KR101974268B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전극의 위에 배치된 피가공물에 입사하는 이온의 에너지의 조정 가능한 범위가 넓은 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 일 실시 형태에 따른 용량 결합형 플라즈마 처리 장치는, 변압기 및 임피던스 조정 회로를 구비한다. 변압기는, 일차 코일, 제1 이차 코일 및 제2 이차 코일을 갖고 있다. 일차 코일은, 고주파 전원에 정합기를 통해서 접속되어 있다. 제1 이차 코일의 일단은, 제1 전극에 접속되어 있다. 제2 이차 코일의 일단은, 그 위에 피가공물이 배치되는 제2 전극에 접속되어 있다. 임피던스 조정 회로는, 제1 전극과 제1 이차 코일의 타단에 접속된 접지와의 사이의 직렬 회로, 및 제2 전극과 상기 제2 이차 코일의 타단에 접속된 접지와의 사이의 직렬 회로 중 적어도 한쪽에 설치되어 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명의 실시 형태는, 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스와 같은 전자 디바이스의 제조에 있어서는, 에칭, 성막과 같은 처리를 위해서, 플라즈마 처리 장치가 사용되고 있다. 플라즈마 처리 장치의 일종으로서는, 용량 결합형 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 용량 결합형 플라즈마 처리 장치는, 일반적으로, 챔버 본체, 상부 전극 및 하부 전극을 구비하고 있다. 상부 전극 및 하부 전극은, 챔버 본체에 의해 제공되는 챔버 내의 공간이 그들 사이에 개재하도록 배치된다. 이 플라즈마 처리 장치에서는, 챔버에 가스가 공급되어, 상부 전극과 하부 전극과의 사이에 고주파 전계가 형성된다. 이 고주파 전계에 의해 가스가 여기되어, 플라즈마가 생성된다. 이 플라즈마로부터의 이온 및/또는 라디칼에 의해, 피가공물의 처리가 행하여진다.
또한, 용량 결합형 플라즈마 처리 장치의 일종으로서, 단일한 고주파 전원으로부터의 고주파를 상부 전극과 하부 전극에 분배하도록 구성된 플라즈마 처리 장치가, 특허문헌 1에 기재되어 있다. 이 플라즈마 처리 장치는, 변압기를 구비하고 있다. 변압기는, 일차 코일 및 이차 코일을 갖고 있다. 일차 코일은, 고주파 전원에 접속되어 있다. 이차 코일의 일단은 상부 전극에 접속되어 있고, 타단은 하부 전극에 접속되어 있다. 이차 코일은, 접지에 선택적으로 접속되는 복수의 탭을 갖고 있다. 이 플라즈마 처리 장치에서는, 접지에 접속하는 탭을 변경함으로써, 상부 전극에 공급되는 고주파의 전력과 하부 전극에 공급되는 고주파의 전력의 비, 즉, 전력비가 조정된다. 이러한 전력비의 조정에 의해, 하부 전극의 위에 배치된 피가공물에 입사하는 이온의 에너지가 조정된다.
또한, 용량 결합형 플라즈마 처리 장치의 다른 일종으로서, 하부 전극과 접지와의 사이에 가변의 임피던스를 갖는 필터가 설치된 플라즈마 처리 장치가, 특허문헌 2에 기재되어 있다. 이 플라즈마 처리 장치에서는, 필터의 임피던스를 조정함으로써, 하부 전극에 유입하는 전류가 조정된다. 이러한 전류의 조정에 의해, 하부 전극의 위에 배치된 피가공물에 입사하는 이온의 에너지가 조정된다.
일본 특허 공개 평 4-48727호 공보 일본 특허 공개 제2002-343768호 공보
플라즈마 처리 장치에서는, 다양한 에너지의 이온에 의해 피가공물의 처리를 행하는 것이 요구되고 있다. 따라서, 용량 결합형 플라즈마 처리 장치에서는, 전극의 위에 배치된 피가공물에 입사하는 이온의 에너지의 조정 가능한 범위가 넓은 것이 요망되고 있다.
일 형태에서는, 용량 결합형 플라즈마 처리 장치가 제공된다. 플라즈마 처리 장치는, 챔버 본체, 제1 전극, 제2 전극, 고주파 전원, 정합기, 변압기, 및 적어도 하나의 임피던스 조정 회로를 구비한다. 챔버 본체는, 그 내부 공간을 챔버로서 제공한다. 제1 전극 및 제2 전극은, 챔버 내의 공간이 그들 사이에 개재하도록 설치되어 있다. 정합기는, 임피던스 정합을 위해서, 고주파 전원에 접속되어 있다. 변압기는, 일차 코일, 제1 이차 코일 및 제2 이차 코일을 갖고 있다. 일차 코일은, 고주파 전원에 정합기를 통해서 접속되어 있다. 제1 이차 코일의 일단은, 제1 전극에 접속되어 있다. 제2 이차 코일의 일단은 제2 전극에 접속되어 있다. 적어도 하나의 임피던스 조정 회로는, 가변의 임피던스를 갖는다. 적어도 하나의 임피던스 조정 회로는, 제1 전극과 제1 이차 코일의 타단에 접속된 접지와의 사이의 직렬 회로, 및 제2 전극과 상기 제2 이차 코일의 타단에 접속된 접지와의 사이의 직렬 회로 중 적어도 한쪽에 설치되어 있다.
변압기는, 부하가 변동하는 경우에도 안정적으로 전력을 공급하기 위해서, 일반적으로 큰 임피던스를 갖는다. 한편, 임피던스 조정 회로의 임피던스는 비교적 작다. 따라서, 이 기술 분야의 기술 상식에 의하면, 변압기와 임피던스 조정 회로를 함께 사용해도, 임피던스 조정 회로에 의한 임피던스의 조정 효과는 얻을 수 없는 것이라 생각된다. 그러나, 본원 발명자는, 변압기의 이차측의 출력으로부터 접지측을 본 변압기의 리액턴스는 매우 작고, 따라서, 변압기와 임피던스 조정 회로를 함께 사용해도, 임피던스 조정 회로의 기능이 발휘되는 것을 알아내었다. 일 형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 의하면, 변압기와 임피던스 조정 회로에 의해, 제2 전극의 전위를 정의 전위와 부의 전위와의 사이에서 크게 변화시키는 것이 가능하다. 따라서, 제2 전극의 위에 배치된 피가공물에 입사하는 이온의 에너지의 조정 가능한 범위가 넓은 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
일 실시 형태에서는, 일차 코일, 제1 이차 코일 및 제2 이차 코일은, 동축으로 설치되어 있다. 제1 이차 코일의 권취선은, 당해 제1 이차 코일과 일차 코일이 단면을 공유하도록, 일차 코일의 중심 축선의 둘레에서 감겨 있다. 제2 이차 코일의 권취선은, 당해 제2 이차 코일과 일차 코일이 단면을 공유하도록, 일차 코일의 중심 축선의 둘레에서 감겨 있다. 제1 이차 코일 및 제2 이차 코일은, 접지에 선택적으로 접속 가능한 복수의 탭을 갖는 단일한 코일로 형성된다.
