JPH0945497A - 誘電結合プラズマcvd方法およびその装置 - Google Patents

誘電結合プラズマcvd方法およびその装置

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JPH0945497A
JPH0945497A JP7197599A JP19759995A JPH0945497A JP H0945497 A JPH0945497 A JP H0945497A JP 7197599 A JP7197599 A JP 7197599A JP 19759995 A JP19759995 A JP 19759995A JP H0945497 A JPH0945497 A JP H0945497A
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stage
plasma
film
wafer
gas
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JP7197599A
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Satoshi Fukuyama
聡 福山
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Shibaura Machine Co Ltd
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Toshiba Machine Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマの強度によらず均一な厚さの成膜を
行うことのできる誘電結合プラズマCVD方法および装
置を提供する。 【解決手段】 リング状アンテナ45に高周波を印加し
てプラズマ43を発生させ、反応チャンバ3内のステー
ジ7上に載置されたウエハ5の表面に気相成長膜を形成
する際に、回転装置が前記ステージ7を高速回転(3000r
pm以上) させるものである。これにより、プラズマ43
で分解されたガスがウエハ5上に堆積する際に、ウエハ
5を載せたステージ7が高速で回転するので、成膜速度
の向上および成膜の均一性が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は誘電結合プラズマ
CVD方法およびその装置に係り、さらに詳しくは、シ
リコン基板上に SiO2 膜や窒化膜等の気相成長膜を成膜
する誘電結合プラズマCVD方法およびその装置に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】図4には、従来のいわゆる誘導結合プラ
ズマCVD装置101が示されており、 SiO2 膜を成膜
する場合を例として説明する。
【0003】図4において、冷却のため二重構造となっ
ているチャンバ103の内側には石英円環105が設け
られており、チャンバ103の上側には上蓋107が、
また下側には下蓋109がそれぞれOリング111等に
よりシールされて設けられている。このチャンバ103
の例えば下蓋109はアースされている。
【0004】チャンバ103の上蓋107の上面には、
石英から成る高周波電波の誘電体窓113が設けられて
おり、この誘電体窓113の上には二つの端子115,
117を有する銅製のリング状アンテナ119が設けら
れている。前記誘電体窓113には石英の外、電波を通
すが赤外線を透過させないアルミナのような材料を使用
することができる。また、前記端子115,117には
マッチングボックス121が接続されており、さらに高
周波電源123が接続されている。
【0005】ここでは、前記リング状アンテナ119は
冷却されていないが、供給される高周波によって数10
0℃まで温度が上昇することを考えると、アンテナ11
9を管状にして冷却水を流すことも考えられる。
【0006】前記誘電体窓113と上蓋107との間に
はOリング125が設けられており、チャンバ103の
内部空間を密閉している。このOリング125を冷却す
るために、上蓋107には冷却水用の流路127が設け
られており、注入口129から冷却水を注入して排水口
131から排水している。
【0007】また、上蓋107には酸素(O2 ) ガス供給
用の配管133が設けられており、この配管133に接
