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KR20120104429A - 전자파 급전 기구 및 마이크로파 도입 기구 - Google Patents

전자파 급전 기구 및 마이크로파 도입 기구 Download PDF

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KR20120104429A
KR20120104429A KR1020127020891A KR20127020891A KR20120104429A KR 20120104429 A KR20120104429 A KR 20120104429A KR 1020127020891 A KR1020127020891 A KR 1020127020891A KR 20127020891 A KR20127020891 A KR 20127020891A KR 20120104429 A KR20120104429 A KR 20120104429A
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

동축구조의 도파로(44)의 측부에 마련되고, 급전선으로서의 동축선로(56)가 접속되는 마이크로파 전력 도입 포트(55)와, 동축선로(56)에 접속되고, 도파로(44)의 내부에 전자파 전력을 방사하는 급전 안테나(90)를 구비한다. 급전 안테나(90)는 동축선로(56)에 접속된 제 1 극(92)과, 도파로(44)의 내측 도체(53)에 접촉하는 제 2 극(93)을 갖는 안테나 본체(91)와, 상기 안테나 본체(91)의 양측으로부터 연장하고 링형상으로 형성된 반사부(94)를 갖는다.

Description

전자파 급전 기구 및 마이크로파 도입 기구{ELECTROMAGNETIC-RADIATION POWER-SUPPLY MECHANISM AND MICROWAVE INTRODUCTION MECHANISM}
본 발명은 전자파 급전 기구 및 마이크로파 도입 기구에 관한 것이다．
반도체 디바이스나 액정 표시 장치의 제조 공정에 있어서는 반도체 웨이퍼나 유리 기판과 같은 피처리 기판에 에칭 처리나 성막 처리 등의 플라즈마 처리를 실시하기 위해, 플라즈마 에칭 장치나 플라즈마 CVD 성막 장치 등의 플라즈마 처리 장치가 이용된다.
최근, 이러한 플라즈마 처리 장치로서는 고밀도로 저전자 온도의 표면파 플라즈마를 균일하게 형성할 수 있는 RLSA(Radial Line Slot Antenna) 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 주목받고 있다(예를 들면, 일본 특허공개공보 제2007-109457호).
RLSA 마이크로파 플라즈마 처리 장치는 챔버의 상부에 소정의 패턴으로 슬롯이 형성된 평면 안테나(Radial Line Slot Antenna)를 마련하고, 마이크로파 발생원으로부터 동축 구조의 도파로를 통해 보내진 마이크로파를, 평면 안테나의 슬롯으로부터 챔버내에 방사하고, 마이크로파 전계에 의해 챔버내에 도입된 가스를 플라즈마화하고, 반도체 웨이퍼 등의 피처리체를 플라즈마 처리하는 것이다.
또한, 마이크로파를 복수로 분배하고, 솔리드 스테이트 앰프(Solid-state Amplifier)로 증폭하고, 동축 구조의 도파로와 상술한 바와 같은 슬롯이 형성된 평면 안테나를 갖는 복수의 안테나 모듈을 거쳐서 마이크로파를 챔버내에 보내고 챔버내에서 마이크로파를 공간 합성하는 마이크로파 플라즈마원을 갖는 마이크로파 플라즈마 처리 장치도 제안되어 있다(국제공개 제2008/013112호 팜플렛).
마이크로파 전력과 같은 전자파 전력을 동축 구조의 도파로에 급전하기 위해서는 상기 특허문헌 2에도 기재되어 있는 바와 같이, 통상, 동축 구조의 도파로의 축의 연장선상에 급전 포트를 마련하고, 그곳으로부터 급전하고 있다.
그러나, 장치의 설계상, 동축 구조의 도파로의 축의 연장선상에 대응하는 부분에 구동 기구나 다른 부재를 배치하고자 하는 경우도 있고, 그러한 경우에 유효한 급전 방식은 존재하지 않는다.
본 발명의 목적은 동축 구조의 도파로의 축의 연장선상으로부터 전자파 전력을 급전할 수 없는 경우에도, 동축 구조의 도파로에 유효하게 전자파 전력을 급전할 수 있는 전자파 급전 기구 및 그러한 전자파 급전 기구를 이용한 마이크로파 도입 기구를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제 1 관점에 의하면, 동축 구조의 도파로에 전자파 전력을 공급하는 전자파 급전 기구로서, 상기 동축 구조의 도파로의 측부에 마련되고, 급전선이 접속되는 전력 도입 포트와, 상기 급전선에 접속되고, 상기 도파로의 내부에 전자파 전력을 방사하는 급전 안테나를 구비하고, 상기 급전 안테나는 상기 급전선에 접속된 제 1 극과, 상기 도파로의 내측 도체에 접촉하는 제 2 극을 갖는 안테나 본체와, 상기 안테나 본체의 양측으로부터 상기 내측 도체의 외측을 따라 연장하고, 링형상으로 형성된 반사부를 갖고, 상기 안테나 본체에 입사된 전자파와 상기 반사부에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하고, 그 정재파에 의해 발생하는 유도 자계 및 유도 전계의 연쇄작용에 의해 전자파 전력이 상기 도파로를 전파하는 것을 특징으로 하는 전자파 급전 기구가 제공된다.
상기 제 1 관점에 있어서, 상기 도파로의 급전 방향과 반대측에 마련된 반사판을 더 갖고, 상기 급전 안테나로부터 공급된 전자파 전력을 상기 반사판에서 반사시켜 상기 도파로를 전파시킬 수 있다. 또한, 상기 반사판과 상기 급전 안테나의 사이에 마련된 지파재를 더 갖도록 하고, 전자파의 실효 파장을 짧게 할 수도 있다.
본 발명의 제 2 관점에 의하면, 챔버내에 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 표면파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구로서, 동축 구조를 이루는 도파로와, 상기 동축 구조의 도파로의 측부에 마련되고, 급전선이 접속되는 전력 도입 포트와, 상기 급전선에 접속되고, 상기 도파로의 내부에 전자파 전력을 방사하는 급전 안테나와, 상기 도파로에 공급된 마이크로파를 상기 챔버내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 구비하고, 상기 급전 안테나는 상기 급전선에 접속된 제 1 극과, 상기 도파로의 내측 도체에 접촉하는 제 2 극을 갖는 안테나 본체와, 상기 안테나 본체의 양측으로부터 상기 내측 도체의 외측을 따라 연장하고, 링형상으로 형성된 반사부를 갖고, 상기 안테나 본체에 입사된 전자파와 상기 반사부에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하고, 그 정재파에 의해 발생하는 유도 자계 및 유도 전계의 연쇄작용에 의해 전자파 전력이 상기 도파로를 전파하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 도입 기구가 제공된다.
상기 제 2 관점에 있어서, 상기 도파로에 마련되고, 상기 도파로를 통과하는 마이크로파 중, 상기 챔버를 향하는 입사파와, 반사에 의해 되돌아오는 반사파 중 어느 하나에 의거하는 전류를 취출하는 방향성 결합기와, 상기 방향성 결합기가 취출한 전류를 검출하는 검출기를 갖는 입사파 반사파 모니터를 더 구비하는 구성으로 할 수 있다. 이 경우에, 상기 방향성 결합기는 상기 동축 구조의 도파로의 외측 도체에 형성된 슬릿과, 상기 슬릿내에 마련된 판형상 도체와, 상기 판형상 도체에 흐르는 전류를 취출하는 한 쌍의 도전 핀과, 상기 외측 도체의 외측에 상기 판형상 도체에 대향하도록, 또한 상기 판형상 도체와의 거리를 조절 가능하게 마련된 도전체로 이루어지는 조정기를 갖고, 상기 슬릿은 상기 조정기에 대향하는 부분이 상기 조정기에 대응하도록 넓어진 형상을 이루는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전력 도입 포트와 상기 안테나부의 사이에 마련되고, 상기 챔버내의 부하의 임피던스를 상기 표면파 플라즈마원에 탑재된 마이크로파 전원의 특성 임피던스에 정합시키는 튜너를 더 구비하고, 상기 튜너는 상기 외측 도체와 상기 내측 도체의 사이에 마련되고, 내측 도체의 긴쪽 방향을 따라 이동 가능한, 환상을 이루고, 유전체로 이루어지는 슬래그를 갖고, 상기 방향성 결합기는 상기 전력 도입 포트와 상기 슬래그의 사이, 또는/및 상기 슬래그와 상기 안테나부의 사이에 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 전자파 급전 기구가 적용된 마이크로파 도입 기구를 갖는 표면파 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 마이크로파 도입 기구를 갖는 마이크로파 플라즈마원의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은 도 1의 마이크로파 도입 기구를 나타내는 단면도이다.
