JP6482390B2

JP6482390B2 - 電力合成器およびマイクロ波導入機構

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Description

本発明は、電力合成器およびそれを用いたマイクロ波導入機構に関する。

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。

近時、このようなプラズマ処理装置として、チャンバの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナを設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバ内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバ内に導入されたガスをプラズマ化し、このように形成されたプラズマにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１）。

また、マイクロ波を複数に分配し、上記平面アンテナを有する複数のアンテナモジュールを介してマイクロ波をチャンバ内に導きチャンバ内でマイクロ波を空間合成するマイクロ波プラズマ源を有するマイクロ波プラズマ処理装置も提案されている（特許文献２）。

上記特許文献２では、マイクロ波電力のような電磁波電力を同軸構造の導波路に給電するために同軸構造の導波路の軸の延長線上に給電ポートを設け、そこから同軸線路を介して給電している。

しかし、特許文献２の給電方式では、供給可能な電力が小さく、マイクロ波処理装置に必要な電力を供給することが困難である。

これに対し、特許文献３には、リング状アンテナを利用して、同軸構造の導波路の側部に設けられた電力導入ポートから同軸線路を介して該導波路へマイクロ波電力のような電磁波電力を給電する技術が開示されており、この技術を利用して、８６０ＭＨｚ程度の低周波数のマイクロ波を用いることにより、より大きく実用的な電力を供給することができる。

最近では、特許文献３の給電技術で供給可能な電力よりもさらに大きな電力が求められており、電力合成技術が検討されている。

このような電力合成技術としては、従来、「ウィルキンソン（Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ）合成器」を用いたものが知られている。しかし、この技術は、合成器の内部に反射吸収抵抗を含み大型とならざるを得ず、また、「直接供給」（電力を電力として伝送）であるので、電力損失を起こしやすく、発熱しやすいので、実効伝送電力が減少するという問題がある。

このような問題を解決するため、特許文献４には、複数の電力導入ポートと、電力導入ポートにそれぞれ設けられ、供給された電磁波を前記本体容器内に放射する複数の給電アンテナと、複数の給電アンテナから本体容器内に放射された電磁波を空間合成する合成部と、合成部で合成された電磁波を出力する出力ポートとを有する電力合成器が開示されている。そして、給電アンテナは、電力導入ポートから電磁波が供給される第１の極および供給された電磁波を放射する第２の極を有するアンテナ本体と、アンテナ本体から側方へ突出するように設けられた、電磁波を反射させる反射部とを有し、アンテナ本体に入射された電磁波と反射部で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成され、各給電アンテナから放射された定在波である電磁波が前記合成部で合成されるようになっている。

特許文献４に記載された電力合成器は、内部に反射吸収抵抗が不要であるため、小型化が可能であり、また発熱の問題も発生しない。

特開２００７−１０９４５７号公報国際公開第２００８／０１３１１２号パンフレット特開２０１１−１６６７４０号公報特開２００９−２３０９１５号公報

ところで、マイクロ波を伝送する際には、ＴＥＭモード以外の高次モードが発生するとマイクロ波の伝搬特性が劣化してしまうため、高次モードを極力抑制する必要がある。しかし、上記特許文献４の技術では、高次モードを十分形成に抑制することができず、大きな電力のマイクロ波を十分に効率良く合成することが困難である。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、小型化が可能であり、かつ大きな電力のマイクロ波を十分に効率良く合成することができる電力合成器およびそのような電力合成器を用いたマイクロ波導入機構を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、外側導体と内側導体とからなる同軸構造を有する本体部と、前記外側導体の側面に設けられ、給電線を介して供給された電磁波電力を前記本体部へ導入する複数の電力導入ポートと、前記複数の電力導入ポートから前記給電線を介して供給された電磁波を前記本体部の外側導体と内側導体との間に放射して電力を合成する電力合成アンテナと、合成された電磁波を前記本体部から出力する出力ポートとを具備し、前記電力合成アンテナは、前記複数の電力導入ポートのそれぞれにおいて前記給電線から電磁波が供給される第１の極および前記内側導体に接触する第２の極を有する複数のアンテナ部材と、前記複数のアンテナ部材の両側から前記内側導体の外側に沿ってリング状に設けられた、電磁波を反射させる反射部とを有し、前記アンテナ部材に入射された電磁波と前記反射部で反射された電磁波とで定在波を形成し、その定在波により前記本体部内で発生する誘導磁界および誘導電界の連鎖作用によって電磁波電力が合成されて前記本体部内を伝播し、前記出力ポートから出力されることを特徴とする電力合成器を提供する。

