KR102177576B1 - 플라즈마 처리 장치 및 필터 유닛 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 필터 유닛 Download PDF

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KR102177576B1
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나오히코 오쿠니시
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

처리 용기 내의 고주파 전극 이외의 전기적 부재로부터 급전 라인 또는 신호선 등의 선로 상으로 들어오는 유해한 복수의 주파수의 고주파 노이즈에 대하여, 효율적이며 또한 안정적으로 확실하게 충분히 높은 임피던스를 부여하여, 플라즈마 프로세스의 재현성·신뢰성을 향상시킨다. 필터 유닛(54(IN))은, 접지된 원통 형상의 도체로 이루어지는 하우징(82) 내에, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1), 제 1 콘덴서(AC1, BC1), 트로이덜 코일(AL2, BL2) 및 제 2 콘덴서(AC2, BC2)를 위에서부터 아래로 이 순서로 배치하고 있다. 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 주위에는, 그들 외주면에 인접하여, 코일축 방향과 평행하게 연장되는 봉 형상의 빗살 부재(86)가 둘레 방향으로 일정한 간격을 두고 복수 개 마련되어 있다. 각각의 빗살 부재(86)의 내측면에는, 양 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 사이에 삽입되는 빗살(M)이 형성되어 있다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 필터 유닛{PLASMA TREATMENT DEVICE AND FILTER UNIT}
본 발명은, 고주파를 이용하여 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히 처리 용기 내의 고주파 전극 이외의 전기적 부재로부터 급전 라인 또는 신호선 등의 선로 상으로 들어오는 고주파 노이즈를 차단하기 위한 필터를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마를 이용하는 반도체 디바이스 혹은 FPD(Flat Panel Display)의 제조를 위한 미세 가공에 있어서는, 피처리 기판(반도체 웨이퍼, 글라스 기판 등) 상의 플라즈마 밀도 분포의 제어와 함께, 기판의 온도 내지 온도 분포의 제어가 매우 중요하다. 기판의 온도 제어가 적정하게 행해지지 않으면, 기판 표면 반응 나아가서는 프로세스 특성의 균일성을 확보할 수 없게 되어, 반도체 디바이스 혹은 표시 디바이스의 제조 수율이 저하된다.
일반적으로, 플라즈마 처리 장치, 특히 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치의 챔버 내에서 피처리 기판을 재치(載置)하는 재치대 또는 서셉터는, 플라즈마 공간에 고주파를 인가하는 고주파 전극의 기능과, 기판을 정전 흡착 등으로 보지하는 보지부의 기능과, 기판을 전열(傳達)로 소정 온도로 제어하는 온도 제어부의 기능을 가지고 있다. 온도 제어 기능에 관해서는, 플라즈마 또는 챔버 벽으로부터의 복사열의 불균일성에 따른 기판으로의 입열 특성의 분포 또는 기판 지지 구조에 따른 열 분포를 적절하게 보정할 수 있는 것이 요망되고 있다.
종래부터, 서셉터의 온도 나아가서는 기판의 온도를 제어하기 위하여, 서셉터에 통전에 의해 발열하는 발열체를 내장하여 이 발열체가 발생시키는 줄 열을 제어하는 히터 방식이 많이 이용되고 있다. 그러나, 히터 방식이 채용되면, 고주파 전원으로부터 서셉터에 인가된 고주파의 일부가 노이즈로서 발열체로부터 히터 급전 라인으로 유입되기 쉽다. 고주파 노이즈가 히터 급전 라인을 통과하여 히터 전원에 도달하면, 히터 전원의 동작 내지 성능이 저해될 우려가 있다. 또한, 히터 급전 라인상에서 고주파의 전류가 흐르면, 고주파의 파워가 소모된다. 이러한 실정에 의해, 서셉터 내장의 발열체로부터 들어오는 고주파의 노이즈를 감쇠시키거나 또는 저지하기 위한 필터를 히터 급전 라인 상에 마련하는 것이 통례가 되고 있다. 통상, 이런 종류의 필터는 서셉터의 바로 아래에서 처리 용기의 외부에 배치된다.
본 출원인은, 특허 문헌 1에서, 플라즈마 처리 장치에 있어서 처리 용기 내의 고주파 전극 이외의 전기적 부재로부터 급전 라인 또는 신호선 등의 선로 상으로 들어오는 고주파의 노이즈를 차단하는 필터의 성능을 개선하는 기술을 개시하고 있다. 이 필터 기술은, 분포 정수 선로의 규칙적인 다중 병렬 공진 특성을 이용함으로써, 필터에 포함되는 코일을 1 개의 공심 코일로 해결하고 있다.
