CN113140910B - 阵列天线和等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够抑制天线之间的电磁耦合的阵列天线和等离子体处理装置。阵列天线对等离子体处理装置的腔室内辐射电磁波，包括：多个天线；和隔开间隔地配置于多个上述天线之间的多个防耦合元件，多个上述防耦合元件分别包括：在上述腔室内连接于构成接地面的顶壁的第1部件；和连接于上述第1部件的前端或者其附近的第2部件。

Description

阵列天线和等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及阵列天线和等离子体处理装置。

背景技术

已知有利用电磁波的功率将气体等离子体化，对晶片进行等离子体处理的等离子体处理装置。例如，专利文献1中提案了使用相控阵(Phased Array)的微波天线修正在腔室内的半导体基片上的反应速度的方法，该方法在腔室内激发等离子体，从相控阵的微波天线辐射微波辐射束，将束导向等离子体以使腔室内的半导体基片的表面上的反应速度变化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-103454号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明提供能够抑制天线间的电磁耦合的技术。

用于解决技术问题的技术方案

依照本发明的一个方式，提供一种对等离子体处理装置的腔室内辐射电磁波的阵列天线，其包括：多个天线；和隔开间隔地配置于多个上述天线之间的多个防耦合元件，多个上述防耦合元件分别包括：在上述腔室内连接于构成接地面的顶壁的第1部件；和连接于上述第1部件的前端或者其附近的第2部件。

发明效果

依照一个方面，能够抑制天线间的电磁耦合。

附图说明

图1是表示实施方式的等离子体处理装置的一个例子的截面示意图。

图2是表示实施方式的单极天线的一个例子的图。

图3是表示实施方式的电功率相位控制的一个例子的图。

图4是用于说明现有的天线间的电磁耦合的图。

图5是表示实施方式的基于防耦合元件进行的天线间的电磁耦合抑制的图。

图6是表示实施方式的防耦合元件的结构的一个例子的图。

图7是表示实施例的防耦合元件的配置的一个例子的图。

图8是表示实施例的防耦合元件的配置的一个例子的图。

附图标记说明

1 腔室

2 阵列天线

2a～2g 单极天线

3 载置台

5 电介质窗

6 微波输出部

7 电功率相位控制部

8 控制部

9 顶壁

10 等离子体处理装置

11 天线部

12 侧壁

30 防耦合元件

31 第1部件

32 第2部件。

具体实施方式

下面，参照附图，对用于实施本发明的方式进行说明。在各附图中，对相同的结构部分标注相同的附图标记，有时省略重复的说明。

[等离子体处理装置]

使用图1，对一个实施方式的等离子体处理装置10进行说明。图1是表示一个实施方式的等离子体处理装置10的一个例子的截面示意图。关于等离子体处理装置10，能够将微波等离子体处理装置作为一个例子进行说明。

一个实施方式的等离子体处理装置10具有收纳晶片等基片W的腔室1。腔室1的内部具有：处理室1s，其利用由微波的功率形成的表面波等离子体将气体等离子体化，对基片W进行成膜处理、蚀刻处理等规定的等离子体处理；和由电介质窗5与处理室1s分隔开的封闭空间1r。

腔室1为大致圆筒状，并且接地。腔室1由顶壁9封闭上部开口，由此，能够将内部保持为气密的。腔室1由铝或者不锈钢等的金属材料形成，并且接地。依照这样的结构，腔室1的顶壁9和侧壁12与地连接。

载置基片W的载置台3支承于从腔室1内的底部中央延伸的筒状的支承部件4。在载置台3也可以设置用于静电吸附基片W的静电吸盘、温度控制机构、对基片W的面供给热传导用的气体的气体流路等。此外，载置台3也可以经由匹配器与高频偏置电源电连接。但是，根据等离子体处理的特性的不同，也可以不设置高频偏置电源。

在腔室1的底部连接有排气管(省略图示)，在排气管连接有包含真空泵的排气装置(省略图示)。当使排气装置工作时腔室1内被排气，由此，处理室1s内被减压至规定的真空度。在腔室1的侧壁设置有用于进行基片W的送入和送出的送入送出口(省略图示)，以及开闭送入送出口的闸阀(gate valve)(省略图示)。

