JP2009230915A - 電力合成器およびマイクロ波導入機構 - Google Patents

Abstract

【課題】電力損失にともなう発熱の問題を生じさせずに、かつ簡易に電力合成することができる電力合成器を提供すること。
【解決手段】電力合成器１００は、筒状をなす本体容器１と、本体容器１の側面に設けられた電力を電磁波として導入する複数の電力導入ポート２と、複数の電力導入ポート２にそれぞれ設けられた複数の給電アンテナ６と、複数の給電アンテナ６から本体容器１内に放射された電磁波を空間合成する合成部１０と、合成部１０で合成された電磁波を出力する出力ポート１１とを具備し、給電アンテナ６は、電力導入ポート２から電磁波が供給される第１の極２１および供給された電磁波を放射する第２の極２２を有するアンテナ本体２３と、アンテナ本体２３から側方へ突出するように設けられた、電磁波を反射させる反射部２４とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力合成器およびそれを用いたマイクロ波導入機構に関する。

半導体デバイスや液晶表示装置の製造工程においては、半導体ウエハやガラス基板といった被処理基板にエッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理を施すために、プラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ成膜装置等のプラズマ処理装置が用いられる。

近時、このようなプラズマ処理装置として、高密度かつ低電子温度のプラズマによりダメージの少ないプラズマ処理を行うことができるマイクロ波プラズマを用いるものが注目されている。

マイクロ波プラズマ処理装置としては、マイクロ波発生装置で発生されたマイクロ波を導波管／同軸管を通してチャンバ内に配置された、スロットを有するアンテナに供給し、アンテナのスロットからマイクロ波をチャンバ内の処理空間に放射させ、処理ガスをプラズマ化するものが知られている。

ところで、このようなマイクロ波プラズマ装置においては、比較的大きな電力が必要であることから、一つの電源で給電しようとすると、マイクロ波電源が大きくなる、電力供給部に大電流が流れる等の不都合が生じるおそれがある。

このようなことを回避するためには、供給する電力を合成して、結果として得られる電力を大きくする電力合成技術を用いることが考えられる。このような電力合成技術としては、従来、「ウィルキンソン（Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ）合成器」を用いたものが知られている。

しかしながら、この技術は、合成器の内部に反射吸収抵抗を含み、また、「直接供給」（電力を電力として伝送）であるので、電力損失を起こしやすく、発熱しやすいので、実効伝送電力が減少するという問題がある。特に、給電形状が小さい場合、各部の寸法が小さい場合には、各部の寸法が小さくなるため、抵抗が上がり、そのような傾向が大きくなる。また、簡易に電力合成することも求められる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、電力損失にともなう発熱の問題を生じさせずに、かつ簡易に電力合成することができる電力合成器を提供することを目的とする。また、そのような電力合成器を用いたマイクロ波導入機構を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、筒状をなす本体容器と、前記本体容器の側面に設けられた電力を電磁波として導入する複数の電力導入ポートと、前記複数の電力導入ポートにそれぞれ設けられ、供給された電磁波を前記本体容器内に放射する複数の給電アンテナと、前記複数の給電アンテナから前記本体容器内に放射された電磁波を空間合成する合成部と、前記合成部で合成された電磁波を出力する出力ポートとを具備し、前記給電アンテナは、前記電力導入ポートから電磁波が供給される第１の極および供給された電磁波を放射する第２の極を有するアンテナ本体と、前記アンテナ本体から側方へ突出するように設けられた、電磁波を反射させる反射部とを有し、前記アンテナ本体に入射された電磁波と前記反射部で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成され、前記各給電アンテナから放射された定在波である電磁波が前記合成部で合成されることを特徴とする電力合成器を提供する。

本発明の第２の観点では、チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源に用いるマイクロ波導入機構であって、筒状をなす本体容器と、前記本体容器の側面に設けられたマイクロ波電力を電磁波であるマイクロ波として導入する複数のマイクロ波電力導入ポートと、前記複数のマイクロ波電力導入ポートにそれぞれ設けられ、供給されたマイクロ波を前記本体容器内に放射する複数の給電アンテナと、前記複数の給電アンテナから前記本体容器内に放射されたマイクロ波を空間合成する合成部と、前記合成部で合成されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナを有するアンテナ部とを具備し、前記給電アンテナは、前記マイクロ波電力導入ポートからマイクロ波が供給される第１の極およびマイクロ波を放射する第２の極を有するアンテナ本体と、前記アンテナ本体の側方へ突出するように設けられた、マイクロ波を反射させる反射部とを有し、前記アンテナ本体に入射されたマイクロ波と前記反射部で反射されたマイクロ波とで定在波を形成し、前記各給電アンテナから放射された定在波であるマイクロ波が前記合成部で合成されることを特徴とするマイクロ波導入機構を提供する。

