JP2022115443A - プラズマ処理装置、高周波電力給電回路、およびインピーダンス整合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広い周波数帯域で高周波電源側のインピーダンスと負荷であるプラズマ側のインピーダンスを整合できる技術を提供する。
【解決手段】基板に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置１００ｂは、基板Ｗが収容される処理容器１と、処理容器内にプラズマを生成するための高周波電力が印加される電極１０と、電極に高周波電力を印加する高周波電源３０と、高周波電源から電極へ高周波電力を給電する高周波電力給電回路４０ｂとを備える。高周波電力給電回路は、高周波電源から電極へ給電する給電路と、給電路に接続され、プラズマ側のインピーダンスに対応する負のインピーダンスを実現する負性インピーダンス部４２を含み、高周波電源側のインピーダンスと負荷であるプラズマ側のインピーダンスとを整合させる整合器とを有する。
【選択図】図９

Description

本開示は、プラズマ処理装置、高周波電力給電回路、およびインピーダンス整合方法に関する。

半導体製造プロセスにはプラズマ処理装置が多用されている。プラズマ処理装置は、被処理基板が収容されたチャンバーを有するプラズマ処理部へ高周波電力を供給してチャンバー内にプラズマを生成させ、そのプラズマによってエッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理を行う。

このようなプラズマ処理装置では、処理中に高周波電源からプラズマ処理部へ効率良く高周波電力を供給するために、電源側のインピーダンスと負荷側（プラズマ側）のインピーダンスを整合する必要がある。このような観点から、高周波電源とプラズマ処理部との間に、２つの可変受動素子（例えば可変キャパシタ）を含むインピーダンス整合器を設ける技術が用いられている（例えば特許文献１）。

特開２０１１－１２４１９２号公報

本開示は、広い周波数帯域で高周波電源側のインピーダンスと負荷であるプラズマ側のインピーダンスを整合できる技術を提供する。

本開示の一態様に係るプラズマ処理装置は、基板に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、基板が収容される処理容器と、前記処理容器内にプラズマを生成するための高周波電力が印加される電極と、前記電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記高周波電源から前記電極へ高周波電力を給電する高周波電力給電回路と、を備え、前記高周波電力給電回路は、前記高周波電源から前記電極へ給電する給電路と、前記給電路に接続され、前記プラズマ側のインピーダンスに対応する負のインピーダンスを実現する負性インピーダンス部を含み、前記高周波電源側のインピーダンスと負荷であるプラズマ側のインピーダンスとを整合させる整合器と、を有する。

本開示によれば、広い周波数帯域で高周波電源側のインピーダンスと負荷であるプラズマ側のインピーダンスを整合できる技術が提供される。

第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。 第１の実施形態に係るプラズマ処理装置において、負性インピーダンス部として負性インピーダンス変換回路を用い、増幅器として昇圧トランスを用いた具体例を示す構成図である。 従来の整合器の一例を示す回路図である。 従来の整合器を用いた場合のインピーダンス整合を説明するための図である。 従来の整合技術を用いて複数の周波数の高周波電力を投入してプラズマを生成する場合の装置構成を示す図である。 第１の実施形態の整合器を用いた場合のインピーダンス整合を説明するための図である。 第１の実施形態の高周波電力給電回路を用いて複数の周波数の高周波電源から複数の周波数の高周波電力を投入する場合を示す図である。 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。 第３の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。 第３の実施形態に係るプラズマ処理装置において、負性インピーダンス部として負性インピーダンス変換回路を用いた具体例を示す構成図である。 負性インピーダンス変換回路に用いるオペアンプの構造例を示す図である。 負性インピーダンス変換回路に用いるオペアンプの具体的な回路の例を示す図である。 第３の実施形態に係るプラズマ処理装置に負性インピーダンス部として用いる負性インピーダンス変換回路の変形例を示す図である。 第４の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を概略的に示す断面図である。 図１４のプラズマ処理装置おける高周波電力給電回路の変形例を示す図である。 第５の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を概略的に示す断面図である。 第６の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を概略的に示す断面図である。 第７の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を概略的に示す断面図である。 １０ＭＨｚと５ＭＨｚの２周波重畳時の電圧波形を示す図である。

以下、添付図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。
プラズマ処理装置１００は、基板Ｗに対してプラズマ処理を行うものであり、容量結合プラズマ処理装置として構成されている。基板Ｗとしては、例えば半導体ウエハを挙げることができるが、これに限定されない。

