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JP3905870B2 - Plasma processing equipment - Google Patents

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JP3905870B2 JP2003285125A JP2003285125A JP3905870B2 JP 3905870 B2 JP3905870 B2 JP 3905870B2 JP 2003285125 A JP2003285125 A JP 2003285125A JP 2003285125 A JP2003285125 A JP 2003285125A JP 3905870 B2 JP3905870 B2 JP 3905870B2
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Description

本発明は、プラズマプロセッシングに係り、特に平行平板型RIE方式のプラズマ処理装置に関する。
The present invention relates to plasma processing, and more particularly to a parallel plate RIE type plasma processing apparatus .

従来より、半導体デバイスやFPD(Flat Panel Display)の製造プロセスにおけるエッチング加工では、平行平板型のプラズマエッチング装置が多く用いられている。平行平板型プラズマエッチング装置は、処理容器または反応室内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に被処理基板(半導体ウエハ、ガラス基板等)を載置し、下部電極および上部電極の少なくとも一方に整合器を介して高周波電圧を印加する。この高周波電圧によって両電極間に形成される電界により電子が加速され、電子と処理ガス分子との衝突電離によってプラズマが発生し、プラズマで生成されるラジカルやイオンによって基板表面の膜がエッチングされる。特に、平行平板型のRIE(Reactive Ion Etching)方式では、プラズマ中のイオンが基板表面付近に生起するイオンシースの電界で加速されて基板表面に垂直に入射することにより、方向性にすぐれた異方性エッチングも可能となっている。概してこの方式は、カソードカップリングを採用し、上部電極を接地して、下部電極にプラズマ励起用の高周波を印加する(たとえば特許文献1参照)。
特開2000−12531号公報
2. Description of the Related Art Conventionally, a parallel plate type plasma etching apparatus is often used in etching processing in a manufacturing process of a semiconductor device or an FPD (Flat Panel Display). In a parallel plate type plasma etching apparatus, an upper electrode and a lower electrode are arranged in parallel in a processing vessel or a reaction chamber, a substrate to be processed (semiconductor wafer, glass substrate, etc.) is placed on the lower electrode, A high frequency voltage is applied to at least one of the upper electrodes via a matching device. Electrons are accelerated by the electric field formed between the two electrodes by this high-frequency voltage, plasma is generated by impact ionization between the electrons and the processing gas molecules, and the film on the substrate surface is etched by radicals and ions generated by the plasma. . In particular, in the parallel plate type RIE (Reactive Ion Etching) method, ions in plasma are accelerated by the electric field of the ion sheath generated near the substrate surface and incident perpendicularly on the substrate surface. Isotropic etching is also possible. Generally, this system employs cathode coupling, the upper electrode is grounded, and a high frequency for plasma excitation is applied to the lower electrode (see, for example, Patent Document 1).
JP 2000-12531 A

従来の平行平板型RIEプラズマエッチング装置は、基板サイズの大きいアプリケーション、特に大口径(たとえば300mm)ウエハやFPD基板のエッチング加工においてエッチング均一性やエッチング能力等の面で限界があった。具体的には、アルミニウム、チタン、チタン含有金属類のエッチングでは、低圧下での高密度プラズマを要求されるため、RFパワーを高くする必要がある。ところが、RFパワーを高くすると、プラズマが基板中心部付近に集中し、プラズマ密度分布の均一性ないしエッチング均一性が低下するという問題があった。また、アルミニウム合金、ITO(インジウムスズ酸化物)類のエッチングやシリコン酸化膜(SiO2)のエッチングでは、十分なエッチングレートが得られず、選択性もよくなかった。このことから、これらの被エッチング材については、高密度プラズマの生成に有利な誘導結合プラズマエッチング装置(ICP)が採用されてきた。
また、下部2周波重畳印加方式は、上記のようなカソード・カップリング方式のプラズマ処理装置において、基板を支持する下部電極にプラズマ生成に適した比較的高い周波数(一般に27MHz以上)の第1高周波とイオン引き込みに適した比較的低い周波数(一般に13.56MHz以下)の第2高周波とを重畳して印加するものである。下部2周波重畳印加方式を採用する従来のプラズマ処理装置においては、第1高周波および第2高周波の給電路にそれぞれ設けられる2つの整合器をどちらもL型回路で構成し、異なる高周波に対する各整合器の誤動作を防止するために、各整合器に個別のフィルタを設けており、整合器全体の大型化、高コスト化を招いていた。
The conventional parallel plate type RIE plasma etching apparatus has a limit in terms of etching uniformity, etching ability, and the like in an application with a large substrate size, particularly etching of a large diameter (for example, 300 mm) wafer or FPD substrate. Specifically, since etching of aluminum, titanium, and titanium-containing metals requires high-density plasma under a low pressure, it is necessary to increase the RF power. However, when the RF power is increased, there is a problem that the plasma is concentrated near the center of the substrate and the uniformity of the plasma density distribution or the etching uniformity is lowered. In addition, etching of aluminum alloys and ITO (indium tin oxide) and etching of silicon oxide film (SiO 2 ) did not provide a sufficient etching rate, and the selectivity was not good. Therefore, an inductively coupled plasma etching apparatus (ICP) that is advantageous for generating high-density plasma has been adopted for these materials to be etched.
In addition, the lower two-frequency superimposing method is a first high frequency of a relatively high frequency (generally 27 MHz or more) suitable for plasma generation in the lower electrode supporting the substrate in the above-described cathode-coupling type plasma processing apparatus. And a second high frequency wave having a relatively low frequency (generally 13.56 MHz or less) suitable for ion attraction. In the conventional plasma processing apparatus that employs the lower two-frequency superimposing application method, each of the two matching units provided in the first and second high-frequency power supply paths is configured by an L-type circuit, and each matching for different high frequencies is performed. In order to prevent malfunction of the unit, each matching unit is provided with an individual filter, which leads to an increase in the size and cost of the entire matching unit.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、2周波重畳印加方式において整合回路の小型化および低コスト化を実現するプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus that realizes downsizing and cost reduction of a matching circuit in a two-frequency superimposed application method .