本発明の第２の観点は、チャンバ内にマイクロ波により表面波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源において前記チャンバ内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構であって、複数の給電線から供給されたマイクロ波電力を合成する電力合成器と、前記電力合成器で合成されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナを有するアンテナ部と前記電力合成器で合成されたマイクロ波電力を伝送するとともに、前記チャンバ内のプラズマを含む負荷のインピーダンスをマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるチューナとを具備し、前記電力合成器は、外側導体と内側導体とからなる同軸構造を有する本体部と、前記外側導体の側面に設けられ、給電線を介して供給されたマイクロ波電力を前記本体部へ導入する複数の電力導入ポートと、前記複数の電力導入ポートから前記給電線を介して供給された電磁波を前記本体部の外側導体と内側導体との間に放射して電力を合成する電力合成アンテナと、合成された電磁波を前記本体部から出力する出力ポートとを備え、前記電力合成アンテナは、前記複数の電力導入ポートのそれぞれにおいて前記給電線からマイクロ波が供給される第１の極および前記内側導体に接触する第２の極を有する複数のアンテナ部材と、前記複数のアンテナ部材の両側から前記内側導体の外側に沿ってリング状に設けられた、マイクロ波を反射させる反射部とを有し、前記アンテナ部材に入射された電磁波と前記反射部で反射されたマイクロ波とで定在波を形成し、その定在波により前記本体部内で発生する誘導磁界および誘導電界の連鎖作用によってマイクロ波電力が合成されて前記本体部内を伝播し、前記出力ポートから出力されることを特徴とするマイクロ波導入機構を提供する。

前記電力合成器としては、前記電力導入ポートの数は２つであり、互いに対向して設けられているものが好適である。この場合に、前記２つの電力導入ポートにそれぞれ設けられた２つのアンテナ部材が一直線上に配置されていることが好ましい。

前記電力合成器は、前記複数の電力導入ポートから、同位相および同パワーのマイクロ波電力が供給されることが好ましい。

前記電力合成器は、前記本体部の出力方向と反対側の端部に設けられた反射板をさらに有し、前記電力合成アンテナから供給された電磁波電力を前記反射板で反射させて前記本体部を伝播させる構成とすることができる。この場合に、前記反射板と前記電力合成アンテナとの間に設けられた遅波材をさらに有することが好ましい。

前記チューナとしては、誘電体からなる２つのスラグを有するスラグチューナを用いることができる。

前記アンテナ部は、マイクロ波を放射するスロットを有し、平面状をなす平面スロットアンテナを有することが好ましい。

前記アンテナ部は、前記マイクロ波放射アンテナに到達する波長を短くするための誘電体からなる遅波材を有し、前記遅波材の厚さを調整することにより、マイクロ波の位相が調整されるものとすることができる。

本発明によれば、電力合成アンテナを用いて電力導入ポートから給電されたマイクロ波電力を合成する際に、アンテナ部材の先端側の極が本体部の内側導体に接しており、また、反射部がリング状をなしているので、継ぎ目がなく、継ぎ目で強電界が放射されることがない。このため、高次モードの発生を抑えてＴＥＭモードを主体とするマイクロ波を出力することができ、大きな電力であっても高い効率で電磁波を合成することができる。また、電力導入ポートに所定の構造の給電アンテナを設けるだけであり、内部に反射吸収抵抗が不要であるので小型化が可能である。

本発明の一実施形態に係る電力合成器を示す図であり、（ａ）は垂直断面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ′線による水平断面図である。電磁波合成の理論計算を行う際に用いたモデルを示す図である。図２のモデルにおいて、ポート２、３の電力を同一にした場合の位相差と反射係数との関係を示す図である。図２のモデルにおいて、ポート２、３の位相を同一にした場合の電力と反射係数との関係を示す図である。本発明の実施形態の電力合成器で８６０ＭＨｚのマイクロ波の電力合成を行った際の２つの入力ポートからの入力パワーの合計値と出力パワーとの関係を市販の電力合成器と比較して示す図である。特許文献４の電力合成器で８６０ＭＨｚのマイクロ波の電力合成を行った際の２つの入力ポートからの入力パワーの合計値と、本発明の実施形態の電力合成器の出力に対する出力パワー比率との関係を、本発明の実施形態の電力合成器と比較して示す図である。本発明の一実施形態に係る電力合成器を適用したマイクロ波導入機構が搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。図７のプラズマ処理装置に用いられたマイクロ波プラズマ源の構成を示すブロック図である。マイクロ波導入機構を示す断面図である。図９のＢＢ′線による横断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜電力合成器＞
図１は本発明の一実施形態に係る電力合成器を示す図であり、（ａ）は垂直断面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ′線による水平断面図である。本実施形態の電力合成器は、５００〜３０００ＭＨｚの範囲のマイクロ波の合成に適用できるが、特に、５００〜１０００ＭＨｚの範囲、例えば８６０ＭＨｚの周波数が低い領域において、電力が大きいマイクロ波の合成に適したものである。

電力合成器１００は、筒状をなす導体からなる主管１と、筒状または柱状をなす導体からなり、主管１の内部に同軸状に設けられた導体からなる内側部材３とを備えている。主管１と内側部材３とは同軸構造の本体部を構成しており、主管１が外側導体を構成し、内側部材３が内側導体を構成する。主管１の側面には、マイクロ波電力を導入する２つの電力導入ポート２ａ，２ｂが設けられている。主管１の一方の端部には反射板７が設けられており、他方の端部は出力ポート８となっている。

主管１の２つの電力導入ポート２ａ，２ｂは、互いに対向して設けられており、これらには、それぞれ内側導体５と外側導体６とからなる同軸線路４が接続されている。そして、それぞれの同軸線路４の内側導体５の先端には、内側部材３に向けて設けられた電力合成アンテナ１０が接続されている。

