JP2022051175A - チューナおよびインピーダンス整合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部材の機械的消耗が生じ難くかつインピーダンス整合速度が速いチューナおよびインピーダンス整合方法を提供する。【解決手段】電源部からの電磁波を負荷に供給する電磁波伝送路の一部を構成し、電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させるチューナ６０は、筒状をなす内側導体５３、および、内側導体５３の外側に同軸状に設けられた筒状をなす外側導体５２を有する同軸線路５１と、同軸線路５１の内側導体５３と外側導体５２の間の空間に設けられ、環状をなし、誘電率が変化可能な第１の誘電率変化材７１と、同軸線路の線路長方向に第１の誘電率変化材から間隔をおいて設けられるとともに、同軸線路の内側導体と外側導体の間の空間に設けられ、環状をなし、誘電率が変化可能な第２の誘電率変化材７２と、第１の誘電率変化材に給電するための第１の給電部７３と、第２の誘電率変化材に給電するための第２の給電部７４とを有する。【選択図】図４

Description

本開示は、チューナおよびインピーダンス整合方法に関する。

半導体ウエハに対する処理としてプラズマ処理が多用されている。プラズマ処理を行う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生成可能なマイクロ波プラズマが注目されている。マイクロ波プラズマを用いたプラズマ処理装置として、特許文献１には、マイクロ波を複数に分配した状態で出力するマイクロ波出力部と、複数に分配されたマイクロ波をチャンバ内に導く複数のアンテナモジュールとを有するものが記載されている。そして、各アンテナモジュールは、マイクロ波を増幅するアンプ部と、増幅されたマイクロ波をチャンバ内に放射するアンテナ部と、マイクロ波伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナとを有している。特許文献１では、チューナとして、マイクロ波の伝送路をスラグが移動してインピーダンス整合を行うスラグチューナが用いられている。

国際公開第２００８／０１３１１２号

本開示は、部材の機械的消耗が生じ難くかつインピーダンス整合速度が速いチューナおよびインピーダンス整合方法を提供する。

本開示の一態様に係るチューナは、電源部からの電磁波を負荷に供給する電磁波伝送路の一部を構成し、電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させるチューナであって、筒状をなす内側導体、および、前記内側導体の外側に同軸状に設けられた筒状をなす外側導体を有する同軸線路と、前記同軸線路の前記内側導体と前記外側導体の間の空間に設けられ、環状をなし、誘電率が変化可能な第１の誘電率変化材と、前記同軸線路の線路長方向に前記第１の誘電率変化材から間隔をおいて設けられるとともに、前記同軸線路の前記内側導体と前記外側導体の間の空間に設けられ、環状をなし、誘電率が変化可能な第２の誘電率変化材と、前記第１の誘電率変化材に給電するための第１の給電部と、前記第２の誘電率変化材に給電するための第２の給電部と、を有する。

本開示によれば、部材の機械的消耗が生じ難くかつインピーダンス整合速度が速いチューナおよびインピーダンス整合方法が提供される。

第１の実施形態におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置に用いられるプラズマ源の構成を示すブロック図である。 プラズマ源における電磁波供給部を模式的に示す平面図である。 第１の実施形態に用いる電磁波供給機構（チューナ）を示す断面図である。 第１の誘電率変化材および第２の誘電率変化材に給電する他の給電手法を示す断面図である。 インピーダンス整合を説明するためのスミスチャートを示す図である。 第２の誘電率変化材７２と遅波材８２との間の間隔ｄ２が１０ｍｍの場合と３４ｍｍの場合のスミスチャート上の整合範囲を示す図である。 第１の実施形態のチューナを用いたインピーダンス整合の例を示す図である。 ネマティック液晶を用いた第１の誘電率変化材を示す断面図である。 第１の誘電率変化材にネマティック液晶を用いた場合の電圧印加による配向性の変化とその際の誘電率を示す図である。 第２の実施形態に用いるチューナを示す断面図である。

以下、添付図面を参照して実施形態について具体的に説明する。

＜第１の実施形態＞
最初に第１の実施形態について説明する。

［プラズマ処理装置］
図１は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用いられるプラズマ源の構成を示すブロック図、図３はプラズマ源における電磁波供給部を模式的に示す平面図である。

プラズマ処理装置１００は、電磁波（マイクロ波）によってプラズマ（主に表面波プラズマ）を形成し、形成された表面波プラズマにより基板Ｗに対してプラズマ処理、例えばＡＬＤ等の成膜処理やエッチング処理を施すものである。基板Ｗとしては典型例として半導体ウエハを挙げることができるが、これに限らず、ＦＰＤ基板やセラミックス基板等の他の基板であってよい。