上記第１、第２の観点において、前記本体容器内に本体容器と同軸状に設けられた筒状または柱状をなす内導体をさらに具備し、前記アンテナ本体の第２の極は前記内導体に接触していることが好ましい。また、前記反射部は、前記アンテナ本体の両側へ突出するように設けられていることが好ましい。さらに、前記反射部は、前記アンテナ本体の第１の極から１／４波長の位置またはその位置を基準として−１０％〜＋１００％の範囲内の位置に設けられていることが好ましい。さらにまた、前記反射部の長さが１／２波長またはその長さを基準として−１０％〜＋５０％の範囲内の長さであることが好ましい。さらにまた、前記反射部は円弧状をなしていることが好ましい。さらにまた、前記給電アンテナは、プリント基板上に形成され、マイクロストリップラインを構成するようにすることができる。さらにまた、前記給電アンテナを挟むように設けられた誘電体部材をさらに具備していることが好ましく、この場合に、前記誘電体部材は、その厚さが１／２波長の実効長さまたはその長さを基準として−２０％〜＋２０％の実効長さを有していることが好ましい。

上記第２の観点において、前記本体容器の前記合成部と前記マイクロ波放射アンテナとの間に設けられ、マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナをさらに具備することができる。また、前記マイクロ波放射アンテナとしては、平面状をなし、複数のスロットが形成されているものを用いることができる。この場合に、前記スロットは扇形を有することが好ましい。さらに、前記アンテナ部は、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過する誘電体からなる天板と、前記アンテナの天板とは反対側に設けられ、前記アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする誘電体からなる遅波材とを有することが好ましい。この場合に、前記遅波材の厚さを調整することにより、マイクロ波の位相を調整することができる。

前記チューナと前記マイクロ波放射アンテナとは共振器として機能することが好ましい。さらに、前記チューナは、誘電体からなる２つのスラグを有するスラグチューナとすることができる。

本発明によれば、筒状をなす本体容器の側面に複数のチャンバ内に電力導入ポートを設け、これら複数の電力導入ポートに、前記給電ポートから電磁波が供給される第１の極および供給された電磁波を放射する第２の極を有するアンテナ本体と、前記アンテナ本体の側方へ突出するように設けられた、電磁波を反射させる反射部とを有し、前記アンテナ本体に入射された電磁波と前記反射部で反射された電磁波とで定在波を形成するように設けられた給電アンテナを設け、これら電磁波を合成部で空間合成して出力ポートより出力するようにしたので、電力合成する際に電力の交差点が存在せず、電力損失にともなう発熱の問題を生じさせることなく電力合成することができ、電力供給のマージンを増加させることができる。また、電力導入ポートに所定の構造の給電アンテナを設けるだけであるので、極めて簡易に電力合成を行うことができる。

また、このような電力合成器を適用したマイクロ波導入機構は、電力損失にともなう発熱の問題を生じることなくマイクロ波を合成して十分な出力を得ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電力合成器を示す垂直断面図、図２はその電力導入ポートでの水平断面図である。この電力合成器１００は、筒状をなし、側面に電力を電磁波として導入する２つの電力導入ポート２を有する本体容器１を備えている。本体容器１の内部には筒状の内導体３が本体容器１と同軸状に設けられており、同軸線路を構成している。なお、内導体３は柱状をなしていてもよい。

２つの電力導入ポート２には、それぞれ同軸線路４が存在している。そして、同軸線路４の内導体５の先端には、本体容器１の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ６が接続されている。この給電アンテナ６はプリント基板であるＰＣＢ基板７上にマイクロストリップラインとして形成されている。給電アンテナ６は、その上下を遅波材として機能する石英等の誘電体からなる誘電体部材８および９によって挟まれている。この誘電体部材８および９は、給電アンテナ６の寸法を調整するために、トータル１／２波長の実効長さを有していることが好ましい。また、１／２波長の実効長さを基準として−２０％〜＋２０％の範囲内の実効長さとすることができる。すなわち、３／１０波長〜７／１０波長の範囲内の実効長さとすることができる

本体容器１の内部空間の電力導入ポート２近傍部分は、２つの電力導入ポート２から導入された電磁波を空間合成する合成部１０として機能する。そして、合成部１０で空間合成された電磁波が本体容器１内を上方に伝播する。本体容器１の上端部は、合成された電磁波が出力される出力ポート１１となっている。