プラズマ処理装置１００は、略円筒状の金属製の処理容器（チャンバー）１を有している。処理容器１は接地されている。処理容器１の内部には、基板Ｗを水平に載置するための基板載置台２が設けられている。基板載置台２は接地された下部電極を含んでいる。図示の例では、基板載置台２が金属製であり、基板載置台２が下部電極として機能し、基板載置台２は接地されている。基板載置台２は絶縁体で構成されていてもよく、その場合は、基板載置台２は金属製の接地された下部電極が埋設された構成をとることができる。下部電極は、可変コンデンサおよび／またはインダクタを有し得るインピーダンス調整回路を介して接地することができる。

基板載置台２には、プラズマ処理に応じて、加熱機構または冷却機構を有していてもよい。また基板載置台２には、その上面に対し突没可能に複数の昇降ピン（図示せず）が挿通されており、昇降機構（図示せず）による複数の昇降ピンの昇降動作により、基板載置台２に対する基板Ｗの授受が行われるようになっている。

処理容器１の上部には、開口が形成されており、開口には絶縁部材９を介してシャワーヘッド１０が基板載置台２に対向するように嵌め込まれている。シャワーヘッド１０は金属製であり、全体形状が円筒状をなし、上部電極を含んでいる。図示の例ではシャワーヘッド１０自体が上部電極として機能するが、シャワーヘッド１０の一部が上部電極であってもよい。シャワーヘッド１０は、下部に開口を有する本体部１１と、本体部１１の開口を塞ぐように設けられたシャワープレート１２とを有し、これらの間の内部空間はガス拡散空間として機能する。シャワープレート１２には複数のガス吐出孔１３が形成されている。

シャワーヘッド１０にはガス導入孔１４が形成されており、ガス供給部２０から供給されたプラズマ処理のための処理ガスがガス導入孔１４を介してシャワーヘッド１０内に導入される。そして、シャワーヘッド１０内に導入された処理ガスがガス吐出孔１３から処理容器１内に吐出され、上部電極であるシャワーヘッド１０と下部電極である基板載置台２との間の空間に処理ガスが供給される。

ガス供給部２０は、プラズマ処理に必要な処理ガス、プラズマ生成ガス、パージガス等の複数のガスを供給するように構成されている。処理ガスとしては、実施されるプラズマ処理に応じて適切なものが選択される。ガス供給部２０は、複数のガス供給源およびガス供給配管を有し、ガス供給配管には、バルブ類およびマスフローコントローラのような流量制御器が設けられている。

処理容器１の底壁には排気口５１が設けられており、排気口５１には排気管５２を介して排気装置５３が接続されている。排気装置５３は自動圧力制御バルブと真空ポンプを有し、排気装置５３により処理容器１内を排気するとともに、処理容器１内を所望の真空度に保持することが可能となっている。

図示していないが、処理容器１の側壁には、処理容器１に対して基板Ｗを搬入出するための搬入出口が設けられており、この搬入出口はゲートバルブで開閉するように構成されている。

上部電極であるシャワーヘッド１０のほぼ中央には、高周波電力給電回路４０を介して高周波電源３０が接続されている。高周波電源３０から上部電極であるシャワーヘッド１０へ高周波電力が供給されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１０と下部電極である基板載置台２との間に容量結合プラズマが生成される。高周波電源３０の周波数は、０．１～１０００ＭＨｚの範囲が好ましい。

高周波電力給電回路４０は、高周波電源３０からの給電路４１と、整合器としての負性インピーダンス部４２と、昇圧または増幅部４３とを有する。

給電路４１は、高周波電源３０から上部電極であるシャワーヘッド１０へ接続されている。負性インピーダンス部４２は、給電路４１に接続され、処理容器（チャンバー）１内に生成されるプラズマ（負荷）のインピーダンスに対応する負のインピーダンスを実現し、電源側のインピーダンスと負荷であるプラズマ側のインピーダンスとを整合させる整合器として機能する。負性インピーダンス部４２は、負荷であるプラズマのインピーダンスに対応する負のインピーダンスを有するので、負荷であるプラズマのインピーダンスを周波数特性を含めて打ち消すように機能する。

