JP2022127248A - 誘導結合プラズマ励起用アンテナ、誘導結合プラズマ励起用アンテナユニット及びプラズマ処理装置 - Google Patents

誘導結合プラズマ励起用アンテナ、誘導結合プラズマ励起用アンテナユニット及びプラズマ処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】誘導結合プラズマ励起用アンテナを用いてプラズマを励起する際、当該アンテナによる磁界の生成効率を向上させつつ、磁界強度の周方向均一性を向上させる。【解決手段】誘導結合プラズマ励起用アンテナであって、複数のコイルアセンブリと、前記複数のコイルアセンブリに接続され、中央開口部と、少なくとも1つのプレート端子とを有する導電性プレートと、を備える。【選択図】図3

Description

本開示は、誘導結合プラズマ励起用アンテナ、誘導結合プラズマ励起用アンテナユニット及びプラズマ処理装置に関する。
特許文献1には、処理チャンバ内でプラズマを生成するためのアンテナが開示されている。アンテナは、中央コイルターンと外側コイルターンの2つの環状コイルターンを有する。中央コイルターンと外側コイルターンは、半径方向経路又は弧状経路に延びる複数の導体で接続される。中央コイルターンにはRF源及びRFマッチネットワークを含むRF生成システムが接続され、アンテナ接続によって中央コイルターンにRF電力が供給される。外側コイルターンは、接地接続によって接地される。
特許文献2には、RFプラズマ源電力をプラズマに誘導結合する誘導コイルアンテナが開示されている。誘導コイルアンテナは、共通のアンテナ中心から複数のラジアルアームによって接続された複数の巻線を有する。アンテナ中心は、インピーダンス整合回路を介してRFプラズマ源発電機によって駆動される。巻線の複数の外側端部は接地される。
米国特許第5944902号公報 米国特許第6401652号公報
本開示にかかる技術は、誘導結合プラズマ励起用アンテナを用いてプラズマを励起する際、当該アンテナによる磁界の生成効率を向上させつつ、磁界強度の周方向均一性を向上させる。
本開示の一態様は、誘導結合プラズマ励起用アンテナであって、複数のコイルアセンブリと、前記複数のコイルアセンブリに接続され、中央開口部と、少なくとも1つのプレート端子とを有する導電性プレートと、を備える。
本開示によれば、誘導結合プラズマ励起用アンテナを用いてプラズマを励起する際、当該アンテナによる磁界の生成効率を向上させつつ、磁界強度の周方向均一性を向上させることができる。
プラズマ処理システムの構成の概略を示す断面図である。 第1の実施形態にかかるアンテナユニットの構成の概略を示す下方から見た平面図である。 第1の実施形態にかかるアンテナユニットの構成の概略を示す断面図である。 第1の実施形態にかかるアンテナユニットの構成の概略を模式的に示す斜視図である。 第2の実施形態にかかるアンテナユニットの構成の概略を示す断面図である。 第2の実施形態にかかるアンテナユニットの構成の概略を模式的に示す斜視図である。 第2の実施形態にかかるサブアンテナの構成の概略を示す上方から見た斜視図である。 第2の実施形態にかかるサブアンテナの構成の概略を示す上方から見た斜視図である。 第2の実施形態にかかるサブアンテナの構成の概略を示す下方から見た斜視図である。 第2の実施形態の変形例にかかるサブアンテナの構成の概略を示す上方から見た斜視図である。 第2の実施形態において導電性プレートに流れる電流を示す説明図である。 第2の実施形態において導電性プレートに流れる電流を示す説明図である。 第2の実施形態において導電性プレートに流れる電流を示す説明図である。 第2の実施形態において導電性プレートに流れる電流を示す説明図である。 第2の実施形態の変形例にかかるサブアンテナの構成の概略を示す上方から見た斜視図である。 第3の実施形態にかかるアンテナユニットの構成の概略を模式的に示す斜視図である。 第4の実施形態にかかるアンテナユニットの構成の概略を模式的に示す斜視図である。
半導体デバイスの製造工程では、半導体基板に対してエッチングや成膜処理等のプラズマ処理が行われる。プラズマ処理では、処理ガスを励起させることによりプラズマを生成し、当該プラズマによって半導体基板を処理する。
プラズマ源の一つとして、例えば誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)を用いることができる。上述した特許文献1、2に開示のアンテナは、この誘導結合プラズマを励起するためのアンテナであって、複数のコイルを含む。
アンテナに接続されるRF電源やインピーダンス整合回路は高価なものである。そこで従来、例えば特許文献1、2に開示されているように、RF電源やインピーダンス整合回路からのRF電力の供給はアンテナ中心の1箇所とし、当該アンテナ中心から分岐線を介して複数のコイルに分岐させている。かかる場合、アンテナ中心の分岐部では、各コイルへの分岐線が近接するため、互いに誘導結合して電流配分比率の偏りが生じる。誘導結合は、例えばRF電力の供給線と分岐線とが誘導結合する場合や、分岐線同士が誘導結合する場合が含まれる。そしてその結果、アンテナによって生成される磁界の強度の周方向均一性が悪化する。
また、アンテナ中心には、例えば処理ガスの通路である中央ガス注入部(CGI:Center Gas Injector)等を挿通させるための開口部が形成される場合がある。かかる場合、アンテナ中心の開口部に磁力線が生じ、誘電起電力が発生するため、アンテナによる磁界の生成効率が低下する。
本開示にかかる技術は、誘導結合プラズマ励起用アンテナを用いてプラズマを励起する際、当該アンテナによる磁界の生成効率を向上させつつ、磁界強度の周方向均一性を向上させる。以下、本実施形態にかかるプラズマ処理装置及び誘導結合プラズマ励起用アンテナについて、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
<プラズマ処理システムの構成>
以下に、プラズマ処理システムの構成例について説明する。図1は、プラズマ処理システムの構成の概略を示す断面図である。本実施形態のプラズマ処理システムでは、誘導結合プラズマを用いて基板(ウェハ)Wにプラズマ処理を行う。なお、プラズマ処理対象の基板Wはウェハに限定されるものではない。
