KR101747482B1 - 마이크로파 방사 안테나, 마이크로파 플라즈마원 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

마이크로파 방사 안테나, 마이크로파 플라즈마원 및 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

마이크로파의 파워 손실이나 이상 방전을 억제하면서 균일한 플라즈마를 형성할 수 있는 마이크로파 방사 안테나, 마이크로파 플라즈마원 및 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
마이크로파 전송로를 따라 전송된 마이크로파를 챔버 내에 방사하고, 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 마이크로파 방사 안테나(45)로서, 도전체로 이루어지는 안테나 본체(121)와, 안테나 본체(121)에 각각 형성된 처리 가스 도입구(124), 가스 확산 공간(123) 및 복수의 가스 토출 구멍(125)과, 안테나 본체(121)에 가스 확산 공간(123) 및 가스 토출 구멍(125)과는 분리된 상태에서, 마이크로파 전송로에 대응해서 복수 형성된 슬롯(122)과, 안테나 본체(121)의 마이크로파 방사면측에 슬롯 형성 영역을 포함하도록 환형상으로 설치된 환형상 유전체 부재(126)를 갖는다.

Description

마이크로파 방사 안테나, 마이크로파 플라즈마원 및 플라즈마 처리 장치{MICROWAVE RADIATION ANTENNA, MICROWAVE PLASMA SOURCE AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 마이크로파 방사 안테나, 마이크로파 플라즈마원 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리는, 반도체 디바이스의 제조에 불가결한 기술이지만, 최근, LSI의 고집적화, 고속화의 요청으로부터 LSI를 구성하는 반도체 소자의 디자인 룰이 점점 미세화되고, 또한 반도체 웨이퍼가 대형화되고 있어, 그에 수반하여, 플라즈마 처리 장치에 있어서도 이러한 미세화 및 대형화에 대응하는 것이 요구되고 있다.
그런데, 종래부터 다용되어 온 평행 평판형이나 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에서는, 생성되는 플라즈마의 전자 온도가 높기 때문에 미세 소자에 플라즈마 대미지를 발생하게 되고, 또한 플라즈마 밀도가 높은 영역이 한정되기 때문에, 대형의 반도체 웨이퍼를 균일하면서 고속으로 플라즈마 처리하는 것은 곤란하다.
따라서, 고밀도로 저전자 온도의 표면파 플라즈마를 균일하게 형성할 수 있는 RLSA(Radial Line Slot Antenna) 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 주목받고 있다(예를 들어 특허문헌 1).
RLSA 마이크로파 플라즈마 처리 장치는, 표면파 플라즈마를 발생시키기 위한 마이크로파를 방사하는 마이크로파 방사 안테나로서 챔버의 상부에 소정의 패턴으로 복수의 슬롯이 형성된 평면 슬롯 안테나인 라디얼 라인 슬롯 안테나(Radial Line Slot Antenna)를 설치하여, 마이크로파 발생원으로부터 유도된 마이크로파를, 안테나의 슬롯으로부터 방사시킴과 함께, 그 아래에 설치된 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과판을 통해서 진공으로 유지된 챔버 내에 방사하고, 이 마이크로파 전계에 의해 챔버 내에서 표면파 플라즈마를 생성하고, 이에 의해 반도체 웨이퍼 등의 피처리체를 처리하는 것이다.
그런데, 특허문헌 1에 기재된 처리 장치에서는, 마이크로파는 챔버의 천장벽으로부터 도입되는 데 반해, 처리 가스는 챔버의 측벽에 설치된 가스 도입구로부터 공급되고 있다. 그러나, 이 경우에는 가스의 흐름을 제어하는 것이 어려워, 플라즈마의 균일성이 불충분해질 가능성이 있다.
이에 비해, 특허문헌 2에는, 라디얼 라인 슬롯 안테나 아래의 유전체 부재를 다수의 가스 방출 구멍을 갖는 샤워 플레이트로서 구성하고, 이 샤워 플레이트를 통해서 처리 가스를 챔버 내에 도입하는 기술이 개시되어 있다. 이에 의해 샤워 플레이트 바로 아래의 공간에 처리 가스를 균일하게 공급할 수 있어, 균일한 플라즈마가 형성된다고 하고 있다.
그러나, 특허문헌 2의 기술에서는, 샤워 플레이트의 가스 공간에서 가스가 플라즈마화하여 마이크로파 파워가 손실되거나 이상 방전이 발생하거나 한다고 하는 문제점이 발생할 가능성이 있다.
따라서, 특허문헌 3에는, 마이크로파 안테나와 유전체로 제조된 샤워 플레이트 사이에 샤워 플레이트보다도 비유전율이 낮은 유전체로 이루어지는 커버 플레이트를 설치한 구조가 개시되어 있다. 이에 의해 샤워 플레이트의 가스 공간을 통한 비유전율의 변화율을 적게 하여, 샤워 플레이트 내의 가스 공간에서의 파워 손실이나 이상 방전을 방지할 수 있다고 한다.
일본 특허 공개 제2000-294550호 공보 일본 특허 공개 제2002-299330호 공보 일본 특허 공개 제2005-196994호 공보
그러나, 특허문헌 3의 기술을 사용해도, 샤워 플레이트는 유전체이기 때문에, 마이크로파가 투과하여, 샤워 플레이트에 형성된 가스 구멍 내에서 가스가 플라즈마화하는 것까지는 완전히 방지할 수 없어, 여전히 파워 손실이나 이상 방전의 문제가 잔존하며, 이러한 문제를 억제하면서 균일한 플라즈마를 형성하는 기술은 아직 실현되어 있지 않다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 마이크로파의 파워 손실이나 이상 방전을 억제하면서 균일한 플라즈마를 형성할 수 있는 마이크로파 방사 안테나, 마이크로파 플라즈마원 및 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1 관점에서는, 챔버 내에 표면파 플라즈마를 형성해서 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 마이크로파 생성 기구에서 생성되고, 마이크로파 전송로를 따라 전송된 마이크로파를 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나로서, 마이크로파 방사면을 갖고, 도전체로 이루어지는 안테나 본체와, 상기 안테나 본체에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 도입구와, 상기 안테나 본체 내에서, 도입된 상기 처리 가스를 확산시키기 위한 가스 확산 공간과, 상기 안테나 본체에 설치되고, 상기 가스 확산 공간에서 확산된 처리 가스를 상기 챔버 내로 토출하기 위한 복수의 가스 토출 구멍과, 상기 안테나 본체에 상기 가스 확산 공간 및 상기 가스 토출 구멍과는 분리된 상태에서, 상기 마이크로파 전송로에 대응해서 복수 형성되고, 상기 마이크로파 방사면측의 단부로부터 마이크로파를 방사하는 슬롯과, 상기 안테나 본체의 상기 마이크로파 방사면측에, 상기 슬롯이 형성된 슬롯 형성 영역을 포함하도록 환형상으로 설치된 환형상 유전체 부재를 갖고, 상기 슬롯 및 상기 환형상 유전체 부재를 통하여 방사된 마이크로파에 의해, 상기 마이크로파 방사면에 금속 표면파가 형성되고, 이 금속 표면파에 의해 표면파 플라즈마가 생성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사 안테나를 제공한다.
