JP2016173924A - Tuner and microwave plasma source - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置においてインピーダンスの自動整合を行うチューナおよびマイクロ波プラズマ源に関する。 The present invention relates to a tuner and a microwave plasma source that perform automatic impedance matching in a microwave plasma processing apparatus.
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。 In the manufacturing process of a semiconductor device or a liquid crystal display device, plasma processing such as a plasma etching apparatus or a plasma CVD film forming apparatus is performed in order to perform a plasma process such as an etching process or a film forming process on a target substrate such as a semiconductor wafer or a glass substrate. A device is used.
近時、このようなプラズマ処理装置としては、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるRLSA(登録商標)マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている(例えば特許文献1)。 Recently, as such a plasma processing apparatus, an RLSA (registered trademark) microwave plasma processing apparatus capable of uniformly forming high-density and low-electron temperature plasma has attracted attention (for example, Patent Document 1).
RLSA(登録商標)マイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナを設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバ内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバ内に導入されたガスをプラズマ化し、このように形成されたプラズマにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。 The RLSA (registered trademark) microwave plasma processing apparatus is provided with a planar antenna having a number of slots formed in a predetermined pattern at the top of a chamber, and radiates a microwave guided from a microwave generation source from the slot of the planar antenna. In addition, the gas is radiated into a chamber held in a vacuum through a microwave transmission plate made of a dielectric material provided under the dielectric, and the gas introduced into the chamber is converted into plasma by the microwave electric field. An object to be processed such as a semiconductor wafer is processed by the formed plasma.
また、マイクロ波を複数に分配し、上記平面アンテナを有する複数のアンテナモジュールを介してマイクロ波をチャンバ内に導きチャンバ内でマイクロ波を空間合成するマイクロ波プラズマ源を有するマイクロ波プラズマ処理装置も提案されている(特許文献2)。 There is also a microwave plasma processing apparatus having a microwave plasma source that divides microwaves into a plurality of channels and guides the microwaves into the chamber through the plurality of antenna modules having the planar antenna and spatially synthesizes the microwaves in the chamber. It has been proposed (Patent Document 2).
この種のマイクロ波プラズマ処理装置では、負荷(プラズマ)のインピーダンスの整合(チューニング)を行うため、チューナが必要とされる。チューナとしては、同軸伝送路内に一対のスラグを移動可能に設け、これらを移動させることによりインピーダンスを整合させるスラグチューナが知られている。そして、特許文献3には、スラグチューナにおいて、マイクロ波の管内波長をλとした場合に、一対のスラグを同間隔に保ったまま(1/2)λの長さ範囲内で移動させ、かつ一対のスラグの何れか一方を他方に対して(1/4)λの長さ範囲内で移動させるようにスラグの移動を制御して、一対のスラグのトータルの移動範囲が(3/4)λとコンパクトでありながら、スミスチャート上の全ての領域においてインピーダンス整合を行える技術が開示されている。
In this type of microwave plasma processing apparatus, a tuner is required to match (tune) the impedance of the load (plasma). As a tuner, a slag tuner is known in which a pair of slags are movably provided in a coaxial transmission line, and impedances are matched by moving them.
一方、特許文献4には、同軸伝送路の内側導体の内部に一対のスラグをそれぞれ移動させるための螺棒からなる2本のスラグ移動軸(リードスクリュー)を設け、これらのスラグ移動軸をモータによって回転させることによりスラグを移動させるようにした、極めてコンパクトなチューナが開示されている。
On the other hand, in
ところで、マイクロ波を伝送する際には、TEMモード以外の高次モードが発生するとマイクロ波の伝搬特性が劣化してしまうため、高次モードにならないように、外側導体および内側導体の径を小さくする必要があり、必然的にスラグ移動軸として4mm程度の極めて細いものが必要になる。このため、一対のスラグのトータルの移動範囲として(3/4)λの長さを確保することが困難となる。特に、高パワーのマイクロ波を得るためにマイクロ波の周波数を1GHz以下、例えば860MHzにすると、(3/4)λの長さが261mmにもなり、細いスラグ移動軸でその長さを確保することは一層困難となる。 By the way, when transmitting a microwave, if a higher order mode other than the TEM mode is generated, the propagation characteristics of the microwave are deteriorated. Therefore, the diameters of the outer conductor and the inner conductor are reduced so as not to be a higher order mode. Inevitably, an extremely thin slag moving shaft of about 4 mm is required. For this reason, it becomes difficult to ensure the length of (3/4) λ as the total movement range of the pair of slags. In particular, when the frequency of the microwave is set to 1 GHz or less, for example, 860 MHz in order to obtain a high-power microwave, the length of (3/4) λ becomes 261 mm, and the length is secured by a thin slag moving shaft. This becomes even more difficult.
したがって、一対のスラグのトータルの移動範囲をλ/2にしているが、この場合は、整合できない範囲が生じてしまう。 Therefore, although the total movement range of the pair of slags is set to λ / 2, in this case, a range that cannot be matched is generated.
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、スラグ移動軸が細くても必要な整合範囲を確保することができるチューナおよびそのようなチューナを有するマイクロ波プラズマ源を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a tuner capable of ensuring a necessary matching range even if the slag movement axis is thin, and a microwave plasma source having such a tuner. Is an issue.