일 실시 형태에서는, 변압기는, 그 중심 축선을 회전 축선으로 하여 회전 가능한 회전축을 더 갖는다. 일차 코일은, 중심 축선에 직교하는 제1 축선의 둘레에서 연장된다. 제1 이차 코일은, 제2 축선의 둘레에서 연장되고, 회전축에 의해 지지되어 있다. 제2 축선은 일차 코일에 의해 둘러싸인 영역 내에서 중심 축선에 직교하고 있다. 제2 이차 코일은, 제3 축선 둘레로 연장되어, 회전축에 의해 지지되어 있다. 제3 축선은, 일차 코일에 의해 둘러싸인 영역 내에서 회전축의 중심 축선에 직교하고, 또한 제2 축선과 소정의 각도를 이루고 있다.
일 실시 형태에서는, 일차 코일, 제1 이차 코일 및 제2 이차 코일은, 동축으로 설치되어 있다. 제1 이차 코일의 권취선은, 당해 제1 이차 코일과 일차 코일이 단면을 공유하도록, 일차 코일의 중심 축선의 둘레에서 감겨 있다. 제2 이차 코일의 권취선은, 당해 제2 이차 코일과 일차 코일이 단면을 공유하도록, 일차 코일의 중심 축선의 둘레에서 감겨 있다. 제1 이차 코일 및 제2 이차 코일은, 그 중간에서 접지된 단일한 코일로 형성되어 있다. 일 실시 형태에서는, 적어도 하나의 임피던스 조정 회로의 임피던스는, 제1 이차 코일 및 제2 이차 코일 중 당해 적어도 하나의 임피던스 조정 회로가 접속된 이차 코일, 당해 적어도 하나의 임피던스 조정 회로, 및 플라즈마측의 부하가 직렬 공진이 되도록 조정되어 있다.
일 실시 형태에서는, 적어도 하나의 임피던스 조정 회로는, 상기 직렬 회로 상에 설치된 가변 콘덴서를 갖는다. 일 실시 형태에서는, 적어도 하나의 임피던스 조정 회로는, 직렬 회로 상에 설치된 인덕터를 갖는다.
일 실시 형태에서는, 변압기의 임피던스에 대하여 플라즈마 및 적어도 하나의 임피던스 조정 회로의 임피던스가 작다.
일 실시 형태에서는, 적어도 하나의 임피던스 조정 회로는, 접지에 접속된 소자를 갖고 있지 않다.
이상 설명한 바와 같이, 전극의 위에 배치된 피가공물에 입사하는 이온의 에너지의 조정 가능한 범위가 넓은 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
도 1은 일 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시 형태에 따른 변압기를 도시하는 도면이다.
도 3은 실험에 사용한 플라즈마 처리 장치(10P)를 도시하는 도면이다.
도 4는 실험에 사용한 별도의 플라즈마 처리 장치(10R)를 도시하는 도면이다.
도 5의 (a)는, 플라즈마 처리 장치(10P)를 사용해서 구한, 분배 비율과 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 5의 (b)는, 플라즈마 처리 장치(10P)를 사용해서 구한, 분배 비율과 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6의 (a)는, 플라즈마 처리 장치(10R)를 사용해서 구한, 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 6의 (b)는, 플라즈마 처리 장치(10R)를 사용해서 구한, 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7의 (a)는, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 0％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 7의 (b)는, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 0％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8의 (a)는, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 20％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 8의 (b)는, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 20％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9의 (a)는, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 40％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 9의 (b)는, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 40％의 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10의 (a)는, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 80％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 10의 (b)는, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 80％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 다른 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 도시하는 도면이다.
도 12는 도 11에 도시하는 플라즈마 처리 장치의 변압기를 일부 파단해서 도시하는 사시도이다.
도 13은 도 12에 나타내는 변압기의 3개 코일을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 14는 또 다른 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치를 도시하는 도면이다.
도 15는 또 다른 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치를 도시하는 도면이다.
도 16은 또 다른 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치를 도시하는 도면이다.
도 17은 도 16에 나타내는 플라즈마 처리 장치의 변압기를 도시하는 도면이다.
도 18의 (a)는, 플라즈마 처리 장치(10E)를 사용해서 구한, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값과 챔버 본체(12), 상부 전극(14) 및 하부 전극(16) 각각의 전류와의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 18의 (b)는, 플라즈마 처리 장치(10E)를 사용해서 구한, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값과 상부 전극(14) 및 하부 전극(16) 각각의 직류 전위를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에서 동일하거나 또는 상당하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이기로 한다.
도 1은, 일 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 플라즈마 처리 장치(10A)는, 용량 결합형 플라즈마 처리 장치이다. 플라즈마 처리 장치(10A)는, 챔버 본체(12), 제1 전극인 상부 전극(14), 제2 전극인 하부 전극(16), 고주파 전원(18), 정합기(38), 임피던스 조정 회로(50), 및 변압기(100A)를 구비하고 있다.
챔버 본체(12)는, 그 내부 공간을 챔버(12c)로서 제공하고 있다. 챔버 본체(12)는, 알루미늄과 같은 금속으로 형성되어 있다. 챔버 본체(12)의 내벽면에는 내플라즈마성의 피복이 형성되어 있다. 내플라즈마성의 피복은, 알루마이트 막, 산화이트륨 막과 같은 세라믹스제의 막일 수 있다. 챔버 본체(12)는, 대략 통 형상의 측벽부, 측벽부의 하단에 연속하는 저부, 및 측벽부의 상단에 연속하는 상단부를 갖고 있다. 챔버 본체(12)는, 접지되어 있다.
챔버 본체(12) 내에는, 스테이지(20)가 설치되어 있다. 스테이지(20)는, 하부 전극(16)을 포함하고 있다. 또한, 일 실시 형태에서는, 스테이지(20)는, 정전 척(22)을 더 포함하고 있다. 이 스테이지(20)는, 챔버 본체(12)의 저부로부터 연장되는 절연성의 지지체(24)에 의해 지지되어 있다. 하부 전극(16)은, 대략 원반 형상을 갖고 있으며, 알루미늄과 같은 도체로 형성되어 있다. 정전 척(22)은, 하부 전극(16) 상에 설치되어 있다. 정전 척(22)은, 유전체막 및 당해 유전체막 내에 내장된 전극을 포함하고 있다. 정전 척(22)의 전극에는 스위치를 통해서 전원이 접속되어 있다. 이 전원으로부터 정전 척(22)의 전극에 전압이 인가됨으로써, 정전 척(22)은 정전력을 발생한다. 정전 척(22)은, 당해 정전력에 의해, 그 위에 적재된 피가공물(W)을 흡착하여, 당해 피가공물(W)을 유지한다.
