JPH04271122A - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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JPH04271122A
JPH04271122A JP3031142A JP3114291A JPH04271122A JP H04271122 A JPH04271122 A JP H04271122A JP 3031142 A JP3031142 A JP 3031142A JP 3114291 A JP3114291 A JP 3114291A JP H04271122 A JPH04271122 A JP H04271122A
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JP
Japan
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substrate
plasma
insulating layer
plasma processing
electrostatic chuck
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JP3031142A
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Akio Shimizu
清水 明夫
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体集積回路, 
特にLSI等の微細加工によるDRAMの製造装置であ
って、両端面にそれぞれマイクロ波透過窓とプラズマ引
出し窓とを備えるとともにメインコイルにより同軸に囲
まれ内部に電子サイクロトロン共鳴磁場領域が形成され
る軸対称のプラズマ生成室と、前記プラズマ引出し窓を
介してプラズマ生成室と連通し内部に被処理基板を保持
する基板台が配される反応室と、該基板台にRFバイア
スを印加するRF電源とを備えてなるECR (電子サ
イクロトロン共鳴) 型プラズマ処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種のプラズマ処理装置として
、例えば図3に示すものが知られている。この装置は、
マイクロ波の円筒型空洞共振器として形成されたプラズ
マ生成室3と,プラズマ生成室3を同軸に囲むメインコ
イル5と,被処理基板 (以下基板と記す) 9を保持
する基板台10が配される反応室7と,基板9にRFバ
イアスを印加するRF電源20とを主な構成要素として
形成されている。
【0003】プラズマ生成室3は両端面にそれぞれマイ
クロ波透過窓2とプラズマ引出し窓8とを備え、基板9
の表面に例えば絶縁膜としてSiO膜を形成する際には
、メインコイル5により、導波管1からマイクロ波透過
窓2を通して導入される, ここでは周波数が2.45
GHz のマイクロ波との電子サイクロトロン磁場領域
面 (以下ECR領域面と記す) がプラズマ生成室3
内に形成され、プラズマ生成ガス導入系4からプラズマ
生成室3内に導入されたN2 OガスがECR領域面近
傍で効率よくプラズマ化される。このプラズマは、メイ
ンコイル5が形成する,基板台10方向へ磁力線が広が
る発散磁界に沿ってプラズマ引出し窓8から基板台10
方向へ移動しつつ、反応ガス導入系6から反応室7内へ
導入された反応ガスSiH4 を分解, 活性化する。 一方、反応室7の下方には、サブコイル15がメインコ
イル5と同軸に配され、メインコイル5が形成する磁界
と反対方向の磁界を形成して、反応室7内に軸方向磁界
成分が零の,いわゆるカスプ面を有するカスプ磁界が形
成されており、発散磁界中央部の高磁束密度に対応して
中央部が高密度となって移動するプラズマがカスプ面近
傍で半径方向に急激に広がり、活性化された反応ガスと
ともに基板により均一な密度で到達する。
【0004】さらに、基板9にはRF電源20から基板
台10を介してRFバイアスが印加され、基板前面のプ
ラズマ中の電子とイオンとの移動度の差により、基板表
面の負のバイアス電位が現れており、このバイアス電位
による電界は反応室7の周壁へ向かうので基板表面の電