도 4는 마이크로파 도입 기구의 급전 기구를 나타내는 횡단면도이다.
도 5는 튜너의 본체에 있어서의 슬래그와 슬라이딩 부재를 나타내는 평면도이다.
도 6은 튜너의 본체에 있어서의 내측 도체를 나타내는 사시도이다.
도 7은 마이크로파 도입 기구에 탑재된 평면 슬롯 안테나를 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 전자파 급전 기구의 일예로서 주파수가 915㎒의 마이크로파를 도입하기 위한 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 9는 도 8의 전자파 급전 기구를 이용한 경우의 전자계 해석의 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 입사파 반사파 모니터를 탑재한 마이크로파 도입 기구를 나타내는 단면도이다.
도 11은 입사파 반사파 모니터에 이용되는 방향성 결합기의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 12a는 종래의 방향성 결합기를 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 12b는 도 11의 방향성 결합기를 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 13a는 실시형태에 관한 입사파 반사파 모니터를 이용한 경우에 있어서의 입사파 및 반사파의 위상과 전류값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13b는 도 13a의 반사파의 일부를 확대해서 나타내는 도면이다.
도 13c는 실시형태에 관한 입사파 반사파 모니터를 이용한 경우에 있어서의 입사파 및 반사파의 거리 D와 모니터 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13d는 실시형태에 관한 입사파 반사파 모니터를 이용한 경우에 있어서의 거리 D와 감쇠율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14a는 종래의 입사파 반사파 모니터를 이용한 경우에 있어서의 입사파 및 반사파의 위상과 전류값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14b는 도 14a의 반사파의 일부를 확대해서 나타내는 도면이다.
도 14c는 종래의 입사파 반사파 모니터를 이용한 경우에 있어서의 입사파 및 반사파의 거리 D와 모니터 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14d는 종래의 입사파 반사파 모니터를 이용한 경우에 있어서의 거리 D와 감쇠율의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 상세하게 설명한다.
(표면파 플라즈마 처리 장치의 구성)
도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 전자파 급전 기구가 적용된 마이크로파 도입 기구를 갖는 표면파 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 표면파 플라즈마원으로서 마이크로파 도입 기구를 갖는 마이크로파 플라즈마원의 구성을 나타내는 구성도이다.
표면파 플라즈마 처리 장치(100)는 웨이퍼에 대해 플라즈마 처리로서, 예를 들면, 에칭 처리를 실시하는 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있고, 기밀하게 구성된 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속재료로 이루어지는 대략 원통형상의 접지된 챔버(1)와, 챔버(1)내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원(2)을 갖고 있다. 챔버(1)의 상부에는 개구부(1a)가 형성되어 있고, 마이크로파 플라즈마원(2)은 이 개구부(1a)로부터 챔버(1)의 내부를 향하도록 마련되어 있다.
챔버(1)내에는 피처리체인 웨이퍼 W를 수평으로 지지하기 위한 서셉터(11)가 챔버(1)의 바닥부 중앙에 절연 부재(12a)를 거쳐서 세워 마련된 통형상의 지지 부재(12)에 의해 지지된 상태에서 마련되어 있다. 서셉터(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료로서는 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등이 예시된다.
또한, 도시는 하지 않고 있지만, 서셉터(11)에는 웨이퍼 W를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼 W의 이면에 열 전달용의 가스를 공급하는 가스 유로, 및 웨이퍼 W를 반송하기 위해 승강하는 승강 핀 등이 마련되어 있다. 또한, 서셉터(11)에는 정합기(13)를 거쳐서 고주파 바이어스 전원(14)이 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 바이어스 전원(14)으로부터 서셉터(11)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 웨이퍼 Ｗ측에 플라즈마 중의 이온이 인입된다.
챔버(1)의 바닥부에는 배기관(15)이 접속되어 있고, 이 배기관(15)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(16)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(16)를 작동시키는 것에 의해 챔버(1)내가 배기되고, 챔버(1)내가 소정의 진공도까지 고속으로 감압하는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 챔버(1)의 측벽에는 웨이퍼 W의 반입 반출을 실행하기 위한 반입출구(17)와, 이 반입출구(17)를 개폐하는 게이트밸브(18)가 마련되어 있다.
챔버(1)내의 서셉터(11)의 위쪽 위치에는 플라즈마 에칭을 위한 처리 가스를 웨이퍼 W를 향해 토출하는 샤워 플레이트(20)가 수평으로 마련되어 있다. 이 샤워 플레이트(20)는 격자형상으로 형성된 가스 유로(21)와, 이 가스 유로(21)에 형성된 다수의 가스 토출 구멍(22)을 갖고 있고, 격자형상의 가스 유로(21)의 사이는 공간부(23)로 되어 있다. 이 샤워 플레이트(20)의 가스 유로(21)에는 챔버(1)의 외측으로 연장하는 배관(24)이 접속되어 있고, 이 배관(24)에는 처리 가스 공급원(25)이 접속되어 있다.
한편, 챔버(1)의 샤워 플레이트(20)의 위쪽 위치에는 링형상의 플라즈마 가스 도입 부재(26)가 챔버벽을 따라 마련되어 있고, 이 플라즈마 가스 도입 부재(26)에는 내주에 복수의 가스 토출 구멍이 마련되어 있다. 이 플라즈마 가스 도입 부재(26)에는 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급원(27)이 배관(28)을 거쳐서 접속되어 있다. 플라즈마 생성 가스로서는 Ar 가스 등이 바람직하게 이용된다.
플라즈마 가스 도입 부재(26)로부터 챔버(1)내에 도입된 플라즈마 가스는 마이크로파 플라즈마원(2)으로부터 챔버(1)내에 도입된 마이크로파에 의해 플라즈마화되고, 이 플라즈마가 샤워 플레이트(20)의 공간부(23)를 통과하고 샤워 플레이트(20)의 가스 토출 구멍(22)으로부터 토출된 처리 가스를 여기하고, 처리 가스의 플라즈마를 형성한다.
마이크로파 플라즈마원(2)은 챔버(1)의 상부에 마련된 지지 링(29)에 의해 지지되어 있고, 이들 사이는 기밀하게 시일되어 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 플라즈마원(2)은 복수 경로로 분배해서 마이크로파를 출력하는 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파를 전송하고 챔버(1)내에 방사하기 위한 마이크로파 공급부(40)를 갖고 있다.
마이크로파 출력부(30)는 전원부(31)와, 마이크로파 발진기(32)와, 발진된 마이크로파를 증폭하는 앰프(Amplifier)(33)와, 증폭된 마이크로파를 복수로 분배하는 분배기(34)를 갖고 있다.