続する環状の供給路135が設けられている。この供給
路135の内周側には複数のガス供給穴137が設けら
れており、このガス供給穴137から誘電体窓113近
傍に酸素(O2 ) ガスを供給している。
【0008】一方、チャンバ103の下蓋109上には
複数本の下支柱139が立設されており、この下支柱1
39の上側にはヒータ支持板141が設けられていて、
ヒータ支持板141の上にはさらに複数本の上支柱14
3が設けられている。
【0009】上支柱143の上には、数組の反射板14
5が設けられており、この反射板145の内側にヒータ
147が設けられている。このヒータ147の上に基板
であるウエハ149を配置し、例えば600℃程度まで
均一に加熱する。このため、上支柱143はセラミクス
のような熱伝導率の小さな材質でできている。
【0010】また、ヒータ147の上方には例えば石英
製のリング状をしたガス供給管151が設けられてお
り、ガスをリングの内側へ向けて吹き出すようになって
いる。このガス供給管151にはガスを供給するための
枝管153が取付けられている。この枝管153は、ユ
ニオン継手155によりチャンバ103の下蓋109を
貫通するSUS 管157に接続されている。また、エッチ
ング用として図4中一点鎖線で示されるようなもう一組
のガス供給管159,枝管161,ユニオン継手16
3,SUS 管165が設けられている場合もある。
【0011】前記ヒータ支持板141の上面における前
記ヒータ147および反射板145の周囲には、ヒータ
147から反射板145を越えてくる熱流を遮断するた
めの冷却ユニット167が設けられている。また、下蓋
109には排気管169が設けられており、チャンバ1
03内の排気を行うものである。
【0012】次に、前述の誘電結合プラズマ(ICP)
CVD装置101の動作について説明する。まず、図示
しないローダによりウエハ149をチャンバ103内の
ヒータ147上に載置する。もしチャンバ103内が大
気圧であれば、図示しない排気ポンプにより排気管16
9から例えば10-6〜10-7Torrの真空まで排気する。
【0013】ヒータ147に電流を供給して、300℃
〜500℃程度まで加熱する。この時、すべての冷却部
には冷却水を流しておく。適当な温度まで昇温した後、
ガス供給穴137から酸素(O2 ) ガスが供給され、ガス
供給管151からジクロールシラン(SiH2 Cl2 ) ガスが
所定の割合で供給される。
【0014】チャンバ103内の圧力を図示しないスロ
ットルバルブ等で所定圧力に調整した後、マッチングボ
ックス121を介して高周波電力が端子115,117
からアンテナ119に供給される。これにより、誘電体
窓113の真下にプラズマ171が形成される。
【0015】そして、このプラズマ171が先に供給さ
れた酸素(O2 ) ガスおよびジクロールシラン(SiH2 C
l2 ) ガスを分解・合成してウエハ149上に SiO2
が堆積される。堆積した膜厚はin-situ (その場)で確
認してもよいし、時間で管理してもよい。成膜が終了し
たら、酸素の供給をストップして高周波電源123をオ
フとし、排気管169から排気して処理を終了する。
【0016】しかしながら、このような従来の技術にあ
っては、ジクロールシラン(SiH2 Cl2 ) ガス等のガスを
用いた場合、塩化物と思われる粉状の中間成生物が多量
に発生し、この成生物がウエハ149の被成膜面上に付
着する結果多数の欠陥が生じることがわかった。すなわ
ち、この成生物が付着した部分には成膜が行われず凹部
ができてしまうのである。
【0017】その数は、成膜する膜の膜厚が大きくなれ
ばなるほど大きくなり、これは厚膜を堆積させる場合に
は非常に大きな問題となる。
【0018】このような装置においては以下のことがわ
かった。すなわち、プラズマ171とウエハ149との
距離が均一性,膜質,成膜速度に大きく影響すること。
ガスの供給方法が成膜速度に大きく影響すること。プラ
ズマ171中で合成された成膜種がウエハ149表面上
へ移動する過程は、静電的な引力によるものではなく拡
散/移流現象に依存すること。プラズマ171の強度
(電子密度)の高い部分がアンテナ内周部であること等
がわかった。
【0019】このため、以下のような成膜プロセスが考
えられる。
【0020】まず、プラズマ171中のエネルギーの高
い部分(電子密度の大きな領域)たとえばアンテナ内周