일본특허공개공보 2011-135052호
용량 결합형의 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 프로세스에 있어서의 고주파의 기능 및 그 제어성을 높이기 위하여, 처리 용기 내의 전극에 주파수가 상이한 복수의 고주파를 인가하는 경우가 많다. 예를 들면, 하부 2 주파 인가 방식은, 피처리 기판을 재치하는 서셉터(하부 전극)에, 플라즈마의 생성에 적합한 비교적 높은 기본 주파수(통상 27 MHz 이상)를 가지는 제 1 고주파(HF)와, 플라즈마로부터 피처리 기판으로 입사되는 이온의 에너지를 제어하는데 적합한 비교적 낮은 기본 주파수(통상 13 MHz 이하)를 가지는 제 2 고주파(LF)를 중첩하여 인가한다. 이 경우, 기판의 온도 제어를 위하여 서셉터에 내장되는 발열체를 거쳐 히터 급전 라인 상으로 제 1 및 제 2 고주파(HF, LF)의 노이즈가 동시에 들어온다. 히터 급전 라인 상에 마련되는 필터는, 그들 2 주파의 고주파 노이즈를 동시에 차단해야 한다.
상기와 같은 특허 문헌 1의 필터에 있어서는, 차단 대상의 주파수 중에서 가장 낮은 제 2 고주파(LF)의 기본 주파수에 의해 공심 코일에 요구되는 인덕턴스 즉 코일의 사이즈(특히 축방향의 코일 길이)가 좌우되고, 제 2 고주파(LF)의 기본 주파수가 낮을수록 코일 길이를 크게 해야 한다. 예를 들면, 제 2 고주파(LF)의 기본 주파수가 3.2 MHz인 경우는 코일 길이가 200 mm 이상 필요하고, 제 2 고주파(LF)의 기본 주파수가 400 kHz인 경우는 코일 길이가 750 mm 이상 필요해진다. 그러나, 공심 코일의 사이즈가 커질수록, 코일 도선의 저항이 높아져, 히터 전원으로부터의 전류가 흐를 때에 발생하는 줄 열이 증가하여, 필터 내의 전력 손실이 증대한다. 또한, 공심 코일의 사이즈 즉 필터의 사이즈가 커지면, 서셉터 내지 챔버의 아래에 마련되는 각종 용력(用力) 공급계의 레이아웃 설계가 어려워진다.
또한, 상기 특허 문헌 1의 필터에 있어서는, 공심 코일과 그것을 둘러싸는 통 형상의 외부 도체로 형성되는 분포 정수 선로의 병렬 다중 공진에 의해, 필터의 주파수-임피던스 특성에 다수의 병렬 공진 주파수가 대략 일정한 주파수 간격으로 나타난다. 그러나, 병렬 공진 주파수가 규칙적인 주파수 간격으로 얻어지기 때문에, 프로세스의 종류 또는 사양 등 다양한 관점으로부터 임의로 선정되는 양 고주파(HF, LF)의 주파수에 병렬 다중 공진을 동시에 매칭시키는 것이 어렵다고 하는 문제도 있다.
특히, 상기 특허 문헌 1의 필터에 있어서 병렬 다중 공진 중에서 가장 낮은 병렬 공진 주파수를 3.2 MHz 또는 400 kHz와 같은 낮은 값으로 설정된 제 2 고주파(LF)의 기본 주파수에 맞추는 설계를 행하면, 상기와 같이 공심 코일의 대형화를 초래할 뿐만 아니라, 공진 주파수의 간격이 매우 좁아 경사(변화율)가 급한 주파수-임피던스 특성이 된다. 이 때문에, 필터 설계에 약간의 오차 또는 불균일이 있으면, 차단 대상의 기본 주파수가 병렬 공진 주파수보다도 옆의 직렬 공진 주파수에 따라, 현저하게 낮은 임피던스가 되고, 필터 기능이 발휘되지 않는 경우가 있다. 이 때문에, 필터의 설계·제작·조정이 어렵고, 플라즈마 처리 장치 레벨에서의 기차(機差)도 발생하기 쉽다.
본 발명은, 상기와 같은 종래 기술의 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 처리 용기 내의 고주파 전극 이외의 전기적 부재로부터 급전 라인 또는 신호선 등의 선로 상으로 들어오는 유해한 복수의 주파수의 고주파 노이즈에 대하여, 효율적이며 또한 안정적으로 확실하게 충분히 높은 임피던스를 부여하여, 플라즈마 프로세스의 재현성·신뢰성을 향상시키는 플라즈마 처리 장치 및 필터 유닛을 제공한다.
본 발명의 제 1 관점에 있어서의 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 소정의 전기적 부재에 선로를 개재하여 전기적으로 접속되는 전력계 또는 신호계의 외부 회로를 가지고, 상기 전기적 부재로부터 상기 외부 회로를 향해 상기 선로로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 상기 선로 상에 마련한 필터에 의해 감쇠시키거나, 또는 저지하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 필터가, 상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 전기적 부재측에서 봤을 때 초단(初段)에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과, 상기 공심 솔레노이드 코일의 권선 사이에 둘레 방향의 복수 개소에서 국소적으로 들어가 있는 절연성의 빗살과, 상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과, 적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체를 가진다.