界強度は周縁側へ行くにつれて大きくなり、プラズマ中
のイオンがより多く基板周縁側へ引き寄せられ、プラズ
マはさらに均一な密度で基板に到達し、基板表面は均一
な密度で注入されるO+ により反応活性化され、かつ
負のバイアス電位によるイオン衝撃効果も加わり、膜厚
が均一で膜質が緻密なSiO膜が形成される。そして、
この成膜に与かるプラズマは、低圧ガスを用い、プラズ
マ化に与かる電子の電子サイクロトロン運動をマイクロ
波周波数との共鳴状態で起こさせてマイクロ波電力を効
率よく電子に吸収させて作られるため、プラズマ密度,
 プラズマ活性が高く、基板温度が室温ないし200 
℃の低温でも成膜が可能となり、サブミクロンルールの
微細加工を可能にする。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、基板9を保
持する基板台10は、一般に機械的手段によるメカニカ
ルチャック式のものが用いられるが、チャックの腕が基
板の一部をおおい、この部分には半導体装置を形成する
ことができず、基板の貴重な表面の損失となる。また、
チャックの力が基板面のごく一部にしかかからないので
、基板が反っているような場合に反りを矯正して平坦化
するなどの機能を有しない。このため、静電引力を利用
して基板を平坦な絶縁層表面に密着状態に吸引保持する
静電チャックの利用が進みつつある。この静電チャック
は、外径が被処理基板の径より大きい吸引電極を形成す
るように一平面内に配された2枚の半円形平板電極など
複数の電極が該複数の板状電極の同側に共通の平坦な絶
縁層が形成されるように絶縁物内に埋め込まれてなるも
ので、その構造例が、例えば特公昭63−11426 
号公報に示されている。この構造例では、静電チャック
は、2枚のアルミニウム製の半円形平板電極を直径側を
対向させて一平面内に並べ全体として円形に形成された
吸引電極をポリエチレンなどの絶縁物内に埋め込んだも
のとされている。そして、このような構造の静電チャッ
クの場合には、基板へのRFバイアスの印加は、図4に
示すように、RF電源の非接地側端子を、ハイパスフィ
ルタを構成するコンデンサ21を介して吸引電極に接続
することにより行われる。ここで、符号23は直流電源
であり、静電チャック11に吸引電圧を供給する。また
、符号22はソレノイドからなるローパスフィルタを示
す。しかし、このような従来の静電チャックでは、次の
ような問題点があった。
【0006】(1) この種の静電チャックを基板台と
して用いた場合、絶縁層表面の基板で覆われない部分に
も成膜され、膜が堆積する。堆積厚さが100 μm程
度になると、膜の内部応力のため、膜が剥がれはじめ、
基板にパーティクル汚染が生じるという問題があった。 基板表面はサブミクロンオーダの微細構造であるため、
同等の大きさをもつパーティクルが付着すると、半導体
装置の歩留りが著しく低下する。
【0007】この問題を解決するため、装置内に堆積し
た膜を、厚さが100 μm程度に達する前に、ふっ素
系のエッチングガスをプラズマ生成室内に導入してプラ
ズマ化し、このプラズマを膜に作用させて除去するドラ
イクリーニング方法が用いられている。しかしながら、
静電チャック周辺の膜を効率よく落とすためにRFバイ
アスを印加すると、静電チャック本体も同時にエッチン
グされ、静電チャックの絶縁物がセラミックスである場
合には、セラミックスの構成成分であるカーボン,ナト
リウムおよびその他の重金属により、反応室内部の汚染
が進むという問題があり、高速クリーニングができず、
このために装置のクリーニング時間が長くなり、装置の
稼動率を下げるという問題があった。静電チャックの絶
縁物にセラミックスを用いる理由は、絶縁物を例えばポ
リエチレンとした場合、ポリエチレンの軟化温度が12
0 ℃前後と低く、一方、低温成膜を特長とするECR
型プラズマ処理装置でも、成膜時の基板温度が150 
〜200 ℃に達しうることから、静電チャックの低温
保持が必要となるが、ポリエチレンなどの有機合成樹脂
は熱伝導率が小さく、静電チャックの低温保持に多くの
配慮を必要とするからである。
【0008】(2) 近年、半導体製造装置のスループ
ットを向上させるため、基板の直径が大きくなり、これ
に伴って静電チャック本体も大形化されつつある。しか
