JP4132016B2 - 整合回路およびプラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体、液晶等の電子デバイスやマイクロマシンの製造に使用される整合回路およびプラズマ処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体、液晶等の電子デバイスやマイクロマシンの製造において、プラズマ処理による薄膜加工技術が使用されている。図4は、典型的なプラズマ処理装置を示す。真空容器1の側壁にはガス供給装置2が設けられ、該ガス供給装置2により所定のガスを内部に供給しつつ、底壁に設けた排気口3を通してターボ分子ポンプ4により排気が行われ、真空容器1内は所定の圧力に保持される。排気口3の上方には真空容器1を所定の圧力に制御する調圧弁5が昇降可能に設けられている。真空容器1内には、プラズマ処理する基板6が載置される基板電極7が4本の支柱8を介して固定され、該基板電極7には基板電極用高周波電源9から周波数500KHzの高周波電力が供給される。真空容器1内には、特に基板電極7の周囲に、インナチャンバ10が設けられ、プラズマ処理によって真空容器1の内壁面が汚れるのを防止している。
【0003】
また、真空容器1の上壁内面には、円板状のアンテナ11が、基板電極7と対向するように、誘電板12を介して固定されている。アンテナ11の下面はカバー13によって覆われている。アンテナ11の周囲には、導体リング14が誘電体リング15を介して真空容器1の上壁内面に固定されている。これにより、導体リング14および誘電体リング15と、アンテナ11および誘電板12との間に、環状のプラズマトラップ16が設けられている。アンテナ11には、給電棒17が誘電板12および真空容器1の上壁を貫通して設けられ、該給電棒17にはアンテナ用高周波電源18から同軸管19により整合回路20を介して周波数f=100MHzの高周波電力が供給される。
【0004】
真空容器1を排気し所定の圧力下で所定のガスを封入した状態で、基板電極7とアンテナ11に高周波電力を供給すると、真空容器1内にプラズマが発生し、基板電極7上の基板6にプラズマ処理が行われる。
【0005】
整合回路20は、アンテナ11のインピーダンスを同軸線路としての同軸管19の特性インピーダンスに整合させて、電力損失を低減するためのもので、図5に示す回路で構成されている。すなわち、同軸管19が接続される入力端子21には、第1可変リアクタンス素子としての第1可変コンデンサ22の一端が、インダクタンスとして作用する銅板23を介して接続され、当該第1可変コンデンサ22の他端は筐体24を介して接地されている。また、第2可変リアクタンス素子としての第2可変コンデンサ25の一端が、インダクタンスとして作用する銅板26を介して入力端子21に接続され、当該第2可変コンデンサ25の他端はアンテナ11が接続される整合回路20の出力端子27に接続されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のプラズマ処理装置の整合回路20は、整合可能範囲が狭く、ガスの種類や流量、真空容器内の圧力、高周波電力等の放電条件を変えても、限られた放電条件においてしか整合が確保できなかった。また、プラズマ処理の途中で、ガス種、ガス流量、圧力、高周波電力のいずれかを変化させた場合、その変化前後のアンテナ11のインピーダンスの変化が大きいと、整合状態に達するまで5〜10秒程度を要することがあり、アンテナ11のインピーダンスの変化が大きすぎるときには、整合状態を確保できないことがあった。さらに、アンテナ11に印加する高周波電力の周波数が高くなると、整合回路20の第1可変リアクタンス素子22と第2可変リアクタンス素子25に過大な電流が流れ、特に第2可変リアクタンス素子25の端子間に過大電圧が発生する結果、局部的に温度上昇したり、整合状態が不安定になるという問題があった。
【0007】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、整合可能範囲が広く、負荷の状態の変化に対して整合状態が安定した整合回路およびプラズマ処理装置を提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための手段として、本発明の整合回路は、