上記課題を解決するため、本発明の第1の観点は、マイクロ波電源から伝送されたマイクロ波が給電され、マイクロ波を放射する平面アンテナへマイクロ波を伝送するとともに、負荷のインピーダンスを前記マイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるチューナであって、マイクロ波が給電される給電部を有し、筒状をなす第1外側導体と筒状をなす第1内側導体からなる同軸伝送路を構成するとともに、前記第1外側導体と前記第1内側導体との間を移動する第1スラグを有し、かつ前記第1内側導体の内部に設けられた、前記第1スラグを移動させる第1スラグ移動軸を有する第1スラグ移動部と、前記平面アンテナへマイクロ波を出力する出力端を有し、筒状をなす第2外側導体と筒状をなす第2内側導体からなる同軸伝送路を構成するとともに、前記第2外側導体と前記第2内側導体との間を移動する第2スラグを有し、かつ前記第2内側導体の内部に設けられた、前記第2スラグを移動させる第2スラグ移動軸を有する第2スラグ移動部と、を具備し、前記第1スラグ移動部の前記第1スラグの可動範囲、および前記第2スラグ移動部の前記第2スラグの可動範囲が、いずれもマイクロ波の1/2波長の長さであることを特徴とするチューナを提供する。 In order to solve the above-described problems, a first aspect of the present invention is that a microwave transmitted from a microwave power source is fed, and the microwave is transmitted to a planar antenna that radiates the microwave, and the impedance of the load is set to A tuner that matches the characteristic impedance of a wave power source, has a power feeding portion to which microwaves are fed, and constitutes a coaxial transmission line including a cylindrical first outer conductor and a cylindrical first inner conductor And a first slag movement for moving the first slag provided in the first inner conductor, the first slag moving between the first outer conductor and the first inner conductor. A coaxial transmission line having a first slag moving part having an axis, an output end for outputting microwaves to the planar antenna, and comprising a cylindrical second outer conductor and a cylindrical second inner conductor; And a second slag that moves between the second outer conductor and the second inner conductor, and that is provided inside the second inner conductor and moves the second slag. A second slag moving part having a slag moving shaft, and the movable range of the first slag of the first slag moving part and the movable range of the second slag of the second slag moving part are both Provided is a tuner characterized by having a length of 1/2 wavelength of a microwave.
上記第1の観点のチューナにおいて、前記第1スラグ移動部と前記第2スラグ移動部との間に設けられた中間同軸伝送路をさらに具備し、前記第1スラグ移動部と、前記中間同軸伝送路と、前記第2スラグ移動部とは、一体となってマイクロ波伝送路を構成することができる。 The tuner according to the first aspect further includes an intermediate coaxial transmission line provided between the first slag moving unit and the second slag moving unit, and the first slag moving unit and the intermediate coaxial transmission. The path and the second slag moving part can be integrated to form a microwave transmission path.
前記第1スラグ移動部と、前記中間同軸伝送路と、前記第2スラグ移動部とは直線状に配置されるようにすることができる。 The first slag moving unit, the intermediate coaxial transmission line, and the second slag moving unit may be arranged in a straight line.
前記第1スラグ移動部および前記第2スラグ移動部は、前記中間同軸伝送路に対して垂直に設けることもできる。この場合に、前記第1スラグ移動部と前記第2スラグ移動部とは、前記中間同軸伝送路に対して垂直に接続されており、全体形状がπ状になるように配置されている構成とすることができる。 The first slag moving unit and the second slag moving unit may be provided perpendicular to the intermediate coaxial transmission line. In this case, the first slag moving unit and the second slag moving unit are connected perpendicularly to the intermediate coaxial transmission line and arranged so that the overall shape is π-shaped. can do.
本発明の第2の観点は、チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波電源を有し、マイクロ波を出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を伝送し前記チャンバ内に放射するためのマイクロ波供給部とを具備し、前記マイクロ波供給部は、上記第1の観点のチューナと、前記チューナからマイクロ波が伝送され、伝送されたマイクロ波を前記チャンバに向けて放射する平面アンテナを有するアンテナ部とを備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ源を提供する。 A second aspect of the present invention is a microwave plasma source used in a plasma processing apparatus for performing plasma processing by forming microwave plasma in a chamber, and has a microwave power source and outputs a microwave. A microwave output unit, and a microwave supply unit for transmitting the microwave output from the microwave output unit and radiating the microwave into the chamber, wherein the microwave supply unit is a tuner according to the first aspect. And a microwave plasma source, and a planar antenna that radiates the transmitted microwave toward the chamber. A microwave plasma source is provided.
上記第2の観点のマイクロ波プラズマ源において、前記マイクロ波出力部は、前記マイクロ波を複数に分配する分配器を有し、前記マイクロ波供給部は、分配されたマイクロ波を前記チャンバ内へ導く複数のアンテナモジュールを有しており、前記各アンテナモジュールは、前記チューナと前記アンテナ部とを有する構成とすることができる。 In the microwave plasma source according to the second aspect, the microwave output unit includes a distributor that distributes the microwaves into a plurality of portions, and the microwave supply unit transfers the distributed microwaves into the chamber. A plurality of antenna modules are provided, and each of the antenna modules may include the tuner and the antenna unit.
