KR20200131165A

KR20200131165A - 전계 센서, 표면파 플라즈마 소스, 및 표면파 플라즈마 처리 장치

Info

Publication number: KR20200131165A
Application number: KR1020200051981A
Authority: KR
Inventors: 기요시 모리; 유키 오사다; 쥰 나카고미; 요시유키 하리마
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2020-11-23
Also published as: KR102332030B1; JP7175238B2; US20200365371A1; JP2020187893A; US11244810B2

Abstract

(과제) 표면파 플라즈마 소스에 있어서, 노이즈 등의 영향을 억제하여 안정적으로 마이크로파의 전계를 검출할 수 있는 전계 센서, 및 그것을 이용한 표면파 플라즈마 소스 및 표면파 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
(해결 수단) 동축 전송로의 내부 도체가 되고, 내부에 스프링을 내장하고, 선단 부분에 모노폴 안테나를 구성하는 부분을 가짐과 아울러, 내장된 스프링의 가압력에 의해 선단이 마이크로파 투과창의 이면에 항상 접촉하도록 구성된 프로브와, 프로브의 외측에 마련되고, 동축 전송로의 외측 도체가 되고, 선단이 평면 슬롯 안테나의 이면에 접촉하도록 구성된 통 형상을 이루는 프로브 가이드와, 프로브와 프로브 가이드의 사이에 마련된 절연 부재와, 프로브 가이드를, 그 선단이 평면 슬롯 안테나에 항상 접촉하도록 가압하는 예압 스프링과, 신호를 추출하는 동축 구조의 신호 케이블을 접속하는 커넥터를 갖는다.

Description

전계 센서, 표면파 플라즈마 소스, 및 표면파 플라즈마 처리 장치{ELECTRIC FIELD SENSOR, SURFACE WAVE PLASMA SOURCE, AND SURFACE WAVE PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 개시는, 전계 센서, 표면파 플라즈마 소스, 및 표면파 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는, 반도체 기판에 에칭 처리나 성막 처리 등을 할 때에는 플라즈마 처리가 다용되고 있다. 최근, 이와 같은 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치로서는, 고밀도로 낮은 전자 온도의 플라즈마를 균일하게 형성할 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 주목받고 있다.

특허문헌 1에는, 마이크로파 처리 장치로서 RLSA(등록상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 기재되어 있다. RLSA(등록상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, 챔버의 상부에 소정의 패턴으로 다수의 슬롯이 형성된 평면 슬롯 안테나를 마련하고, 마이크로파 발생원으로부터 유도된 마이크로파를, 평면 안테나의 슬롯으로부터 방사시킨다. 그리고, 방사된 마이크로파를, 그 아래에 마련된 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과창을 통해서 진공으로 유지된 챔버 내에 방사하고, 그 마이크로파 전계에 의해 챔버 내에 도입된 가스의 플라즈마를 형성하여 반도체 웨이퍼를 처리하는 것이다.

이와 같은 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 안테나로부터 출력되는 전력이나 안테나 직하의 플라즈마 상태를 검출하는 기술로서, 특허문헌 2에는, 안테나를 관통하도록 마련된 센서 삽입 구멍에 전계 센서를 삽입하는 것이 제안되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2000-294550호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 2013-77441호 공보

본 개시는, 마이크로파를 평면 슬롯 안테나의 슬롯 및 마이크로파 투과창을 통해서 챔버 내에 방사하여 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 표면파 플라즈마 소스에 있어서, 노이즈 등의 영향을 억제하여 안정적으로 마이크로파의 전계를 검출할 수 있는 전계 센서, 및 그것을 이용한 표면파 플라즈마 소스 및 표면파 플라즈마 처리 장치를 제공한다.

본 개시의 일 태양과 관련되는 전계 센서는, 마이크로파 전송로로 전송되어 온 마이크로파를 평면 슬롯 안테나의 슬롯 및 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과창을 통해서 챔버 내에 방사하여 표면파 플라즈마를 형성함에 있어서, 마이크로파의 전계를 검출하는 전계 센서로서, 동축 전송로의 내부 도체가 되고, 내부에 스프링을 내장하고, 선단 부분에 모노폴 안테나를 구성하는 부분을 가짐과 아울러, 내장된 상기 스프링의 가압력에 의해 선단이 상기 마이크로파 투과창의 이면에 항상 접촉하도록 구성된 프로브와, 상기 프로브의 외측에 마련되고, 상기 동축 전송로의 외측 도체가 되고, 선단이 상기 평면 슬롯 안테나의 이면에 접촉하도록 구성된 통 형상을 이루는 프로브 가이드와, 상기 프로브와 상기 프로브 가이드의 사이에 마련된 절연 부재와, 상기 프로브 가이드를 아래쪽으로 예압(豫壓)하고, 상기 프로브 가이드를, 그 선단이 상기 평면 슬롯 안테나에 항상 접촉하도록 가압하는 예압 스프링과, 상기 프로브 및 상기 프로브 가이드에 접속되고, 신호를 추출하는 동축 구조의 신호 케이블을 접속하기 위한 커넥터를 갖는다.

본 개시에 의하면, 마이크로파를 평면 슬롯 안테나의 슬롯 및 마이크로파 투과창을 통해서 챔버 내에 방사하여 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 표면파 플라즈마 소스에 있어서, 노이즈 등의 영향을 억제하여 안정적으로 마이크로파의 전계를 검출할 수 있는 전계 센서, 및 그것을 이용한 표면파 플라즈마 소스 및 표면파 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

도 1은 일 실시형태의 표면파 플라즈마 소스가 이용되는 표면파 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 표면파 플라즈마 처리 장치에 이용되는 표면파 플라즈마 소스의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 표면파 플라즈마 소스에 있어서의 마이크로파 공급부를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 4는 표면파 플라즈마 소스에 있어서의 마이크로파 방사 기구와 전계 센서를 나타내는 종단면도이다.
도 5는 마이크로파 방사 기구의 급전 기구를 나타내는 횡단면도이다.
도 6은 튜너에 있어서의 슬래그와 슬라이딩 부재를 나타내는 횡단면도이다.
도 7은 평면 슬롯 안테나의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 8은 표면파 플라즈마 소스에 적용된 전계 센서의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 8의 전계 센서의 요부를 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 10은 전계 센서에 있어서의 프로브의 선단 형상의 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 전계 센서에 있어서의 밴드형 콘택트를 나타내는 단면도이다.
도 12는 도 11에 나타내는 밴드형 콘택트의 콘택트 부재를 나타내는 사시도이다.
도 13은 전계 센서에 회전 스토퍼를 장착했을 때의 상태를 나타내는 횡단면도이다.
도 14는 전계 센서에 의한 모니터 전력을 나타내는 도면이다.
도 15는 평면 슬롯 안테나로부터 방사되는 전력과 모니터 전류의 제곱의 값의 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 실시형태에 대하여 구체적으로 설명한다.

<표면파 플라즈마 처리 장치의 구성>

도 1은 일 실시형태의 표면파 플라즈마 소스가 이용되는 표면파 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 표면파 플라즈마 처리 장치에 이용되는 표면파 플라즈마 소스의 구성을 나타내는 블록도, 도 3은 표면파 플라즈마 소스에 있어서의 마이크로파 공급부를 모식적으로 나타내는 평면도, 도 4는 표면파 플라즈마 소스에 있어서의 마이크로파 방사 기구 및 전계 센서를 나타내는 단면도, 도 5는 마이크로파 방사 기구의 급전 기구를 나타내는 횡단면도, 도 6은 튜너에 있어서의 슬래그와 슬라이딩 부재를 나타내는 횡단면도이다.