チャンバ１内にはウエハＷを水平に支持するステージ１１が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを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。ステージ１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面を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、ステージ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、基板Ｗの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、および基板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、ステージ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からステージ１１に高周波電力が供給されることにより、基板Ｗ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。

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内のガスが排出され、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、基板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。

チャンバ１の上部には、リング状のガス導入部材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。このガス導入部材２６には、プラズマ生成ガスや処理ガス等のガスを供給するガス供給源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ガス等の希ガスを好適に用いることができる。また、処理ガスは、プラズマ処理の種類に応じて適宜選択される。

チャンバ１の上方には、チャンバ１内に電磁波を放射してその電界によりプラズマを形成するプラズマ源２が設けられている。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生成ガスは、プラズマ源２からチャンバ１内に導入された電磁波によりプラズマ化される。また、ガス導入部材２６から処理ガスを導入すると、プラズマ生成ガスのプラズマにより、処理ガスが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基板Ｗにプラズマ処理が施される。

プラズマ処理装置１００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２００により制御されるようになっている。制御部２００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を制御するようになっている。

［プラズマ源］
次に、プラズマ源２について説明する。
プラズマ源２は、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９により支持された円板状をなす板状部材１１０を有しており、支持リング２９と板状部材１１０との間はシールリングを介して気密にシールされている。板状部材１１０は、チャンバ１の天壁としても機能する。図２に示すように、プラズマ源２は、複数経路に分配して電磁波を出力する電磁波出力部３０と、電磁波波出力部３０から出力された電磁波を伝送しチャンバ１内に供給するための電磁波供給部４０とを有している。

電磁波出力部３０は、電源３１と、電磁波発振器３２と、発振された電磁波を増幅するアンプ３３と、増幅された電磁波を複数に分配する分配器３４とを有している。

電磁波発振器３２は、特定の周波数（例えば８６０ＭＨｚ）の電磁波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、電磁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で増幅された電磁波を分配する。電磁波の周波数としては、ＶＨＦ帯およびマイクロ波帯の範囲、具体的には、３０ＭＨｚ～３ＴＨｚの範囲を用いることができる。

電磁波供給部４０は、分配器３４にて分配された電磁波を主に増幅する複数のアンプ部４２と、複数のアンプ部４２のそれぞれに接続された電磁波供給機構４１とを有している。

電磁波供給機構４１は、例えば図３に示すように、板状部材１１０上に、円周状に６個およびその中心に１個、合計７個配置されている。板状部材１１０は、金属製のフレーム１１０ａと、そのフレーム１１０ａに嵌め込まれ、電磁波供給機構４１の一部を構成する電磁波透過窓１１０ｂとを有している。なお、電磁波供給機構４１については、後で詳細に説明する。

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。

位相器４６は、電磁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、各アンプ部４２の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、隣り合うアンプ部４２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は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力する電磁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をアンプ部４２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。

アイソレータ４９は、電磁波供給機構４１で反射してメインアンプ４８に向かう反射電磁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、後述する電磁波供給機構４１のアンテナ部４５で反射した電磁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電磁波を熱に変換する。

［電磁波供給機構］
図４は電磁波供給機構を示す断面図である。電磁波供給機構４１は、アンプ部４２から供給された電磁波をチャンバ１内に供給するものである。電磁波供給機構４１は、図４に示すように、チューナ６０と、アンテナ部４５とを有する。

チューナ６０は、同軸線路５１と、第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２と、第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２の各々に接続された給電部７３および７４とを有する。チューナ６０の詳細については後述する。

同軸線路５１は、アンプ部４２から供給された電磁波を伝送するものであり、円筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた円筒状の内側導体５３が同軸状に配置されて構成されている。同軸線路５１の先端にアンテナ部４５が設けられている。同軸線路５１は、内側導体５３が給電側、外側導体５２が接地側となっている。同軸線路５１の上端は反射板５８となっている。

同軸線路５１の基端側には、電磁波を同軸線路５１内に給電する給電ポート５４が設けられている。給電ポート５４には、アンプ部４２から増幅された電磁波を供給するための給電線５６が接続されている。給電線５６は、内側導体５６ａおよび外側導体５６ｂからなる同軸構造を有している。本例では、給電ポート５４は、給電線５６の内側導体５６ａの先端に設けられた給電アンテナ９０を有している。給電アンテナ９０は、同軸線路５１の外側導体５２と内側導体５３との間にリング状に設けられたアンテナ本体９４と、アンテナ本体９４と給電線５６の内側導体５６ａとを接続する第１の極９２と、アンテナ本体９４と同軸線路５１の内側導体５３とを接続する第２の極９３とを有する。