本発明によれば、いずれも同軸構造をなす、第1スラグ移動部と、第2スラグ移動部とを有し、かつ、第1スラグが第1内側導体内の第1スラグ移動軸により第1スラグ移動部内を移動し、第2スラグが第2内側導体内の第2スラグ移動軸により第2スラグ移動部を移動するようにし、第1スラグ移動部および第2スラグ移動部のスラグ可動範囲をλ/2にしたので、スラグ移動軸が細くても、スミスチャート上の全ての範囲でインピーダンス整合を行うことができるようになる。 According to the present invention, the first slag moving part and the second slag moving part both having a coaxial structure are provided, and the first slag is first driven by the first slag moving shaft in the first inner conductor. The second slag is moved in the slag moving part, and the second slag is moved by the second slag moving shaft in the second inner conductor, and the slag movable range of the first slag moving part and the second slag moving part is increased. Since λ / 2 is used, impedance matching can be performed in the entire range on the Smith chart even if the slug movement axis is thin.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<第1の実施形態>
(プラズマ処理装置)
図1は第1の実施形態に用いるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図2は図1のプラズマ処理装置におけるマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図である。
<First Embodiment>
(Plasma processing equipment)
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of the plasma processing apparatus used in the first embodiment, and FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of a microwave plasma source in the plasma processing apparatus of FIG.
プラズマ処理装置100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1と、チャンバ1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2と、全体制御部3とを有している。チャンバ1の上部には開口部1aが形成されており、マイクロ波プラズマ源2はこの開口部1aからチャンバ1の内部に臨むように設けられている。
The
チャンバ1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11が、チャンバ1の底部中央に絶縁部材12a介して立設された筒状の支持部材12により支持された状態で設けられている。サセプタ11および支持部材12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。
In the
また、図示はしていないが、サセプタ11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11には、整合器13を介して高周波バイアス電源14が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源14からサセプタ11に高周波電力が供給されることにより、ウエハW側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。
Although not shown, the
チャンバ1の底部には排気管15が接続されており、この排気管15には真空ポンプを含む排気装置16が接続されている。そしてこの排気装置16を作動させることによりチャンバ1内が排気され、チャンバ1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1の側壁には、ウエハWの搬入出を行うための搬入出口17と、この搬入出口17を開閉するゲートバルブ18とが設けられている。
An
チャンバ1内のサセプタ11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20が水平に設けられている。このシャワープレート20は、格子状に形成されたガス流路21と、このガス流路21に形成された多数のガス吐出孔22とを有しており、格子状のガス流路21の間は空間部23となっている。このシャワープレート20のガス流路21にはチャンバ1の外側に延びる配管24が接続されており、この配管24には処理ガス供給源25が接続されている。
A
一方、チャンバ1のシャワープレート20の上方位置には、リング状のプラズマガス導入部材26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26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26には、プラズマガスを供給するプラズマガス供給源27が配管28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。
On the other hand, a ring-shaped plasma
プラズマガス導入部材26からチャンバ1内に導入されたプラズマガスは、マイクロ波プラズマ源2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20の空間部23を通過しシャワープレート20のガス吐出孔22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。なお、プラズマ生成ガスと処理ガスとを同一の供給部材で供給してもよい。
The plasma gas introduced into the
チャンバ1の上部には支持リング29を介して天板110が設けられており、マイクロ波プラズマ源2は天板110の上側に配置されている。
A
全体制御部3は、マイクロプロセッサからなるコントローラ(コンピュータ)を有しており、プラズマ処理装置100における各構成部(マイクロ波プラズマ源2、高周波電源14、ゲートバルブ18、ガス供給源25,27等)を制御するようになっている。制御部3はプラズマ処理装置100のプロセスシーケンスおよび制御パラメータである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、選択されたプロセスレシピに従ってプラズマ処理装置100におけるプロセスを制御するようになっている。