또한, 본 발명의 제 1 관점에 있어서의 필터 유닛은, 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 전기적 부재가 상기 처리 용기의 외부에 배치되는 외부 회로에 선로를 개재하여 전기적으로 접속되어 있는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 전기적 부재로부터 상기 외부 회로를 향해 상기 선로로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 감쇠시키거나, 또는 저지하기 위하여 상기 선로의 도중에 마련되는 필터 유닛으로서, 상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 전기적 부재측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과, 상기 공심 솔레노이드 코일의 권선 사이에 둘레 방향의 복수 개소에서 국소적으로 들어가 있는 절연성의 빗살과, 상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과, 적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체를 가진다.
상기 제 1 관점에 있어서는, 플라즈마 처리 중에 처리 용기 내의 상기 전기적 부재로부터 처리 용기의 외부의 상기 외부 회로를 향해 선로 상으로 들어오는 복수의 고주파의 노이즈에 대하여, 필터의 초단의 공심 솔레노이드 코일이 주파수가 높은 쪽의 고주파 노이즈를 차단하고, 다음 단의 트로이덜 코일이 공심 코일을 통과한 주파수가 가장 낮은 고주파 노이즈를 차단한다. 이와 같이, 주파수가 높은 쪽의 고주파의 노이즈에 대한 필터 차단 기능 및 주파수가 낮은 쪽의 고주파의 노이즈에 대한 필터 차단 기능을, 공심 솔레노이드 코일 및 트로이덜 코일에 각각 역할 분담시킨다.
또한, 상기 제 1 관점에 있어서는, 공심 솔레노이드 코일이, 그 권선 피치를 빗살 피치에 의해 정확하게 설정치에 맞추고 있으므로, 재현성이 높아 개체차가 적은 주파수-임피던스 특성 또는 필터 특성을 얻을 수 있다. 또한, 공심 솔레노이드 코일의 권선 사이에는 빗살을 제외한 부분에 에어 갭이 형성되어 있으므로, 코일에서 발생하는 열이 에어 갭을 통하여 신속하게 방출된다. 따라서, 공심 솔레노이드 코일을 효율적으로 냉각할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에 있어서의 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 소정의 전기적 부재에 선로를 개재하여 전기적으로 접속되는 전력계 또는 신호계의 외부 회로를 가지고, 상기 전기적 부재로부터 상기 외부 회로를 향해 상기 선로로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 상기 선로 상에 마련한 필터에 의해 감쇠시키거나, 또는 저지하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 필터가, 상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 전기적 부재측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과, 상기 공심 솔레노이드 코일의 제 1 구간에서 권선 사이에 둘레 방향의 복수 개소에서 국소적으로 들어가 있는 절연성의 빗살과, 상기 공심 솔레노이드 코일의 제 2 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 코일 튜브와, 상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과, 적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체를 가진다.
또한, 본 발명의 제 2 관점에 있어서의 필터 유닛은, 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 제 1 전극에 마련되어 있는 발열체가 상기 처리 용기의 외부에 배치되는 히터 전원에 급전 라인을 개재하여 전기적으로 접속되어 있는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 발열체로부터 상기 히터 전원을 향해 상기 급전 라인으로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 감쇠시키거나, 또는 저지하기 위하여 상기 급전 라인의 도중에 마련되는 필터 유닛으로서, 상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 발열체측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과, 상기 공심 솔레노이드 코일의 제 1 구간에서 권선 사이에 둘레 방향의 복수 개소에서 국소적으로 들어가 있는 절연성의 빗살과, 상기 공심 솔레노이드 코일의 제 2 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 코일 튜브와, 상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과, 적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체를 가진다.
상기 제 2 관점에 있어서는, 플라즈마 처리 중에 처리 용기 내의 상기 전기적 부재로부터 처리 용기의 외부의 상기 외부 회로를 향해 선로 상으로 들어오는 복수의 고주파의 노이즈에 대하여, 필터의 초단의 공심 솔레노이드 코일이 주파수가 높은 쪽의 고주파 노이즈를 차단하고, 다음 단의 트로이덜 코일이 공심 솔레노이드 코일을 통과한 주파수가 가장 낮은 고주파 노이즈를 차단한다. 이와 같이, 주파수가 높은 쪽의 고주파의 노이즈에 대한 필터 차단 기능 및 주파수가 낮은 쪽의 고주파의 노이즈에 대한 필터 차단 기능을, 공심 솔레노이드 코일 및 트로이덜 코일에 각각 역할 분담시킨다.
또한, 상기 제 2 관점에 있어서는, 공심 솔레노이드 코일의 제 1 구간에서는 권선 사이로 둘레 방향의 복수 개소에서 절연성의 제 1 빗살이 들어오고, 제 2 구간에서는 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 제 2 코일 튜브가 차폐하는 구성이 채용됨으로써, 공심 솔레노이드 코일과 통 형상 도체의 사이에 형성되는 분포 정수 선로 또는 동축 선로의 거리 간격을 일정하게 유지하면서, 특성 임피던스를 구간 단위로 변화시켜, 병렬 다중 공진에 있어서의 공진 주파수의 일부 또는 전부를 시프트 시킬 수 있다.