プラズマ処理システムは、誘導結合プラズマ処理装置1及び制御部2を含む。誘導結合プラズマ処理装置1は、プラズマ処理チャンバ10、ガス供給部20、電源30及び排気システム40を含む。プラズマ処理チャンバ10は、誘電体窓101及び側壁102を含む。また、プラズマ処理装置1は、基板支持部11、ガス導入部、アンテナユニット(誘導結合プラズマ励起用アンテナ)14及び導体板15を含む。基板支持部11は、プラズマ処理チャンバ10内に配置される。アンテナユニット14は、後述する中央ガス注入部13を囲むようにプラズマ処理チャンバ10上又はその上方(すなわち誘電体窓101上又はその上方)に配置される。なお、アンテナユニット14は、EPD窓等のような他の中空部材を囲むように配置されてもよい。この場合、他の中空部材の一部又は全部は、石英のような絶縁材料で作製される。なお、絶縁材料は、石英以外のセラミック材料であってもよい。導体板15は、アンテナユニット14の上方に配置される。プラズマ処理チャンバ10は、誘電体窓101、側壁102及び基板支持部11により規定されたプラズマ処理空間10sを有する。プラズマ処理チャンバ10は、少なくとも1つの処理ガスをプラズマ処理空間10sに供給するための少なくとも1つのガス供給口と、プラズマ処理空間からガスを排出するための少なくとも1つのガス排出口とを有する。
基板支持部11は、本体部111及びリングアセンブリ112を含む。本体部111は、基板Wを支持するための中央領域(基板支持面)111aと、リングアセンブリ112を支持するための環状領域(リング支持面)111bとを有する。本体部111の環状領域111bは、平面視で本体部111の中央領域111aを囲んでいる。基板Wは、本体部111の中央領域111a上に配置され、リングアセンブリ112は、本体部111の中央領域111a上の基板Wを囲むように本体部111の環状領域111b上に配置される。一実施形態において、本体部111は、基台及び静電チャックを含む。基台は、導電性部材を含む。基台の導電性部材は下部電極として機能する。静電チャックは、基台の上に配置される。静電チャックの上面は、基板支持面111aを有する。リングアセンブリ112は、1又は複数の環状部材を含む。1又は複数の環状部材のうち少なくとも1つはエッジリングである。また、図示は省略するが、基板支持部11は、静電チャック、リングアセンブリ112及び基板Wのうち少なくとも1つをターゲット温度に調節するように構成される温調モジュールを含んでもよい。温調モジュールは、ヒータ、伝熱媒体、流路、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。流路には、ブラインやガスのような伝熱流体が流れる。また、基板支持部11は、基板Wの裏面と基板支持面111aとの間に伝熱ガスを供給するように構成された伝熱ガス供給部を含んでもよい。
ガス導入部は、ガス供給部20からの少なくとも1つの処理ガスをプラズマ処理空間10s内に導入するように構成される。一実施形態において、ガス導入部は、中空部材である中央ガス注入部(CGI:Center Gas Injector)13を含む。一実施形態において、中央ガス注入部13の一部又は全部は、石英のような絶縁材料で作製される。なお、絶縁材料は、石英以外のセラミック材料であってもよい。中央ガス注入部13は、基板支持部11の上方に配置され、誘電体窓101に形成された中央開口部に取り付けられる。中央ガス注入部13は、少なくとも1つのガス供給口13a、少なくとも1つのガス流路13b、及び少なくとも1つのガス導入口13cを有する。ガス供給口13aに供給された処理ガスは、ガス流路13bを通過してガス導入口13cからプラズマ処理空間10s内に導入される。なお、ガス導入部は、中央ガス注入部13に加えて又はその代わりに、側壁102に形成された1又は複数の開口部に取り付けられる1又は複数のサイドガス注入部(SGI:Side Gas Injector)を含んでもよい。
ガス供給部20は、少なくとも1つのガスソース21及び少なくとも1つの流量制御器22を含んでもよい。一実施形態において、ガス供給部20は、少なくとも1つの処理ガスを、それぞれに対応のガスソース21からそれぞれに対応の流量制御器22を介して中央ガス注入部13に供給するように構成される。各流量制御器22は、例えばマスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器を含んでもよい。さらに、ガス供給部20は、少なくとも1つの処理ガスの流量を変調又はパルス化する1又はそれ以上の流量変調デバイスを含んでもよい。
電源30は、少なくとも1つのインピーダンス整合回路を介してプラズマ処理チャンバ10に結合されるRF電源31を含む。RF電源31は、ソースRF信号及びバイアスRF信号のような少なくとも1つのRF信号(RF電力)を、基板支持部11の導電性部材及びアンテナユニット14に供給するように構成される。これにより、プラズマ処理空間10sに供給された少なくとも1つの処理ガスからプラズマが形成される。従って、RF電源31は、プラズマ処理チャンバ10において1又はそれ以上の処理ガスからプラズマを生成するように構成されるプラズマ生成部の少なくとも一部として機能し得る。また、バイアスRF信号を基板支持部11の導電性部材に供給することにより、基板Wにバイアス電位が発生し、形成されたプラズマ中のイオンを基板Wに引き込むことができる。
一実施形態において、RF電源31は、第1のRF生成部31a及び第2のRF生成部31bを含む。第1のRF生成部31aは、アンテナユニット14に結合され、少なくとも1つのインピーダンス整合回路を介してプラズマ生成用のソースRF信号(ソースRF電力)を生成するように構成される。一実施形態において、ソースRF信号は、13MHz~150MHzの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第1のRF生成部31aは、異なる周波数を有する複数のソースRF信号を生成するように構成されてもよい。生成された1又は複数のソースRF信号は、アンテナユニット14に供給される。第2のRF生成部31bは、少なくとも1つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部11の導電性部材に結合され、バイアスRF信号(バイアスRF電力)を生成するように構成される。一実施形態において、バイアスRF信号は、ソースRF信号よりも低い周波数を有する。一実施形態において、バイアスRF信号は、400kHz~13.56MHzの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第2のRF生成部31bは、異なる周波数を有する複数のバイアスRF信号を生成するように構成されてもよい。生成された1又は複数のバイアスRF信号は、基板支持部11の導電性部材に供給される。また、種々の実施形態において、ソースRF信号及びバイアスRF信号のうち少なくとも1つがパルス化されてもよい。