給電アンテナ６は、図２に示すように、給電ポート２において同軸線路４の内導体に接続され、電磁波が供給される第１の極２１および供給された電磁波を放射する第２の極２２を有するアンテナ本体２３と、アンテナ本体２３の両側へ突出するように設けられた、電磁波を反射させる反射部２４とを有し、アンテナ本体２３に入射された電磁波と反射部２４で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成されている。そして、各給電アンテナ６から放射された定在波である電磁波が上述したように合成部１０で合成されるようになっている。

このように構成される電力合成器１００においては、同軸線路４から伝播してきた電磁波が、電力導入ポート２において給電アンテナ６の第１の極２１に到達すると、アンテナ本体２３に沿って電磁波が伝播して行き、アンテナ本体２３の先端の第２の極２２から電磁波を放射する。また、アンテナ本体２３を伝播する電磁波が反射部２４で反射し、それが入射波と合成される。このとき、反射波の位相を調整することにより、定在波を発生させる。具体的には、図３に示すように、給電アンテナ６の第１の極２１から１／４波長離れた位置に反射部２４を配置することにより、最大の定在波を発生させることができる。また、反射部２４の配置位置は、第１の極２１から１／４波長の位置を基準として、−１０％〜＋１００％の範囲内の位置とすることができる。すなわち、第１の極２１から９／４０波長〜１／２波長の範囲内の位置とすることができる。

給電アンテナ６の配置位置で定在波が発生すると、図４に示すように、内導体３の外壁に沿って誘導磁界Ｈが生じ、それに誘導されて、図５に示すように、給電アンテナ６から９０°傾いた位置に誘導電界Ｅが発生する。これらの連鎖作用により、電磁波が合成されて本体容器１内を伝播し、出力ポート１１から出力される。なお、図５には反射部２４および内導体３で反射された反射電界Ｒも示している。

この場合に、反射部２４の長さＬ（図３参照）は１／２波長であることが好ましい。これにより反射部２４においても共振を生じ、定在波を発生させることができる。また、反射部２４の長さＬは、１／２波長を基準として−１０％〜＋５０％の範囲内の長さ、すなわち、９／２０波長〜３／４波長の範囲内の長さとすることができる。アンテナ本体２３の第２の極２２は内導体３に接触させることが好ましい。これにより、広範囲に電磁波を共振させることができる。反射部２４の形状は内導体３に沿った円弧状を有している。このように円弧状とすることにより、ＴＥＭ波を発生させやすいという効果がある。

このように電磁波として２つの電力導入ポート２から本体容器１内に導入された電力は、給電アンテナ６を介して空間合成されるため、電力合成する際に電力の交差点が発生せず、発熱の問題を生じさせることなく電力合成することができる。そして、このように電力合成することにより、一つの経路から電力供給する場合よりも電力供給のマージンを増加させることができる。また、電力導入ポート２に給電アンテナを設けるだけでよいので、極めて簡易に電力合成を行うことができる。

なお、給電アンテナ６の反射部２４は上記のような円弧状に限らず、ストレート形状等他の形状であってもよい。

次に、このような電力合成器をプラズマ処理装置のマイクロ波導入機構に適用した例について説明する。
図６は本発明に係る電力合成器を適用したマイクロ波導入機構が搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図７は図６に示されたマイクロ波プラズマ源の構成を示すブロックである。

プラズマ処理装置２００は、ウエハに対してプラズマ処理として例えばエッチング処理を施すプラズマエッチング装置として構成されており、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１０１と、チャンバ１０１内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源１０２とを有している。チャンバ１０１の上部には開口部１０１ａが形成されており、マイクロ波プラズマ源１０２はこの開口部１０１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。

チャンバ１０１内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ１１１が、チャンバ１０１の底部中央に絶縁部材１１２ａ介して立設された筒状の支持部材１１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１１および支持部材１１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等が例示される。

また、図示はしていないが、サセプタ１１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、サセプタ１１１には、整合器１１３を介して高周波バイアス電源１１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１１４からサセプタ１１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にイオンが引き込まれる。

チャンバ１０１の底部には排気管１１５が接続されており、この排気管１１５には真空ポンプを含む排気装置１１６が接続されている。そしてこの排気装置１１６を作動させることによりチャンバ１０１内が排気され、チャンバ１０１内が所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。また、チャンバ１０１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１１７と、この搬入出口１１７を開閉するゲートバルブ１１８とが設けられている。

