KR20040021653A - 플라즈마 처리 장치 및 기판 탑재대 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 기판 탑재대 Download PDF

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Abstract

플라즈마 처리 장치(15)는 웨이퍼(W)를 수용하여 처리 가스의 플라즈마에 의해 처리하는 처리 용기(20)와, 상기 처리 용기(20)내에 설치되고, 웨이퍼(W)가 탑재되는 적어도 표면이 절연체(27)로 이루어지는 서셉터(23)를 구비하고 있다. 상기 처리 용기(20)내에 가스 공급 수단(60)으로부터 처리 가스가 공급되고, 상기 서셉터(23)에 고주파 전원(39)으로부터 고주파 전력이 인가된다. 상기 서셉터(23)에 고주파 전원(39)과 접속된 하부 전극(25)이 설치되고, 또한 상기 서셉터(23)에 하부 전극(25)과 접속된 노출 전극(29)이 노출하여 설치되어 있다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 기판 탑재대{PLASMA TREATING DEVICE AND SUBSTRATE MOUNTING TABLE}
반도체 제조 공정에 있어서는, 피처리체인 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼라고 함)에 플라즈마을 이용하여 에칭, CVD 성막 등의 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다. 이와 같은 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 진공의 처리 용기내에 설치된 탑재대 또는 하부 전극상에 웨이퍼를 탑재하고, 처리 용기내에 플라즈마를 발생시키며, 이 플라즈마에 의해서 웨이퍼 표면에 소정의 플라즈마 처리를 실시하도록 한다.
상기의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 웨이퍼를 탑재하는 탑재대 또는 그 안에 매설(埋設)된 하부 전극에 고주파 전력을 인가함으로써 탑재대 또는 하부 전극에 부(負)의 자기 바이어스 전압(VDC)을 발생시키고, 이 자기 바이어스 전압에 의해 플라즈마중의 이온을 웨이퍼로 끌어당겨 플라즈마 처리를 촉진하는 기술이 알려져 있다. 이 경우, 자기 바이어스 전압은 웨이퍼에 입사하는 이온의 각도, 에너지 등을 크게 좌우하고, 예컨대 플라즈마 에칭을 실행하는 경우에는, 자기 바이어스 전압이 지나치게 크면 웨이퍼 표면이 손상을 받는 등의 문제가 발생하고, 지나치게 작으면 이온의 작용이 불충분해진다. 따라서, 플라즈마 처리를 적절하게 실행하기 위해서는, 플라즈마 처리중인 자기 바이어스 전압을 검출하여, 그 크기를 조절하는 것이 바람직하다.
이 때문에, 일본국 특허 공개 공보 제 1996-335567호에는, 웨이퍼가 탑재되는 하부 전극과, 웨이퍼 주변에 이 하부 전극과 도통한 측정 전극을 갖고, 하부 전극에 고주파 전력을 공급하는 급전(給電) 경로에 있어서의 자기 바이어스 전압을 측정하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 고주파 전력이 인가되는 전극의 표면을 절연체에 의해 피복한 구조의 탑재대를 이용하는 경우에는, 상기 공보와 같이 고주파 전력이 인가되는 전극의 급전 경로에 있어서 자기 바이어스 전압을 측정하는 것은 곤란하고, 절연체에 균열 등이 발생하여 전극이 플라즈마에 노출된 경우에 처음으로 자기 바이어스 전압이 검출된다. 따라서, 이와 같은 탑재대를 이용하는 경우, 자기 바이어스 전압은 절연체에 균열 등이 발생한 것을 나타내는 인터록(interlock)적으로 사용되고 있음에 지나지 않는 것이 현 상태이다.
발명의 개시
본 발명은 이러한 사정에 비추어 이루어진 것으로, 표면이 절연체에 의해 피복된 구조의 탑재대를 이용하면서, 플라즈마 처리중에 그 내부의 고주파 전극의 자기 바이어스 전압을 측정하는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 그 표면이 절연체에 의해 피복되고, 또한 플라즈마 처리중에 그 안의 고주파 전극의 자기 바이어스 전압을 측정하는 것이 가능한 기판 탑재대를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 피처리 기판을 수납하여 처리 가스의 플라즈마에 의해 처리하는 처리 용기와, 상기 처리 용기내에 설치되고, 또한 절연체 부재로 구성된 탑재대 본체를 갖고, 피처리 기판이 탑재되는 기판 탑재대와, 상기 처리 용기내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 수단과, 상기 기판 탑재대에 설치된 고주파 전극과, 상기 기판 탑재대의 고주파 전극에 접속되어, 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원과, 상기 기판 탑재대에 노출하여 설치되고, 상기 고주파 전극과 접속된 노출 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명은, 상기 처리 용기내에 형성된 플라즈마로부터 상기 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류로부터 플라즈마의 자기 바이어스 전압을 측정하는 자기 바이어스 전압 측정 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명은, 상기 처리 용기 외측에 배치되고, 처리 용기내에 유도 전자계를 형성하는 안테나와, 상기 안테나에 고주파 전력을 공급하는 플라즈마용 고주파 전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명은, 상기 노출 전극은 그 표면이 상기 절연체 부재의 표면과 동일면 또는 그것보다 쑥 들어간 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치이다.
본 발명은, 상기 노출 전극은 Ti, SiC, W, Co, Cu, Ni, Mo 및 Ta 중 어느 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명은, 상기 노출 전극은 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판의 외연부보다 외측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명은, 상기 노출 전극은 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판과 동심(同心)의 원주상에 등간격으로 복수 곳에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명은, 상기 기판 탑재대에 설치되고, 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판을 가열하는 발열체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명은, 상기 고주파 전극 및 상기 발열체는 모두 상기 절연체 부재로 구성된 탑재대 본체에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명은, 탑재대 본체에 탑재된 피처리 기판과 노출 전극을 접속하는 도체와, 이 도체를 보호하는 보호 커버를 갖는 측정 지그를 장착 및 분리 가능하게 설치하고, 자기 바이어스 전압 측정 회로는 상기 처리 용기내에 형성된 플라즈마로부터 상기 도체 및 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류로부터 플라즈마의 자기 바이어스 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명은, 노출 전극은 탑재대 본체의 구멍부내에 설치됨과 동시에 구멍부의 상방에 구멍부보다 넓어지는 정부(頂上部)를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리 장치이다.