마이크로파 발진기(32)는 소정 주파수(예를 들면, 915㎒)의 마이크로파를, 예를 들면, PLL 발진시킨다. 분배기(34)에서는 마이크로파의 손실이 가능한 한 일어나지 않도록, 입력측과 출력측의 임피던스 정합을 취하면서 앰프(33)에서 증폭된 마이크로파를 분배한다. 또, 마이크로파의 주파수로서는 915㎒ 이외에, 700㎒ 내지 3㎓의 범위의 것을 이용할 수 있다.
마이크로파 공급부(40)는 분배기(34)에서 분배된 마이크로파를 주로 증폭하는 복수의 앰프부(42)와, 복수의 앰프부(42)의 각각에 접속된 마이크로파 도입 기구(41)를 갖고 있다.
앰프부(42)는 위상기(45)와, 가변 이득 앰프(Variable Gain Amplifier)(46)와, 솔리드 스테이트 앰프(Solid-state Amplifier)를 구성하는 메인 앰프(47)와, 아이솔레이터(Isolator)(48)를 갖고 있다.
위상기(45)는 마이크로파의 위상을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있고, 이것을 조정하는 것에 의해 방사 특성을 변조시킬 수 있다. 예를 들면, 각 안테나 모듈마다 위상을 조정하는 것에 의해 지향성을 제어해서 플라즈마 분포를 변화시키는 것이나, 후술하는 바와 같이 인접하는 안테나 모듈에 있어서 90°씩 위상을 어긋나게 해서 원(圓) 편파를 얻을 수 있다. 또한, 위상기(45)는 앰프내의 부품간의 지연 특성을 조정하고, 튜너내에서의 공간 합성을 목적으로 해서 사용할 수 있다. 단, 이러한 방사 특성의 변조나 앰프내의 부품간의 지연 특성의 조정이 불필요한 경우에는 위상기(45)는 마련할 필요는 없다.
가변 이득 앰프(46)는 메인 앰프(47)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하고, 개개의 안테나 모듈의 편차를 조정 또는 플라즈마 강도 조정을 위한 앰프이다. 가변 이득 앰프(46)를 각 안테나 모듈마다 변화시키는 것에 의해서, 발생하는 플라즈마에 분포를 발생시키는 경우도 있다.
솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(47)는, 예를 들면, 입력 정합 회로와, 반도체 증폭 소자와, 출력 정합 회로와, 고Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다.
아이솔레이터(48)는 마이크로파 도입 기구(41)에서 반사해서 메인 앰프(47)를 향하는 반사 마이크로파를 분리하는 것이며, 써큘레이터와 더미 로드(Dummy Load)(동축 종단기(Coxial Terminiator))를 갖고 있다. 써큘레이터(Circulator)는 후술하는 마이크로파 도입 기구(41)의 안테나부(43)에서 반사한 마이크로파를 더미 로드로 보내고, 더미 로드는 써큘레이터에 의해서 보내진 반사 마이크로파를 열로 변환한다.
다음에, 마이크로파 도입 기구(41)에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 마이크로파 도입 기구(41)의 종단면도이고, 도 4는 마이크로파 도입 기구(41)의 급전 기구를 나타내는 횡단면도이다. 마이크로파 도입 기구(41)는 마이크로파를 전송하는 동축 구조의 도파로(44)와, 도파로(44)를 전송된 마이크로파를 챔버(1)내에 방사하는 안테나부(43)를 갖고 있다. 그리고, 마이크로파 도입 기구(41)로부터 챔버(1)내에 방사된 마이크로파가 챔버(1)내의 공간에서 합성되고, 챔버(1)내에서 표면파 플라즈마가 형성되도록 되어 있다.
도파로(44)는 통형상의 외측 도체(52) 및 그 중심에 마련된 봉형상의 내측 도체(53)가 동축형상으로 배치되어 구성되어 있고, 도파로(44)의 선단에 안테나부(43)가 마련되어 있다. 도파로(44)는 내측 도체(53)가 급전측, 외측 도체(52)가 접지측으로 되어 있다. 외측 도체(52) 및 내측 도체(53)의 상단은 반사판(58)으로 되어 있다.
도파로(44)의 기단측에는 마이크로파(전자파)를 급전하는 급전 기구(54)가 마련되어 있다. 급전 기구(54)는 도파로(44)(외측 도체(52))의 측면에 마련된 마이크로파 전력을 도입하기 위한 마이크로파 전력 도입 포트(55)를 갖고 있다. 마이크로파 전력 도입 포트(55)에는 앰프부(42)로부터 증폭된 마이크로파를 공급하기 위한 급전선으로서, 내측 도체(56a) 및 외측 도체(56b)로 이루어지는 동축선로(56)가 접속되어 있다. 그리고, 동축선로 (56)의 내측 도체(56a)의 선단에는 외측 도체(52)의 내부를 향해 수평으로 신장하는 급전 안테나(90)가 접속되어 있다.
급전 안테나(90)는, 예를 들면, 프린트 기판인 PCB 기판상에 마이크로 스트립 라인으로서 형성된다. 반사판(58)에서 급전 안테나(90)까지의 사이에는 반사파의 실효파장을 짧게 하기 위한 테프론(등록상표) 등의 유전체로 이루어지는 지파재(59)가 마련되어 있다. 또, 2.45GHz 등의 주파수가 높은 마이크로파를 이용한 경우에는 지파재(59)는 마련하지 않아도 좋다. 이 때, 급전 안테나(90)로부터 방사되는 전자파를 반사판(58)에서 반사시키는 것에 의해, 최대의 전자파를 동축 구조의 도파로(44)내에 전송시킨다. 그 경우, 급전 안테나(90)에서 반사판(58)까지의 거리를 약 λg/4의 반파장배로 설정한다. 단, 주파수가 낮은 마이크로파에서는 직경 방향의 제약으로 인해, 이것에 적용되지 않는 경우도 있다. 이 경우는 안테나에서 반사판(58)까지의 거리를 약 λg/4의 반파장배로 설정해도 전자파를 전송할 수 없다. 그 경우에는 급전 안테나(90)로부터 발생시키는 전자파의 배(腹)를 급전 안테나(90)가 아닌, 급전 안테나(90)의 아래쪽으로 유기시키도록, 급전 안테나의 형상을 최적화하는 것이 바람직하다.
급전 안테나(90)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 전력 도입 포트(55)에 있어서 동축선로(56)의 내측 도체(56a)에 접속되고, 마이크로파(전자파)가 공급되는 제 1 극(92) 및 공급된 마이크로파(전자파)를 방사하는 제 2 극(93)을 갖는 안테나 본체(91)와, 안테나 본체(91)의 양측으로부터, 내측 도체(53)의 외측을 따라 연장하고, 링형상을 이루는 반사부(94)를 갖고, 안테나 본체(91)에 입사된 전자파와 반사부(94)에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하도록 구성되어 있다. 안테나 본체(91)의 제 2 극(93)은 도파로(44)의 내측 도체(53)에 접촉하고 있다.
급전 안테나(90)가 마이크로파(전자파)를 방사하는 것에 의해, 외측 도체(52)와 내측 도체(53)의 사이의 공간에 마이크로파 전력이 급전된다. 그리고, 급전 기구(54)에 공급된 마이크로파 전력이 안테나부(43)를 향해 전파한다.
또한, 도파로(44)에는 튜너(60)가 마련되어 있다. 튜너(60)는 챔버(1)내의 부하(플라즈마)의 임피던스를 마이크로파 출력부(30)에 있어서의 마이크로파 전원의 특성 임피던스에 정합시키는 것이며, 외측 도체(52)와 내측 도체(53)의 사이를 상하로 이동시키는 2개의 슬래그(61a, 61b)와, 반사판(58)의 외측(상측)에 마련된 슬래그 구동부(70)를 갖고 있다.