チャンバ１０１内のサセプタ１１１の上方位置には、プラズマエッチングのための処理ガスをウエハＷに向けて吐出するシャワープレート１２０が水平に設けられている。このシャワープレート１２０は、格子状に形成されたガス流路１２１と、このガス流路１２１に形成された多数のガス吐出孔１２２とを有しており、格子状のガス流路１２１の間は空間部１２３となっている。このシャワープレート１２０のガス流路１２１にはチャンバ１０１の外側に延びる配管１２４が接続されており、この配管１２４には処理ガス供給源１２５が接続されている。

一方、チャンバ１のシャワープレート１２０の上方位置には、リング状のプラズマガス導入部材１２６がチャンバ壁に沿って設けられており、このプラズマガス導入部材１２６には内周に多数のガス吐出孔が設けられている。このプラズマガス導入部材１２６には、プラズマガスを供給するプラズマガス供給源１２７が配管１２８を介して接続されている。プラズマ生成ガスとしてはＡｒガスなどが好適に用いられる。

プラズマガス導入部材１２６からチャンバ１０１内に導入されたプラズマガスは、マイクロ波プラズマ源１０２からチャンバ１内に導入されたマイクロ波によりプラズマ化され、このＡｒプラズマがシャワープレート１２０の空間部１２３を通過しシャワープレート１２０のガス吐出孔１２２から吐出された処理ガスを励起し、処理ガスのプラズマを形成する。

マイクロ波プラズマ源１０２は、チャンバ１０１の上部に設けられた支持リング１２９により支持されており、これらの間は気密にシールされている。図７に示すように、マイクロ波プラズマ源１０２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部１３０と、マイクロ波をチャンバ１０１に導くためのマイクロ波導入部１４０と、マイクロ波出力部１３０から出力したマイクロ波をマイクロ波導入部１４０へ供給するマイクロ波供給部１５０とを有している。

マイクロ波出力部１３０は、電源部１３１と、マイクロ波発振器１３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ１３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器１３４とを有している。

マイクロ波発振器１３２は、所定周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器１３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、２．４５ＧＨｚの他に、８．３５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることができる。

マイクロ波供給部１５０は、分配器１３４で分配されたマイクロ波を主に増幅する複数のアンプ部１４２を有する。アンプ部１４２は、位相器１４５と、可変ゲインアンプ１４６と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ１４７と、アイソレータ１４８とを有している。

位相器１４５は、スラグチューナによりマイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、各アンテナモジュール毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることや、後述するように隣り合うアンテナモジュールにおいて９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。ただし、このような放射特性の変調が不要な場合には位相器１４５は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ１４６は、メインアンプ１４７へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュールのばらつきを調整またはプラズマ強度調整のためのアンプである。可変ゲインアンプ１４６を各アンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ１４７は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。

アイソレータ１４８は、マイクロ波導入部１４０で反射してメインアンプ１４７に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、アンテナ部１８０で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。

マイクロ波導入部１４０は、図７に示すように、複数のマイクロ波導入機構１４１を有している。そして、各マイクロ波導入機構１４１は、それぞれ２つのアンプ部１４２からマイクロ波電力が供給され、これらが合成されて放射されるようになっている。

マイクロ波導入機構１４１は、上記構造の電力合成器によりマイクロ波電力を合成し、合成したマイクロ波を放射してチャンバ１０１内に導入するものであり、合成部１６０、チューナ１７０、アンテナ部１８０を有し、その構造は図８に示すようなものである。

すなわち、マイクロ波導入機構１４１は、内部に内導体１５３を有する筒状をなす本体容器１５１を有しており、この本体容器１５１は、その基端側の側面にマイクロ波電力を導入するための２つのマイクロ波電力導入ポート１５２を有している。また、マイクロ波導入機構１４１は、本体容器１５１の中間部に設けられたチューナ１７０と、本体容器１５１の先端側に設けられたアンテナ部１８０を有している。

マイクロ波電力導入ポート１５２には、アンプ部１４２から増幅されたマイクロ波を供給するための同軸線路１５４が接続されている。そして、同軸線路１５４の内導体１５５の先端には、本体容器１５１の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ１５６が接続されている。この給電アンテナ１５６はＰＣＢ基板１５７上にマイクロストリップラインとして形成されている。給電アンテナ１５６は、その上下を石英等の誘電体からなる誘電体部材１５８および１５９によって挟まれている。給電アンテナ１５６は、上記給電アンテナ６と同様の機能を有し、同様に構成されている。

本体容器１５１の内部空間のマイクロ波電力導入ポート１５２近傍部分は、２つのマイクロ波電力導入ポート１５２から導入された電磁波を空間合成する合成部１６０として機能する。そして、合成部１６０で空間合成されたマイクロ波が本体容器１５１内を先端側のアンテナ部１８０に向かって伝播する。