在腔室1，形成多个气体管11a，从气体供給部21供给来的气体通过多个气体管11a被供给到处理室1s。

在顶壁9设置有阵列天线2，该阵列天线2由对腔室1内辐射微波的7个单极天线2a～2g(图1中仅图示了单极天线2a～2c)构成(参照图3)。阵列天线2从多个单极天线向腔室1内照射电磁波。此外，单极天线的数量并不限于7个，也可以为2个以上，优选为3个以上。单极天线相当于阵列天线2所具有的多个天线。

单极天线2a～2g具有相同的结构。在图2中，作为代表表示了单极天线2a的结构，省略其它单极天线2b～2g的结构的图示和说明。单极天线2a呈同轴电缆状，包括内部导体121、其外侧的外部导体122和设置于它们之间的特氟龙(Teflon，注册商标)等的电介质123。此外，也可以代替电介质123而设置空气层。单极天线2a的前端构成由突出了长度D的内部导体121形成的天线部11。天线部11的长度D例如为数10mm～数100mm。

使天线部11在与顶壁9的下表面9a相同高度的面，从电介质123的端部露出到腔室1的内部空间，由此能够从辐射部125将微波辐射到腔室1内。但是，内部导体121也可以是不从电介质123突出的结构。顶壁9的下表面9a成为电接地面。

依照这样的结构，如图1所示，将微波从微波输出部6输出，按照控制部8的控制由电功率相位控制部7控制电功率和/或相位，辐射到腔室1内。

单极天线2a～2g大致等间隔地设置于顶壁9。相邻的单极天线2a～2g的中心间的距离以相对于微波的波长λ比λ/2小的方式配置。电介质窗5在多个天线部11与载置台3之间分隔腔室1，成为分隔出电介质窗5的上方的空间V和下方的空间U的分隔板。电介质窗5例如由石英、氧化铝(Al₂O₃)等的陶瓷、聚四氟乙烯等的氟类树脂或聚酰亚胺类树脂形成。电介质窗5的上方的空间V是配置单极天线2a～2g和多个防耦合元件30的封闭空间1r，是辐射微波的电磁波的空间。电介质窗5的下方的空间U是处理室1s，是用微波的电磁波将气体等离子体化，用等离子体对基片W进行所希望的处理的空间。

在封闭空间1r中，存在数10mm～数100mm程度的自由空间，隔着设置于其下部的电介质窗5在处理室1s中生成等离子体。多个天线部11的前端与电介质窗5的上表面的距离，相对于微波的波长λ比λ/4大。从单极天线2a～2g输出的微波被辐射到封闭空间1r，在封闭空间1r中传播。封闭空间1r为大气空间，处理室1s为真空空间。

等离子体处理装置10具有控制部8。控制部8是具有处理器、存储器等存储部、输入部、显示部、信号的输入输出接口部等的计算机，控制等离子体处理装置10的各部。在存储部中保存有控制程序和方案数据。计算机(CPU)执行控制程序，按照方案数据控制等离子体处理装置10的各部。此外，计算机控制按阵列天线2的每个天线部11设置的电功率相位控制部7，控制从天线部11辐射的微波的电功率和/或相位。

在这样的结构的等离子体处理装置10中进行等离子体处理时，首先，基片W在被保持于输送臂上的状态下，从开口的闸阀通过送入送出口被送入到腔室1内。

当基片W被输送到载置台3的上方后，从输送臂被移至升降销(pusher pin)，通过升降销下降而被载置到载置台3。在送入基片W后将闸阀关闭。处理室1s的压力由排气装置保持为规定的真空度。将规定气体导入电介质窗5的下方的处理室1s中。由于控制了电功率和/或相位的微波，在电介质窗5的规定位置电场增强，处理室1s内的气体被等离子体化生成局部等离子体。通过扫描局部等离子体能够控制等离子体密度的时间积分值的空间分布，对基片W实施均匀或者所希望的等离子体处理。

一个实施方式的等离子体处理装置10通过控制部8的控制，使用电功率相位控制部7控制从单极天线2a～2g的每一者辐射的微波的电功率和相位。由此，从单极天线2a～2g的每一者投入的微波发生干涉，能够在任意部位提高电场强度。由此，通过集中地生成等离子体，能够实现高程度的等离子体密度分布的控制。

基于以上所说明的相位控制进行的微波的合成，因为没有伴随机械性动作，所以能够实现高速控制。由此，能够高速地控制多个单极天线2a～2g的电功率相位控制。即，通过最大与微波的频率相同程度的高速控制，能够使微波的合成的焦点位置C根据时间而移动。其结果是，能够均匀或者自由地控制等离子体密度分布。

