JPH0436482A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、プラズマ処理装置に関し、特に高周波大電
力を高周波電源からプラズマ発生部に供給する電力伝送
系の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は従来のプラズマ処理装置の電力伝送系を説明す
るための模式図であり、プラズマインピーダンスが小さ
くて、マツチングボックス、つまり整合回路による高周
波電源側との正常なインピーダンスのマツチングがとれ
ないときの一対策を示している。図において、３０はプ
ラズマ発生部で、プラズマ処理を行うためのプラズマチ
ャンバー９と、該チャンバー９の上部及び下部に取り付
けられ該チャンバー９内にプラズマを発生するための上
部電極１１及び下部電極１０とを有している。また１は
高周波大電力を発生する高周波電源、２０は該高周波大
電力を上記プラズマ発生部３０に供給するための電力伝
送系である。この電力伝送糸２０は、高周波電源ｌ側の
特性インピーダンス（入力インピーダンス）とプラズマ
発生部３０側の特性インピーダンス（出力インピーダン
ス）とを整合するマツチングボックス（整合回路）３と
、該整合回路３と高周波電源１とを接続する同軸ケーブ
ル２と、上記整合回路３とプラズマ発生部３０とを接続
する同軸給電線１２とから構成されており、上記整合回
路３は直列接続の可変誘導素子３ａ及び容量素子３ｂか
らなっている。

ここで上記同軸給電線１２は、同軸ケーブルを数本並列
接続した構成となっている。

すなわち、プラズマ発生部３０のプラズマインピーダン
スが例えば１００近辺と低い時は、通常用いられる５０
オームや７５オームの同軸ケーブル１本では、ケーブル
自体の特性インピーダンスとプラズマインピーダンスと
のミスマツチングが起こり、プラズマ発生部３０の入力
端で高周波電力が反射することとなり、高周波電力のプ
ラズマ発生部３０への入力が有効に行われない、このた
め従来の装置では、上述のように整合回路３とプラズマ
発生部３０との間の給電線１２を、給電用同軸ケーブル
を数本並列接続した構成とし、これによりその特性イン
ピーダンスを下げ、プラズマインピーダンスとのミスマ
ツチを小さくするようにしている。なお上記プラズマ発
生部３０のプラズマインピーダンスは、上部及び下部電
極１１゜１０の高周波インピーダンスを含むものとする
。

ちなみに同軸ケーブルの特性インピーダンスＺｃは、 ＺｃＬ＝、ｌ　（Ｌ／Ｃ）　　　　　　　　・　（１）
で表され、例えば５０オームの特性インピーダンスの同
軸ケーブルを４本並列に接続すればインダクタンスしは
１／４倍になり、静電容量Ｃは４倍となり、Ｚｃは５０
オームの１／４倍に減少する。

この結果給電線の特性インピーダンスを下げることがで
きる。

次に動作について説明する。

高周波電源１で発生された１００ｗ〜ＩＫｗ程度の高周
波大電力が同軸ケーブル２を介して整合回路３に入力さ
れる。この整合回路３の出力端から高周波電源１側をみ
たインピーダンスと、プラズマ発生部３０側をみたイン
ピーダンスとはマツチングしているので、上記高周波電
力は反射することなく、同軸給電線１２を介してプラズ
マ発生部３０側に入力される。そして該プラズマ発生部
３０のプラズマチャンバー９では、供給された高周波大
電力により上部電極１１及び下部電極１゜間でプラズマ
が生成され、このプラズマを用いて被加工物の処理が行
われる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のプラズマ処理装置の電力伝送系は、以上のように
構成されていたので、プラズマインピーダンスが低い時
は、上述のように同軸給電線１２の等優待性インピーダ
ンスを下げる必要があり、このため整合回路３では駆動
電流が増大し、ケーブルの発熱や接栓の接触部の過熱が
生じ、これによる酸化促進により接触不良をきたし易い
といった問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、電力伝送系に過大な電流を流すことなく、
高周波大電力を有効にプラズマ発生部に伝送することが
できるプラズマ処理装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るプラズマ処理装置は、高周波大電力を高
周波電源からプラズマ発生部に伝送する電力伝送系を、
上記プラズマ発生部側の入力インピーダンスと高周波電
源側の出力インピーダンスとを整合する整合回路と、該
整合回路と上記プラズマ発生部との間に接続され、その
プラズマインピーダンスを変成して上記入力インピーダ
ンスを増大する伝送線路とを有する構成としたものであ
る。

