 RIE와 같은 많은 공정에 있어서, 반응의 최소 반응 문턱 에너지가 초과되어야 한다. 이러한 공정에서 마이크로파 전력 외에 저주파 전력이 공급되어 에너지 장벽을 극복하기에 충분히 높은 전압을 발생시킨다. 그래서, 결과적인 반응기 시스템은 2개의 전력 공급원과 매칭 네트워크를 필요로 하므로 비싸고 복잡한 시스템이 된다.Other known reactor systems use microwave energy at frequencies above 800 MHz, typically 2.45 GHz, to generate the plasma. This technique produces high density plasma and low particle energy, minimizing damage to the device by electrical induction. However, in many processes, such as the RIE of silicon dioxide, the minimum reaction threshold energy of the reaction must be exceeded. In this process, low-frequency power is supplied in addition to the microwave power to generate a voltage high enough to overcome the energy barrier. Thus, the resulting reactor system requires two power sources and a matching network, making it an expensive and complex system.

비록 약 50 내지 800㎒의 비교적 높은 주파수의 VHF/UHF 에너지가 플라즈마 처리 중에 웨이퍼가 나타내는 전압을 줄이기 위한 퍼텐셜을 가지지만, 이 주파수의 에너지는 상업적 정도에서는 어느 반도체 처리 반응기에도 사용되지 않고 있다. 부분적으로 이 실패는 이 범위의 주파수에서 매우 짧은 전송 선로가 요구되기 때문이며, 대체로 챔버로 에너지를 효과적으로 전달하기 위한 엄격한 시스템 설계가 필요하기 때문이다.Although the relatively high frequency VHF / UHF energy of about 50 to 800 MHz has the potential to reduce the voltage that the wafer exhibits during plasma processing, this frequency of energy is not used in any semiconductor processing reactor on a commercial scale. In part, this failure is due to the need for very short transmission lines at frequencies in this range and, in general, because of the strict system design needed to effectively transfer energy into the chamber.

[발명의 요약][Summary of invention]

본 발명의 주요 목적은 플라즈마를 발생시키기 위해 고주파 AC(교류)에너지를 이용하는 플라즈마 반응기를 제공함에 있다.It is a main object of the present invention to provide a plasma reactor that uses high frequency AC (AC) energy to generate plasma.

본 발명의 다른 목적은 플라즈마를 발생시키기 위해 VHF/UHF 에너지를 이용하는 플라즈마 반응기를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a plasma reactor that uses VHF / UHF energy to generate plasma.

본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마를 발생시키기 위해 VHF/UHF 에너지를 시템의 진공 챔버에 인가하는, 엄격한 VHF/UHF 설계요건을 만족시키는 플라즈마 반응기 시스템을 제공함에 있다.It is yet another object of the present invention to provide a plasma reactor system that meets stringent VHF / UHF design requirements for applying VHF / UHF energy to the system's vacuum chamber to generate plasma.

본 발명의 또 다른 목적은 VHF/UHF 에너지와 같은 고주파 에너지를 반응기의 플라즈마 챔버에 효과적으로 가하기 위해 반응기 자체가 전송 선로로 구조로 형성되는 플라즈마 반응기를 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide a plasma reactor in which the reactor itself is formed as a transmission line in order to effectively apply high frequency energy such as VHF / UHF energy to the plasma chamber of the reactor.

본 발명의 또 다른 목적은 처리 플라즈마를 발생시키기 위해 VHF/UHF 에너지를 진공챔버에 효과적으로 가하는 플라즈마 반응기 시스템으로서 여러 콘덕터, 절연체 및 반도체 재료용에 대해 상업적으로 실행 가능한 증착 및 에칭률을 제공하면서도 플라즈마 처리 중에 반도체 장치에 전기적으로 유도되는 손상을 막기 위해, 예를 들어 200-300볼트의 충분히 낮은 전극 시스 전압을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 시스템을 제공함에 있다.Another object of the present invention is a plasma reactor system that effectively applies VHF / UHF energy to a vacuum chamber to generate a treatment plasma while providing commercially viable deposition and etch rates for various conductors, insulators and semiconductor materials. In order to prevent electrical induced damage to semiconductor devices during processing, a plasma reactor system is characterized by a sufficiently low electrode sheath voltage of, for example, 200-300 volts.

한 특징에 의하면, 상기 목적과 다른 목적을 이루는 본 발명은 AC 에너지를 플라즈마 챔버에 직접 가하기 위해 전송 선로 구조로 형성되는 플라즈마 처리 반응기에 의해 구현된다.According to one aspect, the present invention, which achieves the above object, is realized by a plasma processing reactor formed of a transmission line structure for directly applying AC energy to a plasma chamber.

또 다른 특징에 의하면, 본 발명은 플라즈마를 형성하기 위해 AC 에너지를 플라즈마 챔버에 가하는 동축 전송 선로 구조를 시뮬레이트하도록 구성되는, 웨이퍼 지지 전극과 플라즈마 챔버를 포함하는 RF 전력 플라즈마 처리 반응기에 의해 구현된다.According to another feature, the present invention is implemented by an RF power plasma processing reactor comprising a wafer chamber and a wafer support electrode configured to simulate a coaxial transmission line structure that applies AC energy to the plasma chamber to form a plasma.

전송 선로 구조는 약 50-800㎒ 주파수의 AC 에너지를 챔버에 가하는데 적합한 것이 바람직하다.The transmission line structure is preferably suitable for applying AC energy of about 50-800 MHz frequency to the chamber.

전송 선로 구조는 (a)관심의 주파수에서의1/4파장보다 더 짧은 길이나 (b) 관심 주파수에서의1/2파장의 배수(n = 1, 2 ...)로부터 선택된 유효 전기 길이를 제공하는 것이 바람직하다.The transmission line structure (a) shorter than 1/4 of the wavelength at the frequency of interest length or (b) 1/2 multiple of the wavelength at the frequency of interest (n = 1, 2 ...) an effective electrical length selected from It is desirable to provide.

다른 특징에 의하면, 본 발명은 플라즈마 챔버를 형성하는 하우징 ; 하우징내에 위치하는 원통형 웨이퍼 지지 전극수단 ; 반응가스를 플라즈마 챔버에 제공하기 위해 하우징내에 위치하는 가스유입 분기관(manifold) ; 및 선택된 주파수의 AC 에너지를 외부 공급원으로부터 플라즈마 챔버로 가하는데 적합한 통합(integral) 전송 선로 구조를 포함하는 플라즈마 처리 반응기에 의해 구현된다. 전송 선로 구조는 원통형 적극 수단, 원통형 전극 수단을 둘러싸는 외부 콘덕터 및 원통형 전극 수단과 외부 콘덕터 사이의 절연체를 포함하며, 동축 케이블과 같이 원통형 전극 수단을 따라 AC 에너지를 플라즈마 챔버에 가하며, 플라즈마 챔버로부터 챔버 하우징을 경유하여 외부 콘덕터로 AC 에너지를 가한다. 바람직하게는, 플라즈마 처리 반응기가 외부 전극 수단을 둘러싸는 환형 배출 분기관을 가진다. 분기관은 원통형 전극수단을 둘러싸는 전도성 펌핑 스크린(pumping screen)을 가진다. 배출가스는 제어되는 방식으로 웨이퍼 지지 위치의 주위로부터 펌핑 스크린을 통해 진공 펌핑 수단으로 방사형으로 흐른다. 펌핑 스크린은 또한 챔버벽과 외부콘덕터를 전기적으로 연결시켜 전류 경로를 외부 콘덕터까지 완성시킨다.According to another feature, the present invention is a housing forming a plasma chamber; Cylindrical wafer support electrode means located within the housing; A gas inlet manifold located within the housing for providing the reaction gas to the plasma chamber; And an integrated transmission line structure suitable for applying AC energy of a selected frequency from an external source to the plasma chamber. The transmission line structure comprises a cylindrical positive electrode means, an outer conductor surrounding the cylindrical electrode means and an insulator between the cylindrical electrode means and the outer conductor, applying AC energy to the plasma chamber along the cylindrical electrode means, such as a coaxial cable, AC energy is applied from the chamber to the outer conductor via the chamber housing. Preferably, the plasma processing reactor has an annular discharge branch which surrounds the external electrode means. The branch tube has a conductive pumping screen surrounding the cylindrical electrode means. The exhaust gas flows radially from the periphery of the wafer support position through the pumping screen to the vacuum pumping means in a controlled manner. The pumping screen also electrically connects the chamber wall and the outer conductor to complete the current path to the outer conductor.

