KR101177209B1 - 전력 합성기 및 마이크로파 도입 기구 - Google Patents

전력 합성기 및 마이크로파 도입 기구 Download PDF

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Abstract

전력 합성기(100)는 통형을 이루는 본체 용기(1)와, 본체 용기(1)의 측면에 설치된, 전력을 전자파로서 도입하는 복수의 전력 도입 포트(2)와, 복수의 전력 도입 포트(2)에 각각 설치된 복수의 급전 안테나(6)와, 복수의 급전 안테나(6)로부터 본체 용기(1) 안으로 방사된 전자파를 공간 합성하는 합성부(10)와, 합성부(10)로 합성된 전자파를 출력하는 출력 포트(11)를 포함하고, 급전 안테나(6)는 전력 도입 포트(2)로부터 전자파가 공급되는 제1 극(21) 및 공급된 전자파를 방사하는 제2 극(22)을 갖는 안테나 본체(23)와, 안테나 본체(23)로부터 측방으로 돌출하도록 설치된, 전자파를 반사시키는 반사부(24)를 포함한다.

Description

전력 합성기 및 마이크로파 도입 기구{POWER COMBINER AND MICROWAVE INTRODUCTION MECHANISM}
본 발명은, 전력 합성기 및 그것을 이용한 마이크로파 도입 기구에 관한 것이다.
반도체 디바이스나 액정 표시 장치의 제조 공정에서는, 반도체 웨이퍼나 유리 기판이라고 하는 피처리 기판에 에칭 처리나 성막 처리 등의 플라즈마 처리를 실시하기 위해, 플라즈마 에칭 장치나 플라즈마 CVD 성막 장치 등의 플라즈마 처리 장치가 이용된다.
최근, 이러한 플라즈마 처리 장치로서, 고밀도이며 저전자 온도인 플라즈마에 의해 손상이 적은 플라즈마 처리를 할 수 있는 마이크로파 플라즈마를 이용하는 것이 주목받고 있다.
마이크로파 플라즈마 처리 장치로서는, 마이크로파 발생 장치에서 발생된 마이크로파를 도파관/동축관(同軸管)을 통해 챔버 안에 배치된, 슬롯을 갖는 안테나에 공급하고, 안테나의 슬롯으로부터 마이크로파를 챔버 안의 처리 공간으로 방사시켜, 처리 가스를 플라즈마화하는 것이 알려져 있다.
그런데, 이러한 마이크로파 플라즈마 장치에서는, 비교적 큰 전력이 필요하기 때문에, 하나의 전원으로 급전하고자 하면, 마이크로파 전원이 커지고, 전력 공급부에 대전류가 흐르는 등의 문제점이 생길 우려가 있다.
이러한 것을 방지하기 위해서는, 공급하는 전력을 합성하여, 결과로서 얻어지는 전력을 크게 하는 전력 합성 기술을 이용하는 것을 생각할 수 있다. 이러한 전력 합성 기술로서는, 종래 「윌킨슨(Wilkinson) 합성기」를 이용한 것이 알려져 있다.
그러나, 이 기술은 합성기 내부에 반사 흡수 저항을 포함하고, 또한 「직접 공급」(전력을 전력으로서 전송)이기 때문에, 전력 손실을 일으키기 쉽고, 발열하기 쉽기 때문에, 실효 전송 전력이 감소하는 문제가 있다. 특히, 급전 형상이 작은 경우, 각 부의 치수가 작은 경우에는, 각 부의 치수가 작아지기 때문에, 저항이 올라, 이와 같은 경향이 커진다. 또한 간이하게 전력 합성하는 것도 요구된다.
본 발명의 목적은, 전력 손실에 수반되는 발열의 문제를 일으키지 않고, 또한 간이하게 전력 합성할 수 있는 전력 합성기를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 이와 같은 전력 합성기를 이용한 마이크로파 도입 기구를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1 관점에 의하면, 통형을 이루는 본체 용기와, 상기 본체 용기의 측면에 설치된 전력을 전자파(電磁波)로서 도입하는 복수의 전력 도입 포트와, 상기 복수의 전력 도입 포트에 각각 설치되고, 공급된 전자파를 상기 본체 용기 안으로 방사하는 복수의 급전 안테나와, 상기 복수의 급전 안테나로부터 상기 본체 용기 안으로 방사된 전자파를 공간 합성하는 합성부와, 상기 합성부에서 합성된 전자파를 출력하는 출력 포트를 포함하며, 상기 급전 안테나는, 상기 전력 도입 포트로부터 전자파가 공급되는 제1 극 및 공급된 전자파를 방사하는 제2 극을 갖는 안테나 본체와, 상기 안테나 본체로부터 측방으로 돌출하도록 설치된, 전자파를 반사시키는 반사부를 포함하고, 상기 안테나 본체에 입사된 전자파와 상기 반사부에서 반사된 전자파로 정재파(定在波)를 형성하도록 구성되며, 상기 각 급전 안테나로부터 방사된 정재파인 전자파가 상기 합성부에서 합성되는 전력 합성기가 제공된다.
본 발명의 제2 관점에 의하면, 챔버 안에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구로서, 통형을 이루는 본체 용기와, 상기 본체 용기의 측면에 설치된 마이크로파 전력을 전자파인 마이크로파로서 도입하는 복수의 마이크로파 전력 도입 포트와, 상기 복수의 마이크로파 전력 도입 포트에 각각 설치되고, 공급된 마이크로파를 상기 본체 용기 안으로 방사하는 복수의 급전 안테나와, 상기 복수의 급전 안테나로부터 상기 본체 용기 안으로 방사된 마이크로파를 공간 합성하는 합성부와, 상기 합성부에서 합성된 마이크로파를 상기 챔버 안으로 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부를 포함하며, 상기 급전 안테나는, 상기 마이크로파 전력 도입 포트로부터 마이크로파가 공급되는 제1 극 및 마이크로파를 방사하는 제2 극을 갖는 안테나 본체와, 상기 안테나 본체의 측방으로 돌출하도록 설치된, 마이크로파를 반사시키는 반사부를 포함하고, 상기 안테나 본체에 입사된 마이크로파와 상기 반사부에서 반사된 마이크로파로 정재파를 형성하며, 상기 각 급전 안테나로부터 방사된 정재파인 마이크로파가 상기 합성부에서 합성되는 마이크로파 도입 기구가 제공된다.