〔作用〕

この発明においては、電力伝送系の整合回路とプラズマ
発生部との間に所定の電気長を有する伝送線路を設け、
プラズマインピーダンスを変成してプラズマ発生部側の
入力インピーダンスを増大したから、プラズマインピー
ダンスの値が整合回路の整合安定領域内に入ることとな
り、整合回路の出力電流が過大になるのを防止できる。

また上記整合回路を上記入力インピーダンスと複素共役
なインピーダンスに整合させることにより、インピーダ
ンスミスマツチによる反射を防止してプラズマ発生部へ
の効率のよい給電を行うことができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１図は本発明の第１の実施例によるプラズマ処理装置
の電力伝送系を説明するための図であり、第１図（ａ）
はブロック構成図、第１図℃）は上記電力伝送系の所定
点から電源側及び負荷側を見たインピーダンスを説明す
るための模式図である。

図において、第５図と同一符号は同一または相当部分を
示し、４０は高周波大電力を高周波電源１からプラズマ
発生部３０に伝送する電力伝送系であり、該電力伝送系
４０は、高周波電源側１の特性インピーダンスと、プラ
ズマ発生部３０側の特性インピーダンスとを整合する整
合回路３を有しており、該整合回路３は直列接続の可変
誘導素子３ａ及び可変容量素子３Ｃから構成されている
。

またここでは整合回路３及びプラズマ発生部３０間にλ
／４電気長の線路（以下、変成器ともいう。）５を設け
、プラズマ発生部３０のプラズマインピーダンスＺ、を
変成し、整合回路３から負荷側、つまりプラズマ発生部
３０側をみたインピーダンスを増大している。ここでλ
／４電気長の線路とは、実際の長さがλ／４で、電気長
（電気角）がπ／２となるものをいう。

上記変成器５は、マイクロストリップライン構成、つま
り第３図に示すように導電性基板８上に誘電体膜７を介
して長さλ／４の帯状導電膜（ストリップライン）６を
形成してなるもので、ここでは導電性基板８の幅Ｗ、を
ストリップライン６の幅Ｗ６の数倍に設定し、上記導電
性基板８をプラズマチャンバー９の上部電極１１に、ス
トリップライン６を下部電極１０に接続している。

次に作用効果について説明する。

高周波給電線ではそのインピーダンスは電気長によって
大きく変化する。つまり、該給電線に負荷ＺＬを接続し
、この時の給電線の入力端から負荷側をみたときのイン
ピーダンスＺは、該給電線自体の特性インピーダンスを
２０９位相定数をβ。

実際の長さをｌとすると、下記の（２）式で表され、電
気長（β１）によって大きく変化することが分かる。

ここでβは２π／λであり、ｌがλ／４である時は、ｊ
ａｎ（βＮ）　＝ｔａｎＣｘ　／　２　）　＝ＯＯとな
り、Ｚは（３）式のようになる。

２＝　（２，）χ／Ｚ、　　　　　　　　・・・（３）
この（３）式は、上記プラズマ処理装置の電力伝送系４
０の伝送線路（変成器）５にも適用可能であり、上記負
荷ｚＬをプラズマ発生部３０のプラズマインピーダンス
Ｚ、に、給電線の特性インピーダンスＺ、を上記変成器
５の特性インピーダンスＺｓに置き換えることができる
。この場合、第１図（ｂ）のＡ点、つまり変成器５の入
力端からみたプラズマ発生部３０の見掛は上のインピー
ダンスＺＡは、上記（３）式から、 ＺＡ　＝　＜ｚｓ　）　ｔ／ＺＰ　　　　　　　・・・
（４）で与えられる。

従って上記変成器５の特性インピーダンスＺ５を大きく
設定することにより、低いプラズマインピーダンスＺ２
を見掛は上高いインピーダンスに変成する、つまり整合
回路３側からプラズマ発生部３０をみたインピーダンス
を増大することができる。

これにより整合回路３からプラズマ発生部３０側に供給
する電流を小さく抑えることができ、伝送線路、ここで
は１／４λ電気長のマイクロストリップライン構成の変
成器５での損失を改善できるとともに、上記変成器５と
整合回路３との接続部等での発熱を抑えることができる
。

