JP2017073339A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】進行波のパワーの検出精度及び反射波のパワーの検出精度を向上させるプラズマ処理装置の提供。
【解決手段】プラズマ処理装置１では、マイクロ波生成部１６とサーキュレータ２５の第１ポート２５ａを接続する第１の導波管２１に第１の方向性結合器８０が設けられている。第１の方向性結合器８０には第１の検出器８２が接続されている。サーキュレータ２５の第２ポート２５ｂは第２の導波管２２を介してプラズマ生成部に接続されている。また、サーキュレータ２５の第３ポート２５ｃとダミーロード２４とを接続する第３の導波管２３に第２の方向性結合器８４が設けられている。第２の方向性結合器８４には第２の検出器８６が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、プラズマ処理装置に関するものである。

電子デバイスの製造においては、基板に対する加工のために、プラズマ処理装置が用いられている。プラズマ処理装置は、一般的に、処理容器及び高周波生成部を備えている。プラズマ処理装置では、処理容器内に処理ガスが供給され、高周波生成部からの高周波のエネルギーによって当該処理ガスが励起される。

このようなプラズマ処理装置では、高周波生成部によって生成された高周波をプラズマの生成に十分に利用することが求められる。そのためには、高周波の進行波のパワー及び反射波のパワーを検出する必要がある。進行波のパワー及び反射波のパワーを検出するために、プラズマ処理装置には、特許文献１に記載されているように、サーキュレータ、方向性結合器、第１の検出器及び第２の検出器を備えたものがある。

サーキュレータは、高周波生成部と負荷との間に設けられており、高周波生成部からの進行波を負荷に向けて伝送し、負荷からの反射波をダミーロードに結合する。方向性結合器は、サーキュレータと負荷との間の導波路に設けられており、当該導波路内で伝搬する進行波の一部をその第１出力から出力し、当該導波路内を伝搬する反射波の一部をその第２出力から出力する。第１の検出器は方向性結合器の第１出力から出力される高周波のパワーを検出し、第２の検出器は方向性結合器の第２出力から出力される高周波のパワーを検出する。

なお、特許文献１に記載されたプラズマ処理装置において利用される高周波は、ＶＨＦ周波数帯の高周波であるが、特許文献１に記載されたプラズマ処理装置の構成、即ち、サーキュレータ、方向性結合器、第１の検出器、及び第２の検出器は、高周波としてマイクロ波を利用するプラズマ処理装置においても同様に採用されている。

特開２０００−３１０７３号公報

マイクロ波を利用するプラズマ処理装置では、方向性結合器は、進行波と反射波を完全に分離することはできない。即ち、方向性結合器の第１出力からは進行波のみならず反射波をも含むマイクロ波が出力され、方向性結合器の第２出力からは反射波のみならず進行波をも含むマイクロ波が出力される。したがって、進行波のパワー及び反射波のパワーを個別に精度良く検出することができない。かかる背景から、進行波のパワーの検出精度及び反射波のパワーの検出精度を向上させることが必要となっている。

一態様においては、プラズマ処理装置が提供される。プラズマ処理装置は、処理容器、マイクロ波生成部、サーキュレータ、第１の導波管、第２の導波管、第３の導波管、第１の検出器、及び第２の検出器を備える。マイクロ波生成部は、マイクロ波を発生するように構成されている。プラズマ生成部は、マイクロ波を用いて処理容器内においてプラズマを生成するよう構成されている。サーキュレータは、第１ポート、第２ポート、及び第３ポートを有し、第１ポートに受けたマイクロ波を第２ポートから出力し、第２ポートに受けたマイクロ波を第３ポートから出力するよう構成されている。第１の導波管は、マイクロ波生成部と第１のポートとを接続する。第２の導波管は、第２ポートとプラズマ生成部とを接続する。第３の導波管は、第３ポートとダミーロードとを接続する。第１の方向性結合器は、第１の導波管に設けられている。第１の方向性結合器は、マイクロ波生成部から第１ポートに伝搬するマイクロ波の一部、即ち進行波の一部を出力するよう構成されている。第１の検出器は、第１の方向性結合器に接続されている。第１の検出器は、進行波の一部のパワーを検出するよう構成されている。第２の方向性結合器は、第３の導波管に設けられている。第２の方向性結合器は、第３ポートからダミーロードに伝搬するマイクロ波の一部、即ち反射波の一部を出力するよう構成されている。第２の検出器は、第２の方向性結合器に接続されている。第２の検出器であり、反射波の一部のパワーを検出する。