給電アンテナ９０が電磁波を放射することにより、外側導体５２と内側導体５３との間の空間に給電され、アンテナ部４５に向かって電磁波が伝播する。給電アンテナ９０から放射される電磁波を反射板５８により反射させることで、最大の電磁波が同軸線路５１内に伝送される。

電磁波の周波数が８６０ＭＨｚの場合、図示するように、反射板５８から給電アンテナ９０までの間には、誘電体からなる遅波材５９を設けることが好ましい。電磁波の周波数が２．４５ＧＨｚ等と高い場合には、遅波材５９は設けなくてもよい。

アンテナ部４５は、同軸線路５１の先端部に配置されており、平面スロットアンテナ８１と、遅波材８２と、電磁波透過窓１１０ｂとを有している。平面スロットアンテナ８１は、平面状をなし、電磁波を放射するスロット８１ａを有する。遅波材８２は誘電体からなり、平面スロットアンテナ８１の裏面（上面）に設けられている。遅波材８２の中心には内側導体５３に接続された導体からなる円柱部材８２ａが貫通し、円柱部材８２ａは平面スロットアンテナ８１に接続されている。平面スロットアンテナ８１は、同軸線路５１の外側導体５２よりも大径の円板状をなしている。外側導体５２の下端は平面スロットアンテナ８１まで延びており、遅波材８２および平面スロットアンテナ８１の周囲は外側導体５２で覆われている。電磁波透過窓１１０ｂは上述したように、板状部材１１０のフレーム１１０ａに嵌め込まれており、平面スロットアンテナ８１の先端に設けられている。

平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａからは、同軸線路５１を伝送された電磁波が放射される。スロット８１ａの個数、配置、形状は、電磁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８１ａには誘電体が挿入されていてもよい。

遅波材８２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いる。遅波材８２は、電磁波の波長を真空中よりも短くしてアンテナを小さくする機能を有している。遅波材８２は、その厚さにより電磁波の位相を調整することができ、平面スロットアンテナ８１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８１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。

電磁波透過窓１１０ｂは誘電体で構成され、平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａから放射された電磁波をチャンバ１へ透過する。電磁波透過窓１１０ｂは、遅波材８２と同様の誘電体で構成することができる。

［チューナ］
次に、チューナ６０について詳細に説明する。
チューナ６０は、電磁波伝送路の一部を構成し、電源側（伝送ケーブル等）のインピーダンスと、負荷側（プラズマ等）のインピーダンスを整合させるものである。すなわち、電源側は通常５０Ωの純抵抗出力になるように設計されるため、チューナ６０は、チューナ６０を含めた負荷側のインピーダンスが５０Ωになるように調整する。これにより、反射がなく効率の良い電力供給を行うことができる。

チューナ６０は、上述したように、同軸線路５１と、誘電率が変化可能な第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２と、第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２の各々に給電する第１の給電部７３および第２の給電部７４とを有する。第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２は、第１の給電部７３および第２の給電部７４からの給電を調整し、印加される電界を変化させることにより誘電率が変化する。

同軸線路５１は、円筒状の内側導体５３と円筒状の外側導体５２が同軸状に形成されているため、内側導体５３と外側導体５２との間の空間の断面は円環状をなしている。第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２は、同軸線路５１の水平断面において内側導体５３および外側導体５２の間の空間を埋めるように設けられており、円環状をなしている。また、第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２は、同軸線路５１の線路長方向に間隔をおいて設けられている。

第１の給電部７３は、第１の誘電率変化材７１に電界を印加するためのものであり、可変直流電源７５と給電線７７とを有し、可変直流電源７５からの電圧を第１の誘電率変化材７１に印加する。第２の給電部７４は、第２の誘電率変化材７２に電界を印加するためのものであり、可変直流電源７６と給電線７８とを有し、可変直流電源７６からの電圧を第２の誘電率変化材７２に印加する。具体的には、給電線７７は、可変直流電源７５の正極から内側導体５３の内部を介して第１の誘電率変化材７１の内側部分に接続されるとともに、可変直流電源７５の負極から第１の誘電率変化材７１の外側部分に接続される。給電線７８は、可変直流電源７６の正極から内側導体５３の内部を介して第２の誘電率変化材７２の内側部分に接続されるとともに、可変直流電源７６の負極から第２の誘電率変化材７２の外側部分に接続される。

