JP3992580B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理基板に対してエッチング等のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスや液晶表示装置の製造工程においては、半導体ウエハやガラス基板といった被処理基板にエッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理を施すために、プラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ成膜装置等のプラズマ処理装置が用いられる。
【０００３】
プラズマ処理装置におけるプラズマの発生方法としては、平行平板電極が配置されたチャンバ内に処理ガスを供給し、この平行平板電極に所定の電力を供給して、電極間の容量結合によってプラズマを発生させる方法や、マイクロ波によって発生する電場とチャンバ外に配置された磁場発生装置によって発生した磁場とによって電子を加速し、この電子が処理ガスの中性分子と衝突して中性分子を電離させることによってプラズマを発生させる方法等が知られている。
【０００４】
後者のマイクロ波による電場と磁場発生装置による磁場のマグネトロン効果を利用する方法の場合には、所定電力のマイクロ波を導波管／同軸管を通してチャンバ内に配置されたアンテナに供給し、アンテナからマイクロ波をチャンバ内の処理空間に放射させている。
【０００５】
図４は従来の一般的なマイクロ波導入装置の概略構成を示す説明図である。マイクロ波導入装置９０は、大略的に、所定電力に調整されたマイクロ波を出力するマグネトロン９１ａおよびマグネトロン９１ａに所定周波数のアノード電流を供給するマイクロ波発生電源９１ｂを有するマイクロ波発振器９１と、マイクロ波発振器９１から出力されたマイクロ波をチャンバ内の処理空間に放射するアンテナ９４と、アンテナ９４からマイクロ波発振器９１へ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータ９２と、反射マイクロ波の電力が小さくなるようにアンテナ９４に対する整合を行うチューナーを備え、導波管から同軸管への変換を行うマッチャー９３と、を有している（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７２２０７０号公報
【特許文献２】
特開平８−３０６３１９号公報
【０００７】
マイクロ波発振器９１にマグネトロン９１ａが一般的に用いられている大きな理由としては、マイクロ発振器９１の発信周波数帯（２．４ＧＨｚ帯）は、ＩＳＭバンド（Industrial Scientific Medical Band）と呼ばれ、産業科学医療用に割り当てられた周波数帯であり、広く産業用に使用されているが、この周波数帯で動作する大出力半導体が無いこと、が挙げられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、マグネトロンは真空管の一種であるので、半導体製造装置で使用する環境では、その寿命がは約半年と短いために、装置コストおよびメンテナンスコストが嵩むという問題がある。また、マグネトロンの発振周波数のばらつきは約１％あり、しかも出力のばらつきも３％程度と大きいために、安定したマイクロ波を発振することが困難であった。これに対し、最近のＧａＡｓ、ＳｉＧｅ半導体技術の進歩と携帯電話のブロードバンド化の要求により、上記周波数帯でも動作する中電力のトランジスタが製造され始めている。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、長寿命なマイクロ波発振器を備えたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。また本発明は、マイクロ波を安定して供給することができるマイクロ波発振器を備えたプラズマ処理装置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】
本発明の第１の観点によれば、マイクロ波によってプラズマを生成させ、被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、被処理基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給装置と、所定電力のマイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、前記チャンバ内に設けられ、前記マイクロ波発振器から出力されるマイクロ波を前記チャンバの処理空間に向けて放射するアンテナと、前記マイクロ波発振器から前記アンテナへ出力されたマイクロ波のうち前記マイクロ波発振器へ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータと、前記アンテナからの反射マイクロ波を低減するように前記アンテナに対する整合を行うマッチャーと、を具備し、前記マイクロ波発振器は、所定周波数、所定電力のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、前記マイクロ波発生器から発振されたマイクロ波を複数のマイクロ波に分配する分配器と、前記分配器から出力された複数のマイクロ波をそれぞれ半導体増幅素子によって所定の電力に増幅する複数のアンプ部と、前記複数のアンプ部によって増幅されたマイクロ波を合成する合成器と、を備え、前記合成器から出力されたマイクロ波の電力を検出する第１のマイクロ波検出器と、前記アイソレータを通過したマイクロ波の電力を検出する第２のマイクロ波検出器と、前記第１のマイクロ波検出器と前記第２のマイクロ波検出器によって検出されたマイクロ波の電力を監視する監視部と、前記監視部に送られたマイクロ波情報に基づいて反射マイクロ波が少なくなるように前記マッチャーを制御するマッチャー制御部と、をさらに具備することを特徴とするプラズマ処理装置、が提供される。