본 발명은, 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시할 때에 피처리 기판이 탑재되는 기판 탑재대에 있어서, 절연체 부재에 의해 구성된 탑재대 본체와, 탑재대 본체에 설치되고, 고주파 전력이 인가되는 고주파 전극과, 탑재대 본체에 노출하여 설치되고, 상기 고주파 전극과 접속된 노출 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 기판 탑재대이다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 의하면, 고주파 전극과 접속되고, 노출하여 설치된 노출 전극을 구비하기 때문에, 표면 부분이 절연체의 기판 탑재대상에 탑재된 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시할 때에, 플라즈마와 상기 노출 전극을 접촉시킬 수 있어, 고주파 전극의 자기 바이어스 전압을 측정할 수 있다. 구체적으로는, 용기내에 생성된 플라즈마로부터 상기 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류로부터 고주파 전극의 자기 바이어스 전압을 측정하는 자기 바이어스 전압 측정 회로를 구비함으로써, 플라즈마로부터 상기 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류로부터 플라즈마의 자기 바이어스 전압을 측정할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판의 상방 위치와 상기 노출 전극을 연결하는 도체와, 이 도체를 보호하는 보호 커버를 갖는 장착 및 분리 가능한 측정 지그를 더 구비하고, 상기 자기 바이어스 전압 측정 회로가 상기 처리 용기내에 형성된 플라즈마로부터 상기 도체 및 상기 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류에 근거하여 고주파 전극의 자기 바이어스 전압을 측정하는 것으로 함으로써, 피처리 기판의 존재 위치에 있어서의 플라즈마로부터 자기 바이어스 전압을 측정할 수 있어, 측정 정밀도를 보다 높게 할 수 있음과 동시에, 그 계측값을 기준이 되는 자기 바이어스 전압값으로 할 수 있다.
또한, 상기 노출 전극은, 처리 장치내에 노출되어 있으면 무방하지만, 플라즈마의 기판에의 손상 등을 고려하여 기판 주변에 배치하고, 그 표면이 상기 탑재대의 표면과 면일 또는 그것보다 쑥 들어간 위치에 설치되어 있는 것이 바람직하다. 특히, 상기 노출 전극의 표면을 상기 탑재대의 표면보다 쑥 들어간 위치에 설치한 경우에는, 플라즈마 처리중에 상기 노출 전극에 스퍼터가 집중하는 것을 방지할 수 있기 때문에 보다 바람직하다.
또한, 상기 노출 전극은 Ti, SiC, W, Co, Cu, Ni, Mo 및 Ta 중 어느 1종으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예컨대, 다음 공정에서 Ti, W, Co, Cu, Ni, Mo 및 Ta 중 어느 하나를 포함하는 막을 성막하는 경우에는, 그것과 동일한 금속으로 상기 노출 전극을 구성함으로써, 상기 노출 전극이 스퍼터됨으로써 피처리 기판에 부여하는 불순물 오염 등의 악영향을 저감할 수 있다. 또한, SiC에 의해 상기 노출 전극을 구성한 경우에는 Si가 스퍼터되지만, 피처리 기판이 실리콘 웨이퍼인 경우에는 Si상에 스퍼터된 Si가 퇴적되기 때문에 중대한 문제는 되지 않는다.
또한, 상기 노출 전극은 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판의 외연부보다 외측에 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판과 동심의 원주상에 등간격으로 복수 곳에 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상기 노출 전극의 존재에 의해 피처리 기판의 처리가 면내 불균일로 되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 노출 전극은 상기 탑재대의 피처리 기판이탑재되는 상면측에 설치하는 것이 바람직하지만, 이것에 한정하지 않고 탑재대의 측면 또는 하면측 등, 고주파 전극의 자기 바이어스 전압을 측정할 수 있는 가능성이 있으면 설치하는 위치는 문제되지 않는다.
또한, 상기 탑재대에 설치되고, 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판을 가열하는, 표면이 절연체에 의해 피복된 발열체를 더 구비하는 것이 바람직하고, 이 경우에는 상기 고주파 전극 및 상기 발열체는 모두 상기 절연체 부재에 매설된 구성으로 할 수 있다.
본 발명은 플라즈마 처리 장치 및 그것에 이용되는 기판 탑재대에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 플라즈마 처리 장치가 적용되는 프리클리닝(precleaning) 장치를 구비한 금속 성막 시스템을 도시하는 개략 구성도,
도 2는 도 1에 도시한 프리클리닝 장치의 개략 단면도,
도 3은 도 2에 도시한 정합기를 구성하는 회로의 일례를 도시하는 회로도,
도 4는 도 2에 있어서의 서셉터 및 그 근방을 도시하는 단면도,
도 5는 도 2에 있어서의 서셉터 및 그 근방을 도시하는 평면도,
도 6은 노출 전극 및 섀도우 링의 변형예를 설명하기 위한 서셉터 및 그 근방을 도시하는 확대 단면도,
도 7은 도 2에 도시한 프리클리닝 장치에 의해 프리클리닝을 실행하고 있는 상태의 등가 회로를 도시하는 회로도,
도 8은 하부 전극에 인가되는 고주파 전원의 출력과 측정된 자기 바이어스 전압과의 관계를 나타내는 그래프,
도 9는 별도의 프로세스 조건으로 한 경우에 있어서의, 하부 전극에 인가되는 고주파 전원의 출력과 측정된 자기 바이어스 전압과의 관계를 나타내는 그래프,
도 10은 자기 바이어스 전압과 에칭 속도의 관계를 나타내는 그래프,
도 11은 자기 바이어스 전압과 에칭 균일성의 관계를 나타내는 그래프,
도 12는 도 6에 도시하는 형태의 서셉터 부분에 측정 지그를 장착한 상태를 도시하는 단면도,
도 13은 도 12의 측정 지그를 도시하는 사시도,
도 14는 서셉터 본체상 및 웨이퍼 주위에 석영 마스크를 설치한 상태를 도시하는 단면도,
도 15는 바이패스 파워와 자기 바이어스 전압의 관계를 나타내는 도면,
도 16은 측정 지그를 이용한 경우와, 측정 지그를 이용하지 않는 경우의 자기 바이어스 전압을 나타내는 도면,
도 17은 측정 지그를 이용한 경우와, 측정 지그를 이용하지 않는 경우의 자기 바이어스 전압과 에칭 속도와의 관계를 나타내는 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 프리클리닝 장치를 구비한 금속 성막 시스템을 도시하는 개략 구성도이다. 이 금속 성막 시스템(1)은 중앙에 반송실(10)이 배치되고, 그 주위에 2개의 카세트 챔버(11, 12), 탈(脫) 가스용 챔버(13), Ti 성막 장치(14), 본 실시예에 관한 프리클리닝 장치(15), TiN 성막 장치(16), Al 성막 장치(17) 및 냉각 챔버(18)가 설치된 멀티 챔버 타입이다.
이러한 금속 성막 시스템(1)에 있어서는, 콘택트 홀 또는 비어 홀이 형성된 반도체 웨이퍼(이하에서 웨이퍼라고 함)(W)에 배리어층을 형성하고, 그 위에서부터 Al(알루미늄)을 홀내에 매립하여 Al층을 형성하며 Al 배선을 형성한다. 구체적으로는, 우선 반송 아암(19)에 의해 카세트 챔버(11)로부터 웨이퍼(W)를 1장 취출하여, 프리클리닝 장치(16)에 장입(裝入)하여 에칭을 실행하여 웨이퍼(W)의 표면에 형성되어 있는 자연 산화막을 제거한다. 다음에, 반송 아암(19)에 의해 웨이퍼(W)를 탈 가스용 챔버(13)에 장입하여 웨이퍼(W)의 탈 가스를 실행한다. 그 후, 웨이퍼(W)를 Ti 성막 장치(14)에 장입하여 Ti막의 성막을 실행하고, 또한 TiN 성막 장치(16)에 장입하여 TiN의 성막을 실행하여 배리어층을 형성한다. 이어서, Al 성막 장치(17)에 의해 Al층을 형성한다. 여기까지로 소정의 성막은 종료하고, 그 후에 웨이퍼(W)는 냉각 챔버(18)에 의해 냉각되어, 카세트 챔버(12)에 수용된다.
