Name: スタンフォード・ナノファブリケーション・ファシリティドライエッチング - プラズマの基礎とツールの種類 (Part 2 of 4) (Stanford Nanofabrication Facility: Dry Etching - Basics of Plasmas & Types of Tools (Part 2 of 4))
Uploaded: 2025-06-07T15:32:50.000Z
Duration: 23 min 18 s
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Hi, I'm Jim McVitie with the Stanford Nanofabrication Facility here at Stanford University.

こんにちは、私はここスタンフォード大学のスタンフォード・ナノファブリケーション・ファシリティのジム・マクヴィティです。

This is part two of a four-part lecture series on dry etching.

これはドライエッチングに関する4部構成のレクチャーシリーズのパート2である。

In this part, I'm going to cover the basics of plasmas and the types of dry etching tools.

このパートでは、プラズマの基礎とドライエッチング・ツールの種類について説明する。

Previously, I talked about an introduction to dry etching, and following lectures will cover dry etching mechanisms and choosing dry etching processes and tools.

前回は、ドライエッチングの入門編についてお話ししましたが、次の講義では、ドライエッチングのメカニズム、ドライエッチングのプロセスやツールの選択についてお話しします。

In this presentation, I'm going to cover the basics of plasmas, plasmas and sheath reasons, parallel plate configurations, inductive coupled plasmas or ICP configuration, and finally, downstream configuration.

このプレゼンテーションでは、プラズマの基本、プラズマとシースの理由、平行平板構成、誘導結合プラズマまたはICP構成、そして最後にダウンストリーム構成について説明します。

Okay, let's start with the basics of plasmas.

では、プラズマの基本から説明しよう。

プラズマは電離した気体である。

Plasma is commonly used for fluorescent lighting.

プラズマは蛍光灯によく使われている。

Over here in the diagram, I show basically a vacuum chamber.

この図では、基本的に真空チャンバーを示している。

We're going to be limiting our discussion to RF power since we're DC, you can also generate a plasma using DC, but from a plasma etching standpoint, it can cause a DC plasma to cause damage to wafers or device wafers.

私たちはDCなので、RFパワーに限定して議論するつもりですが、DCを使用してプラズマを発生させることもできます。しかし、プラズマエッチングの観点からは、DCプラズマがウェーハやデバイスウェーハにダメージを与える可能性があります。

So we're going to be only talking about RF.

だから、我々はRFについてだけ話すつもりだ。

I show here the gases coming in, I show gases going out by way of the vacuum pump, I see light coming out, and in the plasma, I have neutrals, and then radicals, the initial gases, and sometimes I have multiple ions, and then I have electrons, and of course, I already talked about radicals.

プラズマの中には、中性ガス、ラジカル、初期ガス、時には複数のイオン、そして電子があり、もちろんラジカルについてはすでにお話ししました。

Okay, the plasmas are a steady state process that results after a gas breakdown.

なるほど、プラズマはガスが分解した後に生じる定常状態のプロセスだ。

The electrons gain energy from the applied field, so I'm going to be putting RF power that can generate fields that we're going to basically heat up or give energy to my electrons.

電子は印加された電界からエネルギーを得るので、基本的に電子を加熱したりエネルギーを与えたりする電界を発生させることができるRFパワーを投入するつもりだ。

The higher energy electrons through collisions will have ionization and excitation and fragmentation of our source gas molecules.

より高いエネルギーを持つ電子が衝突することで、ガス分子の電離や励起、断片化が起こる。

Okay, like I said, plasmas are a steady state process resulting after a breakdown.

なるほど、私が言ったように、プラズマは故障の後に生じる定常状態のプロセスだ。

In the plasma region, we mainly see the glow.

プラズマ領域では、主に輝きを見ることができる。

We have a charged balance where the density of electrons are going to be balanced by equal to the density of positive ions.

私たちは、電子の密度とプラスイオンの密度が等しくなるような荷電平衡を持っている。

And typically, in the processing plasmas, we're talking about partially ionized gases, so there's less than 1% of the molecules or atoms in the chamber are ionized, so it's mainly neutral species.

通常、処理用プラズマでは、部分的に電離したガスについて話しているので、チャンバー内の分子や原子の1％未満しか電離しておらず、主に中性種です。

The glow is from the decay of short lifetime excited species.

この光は、寿命の短い励起種の崩壊によるものである。

So any place you see, when I say short lifetime, I'm talking about nanoseconds.