上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、真空可能な処理容器内で上部電極と対向して配置される下部電極の上に被処理基板を載置し、両電極間に高周波電界を形成するとともに処理ガスを流し込んで前記処理ガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記被処理基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記下部電極に第1の周波数を有する第1の高周波を印加するための第1の高周波電源と、前記第1の高周波電源側のインピーダンスと前記下部電極側の負荷インピーダンスとの整合をとるために前記第1の高周波電源と前記下部電極との間に接続される第1の整合回路と、前記下部電極に前記第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する第2の高周波を印加するための第2の高周波電源と、前記第2の高周波電源側のインピーダンスと前記下部電極側の負荷インピーダンスとの整合をとるために前記第2の高周波電源と前記下部電極との間に接続される第2の整合回路とを有し、前記第2の整合回路が出力段にコイルを有するT型回路として構成され、前記出力段のコイルが前記第1の高周波電源からの前記第1の高周波を遮断するためのハイカットフィルタを構成する。
In order to achieve the above object, a plasma processing apparatus of the present invention places a substrate to be processed on a lower electrode arranged opposite to an upper electrode in a vacuumable processing vessel, and between the electrodes. A plasma processing apparatus that forms a high-frequency electric field and flows a processing gas into the processing gas to generate a plasma of the processing gas, and performs a desired plasma processing on the substrate to be processed under the plasma. A first high-frequency power supply for applying a first high-frequency power having a frequency, and the first high-frequency power supply for matching the impedance on the first high-frequency power supply side and the load impedance on the lower electrode side, A first matching circuit connected between the lower electrode and a second high-frequency power source for applying a second high-frequency power having a second frequency lower than the first frequency to the lower electrode; A second matching circuit connected between the second high-frequency power source and the lower electrode in order to match the impedance on the second high-frequency power source side and the load impedance on the lower electrode side; The second matching circuit is configured as a T-type circuit having a coil in the output stage, and the coil in the output stage constitutes a high-cut filter for blocking the first high frequency from the first high frequency power supply. .

上記プラズマ処理装置では、被処理基板を載置する下部電極に周波数の異なる第1および第2の高周波を重畳して印加する2周波重畳印加方式において、周波数の低い第2の高周波側の第2の整合回路を最終出力段にコイルを有するT型回路で構成して、該コイルマッチング調整を行うための整合回路と低周波側の第2の高周波電源を保護するためのハイカットフィルタとを兼用させるようにしており、第2の整合回路のサイズおよびコストの大幅な低減を実現することができる。   In the plasma processing apparatus, in the two-frequency superimposed application method in which the first and second high frequencies having different frequencies are superimposed and applied to the lower electrode on which the substrate to be processed is placed, the second on the second high frequency side having a low frequency is applied. And a matching circuit for performing coil matching adjustment and a high-cut filter for protecting the second high-frequency power source on the low frequency side. Thus, the size and cost of the second matching circuit can be significantly reduced.

上記プラズマ処理装置において、第2の整合回路を構成する素子の数を最小限とするために、第2の整合回路が、第2の高周波電源の出力端子と下部電極との間で出力段のコイルと直列に接続される入力段の第1のコンデンサと、この第1のコンデンサと該コイルとの接続点とグランド電位との間に接続される第2のコンデンサとを有するのが好ましい。この場合、マッチング調整を行う上で、第1および第2のコンデンサの少なくとも一方がキャパシタンスの可変調整可能な可変コンデンサであるのが好ましい。出力段のコイルは、高周波遮断機能を保証するために100オーム以上のインピーダンスを有するのが好ましい。   In the plasma processing apparatus, in order to minimize the number of elements constituting the second matching circuit, the second matching circuit is connected between the output terminal of the second high-frequency power source and the lower electrode. It is preferable to have a first capacitor in the input stage connected in series with the coil, and a second capacitor connected between the connection point of the first capacitor and the coil and the ground potential. In this case, when performing matching adjustment, it is preferable that at least one of the first and second capacitors is a variable capacitor whose capacitance can be variably adjusted. The output stage coil preferably has an impedance of 100 ohms or more to ensure a high frequency cutoff function.

また、上記プラズマ処理装置において、プラズマ密度の分布特性を最適化するために、第1の周波数が10MHz〜30MHzの範囲内に設定され、第2の周波数が2MHz〜6MHzの範囲内に設定されるのが好ましい。上部電極は典型的にはグランド電位に接続されてよい。上記プラズマ処理装置で使用する処理ガスは、Cl2,BCl3,HCl,SF6,CF4,CHF3,CH2,F2,O2,N2,H2,Ar,Heの中の1種を含む単ガスまたは2種以上を含む混合ガスであってよい。 In the plasma processing apparatus, the first frequency is set in the range of 10 MHz to 30 MHz and the second frequency is set in the range of 2 MHz to 6 MHz in order to optimize the distribution characteristics of the plasma density. Is preferred. The upper electrode may typically be connected to ground potential. The processing gas used in the plasma processing apparatus is one of Cl 2 , BCl 3 , HCl, SF 6 , CF 4 , CHF 3 , CH 2 , F 2 , O 2 , N 2 , H 2 , Ar, and He. It may be a single gas containing seeds or a mixed gas containing two or more kinds.

本発明のプラズマ処理装置によれば、上記のような構成と作用を有することにより、2周波重畳印加方式において整合回路の小型化および低コスト化を実現することができる。
According to the plasma processing apparatus of the present invention , the matching circuit can be reduced in size and cost in the two-frequency superimposed application method by having the above-described configuration and operation.

