JP3759519B2 - 高周波電力分配装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波電力分配装置に関し、例えば、真空チャンバー内に設けられたプラズマ発生のための電極に高周波電力を供給するための高周波電力分配装置に関する。

高周波電源からの高周波電力を整合器を介して真空チャンバー内の電極等の端子部に接続する構成は、各種の高周波利用装置に用いられている。例えば、半導体製造装置において、半導体層を化学的に成長させて形成するＣＶＤや半導体を加工したり、選択的にエッチングするためのスパッタリング、エッチング、アッシング等の装置では、プラズマ放電状態を生成するため、真空チャンバー内に所定のガス、圧力等の雰囲気を設定し、当該真空チャンバー内に設置した電極に高周波電力が供給される。高周波電力の周波数としては、通常１３．５６ＭＨｚが用いられることが多いが、より高精細な処理、加工を行うために２７．１２ＭＨｚも用いられる。

この種のプラズマ放電を利用した装置においては、加工処理対象物が大面積である場合には、均質な加工（成膜、剥離等）処理をするためには、加工処置対象物表面に均一なプラズマ状態を形成する必要がある。そのため、上述のように、高周波電源（ＲＦ電源）を、このＲＦ電源と電極側とのインピーダンス整合を図るための整合器に接続し、この整合器の出力側に広面積の電極を接続したり、離隔位置に配設されている複数個の電極を接続する。整合器による整合は、ＲＦ電源からの同軸ケーブルのインピーダンス５０Ωと電極側の被加工物のインピーダンス１Ωとの整合を図るためのものである。複数個の電極への分配は、ＲＦ電源から発生された高周波（ＲＦ）電力を分配して行われる。この高周波電力の分配としては、均等な電力分配が要求される。

通常、この種の分配を行う分配器としては、銅板や導波管が用いられ、銅板を用いた場合には、サイズが数十センチにも及び厚さも厚く大型となる。これは、高周波であるため表皮効果により導体としての銅板表面に電流の流れが集中し、発熱が大きく冷却も必要なため必然的に大型化することに起因する。

この種のプラズマ装置における高周波電力分配系の構成図が図８に示されている。図８において、ＲＦ電源１００の出力が整合器２００において電極側とのインピーダンス整合がとられ、整合器２００からの出力は分配器３００内で経路３００Ａから経路３００Ｂと３００Ｃに２分配されて真空チャンバー４００内の広面積電極５００の離隔端子部に接続されている。これら経路は、通常、幅広で板厚の銅板で形成されている。

一方、広面積電極５００を用いず、真空チャンバー４００内に離隔配設された電極５０１と５０２を用いた場合には、図９に示すように、整合器２００からの出力は分配器３００内で経路３００Ａから経路３００Ｂと３００Ｃに２分配され、真空チャンバー４００内の電極５０１と５０２の端子部に接続される。

上述のように、チャンバー内の電極の複数端子部への高周波電力の供給には、分配器が欠かせない。一方、そのための分配器としては各種の制約が生ずる。例えば、分配器により複数の均等なＲＦ電力への分配を行うには、ＲＦ周波数（波長）に応じた高精度な加工精度で分配経路としての銅板を加工しなければならない。

また、図８や図９に示すように整合器２００が分配器３００の中央に取り付けられる場合は、整合器２００からの出力が分配器３００の入力経路３００Ａに入力され、この入力経路３００Ａから対称位置にある経路３００Ｂと３００ＣにＲＦ電力が分配され、経路３００Ｂと３００Ｃの経路長が等しくなるため大きな問題は生じないが、通常、整合器２００は、整合のための調整が頻繁に必要であり、その調整作業のために、図８や図９のように真空チャンバー４００の真上真ん中に設置されることは殆どなく、側面部に配置されることが望ましい。

また、真空チャンバーには、プラズマ発生用の各種ガスの導入管の経路確保が必要であり、その他、恒温装置、計測器等も設置しなければならないため整合器のみが真空チャンバー上部面積を全て占有することはできない。

しかしながら、整合器を真空チャンバーの側面に設置した場合、整合器の出力（ＲＦ電力の印加点）から電極の複数端子部に至る経路３００Ｂ‘と３００Ｃが異なることになる。例えば、図１０に示す点線のように、経路３００Ｂ‘は経路３００Ｃよりも相当短く、インダクタンス値も相当小さくなり、インピーダンス整合面での問題が生ずる。この問題を解決するために、従来は、経路３００Ｂ‘を実線のように折り曲げ、合計の経路長３００Ｂが経路３００Ｃと等しくなるような長さに加工、調整していた。そのため経路３００Ｂの高精度な加工が必要となる。

また、大面積の被加工物（例えば、大画面液晶ガラス）を加工する場合には、電極側から見た入力インピーダンスが小さく、大電流が流れるため、インダクタンスの経路の径（断面径）も大きくなってしまい更なる大型化に至る。

