JP6455783B2 - 高周波電力システム及びこれを備えたプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波電力を消費する負荷部、及びこの負荷部に高周波電力を供給する高周波電源等を備えた高周波電力システム、並びにこの高周波電力システムを備えたプラズマ処理装置に関する。

上記プラズマ処理装置の一例として、従来、下記特許文献１に開示されるようなエッチング装置が知られている。このエッチング装置は、上方にプラズマ生成空間が形成され、その下方に処理空間が形成される処理チャンバと、前記処理空間内に配設され、処理対象の基板が載置される基台と、前記プラズマ生成空間に対応する処理チャンバの外方に捲回されたコイルと、前記プラズマ生成空間内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記コイルに高周波電力を供給する第１高周波電源と、前記コイルと第１高周波電源との間に接続され、前記第１高周波電源に対する負荷側のインピーダンスを、前記第１高周波電源のインピーダンスに整合させる第１整合器と、前記基台に高周波電力を供給する第２高周波電源と、前記基台と第２高周波電源との間に接続され、前記第２高周波電源に対する負荷側のインピーダンスを、前記第２高周波電源のインピーダンスに整合させる第２整合器とを備えている。

ところで、高周波電力を用いたプラズマ処理装置では、高周波の特性上、電磁波が周囲に発散しないように、従来、高周波機器を電磁遮蔽部材でシールドするようにしている。上記プラズマ処理装置を電磁遮蔽部材でシールドした概略的な構造を図６に示す。同図６に示すように、このプラズマ処理装置１００は、前記特許文献１の開示されるエッチング装置と基本的な構造を同じくするものであり、処理チャンバ１０１、コイル１０４、ガス供給部１０６、第１高周波電源１１０、第１整合器１２０、第２高周波電源１３０及び第２整合器１４０を備える。

前記処理チャンバ１０１は、上部チャンバ１０２及びその下方に設けられた下部チャンバ１０３からなり、上部チャンバ１０２内にプラズマ生成空間１０２ａが形成され、下部チャンバ１０３内に、前記プラズマ生成空間１０２ａに連通する処理空間１０３ａが形成されており、この処理空間１０３ａ内に、処理対象の基板が載置される基台１０５が配設され、また、前記上部チャンバ１０２の外方に前記コイル１０４が捲回されている。そして、この上部チャンバ１０２及びコイル１０４が、電磁遮蔽部材で構成されたシールドボックス１０７内に配設されている。前記上部チャンバ１０２の周壁部分（図においてハッチングで示した部分）は、絶縁性を有するセラミックから構成され、シールドボックス１０７は、前記上部チャンバ１０２の下部に接続している（図６中の黒丸印部分参照）。

また、基台１０５と下チャンバ１０３との間には絶縁部材１０５ａが設けれ、この絶縁部材１０５ａによって基台１０５と下チャンバ１０３との間が電気的に絶縁されており、更に、基台１０５の下方領域が、下チャンバ１０３の下端部に接続された（図６中の黒丸印部分参照）シールドボックス１０８によって下チャンバ１０３を含めてシールドされている。尚、ガス供給部１０６は高周波を伴わないため、シールドボックス１０７外に配設され、適宜配管を通して、前記上部チャンバ１０２のプラズマ生成空間１０２ａ内に処理ガスを供給する。また、シールドボックス１０７には、入力端子１０７ａが設けられており、入力端子１０７ａとコイル１０４の一方端の入力部とが伝送線によって接続され、コイル１０４の他方端が前記入力端子１０７ａを介してシールドボックス１０７に接続されている。また、シールドボックス１０８には、入力端子１０８ａが設けられており、この入力端子１０８ａと基台１０５とが伝送線によって接続されている。

また、下チャンバ１０３は接地されており、シールドボックス１０７，１０８もこの下チャンバ１０３を介して接地されている。また、従来の一般的なサイズ（直径が２インチ〜１２インチ）の基板を処理するための、前記上チャンバ１０２の内径は、１００ｍｍ〜３５０ｍｍに設定されている。

前記第１高周波電源１１０は、前記コイル１０４に高周波電力を供給する電源であり、電気的に順次接続されたスイッチング電源１１１、発振・増幅器１１２及びＲＦセンサ１１３と、制御回路１１４とを備え、これらが同じく電磁遮蔽部材で構成されたシールドボックス１１５内に配設されている。前記スイッチング電源１１１は、入力端子１１５ａを介し外部から供給される交流２００Ｖの電力を直流に変換して発振・増幅器１１２に供給し、発振・増幅器１１２は、供給された直流電力を変換して、前記コイル１０４に供給すべき高周波電力を生成し、生成した高周波電力を、前記ＲＦセンサ１１３を介して前記第１整合器１２０に伝送する。この発振・増幅器１１２は、入力端子１１５ｂを介し外部から入力される制御信号によって作動する制御回路１１４によって制御され、制御回路１１４は、ＲＦセンサ１１３によって検出され、フィードバックされる周波数及び電力に応じて、前記発振・増幅器１１２を制御し、必要な周波数及び電力の高周波電力を生成させる。尚、従来、前記コイル１０４に供給されるべき高周波電力の周波数は、一般的には１３．５６ＭＨｚに設定され、電力は１０００Ｗ〜６０００Ｗ程度の範囲で適宜設定される。