상기 제1, 제2 관점에서, 상기 본체 용기 안에 본체 용기와 동축형(同軸形)으로 설치된 통형 또는 기둥형을 이루는 내부 도체를 더 포함하고, 상기 안테나 본체의 제2 극은 상기 내부 도체에 접촉되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반사부는, 상기 안테나 본체 양측으로 돌출하도록 설치되어 있는 것이 바람직하다. 또한 상기 반사부는, 상기 안테나 본체의 제1 극으로부터 1/4 파장의 위치 또는 그 위치를 기준으로 하여 -10%～+100%의 범위 내의 위치에 설치되어 있는 것이 바람직하다. 또한 상기 반사부의 길이는 1/2 파장 또는 그 길이를 기준으로 하여 -10%～+50%의 범위 내의 길이인 것이 바람직하다. 또한 상기 반사부는 원호형을 이루고 있는 것이 바람직하다. 또한 상기 급전 안테나는, 프린트 기판 위에 형성되고, 마이크로 스트립 라인을 구성하도록 할 수 있다. 또한 상기 급전 안테나를 사이에 두도록 설치된 유전체 부재를 더 포함하고 있는 것이 바람직하고, 이 경우에, 상기 유전체 부재는 그 두께가 1/2 파장의 실효 길이 또는 그 길이를 기준으로 하여 -20%～+20%의 실효 길이를 갖고 있는 것이 바람직하다.
상기 제2 관점에서, 상기 본체 용기의 상기 합성부와 상기 마이크로파 방사 안테나 사이에 설치되고, 마이크로파의 전송로에서의 임피던스를 조정하는 튜너를 더 포함하여도 좋다. 이 경우에, 상기 튜너와 상기 마이크로파 방사 안테나는 공진기로서 기능하는 것이 바람직하다. 또한 상기 튜너는, 유전체로 이루어지는 2개의 슬래그를 갖는 슬래그 튜너로 할 수 있다.
또한, 상기 마이크로파 방사 안테나로서는, 평면형을 이루고, 복수의 슬롯이 형성되어 있는 것을 이용할 수 있다. 이 경우에, 상기 슬롯은 부채형을 갖는 것이 바람직하다. 또한 상기 안테나부는, 상기 안테나로부터 방사된 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 천판(天板)과, 상기 안테나의 천판과는 반대측에 설치되고, 상기 안테나에 도달하는 마이크로파의 파장을 짧게 하는 유전체로 이루어지는 지파재(遲波材)를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 지파재의 두께를 조정하는 것에 의해, 마이크로파의 위상을 조정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 통형을 이루는 본체 용기의 측면에 복수의 챔버 안에 전력 도입 포트를 설치하고, 이들 복수의 전력 도입 포트에, 상기 전력 도입 포트로부터 전자파가 공급되는 제1 극 및 공급된 전자파를 방사하는 제2 극을 갖는 안테나 본체와, 상기 안테나 본체의 측방으로 돌출하도록 설치된, 전자파를 반사시키는 반사부를 포함하며, 상기 안테나 본체에 입사된 전자파와 상기 반사부에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하도록 설치된 급전 안테나를 설치하고, 이들 전자파를 합성부에서 공간 합성하여 출력 포트로부터 출력하도록 했기 때문에, 전력 합성할 때에 전력의 교차점이 존재하지 않고, 전력 손실에 수반되는 발열의 문제를 일으키지 않고 전력 합성할 수 있어, 전력 공급의 마진을 증가시킬 수 있다. 또한, 전력 도입 포트에 미리 정해진 구조의 급전 안테나를 설치할 뿐이기 때문에, 매우 간이하게 전력 합성을 할 수 있다.
또한, 이러한 전력 합성기를 적용한 마이크로파 도입 기구는, 전력 손실에 수반되는 발열의 문제를 일으키지 않고 마이크로파를 합성하여 충분한 출력을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전력 합성기를 도시하는 수직 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전력 합성기의 전력 도입 포트에서의 수평 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전력 합성기에 이용한 급전 안테나를 도시하는 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전력 합성기에 유도 자계(H)가 생긴 상태를 도시하는 모식도.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전력 합성기에 유도 전계(E) 및 반사 전계(R)가 생긴 상태를 도시하는 모식도.
도 6은 본 발명에 따른 전력 합성기를 적용한 마이크로파 도입 기구가 탑재된 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도.
도 7은 도 6에 도시된 마이크로파 플라즈마원의 구성을 도시하는 블록도.
도 8은 도 7의 마이크로파 플라즈마원의 마이크로파 도입 기구의 구조를 도시하는 단면도.
도 9는 도 8의 마이크로파 도입 기구에 탑재된 평면 슬롯 안테나를 도시하는 평면도.
도 10은 시뮬레이션 모델을 도시하는 모식도.
도 11a는 시뮬레이션에 이용한 No.1 급전 안테나의 구조를 도시하는 모식도.
도 11b는 시뮬레이션에 이용한 No.2 급전 안테나의 구조를 도시하는 모식도.
도 11c는 시뮬레이션에 이용한 No.3 급전 안테나의 구조를 도시하는 모식도.
도 11d는 시뮬레이션에 이용한 No.4 급전 안테나의 구조를 도시하는 모식도.
도 12a는 시뮬레이션에 이용한 전력 합성기의 각 부의 치수를 설명하기 위한 도면.