상기 제1 관점에 있어서, 상기 복수의 가스 토출 구멍은, 안테나 본체의 마이크로파 방사면에 있어서의, 상기 환형상 유전체 부재의 외측 영역 및 내측 영역의 양쪽에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 환형상 유전체 부재와 상기 안테나 본체의 상기 슬롯 사이는 시일되어 있는 구성으로 할 수 있다. 이 경우에, 상기 환형상 유전체 부재와 상기 안테나 본체의 상기 슬롯 사이의 시일은 진공 시일이며, 이 진공 시일에 의해 상기 챔버 내의 진공 분위기의 영역과, 상기 슬롯을 포함하는 대기 분위기의 영역이 구획되어 있는 구성으로 할 수 있다.
또한, 상기 환형상 유전체 부재는, 상기 안테나 본체의 상기 마이크로파 방사면에 형성된 오목부에 끼워 넣어져 있는 구성으로 할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에서는, 플라즈마 처리 장치의 챔버 내에 마이크로파를 방사하여 표면파 플라즈마를 형성하는 마이크로파 플라즈마원으로서, 마이크로파를 생성하여 출력하는 마이크로파 출력부와, 상기 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파를 전송하여 상기 챔버 내에 방사하기 위한 마이크로파 공급부를 구비하고, 상기 마이크로파 공급부는, 상기 제1 관점의 마이크로파 방사 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마원을 제공한다.
상기 제2 관점에 있어서, 상기 마이크로파 공급부는, 상기 마이크로파 방사 안테나에 접속된, 각각 마이크로파 전송로를 갖는 복수의 마이크로파 방사부를 갖고, 상기 마이크로파 방사 안테나는, 상기 복수의 마이크로파 방사부에 대응해서 각각 복수의 슬롯을 갖는 구성으로 할 수 있다.
본 발명의 제3 관점에서는, 피처리 기판을 수용하는 챔버와, 처리 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 제2 관점의 마이크로파 플라즈마원을 구비하고, 상기 마이크로파 플라즈마원의 마이크로파 방사 안테나로부터 상기 챔버 내에 공급된 마이크로파에 의해 상기 마이크로파 방사 안테나의 표면에 금속 표면파가 형성되고, 상기 금속 표면파에 의해, 상기 가스 공급 기구로부터 공급된 가스에 의한 표면파 플라즈마를 생성하고, 상기 챔버 내의 피처리 기판에 대해서 플라즈마에 의해 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 마이크로파 방사 안테나의 안테나 본체를 도전체로 구성함과 함께, 가스 확산 공간 및 가스 토출 구멍과 마이크로파를 방사하는 슬롯을 분리한 상태에서 설치하고, 또한 안테나 본체의 마이크로파 방사면측에, 슬롯이 형성된 슬롯 형성 영역을 포함하도록 환형상 유전체 부재를 설치하였기 때문에, 마이크로파의 파워 손실이나 이상 방전을 억제하면서 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 사용되는 마이크로파 플라즈마원의 마이크로파 방사 안테나 이외의 구성을 도시하는 구성도.
도 3은 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 공급부를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 4는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 사용되는, 마이크로파 방사부 및 마이크로파 방사 안테나를 도시하는 종단면도.
도 5는 마이크로파 방사부의 급전 기구를 도시하는 도 4의 AA'선을 따라 취한횡단면도.
도 6은 튜너에 있어서의 슬러그와 미끄럼 부재를 도시하는 도 4의 BB'선을 따라 취한횡단면도.
도 7은 마이크로파 방사 안테나의 슬롯의 형상 및 배치의 일례를 나타내는 평면도.
도 8은 마이크로파 방사 안테나의 마이크로파 방사면을 나타내는 저면도.
도 9는 (a) 환형상 유전체 부재를 설치하지 않고 안테나 본체의 마이크로파 방사면까지 슬롯을 형성한 경우와, (b) 환형상 유전체 부재를 설치한 경우에 대해서, 마이크로파의 전계 분포를 비교해서 도시하는 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.
*<플라즈마 처리 장치의 구성>
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이며, 도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에 사용되는 마이크로파 플라즈마원의 마이크로파 방사 안테나 이외의 구성을 도시하는 구성도, 도 3은 마이크로파 플라즈마원에 있어서의 마이크로파 공급부를 모식적으로 도시하는 평면도이다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 웨이퍼에 대해 플라즈마 처리로서 예를 들어 에칭 처리를 실시하는 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있고, 기밀하게 구성된 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어지는 대략 원통 형상의 접지된 챔버(1)와, 챔버(1) 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원(2)을 갖고 있다. 챔버(1)의 상부에는 개구부(1a)가 형성되어 있고, 마이크로파 플라즈마원(2)은 이 개구부(1a)로부터 챔버(1)의 내부에 면하도록 설치되어 있다.
챔버(1) 내에는 피처리체인 반도체 웨이퍼 W(이하 웨이퍼 W라 기술함)를 수평하게 지지하기 위한 서셉터(11)가, 챔버(1)의 저부 중앙에 절연 부재(12a)를 개재해서 세워 설치된 통 형상의 지지 부재(12)에 의해 지지된 상태에서 설치되어 있다. 서셉터(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료로서는, 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄이나, AlN 등의 세라믹스 등이 예시된다.
또한, 도시하지 않았지만, 서셉터(11)에는 웨이퍼 W를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼 W의 이면에 열전달용 가스를 공급하는 가스 유로 및 웨이퍼 W를 반송하기 위해 승강하는 승강 핀 등이 설치되어 있다. 또한, 서셉터(11)에는, 정합기(13)를 개재해서 고주파 바이어스 전원(14)이 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 바이어스 전원(14)으로부터 서셉터(11)에 고주파 전력이 공급됨으로써, 웨이퍼 W측에 플라즈마 안의 이온이 끌려들어간다. 또한, 고주파 바이어스 전원(14)은 플라즈마 처리의 특성에 따라서는 설치하지 않아도 된다.
챔버(1)의 저부에는 배기관(15)이 접속되어 있고, 이 배기관(15)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(16)가 접속되어 있다. 그리고 이 배기 장치(16)를 작동시킴으로써 챔버(1) 내가 배기되어, 챔버(1) 내를 소정의 진공도까지 고속으로 감압하는 것이 가능하도록 되어 있다. 또한, 챔버(1)의 측벽에는, 웨이퍼 W의 반출입을 행하기 위한 반출입구(17)와, 이 반출입구(17)를 개폐하는 게이트 밸브(18)가 설치되어 있다.
마이크로파 플라즈마원(2)은, 복수 경로로 분배하여 마이크로파를 출력하는 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파를 전송하여 챔버(1) 내로 방사하기 위한 마이크로파 공급부(40)를 갖고 있다. 마이크로파 공급부(40)는 챔버(1)의 상부에 설치된 지지 링(29)에 기밀하게 시일된 상태에서 설치된, 마이크로파의 방사와 가스의 도입이 가능한 마이크로파 방사 안테나(45)를 갖고 있다. 이 마이크로파 방사 안테나(45)는 챔버(1)의 천장벽으로서 구성되어 있다. 또한, 마이크로파 플라즈마원(2)은, 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성 가스나, 성막 처리나 에칭 처리를 행하기 위한 처리 가스를 공급하는 가스 공급원(110)을 갖고 있다.