前記第１整合器１２０は、前記第１高周波電源１１０と、前記コイル１０４との間に設けられるもので、電気的に順次接続されたＲＦセンサ１２１、整合回路１２２及びＲＦセンサ１２３と、制御回路１２４とを備え、これらが同じく電磁遮蔽部材で構成されたシールドボックス１２５内に配設されている。前記整合回路１２２は、第１高周波電源１１０のインピーダンスと、この第１高周波電源１１０に対する負荷側のインピーダンスとを整合させる、即ち、第１高周波電源１１０への反射波を最小にする回路であり、入力端子１２ａ介し外部から入力される制御信号によって作動する制御回路１２４により制御される。前記ＲＦセンサ１２１は、入力側の高周波電力の周波数及び電力を検出し、一方、前記ＲＦセンサ１２３は、出力側の高周波電力の周波数及び電力を検出するセンサであり、それぞれの検出信号が制御回路１２４に入力され、前記制御回路１２４は、これらの検出信号を基に、前記反射波が最小となるように、前記整合回路１２２のインピーダンスを調整する。

尚、前記ＲＦセンサ１１３の出力線は、シールドボックス１１５の出力端子１１５ｃに接続され、一方、ＲＦセンサ１２１の入力線は、シールドボックス１２５の入力端子１２５ａに接続され、これら出力端子１１５ｃと入力端子１２５ａとが、同軸ケーブル１１６によって接続されている。また、ＲＦセンサ１２３の出力線は、シールドボックス１２５の出力端子１２５ｃに接続され、この出力端子１２５ｃと、シールドボックス１０７に設けられた入力端子１０７ａとが、同軸ケーブル１２６によって接続されている。また、シールドボックス１１５とシールドボックス１２５とは、同軸ケーブル１１６のシールド部によって接続され、同様に、シールドボックス１２５とシールドボックス１０７とは、同軸ケーブル１２６のシールド部によって接続されており、この結果、シールドボックス１１５，１２５、及び同軸ケーブル１１６，１２６のシールド部は、シールドボックス１０７、上チャンバ１０２及び下チャンバ１０３を介して、それぞれ接地されている。

前記第２高周波電源１３０は、前記基台１０５に高周波電力を供給するもので、前記第１高周波電源１１０と同様に、電気的に順次接続されたスイッチング電源１３１、発振・増幅器１３２、ＲＦセンサ１３３及び制御回路１３４とを備え、これらが電磁遮蔽部材で構成されたシールドボックス１３５内に配設される。このスイッチング電源１３１、発振・増幅器１３２、ＲＦセンサ１３３及び制御回路１３４は、前記基台１０５に供給する高周波電力が、５０Ｗ〜６０００Ｗ程度の範囲である点を除いて、前記第１高周波電源１１０のスイッチング電源１１１、発振・増幅器１１２、ＲＦセンサ１１３及び制御回路１１４と、それぞれ同じ機能を有するものである。尚、スイッチング電源１３１には、入力端子１３５ａを介し外部から交流２００Ｖが供給され、制御回路１３４には、入力端子１３５ｂを介して制御信号が入力される。

前記第２整合器１４０は、前記第２高周波電源１３０と、前記基台１０５との間に設けられるもので、前記第１整合器１２０と同様に、電気的に順次接続されたＲＦセンサ１４１、整合回路１４２及びＲＦセンサ１４３と、制御回路１４４とを備え、これらが同じく電磁遮蔽部材で構成されたシールドボックス１４５内に配設されている。このＲＦセンサ１４１、整合回路１４２、ＲＦセンサ１４３及び制御回路１４４は、前記第１整合器１２０のＲＦセンサ１２１、整合回路１２２、ＲＦセンサ１２３及び制御回路１２４と同じ機能を有するものである。尚、制御回路１４４には、入力端子１４５ｂを介して制御信号が入力される。

そして、前記ＲＦセンサ１３３の出力線は、シールドボックス１３５の出力端子１３５ｃに接続され、一方、ＲＦセンサ１４１の入力線は、シールドボックス１４５の入力端子１４５ａに接続され、これら出力端子１３５ｃと入力端子１４５ａとが、同軸ケーブル１３６によって接続されている。また、ＲＦセンサ１４３の出力線は、シールドボックス１４５の出力端子１４５ｃに接続され、この出力端子１４５ｃと、シールドボックス１０８に設けられた入力端子１０８ａとが、同軸ケーブル１４６によって接続されている。シールドボックス１３５とシールドボックス１４５とは、同軸ケーブル１３６のシールド部によって接続され、同様に、シールドボックス１４５とシールドボックス１０８とは、同軸ケーブル１４６のシールド部によって接続されており、この結果、シールドボックス１３５，１４５、及び同軸ケーブル１３６，１４６のシールド部は、シールドボックス１０８及び下チャンバ１０３を介して、それぞれ接地されている。