본 발명은 또한 외부 AC 에너지를 전송 선로 구조에 효과적으로 가하는데 적합한 매칭 네트워크를 포함한다. 바람직한 결합 배치에서, 원통형 전극 수단은 후방 전극을 포함하거나 또는 후방 전극에 연결되고, 외부 콘덕터는 주변 전극을 포함하거나 또는 주변 전극에 연결되고, 매칭 네트워크는 후방 전극과 주변 전극 사이에 연결되는 가변 직렬 커패시터와 가변 션트 커패시터를 포함한다.The invention also includes a matching network suitable for effectively applying external AC energy to the transmission line structure. In a preferred coupling arrangement, the cylindrical electrode means comprises or is connected to the rear electrode, the outer conductor comprises or is connected to the peripheral electrode, and the matching network is connected in series between the rear electrode and the peripheral electrode. Capacitors and variable shunt capacitors.

아하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

1. 반응기 시스템(1)의 개요1. Overview of Reactor System (1)

본 발명을 구현한 고주파 VHF/UHF 플라즈마 처리 반응기(10)가 제 1 도에 도시되어 있다. 나중에 기술될 여러 특징 중 한 특징에 의하면, 반응기 자체의 일부가 고주파 플라즈마 발생 에너지를 매칭 네트워크로부터 플라즈마 챔버(33)로 가하기 위한 전송 선로 구조로 형성된다(참고번호(33)는 챔버와 그 속의 플라즈마를 나타낸다). 이 독특한 통합 전송 선로 구조는 50-800㎒의 주 관심 주파수에서 매칭 네트워크와 부하 사이의 매우 짧은 전송 선로 요건을 만족시킨다. 이로써 낮은 이온 에너지와 낮은 시스 전압하에서 상업적으로 수용 가능한 에칭률 및 증착률을 발생시키기 위해 고주파 플라즈마 발생 에너지를 플라즈마 전극에 효과적으로 조절 가능하게 가할 수 있게 된다. 이 전압은 충분히 낮아서 전기적으로 민감한 반도체 디바이스의 손상을 막을 수 있다. 또한, 본 발명의 VHF/UHF 시스템은 ECR 강화 기술 및 자기 강화 기술과 같은 종래 기술의 단점을 보완한다.A high frequency VHF / UHF plasma processing reactor 10 embodying the present invention is shown in FIG. According to one of several features to be described later, part of the reactor itself is formed in a transmission line structure for applying high frequency plasma generating energy from the matching network to the plasma chamber 33 (reference numeral 33 denotes the chamber and the plasma therein). ). This unique integrated transmission line structure satisfies very short transmission line requirements between the matching network and the load at the primary frequency of interest of 50-800 MHz. This makes it possible to effectively adjust the high frequency plasma generating energy to the plasma electrode to generate commercially acceptable etch rates and deposition rates under low ion energy and low sheath voltage. This voltage is low enough to prevent damage to electrically sensitive semiconductor devices. In addition, the VHF / UHF system of the present invention compensates for the disadvantages of the prior art, such as ECR reinforcement technology and magnetic reinforcement technology.

반응기(10)는 알루미늄이나 다른 적당한 재료로 형성되며 측벽(12), 상부벽(13) 및 하부벽(14)을 가진 진공 챔버 하우징(11)을 포함한다. O링과 같은 진공 시일(34)은 진공-기밀 밀폐를 유지하기 위해 여러 결합 표면들 사이에 삽입된다. 챔버 하우징(11)의 내부는 하나 또는 둘 이상의 펌프를 가진 진공 시스템(16)에 의해 진공화된다. 예를 들면, 진공 시스템(16)은 루우트 송풍기(도시않음)와 기계 펌프(도시않음)에 의해 뒷받침되는 터어보 분자펌프(17)를 포함하며 유속에 관계없이 압력을 조절하는 드로틀 밸브(18)를 통해 챔버(33)와 통한다. 물론 다른 변경도 가능하고 다른 장치도 사용될 수 있다. 예를 들어, 여러 고압 전용 시스템에서는 터어보 분자 펌프(17)가 생략될 수 있다.The reactor 10 is formed of aluminum or other suitable material and includes a vacuum chamber housing 11 having a side wall 12, an upper wall 13 and a lower wall 14. A vacuum seal 34, such as an O-ring, is inserted between the various mating surfaces to maintain a vacuum-tight seal. The interior of the chamber housing 11 is evacuated by a vacuum system 16 having one or more pumps. For example, the vacuum system 16 includes a turbomolecular pump 17 supported by a root blower (not shown) and a mechanical pump (not shown), and a throttle valve 18 for regulating pressure regardless of flow rate. It communicates with the chamber 33 through). Of course, other changes are possible and other devices may be used. For example, the turbo molecular pump 17 may be omitted in many high pressure dedicated systems.

반응가스는 하나 또는 둘 이상의 가압가스 공급원으로부터 컴퓨터 제어 흐름 제어기(도시않음)를 경유하여 경로(19)를 통해 챔버 하우징(11)에 공급되고 가스 유입 분기관(27)을 통해 플라즈마 챔버(33)에 들어간다. 분기관은 샤워 헤드거나 고주파 RF 에너지를 가함으로써 에칭 및/또는 증착 플라즈마를 발생시키기 위해 에칭 가스 및/또는 증착 가스를 플라즈마 챔버(33)에 공급하는 다른 적당한 디자인일 수도 있다. 바람직하게는, 50-800㎒ 주파수의 VHF/UHF 에너지와 같은 고주파 AC 에너지가 전극(32C)(통상 시스템 캐소드라 함), 지지 웨이퍼(15)의 상부면, 그리고 통상 반응기 챔버의 측벽(12), 상부벽(13) 및/또는 분기관(27)을 포함하는 제 2 전극(즉, 시스템 애노느)에 걸쳐 가해진다. 또한 다른 실시예도 가능하다. 예를 들면, 고압 및/또는 약 1:1(애노드영역:캐소드영역=1:1)의 전극 영역비가 바람직한 경우에, 플라즈마로부터 챔버 벽을 전기 절연시키는 것, 챔버 벽과 절연된 2개의 전극을 사용하는 것이 챔버 벽을 애노드로 이용하는 것보다는 차라리 바람직할 수 있다.The reactant gas is supplied from the one or more sources of pressurized gas to the chamber housing 11 via a path 19 via a computer controlled flow controller (not shown) and through the gas inlet branch 27 to the plasma chamber 33. Enter The branch tube may be of another suitable design for supplying the etching gas and / or deposition gas to the plasma chamber 33 to generate an etching and / or deposition plasma by applying a shower head or high frequency RF energy. Preferably, high frequency AC energy, such as VHF / UHF energy, at a frequency of 50-800 MHz is applied to the electrode 32C (commonly referred to as the system cathode), the top surface of the support wafer 15, and the sidewall 12 of the reactor chamber typically. , A second electrode (ie, system anode) comprising an upper wall 13 and / or branching pipe 27. Other embodiments are also possible. For example, if an electrode region ratio of high pressure and / or about 1: 1 (anode region: cathode region = 1: 1) is desired, electrically insulating the chamber wall from the plasma, two electrodes insulated from the chamber wall It may be preferable to use rather than to use the chamber wall as an anode.