【００１３】
本発明に係るプラズマ処理装置においては、半導体増幅素子を用いたアンプ部、所謂、ソリッドステートアンプによって低電力のマイクロ波を電力増幅し、必要な大電力のマイクロ波を生成するために、アンプ部の寿命を半永久的とすることができる。これにより、設備コストやメンテナンスコストが低く抑えられる。また、ソリッドステートアンプは出力安定性に優れるために、安定した特性を有するマイクロ波をチャンバ内に供給することが可能となる。これによりプラズマの発生状態を良好に保持して、基板の処理品質を高めることができる。さらに、ソリッドステートアンプは出力調整範囲が０％〜１００％の間と広く、調整も容易である。
【００１４】
第１の観点に係るプラズマ処理装置は、さらに、合成器から出力されるマイクロ波の電力を検出する第１のマイクロ波検出器と、アイソレータを通過したマイクロ波の電力を検出する第２のマイクロ波検出器と、この第１のマイクロ波検出器と第２のマイクロ波検出器によって検出されたマイクロ波の電力を監視する監視部と、この監視部に送られたマイクロ波情報に基づいて、反射マイクロ波が少なくなるようにマッチャーを制御するマッチャー制御部と、を備えているので、アンテナへの一定電力のマイクロ波の供給が容易となる。また、アイソレータは、好ましくは、アンテナからの反射マイクロ波を熱に変換するダミーロードと、合成器から出力されたマイクロ波をアンテナへ導き、かつ、アンテナからの反射マイクロ波をダミーロードに導くサーキュレータと、から構成される。
【００１５】
第１の観点に係るプラズマ処理装置においては、マイクロ波発生器は、所定周波数のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波を所定の電力に減衰させる可変アッテネータとを有する。可変アッテネータにより回路全体のレベル調整が行われ、マイクロ波の伝搬安定性が高められる。
【００１６】
また、複数のアンプ部はそれぞれ、分配器によって分配された複数のマイクロ波をさらに複数のマイクロ波に分配する副分配器と、副分配器から出力された複数のマイクロ波をそれぞれ所定の電力に増幅する複数の半導体増幅素子と、これら複数の半導体増幅素子によって電力増幅されたマイクロ波を合成する副合成器と、を有する。複数のアンプ部の数、および各アンプ部に設けられる半導体増幅素子の数は、必要とされるマイクロ波の電力と半導体増幅素子の出力特性を考慮して定められる。半導体増幅素子として、好ましくは、パワーＭＯＳＦＥＴまたはＧａＡｓＦＥＴまたはＧｅＳｉトランジスタ等が用いられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、プラズマ処理装置の一例であるエッチング処理を施すプラズマエッチング装置１の概略構成を示す断面図であり、図２はプラズマエッチング装置１に備えられているマイクロ波導入装置５０のより詳細な構成を示す説明図である。なお、プラズマエッチング装置１の被処理基板を半導体ウエハＷとする。
【００１８】
プラズマエッチング装置１は、ウエハＷを収容するチャンバ１１と、チャンバ１１に設けられたガス導入口１２を通してチャンバ１１の内部にプラズマ生成用の処理ガス（例えば、塩素（Ｃｌ２））を供給するガス供給装置２７と、チャンバ１１に設けられた排気口２０を通してチャンバ１１の内部を排気する排気装置１８と、チャンバ１１内においてウエハＷを保持する基板保持ステージ１９と、チャンバ１１内部の処理空間１７に磁場を発生させる空心コイル２１と、チャンバ１１内にマイクロ波を供給するマイクロ波導入装置５０と、を有している。
【００１９】
マイクロ波導入装置５０は、所定電力のマイクロ波を発振するマイクロ波発振器３０と、マイクロ波発振器３０から出力されたマイクロ波のうちマイクロ波発振器３０へ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータ３５と、チャンバ１１内に設けられ、アイソレータ３５を通して出力されるマイクロ波をチャンバ１１の処理空間１７に向けて発振するアンテナ１３と、アンテナ１３からの反射マイクロ波を低減するようにアンテナ１３に対する整合を行うマッチャー３６と、を有している。
【００２０】
マイクロ波発振器３０は、マイクロ波を発生させて発振するマイクロ波発生器３１と、マイクロ波発生器３１から発振されたマイクロ波を複数（図２には４経路に分配させた場合を示す）のマイクロ波に分配する分配器３２と、分配器３２から出力された４経路の各マイクロ波を個別に所定の電力に増幅する４台のソリッドステートアンプ３３と、各ソリッドステートアンプ３３において増幅されたマイクロ波を合成する合成器３４と、を有する。
【００２１】
マイクロ波発生器３１は、所定周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源（ジェネレータ）３１ａと、マイクロ波発生源３１ａで発生させたマイクロ波の電力を分配器３２の許容入力の限度内に減衰させる可変アッテネータ３１ｂと、を有している。可変アッテネータ３１ｂによる減衰率は、回路全体でのマイクロ波のレベルを検討して定められる。つまり、可変アッテネータ３１ｂでマイクロ波の減衰量（出力量）を変えることによって、最終的なマイクロ波のパワーを制御することができる。分配器３２の許容入力電力の範囲内の電力を有するマイクロ波が、可変アッテネータ３１ｂから分配器３２へ出力される。これによりマイクロ波に歪みが発生することが防止され、マイクロ波の電力ロスが抑制される。
【００２２】
分配器３２は、複数のソリッドステートアンプ３３へ参照マイクロ波を入力し、高パワーの増幅を分担する。マイクロ波導入装置５０を構成する伝送線路の特性インピーダンスは通常は５０Ωであるから、分配器３２では、分配器３２の入出力インピーダンスをこの特性インピーダンス（５０Ω）に調整しながら、マイクロ波の分配が行われる。なお、前述した可変アッテネータ３１ｂを含めて、マイクロ波導入装置５０に設けられる各種の高周波コンポーネントの入出力インピーダンスは、伝送線路の特性インピーダンス（５０Ω）に調整された構成とされる。