이들 슬래그 중, 슬래그(61a)는 슬래그 구동부(70)측에 마련되고, 슬래그(61b)는 안테나부(43)측에 마련되어 있다. 또한, 내측 도체(53)의 내부공간에는 그 길이 방향을 따라, 예를 들면, 사다리꼴 나사가 형성된 나사봉으로 이루어지는 슬래그 이동용의 2개의 슬래그 이동축(64a, 64b)이 마련되어 있다.
슬래그(61a)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 유전체로 이루어지는 원환형상을 이루고, 그 내측에 평활성을 갖는 수지로 이루어지는 슬라이딩 부재(63)가 끼워 넣어져 있다. 슬라이딩 부재(63)에는 슬래그 이동축(64a)이 나사식 결합하는 나사 구멍(65a)과 슬래그 이동축(64b)이 삽입 통과되는 관통 구멍(65b)이 마련되어 있다. 한편, 슬래그(61b)는 슬래그(61a)와 마찬가지로, 나사 구멍(65a)과 관통 구멍(65b)을 갖고 있지만, 슬래그(61a)와는 반대로, 나사 구멍(65a)은 슬래그 이동축(64b)에 나사식 결합되고, 관통 구멍(65b)에는 슬래그 이동축(64a)이 삽입 통과되도록 되어 있다. 이에 따라 슬래그 이동축(64a)을 회전시키는 것에 의해 슬래그(61a)가 승강 이동하고, 슬래그 이동축(64b)을 회전시키는 것에 의해 슬래그(61b)가 승강 이동한다. 즉, 슬래그 이동축(64a, 64b)과 슬라이딩 부재(63)로 이루어지는 나사 기구에 의해 슬래그(61a, 61b)가 승강 이동된다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 내측 도체(53)에는 길이 방향을 따라 등 간격으로 3개의 슬릿(53a)이 형성되어 있다. 한편, 슬라이딩 부재(63)는 이들 슬릿(53a)에 대응하도록 3개의 돌출부(63a)가 등간격으로 마련되어 있다. 그리고, 이들 돌출부(63a)가 슬래그(61a, 61b)의 내주에 맞닿은 상태에서 슬라이딩 부재(63)가 슬래그(61a, 61b)의 내부에 끼워 넣어진다. 슬라이딩 부재(63)의 외주면은 내측 도체(53)의 내주면과 여유없이 접촉하도록 되어 있고, 슬래그 이동축(64a, 64b)이 회전되는 것에 의해, 슬라이딩 부재(63)가 내측 도체(53)를 미끄러져 승강하도록 되어 있다. 즉, 내측 도체(53)의 내주면이 슬래그(61a, 61b)의 슬라이딩 가이드로서 기능한다. 또, 슬릿(53a)의 폭은 5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이 내측 도체(53)의 내부에 누설하는 마이크로파 전력을 실질적으로 없앨 수 있고, 마이크로파 전력의 방사 효율을 높게 유지할 수 있다.
슬라이딩 부재(63)를 구성하는 수지재료로서는 양호한 평활성을 갖고, 가공이 비교적 용이한 수지, 예를 들면, 폴리페닐렌술파이드(PPS) 수지를 바람직한 것으로서 들 수 있다.
상기 슬래그 이동축(64a, 64b)은 반사판(58)을 관통해서 슬래그 구동부(70)에 연장되어 있다. 슬래그 이동축(64a, 64b)과 반사판(58)의 사이에는 베어링(도시하지 않음)이 마련되어 있다. 또한, 내측 도체(53)의 하단에는 도체로 이루어지는 축받이부(67)가 마련되어 있고, 슬래그 이동축(64a, 64b)의 하단은 이 축받이부(67)에 축지되어 있다.
슬래그 구동부(70)는 하우징체(71)를 갖고, 슬래그 이동축(64a, 64b)은 하우징체(71)내에 연장되어 있고, 슬래그 이동축(64a, 64b)의 상단에는 각각 기어(72a, 72b)가 부착되어 있다. 또한, 슬래그 구동부(70)에는 슬래그 이동축(64a)을 회전시키는 모터(73a)와, 슬래그 이동축(64b)을 회전시키는 모터(73b)가 마련되어 있다. 모터(73a)의 축에는 기어(74a)가 부착되고, 모터(73b)의 축에는 기어(74b)가 부착되어 있고, 기어(74a)가 기어(72a)에 맞물리고, 기어(74b)가 기어(72b)에 맞물리도록 되어 있다. 따라서, 모터(73a)에 의해 기어(74a, 72a)를 거쳐 슬래그 이동축(64a)이 회전되고, 모터(73b)에 의해 기어(74b, 72b)를 거쳐 슬래그 이동축(64b)이 회전된다. 또, 모터(73a, 73b)는, 예를 들면, 스테핑 모터이다.
또, 슬래그 이동축(64b)은 슬래그 이동축(64a)보다도 길고, 또한 위쪽에 도달하고 있으며, 따라서, 기어(72a, 72b)의 위치가 상하로 오프셋되어 있고, 모터(73a, 73b)도 상하로 오프셋되어 있다. 이에 따라, 모터 및 기어 등의 동력 전달 기구의 스페이스를 작게 할 수 있고, 이들을 수용하는 하우징체(71)를 외측 도체(52)와 동일 직경으로 하는 것이 가능하게 된다.
모터(73a, 73b)의 위에는 이들 출력축과 직결하도록, 각각 슬래그(61a, 61b)의 위치를 검출하기 위한 인크리먼트형의 인코더(75a, 75b)가 마련되어 있다. 인크리먼트형의 인코더를 이용하여, 이하의 수순으로 절대적인 위치를 파악한다. 우선, 슬래그 이동축(64a)을 천천히 회전시켜 슬래그(61a)를 일정 속도로 인코더(75a)의 카운터를 보면서 이동시킨다. 슬래그(61a)가 메커니컬 스톱(도시하지 않음)에 도달하면, 모터(73a)는 탈조하고, 정지한다. 정지한 것은 인코더(75a)의 카운트가 변화하지 않음으로써 검지 할 수 있고, 그 때의 슬래그(61a)의 위치, 또는 거기로부터 소정 펄스분 오프셋된 위치를 원점으로 한다. 이 원점 위치를 기준으로 해서 원점으로부터의 펄스수를 카운트하는 것에 의해 슬래그(61a)의 절대적인 위치를 검지할 수 있다. 슬래그(61b)도 마찬가지로 원점을 파악하는 것에 의해 절대적인 위치를 검지할 수 있다.
슬래그(61a, 61b)의 위치는 슬래그 컨트롤러(68)에 의해 제어된다. 구체적으로는 도시하지 않은 임피던스 검출기에 의해 검출된 입력단의 임피던스값과, 인코더(75a, 75b)에 의해 검지된 슬래그(61a, 61b)의 위치 정보에 의거하여, 슬래그 컨트롤러(68)가 모터(73a, 73b)에 제어 신호를 보내고, 슬래그(61a, 61b)의 위치를 제어하는 것에 의해, 임피던스를 조정하도록 되어 있다. 슬래그 컨트롤러(68)는 종단이, 예를 들면, 50Ω이 되도록 임피던스 정합을 실행시킨다. 2개의 슬래그 중 한쪽만을 움직이면, 스미스 차트의 원점을 지나는 궤적을 그리고, 양쪽 동시에 움직이면 위상만이 회전한다.