また整合回路３の可変誘導素子３ａ及び可変容量素子３
Ｃを調整して、第１図（ｂ）のＡ点から電源側を見たイ
ンピーダンスを、上記（４）式のＺＡ（＝　（Ｚｓ）”
　／ＺＰ　）のベクトルと複素共役なインピーダンスに
整合させることにより、第１図（ｂ）の０点、つまり変
成器５の出力点にて電源側及び負荷側をみたインピーダ
ンスも互いに複素共役な関係となり、電力伝送系４０の
インピーダンスの整合が取れる。この結果電力伝送系４
０での電力の反射がな（なり、高周波電力を効率よくプ
ラズマ発生部３０に伝送することができる。

さらに上記変成器５をマイクロストリップライン構成と
しているため、第４図に示すように誘電体膜の誘電率ε
をパラメータとして、誘電体膜の厚さＨとストリップラ
インの幅Ｗとの比（Ｗ／Ｈ）から、その特性インピーダ
ンス２を簡単に所望の値Ｚ、に設定することができる。

このように本実施例では、整合回路３とプラズマ発生部
３０との間に１／４λ電気長を持つ変成器５を設け、上
記整合回路３からみた負荷側のインピーダンスを増大し
たので、プラズマインピーダンスＺＰの値が見掛は上増
大して整合回路３の整合安定領域内に入ることとなる。

このため整合回路３の出力電流が過大になるのを防止し
て給電損失を改善でき、また整合回路３を負荷側のイン
ピーダンスと複素共役なインピーダンスに整合すること
により、インピーダンスミスマツチによる反射をな（し
て高周波電力を効率よく伝送することができる。さらに
変成器５をマイクロストリップラインの構成としている
ため、任意の特性インピーダンスのものを容易に製作す
ることができる。

ところで、プラズマインピーダンスＺＰは一般的に容量
性負荷で、また第１図Ｇ）のＡ点から負荷側をみたイン
ピーダンス２．と逆比例の関係にあるため、上記プラズ
マインピーダンスＺＰは、変成器５の特性インピーダン
スＺ％が実数である場合、上記負荷ＺＰとは逆の誘導性
負荷に変換されることとなる。すなわちプラズマインピ
ーダンスＺＰは容量性負荷であるから、実数Ｘ、Ｙによ
り、Ｚｐ＝ＸｊＹ　　　　　　　　　　　・・・（５）
と表現できる。

従ってＡ点から負荷側をみたインピーダンスＺａは、 となり、誘導性負荷となる。

また整合回路３は一般に誘導性負荷より容量性負荷の方
が整合範囲が広（、このため極端にプラズマインピーダ
ンスＺ、が低い場合、インピーダンスのミスマツチが生
ずる可能性がある。

そこで、この問題の対策として、電力伝送系にもう一段
変成器を挿入する構成が考えられる。

第２図はこのような構成の本発明の第２の実施例装置の
電力伝送系を説明するための図であり、第２図（ａ）は
ブロック構成図、第２図（ｂ）は上記電力伝送系の所定
点から電源側及び負荷側をみたインピーダンスを説明す
るための模式図である。この実施例では、整合回路３と
プラズマ発生部３ｏとの間の伝送線路を、１／４λ電気
長を持ち、特性インピーダンスの異なる直列接続の第１
．第２の変成器５ａ、５ｂから構成している点が上記実
施例と異なる。

ここで、上記第１及び第２の変成器５ａ、５ｂは一体に
構成されており、すなわち１つの導電性基板８上の誘電
体膜７上に、長さ１／４λの第１のストリップライン６
ａとこれより幅の広い長さ１／４λの第２のストリップ
ライン６ｂとをこれらが直列接続となるよう形成し、上
記基板８．誘電体膜７及びストリップライン６ａから第
１の変成器５ａを、基板８．誘電体Ｗ！７及びストリッ
プライン６ｂから第２の変成器５ｂを構成している。

この場合、第２図（ｂ）のＡ点、つまり第１の変成器５
ａの入力端より負荷２２側をみたインピーダンスをＺＡ
、変成器５ａの特性インピーダンスをＺｓ、とすると、
インピーダンスＺＡは上記（３）式から、 ２ｍ　−（Ｚｓ−）　”　／　ＺＰ　　　　　　”’　
（５）となる。

またこのインピーダンスＺＡを第２図（ロ）のＢ点。

つまり第２の変成器５ｂの入力端から見た場合、その値
Ｚ、は、第２の変成器５ｂの特性インピーダンスをｚｓ
ｂとすると、上記（３）、（５）式から、 となる。

従って、７．ｓｂ＞Ｚｓ−とすることにより、プラズマ
インピーダンスＺＰが見掛は上増大して、整合回路３の
整合安定領域内に入ることとなり、これにより上記第１
の実施例と同様の効果が得られる。