【００２３】
分配器３２から出力された４系統のマイクロ波は、４台のソリッドステートアンプ３３にそれぞれ送られる。ソリッドステートアンプ３３は、入力されたマイクロ波をさらに複数のマイクロ波に分配する副分配器４１（図２には４系統に分配した場合を示す）と、各副分配器４１から出力されたマイクロ波を所定の電力に増幅する半導体増幅素子４２と、各半導体増幅素子４２から出力された増幅されたマイクロ波を合成する副合成器４３と、を有している。
【００２４】
半導体増幅素子４２としては、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴまたはＧａＡｓＦＥＴまたはＧｅＳｉトランジスタが好適に用いられる。１個の半導体増幅素子４２から出力されるマイクロ波の最大電力は、例えば、１００Ｗ〜１５０Ｗである。これに対して、アンテナ１３に供給しなければならないマイクロ波の電力は、一般的に１０００〜３０００Ｗである。したがって、半導体増幅素子４２の全使用数は、１個の半導体増幅素子４２の最大出力電力とアンテナ１３に供給すべき必要な電力から設定され、こうして定められた半導体増幅素子４２の総数から、ソリッドステートアンプ３３の構成と必要なソリッドステートアンプ３３の数、分配器３２における分配数が定められる。
【００２５】
逆に、１台のソリッドステートアンプ３３に装着する半導体増幅素子４２の数を定めることによって、そのソリッドステートアンプ３３の規定入力電力と規定出力電力を決定し、アンテナ１３に供給すべき必要な電力から必要とされるソリッドステートアンプ３３の数を設定してもよい。こうして定められたソリッドステートアンプ３３の数から、分配器３２における分配数と、分配器３２へ入力するマイクロ波の電力（つまり、可変アッテネータ３１ｂにおける減衰率）を決定することができる。ソリッドステートアンプ３３によって所定の電力に増幅されたマイクロ波は、合成器３４によって合成される。こうして、大電力のマイクロ波が合成器３４から出力される。
【００２６】
このように、マイクロ波発振器３０には、従来使用されていたマグネトロンを用いずに、半導体増幅素子４２によってマイクロ波を増幅するソリッドステートアンプ３３が用いられている。ソリッドステートアンプ３３は、寿命が半永久的であるためにマイクロ波発振器３０の装置コストが低く抑えられる。また、故障時以外は交換の必要がないために、メンテナンスの頻度が減少し、これによりプラズマエッチング装置１のランニングコストが低減される。さらに、水晶発振子を使用し波形整形されているので、周波数スペクトラムが急峻な単一周波数の高周波源となる。
【００２７】
さらに、ソリッドステートアンプ３３は信号歪みが小さいと言った特性を有するために、安定した特性のマイクロ波をアンテナ１３に供給することが可能となり、安定したプラズマを発生させることができる。これによりウエハＷの処理品質が均一化され、ウエハＷを品質を高く一定に保持することが可能となる。
【００２８】
合成器３４から出力されたマイクロ波、つまりマイクロ波発振器３０から出力されたマイクロ波は、アイソレータ３５とマッチャー３６とを通してアンテナ１３に送られるが、このときアンテナ１３から一部のマイクロ波がマイクロ波発振器３０に戻るように反射される。アイソレータ３５は、サーキュレータ３５ａとダミーロード（同軸終端器）３５ｂとを有しており、サーキュレータ３５ａは、アンテナ１３からマイクロ波発振器３０へ向けて逆行しようとするマイクロ波をダミーロード３５ｂへ導く。ダミーロード３５ｂはサーキュレータ３５ａによって導かれたマイクロ波を熱に変換する。
【００２９】
マッチャー３６は、アンテナ１３から反射されてダミーロード３５ｂに導かれるマイクロ波が少なくなるように、アンテナ１３に対して整合をとるチューナーを有している。このマッチャー３６の制御（チューナーの制御）は、例えば、図３にその概略構成を示す制御システム６０により行うことができる。制御システム６０は、マイクロ波発振器３０（合成器３４）から出力されたマイクロ波の電力を検出する第１マイクロ波検出器４５と、アイソレータ３５を通過したマイクロ波の電力を検出する第２マイクロ波検出器４６と、第１マイクロ波検出器４５と第２マイクロ波検出器４６によって検出されたマイクロ波情報を監視し、この情報に基づいてマッチャー３６を制御する監視制御部４７と、監視制御部４７へ入力されるマイクロ波情報やマッチャー３６の動作状態を表示するモニタ４８ａと、オペレター等が監視制御部４７へ制御信号を送るための入力装置４９と、監視制御部４７と入力装置４９との間の信号交換を可能とするインターフェイス４８ｂと、を有している。
【００３０】
第１マイクロ波検出器４５によって検出されたマイクロ波の電力と、第２マイクロ波検出器４６によって検出されたマイクロ波の電力の差を、アンテナ１３からの反射電力の大きさと考えることができるために、この反射電力の大きさが所定の値よりも小さくなるように、マッチャー３６は監視制御部４７によって制御される。なお、許容される反射電力の大きさは、入力装置４９から入力することができる。また、モニター４８ａには、入力装置４９から入力された各種の情報や各種マイクロ波の電力、マッチャー３６の制御状態、警報等を表示させることができる。
【００３１】
マイクロ波発振器３０からマッチャー３６へ至るまでのマイクロ波の伝送線路としては、一般的に導波管が用いられるが、マッチャー３６はマイクロ波の伝送線路をこの導波管から同軸管へ変換する。つまり、マッチャー３６からアンテナ１３へは、マイクロ波は同軸管外導体１６ａと同軸管内導体１６ｂを通して供給される。
【００３２】