また、電源30は、プラズマ処理チャンバ10に結合されるDC電源32を含んでもよい。DC電源32は、バイアスDC生成部32aを含む。一実施形態において、バイアスDC生成部32aは、基板支持部11の導電性部材に接続され、バイアスDC信号を生成するように構成される。生成されたバイアスDC信号は、基板支持部11の導電性部材に印加される。一実施形態において、バイアスDC信号が、静電チャック内の電極のような他の電極に印加されてもよい。種々の実施形態において、バイアスDC信号は、パルス化されてもよい。なお、バイアスDC生成部32aは、RF電源31に加えて設けられてもよく、第2のRF生成部31bに代えて設けられてもよい。
排気システム40は、例えばプラズマ処理チャンバ10の底部に設けられたガス排出口10eに接続され得る。排気システム40は、圧力調整弁及び真空ポンプを含んでもよい。圧力調整弁によって、プラズマ処理空間10s内の圧力が調整される。真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ又はこれらの組み合わせを含んでもよい。
制御部2は、本開示において述べられる種々の工程をプラズマ処理装置1に実行させるコンピュータ実行可能な命令を処理する。制御部2は、ここで述べられる種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置1の各要素を制御するように構成され得る。一実施形態において、制御部2の一部又は全てがプラズマ処理装置1に含まれてもよい。制御部2は、例えばコンピュータ2aを含んでもよい。コンピュータ2aは、例えば、処理部(CPU:Central Processing Unit)2a1、記憶部2a2、及び通信インターフェース2a3を含んでもよい。処理部2a1は、記憶部2a2に格納されたプログラムに基づいて種々の制御動作を行うように構成され得る。記憶部2a2は、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェース2a3は、LAN(Local Area Network)等の通信回線を介してプラズマ処理装置1との間で通信してもよい。
<第1の実施形態>
次に、第1の実施形態にかかるアンテナユニット14の構成例について説明する。図2は、アンテナユニット14の構成の概略を示す下方から見た平面図である。図3は、アンテナユニット14の構成の概略を示す断面図である。図4は、アンテナユニット14の構成の概略を模式的に示す斜視図である。
アンテナユニット14は、少なくとも1つのアンテナを含む。本実施形態においては、アンテナユニット14は、複数のコイルアセンブリ200、内側導電性プレート210、外側導電性プレート220及び導電性円筒(導電性中空部材)230を有するアンテナを含む。
なお、図示の例では、4つのコイルアセンブリ200が示されているが、コイルアセンブリ200の数は特に限定されるものではない。複数のコイルアセンブリ200は、誘電体窓101の上方に配置される。また、複数のコイルアセンブリ200は、内側導電性プレート210の中心に対して軸対称に配置される。
各コイルアセンブリ200は、コイルセグメント201と鉛直コイルセグメント202、203を有する。コイルセグメント201は、水平方向に延伸するか、又は、水平方向に対して斜めに延伸し、コイルアセンブリ200の底部に配置される。なお、コイルセグメント201は、プラズマ処理空間10sに対向する方向に延伸するプラズマ対向セグメントとも呼ばれる。一の鉛直コイルセグメント202は、コイルセグメント201から上方に延伸し、コイル端子200aを介して内側導電性プレート210の下面に接続される。なお、一の鉛直コイルセグメント202は、内側導電性プレート210の上面に接続されてもよい。他の鉛直コイルセグメント203は、コイルセグメント201から上方に延伸し、コイル端子200bを介して外側導電性プレート220の下面に接続される。なお、他の鉛直コイルセグメント203は、外側導電性プレート220の上面に接続されてもよい。すなわち、コイルアセンブリ200は、内側導電性プレート210と外側導電性プレート220を接続する。
内側導電性プレート210は、複数のコイルアセンブリ200の上方、すなわちプラズマが生成されるプラズマ処理空間10sから離れて配置され、且つ、導体板15に近接して配置される。また、内側導電性プレート210は、略円筒状の中央ガス注入部13を囲むように中央ガス注入部13の周囲に配置される。内側導電性プレート210は平面視において略円形状を有し、中央開口部211が形成される。なお、内側導電性プレート210の形状は特に限定されるものではなく、例えば矩形状であってもよい。中央開口部211の内側には中央ガス注入部13が挿通する。内側導電性プレート210の上面には中央プレート端子210aが設けられる。なお、中央プレート端子210aは、内側導電性プレート210の下面に設けられてもよい。中央プレート端子210aは、電源30の第1のRF生成部31aに接続され、すなわちRF電位に接続される。なお、中央プレート端子210aは、RF電位に直接接続されてもよいし、コンデンサやコイル等の電気素子を介してRF電位に接続されてもよい。すなわち、中央プレート端子210aは、RF電位に直接的に又は間接的に接続される。
外側導電性プレート220は、内側導電性プレート210を囲むように内側導電性プレート210の周囲に配置される。外側導電性プレート220は平面視において環状形状を有する。外側導電性プレート220の上面には外側プレート端子220aが設けられる。なお、外側プレート端子220aは、外側導電性プレート220の下面に設けられてもよい。外側プレート端子220aは、コンデンサ221を介してグランドに接続され、すなわちグランド電位に接続される。コンデンサ221は、可変容量コンデンサであってもよい。なお、外側プレート端子220aは、グランド電位に直接接続されてもよいし、コイル等の他の電気素子を介してグランド電位に接続されてもよい。すなわち、外側プレート端子220aは、グランド電位に直接的に又は間接的に接続される。なお、外側プレート端子220aとコンデンサ221はそれぞれ、複数設けられていてもよい。また、コンデンサ221は本第1の実施形態に限定されず、固定の容量を有するコンデンサであってもよいし、可変容量コンデンサ及び/又は固定容量コンデンサを含む複数のコンデンサを含んでもよい。なお、外側プレート端子220aは、他のアンテナセグメントに接続されてもよい。