電力合成アンテナ１０は、例えば、アルミニウム等の金属板を削り出し加工した後、テフロン（登録商標）等の誘電体部材の型にはめて形成される。反射板７から電力合成アンテナ１０までの間には、反射波の実効波長を短くするためのテフロン（登録商標）等の誘電体からなる遅波材９が設けられている。電力合成アンテナ１０から反射板７までの距離を最適化し、電力合成アンテナ１０から放射されるマイクロ波（電磁波）を反射板７で反射させることで、最大の電力を出力することができる。その場合、電力合成アンテナ１０から反射板７までの距離を約λｇ／４＋ｎλｇ／２（ｎは０以上の整数）に設定する。

電力合成アンテナ１０は、図１（ｂ）に示すように、電力導入ポート２ａ，２ｂに対応して設けられたアンテナ部材１１ａ，１１ｂと、アンテナ部材１１ａ，１１ｂに接続された反射部１２とを有する。

アンテナ部材１１ａ，１１ｂは、一方の極が電力導入ポート２ａ，２ｂにおいて同軸線路４の内側導体５に接続され、他方の極が内側部材３の表面に接触しており、一方の極へ同軸線路４からマイクロ波が給電され、他方の極からマイクロ波が放射される。アンテナ部材１１ａ，１１ｂは同一直線上に配置されており、対称給電が可能となっている。

反射部１２は、アンテナ部材１１ａ，１１ｂの側面から内側部材３の外側に沿って延びるリング状をなしている。そして、アンテナ部１１ａ，１１ｂに入射されたマイクロ波（電磁波）と反射部１２で反射されたマイクロ波（電磁波）とで定在波を形成するように反射波の位相が調整されている。

電力合成アンテナ１０からマイクロ波（電磁波）が放射されることにより、主管１と内側部材３との間の空間で電力導入ポート２ａおよび２ｂから導入されたマイクロ波が合成され、主管１と内側部材３との間を合成されたマイクロ波が定在波となって伝播され、出力ポート８から出力される。

そして、電力合成アンテナ１０に対応する位置が定在波の腹となり、出力ポート８に対応する部分が定在波の節となるように構成される。ただし、周波数の低いマイクロ波では、径方向の制約のため、電力合成アンテナ１０から反射板７までの距離を約λｇ／４＋ｎλｇ／２（ｎは０以上の整数）に設定しても最大の電力とならない場合があり、その場合には、定在波の腹を電力合成アンテナ１０ではなく、電力合成アンテナ１０の下方に誘起させるように、電力合成アンテナ１０の形状を最適化することが好ましい。

このように構成される電力合成器１００においては、同軸線路４から伝播してきたマイクロ波（電磁波）が、電力導入ポート２ａ，２ｂにおいて給電アンテナ１０のアンテナ部材１１ａ，１１ｂの一方の極に到達すると、アンテナ部材１１ａ，１１ｂに沿ってマイクロ波（電磁波）が伝播して行き、アンテナ部材１１ａ，１１ｂの先端の他方の極から放射される。また、アンテナ部材１１ａ，１１ｂを伝播する電磁波が反射部１２で反射し、それがアンテナ部材１１ａ，１１ｂから入射された入射波と合成される。このとき反射波の位相を調整して、定在波を発生させる。電力合成アンテナ１０の配置位置で定在波が発生すると、内側部材３の内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し、これらの連鎖作用により合成されたマイクロ波（電磁波）が定在波となって主管１と内側部材３との間を伝播し、出力ポート８から出力される。

このように電力合成アンテナ１０を用いて電力導入ポート２ａおよび２ｂから給電されたマイクロ波電力を合成する際に、アンテナ部材１１ａ，１１ｂの先端側の極が内側部材３に接しており、また、反射部１２がリング状をなしているので、継ぎ目がなく、継ぎ目で強電界が放射されることがない。このため、高次モードの発生を抑えてＴＥＭモードを主体とするマイクロ波を出力することができる。また、電力導入ポート２ａおよび２ｂを対向して設け、アンテナ部材１１ａ，１１ｂは同一直線上に配置して対称給電を行えるようになっているので、高次モードを一層効果的に抑制することができる。このため、大きな電力であっても高い効率でマイクロ波（電磁波）を合成することができる。このとき、マイクロ波電力導入ポート２ａおよび２ｂから同位相かつ同パワーのマイクロ波電力を供給することにより、一層高効率の電力合成が可能となる。

この点について、以下に説明する。
図２に示すように、出力ポート８に対応するポートをポート１とし、２つの電力導入ポート２ａ，２ｂに対応するポートをポート２，３として、入力方向に進む電磁波の振幅をそれぞれａ_１，ａ_２，ａ_３とし、出力方向に進む電磁波の振幅をそれぞれｂ_１，ｂ_２，ｂ_３とした場合に、Ｓ行列は、以下の（１）式のように表すことができる。そして、ポート２，３から電力を導入し合成するときのポート２での反射係数は、以下の（２）式により求めることができる。（２）式において、ポート２，３の入射電力を以下の（３）式とおくと、形状設計最適化により、（４）式が導かれ、（４）式から（５）式が導かれる。そして、これを整理することにより、ポート２の反射係数が（６）式により得られる。このとき同様の計算により、ポート３の反射係数が（７）式により得られる。