以上の構成を備えたプラズマ処理装置１００によれば、第１高周波電源１１０により生成され、第１整合器１２０によって反射波が最小となるように調整された高周波電力がコイル１０４に供給され、プラズマ生成空間１０２ａに供給された処理ガスがこの高周波電力によってプラズマ化される。一方、第２高周波電源１３０により生成され、第２整合器１４０によって反射波が最小となるように調整された高周波電力が基台１０５に供給され、この基台１０５にバイアス電位が生じる。そして、基台１０５上に載置された処理対象の基板が、バイアス電位を受けた状態でプラズマにより処理される。

そして、このプラズマ処理装置１００では、上部チャンバ１０２及びコイル１０４がシールドボックス１０７内に配設され、基台１０５への伝送線がシールドボックス１０８によってシールドされるとともに、第１高周波電源１１０、第１整合器１２０、第２高周波電源１３０及び第２整合器１４０が、それぞれシールドボックス１１５，１２５，１３５及び１４５によってシールドされ、且つ、それぞれの間が、同軸ケーブル１１６，１２６，１３６及び１４６によって接続されているので、電磁波の外部への発散が防止される。

特開２００８−５３４９６号公報

ところが、上述した従来のプラズマ処理装置１００では、上部チャンバ１０２及びコイル１０４が、シールドボックス１０７によってシールドされ、基台１０５への伝送線がシールドボックス１０８によってシールドされ、第１高周波電源１１０、第１整合器１２０、第２高周波電源１３０及び第２整合器１４０が、シールドボックス１１５，１２５，１３５及び１４５によってそれぞれシールドされるとともに、シールドボックス１１５，１２５間が同軸ケーブル１１６によって接続され、シールドボックス１２５，１０７間が同軸ケーブル１２６によって接続され、シールドボックス１３５，１４５間が同軸ケーブル１３６によって接続され、同様に、シールドボックス１４５，１０８間が同軸ケーブル１４６によって接続されているので、当該同軸ケーブル１１６，１２６，１３６及び１４６の接続部において、伝送線及びリターン回路の接触抵抗（反射波やロス）が生じて給電効率が低下するため、エネルギー効率が悪いという問題があった。

また、第１高周波電源１１０、第１整合器１２０、第２高周波電源１３０や第２整合器１４０に不具合が生じた場合、これらはシールドボックス１１５，１２５，１３５，１４５を含むユニットとして構成されているため、ユニット単位で交換する方が便利であるが、この場合、取り外し後、再接続させた同軸ケーブル１１６，１２６，１３６及び１４６の接続部の接続状態が変化し、これによって前記接触抵抗が変動するため、前記第１整合器１２０や第２整合器１４０による整合が必要となり、このため、組み立て再現性が悪く、また、高周波電力を供給する系全体が安定するまでに時間を要するという問題もある。尚、同軸ケーブル１１６，１２６，１３６及び１４６の接続状態が悪いと、最悪の場合、同部に焼き付きが生じるという問題も起こり得る。また、このため、接続には細心の注意が必要であり、作業性が悪いという問題もある。

また、各シールドボックス１１５，１２５，１３５，１４５のインピーダンスは固有値であるため、第１高周波電源１１０や第２高周波電源１３０を交換すれば、電源側のインピーダンスが変動し、第１整合器１２０や第２整合器１４０を交換すれば負荷側のインピーダンスが変動するため、このインピーダンスの変動によって、第１整合器１２０や第２整合器１４０による整合が必要となり、この面でも、高周波電力を供給する系全体が安定するまでに時間を要するという問題がある。

また、シールドボックス内に高周波機器を収納すると、当該高周波機器からシールドボックスに高周波エネルギーが伝播するリターン回路が形成され、この高周波エネルギーの伝播によって、エネルギーロスを生じるが、前記従来のプラズマ処理装置では、６つのシールドボックス１０７，１０８，１１５，１２５，１３５，１４５内にそれぞれ高周波機器が収納され、各シールドボックス１０７，１０８，１１５，１２５，１３５，１４５においてエネルギーロスを生じるので、高周波電力を供給する系全体としてのエネルギー効率が悪いという問題もある。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、高周波電力を供給する機器を交換する作業が容易で、しかもその組み立て再現性が良く、更に、高周波電力を供給する系全体のエネルギー効率が高い高周波電力システム及びこれを備えたプラズマ処理装置の提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、高周波電力を消費する負荷部と、前記負荷部に高周波電力を供給する高周波電源と、前記負荷部と高周波電源との間に接続され、前記高周波電源に対する負荷側のインピーダンスを、前記高周波電源のインピーダンスに整合させる整合器とを備えた高周波電力システムであって、
前記負荷部、高周波電源及び整合器が、接地された電磁遮蔽部材により閉塞された一つの空間内に配設された高周波電力システムに係る。

本発明に係る高周波電力システムによれば、負荷部、高周波電源及び整合器が、電磁遮蔽部材により閉塞された一つの空間内に配設されているので、従来のような、各シールドボックス間をエネルギーロスの大きな同軸ケーブルで接続する必要が無く、エネルギー効率を高めることができる。