안테나부(43)는 마이크로파 방사 안테나로서 기능하고, 평면형상을 이루고 슬롯(81a)을 갖는 평면 슬롯 안테나(81)를 갖고 있다. 안테나부(43)는 평면 슬롯 안테나(81)의 상면에 마련된 지파재(82)를 갖고 있다. 지파재(82)의 중심에는 도체로 이루어지는 원주부재(82a)가 관통해서 축받이부(67)와 평면 슬롯 안테나(81)를 접속하고 있다. 따라서, 내측 도체(53)가 축받이부(67) 및 원주부재(82a)를 거쳐서 평면 슬롯 안테나(81)에 접속되어 있다. 또, 외측 도체(52)의 하단은 평면 슬롯 안테나(81) 사이에서 연장하고 있고, 지파재(82)의 주위는 외측 도체(52)로 덮여 있다. 또한, 평면 슬롯 안테나(81) 및 후술하는 천판(83)의 주위는 피복 도체(84)로 덮여 있다.
지파재(82)는 진공보다도 큰 유전율을 갖고 있고, 예를 들면, 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 구성되어 있고, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지기 때문에, 마이크로파의 파장을 짧게 해서 안테나를 작게 하는 기능을 갖고 있다. 지파재(82)는 그 두께에 의해 마이크로파의 위상을 조정할 수 있고, 평면 슬롯 안테나(81)가 정재파의「배」가 되도록 그 두께를 조정한다. 이에 따라, 반사가 최소이고, 평면 슬롯 안테나(81)의 방사 에너지가 최대로 되도록 할 수 있다.
또한, 평면 슬롯 안테나(81)의 또한 선단측에는 진공 시일을 위한 유전체 부재, 예를 들면, 석영이나 세라믹스 등으로 이루어지는 천판(83)이 배치되어 있다. 그리고, 메인 앰프(47)에서 증폭된 마이크로파가 내측 도체(53)와 외측 도체(52)의 둘레벽의 사이를 통과하여 평면 슬롯 안테나(81)의 슬롯(81a)으로부터 천판(83)을 투과해서 챔버(1)내의 공간으로 방사된다. 슬롯(81a)은 도 7에 나타내는 바와 같이 부채형의 것이 바람직하고, 도시하고 있는 2개, 또는 4개 마련하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 마이크로파를 TEM 모드로 효율적으로 전달시킬 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 메인 앰프(47)와, 튜너(60)와, 평면 슬롯 안테나(81)는 근접 배치되어 있다. 그리고, 튜너(60)와 평면 슬롯 안테나(81)는 1/2파장내에 존재하는 집중 정수 회로를 구성하고 있고, 또한 평면 슬롯 안테나(81), 지파재(82), 천판(83)은 합성 저항이 50Ω으로 설정되어 있으므로, 튜너(60)는 플라즈마 부하에 대해 직접 튜닝하게 되고, 효율적으로 플라즈마에 에너지를 전달할 수 있다.
표면파 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 각 구성부는 마이크로 프로세서를 구비한 제어부(110)에 의해 제어되도록 되어 있다. 제어부(110)는 표면파 플라즈마 처리 장치(100)의 프로세스 시퀀스 및 제어 파라미터인 프로세스 레시피를 기억한 기억부나, 입력 수단 및 디스플레이 등을 구비하고 있으며, 선택된 프로세스 레시피에 따라 플라즈마 처리 장치를 제어하도록 되어 있다.
(표면파 플라즈마 처리 장치의 동작)
다음에, 이상과 같이 구성되는 표면파 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 동작에 대해 설명한다.
우선, 웨이퍼 W를 챔버(1)내에 반입하고, 서셉터(11)상에 탑재한다. 그리고, 플라즈마 가스 공급원(27)으로부터 배관(28) 및 플라즈마 가스 도입 부재(26)를 거쳐서 챔버(1)내에 플라즈마 가스, 예를 들면, Ar 가스를 도입하면서, 마이크로파 플라즈마원(2)으로부터 마이크로파를 챔버(1)내에 도입하여 표면파 플라즈마를 생성한다.
이와 같이 하여 표면파 플라즈마를 생성한 후, 처리 가스, 예를 들면, Cl2 가스 등의 에칭 가스가 처리 가스 공급원(25)으로부터 배관(24) 및 샤워 플레이트(20)를 거쳐서 챔버(1)내에 토출된다. 토출된 처리 가스는 샤워 플레이트(20)의 공간부(23)를 통과해 온 플라즈마에 의해 여기되어 플라즈마화되고, 이 처리 가스의 플라즈마에 의해 웨이퍼 W에 플라즈마 처리, 예를 들면, 에칭 처리가 실시된다.
상기 표면파 플라즈마를 생성할 때, 마이크로파 플라즈마원(2)에서는 마이크로파 출력부(30)의 마이크로파 발진기(32)로부터 발진된 마이크로파 전력은 앰프(33)에서 증폭된 후, 분배기(34)에 의해 복수로 분배되며, 분배된 마이크로파 전력은 마이크로파 공급부(40)로 보내진다. 마이크로파 공급부(40)에 있어서는 이와 같이 복수로 분배된 마이크로파 전력은 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(47)에서 개별적으로 증폭되고, 마이크로파 도입 기구(41)의 도파로(44)에 급전되며, 튜너(60)에서 임피던스가 자동 정합되고, 전력 반사가 실질적으로 없는 상태에서, 안테나부(43)의 평면 슬롯 안테나(81) 및 천판(83)을 거쳐서 챔버(1)내에 방사되어 공간 합성된다.
이 때, 동축 구조의 도파로(44)의 축의 연장선상에 대응하는 부분에는 슬래그 구동부(70)가 마련되어 있기 때문에, 도파로(44)에의 마이크로파 전력의 급전은 통상 실행되고 있는 도파로(44)의 축의 연장선상으로부터 실행할 수는 없다.
그래서, 본 실시형태에서는 도파로(44)의 측면에 마련된 마이크로파 전력 도입 포트(55)와, 마이크로파 전력 도입 포트(55)에 접속된 급전용의 동축선로(56)의 내측 도체(56a)로부터 도파로(44)의 내부에 전자파를 방사하는 급전 안테나(90)를 갖는 급전 기구(54)를 마련하였다.
이 경우에, 동축선로(56)로부터 전파해 온 마이크로파(전자파)가, 마이크로파 전력 도입 포트(55)에 있어서 급전 안테나(90)의 제 1 극(92)에 도달하면, 안테나 본체(91)를 따라 마이크로파(전자파)가 전파해 가고, 안테나 본체(91)의 선단의 제 2 극(93)으로부터 마이크로파(전자파)를 방사한다. 또한, 안테나 본체(91)를 전파하는 마이크로파(전자파)가 반사부(94)에서 반사하고, 그것이 입사파와 합성되는 것에 의해 정재파를 발생시킨다. 급전 안테나(90)의 배치 위치에서 정재파가 발생하면, 내측 도체(53)의 외벽을 따라 유도 자계가 발생하고, 그곳에 유도되어 유도 전계가 발생한다. 이들 연쇄작용에 의해, 마이크로파(전자파)가 도파로(44)내를 전파하고, 안테나부(43)로 보내진다.
이와 같이 하여, 동축 구조의 도파로(44)의 축의 연장선상으로부터 마이크로파(전자파) 전력을 급전할 수 없는 경우에도, 도파로(44)에 마이크로파(전자파) 전력을 급전할 수 있다.