このプラズマ処理装置では、第１の導波管と第２の導波管との間にサーキュレータが設けられているので、反射波が第２の導波管から第１の導波管に伝搬することが抑制される。また、第２の導波管から第３の導波管に伝搬した反射波はダミーロードにおいて吸収されるので、反射波が第３の導波管から第１の導波管に伝搬することが抑制される。第１の検出器は、当該第１の導波管に設けられた第１の方向性結合器からのマイクロ波のパワーを検出するので、進行波のパワーの検出精度が高められる。また、このプラズマ処理装置では、第１の導波管からの進行波が第３の導波管内に伝搬することが、サーキュレータによって抑制される。第２の検出器はこの第３の導波管に設けられた第２の方向性結合器からのマイクロ波のパワーを検出するので、反射波のパワーの検出精度が高められる。

一実施形態では、マイクロ波生成部は、マイクロ波として、所定の周波数帯域に属する周波数であって互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の周波数成分を含むマイクロ波（以下、「高帯域マイクロ波」という）を発生してもよい。一般的に、方向性結合器は、特定の周波数の進行波と反射波を分離するように構成されている。したがって、マイクロ波生成部が、高帯域マイクロ波を生成する場合には、方向性結合器によって高帯域マイクロ波の進行波と反射波を完全に分離させることはできない。したがって、第１の導波管に第１の方向性結合器を設け、第３の導波管に第２の方向性結合器を設けた上述の構成は、マイクロ波生成部が高帯域マイクロ波を生成する場合に、特に有効である。

以上説明したように、マイクロ波によってプラズマを生成するプラズマ処理装置において、進行波のパワーの検出精度及び反射波のパワーの検出精度が向上される。

一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 図１に示すマイクロ波生成部、及び、当該マイクロ波生成部によって生成されるマイクロ波を導波する要素についての構成を示す図である。 マイクロ波生成部における高帯域マイクロ波の生成原理を説明する図である。 第１の方向性結合器と第１の検出器を概略的に示す図である。 第２の方向性結合器と第２の検出器を概略的に示す図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図１に示すプラズマ処理装置１は、処理容器１２、ステージ１４、マイクロ波生成部１６、アンテナ１８、及び、誘電体窓２０を備えている。

処理容器１２は、その内部に処理空間Ｓを提供している。処理容器１２は、側壁１２ａ及び底部１２ｂを有している。側壁１２ａは、略筒形状に形成されている。この側壁１２ａの中心軸線は、鉛直方向に延びる軸線Ｚに略一致している。底部１２ｂは、側壁１２ａの下端側に設けられている。底部１２ｂには、排気用の排気孔１２ｈが設けられている。また、側壁１２ａの上端部は開口している。

側壁１２ａの上端部の上には誘電体窓２０が設けられている。この誘電体窓２０は、処理空間Ｓに対向する下面２０ａを有する。誘電体窓２０は、側壁１２ａの上端部の開口を閉じている。この誘電体窓２０と側壁１２ａの上端部との間にはＯリング１９が介在している。このＯリング１９により、処理容器１２の密閉がより確実なものとなる。

ステージ１４は、処理空間Ｓ内に収容されている。ステージ１４は、鉛直方向において誘電体窓２０と対面するように設けられている。また、ステージ１４は、誘電体窓２０と当該ステージ１４との間に処理空間Ｓを挟むように設けられている。このステージ１４は、その上に載置される基板Ｗを支持するように構成されている。

一実施形態において、ステージ１４は、基台１４ａ、フォーカスリング１４ｂ、及び、静電チャック１４ｃを含んでいる。基台１４ａは、略円盤形状を有しており、アルミニウムといった導電性の材料から形成されている。基台１４ａの中心軸線は、軸線Ｚに略一致している。この基台１４ａは、筒状支持部４８によって支持されている。筒状支持部４８は、絶縁性の材料から形成されており、底部１２ｂから垂直上方に延びている。筒状支持部４８の外周には、導電性の筒状支持部５０が設けられている。筒状支持部５０は、筒状支持部４８の外周に沿って処理容器１２の底部１２ｂから垂直上方に延びている。この筒状支持部５０と側壁１２ａとの間には、環状の排気路５１が形成されている。