負性インピーダンス部４２は、負性インピーダンス変換回路で構成されていてもよいし、メタマテリアルで構成されていてもよい。

負性インピーダンス変換回路とは、負のインピーダンスを実現する回路をいう。また、メタマテリアルとは、電磁波の波長より小さな構造体を集積化して物質の電磁気学的な特性を人工的に操作した人工物質であり、電磁波に対して、自然界の物質にはないふるまいを実現できる。本例の場合は、負のインピーダンスを実現するように構成される。

昇圧または増幅部４３は、給電路４１の負性インピーダンス部４２の下流側に設けられ、負性インピーダンス部４２の出力を高電圧で出力する機能を有する。昇圧または増幅部４３としては、電圧を昇圧する昇圧器または電力を増幅させる増幅器を用いることができる。昇圧器としては、昇圧トランスを用いた昇圧回路を用いることができ、増幅器としては、トランジスタを用いた増幅回路を用いることができる。

高周波電力給電回路４０の具体例を図２に示す。図２は、負性インピーダンス部４２として負性インピーダンス変換回路を用い、昇圧または増幅部４３として昇圧トランスを含む昇圧器を用いた例である。本例では、負性インピーダンス部４２としての負性インピーダンス変換回路は、オペアンプ４４と２つの抵抗器４５および４６とを有する。オペアンプ４４の反転入力端子４７は高周波電源３０からの給電路４１に接続されている。オペアンプ４４の出力端子４８からの出力は、抵抗器４５を介して反転入力端子４７に再度入力されるとともに、抵抗器４６を介して非反転入力端子４９に入力されるように構成されている。そして、非反転入力端子４９は昇圧または増幅部４３を構成する昇圧器の昇圧トランスに接続されている。

図２の負性インピーダンス変換回路（負性インピーダンス部４２）においては、上部電極であるシャワーヘッド１０と下部電極である基板載置台２との間に生成されるプラズマのインピーダンスが負に反転されたインピーダンスを実現するように構成される。抵抗器４５，４６の大きさおよびオペアンプ４４は目的の機能を有するように適宜設定される。なお、抵抗器４５，４６の代わりにキャパシタやコイル等の他のインピーダンス素子を用いてもよい。

なお、負性インピーダンス変換回路としては、図２のようなオペアンプを用いたものに限らず、トランジスタを用いた回路等、従来公知の種々の回路を用いることができる。

プラズマ処理装置１００の構成部であるガス供給部２０のバルブ類や流量制御器、高周波電源等は、制御部６０により制御される。制御部６０は、ＣＰＵを有する主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置とを有している。そして、記憶装置の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいてプラズマ処理装置１００の処理が制御される。

次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置１００における動作について説明する。
まず、ゲートバルブ（図示せず）を開にして搬送装置（図示せず）により基板Ｗを搬入出口を介して処理容器１内に搬入し、基板載置台２上に載置する。搬送装置を退避させた後、ゲートバルブを閉じる。

次いで、処理容器１を調圧した後、処理容器１内に処理ガスを導入しつつ、高周波電源３０から高周波電力を高周波電力給電回路４０を介して上部電極であるシャワーヘッド１０に供給する。これにより、上部電極であるシャワーヘッド１０と下部電極である基板載置台２との間に高周波電界が形成され、これらの間に容量結合プラズマが生成され、このプラズマにより基板Ｗに対し、エッチングや成膜等のプラズマ処理が行われる。

ところで、高周波電力を負荷（プラズマ）に投入する場合、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必要がある。整合をとらない場合、電力が十分に負荷に投入されず、電源側に反射してしまう。このため、従来は、特許文献１に記載されているように、２つの可変受動素子を含むインピーダンス整合器が用いられていた。具体的には、従来は、例えば図３に示すように、高周波電源１３０と負荷（プラズマ）１４０との間に、２つの可変キャパシタ１５１および１５２、およびコイル１５３を有する整合器１５０を設けて、電源側のインピーダンスと負荷（プラズマ）側のインピーダンスの整合をとっていた。

しかし、このような従来の整合器の場合、図４のように、プラズマのインピーダンス（リアクタンス）に対して、ある一点の周波数のみでしか整合がとれない。

プラズマに対し矩形波やノコギリ波等の任意の電圧波形を印加することができれば、イオンエネルギー分布制御や電子エネルギー分布制御が可能となるが、矩形波やノコギリ波は複数の周波数成分を有しており、従来の整合技術では整合がとれない。