상부 전극(14)과 하부 전극(16)은, 챔버(12c) 내의 공간이 그들 사이에 개재하도록 설치되어 있다. 일 실시 형태에서는, 챔버 본체(12)의 상단부는, 개구되어 있다. 상부 전극(14)은, 절연성의 부재(26)를 개재해서 챔버 본체(12)의 상단부에 지지되어 있다. 상부 전극(14)은, 부재(26)와 함께, 챔버 본체(12)의 상단부의 개구를 폐쇄하고 있다. 상부 전극(14)은, 천장판(28) 및 지지체(30)를 포함하고 있다. 천장판(28)은 챔버(12c)에 면하고 있다. 이 천장판(28)은, 실리콘, 알루미늄 또는 석영과 같은 재료로 구성될 수 있다. 또한, 천장판(28)이 알루미늄으로 형성되어 있는 경우에는, 그 표면에는 내플라즈마성의 피복이 실시된다. 천장판(28)에는, 복수의 가스 토출 구멍(28a)이 형성되어 있다.
지지체(30)는, 천장판(28)을 착탈 가능하게 지지하고 있다. 지지체(30)는, 예를 들어 알루미늄과 같은 도체로 형성되어 있다. 지지체(30)의 내부에는, 가스 확산 실(30a)이 형성되어 있다. 지지체(30)에는, 가스 확산 실(30a)과 복수의 가스 토출 구멍(28a)을 접속하는 복수의 구멍(30b)이 형성되어 있다. 또한, 가스 확산 실(30a)에는, 플라즈마 처리를 위한 가스를 공급하는 가스 공급부(32)가 접속되어 있다. 가스 공급부(32)는, 복수의 가스 소스, 매스 플로우 컨트롤러와 같은 복수의 유량 제어기, 및 복수의 밸브를 갖는다. 복수의 가스 소스 각각은, 복수의 유량 제어기 중 대응하는 유량 제어기, 및 복수의 밸브 중 대응하는 밸브를 통해서, 가스 확산 실(30a)에 접속되어 있다. 이 가스 공급부(32)는, 복수의 가스 소스 중 선택된 가스 소스로부터의 가스의 유량을 조정하여, 당해 가스를 가스 확산 실(30a)에 공급한다. 가스 확산 실(30a)에 공급된 가스는, 복수의 가스 토출 구멍(28a)으로부터 챔버(12c)에 공급된다.
챔버 본체(12)의 측벽부에는, 피가공물의 반송을 위한 개구가 형성되어 있다. 이 개구는, 게이트 밸브(34)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 또한, 챔버(12c)에는 배기 장치(36)가 접속되어 있다. 이 배기 장치(36)에 의해, 챔버(12c)의 압력이 감압된다.
고주파 전원(18)은, 변압기(100A)의 일차 코일(101A)에 공급되는 고주파를 발생한다. 고주파 전원(18)은, 정합기(38)를 통해서 변압기(100A)의 일차 코일(101A)에 접속되어 있다. 정합기(38)는, 고주파 전원(18)의 출력 임피던스와 부하측의 임피던스를 정합시키기 위한 정합 회로를 갖고 있다.
변압기(100A)는, 일차 코일(101A), 제1 이차 코일(102A) 및 제2 이차 코일(103A)을 갖고 있다. 일차 코일(101A)의 일단은 단자(101a)이며, 타단은 단자(101b)이다. 단자(101a)는, 정합기(38)를 통해서 고주파 전원(18)에 접속되어 있다. 단자(101b)는, 접지를 통해서 고주파 전원(18)에 접속되어 있다.
제1 이차 코일(102A) 및 제2 이차 코일(103A)은, 일차 코일(101A)에 전자 결합되어 있다. 제1 이차 코일(102A)의 일단은, 단자(102a)이다. 단자(102a)는, 상부 전극(14)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 제2 이차 코일(103A)의 일단은, 단자(103a)이다. 단자(103a)는, 하부 전극(16)에 전기적으로 접속되어 있다.
변압기(100A)에서는, 제1 이차 코일(102A) 및 제2 이차 코일(103A)은, 단일한 코일로 형성된다. 구체적으로, 변압기(100A)의 이차측은 단일한 코일을 갖고 있고, 당해 단일 코일은 복수의 탭(100t)을 갖고 있다. 복수의 탭(100t)은, 선택적으로 접지에 접속되도록 구성되어 있다. 변압기(100A)에서는, 접지에 접속하도록 선택된 탭에 대하여 당해 단일 코일의 일방측이 제1 이차 코일(102A)이 되고, 타방측의 부분이 제2 이차 코일(103A)이 된다.
플라즈마 처리 장치(10A)에서는, 단자(103a)와 하부 전극(16)과의 사이의 직렬 회로에 임피던스 조정 회로(50)가 설치되어 있다. 임피던스 조정 회로(50)는, 가변 콘덴서 및/또는 인덕터를 가질 수 있다. 플라즈마 처리 장치(10A)에서는, 임피던스 조정 회로(50)는, 가변 콘덴서(50a) 및 인덕터(50b)를 갖는다. 가변 콘덴서(50a) 및 인덕터(50b)는, 하부 전극(16)과 단자(103a)와의 사이에서 직렬 접속되어 있다. 또한, 임피던스 조정 회로(50)는, 접지에 접속된 소자를 갖고 있지 않다.
일 실시 형태에서는, 변압기(100A)는, 도 2에 도시하는 구성을 가질 수 있다. 도 2는, 일 실시 형태에 따른 변압기를 도시하는 도면이다. 도 2에 도시하는 실시 형태에서는, 일차 코일(101A)의 권취선은, 중심 축선(CX)의 둘레에서 나선 형상으로 감겨 있다. 또한, 변압기(100A)는, 이차 코일로서 단일 코일(104)을 갖고 있고, 당해 단일 코일(104)은 복수의 탭(100t)을 갖고 있다. 일차 코일(101A)과 단일 코일(104)은 단면을 공유하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 단일 코일(104)의 권취선은, 일차 코일(101A)의 권취선과, 중심 축선(CX)의 둘레에서, 교대로 또한 나선 형상으로 감겨 있다. 상술한 바와 같이, 복수의 탭(100t) 중 선택된 탭은 접지에 접속된다. 선택된 탭에 대하여 단일 코일(104)의 일방측의 부분은 제1 이차 코일(102A)이 되고, 타방측의 부분이 제2 이차 코일(103A)이 된다.
여기서, 변압기의 이차측의 출력 단자로부터 접지측을 본 회로의 리액턴스(X2)는, 다음 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다. 식 (1)에서, L1은 일차 코일의 인덕턴스, L2는 이차 코일의 인덕턴스, Rm은 정합기의 레지스턴스, Xm은 정합기의 리액턴스, ω는 고주파의 각 주파수, k는 일차 코일과 이차 코일의 결합 계수이다.