The
(マイクロ波プラズマ源)
次に、マイクロ波プラズマ源2について説明する。
図2に示すように、マイクロ波プラズマ源2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30と、マイクロ波出力部30から出力されたマイクロ波を伝送しチャンバ1内に放射するためのマイクロ波供給部40とを有している。
(Microwave plasma source)
Next, the
As shown in FIG. 2, the
マイクロ波出力部30は、マイクロ波電源31と、マイクロ波発振器32と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ33と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器34とを有している。
The
マイクロ波発振器32は、所定周波数(例えば、860MHz)のマイクロ波を例えばPLL発振させる。分配器34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、860MHzの他に、700MHzから3GHzの範囲を用いることができる。
The
マイクロ波供給部40は、分配器34にて分配されたマイクロ波をチャンバ1内へ導く複数のアンテナモジュール41を有している。各アンテナモジュール41は、分配されたマイクロ波を主に増幅するアンプ部42と、アンプ部42で増幅されたマイクロ波のインピーダンス整合を行うチューナ43と、チューナ43の先端に設けられた平面スロットアンテナ101を有するアンテナ部44とを有している。チューナ43とアンテナ部44とは一体的に設けられている。そして、各アンテナモジュール41におけるアンテナ部44からチャンバ1内へマイクロ波が放射されるようになっている。
The
アンプ部42は、位相器46と、可変ゲインアンプ47と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ48と、アイソレータ49とを有している。
The
位相器46は、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ができる。また、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。また、位相器46は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器46を設ける必要はない。
The
可変ゲインアンプ47は、メインアンプ48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47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。
The
ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ48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。
The
アイソレータ49は、アンテナ部44で反射してメインアンプ48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44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。
The
マイクロ波プラズマ源2の各構成部は、全体制御部3により制御されるようになっている。
Each component of the
(チューナ)
次に、チューナ43について説明する。
図3は、チューナ43を示す断面図である。
チューナ43は、マイクロ波電源31から伝送されたマイクロ波が給電され、マイクロ波を放射する平面スロットアンテナ101へマイクロ波を伝送するとともに、負荷のインピーダンスをマイクロ波電源31の特性インピーダンスに整合させるものであり、2つのスラグによりインピーダンス整合を行うスラグチューナとして構成されている。図3に示すように、チューナ43は、いずれも同軸構造をなす、第1スラグ移動部51および第2スラグ移動部52を有しており、さらに、これらの間に設けられた中間同軸伝送路53を有している。これらは、上から、第1スラグ移動部51、中間同軸伝送路53、第2スラグ移動部52の順に直線状に配置されており、一体となってマイクロ波伝送路を構成している。
(Tuner)
Next, the
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the
The
第1スラグ移動部51は、筒状をなす第1外側導体61と、第1外側導体61の中に同軸的に設けられた筒状をなす第1内側導体62と、第1外側導体61と第1内側導体62との間の空間を上下に移動するアルミナ等の誘電体からなる第1スラグ63と、給電機構64とを有しており、給電機構64からマイクロ波電力が給電される。
The first
第1スラグ移動部51の第1内側導体62の内部空間には、その長手方向に沿って例えば台形ねじが形成された螺棒からなる第1スラグ63移動用の第1スラグ移動軸65が設けられている。第1スラグ移動軸65の上部には、適宜の伝達機構を介して第1モータ67が接続されている。
In the internal space of the first
図3のAA′断面図である図4に示すように、第1スラグ63は、円環状をなし、その内側に滑り性を有する樹脂からなる第1滑り部材66が嵌め込まれている。第1滑り部材66は第1スラグ移動軸65に螺合されている。第1内側導体62には、長手方向に沿って等間隔に3つのスリット62aが形成されており、第1滑り部材66は、これらスリット62aに対応するように3つの突出部66aが等間隔に設けられていて、これら突出部66aが第1スラグ63の内周に当接した状態で第1滑り部材66が第1スラグ63の内部に嵌め込まれる。第1滑り部材66の外周面は、第1内側導体62の内周面と遊びなく接触するようになっており、第1スラグ移動軸65が回転されることにより、第1滑り部材66が第1内側導体62を滑って昇降するようになっている。すなわち第1内側導体62の内周面が第1スラグ63の滑りガイドとして機能する。これにより、第1スラグ移動軸65を第1モータ67により回転させることにより、第1スラグ63が上下に移動するようになっている。第1スラグ移動部51内の第1スラグ63の可動範囲は、マイクロ波の管内波長をλとするとλ/2である。第1スラグ移動軸65の下端には底板68が設けられている。第1スラグ移動軸65と底板68との間は駆動時の振動を吸収するために、2〜5mm程度離隔している。なお、底板68を第1スラグ移動軸65の軸受け部として機能させてもよい。
As shown in FIG. 4 which is an AA ′ sectional view of FIG. 3, the
第2スラグ移動部52は、筒状をなす第2外側導体71と、第2外側導体71の中に同軸的に設けられた筒状をなす第2内側導体72と、第2外側導体71と第2内側導体72との間の空間を上下に移動するアルミナ等の誘電体からなる第2スラグ73とを有しており、その下端がアンテナ部44と接続されている。
The second