표면파 플라즈마 처리 장치(100)는, 기판인 반도체 웨이퍼 W(이하 웨이퍼 W라고 기술한다)에 대하여 플라즈마 처리로서 예컨대 에칭 처리를 실시하는 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있고, 기밀로 구성된 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어지는 대략 원통 형상의 접지된 챔버(1)와, 챔버(1) 내에 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 표면파 플라즈마 소스(2)를 갖고 있다. 챔버(1)의 상부에는 개구부(1a)가 형성되어 있고, 표면파 플라즈마 소스(2)는 이 개구부(1a)로부터 챔버(1)의 내부로 향하도록 마련되어 있다.

챔버(1) 내에는 웨이퍼 W를 수평으로 지지하는 지지 부재인 서셉터(11)가, 챔버(1)의 저부 중앙에 절연 부재(12a)를 사이에 두고 세워진 통 형상의 지지 부재(12)에 의해 지지된 상태로 마련되어 있다. 서셉터(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료로서는, 표면을 양극 산화 처리한 알루미늄 등이 예시된다.

또한, 도시는 하고 있지 않지만, 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 W 측으로 플라즈마 중의 이온이 끌어들여진다.

챔버(1)의 저부에는 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) 내의 가스가 배출되어, 챔버(1) 내를 소정의 진공도까지 고속으로 감압하는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 챔버(1)의 측벽에는, 웨이퍼 W의 반입출을 행하기 위한 반입출구(17)와, 이 반입출구(17)를 개폐하는 게이트 밸브(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, 격자 형상으로 형성된 가스 유로(21)와, 이 가스 유로(21)에 형성된 다수의 가스 토출 구멍(22)을 갖고 있고, 격자 형상의 가스 유로(21)의 사이는 공간부(23)로 되어 있다. 이 샤워 플레이트(20)의 가스 유로(21)에는 챔버(1)의 외측으로 연장되는 배관(24)이 접속되어 있고, 이 배관(24)에는 처리 가스 공급원(25)이 접속되어 있다. 처리 가스로서는, 통상 이용되는 에칭 가스, 예컨대 Cl₂ 가스 등을 이용할 수 있다.

한편, 챔버(1)의 샤워 플레이트(20)의 위쪽 위치에는, 링 형상의 플라즈마 가스 도입 부재(26)가 챔버 벽을 따라 마련되어 있고, 이 플라즈마 가스 도입 부재(26)에는 내주에 다수의 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 적합하게 이용된다.

플라즈마 가스 도입 부재(26)로부터 챔버(1) 내에 도입된 플라즈마 가스는, 표면파 플라즈마 소스(2)로부터 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 여기하여, 처리 가스의 플라즈마를 형성한다.

<표면파 플라즈마 소스>

다음으로, 표면파 플라즈마 소스(2)에 대하여 설명한다.

표면파 플라즈마 소스(2)는, 챔버(1)의 상부에 마련된 지지 링(29)에 의해 지지된 원형을 이루는 천판(110)을 갖고 있고, 지지 링(29)과 천판(110)의 사이는 기밀로 밀봉되어 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 표면파 플라즈마 소스(2)는, 복수 경로로 분배하여 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, 마이크로파 전원(31)과, 마이크로파 발진기(32)와, 발진된 마이크로파를 증폭하는 앰프(33)와, 증폭된 마이크로파를 복수로 분배하는 분배기(34)를 갖고 있다.

마이크로파 발진기(32)는, 소정 주파수(예컨대, 915㎒)의 마이크로파를 예컨대 PLL 발진시킨다. 분배기(34)에서는, 마이크로파의 손실이 가능한 한 일어나지 않도록, 입력 측과 출력 측의 임피던스 정합을 취하면서 앰프(33)에서 증폭된 마이크로파를 분배한다. 또, 마이크로파의 주파수로서는, 915㎒ 외에, 700㎒로부터 3㎓의 범위의 소망하는 주파수를 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 방사 기구(41)를 갖고 있다.

마이크로파 방사 기구(41)는, 예컨대 도 3에 나타내는 바와 같이, 천판(110) 상에, 원주 형상으로 6개 및 그 중심에 1개, 합계 7개 배치되어 있다. 마이크로파 방사 기구(41)의 내부에는, 후술하는 전계 센서(140)가 배치되어 있다.

천판(110)은, 진공 실(seal) 및 마이크로파 투과판으로서 기능하고, 금속제의 프레임(110a)과, 그 프레임(110a)에 끼워져, 마이크로파 방사 기구(41)가 배치되어 있는 부분에 대응하도록 마련된 석영 등의 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과창(110b)을 갖고 있다.

앰프부(42)는, 위상기(46)와, 가변 게인 앰프(47)와, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(48)와, 아이솔레이터(49)를 갖고 있다.

위상기(46)는, 마이크로파의 위상을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있고, 이것을 조정하는 것에 의해 방사 특성을 변조시킬 수 있다. 예컨대, 각 앰프부(42)의 위상을 조정하는 것에 의해 지향성을 제어하여 플라즈마 분포를 변화시키는 것이나, 서로 이웃하는 앰프부(42)에 있어서 90°씩 위상을 비키어 놓도록 하여 원편파를 얻을 수 있다. 또한, 위상기(46)는, 앰프 내의 부품 사이의 지연 특성의 조정, 튜너 내에서의 공간 합성을 목적으로 하여 사용할 수 있다. 단, 이와 같은 방사 특성의 변조나 앰프 내의 부품 사이의 지연 특성의 조정이 불필요한 경우에는 위상기(46)는 마련할 필요는 없다.

가변 게인 앰프(47)는, 메인 앰프(48)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하고, 개개의 안테나 모듈의 격차의 조정 또는 플라즈마 강도 조정을 위한 앰프이다. 가변 게인 앰프(47)를 앰프부(42)마다 변화시키는 것에 의해, 발생하는 플라즈마에 분포를 발생시킬 수도 있다.

솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(48)는, 예컨대, 입력 정합 회로와, 반도체 증폭 소자와, 출력 정합 회로와, 고Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다.

아이솔레이터(49)는, 마이크로파 방사 기구(41)에서 반사되어 메인 앰프(48)로 향하는 반사 마이크로파를 분리하는 것이고, 서큘레이터와 더미 로드(동축 종단기)를 갖고 있다. 서큘레이터는, 후술하는 마이크로파 방사 기구(41)의 안테나부(43)에서 반사된 마이크로파를 더미 로드에 유도하고, 더미 로드는 서큘레이터에 의해 유도된 반사 마이크로파를 열로 변환한다.

표면파 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 각 구성부는, 마이크로프로세서를 구비한 제어부(200)에 의해 제어되도록 되어 있다. 제어부(200)는 표면파 플라즈마 처리 장치(100)의 프로세스 시퀀스 및 제어 파라미터인 프로세스 레시피를 기억한 기억부나, 입력 수단 및 디스플레이 등을 구비하고 있고, 선택된 프로세스 레시피에 따라 플라즈마 처리 장치를 제어하도록 되어 있다.

[마이크로파 방사 기구]

다음으로, 마이크로파 방사 기구(41)에 대하여 상세하게 설명한다.