도 12b는 시뮬레이션에 이용한 전력 합성기의 급전 안테나의 치수를 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전력 합성기를 도시하는 수직 단면도, 도 2는 그 전력 도입 포트에서의 수평 단면도이다. 이 전력 합성기(100)는, 통형을 이루고, 측면에 전력을 전자파로서 도입하는 2개의 전력 도입 포트(2)를 갖는 본체 용기(1)를 구비하고 있다. 본체 용기(1) 내부에는 통형의 내부 도체(3)가 본체 용기(1)와 동축형으로 설치되어 있고, 동축 선로를 구성하고 있다. 또한, 내부 도체(3)는 기둥형을 이루고 있어도 좋다.
2개의 전력 도입 포트(2)에는, 각각 동축 선로(4)가 존재하고 있다. 그리고, 동축 선로(4)의 내부 도체(5) 선단에는, 본체 용기(1)의 내부를 향해 수평으로 연장되는 급전 안테나(6)가 접속되어 있다. 이 급전 안테나(6)는 프린트 기판인 PCB 기판(7) 위에 마이크로 스트립 라인으로서 형성되어 있다. 급전 안테나(6)는, 그 상하를 지파재로서 기능하는 석영 등의 유전체로 이루어지는 유전체 부재(8 및 9)에 의해 끼워져 있다. 이 유전체 부재(8 및 9)는 급전 안테나(6)의 치수를 조정하기 위해, 토털 1/2 파장의 실효 길이를 갖고 있는 것이 바람직하다. 또한 1/2 파장의 실효 길이를 기준으로 하여 -20%～+20%의 범위 내의 실효 길이로 할 수 있다. 즉, 3/10 파장～7/10 파장 범위 내의 실효 길이로 할 수 있다.
본체 용기(1)의 내부 공간의 전력 도입 포트(2) 근방 부분은, 2개의 전력 도입 포트(2)로부터 도입된 전자파를 공간 합성하는 합성부(10)로서 기능한다. 그리고 합성부(10)에서 공간 합성된 전자파가 본체 용기(1) 안에서 위쪽으로 전파한다. 본체 용기(1)의 상단부는, 합성된 전자파가 출력되는 출력 포트(11)로 되어 있다.
급전 안테나(6)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 전력 도입 포트(2)에서 동축 선로(4)의 내부 도체에 접속되고, 전자파가 공급되는 제1 극(21) 및 공급된 전자파를 방사하는 제2 극(22)을 갖는 안테나 본체(23)와, 안테나 본체(23)의 양측으로 돌출하도록 설치된, 전자파를 반사시키는 반사부(24)를 가지며, 안테나 본체(23)에 입사된 전자파와 반사부(24)에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하도록 구성되어 있다. 그리고 각 급전 안테나(6)로부터 방사된 정재파인 전자파가 전술한 바와 같이 합성부(10)에서 합성되도록 되어 있다.
이와 같이 구성되는 전력 합성기(100)에서는, 동축 선로(4)로부터 전파되어 온 전자파가, 전력 도입 포트(2)에서 급전 안테나(6)의 제1 극(21)에 도달하면, 안테나 본체(23)를 따라 전자파가 전파되어 가고, 안테나 본체(23) 선단의 제2 극(22)으로부터 전자파를 방사한다. 또한, 안테나 본체(23)를 전파하는 전자파가 반사부(24)에서 반사하고, 그것이 입사파와 합성된다. 이 때, 반사파의 위상을 조정하는 것에 의해, 정재파를 발생시킨다. 구체적으로는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 급전 안테나(6)의 제1 극(21)으로부터 1/4 파장 떨어진 위치에 반사부(24)를 배치하는 것에 의해, 최대의 정재파를 발생시킬 수 있다. 또한 반사부(24)의 배치 위치는, 제1 극(21)으로부터 1/4 파장의 위치를 기준으로 하여, -10%～+100%의 범위 내의 위치로 할 수 있다. 즉, 제1 극(21)으로부터 9/40 파장～1/2 파장의 범위 내의 위치로 할 수 있다.
급전 안테나(6)의 배치 위치에서 정재파가 발생하면, 도 4에 도시하는 바와 같이, 내부 도체(3)의 외벽을 따라 유도 자계(H)가 생기고, 그것에 유도되어, 도 5에 도시하는 바와 같이, 급전 안테나(6)로부터 90˚ 기운 위치에 유도 전계(E)가 발생한다. 이들 연쇄 작용에 의해, 전자파가 합성되어 본체 용기(1) 안을 전파하고, 출력 포트(11)로부터 출력된다. 또한, 도 5에는 반사부(24) 및 내부 도체(3)에서 반사된 반사 전계(R)도 도시하고 있다.
이 경우에, 반사부(24)의 길이(L)(도 3 참조)는 1/2 파장인 것이 바람직하다. 이것에 의해 반사부(24)에서도 공진을 발생시키고, 정재파를 발생시킬 수 있다. 또한 반사부(24)의 길이(L)는 1/2 파장을 기준으로 하여 -10%～+50%의 범위 내의 길이, 즉 9/20 파장～3/4 파장 범위 내의 길이로 할 수 있다. 안테나 본체(23)의 제2 극(22)은 내부 도체(3)에 접촉시키는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 광범위하게 전자파를 공진시킬 수 있다. 반사부(24)의 형상은 내부 도체(3)를 따른 원호형을 갖고 있다. 이와 같이 원호형으로 하는 것에 의해, TEM파를 발생시키기 쉽다는 효과가 있다.
이와 같이 전자파로서 2개의 전력 도입 포트(2)로부터 본체 용기(1) 안에 도입된 전력은, 급전 안테나(6)를 통해 공간 합성되기 때문에, 전력 합성할 때에 전력의 교차점이 발생하지 않고, 발열의 문제를 일으키지 않고 전력 합성할 수 있다. 그리고 이와 같이 전력 합성하는 것에 의해, 하나의 경로로부터 전력 공급하는 경우보다 전력 공급의 마진을 증가시킬 수 있다. 또한 전력 도입 포트(2)에 급전 안테나를 설치하는 것만으로도 좋기 때문에, 매우 간이하게 전력 합성을 할 수 있다.