이렇게 하여, 예컨대 층간 절연막에 패턴 형성하여 불순물 확산 영역에 관통하는 콘택트 홀이 형성된 웨이퍼(W)상에, 이 불순물 확산 영역 및 층간 절연막상에 형성된 배리어층과, 이 배리어층상에 형성되어 불순물 확산 영역과 도통하는 금속층을 갖는 장치가 제조된다.
다음에, 상기 금속 성막 시스템(1)에 탑재되어 있는 본 발명의 일 실시예에관한 프리클리닝 장치(15)에 대하여 상세히 설명한다. 도 2는 프리클리닝 장치(15)를 도시하는 개략 단면도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 프리클리닝 장치(15)는 상부가 개구된 바닥을 구비한 원통형상의 챔버(21)와, 챔버(21)의 상방에 후술하는 가스 공급부(45) 및 개스킷(46)을 거쳐서 연속적으로 설치된 덮개를 구비한 원통형상의 벨자(bell jar)(22)로 이루어지는 처리 용기(20)를 갖고 있다.
챔버(21)내에는, 그 상부에서 피처리체인 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위한 서셉터(기판 탑재대)(23)가 원통형상의 지지 부재(32)에 지지된 상태로 배치되어 있다. 이 서셉터(23)는 AlN, Al2O3등의 세라믹과 같은 절연체로 이루어지는 서셉터 본체(탑재대 본체)(27) 안에, 바이어스 전압을 인가하는 하부 전극(25)과, W, Mo 등으로 이루어지는 발열체(26)가 매설되어 구성되어 있고, 서셉터 본체(27)와 발열체(26)에 의해 세라믹 히터를 구성한다. 발열체(26)에는 직류의 전원(41)이 접속되고 있고, 전원(41)으로부터 급전(給電)함으로써 발열체(26)를 가열 상태로 하여, 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 가열할 수 있다.
서셉터(23)의 상방에는, 서셉터(23)에 탑재된 웨이퍼(W)의 에지를 피복하도록, 석영, AlN 등의 유전체로 이루어지는 환상의 섀도우 링(30)이 설치되어 있다. 이 섀도우 링(30)은 그 하면에 접속된 지지 기둥(33)을 거쳐서 환상부재(34)에 연결되어 있고, 환상부재(34)에는 접속부재(36)를 거쳐서 승강 기구(37)가 접속되어 있다. 이 승강 기구(37)에 의해 접속부재(36)를 승강시킴으로써, 환상부재(34), 지지 기둥(33) 및 섀도우 링(30)을 일체적으로 승강시키는 것이 가능하다. 또한,접속부재(36)의 주위는 벨로우즈(35)에 의해 둘러싸여 있고, 처리 용기(20)내의 분위기가 접속 부재(36) 근방으로부터 외부에 누출되는 것이 방지되어 있다. 이 섀도우 링(30)은 웨이퍼(W)의 에지를 마스크함과 동시에, 웨이퍼(W) 표면상에 균일한 밀도의 플라즈마를 형성하기 위해서 웨이퍼(W)의 외측 주연부를 유전체에 의해 커버함으로써 플라즈마를 웨이퍼(W) 측에 포커스하는 포커스 링으로서의 기능까지도 갖고 있다. 이 섀도우 링(30)은 챔버(21)내에 웨이퍼(W)를 반입하여, 서셉터(23)를 관통하여 상하 구동하는 웨이퍼 지지 핀(도시하지 않음)상에 수수할 때에는 소정 위치까지 상승되고, 상기 웨이퍼 지지 핀상에 웨이퍼(W)가 수수된 후에 웨이퍼(W)를 서셉터(23)상에 탑재할 때에는, 상기 웨이퍼 지지 핀과 함께 하강된다.
챔버(21)와 벨자(22) 사이에는, 환상의 가스 공급부(45) 및 개스킷(46)이 설치되어 있고, 이 가스 공급부(45) 내측의 전체 주위에 걸쳐서 형성된 가스 토출 구멍으로부터, 가스 공급 기구(60)로부터 공급되는 가스가 처리 용기(20)내에 공급된다. 가스 공급 기구(60)는 Ar 가스를 공급하는 Ar 가스 공급원(61) 및 H2가스를 공급하는 H2가스 공급원(62)을 갖고 있다. Ar 가스 공급원(61)에는 가스 라인(63)이 접속되고, 이 가스 라인(63)상에 매스 플로우 콘트롤러(67)와 그 전후의 개폐 밸브(65, 69)가 설치되어 있다. 또한, H2가스 공급원(62)에는 가스 라인(64)이 접속되고, 이 가스 라인(64)상에 매스 플로우 콘트롤러(68)와 그 전후의 개폐 밸브(66, 70)가 설치되어 있다. 이들 가스 라인(63, 64)은 가스 라인(71)에 접속되고, 이 가스 라인(71)이 가스 공급부(45)와 접속되어 있다.
벨자(22)는 예컨대 석영과 세라믹재료 등의 전기 절연재료에 의해 형성되고, 그 외측에는 플라즈마 발생 수단으로서의 코일(42)이 권취되어 있다. 코일(42)에는 예컨대 450kHz의 주파수를 갖는 고주파 전원(44)이 정합기(43)를 거쳐서 접속되고, 이 고주파 전원(44)으로부터 정합기(43)를 거쳐서 코일(42)에 고주파 전력을 공급함으로써, 전기 절연 재료를 거쳐서 종모양의 유리그릇(22)내에 유도 전자계가 형성되고, 이에 의해 상기 가스 공급 기구(60)로부터 공급된 가스의 플라즈마가 생성하도록 되어 있다.
상기 하부 전극(25)에는 예컨대 13.56MHz의 주파수를 갖는 고주파 전원(39)이 정합기(38)를 거쳐서 접속되어 있고, 상기한 바와 같이 플라즈마를 생성한 상태로, 이 고주파 전원(39)으로부터 하부 전극(25)에 고주파 전력을 공급함으로써, 하부 전극(25)에 소정의 바이어스 전압이 발생하고, 이에 의해 웨이퍼(W)에 이온이 인입되도록 구성되어 있다. 도 4는 정합기(38)의 회로도이다. 이 정합기(38)는 하부 전극(25) 및 고주파 전원(39) 사이에 개재하여 하부 전극(25)을 부유 전위(floating potential)로 하는 블로킹 콘덴서(81)와, 이 블로킹 콘덴서(81)의 하부 전극(25)측에 일 단부가 접속되고, 하부 전극(25)으로부터의 전류로부터 직류 성분을 취출하는 코일(82)과, 이 코일(82)의 타 단부에 접속된 저항(83) 및 콘덴서(84)와, 저항(83)에 접속된 전압계(85)를 갖고 있다. 콘덴서(84)의 타 단부는 접지되어 있다. 이러한 구성에 의해, 정합기(38)는 고주파 전원(39)으로부터의 고주파 전력을 블로킹 콘덴서(81)를 거쳐서 하부 전극(25)에 공급함과 동시에, 하부 전극(25)으로부터의 전류에 포함되는 직류 전류의 전압을 전압계(85)에 의해서 측정하며, 그 측정 결과가 표시 장치(40)에 출력되도록 되어 있다.