また、複数の周波数の高周波電力を処理容器（チャンバー）に投入してプラズマを生成する場合、従来の整合技術では、図５に示すように、複数の周波数の高周波電源１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃのそれぞれに対応して整合器１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃを設ける必要があり、システムが巨大化し、高コスト化する。

これに対して、本実施形態では、プラズマのインピーダンスに対応する負のインピーダンスを実現する負性インピーダンス部４２を設けることにより、図６に示すように、プラズマのインピーダンス（リアクタンス）を周波数特性を含めて打ち消すことができる。このため、理論的には全ての周波数においてインピーダンスを整合することが可能となり、広い周波数帯域で電源側と負荷側のインピーダンスを整合することができる。

このように広い周波数帯域でインピーダンス整合が可能であることから、複数の周波数成分を有する矩形波やノコギリ波であっても整合が可能となる。また、図７に示すように、複数の周波数の高周波電源３０ａ～３０ｃを設け、複数の周波数の高周波電力を処理容器（チャンバー）に投入する場合にも、一つの負性インピーダンス部４２を設ければよく、システムの巨大化、高コスト化を招くことがない。

負性インピーダンス部４２を構成する負性インピーダンス変換回路は公知であるが、いずれも通信分野のような低電圧の用途を想定したものであり、プラズマ着火のような高電圧用途へ適用した例はない。例えば図２に示すようなオペアンプを用いた負性インピーダンス変換回路において、汎用のオペアンプは１５Ｖ以下の低電圧で駆動する素子を使用しているため、５０Ｖ以上の高電圧が必要なプラズマ着火には対応が困難である。

これに対して、本実施形態では、高周波電力給電回路４０を、整合器を構成する負性インピーダンス部４２の後段に昇圧または増幅部４３を設けた構成としたので、負性インピーダンス部４２の出力電圧が小さくても、プラズマの着火に必要な電圧を確保することが可能となる。

図８は、第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。
本実施形態のプラズマ処理装置１００ａは、第１の実施形態の高周波電力給電回路４０の代わりに、複数の負性インピーダンス部４２を有する整合器と、複数の負性インピーダンス部４２の出力を合成する合成器とを備えた高周波電力給電回路４０ａを設けている。図８のプラズマ処理装置１００ａにおいて図１のプラズマ処理装置１００と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態のプラズマ処理装置１００ａでは、高周波電源３０からの高周波電力を複数の負性インピーダンス部４２に供給し、複数の負性インピーダンス部４２からの出力を合成器５５で合成し、投入電力を増加させる。そして、合成した後、第１の実施形態と同様に、出力を昇圧または増幅部４３として用いた昇圧器で昇圧する。このように、昇圧または増幅部４３を構成する昇圧器による電圧上昇に加え、複数の負性インピーダンス部４２を用いることで十分な電力を確保することができる。例えば、シャワーヘッド１０に電圧として２５Ｖ～２ｋＶ、合成電力として０．１Ｗ～５０ｋＷを印加することができる。このように電圧と電力を大きくすることにより、プラズマ着火をより容易に行うことができる。

図９は、第３の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。
本実施形態のプラズマ処理装置１００ｂは、第１の実施形態の高周波電力給電回路４０から昇圧または増幅部４３を除いた高周波電力給電回路４０ｂを設けている。図９のプラズマ処理装置１００ｂにおいて、図１のプラズマ処理装置１００と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態のプラズマ処理装置１００ｂでは、整合器を構成する負性インピーダンス部４２の出力電圧をプラズマ着火可能な電圧とし、負性インピーダンス部４２を上部電極であるシャワーヘッド１０に直接接続している。

上述したように、負性インピーダンス部４２を構成する負性インピーダンス変換回路は、通信分野のような低電圧の用途を想定したものであり、プラズマ着火のような高電圧用途へ適用した例はない。例えば、オペアンプを用いた負性インピーダンス変換回路において、汎用のオペアンプは１５Ｖ以下の低電圧で駆動する素子を使用しているため、５０Ｖ以上の高電圧が必要なプラズマ着火には対応が困難である。このため、第１の実施形態および第２の実施形態では、昇圧または増幅部４３として昇圧トランスのような昇圧器を用いている。

