JP3963428B2 - 高周波電源 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電源に関し、特に、半導体ウエハに対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置用の高周波電源に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体デバイスの製造プロセスでは、高密度のプラズマを生成して半導体ウエハにエッチングを行うプラズマ処理装置が用いられている。プラズマ処理装置は、高周波電源によりプラズマチャンバ内に配置された電極にプラズマ生成用の高周波とプラズマ中のイオンを引き込むためのバイアス用の高周波とを重畳して印加する。
【0003】
プラズマ処理装置では、高周波電源からプラズマチャンバに出力された入射波(入射電力:Pf)に対して、プラズマ生成時の負荷インピーダンスの変動によりプラズマチャンバから反射波(反射電力:Pr)が戻ってくるので、該反射波から高周波電源を保護するために、例えば、反射波を検出して入射波を低下させる方法や高周波電源とプラズマチャンバ間に反射波を除去するためのサーキュレータを挿入する方法等が採られている。特に、プラズマ生成用の高周波電源には、プラズマ生成時の着火マージンを確保するために高周波電源とプラズマチャンバ間にサーキュレータを挿入する方法が有効である。
【0004】
図3は、従来のプラズマ処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【0005】
図3において、プラズマ処理装置20は、本体装置であるプラズマチャンバ21と、反射波を最も少なくするようにプラズマチャンバ21側の入力インピーダンスを高周波電源26側の出力インピーダンスに合わせるための整合回路であるマッチングボックス22と、入射波及び反射波を検出してプラズマチャンバ21に供給する高周波電力の制御を行うパワーモニタ23と、磁性体から成るサーキュレータ24と、終端抵抗であるダミーロード25と、プラズマ生成用の高周波電源26とを備える。
【0006】
高周波電源26は、パワーモニタ23と同様の機能を備えるパワーモニタ27と、電力を合成して出力する複数の電力合成器28〜34とを備え、例えば、入射波として100MHz、3kWのプラズマ生成用の高周波を出力する。
【0007】
サーキュレータ24は、高周波電源26側から出力された入射波Pfをプラズマチャンバ21側へ出力する(Pf´)一方、プラズマチャンバ21側から戻ってくる反射波Prをダミーロード25に出力する。ダミーロード25は、サーキュレータ24から出力された反射波を消費する。
【0008】
プラズマ処理装置20では、プラズマ生成時の負荷インピーダンスの変動によりプラズマチャンバ21から発生した反射波が直接高周波電源26に戻ってくることをサーキュレータ24により防止して反射波から高周波電源26を保護している。
【0009】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、上記従来のプラズマ処理装置20では、高周波電源26の外部に大電力用のサーキュレータ24及びダミーロード25を配置するので、それらに対応する装置用スペースを広く採る必要があった。
【0010】
また、サーキュレータ24は磁性体から成るので、高周波電源26からの入射波(Pf)がサーキュレータ24を通過すると磁気損失等によりわずかに減衰(ΔPf=Pf−Pf′)し、その結果、プラズマチャンバ21側に入力する入射波を精度よく制御するために、マッチングボックス22の前段にパワーモニタ23を設置する必要があった。
【0011】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、プラズマ処理装置における装置用スペースを削減すると共に、装置の全体構成を簡略化し、入射波の損失を防止することができる高周波電源を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1記載の高周波電源は、少なくとも2つの高周波電力を合成する電力合成手段と、前記電力合成手段により合成された高周波電力を制御する制御手段とを備え、前記制御手段により制御された高周波電力を入射電力としてプラズマ処理装置に供給する高周波電源において、前記電力合成手段は、前記プラズマ処理装置に供給された入射電力に対する反射電力を分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された反射電力を消費する消費手段とを備えることを特徴とする。