導電性円筒230は、中央開口部211の内側において中央ガス注入部13を囲むように中央ガス注入部13の周囲に配置される。導電性円筒230は、中央開口部211から誘電体窓101上又はその上方まで下方に延伸する。導電性円筒230は、内側導電性プレート210に接続されてもよいし、内側導電性プレート210と接続されない、すなわち内側導電性プレート210から離れていてもよい。また、導電性円筒230は、中央ガス注入部13の一部であってもよい。
[アンテナの作用]
以上のように構成されたアンテナユニット14では、電源30の第1のRF生成部31aから供給されたRF電力が、中央プレート端子210aを介して内側導電性プレート210に供給される。これにより、電流が内側導電性プレート210から複数のコイルアセンブリ200に分岐して流れる。この電流によって、鉛直軸方向に磁界が発生し、発生した磁界により、プラズマ処理チャンバ10内に誘導電界が発生する。プラズマ処理チャンバ10内に発生した誘導電界により、中央ガス注入部13からプラズマ処理チャンバ10内に供給された処理ガスがプラズマ化する。そして、プラズマに含まれるイオンや活性種によって、中央領域111a上の基板Wに対して、エッチングや成膜処理等のプラズマ処理が施される。
[アンテナの効果1]
ここで従来、上述したようにアンテナ中心から分岐線を介して複数のコイルに分岐させる場合、磁力線がコイルの間を自由に通過するため、誘電起電力が発生し、アンテナによる磁界の生成効率が低下する。この点、本第1の実施形態のアンテナユニット14によれば、板状の内側導電性プレート210が磁力線を通過させないため、余分な磁力線の回り込みを抑制することができる。すなわち、内側導電性プレート210をコイルとして機能させないようにできる。したがって、磁界の生成効率を向上させることができる。
内側導電性プレート210は、導体板15に近接して配置される。例えば、内側導電性プレート210と導体板15との間の距離は、中央開口部211の直径より小さい。このため、磁力線の回り込みをさらに抑制することができる。
中央開口部211において内側導電性プレート210の内端部と中央ガス注入部13との隙間は、磁力線の回り込みを抑制する観点から小さい方が好ましく、本第1の実施形態では20mm以内である。この20mmは、通常必要とされるコイルの耐圧、例えば20kVを確保するために必要な距離である。
また、内側導電性プレート210と外側導電性プレート220の隙間も、磁力線の回り込みを抑制する観点から小さい方が好ましい。
中央開口部211には導電性円筒230が設けられているので、中央開口部211の隙間を小さくすることができ、磁力線の回り込みをさらに抑制することができる。
[アンテナの効果2]
ここで従来、上述したようにアンテナ中心から分岐線を介して複数のコイルに分岐させる場合、アンテナ中心の分岐部では分岐線が近接するため、互いに誘導結合して電流配分比率の偏りが生じ、その結果、アンテナによって生成される磁界の強度の周方向均一性が悪化する。この点、本第1の実施形態のアンテナユニット14によれば、電流の分岐部が板状の内側導電性プレート210であるため、上記のような誘導結合が生じず、各コイルアセンブリ200への電流配分比率に偏りが生じない。したがって、磁界強度の周方向均一性を向上させることができる
複数のコイルアセンブリ200は、内側導電性プレート210の中心に対して軸対称に配置される。かかる場合、コイルアセンブリ200への電流配分比率の偏りをさらに抑制することができる。
<第2の実施形態>
次に、第2の実施形態にかかるアンテナユニット14の構成例について説明する。図5は、アンテナユニット14の構成の概略を示す断面図である。図6は、アンテナユニット14の構成の概略を模式的に示す斜視図である。
アンテナユニット14は、少なくとも1つのアンテナを含む。一実施形態において、アンテナユニット14は、メインアンテナとサブアンテナ310とを含む。メインアンテナは、少なくとも1つのメインコイルを含む。図5、6の例では、メインアンテナは、1つのメインコイル300を含む。メインコイル300とサブアンテナ310はそれぞれ、誘電体窓101の上方に配置される。なお、サブアンテナ310は、誘電体窓101から離れていることに限定されない。例えばサブアンテナ310は、誘電体窓101の上面に接していてもよい。
サブアンテナ310は、略円筒状の中央ガス注入部13を囲むように中央ガス注入部13の周囲に設けられ、且つ、メインコイル300の径方向内側に設けられる。すなわち、サブアンテナ310は、中央ガス注入部13とメインコイル300との間に配置される。メインコイル300は、中央ガス注入部13及びメインコイル300を囲むように中央ガス注入部13及びメインコイル300の周囲に設けられる。メインコイル300の外形とサブアンテナ310の外形はそれぞれ、平面視において略円形に形成される。そして、メインコイル300とサブアンテナ310は、それぞれの外形が同心円となるように配置される。
メインコイル300は、2周以上、略円形の渦巻き状に形成され、メインコイル300の外形の中心軸が鉛直軸に一致するように配置される。また、メインコイル300は、水平方向に延伸する、又は、水平方向に対して斜めに延伸する平面コイルである。
メインコイル300を構成する線路の両端は開放されている。また、メインコイル300を構成する線路の中点又は当該中点の近傍には、給電端子300aが設けられる。給電端子300aは、電源30の第1のRF生成部31aが接続され、すなわちRF電位に接続される。また、メインコイル300を構成する線路の中点の近傍には、接地端子300bが設けられる。接地端子300bはグランドに接続され、すなわちグランド電位に接続される。メインコイル300は、第1のRF生成部31aから供給されたRF電力の波長λに対し、λ/2で共振するように構成されている。メインコイル300を構成する線路に発生する電圧は、線路の中点付近で最小となり、線路の両端で最大となるように分布する。また、メインコイル300を構成する線路に発生する電流は、線路の中点付近で最大となり、線路の両端で最小となるように分布する。メインコイル300にRF電力を供給する第1のRF生成部31aは、周波数および電力の変更が可能である。
図7及び図8はそれぞれ、サブアンテナ310の構成の概略を示す上方から見た斜視図である。図9は、サブアンテナ310の構成の概略を示す下方から見た斜視図である。
サブアンテナ310は、第1のコイルアセンブリ320、第2のコイルアセンブリ330、接続部材340~343、導電性プレート350及び導電性円筒360を有する。