[수학식 1]
Figure 112017046093903-pat00001
Rm 및 Xm은, 플라즈마 부하의 리액턴스 및 레지스턴스와 각각 동일 정도의 값이며, 리액턴스(L1ω)와 비교해서 충분히 작은 것이다. 따라서, 식 (1)은 다음 식 (2)에 나타내는 바와 같이 변형된다.
[수학식 2]
Figure 112017046093903-pat00002
k는 1에 가까운 값이므로, 식 (2)로부터 이해되는 바와 같이, 리액턴스(X2)는 상당히 작다. 또한, 도 2에 도시한 실시 형태의 변압기(100A)에서는, k는 대략 1이므로, 리액턴스(X2)는 대략 0이 된다. 따라서, 변압기(100A)와 임피던스 조정 회로(50)를 함께 사용해도, 임피던스 조정 회로(50)의 기능이 발휘된다. 그러므로, 플라즈마 처리 장치(10A)에 의하면, 변압기(100A)와 임피던스 조정 회로(50)에 의해, 하부 전극(16)의 전위를 정의 전위와 부의 전위와의 사이에서 크게 변화시키는 것이 가능하다. 그 결과, 플라즈마 처리 장치(10A)에서는, 하부 전극(16)의 위에 배치된 피가공물(W)에 입사하는 이온의 에너지의 조정 가능한 범위가 넓어진다.
여기서, 몇 가지의 실험 결과에 대해서 설명한다. 먼저, 도 3에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(10A)로부터 임피던스 조정 회로(50)를 제거한 플라즈마 처리 장치(10P)를 준비하였다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(10A)로부터 변압기(100A)를 제거한 플라즈마 처리 장치(10R)를 준비하였다. 플라즈마 처리 장치(10P) 및 플라즈마 처리 장치(10R)의 양쪽에 있어서, 900sccm의 아르곤(Ar) 가스를 챔버(12c)에 공급하고, 챔버(12c)의 압력을 800mTorr(106.7Pa)로 설정하고, 고주파 전원(18)의 고주파의 주파수, 전력을 각각을 450kHz, 500W로 설정하였다. 플라즈마 처리 장치(10P)에서는, 다양한 분배 비율의 설정에 있어서, 분배 비율과 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계, 및 분배 비율과 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 구하였다. 또한, 분배 비율은, 변압기(100A)의 이차측의 총 전력에 대하여 제2 이차 코일(103A)에 분배되는 전력의 비율(설정값)이다. 실험에서는, 복수의 탭(100t) 중 접지에 접속하는 탭을 변경함으로써 분배 비율을 설정하였다. 또한, 플라즈마 처리 장치(10R)에서는, 하부 전극(16)의 다양한 리액턴스의 설정에 있어서, 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계, 및 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 구하였다. 또한, 임피던스 조정 회로(50)의 임피던스를 변경함으로써 하부 전극(16)의 리액턴스를 설정하였다.
도 5의 (a)에, 플라즈마 처리 장치(10P)를 사용해서 구한, 분배 비율과 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내고, 도 5의 (b)에, 플라즈마 처리 장치(10P)를 사용해서 구한, 분배 비율과 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타낸다. 또한, 도 6의 (a)에, 플라즈마 처리 장치(10R)를 사용해서 구한, 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내고, 도 6의 (b)에, 플라즈마 처리 장치(10R)를 사용해서 구한, 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타낸다.
도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(10P)에서는, 하부 전극(16)에 대한 전력의 분배 비율이 커지면, 하부 전극(16)에 유입하는 전류가 증대되었다. 하부 전극(16)에 유입하는 전류가 증대되면, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 하부 전극(16)의 전위가 부의 전위로 되었다. 또한, 하부 전극(16)의 전위가 부의 전위로 되어, 상부 전극(14)의 전위보다도 낮아지면, 하부 전극(16)을 향해서 이온이 가속되므로, 피가공물(W)에 입사하는 이온의 에너지가 높아진다.
또한, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(10R)에서는, 하부 전극(16)의 임피던스가 큰 경우에는, 상부 전극(14)으로부터 플라즈마에 유입된 전류의 대부분이 챔버 본체(12)로 흘렀다. 하부 전극(16)의 임피던스가 약 100Ω일 때, 플라즈마 시스의 임피던스가 상쇄되어, 하부 전극(16)에 흐르는 전류가 최대로 되었다. 도 6의 (a)와 도 6의 (b)를 모두 참조하면, 하부 전극(16)에 흐르는 전류가 증대되면, 하부 전극(16)의 전위는 낮아지고 있었다. 또한, 하부 전극(16)의 전위가 낮아지면, 하부 전극(16)을 향해서 이온이 가속되므로, 피가공물(W)에 입사하는 이온의 에너지가 높아진다.
도 5의 (b)와 도 6의 (b)를 대비하면, 플라즈마 처리 장치(10P)에서는, 하부 전극(16)의 전위를 비교적 낮은 전위의 범위에서 조정하는 것이 가능하였다. 한편, 플라즈마 처리 장치(10R)에서는, 하부 전극(16)의 전위를 비교적 높은 전위의 범위에서 조정하는 것이 가능하였다. 즉, 변압기(100A)에 의하면, 피가공물(W)에 입사하는 이온의 에너지를 비교적 높은 에너지의 범위에서 조정하는 것이 가능한 것으로 확인되었다. 한편, 임피던스 조정 회로(50)에 의하면, 피가공물(W)에 입사하는 이온의 에너지를 비교적 낮은 에너지의 범위에서 조정하는 것이 가능한 것으로 확인되었다.
또한, 플라즈마 처리 장치(10A)에 있어서, 900sccm의 아르곤(Ar) 가스를 챔버(12c)에 공급하고, 챔버(12c)의 압력을 800mTorr(106.7Pa)로 설정하고, 고주파 전원(18)의 고주파의 주파수, 전력을 각각을 450kHz, 500W로 설정하였다. 그리고, 다양한 분배 비율 및 다양한 하부 전극(16)의 리액턴스의 설정에 있어서, 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값, 및 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 구하였다.
도 7의 (a)에, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 0％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내고, 도 7의 (b)에, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 0％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타낸다. 도 8의 (a)에, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 20％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내고, 도 8의 (b)에, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 20％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타낸다. 도 9의 (a)에, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 40％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내고, 도 9의 (b)에, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 40％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타낸다. 도 10의 (a)에, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 80％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16), 챔버 본체(12) 각각의 전류값과의 관계를 나타내고, 도 10의 (b)에, 플라즈마 처리 장치(10A)를 사용해서 구한, 분배 비율이 80％인 경우의 하부 전극(16)의 리액턴스와 상부 전극(14), 하부 전극(16) 각각의 전위와의 관계를 나타낸다. 또한, 분배 비율이 0％인 경우에는, 플라즈마 처리 장치(10R)와 동등한 환경이므로, 도 6의 (a)와 도 7의 (a)는 동일하고, 도 6의 (b)와 도 7의 (b)는 동일하게 되어 있다.