또한, 급전 안테나(6)의 반사부(24)는 상기와 같은 원호형에 한하지 않고, 스트레이트 형상 등 다른 형상이어도 좋다.
다음에, 이러한 전력 합성기를 플라즈마 처리 장치의 마이크로파 도입 기구에 적용한 예에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 전력 합성기를 적용한 마이크로파 도입 기구가 탑재된 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 마이크로파 플라즈마원의 구성을 도시하는 블록이다.
플라즈마 처리 장치(200)는, 웨이퍼에 대하여 플라즈마 처리로서, 예컨대 에칭 처리를 실시하는 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있고, 기밀(氣密)하게 구성된 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어지는 대략 원통형의 접지된 챔버(101)와, 챔버(101) 안에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원(102)을 갖고 있다. 챔버(101) 상부에는 개구부(101a)가 형성되어 있고, 마이크로파 플라즈마원(102)은 이 개구부(101a)로부터 챔버(101) 내부에 면하도록 설치되어 있다.
챔버(101) 안에는 피처리체인 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위한 서셉터(111)가, 챔버(101)의 바닥부 중앙에 절연 부재(112a)를 통해 세워 설치된 통형의 지지 부재(112)에 의해 지지된 상태로 설치되어 있다. 서셉터(111) 및 지지 부재(112)를 구성하는 재료로서는, 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등이 예시된다.
또한, 도시는 하지 않지만, 서셉터(111)에는 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼(W) 이면에 열전달용 가스를 공급하는 가스 유로, 및 웨이퍼(W)를 반송하기 위해 승강하는 승강 핀 등이 설치되어 있다. 또한 서셉터(111)에는 정합기(113)를 통해 고주파 바이어스 전원(114)이 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 바이어스 전원(114)으로부터 서셉터(111)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 웨이퍼(W)측에 이온이 인입된다.
챔버(101)의 바닥부에는 배기관(115)이 접속되어 있고, 이 배기관(115)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(116)가 접속되어 있다. 그리고 이 배기 장치(116)를 작동시키는 것에 의해 챔버(101) 안이 배기되어, 챔버(101) 안이 미리 정해진 진공도까지 고속으로 감압하는 것이 가능해져 있다. 또한, 챔버(101)의 측벽에는 웨이퍼(W)를 반입출하기 위한 반입출구(117)와, 이 반입출구(117)를 개폐하는 게이트 밸브(118)가 설치되어 있다.
챔버(101) 안의 서셉터(111)의 위쪽 위치에는 플라즈마 에칭을 위한 처리 가스를 웨이퍼(W)를 향해 토출하는 샤워 플레이트(120)가 수평으로 설치되어 있다. 이 샤워 플레이트(120)는 격자 형상으로 형성된 가스 유로(121)와, 이 가스 유로(121)에 형성된 다수의 가스 토출 구멍(122)을 갖고 있고, 격자 형상의 가스 유로(121) 사이는 공간부(123)로 되어 있다. 이 샤워 플레이트(120)의 가스 유로(121)에는 챔버(101) 외측으로 연장되는 배관(124)이 접속되어 있고, 이 배관(124)에는 처리 가스 공급원(125)이 접속되어 있다.
한편, 챔버(101)의 샤워 플레이트(120)의 위쪽 위치에는, 링형의 플라즈마 가스 도입 부재(126)가 챔버벽을 따라 설치되어 있고, 이 플라즈마 가스 도입 부재(126)에는 내주에 다수의 가스 토출 구멍이 형성되어 있다. 이 플라즈마 가스 도입 부재(126)에는, 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급원(127)이 배관(128)을 통해 접속되어 있다. 플라즈마 생성 가스로서는 Ar 가스 등이 적합하게 이용된다.
플라즈마 가스 도입 부재(126)로부터 챔버(101) 안으로 도입된 플라즈마 가스는 마이크로파 플라즈마원(102)으로부터 챔버(101) 안으로 도입된 마이크로파에 의해 플라즈마화되고, 이 Ar 플라즈마가 샤워 플레이트(120)의 공간부(123)를 통과하여 샤워 플레이트(120)의 가스 토출 구멍(122)으로부터 토출된 처리 가스를 여기하여, 처리 가스의 플라즈마를 형성한다.
마이크로파 플라즈마원(102)은 챔버(101) 상부에 설치된 지지 링(129)에 의해 지지되어 있고, 이들 사이는 기밀하게 시일되어 있다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 마이크로파 플라즈마원(102)은 복수 경로에 분배하여 마이크로파를 출력하는 마이크로파 출력부(130)와, 마이크로파를 챔버(101)에 유도하기 위한 마이크로파 도입부(140)와, 마이크로파 출력부(130)로부터 출력된 마이크로파를 마이크로파 도입부(140)에 공급하는 마이크로파 공급부(150)를 갖고 있다.
마이크로파 출력부(130)는 전원부(131)와, 마이크로파 발진기(132)와, 발진된 마이크로파를 증폭하는 앰프(133)와, 증폭된 마이크로파를 복수로 분배하는 분배기(134)를 갖고 있다.
마이크로파 발진기(132)는 미리 정해진 주파수(예컨대 2.45 GHz)의 마이크로파를, 예컨대 PLL 발진시킨다. 분배기(134)에서는, 마이크로파의 손실이 가능한 한 발생하지 않도록，입력측과 출력측의 임피던스 정합을 취하면서 앰프(33)로 증폭된 마이크로파를 분배한다. 또한 마이크로파의 주파수로서는, 2.45 GHz 외에, 8.35 GHz, 5.8 GHz, 1.98 GHz 등을 이용할 수 있다.
마이크로파 공급부(150)는, 분배기(134)로 분배된 마이크로파를 주로 증폭하는 복수의 앰프부(142)를 갖는다. 앰프부(142)는 위상기(145)와, 가변 게인 앰프(146)와, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(147)와, 아이솔레이터(148)를 갖고 있다.