排気路５１の上部には、バッフル板５２が設けられている。バッフル板５２は、環形状を有している。バッフル板５２には、当該バッフル板５２を板厚方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。このバッフル板５２の下方には上述した排気孔１２ｈが設けられている。排気孔１２ｈには、排気管５４を介して排気装置５６が接続されている。排気装置５６は、自動圧力制御弁（ＡＰＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ）と、ターボ分子ポンプといった真空ポンプとを有している。この排気装置５６により、処理空間Ｓを所望の真空度まで減圧することができる。

基台１４ａは、高周波電極を兼ねている。基台１４ａには、給電棒６２及びマッチングユニット６０を介して、ＲＦバイアス用の高周波電源５８が電気的に接続されている。高周波電源５８は、基板Ｗに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば、１３．６５ＭＨｚの高周波（以下適宜「バイアス電力」という）を、設定されたパワーで出力する。マッチングユニット６０は、高周波電源５８側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器１２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容している。この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。

基台１４ａの上面には、静電チャック１４ｃが設けられている。静電チャック１４ｃは、基板Ｗを静電吸着力で保持する。静電チャック１４ｃは、電極１４ｄ、絶縁膜１４ｅ、及び、絶縁膜１４ｆを含んでおり、概ね円盤形状を有している。静電チャック１４ｃの中心軸線は軸線Ｚに略一致している。この静電チャック１４ｃの電極１４ｄは、導電膜によって構成されており、絶縁膜１４ｅと絶縁膜１４ｆの間に設けられている。電極１４ｄには、直流電源６４がスイッチ６６及び被覆線６８を介して電気的に接続されている。静電チャック１４ｃは、直流電源６４より印加される直流電圧により発生するクーロン力によって、基板Ｗを吸着保持することができる。

基台１４ａの内部には、冷媒室１４ｇが設けられている。冷媒室１４ｇは、例えば、軸線Ｚを中心に延在するように形成されている。この冷媒室１４ｇには、チラーユニットからの冷媒が配管７０を介して供給される。冷媒室１４ｇに供給された冷媒は、配管７２を介してチラーユニットに戻される。この冷媒の温度がチラーユニットによって制御されることにより、静電チャック１４ｃの温度、ひいては基板Ｗの温度が制御される。

また、ステージ１４には、ガス供給ライン７４が形成されている。このガス供給ライン７４は、伝熱ガス、例えば、Ｈｅガスを、静電チャック１４ｃの上面と基板Ｗの裏面との間に供給するために設けられている。

マイクロ波生成部１６は、処理容器１２内に供給される処理ガスを励起させるためのマイクロ波を発生する。一実施形態では、マイクロ波生成部１６は、高帯域マイクロ波を発生する。高帯域マイクロ波は、所定の中心周波数を中心とする所定の周波数帯域に属する周波数であって互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の周波数成分を含む。なお、マイクロ波生成部１６は、単一の周波数、例えば、２．４５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波を発生してもよい。

プラズマ処理装置１は、第１の導波管２１、第２の導波管２２、第３の導波管２３、ダミーロード２４、サーキュレータ２５、チューナ２６、モード変換器２７、及び、同軸導波管２８を更に備えている。マイクロ波生成部１６は、第１の導波管２１、サーキュレータ２５、及び、第２の導波管２２を介して、モード変換器２７に接続されている。

第１の導波管２１は、例えば、矩形導波管であり、マイクロ波生成部１６に接続している。また、第１の導波管２１は、サーキュレータ２５にも接続している。サーキュレータ２５は、第１ポート２５ａ、第２ポート２５ｂ、及び、第３ポート２５ｃを有している。サーキュレータ２５は、第１ポート２５ａに受けたマイクロ波を第２ポート２５ｂに出力し、第２ポート２５ｂに受けたマイクロ波を第３ポート２５ｃに出力するように構成されている。第１の導波管２１は、このサーキュレータ２５の第１ポート２５ａとマイクロ波生成部１６とを接続している。

第２の導波管２２は、例えば、矩形導波管であり、サーキュレータ２５の第２ポート２５ｂと後述のプラズマ生成部とを、モード変換器２７及び同軸導波管２８を介して接続している。第３の導波管２３は、例えば、矩形導波管であり、サーキュレータ２５の第３ポート２５ｃとダミーロード２４とを接続している。ダミーロード２４は、第３の導波管２３内を伝搬するマイクロ波を受けて、当該マイクロ波を吸収する。例えば、ダミーロード２４は、マイクロ波のエネルギーを熱に変換する。このダミーロード２４によれば、サーキュレータ２５の第３ポート２５ｃから第３の導波管２３内を伝搬するマイクロ波は、実質的に反射されることなく、当該ダミーロード２４によって吸収される。