반응기 챔버 시스템(11)이 가질 수 있는 다른 특징에는 가스 유입 분기관(27)의 내부 및/또는 외부 온도를 어느 값 이상이나 이하 또는 어느 범위 이내로 유지하기 위한 유체 열 전달 매체의 사용 ; 캐소드(32C)를 가열 또는 냉각시키기 위한 유체 열 전달 매체의 사용 ; 캐소드(32C)의 저항성 가열 ; 웨이퍼(15)와 캐소드(32C) 사이에서의 가스 열 전달 매체의 사용 ; 및 웨이퍼(15)를 캐소드(32C)에 클램프시키는 기계적 수단 또는 정전 수단 등이 있다. 이러한 특징은 1989년 10월 10일자 특허된 미국 특허 제 4,872,947호와 1989년 6월 27일자 특허된 미국 특허 제 4,842,683호에 개시되어 있다.Other features that the reactor chamber system 11 may have include the use of a fluid heat transfer medium to maintain the internal and / or external temperature of the gas inlet branch 27 above a certain value, below, or within a certain range; The use of a fluid heat transfer medium to heat or cool the cathode 32C; Resistive heating of the cathode 32C; The use of a gas heat transfer medium between the wafer 15 and the cathode 32C; And mechanical or electrostatic means for clamping the wafer 15 to the cathode 32C. This feature is disclosed in US Pat. No. 4,872,947, filed Oct. 10, 1989 and US Pat. No. 4,842,683, filed June 27, 1989.

본 발명 챔버는 고압 및 저압 동작 모두에 유용한 것이며, 웨이퍼 지지 캐소드(32C)와 가스 유입 분기관(27) 사이의 공간(d)은 고압 및 저압 동작에 적합하도록 맞추어질 수 있다. 예를 들면 500밀리토르 내지 50토르의 고압 조작에서는 공간(d)은 약 5㎝ 이하가 바람직하고, 2 내지 500밀리토르의 저압 조작에서는 공간(d)은 약 5㎝ 이상이 바람직하다. 챔버는 도시된 바와 같은 고정 공간(d)을 포함할 수도 있으며, 또는 교환 신축 가능한 챔버 상부와 같이 가변 공간을 이용할 수도 있다. 반응기(10)는 산화실리콘 및 질화실리콘과 같은 재료의 고압 및 저압 증착 ; 이산화실리콘, 질화실리콘, 실리콘, 폴리실리콘 및 알루미늄과 같은 재료의 저압 이방성 RIE ; 상기한 재료의 고압 플라즈마 에칭 ; 상기한 재료들을 동시 증착 및 에칭하는 것을 포함하는 CVD 패싯(faceting)을 행하는데 유용하다. 반응기(10)가 사용될 수 있는 이러한 공정 및 다른 공정의 예는 발명의 명칭이 VHF/UHF PLASMA PROCESS FOR USE IN FORMING INTEGRATED CIRCUIT STRUCTURES ON SEMICONDUCTOR WAFERS인 콜린즈 등의 미국 특허출원에 게재되어 있다.The chamber of the present invention is useful for both high and low pressure operations, and the space d between the wafer support cathode 32C and the gas inlet branch 27 can be tailored for high and low pressure operation. For example, in the high pressure operation of 500 millitorr to 50 Torr, the space d is preferably about 5 cm or less, and in the low pressure operation of 2 to 500 millitorr, the space d is preferably about 5 cm or more. The chamber may comprise a fixed space d as shown, or may use a variable space, such as an exchangeable stretchable chamber top. The reactor 10 includes high pressure and low pressure deposition of materials such as silicon oxide and silicon nitride; Low pressure anisotropic RIE of materials such as silicon dioxide, silicon nitride, silicon, polysilicon and aluminum; High pressure plasma etching of the above materials; It is useful for performing CVD faceting, which involves co-deposition and etching of the above materials. Examples of such and other processes in which reactor 10 may be used are disclosed in US patent applications such as Collins, which is named VHF / UHF PLASMA PROCESS FOR USE IN FORMING INTEGRATED CIRCUIT STRUCTURES ON SEMICONDUCTOR WAFERS.

바람직하게는, 가스 유입 분기관(27)으로부터의 가스흐름이 웨이퍼(15)쪽으로 하향된 후 웨이퍼(15)로부터 바깥으로 방사형으로 펌프된다. 이를 위해 캐소드 전송 선로 구조(32)에 대해 환형 진공 배출 분기관(23)이 형성되는데, 한 측면은 챔버벽(12), 다른 측면은 외부 전송 선로 콘덕터(320), 하부는 챔버 하부벽(14), 그리고 상부는 전도성 펌핑 스크린(24) 사이로 한정된다. 스크린(24)은 배출 분기관(23)과 플라즈마 챔버(33)사이에 삽입되어 전송 선로 구조(32)의 외부 콘덕터(320)와 챔버 측벽(12)사이에 도전성 경로를 제공한다. 배출 분기관(23)은 웨이퍼(15) 주위로부터 배출 가스를 균일하게 방사 펌핑하기 위한 환형 펌핑 채널을 형성한다. 배출 분기관(23)은 하부벽에 있는 하나 또는 둘 이상의 구멍(26)을 경유하여 배출 가스 시스템(16)으로 통한다. 모든 가스는 경로(19)를 따라 가스 유입 분기관(27)으로, 유입 분기관으로부터 경로(20)를 따라 웨이퍼(15)쪽으로, 웨이퍼 주위 모서리로부터 경로(21)를 따라 방사형으로 바깥쪽으로, 그리고 스크린(24)을 통해 가스 배출 분기관(23)으로, 그리고 나서 배출 분기관(23)으로부터 경로(22)를 따라 배기 시스템(16)으로 흐른다.Preferably, the gas flow from the gas inlet branch 27 is pumped radially outward from the wafer 15 after downwardly directed toward the wafer 15. To this end, an annular vacuum discharge branch 23 is formed for the cathode transmission line structure 32, one side of the chamber wall 12, the other side of the outer transmission line conductor 320, and the bottom of the chamber bottom wall ( 14, and the upper portion is defined between the conductive pumping screen 24. The screen 24 is inserted between the outlet branch 23 and the plasma chamber 33 to provide a conductive path between the outer conductor 320 of the transmission line structure 32 and the chamber sidewall 12. The outlet branch 23 forms an annular pumping channel for uniformly radially pumping the exhaust gas from around the wafer 15. The outlet branch 23 communicates to the exhaust gas system 16 via one or more holes 26 in the bottom wall. All gas is along the path 19 to the gas inlet branch 27, from the inlet branch to the wafer 15 along the path 20, radially outward along the path 21 from the edge around the wafer, and It flows through the screen 24 to the gas outlet branch 23 and then from the outlet branch 23 along the path 22 to the exhaust system 16.