위상기(145)는 슬래그 튜너(slag tuner)에 의해 마이크로파의 위상을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있고, 이것을 조정하는 것에 의해 방사 특성을 변조시킬 수 있다. 예컨대 각 안테나 모듈마다 위상을 조정하는 것에 의해 지향성을 제어하여 플라즈마 분포를 변화시키는 것이나, 후술하는 바와 같이 인접하는 안테나 모듈에서 90˚ 씩 위상을 어긋나도록 하여 원편파(circular polarized wave)를 얻을 수 있다. 단, 이러한 방사 특성의 변조가 불필요한 경우에는 위상기(145)는 설치할 필요는 없다.
가변 게인 앰프(146)는, 메인 앰프(147)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하고, 개개의 안테나 모듈의 변동을 조정 또는 플라즈마 강도 조정을 위한 앰프이다. 가변 게인 앰프(146)를 각 안테나 모듈마다 변화시키는 것에 의해, 발생하는 플라즈마에 분포를 생기게 할 수 있다.
솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(147)는, 예컨대 입력 정합 회로와, 반도체 증폭 소자와, 출력 정합 회로와, 고Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다.
아이솔레이터(148)는, 마이크로파 도입부(140)에서 반사하여 메인 앰프(147)를 향하는 반사 마이크로파를 분리하는 것이고, 서큐레이터와 더미 로드(동축 종단기)를 갖고 있다. 서큐레이터는 안테나부(180)에서 반사한 마이크로파를 더미 로드에 유도하고, 더미 로드는 서큐레이터에 의해 유도된 반사 마이크로파를 열로 변환한다.
마이크로파 도입부(140)는 도 7에 도시하는 바와 같이, 복수의 마이크로파 도입 기구(141)를 갖고 있다. 그리고 각 마이크로파 도입 기구(141)는 각각 2개의 앰프부(142)로부터 마이크로파 전력이 공급되고, 이들이 합성되어 방사되도록 되어 있다.
마이크로파 도입 기구(141)는, 상기 구조의 전력 합성기에 의해 마이크로파 전력을 합성하고, 합성한 마이크로파를 방사하여 챔버(101) 안에 도입하는 것이며, 합성부(160), 튜너(170), 안테나부(180)를 가지며, 그 구조는 도 8에 도시하는 바와 같은 것이다.
즉, 마이크로파 도입 기구(141)는, 내부에 내부 도체(153)를 갖는 통형을 이루는 본체 용기(151)를 갖고 있고, 이 본체 용기(151)는 그 기단측 측면에 마이크로파 전력을 도입하기 위한 2개의 마이크로파 전력 도입 포트(152)를 갖고 있다. 또한 마이크로파 도입 기구(141)는 본체 용기(151) 중간부에 설치된 튜너(170)와, 본체 용기(151)의 선단측에 설치된 안테나부(180)를 갖고 있다.
마이크로파 전력 도입 포트(152)에는, 앰프부(142)로부터 증폭된 마이크로파를 공급하기 위한 동축 선로(154)가 접속되어 있다. 그리고 동축 선로(154)의 내부 도체(155)의 선단에는, 본체 용기(151) 내부를 향해 수평으로 연장되는 급전 안테나(156)가 접속되어 있다. 이 급전 안테나(156)는 PCB 기판(157) 위에 마이크로 스트립 라인으로서 형성되어 있다. 급전 안테나(156)는 그 상하를 석영 등의 유전체로 이루어지는 유전체 부재(158 및 159)에 의해 끼워져 있다. 급전 안테나(156)는, 상기 급전 안테나(6)와 같은 기능을 가지며, 마찬가지로 구성되어 있다.
본체 용기(151) 내부 공간의 마이크로파 전력 도입 포트(152) 근방 부분은, 2개의 마이크로파 전력 도입 포트(152)로부터 도입된 전자파를 공간 합성하는 합성부(160)로서 기능한다. 그리고, 합성부(160)로 공간 합성된 마이크로파가 본체 용기(151) 안에서 선단측 안테나부(180)를 향해 전파한다.
안테나부(180)는, 마이크로파 방사 안테나로서 기능하는, 평면형을 이루고 슬롯(181a)을 갖는 평면 슬롯 안테나(181)를 갖고 있고, 상기 내부 도체(153)가 이 평면 슬롯 안테나(181)에 접속되어 있다. 안테나부(180)는 평면 슬롯 안테나(181) 상면에 설치된 지파재(182)를 갖고 있다. 지파재(182)는 진공보다 큰 유전율을 갖고 있고, 예컨대 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 구성되어 있으며, 진공중에서는 마이크로파의 파장이 길어지기 때문에, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 갖고 있다. 지파재(182)는 그 두께에 의해 마이크로파의 위상을 조정할 수 있고, 평면 슬롯 안테나(181)가 정재파의 「배(파복(波腹)」가 되도록 그 두께를 조정한다. 이것에 의해, 반사가 최소이고, 평면 슬롯 안테나(181)의 방사 에너지가 최대가 되도록 할 수 있다.
또한, 평면 슬롯 안테나(181)의 더 선단측에는, 진공 시일을 위한 유전체 부재, 예컨대 석영이나 세라믹스 등으로 이루어지는 천판(183)이 배치되어 있다. 그리고 메인 앰프(147)로 증폭된 마이크로파가 내부 도체(153)와 본체 용기(151)의 둘레 벽 사이를 통과하여 평면 슬롯 안테나(181)의 슬롯(181a)으로부터 천판(183)을 투과하여 챔버(101) 안의 공간에 방사된다. 이 때의 슬롯(181a)은 도 9에 도시하는 바와 같이 부채형의 것이 바람직하고, 도시하고 있는 2개, 또는 4개 설치하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 마이크로파를 TE 모드로 효율적으로 전달시킬 수 있다.