また、負荷部、高周波電源及び整合器といった構成要素に不都合が生じた場合、これらを交換する必要があるが、これらが収納されるシールドボックスは交換する必要が無く、したがって、前記構成要素を交換した場合でも、従来のようなシールドボックスを交換する場合に比べて、インピーダンスの変動は小さく、また、従来のような同軸ケーブルの再接続による不都合が生じないため、組み立て再現性が良い。

また、従来では、負荷部、高周波電源、及び整合器が、それぞれ別個のシールドボックス内に配設されており、各シールドボックスには、内部の高周波機器から当該各シールドボックスに高周波エネルギーが伝播するリターン回路が形成されるため、各シールドボックスにおいて、エネルギーロスを生じ、全体としてのエネルギー効率の悪いものであったが、本発明によれば、負荷部、高周波電源及び整合器を一つのシールドボックス内に配設しているので、前記リターン回路によって喪失されるエネルギーを最小限にとどめることができ、全体としてのエネルギー効率を高めることができる。

尚、シールドボックスを構成する電磁遮蔽部材は、特に限定されるものではなく、板金など、従来公知の全ての電磁遮蔽部材が含まれる。また、本発明において、前記高周波電力とは、１００ｋＨｚ以上の周波数の電力をいう。

また、本発明において、前記高周波電源は、前記負荷部に５０Ｗ以下の電力を供給するように構成されているのが好ましい。必要な電力が５０Ｗ以下の場合には、高周波電源が高周波電力を生成するための電源は、ＡＣ２００Ｖである必要はなく、ＤＣ２４Ｖ程度でも流れる電流は４アンペア程度であるから、十分である。したがって、この構成によれば、高周波電力を生成するための電源として直流を用いることができるため、従来必要としたスイッチング電源が不要となり、また、高周波電力を生成するための発振・増幅器を小型にすることができるため、高周波電源をコンパクトな構成とすることができる。

また、本発明に係る高周波電力システムは、プラズマ処理装置に好適に適用することができ、かかるプラズマ処理装置の態様としては、
処理室を有する処理チャンバと、前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理室内に配設され、処理対象の基板が載置される基台と、前記高周波電力システムとを備えたプラズマ処理装置であって、
前記負荷部は、前記処理室内に供給された処理ガスを、高周波電力によってプラズマ化するプラズマ生成部である態様を挙げることができる。

また、本発明に係る高周波電力システムを適用した別の態様のプラズマ処理装置としては、
処理室を有する処理チャンバと、前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理室内に配設され、処理対象の基板が載置される基台と、前記高周波電力システムと、前記処理室内に供給された処理ガスを前記高周波電力システムとは別の供給源から供給される高周波電力によってプラズマ化するプラズマ生成部とを備えたプラズマ処理装置であって、
前記高周波電力システムは、前記基台を前記負荷部として備えるとともに、該基台に高周波電力を供給する高周波電源と、該高周波電源と前記基台との間に接続され、該高周波電源に対する負荷側のインピーダンスを、前記高周波電源のインピーダンスに整合させる整合器とを備えてなり、
前記基台へ高周波電力を供給する伝送線路、前記高周波電源及び前記整合器が、接地された電磁遮蔽部材により閉塞された一つの空間内に配設され態様を挙げることができる。

また、本発明に係る高周波電力システムを適用した更に別の態様のプラズマ処理装置としては、
処理室を有する処理チャンバと、前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理室内に配設され、処理対象の基板が載置される基台と、前記高周波電力システムとを備えたプラズマ処理装置であって、
前記高周波電力システムは、前記処理室内に供給された処理ガスを高周波電力によってプラズマ化するプラズマ生成部を、前記負荷部として備えるとともに、該プラズマ生成部に高周波電力を供給する第１高周波電源と、該第１高周波電源と前記プラズマ生成部との間に接続され、該第１高周波電源に対する負荷側のインピーダンスを、前記第１高周波電源のインピーダンスに整合させる第１整合器とを備え、更に、前記基台を前記負荷部として備えるとともに、該基台に高周波電力を供給する第２高周波電源と、該第２高周波電源と前記基台との間に接続され、該第２高周波電源に対する負荷側のインピーダンスを、前記第２高周波電源のインピーダンスに整合させる第２整合器とを備えてなり、
前記プラズマ生成部、前記第１高周波電源及び前記第１整合器からなる群、並びに前記基台へ高周波電力を供給する伝送線路、前記第２高周波電源及び前記第２整合器からなる群が、それぞれ接地された電磁遮蔽部材により閉塞された別の一つの空間内に配設されるか、又は、前記２つの群が、接地された電磁遮蔽部材により閉塞された一つの空間内に共に配設された態様を挙げることができる。

更に、この態様のプラズマ処理装置では、前記第１高周波電源及び第２高周波電源は５０Ｗ以下の電力を供給するように構成されているのが好ましい。第１高周波電源及び第２高周波電源は５０Ｗ以下の電力を供給するように構成されている場合には、上述と同様に、高周波電力を生成するための電源として直流を用いることができるため、スイッチング電源が不要となり、また、高周波電力を生成するための発振・増幅器を小型にすることができるため、プラズマ生成部及び基台の２か所に高周波電力を供給するシステムとしても、これをコンパクトな構成とすることができる。