第2スラグ移動部52の第2内側導体72の内部空間には、その長手方向に沿って例えば台形ねじが形成された螺棒からなる第2スラグ73移動用の第2スラグ移動軸75が設けられている。第2スラグ移動軸75の上部には、適宜の伝達機構を介して第2モータ77が接続されている。
In the internal space of the second
図3のBB′断面図である図5に示すように、第2スラグ73も第1スラグ63と同様円環状をなし、その内側に滑り性を有する樹脂からなる第2滑り部材76が嵌め込まれている。第2滑り部材76は第2スラグ移動軸75に螺合されている。第2内側導体72には、長手方向に沿って等間隔に3つのスリット72aが形成されており、第2滑り部材76は、これらスリット72aに対応するように3つの突出部76aが等間隔に設けられていて、これら突出部76aが第2スラグ73の内周に当接した状態で第2滑り部材76が第2スラグ73の内部に嵌め込まれる。第2滑り部材76の外周面は、第2内側導体72の内周面と遊びなく接触するようになっており、第2スラグ移動軸75が回転されることにより、第2滑り部材76が第2内側導体72を滑って昇降するようになっている。すなわち第2内側導体72の内周面が第2スラグ73の滑りガイドとして機能する。これにより、第2スラグ移動軸75を第2モータ77により回転させることにより、第2スラグ73が上下に移動するようになっている。第2スラグ移動部52内の第2スラグ73の可動範囲は、マイクロ波の管内波長をλとするとλ/2である。第2スラグ移動軸75の下端には底板78が設けられている。第2スラグ移動軸75と底板78との間は駆動時の振動を吸収するために、2〜5mm程度離隔している。なお、底板78を第2スラグ移動軸75の軸受け部として機能させてもよい。
As shown in FIG. 5 which is a BB ′ sectional view of FIG. 3, the
給電機構64は、第1スラグ移動部51の第1外側導体61の側面に設けられたマイクロ波電力を導入するためのマイクロ波電力導入ポート81を有している。マイクロ波電力導入ポート81には、アンプ部42から増幅されたマイクロ波を供給するための給電線として、内側導体82aおよび外側導体82bからなる同軸線路82が接続されている。そして、同軸線路82の内側導体82aの先端には、第1スラグ移動部51の第1外側導体61の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ90が接続されている。
The
給電アンテナ90は、例えば、アルミニウム等の金属板を削り出し加工した後、テフロン(登録商標)等の誘電体部材の型にはめて形成される。第1スラグ移動部51の上端面は反射板となっており、反射板から給電アンテナ90までの間には、反射波の実効波長を短くするためのテフロン(登録商標)等の誘電体からなる遅波材69が設けられている。なお、2.45GHz等の周波数の高いマイクロ波を用いた場合には、遅波材69は設けなくてもよい。このとき、給電アンテナ90から反射板までの距離を最適化し、給電アンテナ90から放射される電磁波を反射板で反射させることで、最大の電磁波を同軸構造のチューナ43内に伝送させる。
The
給電アンテナ90は、図3のCC′断面図である図6に示すように、マイクロ波電力導入ポート81において同軸線路82の内側導体82aに接続され、電磁波が供給される第1の極92および供給された電磁波を放射する第2の極93を有するアンテナ本体91と、アンテナ本体91の両側から、第1スラグ移動部51の第1内側導体62の外側に沿って延び、リング状をなす反射部94とを有し、アンテナ本体91に入射された電磁波と反射部94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。アンテナ本体91の第2の極93は第1内側導体62に接触している。
The
給電アンテナ90がマイクロ波(電磁波)を放射することにより、第1スラグ移動部51の第1外側導体61と第1内側導体62との間の空間にマイクロ波電力が給電される。そして、給電機構64から供給されたマイクロ波電力が、第1スラグ移動部51の第1外側導体61と第1内側導体62との間の空間から、中間同軸伝送路53の外側導体と内側導体との間の空間、および第2スラグ移動部52の第2外側導体71と第2内側導体72との間の空間をアンテナ部44に向けて伝播する。
When the feeding
第1スラグ63および第2スラグ73の位置は、スラグコントローラ70により制御される。具体的には、図示しないインピーダンス検出器により検出された入力端のインピーダンス値と、適宜のセンサ(図示せず)により検知された第1スラグ63および第2スラグ73の位置情報に基づいて、スラグコントローラ70が第1モータ67および第2モータ77に制御信号を送り、第1スラグ63および第2スラグ73の位置を制御することにより、インピーダンスを調整するようになっている。スラグコントローラ70は、終端が50Ωになるようにインピーダンス整合を実行させる。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。
The positions of the
(アンテナ部)
アンテナ部44については、図3にチューナと併せて記載されている。アンテナ部44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101aを有する平面スロットアンテナ101と、平面スロットアンテナ101の上面に設けられた遅波材102と、平面スロットアンテナ101の先端側に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板103とを有している。
(Antenna part)
The
スロット101aの形状は、マイクロ波が効率良く放射されるように適宜設定される。スロット101aには誘電体が挿入されていてもよい。
The shape of the
遅波材102の中心には導体からなる円柱部材102aが貫通してチューナ43における第2スラグ移動部52の底板78と平面スロットアンテナ101とを接続している。したがって、チューナ43における第2スラグ移動部52の第2内側導体72が底板78および円柱部材102aを介して平面スロットアンテナ101に接続されている。
A
遅波材102およびマイクロ波透過板103は、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体、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いる。真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、遅波材102およびマイクロ波透過板103をこのように真空よりも大きい誘電率を有する誘電体で構成することにより、マイクロ波の波長を短くしてアンテナを小さくすることができる。遅波材102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、マイクロ波透過板103と平面スロットアンテナ101の接合部が定在波の「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101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。
The