アンテナ１３は、所定位置にマイクロ波を放射するスロット（図示せず）が形成された金属からなるスロット板１４と、このスロット板１４と処理空間１７に発生するプラズマとの直接接触を防止するマイクロ波透過絶縁板１５と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなる遅波板２４と、冷却板２２と、を有している。なお、同軸管内導体１６ｂのスロット板１４側端部には、マイクロ波の反射を抑制／低減するためのテーパー部２３が形成されている。
【００３３】
スロット板１４に形成されたスロットから放射されたマイクロ波は、マイクロ波透過絶縁板１５を通過して処理空間１７に達し、処理空間１７にマイクロ波の電場を形成する。これと同時に、空心コイル２１を作動させて処理空間に磁場を発生させると、マグネトロン効果によって、効率的にプラズマを発生させることができる。但し、この空心コイル２１は、必ずしも必要ではなく、アンテナ１３から放射されるマイクロ波のみによっても、プラズマを発生させることができる。
【００３４】
プラズマエッチング装置１においては、マイクロ波導入装置５０によって処理空間１７に電力の安定したマイクロ波が供給されるために、処理空間１７に安定してプラズマを発生させることができ、これによってウエハＷの処理品質が高められる。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、マイクロ波発振器３０の回路構成やソリッドステートアンプ３３の回路構成は、図２に示す構成に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。また、上記説明においては、プラズマ処理としてエッチング処理を取り上げたが、本発明のプラズマ処理装置は、プラズマＣＶＤ処理（成膜処理）やアッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。この場合には、処理目的に応じて適切な処理ガスをチャンバ１１内に供給すればよい。また、被処理基板は半導体ウエハＷに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板、セラミックス基板等であってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、半導体増幅素子を用いた、所謂、ソリッドステートアンプによってマイクロ波の電力増幅を行っているために、アンプの寿命を半永久的とすることができる。これによって設備コストやメンテナンスコストが低く抑えられる。また、ソリッドステートアンプは出力安定性に優れるために、安定した特性を有するマイクロ波をチャンバ内に供給することが可能となり、これによってプラズマの発生状態を良好に保持し、基板の処理品質を高めることができる。さらに、ソリッドステートアンプは出力調整範囲が０％〜１００％の間と広く、調整も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマエッチング装置の概略構成を示す断面図。
【図２】プラズマエッチング装置に備えられたマイクロ波導入装置の構成を示す説明図。
【図３】プラズマエッチング装置に備えられたマッチャーの制御システムの一実施形態を示す説明図。
【図４】従来のマイクロ波導入装置の構成を示す説明図。
【符号の説明】
１；プラズマエッチング装置
１１；チャンバ
１３；アンテナ
１４；スロット板
１５；マイクロ波透過絶縁板
１７；処理空間
１８；排気装置
１９；基板保持ステージ
２１；空心コイル
２２；冷却板
２４；遅波板
２７；ガス供給装置
３０；マイクロ波発振器
３１；マイクロ波発生器
３１ａ；マイクロ波発生源
３１ｂ；可変アッテネータ
３２；分配器
３３；ソリッドステートアンプ
３４；合成器
３５；アイソレータ
３５ａ；サーキュレータ
３５ｂ；ダミーロード
３６；マッチャー
４１；副分配器
４２；半導体増幅素子
４３；副合成器
４５；第１マイクロ波検出器
４６；第２マイクロ波検出器
４７；制御監視部
６０；制御システム
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理基板に対してエッチング等のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスや液晶表示装置の製造工程においては、半導体ウエハやガラス基板といった被処理基板にエッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理を施すために、プラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ成膜装置等のプラズマ処理装置が用いられる。
【０００３】
プラズマ処理装置におけるプラズマの発生方法としては、平行平板電極が配置されたチャンバ内に処理ガスを供給し、この平行平板電極に所定の電力を供給して、電極間の容量結合によってプラズマを発生させる方法や、マイクロ波によって発生する電場とチャンバ外に配置された磁場発生装置によって発生した磁場とによって電子を加速し、この電子が処理ガスの中性分子と衝突して中性分子を電離させることによってプラズマを発生させる方法等が知られている。
【０００４】
後者のマイクロ波による電場と磁場発生装置による磁場のマグネトロン効果を利用する方法の場合には、所定電力のマイクロ波を導波管／同軸管を通してチャンバ内に配置されたアンテナに供給し、アンテナからマイクロ波をチャンバ内の処理空間に放射させている。
【０００５】
図４は従来の一般的なマイクロ波導入装置の概略構成を示す説明図である。マイクロ波導入装置９０は、大略的に、所定電力に調整されたマイクロ波を出力するマグネトロン９１ａおよびマグネトロン９１ａに所定周波数のアノード電流を供給するマイクロ波発生電源９１ｂを有するマイクロ波発振器９１と、マイクロ波発振器９１から出力されたマイクロ波をチャンバ内の処理空間に放射するアンテナ９４と、アンテナ９４からマイクロ波発振器９１へ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータ９２と、反射マイクロ波の電力が小さくなるようにアンテナ９４に対する整合を行うチューナーを備え、導波管から同軸管への変換を行うマッチャー９３と、を有している（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７２２０７０号公報