また、上記各プラズマ生成装置は、更に、そのプラズマ生成部が、前記基台より上方に配設されるとともに、前記処理チャンバの外方に配設された環状のコイルからなる態様を採ることができる。

以上のように、本発明に係る高周波電力システム及びこれを備えたプラズマ処理装置によれば、負荷部（前記プラズマ生成部及び基台を含む）、高周波電源（前記第１高周波電源及び第２高周波電源を含む）及び整合器（前記第１整合器及び第２整合器を含む）を一つのシールドボックス内に配設しているので、従来のような、各シールドボックス間をエネルギーロスの大きな同軸ケーブル接続する必要がなく、このため、エネルギー効率を高めることができる。

また、負荷部、高周波電源及び整合器といった構成要素を交換する際にも、シールドボックスの交換は必要なく、また、従来のような同軸ケーブルの再接続による不都合を生じないため、組み立て再現性が良い。更に、リターン回路によって喪失されるエネルギーを最小限にとどめることができ、この意味においてもエネルギー効率を高めることができる。

また、前記高周波電源を、前記負荷部に５０Ｗ以下の電力を供給するように構成すれば、高周波電力を生成するための電源として直流を用いることができるため、従来必要としたスイッチング電源が不要となり、また、高周波電力を生成するための発振・増幅器を小型にすることができるため、高周波電源をコンパクトな構成とすることができる。

本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示したブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示したブロック図である。 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を説明するための説明図である。 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を採り得る根拠を説明するための説明図である。 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を採り得る根拠を説明するための説明図である。 従来のプラズマ処理装置の概略構成を示したブロック図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置について、図１に基づき説明する。図１は、本例のプラズマ処理装置の概略構成を示したブロック図である。同図１に示すように、本例のプラズマ処理装置１は、処理チャンバ２、コイル５、ガス供給部７、第１高周波供給部１０及び第２高周波供給部２０と、電磁遮蔽部材から構成された一つの空間を有するシールドボックス１８，２８を備える。尚、シールドボックス１８，２８を構成する電磁遮蔽部材は、特に限定されるものではなく、板金など、従来公知の全ての電磁遮蔽部材が含まれる。また、本例では、コイル５、後述の基台６、第１高周波供給部１０、第２高周波供給部２０、及びシールドボックス１８，２８が高周波電力システムを構成する。

前記処理チャンバ２は、上部チャンバ３及びその下方に設けられた下部チャンバ４からなり、上部チャンバ３内にプラズマ生成空間３ａが形成され、下部チャンバ４内に、前記プラズマ生成空間３ａに連通する処理空間４ａが形成されており、この処理空間４ａ内に、処理対象の基板が載置される基台６が配設され、また、前記上部チャンバ３の外方に前記コイル５が捲回され、下チャンバ４は接地されている。また、前記上部チャンバ１０２の周壁部分（図においてハッチングで示した部分）は、絶縁性を有するセラミックから構成され、基台６と下チャンバ４との間には絶縁部材６ａが設けれ、この絶縁部材６ａによって基台６と下チャンバ４との間が電気的に絶縁されている。

そして、シールドボックス１８内には、前記上部チャンバ３、コイル５及び第１高周波供給部１０が配設されるとともに、シールドボックス２８内には、前記第２高周波供給部２０が配設されている。また、シールドボックス１８は、前記上部チャンバ３の下部に接続し（図１中の黒丸印部分）、一方、シールドボックス２８は下部チャンバ４の下端部に接続して（図１中の黒丸印部分）、基台６の下方領域をシールドしている。尚、ガス供給部７は、シールドボックス１８の外側に配設され、前記処理チャンバ２のプラズマ生成空間３ａに通じる適宜配管を通して、当該プラズマ生成空間３ａに処理ガスを供給する。また、コイル５はシールドボックス１８に接続されている。

前記第１高周波供給部１０は、前記コイル５に高周波電力を供給する供給部であり、電気的に順次接続されたスイッチング電源１１、発振・増幅器１２、ＲＦセンサ１３、整合回路１４及びＲＦセンサ１５と、制御回路１６とを備える。スイッチング電源１１は、入力端子１８ａを介し外部から供給される交流２００Ｖの電力を直流に変換して発振・増幅器１２に供給し、発振・増幅器１２は、供給された直流電力を変換して、前記コイル５に供給すべき高周波電力を生成する。そして、生成された高周波電力は、前記ＲＦセンサ１３を介して前記第１整合器１４に伝送される。

整合回路１４は、前記発振・増幅器１２のインピーダンスと、自身及びＲＦセンサ１３，１５、並びにコイル５を含めた、前記発振・増幅器１２に対する負荷側のインピーダンスとを整合させる、即ち、発振・増幅器１２への反射波を最小にする回路であり、この整合回路１４によって整合された高周波電力がＲＦセンサ１５を介して前記コイル５に供給される。

ＲＦセンサ１３は、前記発振・増幅器１２から出力される高周波電力の周波数及び電力を検出して、制御回路１６に検出信号を送信し、ＲＦセンサ１５は、前記整合回路１４から出力される高周波電力の周波数及び電力を検出して、制御回路１６に検出信号を送信する。