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1に、本発明の一実施形態におけるプラズマエッチング装置の要部の構成を示す。このプラズマエッチング装置は、平行平板型RIEプラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の真空チャンバ(処理容器)10を有している。チャンバ10は保安接地されている。   FIG. 1 shows a configuration of a main part of a plasma etching apparatus according to an embodiment of the present invention. This plasma etching apparatus is configured as a parallel plate RIE plasma etching apparatus, and has a vacuum chamber (processing vessel) 10 made of metal such as aluminum or stainless steel. The chamber 10 is grounded for safety.

チャンバ10内の底面にはセラミックなどの絶縁板12を介してたとえばアルミニウムからなる支持台14が設置され、この支持台14の上にたとえばアルミニウムからなる下部電極16が設けられている。この下部電極16は、被処理基板(たとえばFPD基板)Gを載置するための載置台を兼ねている。   A support base 14 made of, for example, aluminum is installed on the bottom surface of the chamber 10 via an insulating plate 12 such as ceramic, and a lower electrode 16 made of, for example, aluminum is provided on the support base 14. The lower electrode 16 also serves as a mounting table for mounting a substrate to be processed (for example, an FPD substrate) G.

下部電極16の上方にはこの電極16と平行に対向して上部電極18が配置されている。この上部電極18には、シャワーヘッドを構成するための多数の貫通孔またはガス吐出口18aが形成されている。上部電極18の背後に設けられているガス導入口20には、処理ガス供給源22からのガス供給管24が接続されている。このガス供給管24の途中には流量調整器(MFC)26および開閉弁28が設けられている。   An upper electrode 18 is disposed above the lower electrode 16 so as to face the electrode 16 in parallel. The upper electrode 18 is formed with a number of through holes or gas discharge ports 18a for constituting a shower head. A gas supply pipe 24 from a processing gas supply source 22 is connected to the gas inlet 20 provided behind the upper electrode 18. In the middle of the gas supply pipe 24, a flow rate regulator (MFC) 26 and an on-off valve 28 are provided.

チャンバ10の底部には排気口30が設けられ、この排気口30に排気管32を介して排気装置34が接続されている。排気装置34は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ10内のプラズマ空間を所望の真空度まで減圧できるようになっている。チャンバ10の側壁には基板搬入出口(図示せず)が設けられ、この基板搬入出口にゲートバルブ(図示せず)を介して隣室のたとえばロードロックチャンバ(図示せず)が接続されている。   An exhaust port 30 is provided at the bottom of the chamber 10, and an exhaust device 34 is connected to the exhaust port 30 via an exhaust pipe 32. The exhaust device 34 has a vacuum pump such as a turbo molecular pump, and can depressurize the plasma space in the chamber 10 to a desired vacuum level. A substrate loading / unloading port (not shown) is provided on the side wall of the chamber 10, and a load lock chamber (not shown), for example, is connected to the substrate loading / unloading port via a gate valve (not shown).

このプラズマエッチング装置では、下部電極16を電気的にカソードカップリング配置としている。上部電極18はチャンバ10を介してグランド電位に接続(接地)されている。一方、下部電極16には、それぞれ第1および第2の整合器36,38を介して第1および第2の高周波電源40,42が電気的に接続されている。   In this plasma etching apparatus, the lower electrode 16 is electrically cathode-coupled. The upper electrode 18 is connected (grounded) to the ground potential via the chamber 10. On the other hand, first and second high-frequency power sources 40 and 42 are electrically connected to the lower electrode 16 via first and second matching units 36 and 38, respectively.

第1の高周波電源40は、主としてプラズマの生成に寄与するための好ましくは10MHz〜30MHzの周波数(たとえば13.56MHzまたは27.12MHz)を有する第1の高周波(以下、「ソース用高周波」と称する。)RFsを所望のパワーで出力する。第1の整合器36は、高周波電源40側のインピーダンスと下部電極16側の負荷インピーダンスとの整合をとるためのものであり、マッチング調整を行うための整合回路44と、高周波電源40を保護するためのバンドパスフィルタ46とを有している。 The first high frequency power supply 40 is preferably a first high frequency (hereinafter, referred to as “high frequency for source”) having a frequency of 10 MHz to 30 MHz (for example, 13.56 MHz or 27.12 MHz) for mainly contributing to plasma generation. .) Output RF s with desired power. The first matching unit 36 is for matching the impedance on the high-frequency power source 40 side and the load impedance on the lower electrode 16 side, and protects the matching circuit 44 for performing matching adjustment and the high-frequency power source 40. And a band-pass filter 46 for the purpose.

整合回路44は、2つの可変コンデンサ48,50と1つのコイル52とからなるL型回路として構成されている。より詳細には、入力端子(ノードNa)とグランド電位との間にコンデンサ48が接続され、入力端子(ノードNa)と出力端子(ノードNc)との間にコイル52とコンデンサ50とが直列に接続されている。両可変コンデンサ48,50のキャパシタンスを可変調整することで、整合回路44を含む下部電極16側の負荷インピーダンスをバンドパスフィルタ46を含む第1の高周波電源40側のインピーダンスに見かけ上一致させられるようになっている。 The matching circuit 44 is configured as an L-type circuit including two variable capacitors 48 and 50 and one coil 52. More specifically, a capacitor 48 is connected between the input terminal (node N a ) and the ground potential, and a coil 52 and a capacitor 50 are connected between the input terminal (node N a ) and the output terminal (node N c ). Are connected in series. By variably adjusting the capacitances of both the variable capacitors 48 and 50, the load impedance on the lower electrode 16 side including the matching circuit 44 can be apparently matched with the impedance on the first high frequency power supply 40 side including the band pass filter 46. It has become.

バンドパスフィルタ46は、コイル54とコンデンサ56とを直列接続してなる直列共振回路として構成されており、ソース用高周波RFs付近の周波数帯域のみを選択的に通すようになっている。後述する第2の高周波電源42からの高周波RFbが整合回路44を通り抜けてきても、このバンドパスフィルタ46で遮断され、第1の高周波電源40へは伝わらないようになっている。 The band-pass filter 46 is configured as a series resonance circuit in which a coil 54 and a capacitor 56 are connected in series, and selectively passes only a frequency band near the source high-frequency RF s . Even if a high-frequency RF b from a second high-frequency power source 42 to be described later passes through the matching circuit 44, the band-pass filter 46 blocks the high-frequency RF b so that the high-frequency RF b is not transmitted to the first high-frequency power source 40.