제 1 도 및 제 2 도를 참고하면, 전력 공급원(30)으로부터 주파수 50-800㎒의 고주파 VHF/UHF 에너지가 매칭 네트워크(31)에 입력되고 전송 선로 구조(32)에 의해 챔버(33)와 플라즈마에 가해진다.Referring to FIGS. 1 and 2, high frequency VHF / UHF energy with a frequency of 50-800 MHz from the power supply 30 is input to the matching network 31 and transmitted to the chamber 33 by the transmission line structure 32. Is applied to the plasma.

2. 전송 선로 요건2. Transmission line requirements

전송 선로 구조(32)는 매우 낮은 손실을 갖는 동축 전송 선로이고 부하 임피던스(ZL)의 변형을 최소화하도록 매우 짧은 동축 전송 선로이어서 매칭 네트워크(31)가 부하 임피던스와는 다른 임피던스를 나타내지 않게 한다.The transmission line structure 32 is a coaxial transmission line with very low loss and a very short coaxial transmission line to minimize deformation of the load impedance Z L such that the matching network 31 does not exhibit an impedance different from the load impedance.

동축 전송 선로 구조(32)의 특성 임피던스(Z0)는 다음과 같다 :The characteristic impedance Z 0 of the coaxial transmission line structure 32 is as follows:

여기서, μ= μο.μr(투자율);Where μ = μο.μr (permeability);

μr = 1 (비자성 재료에 대해);μr = 1 (for nonmagnetic material);

μo = 4 π × 10-7H/m;μo = 4π × 10 −7 H / m;

∈ = ∈o . ∈r(유전율);∈ = ∈o. R (dielectric constant);

∈r = 비유전율;∈r = relative dielectric constant;

∈o = 8.85 × 10-12F/m;O = 8.85 × 10 −12 F / m;

r0= 외부 콘덕터의 내부 반경;r 0 = inner radius of the outer conductor;

ri= 내부 콘덕터의 반경이다.r i = radius of the inner conductor.

전송 선로 구조가 챔버 내 플라즈마로 종단되는 경우에 전송 선로 구조의 입력 임피던스(Zin)(매칭 네트워크에서 보는 임피던스)는 특성 임피던스 Z0의 함수이다 :If the transmission line structure is terminated with a plasma in the chamber, the input impedance Z in (the impedance seen in the matching network) of the transmission line structure is a function of the characteristic impedance Z 0 :

여기서, ZL= 플라즈마의 부하 임피던스;Where Z L = load impedance of the plasma;

ℓ = 전송 선로의 실제 길이;l = actual length of the transmission line;

β(위상상수) = 2π/λm, λm= 관심 재료에서의 파장;β (phase constant) = 2π / λ m , λ m = wavelength in the material of interest;

λm=, εr= 비유전율, μr= 비투자율,λ m = , ε r = relative dielectric constant, μ r = specific permeability,

λfs(자유공간에서의 파장) = 300 × 106(m/sec) / 주파수(Hz)이다.λ fs (wavelength in free space) = 300 × 10 6 (m / sec) / frequency (Hz).

방정식(2)에 의하면, Z0=ZL이면, 전송 선로의 길이에 관계없이 매칭 네트워크에서는 동일한 임피던스가 보인다. 하지만, 만일 Z0≠ZL이면, 전송선로의 임피던스는 부하 임피던스 ZL을 λ/2 주기의 어느 새로운 임피던스로 변형시킨다. 변형을 최소화하기 위해서 전송 선로는 매우 짧아야 하는데, 즉, 사용된 최고주파수에서의 AC 에너지 파장의 1/10 내지 1/20 이어야 한다. 예를 들면, 종래 기술상의 주파수인 13.56㎒의 경우에 λfs는 훨씬 더 짧아서 약 1m이다. 그래서, 300㎒의 고주파에서는 매칭 네트워크와 플라즈마 부하 사이의 전송 선로 구조가 최대 길이 요건을 초과하지 않도록 0.05-0.1m 이하이어야 한다.According to equation (2), if Z 0 = Z L , the same impedance is seen in the matching network regardless of the length of the transmission line. However, if Z 0 ≠ Z L , then the impedance of the transmission line transforms the load impedance Z L to any new impedance of λ / 2 periods. To minimize distortion, the transmission line should be very short, ie 1/10 to 1/20 of the AC energy wavelength at the highest frequency used. For example, for the prior art frequency 13.56 MHz, λ fs is much shorter, about 1 m. Thus, at high frequency of 300 MHz, the transmission line structure between the matching network and the plasma load should be 0.05-0.1 m or less so as not to exceed the maximum length requirement.

3. 전송 선로 구조(32)3. Transmission line structure (32)

적당한 고주파 동축 전송 선로 설계는 매칭 네트워크로부터 웨이퍼로의 낮은 특성 임피던스를 가진 짧은 전송 선로를 통한 공급로와 전송 선로에 따른 리턴 경로를 요한다. 이 설계는 제 1 도및 제 2 도에 도시된 바와 같이 캐소드(32C), 환형 동심 콘덕터(32O), 및 캐소드(32C)를 둘러싸고 환형 동심 콘덕터(32O)로부터 캐소드를 절연시키고 처리 가스를 변위시키는(그렇게 하지 안으면 절연 파괴됨) 저손실의 무기공(non-porous) 절연체(32I)를 포함하는 전송 선로 구조(32)에 의해 바람직하게 이루어진다. 예를 들면, 테플론TM또는 석영 재료가 바람직한데, 그 이유는 이 재료가 높은 유전강도 및 낮은 비유전율을 가지고 손실이 적기 때문이다. 이 구조의 입력측은 아래에 기술될 방법에 의해 매칭 네트워크에 연결된다. 절연된 캐소드(32C)와 외부 콘덕터(32O)는 매칭 네트워크(31)와 플라즈마(33) 사이에 개별 전류 경로를 제공한다. 제 1 가역 전류 경로(37)는 매칭 네트워크로부터 캐소드(32C)의 외부 주변을 따라 상부 전극면의 플라즈마 시스까지 이어진다. 제 2 가역 전류 경로(38)는 플라즈마 챔버(33)로부터 가스 유입 분기관(27)과 챔버벽(12)의 상측 내부를 따라, 전도성 배출 분기관 스크린(24)을 따라, 외부 콘덕터(32O)의 내부를 경유하여 매칭 네트워크까지 이어진다. 배출 분기관 스크린(24)이 균일 방사 가스 펌핑 시스템과 RF 전류용 리턴 경로의 일부임을 주목해야 한다.A suitable high frequency coaxial transmission line design requires a supply path through the short transmission line with low characteristic impedance from the matching network to the wafer and a return path along the transmission line. This design surrounds the cathode 32C, the annular concentric conductors 32O, and the cathodes 32C and insulates the cathode from the annular concentric conductors 32O, as shown in FIGS. It is preferably made by a transmission line structure 32 comprising a low loss non-porous insulator 32I that displaces (or otherwise breaks down). For example, Teflon or quartz materials are preferred because they have high dielectric strength and low relative permittivity and low losses. The input side of this structure is connected to the matching network by the method described below. Insulated cathode 32C and external conductor 3300 provide separate current paths between matching network 31 and plasma 33. The first reversible current path 37 runs from the matching network along the outer periphery of the cathode 32C to the plasma sheath of the upper electrode surface. The second reversible current path 38 runs from the plasma chamber 33 along the upper inside of the gas inlet branch 27 and the chamber wall 12, along the conductive exhaust branch screen 24, to the outer conductor 32 O. ) To the matching network. It should be noted that the outlet branch screen 24 is part of the uniform radiant gas pumping system and the return path for the RF current.