본 발명의 제 3 관점에 있어서의 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 소정의 전기적 부재에 선로를 개재하여 전기적으로 접속되는 전력계 또는 신호계의 외부 회로를 가지고, 상기 전기적 부재로부터 상기 외부 회로를 향해 상기 선로로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 상기 선로 상에 마련한 필터에 의해 감쇠시키거나, 또는 저지하는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 필터가, 상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 전기적 부재측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과, 상기 공심 솔레노이드 코일의 제 1 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 제 1 비유전율을 가지는 제 1 코일 튜브와, 상기 공심 솔레노이드 코일의 제 2 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 제 2 비유전율을 가지는 제 2 코일 튜브와, 상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과, 적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체를 가진다.
본 발명의 제 3 관점에 있어서의 필터 유닛은, 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 전기적 부재가 상기 처리 용기의 외부에 배치되는 외부 회로에 선로를 개재하여 전기적으로 접속되어 있는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 전기적 부재로부터 상기 외부 회로를 향해 상기 선로로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 감쇠시키거나, 또는 저지하기 위하여 상기 선로의 도중에 마련되는 필터 유닛으로서, 상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 전기적 부재측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과, 상기 공심 솔레노이드 코일의 제 2 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 제 1 비유전율을 가지는 제 1 코일 튜브와, 상기 공심 솔레노이드 코일의 제 2 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 제 2 비유전율을 가지는 제 2 코일 튜브와, 상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과, 적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체를 가진다.
상기 제 3 관점에 있어서는, 플라즈마 처리 중에 처리 용기 내의 상기 전기적 부재로부터 처리 용기의 외부의 상기 외부 회로를 향해 선로 상으로 들어오는 복수의 고주파의 노이즈에 대하여, 필터의 초단의 공심 솔레노이드 코일이 주파수가 높은 쪽의 고주파 노이즈를 차단하고, 다음 단의 트로이덜 코일이 공심 솔레노이드 코일을 통과한 주파수가 가장 낮은 고주파 노이즈를 차단한다. 이와 같이, 주파수가 높은 쪽의 고주파의 노이즈에 대한 필터 차단 기능 및 주파수가 낮은 쪽의 고주파의 노이즈에 대한 필터 차단 기능을, 공심 솔레노이드 코일 및 트로이덜 코일에 각각 역할 분담시킨다.
또한, 상기 제 3 관점에 있어서는, 공심 솔레노이드 코일의 제 1 구간에서는 제 1 비유전율을 가지는 제 1 코일 튜브가 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 한편, 제 2 구간에서는 제 2 비유전율을 가지는 제 2 코일 튜브가 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 구성이 채용됨으로써, 공심 솔레노이드 코일과 통 형상 도체의 사이에 형성되는 분포 정수 선로 또는 동축 선로의 거리 간격을 일정하게 유지하면서, 특성 임피던스를 구간 단위로 변화시켜, 병렬 다중 공진에 있어서의 공진 주파수의 일부 또는 전부를 시프트 시킬 수 있다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치 또는 필터 유닛에 의하면, 상기와 같은 구성 및 작용에 의해, 처리 용기 내의 고주파 전극 이외의 전기적 부재로부터 급전 라인 또는 신호선 등의 선로 상으로 들어오는 유해한 복수의 주파수의 고주파 노이즈에 대하여, 효율적이며 또한 안정적으로 확실하게 충분히 높은 임피던스를 부여하여, 플라즈마 프로세스의 재현성·신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 상기 플라즈마 처리 장치의 서셉터(하부 전극)에 마련되는 발열체의 구성을 나타내는 대략 평면도이다.
도 3은 상기 서셉터 내의 발열체로 전력을 공급하기 위한 히터 급전부의 회로 구성을 나타내는 도이다.
도 4는 제 1 실시예에 있어서의 필터 유닛의 전체 구조를 나타내는 종단면도이다.
도 5a는 상기 필터 유닛의 주요부의 구조를 나타내는 횡단면도이다.
도 5b는 상기 필터 유닛에 있어서의 주요부의 구성을 나타내는 부분 확대 사시도이다.
도 6a는 상기 필터 유닛에 있어서의 공심 솔레노이드 코일 둘레의 서브 어셈블리의 구체적 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 6b는 상기 서브 어셈블리의 주요부를 나타내는 부분 확대 사시도이다.
도 7은 상기 서브 어셈블리의 구체적 구성의 일 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 상기 필터 유닛에 마련되는 트로이덜 코일의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 9는 상기 트로이덜 코일에 있어서의 트로이덜 코어의 외관 구성을 나타내는 사시도이다.
도 10은 상기 필터 유닛에 있어서의 공심 솔레노이드 코일의 표준적인 권선 피치 분포를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 11은 공심 솔레노이드 코일이 도 10의 권선 피치 분포를 가지는 경우의 주파수-임피던스 특성의 일례를 나타내는 도이다.
도 12는 상기 트로이덜 코일 둘레의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 13은 상기 트로이덜 코일 둘레의 등가 회로의 주파수-임피던스 특성의 일례를 나타내는 도이다.
도 14는 상기 공심 솔레노이드 코일의 권선 피치 및 빗살에 관한 다른 실시예의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 15는 도 14의 실시예에 있어서의 권선 피치에 관한 공심 솔레노이드 코일의 분할 패턴을 모식적으로 나타내는 도이다.