챔버(21)의 저벽에는 배기관(50)이 접속되어 있고, 이 배기관(50)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(51)가 접속되어 있다. 이 배기 장치(51)를 작동시킴으로써, 처리 용기(20)내는 소정의 진공도로 유지 가능하게 되어 있다.
또한, 챔버(21)의 측벽은 개구(47)를 갖고 있고, 챔버(21)의 외측의 개구(47)와 대응하는 위치에는 게이트 밸브(48)가 설치되고, 이 게이트 밸브(48)를 개방으로 한 상태로 웨이퍼(W)가 인접하는 로드 록 실(도시하지 않음)과 챔버(21)내 사이에서 반송되도록 되어 있다.
다음에, 상기 서셉터(23) 및 그 근방의 구조에 대하여 상세히 설명한다. 도 4는 상기 서셉터(23) 및 그 근방을 확대하여 도시하는 단면도이고, 도 5는 평면도이다. 이들에 도시하는 바와 같이, 서셉터 본체(27)의 상면에는 웨이퍼(W)와 대략 동형(同型)으로 오목부(24)가 형성되어 있고, 이 오목부(24)에 웨이퍼(W)가 탑재되도록 되어 있다. 이 오목부(24)의 하방에, 예컨대 Mo, W의 금속 및 그 합금으로 이루어지고, 메쉬 형상으로 형성된 원반형상의 하부 전극(25)이 매설되고, 또한 이 하부 전극(25)의 하방에 발열체(26)가 매설되어 있다. 또한, 서셉터 본체(27) 표면의 오목부(24) 주변에는, 하부 전극(25)에 도달하는 구멍부(28)가 오목부(24)와 대략 동심원상에 등간격으로 4곳에 설치되어 있고, 이들 4곳의 구멍부(28)에는 각각 예컨대 Ti와 같은 금속으로 이루어지는 노출 전극(29)이 하부 전극(25)과 도통하도록 배치되어 있다(도 5 참조). 이 노출 전극(29)은 하부 전극(25)의 자기 바이어스 전압을 측정하기 위해서 설치되어 있다. 그리고, 플라즈마로부터 이 노출 전극(29)을 거쳐서 정합기(38)에 도달하는 자기 바이어스 전압 측정 회로(90)가 형성되어 있다. 이 자기 바이어스 전압 측정 회로(90)에 대해서는 후술한다.
노출 전극(29)은 그 상면이 서셉터 본체(27)의 상면보다 낮아지도록 배치되어 있다. 이와 같이 함으로써 노출 전극(29)이 스퍼터되는 것이 억제되고, 웨이퍼(W)의 오염이 방지된다. 또, 노출 전극(29)의 상면이 서셉터 본체(27)의 상면과 동일면이어도 무방하다. 또한, 구멍부(28)의 직경은 특히 한정되는 것은 아니지만, 지나치게 작으면 후술하는 바와 같이 하여 자기 바이어스 전압을 측정하는 것이 곤란하게 되고, 지나치게 크면, 스퍼터되어, 웨이퍼(W)가 오염되기 때문에, 0.1 내지 10mm 직경으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.5 내지 5mm이다. 노출 전극(29)의 형상은 전형적으로는 원형이지만, 원형에 한정하지 않고, 직사각형, 삼각형, 타원형, 사각형 등이어도 무방하다. 또한, 노출 전극(29)의 위치는 서셉터 본체(27)의 상면에 한정하지 않고, 서셉터 본체(27)의 측면 또는 하면이어도 무방하고, 지지 부재(32)의 측면이어도 무방하다.
또한, 상기 섀도우 링(30)의 서셉터(23)에 형성된 구멍부(28)와 대응하는 위치에는 상하로 관통하는 관통 구멍(31)이 마련되어 있고, 이 관통 구멍(31)을 거쳐서 구멍부(28)내의 노출 전극(29)이 처리 용기(20)내의 플라즈마에 노출되도록 되어 있다.
또, 섀도우 링(30)의 위치 결정 정밀도가 반드시 높지 않은 경우에는, 섀도우 링(30)의 관통 구멍(31)과 노출 전극(29)의 위치가 어긋나서, 정확히 자기 바이어스 전압을 측정할 수 없는 우려가 있다. 이와 같은 것을 피하기 위해서는, 도 6에 도시하는 바와 같이 노출 전극(29)의 상부를 구멍부(28)보다 넓어지는 정부(29a)를 갖는 노출 전극(29')을 설치하고, 섀도우 링(30)의 관통 구멍(31) 아래에 노출 전극(29')의 정부(29a)보다 폭이 넓은 카운터싱크부(countersink)(31a)를 마련하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 섀도우 링(30)의 위치가 다소 어긋나더라도 관통 구멍(31) 아래에 반드시 노출 전극(29')이 존재하는 상태로 할 수 있고, 섀도우 링(30)의 위치가 다소 어긋나더라도, 정밀도 양호하게 자기 바이어스 전압을 측정할 수 있다.
다음에, 이와 같이 구성되는 프리클리닝 장치(15)에 의해 웨이퍼(W)상에 형성된 자연 산화막을 에칭 제거할 때의 동작에 대하여 설명한다.
우선, 게이트 밸브(48)를 개방으로 하여, 금속 성막 시스템(1)의 반송실(10)에 설치된 반송 아암(19)에 의해 챔버(21)내에 웨이퍼(W)를 장입하고, 섀도우 링(30)을 상승시킨 상태로 서셉터(23)로부터 돌출시킨 웨이퍼 지지 핀(도시하지 않음)상에 웨이퍼(W)를 수수한다. 이어서, 상기 웨이퍼 지지 핀 및 섀도우 링(30)을 하강시켜, 웨이퍼(W)를 서셉터(23)상에 탑재하고, 섀도우 링(30)에 의해 웨이퍼(W)의 외주연부를 마스크한다. 그 후, 게이트 밸브(48)를 폐쇄하고, 배기 장치(51)에 의해 처리 용기(20)내를 배기하여 소정의 감압 상태로 하고, 이 감압 상태로 Ar 가스 공급원(61) 및 H2가스 공급원(62)으로부터 처리 용기(20)내에 소정 유량으로 Ar 가스 및 H2가스를 도입하면서, 고주파 전원(44)으로부터 코일(42)에의 고주파 전력의 공급을 개시하여 벨자(22) 내에 유도 전자계를 형성하여 상기 가스의 플라즈마를 생성하고, 활성의 이온 래디컬을 생성시킴과 동시에, 고주파 전원(39)으로부터 서셉터(23)의 하부 전극(25)에 고주파 전력을 공급하고, 그 때에 하부 전극(25)에 인가되는 자기 바이어스 전압에 근거하여 플라즈마중의 이온이 웨이퍼(W)에 인입되며, 이에 의해 웨이퍼(W)상의 자연 산화막이 에칭 제거된다. 이 에칭은 발열체(26)에 의해 웨이퍼(W)를 200 내지 500℃로 가열한 상태로 실행한다.