튜너(170)는, 본체 용기(151)의 합성부(160)와 안테나부(180) 사이 부분에, 2개의 슬래그(171)를 가져, 슬래그 튜너를 구성하고 있다. 슬래그(171)는 유전체로 이루어지는 판형체로서 구성되어 있고, 내부 도체(153)와 본체 용기(151) 외벽 사이에 원환형으로 설치되어 있다. 그리고 컨트롤러(173)로부터의 지령에 기초하여 구동부(172)에 의해 이들 슬래그(171)를 상하 이동시키는 것에 의해 임피던스를 조정하도록 되어 있다. 컨트롤러(173)는 종단이, 예컨대 50Ω이 되도록 임피던스 조정을 실행시킨다. 2개의 슬래그 중 한쪽만을 움직이면, 스미스 차트의 원점을 통과하는 궤적을 그리고, 양쪽 동시에 움직이면 위상만이 회전한다.
본 실시형태에서, 메인 앰프(147)와, 튜너(170)와, 평면 슬롯 안테나(181)는 근접 배치되어 있다. 그리고 튜너(170)와 평면 슬롯 안테나(181)는 1/2 파장 내에 존재하는 집중 상수 회로를 구성하고 있고, 또한 이들은 공진기로서 기능한다.
플라즈마 처리 장치(200)에서의 각 구성부는 마이크로 프로세서를 구비한 제어부(190)에 의해 제어되도록 되어 있다. 제어부(190)는 프로세스 레시피를 기억한 기억부나, 입력 수단 및 디스플레이 등을 구비하고 있고, 선택된 레시피를 따라 플라즈마 처리 장치를 제어하도록 되어 있다.
다음에, 이상과 같이 구성되는 플라즈마 처리 장치(200)에서의 동작에 대해서 설명한다.
우선, 웨이퍼(W)를 챔버(101) 안에 반입하고, 서셉터(111) 위에 배치한다. 그리고 플라즈마 가스 공급원(127)으로부터 배관(128) 및 플라즈마 가스 도입 부재(126)를 통해 챔버(101) 안에 플라즈마 가스, 예컨대 Ar 가스를 도입하면서, 마이크로파 플라즈마원(102)으로부터 마이크로파를 챔버(101) 안에 도입하여 플라즈마를 형성한다.
이어서, 처리 가스, 예컨대 Cl2 가스 등의 에칭 가스가 처리 가스 공급원(125)으로부터 배관(124) 및 샤워 플레이트(120)를 통해 챔버(101) 안에 토출된다. 토출된 처리 가스는 샤워 플레이트(120)의 공간부(123)를 통과해 온 플라즈마에 의해 여기되어 플라즈마화되고, 이와 같이 형성된 처리 가스의 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리, 예컨대 에칭 처리가 실시된다.
이 경우에, 마이크로파 플라즈마원(102)에서는, 마이크로파 출력부(130)의 마이크로파 발진기(132)로부터 발진된 마이크로파는 앰프(133)로 증폭된 후, 분배기(134)에 의해 복수로 분배되고, 분배된 마이크로파는 마이크로파 공급부(150)를 경유하여 마이크로파 도입부(140)에 유도된다.
여기서, 마이크로파 도입부(140)를 구성하는 각 마이크로파 도입 기구(141)가 충분한 출력을 얻기 위해, 마이크로파 공급부(150)의 2개의 앰프부(142)로부터 하나의 마이크로파 도입 기구(141)에 마이크로파 전력을 공급하도록 되어 있고, 이 때문에 마이크로파 도입 기구(141)를 전력 합성기로서 기능시킨다.
이 경우에, 2개의 앰프부(142)로부터 동축 선로를 통해 합성하는 종래의 방법을 채용하면, 반드시 동축 선로의 교차점이 생기고, 그 교차점에서 발열의 문제가 생기지만, 본 실시형태에서는 마이크로파 도입 기구(141)에 전술한 전력 합성 기구(100)의 구성을 적용하여, 2개의 앰프부(142)의 동축 선로(154)를 본체 용기(151)에 설치된 각 마이크로파 도입 포트(152)에서, 급전 안테나(156)에 접속하고, 각 급전 안테나(156)로부터 마이크로파를 방사하여 마이크로파 전력을 공간 합성하기 때문에, 이러한 발열의 문제를 일으키지 않는다. 또한 마이크로파 전력 도입 포트(152)에서 각 동축 선로(154)에 급전 안테나(156)를 접속하는 것만으로 좋기 때문에, 매우 간이하게 전력 합성을 할 수 있다.
또한, 이와 같이 복수로 분배된 마이크로파를, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(147)로 개별로 증폭하고, 평면 슬롯 안테나(181)를 이용하여 개별로 방사한 후에 챔버(101) 안에서 합성하기 때문에, 대형 아이솔레이터나 합성기가 불필요해진다.
또한 마이크로파 도입 기구(141)는, 안테나부(180)와 튜너(170)가 본체 용기(151) 안에 설치된 구조로 되어 있기 때문에, 매우 콤팩트하다. 이 때문에 마이크로파 플라즈마원(102) 자체를 현저히 콤팩트화할 수 있다. 또한 메인 앰프(147), 튜너(170) 및 평면 슬롯 안테나(181)가 근접하여 설치되고, 특히 튜너(170)와 평면 슬롯 안테나(181)는 집중 상수 회로를 구성하며, 또한 공진기로서 기능하는 것에 의해, 임피던스 부정합이 존재하는 평면 슬롯 안테나(181) 부착 부분에서 튜너(170)에 의해 고정밀도로 튜닝할 수 있다.
또한, 이와 같이 튜너(170)와 평면 슬롯 안테나(181)가 근접하여, 집중 상수 회로를 구성하고 또한 공진기로서 기능하는 것에 의해, 평면 슬롯 안테나(181)에 이르기까지의 임피던스 부정합을 고정밀도로 해소할 수 있고, 실질적으로 부정합 부분을 플라즈마 공간으로 할 수 있기 때문에, 튜너(170)에 의해 고정밀도의 플라즈마 제어가 가능해진다.