アンテナ部１８０は、マイクロ波放射アンテナとして機能する、平面状をなしスロット１８１ａを有する平面スロットアンテナ１８１を有しており、前記内導体１５３がこの平面スロットアンテナ１８１に接続されている。アンテナ部１８０は、平面スロットアンテナ１８１の上面に設けられた遅波材１８２を有している。遅波材１８２は、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。遅波材１８２は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、平面スロットアンテナ１８１が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整する。これにより、反射が最小で、平面スロットアンテナ１８１の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。

また、平面スロットアンテナ１８１のさらに先端側には、真空シールのための誘電体部材、例えば石英やセラミックス等からなる天板１８３が配置されている。そして、メインアンプ１４７で増幅されたマイクロ波が内導体１５３と本体容器１５１の周壁の間を通って平面スロットアンテナ１８１のスロット１８１ａから天板１８３を透過してチャンバ１０１内の空間に放射される。このときのスロット１８１ａは、図９に示すように扇形のものが好ましく、図示している２個、または４個設けることが好ましい。これにより、マイクロ波をＴＥモードで効率的に伝達させることができる。

チューナ１７０は、本体容器１５１の合成部１６０とアンテナ部１８０との間の部分に、２つのスラグ１７１を有し、スラグチューナを構成している。スラグ１７１は誘電体からなる板状体として構成されており、内導体１５３と本体容器１５１の外壁との間に円環状に設けられている。そして、コントローラ１７３からの指令に基づいて駆動部１７２によりこれらスラグ１７１を上下動させることによりインピーダンスを調整するようになっている。コントローラ１７３は、終端が例えば５０Ωになるようにインピーダンス調整を実行させる。２つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。

本実施形態において、メインアンプ１４７と、チューナ１７０と、平面スロットアンテナ１８１とは近接配置している。そして、チューナ１７０と平面スロットアンテナ１８１とは１／２波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつこれらは共振器として機能する。

プラズマ処理装置２００における各構成部は、マイクロプロセッサを備えた制御部１９０により制御されるようになっている。制御部１９０はプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたレシピに従ってプラズマ処理装置を制御するようになっている。

次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置２００における動作について説明する。
まず、ウエハＷをチャンバ１０１内に搬入し、サセプタ１１１上に載置する。そして、プラズマガス供給源１２７から配管１２８およびプラズマガス導入部材１２６を介してチャンバ１０１内にプラズマガス、例えばＡｒガスを導入しつつ、マイクロ波プラズマ源１０２からマイクロ波をチャンバ１０１内に導入してプラズマを形成する。

次いで、処理ガス、例えばＣｌ_２ガス等のエッチングガスが処理ガス供給源１２５から配管１２４およびシャワープレート１２０を介してチャンバ１０１内に吐出される。吐出された処理ガスは、シャワープレート１２０の空間部１２３を通過してきたプラズマにより励起されてプラズマ化し、このように形成された処理ガスのプラズマによりウエハＷにプラズマ処理、例えばエッチング処理が施される。

この場合に、マイクロ波プラズマ源１０２では、マイクロ波出力部１３０のマイクロ波発振器１３２から発振されたマイクロ波はアンプ１３３で増幅された後、分配器１３４により複数に分配され、分配されたマイクロ波はマイクロ波供給部１５０を経てマイクロ波導入部１４０へ導かれる。

ここで、マイクロ波導入部１４０を構成する各マイクロ波導入機構１４１が十分な出力を得るために、マイクロ波供給部１５０の２つのアンプ部１４２から一つのマイクロ波導入機構１４１へマイクロ波電力を供給するようになっており、このため、マイクロ波導入機構１４１を電力合成器として機能させる。

この場合に、２つのアンプ部１４２から同軸線路を介して合成する従来の方法を採用すると、必ず同軸線路の交差点が生じ、その交差点で発熱の問題が生じるが、本実施形態では、マイクロ波導入機構１４１に上述した電力合成機構１００の構成を適用し、２つのアンプ部１４２の同軸線路１５４を本体容器１５１に設けられた各マイクロ波導入ポート１５２において、給電アンテナ１５６に接続し、各給電アンテナ１５６からマイクロ波を放射してマイクロ波電力を空間合成するので、このような発熱の問題を生じることがない。また、マイクロ波電力導入ポート１５２において各同軸線路１５４に給電アンテナ１５６を接続するだけでよいので、極めて簡易に電力合成を行うことができる。