第1のコイルアセンブリ320と第2のコイルアセンブリ330はそれぞれ、螺旋構造を有する。第1のコイルアセンブリ320は、1以上のターンを有し、第2のコイルアセンブリ330は、1以上のターンを有する。第1のコイルアセンブリ320の各ターンと第2のコイルアセンブリ330の各ターンは、側面視において鉛直方向に交互に配置されている。第1のコイルアセンブリ320の外形の中心軸と第2のコイルアセンブリ330の外形の中心軸はそれぞれ鉛直軸に一致し、第1のコイルアセンブリ320と第2のコイルアセンブリ330は同軸上に配置されている。第1のコイルアセンブリ320と第2のコイルアセンブリ330はそれぞれ、平面視において略円形に形成されている。また、第1のコイルアセンブリ320の各ターンの径は同じであり、第2のコイルアセンブリ330の各ターンの径は同じである。このようにサブアンテナ310は、略円筒形の2重螺旋構造を有している。
なお、図示の例においては第1のコイルアセンブリ320と第2のコイルアセンブリ330のターン数(巻き数)は1.5ターンであるが、これに限定されず、1以上の任意のターン数に設定できる。例えば、第1のコイルアセンブリ320と第2のコイルアセンブリ330のターン数は、2ターン以上であってもよい。
第1のコイルアセンブリ320は、第1のコイルセグメント321と第1の螺旋状コイルセグメント322を有する。第1のコイルセグメント321は、水平方向に延伸するか、又は、水平方向に対して斜めに延伸し、第1のコイルアセンブリ320の底部に配置される。第1の螺旋状コイルセグメント322は、第1のコイルセグメント321から鉛直方向に螺旋状に設けられる。第1のコイルアセンブリ320の上端部(第1の螺旋状コイルセグメント322の端部)には第1の上側コイル端子320aが設けられ、第1のコイルアセンブリ320の下端部(第1のコイルセグメント321の端部)には第1の下側コイル端子320bが設けられる。
第2のコイルアセンブリ330は、第2のコイルセグメント331と第2の螺旋状コイルセグメント332を有する。第2のコイルセグメント331は、水平方向に延伸するか、又は、水平方向に対して斜めに延伸し、第2のコイルアセンブリ330の底部に配置される。第2の螺旋状コイルセグメント332は、第2のコイルセグメント331から鉛直方向に螺旋状に設けられる。第2のコイルアセンブリ330の上端部(第2の螺旋状コイルセグメント332の端部)には第2の上側コイル端子330aが設けられ、第1のコイルアセンブリ320の下端部(第1のコイルセグメント321の端部)には第2の下側コイル端子330bが設けられる。
第1の上側コイル端子320aと第2の上側コイル端子330aはサブアンテナ310の中心に対して対称位置、すなわち隣接する上側コイル端子の中心角が約180度の位置に配置されている。また、第1の上側コイル端子320aと第2の上側コイル端子330aは、後述するプレート端子350aに対しても軸対称に配置される。すなわち、第1の上側コイル端子320aとプレート端子350aの距離と、第2の上側コイル端子330aとプレート端子350aの距離は同じである。第1の下側コイル端子320bと第2の下側コイル端子330bもサブアンテナ310の中心に対して対称位置、すなわち隣接する下側コイル端子の中心角が約180度の位置に配置されている。
第1の上側コイル端子320aは、接続部材340を介して導電性プレート350の下面に接続される。第2の上側コイル端子330aも、接続部材341を介して導電性プレート350の下面に接続される。なお、第1の上側コイル端子320a及び第2の上側コイル端子330aは、導電性プレート350の上面に接続されてもよい。
第1の下側コイル端子320bは、接続部材342を介してグランドに接続され、すなわちグランド電位に接続される。第2の下側コイル端子330bは、接続部材343を介してグランドに接続され、すなわちグランド電位に接続される。このようにサブアンテナ310は電源30に接続されておらず、したがって、当該サブアンテナ310にはRF電力が直接供給されない。
なお、平面視における第1の上側コイル端子320a及び第2の上側コイル端子330aと、第1の下側コイル端子320b及び第2の下側コイル端子330bとの配置は特に限定されない。但し、第1の上側コイル端子320a及び第2の上側コイル端子330aと、第1の下側コイル端子320b及び第2の下側コイル端子330bとの間では電圧差が大きいため、実用上は、ある程度の間隔を維持するのが好ましい。
導電性プレート350は、第1のコイルアセンブリ320及び第2のコイルアセンブリ330の上方、すなわちプラズマが生成されるプラズマ処理空間10sから離れて配置され、且つ、導体板15に近接して配置される。また、導電性プレート350は、略円筒状の中央ガス注入部13を囲むように中央ガス注入部13の周囲に配置される。導電性プレート350は平面視において略円形状を有し、中央開口部351が形成される。なお、導電性プレート350の形状は特に限定されるものではなく、例えば矩形状であってもよい。中央開口部351の内側には中央ガス注入部13が挿通する。導電性プレート350の上面にはプレート端子350aが設けられる。なお、プレート端子350aは、導電性プレート350の下面に設けられてもよい。プレート端子350aは、コンデンサ352を介してグランドに接続され、すなわちグランド電位に接続される。なお、プレート端子350aは、グランド電位に直接接続されてもよいし、コイル等の他の電気素子を介してグランド電位に接続されてもよい。すなわち、プレート端子350aは、グランド電位に直接的に又は間接的に接続される。コンデンサ352は、可変容量コンデンサを含む。なお、コンデンサ352は本第2の実施形態に限定されず、固定の容量を有するコンデンサであってもよいし、可変容量コンデンサ及び/又は固定容量コンデンサを含む複数のコンデンサを含んでもよい。なお、上記の実施形態では、プレート端子350a及び下側コイル端子320b、330bは、コンデンサ352を介してグランド電位に接続されている。一方で、プレート端子350a及び下側コイル端子320b、330bは、他の導電性プレートを介してグランド電位に接続されてもよい。この場合においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
導電性円筒360は、上記第1の実施形態の導電性円筒230と同様の構成を有する。すなわち、導電性円筒360は、中央開口部351の内側において中央ガス注入部13を囲むように中央ガス注入部13の周囲に配置される。導電性円筒360は、中央開口部351から誘電体窓101上又はその上方まで下方に延伸する。導電性円筒360は、導電性プレート350に接続して設けられてもよいし、導電性プレート350と接続されずに独立して設けられてもよい。