部で反応ガスが分解し、分解したガスが拡散またはガス
の流れに乗って移流し、ウエハ149の表面へ輸送され
る。そして、拡散/移流途中で合成が行われ、成膜種が
形成される。この成膜種も拡散/移流によりウエハ14
9の表面へ輸送され、ウエハ149の表面に達した成膜
種がウエハ149と反応して成膜が行われるというもの
である。
【0021】このような拡散現象による輸送能力は、プ
ラズマ171が生成されるような減圧下では増大するこ
とが一般に知られているが、この際ウエハ149の表面
に形成される境界層を横切らなければならない。境界層
内においてはガス流速は非常に小さいため、移流による
輸送効率は非常に小さく、境界層を横切る原動力は拡散
現象のみとなる。
【0022】この拡散現象は、よく知られているよう
に、成膜種の濃度差により決定される。すなわち、境界
層上部の成膜種濃度とウエハ149の表面上の成膜種濃
度の差により輸送能力が決定されるのである。
【0023】しかし、上記境界層の厚さが小さければ同
じ拡散能力でもその輸送量を増大させることができる。
すなわち、前述の輸送能力はウエハ149の表面上に形
成された境界層をいかに効率よく横切らせるかに依存し
ている。
【0024】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ような成膜プロセスにおいては、13.56MHzの高周波を用
いてプラズマ171を形成するような0.01Torrから0.4T
orr 程度の減圧雰囲気中では、その境界層の厚さは常圧
雰囲気中に比して非常に厚くなるという問題がある。つ
まり、前記減圧下で行うがゆえに常圧下で行うのに比し
て境界層内の輸送効率が悪くなってしまう。
【0025】また、プラズマ171とウエハ149との
距離は、膜質/均一性/成膜速度など様々なファクター
に影響するため自由に距離を変えることができないとい
う問題点がある。従って、均一性のみのためにプラズマ
171とウエハ149との距離を調整するということは
できない。
【0026】さらに、プラズマ171とウエハ149間
の距離を保持した状態でプラズマ171の強度に関係な
くあるレベルの膜厚均一性を得ることは非常に困難であ
るという問題点がある。例えば、実験の結果膜質・成膜
速度の点では、プラズマ171とウエハ149間の距離
は100mm 弱が最適であることがわかったが、膜厚均一性
に関してはプラズマ強度分布の影響を強く受け±30%と
非常に悪い。
【0027】この発明の目的は、以上のような従来の技
術に着目してなされたものであり、プラズマの強度によ
らず均一な厚さの成膜を行うことのできる誘電結合プラ
ズマCVD装置を提供することにある。
【0028】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1による発明の誘電結合プラズマCVD装
置は、リング状アンテナに高周波を印加してプラズマを
発生させ、反応チャンバ内のステージ上に載置された基
板表面に気相成長膜を形成する誘電結合プラズマCVD
方法であって、前記ステージを高速回転させながら成膜
することを特徴とするものである。
【0029】これにより、プラズマで分解されたガスが
基板上に堆積する際に、基板を載せたステージが高速で
回転することになる。
【0030】請求項2による発明の誘電結合プラズマC
VD方法は、請求項1記載のステージを3000rpm 以上で
回転させることを特徴とするものである。
【0031】従って、成膜時にステージは基板を載せて
3000rpm 以上で回転することになる。
【0032】請求項3による発明の誘電結合プラズマC
VD装置は、高周波印加可能なアンテナにより反応チャ
ンバ内にプラズマを発生させ、前記チャンバ内に設けら
れたステージ上の基板表面に気相成長膜を形成する誘電
結合プラズマCVD装置であって、前記ステージを高速
で回転させる回転装置を設けてなることを特徴とするも
のである。
【0033】従って、アンテナに高周波印加してチャン
バ内に発生したプラズマにより分解したガスが基板表面
に気相成長膜を堆積させる際に、基板を載せたステージ
が高速で回転するものである。
【0034】また、請求項4による発明の誘電結合プラ
ズマCVD装置は、請求項3記載の回転装置が、ステー
ジを3000rpm 以上で回転させるものであることを特徴と
するものである。
【0035】従って、請求項3記載のステージは、成膜
時には少なくとも3000rpm で回転するものである。