また、このように複数に分配されたマイクロ波を、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ１４７で個別に増幅し、平面スロットアンテナ１８１を用いて個別に放射した後にチャンバ１０１内で合成するので、大型のアイソレータや合成器が不要となる。

さらに、マイクロ波導入機構１４１は、アンテナ部１８０とチューナ１７０とが本体容器１５１内に設けられた構造となっているので、極めてコンパクトである。このため、マイクロ波プラズマ源１０２自体を著しくコンパクト化することができる。さらに、メインアンプ１４７、チューナ１７０および平面スロットアンテナ１８１が近接して設けられ、特にチューナ１７０と平面スロットアンテナ１８１とは集中定数回路を構成し、かつ共振器として機能することにより、インピーダンス不整合が存在する平面スロットアンテナ１８１取り付け部分においてチューナ１７０により高精度でチューニングすることができる。

さらにまた、このようにチューナ１７０と平面スロットアンテナ１８１とが近接し、集中定数回路を構成してかつ共振器として機能することにより、平面スロットアンテナ１８１に至るまでのインピーダンス不整合を高精度で解消することができ、実質的に不整合部分をプラズマ空間とすることができるので、チューナ１７０により高精度のプラズマ制御が可能となる。

さらにまた、位相器により、各アンテナモジュールの位相を変化させることにより、マイクロ波の指向性制御を行うことができ、プラズマ等の分布の調整を容易に行うことができる。

次に、本発明に係る電力合成器の最適化を図ったシミュレーション結果について説明する。
ここでは、有限要素法を用いた電磁波解析を用いてシミュレーションを行った。最適化にはＳパラメータを用い、擬似ニュートン法により行った。具体的には、図１０に示すように、２つの電力導入ポート（第１のポートおよび第２のポート）において、入力方向に進む電磁波の振幅をそれぞれａ_１，ａ_２、出力方向に進む電磁波の振幅をそれぞれｂ_１，ｂ_２とし、出力ポート（第３のポート）において、入力方向に進む電磁波の振幅をａ_３、出力方向に進む電磁波の振幅をｂ_３とした場合、以下の（１）〜（３）式が成り立つ。
ｂ_１＝Ｓ_１１ａ_１＋Ｓ_１２ａ_２＋Ｓ_１３ａ_３ …（１）
ｂ_２＝Ｓ_２１ａ_１＋Ｓ_２２ａ_２＋Ｓ_２３ａ_３ …（２）
ｂ_３＝Ｓ_３１ａ_１＋Ｓ_３２ａ_２＋Ｓ_３３ａ_３ …（３）
そして、これらの式を行列を用いて表すと、以下の（４）式となる。

このＳ_１１‥‥Ｓ_３３を要素とする行列が散乱行列であり、各要素がＳパラメータである。ここで、Ｓ_ｍｎは、ｍが出力ポートの信号、ｎが入力ポートの信号を表すものであり、例えばＳ_３１は、第１のポートから信号を入力したときに第３のポートへ通過する信号、Ｓ_３２は、第２のポートから信号を入力したときに第３のポートへ通過する信号である。電力導入ポートである第１のポートおよび第２のポートから入力した電力を合成して出力ポートである第３のポートから最も効率良く出力するためには、以下の（５）式が成り立つ必要がある。
｜Ｓ_３１｜^２＋｜Ｓ_３２｜^２＝１．０ …（５）
ここで、｜Ｓ_３１｜＝｜Ｓ_３２｜とすると、｜Ｓ_３１｜および｜Ｓ_３２｜の最大値は０．７０となるから、シミュレーションにより｜Ｓ_３１｜が０．７０に近くなる条件を求めた。なお、｜Ｓ_１１＋Ｓ_１２｜および｜Ｓ_２１＋Ｓ_２２｜は第３のポートから出力されない信号であるから、その値は小さい方がよい。

図１１に示すＮｏ．１〜４の４種類の給電アンテナを用いた時の、｜Ｓ_３１｜、｜Ｓ_１１＋Ｓ_１２｜の値、および合成電力の伝達効率、さらには反射によるロスを表１に示す。Ｎｏ．１は、アンテナ本体から両側へ伸び、ストレート形状を有し、その両端に円形部材を設けた反射部を有し、アンテナ本体の先端が内導体に接触しているもの、Ｎｏ．２は、図２と同様、アンテナ本体から両側へ円弧状に伸びた反射部を有し、アンテナ本体の先端が内導体に接触しているもの、Ｎｏ．３は、アンテナ本体から片側へ円弧状に伸びた反射部を有し、アンテナ本体の先端が内導体に接触していないもの、Ｎｏ．４は、アンテナ本体から両側へ円弧状に伸びた反射部を有し、アンテナ本体の先端が内導体に接触していないものである。