なお、第2スラグ移動部52の第2外側導体71が遅波材102の周囲まで延びて遅波材102の外側を覆うようになっている。また、平面スロットアンテナ101の周囲は被覆導体104により覆われている。
The second
マイクロ波透過板103は、平面スロットアンテナ101に接するように設けられており、天板110に嵌め込まれている。そして、メインアンプ48で増幅されたマイクロ波が同軸線路82を通って給電機構64によりチューナ43に給電され、チューナ43のマイクロ波伝送路を構成する第1スラグ移動部51、中間同軸伝送路53、第2スラグ移動部52をTEMモードで伝送されて平面スロットアンテナ101に至り、スロット101aから放射され、マイクロ波透過板103を透過してチャンバ1内の空間に至り、表面波プラズマが形成される。
The
本実施形態において、メインアンプ48と、チューナ43と、平面スロットアンテナ101とは近接配置している。そして、チューナ43と平面スロットアンテナ101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、かつ平面スロットアンテナ101、遅波板102、マイクロ波透過板103は合成抵抗が50Ωに設定されているので、チューナ43はプラズマ負荷に対して直接チューニングしていることになり、効率良くプラズマへエネルギーを伝達することができる。
In the present embodiment, the
(プラズマ処理装置の動作)
次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置100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1内に搬入し、サセプタ11上に載置する。そして、プラズマ生成ガス供給源27から配管28およびプラズマ生成ガス導入部材26を介してチャンバ1内にプラズマ生成ガス、例えばArガスを導入しつつ、マイクロ波プラズマ源2からマイクロ波をチャンバ1内に放射して表面波プラズマを生成する。
(Operation of plasma processing equipment)
Next, the operation in the
First, the wafer W is loaded into the
そして、処理ガス供給源25から配管24およびシャワープレート20を介してチャンバ1内に処理ガス、例えばCl2ガス等のエッチングガスが吐出される。吐出された処理ガスは、シャワープレート20の空間部23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。
Then, a processing gas, for example, an etching gas such as Cl 2 gas is discharged from the processing
上記表面波プラズマを生成するに際し、マイクロ波プラズマ源2では、マイクロ波出力部30のマイクロ波発振器32から発振されたマイクロ波電力はアンプ33で増幅された後、分配器34により複数に分配され、分配されたマイクロ波電力はマイクロ波供給部40へ導かれる。マイクロ波供給部40においては、このように複数に分配されたマイクロ波電力が、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ48で個別に増幅され、各チューナ43に給電されて、マイクロ波がチューナ43を伝送される。具体的には、同軸線路82から給電機構64を介して第1スラグ移動部51に給電され、マイクロ波は、第1スラグ移動部51から中間同軸伝送路53、第2スラグ移動部52と下方へ伝送される。その際に、チューナ43の第1スラグ63および第2スラグ73によりインピーダンスが自動整合され、電力反射が実質的にない状態で、チューナ43からアンテナ部44の遅波材102を経て平面スロットアンテナ101のスロット101aから放射され、さらにマイクロ波透過板103を透過し、プラズマに接するマイクロ波透過板103の表面(下面)を伝送されて表面波を形成する。そして、各アンテナ部44における電力がチャンバ1内で空間合成され、これによりチャンバ1内の空間に表面波プラズマが生成され、被処理体であるウエハWがプラズマ処理される。
When generating the surface wave plasma, in the
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48で個別に増幅し、複数のアンテナ部44から個別にチャンバ1内に導入して表面波を形成後、これらを空間で合成するので、大型のアイソレータや合成器が不要となる。また、チューナ43とアンテナ部44とが一体となって設けられているのでコンパクトである。さらに、メインアンプ48、チューナ43および平面スロットアンテナ101が近接して設けられ、チューナ43と平面スロットアンテナ101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取り付け部分においてチューナ43によりプラズマを含めて高精度でチューニングすることができ、反射の影響を確実に解消することができる。
In this way, the microwaves distributed to a plurality of parts are individually amplified by the
さらに、このようにチューナ43と平面スロットアンテナ101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101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43により高精度のプラズマ制御が可能となる。
Further, the
ところで、図7に示すように、従来のチューナ200は、単一の同軸伝送路201の外側導体202および内側導体203の間を2つのスラグ204および205が移動する構成をとっている。そして、管内波長をλとした場合に、スラグ204と205を同時にλ/2の範囲内で移動させることにより、スミスチャート上のある点の反射係数の位相を360°変化させることができ、一方のスラグのみを他方のスラグに対してλ/4の範囲内で移動させることにより、スミスチャート上のある点を原点まで移動可能であり、これらを組み合わせることにより、スラグ204と205のトータルの可動範囲を(3/4)λとすることにより、スミスチャート上の全ての点におけるインピーダンス整合を行うことができる。
By the way, as shown in FIG. 7, the
マイクロ波を伝送する際には、TEMモード以外の高次モードが発生するとマイクロ波の伝搬特性が劣化してしまうため、高次モードにならないように、外側導体202および内側導体203の径を小さくする必要があり、内側導体203内にスラグ移動軸を収容させる場合は、必然的にスラグ移動軸として4mm程度の極めて細いものが必要になる。このため、一対のスラグのトータルの移動範囲として(3/4)λの長さを確保することが困難となる。これを回避するために、図8に示すように、スラグ204と205のトータルの可動範囲をλ/2にすると、図9に示すように、インピーダンス整合を行える範囲がスミスチャートの一部の範囲となり、整合できない範囲が生じてしまう。