チューナ２６は、第２の導波管２２に設けられている。チューナ２６は、可動板２６ａ及び可動板２６ｂを有している。可動板２６ａ及び可動板２６ｂの各々は、第２の導波管２２の内部空間に対するその突出量を調整可能なように構成されている。チューナ２６は、基準位置に対する可動板２６ａ及び可動板２６ｂの各々の突出位置を調整することにより、マイクロ波生成部１６のインピーダンスと負荷、例えば、処理容器１２のインピーダンスとを整合させる。

モード変換器２７は、第２の導波管２２からのマイクロ波のモードを変換して、モード変換後のマイクロ波を同軸導波管２８に供給する。同軸導波管２８は、外側導体２８ａ及び内側導体２８ｂを含んでいる。外側導体２８ａは、略円筒形状を有しており、その中心軸線は軸線Ｚに略一致している。内側導体２８ｂは、略円筒形状を有しており、外側導体２８ａの内側で延在している。内側導体２８ｂの中心軸線は、軸線Ｚに略一致している。この同軸導波管２８は、モード変換器２７からのマイクロ波をアンテナ１８に伝送する。

アンテナ１８は、誘電体窓２０の下面２０ａの反対側の面２０ｂ上に設けられている。アンテナ１８は、スロット板３０、誘電体板３２、及び、冷却ジャケット３４を含んでいる。

スロット板３０は、誘電体窓２０の面２０ｂ上に設けられている。このスロット板３０は、導電性を有する金属製であり、略円盤形状を有している。スロット板３０の中心軸線は軸線Ｚに略一致している。スロット板３０には、複数のスロット孔３０ａが形成されている。複数のスロット孔３０ａは、一例においては、複数のスロット対を構成している。複数のスロット対の各々は、互いに交差する方向に延びる略長孔形状の二つのスロット孔３０ａを含んでいる。複数のスロット対は、軸線Ｚ周りの一以上の同心円に沿って配列されている。また、スロット板３０の中央部には、後述する導管３６が通過可能な貫通孔３０ｄが形成される。

誘電体板３２は、スロット板３０上に設けられている。誘電体板３２は、石英といった誘電体材料から形成されており、略円盤形状を有している。この誘電体板３２の中心軸線は軸線Ｚに略一致している。冷却ジャケット３４は、誘電体板３２上に設けられている。誘電体板３２は、冷却ジャケット３４とスロット板３０との間に設けられている。

冷却ジャケット３４の表面は、導電性を有する。冷却ジャケット３４の内部には、流路３４ａが形成されている。この流路３４ａには、冷媒が供給されるようになっている。冷却ジャケット３４の上部表面には、外側導体２８ａの下端が電気的に接続されている。また、内側導体２８ｂの下端は、冷却ジャケット３４及び誘電体板３２の中央部分に形成された孔を通って、スロット板３０に電気的に接続されている。

同軸導波管２８からのマイクロ波は、誘電体板３２内を伝搬して、スロット板３０の複数のスロット孔３０ａから誘電体窓２０に供給される。誘電体窓２０に供給されたマイクロ波は、処理空間Ｓに導入される。この誘電体窓２０とアンテナ１８は、プラズマ生成部を構成している。

同軸導波管２８の内側導体２８ｂの内孔には、導管３６が通っている。また、上述したように、スロット板３０の中央部には、導管３６が通過可能な貫通孔３０ｄが形成されている。導管３６は、内側導体２８ｂの内孔を通って延在しており、ガス供給系３８に接続されている。

ガス供給系３８は、基板Ｗを処理するための処理ガスを導管３６に供給する。ガス供給系３８は、ガス源３８ａ、弁３８ｂ、及び流量制御器３８ｃを含み得る。ガス源３８ａは、処理ガスのガス源である。弁３８ｂは、ガス源３８ａからの処理ガスの供給及び供給停止を切り替える。流量制御器３８ｃは、例えば、マスフローコントローラであり、ガス源３８ａからの処理ガスの流量を調整する。