だから、どこを見ても、寿命が短いというのはナノ秒のことなんだ。

So any place you see glow, that's where electrons are heating, are hot, they're basically breaking down and fragmenting the gas.

つまり、電子が光っている場所は、電子が加熱され、高温になっている場所であり、基本的に電子がガスを分解し、断片化している場所なのだ。

And when it's dark, it means we don't have any hot electrons.

暗いということは、熱い電子がないということだ。

Typically, such a plasma at 20 millitorr, we're talking about neutrals in the range of 10 to the 15th per cubic centimeter, a ratio of radicals to neutrals from 50% down to 10%, and ion to neutral ratios from 10 to the minus 3 to 10 to the minus 6.

通常、20ミリ・メートルのプラズマの場合、中性粒子は1立方センチメートルあたり10から15分の1、ラジカルと中性粒子の比率は50％から10％、イオンと中性粒子の比率は10からマイナス3から10からマイナス6ということになる。

So basically, it's mainly neutrals in the chamber.

だから、基本的にチャンバー内はニュートラルが中心だ。

Now I'm going to talk about RF plasmas and the sheath reasons.

では、RFプラズマとシースの理由についてお話しします。

The diagram here, I show a parallel plate type configuration.

この図は、パラレル・プレート・タイプの構成を示している。

So we're going to be basically showing that I have one electrode that can be grounded, and the opposite electrode, well, I'm going to be applying RF power.

だから、基本的には、片方の電極を接地し、反対側の電極にRFパワーを印加する。

And after the breakdown of the gas equilibrium, what I'm going to see, I'm going to have a central glow region, and then we have dark spaces on both sides of the plasma, between the plasma and the electrode, basically between the plasma and all surfaces.

そして、ガスの平衡が崩れた後、私が見ることになるのは、中心に光り輝く領域があり、プラズマの両側、プラズマと電極の間、基本的にはプラズマとすべての表面の間に暗い空間があるということだ。

And the reason we developed the dark spaces is, well, the reason is the electrons, being very small, travel much faster than the ions.

私たちがダークスペースを開発した理由は、電子は非常に小さいため、イオンよりもはるかに速く移動するからです。

So numbers are like electrons have velocities about 100 times faster than ions.

つまり、電子の速度はイオンの約100倍というような数字だ。

So it means when we have the glow region, the first thing that's going to happen is the electron is going to start streaming out of this region, and they're going to charge up all the surfaces.

つまり、グロー領域ができたとき、最初に起こることは、この領域から電子が流れ出し、すべての表面を帯電させるということだ。

So I'm showing charge here on the two electrodes.

つまり、2つの電極に電荷があることを示している。

As the surfaces charge up, we're going to develop an electric field that's going to be retarding for electrons.

表面が充電されると、電子を遅らせる電界が発生する。

So if the electric field is this way, electrons are going to want to start turning around and going the opposite direction.

だから、電界がこのような状態だと、電子は向きを変えて反対方向に進みたくなる。

So we mean, so I'm showing here schematically, I have a high current of electrons coming out of the plasma, but most of that, those electrons get returned to the plasma, and only a small amount makes it to the surface.

つまり、ここに模式的に示したように、プラズマから大電流の電子が出てくるが、そのほとんどはプラズマに戻され、表面に到達するのはわずかな量である。

But the amount that makes it to the surface, it can be balanced by the same amount of ions that make it to the surface.

しかし、地表に到達する量は、地表に到達する同量のイオンと釣り合うことができる。

So at the surface, the electron current and ion current will be equal.

つまり表面では、電子電流とイオン電流は等しくなる。

And so we have the electrons and ions move from the plasma towards all surfaces.

そして、電子とイオンはプラズマからあらゆる表面に向かって移動する。

The electrons want to leave much faster because they're going, let's say, 100 times faster.

電子は、例えば100倍の速さで進むので、もっと早く出て行きたがる。

And to maintain steady state balance in the plasma, we form a boundary layer that we're going to call the sheath or depletion region.

そしてプラズマの定常バランスを保つために、シースまたは空乏領域と呼ぶ境界層を形成する。

And this makes the electron and ion current or loss rates from the plasma equal so we can maintain our steady state.

これにより、プラズマからの電子とイオンの電流または損失率が等しくなり、定常状態を維持することができる。

Here again, I'm showing our diagram of the plasma and the sheath region.

ここでもう一度、プラズマとシース領域の図を示します。

And so I talked about the electrons and how the electric field turned most of the electrons back so we have the balance at the electrodes.

そこで私は電子の話をし、電場がどのように電子の大部分を引き戻したかを話した。

Well, the ions now are accelerated by the electric field.