表１に示すように、アンテナ本体が内導体に接触しており、反射部がアンテナ本体の両側へ伸びているＮｏ．１，２において良好な結果が得られていることがわかる。Ｎｏ．１，２の中ではＮｏ．１のほうが良好な値を示しているが、給電アンテナの製造しやすさ等を考慮すると、Ｎｏ．２のほうががより優れている。

なお、このシミュレーションにおいては、他のパラメータについても最適化した。Ｎｏ．２の電力合成器の場合、図１２に示すように、本体容器の内径Ｄを４５ｍｍ、内導体の外径ｄを２０ｍｍ、遅波板として機能する誘電体（石英）部材の厚さｔを３７ｍｍ（一方の誘電体部材の厚さｔ／２）、給電アンテナの径ｄ１を２．５５ｍｍ、給電アンテナの高さＨを誘電体部材の厚さの１／２、反射部の位置（アンテナ本体基端部からの長さ）Ｌを３２．５ｍｍ、反射部角度（長さ）θを５６．２°とした。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、電力導入ポートが２箇所の例を示したが、これに限るものではない。また、上記実施形態では、本発明の電力合成器をチャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源に用いるマイクロ波導入機構に適用した場合を例にとって説明したが、これに限らず電磁波として供給された電力を空間で合成する必要がある用途全般に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る電力合成器を示す垂直断面図。 本発明の一実施形態に係る電力合成器の電力導入ポートでの水平断面図。 本発明の一実施形態に係る電力合成器に用いた給電アンテナを示す平面図。 本発明の一実施形態に係る電力合成器に誘導磁界Ｈが生じた状態を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る電力合成器に誘導電界Ｅおよび反射電界Ｒが生じた状態を示す模式図。 本発明に係る電力合成器を適用したマイクロ波導入機構が搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図。 図６に示されたマイクロ波プラズマ源の構成を示すブロック図。 図７のマイクロ波プラズマ源のマイクロ波導入機構の構造を示す断面図。 図８のマイクロ波導入機構に搭載された平面スロットアンテナを示す平面図。 シミュレーションモデルを示す模式図。 シミュレーションに用いたＮｏ．１〜４の給電アンテナの構造を示す模式図。 シミュレーションに用いた各部の寸法を説明するための図。

符号の説明

１；本体容器
２；電力導入ポート
３；内導体
４；同軸線路
６；給電アンテナ
７；ＰＣＢ基板
８，９；誘電体部材
１０；合成部
１１；出力ポート
２１；第１の極
２２；第２の極
２３；アンテナ本体
２４；反射部
１００；電力合成器
１０１；チャンバ
１０２；マイクロ波プラズマ源
１１１；サセプタ
１１２；支持部材
１１６；排気装置
１２０；シャワープレート
１２１；ガス流路
１２２；ガス吐出孔
１２５；処理ガス供給源
１２６；プラズマガス導入部材
１２７；プラズマガス供給源
１３０；マイクロ波出力部
１４０；マイクロ波導入部
１４１；マイクロ波導入機構
１５０；マイクロ波供給部
１５１；本体容器
１５２；マイクロ波電力導入ポート
１５３；内導体
１５４；同軸線路
１５６；給電アンテナ
１５７；ＰＣＢ基板
１５８，１５９；誘電体部材
１６０；合成部
１７０；チューナ
１７１；スラグ
１８０；アンテナ部
１８１；平面スロットアンテナ
１８２；遅波材
１８３；天板
１９０；制御部
２００；プラズマ処理装置

Claims (25)