【特許文献２】
特開平８−３０６３１９号公報
【０００７】
マイクロ波発振器９１にマグネトロン９１ａが一般的に用いられている大きな理由としては、マイクロ発振器９１の発信周波数帯（２．４ＧＨｚ帯）は、ＩＳＭバンド（Industrial Scientific Medical Band）と呼ばれ、産業科学医療用に割り当てられた周波数帯であり、広く産業用に使用されているが、この周波数帯で動作する大出力半導体が無いこと、が挙げられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、マグネトロンは真空管の一種であるので、半導体製造装置で使用する環境では、その寿命がは約半年と短いために、装置コストおよびメンテナンスコストが嵩むという問題がある。また、マグネトロンの発振周波数のばらつきは約１％あり、しかも出力のばらつきも３％程度と大きいために、安定したマイクロ波を発振することが困難であった。これに対し、最近のＧａＡｓ、ＳｉＧｅ半導体技術の進歩と携帯電話のブロードバンド化の要求により、上記周波数帯でも動作する中電力のトランジスタが製造され始めている。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、長寿命なマイクロ波発振器を備えたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。また本発明は、マイクロ波を安定して供給することができるマイクロ波発振器を備えたプラズマ処理装置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】
本発明の第１の観点によれば、マイクロ波によってプラズマを生成させ、被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、被処理基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給装置と、所定電力のマイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、前記チャンバ内に設けられ、前記マイクロ波発振器から出力されるマイクロ波を前記チャンバの処理空間に向けて放射するアンテナと、前記マイクロ波発振器から前記アンテナへ出力されたマイクロ波のうち前記マイクロ波発振器へ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータと、前記アンテナからの反射マイクロ波を低減するように前記アンテナに対する整合を行うマッチャーと、を具備し、前記マイクロ波発振器は、所定周波数、所定電力のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、前記マイクロ波発生器から発振されたマイクロ波を複数のマイクロ波に分配する分配器と、前記分配器から出力された複数のマイクロ波をそれぞれ半導体増幅素子によって所定の電力に増幅する複数のアンプ部と、前記複数のアンプ部によって増幅されたマイクロ波を合成する合成器と、を備え、前記合成器から出力されたマイクロ波の電力を検出する第１のマイクロ波検出器と、前記アイソレータを通過したマイクロ波の電力を検出する第２のマイクロ波検出器と、前記第１のマイクロ波検出器と前記第２のマイクロ波検出器によって検出されたマイクロ波の電力を監視する監視部と、前記監視部に送られたマイクロ波情報に基づいて反射マイクロ波が少なくなるように前記マッチャーを制御するマッチャー制御部と、をさらに具備することを特徴とするプラズマ処理装置、が提供される。
【００１３】
本発明に係るプラズマ処理装置においては、半導体増幅素子を用いたアンプ部、所謂、ソリッドステートアンプによって低電力のマイクロ波を電力増幅し、必要な大電力のマイクロ波を生成するために、アンプ部の寿命を半永久的とすることができる。これにより、設備コストやメンテナンスコストが低く抑えられる。また、ソリッドステートアンプは出力安定性に優れるために、安定した特性を有するマイクロ波をチャンバ内に供給することが可能となる。これによりプラズマの発生状態を良好に保持して、基板の処理品質を高めることができる。さらに、ソリッドステートアンプは出力調整範囲が０％〜１００％の間と広く、調整も容易である。
【００１４】
第１の観点に係るプラズマ処理装置は、さらに、合成器から出力されるマイクロ波の電力を検出する第１のマイクロ波検出器と、アイソレータを通過したマイクロ波の電力を検出する第２のマイクロ波検出器と、この第１のマイクロ波検出器と第２のマイクロ波検出器によって検出されたマイクロ波の電力を監視する監視部と、この監視部に送られたマイクロ波情報に基づいて、反射マイクロ波が少なくなるようにマッチャーを制御するマッチャー制御部と、を備えているので、アンテナへの一定電力のマイクロ波の供給が容易となる。また、アイソレータは、好ましくは、アンテナからの反射マイクロ波を熱に変換するダミーロードと、合成器から出力されたマイクロ波をアンテナへ導き、かつ、アンテナからの反射マイクロ波をダミーロードに導くサーキュレータと、から構成される。
【００１５】
第１の観点に係るプラズマ処理装置においては、マイクロ波発生器は、所定周波数のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波を所定の電力に減衰させる可変アッテネータとを有する。可変アッテネータにより回路全体のレベル調整が行われ、マイクロ波の伝搬安定性が高められる。
【００１６】