さて、イオンは電場によって加速される。

And so they accelerate towards the surface, and they gain both energy and directionality.

そして地表に向かって加速し、エネルギーと方向性の両方を得る。

So the ions come in isotropically into the boundary between the plasma and the sheath.

イオンは等方的にプラズマとシースの境界に入ってくる。

And at the surface, they're very directional.

そして、表層では非常に指向性が強い。

In addition, they gain energy, and there can be hungry EV coming from the ions crocking the sheath.

加えて、エネルギーを得て、シース内のイオンからハングリーEVが発生することもある。

So the ion gain, the energy gain, depends on the voltage across the sheath and the collisions.

つまり、イオンの利得、エネルギー利得は、シースを横切る電圧と衝突に依存する。

So if I go low pressure, I'm going to have a few collisions or no collisions, and the ions are going to get the full energy across the sheath.

つまり、低圧にすれば、衝突が少ないか、衝突がないことになり、イオンはシースを横切って全エネルギーを得ることになる。

And this energy, so if I integrate the electric field here, I have what we call the sheath voltage across the sheath, and that's basically the voltage between the plasma and the electrode.

このエネルギーは、ここで電場を積分すると、シースを横切るシース電圧と呼ばれるものになり、基本的にはプラズマと電極の間の電圧になる。

And with no collisions, the ions will basically gain the sheath voltage in terms of energy.

衝突がなければ、イオンは基本的にシース電圧分のエネルギーを得ることになる。

So lower pressure, less collisions, more directionality, more ion energy.

つまり、圧力が低いほど、衝突が少なく、方向性があり、イオンエネルギーが大きくなる。

The sheath voltage depends on the system configuration, the applied power and pressure, and we're going to talk a little bit more of that in the next slide.

シース電圧はシステム構成、印加される電力と圧力に左右されます。

Oh, and I'll talk about it actually in a couple slides.

ああ、それについてはスライドで話そう。

So first I want to talk about, give you an overview of the four configurations I'll be going into more detail.

そこでまず、これから詳しく説明する4つの構成の概要についてお話ししたいと思います。

So I have, first I have what we call a CCP plasma, and this can mean charged coupled plasma.

まず、CCPプラズマと呼ばれるものがあるんですが、これは荷電結合プラズマという意味です。

And I'll talk about a capacitive coupled plasma, and I'll talk about the meaning of that in the following slides.

そして、容量結合プラズマについてお話ししますが、その意味については次のスライドでお話しします。

And I have what we call a plasma mode, where you have equal electrodes.

私はプラズマ・モードと呼んでいる、電極が等しいモードを持っている。

RIE mode, where you have one electrode much smaller than the other electrode.

RIEモードでは、一方の電極がもう一方の電極よりずっと小さい。

And then I'll talk about ICP case, inductive coupled plasmas.

それからICPのケース、誘導結合プラズマについて話そう。

And finally I'll talk about downstream plasmas.

そして最後に、下流のプラズマについて話そう。

So let's start talking about the CCP case.

では、中共の件について話を始めよう。

So we have the CCP, or capacitive coupled plasmas, and again I'm showing the parallel plate case, where our plasma is sitting between the electrodes with a sheath on both sides.

CCP、つまり容量結合プラズマがあり、ここでも平行平板のケースを示しますが、プラズマは両側にシースがある電極の間にあります。

So the plasma is driven by RF currents going through the electrodes.

つまり、プラズマは電極を通るRF電流によって駆動されるのだ。

So we have the RF supply here, the RF current going through the top electrode, it goes across the sheath region, through the plasma, and then out the other side.

つまり、ここにRF電源があり、RF電流が上部電極を通り、シース領域を横切ってプラズマを通り、反対側から出てくる。

And this is RF current, if we're going to be driving, keeping the plasma going.

そしてこれがRF電流で、もし我々が運転するのであれば、プラズマを維持し続けることになる。

So we never use DC supply for action because of the damage issue.

だから私たちは、ダメージの問題があるので、アクションにDC電源を使うことはない。

RF, we normally use 13.56 megahertz, it's an inductive plasma frequency, set up by the

RFは通常、13.56メガヘルツを使用する。

FCCC, and although some of the time, there are special cases where we use lower frequency at the wafer.

FCCCでは、ウェーハでより低い周波数を使用する特殊なケースもあるが。

We also use lower frequency for the ICP, but at the wafer, typically 13 megahertz.