교류 에너지를 가하는 중에, RF 전류 경로는 도시된 방향과 그 역방향 사이에서 교번된다. 전송 선로 구조(32)의 구성이 동축 케이블식이고, 캐소드(32C)의 내부 임피던스가 높고(외부에 비해), 콘덕터(32O)의 외부면쪽으로 임피던스가 높기 때문에(내부 면에 비해), RF 전류는 동축 전송 선로식으로 캐소드(32C)의 외부면과 외부 콘덕터(32O)의 내부면에 집중된다. 약 50-800㎒인 고 VHF/UHF 동작 주파수에서, 이 전류들은 수십분의 1mm 깊이의 표피 두께로 집중된다. 예를 들어 직경이 4-8 인치인 더 큰 웨이퍼와 이에 비례하는 직경의 캐소드(32C)와 외부 콘덕터(32O)를 사용하면, 전송 선로 구조를 따라 큰 유효 단면적과 낮은 임피던스 전류 경로가 제공된다.During the application of alternating energy, the RF current path alternates between the direction shown and the reverse direction. Since the structure of the transmission line structure 32 is a coaxial cable type, the internal impedance of the cathode 32C is high (compared to the outside), and the impedance is high toward the outside of the conductor 3300 (compared to the inside), and thus the RF Current is concentrated in the coaxial transmission line on the outer surface of the cathode 32C and on the inner surface of the outer conductor 3300. At high VHF / UHF operating frequencies of about 50-800 MHz, these currents are concentrated to skin thicknesses of tenths of a millimeter deep. For example, the use of larger wafers 4-8 inches in diameter with proportional diameter cathodes 32C and outer conductors 32O provides a large effective cross-sectional area and a low impedance current path along the transmission line structure. .

상기 방정식(2)에 나타낸 바와 같이 동축 전송 선로 구조(32)가 특성 임피던스 Z0와 같은 순수 저항으로 종단되면, 매칭 네트워크에서는 전송 선로의 길이에 관계없이 일정한 임피던스 Z0가 보일 것이다. 하지만 여기서는 그렇게 되지 않는데, 그 이유는 플라즈마가 일정한 압력, 전력 및 주파수의 범위에서 동작되며 여러 가지 가스를 포함하며, 이는 전송 선로(32)의 단부에 나타나는 부하 임피던스 ZL을 총괄적으로 변화시키기 때문이다. 부하 ZL이 비이상적(무손실이 아닌) 전송 선로(32)와 매칭되지 않아서, 전송 선로에 존재하는 정재파가 전송 선로와 매칭 네트워크(31) 사이의 저항손실 및 유전 손실 등을 증가시킨다. 비록 매칭 네트워크(31)가 정재파와 이에 따른 매칭 네트워크의 입력에서부터 증폭기 또는 전력 공급원(30)까지의 손실을 제거하는데 사용될 수 있더라도, 매칭 네트워크, 전송 선로 구조(32) 및 챔버 내 플라즈마가 공진 시스템을 이루어 전송 선로 구조(32)와 매칭 네트워크(31)사이의 저항손실 및 유전손실 등을 증가시킨다. 요약하면, 부하 임피던스 ZL은 손실로 인해 매칭되지 않지만 ZL≒ ZO일 때 손실이 가장 작다. 부하의 미스매칭으로 인한 손실을 줄이기 위해, 플라즈마 동작에 관련된 부하 임퍼던스의 범위에 가장 적합한 특성 임피던스 ZO를 가지도록 동축식 전송 선로 구조(32)를 설계한다. 통상적으로 상기 동작 변수와 재료에 있어서, 플라즈마에 의해 전송 선로에 나타나는 직렬 등가 RC 부하 임피던스 ZL은 약 1 내지 30오옴의 저항과 약 50 내지 400 피코패럿의 커패시턴스를 포함한다. 따라서, 최적 값으로 약 10 내지 15 오옴의 부하 임피던스 범위에 중심을 둔 전송 선로의 특성 임피던스 ZO를 선택한다.If the coaxial transmission line structure 32 is terminated with a pure resistance, such as characteristic impedance Z 0 , as shown in equation (2) above, the matching network will show a constant impedance Z 0 regardless of the length of the transmission line. This is not the case here, however, because the plasma is operated at a constant pressure, power and frequency range and contains various gases, which collectively changes the load impedance Z L appearing at the ends of the transmission line 32. . Since the load Z L does not match the non-ideal (non-lossless) transmission line 32, standing waves present in the transmission line increase resistance loss and dielectric loss between the transmission line and the matching network 31, and the like. Although the matching network 31 can be used to eliminate the standing wave and thus the loss from the input of the matching network to the amplifier or power supply 30, the matching network, the transmission line structure 32 and the plasma in the chamber are responsible for the resonant system. As a result, the resistance loss and dielectric loss between the transmission line structure 32 and the matching network 31 are increased. In summary, the load impedance Z L is not matched due to loss, but the loss is smallest when Z L ≒ Z O. To reduce the losses due to mismatching of the load, the coaxial transmission line structure 32 is designed to have a characteristic impedance Z O that is most suitable for the range of load impedances involved in plasma operation. Typically, in the above operating parameters and materials, the series equivalent RC load impedance Z L represented by the plasma on the transmission line includes a resistance of about 1 to 30 ohms and a capacitance of about 50 to 400 picofarads. Therefore, the optimal value selects the characteristic impedance Z O of the transmission line centered on the load impedance range of about 10 to 15 ohms.