また、複数のアンプ部はそれぞれ、分配器によって分配された複数のマイクロ波をさらに複数のマイクロ波に分配する副分配器と、副分配器から出力された複数のマイクロ波をそれぞれ所定の電力に増幅する複数の半導体増幅素子と、これら複数の半導体増幅素子によって電力増幅されたマイクロ波を合成する副合成器と、を有する。複数のアンプ部の数、および各アンプ部に設けられる半導体増幅素子の数は、必要とされるマイクロ波の電力と半導体増幅素子の出力特性を考慮して定められる。半導体増幅素子として、好ましくは、パワーＭＯＳＦＥＴまたはＧａＡｓＦＥＴまたはＧｅＳｉトランジスタ等が用いられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、プラズマ処理装置の一例であるエッチング処理を施すプラズマエッチング装置１の概略構成を示す断面図であり、図２はプラズマエッチング装置１に備えられているマイクロ波導入装置５０のより詳細な構成を示す説明図である。なお、プラズマエッチング装置１の被処理基板を半導体ウエハＷとする。
【００１８】
プラズマエッチング装置１は、ウエハＷを収容するチャンバ１１と、チャンバ１１に設けられたガス導入口１２を通してチャンバ１１の内部にプラズマ生成用の処理ガス（例えば、塩素（Ｃｌ２））を供給するガス供給装置２７と、チャンバ１１に設けられた排気口２０を通してチャンバ１１の内部を排気する排気装置１８と、チャンバ１１内においてウエハＷを保持する基板保持ステージ１９と、チャンバ１１内部の処理空間１７に磁場を発生させる空心コイル２１と、チャンバ１１内にマイクロ波を供給するマイクロ波導入装置５０と、を有している。
【００１９】
マイクロ波導入装置５０は、所定電力のマイクロ波を発振するマイクロ波発振器３０と、マイクロ波発振器３０から出力されたマイクロ波のうちマイクロ波発振器３０へ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータ３５と、チャンバ１１内に設けられ、アイソレータ３５を通して出力されるマイクロ波をチャンバ１１の処理空間１７に向けて発振するアンテナ１３と、アンテナ１３からの反射マイクロ波を低減するようにアンテナ１３に対する整合を行うマッチャー３６と、を有している。
【００２０】
マイクロ波発振器３０は、マイクロ波を発生させて発振するマイクロ波発生器３１と、マイクロ波発生器３１から発振されたマイクロ波を複数（図２には４経路に分配させた場合を示す）のマイクロ波に分配する分配器３２と、分配器３２から出力された４経路の各マイクロ波を個別に所定の電力に増幅する４台のソリッドステートアンプ３３と、各ソリッドステートアンプ３３において増幅されたマイクロ波を合成する合成器３４と、を有する。
【００２１】
マイクロ波発生器３１は、所定周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源（ジェネレータ）３１ａと、マイクロ波発生源３１ａで発生させたマイクロ波の電力を分配器３２の許容入力の限度内に減衰させる可変アッテネータ３１ｂと、を有している。可変アッテネータ３１ｂによる減衰率は、回路全体でのマイクロ波のレベルを検討して定められる。つまり、可変アッテネータ３１ｂでマイクロ波の減衰量（出力量）を変えることによって、最終的なマイクロ波のパワーを制御することができる。分配器３２の許容入力電力の範囲内の電力を有するマイクロ波が、可変アッテネータ３１ｂから分配器３２へ出力される。これによりマイクロ波に歪みが発生することが防止され、マイクロ波の電力ロスが抑制される。
【００２２】
分配器３２は、複数のソリッドステートアンプ３３へ参照マイクロ波を入力し、高パワーの増幅を分担する。マイクロ波導入装置５０を構成する伝送線路の特性インピーダンスは通常は５０Ωであるから、分配器３２では、分配器３２の入出力インピーダンスをこの特性インピーダンス（５０Ω）に調整しながら、マイクロ波の分配が行われる。なお、前述した可変アッテネータ３１ｂを含めて、マイクロ波導入装置５０に設けられる各種の高周波コンポーネントの入出力インピーダンスは、伝送線路の特性インピーダンス（５０Ω）に調整された構成とされる。
【００２３】
分配器３２から出力された４系統のマイクロ波は、４台のソリッドステートアンプ３３にそれぞれ送られる。ソリッドステートアンプ３３は、入力されたマイクロ波をさらに複数のマイクロ波に分配する副分配器４１（図２には４系統に分配した場合を示す）と、各副分配器４１から出力されたマイクロ波を所定の電力に増幅する半導体増幅素子４２と、各半導体増幅素子４２から出力された増幅されたマイクロ波を合成する副合成器４３と、を有している。
【００２４】
半導体増幅素子４２としては、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴまたはＧａＡｓＦＥＴまたはＧｅＳｉトランジスタが好適に用いられる。１個の半導体増幅素子４２から出力されるマイクロ波の最大電力は、例えば、１００Ｗ〜１５０Ｗである。これに対して、アンテナ１３に供給しなければならないマイクロ波の電力は、一般的に１０００〜３０００Ｗである。したがって、半導体増幅素子４２の全使用数は、１個の半導体増幅素子４２の最大出力電力とアンテナ１３に供給すべき必要な電力から設定され、こうして定められた半導体増幅素子４２の総数から、ソリッドステートアンプ３３の構成と必要なソリッドステートアンプ３３の数、分配器３２における分配数が定められる。
【００２５】
逆に、１台のソリッドステートアンプ３３に装着する半導体増幅素子４２の数を定めることによって、そのソリッドステートアンプ３３の規定入力電力と規定出力電力を決定し、アンテナ１３に供給すべき必要な電力から必要とされるソリッドステートアンプ３３の数を設定してもよい。こうして定められたソリッドステートアンプ３３の数から、分配器３２における分配数と、分配器３２へ入力するマイクロ波の電力（つまり、可変アッテネータ３１ｂにおける減衰率）を決定することができる。ソリッドステートアンプ３３によって所定の電力に増幅されたマイクロ波は、合成器３４によって合成される。こうして、大電力のマイクロ波が合成器３４から出力される。