接地された筐体内に、入力端子、第1可変リアクタンス素子、第1固定リアクタンス素子、第2固定リアクタンス素子、第2可変リアクタンス素子、ストリップ線路、及び出力端子を配置し、
前記入力端子に前記第1可変リアクタンス素子の一端を接続し、
該第1可変リアクタンス素子の他端を直列に接続された前記第1固定リアクタンス素子と前記第2固定リアクタンス素子の間に接続し、
前記第1固定リアクタンス素子を前記筐体に接続して接地し、
前記第2固定リアクタンス素子を前記第2可変リアクタンス素子の一端に接続するとともに、前記ストリップ線路の一端に接続し、
前記第2可変リアクタンス素子の他端を前記筐体に接続して接地し、
前記ストリップ線路の他端を前記出力端子に接続し、
前記ストリップ線路を前記筐体に沿って配置し、前記筐体と平行平板を形成するようにした。
【0009】
前記入力端子に印加する高周波電力の波長をλ(m)としたとき、前記出力端子から該出力端子に接続されるアンテナまでの長さD1(m)と前記ストリップ線路の長さD2(m)との合計D1+D2は、
【数4】
を満たすことが好ましい。
【0010】
前記D1+D2は、
【数5】
を満たすことがさらに好ましい。
【0011】
前記第1可変リアクタンス素子と第2可変リアクタンス素子は、可変コンデンサとすることができる。前記第1固定リアクタンス素子と前記第2固定リアクタンス素子とは、それぞれコイルであり、各コイルを直列に接続した1つの固定コイルであることが好ましい。前記第1固定リアクタンス素子と第2固定リアクタンス素子は、それぞれ可変リアクタンス素子に置き換えることができる。
【0012】
前記課題を解決するための手段として、本発明のプラズマ処理装置は、真空容器と、該真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、前記真空容器内を排気する排気装置と、前記真空容器内に設けられ処理する基板を載置する基板電極と、該基板電極に高周波電力を供給する基板電極用高周波電源と、前記基板電極に対向して配置されたアンテナと、該アンテナに高周波電力を供給するアンテナ用高周波電源と、前記アンテナと前記アンテナ用高周波電源との間に配置された整合回路からなり、
該整合回路は、
接地された筐体内に、入力端子、第1可変リアクタンス素子、第1固定リアクタンス素子、第2固定リアクタンス素子、第2可変リアクタンス素子、ストリップ線路、及び出力端子を配置し、
前記アンテナ用高周波電源が接続される前記入力端子に前記第1可変リアクタンス素子の一端を接続し、
該第1可変リアクタンス素子の他端を直列に接続された前記第1固定リアクタンス素子と前記第2固定リアクタンス素子の間に接続し、
前記第1固定リアクタンス素子を前記筐体に接続して接地し、
前記第2固定リアクタンス素子を前記第2可変リアクタンス素子の一端に接続するとともに、前記ストリップ線路の一端に接続し、
前記第2可変リアクタンス素子の他端を前記筐体に接続して接地し、
前記ストリップ線路の他端を前記出力端子に接続し、
前記ストリップ線路を前記筐体に沿って配置し、前記筐体と平行平板を形成するようにした。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【0014】
図1は、本発明にかかる整合回路30を示す。この整合回路30が使用されるプラズマ処理装置は、図4に示す典型的なプラズマ処理装置と同一であるので、その説明および図示を省略する。
【0015】
この整合回路30は、プラズマ処理装置のアンテナ11のインピーダンスを、同軸管19およびアンテナ用高周波電源18の特性インピーダンスに整合させるためのものである。アンテナ用高周波電源18からの同軸管19が接続される入力端子31には、第1可変リアクタンス素子としての第1可変コンデンサ32の一端が接続されている。第1可変コンデンサ32の他端は、固定コイル33のタップ34に接続されている、固定コイル33は、タップ34を境にして、第1固定リアクタンス素子33aと第2固定リアクタンス素子33bとで構成されている。固定コイル33のタップ34は、整合回路30の入力端子31からみた入力インピーダンスが50Ωとなるように、適切な位置に調整されている。固定コイル33の第1固定リアクタンス素子33a側の一端は、筐体35に接続されて接地されている。第2固定リアクタンス33b側の他端は、第2可変リアクタンス素子としての第2可変コンデンサ36の一端に接続されるとともに、ストリップ線路37の一端に接続されている。第2可変コンデンサ36の他端は、筐体35に接続されて接地されている。ストリップ線路37の他端は、アンテナ11に接続される整合回路30の出力端子38に接続されている。ストリップ線路37は、筐体35に沿って配置され、当該筐体35と平行平板を形成するようになっている。図2はこの整合回路30を立体的に示すものである。