第2の高周波電源42は、主として自己バイアスVdcの調整に寄与するための好ましくは2MHz〜6MHzの周波数(たとえば3.2MHz)を有する第2の高周波(以下、「バイアス用高周波」と称する。)RFbを所望のパワーで出力する。第2の整合器38は、高周波電源42側のインピーダンスと下部電極16側の負荷インピーダンスとの整合をとるためのものであり、2つの可変コンデンサ58,60と1つのコイル62とからなるT型回路でマッチング調整用の整合回路と高周波電源42を保護するためのフィルタ回路とを兼用している。 The second high frequency power source 42 is preferably a second high frequency (hereinafter referred to as “bias high frequency”) preferably having a frequency of 2 MHz to 6 MHz (for example, 3.2 MHz) for mainly contributing to the adjustment of the self-bias V dc . ) Output RF b at a desired power. The second matching unit 38 is for matching the impedance on the high-frequency power source 42 side and the load impedance on the lower electrode 16 side. The second matching unit 38 is a T-type composed of two variable capacitors 58 and 60 and one coil 62. The circuit also serves as a matching circuit for matching adjustment and a filter circuit for protecting the high-frequency power source 42.

より詳細には、高周波電源42側の整合器入力端子と下部電極16側の整合器出力端子(ノードNc)との間にコンデンサ58とコイル62とが直列に接続され、コンデンサ58とコイル62との接続点(ノードNb)とグランド電位との間にコンデンサ60が接続されている。このT型回路において、最終出力段のコイル62は、単独で、ないしはグランド側のコンデンサ60との組み合わせでハイカットフィルタを構成し、第1の高周波電源40からのソース用高周波RFsを遮断する機能を有する。この高周波遮断機能を保証するために、コイル62のインピーダンスを100オーム以上とするのが好ましい。一方で、両可変コンデンサ58,60のキャパシタンスを可変調整することで、この整合回路(58,60,62)を含む下部電極16側の負荷インピーダンスを第2の高周波電源42側のインピーダンスに見かけ上一致させられるようになっている。なお、整合器出力端子(ノードNc)と下部電極16との間の給電ライン64は給電棒で構成されてよい。 More specifically, a capacitor 58 and a coil 62 are connected in series between a matcher input terminal on the high-frequency power source 42 side and a matcher output terminal (node N c ) on the lower electrode 16 side, and the capacitor 58 and the coil 62 are connected. A capacitor 60 is connected between the connection point (node N b ) and the ground potential. In this T-type circuit, the coil 62 at the final output stage alone or in combination with the ground-side capacitor 60 constitutes a high-cut filter, and cuts off the source high-frequency RF s from the first high-frequency power supply 40. Have In order to ensure this high-frequency cutoff function, it is preferable that the impedance of the coil 62 be 100 ohms or more. On the other hand, the load impedance on the lower electrode 16 side including the matching circuit (58, 60, 62) appears to be the impedance on the second high-frequency power source 42 side by variably adjusting the capacitances of both the variable capacitors 58, 60. It can be matched. The power supply line 64 between the matcher output terminal (node N c ) and the lower electrode 16 may be formed of a power supply rod.

このように、この実施形態のプラズマエッチング装置では、下部電極16にソース用高周波RFsとバイアス用高周波RFbとを重畳して印加する2周波重畳印加方式において、低周波側の整合器38を最終出力段にコイル62を有する3素子(58,60,62)のT型回路で構成して、該コイル62に低周波側つまりバイアス用高周波RFb側の高周波電源42を保護するためのハイカットフィルタを兼用させるようにしている。これにより、整合器38のサイズおよびコストの大幅な低減を実現している。 As described above, in the plasma etching apparatus of this embodiment, in the two-frequency superimposing application method in which the source high-frequency RF s and the bias high-frequency RF b are superimposed and applied to the lower electrode 16, the low-frequency side matching unit 38 is provided. It is composed of a T-type circuit of three elements (58, 60, 62) having a coil 62 at the final output stage, and the coil 62 protects the high frequency power source 42 on the low frequency side, that is, the bias high frequency RF b side. The filter is also used. Thereby, the size and cost of the matching unit 38 are greatly reduced.

このプラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブを開状態にして加工対象の基板Gをチャンバ10内に搬入して、下部電極16の上に載置する。そして、処理ガス供給源22より所定のエッチングガスを所定の流量および流量比でチャンバ10内に導入し、排気装置34によりチャンバ10内の圧力を設定値にする。さらに、下部電極16に対して、第1の高周波電源40よりソース用の高周波RFsを所定のパワーで印加するとほぼ同時に、第2の高周波電源42より所定のパワーでバイアス用の高周波RFbを所定のパワーで印加する。シャワーヘッド(上部電極)18より吐出されたエッチングガスは両電極16,18間で高周波放電によってプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって基板Gの主面がエッチングされる。 In order to perform etching in this plasma etching apparatus, first, the gate valve is opened and the substrate G to be processed is loaded into the chamber 10 and placed on the lower electrode 16. Then, a predetermined etching gas is introduced into the chamber 10 from the processing gas supply source 22 at a predetermined flow rate and flow rate ratio, and the pressure in the chamber 10 is set to a set value by the exhaust device 34. Further, when the source high-frequency RF s is applied to the lower electrode 16 from the first high-frequency power source 40 at a predetermined power, the bias high-frequency RF b is applied from the second high-frequency power source 42 at a predetermined power. Apply with a predetermined power. The etching gas discharged from the shower head (upper electrode) 18 is turned into plasma by high-frequency discharge between the electrodes 16 and 18, and the main surface of the substrate G is etched by radicals and ions generated by this plasma.