1. 筒状をなす本体容器と、
   前記本体容器の側面に設けられた電力を電磁波として導入する複数の電力導入ポートと、
   前記複数の電力導入ポートにそれぞれ設けられ、供給された電磁波を前記本体容器内に放射する複数の給電アンテナと、
   前記複数の給電アンテナから前記本体容器内に放射された電磁波を空間合成する合成部と、
   前記合成部で合成された電磁波を出力する出力ポートと
   を具備し、
   前記給電アンテナは、前記電力導入ポートから電磁波が供給される第１の極および供給された電磁波を放射する第２の極を有するアンテナ本体と、前記アンテナ本体から側方へ突出するように設けられた、電磁波を反射させる反射部とを有し、前記アンテナ本体に入射された電磁波と前記反射部で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成され、
   前記各給電アンテナから放射された定在波である電磁波が前記合成部で合成されることを特徴とする電力合成器。
2. 前記本体容器内に本体容器と同軸状に設けられた筒状または柱状をなす内導体をさらに具備し、前記アンテナ本体の第２の極は前記内導体に接触していることを特徴とする請求項１に記載の電力合成器。
3. 前記反射部は、前記アンテナ本体の両側へ突出するように設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力合成器。
4. 前記反射部は、前記アンテナ本体の第１の極から１／４波長の位置またはその位置を基準として−１０％〜＋１００％の範囲内の位置に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力合成器。
5. 前記反射部の長さが１／２波長またはその長さを基準として−１０％〜＋５０％の範囲内の長さであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力合成器。
6. 前記反射部は円弧状をなしていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力合成器。
7. 前記給電アンテナは、プリント基板上に形成され、マイクロストリップラインを構成していることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力合成器。
8. 前記給電アンテナを挟むように設けられた誘電体部材をさらに具備していることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力合成器。
9. 前記誘電体部材は、その厚さが１／２波長の実効長さまたはその長さを基準として−２０％〜＋２０％の範囲内の実効長さを有していることを特徴とする請求項８に記載の電力合成器。
10. チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源に用いるマイクロ波導入機構であって、
    筒状をなす本体容器と、
    前記本体容器の側面に設けられたマイクロ波電力を電磁波であるマイクロ波として導入する複数のマイクロ波電力導入ポートと、
    前記複数のマイクロ波電力導入ポートにそれぞれ設けられ、供給されたマイクロ波を前記本体容器内に放射する複数の給電アンテナと、
    前記複数の給電アンテナから前記本体容器内に放射されたマイクロ波を空間合成する合成部と、
    前記合成部で合成されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナを有するアンテナ部と
    を具備し、
    前記給電アンテナは、前記マイクロ波電力導入ポートからマイクロ波が供給される第１の極およびマイクロ波を放射する第２の極を有するアンテナ本体と、前記アンテナ本体の側方へ突出するように設けられた、マイクロ波を反射させる反射部とを有し、
    前記アンテナ本体に入射されたマイクロ波と前記反射部で反射されたマイクロ波とで定在波を形成し、前記各給電アンテナから放射された定在波であるマイクロ波が前記合成部で合成されることを特徴とするマイクロ波導入機構。
11. 前記本体容器内に本体容器と同軸状に設けられた筒状または柱状をなす内導体をさらに具備し、前記アンテナ本体の第２の極は前記内導体に接触していることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ波導入機構。
12. 前記反射部は、前記アンテナ本体の両側へ突出するように設けられていることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のマイクロ波導入機構。
13. 前記反射部は、前記アンテナ本体の第１の極から１／４波長の位置またはその位置を基準として−１０％〜＋１００％の範囲内の位置に設けられていることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
14. 前記反射部の長さが１／２波長またはその長さを基準として−１０％〜＋５０％の範囲内の長さであることを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
15. 前記反射部は円弧状をなしていることを特徴とする請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
16. 前記給電アンテナは、プリント基板上に形成され、マイクロストリップラインを構成していることを特徴とする請求項１０から請求項１５のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
17. 前記給電アンテナを挟むように設けられた誘電体部材をさらに具備していることを特徴とする請求項１０から請求項１６のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
18. 前記誘電体部材は、その厚さが１／２波長の実効長さまたはその長さを基準として−２０％〜＋２０％の範囲内の実効長さを有していることを特徴とする請求項１７に記載のマイクロ波導入機構。
19. 前記本体容器の前記合成部と前記マイクロ波放射アンテナとの間に設けられ、マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナをさらに具備することを特徴とする請求項１０から請求項１８のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
20. 前記マイクロ波放射アンテナは、平面状をなし、複数のスロットが形成されていることを特徴とする請求項１０から請求項１９のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
21. 前記スロットは扇形を有することを特徴とする請求項２０に記載のマイクロ波導入機構。
22. 前記アンテナ部は、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過する誘電体からなる天板と、前記アンテナの天板とは反対側に設けられ、前記アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする誘電体からなる遅波材とを有することを特徴とする請求項２０または請求項２１に記載のマイクロ波導入機構。
23. 前記遅波材の厚さを調整することにより、マイクロ波の位相が調整されることを特徴とする請求項２２に記載のマイクロ波導入機構。
24. 前記チューナと前記マイクロ波放射アンテナとは共振器として機能することを特徴とする請求項１０から請求項２３のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
25. 前記チューナは、誘電体からなる２つのスラグを有するスラグチューナであることを特徴とする請求項１０から請求項２４のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。

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