플라즈마 생성 가스로서는, Ar 가스 등의 희가스를 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 처리 가스로서는 성막 처리나 에칭 처리 등, 처리의 내용에 따라 다양한 것을 채용할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 마이크로파 출력부(30)는, 마이크로파 전원(31)과, 마이크로파 발진기(32)와, 발진된 마이크로파를 증폭하는 증폭기(33)와, 증폭된 마이크로파를 복수로 분배하는 분배기(34)를 갖고 있다.
마이크로파 발진기(32)는 소정 주파수(예를 들어, 915㎒)의 마이크로파를 예를 들어 PLL 발진시킨다. 분배기(34)에서는, 마이크로파의 손실이 가능한 한 일어나지 않도록, 입력측과 출력측의 임피던스 정합을 취하면서 증폭기(33)에서 증폭된 마이크로파를 분배한다. 또한, 마이크로파의 주파수로서는, 700㎒부터 3㎓를 사용할 수 있다.
마이크로파 공급부(40)는 마이크로파 방사 안테나(45)(도 2에서는 도시하지 않음) 외에, 분배기(34)에서 분배된 마이크로파를 챔버(1) 내로 유도하는 복수의 안테나 모듈(41)을 갖고 있다. 각 안테나 모듈(41)은, 분배된 마이크로파를 주로 증폭하는 증폭기부(42)와, 마이크로파 방사부(43)를 갖고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 마이크로파 공급부(40)는 안테나 모듈(41)을 7개 갖고 있으며, 각 안테나 모듈(41)의 마이크로파 방사부(43)가, 원주 형상으로 6개 및 그 중심에 1개, 원형을 이루는 마이크로파 방사 안테나(45) 상에 배치되어 있다.
마이크로파 방사 안테나(45)는, 후술하는 바와 같이, 상술한 복수의 마이크로파 방사부(43)가 접속되고, 플라즈마 생성 가스나 처리 가스를 토출하는 샤워 구조로 되어 있고, 가스 공급원(110)으로부터 연장되는 가스 배관(111)이 마이크로파 방사 안테나(45)에 접속되어 있다. 그리고, 마이크로파 방사 안테나(45)로부터 챔버(1) 내에 도입된 플라즈마 생성 가스는, 마이크로파 방사 안테나(45)로부터 방사된 마이크로파에 의해 플라즈마화되고, 이 플라즈마에 의해, 마찬가지로 마이크로파 방사 안테나(45)로부터 챔버(1) 내에 도입된 처리 가스가 여기되어, 처리 가스의 플라즈마가 생성된다.
증폭기부(42)는 위상기(46)와, 가변 게인 증폭기(47)와, 솔리드 스테이트 증폭기를 구성하는 메인 증폭기(48)와, 아이솔레이터(49)를 갖고 있다.
위상기(46)는 마이크로파의 위상을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있고, 이것을 조정함으로써 마이크로파의 방사 특성을 변조시킬 수 있다. 예를 들어, 각 안테나 모듈마다 위상을 조정함으로써 안테나 모듈(41)의 지향성을 제어하여 플라즈마 분포를 변화시킬 수 있다. 또한, 인접하는 안테나 모듈에 있어서 90°씩 위상을 어긋나게 해서 원편파를 얻을 수 있다. 또한, 위상기(46)는 증폭기부(42) 내의 부품간의 지연 특성을 조정하여, 튜너 내에서의 공간 합성을 목적으로 해서 사용할 수 있다. 단, 이러한 마이크로파의 방사 특성의 변조나 증폭기부(42) 내의 부품간의 지연 특성의 조정이 불필요한 경우에는 위상기(46)는 설치할 필요는 없다.
가변 게인 증폭기(47)는 메인 증폭기(48)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하여, 플라즈마 강도 조정하기 위한 증폭기이다. 가변 게인 증폭기(47)를 각 안테나 모듈마다 변화시킴으로써, 발생하는 플라즈마에 분포를 발생시킬 수도 있다.
솔리드 스테이트 증폭기를 구성하는 메인 증폭기(48)는, 예를 들어 입력 정합 회로와, 반도체 증폭 소자와, 출력 정합 회로와, 고Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다.
아이솔레이터(49)는 마이크로파 방사 안테나(45)에서 반사하여 메인 증폭기(48)를 향하는 반사 마이크로파를 분리하는 것이며, 써큐레이터와 더미 로드(동축 종단부기)를 갖고 있다. 써큐레이터는 마이크로파 방사 안테나(45)에서 반사한 마이크로파를 더미 로드로 유도하고, 더미 로드는 써큐레이터에 의해 유도된 반사 마이크로파를 열로 변환한다.
이어서, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 마이크로파 방사부(43) 및 마이크로파 방사 안테나(45)에 대해 상세하게 설명한다. 도 4는 마이크로파 방사부(43) 및 마이크로파 방사 안테나(45)를 도시하는 단면도, 도 5는 마이크로파 방사부(43)의 급전 기구를 도시하는 도 4의 AA'선을 따라 취한횡단면도, 도 6은 마이크로파 방사부(43)의 튜너(60)에 있어서의 슬러그와 미끄럼 부재를 도시하는 도 4의 BB'선을 따라 취한횡단면도, 도 7은 마이크로파 방사 안테나(45)의 슬롯의 형상 및 배치의 일례를 나타내는 평면도, 도 8은 마이크로파 방사 안테나(45)의 마이크로파 방사면을 나타내는 저면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 마이크로파 방사부(43)는, 마이크로파를 전송하는 동축 구조의 마이크로파 전송로(도파로)(44)와, 마이크로파 전송로(44)에 설치된 튜너(60)를 갖고 있다. 그리고, 마이크로파 방사부(43)의 도파로(44)를 거쳐서, 각 마이크로파 방사부(43)에 대응해서 마이크로파 방사 안테나(45)에 설치된 슬롯(후술)으로부터 챔버(1) 내에 마이크로파가 방사되고, 그 마이크로파에 의해 챔버(1) 내에서 표면파 플라즈마를 형성하도록 되어 있다.
마이크로파 전송로(44)는 통 형상의 외측 도체(52) 및 그 중심에 설치된 막대 형상의 내측 도체(53)가 동축 형상으로 배치되어 구성되어 있고, 마이크로파 전송로(44)의 선단에 마이크로파 방사 안테나(45)가 설치되어 있다. 마이크로파 전송로(44)에 있어서는, 내측 도체(53)에 급전되고, 외측 도체(52)가 접지되어 있다. 외측 도체(52) 및 내측 도체(53)의 상단부에는 반사판(58)이 설치되어 있다.
마이크로파 전송로(44)의 기단부측에는 마이크로파(전자파)를 급전하는 급전 기구(54)가 설치되어 있다. 급전 기구(54)는 마이크로파 전송로(44)(외측 도체(52))의 측면에 설치된 마이크로파 전력을 도입하기 위한 마이크로파 전력 도입 포트(55)를 갖고 있다. 마이크로파 전력 도입 포트(55)에는 증폭기부(42)로부터 증폭된 마이크로파를 공급하기 위한 급전선으로서, 내측 도체(56a) 및 외측 도체(56b)로 이루어지는 동축 선로(56)가 접속되어 있다. 그리고, 동축 선로(56)의 내측 도체(56a)의 선단에는, 외측 도체(52)의 내부를 향해서 수평하게 신장하는 급전 안테나(90)가 접속되어 있다.