ここで、第1の高周波電源40より下部電極16に印加されるソース用高周波RFsは、主として下部電極16と上部電極18との間の高周波放電に作用し、ひいてはプラズマの生成に強く作用する。一般に、平行平板型では両電極間に印加する高周波の周波数を上げるほど、プラズマ密度を高くすることができるが、電極中心部側が電極エッジ部側よりも高くなりやすくなる。また、ソース用高周波RFsのパワーを上げるほど、プラズマに与えるエネルギーを大きくし、プラズマ密度を高めることができるが、やはり電極中心部にプラズマが集中しやすくなってプラズマ密度分布の均一性は低下する。この実施形態では、後述するようにバイアス用高周波RFbとの2周波重畳印加によりこの問題を解決している。 Here, the source high-frequency RF s applied to the lower electrode 16 from the first high-frequency power supply 40 mainly acts on the high-frequency discharge between the lower electrode 16 and the upper electrode 18 and thus strongly acts on the generation of plasma. . In general, in the parallel plate type, the plasma density can be increased as the frequency of the high frequency applied between the two electrodes is increased, but the electrode center side tends to be higher than the electrode edge side. In addition, as the power of the high frequency RF s for the source is increased, the energy applied to the plasma can be increased and the plasma density can be increased, but the plasma tends to concentrate at the center of the electrode, and the uniformity of the plasma density distribution is reduced. To do. In this embodiment, solves this problem by 2 frequency application of the bias RF RF b as will be described later.

第2の高周波電源42より下部電極16に印加されるバイアス用高周波RFbは、一次的には下部電極16ないし基板Gに生成される負の自己バイアス電圧Vdcの大きさ(絶対値)に作用し、ひいてはプラズマ中のイオンを基板Gに引き込む電界の強度に作用する。一般に、自己バイアス電圧Vdcには周波数軸上で極大点があり、バイアス用高周波RFbの周波数が高すぎると(6MHz以上では)却ってVdcが小さくなり、バイアス用高周波RFbの周波数が低くなりすぎてもVdcが小さくなる。かかる観点から、この実施形態では、バイアス用高周波RFbを2MHz〜6MHzの範囲内に設定する。 The bias high-frequency RF b applied to the lower electrode 16 from the second high-frequency power source 42 is primarily set to the magnitude (absolute value) of the negative self-bias voltage V dc generated on the lower electrode 16 or the substrate G. It acts on the strength of the electric field that draws ions in the plasma into the substrate G. In general, the self-bias voltage V dc has a maximum point on the frequency axis, and if the frequency of the high-frequency bias RF b is too high (at 6 MHz or more), the V dc decreases, and the frequency of the high-frequency bias RF b is low. Even if it becomes too much, Vdc becomes small. From this point of view, in this embodiment, the bias high frequency RF b is set in the range of 2 MHz to 6 MHz.

本発明者は、この実施形態における2周波重畳印加方式の平行平板型RIEプラズマエッチング装置において、幾多の実験を重ねて鋭意検討したところ、ソース用高周波RFsとバイアス用高周波RFbの周波数やパワー、さらには圧力やエッチングガス等の他のエッチング条件を適宜選択することで、ラジカルベースの化学的エッチングとイオンベースの物理的エッチングとをそれぞれ独立制御または最適化制御できるだけでなく、特定の被エッチング材についてプラズマ密度分布の均一性を向上できることやICP(誘導結合プラズマエッチング装置)に匹敵するエッチング能力が得られることを見い出した。 The present inventor has conducted extensive studies on the parallel-plate type RIE plasma etching apparatus of the two-frequency superimposing application method in this embodiment, and as a result, studied the frequency and power of the high frequency RF s for source and the high frequency RF b for bias. In addition, by appropriately selecting other etching conditions such as pressure and etching gas, radical-based chemical etching and ion-based physical etching can be controlled independently or optimized, respectively, as well as specific etching target It has been found that the uniformity of the plasma density distribution can be improved for the material and that an etching capability comparable to that of an ICP (inductively coupled plasma etching apparatus) can be obtained.

次に、この実施形態のプラズマエッチング装置におけるプラズマエッチング方法の実施例を説明する。 Next, an example of the plasma etching method in the plasma etching apparatus of this embodiment will be described.

図1のプラズマエッチング装置を使用し、アルミニウム(Al)のエッチングにおいてソース用高周波RFs(13.56MHz)パワーPsとバイアス用高周波RFb(3.2MHz)のパワーPbとをパラメータにしてプラズマ密度分布の均一性を評価した。 The plasma etching apparatus of FIG. 1 is used, and in the etching of aluminum (Al), the source high frequency RF s (13.56 MHz) power P s and the bias high frequency RF b (3.2 MHz) power P b are parameters. The uniformity of plasma density distribution was evaluated.

アルミニウムの配線を設ける多層配線構造では、絶縁膜の埋め込みを容易にするために下層側、特に最下層のアルミニウム配線にはテーパエッチングが望まれている。FPDのアルミニウム・テーパエッチングにおいては、異方性エッチングを可能とするため、圧力を下げてソース用高周波RFsのパワーPsを上げることが望ましい。 In a multilayer wiring structure in which aluminum wiring is provided, taper etching is desired for the lower layer side, particularly the lowermost aluminum wiring, in order to facilitate embedding of an insulating film. In FPD aluminum taper etching, in order to enable anisotropic etching, it is desirable to increase the power P s of the source high-frequency RF s by lowering the pressure.