또한, 위상기에 의해, 각 안테나 모듈의 위상을 변화시키는 것에 의해, 마이크로파의 지향성을 제어할 수 있어, 플라즈마 등의 분포의 조정을 용이하게 할 수 있다.
다음에, 본 발명에 따른 전력 합성기의 최적화를 도모한 시뮬레이션 결과에 대해서 설명한다.
여기서는, 유한 요소법을 이용한 전자파 해석을 이용하여 시뮬레이션을 행했다. 최적화에는 S 파라미터를 이용하여, 의사 뉴튼법에 의해 행했다. 구체적으로는 도 10에 도시하는 바와 같이, 2개의 전력 도입 포트(제1 포트 및 제2 포트)에서, 입력 방향으로 진행하는 전자파의 진폭을 각각 a1, a2, 출력 방향으로 진행하는 전자파의 진폭을 각각 b1, b2로 하고, 출력 포트(제3 포트)에서, 입력 방향으로 진행하는 전자파의 진폭을 a3, 출력 방향으로 진행하는 전자파의 진폭을 b3로 한 경우, 이하의 식 (1)～(3)이 성립한다.
b1=S11a1+S12a2+S13a3 …(1)
b2=S21a1+S22a2+S23a3 …(2)
b3=S31a1+S32a2+S33a3 …(3)
그리고, 이들 식을 행렬을 이용하여 나타내면, 이하의 식 (4)가 된다.
[수학식 1]
Figure 112010056465067-pct00001
이 S11‥‥S33을 요소로 하는 행렬이 산란 행렬이고, 각 요소가 S 파라미터이다. 여기서, Smn은 m이 출력 포트의 신호, n이 입력 포트의 신호를 나타내는 것이고, 예컨대 S31은 제1 포트로부터 신호를 입력했을 때에 제3 포트에 통과하는 신호, S32는 제2 포트로부터 신호를 입력했을 때에 제3 포트에 통과하는 신호이다. 전력 도입 포트인 제1 포트 및 제2 포트로부터 입력한 전력을 합성하여 출력 포트인 제3 포트로부터 가장 효율적으로 출력하기 위해서는, 이하의 식 (5)를 성립해야 한다.
|S31|2+|S32|2=1.0 …(5)
여기서, |S31|=|S32|로 하면, |S31| 및 |S32|의 최대값은 0.70이 되기 때문에, 시뮬레이션에 의해 |S31|이 0.70에 가까워지는 조건을 구했다. 또한 |S11+S12| 및 |S21+S22|는 제3 포트로부터 출력되지 않는 신호이기 때문에, 그 값은 작은 편이 좋다.
도 11a～도 11d에 도시하는 No.1～4의 4종류의 급전 안테나를 이용했을 때의, |S31|, |S11+S12|의 값, 및 합성 전력의 전달 효율, 더 나아가서는 반사에 의한 손실을 표 1에 나타낸다. No.1은 안테나 본체로부터 양측으로 연장되고, 스트레이트 형상을 가지며, 그 양단에 원형 부재를 설치한 반사부를 가지며, 안테나 본체의 선단이 내부 도체에 접촉하고 있는 것, No.2는 도 2와 같이, 안테나 본체로부터 양측에 원호형으로 연장된 반사부를 가지며, 안테나 본체의 선단이 내부 도체에 접촉하고 있는 것, No.3은 안테나 본체로부터 한쪽으로 원호형으로 연장된 반사부를 가지며, 안테나 본체의 선단이 내부 도체에 접촉하지 않는 것, No.4는 안테나 본체로부터 양측으로 원호형으로 연장된 반사부를 가지며, 안테나 본체의 선단이 내부 도체에 접촉하지 않는 것이다.
[표 1]
Figure 112010056465067-pct00002
표 1에 나타내는 바와 같이, 안테나 본체가 내부 도체에 접촉되어 있고, 반사부가 안테나 본체의 양측으로 연장되어 있는 No.1, 2에서 양호한 결과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. No.1, 2 중에서는 No.1이 양호한 값을 나타내고 있지만, 급전 안테나의 제조 용이성 등을 고려하면, No.2가 보다 우수하다.
또한, 이 시뮬레이션에서는, 다른 파라미터에 대해서도 최적화했다. No.2의 전력 합성기의 경우, 도 12a, 도 12b에 도시하는 바와 같이, 본체 용기의 내직경(D)을 45 ㎜, 내부 도체의 외직경(d)을 20 ㎜, 지파판으로서 기능하는 유전체(석영) 부재의 두께(t)를 37 ㎜(한쪽 유전체 부재의 두께 t/2), 급전 안테나의 직경(d1)을 2.55 ㎜, 급전 안테나의 높이(H)를 유전체 부재 두께의 1/2, 반사부의 위치(안테나 본체 기단부로부터의 길이)(L)를 32.5 ㎜, 반사부 각도(길이)(θ)를 56.2˚로 하였다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 사상 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 예컨대 상기 실시형태에서는, 전력 도입 포트가 2 지점의 예를 도시했지만, 이것에 한하는 것이 아니다. 또한, 상기 실시형태에서는, 본 발명의 전력 합성기를 챔버 안에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구에 적용한 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한하지 않고 전자파로서 공급된 전력을 공간에서 합성해야 하는 용도 전반에 적용할 수 있다.