이 때에, 자기 바이어스 전압은 웨이퍼에 입사하는 이온의 각도, 에너지 등을 크게 좌우하며, 자기 바이어스 전압이 지나치게 크면 웨이퍼 표면이 손상을 받는 등의 문제가 발생하고, 지나치게 작으면 이온의 작용이 불충분해진다. 이 때문에, 본 실시예에서는, 플라즈마로부터 노출 전극(29, 29')을 거쳐서 흐르는 전류에 근거하여 자기 바이어스 전압 측정 회로(90)에 의해 하부 전극(25)의 자기 바이어스 전압을 측정한다.
도 7은 프리클리닝 장치(15)에 의해 플라즈마 에칭을 실행하고 있을 때의 플라즈마, 서셉터(23), 정합기(38) 및 고주파 전원(39)의 등가 회로를 나타내는 회로도이고, 이 회로가 상기 자기 바이어스 전압 측정 회로(90)를 구성한다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 이 등가 회로는 플라즈마 임피던스(Zp)를 갖는 플라즈마(100)와, 플라즈마(100)와 직렬로 접속되고, 서셉터(23)와 플라즈마와의 계면에 형성된 플라즈마 시스(sheath)(101)와, 이 플라즈마 시스(101)와 직렬로 접속된 서셉터(23)와, 전술한 정합기(38) 및 고주파 전원(39)으로 구성되어 있다. 이 플라즈마 시스(101)는 시스 부분의 용량을 나타내는 콘덴서(102)와, 이 계면에 의해전류의 흐름이 제한되는 것을 나타내는 다이오드(103)와, 시스 부분에 의해 이온이 받는 저항을 나타내는 저항(104)이 병렬로 접속된 회로로서 도시되어 있다. 또한, 서셉터(23)는, 서셉터 본체(27)를 플라즈마 및 하부 전극(25)에 의해 사이에 끼워서 구성되는 콘덴서(106)와, 노출 전극(29)을 나타내는 저항(107)이 병렬로 접속된 회로로서 도시되어 있다.
이상과 같은 구성에 있어서, 플라즈마 시스(101)의 저항(104)에는 이온 전류(I ion)가 흐르고, 서셉터(23)에 있어서는 전류의 고주파 성분은 콘덴서(106)를 거쳐서 흐름과 동시에, 콘덴서(106)와 병렬로 접속된 노출 전극(29)에 대응하는 저항(107)에는 직류의 이온 전류(Iion-Expo)가 흘러, 고주파 성분과 직류의 이온 전류(Iion-Expo)가 혼합한 상태로 된다. 이와 같이 고주파 성분과 직류의 이온 전류(Iion-Expo)가 혼합된 전류는 정합기(38)에 도달하고, 그 코일(82)에 의해 고주파 성분이 컷트되어 직류의 이온 전류(Iion-Expo)가 출력되며, 전압계(85)에 있어서 노출 전극(29)에 발생한 자기 바이어스 전압(VDCExpo)이 측정되어, 그것이 표시 장치(40)에 표시된다.
여기서, 노출 전극(29) 상면의 면적의 합계를 A1이라고 하면, Iion-Expo=ensuBA1로 나타낼 수 있다(단지, ns는 플라즈마 시스 단부의 이온 농도, uB는 이온의 보옴(Bohm) 속도). 마찬가지로, 하부 전극(25)의 면적을 A2로 하여, 하부 전극(25)을 흐르는 전류를 Iion-electrode라고 하면, Iion-electorode=ensuBA2로 나타낼 수 있다. 즉, Iion-electrode=(A2/A1)Iion-Expo이다. 한편, 저항(107)의 저항을 r로 하고, 저항(83)의 저항값을 R로 하면, 노출 전극(29)에 발생한 자기 바이어스 전압 VDCExpo는 VDCExpo=(r+R)Iion-Expo로 나타낼 수 있고, r에 대하여 R을 충분히 큰 값으로 하면, VDCExpo≒RIion-Expo와 근사할 수 있다. 또한, 하부 전극(25)에 발생하는 자기 바이어스 전압 VDCelectrode는 마찬가지로 VDCelectrode=RIion-electrode로 나타낼 수 있다. 이들의 관계로부터, VDCelectrode=R(A2/A1)VDCExpo/R=(A2/A1)VDCExpo로 된다.
이상과 같이 하여, 자기 바이어스 전압 측정 회로(90)에 의해 노출 전극(29)에 발생한 자기 바이어스 전압 VDCExpo가 측정되어, 그 값이 표시 장치(40)에 표시된다. 그리고, 표시된 VDCExpo의 값에 계수(A2/A1)를 곱함으로써, 하부 전극(25)에 발생한 자기 바이어스 전압 VDCelectrode를 실시간으로 구할 수 있다. 물론, 연산 장치를 개재시켜 자기 바이어스 전압 VDCelectrode가 직접 표시되도록 하여도 무방하다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 노출 전극(29)을 거쳐서, 플라즈마를 생성하고 있을 때의 하부 전극(25)의 자기 바이어스 전압을 측정할 수 있다. 따라서, 측정된 자기 바이어스 전압이 적정한 값으로 되도록 고주파 전원(39)의 출력을 설정함으로써, 웨이퍼(W)에 손상을 부여하지 않고서, 플라즈마를 이용한 프리클리닝을 적절하게 실행하는 수 있어, 웨이퍼(W)상에 형성된 CoSi2막, WSi막, W막, Cu막, TiSi, TiN, TaN, NiSi, MoSi 등의 금속막 또는 금속실리사이드막, 기타 여러 종류의 막을 대기에 폭로한 경우와 상기 막을 에칭, CMP 처리했을 때에 상기 막상에 형성된 손상층과 자연 산화막을 적절히 제거할 수 있다.
이 경우에, 이러한 플라즈마를 이용한 프리클리닝을 하고 있을 때에, 실시간으로 하부 전극(25)의 자기 바이어스 전압을 파악하여, 그 값이 적절한 값으로 되도록 고주파 전원(39)의 출력을 제어하도록 할 수도 있고, 또한 미리 더미 웨이퍼을 이용하여 프리클리닝할 때의 고주파 전원의 출력과 하부 전극의 자기 바이어스 전압과의 관계, 및 하부 전극의 자기 바이어스 전압과 에칭레이트 등의 에칭성과의 관계를 구하여 놓고, 이 관계로부터, 적정한 에칭을 실행할 수 있는 적정한 자기 바이어스 전압을 구하며, 그와 같은 적정한 자기 바이어스 전압으로 되도록 고주파 전원(39)의 출력을 설정하여 실제의 프리클리닝 처리를 실행하도록 하더라도 무방하다. 이와 같이 하여 프리클리닝함으로써, CoSi2막, WSi막, W막, Cu막, TiSi, TiN, TaN, NiSi, MoSi 등의 금속막 또는 금속실리사이드막, 그 박의 각종의 막을 대기에 폭로한 경우와 상기 막을 에칭, CMP 처리했을 때에 상기 막상에 형성된 손상층과 자연 산화막을 적절하게 제거할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 하부 전극의 자기 바이어스 전극을 측정하여 그 값이 적절한 범위로부터 벗어난 경우에, 그 때의 웨이퍼(W)를 불량품으로서 픽업할 수도 있다.