サブアンテナ310はメインコイル300と誘導結合し、サブアンテナ310には、メインコイル300に流れる電流によって発生した磁界を打ち消す向きの電流が流れる。コンデンサ352の容量を制御することによって、メインコイル300に流れる電流に対してサブアンテナ310に流れる電流の向きや大きさを制御することができる。
[アンテナの作用]
以上のように構成されたアンテナユニット14では、メインコイル300に流れる電流と、サブアンテナ310に流れる電流とによって、鉛直軸方向に磁界が発生し、発生した磁界により、プラズマ処理チャンバ10内に誘導電界が発生する。プラズマ処理チャンバ10内に発生した誘導電界により、中央ガス注入部13からプラズマ処理チャンバ10内に供給された処理ガスがプラズマ化する。そして、プラズマに含まれるイオンや活性種によって、中央領域111a上の基板Wに対して、エッチングや成膜処理等のプラズマ処理が施される。
[アンテナの効果]
ここで、比較例において、サブアンテナ310の構成において導電性プレート350が設けられず、接続部材340、341が連結され、コンデンサ352を介してグランドに接続される場合、従来のアンテナと同様の課題が生じる。すなわち、比較例においては、第1のコイルアセンブリ320と第2のコイルアセンブリ330への電流配分比率の偏りが生じ、その結果、磁界強度の周方向均一性が悪化する。この点、本第2の実施形態のアンテナユニット14によれば、電流の分岐部が板状の導電性プレート350であるため、上記のような誘導結合が生じず、各第1のコイルアセンブリ320と第2のコイルアセンブリ330への電流配分比率に偏りが生じない。したがって、磁界強度の周方向均一性を向上させることができる。
また、比較例においては、磁力線が第1のコイルアセンブリ320と第2のコイルアセンブリ330の間を自由に通過するため、誘電起電力が発生し、磁界の生成効率が低下する。この点、本第2の実施形態のアンテナユニット14によれば、板状の導電性プレート350が磁力線を通過させないため、余分な磁力線の回り込みを抑制することができる。その結果、磁界の生成効率を向上させることができる。なお、第2の実施形態では、比較例より磁界の生成効率を向上させることができるものの、導電性プレート350の中央開口部351が形成されているため、その磁界の生成効率の向上効果は小さい場合がある。この点、後述の変形例のように導電性プレート350にスリット370を設けることで、磁界の生成効率の向上効果を大きくすることができる。
<第2の実施形態の変形例>
図10に示すように、本第2の実施形態のサブアンテナ310において、導電性プレート350には、中央開口部211から導電性プレート350の外端部(外周縁部)まで径方向に延伸するスリット370が形成されてもよい。スリット370は導電性プレート350を分離するように形成され、後述するようにスリット370によって導電性プレート350における電流が変化する。
本発明者らが鋭意検討したところ、このようにスリット370を形成すると、スリット370を形成しない場合に比べて、磁界強度の周方向均一性が若干低くなるものの、磁界の生成効率を向上させることができることが分かった。また、導電性プレート350におけるスリット370の位置によって、磁界強度の周方向均一性と磁界の生成効率に変動があることが分かった。
図11A~図11Dを用いて、このような磁界強度の周方向均一性と磁界の生成効率の変動について説明する。図11A~図11Dは、導電性プレート350におけるスリット370の有無及び位置に応じた電流を示す説明図である。なお、以下では、磁界強度の周方向均一性は偏りBとして説明する。偏りBは、1周(360度)の磁界分布において、磁界の平均値に対する、最大値と最小値の差分の割合を示す。また、磁界の生成効率は効率Eとして説明する。効率Eは、サブアンテナ310がプラズマ中に生成する磁界の単位長さ辺りの強さを示す。
[パターン1]
パターン1は、図11Aに示すように導電性プレート350にスリット370が形成されないパターンである。パターン1では、第1のコイルアセンブリ320と第2のコイルアセンブリ330に流れる電流Pに対して、導電性プレート350に誘導電流Q1が流れる。かかる場合、偏りB1は小さく抑えることができる。しかしながら、電流Pに対して誘導電流Q1が打ち消すように流れるので、効率E1が小さくなる。
[パターン2]
パターン2は、図11Bに示すように平面視において、スリット370が第1の上側コイル端子320aと第2の上側コイル端子330aの間に形成され、且つ、プレート端子350aの反対側に形成されるパターンである。かかる場合、スリット370が形成されていることにより、誘導電流Q2は導電性プレート350を周回せず、パターン1の誘導電流Q1に比べて小さくなる。このため、パターン1の効率E1より、パターン2の効率E2は大きくなる。但し、パターン2の偏りB2は、パターン1の偏りB1より大きくなる。
[パターン3]
パターン3は、図11Cに示すように平面視において、スリット370がプレート端子350aの近傍に形成されるパターンである。かかる場合、すべての誘導電流Q3が電流Pと同じ向きになるため、効率E3は大きくなる。但し、パターン3の偏りB3は、パターン2の偏りB2よりさらに大きくなる。
[パターン4]
パターン4は、図11Dに示すように平面視において、スリット370がプレート端子350aと第1の上側コイル端子320aの間に形成されるパターンである。かかる場合、すべての誘導電流Q4が電流Pと反対向きになるため、効率E4は小さくなる。しかし、パターン4の偏りB4は小さく抑えることができる。
以上の結果をまとめると、偏りBについては、B1<B4<B2<B3となる。一方、効率Eについては、E3>E2>E4>E1となる。スリット370の有無と位置は、これら偏りBと効率Eが仕様に合致するように適宜設計される。
なお、本第2の実施形態で導電性プレート350に形成したスリット370は、第1の実施形態の内側導電性プレート210に形成してもよい。内側導電性プレート210にスリットを形成した場合でも、上記と同様の効果を享受することができる。
<第2の実施形態の変形例>
以上の第2の実施形態では、第1の下側コイル端子320bと第2の下側コイル端子330bはそれぞれグランドに接続されていたが、図12に示すようにこれら第1の下側コイル端子320bと第2の下側コイル端子330bは、コンデンサ380を介して接続されていてもよい。コンデンサ380は、可変容量コンデンサを含む。