图3是表示一个实施方式的由控制部8进行的电功率相位控制的一个例子的图。在图3的例子中，控制部8利用电功率相位控制部7进行控制，以使从单极天线2a～2g辐射的微波的相位在焦点位置C相互增强。此外，控制从单极天线2a～2g分别辐射的微波的电功率，来控制以焦点位置C为中心的合成部分Ar处的微波的电场强度。

控制部8利用电功率相位控制部7高速地控制微波的相位 以使焦点位置C在径向L1或者周向L2等扫描电介质窗5的表面的方式。此外，在扫描中，控制部8利用电功率相位控制部7控制微波的电功率。这样一来，能够一边使焦点位置C和合成部分Ar高速地移动一边控制微波的电功率，由此能够自由地控制利用透射到电介质窗5的下方的微波的功率生成的等离子体P的密度分布。

另外，控制部8通过利用电功率相位控制部7使控制微波的相位 的速度变化，能够改变合成部分Ar的移动速度。例如，控制部8通过控制微波的相位使得在电介质窗5的外周侧合成部分Ar缓慢移动，在内周侧使合成部分Ar与外周侧相比较快地移动，由此使扫描速度变化。此外，在扫描中，控制微波的电功率。由此，能够将处理室1s内的外周的等离子体密度控制得比内周的等离子体密度高等，自由地控制等离子体密度分布。

[防耦合元件]

如图1所示，在相邻的单极天线之间各配置2个防耦合元件30。防耦合元件30能够抑制单极天线间的电磁耦合。在下文中，参照图4，说明现有的、没有配置防耦合元件30的情况下的单极天线间的电磁耦合。之后，参照图5，对实施方式的防耦合元件30的电磁耦合抑制功能进行说明。图4是用于说明现有的天线间的电磁耦合的图。图5是用于说明实施方式的由防耦合元件30进行的天线间的电磁耦合抑制的图。为了方便说明，以单极天线2a、2b为例进行说明，但在实施方式中在相邻的单极天线之间分别各配置有2个防耦合元件30。

在现有技术中，由于单极天线2a、2b之间的电磁耦合、单极天线2a、2b与主要是侧壁12之间的电磁耦合，在单极天线2a、2b的下部产生微波的电磁波变弱的现象。

如图4的(a)和(b)所示，微波的电磁波从单极天线2a、2b被供给到腔室1内的电介质窗5的上方的封闭空间1r。在模拟中，不从单极天线2a供给微波，而仅从单极天线2b输出微波。即，在本模拟中，如图4的(b)所示，微波的功率仅从单极天线2b辐射到封闭空间1r，而不从单极天线2a辐射。

在本模拟中，由于单极天线2b与单极天线2a之间的电磁耦合，发生了从单极天线2b投入的微波的功率中的36％与单极天线2a耦合的现象。即，向单极天线2b投入的微波的功率中的大约1/3对等离子体的生成没有贡献，发生了功率损失。

因此，在以下说明的实施方式中，将以电路常数的方式作为超材料发挥作用的防耦合元件30在单极天线2b与单极天线2a之间最少配置2个。

如图5的(a)和(b)所示，在实施方式的阵列天线2的一个例子中，在单极天线2b与单极天线2a之间配置有2个防耦合元件30。2个防耦合元件30隔开间隔地配置在多个单极天线之间。2个防耦合元件30为蘑菇(mushroom)型，是具有柄部和伞部的相同结构。

防耦合元件30的柄部是在腔室1内连接于下表面9a构成接地面的顶壁9的第1部件31。伞部是连接于第1部件31的前端或者前端附近的第2部件32。第1部件31和第2部件32可以由相同材质的金属(导体)构成，也可以由不同的材质的金属构成。

另外，防耦合元件的个数并不限于2个，也可以为，2个以上的防耦合元件配置于连结单极天线之间的线上。防耦合元件30的作为超材料的最大性能，在配置于天线之间的防耦合元件30的数量越多时变得越高，但防耦合元件30间的调节变难。

在实施方式中，第1部件31为棒状，第2的部件32为四边形的板状，第1部件31的前端嵌入于第2部件32的中心。但是，形状并不限定于此，例如，也可以为，第1部件31和第2部件32均为棒状，以成为T字的方式将第1部件31的前端嵌入于第2部件32的中心。