上記（６）、（７）式が電力合成時の反射係数を示す式であり、ポート２、３の電力を同一にした場合の位相差と反射係数との関係は図３のようになり、両者の位相を同一にした場合の電力と反射係数との関係は図４に示すようになる。このことから、マイクロ波電力導入ポート２ａおよび２ｂから同位相かつ同パワーのマイクロ波電力を供給することにより、反射率の少ない高効率の電力合成が可能となることが導かれる。また、図３、図４から、反射係数に対しては位相差の影響が大きく、電力の影響が小さいことがわかる。この点は、Ｓパラメータを用い、有限要素法を用いた擬似ニュートン法によりシミュレーションを行った結果からも裏付けられた。

また、このように２つの電力導入ポート２ａ，２ｂから導入されたマイクロ波電力を、電力合成アンテナ１０を用いるのみで電力を合成することができるので、内部に反射吸収抵抗が不要であり、市販の電力合成器よりも小型の電力合成器を実現することができ、発熱の問題も生じない。

上記特許文献４に記載された電力合成器は、アンテナを用いて電力を合成するものであり、小型化が可能な技術であるが、８６０ＭＨｚ程度と低い周波数のマイクロ波を用いて高パワーの電力合成を行う場合には、高効率の電力合成が困難である。すなわち、上記特許文献４に記載された電力合成器のようにアンテナの反射部から空間に電界が放射される構造を用いて、高パワーの電力合成を行う場合には、ＴＥＭモード以外の高次モードが発生し、高効率で電力合成を行うことが困難であることが新たに見出された。

これに対して、本実施形態の電力合成器は、８６０ＭＨｚ程度と低い周波数のマイクロ波を用いて高パワーの電力合成を行っても、高次モードが発生し難く、高効率で電力合成を行えることが判明した。

実際に、本実施形態の電力合成器で８６０ＭＨｚのマイクロ波の電力合成を行ったところ、図５に示すように、出力パワーは、２つの入力ポートからの入力パワーの合計に対し９０％以上となり、市販の電力合成器と同等の性能が得られることが確認された。また、上記特許文献４に記載された電力合成器で８６０ＭＨｚのマイクロ波の電力合成を行って本実施形態の電力合成器と比較した。その結果を図６に示す。図６は、横軸に２つの入力ポートからの入力パワーの合計値をとり、縦軸に本実施形態の電力合成器において入力パワー５００Ｗのときの出力パワーを１００％としたときの出力パワー比率をとって、これらの関係を示す図であるが、特許文献４に記載された電力合成器の入力パワー５００Ｗのときの出力パワー比率は、８８．３％となり、特許文献４の電力合成器は本実施形態の電力合成器よりも出力パワーが１０％以上低くなることが確認された。

＜プラズマ処理装置＞
次に、以上のような電力合成器を適用したマイクロ波導入機構によりプラズマを生成してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置について説明する。
図７は本発明に係る電力合成器を適用したマイクロ波導入機構が搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図８は図７に示されたマイクロ波プラズマ源の構成を示すブロックである。

プラズマ処理装置２００は、被処理体である半導体ウエハに対してプラズマ処理として例えばエッチング処理を施すプラズマエッチング装置として構成されており、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１０１と、チャンバ１０１内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源１０２と、制御部１０３とを有している。

チャンバ１０１の上部には開口部１０１ａが形成されており、マイクロ波プラズマ源１０２の天板９０がこの開口部１０１ａを覆うように設けられている。

チャンバ１０１内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ１１１が、チャンバ１０１の底部中央に絶縁部材１１２ａ介して立設された筒状の支持部材１１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１１および支持部材１１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（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、サセプタ１１１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、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハ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、サセプタ１１１には、整合器１１３を介して高周波バイアス電源１１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１１４からサセプタ１１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にイオンが引き込まれる。

チャンバ１０１の底部には排気管１１５が接続されており、この排気管１１５には真空ポンプを含む排気装置１１６が接続されている。そしてこの排気装置１１６を作動させることによりチャンバ１０１内が排気され、チャンバ１０１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１０１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１１７と、この搬入出口１１７を開閉するゲートバルブ１１８とが設けられている。

チャンバ１０１内のサセプタ１１１の上方位置には、プラズマエッチングのための処理ガスをウエハＷに向けて吐出するシャワープレート１２０が水平に設けられている。このシャワープレート１２０は、格子状に形成されたガス流路１２１と、このガス流路１２１に形成された多数のガス吐出孔１２２とを有しており、格子状のガス流路１２１の間は空間部１２３となっている。このシャワープレート１２０のガス流路１２１にはチャンバ１０１の外側に延びる配管１２４が接続されており、この配管１２４には処理ガス供給源１２５が接続されている。