ICPにはより低い周波数も使用するが、ウェーハでは通常13メガヘルツである。

RF current flow determines the sheath voltage, okay, let's talk about what this means.

RF電流の流れがシース電圧を決定する。

So the electrons carry the RF current in the plasma region.

つまり、電子はプラズマ領域でRF電流を運ぶ。

So in the plasma, I have a lot of electrons, they're very mobile, they carry the current.

プラズマの中では、たくさんの電子が動いていて、電流を流している。

But at the two sheath region, the depletion region, there's not enough electrons to carry the RF current.

しかし、2つのシース領域（空乏領域）では、RF電流を流すのに十分な電子がない。

And so how does the RF current get across the region?

では、RF電流はどのようにしてこの地域を横断するのだろうか？

And by what we call displacement current, or capacitive current.

そして、変位電流、あるいは容量電流と呼ばれるものによって。

And that's a way RF current gets across a capacitor, where we build up a charge on one side of a capacitor, and the two plates of the capacitor, the charge on one side induces a charge on the other side, and we have basically an oscillating charge across the capacitor.

コンデンサーの片側に電荷が蓄積され、コンデンサーの2枚のプレートは、片側の電荷がもう片側の電荷を誘導し、基本的にコンデンサー全体で電荷が振動する。

So if we start to look at our sheath region, we have electrodes here, so it's easy to have an oscillating charge building up and going away on the metal electrode.

つまり、シース領域を見始めると、ここには電極があり、金属電極上で電荷が増えたり減ったりする振動が起こりやすい。

But at the boundary layer, I don't have any electrodes.

しかし、境界層には電極がない。

So the way I get my oscillating charge, the QDT, is by the sheath oscillating.

つまり、QDTという振動電荷を得る方法は、シースが振動することなんだ。

I deplete into the plasma, and then I undeplete.

私はプラズマの中に枯渇し、そしてまた枯渇する。

And so the sheath will be oscillating up and down, and that's going to give me a charge per unit of time that's going to allow the displacement current, the capacitive current to go across the sheath region.

シースは上下に振動し、それによって単位時間当たりの電荷が得られ、変位電流（容量性電流）がシース領域を横切ることができる。

Now if we go in and integrate that charge, that gives us a voltage across it.

この電荷を積分すれば、電荷にかかる電圧が得られる。

So what I'm going to get at here is that RF current, this oscillating charge here, is what gives us our voltage across the sheath.

つまり、RF電流、この振動する電荷が、シースを横切る電圧になるということだ。

And that, basically if you work out the details of it, you're going to get that the sheath voltage goes into RF current density divided by the electron density.

そして、基本的にその詳細を計算すれば、シース電圧はRF電流密度を電子密度で割ったものになる。

So if I have a higher RF current density, I'm going to have a higher voltage.

だから、RF電流密度が高ければ、電圧も高くなる。

And this is where the area comes into play, because now if I change the area of my electrode,

電極の面積を変えると、このようになる、

I can increase my current density and increase my voltage.

電流密度を上げ、電圧を上げることができる。

So let's talk about it a little bit more.

So we're seeing that the RF of the sheath voltage depends on the RF current density.

つまり、シース電圧のRFはRF電流密度に依存することがわかる。

Reducing the electrode area increases the sheath voltage, and therefore I'm going to be able to increase my ion energy across the sheath.

電極面積を減らすとシース電圧が上がるので、シース全体のイオンエネルギーを増やすことができる。

Okay, there's going to be two ways we do this.

さて、これには2つの方法がある。

So I forgot to mention that the capacitive coupling across the sheath, the displacement current or capacitive current is where we get the name.

それで、シースを横切る容量性カップリング、変位電流または容量性電流が名前の由来であることを言い忘れた。

Capacitive coupled plasma means that it refers to the capacitive current across the sheath.

容量性結合プラズマとは、シースを横切る容量性電流を意味する。

さて、プラズマモードについて話そう。

The plasma mode is where we have parallel plate electrodes but equal area.

プラズマ・モードは、平行なプレート電極を持つが、面積は等しい。

So I have the two electrodes at equal area, and in this case we're going to have, we get relatively low voltage across the sheath, and so we get low ion energies.

この場合、シース全体の電圧は比較的低いので、イオンのエネルギーは低くなる。

スタンフォード・ナノファブリケーション・ファシリティドライエッチング - プラズマの基礎とツールの種類 (Part 2 of 4) (Stanford Nanofabrication Facility: Dry Etching - Basics of Plasmas & Types of Tools (Part 2 of 4))