When transmitting a microwave, if a higher order mode other than the TEM mode is generated, the propagation characteristics of the microwave are deteriorated. Therefore, the diameters of the
そこで、本実施形態では、チューナ43を、いずれも同軸構造をなす、第1スラグ移動部51と、第2スラグ移動部52と、これらの間の中間同軸伝送路53とを有し、これらが一体となってマイクロ波伝送路を構成するものとし、第1スラグ63が第1内側導体62内の第1スラグ移動軸65により第1スラグ移動部51内を移動し、第2スラグ73が第2内側導体72内の第2スラグ移動軸75により第2スラグ移動部52を移動するようにし、第1スラグ移動部51および第2スラグ移動部52のスラグ可動範囲をλ/2にした。これにより、スラグ移動軸が細くても、スミスチャート上の全ての範囲でインピーダンス整合を行うことができるようになる。
Therefore, in the present embodiment, the
すなわち、図10に示すように、例えば第1スラグ63および第2スラグ73を同時にλ/2の範囲内で移動させることにより、スミスチャート上のA点の反射係数の位相を、破線で示す円Bに示すように、360°変化させることができ、一方のスラグのみを他方に対してλ/2の範囲内で移動させることにより、原点およびA点を通る円Cを描かせることができるので、これらの組み合わせにより、スミスチャート上の全ての点においてインピーダンス整合を行うことができる。また、第1スラグ移動部51および第2スラグ移動部52のスラグ可動範囲がλ/2でよいので、スラグ移動軸が細くても問題が生じない。
That is, as shown in FIG. 10, for example, by moving the
また、このように、2つのスラグを別々の同軸伝送路内で移動させるようにすることにより、チューナ全体をより細くすることができる。これにより、より高誘電率の材料をスラグに使用することが可能となり、スラグをより薄いものとすることができる。 Further, by moving the two slugs in different coaxial transmission lines in this way, the entire tuner can be made thinner. As a result, a material having a higher dielectric constant can be used for the slag, and the slag can be made thinner.
<第2の実施形態>
第2の実施形態では、チューナの構造のみが第1の実施形態と異なっている。したがって、チューナの構成のみについて説明し、他は第1の実施形態と同じであるから説明を省略する。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, only the tuner structure is different from that of the first embodiment. Therefore, only the configuration of the tuner will be described, and the rest is the same as in the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
(チューナ)
図11は、第2の実施形態においてマイクロ波プラズマ源に用いるチューナを示す断面図である。
本実施形態におけるチューナ43′は、2つのスラグによりインピーダンス整合を行うスラグチューナとして構成されており、第1の実施形態と同様の構造を有する第1スラグ移動部51および第2スラグ移動部52を有しており、さらに、これらの間に設けられた中間同軸伝送路53′を有している。そして、第1スラグ移動部51および第2スラグ移動部52が、中間同軸伝送路53′の側面に、中間同軸伝送路53′に対して垂直に接続されている。より具体的には、中間同軸伝送路53′は、その軸方向が水平になるように配置されており、第1スラグ移動部51および第2スラグ移動部52が、中間同軸伝送路53′の側面の下部に、下方に延びるように接続され、全体がπ状をなしている。そして、第1スラグ移動部51、中間同軸伝送路53′、第2スラグ移動部52は、一体となってマイクロ波伝送路を構成している。第1スラグ移動部51は、第1の実施形態と同じ構造を有しているが、配置は異なり、給電機構64が下になるように配置されている。
(Tuner)
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a tuner used for the microwave plasma source in the second embodiment.
The
なお、第1スラグ移動部51、第2スラグ移動部52およびアンテナ部44の構成は、第1の実施形態と同じであるから説明を省略する。
In addition, since the structure of the 1st
このようなチューナ43′においては、第1スラグ移動部51の下部の給電機構64から給電されたマイクロ波は、第1スラグ移動部51を上方に伝送されて中間同軸伝送路53′に至り、中間同軸伝送路53′では水平に伝送されて第2スラグ移動部52に至り、第2スラグ移動部52を下方に伝送される。その際に、第1の実施形態と同様、チューナ43の第1スラグ63および第2スラグ73によりインピーダンスが自動整合され、電力反射が実質的にない状態で、チューナ43からアンテナ部44の遅波材102を経て平面スロットアンテナ101のスロット101aから放射され、さらにマイクロ波透過板103を透過し、プラズマに接するマイクロ波透過板103の表面(下面)を伝送されて表面波を形成する。そして、各アンテナ部44における電力がチャンバ1内で空間合成され、これによりチャンバ1内の空間に表面波プラズマが生成され、被処理体であるウエハWがプラズマ処理される。
In such a
このとき、第1の実施形態と同様、第1スラグ63が第1内側導体62内の第1スラグ移動軸65により第1スラグ移動部51内を移動し、第2スラグ73が第2内側導体72内の第2スラグ移動軸75により第2スラグ移動部52を移動するようにし、第1スラグ移動部51および第2スラグ移動部52のスラグ可動範囲をλ/2にしたので、スラグ移動軸が細くても、スミスチャート上の全ての範囲でインピーダンス整合を行うことができるようになる。また、第1スラグ移動部51および第2スラグ移動部52のスラグ可動範囲がλ/2でよいので、スラグ移動軸が細くても問題が生じない。
At this time, as in the first embodiment, the
また、このような構造のスラグ43′は、スラグ43の他の効果を全て奏することができる他、高さをスラグ43よりも低くすることができるメリットがあり、高さ方向に余裕がない場合等に有利である。
In addition, the
<他の適用>
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。
<Other applications>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the idea of the present invention.