また、第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２への給電は、例えば図５に示すように、内側導体５３および外側導体５２を介して行ってもよい。その場合は、内側導体５３は、第１の誘電率変化材７１に対応する部分と第２の誘電率変化材７２に対応する部分とを絶縁部材７９により絶縁するように構成され、外側導体５２が接地されるようにする。

このように、電磁波の伝送路に第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２を設け、これらの誘電率を変化させることにより、チューナ６０を含めた負荷側のインピーダンスを調整して、電源側のインピーダンスと、負荷側のインピーダンスを整合させることができる。このとき、第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２の厚さは、これらの最大誘電率での実効波長をλ_effとすると、λ_eff／４であることが好ましい。ただし、これらの厚さは厳密にλ_eff／４でなくてもよく約λ_eff／４であればよい。

このときのインピーダンスの整合の状態はスミスチャートで表すことができる。スミスチャートは、図６に示すような、複素インピーダンスを表す円形の図であり、横軸がインピーダンスの実数（抵抗）成分、縦軸がインピーダンスの虚数（リアクタンス）成分を示す。図の中心（原点）は、負荷側のインピーダンスが電源側のインピーダンスに整合された整合点である。負荷側のインピーダンスは、スミスチャートのいずれかの位置に存在し、図６には、負荷側のインピーダンスの整合範囲Ｒの例を示している。本実施形態のように誘電率変化材を用いてインピーダンス整合を行う場合は、図示するように整合範囲Ｒがいびつな形状ではあるが、その範囲でインピーダンス整合が可能である。

整合範囲を十分に確保する観点から、第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２の間の間隔ｄ１は、自由空間波長をλ_０とすると、λ_０／１６～λ_０／４の範囲であることが好ましい。

第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２は間隔ｄ１を保ったまま位置調整が可能となっている。このように位置調整して所望の位置に固定することにより、整合範囲Ｒをシフトさせることができ、仕様に応じて整合範囲Ｒを調整することができる。具体的には、図７に示すように、第２の誘電率変化材７２と遅波材８２との間の間隔ｄ２を変化させることにより、スミスチャート上の整合範囲Ｒを回転させることができる。図７の（ａ）はｄ２＝１０ｍｍの場合であり、（ｂ）はｄ２＝３４ｍｍの場合である。

図８はチューナ６０を用いたインピーダンス整合の例を示す図である。ここでは、プラズマ源２から電磁波（周波数が例えば８６０ＭＨｚ）を供給した際の第１の誘電率変化材７１の誘電率ε_ｒ１、第２の誘電率変化材７２の誘電率ε_ｒ２がいずれも、例えば５～１５の範囲で変化可能に設けられている。また、第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２の厚さはλ_eff／４であり、これらの間の間隔ｄ１はλ_０／１２であり、ｄ２の距離は１０ｍｍである。スミスチャート上の初期の負荷インピーダンスの位置が星印で示されており、最初にε_ｒ２を１２から５に変化させ、次いでε_ｒ１を１１から５に変化させることによりインピーダンスが整合点に至る。このように、第２の誘電率変化材７２の誘電率を変化させてから第１の誘電率変化材７１の誘電率を変化させるというように、一方の誘電率変化材の誘電率を変化させた後、他方の誘電率変化材を変化させて整合させてもよいが、これらの誘電率を交互に複数回変化させて整合させてもよい。また、これらを複合させてもよく、例えば、一方の誘電率変化材の誘電率を変化させた後、他方の誘電率変化材の誘電率を変化させて整合点に近づけた後、各誘電率変化材の誘電率を交互に変化させて整合させてもよい。

第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２は、同じ材料であっても異なる材料であってもよい。第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２としては、例えば、ネマティック液晶を用いることができる。ネマティック液晶は、棒状分子の長軸の方向（双極子の方向）が一定の方向に配向し、一軸異方性を有しているが、層を形成しておらず、分子重心位置に規則性がない液晶である。それぞれの分子は長軸方向に動きやすいので粘性が小さく流動性に富んでおり、電界や磁界によって配向を高速で変化させることができる。そして、棒状分子が一軸異方性を有することにより、周波数が３０ＭＨｚ～３ＴＨｚの範囲における誘電率も以下の（１）式に示すような一軸異方性を有し、実効誘電率ε_effは（２）式に示すような値となる。

そして、上記のように配向が高速で変化することにともなって、誘電率も高速で変化するため、誘電率の変化によるインピーダンス整合を高速で行うことができる。ネマティック液晶は、上記のように粘性が小さく流動性に富んでおり、高速応答性を有することから、従来ディスプレイ装置に広く用いられているが、インピーダンス整合に適用された例は存在しない。