し基板の直径が200 mmオーダになると、基板周縁
部の電界を均一化するためには、直径が200 mmオ
ーダよりも十分大きい吸引電極を使用する必要があるが
、この場合には、静電チャックの大きさが、静電チャッ
クを既存のプラズマ処理装置に使用する場合などに制約
を受けることから、吸引電極を静電チャックの外径一杯
まで埋め込むこととなり、信頼性のある静電チャックを
得ることが非常に困難であるという問題があった。
【0009】本発明の目的は、装置内部のドライクリー
ニング時に、RFバイアスを印加して装置内を汚染させ
ることなく基板台周辺を高速にクリーニングすることが
でき、かつ大径の基板に対応して基板の全表面に膜厚,
 膜質の均一な膜を形成することのできるECR型プラ
ズマ処理装置を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明においては、両端面にそれぞれマイクロ波
透過窓とプラズマ引出し窓とを備えるとともにメインコ
イルにより同軸に囲まれ内部に電子サイクロトロン共鳴
磁場領域が形成される軸対称のプラズマ生成室と、前記
プラズマ引出し窓を介してプラズマ生成室と連通し内部
に被処理基板を保持する基板台が配される反応室と、該
基板台にRFバイアスを印加するRF電源とを備えてな
るECR型プラズマ処理装置を、前記基板台に、外径が
被処理基板の径より大きい吸引電極を形成するように一
平面内に配された2枚の半円形平板電極など複数の電極
が該複数の板状電極の同側に共通の平坦な絶縁層が形成
されるように絶縁物内に埋め込まれ静電引力により前記
絶縁層の表面に被処理基板を密着状態に吸引保持する静
電チャックが用いられるとともに、該絶縁層表面の周縁
側が、絶縁層を介して吸引電極と有意な幅をもって対向
するリング状対向面を有する, 外径が吸引電極よりも
大きいリング状金属面により覆われた装置とするものと
する。
【0011】この場合、静電チャックの絶縁層表面の周
縁側をリング状に覆う金属面は、高さが該金属面の内側
の絶縁層表面よりも低くなるように、かつ内径が被処理
基板の径よりも小さくなるように形成すれば好適である
【0012】そして、このように、リング状金属面の内
側の,被処理基板が密着状態に吸引保持される絶縁層表
面がリング状金属面より高く形成された静電チャックを
基板台に用いるプラズマ処理装置を、装置の内部に付着
した膜をエッチングガスを用いて除去するドライクリー
ニングが、静電チャックの絶縁層表面を被処理基板と同
一基板の両面にアルミニウムを蒸着してなる保護板で覆
って行われる装置とすれば好適である。
【0013】なお、静電チャックの絶縁層表面の周縁側
をリング状に覆う金属面は金属スパッタ膜として形成す
るのがよい。
【0014】
【作用】このように、絶縁層表面の周縁側が、絶縁層を
介して吸引電極と有意な幅をもって対向するリング状対
向面を有する, 外径が吸引電極よりも大きいリング状
金属面により覆われた静電チャックを基板台に用いるこ
とにより、RF電源を静電チャックの吸引電極に接続し
たとき、リング状金属面が絶縁層を誘電体として吸引電
極と容量結合されていることから、この金属面にも基板
とほぼ等しい負のバイアス電位が生じる。そして、リン
グ状金属面は吸引電極の周縁側を基板に対してシールド
するから、基板の周縁側電界が均一化されるとともに、
金属面には電界強度が半径方向に強くなる電界分布が形
成され、発散磁界とカスプ磁界とでほぼ均一化された基
板前面側のプラズマを均一化して、基板中央部から周縁
部まで膜厚, 膜質の均一な膜を形成することができる
。実験によれば、従来の膜厚分布4〜5%が2〜3%に
抑えられた。
【0015】そして、静電チャックの絶縁層表面の周縁
側をリング状に覆う金属面を、高さが該金属面の内側の
絶縁層表面よりも低くなるように、かつ内径が被処理基
板の径よりも小さくなるように形成すれば、絶縁層表面
の周縁部に膜が堆積せず、従って、クリーニング時に、
絶縁層に含まれるカーボン, ナトリウムおよびその他
の重金属により装置内部が汚染されることがない。これ
により、例えば装置内部に堆積したSiO膜をクリーニ
ング, 除去する際、静電チャックにRFバイアスを印
加してふっ素系クリーニングガス中のF+ をリング状