しかもこの実施例では、プラズマインピーダンスＺＰの
ベクトルが変化しない、すなわち整合回路３の出力端か
ら負荷側をみたインピーダンス番よ、（６）式から、 となり、プラズマインピーダンスと同様容量性負荷とな
る。

このように第２の実施例では、整合回路３とプラズマ発
生部３０との間の伝送線路を、λ／４電気長の第１．第
２の変成器５ａ、５ｂから構成し、プラズマインピーダ
ンスＺＰを二段階に変成しているため、上記第１の実施
例の効果に加えて、Ｂ点、つまり整合回路３の出力端か
ら負荷側をみたインピーダンスＺ、が容量性負荷となり
、整合回路による整合範囲を拡大することができる効果
がある。

なお、上記第２の実施例では、第１の変成器と第２の変
成器では、ストリップラインの幅を変えているが、その
代わりに上記各変成器の誘電体膜の誘電率を例えば第４
図に示すような異なる値ε、。

ｓｂ　（ε１〈εｋ）に設定してもよい。

また、上記各実施例では、変成器をマイクロストリップ
ライン構成のものを用いたが、単にプラズマインピーダ
ンスの値を増加させるだけであれば、市販の同軸ケーブ
ルを用いてもよい。例えば第２の実施例の構成では、第
１．第２の変成器として、それぞれ１／４λ電気長の７
５Ω、５０Ωの同軸ケーブルを用いれば、プラズマイン
ピーダンスＺＰは、整合回路３からみると、 ｚｍ　＝　（７５１５０）”ＺＰ　＝２．２５２Ｐとな
り、プラズマインピーダンスを２倍強に大きくすること
はできる。ただしこの場合市販のケーブルの特性インピ
ーダンスは数種の値しかないため、最適の変成器を設計
することは簡単ではない。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明に係るプラズマ処理装置によれば
、その電力伝送系の整合回路とプラズマ発注部との間に
所定の電気長を有する伝送線路を設け、プラズマインピ
ーダンスを変成してプラズマ発生部側の入力インピーダ
ンスを増大したので、整合回路の出力電流が小さくなり
、伝送線路での発熱や給電損失の問題を改善でき、また
整合回路の調整により、インピーダンスミスマツチング
による電力の反射をなくすことも可能であり、この結果
高周波電力を効率よく伝送することができる第１図は本
発明の第１の実施例によるプラズマ処理装置の電力伝送
系を説明するための図、第２図は本発明の第２の実施例
によるプラズマ処理装置の電力伝送系を説明するための
図、第３図は上記伝送系に用いられるマイクロストリッ
プラインの断面構造を示す図、第４図は該マイクロスト
リップラインの特性インピーダンスの説明図、第５図は
従来のプラズマ処理装置の電力伝送系を説明するための
模式図である。

１・・・高周波電源、２・・・同軸ケーブル、３・・・
整合回路、５・・・変成器（伝送線路）、５ａ、５ｂ・
・・第１、第２の変成器（伝送線路）、６・・・ストリ
ップライン、６ａ、６ｂ・・・第１．第２のストリップ
ライン、７・・・誘電体膜、８・・・導電性基板、９・
・・プラズマチャンバー、１０．１１・・・下部、上部
電極、３０・・・プラズマ発生部、４０・・・電力伝送
系、ＺＡ。

Ｚ、・・・Ａ点、Ｂ点から負荷側をみたインピーダンス
、Ｚ５・・・変成器５の特性インピーダンス、ＺＳａＺ
ｓｂ・・・第１．第２の変成器５ａ、５ｂの特性インピ
ーダンス、Ｚ、・・・プラズマインピーダンス。

なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマ発生部と、高周波電源と、該高周波大電
   力を高周波電源からプラズマ発生部に伝送する電力伝送
   系とを有するプラズマ処理装置において、 上記電力伝送系を、 上記プラズマ発生部側の入力インピーダンスと高周波電
   源側の出力インピーダンスとを整合する整合回路と、該
   整合回路と上記プラズマ発生部との間に接続され、その
   プラズマインピーダンスを変成して上記入力インピーダ
   ンスを増大する伝送線路とを有する構成としたことを特
   徴とするプラズマ処理装置。
2. （２）上記伝送線路は、上記プラズマ発生部に接続され
   たλ／４電気長の第１の変成器と、該変成器とは特性イ
   ンピーダンスの異なるλ／４電気長の第２の変成器とか
   らなることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装
   置。