급전 안테나(90)는, 예를 들어 알루미늄 등의 금속판을 깎아내어 가공한 후, 테플론(등록 상표) 등의 유전체 부재의 틀에 박아서 형성된다. 반사판(58)으로부터 급전 안테나(90)까지의 사이에는, 반사파의 실효 파장을 짧게 하기 위한 테플론(등록 상표) 등의 유전체로 이루어지는 지파재(59)가 설치되어 있다. 또한, 2.45㎓ 등의 주파수가 높은 마이크로파를 사용한 경우에는, 지파재(59)는 설치하지 않아도 된다. 이때, 급전 안테나(90)로부터 반사판(58)까지의 거리를 최적화하여, 급전 안테나(90)로부터 방사되는 전자파를 반사판(58)에서 반사시킴으로써, 최대의 전자파를 동축 구조의 마이크로파 전송로(44) 내로 전송시킨다.
급전 안테나(90)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 마이크로파 전력 도입 포트(55)에 있어서 동축 선로(56)의 내측 도체(56a)에 접속되어, 전자파가 공급되는 제1 극(92) 및 공급된 전자파를 방사하는 제2 극(93)을 갖는 안테나체(91)와, 안테나체(91)의 양측으로부터, 내측 도체(53)의 외측을 따라서 연장되고, 링 형상을 이루는 반사부(94)를 갖고, 안테나체(91)에 입사된 전자파와 반사부(94)에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하도록 구성되어 있다. 안테나체(91)의 제2 극(93)은 내측 도체(53)에 접촉하고 있다.
급전 안테나(90)가 마이크로파(전자파)를 방사함으로써, 외측 도체(52)와 내측 도체(53) 사이의 공간에 마이크로파 전력이 급전된다. 그리고, 급전 기구(54)에 공급된 마이크로파 전력이 마이크로파 방사 안테나(45)를 향해서 전파한다.
튜너(60)는 챔버(1) 내의 부하(플라즈마)의 임피던스를 마이크로파 출력부(30)에 있어서의 마이크로파 전원의 특성 임피던스에 정합시키는 것이며, 외측 도체(52)와 내측 도체(53) 사이의 마이크로파 전송로(44)를 상하로 이동하는 2개의 슬러그(61a, 61b)와, 반사판(58)의 외측(상측)에 설치된 슬러그 구동부(70)를 갖고 있다.
이들 슬러그 중, 슬러그(61a)는 슬러그 구동부(70)측에 설치되고, 슬러그(61b)는 마이크로파 방사 안테나(45)측에 설치되어 있다. 또한, 내측 도체(53)의 내부 공간에는, 그 길이 방향을 따라 예를 들어 사다리꼴 나사가 형성된 나사 막대로 이루어지는 슬러그 이동용 2개의 슬러그 이동축(64a, 64b)이 설치되어 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 슬러그(61a)는, 유전체로 이루어지는 원환형상을 이루고, 그 내측에 미끄럼성을 갖는 수지로 이루어지는 미끄럼 부재(63)가 끼워 넣어져 있다. 미끄럼 부재(63)에는 슬러그 이동축(64a)이 나사 결합하는 나사 구멍(65a)과 슬러그 이동축(64b)이 삽입 관통되는 관통 구멍(65b)이 형성되어 있다. 한편, 슬러그(61b)는 슬러그(61a)와 마찬가지로, 나사 구멍(65a)과 관통 구멍(65b)을 갖고 있지만, 슬러그(61a)와는 반대로, 나사 구멍(65a)은 슬러그 이동축(64b)에 나사 결합되고, 관통 구멍(65b)에는 슬러그 이동축(64a)이 삽입 관통되도록 되어 있다. 이에 의해 슬러그 이동축(64a)을 회전시킴으로써 슬러그(61a)가 승강 이동하고, 슬러그 이동축(64b)을 회전시킴으로써 슬러그(61b)가 승강 이동한다. 즉, 슬러그 이동축(64a, 64b)과 미끄럼 부재(63)로 이루어지는 나사 기구에 의해 슬러그(61a, 61b)가 승강 이동된다.
내측 도체(53)에는 원주 방향을 따라서 등간격으로 3개의 슬릿(53a)이 형성되어 있다. 한편, 미끄럼 부재(63)는 이들 슬릿(53a)에 대응하도록 3개의 돌출부(63a)가 등간격으로 형성되어 있다. 그리고, 이들 돌출부(63a)가 슬러그(61a, 61b)의 내주에 맞닿은 상태에서 미끄럼 부재(63)가 슬러그(61a, 61b)의 내부에 끼워 넣어진다. 미끄럼 부재(63)의 외주면은, 내측 도체(53)의 내주면과 여유없이 접촉하도록 되어 있으며, 슬러그 이동축(64a, 64b)이 회전됨으로써, 미끄럼 부재(63)가 내측 도체(53)를 미끄러져서 승강하도록 되어 있다. 즉 내측 도체(53)의 내주면이 슬러그(61a, 61b)의 미끄럼 가이드로서 기능한다.
미끄럼 부재(63)를 구성하는 수지 재료로서는, 양호한 미끄럼성을 갖고, 가공이 비교적 용이한 수지, 예를 들어 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지를 바람직한 것으로서 들 수 있다.
상기 슬러그 이동축(64a, 64b)은, 반사판(58)을 관통해서 슬러그 구동부(70)에 연장되어 있다. 슬러그 이동축(64a, 64b)과 반사판(58) 사이에는 베어링(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 또한, 내측 도체(53)의 하단부에는, 도체로 이루어지는 저판(67)이 설치되어 있다. 슬러그 이동축(64a, 64b)의 하단은, 구동 시의 진동을 흡수하기 위해, 통상은 개방단으로 되어 있고, 이들 슬러그 이동축(64a, 64b)의 하단으로부터 2 내지 5㎜ 정도 이격하여 저판(67)이 설치되어 있다. 또한, 이 저판(67)을 베어링부로 하고 슬러그 이동축(64a, 64b)의 하단부를 이 베어링부에서 축 지지시켜도 된다.
슬러그 구동부(70)는 하우징(71)을 갖고, 슬러그 이동축(64a 및 64b)은 하우징(71) 내에 연장되어 있고, 슬러그 이동축(64a 및 64b)의 상단에는, 각각 기어(72a, 72b)가 장착되어 있다. 또한, 슬러그 구동부(70)에는, 슬러그 이동축(64a)를 회전시키는 모터(73a)와, 슬러그 이동축(64b)을 회전시키는 모터(73b)가 설치되어 있다. 모터(73a)의 축에는 기어(74a)가 장착되고, 모터(73b)의 축에는 기어(74b)가 장착되어 있고, 기어(74a)가 기어(72a)에 맞물리고, 기어(74b)가 기어(72b)에 맞물리도록 되어 있다. 따라서, 모터(73a)에 의해 기어(74a 및 72a)를 통하여 슬러그 이동축(64a)이 회전되고, 모터(73b)에 의해 기어(74b 및 72b)를 통하여 슬러그 이동축(64b)이 회전된다. 또한, 모터(73a, 73b)는 예를 들어 스테핑 모터이다.