마이크로파 방사 기구(41)는, 도 4, 도 5에 나타내는 바와 같이, 마이크로파를 전송하는 동축 구조의 도파로(44)와, 도파로(44)로 전송된 마이크로파를 챔버(1) 내에 방사하는 안테나부(43)를 갖고 있다. 그리고, 마이크로파 방사 기구(41)로부터 챔버(1) 내에 방사된 마이크로파가 챔버(1) 내의 공간에서 합성되어, 챔버(1) 내에서 표면파 플라즈마가 형성되도록 되어 있다.

도파로(44)는, 통 형상의 외측 도체(52) 및 그 중심에 마련된 막대 형상의 내측 도체(53)가 동축 상에 배치되어 구성되어 있고, 도파로(44)의 선단에 안테나부(43)가 마련되어 있다. 도파로(44)는, 내측 도체(53)가 급전 측, 외측 도체(52)가 접지 측으로 되어 있다. 외측 도체(52) 및 내측 도체(53)의 상단은 반사판(58)으로 되어 있다.

도파로(44)의 기단 측에는 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 동축 선로(56)가 접속되어 있다. 그리고, 동축 선로(56)의 내측 도체(56a)의 선단에는, 외측 도체(52)의 내부로 향해 수평으로 연장되는 급전 안테나(90)가 접속되어 있다.

급전 안테나(90)는, 예컨대, 알루미늄 등의 금속판을 머시닝 가공한 후, 테플론(등록상표) 등의 유전체 부재의 틀에 넣어 형성된다. 반사판(58)으로부터 급전 안테나(90)까지의 사이에는, 반사파의 실효 파장을 짧게 하기 위한 테플론(등록상표) 등의 유전체로 이루어지는 지파재(59)가 마련되어 있다. 또, 2.45㎓ 등의 주파수가 높은 마이크로파를 이용한 경우에는, 지파재(59)는 마련하지 않더라도 좋다. 이때, 급전 안테나(90)로부터 방사되는 전자파를 반사판(58)에 의해 반사시킴으로써, 최대의 전자파를 동축 구조의 도파로(44) 내에 전송시킨다. 그 경우, 급전 안테나(90)로부터 반사판(58)까지의 거리를 약 λg/4의 반파장 배로 설정한다. 단, 주파수가 낮은 마이크로파에서는, 지름 방향의 제약 때문에, 이에 해당하지 않는 경우도 있다. 그 경우에는, 급전 안테나(90)에서 발생시키는 전자파의 배(antinode)를 급전 안테나(90)가 아닌, 급전 안테나(90)의 아래쪽으로 유기시키도록, 급전 안테나의 형상을 최적화하는 것이 바람직하다.

급전 안테나(90)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 전력 도입 포트(55)에 있어서 동축 선로(56)의 내측 도체(56a)에 접속되고, 전자파가 공급되는 제 1 극(92) 및 공급된 전자파를 방사하는 제 2 극(93)을 갖는 안테나 본체(91)와, 안테나 본체(91)의 양측으로부터, 내측 도체(53)의 외측을 따라 연장되고, 링 형상을 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 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)로 향해 전파된다.

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 것이고, 외측 도체(52)와 내측 도체(53)의 사이에 마련된 2개의 슬래그(61a, 61b)와, 반사판(58)의 외측(위쪽)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 내부 공간에는, 그 긴 방향을 따라 예컨대 사다리꼴 나사가 형성된 나사봉으로 이루어지는 슬래그 이동용의 2개의 슬래그 이동축(64a, 64b)이 마련되어 있다.

슬래그(61a)는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 유전체로 이루어지는 고리 형상을 이루고, 그 내측에 미끄러운 성질을 갖는 수지로 이루어지는 슬라이딩 부재(63)가 끼워져 있다. 슬라이딩 부재(63)에는 슬래그 이동축(64a)이 결합되는 나사 구멍(65a)과 슬래그 이동축(64b)이 삽입되는 통과 구멍(65b)이 마련되어 있다. 한편, 슬래그(61b)는, 슬래그(61a)와 마찬가지로, 슬라이딩 부재(63)에 나사 구멍(65a)과 통과 구멍(65b)을 갖고 있지만, 슬래그(61a)와는 반대로, 나사 구멍(65a)은 슬래그 이동축(64b)에 결합되고, 통과 구멍(65b)에는 슬래그 이동축(64a)이 삽입되도록 되어 있다. 이것에 의해 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.

내측 도체(53)에는 긴 방향을 따라 동일 간격으로 3개의 슬릿(53a)이 형성되어 있다. 한편, 슬라이딩 부재(63)는, 이들 슬릿(53a)에 대응하도록 3개의 돌출부(63a)가 동일 간격으로 마련되어 있다. 그리고, 이들 돌출부(63a)가 슬래그(61a, 61b)의 내주에 맞닿은 상태에서 슬라이딩 부재(63)가 슬래그(61a, 61b)의 내부에 끼워진다. 슬라이딩 부재(63)의 외주면은, 내측 도체(53)의 내주면과 여유 없이 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.

상기 슬래그 이동축(64a, 64b)은, 반사판(58)을 관통하여 슬래그 구동부(70)로 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 저판(67)이 마련되어 있다. 슬래그 이동축(64a, 64b)의 하단은, 구동 때의 진동을 흡수하기 위해, 통상은 개방단으로 되어 있고, 이들 슬래그 이동축(64a, 64b)의 하단으로부터 2~5㎜ 정도 이격하여 저판(67)이 마련되어 있다. 또, 이 저판(67)을 베어링부로 하여 슬래그 이동축(64a, 64b)의 하단을 이 베어링부로 지지시키더라도 좋다.

슬래그 구동부(70)는 하우징(71)을 갖고, 슬래그 이동축(64a, 64b)은 하우징(71) 내로 연장되어 있고, 슬래그 이동축(64a, 64b)의 상단에는, 각각 톱니바퀴(72a, 72b)가 설치되어 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 톱니바퀴(74a)가 설치되고, 모터(73b)의 축에는 톱니바퀴(74b)가 설치되어 있고, 톱니바퀴(74a)가 톱니바퀴(72a)에 맞물리고, 톱니바퀴(74b)가 톱니바퀴(72b)에 맞물리도록 되어 있다. 따라서, 모터(73a)에 의해 톱니바퀴(74a, 72a)를 통해서 슬래그 이동축(64a)이 회전되고, 모터(73b)에 의해 톱니바퀴(74b, 72b)를 통해서 슬래그 이동축(64b)이 회전된다. 또, 모터(73a, 73b)는 예컨대 스텝 모터이다.

모터(73a, 73b)의 위에는, 이들의 출력축에 직결하도록, 각각 슬래그(61a, 61b)의 위치를 검출하기 위한 인크리먼트형의 인코더(75a, 75b)가 마련되어 있다.

슬래그(61a, 61b)의 위치는, 슬래그 컨트롤러(68)에 의해 제어된다. 구체적으로는, 도시하지 않는 임피던스 검출기에 의해 검출된 입력단의 임피던스 값과, 인코더(75a, 75b)에 의해 검지된 슬래그(61a, 61b)의 위치 정보에 근거하여, 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 예컨대 50Ω이 되도록 임피던스 정합을 실행시킨다. 2개의 슬래그 중 한쪽만을 움직이면, 스미스 차트의 원점을 지나는 궤적을 그리고, 양쪽 동시에 움직이면 위상만이 회전한다.