이와 같이 플라즈마에 의해 프리클리닝을 실행한 후, 배기 장치(51)의 배기량 및 Ar 가스 공급원(61) 및 H2가스 공급원(62)으로부터의 가스 공급량을 조절하여 처리 용기(20)를 반송실(10)과 동등한 진공도로 함과 동시에, 상기 지지 핀을서셉터(23)로부터 돌출시켜 웨이퍼(W)를 들어올리고, 게이트 밸브(48)를 개방으로 하여 반송 아암(19)을 챔버(21)내에 진입시켜 웨이퍼(W)를 취출함으로써, 프리클리닝 장치(15)에 있어서의 공정은 종료한다.
이와 같이 본 실시예에 있어서는, 플라즈마 밀도와 자기 바이어스 전압을 독립적으로 제어할 수 있고, 또한 플라즈마 밀도를 높게 하면서 저 바이어스 전압으로 하는 것이 가능한 유도 결합형 플라즈마를 이용한 프리클리닝 장치에 의해, 하부 전극의 자기 바이어스 전압을 측정하여 이온 인입을 적정하게 제어하면서 웨이퍼(W)의 프리클리닝을 실행하기 때문에, 웨이퍼(W)에 손상을 부여하지 않고서 고효율로 자연 산화막을 제거할 수 있다.
다음에, 본 실시예의 프리클리닝 장치(15)를 이용하여 전술한 프로세스에 의해 프리클리닝을 실행할 때에 자기 바이어스 전압을 측정한 결과를 나타낸다.
도 8은 처리 용기(20)내의 압력 : 66.5mPa(0.5mTorr), 발열체(26)의 가열 온도 : 200℃, 처리 가스 유량 : Ar 가스 0.003L/min(3sccm)의 프로세스 조건으로, 고주파 전원(44)의 출력(도 8에는 ICP 파워로 나타냄. 이하의 도 9도 동일)을 50W, 100W, 250W, 500W, 750W, 1000W로 하고, 각각의 출력에 있어서 고주파 전원(39)의 출력을 100 내지 500W로 변화시킨 경우에 있어서의, 고주파 전원(39)의 출력(도 8에는 바이어스 파워로 나타냄. 이하의 도 9도 동일)과 측정된 자기 바이어스 전압(도 8에는 VDC로 나타냄. 이하의 도 9도 동일)과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 처리 용기(20)내의 압력 : 66.5mPa(0.5mTorr), 발열체(26)의 가열온도 : 200℃, 처리 가스 유량 : Ar 가스 0.008L/min(8sccm), H2가스 0.012L/min(12sccm)의 프로세스 조건으로, 마찬가지로 각종 고주파 전원(44)의 출력에 있어서, 고주파 전원(39)의 출력을 변화시킨 경우에 있어서의, 고주파 전원(39)의 출력과 측정된 자기 바이어스 전압과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 각각의 고주파 전원(44)의 출력에 있어서, 고주파 전원(39)의 출력과 자기 바이어스 전압과의 관계는 직선형상이고, 그 기울기는 고주파 전원(44)의 출력에 따라 상이하다.
또한, 처리 용기(20)내의 압력 : 66.5mPa(0.5mTorr), 발열체(26)의 가열 온도 : 200℃, 처리 가스 유량 : Ar 가스 0.003L/min(3sccm), 고주파 전원(44)의 출력 500W의 프로세스 조건으로, 고주파 전원(39)의 출력과 자기 바이어스 전압과의 관계를 3회 반복하여 조사했다. 그 결과, 3회의 조사는 모두 도 7에 도시한 경우와 동일한 결과를 나타내고, 본 실시예에 있어서 측정되는 자기 바이어스 전압은 재현성 및 신뢰성이 우수한 것이 확인되었다.
다음에, 본 실시예에 있어서 측정되는 자기 바이어스 전압과 에칭 속도 및 에칭 균일성과의 관계를 조사한 결과를 나타낸다.
도 10은 처리 용기(20)내의 압력 : 66.5mPa(0.5mTorr), 발열체(26)의 가열 온도 : 200℃, 처리 가스 유량 : Ar 가스 0.003L/min(3sccm), 고주파 전원(44)의 출력 : 500W, 처리 시간 : 30초의 프로세스 조건으로, 고주파 전원(39)의 출력을 변화시켜 각종 자기 바이어스 전압에 의해 프리클리닝을 2회 실행한 경우에 있어서의, 자기 바이어스 전압과 에칭 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 10으로부터, 자기 바이어스 전압과 에칭 속도는 비례하고 있고, 자기 바이어스 전압의 값을 제어함으로써, 에칭 속도를 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 이 경우의 1회와 2회째의 각각의 프리클리닝에 대하여, 에칭량의 최대값 max, 최소값 min 및 평균값 Ave를 구하고, {(max-min)/(2×Ave)}×100(%)에 의해 산출된 값으로 에칭 균일성을 평가했다. 도 11은, 가로축에 자기 바이어스 전압을 취하고, 세로축에 에칭 균일성의 평가값을 취하여 양자의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 11로부터, 자기 바이어스 전압을 높게 함으로써 우수한 에칭 균일성이 실현되는 것을 알 수 있다. 또한, 각각의 자기 바이어스 전압에 있어서의 1회와 2회째의 에칭 균일성의 평가값의 재현성을 보면, 자기 바이어스 전압 0V에서 평가값에 차(差)를 볼 수 있지만, 자기 바이어스 전압 20V 이상에서는 높은 재현성에 의해 우수한 에칭 균일성를 얻을 수 있다. 따라서, 자기 바이어스 전압을 20V 이상으로 함으로써, 균일한 에칭이 실현된다. 보다 바람직한 자기 바이어스 전압은 50V 이상이다.
이상과 같이, 프리클리닝의 에칭 속도 및 에칭 균일성은 자기 바이어스 전압과 밀접한 관계를 갖고 있고, 따라서 자기 바이어스 전압을 측정하여, 그 값을 소망하는 값으로 제어함으로써, 프리클리닝의 에칭 속도 및 에칭 균일성을 소망하는 대로) 제어할 수 있는 것이 확인되었다.
다음에, 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다.
본 실시예는 종전의 실시예의 장치와 동일한 노출 전극을 설치한 프리클리닝장치에 측정 지그를 장착하여 웨이퍼 표면상의 자기 바이어스 전압을 측정 가능하게 한 것이다. 도 12는 도 6에 도시하는 형태의 서셉터 부분에 본 실시예의 측정 지그를 장착한 상태를 도시하는 단면도이고, 도 13은 본 실시예에 이용한 측정 지그를 도시하는 사시도이다. 또한, 본 실시예에 관한 프리클리닝 장치의 다른 부분은 종전의 실시예와 동일하다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 측정 지그(110)는 웨이퍼(W)의 주연부와 섀도우 링(30)의 관통 구멍(31) 부분에 걸치도록 배치된다. 이 측정 지그(110)는 장착 및 분리 가능하며, 자기 바이어스 전압을 측정할 때에 장착되고, 실제 에칭시에는 분리된다. 이 측정 지그(110)는 웨이퍼(W)의 표면과 노출 전극(29')을 연결하는 전극(111)과, 이 전극(111)을 수용하여 보호하는 케이싱(casing)(112)를 갖고 있다. 전극(111)은 케이싱(112)에 끼워넣어진 상태로 고정되어 있다.