ところが、図4〜図6の比較例1,2,3に示すように、バイアス用高周波RFbを印加しないソース用高周波RFsだけの単周波印加方式においては、RFsのパワーPsを上げるほど、チャンバ内の圧力を下げるほど、プラズマ密度が各位置で高くなるものの、電極中心部付近が異常に突出して高くなるという不都合な現象が出てくる。また、図4に示すように、電極間ギャップ(GAP)を大きくしても、プラズマ密度の均一性は低下する。より詳細には、210mmの電極間ギャップ(GAP)において、圧力を5mTorr以下とし、ソース用高周波RFsのパワーPsを1000W以上とする条件のアプリケーションでは、均一性の良いプラズマ密度分布を得ることは先ず無理である。 However, as shown in Comparative Examples 1, 2 and 3 in FIGS. 4-6, in a single frequency application type only source for high frequency RF s no applied bias RF RF b raises the power P s of RF s The lower the pressure in the chamber, the higher the plasma density at each position, but there is an inconvenient phenomenon that the vicinity of the center of the electrode abnormally protrudes and becomes higher. Moreover, as shown in FIG. 4, even if the gap between electrodes (GAP) is increased, the uniformity of the plasma density decreases. More specifically, in the inter-electrode gap of 210 mm (GAP), and the pressure of the following 5 mTorr, in the condition that the power P s of the source frequency RF s or more 1000W application, to obtain a good plasma density distribution uniformity Is impossible first.

これに対して、2周波重畳印加方式の実施例1では、図2および図3に示すように、ソース用高周波RFsのパワーPsに比例させて、好ましくは1/10以上の比率でバイアス用高周波RFbのパワーPbを選択することで、上記条件のアプリケーションでもほぼ均一なプラズマ密度分布が得られた。これにより、図1のプラズマエッチング装置を使用して、基板G上のアルミニウム膜についてエッチング均一性に優れた所望のエッチング加工を行えることが確認された。また、チタンおよびチタン含有金属もアルミニウムと同じカテゴリに属する被エッチング材であり、これらの金属についても同様にエッチング均一性に優れた所望のエッチング加工を行うことができる。 On the other hand, in the first embodiment of the two-frequency superimposed application method, as shown in FIGS. 2 and 3, the bias is preferably proportional to the power P s of the source high-frequency RF s , preferably at a ratio of 1/10 or more. By selecting the power P b of the high frequency RF b for use, a substantially uniform plasma density distribution was obtained even in the application under the above conditions. Thereby, it was confirmed that the plasma etching apparatus of FIG. 1 can be used to perform a desired etching process with excellent etching uniformity on the aluminum film on the substrate G. Titanium and titanium-containing metals are materials to be etched that belong to the same category as aluminum, and these metals can be similarly etched with excellent etching uniformity.

なお、図2および図4のデータは、チャンバ10の側壁に設けられているモニタ窓(図示せず)を通してチャンバ内部(特に両電極間)のプラズマ発光状態を目視観測で評価したものであり、プラズマ発光領域が一箇所(通常は中心部)に集中している現象が見られたときは均一性不良(×)とし、プラズマ発光領域がほぼ一様に分布している現象が見られたときは均一性良好(○)としている。一方、図3、図5および図6のデータは、ネットワークアナライザを用いるプラズマ吸収プローブ(PAP)法により電子密度分布としてプラズマ密度分布を計測したものである。   The data in FIGS. 2 and 4 are obtained by visually observing the plasma emission state inside the chamber (particularly between both electrodes) through a monitor window (not shown) provided on the side wall of the chamber 10, When a phenomenon in which the plasma emission region is concentrated in one place (usually the center) is observed, the uniformity is poor (x), and when a phenomenon in which the plasma emission region is distributed almost uniformly is observed Indicates good uniformity (O). On the other hand, the data of FIGS. 3, 5 and 6 are obtained by measuring the plasma density distribution as an electron density distribution by a plasma absorption probe (PAP) method using a network analyzer.

また、上記実施例1および比較例1,2ではエッチングガスとして塩素ガスCl2(流量300または200sccm)を使用しているが、図6の参考例に示すように、Cl2ガスにアルゴンArを適量な流量比(好ましくはCl2/Ar=125/75〜100/100)で混合する手法からもプラズマ密度分布の均一性を改善できることがわかった。 In Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, chlorine gas Cl 2 (flow rate 300 or 200 sccm) is used as an etching gas. As shown in the reference example of FIG. 6, Ar 2 is added to Cl 2 gas. It was found that the uniformity of the plasma density distribution can also be improved from a method of mixing at an appropriate flow rate ratio (preferably Cl 2 / Ar = 125/75 to 100/100).

図1のプラズマエッチング装置を使用し、アルミニウム合金の一種であるアルミニウム・ネオジム(AlNd)のエッチングにおいてバイアス用高周波RFb(3.2MHz)のパワーPbをパラメータにしてエッチングレートの大きさを評価した。他の主なエッチング条件として、電極間ギャップ(GAP)を140mm、エッチングガスをCl2(流量300sccm)、チャンバ内圧力を5mTorr、温度(上部電極(T)/下部電極(B)/チャンバ側壁(W))=60/20/60゜C、ソース用高周波RFs(13.56MHz)のパワーPbを2000Wに設定した。エッチングガスは、BCl3などの他の塩素系ガスも使用可能である。 Using a plasma etching apparatus of FIG. 1, in the etching of aluminum-neodymium which is a kind of aluminum alloy (AlNd) was the power P b of a high frequency bias RF b (3.2 MHz) to the parameter estimation the magnitude of the etching rate did. As other main etching conditions, the gap between electrodes (GAP) is 140 mm, the etching gas is Cl 2 (flow rate 300 sccm), the pressure in the chamber is 5 mTorr, and the temperature (upper electrode (T) / lower electrode (B) / chamber side wall ( W)) = 60/20/60 ° C. The power P b of the high frequency RF s (13.56 MHz) for the source was set to 2000 W. As the etching gas, other chlorine-based gas such as BCl 3 can also be used.