안테나부(43)는, 마이크로파를 방사하는 슬롯(131)을 갖고 평면 형상을 이루는, 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 평면 슬롯 안테나(81)와, 평면 슬롯 안테나(81)의 이면(상면)에 마련된 지파재(82)를 갖고 있다. 지파재(82)의 중심에는 도체로 이루어지는 원기둥 부재(82a)가 관통하고, 저판(67)과 평면 슬롯 안테나(81)를 접속하고 있다. 따라서, 내측 도체(53)가 저판(67) 및 원기둥 부재(82a)를 통해서 평면 슬롯 안테나(81)에 접속되어 있다. 지파재(82) 및 평면 슬롯 안테나(81)는, 외측 도체(52)보다 큰 지름의 원판 형상을 이루고 있다. 외측 도체(52)의 하단은 지파재(82)의 표면까지 연장되어 있고, 지파재(82)의 이면(상면)을 덮도록, 후술하는 전계 센서(140)가 설치되는 상부 플랜지 부재(84)가 마련되고, 지파재(82)의 외주면에는 지파재(82)를 고정하는 하부 플랜지 부재(85)가 마련되어 있다.

지파재(82)는, 진공보다 큰 유전율을 갖고 있고, 예컨대, 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 구성되어 있고, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지는 것으로부터, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 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. 이것에 의해, 반사가 최소이고, 평면 슬롯 안테나(81)의 방사 에너지가 최대가 되도록 할 수 있다.

평면 슬롯 안테나(81)의 전면(하면)에는, 천판(110)의 마이크로파 투과창(110b)이 배치되어 있다. 그리고, 메인 앰프(48)에서 증폭된 마이크로파가, 내측 도체(53)와 외측 도체(52)의 둘레의 벽의 사이를 지나 평면 슬롯 안테나(81)로부터 마이크로파 투과창(110b)을 투과하여 챔버(1) 내의 공간에 방사된다.

상기 평면 슬롯 안테나(81)는, 예컨대 도 7에 나타내는 바와 같이, 전체가 원판 형상(평면 형상)을 이루는 것으로 할 수 있다. 또한, 평면 슬롯 안테나(81)의 6개의 슬롯(131)은, 전체 형상이 원주 형상이 되도록 형성된 것으로 할 수 있다. 도 7의 예에서는, 이들 슬롯(131)은 모두 동일한 형상이고, 원주를 따라 길고 가는 형상으로 형성되어 있다. 이들 슬롯(131) 중 인접하는 것끼리의 이음매 부분은, 한쪽의 슬롯(131)의 단부와 다른 쪽의 슬롯(131)의 단부가 내외에서 겹치도록 구성되어 있다. 즉, 슬롯(131)의 중앙부는, 외측에 있는 한쪽의 단부와 내측에 있는 다른 쪽의 단부를 연결한 상태로 되어 있고, 6개의 슬롯(131)을 내포하는 이점쇄선으로 나타내는 고리 영역(132)에 있어서 외주와 일치하는 한쪽의 단부와 내주와 일치하는 다른 쪽의 단부의 사이를 비스듬하게 잇도록 되어 있다. 원주 방향으로 인접하는 슬롯과 슬롯의 이음매 부분은, 슬롯에 덮이도록 구성되고, 둘레 방향으로 슬롯이 없는 부분이 존재하지 않도록 하고 있다.

슬롯(131)은, (λg/2)×n-δ의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 단, λg는 마이크로파의 실효 파장이고, n은 1 이상의 정수, δ는 원주 방향(각도 방향)으로 전계 강도의 균일성이 높아지도록 미조정하는 미조정 성분(0을 포함한다)이다. 슬롯(131)은, 중앙부와, 그 양측의 한쪽의 단부 및 다른 쪽의 단부(오버랩 부분)가 거의 균등한 길이를 갖고 있다. 슬롯(131)은, 그 내주가, 평면 슬롯 안테나(81)의 중심으로부터 (λg/4)×n±δ'의 위치가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 단, n은 1 이상의 정수, δ'는 지름 방향의 전계 강도 분포를 균일하게 하기 위해 미조정하는 미조정 성분(0을 포함한다)이다.

이와 같은 평면 슬롯 안테나(81)를 이용하는 것에 의해, 슬롯과 슬롯의 이음매 부분에서 전자파 강도가 약해지는 것을 회피할 수 있고, 둘레 방향(각도 방향)의 플라즈마 균일성을 양호하게 할 수 있다. 단, 슬롯의 개수 및 형상은, 이것으로 한정되는 것이 아니다. 예컨대 복수의 원호 형상의 슬롯이 원주 상에 균등하게 형성된 것이더라도 좋다.

도 4 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 지파재(82) 및 평면 슬롯 안테나(81)에는, 슬롯(131)의 내측에 대응하는 영역에, 이들을 관통하여 천판(110)의 마이크로파 투과창(110b)의 표면에 이르는 센서 삽입 구멍(120)이 마련되어 있다. 이 센서 삽입 구멍(120)의 개수는, 슬롯(131)의 수의 n배(n은 1 이상의 정수)로 할 수 있고, 동축 구조의 도파로(44)의 축을 중심으로 하여 동일한 원주 상에 균등(동일 각도)하게 마련되어 있다. 도 7의 예에서는, 슬롯(131) 및 센서 삽입 구멍(120)의 개수는 6개(n=1)이다.

센서 삽입 구멍(120)은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 지파재(82)에 대응하는 큰 지름 부분과, 평면 슬롯 안테나(81)에 대응하는 작은 지름 부분을 갖고, 그 경계에 평탄부(120a)가 형성되어 있다. 센서 삽입 구멍(120)의 적어도 하나에 전계 센서(140)의 선단부가 삽입된다(도 4 참조). 전계 센서(140)의 본체부는 상부 플랜지 부재(84)에 형성된 설치 구멍에 삽입된다. 전계 센서(140)가 삽입되지 않는 센서 삽입 구멍(120)에는, 전자파 누설 방지용의 플러그(더미 플러그)를 삽입하더라도 좋다. 전계 센서(140)에는 신호 케이블(151)을 거쳐서 계측부(150)가 접속되어 있다(도 4 참조).

본 실시형태에 있어서, 메인 앰프(48)와, 튜너(60)와, 평면 슬롯 안테나(81)는 근접 배치하고 있다. 그리고, 튜너(60)와 평면 슬롯 안테나(81)는 1/2 파장 내에 존재하는 집중 상수 회로를 구성하고 있고, 또한 평면 슬롯 안테나(81), 지파재(82), 마이크로파 투과창(110b)은 합성 저항이 50Ω으로 설정되어 있다. 이 때문에, 튜너(60)는 플라즈마 부하에 대하여 직접 튜닝하고 있는 것이 되어, 효율적으로 플라즈마에 에너지를 전달할 수 있다.

[전계 센서]

다음으로, 전계 센서(140)에 대하여 설명한다.

도 8은 전계 센서(140)의 개략 구성을 나타내는 단면도, 도 9는 그 요부를 확대하여 나타내는 단면도이다.

전계 센서(140)는, 마이크로파 방사 기구(41)로부터 방사되는 마이크로파의 전계를 검출하는 것이고, 상술한 바와 같이, 본체부가 상부 플랜지 부재(84)에 마련된 설치 구멍에 삽입된 상태에서, 상부 플랜지 부재(84)에 설치된다. 전계 센서(140)는, 동축 전송로의 내부 도체가 되는 프로브(141)와, 프로브(141)의 외측에 마련된 동축 전송로의 외측 도체가 되는 프로브 가이드(142)와, 이들의 사이에 마련된 절연 부재(143)와, 프로브 가이드(142)를 예압하는 예압 스프링(144)과, 고주파 커넥터(145)를 갖는다. 프로브(141)와 프로브 가이드(142)는 동축 전송로를 구성한다.