金属面上に堆積したSiO膜に大量に供給することがで
き、絶縁層表面の周縁部が露出している場合と比べ、3
〜10倍のエッチングレートでSiO膜を除去すること
ができる。
【0016】また、装置内部のドライクリーニング時に
、静電チャックの絶縁層表面を、被処理基板と同一基板
の両面にアルミニウムを蒸着してなる保護板で覆うよう
にすると、保護板に金属板を用いる場合と比較して保護
板が軽量となり、特に、装置が、基板の被処理面を鉛直
方向下向きとして処理を行う装置の場合に保護板の吸着
が確実に行われ、誤って絶縁層がエッチングガスにより
侵されるおそれがなくなる。従って、絶縁層中のカーボ
ン, ナトリウムおよびその他の重金属による装置内汚
染のおそれがなくなり、次の成膜時の,これら物質によ
る基板の汚染を避けて、製作される半導体装置の歩留り
を向上させることができる。
【0017】また、リング状の金属面を金属スパッタ膜
により形成すると、金属面を寸法精度高く、かつ製造技
術上も容易に形成することができる。
【0018】
【実施例】図1および図2に本発明によるプラズマ処理
装置の一実施例を示す。これらの図において、図3およ
び図4と同一の部材には同一符号が付されている。2枚
の半円形平板電極を一平面内に直径側を対向させて並べ
た吸引電極11A を埋め込む円板状セラミックスの基
板9側絶縁層表面は、周縁側が中央部よりも高さが低い
リング状に形成され、この面と、この面と中央部の面と
の段差部側面と,円板状セラミックスの周壁面とにAl
によるスパッタ膜12が形成されている。絶縁層表面周
縁側のリング状の面は、内径を基板9の径よりも10〜
20mm小さく形成して、中央部の絶縁層表面に吸着,
保持された基板9が吸着時の搬送誤差により位置ずれが
あっても、絶縁層表面を確実に覆うようにするとともに
、Alスパッタ膜のリング状の面と吸引電極11A と
の間に容量結合に十分な幅のリング状対向面が形成され
るようにしている。また、中央部の絶縁層表面と周縁部
のリング状の面との段差は30μmとし、Alスパッタ
膜の厚さを20μmとして、基板9が中央部の絶縁層表
面に確実に密着状態に吸引保持されるようにするととも
に、基板9の下面とAlスパッタ膜との間隙を小さくし
、かつ段差部のスパッタ膜を介することにより、基板9
とAlスパッタ膜とを実質接触状態として、RFバイア
ス印加時にAlスパッタ膜に現れる負のバイアス電位が
基板9と実質同一となるようにしている。
【0019】また、上述のように、静電チャックの絶縁
層表面の周縁側のリング状金属面をAlスパッタ膜とす
ることにより、リング状金属面を金属板等で形成する場
合と比較して、基板の下面と金属板上面とのギャップを
正確に確保することができ、また、製造技術上も形成が
容易である。
【0020】静電チャックがこのように形成された装置
内部のドライクリーニング時には、基板が吸着保持され
る絶縁層表面は、被処理基板と同一部材の両面にAlを
スパッタ付着させた保護板により覆われる。この保護板
は、反応室7と隣接する,図示されないロードロック室
から搬入され、反応室7を大気開放することなく、成膜
工程につづいてドライクリーニング工程に入ることがで
きる。また、この発明で対象とする被処理基板はSiウ
エーハであり、両面をAlのスパッタ膜で覆ってもAl
の金属板より軽量であり、静電チャックの吸着面が鉛直
方向下向きの場合、より確実に保護板を吸引保持するこ
とができる。
【0021】静電チャックがこのように形成されたプラ
ズマ処理装置を用いて成膜およびクリーニングを行う際
のそれぞれの手順の一例を以下に示す。
【0022】図示されていないマイクロ波電源から周波
数が2.45GHz のマイクロ波を導波管1とマイク
ロ波透過窓2とを介して、真空排気されたプラズマ生成
室3内へ導入するとともに、メインコイル5により、プ
ラズマ生成室3内のマイクロ波透過窓近傍に約0.09
Tの磁界を形成し、プラズマ生成ガス導入系4からN2
 Oをプラズマ生成室3内へ、反応ガス導入系6からS
iH4 を反応室内へそれぞれ30SCCM, 15S
CCMの流量で供給すると、まずプラズマ生成室3内で
は、マイクロ波透過窓近傍でマイクロ波と磁界との相互
作用によりマイクロ波電力が効率よくプラズマ生成ガス
に吸収されてプラズマ化され、このプラズマは、メイン
