JP3762650B2 - プラズマ処理装置用電源システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
半導体デバイス製造工程の中では、プラズマＣＶＤ法等のプラズマ処理プロセスが広く応用されている。本発明はこのようなプラズマ処理プロセスに適したプラズマ処理装置用電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年半導体デバイス製造の分野では、デバイスの大面積化、かつ高集積化の傾向にあり、それに用いられるプラズマ源として、低圧力下で高密度・大□径のプラズマ発生技術が要求されている。
【０００３】
例えば、太陽電池や薄膜トランジスタなどに利用されるアモルファスシリコン薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置では、大面積のプラズマ放電を実現するために、真空容器内に複数のＵ字型電極を設ける方式が提案されている。このプラズマＣＶＤ装置は、真空容器内に配置された誘導結合型の電極を備える内部電極方式のプラズマ処理装置であって、電極は線状導体をその中央部で折り返して形成されたＵ字型の形態を有し、その電極の折り返して形成された部分に半波長の定在波が立つようにこの電極の端部に高周波を供給して電極の周囲に放電を作り、プラズマを生成するように構成されている。
【０００４】
この場合、電極に供給される高周波の周波数は、当該Ｕ字型電極の長さとの関係で決められてをり、均一なプラズマを生成するために、従来から利用されていた通常の高周波（例えば１３．５６ＭＨｚ）よりも高い６０ＭＨｚ以上のＶＨＦ帯の高周波が採用されている。
【０００５】
このプラズマＣＶＤ装置における電源供給システムとしては、図５に示すように、プラズマ生成室７に備えた複数のＵ字型電極の給電端６のそれぞれに高周波電源１の出力を供給するために、通常は電極の個数と同数の、高周波電源１及び整合器３の組み合わせを配置している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の電源供給システムでは、高周波電源及び整合器のセットが、使用する電極の数だけ必要となるため、▲１▼コスト的に非常に高価である。▲２▼沢山の高周波電源と整合器のセットを配置するため広いスペースが必要である。特に整合器については、通常給電端の出来るだけ近くに配置するのが望ましいので，プラズマ生成室の周囲の構成が複雑になる。▲３▼装置の運転上、制御が複雑になる。▲４▼装置のメインテナンスが大変である、等の問題がある。
【０００７】
また高周波電源の数が多くなるため、給電端の近傍に配置できないので、各高周波電源から給電端までの距離が独立した構成となり、各Ｕ字型電極に印加される高周波の電圧位相がバラバラとなるため、▲５▼プラズマの安定性、均一性が悪くなる。▲６▼形成された薄膜の膜厚の分布が悪くなる、などの問題も生ずる。
【０００８】
本発明は上記の問題点を解決し、整合をとる煩雑な手間を要せず、取り扱いが容易で整合時間が短縮され、かつプラズマが均一になり、生成する膜厚の均一性及び再現性の向上を図ることができるプラズマ処理装置用の電源システムを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明は、複数のＵ字型電極を設ける方式のプラズマ処理装置に好適な電源システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明は、一端が給電端であり他端が接地電位であるＵ字型電極を複数備えたプラズマ処理装置において、ＶＨＦ帯域のプラズマ発生用電源の出力を、１つの電源から分配器を用いて前記複数の電極の給電端に分配して供電し、分配した後整合器等で負荷プラズマとのインピーダンス整合を行なう代わりに、アイソレーターを介して直接プラズマ生成室の複数の電極の給電端に結合することを特徴とする。
【００１２】
また本発明においては、前記分配されたプラズマ発生用電源の出力のうち、一つの電極に供給される出力の位相を基準として、他の電極に供給される出力の位相をそれぞれ調整可能にすることができる。すなわち、プラズマ生成室内の電極にかかる電圧の位相を、プラズマ発生の状況あるいは形成された膜厚分布等を監視しながら、最適の状態になるように、任意に可変設定することができる。
【００１３】