도 16은 공심 솔레노이드 코일이 권선 피치에 관하여 도 15의 분할 패턴을 가지는 경우의 주파수-임피던스 특성의 일례를 나타내는 도이다.
도 17은 일 변형예에 있어서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 18은 다른 실시예에 있어서의 필터 유닛 내의 물리적인 구조를 나타내는 종단면도이다.
도 19는 도 18의 실시예에 있어서의 공심 솔레노이드 코일의 주요부(코일 권선간 구조)를 나타내는 부분 확대 사시도이다.
도 20은 도 18의 실시예에 있어서의 권선 피치에 관한 공심 솔레노이드 코일의 분할 패턴을 모식적으로 나타내는 도이다.
도 21은 공심 솔레노이드 코일이 권선 피치에 관하여 도 20의 분할 패턴을 가지는 경우의 주파수-임피던스 특성의 일례를 나타내는 도이다.
도 22는 다른 실시예에 있어서의 주요부(코일 권선간 구조)를 나타내는 부분 확대 사시도이다.
도 23은 트로이덜 코어의 일 변형예를 나타내는 도이다.
이하, 첨부 도를 참조하여 본 발명의 적합한 실시 형태를 설명한다.
[플라즈마 처리 장치 전체의 구성]
도 1에, 본 발명의 제 1 실시 형태에 있어서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 나타낸다. 이 플라즈마 처리 장치는, 하부 2 주파 인가 방식의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있고, 예를 들면 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 등의 금속제의 원통형 챔버(처리 용기(10))를 가지고 있다. 챔버(10)는 접지되어 있다.
챔버(10) 내에는, 피처리 기판으로서 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)를 재치하는 원판 형상의 서셉터(12)가 하부 전극으로서 수평으로 배치되어 있다. 이 서셉터(12)는, 예를 들면 알루미늄으로 이루어지고, 챔버(10)의 바닥으로부터 수직 상방으로 연장되는 예를 들면 세라믹제의 절연성 통 형상 지지부(14)에 의해 비접지로 지지되어 있다. 이 절연성 통 형상 지지부(14)의 외주를 따라 챔버(10)의 바닥으로부터 수직 상방으로 연장되는 도전성의 통 형상 지지부(16)와 챔버(10)의 내벽의 사이에 환 형상의 배기로(18)가 형성되고, 이 배기로(18)의 바닥에 배기구(20)가 마련되어 있다. 이 배기구(20)에는 배기관(22)을 개재하여 배기 장치(24)가 접속되어 있다. 배기 장치(24)는, 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있고, 챔버(10) 내의 처리 공간을 원하는 진공도까지 감압할 수 있다. 챔버(10)의 측벽에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입반출구를 개폐하는 게이트 밸브(26)가 장착되어 있다.
서셉터(12)에는, 제 1 및 제 2 고주파 전원(28, 30)이 매칭 유닛(32) 및 급전 봉(34)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 여기서, 제 1 고주파 전원(28)은, 주로 플라즈마의 생성에 기여하는 일정 주파수(통상 27 MHz 이상)의 제 1 고주파(HF)를 출력한다. 한편, 제 2 고주파 전원(30)은, 주로 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)에 대한 이온의 인입에 기여하는 일정 주파수(통상 13 MHz 이하)의 제 2 고주파(LF)를 출력한다. 매칭 유닛(32)에는, 제 1 및 제 2 고주파 전원(28, 30)과 플라즈마 부하의 사이에서 임피던스의 정합을 취하기 위한 제 1 및 제 2 정합기(도시하지 않음)가 수용되어 있다.
급전 봉(34)은, 소정의 외경을 가지는 원통형 또는 원기둥형의 도체로 이루어지고, 그 상단이 서셉터(12)의 하면 중심부에 접속되고, 그 하단이 매칭 유닛(32) 내의 상기 제 1 및 제 2 정합기의 고주파 출력 단자에 접속되어 있다. 또한, 챔버(10)의 바닥면과 매칭 유닛(32)의 사이에는, 급전 봉(34)의 둘레를 둘러싸는 원통형의 도체 커버(35)가 마련되어 있다. 보다 상세하게는, 챔버(10)의 바닥면(하면)에 급전 봉(34)의 외경보다 한층 큰 소정의 구경을 가지는 원형의 개구부가 형성되고, 도체 커버(35)의 상단부가 이 챔버 개구부에 접속되고, 또한 도체 커버(35)의 하단부가 상기 정합기의 접지(귀선(歸線)) 단자에 접속되어 있다.
서셉터(12)는 반도체 웨이퍼(W)보다 한층 큰 직경 또는 구경을 가지고 있다. 서셉터(12)의 상면은, 웨이퍼(W)와 대략 동일 형상(원형) 또한 대략 동일 사이즈의 중심 영역 즉 웨이퍼 재치부와, 이 웨이퍼 재치부의 외측으로 연장되는 환 형상의 주변부로 구획되어 있다. 웨이퍼 재치부 상에, 처리 대상의 반도체 웨이퍼(W)가 재치된다. 환 형상의 주변부 상에는, 반도체 웨이퍼(W)의 구경보다 큰 내경을 가지는 링 형상의 판재 이른바 포커스 링(36)이 장착된다. 이 포커스 링(36)은, 반도체 웨이퍼(W)의 피에칭재에 따라, 예를 들면 Si, SiC, C, SiO2 중 어느 하나의 재질로 구성되어 있다.