방정식(2)에 나타낸 바와 같이, 매칭 네트워크에서 보이는 플라즈마 임피던스의 변형을 막기 위해서는 전송 선로 라인(32)이 매우 짧을 필요가 있다. 바람직한 전송 선로는 1/4 파장인 λ/4 보다 작아야 하고 더 바람직하게는 약 0.05λ 내지 0.1λ이다. 더 일반적으로는, 매칭 네트워크를 부하에 대해 1/4 파장보다 더 짧은 거리에 위치시킬 수는 없지만, 반파장(λ/2)의 정수배(n/2λ, n=1, 2, 3,.... 즉, λ/2, λ, 3/2λ 등)에 해당되는 전송 선로 길이를 사용함으로써 임피던스 변형과 관련하여 반파장 주기를 이용할 수 있다. 더욱 정확히 하면, 바람직한 값은 λ/2 내지 λ/2 + 0.05λ ; λ 내지 λ+0.05λ : 3/2λ 내지 3/2λ+0.05λ등이다. 이 조건하에서 매칭 네트워크는 1/4파장의 홀수배(λ/4, 3/4λ, 5/4λ)로 위치되어서는 안되는데, 그 이유는 1/4 파장부분(즉 n이 홀수인 경우의 n/4λ)이 Zin= Z0 2/ZL이 되도록 ZL을 변형시키며, 통상 ZL이 작기 때문에 Zin이 매우 큰 값으로 되기 때문이다. 따라서 매칭 네트워크는 플라즈마 부하에 매칭될 수 없어서 바람직하지 못한 시스템 공진과 전력손실 없이는 전력을 플라즈마에 전달하기 어렵게 된다.As shown in equation (2), the transmission line line 32 needs to be very short to prevent deformation of the plasma impedance seen in the matching network. Preferred transmission lines should be smaller than λ / 4, which is a quarter wavelength, and more preferably about 0.05λ to 0.1λ. More generally, it is not possible to place the matching network at a distance shorter than 1/4 wavelength to the load, but it is an integer multiple of half wavelength (λ / 2) (n / 2λ, n = 1, 2, 3, ... That is, by using transmission line lengths corresponding to λ / 2, λ, 3 / 2λ, etc., a half-wavelength period can be used in connection with impedance deformation. More precisely, preferred values are λ / 2 to λ / 2 + 0.05λ; λ to λ + 0.05λ: 3 / 2λ to 3 / 2λ + 0.05λ and so on. Under this condition, the matching network should not be located in odd multiples of (1/4) wavelengths (λ / 4, 3 / 4λ, 5 / 4λ) because of the quarter wavelength portion (i.e., when n is odd). This is because Z L is modified such that 4λ) is Z in = Z 0 2 / Z L , and Z in is very large because Z L is small. Thus, the matching network cannot match the plasma load, making it difficult to deliver power to the plasma without undesirable system resonance and power loss.

또한, 전력을 효과적으로 전달하기 위해서는 외부 콘덕터(32O)의 내경(단면 크기)이 중앙 콘덕터(32C)의 외경(단면 크기) 보다는 훨씬 크지는 않아야 한다.In addition, in order to effectively transfer power, the inner diameter (cross section size) of the outer conductor 3200 should not be much larger than the outer diameter (cross section size) of the central conductor 32C.

요약하면, 챔버는 약 50 내지 800㎒의 VHF 또는 UHF 전력을 매칭네트워크(31)로부터 플라즈마(33)로 전달하는 전송 선로 구조를 포함한다. 이 전송 선로 구조(a) 플라즈마 임피던스의 바람직하지 못한 변형을 막기 위해 관심 주파수에서의 1/4 파장에 비해 매우 짧거나, 대안적으로 대략 반파장수의 정수배에 해당되며 ; (b) 플라즈마와 매칭 네트워크 사이의 전송 선로에 존재하는 정재파로 인한 손실을 억제하도록 선택되는 특성 Z0를 가지며 ; (c) 중앙 콘덕터를 단면 크기보다 실질적으로 더 크지 않은 외부 콘덕터 경로 단면 크기를 가진다.In summary, the chamber includes a transmission line structure that delivers VHF or UHF power of about 50 to 800 MHz from the matching network 31 to the plasma 33. This transmission line structure (a) is very short compared to 1/4 wavelength at the frequency of interest to avoid undesired deformation of the plasma impedance, or alternatively corresponds to an integer multiple of approximately half wavelength; (b) has a characteristic Z 0 selected to suppress losses due to standing waves present in the transmission line between the plasma and the matching network; (c) The central conductor has an outer conductor path cross sectional size that is not substantially larger than the cross sectional size.

4. 매칭 네트워크4. Matching Network

전송 선로 구조의 실제 길이를 1/4 파장에 비해 짧게 즉 파장의 1/10또는 1/20 보다 작게 또는 상기한 1/2 파장의 정수배보다 약간 크게 유지시킴으로써, 부하가 전형적인 낮은 직력 RC 임피던스일 때 전송 선로 네트워크에 약간의 유도성 임피던스 성분이 제공된다. 보통 저항성 부하를 매칭 시키기 위해서 L형 네트워크는 커패시턴스와 직렬 연결된 인덕턴스를 필요로 한다. 하지만, 매우 짧은 전송 선로 구조(32)는 매우 낮은 저항과 낮은 임피던스 부하로 종단되므로 매칭 네트 워크에 저항성 성분뿐만 아니라 유도성 성분도 나타낸다. 비록 플라즈마(33)가 RC 부하이지만, 유도성 성분이 존재하므로 매칭 네트워크 내부에 인덕턴스가 필요하지 않게 한다. 이것은 2개의 가변 커패시터를 갖는 간단한 매칭 네트워크를 가능하게 한다.By keeping the actual length of the transmission line structure shorter than 1/4 wavelength, i.e., less than 1/10 or 1/20 of the wavelength or slightly greater than the integer multiple of the aforementioned 1/2 wavelength, when the load is a typical low series RC impedance Some inductive impedance components are provided in the transmission line network. Usually, to match resistive loads, L-type networks require an inductance in series with the capacitance. However, the very short transmission line structure 32 terminates with very low resistance and low impedance loads, thus showing inductive components as well as resistive components in the matching network. Although the plasma 33 is an RC load, the inductive component is present so that no inductance is needed inside the matching network. This enables a simple matching network with two variable capacitors.

제 3 도 및 제 4 도를 참고하면, 바람직한 매칭 네트워크(31)는 매칭 네트워크의 입력과 접지 사이에 연결되는 션트 커패시터 C1과 매칭 네트워크의 입력과 매칭 네트워크의 출력 사이에 연결되고 전송 선로 구조(32)의 입력에 직접 결합되는 직렬 커패시터 C2를 갖는 L형 네트워크이다. 제 3 도 및 제 4 도의 매칭 네트워크 배열은 통상적인 공급원의 출력 저항 임피던스가 50오옴이고 통상적인 플라즈마(33)의 저항 임피던스 성분이 1 내지 50오옴일 때 적합하고, 또한 일반적으로 공급원의 출력 저항성분이 부하의 저항 성분보다 클 때에 적합하다. 만일 플라즈마 부하 임피던스 ZL의 저항부분이 공급원의 출력 저항 임피던스를 초과하면, 매칭 네트워크의 입력 및 출력의 연결은 반대로 된다.3 and 4, a preferred matching network 31 is connected between the input of the matching network and the output of the matching network and the shunt capacitor C 1 connected between the input and ground of the matching network. L-type network with series capacitor C 2 directly coupled to the input of 32). The matching network arrangement of FIGS. 3 and 4 is suitable when the output resistance impedance of a typical source is 50 ohms and the resistive impedance component of a conventional plasma 33 is 1 to 50 ohms, and generally the output resistance component of the source is Suitable when larger than the resistance component of the load. If the resistance portion of the plasma load impedance Z L exceeds the output resistance impedance of the source, the connection of the input and output of the matching network is reversed.