【0036】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態の例
を図面に基づいて説明する。
【0037】図1には,この発明にかかる誘電結合プラ
ズマCVD装置1の断面図が示されている。図中中央部
には反応チャンバ3が設けられており、この反応チャン
バ3の内部には基板であるウエハ5を載置するステージ
7が設けられている。
【0038】ステージ7は前記反応チャンバ3の下蓋9
の中央を貫通して下方へ伸びる回転軸11の上端に設け
られており、回転軸11と共に高速回転する。回転軸1
1は、下蓋9の下側において磁気シール回転導入ユニッ
ト13およびカップリング15を介して回転装置として
のモータ17に連結されている。これにより、前記ステ
ージ7は最高10000r.p.m. まで回転可能となっている。
【0039】前記磁気シール回転導入ユニット13には
冷却用の配管19,21が設けられており、配管19か
ら冷却水を注入し、配管21から排水するものである。
なお、磁気シール回転導入ユニット13の代わりに磁気
軸受け等の回転導入ユニットを用いれば更なる高回転数
を期待することができる。
【0040】また、前記反応チャンバ3の内部における
前記ステージ7の下側には、ヒータカバー23が下蓋9
の上面に載置された状態で設けられている。このヒータ
カバー23の内部の上側には、下蓋9を貫通するヒータ
端子25,27を有するヒータ29が設けられ、このヒ
ータ29の下側には数組の反射板31が設けられてい
る。前記ヒータ端子25,27はヒータ電源33に接続
されている。
【0041】前記反応チャンバ3の下蓋9には排気口3
5が設けられており、この排気口35を通して反応チャ
ンバ3内部の排気が行われる。
【0042】一方、前記反応チャンバ3の上蓋37は中
央部に大きな穴37Aが明けられており、この穴を覆う
ようにして上側に、例えば石英製の誘電体ドーム39が
設けられている。これにより、反応チャンバ3の上側に
は内部にプラズマ生成チャンバ41が一体的に設けられ
ている。
【0043】誘電体ドーム39の外面には、内部にプラ
ズマ43を発生させるために、高周波アンテナ45が設
けられている。この高周波アンテナ45は、マッチング
ボックス47を介して高周波電源49に接続されてい
る。
【0044】前記反応チャンバ3の上蓋37の上面に
は、高周波漏洩防止のために誘電体ドーム39および高
周波アンテナ45の外側を覆う金属カバー51が取付け
られている。
【0045】前記金属カバー51および誘電体ドーム3
9の中央を貫通して上下方向へ第二のガス導入管53が
設けられており、その下端部は反応チャンバ3の内部に
おいて前記ステージ7の上方に至っている。この第二の
ガス導入管53は、例えばジクロールシラン(SiH2 C
l2 ) ガス等のガスを反応チャンバ3の内部へ直接供給
するものである。
【0046】誘電体ドーム39の上方における前記第二
のガス導入管53の外側には、電気的絶縁性を有するテ
フロン製のユニオン継手55およびテフロン配管材57
が設けられており、第一のガス導入口59を構成してい
る。また、前記誘電体ドーム39の上端部には、前記第
一のガス導入口59から供給された例えば酸素ガス
(O2 ) 等をプラズマ生成チャンバ41の内部へ供給する
反応ガス導入口61が設けられている。
【0047】次に、図1に基づいて、前述の誘電結合プ
ラズマCVD装置1による SiO2 膜の成膜工程を説明す
る。
【0048】まず、図示しない排気装置により反応チャ
ンバ3内の排気を行う。ここで、排気装置として例えば
ターボ分子ポンプを用いた場合には、バックプレッシャ
として10-7Torrが可能である。
【0049】ついで、熱電対により測温を行いつつヒー
タ電源33の制御をしてヒータ29に通電する。ここで
は、不均一な温度分布が膜厚の均一性に及ぼす影響が小
さいことが予め確認されていたので、前記ヒータ29と
して1ゾーンヒータを用いた。但し、制御が複雑になる
という不利があるものの、均熱の点では多ゾーンヒータ
の方が有利である。
【0050】次に、酸素ガスを第一のガス導入口59よ
り注入して反応ガス導入口61からプラズマ生成チャン
バ41内に導入すると共に、ジクロールシランガスを第
二のガス導入管53から所定の流量・流量比で導入す
る。そして、図示しない真空計により反応チャンバ3,