そして、前記制御回路１６は、ＲＦセンサ１３からの検出信号を基に、前記発振・増幅器１２の作動を、当該発振・増幅器１２によって生成される高周波電力の周波数及び電力が、入力端子１８ｂを介し制御信号として入力された設定値となるように、フィードバック制御する。また、制御回路１６は、ＲＦセンサ１３及び１５からの検出信号を基に、前記整合回路１４の作動を、入力端子１８ｂを介し入力される制御信号に従って、前記反射波が最小となるように制御する。

尚、この第１高周波電力供給部１０からコイル５に供給される高周波電力は、従来と同様、その周波数は１３．５６ＭＨｚであり、電力は１０００Ｗ〜６０００Ｗ程度である。

前記第２高周波供給部２０は、前記基台６に高周波電力を供給する供給部であり、電気的に順次接続されたスイッチング電源２１、発振・増幅器２２、ＲＦセンサ２３、整合回路２４及びＲＦセンサ２５と、制御回路２６とを備える。これらスイッチング電源２１、発振・増幅器２２、ＲＦセンサ２３、整合回路２４、ＲＦセンサ２５及び制御回路２６は、前記基台６に供給する高周波電力が５０Ｗ〜６０００Ｗ程度の範囲である点を除いて、第１高周波供給部１０のスイッチング電源１１、発振・増幅器１２、ＲＦセンサ１３、整合回路１４、ＲＦセンサ１５及び制御回路１６と、それぞれ同じ機能を有するものであり、したがって、その詳しい説明については、これを省略する。尚、スイッチング電源２１には、入力端子２８ａを介して外部から交流２００Ｖが供給され、制御回路２６には、入力端子２８ｂを介して制御信号が入力される。また、ＲＦセンサ２５から前記基台６につながる伝送線は、シールドボックス２８内に位置している。

以上の構成を備えた本例のプラズマ処理装置１によれば、第１高周波供給部１０の発振・増幅器１２により生成され、整合回路１４によって反射波が最小となるように調整された高周波電力がコイル５に供給され、ガス供給部７からプラズマ生成空間３ａに供給された処理ガスがこの高周波電力によってプラズマ化される。一方、第２高周波供給部２０の発振・増幅器２２により生成され、整合回路２４によって反射波が最小となるように調整された高周波電力が基台６に供給され、当該基台６にバイアス電位が生じる。そして、この基台６上に載置された処理対象の基板が、バイアス電位を受けた状態でプラズマにより処理される。

そして、このプラズマ処理装置１では、高周波電力を伴う構成要素である上部チャンバ３、コイル５、第１高周波供給部１０を、接地された一つのシールドボックス１８内に配設するとともに、第２高周波供給部２０を、接地された一つのシールドボックス２８内に配設しているので、従来のような、各シールドボックス間をエネルギーロスの大きな同軸ケーブルで接続する必要が無く、エネルギー効率を高めることができる。

また、上部チャンバ３及びコイル５、並びに第１高周波供給部１０及び第２高周波供給部２０の各構成要素を交換する必要が生じた場合でも、これらが収納されるシールドボックス１８，２８は交換する必要がなく、したがって、この構成要素を交換しても、従来のようなシールドボックスを交換する場合に比べて、インピーダンスの変動が小さく、また、従来のような同軸ケーブルの再接続による不都合が生じないため、組み立て再現性が良い。

また、第１高周波供給部１０及び第２高周波供給部２０をそれぞれシールドボックス１８，２８内に収納することで、当該第１高周波供給部１０及び第２高周波供給部２０では、同じ機能を発揮する上記従来の第１高周波電源１１０及び第１整合器１２０、並びに第１高周波電源１３０及び第１整合器１４０に比べて、その構成要素から、ＲＦセンサ１２１及び１４１を省略することができ、また、従来別々に構成されていた制御回路１１４及び１２４を、本例では、一つの制御回路１６に一体化し、同様に、従来の制御回路１３４及び１４４を、本例では、一つの制御回路２６に一体化することができるので、その構成がコンパクトとなり、この結果、シールドボックス１８，２８の大きさもコンパクトにすることができる。したがって、シールドボックス１８，２８内に形成されるリターン回路によって、喪失される高周波エネルギーを、従来に比べて低減させることができ、装置全体としてのエネルギー効率を高めることができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置について、図２及び図３に基づき説明する。尚、本例のプラズマ処理装置１’において、上述した第１の実施形態に係るプラズマ処理装置１と同じ構成要素については、同じ符号を付して、その詳しい説明を省略する。

本例のプラズマ処理装置１’は、直径が１インチ以下の基板を処理対象とするものであり、図２に示すように、処理チャンバ２’、コイル５’、ガス供給部７、第１高周波供給部１０’、第２高周波供給部２０’及びシールドボックス１８，２８を備える。

前記処理チャンバ２’は、直径が１インチ以下の基板を処理対象とする関係上、前記処理チャンバ２より全体的に小さいサイズであり、特に、図３に示すように、プラズマ生成空間３ａ’を形成する部分の内径Ｄが１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下に設定されている。尚、図２及び図３において、符号３’は上部チャンバ、符号４’は下部チャンバ、符号４ａ’は処理空間、符号６’は基台、符号６ａ’は絶縁部材である。