一方、チャンバ１のシャワープレート１２０の上方位置には、リング状のプラズマガス導入部材１２６がチャンバ壁に沿って設けられており、このプラズマガス導入部材１２６には内周に多数のガス吐出孔が設けられている。このプラズマガス導入部材１２６には、プラズマガスを供給するプラズマガス供給源１２７が配管１２８を介して接続されている。プラズマ生成ガスとしてはＡｒガスなどが好適に用いられる。

プラズマガス導入部材１２６からチャンバ１０１内に導入されたプラズマガスは、マイクロ波プラズマ源１０２からチャンバ１０１内に導入されたマイクロ波によりプラズマ化され、このＡｒプラズマがシャワープレート１２０の空間部１２３を通過しシャワープレート１２０のガス吐出孔１２２から吐出された処理ガスを励起し、処理ガスのプラズマを形成する。

マイクロ波プラズマ源１０２は、その天板９０がチャンバ１０１の上部に設けられた支持リング１２９により支持されるように設けられており、これらの間は気密にシールされている。天板９０は、真空シールおよびマイクロ波透過板として機能し、金属製のフレーム９１と、そのフレーム９１に嵌め込まれ、マイクロ波を透過する石英等の誘電体からなる誘電体部材９２とを有している。

図８に示すように、マイクロ波プラズマ源１０２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部１３０と、複数のマイクロ波導入機構によりチャンバ１０１内にマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入部１４０と、マイクロ波出力部１３０から複数経路に分配して出力されたマイクロ波をマイクロ波導入部１４０の各マイクロ波導入機構へ供給するマイクロ波供給部１５０とを有している。

マイクロ波出力部１３０は、電源部１３１と、マイクロ波発振器１３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ１３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器１３４とを有している。

マイクロ波発振器１３２は、５００〜３０００ＭＨｚ程度、好ましくは５００〜１０００ＭＨｚ（例えば、８６０ＭＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器１３４では、マイクロ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１３３で増幅されたマイクロ波を分配する。

マイクロ波供給部１５０は、分配器１３４で分配されたマイクロ波を主に増幅する複数のアンプ部１４２を有する。アンプ部１４２は、位相器１４５と、可変ゲインアンプ１４６と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ１４７と、アイソレータ１４８とを有している。

位相器１４５は、スラグチューナによりマイクロ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、各アンテナモジュール毎に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、後述するように隣り合うアンテナモジュールにおいて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。ただし、このような放射特性の変調が不要な場合には位相器１４５は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ１４６は、メインアンプ１４７へ入力するマイクロ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１４６を各アンテナモジュール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１４７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１４８は、マイクロ波導入部１４０で反射してメインアンプ１４７に向かう反射マイクロ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、後述するアンテナ部１８０で反射したマイクロ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マイクロ波を熱に変換する。

マイクロ波導入部１４０は、チャンバ１０１内にマイクロ波を導入する複数のマイクロ波導入機構１９０を有しており、各マイクロ波導入機構１９０は、２つのアンプ部１４２で増幅されたマイクロ波電力を合成してチャンバ１０１内に出力するようになっている。マイクロ波導入機構１９０は、電力合成器１６０、チューナ１７０、アンテナ部１８０とを有している。マイクロ波導入機構１９０の詳細な構成は後述する。

制御部１０３は、プラズマ処理装置２００の各部を制御するようになっている。制御部１０３はプラズマ処理装置２００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所定の制御を行うことが可能である。

＜マイクロ波導入機構＞
次に、マイクロ波導入機構１９０について詳細に説明する。
図９はマイクロ波導入機構１９０を示す断面図、図１０はマイクロ波導入機構１８０におけるスラグと滑り部材を示す図９のＢＢ′線による横断面図である。

マイクロ波導入機構１９０は、上述したように、電力合成器１６０と、チューナ１７０と、アンテナ部１８０とを有しており、さらにチューナ１７０のスラグを駆動するスラグ駆動部７０を有している。

電力合成器１６０は、上述した図１の電力合成器１００と同じ構造を有しており、図９中、図１と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。図９の電力合成器１６０の２つの電力導入ポート２ａ，２ｂにそれぞれ接続される同軸線路４には、マイクロ波供給部１５０のアンプ部１４２で増幅されたマイクロ波電力が伝送される。

チューナ１７０は、外側導体５２と内側導体５３とからなる同軸構造の伝送路５１、ならびに外側導体５２と内側導体５３との間を上下に移動する第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂを有している。チューナ１７０は、コネクタ１５により電力合成器１６０と連結され、外側導体５２は電力合成器１６０の主管１に接続され、内側導体５３は電力合成器１６０の内側部材３に接続される。そして、チューナ１７０は、電力合成器１６０で合成されたマイクロ波電力をアンテナ部１８０に導くとともに、第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂを移動させることにより、チャンバ１内のプラズマを含む負荷のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるものである。

これらスラグのうち、第１スラグ６１ａはスラグ駆動部７０側に設けられ、第２スラグ６１ｂはアンテナ部１８０側に設けられており、これら１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂは、スラグ駆動部７０から、電力合成器１６０の内側部材３の内部空間およびチューナ１７０の内側導体５３の内部空間の長手方向に沿って設けられた、例えば台形ネジが形成された螺棒からなるスラグ移動用の２本のスラグ移動軸６４ａ，６４ｂを回転することにより昇降されるようになっている。