【0013】
請求項2記載の高周波電源は、請求項1記載の高周波電源によれば、前記分岐手段は、フェライトから成る少なくとも2つのサーキュレータが前記制御手段に対して並列に接続されて成ることを特徴とする。
【0014】
請求項3記載の高周波電源は、請求項1又は2記載の高周波電源について、前記消費手段は、前記サーキュレータそれぞれに接続された抵抗から成ることを特徴とする。
【0015】
請求項4記載の高周波電源は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の高周波電源において、少なくとも2つの高周波電力を合成し、前記電力合成手段に供給する他の電力合成手段を複数備えることを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0017】
図1は、本発明の実施の形態に係る高周波電源を含むプラズマ処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【0018】
図1において、プラズマ処理装置1は、本体装置であるプラズマチャンバ2と、プラズマチャンバ2に接続されたマッチングボックス3と、プラズマ生成用の高周波電源4とを備える。
【0019】
プラズマ処理装置1は、プラズマチャンバ2内に不図示の一対の平行平板電極(上部電極及び下部電極)を配置して処理ガスを導入すると共に、当該電極の一方に高周波電源4により高周波を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界によりプラズマを生成して半導体ウエハ(以下「ウエハ」という。)にプラズマ処理を行う。
【0020】
マッチングボックス3は、可変コンデンサ及びコイル等から成る回路(不図示)を備え、プラズマチャンバ2側の入力インピーダンスを高周波電源4側の出力インピーダンスに合わせるための整合回路である。特に、マッチングボックス3の入力側をみたインピーダンスと高周波電源4の出力側をみたインピーダンスとが同じ(50Ω)になるように設定されている。
【0021】
高周波電源4は、プラズマチャンバ2に進行する入射波(入射電力:Pf)及びプラズマ生成時の負荷インピーダンスの変動によりプラズマチャンバ2から戻ってくる反射波(反射電力:Pr)を検出して高周波電力を制御するパワーモニタ5と、電力を合成する複数の電力合成器6〜12とを備え、入射波として100MHz、3kWのプラズマ生成用の高周波を出力する。
【0022】
一般に、高周波電源で大電力を得るには、一つの増幅素子の出力が200〜300W程度と限られているので電力合成が必要となる。特に、100MHz、3kWの高周波を出力する場合は、図示した数に限られず、複数の電力合成器6〜12を複数段接続して電力合成を行う。
【0023】
電力合成器7〜12は、ウィルキンソン型合成器から成る。電力合成器6は、他の電力合成器7〜12と異なり、フェライト(磁性体)から成るサーキュレータ13,14と、終端抵抗であるダミーロード15,16とで構成される。電力合成器6は、サーキュレータ13,14を図示のようにパワーモニタ5に対して並列に接続することにより電力合成器として機能し、電力合成器7からの出力と電力合成器8からの出力とを合成して出力する。
【0024】
図2は、図1における電力合成器7〜12の電力合成方法を説明する説明図である。本合成方法は、一般に、1/4波長(1/4λ)の同軸ケーブルによるインピーダンス変換を応用したウィルキンソン型合成・分配方式と呼ばれている。
【0025】
図2において、30,31は1/4λでインピーダンスが70Ωの同軸ケーブルである。Rxは、P1〜P2間のアイソレーションを保つために配置された抵抗分である。図示のように、電力合成器7〜12を接続することにより電力を合成することができる。
【0026】
図1に戻って、サーキュレータ13,14は、電力合成器7,8から入力された各高周波電力を合成して入射波としてパワーモニタ5へ出力する一方、プラズマチャンバ2からパワーモニタ5を介して戻ってくる反射波をフェライトの磁気共鳴現象を利用してダミーロード15,16にそれぞれ出力する。ダミーロード15,16へ出力された反射波は、ダミーロード15,16内の各抵抗分により消費される。
【0027】
このように、プラズマ生成時の負荷インピーダンス変動によりプラズマチャンバ2から発生した反射波をサーキュレータ13,14を介してダミーロード15,16により消費させることで反射波から最終段である高周波電源4を保護すると共に、プラズマチャンバ2に対して安定したエネルギを供給することができる。