しかし、整合器を構成する負性インピーダンス部４２自体をプラズマ着火が可能な電圧を出力するものとすれば昇圧または増幅部４３は不要であり、本実施形態では昇圧または増幅部４３を用いずに高周波電力給電回路を構成している。

例えば、負性インピーダンス部４２を、図１０に示すように、オペアンプ４４を有する負性インピーダンス変換回路で構成した場合、オペアンプ４４を汎用のものではなく、高電圧仕様とすることでプラズマ着火可能な出力電圧を実現することができる。

図１１に示すように、オペアンプ４４は、入力段７１、利得段７２、出力段７３を有している。具体的な回路は、複数のトランジスタを組み合わせたものであり、例えば、図１２に示すような構成を有する。入力段７１は作動増幅段であり、反転入力端子４７と非反転入力端子４９の間の差電圧を増幅し、同相信号成分は増幅せずに打ち消す。利得段７２はオペアンプ４４の開放利得を増加させる。利得段７２の間には発振防止用の位相補償容量７４が接続されている。出力段７３は、複数のトランジスタ８１を有するプッシュプル回路となっており、トランジスタ８１により出力電圧が決定される。したがって、トランジスタ８１を本実施形態で用いる高周波数においてプラズマ着火が可能な程度の高電圧のものとする。このような高電圧で高周波動作が可能な高性能のトランジスタとしては、例えば、ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ダイヤモンド等を挙げることができる。

また、図１３に示すように、負性インピーダンス部４２として、オペアンプ４４として汎用のものを用い、その後段にプラズマ着火が可能な高電圧を実現するトランジスタ回路等の昇圧回路５６を接続した負性インピーダンス変換回路を用いてもよい。

図１４は、第４の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を概略的に示す断面図である。
本実施形態のプラズマ処理装置１００ｃは、第３の実施形態と同様の負性インピーダンス部４２を増幅器を介することなくシャワーヘッド１０に接続する構成であるが、負性インピーダンス部４２を複数有する高周波電力給電回路４０ｃを設けている。図１４のプラズマ処理装置１００ｃにおいて、図１のプラズマ処理装置１００と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

図１４の例では、複数の負性インピーダンス部４２のそれぞれから延びる給電線が上部電極であるシャワーヘッド１０に接続され、多点給電するように構成されている。図１５のように複数の負性インピーダンス部４２からの出力を合成器５７で合成して上部電極であるシャワーヘッド１０に一点で給電してもよい。

このように複数の負性インピーダンス部４２を設けることにより、一つの負性インピーダンス部４２を設けた第３の実施形態に比較して電力を大きくすることができる。

図１６は、第５の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す構成図である。
本実施形態のプラズマ処理装置１００ｄは、負性インピーダンス部４２を含む整合器のインピーダンスを調整可能としたものである。負荷であるプラズマのインピーダンスの変動が少ない場合は負性インピーダンス部４２を含む整合器のインピーダンスを調整する必要がないが、プラズマの条件が変動してプラズマのインピーダンスが大きく変動する場合は調整が必要となることがある。

本実施形態のプラズマ処理装置１００ｄは、負性インピーダンス部４２とインピーダンス調整部としての可変リアクタンス回路９１とで構成された整合器を有する高周波電力給電回路４０ｄを設けている。図１６では、負性インピーダンス部４２として、図２に示すようなオペアンプ４４を有する負性インピーダンス変換回路を用いた例を示している。

可変リアクタンス回路９１は、可変コイルおよび／または可変キャパシタを有し、負性インピーダンス部４２を構成する負性インピーダンス変換回路に接続されている。

本実施形態では、処理容器１内に生成されるプラズマの条件変動に応じて可変リアクタンス回路９１で整合器のインピーダンスを調整する。これにより、プラズマのインピーダンスが変動しても電源側のインピーダンスを負荷であるプラズマのインピーダンスに整合させることができる。

図１７は、第６の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す構成図である。
本実施形態のプラズマ処理装置１００ｅは、第５の実施形態と同様、負性インピーダンス部４２を含む整合器のインピーダンスを調整可能として、プラズマのインピーダンスが大きく変動する場合にも対応できるようにしたものである。

本実施形態のプラズマ処理装置１００ｅは、負性インピーダンス部４２とインピーダンス調整部としてのプラズマ生成部９２とで構成された整合器を有する高周波電力給電回路４０ｅを設けている。図１７においても、負性インピーダンス部４２として、図２に示すようなオペアンプ４４を有する負性インピーダンス変換回路を用いた例を示している。