また、被処理基板Gとして550×650サイズのLCD用ガラス基板を使用し、図8に示すように基板上の多数の測定ポイント(1〜14)でエッチングレートを測定し、中心部(7,8)および中間部(4,5,10,11)については平均値を求め、エッジ部(1,2,3,6,9,12,13,14)については最大値と最小値を求めた。   Further, a glass substrate for LCD having a size of 550 × 650 is used as the substrate to be processed G, and the etching rate is measured at a large number of measurement points (1 to 14) on the substrate as shown in FIG. 8) and average values were determined for the intermediate portions (4, 5, 10, 11), and maximum values and minimum values were determined for the edge portions (1, 2, 3, 6, 9, 12, 13, 14). .

図8のグラフに示すように、バイアス用高周波RFb(3.2MHz)のパワーPbを高くするほど、アルミニウム・ネオジムのエッチングレートが増大し、Pb=1000W以上でほぼ2000Å/min以上のエッチングレートが得られることがわかる。このことにより、アルミニウム合金のエッチング加工に図1のプラズマエッチング装置を使用することで、ICP(誘導結合プラズマエッチング装置)に匹敵するほどの十分なエッチング能力が得られることが確認された。また、本発明の2周波重畳印加方式によりプラズマ密度の均一化も図れるため、エッチング均一性の向上も図れる。なお、ITOもアルミニウム合金と同じカテゴリに属する被エッチング材であり、この合金についてもアルミニウム合金に対するのと同様のエッチング能力を得ることができる。 As shown in the graph of FIG. 8, the higher the power P b of the high frequency RF b (3.2 MHz) for bias, the higher the etching rate of aluminum / neodymium, which is approximately 2000 = / min or more at P b = 1000 W or more. It can be seen that the etching rate can be obtained. Thus, it was confirmed that by using the plasma etching apparatus of FIG. 1 for etching the aluminum alloy, a sufficient etching capability comparable to that of an ICP (inductively coupled plasma etching apparatus) can be obtained. Moreover, since the plasma density can be made uniform by the two-frequency superimposed application method of the present invention, the etching uniformity can be improved. In addition, ITO is also a material to be etched belonging to the same category as the aluminum alloy, and this alloy can obtain the same etching ability as that for the aluminum alloy.

図1のプラズマエッチング装置を使用し、シリコン基板またはシリコン層(Si)を下地層とするシリコン酸化膜(SiO2)のエッチングにおいてバイアス用高周波RFb(3.2MHz)のパワーPbをパラメータにして各エッチングレートおよび選択比を測定した。他の主なエッチング条件として、電極間ギャップ(GAP)を140mm、エッチングガスをCHF3(流量200sccm)、チャンバ内圧力を5mTorr、温度(上部電極(T)/下部電極(B)/チャンバ側壁(W))=60/20/60゜C、ソース用高周波RFs(27.12MHz)のパワーPbを2500Wに設定した。ここで、ソース用高周波RFsの周波数を27.12MHzとするのは、13.56MHzよりも高密度のプラズマを得るためである。エッチングガスは、CHF3のみならず、CF4,CH22,C48の中のいずれか1種または2種のガスとH2,Arとの混合ガスなども使用可能である。また、SF6,O2および希ガスの混合ガスを用いてもよい。 In the etching of the silicon oxide film (SiO 2 ) with the silicon substrate or the silicon layer (Si) as a base layer, the power P b of the bias high frequency RF b (3.2 MHz) is used as a parameter in the plasma etching apparatus of FIG. Each etching rate and selectivity were measured. As other main etching conditions, the gap between electrodes (GAP) is 140 mm, the etching gas is CHF 3 (flow rate 200 sccm), the pressure in the chamber is 5 mTorr, and the temperature (upper electrode (T) / lower electrode (B) / chamber side wall ( W)) = 60/20/60 ° C. The power P b of the high-frequency RF s for the source (27.12 MHz) was set to 2500 W. Here, the reason why the frequency of the high-frequency RF s for the source is set to 27.12 MHz is to obtain plasma with a higher density than 13.56 MHz. As the etching gas, not only CHF 3 but also a mixed gas of any one or two gases of CF 4 , CH 2 F 2 and C 4 F 8 and H 2 and Ar can be used. Further, a mixed gas of SF6, O2, and a rare gas may be used.

図9のグラフに示すように、バイアス用高周波RFb(3.2MHz)のパワーPbを高くするほど、SiO2のエッチングレートが増大し、Pb=1000W以上でほぼ1000Å/min以上のエッチングレートが得られるとともに約10以上の選択比が得られることがわかる。このように、SiO2膜のエッチング加工に図1のプラズマエッチング装置を使用することで、ICP(誘導結合プラズマエッチング装置)に匹敵するほどの十分なエッチング能力が得られることが確認された。また、本発明の2周波重畳印加方式によりプラズマ密度の均一化も図れるため、エッチング均一性の向上も図れる。 As shown in the graph of FIG. 9, the higher the power P b of the bias high frequency RF b (3.2 MHz) is, the higher the SiO 2 etching rate is, and the etching is almost 1000 Å / min or more when P b = 1000 W or more. It can be seen that a rate is obtained and a selectivity of about 10 or more is obtained. As described above, it was confirmed that by using the plasma etching apparatus of FIG. 1 for the etching process of the SiO 2 film, a sufficient etching capability comparable to an ICP (inductively coupled plasma etching apparatus) can be obtained. Moreover, since the plasma density can be made uniform by the two-frequency superimposed application method of the present invention, the etching uniformity can be improved.

上記した実施形態のプラズマエッチング装置(図1)の基本形態は他のプラズマ処理装置にも適用可能であり、たとえばプラズマCVD、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどを行う種々のプラズマ処理装置に変形することができる。また、本発明における被処理基板はFPD基板に限るものではなく、半導体ウエハ、フォトマスク、CD基板、プリント基板等も可能である。   The basic form of the plasma etching apparatus (FIG. 1) of the above-described embodiment can be applied to other plasma processing apparatuses, and is modified to various plasma processing apparatuses that perform, for example, plasma CVD, plasma oxidation, plasma nitridation, sputtering, and the like. be able to. Further, the substrate to be processed in the present invention is not limited to an FPD substrate, and a semiconductor wafer, a photomask, a CD substrate, a printed substrate, and the like are also possible.