ネマティック液晶となり得る材料としては、アゾ化合物、アゾキシ化合物、アゾメチン化合物、ビフェニル化合物、フェニルシクロヘキサン化合物、エステル化合物、ピリミジン化合物等を挙げることができる。具体例としては、ｐ－アゾキシアニソール、メトキシ（ブチル）アゾキシベンゼン、ｐ－メトキシベンジリデン－ｐ－ブチルアニリン等を挙げることができる。

図９は、ネマティック液晶を用いた第１の誘電率変化材７１を示す断面図である。本例では、第１の誘電率変化材７１は、絶縁体で形成されたケーシング１７１の中にネマティック液晶１２１が封入されて構成されている。ケーシング１７１の外側の外側導体５２に接触する部分には第１電極１７２が形成され、ケーシング１７１の内側の内側導体５３に接触する部分には第２電極１７３が形成されている。そして、第１電極１７２および第２電極１７３の間に電圧が印加される。

図１０は、第１の誘電率変化材７１にネマティック液晶を用いた場合の電圧印加による配向性の変化とその際の誘電率を示す図である。図中７８はスイッチである。また、誘電率ε_ｒ１は、プラズマ源２から電磁波（周波数が例えば８６０ＭＨｚ）の電磁波を供給した場合の実効誘電率である。図１０（ａ）は電圧を印加していない状態であり、ネマティック液晶１２１の分子の双極子の方向が垂直方向になるようにアンカリングされている。このときの誘電率ε_ｒ１は１５である。図１０（ｂ）は電圧を印加してネマティック液晶１２１の双極子の方向を４５°に配向させた状態であり、誘電率ε_ｒ１は１０である。図１０（ｃ）はさらに大きな電圧を印加してネマティック液晶１２１の双極子の方向を電圧印加方向に平行に配向させた状態であり、誘電率ε_ｒ１は５である。このように、ネマティック液晶は、電圧（電界）により双極子の方向を制御することで実効誘電率を調整することができる。

［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、基板Ｗをチャンバ１内に搬入し、ステージ１１上に載置する。そして、ガス供給源２７から配管２８およびガス導入部材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、プラズマ源２から電磁波をチャンバ１内に導入してその電界によりプラズマを形成する。

プラズマが形成された後、処理ガスをガス供給源２７から配管２８およびガス導入部材２６を介してチャンバ１内に吐出する。吐出された処理ガスは、プラズマ生成ガスの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基板Ｗに成膜やエッチング等のプラズマ処理が施される。

上記プラズマを生成するに際し、プラズマ源２では、電磁波出力部３０の発振器３２から発振された電磁波はアンプ３３で増幅された後、分配器３４により複数に分配され、分配された電磁波は電磁波供給部４０へ導かれる。電磁波供給部４０においては、このように複数に分配された電力は、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、電磁波供給機構４１に給電される。そして、電磁波供給機構４１に給電された電磁波は平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａから放射され、電磁波透過窓１１０ｂを透過してチャンバ１内に至り空間合成される。チャンバ１内に供給された電磁波の電界によりプラズマを生成した後、平面スロットアンテナ８１から放射された電磁波は継続的にプラズマに供給される。

電磁波供給機構４１への電磁波の給電は、同軸線５６を介して同軸線路５１の側面から行われる。すなわち、給電線５６から伝播してきた電磁波が、同軸線路５１の側面に設けられた給電ポート５４の給電アンテナ９０から電磁波伝送路の一部であり、チューナ６０の構成要素である同軸線路５１に給電される。給電アンテナ９０は同軸線路５１の内部で電磁波を放射し、定在波を形成する。この定在波により内側導体５３の外壁に沿って誘導磁界が生じ、それに誘導されて誘導電界が発生するので、これらの連鎖作用により、電磁波が同軸線路５１内を伝播し、アンテナ部４５へ導かれる。ただし、これは一例であって給電方法はこれに限るものではない。

このとき、チューナ６０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、電磁波がチャンバ１内のプラズマに供給される。すなわち、電源３１からの電磁波を、電力反射が実質的に存在しない状態で、効率良くチャンバ１内のプラズマへ供給するために、チューナ６０により電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合する。

この際のインピーダンス整合方法は以下の通りである。
上記のように、電磁波伝送路の一部を構成するようにチューナ６０を設けた状態で、まず、第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２の間隔ｄ１を保ったまま位置調整し、調整した位置に固定する。これにより、仕様に応じて整合範囲を調整することができる。具体的には、第２の誘電率変化材７２と遅波材８２との間の間隔ｄ２を調整する。