また、第1の下側コイル端子320bと第2の下側コイル端子330bはそれぞれ、フローティング状態であってもよい。
また、第1の下側コイル端子320bと第2の下側コイル端子330bはそれぞれ、RF電位に接続されてもよい。かかる場合、第1のコイルアセンブリ320と第2のコイルアセンブリ330をそれぞれ、単体で使用することも可能となる。
<第2の実施形態の変形例>
以上の第2の実施形態では、サブアンテナ310はメインコイル300の径方向内側に配置されていたが、径方向外側に配置されていてもよい。また、サブアンテナ310は、メインコイル300の径方向内側と径方向外側の双方に配置されていてもよい。すなわち、アンテナアセンブリは、メインコイル300の径方向内側に配置される第1のサブアンテナと径方向外側に配置される第1のサブアンテナとを有してもよい。さらに、サブアンテナ310は、メインコイル300の下方及び/又は上方に配置されていてもよい。
<第3の実施形態>
次に、第3の実施形態にかかるアンテナユニット14の構成例について説明する。図13は、アンテナユニット14の構成の概略を模式的に示す斜視図である。
アンテナユニット14は、コイルアセンブリ400、導電性プレート410及び導電性円筒(図示せず)を有する。導電性円筒は、上記第1の実施形態の導電性円筒230と同様の構成を有する。
コイルアセンブリ400は、複数設けられている。なお、図示の例では、コイルアセンブリ400は4つ設けられているが、コイルアセンブリ400の数は特に限定されるものではない。複数のコイルアセンブリ400は、誘電体窓101の上方に配置される。
各コイルアセンブリ400は、第1のコイルセグメント401、鉛直コイルセグメント402及び第2のコイルセグメント403を有する。第1のコイルセグメント401は、水平方向に延伸するか、又は、水平方向に対して斜めに延伸し、コイル端子400aを介して導電性プレート410の側面に接続される。鉛直コイルセグメント402は、第1のコイルセグメント401から鉛直下方に延伸する。第2のコイルセグメント403は、鉛直コイルセグメント402から水平方向に延伸するか、又は、該水平方向に対して斜めに略円形に延伸し、コイルアセンブリ400の底部に配置される。第2のコイルセグメント403の端部には、コイル端子400bが設けられる。コイル端子400bの接続先は任意であるが、例えばグランド電位に接続される。
複数のコイルアセンブリ400は、導電性プレート410の中心に対して軸対称に配置される。すなわち、複数のコイル端子400aは、導電性プレート410の中央開口部411を中心に周方向に等間隔で配置される。同様に複数のコイル端子400bも、中央開口部411を中心に周方向に等間隔で配置される。
導電性プレート410は、第1の実施形態の内側導電性プレート210と同様の構成を有する。導電性プレート410には、中央ガス注入部13が挿通する中央開口部411が形成される。導電性プレート410の側面にはプレート端子410aが設けられる。プレート端子410aは、電源30の第1のRF生成部31aに接続され、すなわちRF電位に接続される。
本第3の実施形態においても、上記第1の実施形態と同様の効果を享受することができる。
<第4の実施形態>
次に、第4の実施形態にかかるアンテナユニット14の構成例について説明する。図14は、アンテナユニット14の構成の概略を模式的に示す斜視図である。
アンテナユニット14は、コイルアセンブリ500、導電性プレート510及び導電性円筒(図示せず)を有する。導電性円筒は、上記第1の実施形態の導電性円筒230と同様の構成を有する。
コイルアセンブリ500は、複数設けられている。なお、図示の例では、コイルアセンブリ500は4つ設けられているが、コイルアセンブリ500の数は特に限定されるものではない。複数のコイルアセンブリ500は、誘電体窓101の上方に配置される。
各コイルアセンブリ500は、導電性プレート510と同一平面において水平方向に延伸するか、又は、水平方向に対して斜めに延伸し、2周以上、略円形の渦巻き状に形成される。コイルアセンブリ500の一端部に設けられたコイル端子500aは、導電性プレート510の側面に接続される。コイルアセンブリ500の他端部に設けられたコイル端子500bの接続先は任意であるが、例えばグランド電位に接続される。
複数のコイルアセンブリ500は、導電性プレート510の中心に対して軸対称に配置される。すなわち、複数のコイル端子500aは、導電性プレート510の中央開口部511を中心に周方向に等間隔で配置される。同様に複数のコイル端子500bも、中央開口部511を中心に周方向に等間隔で配置される。
導電性プレート510は、第1の実施形態の内側導電性プレート210と同様の構成を有する。導電性プレート510には、中央ガス注入部13が挿通する中央開口部511が形成される。導電性プレート510の上面にはプレート端子510aが設けられる。なお、プレート端子510aは、導電性プレート510の上面に設けられてもよい。プレート端子510aは、電源30の第1のRF生成部31aに接続され、すなわちRF電位に接続される。
本第4の実施形態においても、上記第1の実施形態と同様の効果を享受することができる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
14 アンテナユニット
200 コイルアセンブリ
210 内側導電性プレート
210a 中央プレート端子
211 中央開口部

Claims (24)

  1. 誘導結合プラズマ励起用アンテナであって、
    複数のコイルアセンブリと、
    前記複数のコイルアセンブリに接続され、中央開口部と、少なくとも1つのプレート端子とを有する導電性プレートと、を備える、誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  2. 前記プレート端子は、グランド電位又はRF電位に直接的に又は間接的に接続される、請求項1に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  3. 前記中央開口部又はその近傍から下方に延伸する導電性円筒をさらに備える、請求項1又は2に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  4. 前記複数のコイルアセンブリの各々は、水平方向に延伸する、又は、水平方向に対して斜めに延伸するコイルセグメントを有し、