本発明の一実施形態におけるプラズマエッチング装置の要部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the principal part of the plasma etching apparatus in one Embodiment of this invention. 第1の実施例における目視によるプラズマ密度分布特性の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the plasma density distribution characteristic by visual observation in a 1st Example. 第1の実施例における電子密度分布特性を示す図である。It is a figure which shows the electron density distribution characteristic in a 1st Example. 比較例における目視によるプラズマ密度分布特性の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the plasma density distribution characteristic by visual observation in a comparative example. 比較例における電子密度分布特性を示す図である。It is a figure which shows the electron density distribution characteristic in a comparative example. 比較例における電子密度分布特性を示す図である。It is a figure which shows the electron density distribution characteristic in a comparative example. 参考例における電子密度分布特性を示す図である。It is a figure which shows the electron density distribution characteristic in a reference example. 第2の実施例におけるエッチングレートのバイアスパワー依存性を示す図である。It is a figure which shows the bias power dependence of the etching rate in a 2nd Example. 第3の実施例におけるエッチングレートのバイアスパワー依存性を示す図である。It is a figure which shows the bias power dependence of the etching rate in a 3rd Example.

符号の説明Explanation of symbols

10 チャンバ(処理容器)
16 下部電極
18 上部電極
22 処理ガス供給源
34 排気装置
36 第1(ソース用)の整合器
38 第2(バイアス用)の整合器
40 第1(ソース用)の高周波電源
42 第2(バイアス用)の高周波電源
58 可変コンデンサ
60 可変コンデンサ
62 コイル
10 chamber (processing vessel)
16 Lower electrode 18 Upper electrode 22 Processing gas supply source 34 Exhaust device 36 First (for source) matching unit 38 Second (for bias) matching unit 40 First (for source) high-frequency power source 42 Second (for bias) ) High-frequency power supply 58 Variable capacitor 60 Variable capacitor 62 Coil

Claims (7)

真空可能な処理容器内で上部電極と対向して配置される下部電極の上に被処理基板を載置し、両電極間に高周波電界を形成するとともに処理ガスを流し込んで前記処理ガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記被処理基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記下部電極に第1の周波数を有する第1の高周波を印加するための第1の高周波電源と、
前記第1の高周波電源側のインピーダンスと前記下部電極側の負荷インピーダンスとの整合をとるために前記第1の高周波電源と前記下部電極との間に接続される第1の整合回路と、
前記下部電極に前記第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する第2の高周波を印加するための第2の高周波電源と、
前記第2の高周波電源側のインピーダンスと前記下部電極側の負荷インピーダンスとの整合をとるために前記第2の高周波電源と前記下部電極との間に接続される第2の整合回路と
を有し、前記第2の整合回路が出力段にコイルを有するT型回路として構成され、前記出力段のコイルが前記第1の高周波電源からの前記第1の高周波を遮断するためのハイカットフィルタを構成するプラズマ処理装置。
A substrate to be processed is placed on a lower electrode disposed opposite to the upper electrode in a vacuumable processing container, a high-frequency electric field is formed between both electrodes, and a processing gas is flowed to generate plasma of the processing gas. A plasma processing apparatus that generates and performs a desired plasma process on the substrate to be processed under the plasma,
A first high frequency power source for applying a first high frequency having a first frequency to the lower electrode;
A first matching circuit connected between the first high-frequency power source and the lower electrode in order to match the impedance on the first high-frequency power source side and the load impedance on the lower electrode side;
A second high frequency power source for applying a second high frequency having a second frequency lower than the first frequency to the lower electrode;
A second matching circuit connected between the second high-frequency power source and the lower electrode in order to match the impedance on the second high-frequency power source side and the load impedance on the lower electrode side; The second matching circuit is configured as a T-type circuit having a coil in the output stage, and the coil in the output stage constitutes a high-cut filter for blocking the first high frequency from the first high frequency power supply. Plasma processing equipment.
前記第2の整合回路が、前記第2の高周波電源の出力端子と前記下部電極との間で前記出力段のコイルと直列に接続される入力段の第1のコンデンサと、前記第1のコンデンサと前記コイルとの接続点とグランド電位との間に接続される第2のコンデンサとを有する請求項1に記載のプラズマ処理装置。   The second matching circuit includes an input stage first capacitor connected in series with the output stage coil between the output terminal of the second high-frequency power source and the lower electrode; and the first capacitor The plasma processing apparatus according to claim 1, further comprising: a second capacitor connected between a connection point between the coil and the coil and a ground potential. 前記第1および第2のコンデンサの少なくとも一方がキャパシタンスの可変調整可能な可変コンデンサである請求項2に記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 2, wherein at least one of the first and second capacitors is a variable capacitor whose capacitance can be variably adjusted. 前記第1の周波数が10MHz〜30MHzの範囲内に設定され、前記第2の周波数が2MHz〜6MHzの範囲内に設定される請求項1〜3のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the first frequency is set in a range of 10 MHz to 30 MHz, and the second frequency is set in a range of 2 MHz to 6 MHz. 前記第2の整合回路における前記出力段のコイルが100オーム以上のインピーダンスを有する請求項1〜4のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein a coil of the output stage in the second matching circuit has an impedance of 100 ohms or more. 前記上部電極がグランド電位に接続される請求項1〜5のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the upper electrode is connected to a ground potential. 前記処理ガスが、Cl2,BCl3,HCl,SF6,CF4,CHF3,CH2,F2,O2,N2,H2,Ar,Heの中の1種を含む単ガスまたは2種以上を含む混合ガスである請求項1〜6のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
The processing gas is a single gas containing one of Cl 2 , BCl 3 , HCl, SF 6 , CF 4 , CHF 3 , CH 2 , F 2 , O 2 , N 2 , H 2 , Ar, and He, or It is a mixed gas containing 2 or more types, The plasma processing apparatus as described in any one of Claims 1-6.
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