本発明によれば、上記を総合し、一端が給電端であり他端が接地電位であるＵ字型電極を複数備えたプラズマ処理装置において、ＶＨＦ帯域のプラズマ発生用電源の出力を、１つの電源から分配器を用いて前記複数の電極に分配して供給し、その分配されたプラズマ発生用電源の出力を、それぞれアイソレーターを介して前記複数の電極の給電端に直結し、さらに、例えば分配器と各アイソレーターとの間に移相器を挿入し、分配されたプラズマ発生用電源の出力のうち、一つの電極に供給される出力の位相を基準として、他の電極に供給される出力の位相をそれぞれ調整可能にしたことを特徴とするプラズマ処理装置用の電源システムを提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明によるプラズマ処理装置用の電源システムの実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、１つの高周波電源の出力を、分配器を用いて５つのＵ字型電極に分配した電源システムの系統図を参考例として示す。図１において、１は高周波電源である。本図示例では電極の形状により最適な周波数を見つけるため、周波数は可変方式とし８５ＭＨｚ±１０ＭＨｚとした。出力は３ＫＷである。
【００１５】
２は分配器で、プラズマ発生用電源１で発生した高周波出力をプラズマ生成室７内の複数の電極（出力端子）６に均等に分配するシステムである。図示例は５個の電極に分配する例を示したが、さらに多く、例えば１６個の電極に分配する実施例などもある。本発明では、コスト的な事を考慮し、同軸管の１／４波長整合法による分配器を採用した。３は整合器で、図５に示した方式の複数の電源を備えた電源システムで用いる場合の整合器と同じものである。
【００１６】
高周波回路に用いる分配器として要求される機能としては、▲１▼分配比率の偏差が少ないこと、▲２▼挿入損失が少ないこと、▲３▼出力間の干渉が少ない（出力端子間のアイソレーションが大きい）こと、▲４▼入力端子のＶＳＷＲ特性が良いこと、および▲５▼形状が小さいこと、などである。
【００１７】
分配器の方式としては、抵抗分配器、Ｔ分岐、ハイブリッド分配器、ならびにＷｉｌｋｉｎｓｏｎ型分配器などがある。最も簡単な方法としては抵抗器だけを用いた分配器がある。これは設計が容易で広帯域化でき、大きさも抵抗体の大きさ程度でまとまるという利点はあるが、上記の▲２▼および▲３▼の特性を満足しないという欠点がある。すなわち、挿入損失が大きく、また出力端子間のアイソレーションがとれない、さらに抵抗器の周波数特性がＶＨＦ帯では良好でないなどの問題点があるために実際のＶＨＦ帯の高周波回路ではあまり使用されない。
【００１８】
２分配器としてはハイブリッド回路（分配器）がよく用いられる。これは出力端子間のアイソレーションがとれることが特長である。ハイブリッド回路には出力の位相差が９０°の方向性結合器や出力が同相のラットレースなどがある。これらを構成する構造としてＵＨＦ帯では分布定数線路（１／４波長などの）が、またＶＨＦ帯ではフェライトのトロイダルコアなどが使用されている。分配器の方式として２分配器を多段接続する方法もあるが、形状が大きくなるのが難点である。
【００１９】
Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ型分配器は分配数の多い場合に適した分配方式であるが、出力端子間のアイソレーションをとるために分岐線路間にアイソレーション用抵抗が必要になる。本発明で使用する方式はＷｉｌｋｉｎｓｏｎ型ではなくＴ分岐方式である。Ｔ分岐方式は出力端子をいきなり等分配するので構造が簡単であるが、出力端子間のアイソレーションはとれない。しかし、負荷側にアイソレータやサーキュレータがある場合は出力端子間のアイソレーションがとれるのでＴ分岐を使用するには都合が良いからである。
【００２０】
この分配器の概念図を図２に示す。図２は１／４波長線路を用いた分配器の例を示したもので、８は分配器の入力端子、９が１／４波長線路、１０は分配器の出力端子である（出力端子が５つの場合を例示）。負荷インピーダンスをＲ１とし、１／４波長線路９の特性インピーダンスをＷとすれば、その入力インピーダンスはＲ１／Ｗ^２ で表される。つまり１／４波長線路はインピーダンス反転作用がある。
【００２１】
したがって出力端子数をＮとし、電源インピーダンスをＲｇ、負荷インピーダンスをＲ１とすれば、１／４波長線路の特性インピーダンスＷは√（Ｒｇ・Ｒ１／Ｎ）と選べばよい。実際には多段の場合はこの１／４波長線路の特性インピーダンスＷの実現し易さの関係でその入力側にさらに１／４波長線路を設けることもある。