プラズマ処理装置１は、インジェクタ４１を更に備え得る。インジェクタ４１は、導管３６からのガスを誘電体窓２０に形成された貫通孔２０ｈに供給する。誘電体窓２０の貫通孔２０ｈに供給されたガスは、処理空間Ｓに供給される。そして、誘電体窓２０から処理空間Ｓに導入されるマイクロ波によって、当該処理ガスが励起される。これにより、処理空間Ｓ内でプラズマが生成され、当該プラズマからのイオン及び／又はラジカルといった活性種により、基板Ｗが処理される。

以下、高帯域マイクロ波を発生するマイクロ波生成部１６について詳細に説明する。図２は、図１に示すマイクロ波生成部、及び、当該マイクロ波生成部によって生成されるマイクロ波を導波する要素についての構成を示す図である。図３は、マイクロ波生成部における高帯域マイクロ波の生成原理を説明する図である。

図２に示すように、マイクロ波生成部１６は、発振部１６ａ及び増幅器１６ｂを有している。発振部１６ａは、例えば、基準周波数と位相を同期させたマイクロ波を発振することが可能なＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）発振器と、ＰＬＬ発振器に接続されたＩＱディジタル変調器とを有する。発振部１６ａは、ＰＬＬ発振器から発振されるマイクロ波の周波数を中心周波数に設定する。そして、発振部１６ａは、中心周波数であるマイクロ波の周波数を中心とする所定の周波数帯域に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の周波数成分をＩＱディジタル変調器を用いて生成する。これにより、発振部１６ａは、複数の周波数成分を有するマイクロ波を生成する。

発振部１６ａは、例えば、Ｎ個の複素データシンボルに対する逆離散フーリエ変換を行って連続信号を生成することにより、複数の周波数成分を有するマイクロ波を生成することが可能である。この信号の生成方法は、ディジタルテレビ放送等で用いられるＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）変調方式と同様の方法であり得る（例えば特許５３２０２６０号参照）。なお、マイクロ波生成部１６によって生成されるマイクロ波の中心周波数及び周波数帯域は、後述する主制御部１００によって制御される。

一例では、図３に示すように、発振部１６ａは、予めディジタル化された符号の列で表された波形データを有している。発振部１６ａは、この波形データを量子化し、かつ、逆フーリエ変換することで、ＩデータとＱデータとを分離する。そして、発振部１６ａは、Ｉデータ及びＱデータの各々を、Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ／Ａｎａｌｏｇ）変換して、二つのアナログ信号を得る。発振部１６ａは、これらアナログ信号を、低周波成分のみを通過させるＬＰＦ(ローパスフィルター）へ入力する。一方、ＰＬＬ発振器から発振される中心周波数（ｆｏ)のマイクロ波から、互いに９０°位相が異なるマイクロ波が生成される。発振部１６ａは、ＬＰＦから出力されるアナログ信号を用いて、互いに９０°位相が異なるマイクロ波を変調することによって、複数の周波数成分を有するマイクロ波、即ち、高帯域マイクロ波を生成する。高帯域マイクロ波は、例えば、２．４５ＧＨｚの中心周波数を有し、４０ＭＨｚの帯域幅内において１０ｋＨｚピッチの複数の周波数成分を有する。なお、隣り合う周波数成分の位相を直交の関係（９０°位相の異なる状態）に設定することで、最も近接した、多くの搬送波を配列することができる。

発振部１６ａの出力は、増幅器１６ｂの入力に接続されている。また、増幅器１６ｂの出力は第１の導波管２１に接続されている。増幅器１６ｂは、発振部１６ａから入力されるマイクロ波を増幅して、増幅されたマイクロ波を第１の導波管２１に供給する。

第１の導波管２１に供給されたマイクロ波、即ち進行波は、サーキュレータ２５及び第２の導波管２２を介してプラズマ生成部に供給される。一方、プラズマ生成部からのマイクロ波、即ち、反射波は、第２の導波管２２及びサーキュレータ２５を介してダミーロード２４に到達し、当該ダミーロード２４によって吸収される。このように、プラズマ処理装置１では、反射波が第１の導波管２１内に実質的に伝搬しないようになっており、また、進行波が第３の導波管２３内に実質的に伝搬しないようになっている。