서셉터(12) 상면의 웨이퍼 재치부에는, 웨이퍼 흡착용의 정전 척(38) 및 발열체(40)가 마련되어 있다. 정전 척(38)은, 서셉터(12)의 상면에 일체 형성 또는 일체 고착된 막 형상 또는 판 형상의 유전체(42)의 내에 DC 전극(44)을 봉입하고 있고, DC 전극(44)에는 챔버(10)의 외부에 배치되는 외부 장착의 직류 전원(45)이 스위치(46), 고저항값의 저항(48) 및 DC 고압선(50)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(45)으로부터의 고압의 직류 전압이 DC 전극(44)에 인가됨으로써, 쿨롱의 힘으로 반도체 웨이퍼(W)를 정전 척(38) 상에 흡착 유지할 수 있도록 되어 있다. 또한, DC 고압선(50)은, 피복선이며, 원통체의 하부 급전 봉(34)의 안을 지나, 서셉터(12)를 아래로부터 관통하여 정전 척(38)의 DC 전극(44)에 접속되어 있다.
발열체(40)는, 정전 척(38)의 DC 전극(44)과 함께 유전체(42)의 내에 봉입된 예를 들면 스파이럴 형상의 저항 발열선으로 이루어지고, 이 실시 형태에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 서셉터(12)의 반경 방향에 있어서 내측의 발열선(40(IN))과 외측의 발열선(40(OUT))으로 2 분할되어 있다. 이 중, 내측 발열선(40(IN))은, 절연 피복된 급전 도체(52(IN)), 필터 유닛(54(IN)) 및 전기 케이블(56(IN))을 개재하여, 챔버(10)의 외부에 배치되는 전용의 히터 전원(58(IN))에 전기적으로 접속되어 있다. 외측 발열선(40(OUT))은, 절연 피복된 급전 도체(52(OUT)), 필터 유닛(54(OUT)) 및 전기 케이블(56(OUT))을 개재하여, 역시 챔버(10)의 외부에 배치되는 전용의 히터 전원(58(OUT))에 전기적으로 접속되어 있다. 이 중에서, 필터 유닛(54(IN), 54(OUT))은 이 실시 형태에 있어서의 주요한 특징 부분이며, 그 내부의 구성 및 작용에 대해서는 이후에 상세하게 설명한다.
서셉터(12)의 내부에는, 예를 들면 원주 방향으로 연장되는 환 형상의 냉매실 또는 냉매 통로(60)가 마련되어 있다. 이 냉매실(60)에는, 칠러 유닛(도시하지 않음)으로부터 냉매 공급관을 통하여 소정 온도의 냉매 예를 들면 냉각수(cw)가 순환 공급된다. 냉매의 온도에 의해 서셉터(12)의 온도를 낮추는 방향으로 제어할 수 있다. 그리고, 서셉터(12)에 반도체 웨이퍼(W)를 열적으로 결합시키기 위하여, 전열 가스 공급부(도시하지 않음)로부터의 전열 가스 예를 들면 He 가스가, 가스 공급관 및 서셉터(12) 내부의 가스 통로(62)를 통하여 정전 척(38)과 반도체 웨이퍼(W)의 접촉 계면으로 공급되도록 되어 있다.
챔버(10)의 천장에는, 서셉터(12)와 평행하게 마주하여 상부 전극을 겸하는 샤워 헤드(64)가 마련되어 있다. 이 샤워 헤드(64)는, 서셉터(12)와 마주하는 전극판(66)과, 이 전극판(66)을 그 배후(상)로부터 착탈 가능하게 지지하는 전극 지지체(68)를 가지고, 전극 지지체(68)의 내부에 가스실(70)을 마련하고, 이 가스실(70)로부터 서셉터(12)측으로 관통하는 다수의 가스 토출홀(72)을 전극 지지체(68) 및 전극판(66)에 형성하고 있다. 전극판(66)과 서셉터(12)의 사이의 공간(SP)이 플라즈마 생성 공간 내지 처리 공간이 된다. 가스실(70)의 상부에 마련되는 가스 도입구(70a)에는, 처리 가스 공급부(74)로부터의 가스 공급관(76)이 접속되어 있다. 전극판(66)은 예를 들면 Si, SiC 혹은 C로 이루어지고, 전극 지지체(68)는 예를 들면 알루마이트 처리된 알루미늄으로 이루어진다.
이 플라즈마 에칭 장치 내의 각 부 예를 들면 배기 장치(24), 고주파 전원(28, 30), 직류 전원(45)의 스위치(46), 히터 전원(58(IN), 58(OUT)), 칠러 유닛(도시하지 않음), 전열 가스 공급부(도시하지 않음) 및 처리 가스 공급부(74) 등의 개개의 동작 및 장치 전체의 동작(시퀀스)은, 마이크로 컴퓨터를 포함하는 제어부(75)에 의해 제어된다.