즉, 본 실시형태에 의하면, 도파로(44)의 측면에 마련된 전력 도입 포트인 마이크로파 전력 도입 포트(55)와, 마이크로파 전력 도입 포트(55)에 접속된 급전선으로서의 동축선로(56)로부터 도파로(44)의 내부에 마이크로파 전력(전자파 전력)을 방사하는 급전 안테나(90)를 갖는 급전 기구(54)를 마련하고, 급전 안테나(90)를, 급전선으로서의 동축선로(56)의 내측 도체(56a)에 접속된 제 1 극(92)과, 도파로(44)의 내측 도체(53)에 접촉하는 제 2 극(93)을 갖는 안테나 본체(91)와, 안테나 본체(91)의 양측으로부터 연장하고, 내측 도체(53)의 외측을 따라 링형상으로 형성된 반사부(94)를 갖는 구조로 하고, 안테나 본체(91)에 입사된 마이크로파(전자파)와 반사부에서 반사된 마이크로파(전자파)로 정재파를 형성하고, 그 정재파에 의해 발생하는 유도 자계 및 유도 전계의 연쇄작용에 의해 전자파 전력이 상기 도파로를 전파하도록 했으므로, 동축 구조의 도파로의 축의 연장선상으로부터 전자파 전력을 급전할 수 없는 경우에도, 도파로에 전자파 전력을 급전할 수 있다.
이 때, 급전 안테나(90)의 제 2 극(93)이 도파로(44)의 내측 도체(53)에 접해 있고, 또한, 반사부(94)가 링형상을 이루고 있으므로, 이음매가 없고, 이음매에서 강전계가 발생하는 일이 없다. 이 때문에, 마이크로파(전자파) 전력을 효율적이고 또한 균일하게 공급할 수 있다.
또한, 도파로(44)에 있어서, 급전 안테나(90)로부터 방사되는 마이크로파(전자파)를 반사판(58)에서 반사시킴으로써 최대의 마이크로파(전자파) 전력을 동축 구조의 도파로(44)에 전송할 수 있지만, 그 경우, 반사파와의 합성을 효과적으로 실행하기 위해 급전 안테나(90)에서 반사판(58)까지의 거리가 약 λg/4의 반파장배가 되도록 하면 좋다.
단, 주파수가 낮은 마이크로파에서는 직경 방향의 제약으로 인해, 이것에 적용하지 않는 경우도 있지만 이러한 경우에는, 예를 들면, 급전 안테나(90)로부터 발생시키는 전자파의 배를 급전 안테나(90)가 아닌, 급전 안테나(90)의 아래쪽으로 유기시키는 바와 같이, 급전 안테나의 형상을 최적화함으로써 급전 안테나에서 반사판까지의 거리를 단축할 수 있다. 또한, 마이크로파의 주파수가 낮은 경우에는 급전 안테나(90)와 반사판(58)의 사이에 테프론(등록상표) 등의 유전체로 되는 지파재(59)를 마련하는 것에 의해, 실효파장을 짧게 하는 것이 유효하다.
일예를 나타내면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 도파로(44)의 외측 도체(52)의 직경이 45㎜이고 반사판(58)에서 급전 안테나(90)까지의 거리를 32.3㎜로 하고, 실효파장을 짧게 하기 위해, 그곳에 테프론(등록상표)제의 지파재(59)를 마련하였다. 그리고, 동축선로(56)로부터 급전 안테나(90)를 거쳐서 주파수가 915㎒의 마이크로파를 도입하였다. 이와 같이 낮은 주파수의 마이크로파에 의해 1개소로부터 충분한 전력의 마이크로파를 급전할 수 있다.
전자계 해석의 결과, 도 9에 나타내는 바와 같이, 이와 같이 주파수가 낮은 경우, 급전 안테나(90)에서 반사판(58)까지의 거리가 약 λg/4의 반파장배가 되도록 해도 효율적으로 마이크로파를 전송할 수 없지만, 이 예에서는 급전 안테나(90)로부터 전송하는 전자파의 배가 급전 안테나(90)로부터 약 λg/8 상부에 발생하고 있고, 지파재(59)중의 실효파장은 약 λg/8로 되어 있고, 전자파의 배에서 반사판(58)까지의 길이가 약 λg/4로 되어 있다. 이에 따라 반사판(58)에서의 반사가 최대로 되고, 최대의 전력이 도파로(44)에 전송되게 된다.
본 실시형태에서는 복수로 분배된 마이크로파를, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(47)에서 개별적으로 증폭하고, 평면 슬롯 안테나(81)를 이용해서 개별적으로 방사한 후에 챔버(1)내에서 합성하므로, 대형의 아이솔레이터나 합성기가 불필요하게 된다.
또한, 마이크로파 도입 기구(41)는 안테나부(43)와 튜너(60)가 일체로 되어 있으므로, 극히 콤팩트하다. 이 때문에, 마이크로파 플라즈마원(2) 자체를 콤팩트화할 수 있다. 또한, 메인 앰프(47), 튜너(60) 및 평면 슬롯 안테나(81)가 근접해서 마련되고, 특히 튜너(60)와 평면 슬롯 안테나(81)는 집중 정수 회로로서 구성할 수 있고, 또한 평면 슬롯 안테나(81), 지파재(82), 천판(83)의 합성 저항을 50Ω으로 설계하는 것에 의해, 튜너(60)에 의해 고밀도로 플라즈마 부하를 튜닝할 수 있다. 또한, 튜너(60)는 2개의 슬래그(61a, 61b)를 이동하는 것만으로 임피던스 정합을 실행할 수 있는 슬래그 튜너를 구성하고 있으므로 콤팩트하고 저손실이다.
또한, 이와 같이 튜너(60)와 평면 슬롯 안테나(81)가 근접하고, 집중 정수 회로를 구성하고 또한 공진기로서 기능하는 것에 의해, 평면 슬롯 안테나(81)에 이르기까지의 임피던스 부정합을 고밀도로 해소할 수 있고, 실질적으로 부정합 부분을 플라즈마 공간으로 할 수 있으므로, 튜너(60)에 의해 고밀도의 플라즈마 제어가 가능하게 된다.
또한, 위상기(45)에 의해, 각 안테나 모듈의 위상을 변화시키는 것에 의해, 마이크로파의 지향성 제어를 실행할 수 있고, 플라즈마 등의 분포의 조정을 용이하게 실행할 수 있다.
또한, 구동 전달부, 구동 가이드부, 유지부에 상당하는 것을 내측 도체(53)의 내부에 마련했으므로, 이들을 외측 도체(52)의 외부에 마련하는 경우에 비해 기계요소의 중량 및 모멘트를 작게 할 수 있고, 또 외측 도체(52)에 유지기구가 이동하기 위한 슬릿을 마련할 필요가 없고, 전자파 누설을 방지하기 위한 실드 기구가 불필요하게 된다. 이 때문에, 슬래그(61a, 61b)의 구동 기구를 종래보다도 소형화할 수 있고, 마이크로파 도입 기구(41)를 소형화할 수 있다.
또한, 슬래그(61a, 61b) 자체에 평활성을 갖는 수지로 이루어지는 슬라이딩 부재(63)가 부착되고, 이 슬라이딩 부재(63)의 나사 구멍(65a)에 슬래그 이동축((64a) 혹은 (64b))을 나사식 결합시켜 나사 기구를 구성하고, 모터(73a, 73b)에 의해 슬래그 이동축(64a, 64b)을 회전시키는 것에 의해, 슬라이딩 부재(63)의 외주가 내측 도체(53)의 내주를 미끄러지도록 가이드되어 슬래그(61a, 61b)가 이동하므로, 슬라이딩 부재(63) 및 슬래그 이동축(64a, 64b)이 구동 전달 기구, 구동 가이드 기구, 유지 기구의 3개의 기능을 겸비하게 되고, 구동 기구를 현저하게 콤팩트로 할 수 있으며, 튜너(60)를 한층 소형화할 수 있다.