도 7의 (a), 도 8의 (a), 도 9의 (a) 및 도 10의 (a)에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(10A)에서도, 분배 비율이 커짐에 따라서, 하부 전극(16)에 흐르는 전류가 증대되었다. 또한, 도 7의 (b), 도 8의 (b), 도 9의 (b) 및 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 분배 비율이 커짐에 따라서, 하부 전극(16)의 전위가 낮아지고 있었다. 또한, 분배 비율이 커짐에 따라서, 하부 전극(16)의 전위가 상부 전극(14)의 전위보다도 낮아지고 있었다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(10A)에 의하면, 변압기(100A)에 의한 전력의 분배에 의해, 비교적 높은 에너지의 범위에서 피가공물(W)에 입사하는 이온의 에너지를 조정하는 것이 가능한 것으로 확인되었다. 또한, 도 7의 (b) 및 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 하부 전극(16)의 임피던스 조정에 의해, 하부 전극(16)의 전위를 비교적 높은 전위의 범위에서 조정하는 것이 가능한 것으로 확인되었다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(10A)에 의하면, 임피던스 조정 회로(50)의 임피던스의 조정에 의해, 비교적 낮은 에너지의 범위에서 피가공물(W)에 입사하는 이온의 에너지를 조정하는 것이 가능한 것으로 확인되었다. 그러므로, 플라즈마 처리 장치(10A)에 의하면, 하부 전극(16)의 위에 배치된 피가공물(W)에 입사하는 이온의 에너지의 조정 가능한 범위가 넓어진다.
이어서, 도 11을 참조하여, 다른 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 대해서 설명한다. 도 11은, 다른 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 도시하는 도면이다. 이하, 도 11에 도시하는 플라즈마 처리 장치(10B)가 플라즈마 처리 장치(10A)와 상이한 점에 대해서 설명하고, 중복되는 설명을 생략한다.
플라즈마 처리 장치(10B)는, 변압기(100A)가 아니라, 변압기(100B)를 구비하고 있다. 또한, 플라즈마 처리 장치(10B)는, 추가의 임피던스 조정 회로(51)를 더 구비하고 있다. 임피던스 조정 회로(51)는, 가변 콘덴서 및/또는 인덕터를 가질 수 있다. 플라즈마 처리 장치(10B)에서는, 임피던스 조정 회로(51)는, 가변 콘덴서(51a) 및 인덕터(51b)를 갖는다. 가변 콘덴서(51a) 및 인덕터(51b)는, 상부 전극(14)과 변압기(100B)의 단자(102a)와의 사이에서 직렬 접속되어 있다. 또한, 임피던스 조정 회로(51)는, 접지에 접속된 소자를 갖고 있지 않다. 고주파 전원(18)은, 정합기(38)를 통해서 변압기(100B)의 단자(101a)에 접속되어 있다. 임피던스 조정 회로(50)는, 하부 전극(16)과 변압기(100B)의 단자(103a)와의 사이에서 접속되어 있다. 변압기(100B)의 단자(102b)와 단자(103b)는 접지에 접속되어 있다.
도 12는, 도 11에 도시하는 플라즈마 처리 장치(10B)의 변압기(100B)를 일부 파단해서 도시하는 사시도이다. 도 13은, 도 12에 나타내는 변압기(100B)의 3개의 코일을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 12 및 도 13에 나타내는 변압기(100B)는, 회전축(112), 일차 코일(101B), 제1 이차 코일(102B) 및 제2 이차 코일(103B)을 구비하고 있다. 제1 이차 코일(102B) 및 제2 이차 코일(103B)은, 이차측 코일 쌍(106)을 구성하고 있다. 일 실시 형태에서, 변압기(100B)는, 지지 부재(122, 124), 지주(126), 지지 부재(128, 130), 지지 부재(132, 134), 단자(101a, 101b), 단자(102a, 102b) 및 단자(103a, 103b)를 더 구비하고 있다.
회전축(112)은, 대략 원기둥 형상을 이루고 있다. 회전축(112)은, 그 중심 축선(RX) 둘레로, 즉, 중심 축선(RX)을 회전 축선으로 해서, 회전 가능하게 설치되어 있다. 일 실시 형태에서는, 회전축(112)은, 지지 부재(122)와 지지 부재(124)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 지지 부재(122) 및 지지 부재(124)는, 판상의 부재이며, 대략 사각형의 평면 형상을 갖는다. 지지 부재(122) 및 지지 부재(124)는, 절연체로 형성되어 있다. 지지 부재(122) 및 지지 부재(124)는, 중심 축선(RX)에 교차 또는 대략 직교하도록 설치되어 있고, 그들의 판 두께 방향이 중심 축선(RX)이 연장되는 방향(RD)에 대략 일치하도록, 방향(RD)을 따라 배열되어 있다. 지지 부재(122)의 코너부에는 지주(126)의 일단이 고정되어 있고, 지지 부재(124)의 코너부에는 지주(126)의 타단이 고정되어 있다. 회전축(112)의 일단부는, 지지 부재(122)를 관통하여, 지지 부재(122)로부터 돌출되어 있다. 이 회전축(112)의 일단부는, 구동 기구(예를 들어, 모터)에 접속되어 있다.
지지 부재(128) 및 지지 부재(130)는, 대략 원반 형상의 부재이며, 절연체로 형성되어 있다. 지지 부재(128) 및 지지 부재(130)는, 지지 부재(122)와 지지 부재(124)와의 사이에서 중심 축선(RX)에 교차 또는 대략 직교하도록 설치되어 있고, 그들의 판 두께 방향이 방향(RD)에 대략 일치하도록 방향(RD)을 따라 배열되어 있다. 또한, 지지 부재(132) 및 지지 부재(134)는, 대략 원반 형상의 부재이며, 절연체로 형성되어 있다. 지지 부재(132) 및 지지 부재(134)는, 지지 부재(128)와 지지 부재(130)와의 사이에서 중심 축선(RX)에 교차 또는 대략 직교하도록 설치되어 있고, 그들의 판 두께 방향이 방향(RD)에 대략 일치하도록 방향(RD)을 따라 배열되어 있다. 회전축(112)은, 지지 부재(128, 130, 132, 134) 각각의 중심을 관통하고 있다. 지지 부재(128, 130, 132, 134)는, 회전축(112)에 고정되어 있다.
일차 코일(101B)은, 중심 축선(RX)에 직교하는 제1 축선(AX1) 둘레에 연장되어 있다. 일 실시 형태에서는, 제1 축선(AX1)은, 지지 부재(122)와 지지 부재(124)와의 중간에서 중심 축선(RX)에 직교하고 있다. 일차 코일(101B)은, 지지 부재(122)의 외측과 지지 부재(124)의 외측을 교대로 지나도록, 제1 축선(AX1) 중심에 감겨 있다.