また、前記第１高周波供給部１０’は、第１の実施形態に係る第１高周波供給部１０のスイッチング電源１１を省略するとともに、前記発振・増幅器１２に、入力端子１８ａを介して外部から直流２４Ｖの電力が供給されるように構成され、前記コイル５’に、周波数が４０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下、電力が２Ｗ以上５０Ｗ以下の高周波電力を供給するように構成されている。

また、第２高周波供給部２０’は、第１の実施形態に係る第２高周波供給部２０のスイッチング電源２１を省略するとともに、前記発振・増幅器２２に、入力端子２８ａを介して外部から直流２４Ｖの電力が供給されるように構成され、前記基台６’に周波数が１００ｋＨｚ以上、電力が５０Ｗ以下の高周波電力を供給するように構成されている。

上述したように、処理チャンバのプラズマ生成空間を形成する部分の、従来の一般的な内径は１００〜３５０ｍｍであり、また、プラズマを生成するためのコイルに供給される高周波電力は、その周波数が１３．５６ＭＨｚ、電力が１０００Ｗ〜６０００Ｗ程度であるのが一般的であり、従来、このような高電力の高周波電力を生成するために、ＡＣ２００Ｖの電源が用いられてきた。

ところが、本発明者らの知見によれば、直径が１インチ以下の基板を処理する場合、このような高電力は不要で、また、プラズマ生成空間を形成する前記処理チャンバの内径、即ち、図３に示す直径Ｄは、１０ｍｍ以上６０ｍｍ以下が適当であり、この場合、図４及び図５に示すように、周波数が４０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下、電力が２Ｗ以上の高周波電力を前記コイル５’に供給することで、処理ガスをプラズマ化することができるとともに、生成したプラズマを維持することができる、即ち、基板をプラズマによって処理することができることが判明した。

尚、図４は、前記上部チャンバ３’の内径Ｄを５０ｍｍ、コイル５’の内径を６０ｍｍ、コイル５’の巻き数を１としたプラズマエッチング装置１’を用い、ガス供給部７から処理ガスとしてＡｒガスを前記プラズマ生成空間３ａ’に供給して、処理チャンバ２’内の圧力を５Ｐａ、コイル５’に供給する高周波電力の大きさを５０Ｗに固定した状態で、当該コイル５’に供給する高周波電力の周波数を変化させ、各周波数におけるプラズマの状態を確認する試験を行った結果を示すものである。この図３から分かるように、周波数が４０．６８ＭＨｚ、８０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚの場合、即ち、周波数が４０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の場合に、プラズマ生成空間３ａ’内にプラズマが発生（着火）し、発生したプラズマが拡散した状態（プラズマ生成空間のほぼ全域に広がった状態）で安定に維持された。

また、図５は、安定なプラズマを維持することが可能な高周波電力の大きさの最小値を確認するために、コイル５’に供給する高周波電力の周波数を１００ＭＨｚ、処理チャンバ２’内の圧力を５Ｐａ、処理ガスの流量を３ｓｃｃｍとし、前記上部チャンバ３’の前記内径Ｄ、コイル５’の内径、コイル５’の巻き数、処理ガスの種類を変えた種々の条件下において、プラズマが維持される高周波電力の大きさを測定した結果を示すものであり、（ａ）は前記内径Ｄを２０ｍｍ、コイル５’の内径を３０ｍｍ、コイル５’の巻き数を１とした場合、（ｂ）は前記内径Ｄを２０ｍｍ、コイル５’の内径を３０ｍｍ、コイル５’の巻き数を２とした場合、（ｃ）は前記内径Ｄを３０ｍｍ、コイル５’の内径を３６ｍｍ、コイル５’の巻き数を１とした場合である。同図５から分かるように、高周波電力の大きさを２Ｗ以上とすることで、プラズマを維持できることが分かる。尚、コイル５’に供給する電力が５０Ｗを超える場合には、過大なエネルギーの消費につながるので、コイル５’に供給する電力は５０Ｗ以下であるのが好ましい。

以上の背景から、本例のプラズマ処理装置１’では、プラズマ生成のためにコイル５’に供給されるべき高周波電力が５０Ｗ以下で足りることに鑑み、直流電源から前記発振・増幅器１２に、直接、電圧が２４Ｖの電力を供給するようにした。第２高周波供給部２０’においても同様であり、基台６’に供給すべき高周波電力は５０Ｗ以下と低電力であるため、直流電源から前記発振・増幅器２２に、直接、電圧が２４Ｖの電力を供給するようにした。尚、２４Ｖの直流電力を選択したのは、この電源が他の制御機器に使用され得る電圧で極めて一般的であり、入手し易く、また、価格も廉価であるからであり、当然のことながら、他の電圧の直流電源を用いることができる。

斯くして、本例のプラズマ処理装置１’では、第１高周波電力１０’の発振・増幅器１２及び第１高周波電力２０’の発振・増幅器２２に、直接、直流電力を供給することができるので、第１の実施形態に係るスイッチング電源１１及び２１が不要であり、第１高周波供給部１０’及び第２高周波供給部２０’をコンパクトな構成とすることができる。因みに、前記発振・増幅器１２，２２を合せて一つのディバイス（チップ）で構成することができる。