次いで、調整された整合範囲内で第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２の誘電率を変化させ、インピーダンスを整合させる。具体的には、上述した図８に示すように、一方の誘電率変化材の誘電率を変化させた後、他方の誘電率変化材の誘電率を変化させる、これらの誘電率を交互に複数回変化させる、またはこれらを複合させることにより、インピーダンスがスミスチャート上の整合点に至るようにする。

従来、チューナによるインピーダンス整合は、特許文献１に記載されているように、伝送路の一部である同軸線路を誘電体からなる２つのスラグが移動することにより行われていた。このような動作によりインピーダンス整合を行う場合、機械駆動部が必要であるため部材の消耗が生じ、メンテナンス周期が短くなってしまう。また、機械的駆動の場合、インピーダンス整合時間が１ｓｅｃ程度と整合速度が遅く、プラズマ発生時のインピーダンス変化に追従することが困難な場合がある。特に、プラズマＡＬＤでは、ｍｓｅｃオーダー、μｓｅｃオーダーの極めて短い整合時間が要求され、従来のチューナでは対応できなかった。このため、プラズマ発生時の電力反射を有効に防止できず、パワー効率が十分ではなかった。

これに対し、本実施形態においては、チューナ６０として、電磁波伝送路の一部である同軸線路５１に第１の誘電率変化部材７１および第２の誘電率変化部材７２を設けたものを用い、これらの誘電率を調整することによりインピーダンス整合を行う。このため、機械駆動部を用いることなくインピーダンス整合を行うことができるので、部材の機械的消耗が生じ難く、かつ、誘電率を変化させるだけなので整合速度が速い。

特に、第１の誘電率変化材７１および第２の誘電率変化材７２としてネマティック液晶を用いる場合には、粘性が小さく流動性に富んでおり、棒状分子の長軸方向（双極子の方向）の配向を電界等によって高速で変化させることができる。このため、高速で誘電率を変化させることができ、インピーダンス整合を高速で行うことができる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態において、プラズマ処理装置の基本構成は第１の実施形態と同じであるが、チューナの構成のみが異なっている。

図１１は、第２の実施形態のチューナの主要部を示す断面図である。本実施形態において、チューナ２６０は、同軸線路５１と、第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２と、第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２にそれぞれ設けられた第１の温調部２８１および第２の温調部２８３とを有する。同軸線路５１は第１の実施形態と同じであり、円筒状の外側導体５２と円筒状の内側導体５３とを有している。

第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２としては、透磁率が変化する材料、例えばフェライトのような磁性体を用いることができる。フェライトのような磁性体は、温度を変化させることにより透磁率が変化する。第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２は、同じ材料であっても異なる材料であってもよい。

第１の温調部２８１および第２の温調部２８３は、ペルチェ素子等の温調素子で構成され、それぞれ、第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２の内周面および外周面に設けられている。第１の温調部２８１と外側導体５２および内側導体５３との間は、熱絶縁部材２８２で熱的に絶縁されている。また、第２の温調部２８３と外側導体５２および内側導体５３との間は、熱絶縁部材２８４で熱的に絶縁されている。

第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２は円環状をなしている。第１の透磁率変化材２７１に第１の温調部２８１および熱絶縁部材２８２を設けた構造体、および第２の透磁率変化材２７２に第２の温調部２８３および熱絶縁部材２８４を設けた構造体も円環状をなしている。これら構造体は同軸線路５１の水平断面において内側導体５３および外側導体５２の間の空間を埋めるように設けられている。

第１の給電部２９１から第１の温調部２８１に給電することにより、第１の透磁率変化材２７１の温調が可能となっている。第１の給電部２９１は、互いに反対向きに並列に設けられた２つの電源２９３ａおよび２９３ｂと、これらをオンオフするスイッチ２９４ａおよび２９４ｂとを有する。電源２９３ａおよび２９３ｂを切り替えて電流の向きを変更することにより、第１の温調部２８１の加熱・冷却を切り替えることができる。同様に、第２の給電部２９２から第２の温調部２８３に給電することにより、第２の透磁率変化材２７２の温調が可能となっている。第２の給電部２９２は、互いに反対向きに並列に設けられた２つの電源２９５ａおよび２９５ｂと、これらをオンオフするスイッチ２９６ａおよび２９６ｂとを有する。電源２９５ａおよび２９５ｂを切り替えて電流の向きを変更することにより、第２の温調部２８３の加熱・冷却を切り替えることができる。

このように、電磁波の伝送路に第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２を設け、これらの透磁率を変化させることにより、インピーダンスを調整して、電源側のインピーダンスと、負荷側のインピーダンスを整合させることができる。このとき、第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２の厚さは、これらの最大透磁率での実効波長をλ_effとすると、λ_eff／４であることが好ましい。ただし、これらの厚さは厳密にλ_eff／４でなくてもよく約λ_eff／４であればよい。