【００２６】
このように、マイクロ波発振器３０には、従来使用されていたマグネトロンを用いずに、半導体増幅素子４２によってマイクロ波を増幅するソリッドステートアンプ３３が用いられている。ソリッドステートアンプ３３は、寿命が半永久的であるためにマイクロ波発振器３０の装置コストが低く抑えられる。また、故障時以外は交換の必要がないために、メンテナンスの頻度が減少し、これによりプラズマエッチング装置１のランニングコストが低減される。さらに、水晶発振子を使用し波形整形されているので、周波数スペクトラムが急峻な単一周波数の高周波源となる。
【００２７】
さらに、ソリッドステートアンプ３３は信号歪みが小さいと言った特性を有するために、安定した特性のマイクロ波をアンテナ１３に供給することが可能となり、安定したプラズマを発生させることができる。これによりウエハＷの処理品質が均一化され、ウエハＷを品質を高く一定に保持することが可能となる。
【００２８】
合成器３４から出力されたマイクロ波、つまりマイクロ波発振器３０から出力されたマイクロ波は、アイソレータ３５とマッチャー３６とを通してアンテナ１３に送られるが、このときアンテナ１３から一部のマイクロ波がマイクロ波発振器３０に戻るように反射される。アイソレータ３５は、サーキュレータ３５ａとダミーロード（同軸終端器）３５ｂとを有しており、サーキュレータ３５ａは、アンテナ１３からマイクロ波発振器３０へ向けて逆行しようとするマイクロ波をダミーロード３５ｂへ導く。ダミーロード３５ｂはサーキュレータ３５ａによって導かれたマイクロ波を熱に変換する。
【００２９】
マッチャー３６は、アンテナ１３から反射されてダミーロード３５ｂに導かれるマイクロ波が少なくなるように、アンテナ１３に対して整合をとるチューナーを有している。このマッチャー３６の制御（チューナーの制御）は、例えば、図３にその概略構成を示す制御システム６０により行うことができる。制御システム６０は、マイクロ波発振器３０（合成器３４）から出力されたマイクロ波の電力を検出する第１マイクロ波検出器４５と、アイソレータ３５を通過したマイクロ波の電力を検出する第２マイクロ波検出器４６と、第１マイクロ波検出器４５と第２マイクロ波検出器４６によって検出されたマイクロ波情報を監視し、この情報に基づいてマッチャー３６を制御する監視制御部４７と、監視制御部４７へ入力されるマイクロ波情報やマッチャー３６の動作状態を表示するモニタ４８ａと、オペレター等が監視制御部４７へ制御信号を送るための入力装置４９と、監視制御部４７と入力装置４９との間の信号交換を可能とするインターフェイス４８ｂと、を有している。
【００３０】
第１マイクロ波検出器４５によって検出されたマイクロ波の電力と、第２マイクロ波検出器４６によって検出されたマイクロ波の電力の差を、アンテナ１３からの反射電力の大きさと考えることができるために、この反射電力の大きさが所定の値よりも小さくなるように、マッチャー３６は監視制御部４７によって制御される。なお、許容される反射電力の大きさは、入力装置４９から入力することができる。また、モニター４８ａには、入力装置４９から入力された各種の情報や各種マイクロ波の電力、マッチャー３６の制御状態、警報等を表示させることができる。
【００３１】
マイクロ波発振器３０からマッチャー３６へ至るまでのマイクロ波の伝送線路としては、一般的に導波管が用いられるが、マッチャー３６はマイクロ波の伝送線路をこの導波管から同軸管へ変換する。つまり、マッチャー３６からアンテナ１３へは、マイクロ波は同軸管外導体１６ａと同軸管内導体１６ｂを通して供給される。
【００３２】
アンテナ１３は、所定位置にマイクロ波を放射するスロット（図示せず）が形成された金属からなるスロット板１４と、このスロット板１４と処理空間１７に発生するプラズマとの直接接触を防止するマイクロ波透過絶縁板１５と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなる遅波板２４と、冷却板２２と、を有している。なお、同軸管内導体１６ｂのスロット板１４側端部には、マイクロ波の反射を抑制／低減するためのテーパー部２３が形成されている。
【００３３】
スロット板１４に形成されたスロットから放射されたマイクロ波は、マイクロ波透過絶縁板１５を通過して処理空間１７に達し、処理空間１７にマイクロ波の電場を形成する。これと同時に、空心コイル２１を作動させて処理空間に磁場を発生させると、マグネトロン効果によって、効率的にプラズマを発生させることができる。但し、この空心コイル２１は、必ずしも必要ではなく、アンテナ１３から放射されるマイクロ波のみによっても、プラズマを発生させることができる。
【００３４】
プラズマエッチング装置１においては、マイクロ波導入装置５０によって処理空間１７に電力の安定したマイクロ波が供給されるために、処理空間１７に安定してプラズマを発生させることができ、これによってウエハＷの処理品質が高められる。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、マイクロ波発振器３０の回路構成やソリッドステートアンプ３３の回路構成は、図２に示す構成に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。また、上記説明においては、プラズマ処理としてエッチング処理を取り上げたが、本発明のプラズマ処理装置は、プラズマＣＶＤ処理（成膜処理）やアッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。この場合には、処理目的に応じて適切な処理ガスをチャンバ１１内に供給すればよい。また、被処理基板は半導体ウエハＷに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板、セラミックス基板等であってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、半導体増幅素子を用いた、所謂、ソリッドステートアンプによってマイクロ波の電力増幅を行っているために、アンプの寿命を半永久的とすることができる。これによって設備コストやメンテナンスコストが低く抑えられる。また、ソリッドステートアンプは出力安定性に優れるために、安定した特性を有するマイクロ波をチャンバ内に供給することが可能となり、これによってプラズマの発生状態を良好に保持し、基板の処理品質を高めることができる。さらに、ソリッドステートアンプは出力調整範囲が０％〜１００％の間と広く、調整も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマエッチング装置の概略構成を示す断面図。