コイル5が形成する発散磁界に沿い、基板9方向へ移動
しつつ、反応室7内に供給された反応ガスSiH4 を
分解, 活性化する。一方、反応室7内には、メインコ
イル5と、メインコイル5と直列に接続されたサブコイ
ル15とにより、成膜上最適の位置にカスプ面を有する
カスプ磁界が形成されており、このカスプ磁界ならびに
静電チャック11に供給される,周波数が400kHz
, 電力が800 WのRFバイアスにより、基板9前
面側のプラズマ密度が均一化され、かつ基板9に現れる
負のバイアス電位によりプラズマ中のO+ が基板に注
入されて基板表面反応が活性化され、膜厚分布および膜
質の良好なSiO膜が形成される。膜厚分布は従来の4
〜5%に対し、2〜3%の分布が得られた。しかし、こ
のとき、基板まわりのリング状金属面にもSiO膜が堆
積する。
【0023】そこで、基板9を50枚処理して、リング
状金属面上の膜が20μm程度の厚みに堆積したところ
でドライクリーニングの工程に入る。この工程は、第1
ステップとして100 分間、エッチングガスとしてS
F6 を100SCCM の流量でプラズマ生成室3内
へ供給してECR (電子サイクロトロン共鳴) プラ
ズマを発生させるとともに、サブコイル15の電流の向
きを反対にして装置内にミラー磁界を作り、活性なイオ
ン, ラジカルを反応室7の側壁に積極的に供給して、
側壁に堆積した膜を効果的にエッチング除去する。第2
ステップとして30分間、SF6 を50SCCMの流
量で供給するとともに、RF電力を600 W供給する
と、主にリング状金属面に活性なイオン, ラジカルが
供給され、堆積した膜が効果的にエッチングされる。第
3ステップとして、SF6 をN2 Oに切り換え、か
つ反応室7内にSiH4を供給することにより、装置内
部へ1μm厚の成膜を行い、装置内部表面からのガス放
出とパーティクルの飛散とを防止して、クリーニング工
程を終了する。
【0024】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明においては
、プラズマ処理装置内の基板台に静電チャックを用い、
かつこの静電チャックを、絶縁層表面の周縁側が、絶縁
層を介して吸引電極と有意な幅をもって対向するリング
状対向面を有する, 外径が吸引電極よりも大きいリン
グ状金属面により覆われた構造としたので、静電チャッ
クの吸引電極にRF電源を接続したとき、この金属面に
も基板とほぼ等しい負のバイアス電位が生じる。そして
、リング状金属面は吸引電極の周縁側を基板に対してシ
ールドするから、基板の周縁側電界が均一化されるとと
もに、金属面には電界強度が半径方向に強くなる電界分
布が形成され、基板中央部から周縁部までの全表面に膜
厚, 膜質の均一な膜を形成することができる。
【0025】また、静電チャックの絶縁層表面の周縁側
をリング状に覆う金属面を、高さが該金属面の内側の絶
縁層表面よりも低くなるように、かつ内径が被処理基板
の径よりも小さくなるように形成することにより、絶縁
層表面の周縁部に膜が堆積せず、従って、クリーニング
時に、絶縁層に含まれるカーボン,ナトリウムおよびそ
の他の重金属により装置内部が汚染されることがない。 これにより、例えば装置内部に堆積したSiO膜をクリ
ーニング, 除去する際、静電チャックにRFバイアス
を印加してふっ素系クリーニングガス中のF+ をリン
グ状金属面上に堆積したSiO膜に大量に供給すること
ができ、絶縁層表面の周縁部が露出している場合と比べ
、3〜10倍のエッチングレートでSiO膜を除去する
ことができる。具体的な一例として、実施例の項で示し
たクリーニングの第2ステップに従来必要とした100
 分程度の時間を30分程度に短縮することができるよ
うになった。
【0026】そして、装置内部のドライクリーニング時
に、静電チャックの絶縁層表面を、被処理基板と同一基
板の両面にアルミニウムを蒸着してなる保護板で覆うこ
とにより、保護板が金属板より軽量であることから、特
に、装置が、基板の被処理面を鉛直方向下向きとして処
理を行う装置の場合に保護板の吸着が確実に行われ、誤
って絶縁層がエッチングガスにより侵されるおそれがな
くなる。従って、絶縁層中のカーボン, ナトリウムお
よびその他の重金属による装置内汚染のおそれがなくな