プラズマ生成部９２は、上部電極１０´および下部電極２´を有する。プラズマ生成部９２には、処理容器１と同一レシピで同時にプラズマが生成される。プラズマ生成部９２は負性インピーダンス部４２を構成する負性インピーダンス変換回路に接続されている。

このように、本実施形態では、処理容器１内に生成されるプラズマと同じレシピでプラズマが生成されるプラズマ生成部９２を負性インピーダンス部４２を構成する負性インピーダンス変換回路に接続する。これにより、処理容器１内に生成されるプラズマと同じインピーダンスが負性インピーダンス変換回路で負に反転され、整合器のインピーダンスとなる。このため、整合器のインピーダンスが処理容器１内のプラズマのインピーダンスを打ち消すことができ、プラズマのインピーダンスが変動しても電源側のインピーダンスを負荷であるプラズマのインピーダンスに整合させることができる。

図１８は、第７の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す構成図である。
本実施形態のプラズマ処理装置１００ｆは、第５および第６の実施形態と同様、負性インピーダンス部４２を含む整合器のインピーダンスを調整可能として、プラズマのインピーダンスが大きく変動する場合にも対応できるようにしたものである。

本実施形態のプラズマ処理装置１００ｆは、負性インピーダンス部４２とインピーダンス調整部としてのインピーダンスミラリング回路９３とで構成された整合器を有する高周波電力給電回路４０ｆを設けている。図１８においても、負性インピーダンス部４２として、図２に示すようなオペアンプ４４を有する負性インピーダンス変換回路を用いた例を示している。

インピーダンスミラリング回路９３は、オペアンプ等の能動素子を有し、処理容器１内のプラズマと同じインピーダンスが実現されるようにインピーダンスが調整されており、負性インピーダンス部４２を構成する負性インピーダンス変換回路に接続されている。

このため、処理容器１内のプラズマと同じインピーダンスを有するインピーダンスミラリング回路９３のインピーダンスが負性インピーダンス変換回路で負に反転され、整合器のインピーダンスとなる。このため、整合器のインピーダンスが処理容器１内のプラズマのインピーダンスを打ち消すことができ、プラズマのインピーダンスが変動しても電源側のインピーダンスを負荷であるプラズマのインピーダンスに整合させることができる。

次に、実験結果について説明する。
まず、ネットワークアナライザを用いて、図２に示す負性インピーダンス変換回路の電力反射を測定した。その結果、周波数が１３．５～３１０ＭＨｚの範囲で、反射電力に対応するＳパラメータで表される反射割合Ｓ１１が－１０ｄＢ以下（電力の反射が１／１０以下）であることが確認された。すなわち、負性インピーダンス変換回路を用いることにより広い周波数帯域でインピーダンス整合を行えることが確認された。

次に、負性インピーダンス部としてオペアンプを用いた負性インピーダンス変換回路を複数設け、さらに昇圧器として昇圧トランスを設けた、図８に示す構造の高周波電力給電回路を有する小型のプラズマ処理装置を準備し、プラズマ着火試験を行った。その結果、プラズマの着火が達成された。

次に、負性インピーダンス部としてオペアンプを用いた負性インピーダンス変換回路を用い、高周波電力として１０ＭＨｚと５～１５ＭＨｚの２周波重畳にてプラズマ着火試験を行った、その結果、プラズマの着火が達成された。１０ＭＨｚと５ＭＨｚの２周波重畳時の電圧波形を図１９に示す。この図に示すように２周波重畳にてプラズマを生成した際の電圧波形に歪は見られなかった。このことから、整合器として負性インピーダンス変換回路を用いることにより、負荷がプラズマであっても複数の周波数に対してインピーダンス整合を達成できていることが推測された。

以上、いくつかの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、高周波電力を上部電極に印加する例について示したが、これに限らず、下部電極に印加してもよく、また、上部電極と下部電極の両方に印加してもよい。