プラズマ生成チャンバ41内を所定の圧力にする。
【0051】ここでは、ジクロールシランガスが250scc
m ,酸素が750sccm でトータル圧力を0.1Torr とした。
このとき、必要があればヒータカバー23内にも、例え
ばアルゴンガス等のガスを微量供給して同一圧力になる
ようにする。
【0052】モータ17の電源をオンとして回転軸11
を回転させると共に、磁気シール回転導入ユニット13
の冷却水配管19に冷却水を注入する。これにより、ス
テージ7はウエハ5を載せた状態で所定の回転数、例え
ば10000r.p.m. まで回転される。
【0053】アンテナ45への高周波電力の供給は、高
周波電源49をオンとしてプラズマ生成チャンバ41内
に投入される電力が最大となるようにマッチングボック
ス47の可変コンデンサの容量を調整して行う。これに
よりプラズマ生成チャンバ41内にプラズマ43が形成
される。
【0054】以上の操作により、プラズマ43の内部で
分解した酸素が拡散あるいは移流してウエハ5の表面ま
で達する間に、第二のガス導入管53より供給されるジ
クロールシランガスと反応してウエハ5上に SiO2 膜が
堆積する。
【0055】成膜終了後、電源をオフとすると共にガス
の供給を停止し、反応チャンバ3およびプラズマ生成チ
ャンバ41の排気を行う。バックプレッシャ10-7Torrま
で排気したら、成膜後のウエハ5を反応チャンバ3の外
に取り出して、新しいウエハ5をステージ7上に装填す
る。これで1工程が完了する。
【0056】図2には、ステージ7の回転数とウエハ5
の表面に形成される境界層の厚さとの関係をシミュレー
ションによって求めたグラフが示してある。
【0057】前述のプロセスにおいて、まずガスの流速
を求め、マッハ数,レイノルズ数等から連続流か分子流
か、また非圧縮性流体か圧縮性流体かを求め、さらに層
流か乱流かを判別した。
【0058】その結果、0.01Torr以上の圧力では連続
流,非圧縮性流体,層流として取り扱ってよいことがわ
かった。また、0.01Torr以下の圧力では連続流にはなら
ずに遷移流となり解析できない。このため、0.01Torrの
場合と0.1Torr の場合について示した。なお、粘性率に
関してはチャプマン・エンスコグの実験式を用いた。
【0059】図2中、横軸にはステージ7の回転数(rp
m) を、縦軸には境界層の厚さ(mm)をとってある。ま
た、パラメータとして前述の圧力を採っている。
【0060】図2から以下のことが明らかになった。す
なわち、圧力が大きいと全体的に境界層の厚さは薄くな
り、ステージ7を回転させることによりさらに境界層を
薄くすることができる。
【0061】0.01Torrのような低圧下ではある回転数ま
では境界層の厚さは変化しないが、その回転数(以下単
に『第一のしきい値回転数』という)以上になると、回
転の効果が急激に現れてくる。0.01Torrの場合には、80
00rpm が第一のしきい値回転数となっていることがわか
る。
【0062】0.1Torr 程度の圧力下では、前記第一のし
きい値回転数は存在しない。また、ある回転数(以下単
に『第二のしきい値回転数』という)以上になると飽和
して殆ど変化しない。
【0063】第二のしきい値回転数は、圧力が小さいと
高回転数側へシフトする。例えば、0.1Torr では3000rp
m であるのに対して、0.01Torrでは25000rpmにシフトし
ている。
【0064】図3には、ステージ7の回転数と成膜速度
の関係および回転数と均一性との関係が示してある。横
軸はステージ7の回転数、縦軸は成膜速度および均一性
を採ってある。
【0065】ここでは実験の条件として、圧力を0.1Tor
r,ジクロールシランガス流量を250sccm ,酸素ガス流量
を750sccm ,基板温度を400 ℃とした。
【0066】図3より明らかなように、以下のことがわ
かった。すなわち、ステージ7の回転数の増大にともな
って成膜速度が増大し、3000rpm 以上の回転数で飽和す
る。ステージ7の回転数が3000rpm 以上になると、それ
以上回転しても均一性は改善されない。
【0067】成膜速度は回転無しの状態で1.2 μm/min
であるのに対して、3000rpm 以上の回転数では3.2 μm/
min まで高速になる。
【0068】均一性は、回転させない状態で20%であっ
たものが回転数の増加と共に徐々に改善され、3000rpm
以上の回転数では1%程度まで抑えられる。