整合範囲を十分に確保する観点から、第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２の間の間隔ｄ３は、自由空間波長をλ_０とすると、λ_０／１６～λ_０／４の範囲であることが好ましい。また、第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２は間隔ｄ３を保ったまま、位置調整が可能となっている。このように位置調整して所望の位置に固定することにより、整合範囲をシフトさせることができ、仕様に応じて整合範囲を調整することができる。具体的には、第２の透磁率変化材２７２と遅波材８２との間の間隔ｄ４を変化させることにより、スミスチャート上の整合範囲を回転させることができる。

実際のインピーダンス整合においては、まず、第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２の間隔ｄ３を保ったまま位置調整し、調整した位置に固定する。これにより、仕様に応じて整合範囲を調整することができる。具体的には、第２の透磁率変化材２７２と遅波材８２との間の間隔ｄ４を調整する。

次いで、調整された整合範囲内で第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２の透磁率を変化させ、インピーダンスを整合させる。具体的には、上述した第１の実施形態の図８において誘電率を変化させる場合と同様に、各透磁率変化材の透磁率を独立で変化させる、交互に変化させる、またはこれらを複合させることにより、インピーダンスがスミスチャート上の整合点に至るようにする。

以上のように、本実施形態においては、チューナ２６０として、電磁波伝送路の一部である同軸線路５１に第１の透磁率変化材２７１および第２の透磁率変化材２７２を設けたものを用い、これらの透磁率を調整することによりインピーダンス整合を行う。このため、機械駆動部を用いることなくインピーダンス整合を行うことができるので、部材の機械的消耗が生じ難い。また、本実施形態では、第１および第２の温調部２８１および２８３により第１および第２の透磁率変化材２７１および２７２の温度を変化させて透磁率を変化させるので、原理的に第１の実施形態の誘電率変化よりもインピーダンス整合の速度が遅い。しかし、従来の機械的駆動の場合よりもインピーダンス整合速度を速くすることは可能である。

＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

例えば上記実施形態では、複数の電磁波供給機構を設けた例を示したが、電磁波供給機構が一つの場合であってもよい。また、上記実施形態では、同軸線路の内側導体および外側導体が円筒状で、第１および第２の誘電体変化材、第１および第２の透磁率変化材の形状が円環状の例について示した。しかし、内側導体および外側導体は筒状であればその断面形状は多角形等の他の形状でもよく、また第１および第２の誘電体変化材、第１および第２の透磁率変化材の形状は環状であれば多角形等の他の形状であってもよい。さらに、誘電体変化材、透磁率変化材を２つ設けた例を示したが、これらは３つ以上であってもよい。

さらにまた、上記実施形態では、アンテナとして電磁波を放射するスロットを有するスロットアンテナを用いた例を示したが、これに限るものではない。

１；チャンバ
２；プラズマ源
４１；電磁波供給機構
４５；アンテナ部
５１；同軸線路
５２；外側導体
５３；内側導体
６０，２６０；チューナ
７１，７２；誘電率変化材
７３，７４；給電部
８１；平面スロットアンテナ
８１ａ；スロット
８２；遅波材
１００；プラズマ処理装置
１１０ｂ；電磁波透過窓
２７１，２７２；透磁率変化材
２８１，２８３；温調部
２９１，２９２；給電部
Ｗ；基板

Claims (19)