또한, 슬러그 이동축(64b)은 슬러그 이동축(64a)보다도 길고, 보다 상방에 도달하고 있고, 따라서, 기어(72a 및 72b)의 위치가 상하로 오프셋되어 있고, 모터(73a 및 73b)도 상하로 오프셋되어 있으므로, 모터 및 기어 등의 동력 전달 기구의 스페이스가 작아, 하우징(71)이 외측 도체(52)와 동일한 직경으로 되어 있다.
모터(73a 및 73b) 상에는, 이들의 출력축에 직결하도록, 각각 슬러그(61a 및 61b)의 위치를 검출하기 위한 인크리먼트형 인코더(75a 및 75b)가 설치되어 있다.
슬러그(61a 및 61b)의 위치는, 슬러그 컨트롤러(68)에 의해 제어된다. 구체적으로는, 도시하지 않은 임피던스 검출기에 의해 검출된 입력단의 임피던스값과, 인코더(75a 및 75b)에 의해 검지된 슬러그(61a 및 61b)의 위치 정보에 기초하여, 슬러그 컨트롤러(68)가 모터(73a 및 73b)로 제어 신호를 보내고, 슬러그(61a 및 61b)의 위치를 제어함으로써, 임피던스를 조정하도록 되어 있다. 슬러그 컨트롤러(68)는, 종단이 예를 들어 50Ω이 되도록 임피던스 정합을 실행시킨다. 2개의 슬러그 중 한쪽만을 움직이게 하면, 스미스차트의 원점을 통과하는 궤적을 그리고, 양쪽 동시에 움직이게 하면 위상만이 회전한다.
마이크로파 전송로(44)의 선단부에는, 마이크로파 방사 안테나(45)에 접하도록 지파재(82)가 설치되어 있다. 지파재(82)의 중심에는 도체로 이루어지는 원기둥 부재(82a)가 관통되어 있고, 이 원기둥 부재(82a)가 저판(67)과 마이크로파 방사 안테나(45)에 접속되어 있다. 따라서, 내측 도체(53)가 저판(67) 및 원기둥 부재(82a)를 개재해서 마이크로파 방사 안테나(45)에 접속되어 있다. 또한, 외측 도체(52)의 하단은 마이크로파 방사 안테나(45)까지 연장되어 있고, 지파재(82) 주위에는 외측 도체(52)로 덮여 있다.
지파재(82)는, 진공보다도 큰 유전율을 갖고 있고, 예를 들어 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 구성되어 있고, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지기 때문에, 마이크로파의 파장을 짧게 해서 마이크로 방사 안테나(45)를 작게 하는 기능을 갖고 있다. 지파재(82)는, 그 두께에 의해 마이크로파의 위상을 조정할 수 있어, 마이크로파 방사 안테나(45)의 표면(마이크로파 방사면)이 정재파의 「배」로 되도록 그 두께를 조정한다. 이에 의해, 반사가 최소이고, 마이크로파의 방사 에너지가 최대로 되도록 할 수 있다.
마이크로파 방사 안테나(45)는, 평면 형상을 이루고 슬롯을 갖는 평면 슬롯 안테나로서 구성되어 있고, 원판 형상을 이루고, 그 하면이 마이크로파 방사면으로 되는 안테나 본체(121)와, 안테나 본체(121)에 형성된, 각 마이크로파 방사부(43)의 마이크로파 전송로(44)를 따라 전송되어 온 마이크로파를 챔버 내에 방사하기 위한 복수의 슬롯(122)과, 안테나 본체(121)의 내부에 형성된, 처리 가스를 확산하기 위한 가스 확산 공간(123)과, 가스 확산 공간(123)에 플라즈마 생성 가스나 처리 가스를 도입하는 가스 도입구(124)와, 가스 확산 공간(123)으로부터 챔버(1)에 면하도록 연장되는 복수의 가스 토출 구멍(125)과, 안테나 본체(121)의 마이크로파 방사면측에, 각 마이크로파 방사부(43)의 슬롯(122)에 대응하도록 환형상으로 설치된 환형상 유전체 부재(126)를 갖는다.
안테나 본체(121)는 도전체, 전형적으로는 금속으로 형성되어 있다. 안테나 본체(121)를 구성하는 도전체로서는 알루미늄이나 구리와 같은 전기 전도율이 높은 금속이 바람직하다. 안테나 본체(121)는 상부벽(121a)과, 샤워 플레이트로서 구성되는 하부벽(121b)을 갖고 있다.
상기 가스 도입구(124)는, 상부벽(121a)에 설치되어 있고, 가스 공급원(110)으로부터 연장되는 가스 배관(111)이 접속되고, 가스 공급원(110)으로부터 공급된 Ar 등의 플라즈마 생성 가스나, 탄화 불소 가스(예를 들어 C4F8) 등의 처리 가스가, 가스 도입구(124)를 통해서 가스 확산 공간(123)에 도입된다. 가스 토출 구멍(125)은, 하부벽(121b)에 형성되고, 가스 확산 공간(123)에 도입된 가스를 챔버(1) 내로 토출하도록 되어 있다.
슬롯(122)은 상부벽(121a)으로부터 가스 확산 공간(123)을 거쳐서 하부벽(121b)을 관통하여 형성되어 있다. 가스 확산 공간(123)에 있어서 슬롯(122)은 하부벽(121b)으로부터 돌출된 돌출부(127)의 내부에 형성되어 있다. 이에 의해, 슬롯(122)을 통과하는 마이크로파와 가스 확산 공간(123)을 흐르는 가스가 분리되고, 마이크로파 방사 안테나(45)의 내부에서 플라즈마가 생성되는 것이 회피된다. 돌출부(127)의 상단에는 상부벽(121a)과의 사이를 가스 시일하는 시일 부재(127a)가 설치되어 있다.
슬롯(122) 내에는 유전체가 충전되어 있어도 된다. 슬롯(122)에 유전체를 충전함으로써, 마이크로파의 실효 파장이 짧아져서, 슬롯 전체의 두께(안테나 본체(121)의 두께)를 얇게 할 수 있다. 슬롯(122)에 충전하는 유전체로서는, 예를 들어 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지를 사용할 수 있다.
각 마이크로파 방사부(43)로부터의 마이크로파의 방사 특성을 결정하는 마이크로파 방사면에서의 슬롯(122)의 형상은, 마이크로파 방사부(43)마다, 예를 들어 도 7에 도시한 바와 같이 되어 있다. 구체적으로는, 4개의 슬롯(122)이 전체 형상이 원주 형상이 되도록 균등하게 형성되어 있다. 이들 슬롯(122)은 모두 동일한 형상이며, 원주를 따라 가늘고 긴 형상으로 형성되어 있다. 이들 슬롯(122)은, 안테나 본체(121)의 마이크로파 방사면에 있어서의 마이크로파 방사부(43)의 중심축에 대응하는 점 O에 대해 대칭으로 배치되어 있다.
슬롯(122)의 원주 방향의 길이는(λg/2)-δ이며, 슬롯(122)의 중심 위치에 마이크로파 전계 강도의 피크가 오도록 설계되어 있다. 단, λg는 마이크로파의 실효 파장이며, δ은 원주 방향(각도 방향)으로 전계 강도의 균일성이 높아지도록 미세 조정하는 미세 조정 성분(0을 포함)이다. λg는,
λg=λ/εs1/2
로 나타낼 수 있다. 단, εs는 슬롯에 충전되는 유전체의 유전율이며, λ은 진 공중의 마이크로파의 파장이다. 또한, 슬롯(122)의 길이는 약 λg/2에 한하지 않고, λg/2의 정수배로부터 미세 조정 성분(0을 포함)을 뺀 것이면 된다.