り、次の成膜時の,これら物質による基板の汚染を避け
て、製作される半導体装置の歩留りを向上させることが
できる。
【0027】また、静電チャックの絶縁層表面の周縁部
をリング状に覆う金属面を金属スパッタ膜で形成するこ
とにより、金属面を寸法精度高く、かつ製造技術上も容
易に形成することができる。
【0028】このように、本発明によれば、基板を汚染
することなく、基板の全表面に膜厚、膜質が均一で膜質
の良好な膜を形成し、かつクリーニングを高速に行うこ
とができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるプラズマ処理装置構造の一実施例
を示す縦断面図
【図2】本発明によるプラズマ処理装置の基板台を構成
する静電チャック構造の一実施例を示す図であって、同
図(a) は静電チャックへのRFバイアス電力の供給
方法を合わせて示す, 基板台の全体構成図、同図(b
)は同図(a) におけるA部の拡大図
【図3】従来のプラズマ処理装置の一構成例を示す縦断
面図
【図4】従来のプラズマ処理装置の,図3と異なる構造
例を示す縦断面図
【符号の説明】
2    マイクロ波透過窓 3    プラズマ生成室 5    メインコイル 7    反応室 8    プラズマ引出し窓 9    基板(被処理基板) 10    基板台 11    静電チャック 11A  吸引電極 12    金属面 15    サブコイル 20    RF電源

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】両端面にそれぞれマイクロ波透過窓とプラ
    ズマ引出し窓とを備えるとともにメインコイルにより同
    軸に囲まれ内部に電子サイクロトロン共鳴磁場領域が形
    成される軸対称のプラズマ生成室と、前記プラズマ引出
    し窓を介してプラズマ生成室と連通し内部に被処理基板
    を保持する基板台が配される反応室と、該基板台にRF
    バイアスを印加するRF電源とを備え、プラズマ生成室
    内で生成されたプラズマを用いて被処理基板の表面に膜
    形成あるいはエッチングなどの処理を施すプラズマ処理
    装置において、前記基板台に、外径が被処理基板の径よ
    り大きい吸引電極を形成するように一平面内に配された
    2枚の半円形平板電極など複数の電極が該複数の板状電
    極の同側に共通の平坦な絶縁層が形成されるように絶縁
    物内に埋め込まれ静電引力により前記絶縁層の表面に被
    処理基板を密着状態に吸引保持する静電チャックが用い
    られるとともに、該絶縁層表面の周縁側が、絶縁層を介
    して吸引電極と有意な幅をもって対向するリング状対向
    面を有する, 外径が吸引電極よりも大きいリング状金
    属面により覆われていることを特徴とするプラズマ処理
    装置。
  2. 【請求項2】請求項第1項に記載のプラズマ処理装置に
    おいて、静電チャックの絶縁層表面の周縁側をリング状
    に覆う金属面は、高さが該金属面の内側の絶縁層表面よ
    りも低くなるように、かつ内径が被処理基板の径よりも
    小さくなるように形成されていることを特徴とするプラ
    ズマ処理装置。
  3. 【請求項3】請求項第2項に記載のプラズマ処理装置に
    おいて、リング状金属面の内側の,被処理基板が密着状
    態に吸引保持される絶縁層表面が、該装置の内部に付着
    した膜をエッチングガスを用いて除去するドライクリー
    ニング時に、被処理基板と同一基板の両面にアルミニウ
    ムを蒸着してなる保護板により覆われることを特徴とす
    るプラズマ処理装置。
  4. 【請求項4】請求項第1項または第2項に記載のプラズ
    マ処理装置において、静電チャックの絶縁層表面の周縁
    側をリング状に覆う金属面は金属スパッタ膜として形成
    されることを特徴とするプラズマ処理装置。
JP3031142A 1991-02-27 1991-02-27 プラズマ処理装置 Pending JPH04271122A (ja)

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