Claims (25)

  1. 통형을 이루는 본체 용기와,
    상기 본체 용기 측면에 설치된, 전력을 전자파(電磁波)로서 도입하는 복수의 전력 도입 포트와,
    상기 복수의 전력 도입 포트에 각각 설치되고, 공급된 전자파를 상기 본체 용기 안으로 방사하는 복수의 급전 안테나와,
    상기 복수의 급전 안테나로부터 상기 본체 용기 안으로 방사된 전자파를 공간 합성하는 합성부와,
    상기 합성부에서 합성된 전자파를 출력하는 출력 포트와,
    상기 본체 용기 안에 본체 용기와 동축형(同軸形)으로 설치된 통형 또는 기둥형을 이루는 내부 도체
    를 포함하며,
    상기 급전 안테나는,
    상기 전력 도입 포트로부터 전자파가 공급되는 제1 극 및 공급된 전자파를 방사하며 상기 내부 도체에 접촉하는 제2 극을 갖는 안테나 본체와,
    상기 안테나 본체로부터 측방으로 돌출하도록 설치된, 전자파를 반사시키는 반사부
    를 포함하고,
    상기 안테나 본체에 입사된 전자파와 상기 반사부에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하도록 구성되며,
    상기 각 급전 안테나로부터 방사된 정재파인 전자파가 상기 합성부에서 합성되는 것인 전력 합성기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 반사부는 상기 안테나 본체의 양측으로 돌출하도록 설치되어 있는 것인 전력 합성기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반사부는, 상기 안테나 본체의 제1 극으로부터 1/4 파장의 위치 또는 그 위치를 기준으로 하여 -10%～+100%의 범위 내의 위치에 설치되어 있는 것인 전력 합성기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반사부의 길이는 1/2 파장 또는 1/2 파장을 기준으로 하여 -10%～+50%의 범위 내의 길이인 것인 전력 합성기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반사부는 원호형을 이루고 있는 것인 전력 합성기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 급전 안테나는, 프린트 기판 위에 형성되고, 마이크로 스트립 라인을 구성하고 있는 것인 전력 합성기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 급전 안테나를 사이에 두도록 설치된 유전체 부재를 더 포함하고 있는 전력 합성기.
  9. 삭제
  10. 챔버 안에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 이용하는 마이크로파 도입 기구로서,
    통형을 이루는 본체 용기와,
    상기 본체 용기의 측면에 설치된, 마이크로파 전력을 전자파인 마이크로파로서 도입하는 복수의 마이크로파 전력 도입 포트와,
    상기 복수의 마이크로파 전력 도입 포트에 각각 설치되고, 공급된 마이크로파를 상기 본체 용기 안으로 방사하는 복수의 급전 안테나와,
    상기 복수의 급전 안테나로부터 상기 본체 용기 안으로 방사된 마이크로파를 공간 합성하는 합성부와,
    상기 합성부에서 합성된 마이크로파를 상기 챔버 안으로 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 갖는 안테나부와,
    상기 본체 용기 안에 본체 용기와 동축형(同軸形)으로 설치된 통형 또는 기둥형을 이루는 내부 도체
    를 포함하며,
    상기 급전 안테나는,
    상기 마이크로파 전력 도입 포트로부터 마이크로파가 공급되는 제1 극 및 마이크로파를 방사하며 상기 내부 도체에 접촉하는 제2 극을 갖는 안테나 본체와,
    상기 안테나 본체의 측방으로 돌출하도록 설치된, 마이크로파를 반사시키는 반사부
    를 포함하고,
    상기 안테나 본체에 입사된 마이크로파와 상기 반사부에서 반사된 마이크로파로 정재파를 형성하며,
    상기 각 급전 안테나로부터 방사된 정재파인 마이크로파가 상기 합성부에서 합성되는 것인 마이크로파 도입 기구.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서, 상기 반사부는, 상기 안테나 본체의 양측으로 돌출하도록 설치되어 있는 것인 마이크로파 도입 기구.
  13. 제10항에 있어서, 상기 반사부는, 상기 안테나 본체의 제1 극으로부터 1/4 파장의 위치 또는 그 위치를 기준으로 하여 -10%～+100%의 범위 내의 위치에 설치되어 있는 것인 마이크로파 도입 기구.
  14. 제10항에 있어서, 상기 반사부의 길이는 1/2 파장 또는 1/2 파장을 기준으로 하여 -10%～+50%의 범위 내의 길이인 것인 마이크로파 도입 기구.
  15. 제10항에 있어서, 상기 반사부는 원호형을 이루고 있는 것인 마이크로파 도입 기구.
  16. 제10항에 있어서, 상기 급전 안테나는, 프린트 기판 위에 형성되고, 마이크로 스트립 라인을 구성하고 있는 것인 마이크로파 도입 기구.
  17. 제10항에 있어서, 상기 급전 안테나를 사이에 두도록 설치된 유전체 부재를 더 포함하고 있는 마이크로파 도입 기구.
  18. 삭제
  19. 제10항에 있어서, 상기 본체 용기의 상기 합성부와 상기 마이크로파 방사 안테나 사이에 설치되고, 마이크로파의 전송로에서의 임피던스를 조정하는 튜너를 더 포함하는 마이크로파 도입 기구.
  20. 제19항에 있어서, 상기 튜너와 상기 마이크로파 방사 안테나는 공진기로서 기능하는 것인 마이크로파 도입 기구.
  21. 제19항에 있어서, 상기 튜너는 유전체로 이루어지는 2개의 슬래그(slag)를 포함하는 슬래그 튜너인 것인 마이크로파 도입 기구.
  22. 제10항에 있어서, 상기 마이크로파 방사 안테나는, 평면형을 이루고, 복수의 슬롯이 형성되어 있는 것인 마이크로파 도입 기구.
  23. 제22항에 있어서, 상기 슬롯은 부채형인 것인 마이크로파 도입 기구.
  24. 제22항에 있어서, 상기 안테나부는, 상기 마이크로파 방사 안테나로부터 방사된 마이크로파를 투과하는 유전체로 이루어지는 천판(天板)과, 상기 안테나부의 천판과는 반대측에 설치되고, 상기 마이크로파 방사 안테나에 도달하는 마이크로파의 파장을 짧게 하는 유전체로 이루어지는 지파재(遲波材)를 포함하는 것인 마이크로파 도입 기구.
  25. 제24항에 있어서, 상기 지파재의 두께를 조정하는 것에 의해, 마이크로파의 위상이 조정되는 것인 마이크로파 도입 기구.
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