2개의 슬롯(122) 중 인접하는 것끼리의 이음매 부분은, 한쪽의 슬롯(122)의 단부와 다른 쪽의 슬롯(122)의 단부가 직경 방향으로 소정 간격을 두고 내외에서 겹치도록 구성되어 있다. 이에 의해, 슬롯(122)이 형성하는 원주에는 둘레 방향으로 슬롯이 존재하지 않는 부분이 없도록 되어 마이크로파 방사부(43)의 둘레 방향의 방사 특성이 균일해지도록 설계되어 있다. 슬롯(122)은 둘레 방향을 따라 중앙부(122a)와 좌측 단부(122b)와 우측 단부(122c)의 3개의 부분으로 나누어져 있고, 좌측 단부(122b) 및 우측 단부(122c)가 대략 부채형(원호 형상)을 이루고, 중앙부(122a)는, 이들을 연결하는 직선 형상으로 되어 있다. 각 슬롯(122)은, 좌측 단부(122b) 및 우측 단부(122c)가 각각 둘레 방향의 내측 및 외측에 위치하도록, 마이크로파 방사면 상에 배치된다. 그리고, 복수의 슬롯(122)은, 하나의 슬롯(122)의 좌측 단부(122b)가 거기에 인접하는 다른 슬롯(122)의 우측 단부(122c)보다 둘레 방향에 외측이 되도록 배치되고, 하나의 슬롯(122)의 우측 단부(122c)가 거기에 인접하는 다른 슬롯(122)의 좌측 단부(122b)보다 둘레 방향으로 내측이 되도록 배치된다. 중앙부(122a)와 좌측 단부(122b)와 우측 단부(122c)는, 대략 균등한 길이를 갖고 있다. 즉, 중앙부(122a)가 (λg/6)-δ1, 그 양측의 좌측 단부(122b) 및 우측 단부(122c)가 각각 (λg/6)-δ2 및 (λg/6)-δ3의 길이로 된다. 단, δ1, δ2, δ3은 원주 방향(각도 방향)으로 전계 강도의 균일성이 높아지도록 미세 조정하는 미세 조정 성분(0을 포함)이다. 인접하는 슬롯이 오버랩하는 부분의 길이는 동등한 쪽이 바람직하므로, δ2=δ3인 것이 바람직하다.
슬롯(122)은 그 내주가, 안테나 본체(121)의 점 O로부터 (λg/4)±δ'의 위치로 되도록 형성된다. 단, δ'는 직경 방향의 전계 강도 분포를 균일하게 하기 위해 미세 조정하는 미세 조정 성분(0을 포함)이다. 또한, 중심으로부터 슬롯 내주까지의 길이는 약 λg/4에 한하지 않고, λg/4의 정수배로 미세 조정 성분(0을 포함)을 더한 것이면 된다.
이러한 마이크로파 방사 안테나(45)는, 각 마이크로파 방사부(43)에 있어서, 전계 강도가 낮은 슬롯의 단부를 겹쳐서 배치함으로써, 그 부분의 전계 강도를 높게 할 수 있고, 결과적으로, 둘레 방향(각도 방향)의 전계 강도 분포를 균일하게 할 수 있다.
또한, 각 마이크로파 방사부(43)에 대응하는 슬롯의 수는 4개에 한하지 않고, 3개나 5개 이상이어도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 슬롯 형상은 도 7의 것에 한하지 않고, 예를 들어 복수의 원호 형상의 슬롯이 원주 상에 균등하게 형성된 것 등 다른 것이어도 된다.
또한, 슬롯(122)은 좌측 단부(122b)와 우측 단부(122c)의 오버랩 부분의 간격이 좁으므로, 그 간격 그대로로 되도록 가스 확산 공간(123)에 돌출부(127)를 형성하면, 가스 확산 공간(123)에 있어서의 가스 컨덕턴스가 작아져서 가스 유속의 균일성이 작아질 우려가 있다. 그러한 경우에는, 슬롯(122)의 돌출부(127) 및 상부벽(121a)에 대응하는 부분에 있어서, 슬롯(122)은 좌측 단부(122b)와 우측 단부(122c)의 오버랩 부분의 간격을 넓게 해도 된다. 그 경우에는, 슬롯(122)의 돌출부(127) 및 상부벽(121a)에 대응하는 부분과, 하부벽(121b)에 대응하는 부분에서 단차가 발생하게 된다.
안테나 본체(121)의 하부벽(121b)의 마이크로파 방사면측에는, 슬롯(122)에 대응하는 부분에 환형상을 이루는 오목부(128)를 갖고 있으며, 이 오목부(128)에 환형상 유전체 부재(126)가 끼워 넣어져 있다. 오목부(128)에는 단차(128a)가 형성되어 있고, 환형상 유전체 부재(126)는 이 단차(128a)에 대응하는 플랜지부(126a)를 갖고 있다. 이에 의해 환형상 유전체 부재(126)가 하부벽(121b)에 지지되어 있다. 환형상 유전체 부재(126)는, 안테나 본체(121)의 마이크로파 방사면측에, 각 마이크로파 방사부(43)의 슬롯(122)이 형성된 영역인 슬롯 형성 영역을 포함하도록(덮도록) 설치되어 있다(도 8의 안테나 본체(121)의 저면도 참조). 또한, 하부벽(121b)의 오목부(128)에 끼워 넣어진 환형상 유전체 부재(126)에 접하는 부분에는, 슬롯(122)의 내측 부분 및 외측 부분에 시일 부재(128b)가 설치되어 있고, 환형상 유전체 부재(126)가 슬롯(122)을 밀폐하도록 되어 있다. 시일 부재(128b)는 진공 시일로서 기능하고, 그보다 아래의 진공 영역과, 그보다 위인 대기 영역을 구획하고 있다.
환형상 유전체 부재(126)를 구성하는 유전체로서는, 예를 들어 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지를 사용할 수 있다.
또한, 도 8에 도시한 바와 같이 환형상 유전체 부재(126)는 원환형상으로 설치되어 있지만, 삼각 환형상, 사각 환형상 등의 다각 환형상이어도 된다.
도 4 및 도 8에 도시한 바와 같이, 안테나 본체(121)에 형성된 가스 토출 구멍(125)은, 마이크로파 방사면에 있어서의 환형상 유전체 부재(126)의 외측 영역 및 내측 영역의 양쪽에 설치되어 있다.