프로브(141)는, 내부에 스프링을 내장하는 기단부(141a)와, 기단부(141a)보다 작은 지름으로 기단부(141a)로부터 아래쪽으로 돌출하여 마련되고, 내장된 스프링에 의해 아래쪽으로 가압되는 작은 지름 부분(141b)을 갖는다. 작은 지름 부분(141b)의 선단 부분은, 절연 부재(143)의 선단으로부터 돌출하고, 그 돌출 부분이 모노폴 안테나를 구성하고 있다. 프로브(141)는, 내장된 스프링의 가압력에 의해 작은 지름 부분(141b)이 마이크로파 투과창(110b)의 이면에 항상 일정한 힘으로 접촉하도록 구성되어 있다. 이것에 의해, 마이크로파 투과창(110b)을 전파하는 고주파 신호를 고감도로 안정적으로 검출할 수 있다. 또한, 온도 변화에 따르는 열 팽창량의 변화나 장치 진동 등의 외란이 있더라도 프로브(141)의 마이크로파 투과창(110b)으로의 접촉을 유지할 수 있어, 외란에 대하여 강한 것으로 할 수 있다. 프로브(141)는 도전성이 높은 재료, 예컨대 베릴륨구리(BeCu) 등의 구리 합금으로 구성된다. 프로브(141)로서는, 시판되는 콘택트 프로브(스프링 프로브)를 이용할 수 있다. 도 9에 나타내는 프로브(141)의 작은 지름 부분(141b)의 모노폴 안테나를 구성하는 부분의 길이 L은 짧을수록 좋고, 1.5~2㎜로 하는 것이 바람직하다. 또한, 모노폴 안테나를 구성하는 부분의 지름은 0.5~1㎜ 정도이다.

본 예에서는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 프로브(141)(작은 지름 부분(141b))의 선단 형상이 R 형상(필렛)으로 되어 있어 안정성이 높은 신호 검출을 실현할 수 있다. 단, 프로브(141)의 선단 형상은, 마이크로파 투과창(110b)의 상태나, 요구되는 신호 검출 특성(안정성, 정밀도 등)에 따라 다른 다양한 형상의 것을 채용할 수 있다. 예컨대, 도 10의 (a)~(f)에 나타내는 것을 들 수 있다. 또, (a)~(f)는 각각 측면도와 저면도를 나타내는 것이다. (a)는 선단 형상이 원뿔 형상인 것이다. (b)는 선단 형상이 각뿔 형상인 것이다. (c)는, 선단에 복수의 뾰족한 돌기부를 갖는 것이다. (d)는 면적이 넓은 선단부의 평탄한 하면에 복수의 각뿔 형상의 돌기가 마련된 것이다. (e)는 선단이 평탄한 것이다. (f)는 면적이 넓은 선단부에 R 형상의 선단이 형성된 것이다.

프로브 가이드(142)는, 원통 형상을 이루고, 상단부에 플랜지 부분(142c)을 갖는 본체부(142a)와, 본체부로부터 아래쪽으로 연장되는 작은 지름 부분(142b)을 갖고 있다. 작은 지름 부분(142b)은 센서 삽입 구멍(120)에 삽입되고, 도 9에 나타내는 바와 같이, 그 선단이, 평면 슬롯 안테나(81)의 센서 삽입 구멍(120)의 큰 지름 부분과 작은 지름 부분의 사이의 평탄부(120a)에 맞닿는다. 프로브 가이드(142)(작은 지름 부분(142b))의 선단은 필렛 형상으로 되어 있다. 프로브 가이드(142)는 도전성이 높은 재료, 예컨대 알루미늄 합금 또는 놋쇠로 구성된다.

절연 부재(143)의 구성 재료는, 절연체이면 되지만, PTFE나 PEEK 등의 수지 재료를 적합하게 이용할 수 있다.

예압 스프링(144)은, 압축형 스프링으로 구성되고, 이하에 상세하게 설명하는 바와 같이, 프로브 가이드(142)를 아래쪽으로 예압한다. 이것에 의해, 프로브 가이드(142)의 선단이 평면 슬롯 안테나(81)의 이면에 일정한 힘으로 접촉한 상태가 되어, 신호의 노이즈를 저감할 수 있다. 또한, 온도 변화에 따르는 열 팽창 변화나 장치 진동 등의 외란이 있더라도 프로브 가이드(142)의 평면 슬롯 안테나(81)로의 접촉을 유지할 수 있어, 외란에 대하여 강한 것으로 할 수 있다.

고주파 커넥터(145)는, 프로브(141) 및 프로브 가이드(142)에 접속되어, 신호를 추출하는 동축 구조의 신호 케이블을 접속하기 위한 것이고, 접속부(145a)와, 중심 도체(145b)와, 절연 부재(145c)를 갖는다. 접속부(145a)는, 외측에 나사가 형성된 도체로 이루어지고, 프로브 가이드(142)의 플랜지 부분(142c)에 고정되어, 접속된다. 중심 도체(145b)는, 접속부(145a)로부터 아래쪽으로 연장되고, 프로브(141)에 접합된다. 절연 부재(145c)는, 프로브 가이드(142)와 중심 도체(145b)를 절연한다. 중심 도체(145b)와 프로브(141)는, 동축 케이블의 내부 도체를 구성한다. 절연 부재(145c)도 절연 부재(143)와 마찬가지로, 구성 재료는, 절연체이면 되지만, PTFE나 PEEK 등의 수지 재료를 적합하게 이용할 수 있다.

또한, 전계 센서(140)는, 고정 너트(146), 밴드형 콘택트(147), 및 회전 스토퍼(148)를 더 갖는다.

고정 너트(146)는, 프로브 가이드(142)의 외측에 결합함과 아울러, 상부 플랜지 부재(84)에도 결합하도록 되어 있고, 조여지는 것에 의해 프로브 가이드(142)를 고정하는 기능을 갖는다.

상술한 예압 스프링(144)은, 고정 너트(146)와 프로브 가이드(142)의 사이에 마련되어 있다. 구체적으로는, 프로브 가이드(142)의 고정 너트(146)보다 아래쪽 위치에 차양 형상의 스프링 받이(142d)가 형성되어 있고, 예압 스프링(144)은, 고정 너트(146)와 스프링 받이(142d)의 사이에 마련되어 있다. 그리고, 고정 너트(146)를 상부 플랜지 부재(84)에 조이는 것에 의해 예압 스프링(144)이 압축되어 예압 스프링(144)의 가압력에 의해 스프링 받이(142d)가 밀려, 프로브 가이드(142)가 아래 방향으로 예압된다. 이것에 의해, 상술한 바와 같이, 프로브 가이드(142)의 선단이 평면 슬롯 안테나(81)의 이면에 항상 접촉한 상태가 되어, 신호의 노이즈를 저감하여 안정적으로 신호를 검출할 수 있다.

밴드형 콘택트(147)는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 프로브 가이드(142)의 스프링 받이(142d)의 아래쪽 부분의 외주에 마련되고, 도전성 재료로 만들어진 통 형상을 이루는 본체부(147a)와, 그 내측에 마련된 콘택트 부재(147b)를 갖는다. 콘택트 부재(147b)는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 도전성 재료, 예컨대 구리 합금제의 복수의 판 용수철(147c)을, 그들의 중앙부가 내측으로 돌출한 상태로 원주 형상으로 복수 배치하여 이루어진다. 밴드형 콘택트(147)의 외주면은, 접지 전위인 상부 플랜지 부재(84)에 접촉한 상태로 상부 플랜지 부재(84)에 고정되어 있다. 그리고, 프로브 가이드(142)가 밴드형 콘택트(147)에 삽입되면, 프로브 가이드(142)에 회전, 연직 이동, 경사가 발생하더라도 판 용수철(147c)에 의해, 프로브 가이드(142)가 밴드형 콘택트(147)와 확실히 접촉한다. 이 때문에, 프로브 가이드(142)와 상부 플랜지 부재(84)의 사이의 안정적인 전기적 도통이 확보되고, 밴드형 콘택트(147)를 통해서 프로브 가이드(142)를 확실히 접지 전위로 할 수 있다. 이것에 의해 안정적인 신호 검출을 실현할 수 있다.