また、上記実施形態では、プラズマとして容量結合プラズマを用いた場合を示したが、これに限らず、誘導結合プラズマやマイクロ波プラズマ等の他のプラズマであってもよい。

１；処理容器（チャンバー）
２；基板載置台（下部電極）
１０；シャワーヘッド（上部電極）
２０；ガス供給部
３０，３０ａ～３０ｃ；高周波電源
４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ；高周波電力給電回路
４２；負性インピーダンス部（負性インピーダンス変換回路）
４４；オペアンプ
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ；プラズマ処理装置
Ｗ；基板

Claims (20)

1. 基板に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
   基板が収容される処理容器と、
   前記処理容器内にプラズマを生成するための高周波電力が印加される電極と、
   前記電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
   前記高周波電源から前記電極へ高周波電力を給電する高周波電力給電回路と、
   を備え、
   前記高周波電力給電回路は、
   前記高周波電源から前記電極へ給電する給電路と、
   前記給電路に接続され、前記プラズマ側のインピーダンスに対応する負のインピーダンスを実現する負性インピーダンス部を含み、前記高周波電源側のインピーダンスと負荷であるプラズマ側のインピーダンスとを整合させる整合器と、
   を有する、プラズマ処理装置。
2. 前記負性インピーダンス部は、負性インピーダンス変換回路またはメタマテリアルで構成される、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記負性インピーダンス変換回路は、オペアンプを有する、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記オペアンプの出力段は、前記プラズマが着火可能な程度の電圧を出力する複数のトランジスタを有する、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記負性インピーダンス変換回路は、前記オペアンプの後段に設けられた、プラズマ着火可能な程度の電圧を出力する昇圧回路をさらに有する、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記整合器は前記負性インピーダンス部を複数有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記高周波電力給電回路は、複数の前記負性インピーダンス部の出力を合成する合成器をさらに有する、請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記高周波電力給電回路は、前記負性インピーダンス部の出力を昇圧する昇圧器、または出力を増幅する増幅器をさらに有する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記整合器は、前記負性インピーダンス部に接続され、前記整合器のインピーダンスを調整するインピーダンス調整部をさらに有する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記インピーダンス調整部は、可変キャパシタおよび／または可変コイルを有する可変リアクタンス回路を有する、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記インピーダンス調整部は、前記処理容器に生成されるプラズマと同一レシピでプラズマが生成されるプラズマ生成部を有する、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記インピーダンス調整部は、能動素子を有し、前記処理容器内のプラズマと同じインピーダンスを有するようにインピーダンスが調整されるインピーダンスミラリング回路を有する、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
13. 高周波電源からプラズマを生成するための高周波電力を電極に給電する高周波電力給電回路であって、
    前記高周波電源から前記電極へ給電する給電路と、
    前記給電路に接続され、前記プラズマ側のインピーダンスに対応する負のインピーダンスを実現する負性インピーダンス部を含み、前記高周波電源側のインピーダンスと負荷であるプラズマ側のインピーダンスとを整合させる整合器と、
    を有する、高周波電力給電回路。
14. 前記負性インピーダンス部は、負性インピーダンス変換回路または負のインピーダンスを有するメタマテリアルである、請求項１３に記載の高周波電力給電回路。
15. 前記負性インピーダンス変換回路は、オペアンプを有する請求項１４に記載の高周波電力給電回路。
16. 前記整合器は前記負性インピーダンス部を複数有する、請求項１３から請求項１５のいずれか一項に記載の高周波電力給電回路。
17. 前記負性インピーダンス部の出力を昇圧する昇圧器、または出力を増幅する増幅器をさらに有する、請求項１３から請求項１６のいずれか一項に記載の高周波電力給電回路。
18. 前記整合器は、前記負性インピーダンス部に接続され、前記整合器のインピーダンスを調整するインピーダンス調整部をさらに有する、請求項１３から請求項１７のいずれか１項に記載の高周波電力給電回路。
19. 高周波電力を供給してプラズマを生成する際に実行されるインピーダンス整合方法であって、
    高周波電源から給電路を介してプラズマを生成するための高周波電力を電極に給電する工程と、
    前記給電路に接続され、前記プラズマ側のインピーダンスに対応する負のインピーダンスを実現する負性インピーダンス部を含む整合器により、前記高周波電源側のインピーダンスと負荷であるプラズマ側のインピーダンスとを整合させる工程と、
    を含む、インピーダンス整合方法。
20. 前記負性インピーダンス部は、負性インピーダンス変換回路または負のインピーダンスを有するメタマテリアルである、請求項１９に記載のインピーダンス整合方法。

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