일차 코일(101B)의 일단은, 단자(101a)에 접속되어 있다. 일 실시 형태에서는, 단자(101a)는, 지지 부재(122)의 일면(122a)(변압기(100B)의 외측을 향한 면)에 설치되어 있다. 또한, 일차 코일(101B)의 타단은, 단자(101b)에 접속되어 있다. 일 실시 형태에서는, 단자(101b)는, 지지 부재(124)의 일면(124a)(변압기(100B)의 외측을 향한 면)에 설치되어 있다.
제1 이차 코일(102B)은, 제2 축선(AX2) 둘레에 연장되어 있다. 제2 축선(AX2)은, 일차 코일(101B)에 의해 둘러싸인 영역 내에서 중심 축선(RX)에 직교하고 있다. 일 실시 형태에서는, 제2 축선(AX2)은, 지지 부재(128)와 지지 부재(130)와의 중간에서 중심 축선(RX)에 직교하고 있다. 제1 이차 코일(102B)은, 지지 부재(128)의 외측과 지지 부재(130)의 외측을 교대로 지나도록, 제2 축선(AX2) 중심에 감겨 있다. 제1 이차 코일(102B)은, 지지 부재(128) 및 지지 부재(130)를 개재해서 회전축(112)에 의해 지지되어 있다.
제1 이차 코일(102B)의 일단은, 단자(102a)에 접속되어 있다. 또한, 제1 이차 코일(102B)의 타단은, 단자(102b)에 접속되어 있다. 일 실시 형태에서는, 단자(102a) 및 단자(102b)는, 지지 부재(122)의 일면(122a)에 설치되어 있다. 회전축(112)은, 동축 형상으로 설치된 제1 도체와 제2 도체를 포함하고 있고, 제1 이차 코일(102B)의 일단은 제1 도체에 접속되어 있고, 제1 이차 코일(102B)의 타단은 제2 도체에 접속되어 있다. 제1 도체는, 로터리 커넥터(140) 내의 슬립 링을 통해서 단자(102a)에 접속되어 있다. 또한, 제2 도체는, 로터리 커넥터(140) 내의 다른 슬립 링을 통해서 단자(102b)에 접속되어 있다.
제2 이차 코일(103B)은, 제3 축선(AX3) 둘레에 연장되어 있다. 제3 축선(AX3)은, 일차 코일(101B)에 의해 둘러싸인 영역 내에서 중심 축선(RX)에 직교하고 있다. 또한, 제3 축선(AX3)은, 제2 축선(AX2)에 교차하고 있다. 제3 축선(AX3)과 제2 축선(AX2)은, 서로의 사이에 소정의 각도(θp)를 이루고 있다. 각도(θp)는, 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 90도이다. 일 실시 형태에서는, 제3 축선(AX3)은, 지지 부재(132)와 지지 부재(134)와의 중간에서 중심 축선(RX)에 직교하고 있다. 제2 이차 코일(103B)은, 지지 부재(132)의 외측과 지지 부재(134)의 외측을 교대로 지나도록, 제3 축선(AX3) 중심에 감겨 있다. 제2 이차 코일(103B)은, 지지 부재(132) 및 지지 부재(134)를 개재해서 회전축(112)에 의해 지지되어 있다. 이 제2 이차 코일(103B)과 제1 이차 코일(102B)과의 사이에는, 절연 거리가 확보되어 있다.
제2 이차 코일(103B)의 일단은, 단자(103a)에 접속되어 있다. 또한, 제2 이차 코일(103B)의 타단은, 단자(103b)에 접속되어 있다. 일 실시 형태에서는, 단자(103a) 및 단자(103b)는, 지지 부재(124)의 일면(124a)에 설치되어 있다. 회전축(112)은, 동축 형상으로 설치된 제3 도체와 제4 도체를 포함하고 있고, 제2 이차 코일(103B)의 일단은 제3 도체에 접속되어 있고, 제2 이차 코일(103B)의 타단은 제4 도체에 접속되어 있다. 제3 도체는, 지지 부재(124)의 근방에 설치된 별도의 로터리 커넥터의 슬립 링을 통해서 단자(103a)에 접속되어 있다. 또한, 제4 도체는, 당해 별도의 로터리 커넥터 내의 다른 슬립 링을 통해서 단자(103b)에 접속되어 있다.
변압기(100B)에서는, 일차 코일(101B)에 고주파 전원(18)으로부터의 고주파가 공급되면, 일차 코일(101B)이 제1 축선(AX1)이 연장되는 방향에 대략 평행한 방향으로 자속이 발생한다. 또한, 이차측 코일 쌍(106)의 회전 각도를 조정함으로써, 제1 이차 코일(102B)을 관통하는 자속의 양, 및 제2 이차 코일(103B)을 관통하는 자속의 양이 변화한다. 제1 이차 코일(102B)에는, 그것을 관통하는 자속의 양에 따른 유도 기전력이 발생한다. 또한, 제2 이차 코일(103B)에는, 그것을 관통하는 자속의 양에 따른 유도 기전력이 발생한다. 따라서, 변압기(100B)에 의하면, 제1 이차 코일(102B)에 분배되는 고주파의 전력과 제2 이차 코일(103B)에 분배되는 고주파의 전력의 비가 조정될 수 있다. 이러한 변압기(100B)를 갖는 플라즈마 처리 장치(10B)에 의하면, 플라즈마 처리 장치(10A)와 마찬가지로, 하부 전극(16)의 위에 배치된 피가공물(W)에 입사하는 이온의 에너지의 조정 가능한 범위가 넓어진다.
이어서, 도 14를 참조하여, 또 다른 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 대해서 설명한다. 도 14는, 또 다른 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치를 도시하는 도면이다. 이하, 도 14에 도시하는 플라즈마 처리 장치(10C)가 플라즈마 처리 장치(10A)와 상이한 점에 대해서 설명하고, 중복되는 설명을 생략한다.
플라즈마 처리 장치(10C)에서는, 임피던스 조정 회로(50)가, 복수의 탭(100t)과 접지와의 사이에서 접속되어 있다. 이와 같이, 임피던스 조정 회로(50)는, 하부 전극(16)과 변압기(100A)의 이차측의 코일이 접속되는 접지와의 사이의 직렬 회로에 설치될 수 있다.
이어서, 도 15를 참조하여, 또 다른 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 대해서 설명한다. 도 15는, 또 다른 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치를 도시하는 도면이다. 이하, 도 15에 도시하는 플라즈마 처리 장치(10D)가 플라즈마 처리 장치(10B)와 상이한 점에 대해서 설명하고, 중복되는 설명을 생략한다.
플라즈마 처리 장치(10D)에서는, 임피던스 조정 회로(50)가 단자(103b)와 접지와의 사이에서 접속되어 있다. 또한, 임피던스 조정 회로(51)가 단자(102b)와 다른 접지와의 사이에서 접속되어 있다. 이와 같이, 제1 이차 코일(102B)과 제2 이차 코일(103B)이 별개의 접지에 접속되어 있는 경우에는, 제1 이차 코일(102B)과 접지와의 사이, 및 제2 이차 코일(103B)과 접지와의 사이에, 개별로 임피던스 조정 회로가 설치되어도 된다.