【0069】以上の結果から、0.1Torr 程度の圧力下で
3000rpm 以上の回転数でステージ7を回転させることに
より、成膜の均一性が改善されると共に、成膜速度も改
善することができる。
【0070】また、図2から明らかなように、30000rpm
以上の回転数で回転させることにより、0.01Torrのよう
な低圧下でも成膜の均一性が改善されると共に、成膜速
度も改善することができる。
【0071】なお、この発明は前述の実施の形態の例に
限定されることなく、適宜な変更を行なうことにより、
その他の態様で実施し得るものである。
【0072】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1の発明に
よる誘電結合プラズマCVD方法では、リング状アンテ
ナに高周波を印加してプラズマを発生させ、プラズマで
分解されたガスが反応チャンバ内のステージ上に載置さ
れた基板表面に気相成長膜を形成する際に、前記ステー
ジを高速回転させるので、成膜速度の上昇および成膜の
均一性を向上することができる。
【0073】請求項2による発明の誘電結合プラズマC
VD方法では、請求項1記載のステージを3000rpm 以上
で回転させるが、前述のように3000rpm までは成膜速度
が上昇してその後安定すること、および成膜の均一性も
3000rpm まで改善されるため、少なくとも3000rpm 以上
で回転ことにより成膜速度の上昇および均一性の改善が
可能になる。
【0074】請求項3による発明の誘電結合プラズマC
VD装置では、高周波印加可能なアンテナによりチャン
バ内にプラズマを発生させ、前記チャンバ内に設けられ
たステージ上の基板表面に気相成長膜を形成する際に、
前記ステージが高速で回転するので成膜速度の上昇およ
び成膜の均一性を改善することができる。
【0075】また、請求項4による発明の誘電結合プラ
ズマCVD装置では、請求項3記載の回転装置がステー
ジを3000rpm 以上で回転させるが、前述のように3000rp
m までは成膜速度が上昇してその後安定すること、およ
び成膜の均一性も3000rpm まで改善されるため、少なく
とも3000rpm 以上で回転ことにより成膜速度の上昇およ
び均一性の改善が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係るかかる誘電結合プラズマCVD
装置を示す断面図である。
【図2】ステージの回転数と境界層の厚さの関係をシミ
ュレーションによって求めた結果を示すグラフである。
【図3】ステージの回転数と成膜速度および均一性との
関係を示すグラフである。
【図4】従来の誘電結合プラズマCVD装置を示す断面
図である。
【符号の説明】
1 誘電結合プラズマCVD装置 3 反応チャンバ 5 ウエハ(基板) 7 ステージ 11 回転軸(回転装置) 43 プラズマ 45 アンテナ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/316 H01L 21/316 X 21/318 21/318 B

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リング状アンテナに高周波を印加してプ
    ラズマを発生させ、反応チャンバ内のステージ上に載置
    された基板表面に気相成長膜を形成する誘電結合プラズ
    マCVD方法であって、前記ステージを高速回転させな
    がら成膜することを特徴とする誘電結合プラズマCVD
    方法。
  2. 【請求項2】 前記ステージを3000rpm 以上で回転させ
    ることを特徴とする請求項1記載の誘電結合プラズマC
    VD方法。
  3. 【請求項3】 高周波印加可能なアンテナにより反応チ
    ャンバ内にプラズマを発生させ、前記チャンバ内に設け
    られたステージ上の基板表面に気相成長膜を形成する誘
    電結合プラズマCVD装置であって、前記ステージを高
    速で回転させる回転装置を設けてなることを特徴とする
    誘電結合プラズマCVD装置。
  4. 【請求項4】 前記回転装置が、ステージを3000rpm 以
    上で回転させるものであることを特徴とする請求項3記
    載の誘電結合プラズマCVD装置。
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