또한, 슬라이딩 부재(63)에 관통 구멍(65b)을 마련하고, 나사 구멍(65a)에 나사식 결합되지 않는 쪽의 슬래그 이동축을 이 관통 구멍(65b)에 통과시키도록 했으므로, 내측 도체(53)내에 슬래그(61a, 61b)를 각각 구동하기 위한 2개의 슬래그 이동축(64a, 64b)을 마련할 수 있고, 나사 기구에 의해 2개의 슬래그(61a, 61b)를 독립적으로 이동시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 슬래그 구동부(70)에 있어서, 모터(73a, 73b), 및 동력 전달기구인 기어(72a, 72b)가 상하로 오프셋되어 있으므로, 모터 및 기어 등의 동력 전달 기구의 스페이스를 작게 할 수 있고, 이들을 수용하는 하우징체(71)를 외측 도체(52)와 동일한 직경으로 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 튜너(60)를 가일층 콤팩트하게 할 수 있다.
또, 모터(73a, 73b)의 출력축에 직결하도록 인크리먼트형의 인코더(75a, 75b)를 마련하여, 슬래그(61a, 61b)의 위치 검출을 실행하므로, 종래 이용하고 있던 위치 검출을 위한 센서가 불필요하게 되고, 고가의 앱솔루트형 인코더를 이용할 필요도 없으므로 저렴하다.
(입사파/반사파 모니터를 마련한 실시형태)
다음에, 입사파 반사파 모니터를 마련한 실시형태에 대해 설명한다.
입사파 반사파 모니터는 마이크로파 공급부(40)로부터 챔버(1)로 보내지는 입사파와, 플라즈마 발생에 기여하는 일 없이 반사에 의해 마이크로파 공급부(40)로 되돌아오는 반사파를 모니터하는 것이며, 통상, 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리 장치에는 마련되어 있다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서는 입사파 반사파 모니터(120)는 입사파와 반사파의 어느 한쪽의 마이크로파에 의한 전류를 취출하는 것이 가능한 방향성 결합기(121)와, 방향성 결합기(121)가 취출한 전류를 검출하는 검출기(122)를 갖고 있다.
이러한 입사파 반사파 모니터에 이용되는 방향성 결합기는 종래, 독립된 부재로서, 장치 완성시에 연결되는 것이 일반적이었지만, 그 경우에는 부재의 점수가 많아져 소형화의 요청에 반하게 된다. 한편, 방향성 결합기는 마이크로파의 도파로에 마련되는 것이며, 마이크로파 도입 기구(41)의 도파로(44)에도 마련할 수 있다. 그래서, 본 실시형태에서는 방향성 결합기(121)를 마이크로파 도입 기구(41)에 조립해서 일체화하고, 상기 불합리를 해소하고 있다.
방향성 결합기(121)의 구체적인 구성을 도 11을 참조해서 설명한다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 방향성 결합기(121)는 마이크로파 도입 기구(41)의 외측 도체(52)에 형성된 슬릿(124)과, 이 슬릿(124)내에 마련된, 약 λg/4의 길이를 갖는 직사각형형상의 판형상 도체(125)와, 판형상 도체(125)의 길이 방향의 양 단부 근방에 각각 접속되고, 외측 도체(52)의 바깥쪽으로 연장하는 2개의 도전 핀(126a, 126b)과, 이들 도전 핀(126a, 126b)의 사이에 판형상 도체(125)에 대해 나사에 의해 위치 조절 가능하게 마련된 도전체로 이루어지는 조정기(127)를 갖고 있다. 그리고, 도파로(44)를 전송되는 입사파 및 반사파에 의해서 유도 자계가 형성되고, 그 유도 자계에 의해 생긴 전류가 판형상 도체(125)에 흐른다. 반사파를 검출하는 경우에는 판형상 도체(125)와 조정기(127)에 형성되는 주기적인 전계에 의해서 생기는 자계로, 입사파에 의한 전류를 캔슬하도록 하고, 주로 반사파에 의한 전류가 흐르도록 한다. 한편, 입사파를 검출하는 경우에는 판형상 도체(125)와 조정기(127)에 형성되는 주기적인 전계에 의해서 생기는 자계로, 반사파에 의한 전류를 캔슬하도록 하고, 주로 입사파에 의한 전류가 흐르도록 한다.
판형상 도체(125)에 흐르는 전류는 도전 핀(126a, 126b)에서 취출되고, 그 전류가 검출기(122)에서 검출된다. 검출기(122)에서 검출된 전류값은 전압 신호로 변환되어 제어부(110)로 보내진다. 반사파를 모니터하는 것에 의해, 플라즈마로부터의 반사 전력을 검출할 수 있다. 마찬가지로, 입사파를 모니터하는 것에 의해, 실제로 플라즈마에 입력되어 있는 입사 전력을 검출할 수 있다. 또한, 입사파와 반사파의 신호를 연산함으로써, 반사 계수의 값과 위상을 산출할 수 있고, 이것을 제어부(110)에 보내고, 슬래그 컨트롤러(68)에 피드백함으로써, 임피던스 매칭을 실행한다. 또, 검출기(122)에서 산출되는 반사 계수가 소정값/소정 시간 이상이 된 경우에, 제어부(110)는 마이크로파 발진기(32)에 출력 정지 신호를 보내고, 마이크로파의 공급을 정지할 수 있다.
입사파를 모니터하는 경우에는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 방향성 결합기(121)를, 외측 도체(52)의 마이크로파 전력 도입 포트(55)와 슬래그(61a)의 사이의 부분에 마련하는 것에 의해, 외란 요인이 적은 상황에서 임피던스 매칭을 실행할 수 있다. 한편, 반사파의 모니터인 경우에는 방향성 결합기(121)가 도 10의 위치라도 좋지만, 슬래그(61b)와 안테나부(43)의 사이에 마련하는 것에 의해, 플라즈마로부터의 반사를 직접적으로 모니터할 수 있으므로, 고밀도로 반사파를 검출할 수 있다. 도 10의 위치에 입사파 모니터용의 방향성 결합기를 마련하고, 슬래그(61b)와 안테나부(43)의 사이에 반사파 모니터용의 방향성 결합기를 마련하도록 해도 좋다.
그런데, 조정기(127)는 입사파 반사파 모니터의 설치 오차나 설계 오차를 상쇄하기 위해, 판형상 도체와의 거리 D를 외부로부터 나사에 의해 조정 가능하게 되어 있지만, 종래는 조정 폭이 좁은, 즉 감쇠율(Attenuation Rate)이 작다고 하는 불합리가 있었다. 그 이유를 검토한 결과, 도 12a에 나타내는 바와 같이, 종래의 방향성 결합기(121′)는 외측 도체에 형성되는 슬릿(124′)이, 판형상 도체(125′)와 대략 대응하는 길이 및 폭을 갖고 있고, 유도 자계와 조정기(127′)의 사이의 결합이 충분히 취해지지 않은 것에 기인하고 있는 것이 밝혀졌다.