本発明が解決しようとする課題は、ＲＦ電力を均等に分配可能とするのに分配経路に高精度な機械加工が要求されること、ＲＦ電力の印加部位置に制約があることである。

前述の課題を解決するため、本発明による高周波電力分配装置は、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）高周波電源からの高周波電力をベース上に配置されたＮ（Ｎは任意の複数）個の電極に均等に分配する高周波電力分配装置において、
それぞれ一端が前記Ｎ個の電極に接続され、他端が単一の分配器入力に共通接続される等しいインダクタンスを有するＮ個のインダクタと、
前記高周波電源および前記Ｎ個のインダクタの共通接続された他端に接続されるコンデンサを備え、
前記Ｎ個のインダクタおよび前記コンデンサにより前記高周波電源および前記電極間の整合器を構成する高周波電力分配装置。

本発明によれば、分配経路に高精度な機械加工を要求されずにＲＦ電力を均等に分配可能であるだけでなく、ＲＦ電力の印加部の設置位置に制約がない高周波電力分配装置が得られる。

以下、本発明による高周波電力分配装置の好適実施例について添付図を参照して詳細に説明する。

インダクタを用いて分配器を単体で構成するには、分配数（Ｎ：任意の複数）に応じた本数のインダクタを回路に並列に挿入するが、そのままでは回路系のインダクタ成分が増加してしまうため整合がとれなくなってしまう。そこで、図４や図５に示すように、コンデンサを直列もしくは並列に挿入してインダクタンス成分を打ち消す構成が採用される。図４には、２本の並列インダクタＬ１とＬ２に直列にコンデンサＣ１を接続した構成が、図５には、２本の並列インダクタＬ１とＬ２に並列にコンデンサＣ１を接続した構成が示されている。

ところで、通常の整合器には、インダクタンスとコンデンサが内蔵されている。例えば図６に示す整合器は、直列接続された可変コンデンサＣ１とインダクタンスＬ１との接続点に並列に可変コンデンサＣ２が挿入され、接地されている。更に、図７に示す整合器は、直列接続された可変コンデンサＣ１とインダクタンスＬ１の入力側に並列に可変コンデンサＣ２が挿入され、接地されている。

本発明では、このような整合器の構成要素に着目して、内蔵されているインダクタを分配（スプリット）用のインダクタとして兼用するような構成を採用して、分配器内の整合用のコンデンサを不要とする。なお、整合器の前提なしで構成出来ることは当然である。

図１は本発明の一実施例による高周波電力分配装置の等価回路図である。本実施例では、４本（任意でＮ）のインダクタＬ１１〜Ｌ１４とを並列に接続し、この並列接続の入力側に可変コンデンサＣ１１を直列接続し、さらにこの可変コンデンサＣ１１の入力側に可変コンデンサＣ１２が並列に挿入され、接地側と接続されている。この場合、４本のインダクタＬ１１〜Ｌ１４は並列接続され、そのインダクタンス値は１／４となるため、各インダクタＬ１１〜Ｌ１４のインダクタンス値を４倍として整合器内のトータルのインダクタンス値を変えずに、コイル、インダクタの本数を増やすことができる。したがって、各インダクタＬ１１〜Ｌ１４の値は４倍となる。このような構成により、入力端子ＩＮから入力されたＲＦ電力は、可変コンデンサＣ１１やＣ１２を経由して並列インダクタＬ１１〜Ｌ１４に入力され、均等に分配されて対応する端子Ｔ１１〜Ｔ１４を経て真空チャンバー内の電極に供給される。

次に、図２および図３を参照して本発明の高周波電力分配装置を具体的に説明する。図２は、図１の実施例を適用した場合の整合器出力から真空チャンバー内のＮ（４）個の電極にＲＦ電力を分配供給するときの分配器の上方から見た概念図（各電極への分配経路のインダクタは省略）である。図３は、図２の具体例の斜め上方から見た斜視図である。

図２および図３から明らかな如く、アルミ（Ａｌ）材から成る略正方形のベース１０の４隅に真空チャンバー内の電極５Ａ〜５Ｄが配設され、このベースの略中央部に分配器入力端子３が配設されている。図１に示す実施例の場合には、分配器入力端子３と各電極５Ａ〜５Ｄまでのインダクタンス値は等しいので、ＲＦ電源から各電極５Ａ〜５Ｄに至る分配パス３Ａ〜３Ｄの長さは等しくなくてはならず、分配器入力端子３は、ベース１０の略中央部に配設される。

図３に最もよく示す如く、ＲＦ電力が印加される入力端子ＩＮは、並列コンデンサＣ１２を介して接地されると共に、直列コンデンサＣ１１およびインダクタＬを介して分配器入力端子３に接続される。そして、この分配器入力端子３に入力されたＲＦ電力は、等しい長さおよびインダクタンス値を有する分配パス３Ａ〜３Ｄを介して、真空チャンバーの電極５Ａ〜５Ｄに均等に分配される。ここで、コンデンサＣ１１、Ｃ１２および分配パス３Ａ〜３Ｄのインダクタンス値により整合器が構成される。尚、この実施例では、分配パスの個数Ｎは、３Ａ〜３Ｄの４個であるが、Ｎの値は電極５の個数に応じて任意に選定可能である。