第１の導波管２１には、第１の方向性結合器８０が設けられている。第１の方向性結合器８０には、第１の検出器８２が接続されている。第１の方向性結合器８０は、マイクロ波生成部１６からのマイクロ波、即ち進行波の一部を出力する。第１の検出器８２は、第１の方向性結合器８０から出力された上記進行波の一部のパワーを検出する。なお、マイクロ波生成部１６が発生するマイクロ波が高帯域マイクロ波である場合には、第１の検出器８２は、スペクトル検出器である。したがって、マイクロ波生成部１６が発生するマイクロ波が高帯域マイクロ波である場合には、第１の検出器８２は、上述した複数の周波数成分のパワー、即ち、進行波の周波数スペクトルを検出する。

図４は、第１の方向性結合器と第１の検出器を概略的に示す図である。図４に示すように、第１の方向性結合器８０は、導波管から構成されており、第１出力８０ａ及び第２出力８０ｂを有している。また、第１の方向性結合器８０は、一対の孔８０ｈを介して第１の導波管２１の内部空間と結合されている。これら一対の孔８０ｈの間の距離Ｌ１は、設計によって決定される固定の距離である。通常、距離Ｌ１は使用する周波数範囲の中心の周波数によって規定される波長λに基づいて設定される。例えば、距離Ｌ１は、λ／４である。ここで、「λ」は、マイクロ波生成部１６が単一の周波数のマイクロ波を発生する場合には、当該単一の周波数によって規定される波長である。また、「λ」は、マイクロ波生成部１６が高帯域マイクロ波を発生する場合には、上述した中心周波数（又は基準周波数）によって規定される波長である。

第１の方向性結合器８０では、マイクロ波生成部１６から第１の導波管２１及び一対の孔８０ｈのうち一方を介して第１出力８０ａに至る経路長とマイクロ波生成部１６から第１の導波管２１及び一対の孔８０ｈのうち他方を介して第１出力８０ａに至る経路長とは略同一の長さである。したがって、マイクロ波生成部１６から第１の導波管２１及び一対の孔８０ｈのうち一方を介して第１出力８０ａに向かうマイクロ波とマイクロ波生成部１６から第１の導波管２１及び一対の孔８０ｈのうち他方を介して第１出力８０ａに向かうマイクロ波は互いに強め合い、第１の導波管２１内を伝搬する進行波の一部として第１出力８０ａから出力される。

一方、サーキュレータ２５から第１の導波管２１及び一対の孔８０ｈのうち一方を介して第１出力８０ａに至る経路長とサーキュレータ２５から第１の導波管２１及び一対の孔８０ｈのうち他方を介して第１出力８０ａに至る経路長とは、λ／２の距離差を有する。したがって、第１の導波管２１内に反射波が伝搬したとしても、当該反射波は第１出力８０ａにおいて略打ち消される。

但し、マイクロ波生成部１６によって生成されるマイクロ波は、単一波長のマイクロ波であっても、ある程度の周波数幅を有する。また、マイクロ波生成部１６によって生成されるマイクロ波が高帯域マイクロ波である場合には、当該マイクロ波は複数の周波数成分を有する。また、第１の方向性結合器８０の一対の孔８０ｈの距離Ｌ１は、上述したように特定の周波数によって規定される波長λの１／４に設定されている。したがって、マイクロ波の周波数が特定の周波数（例えば、中心周波数）からずれている場合、マイクロ波が周波数幅を有する場合、又は、マイクロ波が高帯域マイクロ波である場合には、マイクロ波は、一対の孔８０ｈの距離Ｌ１を規定する波長からずれた波長の成分を有する。このため、第１の導波管２１内に反射波が伝搬すると、第１出力８０ａに向けて大きな反射波が伝搬するので、第１の方向性結合器８０は反射波を第１出力８０ａにおいて完全に打ち消すことはできない。

しかしながら、第１の導波管２１と第２の導波管２２との間にはサーキュレータ２５が設けられているので、反射波が第２の導波管２２から第１の導波管２１に伝搬することが抑制される。また、第２の導波管２２から第３の導波管２３に伝搬した反射波はダミーロードにおいて吸収されるので、反射波が第３の導波管２３から第１の導波管２１に伝搬することが抑制される。この第１の導波管２１に第１の方向性結合器８０が設けられており、当該第１の方向性結合器８０の第１出力８０ａに第１の検出器８２が接続されているので、第１の検出器８２は高精度に進行波のパワーを検出することができる。