그래서, 본 실시형태에서는 도 12b에 나타내는 바와 같이, 슬릿(124)을, 조정기(127)에 대향하는 부분이 조정기(127)에 대응하도록 넓어진 형상을 이루도록 하였다. 이에 따라, 유도 자계와 조정기(127)의 결합부를 늘릴 수 있고, 조정기(127)에 의한 거리 D의 조정에 의한 유도 전류의 변동 폭을 크게 하여, 조정기(127)에 의한 조정폭을 넓히는 것이 가능하게 된다. 단, 슬릿(124)의 폭을 너무 넓히면 누설 전류가 많아져 바람직하지 못하므로, 슬릿(124)의 조정기(127)에 대응하는 부분은 너무 커지지 않는 것이 필요하다．
실제로, 본 실시형태의 입사파 반사파 모니터와 종래의 입사파 반사파 모니터를 도파로에 부착하고, 도파로에 1000W의 마이크로파를 입력했을 때의 입사파 및 반사파에 의한 모니터 전류 및 감쇠율을 측정하였다. 도 13a?13d는 도 12B의 본 실시형태에 관한 입사파 반사파 모니터를 이용한 결과를 나타내는 것이며, 도 13a는 입사파 및 반사파의 위상과 전류값의 관계를 나타내는 도면이고, 도 13b는 도 13a의 반사파의 일부를 확대해서 나타내는 도면이며, 도 13c는 입사파 및 반사파의 거리 D와 모니터 전류의 관계를 나타내는 도면이고, 도 13d는 거리 D와 감쇠율의 관계를 나타내는 도면이다. 도 14a?14d는 도 12a의 종래의 입사파 반사파 모니터를 이용한 결과를 나타내는 것이며, 도 14a는 입사파 및 반사파의 위상과 전류값의 관계를 나타내는 도면이고, 도 14b는 도 14a의 반사파의 일부를 확대해서 나타내는 도면이며, 도 14c는 입사파 및 반사파의 거리 D와 모니터 전류의 관계를 나타내는 도면이고, 도 14d는 거리 D와 감쇠율의 관계를 나타내는 도면이다. 이들 도면에 있어서, A는 입사파의 전류값이며, B는 반사파의 전류값이다. 또한, A의 전류값을 IA, B의 전류값을 IB로 나타냈을 때, 감쇠율 γ는 이하의 식으로 나타난다.
γ=-20log(IA/IB)
이들 도면에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 경우에는 종래보다도 조정기(127)와 판형상 도체(125)의 거리 D를 변경했을 때에 있어서의 감쇠비의 변동폭이 커지고, 조정기에 의한 조정폭이 현저하게 넓어지는 것이 확인되었다.
(다른 적용)
또, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 사상의 범위내에 있어서 각종 변형 가능하다. 예를 들면, 마이크로파 출력부(30)의 회로 구성이나 마이크로파 공급부(40), 메인 앰프(47)의 회로구성 등은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로는 평면 슬롯 안테나로부터 방사되는 마이크로파의 지향성 제어를 실행하거나 원 편파로 할 필요가 없는 경우에는 위상기는 불필요하다. 또한, 마이크로파 공급부(40)는 반드시 복수의 마이크로파 도입 기구(41)로 구성할 필요는 없고, 마이크로파 도입 기구(41)는 1개라도 좋다. 또한, 평면 슬롯 안테나(81)의 슬롯(81a)으로서 부채형의 것 2개 또는 4개 마련한 경우에 대해 나타냈지만, 이것에 한정되지 않고, 조건에 따라 각종 슬롯 패턴을 채용하는 것이 가능하다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는 플라즈마 처리 장치로서 에칭 처리 장치를 예시했지만, 이것에 한정되지 않고, 성막 처리, 산질화막 처리, 애싱 처리 등의 다른 플라즈마 처리에도 이용할 수 있다. 또한, 피처리 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, LCD(액정 디스플레이)용 기판으로 대표되는 FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판이나, 세라믹스 기판 등의 다른 기판이어도 좋다.

Claims (9)

  1. 동축 구조의 도파로에 전자파 전력을 공급하는 전자파 급전 기구로서,
    상기 동축 구조의 도파로의 측부에 마련되고, 급전선이 접속되는 전력 도입 포트와,
    상기 급전선에 접속되고, 상기 도파로의 내부에 전자파 전력을 방사하는 급전 안테나
    를 구비하고,
    상기 급전 안테나는 상기 급전선에 접속된 제 1 극과, 상기 도파로의 내측 도체에 접촉하는 제 2 극을 갖는 안테나 본체와, 상기 안테나 본체의 양측으로부터 상기 내측 도체의 외측을 따라 연장되고, 링형상으로 형성된 반사부를 갖고,
    상기 안테나 본체에 입사된 전자파와 상기 반사부에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하고, 그 정재파에 의해 발생하는 유도 자계 및 유도 전계의 연쇄작용에 의해 전자파 전력이 상기 도파로를 따라 전파하는 전자파 급전 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로의 급전 방향과 반대측에 마련된 반사판을 더 갖고, 상기 급전 안테나로부터 공급된 전자파 전력을 상기 반사판에서 반사시켜 상기 도파로를 따라 전파시키는 전자파 급전 기구.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반사판과 상기 급전 안테나의 사이에 마련된 지파재를 더 갖고, 전자파의 실효 파장을 짧게 하는 전자파 급전 기구.
  4. 챔버 내에 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 표면파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구로서,
    동축 구조를 이루는 도파로와,
    상기 동축 구조의 도파로의 측부에 마련되고, 상기 동축선로가 접속되는 전력 도입 포트와,
    상기 동축선로의 내측 도체에 접속되고, 상기 도파로의 내부에 전자파 전력을 방사하는 급전 안테나와,
    상기 도파로에 공급된 마이크로파를 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부
    를 구비하고,
    상기 급전 안테나는 상기 급전선에 접속된 제 1 극과, 상기 도파로의 내측 도체에 접촉하는 제 2 극을 갖는 안테나 본체와, 상기 안테나 본체의 양측으로부터 상기 내측 도체의 외측을 따라 연장하고, 링형상으로 형성된 반사부를 갖고,
    상기 안테나 본체에 입사된 전자파와 상기 반사부에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하고, 그 정재파에 의해 발생하는 유도 자계 및 유도 전계의 연쇄작용에 의해 전자파 전력이 상기 도파로를 통해 전파하는 마이크로파 도입 기구.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 도파로의 급전 방향과 반대측에 마련된 반사판을 더 갖고, 상기 급전 안테나로부터 공급된 전자파 전력을 상기 반사판에서 반사시켜 상기 도파로를 통해 전파시키는 마이크로파 도입 기구.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반사판과 상기 급전 안테나의 사이에 마련된 지파재를 더 갖고, 전자파의 실효 파장을 짧게 하는 마이크로파 도입 기구.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 도파로에 마련되고, 상기 도파로를 통과하는 마이크로파 중, 상기 챔버를 향하는 입사파와, 반사에 의해 되돌아오는 반사파 중 어느 하나에 의거하는 전류를 취출하는 방향성 결합기와, 상기 방향성 결합기가 취출한 전류를 검출하는 검출기를 갖는 입사파 반사파 모니터를 더 구비하는 마이크로파 도입 기구.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 방향성 결합기는
    상기 동축 구조의 도파로의 외측 도체에 형성된 슬릿과,
    상기 슬릿 내에 마련된 판형상 도체와,
    상기 판형상 도체에 흐르는 전류를 취출하는 한 쌍의 도전 핀과,
    상기 외측 도체의 외측에 상기 판형상 도체에 대향하도록, 또한 상기 판형상 도체와의 거리를 조절 가능하게 마련된 도전체로 이루어지는 조정기
    를 갖고, 상기 슬릿은 상기 조정기에 대향하는 부분이 상기 조정기에 대응하도록 넓어진 형상을 이루는 마이크로파 도입 기구.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 전력 도입 포트와 상기 안테나부의 사이에 마련되고, 상기 챔버 내의 부하의 임피던스를 상기 표면파 플라즈마원에 탑재된 마이크로파 전원의 특성 임피던스에 정합시키는 튜너를 더 구비하고,
    상기 튜너는 상기 외측 도체와 상기 내측 도체의 사이에 마련되고, 내측 도체의 긴쪽 방향을 따라 이동 가능한, 환상을 이루고, 유전체로 이루어지는 슬래그를 갖고,
    상기 방향성 결합기는 상기 전력 도입 포트와 상기 슬래그의 사이, 또는/및 상기 슬래그와 상기 안테나부의 사이에 마련되어 있는 마이크로파 도입 기구.
KR1020127020891A 2010-01-18 2011-01-14 전자파 급전 기구 및 마이크로파 도입 기구 KR101490572B1 (ko)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010008510 2010-01-18
JPJP-P-2010-008510 2010-01-18
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