【0028】
サーキュレータ13,14が高周波電源4の外部にある場合は、高周波電源4の出力が負荷であるプラズマチャンバ2の状態に関わらず一定出力となるので、入射波の制御においてはマッチングボックス3の入力側にパワーモニタ5を設けて高周波電源4本体とのパワーフィードバックを行わなければならない。本実施の形態では、サーキュレータ13,14による電力合成により高周波電源4内部にて入射波の処理を行うことができ、装置全体の構成がシンプルとなる。
【0029】
上記実施の形態によれば、高周波電源4内の電力合成器6に備わるフェライトから成るサーキュレータ13,14によりプラズマチャンバ2側からの反射波を分岐してダミーロード15,16へ出力し、該ダミーロード15,16により反射波を消費するので、プラズマ処理装置における装置用スペースを削減すると共に、装置の全体構成を簡略化し、入射波の損失を防止することができる。
【0030】
また、電力合成器6内では、2つのサーキュレータ13,14をパワーモニタ5に対して並列に接続しているので、電力合成器を利用することなく2つの高周波電力を合成して取り出すことができる。さらに、サーキュレータ13,14に接続されたダミーロード15,16を高周波電源4の電力増幅部(不図示)の冷却装置内に取り付けることができるので、装置用スペースを削減することができる。
【0031】
上記実施の形態では、サーキュレータ13,14を別個に設けているが一体としてもよい。
【0032】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項1記載の高周波電源によれば、少なくとも2つの高周波電力を合成する電力合成手段において、分岐手段がプラズマ処理装置に供給された入射電力に対する反射電力を分岐し、消費手段が分岐された反射電力を消費するので、プラズマ処理装置における装置用スペースを削減すると共に、装置の構成を簡略化し、入射波の損失を防止することができる。
【0033】
請求項2記載の高周波電源によれば、分岐手段は、フェライトから成る少なくとも2つのサーキュレータが制御手段に対して並列に接続されて成るので、電力合成器を利用することなく2つの高周波電力を合成して取り出すことができる。
【0034】
請求項3記載の高周波電源によれば、消費手段は、前記サーキュレータにそれぞれ接続された抵抗から成るので、高周波電源内の電力増幅部の冷却装置内に取り付けて使用することができ、装置用スペースを削減することができる。
【0035】
請求項4記載の高周波電源によれば、少なくとも2つの高周波電力を合成し、前記電力合成手段に供給する他の電力合成手段を複数備えるので、所望の高周波電力を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る高周波電源を含むプラズマ処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【図2】図1における電力合成器7〜12の電力合成方法を説明する説明図である。
【図3】従来のプラズマ処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 プラズマ処理装置
2 プラズマチャンバ
3 マッチングボックス(整合回路)
4 高周波電源
5 パワーモニタ
6,7,8,9,10,11,12 電力合成器
13,14 サーキュレータ
15,16 ダミーロード
Claims (4)
- 少なくとも2つの高周波電力を合成する電力合成手段と、前記電力合成手段により合成された高周波電力を制御する制御手段とを備え、前記制御手段により制御された高周波電力を入射電力としてプラズマ処理装置に供給する高周波電源において、
前記電力合成手段は、前記プラズマ処理装置に供給された入射電力に対する反射電力を分岐する分岐手段と、
前記分岐手段により分岐された反射電力を消費する消費手段とを備えることを特徴とする高周波電源。 - 前記分岐手段は、フェライトから成る少なくとも2つのサーキュレータが前記制御手段に対して並列に接続されて成ることを特徴とする請求項1記載の高周波電源。
- 前記消費手段は、前記サーキュレータそれぞれに接続された抵抗から成ることを特徴とする請求項1又は2記載の高周波電源。
- 少なくとも2つの高周波電力を合成し、前記電力合成手段に供給する他の電力合成手段を複数備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の高周波電源。
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