再び図２を参照する。図２に示すように、第３の導波管２３には、第２の方向性結合器８４が設けられている。第２の方向性結合器８４には、第２の検出器８６が接続されている。第２の方向性結合器８４は、サーキュレータ２５の第３ポート２５ｃからダミーロード２４に向けて第３の導波管２３内を伝搬するマイクロ波、即ち反射波の一部を出力する。第２の検出器８６は、第２の方向性結合器８４から出力された上記反射波の一部のパワーを検出する。なお、マイクロ波生成部１６が発生するマイクロ波が高帯域マイクロ波である場合には、第２の検出器８６は、スペクトル検出器である。したがって、マイクロ波生成部１６が発生するマイクロ波が高帯域マイクロ波である場合には、第２の検出器８６は、上述した複数の周波数成分のパワー、即ち、反射波の周波数スペクトルを検出する。

図５は、第２の方向性結合器と第２の検出器を概略的に示す図である。図５に示すように、第２の方向性結合器８４は、導波管から構成されており、第１出力８４ａ及び第２出力８４ｂを有している。また、第２の方向性結合器８４は、一対の孔８４ｈを介して第３の導波管２３の内部空間と結合されている。これら一対の孔８４ｈの間の距離Ｌ２は、距離Ｌ１と同様に、設計によって決定される固定の距離である。通常、距離Ｌ２は使用する周波数範囲の中心の周波数によって規定される波長λに基づいて設定される。例えば、距離Ｌ２は、λ／４である。

第３の導波管２３内をダミーロード２４に向けて伝搬し一対の孔８４ｈのうち一方を介して第１出力８４ａに向かうマイクロ波と一対の孔８４ｈのうち他方を介して第１出力８４ａに向かうマイクロ波は互いに強め合い、第３の導波管２３内を伝搬する反射波の一部として第１出力８４ａから出力される。

また、第１の導波管２１からの進行波が第３の導波管２３内に伝搬することが、サーキュレータ２５によって抑制される。この第３の導波管２３に第２の方向性結合器８４が設けられており、当該第２の方向性結合器８４の第１出力８４ａに第２の検出器８６が接続されているので、第２の検出器８６は高精度に反射波のパワーを検出することができる。

図２に示すように、プラズマ処理装置１は、制御部９０を更に備えている。制御部９０は、第１の検出器８２、第２の検出器８６、マイクロ波生成部１６、及び、チューナ２６に接続されている。この制御部９０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）といったプロセッサ及び記憶部を備え得る。制御部９０は、記憶部に記憶されたプログラムをプロセッサによって実行して、マイクロ波生成部１６及びチューナ２６を制御する。具体的に、制御部９０は、第１の検出器８２によって検出された進行波のパワー（又は進行波の周波数スペクトル）、及び、第２の検出器８６によって検出された反射波のパワー（又は反射波の周波数スペクトル）に応じて、マイクロ波生成部１６によって生成されるマイクロ波のパワーを制御する。また、制御部９０は、第２の検出器８６によって検出された反射波のパワー（又は反射波の周波数スペクトル）に応じて、反射波を抑制するよう、チューナ２６を制御する。具体的には、制御部９０は、可動板２６ａ及び可動板２６ｂの各々の突出位置を調整するよう、チューナ２６を制御する。

また、図１に示すように、プラズマ処理装置１は、主制御部１００を更に備えている。主制御部１００は、プラズマ処理装置１の各部を統括制御する。主制御部１００は、ＣＰＵといったプロセッサ、ユーザインタフェース、及び、記憶部を備え得る。

プロセッサは、記憶部に記憶されたプログラム及びプロセスレシピを実行することにより、マイクロ波生成部１６、ステージ１４、ガス供給系３８、排気装置５６等の各部を統括制御する。

ユーザインタフェースは、工程管理者がプラズマ処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボード又はタッチパネル、プラズマ処理装置１の稼働状況等を可視化して表示するディスプレイ等を有している。

記憶部には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理をプロセッサの制御によって実現するための制御プログラム（ソフトウエア）、及び、処理条件データ等を含むプロセスレシピ等が保存されている。プロセッサは、ユーザインタフェースからの指示等、必要に応じて、各種の制御プログラムを記憶部から呼び出して実行する。このようなプロセッサの制御下で、プラズマ処理装置１において所望の処理が実行される。