회전 스토퍼(148)는, 고정 너트(146)에 마련되어, 프로브 가이드(142)의 연직 방향의 자유로운 이동을 확보하면서, 회전 방향의 움직임을 구속하는 것이다. 본 예에서는, 회전 스토퍼(148)는, 세트 스크루로 구성되어 있고, 고정 너트(146)의 측면에 형성된 나사 구멍에 결합된다. 회전 스토퍼(148)의 선단은 뾰족하게 되어 있고, 도 13의 횡단면도에도 나타내는 바와 같이, 프로브 가이드(142)의 측면에 형성된 오목부(142e)에 연직 방향으로 이동 가능하도록 삽입된다. 이것에 의해, 프로브 가이드(142)는, 연직 방향의 자유로운 이동을 확보하면서, 회전 방향의 움직임이 구속된다. 이와 같이, 프로브 가이드(142)의 회전 방향의 움직임이 구속되는 것에 의해, 프로브 가이드(142)에 고정되어 있는 고주파 커넥터(145)의 회전 방향의 움직임도 구속된다. 이 때문에, 고주파 커넥터(145)에 신호 케이블을 접속할 때에, 신호 케이블이 꼬이는 일이 없고, 딱딱하고 최소 곡률 반경이 큰 신호 케이블의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 프로브 가이드(142)의 회전 방향의 움직임이 구속되어 있는 것에 의해, 프로브(141) 및 프로브 가이드(142)의 선단의 접촉부의 회전 방향의 움직임이 구속되기 때문에, 신호 케이블의 이동, 및 신호 케이블로 전파하여 오는 진동의 영향을 받기 어렵다. 이 때문에, 안정적인 신호 검출이 가능하게 된다.

이상과 같이, 전계 센서(140)에서는, 프로브(141)의 선단을 마이크로파 투과창(110b)의 이면에 접촉시키고, 프로브 가이드(142)의 선단을 평면 슬롯 안테나(81)의 이면에 접촉시킨다. 이것에 의해, 슬롯(131)으로부터 방사되어, 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과창(110b)을 전파하는 마이크로파(전자파)가 전계 센서(140)에 입력되어, 신호를 추출할 수 있다. 즉, 마이크로파 방사 기구(41)의 마이크로파(전자파)의 전계를 검출할 수 있다.

본 실시형태의 경우, 단일 모드의 표면파 플라즈마가 생성되고, 그 때문에, 마이크로파 투과창(110b)을 구성하는 유전체 내에 생성하는 정재파는 동일한 패턴이고, 정재파의 배 및 마디의 위치는 고정되고, 정재파의 크기는 안테나 출력 파워와 함께 커진다. 전계 센서(140)는 이것을 이용하는 것이다. 다시 말해, 전계 센서(140)를 정재파의 배 및 마디의 위치를 피하여 마이크로파 투과창(110b)의 이면에 접촉시키면, 슬롯(131)으로부터의 출력된 마이크로파(전자파)의 파워를 직접 모니터 할 수 있게 된다.

이 경우의 모니터 전력은, 예컨대 도 14에 나타내는 모니터 선로에 흐르는 모니터 전류에 근거하여 구할 수 있다. 이 경우에, 모니터 선로에 흐르는 모니터 전류는 프로브(141) 선단의 모노폴 부분의 길이에 따라 변화하기 때문에, 모노폴 부분의 길이를 조정함으로써, 소망하는 모니터 전력을 추출할 수 있다.

모니터 선로에 흐르는 모니터 전류치는 전계에 비례하지만, 마이크로파 투과창(110b)을 통과하는 전력은 전계의 2승에 비례하기 때문에, 모니터 전류치의 2승이 이 통과 전력에 비례하게 되어, 예컨대 도 15의 관계를 얻을 수 있다. 또, 전원으로부터 마이크로파 투과창(110b)까지의 전력 손실이 무시할 수 있을 정도로 작고, 거의 모든 에너지가 플라즈마에 흡수된다고 하면, 입력 전력과, 마이크로파 투과창(110b)에서의 통과 전력은 거의 동일하게 된다.

전계 센서(140)에 의해 검출된 신호는, 신호 케이블(151)을 통해서 계측부(150)에 보내진다(도 4 참조). 계측부(150)에 있어서는, 신호를 미리 기억된 임계치와 비교하는 것에 의해, 평면 슬롯 안테나(81)로부터 정상적으로 전자파가 방사되고 있는지 여부를 파악할 수 있다. 또한, 전계 센서(140)는, 마이크로파 투과창(110b)을 사이에 두고 플라즈마와 접하고 있으므로, 예컨대 플라즈마의 조건(가스 종류, 압력 등)을 변화시켰을 때의 평면 슬롯 안테나(81)의 출력 전계치의 변화를 모니터 하는 것에 의해, 플라즈마의 임피던스의 변화를 파악할 수 있다. 또한, 플라즈마의 착화ㆍ실화 검출 수단으로서 이용할 수도 있다.

<표면파 플라즈마 처리 장치의 동작>

다음으로, 이상과 같이 구성되는 표면파 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 동작에 대하여 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 통해서 챔버(1) 내에 플라즈마 가스, 예컨대 Ar 가스를 도입하면서, 표면파 플라즈마 소스(2)로부터 마이크로파를 챔버(1) 내에 도입하여 표면파 플라즈마를 형성한다.

표면파 플라즈마를 형성한 후, 처리 가스, 예컨대 Cl₂ 가스 등의 에칭 가스를 처리 가스 공급원(25)으로부터 배관(24) 및 샤워 플레이트(20)를 통해서 챔버(1) 내에 토출한다. 토출된 처리 가스는, 샤워 플레이트(20)의 공간부(23)를 통과하여 온 플라즈마에 의해 여기되어 플라즈마화하고, 이 처리 가스의 플라즈마에 의해 웨이퍼 W에 플라즈마 처리, 예컨대 에칭 처리가 실시된다.

상기 표면파 플라즈마를 생성함에 있어서, 표면파 플라즈마 소스(2)에서는, 마이크로파 출력부(30)의 마이크로파 발진기(32)로부터 발진된 마이크로파 전력은 앰프(33)에서 증폭된 후, 분배기(34)에 의해 복수로 분배되고, 분배된 마이크로파 전력은 마이크로파 공급부(40)에 유도된다. 마이크로파 공급부(40)에 있어서는, 이와 같이 복수로 분배된 마이크로파 전력은, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(48)에서 개별적으로 증폭되고, 마이크로파 방사 기구(41)의 도파로(44)에 급전되고, 튜너(60)에 의해 임피던스가 자동 정합되고, 전력 반사가 실질적으로 없는 상태에서, 안테나부(43)의 평면 슬롯 안테나(81)의 슬롯(131) 및 마이크로파 투과창(110b)을 통해서 챔버(1) 내에 방사되어 공간 합성된다.