    前記導電性プレートは、前記少なくとも1つのプレート端子を有する上面と、前記複数のコイルアセンブリに接続される下面とを有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  5. 前記コイルセグメントは、前記コイルアセンブリの底部に配置される、請求項4に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  6. 前記導電性プレートの周囲に配置され、少なくとも1つの他のプレート端子を有する他の導電性プレートをさらに備え、
    前記複数のコイルアセンブリは、前記導電性プレートと前記他の導電性プレートを接続する、請求項1~5のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  7. 前記複数のコイルアセンブリは、
    水平方向に延伸する、又は、水平方向に対して斜めに延伸する第1のコイルセグメントと、第1のコイル端子とを有する第1のコイルアセンブリと、
    水平方向に延伸する、又は、水平方向に対して斜めに延伸する第2のコイルセグメントと、第2のコイル端子とを有する第2のコイルアセンブリと、を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  8. 前記導電性プレートは、前記導電性プレートの外周縁部から前記中央開口部まで延伸するスリットを有する、請求項7に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  9. 前記スリットは、平面視において、前記第1のコイル端子と前記第2のコイル端子の間に形成される、請求項8に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  10. 前記スリットは、平面視において、前記第1のコイル端子と前記第2のコイル端子に対して前記プレート端子の反対側に形成される、請求項8又は9に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  11. 前記スリットは、平面視において、前記プレート端子の近傍に形成される、請求項8又は9に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  12. 前記スリットは、平面視において、前記プレート端子と前記第1のコイル端子の間に形成される、請求項8又は9に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  13. 前記複数のコイルアセンブリは、それぞれに対応する複数のコイル端子を有し、各コイル端子は、グランド電位又はRF電位に直接的に又は間接的に接続される、請求項1~3のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  14. 前記複数のコイル端子は、前記中央開口部を中心に周方向に等間隔で配置される、請求項13に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナ。
  15. 誘導結合プラズマ励起用アンテナユニットであって、
    RF電位に接続される給電端子を有するメインアンテナと、
    前記メインアンテナの内側又は外側に配置されるサブアンテナと、を備え、
    前記サブアンテナは、
    複数のコイルアセンブリと、
    前記複数のコイルアセンブリに接続され、中央開口部と、少なくとも1つのプレート端子とを有する導電性プレートと、を備える、誘導結合プラズマ励起用アンテナユニット。
  16. 前記複数のコイルアセンブリは、
    水平方向に延伸する、又は、水平方向に対して斜めに延伸する第1のコイルセグメントと、第1のコイル端子とを有する第1のコイルアセンブリと、
    水平方向に延伸する、又は、水平方向に対して斜めに延伸する第2のコイルセグメントと、第2のコイル端子とを有する第2のコイルアセンブリと、を含む、請求項15に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナユニット。
  17. 前記第1のコイルセグメントは、前記第1のコイルアセンブリの底部に配置され、
    前記第2のコイルセグメントは、前記第2のコイルアセンブリの底部に配置される、請求項16に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナユニット。
  18. 前記導電性プレートは、前記導電性プレートの外周縁部から前記中央開口部まで延伸するスリットを有する、請求項15~17のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナユニット。
  19. 前記複数のコイルアセンブリの各々は、グランド電位に接続される他のコイル端子を有し、
    前記少なくとも1つのプレート端子は、グランド電位に接続される、請求項15~18のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナユニット。
  20. 前記複数のコイルアセンブリの各々は、前記プレート端子に直接的に又は間接的に接続される他のコイル端子を有する、請求項15~18のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ励起用アンテナユニット。
  21. プラズマ処理チャンバと、
    前記プラズマ処理チャンバに取り付けられる中空部材と、
    前記中空部材を囲むように前記プラズマ処理チャンバ上又は当該プラズマ処理チャンバの上方に配置されるにアンテナと、を備え、
    前記アンテナは、
    複数のコイルアセンブリと、
    前記複数のコイルアセンブリに接続され、中央開口部と、少なくとも1つのプレート端子とを有する導電性プレートと、を備える、プラズマ処理装置。
  22. 前記アンテナの上方に配置される導体板をさらに備える、請求項21に記載のプラズマ処理装置。
  23. 前記中空部材の一部又は全部は、絶縁材料で作製される、請求項21又は22に記載のプラズマ処理装置。
  24. 前記アンテナと前記中空部材との間に配置される導電性中空部材を備える、請求項21~23のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
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