かかるプラズマ処理装置１によれば、進行波のパワーの高い検出精度を有しており、また、反射波のパワーの高い検出精度を有している。このように高い精度で検出される進行波のパワー及び反射波のパワーに応じて、マイクロ波生成部１６及びチューナ２６が制御されるので、プラズマを安定して生成することができ、また、マイクロ波生成部１６によって生成されるマイクロ波をプラズマの生成において効率的且つ十分に利用することができる。

なお、第１の方向性結合器８０及び第２の方向性結合器８４は、特定の周波数（即ち、波長λ）の進行波と反射波を分離するように構成されている。換言すると、第１の方向性結合器８０及び第２の方向性結合器８４は、特定の周波数（即ち、波長λ）とは異なる周波数の進行波と反射波を完全に分離することはできない。したがって、第１の導波管２１に第１の方向性結合器８０を設け、第３の導波管２３に第２の方向性結合器８４を設けた上述の構成は、マイクロ波生成部１６が高帯域マイクロ波を生成する場合に、特に有効である。

また、プラズマ処理装置１では、大きな反射波が発生するプラズマ処理を行っても、進行波と反射波が相関しあわない。即ち、プラズマ処理装置１では、第１の検出器８２において検出される進行波のパワーに、反射波の影響が略含まれず、第２の検出器８６において検出される反射波のパワーに進行波の影響が略含まれない。したがって、プラズマ処理装置１は、特開２０１４−１５４４２１号公報（特願２０１３−０２４１４５号）に記載されたロード制御の実施に有効である。具体的に、プラズマ処理装置１では、第１の検出器８２において検出された進行波のパワーに、第２の検出器８６において検出された反射波のパワーに基づいて算出されたパワー（例えば、反射波のパワー）を足し合わせたパワーに応じて、負荷に供給されるマイクロ波のパワーを一定に保つよう、マイクロ波生成部１６を制御することができる。

以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、上述したアンテナ１８は単なる一例であり、任意のアンテナによってマイクロ波を生成するプラズマ処理装置において、進行波のパワーの検出及び反射波のパワーの検出のための開示された構成を利用することが可能である。

また、マイクロ波生成部１６が発生するマイクロ波が高帯域マイクロ波である場合に、第１の検出器８２及び第２の検出器８６はスペクトル検出器であるものと説明したが、第１の検出器８２及び第２の検出器８６は、周波数スペクトルを積分するように構成されていてもよい。

１…プラズマ処理装置、１２…処理容器、１４…ステージ、１６…マイクロ波生成部、１８…アンテナ、２０…誘電体窓、２１…第１の導波管、２２…第２の導波管、２３…第３の導波管、２４…ダミーロード、２５…サーキュレータ、２６…チューナ、８０…第１の方向性結合器、８２…第１の検出器、８４…第２の方向性結合器、８６…第２の検出器、９０…制御部、１００…主制御部。

Claims (2)

1. 処理容器と、
   マイクロ波を発生するマイクロ波生成部と、
   前記マイクロ波を用いて前記処理容器内においてプラズマを生成するプラズマ生成部と、
   第１ポート、第２ポート、及び第３ポートを有し、前記第１ポートに受けたマイクロ波を前記第２ポートから出力し、前記第２ポートに受けたマイクロ波を前記第３ポートから出力するよう構成されたサーキュレータと、
   前記マイクロ波生成部と前記第１ポートとを接続する第１の導波管と、
   前記第２ポートと前記プラズマ生成部とを接続する第２の導波管と、
   前記第３ポートとダミーロードの間に設けられた第３の導波管と、
   前記第１の導波管に設けられた第１の方向性結合器であり、前記マイクロ波生成部から前記第１ポートに伝搬するマイクロ波の一部を出力する該第１の方向性結合器と、
   前記第１の方向性結合器に接続された第１の検出器であり、前記第１の方向性結合器から出力される前記マイクロ波の前記一部のパワーを検出する該第１の検出器と、
   前記第３の導波管に設けられた第２の方向性結合器であり、前記第３ポートから前記ダミーロードに伝搬するマイクロ波の一部を出力する該第２の方向性結合器と、
   前記第２の方向性結合器に接続された第２の検出器であり、前記第２の方向性結合器から出力される前記マイクロ波の前記一部のパワーを検出する該第２の検出器と、
   を備えるプラズマ処理装置。
2. 前記マイクロ波生成部は、前記マイクロ波として、所定の周波数帯域に属する周波数であって互いに異なる該周波数をそれぞれ有する複数の周波数成分を含むマイクロ波を発生する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。