마이크로파 방사 기구(41)의 도파로(44)로의 급전은, 동축 선로(56)를 통해서 측면으로부터 행하여진다. 즉, 동축 선로(56)로부터 전파하여 온 마이크로파(전자파)는, 도파로(44)의 측면에 마련된 마이크로파 전력 도입 포트(55)로부터 도파로(44)에 급전된다. 마이크로파(전자파)가 급전 안테나(90)의 제 1 극(92)에 도달하면, 안테나 본체(91)를 따라 마이크로파(전자파)가 전파하여 가고, 안테나 본체(91)의 선단의 제 2 극(93)으로부터 방사된다. 또한, 안테나 본체(91)를 전파하는 마이크로파(전자파)가 반사부(94)에서 반사되고, 그것이 입사파와 합성되는 것에 의해 정재파가 발생한다. 급전 안테나(90)의 배치 위치에서 정재파가 발생하면, 내측 도체(53)의 외벽을 따라 유도 자계가 발생하고, 그것에 유도되어 유도 전계가 발생한다. 이들의 연쇄 작용에 의해, 마이크로파(전자파)가 도파로(44) 내를 전파하고, 안테나부(43)에 유도된다.

이때, 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 행하기 위해 급전 안테나(90)로부터 반사판(58)까지의 거리가 약 λg/4의 반파장 배가 되도록 하는 것이 바람직하다.

마이크로파 방사 기구(41)는, 안테나부(43)와 튜너(60)가 일체로 되어 있으므로, 매우 콤팩트하다. 이 때문에, 표면파 플라즈마 소스(2) 자체를 콤팩트하게 할 수 있다. 또한, 메인 앰프(48), 튜너(60) 및 평면 슬롯 안테나(81)가 근접하여 마련되고, 특히 튜너(60)와 평면 슬롯 안테나(81)는 집중 상수 회로로서 구성할 수 있다. 또한 평면 슬롯 안테나(81), 지파재(82), 마이크로파 투과창(110b)의 합성 저항을 50Ω으로 설계하는 것에 의해, 튜너(60)에 의해 높은 정밀도로 플라즈마 부하를 튜닝할 수 있다. 또한, 튜너(60)는 2개의 슬래그(61a, 61b)를 이동하는 것에 의해 임피던스 정합을 행할 수 있는 슬래그 튜너를 구성하고 있으므로 콤팩트하고 손실이 낮다. 또한, 이와 같이 튜너(60)와 평면 슬롯 안테나(81)가 근접하고, 집중 상수 회로를 구성하고 또한 공진기로서 기능하는 것에 의해, 평면 슬롯 안테나(81)에 이를 때까지의 임피던스 부정합을 높은 정밀도로 해소할 수 있고, 실질적으로 부정합 부분을 플라즈마 공간으로 할 수 있으므로, 튜너(60)에 의해 높은 정밀도의 플라즈마 제어가 가능하게 된다.

또한, 전계 센서(140)에 의해, 마이크로파 방사 기구(41)의 평면 슬롯 안테나(81)로부터 방사되어, 마이크로파 투과창(110b)을 전파하는 마이크로파의 전계를 검출할 수 있으므로, 평면 슬롯 안테나(81)로부터 정상적으로 마이크로파가 방사되고 있는지 여부를 파악할 수 있다. 또한, 전계 센서(140)는 마이크로파 투과창(110b)을 사이에 두고 표면파 플라즈마와 접하고 있으므로, 마이크로파의 전계를 모니터 하는 것에 의해, 플라즈마의 임피던스 변화를 파악할 수 있다. 또한, 전계 센서(140)를 플라즈마의 착화ㆍ실화를 검출하는 수단으로서 이용할 수 있다.

그런데, 상기 특허문헌 2에는, 표면파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 전계 센서를 이용하는 것에 의해, 상기 효과를 얻을 수 있는 것은 기재되어 있다. 그러나, 표면파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 단지 특허문헌 2에 나타내는 바와 같은 전계 센서를 이용한 경우는, 노이즈의 영향이나 외란(진동, 온도 등)을 받기 쉽고, 감도의 편차가 큰 경향이 있는 것이 판명되었다. 또한, 분해ㆍ설치를 행했을 때의 신호의 재현성이 낮은 것, 설치 확인이 곤란한 것 등의 문제도 있는 것이 판명되었다.

그래서, 본 실시형태에서는, 전계 센서(140)의 내부 도체가 되는 프로브(141)를, 스프링을 내장하는 것으로 하여, 그 선단이 마이크로파 투과창(110b)에 항상 일정한 힘으로 접촉하도록 구성한다. 이것에 의해, 마이크로파 투과창(110b)을 전파하는 고주파 신호를 고감도로 안정적으로 검출할 수 있다. 또한, 외측 도체가 되는 프로브 가이드(142)를 예압 스프링(144)에 의해 평면 슬롯 안테나(81)의 이면에 항상 일정한 힘으로 접촉한 상태로 한다. 이것에 의해, 신호의 노이즈를 저감할 수 있다. 또한, 프로브(141) 및 프로브 가이드(142)가, 스프링의 가압력으로, 각각 평면 슬롯 안테나(81) 및 마이크로파 투과창(110b)에 일정한 힘으로 항상 접촉하는 것에 의해, 이하의 (1), (2)의 효과도 얻을 수 있다. (1) 프로브(141) 및 프로브 가이드(142)에 온도 변화에 따르는 열 팽창량의 변화나 장치 진동 등의 외란이 있더라도 접촉을 유지할 수 있으므로, 외란에 대하여 강한 것으로 할 수 있다. (2) 전계 센서의 분해, 설치를 반복하더라도, 재현성을 높일 수 있고, 또한 엄밀한 설치 확인이 불필요하게 된다.

예압 스프링(144)에 의한 프로브 가이드(142)의 예압은, 고정 너트(146)를 상부 플랜지 부재(84)에 조여, 프로브 가이드(142)를 고정할 때에 행하여지므로, 특별히 예압하기 위한 기구를 마련할 필요가 없어 간이하다.

또한, 접지된 상부 플랜지 부재(84)에 접촉하도록 밴드형 콘택트(147)를 마련하고, 밴드형 콘택트(147)에 프로브 가이드(142)를 삽입하여 안정적인 전기적 도통을 확보하도록 한다. 이것에 의해, 접지된 상부 플랜지 부재(84)와 프로브 가이드(142)의 사이를 안정적으로 전기적 도통시킬 수 있고, 밴드형 콘택트(147)를 통해서 프로브 가이드(142)를 확실히 접지 전위로 할 수 있다. 따라서, 보다 안정적인 신호 검출을 실현할 수 있다.

또한, 고정 너트(146)의 측면으로부터 회전 스토퍼(148)를 삽입하는 것에 의해, 프로브 가이드(142)의 연직 방향의 자유로운 이동을 확보하면서, 회전 방향의 움직임을 구속할 수 있다. 이것에 의해, 프로브 가이드(142)에 고정되어 있는 고주파 커넥터(145)에 신호 케이블을 접속할 때에, 신호 케이블이 꼬이는 일이 없고, 딱딱하고 최소 곡률 반경이 큰 신호 케이블의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 프로브 가이드(142)의 회전 방향의 움직임이 구속되어 있는 것에 의해, 프로브(141) 및 프로브 가이드(142)의 선단의 접촉부의 회전 방향의 움직임이 구속되기 때문에, 신호 케이블의 이동, 및 신호 케이블로 전파하여 오는 진동의 영향을 받기 어렵다. 이 때문에, 보다 안정적인 신호 검출이 가능하게 된다. 또한, 회전 스토퍼(148)로서 세트 스크루를 이용했으므로, 프로브 가이드(142)의 회전을 확실히 멈출 수 있다.