在本模拟中，如图5的(b)所示，微波的功率仅从单极天线2b辐射到封闭空间1r，而不从单极天线2a辐射。在图5的(b)的例子中，由于防耦合元件30的作为超材料的功能，抑制了单极天线2b与单极天线2a之间的电磁耦合。其结果是，从单极天线2b投入的微波的功率中的与单极天线2a的耦合仅为0.6％。即，能够降低天线间的电磁耦合，向单极天线2b投入的微波的功率的大部分能够用于等离子体的生成，几乎不发生功率的损失。

[防耦合元件的超材料功能]

下面，参照图6，对防耦合元件30的动作和超材料的功能更详细地进行说明。图6的(a)是表示实施方式的连接于顶壁9的下表面9a的防耦合元件30的结构和配置的一个例子的图。图6的(b)是图6的(a)的等效电路。

图6的(b)所示的等效电路具有串联连接在发送侧(单极天线2b)的信号线与地之间的第1部件31的电感成分L₁和电容成分C₁。此外，具有在信号线上与这些成分并联连接的第2部件32的电感成分L₂和2个防耦合元件30之间的电容成分C₂。

电容成分C₁和电感成分L₁由第1部件31的尺寸决定。电容成分C₂和电感成分L₂由第2部件32的尺寸和相对的2个第2部件32的配置(间隔)决定。通过适当地设定这些值，产生从单极天线2b投入的微波的电磁波的共振。由此，能够切断(cut)从单极天线2b去往单极天线2a的特定的电磁波，抑制天线间的电磁耦合。由此，能够使2个防耦合元件30作为超材料发挥功能。此外，第2部件32的表面积相当于电容器的电极面积。

由2个第2部件32的配置(间隔)决定的电容成分C₂和由第1部件31的长度决定的电感成分L₁是为了产生微波的电磁波的共振而必需的成分。即，通过用防耦合元件30的个数和配置来产生电容成分C₂和电感成分L₁，由此能够使防耦合元件30作为超材料发挥功能。由此，防耦合元件30在相邻的单极天线之间至少配置2个，构成超材料，从而具有电容成分C₂。

并且，使用电容成分C₂和电感成分L₁使微波的电磁波以与防耦合元件30的尺寸相应的特定的频率共振。其结果是，从单极天线2b投入的微波的电磁波在具有超材料的功能的2个防耦合元件30几乎被全反射。所反射的微波的电磁波通过阻抗调节而不返回到微波输出部6侧，而是从天线部11辐射到封闭空间1r，对等离子体的生成做出贡献。

第1部件31相对于顶壁9的下表面9a设置在大致垂直的方向上。第2部件32相对于下表面9a设置在大致水平的方向上。但是，第1部件31也可以相对于下表面9a从垂直方向倾斜预先决定的角度。由此，能够对电容成分C₁进行微调，能够实现共振频率的微调。

这样的结构的各防耦合元件30是可拆装的。作为一个例子，第1部件31的根端31a被压入到形成于顶壁9的孔中。第1部件31的根端31a也可以被插入到形成于下表面9a的孔中，被螺纹固定。也可以在顶壁9设置贯通孔，将第1部件31从上方贯通，固定在顶壁9的上表面。第1部件31的前端也可以被压入形成于第2部件32的孔中，也可以被螺纹固定在形成于第2部件32中的孔中。

由此，能够将各防耦合元件30以可更换的方式配置。此外，通过将第1部件31以可伸缩的方式形成，能够对第1部件31的长度进行微调，由此能够对电感成分L₁进行微调，能够实现共振频率的微调。

此外，在图6的(a)的例子中，2个防耦合元件30具有对称性，但2个防耦合元件30也可以不必具有对称性。

[实施例]

下面，参照图7，对实施例的防耦合元件30的配置的一个例子进行说明。图7和图8是表示实施例的防耦合元件30的配置的一个例子的图。图7是俯视等离子体处理装置10，从上方观察单极天线和防耦合元件30的图。为了方便说明，图7表示了配置有4个单极天线2a～2d的例子。

在图7的例子中，防耦合元件30的第2部件32为六边形，多个防耦合元件30以使六边形的相邻的边彼此相对的方式配置。但是，第2部件32的形状并不限定于此，只要是边数为3以上的多边形即可，此外，优选以使多边形的相邻的边彼此相对的方式配置。通过由边数为3以上的多边形形成第2部件32，能够二维地配置防耦合元件30。