例えば、第1スラグ移動部と中間同軸伝送路と第2スラグ移動軸との接続形態は、上記2つの実施形態に限定されるものではなく、また、第1スラグ移動部と第2スラグ移動部にスラグ移動軸を独立に設けることができれば、中間同軸伝送路は必ずしも設ける必要はない。 For example, the connection form of the first slag moving unit, the intermediate coaxial transmission line, and the second slag moving shaft is not limited to the above two embodiments, and the first slag moving unit and the second slag moving unit. If the slug movement shaft can be provided independently, the intermediate coaxial transmission line is not necessarily provided.
また、マイクロ波出力部30の回路構成やマイクロ波供給部40、メインアンプ48の回路構成等は、上記実施形態に限定されるものではない。具体的には、平面スロットアンテナから放射されるマイクロ波の指向性制御を行ったり円偏波にしたりする必要がない場合には、位相器は不要である。
Further, the circuit configuration of the
また、マイクロ波供給部40は、必ずしも複数のアンテナモジュールで構成する必要はなく、アンテナモジュールは1個であってもよい。さらに、上記実施形態では、平面スロットアンテナのスロットの形状を明確には描いていないが、条件に応じて種々のスロットパターンを採用することが可能である。
In addition, the
さらにまた、上記実施形態においては、マイクロ波プラズマ源を適用するプラズマ処理装置としてエッチング処理装置を例示したが、これに限らず、成膜処理、酸窒化膜処理、アッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。 Furthermore, in the above embodiment, the etching processing apparatus is exemplified as the plasma processing apparatus to which the microwave plasma source is applied. However, the plasma processing apparatus is not limited to this, and other plasma processing such as film formation processing, oxynitride film processing, and ashing processing is performed. Can also be used.
1;チャンバ
2;マイクロ波プラズマ源
11;サセプタ
12;支持部材
16;排気装置
20;シャワープレート
30;マイクロ波出力部
40;マイクロ波供給部
41;アンテナモジュール
42;アンプ部
43,43′;チューナ
44;アンテナ部
51;第1スラグ移動部
52;第2スラグ移動部
53、53′;中間同軸伝送路
61,71;外側導体
62,72;内側導体
63,73;スラグ
64;給電機構
65,75;スラグ移動軸
67,77;モータ
70;スラグコントローラ
100;プラズマ処理装置
101;平面スロットアンテナ
110;天板
W;ウエハ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
マイクロ波が給電される給電部を有し、筒状をなす第1外側導体と筒状をなす第1内側導体からなる同軸伝送路を構成するとともに、前記第1外側導体と前記第1内側導体との間を移動する第1スラグを有し、かつ前記第1内側導体の内部に設けられた、前記第1スラグを移動させる第1スラグ移動軸を有する第1スラグ移動部と、
前記平面アンテナへマイクロ波を出力する出力端を有し、筒状をなす第2外側導体と筒状をなす第2内側導体からなる同軸伝送路を構成するとともに、前記第2外側導体と前記第2内側導体との間を移動する第2スラグを有し、かつ前記第2内側導体の内部に設けられた、前記第2スラグを移動させる第2スラグ移動軸を有する第2スラグ移動部と、
を具備し、
前記第1スラグ移動部の前記第1スラグの可動範囲、および前記第2スラグ移動部の前記第2スラグの可動範囲が、いずれもマイクロ波の1/2波長の長さであることを特徴とするチューナ。 A microwave is fed from a microwave power source, transmits the microwave to a planar antenna that radiates the microwave, and matches the impedance of the load to the characteristic impedance of the microwave power source,
The first outer conductor and the first inner conductor have a power feeding portion to which microwaves are fed, and form a coaxial transmission line including a cylindrical first outer conductor and a cylindrical first inner conductor. And a first slag moving part having a first slag moving shaft for moving the first slag provided in the first inner conductor,
An output end for outputting microwaves to the planar antenna has a coaxial transmission line composed of a cylindrical second outer conductor and a cylindrical second inner conductor, and the second outer conductor and the first A second slag moving part having a second slag moving between the two inner conductors and having a second slag moving shaft for moving the second slag provided in the second inner conductor;
Comprising
The movable range of the first slag of the first slag moving unit and the movable range of the second slag of the second slag moving unit are both 1/2 wavelength in length of the microwave. Tuner to do.
マイクロ波電源を有し、マイクロ波を出力するマイクロ波出力部と、
前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を伝送し前記チャンバ内に放射するためのマイクロ波供給部と
を具備し、
前記マイクロ波供給部は、
請求項1から請求項5のいずれかのチューナと、前記チューナからマイクロ波が伝送され、伝送されたマイクロ波を前記チャンバに向けて放射する平面アンテナを有するアンテナ部と
を備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ源。 A microwave plasma source used in a plasma processing apparatus for performing plasma processing by forming microwave plasma in a chamber,
A microwave output unit having a microwave power source and outputting a microwave;
A microwave supply unit for transmitting the microwave output from the microwave output unit and radiating the microwave into the chamber;
The microwave supply unit is
A tuner according to any one of claims 1 to 5, and an antenna unit having a planar antenna that transmits a microwave from the tuner and radiates the transmitted microwave toward the chamber. Microwave plasma source.
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