図１０に示すように、第１スラグ６１ａは、誘電体からなる円環状をなし、その内側に滑り性を有する樹脂からなる滑り部材６３が嵌め込まれている。滑り部材６３にはスラグ移動軸６４ａが螺合するねじ穴６５ａとスラグ移動軸６４ｂが挿通される通し穴６５ｂが設けられている。一方、第２スラグ６１ｂも同様に、ねじ穴６５ａと通し穴６５ｂとを有しているが、スラグ６１ａとは逆に、ねじ穴６５ａはスラグ移動軸６４ｂに螺合され、通し穴６５ｂにはスラグ移動軸６４ａが挿通されるようになっている。これによりスラグ移動軸６４ａを回転させることにより第１スラグ６１ａが昇降移動し、スラグ移動軸６４ｂを回転させることにより第２スラグ６１ｂが昇降移動する。すなわち、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと滑り部材６３とからなるねじ機構により第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂが昇降移動される。

内側導体５３には長手方向に沿って等間隔に３つのスリット５３ａが形成されている。一方、滑り部材６３は、これらスリット５３ａに対応するように３つの突出部６３ａが等間隔に設けられている。そして、これら突出部６３ａが第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの内周に当接した状態で滑り部材６３が第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの内部に嵌め込まれる。滑り部材６３の外周面は、内側導体５３の内周面と遊びなく接触するようになっており、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂが回転されることにより、滑り部材６３が内側導体５３を滑って昇降するようになっている。すなわち内側導体５３の内周面が第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの滑りガイドとして機能する。

上記スラグ移動軸６４ａ，６４ｂは、電力合成器１６０の反射板７を貫通してスラグ駆動部７０に延びている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと反射板７との間にはベアリング（図示せず）が設けられている。また、内側導体５３の下端には、導体からなる底板６７が設けられている。

スラグ駆動部７０は筐体７１を有し、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂは筐体７１内に延びており、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂの上端には、それぞれ歯車７２ａおよび７２ｂが取り付けられている。また、スラグ駆動部７０には、スラグ移動軸６４ａを回転させるモータ７３ａと、スラグ移動軸６４ｂを回転させるモータ７３ｂが設けられている。モータ７３ａの軸には歯車７４ａが取り付けられ、モータ７３ｂの軸には歯車７４ｂが取り付けられており、歯車７４ａが歯車７２ａに噛合し、歯車７４ｂが歯車７２ｂに噛合するようになっている。したがって、モータ７３ａにより歯車７４ａおよび７２ａを介してスラグ移動軸６４ａが回転され、モータ７３ｂにより歯車７４ｂおよび７２ｂを介してスラグ移動軸６４ｂが回転される。なお、モータ７３ａ，７３ｂは例えばステッピングモータである。

なお、スラグ移動軸６４ｂはスラグ移動軸６４ａよりも長く、より上方に達しており、したがって、歯車７２ａおよび７２ｂの位置が上下にオフセットしており、モータ７３ａおよび７３ｂも上下にオフセットしているので、モータおよび歯車等の動力伝達機構のスペースが小さく、筐体７１が外側導体５２と同じ径となっている。

モータ７３ａおよび７３ｂの上には、これらの出力軸に直結するように、それぞれスラグ６１ａおよび６１ｂの位置を検出するためのインクリメント型のエンコーダ７５ａおよび７５ｂが設けられている。

第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの位置は、スラグコントローラ６８により制御される。具体的には、図示しないインピーダンス検出器により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ７５ａおよび７５ｂにより検知された第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの位置情報に基づいて、スラグコントローラ６８がモータ７３ａおよび７３ｂに制御信号を送り、第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの位置を制御することにより、インピーダンスを調整するようになっている。スラグコントローラ６８は、終端が例えば５０Ωになるようにインピーダンス整合を実行させる。２つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。

アンテナ部１８０は、マイクロ波放射アンテナとして機能する、平面状をなしスロット８１ａを有する平面スロットアンテナ８１と、平面スロットアンテナ８１の上面に設けられた遅波材８２とを有し、平面スロットアンテナ８１に対応して天板９０の誘電体部材９２が設けられている。遅波材８２の中心には導体からなる円柱部材８２ａが貫通しており、底板６７と平面スロットアンテナ８１とを接続している。したがって、チューナ１７０の内側導体５３が底板６７および円柱部材８２ａを介して平面スロットアンテナ８１に接続されている。なお、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の周囲は外側導体５２で覆われている。また、平面スロットアンテナ８１の周囲は被覆導体８４により覆われている。

遅波材８２および誘電体部材９２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おり、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を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、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、天板９０と平面スロットアンテナ８１の接合部が定在波の「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。

天板９０は誘電体部材９２がフレーム９１に嵌め込まれて構成されており、誘電体部材９２は平面スロットアンテナ８１に接するように設けられている。そして、メインアンプ４８で増幅されたマイクロ波が電力合成器１６０で合成され、チューナ１７０の内側導体５３と外側導体５２の周壁の間を通ってアンテナ部１８０に至る。アンテナ部１８０では、マイクロ波が表面波として遅波材８２を透過し、平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａを伝送され、さらに天板９０の誘電体部材９２を透過し、プラズマに接する誘電体部材９２の表面を伝送され、この表面波によりチャンバ１内の空間に表面波プラズマを生成する。