전극(111)은 굴곡된 막대 형상을 이루고, 케이싱(112)의 하방으로 노출하여 수평상태로 웨이퍼(W)의 표면상에 위치되는 웨이퍼 접점부(111a)와, 섀도우 링(30)의 상방으로부터 관통 구멍(31)을 거쳐서 노출 전극(29')에 이르는 노출 전극 접점부(111b)와, 그 사이의 중간부(111c)를 갖고 있다. 중간부(111c)는 섀도우 링(30)에 접촉되지 않도록 굴곡되어 있다. 전극(111)의 재질로서는 Ti가 예시되지만, 이것에 한정하는 것은 아니다.
케이싱(112)은 전극(111)을 피복하도록 형성되고 있고, 도 13에 도시하는 바와 같이, 케이싱(112) 내부에 전극(111)을 끼워넣은 상태로 전극(111)을 따라 수직으로 2분할된 분할부를 용접 또는 용착하고, 전극(111)의 노출부 이외의 부분을 차폐하는 구조로 되어 있다. 이에 의해, 보다 높은 측정 정밀도를 얻을 수 있다. 이 케이싱(112)은 전극(111)의 웨이퍼 접점부(111a)에 대응하는 웨이퍼 측부(112a)와, 섀도우 링(30)상에 놓여지는 섀도우 링 측부(112b)를 갖고 있다. 케이싱(112)은 플라즈마에 내성을 갖는 재료, 예컨대 석영으로 형성되어 있다.
이러한 측정 지그(110)를 이용함으로써, 실제로 자기 바이어스 전압을 구하고자 하는 위치에 있는 웨이퍼(W)의 존재 위치의 플라즈마로부터 전극(111) 및 노출 전극(29')을 거쳐서 자기 바이어스 전압을 측정할 수 있어, 측정 정밀도를 보다 높게 할 수 있음과 동시에, 웨이퍼 근방의 전극에 의해 구한 자기 바이어스 전압값의 기준으로 되는 자기 바이어스 전압값을 얻을 수 있다. 이 때에는, 전술한 도 7을 참조하여 설명한 방법에 준하여 하부 전극의 자기 바이어스 전압을 파악할 수 있다.
다음에, 이와 같은 측정 지그(110)를 이용한 경우와 측정 지그(110)를 이용하지 않고서 노출 전극만의 경우를 비교한 실험 결과에 대하여 설명한다.
여기서는, 상기 실시예와 같이 AlN제의 서셉터 본체(27)상에 웨이퍼(W)를 탑재하며, 섀도우 링(30)을 이용한 경우와, 도 14에 도시하는 바와 같이 섀도우 링(30)을 이용하지 않고서, AlN제의 서셉터 본체(27)의 위 및 웨이퍼(W) 주위에 석영 마스크(30a)를 이용한 경우에 대하여 실험을 실행했다.
도 15는 처리 용기내(20)의 압력 : 66.5mPa(0.5mTorr), 유도 결합 플라즈마 생성용 고주파 전원(44)의 출력 : 500W로 했을 때의, 고주파 전원(39)의 바이어스 파워와 측정된 자기 바이어스 전압과의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 이들의 관계는 모두 직선에 근사되는 것이 확인되었다. 또한, AlN제 서셉터 본체(27)상에 직접 웨이퍼(W)를 탑재하여 섀도우 링(30)을 이용한 경우에는, 측정 지그를 이용한 경우에도 이용하지 않는 경우에도 거의 동일한 관계를 나타내었다. 단지, 석영 마스크를 이용한 경우에는, 동일한 바이어스 파워라 하더라도 자기 바이어스 전압의 절대값이 작아지는 것이 확인되었다.
도 16은 석영 마스크(30a)를 이용한 경우에 있어서, 가로축에 측정 지그(110)를 이용하지 않고서 노출 전극(29')을 이용한 경우의 자기 바이어스 전압(노출 전극 VDC)을 취하고, 세로축에 측정 지그(110)를 이용하여 웨이퍼 존재 위치에서의 자기 바이어스 전압(측정 지그 VDC)을 취하여 이들의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 이들 사이에는 직선 관계가 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 항상 모니터할 수 있는 노출 전극을 이용한 자기 바이어스 전압값으로부터, 웨이퍼 존재 위치에서의 자기 바이어스 전압을 구할 수 있다.
도 17은 AlN제 서셉터 본체(27)상에 직접 웨이퍼(W)를 탑재하여 섀도우 링(30)을 이용한 경우와, 석영 마스크(30a)를 이용한 경우에 있어서, 각각 측정 지그(110)를 이용한 경우와 이용하지 않는 경우에 있어서의 측정된 자기 바이어스 전압과 에칭 속도와의 관계를 나타내는 도면이다. 여기서는, 처리 용기(20)내의 압력 : 66.5mPa(0.5mTorr), 발열체(26)의 가열 온도 : 200℃, 처리 가스 유량 : Ar 가스 0.003L/min(3sccm), 유도 결합 플라즈마 생성용 고주파 전원(44)의 파워를 500W로 하고, 고주파 전원(39)의 바이어스 파워를 변화시킴으로써 자기 바이어스 전압을 변화시켰다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, AlN제 서셉터 본체(27)상에직접 웨이퍼(W)를 탑재하여 섀도우 링(30)을 이용한 경우에는, 측정 지그(110)를 이용한 경우에도 이용하지 않은 경우에도, 거의 동일한 관계를 나타내었다. 또한, 측정 지그(110)를 이용하여 웨이퍼 존재 위치에서 자기 바이어스 전압을 측정한 경우에는, 석영 마스크(30a)를 이용한 경우에도 이용하지 않은 경우에도, 거의 동일한 관계를 나타내었다. 이에 대하여 측정 지그를 이용하지 않은 경우에는, 석영 마스크(30a)를 이용한 경우와 이용하지 않은 경우로, 결과가 상이했다. 즉, 웨이퍼(W)의 존재 위치에서 자기 바이어스 전압을 측정한 경우에는, 그 값과 에칭레이트와의 관계는, 웨이퍼(W)의 베이스에 관련 없지만, 측정 지그를 이용하지 않는 경우에는, 웨이퍼(W)의 베이스에 의해서 그 관계가 변화했다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 일없이 각종 변형 가능하다. 예컨대 상기 실시예에서는 서셉터 본체(27)를 AlN, Al2O3등의 세라믹으로 구성하고, 섀도우 링(30)을 석영, AlN 등으로 구성한 경우에 대하여 도시하였지만, 서셉터 본체(27)를 석영, SiC, Si3N4등으로 구성하여도 무방하고, 섀도우 링(30)을 Al2O3, SiC, Si3N4등으로 구성하여도 무방하다. 단지, 이들의 부재에 Al을 포함하는 재료를 이용한 경우에는 Al이 스퍼터되고, SiC와 Si3N4를 이용한 경우에는 Si가 스퍼터되기 때문에, 석영을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 실시예에서는 금속 성막 시스템(1)에 있어서 프리클리닝후에 Ti 성막 장치(14)에 의해 Ti 성막을 실행하기 때문에, 플라즈마에 의해 스퍼터되는 노출 전극(29)을 Ti로 구성했지만, 프리클리닝후의 성막 프로세스에 따라 노출 전극(29)은 W, Co, Cu, Ni, Ta, SiC, Mo의어느 것으로 구성하여도 무방하다. 또한, 본 발명에 있어서의 서셉터(23)는 상기 구성에 한정하지 않고, 예컨대 전극의 상면만을 절연체에 의해 피복한 구조이어도 무방하다. 또한, 상기 실시예에서는 노출 전극(29)을 하부 전극(25)과는 별개로 설치한 경우에 대하여 나타냈지만, 노출 전극을 별개로 설치하지 않고서, 서셉터 본체(27)의 구멍부(28)의 바닥부에 있어서 하부 전극(25)을 노출시키고, 이 하부 전극(25)이 노출된 부분을 노출 전극으로서 이용하여도 무방하다.