1. 電源部からの電磁波を負荷に供給する電磁波伝送路の一部を構成し、電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させるチューナであって、
   筒状をなす内側導体、および、前記内側導体の外側に同軸状に設けられた筒状をなす外側導体を有する同軸線路と、
   前記同軸線路の前記内側導体と前記外側導体の間の空間に設けられ、環状をなし、誘電率が変化可能な第１の誘電率変化材と、
   前記同軸線路の線路長方向に前記第１の誘電率変化材から間隔をおいて設けられるとともに、前記同軸線路の前記内側導体と前記外側導体の間の空間に設けられ、環状をなし、誘電率が変化可能な第２の誘電率変化材と、
   前記第１の誘電率変化材に給電するための第１の給電部と、
   前記第２の誘電率変化材に給電するための第２の給電部と、
   を有する、チューナ。
2. 前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材は、前記同軸線路の水平断面において、前記内側導体と前記外側導体の間の空間を埋めるように設けられる、請求項１に記載のチューナ。
3. 前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材は、前記第１の給電部および前記第２の給電部からの給電を調整し、印加される電界を変化させることにより誘電率を変化させる、請求項１または請求項２に記載のチューナ。
4. 前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材は、ネマティック液晶で構成され、印加する電界を変化させることにより、前記ネマティック液晶の分子の双極子の配向方向を変化させて誘電率を調整する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のチューナ。
5. 前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材の厚さは、最大誘電率での実効波長の１／４である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のチューナ。
6. 前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材の間の間隔は、自由空間波長をλ_０とすると、λ_０／１６～λ_０／４の範囲である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のチューナ。
7. 前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材は、これらの間の間隔を保ったまま位置調整可能であり、所望の位置に固定される、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のチューナ。
8. 前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材は、前記内側導体および前記外側導体に電極を介して接触されている、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のチューナ。
9. 前記同軸線路の前記内側導体と前記外側導体の間の空間の水平断面は円環状であり、前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材は前記空間の水平断面に対応した円環状である、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のチューナ。
10. 電源部からの電磁波を負荷に供給する電磁波伝送路の一部を構成し、電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させるチューナであって、
    筒状をなす内側導体、および、前記内側導体の外側に同軸状に設けられた筒状をなす外側導体を有する同軸線路と、
    前記同軸線路の前記内側導体と前記外側導体の間の空間に設けられ、環状をなし、透磁率が変化可能な第１の透磁率変化材と、
    前記同軸線路の線路長方向に前記第１の透磁率変化材から間隔をおいて設けられるとともに、前記同軸線路の前記内側導体と前記外側導体の間の空間に設けられ、環状をなし、透磁率が変化可能な第２の透磁率化材と、
    前記第１の透磁率変化材の温調を行う第１の温調部と、
    前記第２の透磁率変化材の温調を行う第２の温調部と、
    を有する、チューナ。
11. 前記第１の温調部および前記第２の温調部は、それぞれ前記第１の透磁率変化材および前記第２の透磁率変化材の内周面および外周面に設けられ、前記第１の温調部および前記第２の温調部と前記内側導体および前記外側導体とは熱絶縁部材を介して接触されている、請求項１０に記載のチューナ。
12. 前記第１の温調部および前記第２の温調部は温調素子である、請求項１０または請求項１１に記載のチューナ。
13. 前記第１の温調部および前記第２の温調部を構成する温調素子は、給電部から給電されることにより記第１の透磁率変化材および前記第２の透磁率変化材を温調する、請求項１２に記載のチューナ。
14. 前記第１の透磁率変化材および前記第２の透磁率変化材は磁性材料である、請求項１０から請求項１３のいずれか一項に記載のチューナ。
15. 前記第１の透磁率変化材および前記第２の透磁率変化材の厚さは、最大透磁率での実効波長の１／４である、請求項１０から請求項１４のいずれか一項に記載のチューナ。
16. 前記第１の透磁率変化材および前記第２の透磁率変化材の間の間隔は、自由空間波長をλ_０とすると、λ_０／１６～λ_０／４の範囲である、請求項１０から請求項１５のいずれか一項に記載のチューナ。
17. 前記第１の透磁率変化材および前記第２の透磁率変化材は、これらの間の間隔を保ったまま位置調整可能であり、所望の位置に固定される、請求項１０から請求項１６のいずれか一項に記載のチューナ。
18. 電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させるインピーダンス整合方法であって、
    筒状をなす内側導体、および、前記内側導体の外側に同軸状に設けられた筒状をなす外側導体を有する同軸線路と、前記同軸線路の前記内側導体と前記外側導体の間の空間に設けられ、環状をなし、誘電率が変化可能な第１の誘電率変化材と、前記同軸線路の線路長方向に前記第１の誘電率変化材から間隔をおいて設けられるとともに、前記同軸線路の前記内側導体と前記外側導体の間の空間に設けられ、環状をなし、誘電率が変化可能な第２の誘電率変化材とを有し、電源部からの電磁波を負荷に供給する電磁波伝送路の一部を構成するチューナを準備する工程と、
    前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材を、これらの間の間隔を保ったまま位置調整し、所望の位置に固定する工程と、
    前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材の誘電率を変化させ、インピーダンスを整合させる工程と、
    を有する、インピーダンス整合方法。
19. 前記インピーダンスを整合させる工程は、前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材の一方の誘電率を変化させた後、他方の誘電率を変化させてインピーダンスを整合させる第１の形態、または、前記第１の誘電率変化材および前記第２の誘電率変化材の誘電率を交互に複数回変化させる第２の形態、または、第１の形態を行って整合点に近づけた後、第２の形態を行う第３の形態により行われる、請求項１８に記載のインピーダンス整合方法。

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