【0016】
入力端子31と第1可変コンデンサ32の間には、アンテナ用高周波電源18からの高周波の進行波と反射波を検出する検出器39が設けられ、該検出器39で検出された高周波の進行波と反射波は制御装置40に入力され、該制御装置40は、検出器39で検出された高周波の反射波がゼロになるように、第1可変コンデンサ32と第2可変コンデンサ36を制御するようになっている。
【0017】
本実施形態では、第1可変コンデンサ32の容量は、C1=10〜60pF、第2可変コンデンサ36の容量はC2=10〜609pF、固定コイル33のインダクタンスはL=1.3μH、ストリップ線路37の長さはD2=320mm、整合回路30の出力端子38からアンテナ11までの長さはD1=118mmであり、整合回路30の出力端子38からアンテナ11までの長さD1とストリップ線路37の長さD2の合計は、D=D1+D2=438mmである。
【0018】
前記整合回路30からみたプラズマのインピーダンスは概ね5Ω以下、本実施形態では概ね1Ωであり、負荷端を短絡した状態に近い。短絡端に特性インピーダンスZ0のストリップ線路37を介して高周波を印加すると、図3に示すように、短絡点を節とする定在波が発生する。このとき、負荷端からλ/4長離れたところから負荷側をみたインピーダンスZinは無限大になる。したがって、負荷端からλ/4長離れたところから高周波電力を印加すると、負荷端で電流が最大、印加端で電流が最小になる。
【0019】
しかしながら、インピーダンスZinが無限大では、高周波電源18とのインピーダンス整合ができない。そこで、負荷端から次式で示す長さだけ離れたところに、ストリップ線路37を除く整合回路30の構成部品を配置する。すなわち、整合回路30の出力端子38からアンテナ11までの長さD1とストリップ線路37の長さD2の合計D=D1+D2を次式の範囲に定める。
【数6】
【0020】
前記D1+D2の好ましい範囲は、次式の通りである。
【数7】
【0021】
前述のように、ストリップ線路37を設け、D1+D2を前記範囲に定めることで、第2可変リアクタンス36に流れる電流が少なくなり、局部的な温度上昇を抑制できる。そして、整合回路30からみた負荷インピーダンスは、ストリップ線路37の長さが支配的になり、ガス種、ガス流量、圧力、高周波電力などの放電条件を変えたときのアンテナ11のインピーダンス変化に影響を受けず、整合可能範囲が広くなり、整合状態が安定する。
【0022】
前記実施形態における真空容器1の形状やアンテナ11の形状は、一例を示すものであり、本発明はこれらの形状について様々に変更し、修正することができることは言うまでもない。
【0023】
前記実施形態では、アンテナ11に印加する高周波電力の周波数を100MHzとしたが、整合回路30内のストリップ線路37が有効に作用する周波数は概ね50MHz以上であるので、本発明のアンテナ11に印加する高周波電力の周波数は50MHz以上であればよい。
【0024】
前記実施形態では、第1可変リアクタンス素子や第2可変リアクタンス素子として可変コンデンサ32,36を用いたが、他の可変素子、例えば可変インダクタとしてもよい。また、第1固定リアクタンス素子と第2固定リアクタンス素子は、1つの固定コイル33としたが、別個の素子としてもよい。さらに、第1固定リアクタンス素子と第2固定リアクタンス素子は、それぞれ固定素子でなく、可変インダクタまたは可変コンデンサとしてもよい。
【0025】
なお、本発明は、誘導結合プラズマ源におけるコイルや、表面波プラズマ源における電磁波放射アンテナを用いる場合にも、有効である。