以上、本発明の高周波電力分配装置の好適実施形態例を説明したが、これは単なる例示にすぎず、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることは勿論である。

上述の如く、本発明の高周波電力分配装置によれば、次のような格別顕著な効果が得られる。

本発明の高周波分配装置によると、ＲＦ電力が供給されるＮ個の電極へのＲＦ分配パスのインダクタンス値自体を、ＲＦ電源の整合器の構成素子として用いるため、整合器を簡単に構成することが可能である。また、ＲＦ電力が供給される分配器入力端子は、Ｎ個の分配パスの共通接続点であるので、各分配パスにはＲＦ電力が均等に分配可能である。

（２）従来、真空チャンバー等へのＲＦ入力の複数均等化には、その入力する周波数の電気長に応じた高精度な物理的機械加工精度が要求されるが、本発明では、複数のインダクタを使用することにより、加工精度に左右されない高精度のＲＦ電力分配を行うことが出来る。これは、各インダクタのリアクタンス成分を、真空チャンバー等の入力インピーダンス成分に比べて十分大きな値にすることにより、各電極入力インピーダンスのバラツキの影響を打ち消し、均等に分割されたＲＦ電力を供給することが出来るようになるためである。また、整合器出力を単純に分岐させた場合、その分岐電流は各電極入力インピーダンスに左右されるが、分岐点と各電極入力間に電極入力インピーダンスより大きなリアクタンスのインダクタを挿入することにより、その電流はリアクタンスに左右されるようになる。本発明では、分岐数が多ければ多いほどインダクタ1本当たりの各入力インダクタンス値を大きくすることになるため、分岐した電流間のバラツキは減少する。こうして、真空チャンバー等の処理対象物の面積が大きくなっても均質な成膜・剥膜をする事が出来るようになる。

（３）大面積の電極、ターゲットでは、ＲＦ電力も大きくなると同時に入力インピーダンスも小さくなり、大電流が流れるため、インダクタに使用する電線径も相当太いものを使用することになるが、分配、分岐数を増やすことにより１本当たりのインダクタに流れる電流値も小さくすることができ、インダクタに使用する電線径を細くする事ができ、簡単なコイルをインダクタとして使用することができるようになり、製造原価を下げることが可能になる。コイル形状が小型化し、機構設計上の配置や構造も自由度が増すため、多様なチャンバー形状に合わせることも可能になる。

（４）従来の整合器と分岐器を別々に独立させていたものでは、その両方にインダクタを内蔵させていたが、本発明では、分配側のみにインダクタを内蔵させることになり、結果として２個のインダクタを１個に減らしたことになる。そのため、従来のものと比較し、インダクタによる電力損失量を減少させることになるため、総合効率が改善される。

本発明の一実施例による高周波電力分配装置の等価回路図である。 図１の実施例を適用した場合の整合器出力から見たチャンバー内の各電極に高周波電力を分配するときの分配器の上方から見た概念図である。 図２に示す正方形ベースについての簡略化された斜視図である。 整合器の第１の構成例を示す回路図である。 整合器の第２の構成例を示す回路図である。 整合器の第３の構成例を示す回路図である。 整合器の第４の構成例を示す回路図である。 従来の真空チャンバー内の電極への高周波電力分配系の構成図である。 他の従来例としての真空チャンバー内の電極への高周波電力分配系の構成図である。 従来の真空チャンバー内の電極への高周波電力分配系の構成の問題を説明するための図である。

符号の説明

３ 分配器入力
３Ａ〜３Ｄ、３１〜３６ 分配経路（パス）
１００ ＲＦ電源
２００ 整合器
３００ 分配器
３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ 分配経路
４００ 真空チャンバー
５００ 広面積電極
５Ａ〜５Ｄ、５０１、５０２ 電極
３０Ａ、３０Ｂ 接続点
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ１１〜Ｌ１８ インダクタ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１１、Ｃ１２ 可変コンデンサ
Ｔ１１〜Ｔ１４ 出力端子

Claims (1)

1. 高周波電源からの高周波電力をベース上に配置されたＮ（Ｎは任意の複数）個の電極に均等に分配する高周波電力分配装置において、
   それぞれ一端が前記Ｎ個の電極に接続され、他端が単一の分配器入力に共通接続される等しいインダクタンスを有するＮ個のインダクタと、
   前記高周波電源および前記Ｎ個のインダクタの共通接続された他端に接続されるコンデンサを備え、
   前記Ｎ個のインダクタおよび前記コンデンサにより前記高周波電源および前記電極間の整合器を構成することを特徴とする高周波電力分配装置。

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