마이크로파 방사 안테나(45)에는, 직류 전압을 인가하도록 할 수도 있다. 이에 의해, 마이크로파 전력을 인가한 경우에, 마이크로파 방사 안테나(45)의 표면에 형성되는 금속 표면파를 전파하는 외피의 두께를 제어할 수 있다. 이에 의해, 플라즈마의 전자 밀도 분포, 이온 밀도 분포, 라디칼 밀도 분포를 최적화할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 메인 증폭기(48)와, 튜너(60)와, 마이크로파 방사 안테나(45)는 근접 배치하고 있다. 그리고, 튜너(60)와 마이크로파 방사 안테나(45)는 1/2 파장 내에 존재하는 집중 상수 회로를 구성하고 있고, 또한 마이크로파 방사 안테나(45), 지파재(82)는 합성 저항이 50Ω으로 설정되어 있으므로, 튜너(60)는 플라즈마 부하에 대해 직접 튜닝하고 있게 되어, 효율적으로 플라즈마에 에너지를 전달할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 각 구성부는, 마이크로프로세서를 구비한 제어부(140)에 의해 제어되도록 되어 있다. 제어부(140)는 플라즈마 처리 장치(100)의 프로세스 시퀀스 및 제어 파라미터인 프로세스 레시피를 기억한 기억부나, 입력 수단 및 디스플레이 등을 구비하고 있고, 선택된 프로세스 레시피에 따라서 플라즈마 처리 장치를 제어하도록 되어 있다.
<플라즈마 처리 장치의 동작>
이어서, 이상과 같이 구성되는 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 동작에 대해 설명한다.
우선, 웨이퍼 W를 챔버(1) 내로 반입하고, 서셉터(11) 위에 적재한다. 그리고, 가스 공급원(110)으로부터 가스 배관(111)을 통해서 플라즈마 생성 가스, 예를 들어 Ar 가스를 마이크로파 방사 안테나(45)의 가스 확산 공간(123)에 도입하고, 가스 토출 구멍(125)으로부터 토출하면서, 마이크로파 플라즈마원(2)의 마이크로파 출력부(30)로부터, 마이크로파 공급부(40)의 각 안테나 모듈(41)의 증폭기부(42) 및 마이크로파 방사부(43)를 전송되어 온 마이크로파를 마이크로파 방사 안테나(45)의 슬롯(122) 및 환형상 유전체 부재(126)를 통해서 챔버(1) 내로 방사시키고, 마이크로파 방사 안테나(45)의 표면에 금속 표면파를 형성하고, 표면파 플라즈마를 생성한다. 또한, 동일하게 가스 공급원(110)으로부터 가스 배관(111)을 통해서 플라즈마 생성 가스 및 처리 가스를 마이크로파 방사 안테나(45)에 공급한다. 이들 가스는 안테나 본체(121) 내의 가스 확산 공간(123)을 거쳐서 가스 토출 구멍(125)으로부터 챔버(1) 내로 토출된다. 그리고, 이들 가스는 표면파 플라즈마에 의해 여기되어 플라즈마화하고, 처리 가스의 플라즈마에 의해 웨이퍼 W에 플라즈마 처리, 예를 들어 에칭 처리가 실시된다.
상기 표면파 플라즈마를 생성할 때에, 마이크로파 플라즈마원(2)에서는, 마이크로파 출력부(30)의 마이크로파 발진기(32)로부터 발진된 마이크로파 전력은 증폭기(33)에서 증폭된 후, 분배기(34)에 의해 복수로 분배되고, 분배된 마이크로파 전력은 마이크로파 공급부(40)로 유도된다. 마이크로파 공급부(40)에 있어서는, 이와 같이 복수로 분배된 마이크로파 전력이, 솔리드 스테이트 증폭기를 구성하는 메인 증폭기(48)에서 개별로 증폭되고, 마이크로파 방사부(43)의 마이크로파 전송로(44)에 급전되고, 마이크로파 전송로(44)를 따라 전송되고, 지파재(82)를 투과하여, 마이크로파 방사 안테나(45)의 슬롯(122) 및 환형상 유전체 부재(126)를 통해서 챔버(1) 내로 방사된다. 그리고, 마이크로파 방사 안테나(45) 표면에 형성되는 시스 중에 금속 표면파가 형성되고, 이 표면파에 의해 챔버(1) 내의 공간에 표면파 플라즈마를 생성한다.
본 실시 형태에서는, 마이크로파도 가스도 챔버(1)의 천장벽을 구성하는 마이크로파 방사 안테나(45)로부터 챔버(1) 내에 도입되므로, 가스의 흐름의 제어성을 양호하게 할 수 있고, 또한 마이크로파의 방사 방향과 가스의 흐름 방향이 겹쳐서, 가스를 효율적으로 플라즈마화할 수 있다.
이때, 마이크로파가 통과하는 슬롯(122)과 가스 확산 공간(123)이 돌출부(127)에서 분리되고, 가스 토출 구멍(125)도 슬롯(122)과 분리되어 있고, 또한 마이크로파 방사 안테나(45)는 도체(금속)로서 마이크로파는 투과하지 않는다. 이 때문에, 가스가 가스 확산 공간(123) 및 가스 토출 구멍(125)을 통과할 때에 가스는 플라즈마화하지 않고, 본질적으로, 가스가 플라즈마화하여 발생하는 파워 손실이나 이상 방전 등의 문제는 발생하지 않는다. 또한, 종래, 마이크로파 방사 안테나의 선단측에 설치되어 있던 유전체 부재(마이크로파 투과창)에 샤워 구조를 형성하려 하면, 이상 방전 등의 문제 외에, 가공이 어렵다는 문제점도 있지만, 본 실시 형태와 같이 금속제의 마이크로파 방사 안테나(45)에는 비교적 용이하게 가스 토출 구멍(125)을 형성할 수 있다.
또한, 안테나 본체(121)의 마이크로파 방사면측에, 각 마이크로파 방사부(43)의 슬롯 형성 영역을 포함하도록(덮도록) 환형상 유전체 부재(126)가 설치되어 있기 때문에 마이크로파가 균일하게 공급되어, 보다 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 즉, 슬롯(122)으로부터 직접 마이크로파가 방사되는 경우에는, 슬롯(122)에 대응하는 부분의 마이크로파가 강해지는 경향이 있어, 마이크로파가 반드시 균일하게 공급되지 않지만, 환형상 유전체 부재(126)를 설치함으로써, 슬롯(122)을 통과한 마이크로파는 환형상 유전체 부재(126)를 투과하여 챔버(1) 내로 방사되기 때문에, 마이크로파가 면 내 방향으로 고르게 되어 보다 균일하게 마이크로파를 공급할 수 있다. 이 때문에, 표면파 플라즈마를 균일하게 형성할 수 있어, 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
또한, 마이크로파 방사면의 환형상 유전체 부재(126)의 외측 영역 및 내측 영역의 양쪽에 가스 토출 구멍(125)이 형성되어 있으므로, 마이크로파 방사면에 있어서 환형상 유전체 부재(126)가 형성된 영역 이외에는 가스 토출 구멍(125)이 형성되게 되어, 처리 가스를 균일하게 챔버(1) 내에 공급할 수 있다. 이 때문에, 상기와 같이 마이크로파가 균일하게 공급되는 것과 아울러, 표면파 플라즈마를 보다 균일하게 형성할 수 있다.
도 9는, (a) 환형상 유전체 부재(126)를 설치하지 않고 안테나 본체(121)의 마이크로파 방사면까지 슬롯(122)을 설치한 경우와, (b) 환형상 유전체 부재(126)를 설치한 경우에 대해서, 마이크로파의 전계 분포를 비교해서 도시하는 도면이다. 이 도면으로부터 환형상 유전체 부재(126)를 설치함으로써, 마이크로파의 전계 분포가 균일해지는 것이 확인되었다.