커패시터(C1,C2)는 통상적으로 구리판 또는 은도금 구리판으로 형성된 고정 콘덕터판 및 가공 콘덕터판을 갖는 공기 커패시터이다. 커패시터 C1의 고정 콘덕터판(58)은 매칭 네트워크의 케이스 또는 하우징(50)이며, 접지에 연결된다. 제 1 도를 함께 참조하면, 판(57)은 전력 공급원(30)으로부터의 입력(50)에 연결되고, 실시간 Zin또는 반사 전력에 기초하여 시스템 컴퓨터(60)의 제어하에 모터 M1에 의해 경로(62)를 따라 가동한다. 이 입력은 공지된 방법으로 판의 간격을 조절하여 커패시터의 커패시턴스를 조절하는데 이용된다. 테플론TM또는 다른 적당한 저 손실 고유전강도 재료 박판(61)이 아크를 방지하기 위해 커패시터판(57)과 커패시터판(58)사이에 삽입된다. 제 1 도에서 컴퓨터(60)(또는 분리형 컴퓨터)는 전력 공급원(30)의 동작을 제어하고 관심 범위내에서 적당한 주파수를 선택하여 주어진 공정에 대행 바람직한 전압 및 전력 조합을 선택하는데 편리하게 사용된다. 주파수를 50-800㎒로 높게 선택하여 전압 및 전력을 제어하는 능력은 매우 큰 공정 창(process window)을 제공한다,The capacitors C 1 and C 2 are typically air capacitors having a fixed conductor plate and a processed conductor plate formed of a copper plate or a silver plated copper plate. The fixed conductor plate 58 of the capacitor C 1 is the case or housing 50 of the matching network and is connected to ground. Referring together to FIG. 1, the plate 57 is connected to an input 50 from a power source 30 and is controlled by a motor M 1 under the control of the system computer 60 based on real time Z in or reflected power. Run along path 62. This input is used to adjust the capacitance of the capacitor by adjusting the spacing of the plates in a known manner. Teflon or other suitable low loss high dielectric constant material thin plate 61 is inserted between capacitor plate 57 and capacitor plate 58 to prevent arcing. In FIG. 1 the computer 60 (or discrete computer) is conveniently used to control the operation of the power source 30 and to select a suitable frequency within the range of interest to select the desired voltage and power combination for a given process. The ability to control the voltage and power at high frequencies of 50-800 MHz provides a very large process window.

이와 마찬가지로 구성되는 직렬 커패시터 C2는 테플론TM과 같은 재료로 된 절연성 아크방지형 판(59), 그리고 입력(50)에 연결되어 있으며 C2의 커패시턴스를 변화시키기 위해 커패시터 C1의 경우와 같은 방법으로 모터 M2에 의해 경로(63)를 따라 가동되는 다리(56)를 포함한다. 고정식 다리(55)는 매칭 네트워크의 출력(52)에 연결되며, 이 출력(52)은 아래로 뻗어있는 콘덕터의 기둥(53)과 결합된 클립(54)을 포함한다. 기둥(530은 캐소드(32C)의 일부이거나 또는 캐소드에 전기적으로 연결된다.Similarly configured series capacitor C 2 is connected to an insulating arc-resistant plate 59 made of a material such as Teflon TM and to the input 50 and in the same way as in the case of capacitor C 1 to change the capacitance of C 2 . And a leg 56 which is moved along the path 63 by the motor M 2 . The stationary leg 55 is connected to the output 52 of the matching network, which includes a clip 54 coupled with the pillar 53 of the conductor extending downward. Pillar 530 is part of cathode 32C or is electrically connected to the cathode.

통상적으로 2개의 가동식 커패시터 다리는 구리와 같은 재료로 형성된 콘덕터 스트랩에 의해 입력(50)에 전기적으로 연결된다. 반응기 챔버 하우징(12)의 하부와 매칭 네트워크 케이스(35)의 상부 사이의 환형 전극(64)이 매칭 네트워크(31)와 외부 콘덕터(32O)를 동일 퍼텐셜, 즉 시스템 접지로 연결하고, 매칭 네트 워크의 출력(52)과 함께 매칭 네트워크(31)와 전송 선로 구조(32) 사이에 필요적 동축 케이블 식 결합 또는 종단을 수립한다. 또한, 이 구조는 시스 전압들이 다를 때 직류 바이어스를 막기 위해서 매칭 네트워크를 전송 선로 구조에 용량성 결합시킨다.Typically two movable capacitor legs are electrically connected to input 50 by conductor straps formed of a material such as copper. The annular electrode 64 between the bottom of the reactor chamber housing 12 and the top of the matching network case 35 connects the matching network 31 and the outer conductor 3300 with the same potential, ie, system ground, and the matching net. The required coaxial cable coupling or termination is established between the matching network 31 and the transmission line structure 32 together with the output 52 of the work. This structure also capacitively couples the matching network to the transmission line structure to prevent direct current bias when the sheath voltages are different.

통상적인 공정 변수와 1-30오옴과 직렬 연결된 50 내지 400 피코페럿의 플라즈마 RC 임피던스에 대해, C1과 C2는 약 10 내지 400 피코패럿의 범위에 걸쳐 변할 것이다. 물론, 매우 짧은 전송 선로 조건이 만족되지 않는 경우에는 인덕터가 C2와 직렬로 연결될 필요가 있다. 이 분야의 기술자들은 본 발명의 시스템에 적합한 다른 표준 매칭 네트워크 배열을 쉽게 유도 및 이용할 수 있을 것이다. 예를 들면 저주파 동작에서는 임의의 인덕터가 C2와 직렬로 연결되어 사용될 수 있다. 또한, 매칭 네트워크는 별개의 직류 차단 커패시터를 가질 수 있다.For a plasma RC impedance of 50 to 400 picoferrets in series with typical process variables and 1-30 ohms, C 1 and C 2 will vary over a range of about 10 to 400 picofarads. Of course, if very short transmission line conditions are not met, the inductor needs to be connected in series with C 2 . Those skilled in the art will readily be able to derive and use other standard matching network arrangements suitable for the system of the present invention. For example, in low frequency operation, any inductor can be used in series with C 2 . In addition, the matching network may have a separate DC blocking capacitor.

Claims (17)