이 플라즈마 에칭 장치에 있어서의 매엽(枚葉) 드라이 에칭의 기본적인 동작은 다음과 같이 하여 행해진다. 먼저, 게이트 밸브(26)를 개방 상태로 하여 가공 대상의 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(10) 내로 반입하고, 정전 척(38) 상에 재치한다. 그리고, 처리 가스 공급부(74)로부터 에칭 가스(일반적으로 혼합 가스)를 소정의 유량으로 챔버(10) 내로 도입하고, 배기 장치(24)에 의해 챔버(10) 내의 압력을 설정치로 한다. 또한, 제 1 및 제 2 고주파 전원(28, 30)을 온으로 하여 제 1 고주파(HF) 및 제 2 고주파(LF)를 각각 소정의 파워로 출력시키고, 이들 고주파(HF, LF)를 매칭 유닛(32) 및 급전 봉(34)을 통하여 서셉터(하부 전극)(12)에 인가한다. 또한, 전열 가스 공급부로부터 정전 척(38)과 반도체 웨이퍼(W)의 사이의 접촉 계면에 전열 가스(He가스)를 공급하고, 또한 정전 척용의 스위치(46)를 온으로 하여, 정전 흡착력에 의해 전열 가스를 상기 접촉 계면에 가둔다. 한편, 히터 전원(58(IN), 58(OUT))을 온으로 하여, 내측 발열선(40(IN)) 및 외측 발열선(40(OUT))을 각각 독립된 줄 열로 발열시켜, 서셉터(12) 상면의 온도 내지 온도 분포를 설정값으로 제어한다. 샤워 헤드(64)로부터 토출된 에칭 가스는 양 전극(12, 64)간에서 고주파의 방전에 의해 플라즈마화되고, 이 플라즈마로 생성되는 라디칼 또는 이온에 의해 반도체 웨이퍼(W) 표면의 피가공막이 원하는 패턴으로 에칭된다.
이 플라즈마 에칭 장치는, 음극 결합형이며, 플라즈마의 생성에 적합한 비교적 높은 기본 주파수(통상 27 MHz 이상)를 가지는 제 1 고주파(HF)를 서셉터(12)에 인가함으로써, 플라즈마를 바람직한 해리 상태로 고밀도화하고, 보다 저압의 조건하에서도 고밀도 플라즈마를 형성할 수 있다. 이와 동시에, 이온의 인입에 적합한 비교적 낮은 기본 주파수(통상 13 MHz 이하)를 가지는 제 2 고주파(LF)를 서셉터(12)에 인가함으로써, 서셉터(12) 상의 반도체 웨이퍼(W)에 대하여 선택성이 높은 이방성의 에칭을 실시할 수 있다.
특히, 이 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이, 제 1 고주파(HF)에는 고밀도 플라즈마의 생성에 의해 적합한 높은 주파수 영역(통상 40 MHz 이상)을, 제 2 고주파(LF)에는 이온 에너지의 제어에 의해 적합한 낮은 주파수 영역(통상 3.2 MHz 이하)을, 각각 지장 없이 사용할 수 있도록 되어 있다.
또한, 이 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서는, 서셉터(12)에 칠러의 냉각과 히터의 가열을 동시에 부여하고, 또한 히터의 가열을 반경 방향의 중심부와 엣지부에서 독립적으로 제어하므로, 고속의 온도 전환 또는 승강온(昇降溫)이 가능하고, 또한 온도 분포의 프로파일을 임의 또는 다양하게 제어하는 것도 가능하다.
또한, 이 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서는, 플라즈마 에칭 중에, 고주파 전원(28, 30)으로부터 서셉터(12)에 인가된 제 1 및 제 2 고주파(HF, LF)의 일부가, 서셉터(12)에 내장되어 있는 내측 발열선(40(IN)) 및 외측 발열선(40(OUT))을 통하여 급전 도체(52(IN), 52(OUT))에 고주파 노이즈로서 유입된다. 이들 2 주파의 고주파 노이즈 중 어느 것이라도 히터 전원(58(IN), 58(OUT))에 들어오면, 히터 전원(58(IN), 58(OUT))의 동작 내지 성능이 저해될 우려가 있다.
이 점에 관해서는, 상기와 같이, 히터 전원(58(IN), 58(OUT))과 내측 발열선(40(IN)) 및 외측 발열선(40(OUT))을 전기적으로 연결하는 히터 급전 라인 상에 필터 유닛(54(IN), 54(OUT))이 마련되어 있다. 이들 필터 유닛(54(IN), 54(OUT))은, 이하에 상세하게 서술하는 바와 같이, 내측 발열선(40(IN)) 및 외측 발열선(40(OUT))으로부터 히터 급전 라인 상으로 들어오는 제 1 및 제 2 고주파(HF, LF)의 노이즈 중 어느 것에 대해서도, 임피던스가 충분히 높은 필터 차단 기능을 저소비 전력으로 효율적이며 또한 안정적으로 확실하게 발휘한다. 이에 의해, 이 실시 형태의 플라즈마 에칭 장치는, 히터 방식의 웨이퍼 온도 제어 기능을 개선하고, 또한 챔버(10)로부터 서셉터(12) 내부의 발열체(40)를 거쳐 히터 급전 라인 상으로 제 1 및 제 2 고주파(HF, LF)의 파워가 누설되는 것을 효과적으로 방지 또는 저감하여, 플라즈마 프로세스의 재현성·신뢰성을 향상시키고 있다.