平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａは、均一にかつ高効率でマイクロ波が放射されるように適宜の形状および寸法に設定される。スロット８１ａの形状は、例えば円弧状とされる。

本実施形態において、メインアンプ４７と、チューナ１７０と、平面スロットアンテナ８１とは近接配置している。そして、チューナ１７０と平面スロットアンテナ８１とは１／２波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつ平面スロットアンテナ８１、遅波材８２、誘電体部材９２は合成抵抗が５０Ωに設定されているので、チューナ１７０はプラズマ負荷に対して直接チューニングしていることになり、効率良くプラズマへエネルギーを伝達することができる。

＜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２００における動作について説明する。
まず、ウエハＷをチャンバ１０１内に搬入し、サセプタ１１１上に載置する。そして、プラズマガス供給源１２７から配管１２８およびプラズマガス導入部材１２６を介してチャンバ１０１内にプラズマガス、例えばＡｒガスを導入しつつ、マイクロ波プラズマ源１０２からマイクロ波をチャンバ１内に伝送して表面波プラズマを生成する。

そして、処理ガス供給源１２５から配管１２４およびシャワープレート１２０を介してチャンバ１０１内に処理ガス、例えばＣｌ_２ガス等のエッチングガスが吐出される。吐出された処理ガスは、シャワープレート１２０の空間部１２３を通過してきた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ウエハＷにプラズマ処理、例えばエッチング処理が施される。

上記表面波プラズマを生成するに際し、マイクロ波プラズマ源１０２では、マイクロ波出力部１３０のマイクロ波発振器１３２から発振されたマイクロ波電力はアンプ１３３で増幅された後、分配器１３４により複数に分配され、分配されたマイクロ波電力はマイクロ波供給部１５０を経てマイクロ波導入部１４０の各マイクロ波導入機構１９０へ導かれる。

このとき、各マイクロ波導入機構１９０には、マイクロ波供給部１５０の２つのアンプ部１４２から同軸線路４を介してマイクロ波電力が供給される。マイクロ波導入機構１９０においては、２つのアンプ部１４２から供給されたマイクロ波電力が電力合成器１６０で合成され、合成されたマイクロ波がチューナ１７０の伝送路５１を通ってアンテナ部１８０に至る。その際に、チューナ１７０の第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂによりインピーダンスが自動整合される。アンテナ部１８０では、マイクロ波が遅波材８２を透過し、平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａから放射され、さらに天板９０の誘電体部材９２を透過し、プラズマに接する誘電体部材９２を伝送され、この表面波によりチャンバ１０１内の空間に表面波プラズマが生成される。

このように、各マイクロ波導入機構１９０に電力合成器１６０を設け、マイクロ波供給部１５０の２つのアンプ部１４２からのマイクロ波電力を合成し、アンテナ部１８０を介してチャンバ１０１にマイクロ波を導入するので、プラズマを生成する際に大きな電力が必要な場合であっても対応が可能である。また、一つのマイクロ波導入機構１９０から大きなマイクロ波電力を供給することができるので、プラズマ処理に必要なマイクロ波導入機構１９０の本数を減らすことも可能となる。

また、電力合成器１６０は上記電力合成器１００と同じ構成を有しているので、市販の電力合成器よりも小型化が可能であり、マイクロ波導入機構１９０の大型化を回避することができる。

さらに、電力合成器１６０は上記電力合成器１００と同様、高次モードの発生を抑えてＴＥＭモードを主体とするマイクロ波を出力することができるので、マイクロ波を高効率でチャンバ１０１内に導入することができ、高効率のプラズマ処理を行うことができる。また、電力合成器１６０のマイクロ波電力導入ポート２ａおよび２ｂから同位相かつ同電力のマイクロ波電力を供給することにより、マイクロ波の反射が実質的に存在せずに、極めて高効率の電力合成が実現される。マイクロ波の周波数としては５００〜３０００ＭＨｚという広い範囲に適用可能であるが、特に、高パワーが得られる５００〜１０００ＭＨｚ、例えば８６０ＭＨｚの低周波数のマイクロ波を用いても電力が不足する場合に有効である。

＜他の適用＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。

例えば、上記実施形態では、電力導入ポートが２箇所の例を示したが、これに限るものではない。また、上記実施形態では、本発明の電力合成器を、チャンバ内に表面波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源に用いるマイクロ波導入機構に適用した場合を例にとって説明したが、これに限らず電磁波として供給された電力を合成する必要がある用途全般に適用可能である。さらに、上記実施形態では複数のマイクロ波導入機構を用いた例を示したが、マイクロ波導入機構は一つであってもよい。