<다른 적용>

이상, 실시형태에 대하여 설명했지만, 이번 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 상기의 실시형태는, 첨부된 특허 청구의 범위 및 그 주지를 일탈하는 일 없이, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되더라도 좋다.

예컨대, 상기 실시형태에서는, 표면파 플라즈마 소스로서, 복수의 마이크로파 방사 기구를 갖는 것을 예로 들어 설명했지만, 하나의 마이크로파 방사 기구를 갖는 것이더라도 좋다.

또한, 전계 센서에 이용하는 부재도 상기 실시형태의 것으로 한정되지 않고, 예컨대 회전 스토퍼로서 세트 스크루 대신에 평행 핀 등의 다른 것을 이용하더라도 좋다.

또한, 플라즈마 처리 장치로서 에칭 처리 장치를 예시했지만, 이것에 한하지 않고, 성막 처리, 산질화막 처리, 애싱 처리 등의 다른 플라즈마 처리이더라도 좋다. 또한, 기판은 반도체 웨이퍼 W로 한정되지 않고, LCD(액정 디스플레이)용 기판으로 대표되는 FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판이나, 세라믹스 기판 등의 다른 기판이더라도 좋다.

1 : 챔버
2 : 표면파 플라즈마 소스
41 : 마이크로파 방사 기구
43 : 안테나부
44 : 도파로
81 : 평면 슬롯 안테나
82 : 지파재
100 : 표면파 플라즈마 처리 장치
110b : 마이크로파 투과창
120 : 센서 삽입 구멍
140 : 전계 센서
141 : 프로브(내부 도체)
142 : 프로브 가이드(외부 도체)
143 : 절연 부재
144 : 예압 스프링
145 : 고주파 커넥터
146 : 고정 너트
147 : 밴드형 콘택트
148 : 회전 스토퍼
200 : 제어부
W : 반도체 웨이퍼

Claims

마이크로파 전송로로 전송되어 온 마이크로파를 평면 슬롯 안테나의 슬롯 및 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과창을 통해서 챔버 내에 방사하여 표면파 플라즈마를 형성함에 있어서, 마이크로파의 전계를 검출하는 전계 센서로서,
동축 전송로의 내부 도체가 되고, 내부에 스프링을 내장하고, 선단 부분에 모노폴 안테나를 구성하는 부분을 가짐과 아울러, 내장된 상기 스프링의 가압력에 의해 선단이 상기 마이크로파 투과창의 이면에 항상 접촉하도록 구성된 프로브와,
상기 프로브의 외측에 마련되고, 상기 동축 전송로의 외측 도체가 되고, 선단이 상기 평면 슬롯 안테나의 이면에 접촉하도록 구성된 통 형상을 이루는 프로브 가이드와,
상기 프로브와 상기 프로브 가이드의 사이에 마련된 절연 부재와,
상기 프로브 가이드를 아래쪽으로 예압(豫壓)하고, 상기 프로브 가이드를, 그 선단이 상기 평면 슬롯 안테나에 항상 접촉하도록 가압하는 예압 스프링과,
상기 프로브 및 상기 프로브 가이드에 접속되고, 신호를 추출하는 동축 구조의 신호 케이블을 접속하기 위한 커넥터
를 갖는 전계 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 프로브의 상기 모노폴 안테나를 구성하는 부분의 길이가 1.5~2㎜의 범위인 전계 센서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 프로브의 선단이 필렛 형상인 전계 센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로브 가이드의 선단이 필렛 형상인 전계 센서.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로브 가이드가 삽입되고, 상기 프로브 가이드를 고정부에 고정하는 고정 너트를 더 갖고, 고정 너트를 상기 고정부에 조이는 것에 의해, 상기 예압 스프링이 압축되어 상기 프로브 가이드가 아래쪽으로 예압되는 전계 센서.
제 5 항에 있어서,
상기 고정 너트에 설치되고, 상기 프로브 가이드의 연직 방향의 이동을 확보하면서, 회전 방향의 움직임을 구속하는 회전 스토퍼를 더 갖는 전계 센서.
제 6 항에 있어서,
상기 회전 스토퍼는, 상기 고정 너트의 측면에 형성된 나사 구멍에 결합되고, 선단이 상기 프로브 가이드의 측면에 형성된 오목부에 연직 방향으로 이동 가능하도록 삽입되는 세트 스크루를 갖는 전계 센서.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
도전성 재료로 만들어진 통 형상을 이루는 본체부와, 상기 본체부의 내측에, 상기 본체부와 접촉하도록 마련되고, 도전성 재료로 만들어진 복수의 판 용수철을, 그들의 중앙부가 내측으로 돌출한 상태에서 원주 형상으로 복수 배치하여 이루어지고, 상기 프로브 가이드가 삽입되고, 그때에 상기 프로브 가이드와의 전기적 도통을 확보하는 콘택트 부재를 갖고, 접지 전위에 접속된 밴드형 콘택트를 더 갖는 전계 센서.
챔버 내에 마이크로파를 공급하여 상기 챔버 내에 표면파 플라즈마를 형성하는 표면파 플라즈마 소스로서,
마이크로파를 출력하는 마이크로파 출력부와,
상기 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파를 전송하는 마이크로파 전송로에 마련되고, 마이크로파를 챔버 내에 방사하는 적어도 1개의 마이크로파 방사 기구와,
상기 마이크로파 방사 기구로부터 방사되는 마이크로파의 전계를 검출하는 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 전계 센서
를 갖고,
상기 마이크로파 방사 기구는,
상기 마이크로파 전송로로 전송되어 온 마이크로파를, 슬롯을 통해서 상기 챔버 내에 방사하는 평면 슬롯 안테나와,
상기 평면 슬롯 안테나의 마이크로파 전송 방향 상류 측에 마련된 유전체로 이루어지는 지파재와,
상기 평면 슬롯 안테나의 마이크로파 전송 방향 하류 측에 마련된 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과창과,
상기 지파재 및 상기 평면 슬롯 안테나를 관통하도록 마련되고, 상기 전계 센서가 삽입되는 적어도 1개의 센서 삽입 구멍
을 갖는
표면파 플라즈마 소스.
제 9 항에 있어서,
상기 센서 삽입 구멍을 복수 갖고, 상기 복수의 센서 삽입 구멍은, 상기 평면 슬롯 안테나의 상기 슬롯의 내측에 대응하는 영역에, 상기 마이크로파 전송로의 축을 중심으로 한 동일 원주 형상으로 상기 슬롯의 n배(단, n은 1 이상의 정수)의 개수로 균등하게 형성되어 있고, 상기 전계 센서는, 상기 복수의 센서 삽입 구멍 중 적어도 하나에 삽입되어 있는 표면파 플라즈마 소스.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 마이크로파 방사 기구를 복수 갖고, 상기 복수의 마이크로파 방사 기구로부터 상기 챔버 내에 방사된 마이크로파가 상기 챔버 내의 공간에서 합성되어, 표면파 플라즈마가 형성되는 표면파 플라즈마 소스.
기판에 대하여 표면파 플라즈마에 의해 처리를 실시하는 표면파 플라즈마 처리 장치로서,
기판을 수용하는 챔버와,
상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
상기 챔버 내에 마이크로파를 공급하여 표면파 플라즈마를 형성하는 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 기재된 표면파 플라즈마 소스
를 갖는 표면파 플라즈마 처리 장치.