このため、第１高周波供給部１０’及び第２高周波供給部２０’を処理チャンバ２’の上方に配設して、プラズマ処理装置１’の全体形状を縦長にしたコンパクトなものにすることができ、このようにすることで、当該プラズマ処理装置１’の設置面積を削減することができる。

以上、本発明の具体的な実施の形態について説明したが、本発明が採り得る態様は、何らこれらに限定されるものではない。

例えば、上記の第１の実施形態及び第２の実施形態では、第２高周波供給部２０及び２０’を設けて、前記基台６，６’に高周波電力を供給するようにしたが、基台６，６’にバイアス電位を与える必要がない場合には、第２高周波供給部２０及び２０’を設けなくても良い。

また、上記の第１の実施形態及び第２の実施形態では、第１高周波供給部１０（１０’）、コイル５及び上部チャンバ３をシールドボックス１８内に設けるとともに、第２高周波供給部２０（２０’）をシールドボックス２８内に設ける構成としたが、これに限るものではなく、第１高周波供給部１０（１０’）、コイル５、上部チャンバ３及び第２高周波供給部２０（２０’）を１つのシールドボックス内に配設した構成としても良い。

更に、効果的な面ではやや劣るが、第１高周波供給部１０（１０’）、コイル５及び上部チャンバ３からなる群、第２高周波供給部２０（２０’）からなる群の、いずれか一方を１つのシールドボックス内に配設し、他方については、図６に示した構成と同様の構成を採用しても良い。

また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、コイル５，５’を備えた所謂誘導結合形（ＩＣＰ）のプラズマ処理装置１，１’としたが、これに限られるものではなく、本発明は、平行平板の電極を備えた所謂容量結合形（ＣＣＰ）のプラズマ処理装置など、高周波電力を用いたあらゆるプラズマ処理装置として具現化できる。

また、処理対象としての基板についても、何ら制限はなく、その一例としては、シリコン、炭化ケイ素、サファイア、化合物半導体、ガラス、樹脂などからなる基板を例示することができる。

また、上例では、本発明に係る高周波電力システムをプラズマ処理装置に適用したが、これに限られるものではなく、高周波電力を用いる他の装置にも適用することができる。

１ プラズマ処理装置
２ 処理チャンバ
３ 上部チャンバ
３ａ プラズマ生成空間
４ 下部チャンバ
４ａ 処理空間
５ コイル
６ 基台
７ ガス供給部
１０ 第１高周波供給部
１１ スイッチング電源
１２ 発振・増幅器
１３ ＲＦセンサ
１４ 整合回路
１５ ＲＦセンサ
１６ 制御回路
１８ シールドボックス
２０ 第２高周波供給部
２１ スイッチング電源
２２ 発振・増幅器
２３ ＲＦセンサ
２４ 整合回路
２５ ＲＦセンサ
２６ 制御回路
２８ シールドボックス

Claims (6)

1. 高周波電力を消費する負荷部と、前記負荷部に高周波電力を供給する高周波電源と、前記負荷部と高周波電源との間に接続され、前記高周波電源に対する負荷側のインピーダンスを、前記高周波電源のインピーダンスに整合させる整合器とを備えた高周波電力システムであって、
   前記負荷部、高周波電源及び整合器が、電磁遮蔽部材により閉塞された一つの空間内に配設され、
   前記高周波電源は、前記負荷部に周波数が２７．１２ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の電力を供給するように構成され、
   前記負荷部は、前記高周波電力によって処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成部であり、前記プラズマ生成部のプラズマ生成空間を形成するチャンバの内径は６０ｍｍ以下であることを特徴とする高周波電力システム。
2. 前記高周波電源は、前記負荷部に２Ｗ以上５０Ｗ以下の電力を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の高周波電力システム。
3. 前記負荷部としてのプラズマ生成部を一つのみ備えていることを特徴とする請求項１または２記載の高周波電力システム。
4. 処理室を有する処理チャンバと、前記処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理室内に配設され、処理対象の基板が載置される基台と、前記請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載した高周波電力システムとを備えたプラズマ処理装置であって、
   前記高周波電力システムは、前記処理室内に供給された処理ガスを用いて、前記処理対象の基板を処理し、
   更に前記高周波電源は、前記負荷部に周波数が４０．６８ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の電力を供給するように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項４記載のプラズマ処理装置において、
   前記高周波電力システムは更に、前記処理対象の基板が載置される基台に高周波電力を供給する他の伝送線路、他の高周波電源及び他の整合器を備え、該他の伝送線路、他の高周波電源及び他の整合器は、接地された前記電磁遮蔽部材、又は前記電磁遮蔽部材とは別の電磁遮蔽部材により閉塞された一つのシールド空間内に配設され、
   前記処理対象の基板が載置される基台が他の負荷部として更に備えられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 前記プラズマ生成部は、前記基台より上方に配設されるとともに、前記処理チャンバの外方に配設された環状のコイルからなることを特徴とする請求項４又は５記載のプラズマ処理装置。
   

Images