１；主管
２ａ，２ｂ；電力導入ポート
３；内側部材
４；同軸線路
５；内側導体
６；外側導体
７；反射板
８；出力ポート
９；遅波材
１０；電力合成アンテナ
１１ａ，１１ｂ；アンテナ部材
１２；反射部
６１ａ，６１ｂ；スラグ
７０；スラグ駆動部
８１；平面スロットアンテナ
８２；遅波材
９０；天板
９２；誘電体部材
１００，１６０；電力合成器
１０１；チャンバ
１０２；マイクロ波プラズマ源
１３０；マイクロ波出力部
１４０；マイクロ波導入部
１５０；マイクロ波供給部
１７０；チューナ
１８０；アンテナ部
１９０；マイクロ波導入機構
２００；プラズマ処理装置

Claims

外側導体と内側導体とからなる同軸構造を有する本体部と、
前記外側導体の側面に設けられ、給電線を介して供給された電磁波電力を前記本体部へ導入する複数の電力導入ポートと、
前記複数の電力導入ポートから前記給電線を介して供給された電磁波を前記本体部の外側導体と内側導体との間に放射して電力を合成する電力合成アンテナと、
合成された電磁波を前記本体部から出力する出力ポートと
を具備し、
前記電力合成アンテナは、
前記複数の電力導入ポートのそれぞれにおいて前記給電線から電磁波が供給される第１の極および前記内側導体に接触する第２の極を有する複数のアンテナ部材と、
前記複数のアンテナ部材の両側から前記内側導体の外側に沿ってリング状に設けられた、電磁波を反射させる反射部と
を有し、
前記アンテナ部材に入射された電磁波と前記反射部で反射された電磁波とで定在波を形成し、その定在波により前記本体部内で発生する誘導磁界および誘導電界の連鎖作用によって電磁波電力が合成されて前記本体部内を伝播し、前記出力ポートから出力されることを特徴とする電力合成器。
前記電力導入ポートの数は２つであり、互いに対向して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力合成器。
前記２つの電力導入ポートにそれぞれ設けられた２つのアンテナ部材が一直線上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電力合成器。
前記複数の電力導入ポートから、同位相および同パワーの電磁波電力が供給され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項に記載の電力合成器。
前記本体部の出力方向と反対側の端部に設けられた反射板をさらに有し、前記電力合成アンテナから供給された電磁波電力を前記反射板で反射させて前記本体部を伝播させ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項に記載の電力合成器。
前記反射板と前記電力合成アンテナとの間に設けられた遅波材をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の電力合成器。
チャンバ内にマイクロ波により表面波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源において前記チャンバ内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構であって、
複数の給電線から供給されたマイクロ波電力を合成する電力合成器と、
前記電力合成器で合成されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナを有するアンテナ部と
前記電力合成器で合成されたマイクロ波電力を伝送するとともに、前記チャンバ内のプラズマを含む負荷のインピーダンスをマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるチューナと
を具備し、
前記電力合成器は、
外側導体と内側導体とからなる同軸構造を有する本体部と、
前記外側導体の側面に設けられ、給電線を介して供給されたマイクロ波電力を前記本体部へ導入する複数の電力導入ポートと、
前記複数の電力導入ポートから前記給電線を介して供給された電磁波を前記本体部の外側導体と内側導体との間に放射して電力を合成する電力合成アンテナと、
合成された電磁波を前記本体部から出力する出力ポートと
を備え、
前記電力合成アンテナは、
前記複数の電力導入ポートのそれぞれにおいて前記給電線からマイクロ波が供給される第１の極および前記内側導体に接触する第２の極を有する複数のアンテナ部材と、
前記複数のアンテナ部材の両側から前記内側導体の外側に沿ってリング状に設けられた、マイクロ波を反射させる反射部と
を有し、
前記アンテナ部材に入射された電磁波と前記反射部で反射されたマイクロ波とで定在波を形成し、その定在波により前記本体部内で発生する誘導磁界および誘導電界の連鎖作用によってマイクロ波電力が合成されて前記本体部内を伝播し、前記出力ポートから出力されることを特徴とするマイクロ波導入機構。
前記電力合成器において、前記電力導入ポートの数は２つであり、互いに対向して設けられていることを特徴とする請求項７に記載のマイクロ波導入機構。
前記電力合成器において、前記２つの電力導入ポートにそれぞれ設けられた２つのアンテナ部材が一直線上に配置されていることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ波導入機構。
前記電力合成器は、前記複数の電力導入ポートから、同位相および同パワーのマイクロ波電力が供給されることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
前記電力合成器は、前記本体部の出力方向と反対側の端部に設けられた反射板をさらに有し、前記電力合成アンテナから供給された電磁波電力を前記反射板で反射させて前記本体部を伝播させることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
前記反射板と前記電力合成アンテナとの間に設けられた遅波材をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波導入機構。
前記チューナは、誘電体からなる２つのスラグを有するスラグチューナであることを特徴とする請求項７から請求項１２のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
前記アンテナ部は、マイクロ波を放射するスロットを有し、平面状をなす平面スロットアンテナを有することを特徴とする請求項７から請求項１３のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。
前記アンテナ部は、前記マイクロ波放射アンテナに到達する波長を短くするための誘電体からなる遅波材を有し、前記遅波材の厚さを調整することにより、マイクロ波の位相が調整されることを特徴とする請求項７から請求項１４のいずれか１項に記載のマイクロ波導入機構。