【0026】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、整合回路の出力端からアンテナまでの長さD1とストリップ線路の長さD2の合計D1+D2を前記範囲に定めることで、第2可変リアクタンスに流れる電流が少なくなり、局部的な温度上昇を抑制できる。そして、整合回路からみた負荷インピーダンスは、ストリップ線路の長さが支配的になり、ガス種、ガス流量、圧力、高周波電力などの放電条件を変えたときのアンテナのインピーダンス変化に影響を受けず、整合可能範囲が広くなり、整合状態が安定する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかる整合回路の回路図。
【図2】 図1の整合回路の構成部品の配置を示す立体斜視図。
【図3】 負荷に作用する定在波の状態を示す原理図。
【図4】 プラズマ処理回路の概略構成図。
【図5】 従来の整合回路の回路図。
【符号の説明】
1 真空装置
2 ガス供給装置
4 ターボ分子ポンプ
6 基板
7 基板電極
9 基板電極用高周波電源
11 アンテナ
18 アンテナ用高周波電源
30 整合回路
31 入力端子
32 第1可変コンデンサ
32a 第1固定リアクタンス
32b 第2固定リアクタンス
33 固定コイル
36 第2可変コンデンサ
37 ストリップ線路
38 出力端子
Claims (10)
- 接地された筐体内に、入力端子、第1可変リアクタンス素子、第1固定リアクタンス素子、第2固定リアクタンス素子、第2可変リアクタンス素子、ストリップ線路、及び出力端子を配置し、
前記入力端子に前記第1可変リアクタンス素子の一端を接続し、
該第1可変リアクタンス素子の他端を直列に接続された前記第1固定リアクタンス素子と前記第2固定リアクタンス素子の間に接続し、
前記第1固定リアクタンス素子を前記筐体に接続して接地し、
前記第2固定リアクタンス素子を前記第2可変リアクタンス素子の一端に接続するとともに、前記ストリップ線路の一端に接続し、
前記第2可変リアクタンス素子の他端を前記筐体に接続して接地し、
前記ストリップ線路の他端を前記出力端子に接続し、
前記ストリップ線路を前記筐体に沿って配置し、前記筐体と平行平板を形成するようにしたことを特徴とする整合回路。 - 前記第1可変リアクタンス素子が、可変コンデンサであることを特徴とする請求項1に記載の整合回路。
- 前記第2可変リアクタンス素子が、可変コンデンサであることを特徴とする請求項1に記載の整合回路。
- 前記第1固定リアクタンス素子と前記第2固定リアクタンス素子とが、それぞれコイルであり、各コイルを直列に接続した1つの固定コイルであることを特徴とする請求項1に記載の整合回路。
- 前記第1固定リアクタンス素子を、可変リアクタンス素子に置き換えたことを特徴とする請求項1に記載の整合回路。
- 前記第2固定リアクタンス素子を、可変リアクタンス素子に置き換えたことを特徴とする請求項1に記載の整合回路。
- 真空容器と、該真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、前記真空容器内を排気する排気装置と、前記真空容器内に設けられ処理する基板を載置する基板電極と、該基板電極に高周波電力を供給する基板電極用高周波電源と、前記基板電極に対向して配置されたアンテナと、該アンテナに高周波電力を供給するアンテナ用高周波電源と、前記アンテナと前記アンテナ用高周波電源との間に配置された整合回路からなり、
該整合回路は、
接地された筐体内に、入力端子、第1可変リアクタンス素子、第1固定リアクタンス素子、第2固定リアクタンス素子、第2可変リアクタンス素子、ストリップ線路、及び出力端子を配置し、
前記アンテナ用高周波電源が接続される前記入力端子に前記第1可変リアクタンス素子の一端を接続し、
該第1可変リアクタンス素子の他端を直列に接続された前記第1固定リアクタンス素子と前記第2固定リアクタンス素子の間に接続し、
前記第1固定リアクタンス素子を前記筐体に接続して接地し、
前記第2固定リアクタンス素子を前記第2可変リアクタンス素子の一端に接続するとともに、前記ストリップ線路の一端に接続し、
前記第2可変リアクタンス素子の他端を前記筐体に接続して接地し、
前記ストリップ線路の他端を前記出力端子に接続し、
前記ストリップ線路を前記筐体に沿って配置し、前記筐体と平行平板を形成するようにしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
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