이어서, 도 16 및 도 17을 참조하여, 또 다른 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 대해서 설명한다. 도 16은, 또 다른 실시 형태에 관한 플라즈마 처리 장치를 도시하는 도면이다. 도 17은, 도 16에 나타내는 플라즈마 처리 장치의 변압기를 도시하는 도면이다. 이하, 도 16에 나타내는 플라즈마 처리 장치(10E)가 플라즈마 처리 장치(10A)와 상이한 점에 대해서 설명하고, 중복되는 설명을 생략한다.
플라즈마 처리 장치(10E)는, 변압기(100A)가 아니라, 변압기(100E)를 구비하고 있다. 변압기(100E)는, 일차 코일(101E), 제1 이차 코일(102E) 및 제2 이차 코일(103E)을 구비하고 있다. 일차 코일(101E)은, 일차 코일(101A)과 마찬가지의 코일이다. 일차 코일(101E)의 일단은 단자(101a)이며, 정합기(38)를 통해서 고주파 전원(18)에 접속되어 있다. 일차 코일(101E)의 타단은 단자(101b)이며, 고주파 전원(18)에 접속되어 있고, 접지되어 있다.
제1 이차 코일(102E) 및 제2 이차 코일(103E)은, 제1 이차 코일(102A) 및 제2 이차 코일(103A)과 마찬가지로, 단일 코일로 형성되어 있다. 이 단일 코일의 중간 노드(101n)는 단자(101e)에 접속되어 있다. 단자(101e)는 접지에 접속되어 있다. 노드(101n)에 대하여 단일 코일의 일방측 부분은 제1 이차 코일(102E)이며, 노드(101n)에 대하여 단일 코일의 타방측 부분은 제2 이차 코일(103E)이다. 제1 이차 코일(102E)의 일단은 단자(102a)이며, 임피던스 조정 회로(50)를 통해서 상부 전극(14)에 접속되어 있다. 또한, 제2 이차 코일(103E)의 일단은 단자(103a)이며, 콘덴서(60)를 통해서 하부 전극(16)에 접속되어 있다. 이 변압기(100E)에서는, 단일 코일의 권취선에 있어서 접지되는 개소가 고정되어 있다. 따라서, 제1 이차 코일(102E)의 권취수와 제2 이차 코일(103E)의 권취수의 비는 일정하다.
여기서, 일차 코일에 고주파 전원이 접속되고, 이차 코일에 복소 임피던스(Z2)의 부하가 접속되어 있는 경우에는, 일차 코일의 전류값과 이차 코일의 전류값과의 비는, 이하의 식 (3)으로 표현된다. 식 (3)에서, L1은 일차 코일의 자기 인덕턴스, L2는 이차 코일의 자기 인덕턴스, k는 일차 코일과 이차 코일의 사이의 결합 계수, ω는 고주파의 각 주파수이다. 또한, 복소 임피던스(Z2)는, 플라즈마의 임피던스와 이차 코일과 플라즈마와의 사이의 급전 회로의 임피던스이다.
[수학식 3]
Figure 112017046093903-pat00003
식 (3)의 분모가 작아지도록, 즉, 이차측에서 직렬 공진이 발생하도록 복소 임피던스(Z2)를 조정하면, 이차측으로 흘러드는 전류의 값이 커진다. 한편, 식 (3)의 분모가 커지도록 복소 임피던스(Z2)를 조정하면, 이차측으로 흘러드는 전류의 값이 작아진다. 변압기(100E)에서는, 2개의 이차 코일 중 한쪽의 이차 코일에 흐르는 전류가 커지고, 한쪽의 이차 코일에 분배되는 고주파의 전력이 증대되면, 다른 쪽의 이차 코일에 분배되는 고주파의 전력은 작아진다. 따라서, 2개의 이차 코일을 구성하는 단일 코일의 접지 개소가 고정되어 있어도, 임피던스 조정 회로(50)에 의한 임피던스의 조정에 의해, 상부 전극(14)에 공급되는 고주파의 전력과 하부 전극(16)에 공급되는 고주파의 전력을 조정하는 것이 가능하다. 그러므로, 플라즈마 처리 장치(10E)에 의하면, 하부 전극(16)에 입사하는 이온의 에너지를 조정하는 것이 가능하다.
이하, 플라즈마 처리 장치(10E)의 평가를 위해서 행한 실험의 결과에 대해 설명한다. 이 실험에 사용한 변압기(100E)의 일차 코일(101E)은, 직경이 42mm, 권취수가 27인 코일이었다. 또한, 제1 이차 코일(102E) 및 제2 이차 코일(103E)을 구성하는 단일 코일도, 직경 42mm, 권취수 27의 코일이었다. 이 단일 코일은 13턴째를 접지에 접속하였다. 그리고, 600sccm의 아르곤(Ar) 가스를 챔버(12c)에 공급하고, 챔버(12c)의 압력을 800mTorr(106.7Pa)로 설정하고, 고주파 전원(18)의 고주파의 주파수, 전력을 각각 13.56MHz, 200W로 설정하였다. 또한, 임피던스 조정 회로(50)의 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값을 변경하여, 임피던스 조정 회로(50)의 임피던스를 다양한 임피던스로 설정하면서, 챔버 본체(12), 상부 전극(14) 및 하부 전극(16) 각각의 전류, 상부 전극(14) 및 하부 전극(16) 각각의 고주파 전압, 및 상부 전극(14) 및 하부 전극(16) 각각의 직류 전위를 측정하였다.
도 18의 (a)에, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값과 챔버 본체(12), 상부 전극(14) 및 하부 전극(16) 각각의 전류와의 관계를 나타내고, 도 18의 (b)에, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값과 상부 전극(14) 및 하부 전극(16) 각각의 직류 전위와의 관계를 나타낸다.
실험에 사용한 임피던스 조정 회로(50)에서는, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값이 8 근방일 때, 제1 이차 코일(102E)의 임피던스, 임피던스 조정 회로(50)의 임피던스, 및 상부 전극(14)의 플라즈마 부하의 임피던스가 직렬 공진 상태로 되었다. 즉, 식 (3)에 나타낸 분모가 제로인 상태가 되었다. 이 직렬 공진 상태에서는, 상부 전극(14)에만 전류가 흐르고 있고, 하부 전극(16)에는 전류가 거의 흐르고 있지 않았다. 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값이 8보다 작은 상태에서는, 식 (3)의 분모는 양으로 되고, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값이 8보다 큰 상태에서는, 식 (3)의 분모는 음으로 된다. 따라서, 상부 전극(14)으로부터 하부 전극(16)으로 흐르는 전류의 방향을 동위상의 방향으로 하면, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값이 8보다 작은 상태에서는 역위상의 전류가 흐르고, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값이 8보다 큰 상태에서는 동위상의 전류가 흐르고 있었다. 이와 같이, 임피던스 조정 회로(50)에 의해, 상부 전극(14)과 하부 전극(16)에 공급되는 전력비를 조정하는 것이 가능하다고 할 수 있다.