또한, 희가스로서 Ar을 이용한 경우에 대하여 도시했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, Ne, He를 이용하여도 무방하다. 측정 지그에 대해서도 상기 형태에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 실시예에서는 본 발명을 금속 성막 시스템(1)에 탑재된 프리클리닝 장치(15)에 적용한 경우를 나타냈지만, 통상의 플라즈마 에칭 장치와 플라즈마 CVD 성막 장치, 플라즈마 애싱 장치 등에 적용하는 것도 가능하고, 플라즈마의 종류도 상기와 같은 유도 결합형 플라즈마에 한정되지 않고, 용량 결합형 플라즈마이어도 무방하다. 또한, 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 이용한 경우에 대하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고 액정 표시 장치용 유리 기판 등, 다른 기판이어도 무방하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 고주파 전극과 접속되고, 노출하여 설치된 노출 전극을 구비하기 때문에, 표면 부분이 절연체의 기판 탑재대상에 탑재된 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시할 때에, 플라즈마와 상기 노출 전극을 접촉시킬 수 있어, 고주파 전극의 자기 바이어스 전압을 측정할 수 있다. 구체적으로는, 용기내에 생성된 플라즈마로부터 상기 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류로부터 플라즈마의 자기 바이어스 전압을 측정하는 자기 바이어스 전압 측정 회로를 구비함으로써, 플라즈마로부터 상기 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류로부터 고주파 전극의 자기 바이어스 전압을 측정할 수 있다. 따라서, 기판 탑재대가 그 표면을 절연체에 의해 피복된 구조이면서, 자기 바이어스 전압을 측정하면서 플라즈마 처리를 실행하는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치 및 그것에 이용되는 기판 탑재대가 실현된다.

Claims (21)

  1. 피처리 기판을 수납하여 처리 가스의 플라즈마에 의해 처리하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기내에 설치되고, 또한 절연체 부재에 의해 구성된 탑재대 본체를 갖고, 피처리 기판이 탑재되는 기판 탑재대와,
    상기 처리 용기내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 수단과,
    상기 기판 탑재대에 설치된 고주파 전극과,
    상기 기판 탑재대의 고주파 전극에 접속되고, 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원과,
    상기 기판 탑재대에 노출하여 설치되고, 상기 고주파 전극과 접속된 노출 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 용기내에 형성된 플라즈마로부터 상기 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류로부터 플라즈마의 자기 바이어스 전압을 측정하는 자기 바이어스 전압 측정 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 용기 외측에 배치되고, 처리 용기내에 유도 전자계를 형성하는 안테나와,
    상기 안테나에 고주파 전력을 공급하는 플라즈마용 고주파 전원을 구비하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출 전극은 그 표면이 상기 절연체 부재의 표면과 동일면 또는 그것보다 쑥 들어간 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출 전극은 Ti, SiC, W, Co, Cu, Ni, Mo 및 Ta 중 어느 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출 전극은 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판의 외연부보다 외측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출 전극은 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판과 동심의 원주상에 등간격으로 복수 곳에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 탑재대에 설치되고, 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판을 가열하는 발열체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고주파 전극 및 상기 발열체는 모두 상기 절연체 부재로 구성된 탑재대 본체에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    탑재대 본체에 탑재된 피처리 기판과 노출 전극을 접속하는 도체와, 이 도체를 보호하는 보호 커버를 갖는 측정 지그를 장착 및 분리 가능하게 설치하고, 자기 바이어스 전압 측정 회로는 상기 처리 용기내에 형성된 플라즈마로부터 상기 도체 및 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류로부터 플라즈마의 자기 바이아스 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    노출 전극은 탑재대 본체의 구멍부내에 설치되어 있음과 동시에, 구멍부의 상방에 구멍부보다 넓어지는 정상부를 갖는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  12. 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시할 때에 피처리 기판이 탑재되는 기판 탑재대에 있어서,
    절연체 부재에 의해 구성된 탑재대 본체와,
    탑재대 본체에 설치되고, 고주파 전력이 인가되는 고주파 전극과,
    탑재대 본체에 노출하여 설치되고, 상기 고주파 전극과 접속된 노출 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는
    기판 탑재대.
  13. 제 12 항에 있어서,
    피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시할 때에 플라즈마로부터 상기 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류로부터 플라즈마의 자기 바이어스 전압을 측정하는 자기 바이어스 전압 측정 회로를 설치한 것을 특징으로 하는
    기판 탑재대.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 노출 전극은 그 표면이 상기 절연체 부재의 표면과 동일면 또는 그것보다 쑥 들어간 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    기판 탑재대.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 노출 전극은 Ti, SiC, W, Co, Cu, Ni, Mo 및 Ta 중 어느 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    기판 탑재대.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 노출 전극은 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판의 외연부보다 외측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    기판 탑재대.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 노출 전극은 상기 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판과 동심의 원주상에 등간격으로 복수 곳에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는
    기판 탑재대.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 탑재대 본체에 설치되고, 기판 탑재대에 탑재된 피처리 기판을 가열하는 발열체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    기판 탑재대.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 고주파 전극 및 상기 발열체는 모두 상기 탑재대 본체내에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는
    기판 탑재대.
  20. 제 13 항에 있어서,
    탑재대 본체에 탑재된 피처리 기판과 노출 전극을 접속하는 도체와, 이 도체를 보호하는 보호 커버를 갖는 측정 지그를 장착 및 분리 가능하게 설치하고, 자기 바이어스 전압 측정 회로는 상기 처리 용기내에 형성된 플라즈마로부터 상기 도체및 노출 전극을 거쳐서 흐르는 전류로부터 플라즈마의 자기 바이어스 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는
    기판 탑재대.
  21. 제 12 항에 있어서,
    노출 전극은 탑재대 본체의 구멍부내에 설치됨과 동시에 구멍부의 상방에 구멍부보다 넓어지는 정상부를 갖는 것을 특징으로 하는
    기판 탑재대.
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