在4个单极天线2a～2d中的相邻的单极天线之间分别配置有2个以上的防耦合元件30。例如，在连结相邻的单极天线的线Pa、Pb、Pc、Pd、Pe上各配置有2个防耦合元件30。由此，能够切断从相邻的单极天线2a～2d的一者去往另一者的特定频率的电磁波，抑制使电磁波传播到相邻的单极天线2a～2d。由此，能够使在相邻的单极天线2a～2d之间各配置了2个的防耦合元件30作为超材料发挥功能。

而且，利用配置于连结单极天线2b、2d的线Pf上的2个防耦合元件30，也能够切断从单极天线2b、2d的一者去往另一者的特定频率的电磁波，能够使2个防耦合元件30以电路常数的方式作为超材料发挥功能。如上所述，通过将六边形的防耦合元件30二维地配置，能够抑制向上下、左右和倾斜方向传播的电磁波。

而且，如图7和图8所示，在单极天线2a～2d与侧壁12之间配置有1个以上的防耦合元件30(在图8中为1个)。由此，利用配置于单极天线2a～2d与侧壁12之间的1个以上的防耦合元件30，能够抑制单极天线2a～2d与侧壁12的电磁耦合。

在该结构中，为了抑制单极天线2a～2d与侧壁12的电磁耦合，将防耦合元件30最少配置1个即可。参照图8，对其理由进行说明。为了方便说明，图8表示了单极天线2d、侧壁12和配置于它们之间的1个防耦合元件30。

成为接地面的侧壁12的内表面在电磁波方面与反射镜是同样的，电磁波在侧壁12发生反射。即，对于电磁波而言，图8的(a)所示的结构与图8的(b)所示的结构是相同的，电磁波在侧壁12几乎全反射。由此，在单极天线2d与侧壁12之间最少配置1个防耦合元件30即可，能够生产与防耦合原件30和侧壁12之间的距离相应的电容成分C₂。由此，通过在单极天线与侧壁12之间仅配置1个防耦合元件30，就能够获得用于作为超材料发挥功能的电容成分C₂和电感成分L₁。其结果是，能够抑制单极天线2a～2d与侧壁12的电磁耦合。

此外，单极天线能够配置于顶壁9和/或侧壁12。由此，防耦合元件30能够配置于顶壁9和/或侧壁12。例如，也可以在配置于侧壁12的单极天线与顶壁9之间配置1个以上的防耦合元件30。

如以上所说明的那样，依照实施方式的阵列天线，能够抑制天线间的电磁耦合以及天线与壁面之间的电磁耦合，能够将微波的功率更高效且无损失地用于等离子体的生成。

本次公开的实施方式的阵列天线和等离子体处理装置，在所有方面均是例示而不应该认为是限定性的。上述的实施方式在不脱离所附的权利要求保护的范围及其主旨的情况下，能够以各种各样的形式进行变形和改良。上述多个实施方式中记载的事项，在不矛盾的范围内也能够采用其它结构，此外，在不矛盾的范围内也能够组合。

Claims (6)

1.一种对等离子体处理装置的腔室内辐射电磁波的阵列天线，其特征在于，包括：

多个天线；和

隔开间隔地配置于多个所述天线之间的多个防耦合元件，

多个所述防耦合元件分别包括：

在所述腔室内连接于构成接地面的顶壁的第1部件；和

连接于所述第1部件的前端或者其附近的第2部件，

多个所述天线和多个所述防耦合元件配置于比对所述腔室内进行分隔的电介质窗靠上部的微波合成空间中。

2.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：

多个所述防耦合元件配置于连结所述天线之间的线上。

3.如权利要求1或2所述的阵列天线，其特征在于：

在相邻的所述天线之间分别配置有多个所述防耦合元件。

4.如权利要求1或2所述的阵列天线，其特征在于：

在所述腔室内在相邻于构成接地面的侧壁的所述天线与所述侧壁之间，分别配置有1个以上的所述防耦合元件。

5.如权利要求1或2所述的阵列天线，其特征在于：

所述第2部件为边数为3以上的多边形，以使所述多边形的相邻的边彼此相对的方式配置。

6.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

腔室；

对所述腔室内辐射电磁波的阵列天线；

多个天线；和

隔开间隔地配置于多个所述天线之间的多个防耦合元件，

多个所述防耦合元件分别包括：

在所述腔室内连接于构成接地面的顶壁的第1部件；和

连接于所述第1部件的前端或者其附近的第2部件，

多个所述天线和多个所述防耦合元件配置于比对所述腔室内进行分隔的电介质窗靠上部的微波合成空间中。