도 18의 (a)에 도시한 바와 같이, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값을 8보다도 더 큰 값으로 설정한 결과, 상부 전극(14)의 전류값이 감소하고, 하부 전극(16)의 전류값이 증대되었다. 또한, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값이 8보다도 큰 어떤 값일 때, 상부 전극(14)의 전류값과 하부 전극(16)의 전류값이 대략 동일해지고, 챔버 본체(12)에 흐르는 전류가 최소로 되었다. 따라서, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값이 이러한 값으로 설정되었을 때는, 플라즈마가 상부 전극(14)과 하부 전극(16)과의 사이에 갇혀 있게 된다. 그러므로, 가변 콘덴서(50a)의 조정에 의해, 플라즈마를 안정되게 생성하는 것이 가능한 것으로 확인되었다.
또한, 도 18의 (b)에 도시한 바와 같이, 가변 콘덴서(50a)의 다이알 값에 따라, 하부 전극(16)의 직류 전위는, 음의 전위로부터 양의 전위까지 크게 변화하였다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(10E)에서는, 하부 전극(16)의 위에 배치된 피가공물에 입사하는 이온의 에너지의 조정 가능한 범위가 넓은 것으로 확인되었다.
이상, 다양한 실시 형태에 대해서 설명해 왔지만, 상술한 실시 형태에 한정되지 않고 다양한 변형 형태를 구성할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 조정 회로가 배치되는 개소는, 상술한 실시 형태에서 당해 임피던스 조정 회로가 배치된 개소에 한정되는 것은 아니다. 임피던스 조정 회로는, 상부 전극(14)과 제1 이차 코일의 타단에 접속된 접지와의 사이의 직렬 회로, 및 하부 전극(16)과 제2 이차 코일의 타단에 접속된 접지와의 사이의 직렬 회로 중 한쪽 또는 양쪽에 있어서 적소에 설치하는 것이 가능하다.
10A, 10B, 10C, 10D, 10E : 플라즈마 처리 장치
12 : 챔버 본체 12c : 챔버
14 : 상부 전극 16 : 하부 전극
18 : 고주파 전원 20 : 스테이지
32 : 가스 공급부 36 : 배기 장치
38 : 정합기 50, 51 : 임피던스 조정 회로
100A, 100B, 100E : 변압기 101A, 101B, 101E : 일차 코일
102A, 102B, 102E : 제1 이차 코일 103A, 103B, 103E : 제2 이차 코일

Claims (9)

  1. 용량 결합형 플라즈마 처리 장치이며,
    챔버를 제공하는 챔버 본체와,
    상기 챔버 내의 공간이 그들 사이에 개재하도록 설치된 제1 전극 및 제2의 전극과,
    고주파 전원과,
    상기 고주파 전원에 접속된 임피던스 정합용 정합기와,
    상기 고주파 전원에 상기 정합기를 통해서 접속된 일차 코일, 및 제1 이차 코일 및 제2 이차 코일을 포함하는 변압기이며, 상기 제1 이차 코일의 일단은 상기 제1 전극에 접속되어 있고, 상기 제2 이차 코일의 일단은 상기 제2 전극에 접속된, 상기 변압기와,
    가변의 임피던스를 갖고, 상기 제1 전극과 상기 제1 이차 코일의 타단에 접속된 접지와의 사이의 제1 직렬 회로, 및 상기 제2 전극과 상기 제2 이차 코일의 타단에 접속된 접지와의 사이의 제2 직렬 회로 중 적어도 한쪽에 설치된 적어도 하나의 임피던스 조정 회로를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 임피던스 조정 회로는, 접지에 접속된 소자를 포함하고 있지 않은, 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일차 코일, 상기 제1 이차 코일, 및 상기 제2 이차 코일은, 동축으로 설치되어 있고,
    상기 제1 이차 코일의 권취선은, 상기 제1 이차 코일과 상기 일차 코일이 단면을 공유하도록, 상기 일차 코일의 중심 축선의 둘레에서 감겨 있고,
    상기 제2 이차 코일의 권취선은, 상기 제2 이차 코일과 상기 일차 코일이 단면을 공유하도록, 상기 중심 축선의 둘레에서 감겨 있고,
    상기 제1 이차 코일 및 상기 제2 이차 코일은, 접지에 선택적으로 접속 가능한 복수의 탭을 포함하는 단일 코일로 형성되는, 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변압기는, 그 중심 축선을 회전 축선으로 해서 회전 가능한 회전축을 더 포함하고,
    상기 일차 코일은, 상기 중심 축선에 직교하는 제1 축선의 둘레에서 연장되고,
    상기 제1 이차 코일은, 제2 축선의 둘레에서 연장되고, 상기 회전축에 의해 지지되어 있고, 상기 제2 축선은 상기 일차 코일에 의해 둘러싸인 영역 내에서 상기 중심 축선에 직교하고 있고,
    상기 제2 이차 코일은, 제3 축선 둘레에 연장되고, 상기 회전축에 의해 지지되어 있고, 상기 제3 축선은, 상기 영역 내에서 상기 중심 축선에 직교하고 또한 상기 제2 축선과 소정의 각도를 이루고 있는, 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 일차 코일, 상기 제1 이차 코일, 및 상기 제2 이차 코일은, 동축으로 설치되어 있고,
    상기 제1 이차 코일의 권취선은, 상기 제1 이차 코일과 상기 일차 코일이 단면을 공유하도록, 상기 일차 코일의 중심 축선의 둘레에서 감겨 있고,
    상기 제2 이차 코일의 권취선은, 상기 제2 이차 코일과 상기 일차 코일이 단면을 공유하도록, 상기 중심 축선의 둘레에서 감겨 있고,
    상기 제1 이차 코일 및 상기 제2 이차 코일은, 그 중간에서 접지된 단일 코일로 형성되어 있는, 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 임피던스 조정 회로는, 상기 제1 직렬 회로 및 상기 제2 직렬 회로 중 적어도 하나 상에 설치된 가변 콘덴서를 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 임피던스 조정 회로는, 상기 제1 직렬 회로 및 상기 제2 직렬 회로 중 적어도 하나 상에 설치된 인덕터를 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변압기의 임피던스에 대하여, 플라즈마 및 상기 적어도 하나의 임피던스 조정 회로의 임피던스가 작은, 플라즈마 처리 장치.
  8. 삭제
  9. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 임피던스 조정 회로의 임피던스는, 상기 제1 이차 코일 및 상기 제2 이차 코일 중 상기 적어도 하나의 임피던스 조정 회로가 접속된 이차 코일, 상기 적어도 하나의 임피던스 조정 회로, 및 플라즈마측의 부하가 직렬 공진이 되도록 조정되어 있는, 플라즈마 처리 장치.
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