【図２】プラズマエッチング装置に備えられたマイクロ波導入装置の構成を示す説明図。
【図３】プラズマエッチング装置に備えられたマッチャーの制御システムの一実施形態を示す説明図。
【図４】従来のマイクロ波導入装置の構成を示す説明図。
【符号の説明】
１；プラズマエッチング装置
１１；チャンバ
１３；アンテナ
１４；スロット板
１５；マイクロ波透過絶縁板
１７；処理空間
１８；排気装置
１９；基板保持ステージ
２１；空心コイル
２２；冷却板
２４；遅波板
２７；ガス供給装置
３０；マイクロ波発振器
３１；マイクロ波発生器
３１ａ；マイクロ波発生源
３１ｂ；可変アッテネータ
３２；分配器
３３；ソリッドステートアンプ
３４；合成器
３５；アイソレータ
３５ａ；サーキュレータ
３５ｂ；ダミーロード
３６；マッチャー
４１；副分配器
４２；半導体増幅素子
４３；副合成器
４５；第１マイクロ波検出器
４６；第２マイクロ波検出器
４７；制御監視部
６０；制御システム
Claims (6)
- マイクロ波によってプラズマを生成させ、被処理基板に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
被処理基板を収容するチャンバと、
前記チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給装置と、
所定電力のマイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、
前記チャンバ内に設けられ、前記マイクロ波発振器から出力されるマイクロ波を前記チャンバの処理空間に向けて放射するアンテナと、
前記マイクロ波発振器から前記アンテナへ出力されたマイクロ波のうち前記マイクロ波発振器へ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータと、
前記アンテナからの反射マイクロ波を低減するように前記アンテナに対する整合を行うマッチャーと、
を具備し、
前記マイクロ波発振器は、
所定周波数、所定電力のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波発生器から発振されたマイクロ波を複数のマイクロ波に分配する分配器と、
前記分配器から出力された複数のマイクロ波をそれぞれ半導体増幅素子によって所定の電力に増幅する複数のアンプ部と、
前記複数のアンプ部によって増幅されたマイクロ波を合成する合成器と、を備え、
前記合成器から出力されたマイクロ波の電力を検出する第１のマイクロ波検出器と、
前記アイソレータを通過したマイクロ波の電力を検出する第２のマイクロ波検出器と、
前記第１のマイクロ波検出器と前記第２のマイクロ波検出器によって検出されたマイクロ波の電力を監視する監視部と、
前記監視部に送られたマイクロ波情報に基づいて反射マイクロ波が少なくなるように前記マッチャーを制御するマッチャー制御部と、
をさらに具備することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記アイソレータは、
反射マイクロ波を熱に変換するダミーロードと、
前記合成器から出力されたマイクロ波を前記アンテナへ導き、前記アンテナからの反射マイクロ波を前記ダミーロードに導くサーキュレータと、
を具備することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。 - 前記複数のアンプ部はそれぞれ、
前記分配器によって分配された複数のマイクロ波をさらに複数のマイクロ波に分配する副分配器と、
前記副分配器から出力された複数のマイクロ波をそれぞれ所定の電力に増幅する複数の半導体増幅素子と、
前記複数の半導体増幅素子によって電力増幅されたマイクロ波を合成する副合成器と、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。 - 前記マイクロ波発生器は、
所定周波数のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、
前記マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波を所定の電力に減衰させる可変アッテネータと、
を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。 - 前記半導体増幅素子はパワーＭＯＳＦＥＴまたはＧａＡｓＦＥＴまたはＧｅＳｉトランジスタであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記チャンバ内に磁場を発生させる磁場発生装置をさらに具備し、
前記チャンバ内に放射されるマイクロ波によって発生する電場と、前記磁場発生装置によって発生する磁場とによって、マグネトロン効果を生じさせることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
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