【００２２】
１／４波長線路として同軸線路を用いた場合は、その特性インピーダンスＷはその同軸管の内導体の外径と外導体の内径との比率で決まる、いわば機械的寸法で決まるので、整合をとるための調整等は不要になり非常に簡単である。通常の場合のように使用周波数が１周波数でよいならこの伝送線路の１／４波長の段数は１段でよいが、周波数が８５±１０ＭＨｚと帯域が広い場合は、周波数特性を改善するために１／４波長線路を２段にして整合をとっている。
【００２３】
図３は、本発明による電源システムの１例として、図１の分配器によって５つに分配された高周波電源の出力を、それぞれアイソレーター４を介して直接プラズマ生成室の電極の給電端へ供給した場合の系統図である。アイソレーター４を図１の整合器３の代わりに使用すれば、負荷プラズマの変動により高周波電源の出力が影響を受けてプラズマ処理の動作が不安定になるという問題を防止することができるので、整合器を省略して整合をとる手間が省かれ、時間短縮が図られる。また、整合器内における電力損失がないから、電源出力が効率的に電極に供給されることになる。
【００２４】
図４は、さらに本発明による電源システムの１例として、図３に示した電源システムにおいて、分配器２とアイソレーター４の間にさらに移相器５を追加挿入した電源システム系統図である。図４の電源システムでは、分配されたプラズマ発生用電源の出力の中、一つの電極に供給される出力の位相を基準として、他の電極に供給される出力の位相を移相器５を用いてそれぞれ調整することができ、プラズマの発生が均一になるので、処理される膜厚の均一性及び再現性を向上させることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマ処理装置用の電源システムにおいて、ＶＨＦ帯高周波電源の出力を一つの電源から分配器を用いて複数に分配することにより、沢山の電源を配置した従来の方式に比べて必要コストが少なくなると共に、取り扱いが容易になった。
【００２６】
また整合装置を省略し、アイソレーターを介して直接電極に高周波電源の出力を供給する電源システムを採れば、整合をとる煩雑な手間がなくなり、整合がとれるまでに要した時間に関係なくプラズマ処理ができるので、時間が短縮され、さらに整合器内での電力損失分がないので、高周波電源の出力が効率良くプラズマ内に供給されるようになる。
【００２７】
さらに分配器とアイソレーターの間に移相器等を挿入する電源システムを採れば、各電極に供給される高周波の位相を制御できるようにしたことにより、プラズマの発生が均一になり、プラズマ処理される膜厚の均一性及び再現性を向上させることが可能となる。
【００２８】
本発明は、複数のＵ字型電極を設ける方式のプラズマ処理装置に適用することにより極めて顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 プラズマ処理装置用電源システムの１例を示す参考系統図
【図２】１／４波長線路を用いた分配器の概念図
【図３】図１において、アイソレーターを介して直接給電した場合の例
【図４】図２において、移相器を連結した場合の例
【図５】従来方式のプラズマ処理装置用電源システムの系統図
【符号の説明】
１ 高周波電源
２ 分配器
３ 整合器
４ アイソレーター
５ 移相器
６ 給電端
７ プラズマ生成室
８ 分配器の入力端子
９ １／４波長線路
１０ 分配器の出力端子

Claims (2)

1. 一端が給電端であり他端が接地電位であるＵ字型電極を複数備えたプラズマ処理装置において、ＶＨＦ帯域の一つのプラズマ発生用電源を分配器を用いて複数の出力に分配し、分配された複数の出力を、それぞれアイソレーターを介して前記複数の電極の給電端にそれぞれ供電し、整合器による負荷プラズマとのインピーダンス整合をとることなくプラズマ処理の動作を安定化したことを特徴とするプラズマ処理装置用電源システム。
2. 分配されたプラズマ発生用電源の複数の出力のうち、一つの電極に供給される出力の位相を基準として、他の電極に供給される出力の位相をそれぞれ調整可能にしたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置用電源システム。

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