플라즈마 처리 반응기에 있어서, (a) 플라즈마 챔버를 한정하는 벽을 가진 하우징; (b) 웨이퍼 지지 위치를 한정하는, 상기 플라즈마 챔버내의 웨이퍼 지지 원통형 전극 수단; (c) 반응 가스를 상기 플라즈마 챔버로 공급하기 위해 상기 하우징에 위치한 가스 유입 분기관; (d) 진공 펌프 수단 ; 그리고 (e) 외부 공급원으로부터 상기 플라즈마 챔버로 선택된 주파수의 AC 에너지를 인가하는 통합 전송 선로 구조체를 포함하며, 상기 통합 전송 선로 구조체는, (ⅰ) 상기 원통형 전극 수단 ; (ⅱ) 상기 원통형 전극 수단을 둘러싸는 외부 콘덕터; (ⅲ) 상기 외부 콘덕터를 상기 플라즈마 챔버 벽에 전기적으로 연결시키는 전기적 연결 수단 ; 그리고 (ⅳ) 상기 원통형 전극 수단과 상기 외부 콘덕터 사이의 절연체를 포함하며, 상기 전송 설로 구조체에 인가된 AC 에너지는 동축 케이블식으로 상기 원통형 전극 수단을 따라 상기 플라즈마 챔버로 연결되며 상기 플라즈마 침버로부터 상기 외부 콘덕터로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.A plasma processing reactor, comprising: (a) a housing having a wall defining a plasma chamber; (b) wafer supported cylindrical electrode means in the plasma chamber defining a wafer support position; (c) a gas inlet branch located in the housing for supplying a reaction gas to the plasma chamber; (d) vacuum pump means; And (e) an integrated transmission line structure for applying AC energy of a selected frequency from said external source to said plasma chamber, said integrated transmission line structure comprising: (i) said cylindrical electrode means; (Ii) an outer conductor surrounding said cylindrical electrode means; (Iii) electrical connection means for electrically connecting said outer conductor to said plasma chamber wall; And (iii) an insulator between the cylindrical electrode means and the external conductor, wherein AC energy applied to the transmission furnace structure is coaxially connected to the plasma chamber along the cylindrical electrode means and from the plasma chamber. And a plasma processing reactor connected to the external conductor. 제1항에 있어서, 상기 AC 에너지를 상기 전송 선로 구조체에 연결하기 위해 상기 전극 수단과 상기 외부 콘덕터를 접촉시키는 매칭 네트워크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.2. The plasma processing reactor of claim 1, further comprising a matching network for contacting the electrode means and the external conductor to couple the AC energy to the transmission line structure. 제2항에 있어서, 상기 원통형 전극 수단은 기둥 전극에 전기적으로 연결되며, 상기 외부 콘덕터는 주변 전극에 연결되며, 상기 매칭 네트워크는 상기 기둥 전극과 상기 주변 전극 사이에 연결되는 제 1 가변 커패시터와 제 2 가변 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.3. The first variable capacitor of claim 2, wherein the cylindrical electrode means is electrically connected to the pillar electrode, the outer conductor is connected to the peripheral electrode, and the matching network is connected between the pillar electrode and the peripheral electrode. A plasma processing reactor comprising two variable capacitors. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송 선로 구조체의 길이는 선택된 주파수에서의 1/4 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.4. The plasma processing reactor of any one of claims 1 to 3, wherein the length of the transmission line structure is less than 1/4 wavelength at a selected frequency. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 AC 에너지의 주파수는 약 50 내지 800㎒ 범위 내에 있으며, 상기 전송 선로 구조체의 길이는 선택된 주파수에서 1/4 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.4. A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the frequency of the external AC energy is in the range of about 50 to 800 MHz and the length of the transmission line structure is less than 1/4 wavelength at the selected frequency. Plasma treatment reactor. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송 선로 구조체의 길이는 (nλ)/2이며, 여기서 n = 1, 2, 3 ...등이며, 상기 λ는 선택된 주파수에서의 상기 AC 에너지의 파장인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.The transmission line structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the length of the transmission line structure is (nλ) / 2, where n = 1, 2, 3, ..., and Plasma treatment reactor, characterized in that the wavelength of the AC energy. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 AC 에너지의 주파수는 약 50 내지 800㎒ 범위내에서 선택되며, 상기 전송 선로 구조체의 길이는 (nλ)/2이며, 여기서 n = 1, 2, 3 ... 등이며, 상기 λ는 선택된 주파수에서의 파장인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.4. The method of any one of claims 1 to 3, wherein the frequency of the AC energy is selected within the range of about 50 to 800 MHz, wherein the length of the transmission line structure is (nλ) / 2, where n = 1, 2, 3, etc., wherein λ is a wavelength at a selected frequency. 제1항에 있어서, 상기 AC 에너지는 제 1 가변 커패시터와 제 2 가변 커패시터를 포함하는 매칭 네트워크를 통해 상기 전송 선로 구조체에 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.The plasma processing reactor of claim 1, wherein the AC energy is applied to the transmission line structure through a matching network including a first variable capacitor and a second variable capacitor. 제8항에 있어서, 상기 매칭 네트워크는 상기 제 2 가변 커패시터와 직렬 연결되는 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.9. The plasma processing reactor of claim 8, wherein the matching network further comprises an inductor connected in series with the second variable capacitor. 플라즈마 처리 반응기에 있어서, (a) 챔버 ; 그리고 (b) 상기 챔버 내의 전극을 포함하며, 상기 전극은, (ⅰ) 고주파 AC 에너지를 에너지 공급원으로부터 상기 챔버내의 플라즈마에 연결하기 위한 제 1 가역 경로를 제공하는 중심 콘덕터; (ⅱ) 상기 고주파 AC 에너지를 상기 에너지 공급원으로부터 상기 챔버 내의 플라즈마에 연결하기 위한 제 2 가역 경로를 제공하는 동축동심 외부 콘덕터; 그리고 (ⅲ) 상기 중심 콘덕터와 상기 외부 콘덕터 사이에 삽입된 동축 동심 유전체를 포함하며, 상기 전극은 챔버 부하 임피던스와 실질적으로 동일한 특성 전송 임피던스를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.A plasma processing reactor comprising: (a) a chamber; And (b) an electrode in the chamber, the electrode comprising: (i) a central conductor providing a first reversible path for connecting high frequency AC energy from an energy source to a plasma in the chamber; (Ii) a coaxial concentric outer conductor providing a second reversible path for connecting the high frequency AC energy from the energy source to a plasma in the chamber; And (iii) a coaxial concentric dielectric interposed between the center conductor and the outer conductor, wherein the electrode has a characteristic transfer impedance substantially equal to the chamber load impedance. 제10항에 있어서, 상기 고주파 AC 에너지를 상기 에너지 공급원으로부터 상기 전극으로 최적으로 연결하는 매칭 네트워크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.11. The plasma processing reactor of claim 10, further comprising a matching network that optimally connects the high frequency AC energy from the energy source to the electrode. 제10항에 있어서, 상기 중심 콘덕터는 웨이퍼 지지물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.11. The plasma processing reactor of claim 10, wherein the central conductor further comprises a wafer support. 제10항에 있어서, 상기 전극은 5 내지 50오옴의 임피던스를 가진 전송 선로를 더 포함한는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.11. The plasma processing reactor of claim 10, wherein the electrode further comprises a transmission line having an impedance of 5 to 50 ohms. 제10항에 있어서, 상기 고주파 AC 에너지는 50 내지 800㎒의 범위내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.11. The plasma processing reactor of claim 10, wherein the high frequency AC energy is selected in the range of 50 to 800 MHz. 제13항에 있어서, 상기 전송 선로의 길이는 선택된 AC 에너지 주파수에서의 1/4 파장보다 더 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.14. The plasma processing reactor of claim 13, wherein the length of the transmission line is less than a quarter wavelength at a selected AC energy frequency. 제13항에 있어서, 상기 전송 선로의 길이는 (nλ)/2이며, 여기서 n = 1, 2, 3 ... 등이며, 상기 λ는 선택된 AC 에너지 주파수에서의 파장인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.14. The plasma treatment of claim 13, wherein the length of the transmission line is (nλ) / 2, where n = 1, 2, 3, etc., and λ is a wavelength at a selected AC energy frequency. Reactor. 제11항에 있어서, 상기 매칭 네트워크는, (a) 가변 션트 커패시터; 그리고 (b) 가변 직렬 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 반응기.12. The system of claim 11, wherein the matching network comprises: (a) a variable shunt capacitor; And (b) a variable series capacitor.
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