또한, 환형상 유전체 부재(126)를 설치하지 않은 경우에는, 슬롯의 내부가 챔버 내와 동일한 진공 분위기로 되어, 플라즈마 안의 전자가 슬롯 내로 들어가게 되어 이상 방전을 발생할 우려가 있지만, 본 실시 형태에서는, 하부벽(121b)의 오목부(128)에 끼워 넣어진 환형상 유전체 부재(126)에 접하는 부분에 진공 시일로서의 시일 부재(128b)를 설치하여, 환형상 유전체 부재(126)가 슬롯(122)을 밀폐하는 구성으로 했으므로 이러한 문제는 발생하지 않는다. 즉, 시일 부재(128b)에 의해 환형상 유전체 부재(126)가 슬롯(122)을 진공 시일함으로써, 슬롯(122)의 내부는 진공 분위기의 챔버(1)와는 차단되어 대기 분위기로 되어, 플라즈마 안의 전자가 슬롯(122) 내로 들어가지 못하기 때문에, 슬롯(122) 내에서 이상 방전이 발생하는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
<다른 적용>
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 사상의 범위 내에 있어서 여러 변형이 가능하다. 예를 들어, 마이크로파 출력부(30)나 마이크로파 공급부(40)의 구성 등은, 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 안테나로부터 방사되는 마이크로파의 지향성 제어를 행하거나 원편파로 하거나 할 필요가 없는 경우에는, 위상기는 불필요하다. 또한, 마이크로파 방사부(43)에 있어서, 지파재(82)는 필수적이지 않다.
또한, 상기 실시 형태에서는 복수의 마이크로파 방사부를 설치한 예에 대해서 나타냈지만, 마이크로파 방사부는 1개여도 된다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 플라즈마 처리 장치로서 에칭 처리 장치를 예시했지만, 이에 한정하지 않고, 성막 처리, 산화 처리 및 질화 처리를 포함하는 산질화막 형성 처리, 애싱 처리 등의 다른 플라즈마 처리에도 사용할 수 있다. 또한, 피처리 기판은 반도체 웨이퍼 W에 한정되지 않고, LCD(액정 디스플레이)용 기판에 대표되는 FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판이나, 세라믹스 기판 등의 다른 기판이어도 된다.
1 : 챔버
2 : 마이크로파 플라즈마원
11 : 서셉터
12 : 지지 부재
15 : 배기관
16 : 배기 장치
17 : 반출입구
30 : 마이크로파 출력부
31 : 마이크로파 전원
32 : 마이크로파 발진기
40 : 마이크로파 공급부
41 : 안테나 모듈
42 : 증폭기부
43 : 마이크로파 방사부
44 : 도파로
45 : 마이크로파 방사 안테나
52 : 외측 도체
53 : 내측 도체
54 : 급전 기구
55 : 마이크로파 전력 도입 포트
60 : 튜너

Claims (8)

  1. 진공으로 유지된 챔버 내에 표면파 플라즈마를 형성하여 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 마이크로파 생성 기구에서 생성되고, 마이크로파 전송로를 따라 전송된 마이크로파를 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나로서,
    마이크로파 방사면을 갖고, 도전체로 이루어지는 안테나 본체와,
    상기 안테나 본체에 처리 가스를 도입하기 위한 처리 가스 도입구와,
    상기 안테나 본체 내에서, 상기 처리 가스를 확산시키기 위한 가스 확산 공간과,
    상기 안테나 본체에 설치되고, 상기 가스 확산 공간에서 확산된 처리 가스를 상기 챔버 내로 토출하기 위한 복수의 가스 토출 구멍과,
    상기 안테나 본체에 상기 가스 확산 공간 및 상기 가스 토출 구멍과는 분리된 상태에서, 상기 마이크로파 전송로에 대응해서 복수 형성되고, 상기 마이크로파 방사면측의 단부로부터 마이크로파를 방사하는 슬롯과,
    상기 안테나 본체의 상기 마이크로파 방사면측에, 상기 슬롯이 형성된 슬롯 형성 영역을 포함하도록 설치된 환형상 유전체 부재를 갖고,
    상기 슬롯 및 상기 환형상 유전체 부재를 통하여 방사된 마이크로파에 의해, 상기 마이크로파 방사면에 금속 표면파가 형성되고, 상기 금속 표면파에 의해 표면파 플라즈마가 생성되고,
    상기 환형상 유전체 부재와 상기 안테나 본체의 상기 슬롯 사이는 시일되고,
    상기 환형상 유전체 부재와 상기 안테나 본체의 상기 슬롯 사이의 시일은 진공 시일이며, 이 진공 시일에 의해 상기 챔버 내의 진공 분위기의 영역과, 상기 슬롯을 포함하는 대기 분위기의 영역이 구획되어 있고,
    상기 안테나 본체는 평판 형상을 이루고, 그 중앙부에 상기 마이크로파 전송로가 접속되고, 상부벽과 상기 마이크로파 방사면을 갖는 하부벽을 갖고, 상기 슬롯에 대응하는 부분에 상기 하부벽으로부터 상기 상부벽에 이르는 돌출부가 형성되어 상기 슬롯은 상기 돌출부 내에 형성되고, 상기 상부벽과 상기 하부벽과의 사이의 상기 돌출부 이외의 영역에 상기 가스 확산 공간이 형성되고,
    상기 복수의 가스 토출 구멍은, 상기 하부벽의 상기 가스 확산 공간에 대응한 영역에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 방사 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가스 토출 구멍은, 상기 안테나 본체의 상기 마이크로파 방사면에 있어서의, 상기 환형상 유전체 부재의 외측 영역 및 내측 영역의 양쪽에 형성되어 있는, 마이크로파 방사 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 환형상 유전체 부재는, 상기 안테나 본체의 상기 마이크로파 방사면에 형성된 오목부에 끼워 넣어져 있는, 마이크로파 방사 안테나.
  4. 플라즈마 처리 장치의 챔버 내에 마이크로파를 방사하여 표면파 플라즈마를 형성하는 마이크로파 플라즈마원으로서,
    마이크로파를 생성하여 출력하는 마이크로파 출력부와, 상기 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파를 전송하여 상기 챔버 내에 방사하기 위한 마이크로파 공급부를 구비하고,
    상기 마이크로파 공급부는, 제1항 또는 제2항의 마이크로파 방사 안테나를 구비하는, 마이크로파 플라즈마원.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마이크로파 공급부는, 상기 마이크로파 방사 안테나에 접속된, 각각 마이크로파 전송로를 갖는 복수의 마이크로파 방사부를 갖고, 상기 마이크로파 방사 안테나는, 상기 복수의 마이크로파 방사부에 대응해서 각각 복수의 슬롯을 갖는, 마이크로파 플라즈마원.
  6. 피처리 기판을 수용하는 챔버와,
    처리 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    제4항에 기재된 마이크로파 플라즈마원을 구비하고,
    상기 마이크로파 플라즈마원의 마이크로파 방사 안테나로부터 상기 챔버 내에 공급된 마이크로파에 의해 상기 마이크로파 방사 안테나의 표면에 금속 표면파가 형성되고, 상기 금속 표면파에 의해, 상기 가스 공급 기구로부터 공급된 가스에 의한 표면파 플라즈마를 생성하고, 상기 챔버 내의 피처리 기판에 대해서 플라즈마에 의해 처리를 실시하는, 플라즈마 처리 장치.
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