[필터 유닛 내의 회로 구성]
이어서, 이 플라즈마 처리 장치에 있어서의 주요한 특징 부분인 필터 유닛(54(IN), 54(OUT)) 내의 회로 구성을 설명한다. 양 필터 유닛(54(IN), 54(OUT))의 구성 및 작용은 동일하기 때문에, 일방의 필터 유닛(54(IN))에 대해서만 설명한다.
도 3에, 서셉터(12)에 마련되는 웨이퍼 온도 제어용의 발열체(40)로 전력을 공급하기 위한 히터 급전부의 회로 구성을 나타낸다. 이 실시 형태에서는, 발열체(40)의 내측 발열선(40(IN)) 및 외측 발열선(40(OUT))의 각각에 대하여 실질적으로 동일한 회로 구성을 가지는 개별의 히터 급전부를 접속하고, 내측 발열선(40(IN)) 및 외측 발열선(40(OUT))의 발열량 또는 발열 온도를 독립적으로 제어하도록 하고 있다. 이하의 설명에서는, 내측 발열선(40(IN))에 대한 히터 급전부의 구성 및 작용에 대하여 서술한다. 외측 발열선(40(OUT))에 대한 히터 급전부의 구성 및 작용도 완전히 동일하다.
히터 전원(58(IN))은, 예를 들면 SSR을 이용하여 예를 들면 상용 주파수의 스위칭(ON / OFF) 동작을 행하는 교류 출력형의 전원이며, 내측 발열선(40(IN))과 폐쇄 루프의 회로에서 접속되어 있다. 보다 상세하게는, 히터 전원(58(IN))의 한 쌍의 출력 단자 중, 제 1 출력 단자는 제 1 급전 라인(전원선)(80A)을 개재하여 내측 발열선(40(IN))의 제 1 단자(hA)에 전기적으로 접속되고, 제 2 출력 단자는 제 2 급전 라인(전원선)(80B)을 개재하여 내측 발열선(40(IN))의 제 2 단자(hB)에 전기적으로 접속되어 있다.
필터 유닛(54(IN))은, 접지된 원통 형상의 도체로 이루어지는 하우징(82) 내에, 제 1 및 제 2 급전 라인(80A, 80B)상으로 들어온 고주파 노이즈를 차단하기 위한 제 1 및 제 2 필터(84A, 84B)를 수용하고 있다. 양 필터(84A, 84B)의 회로 구성은 실질적으로 동일하며, 양 필터 간에서 각 대응하는 리액턴스 소자의 특성치도 실질적으로 동일하다.
보다 상세하게는, 각각의 필터(84A, 84B)는, 급전 라인(80A, 80B) 상에서, 발열체(40)측에서 봤을 때 초단의 코일(AL1, BL1) 및 다음 단의 코일(AL2, BL2)의 순으로 그들을 직렬로 접속하고, 또한 초단의 코일(AL1, BL1)과 다음 단의 코일(AL2, BL2)의 사이의 접속점(NA, NB)과 하우징(82)의 사이에 제 1 콘덴서(AC1, BC1)를 전기적으로 접속하고, 다음 단의 코일(AL2, BL2)의 히터 전원(58(IN))측의 단자와 하우징(82)의 사이에 제 2 콘덴서(AC2, BC2)를 전기적으로 접속하고 있다.
이러한 구성의 히터 급전부에 있어서, 히터 전원(58(IN))으로부터 출력되는 전류는, 양극성의 사이클에서는, 제 1 급전 라인(80A) 즉 전기 케이블(56(IN)), 다음 단의 코일(AL2), 초단의 코일(AL1) 및 급전 도체(52(IN))를 통과하여 일방의 단자(hA)로부터 내측 발열선(40(IN))으로 들어가고, 내측 발열선(40(IN))의 각 부에서 줄 열을 발생시키고, 타방의 단자(hB)로부터 나온 후에는, 제 2 급전 라인(80B) 즉 급전 도체(52(IN)), 초단의 코일(BL1), 다음 단의 코일(BL2) 및 전기 케이블(56(IN))을 통과하여 귀환한다. 음극성의 사이클에서는, 동일한 회로를 상기와 반대 방향으로 전류가 흐른다. 이 히터 교류 출력의 전류는 통상 50 Hz ~ 수 100 Hz이기 때문에, 각 코일(AL1, BL1, AL2, BL2)에 있어서의 전압 강하는 무시할 수 있을 정도로 작고, 각 콘덴서(AC1, BC1, AC2, BC2)를 통과하여 어스로 빠지는 누설 전류도 무시할 수 있을 정도로 적다. 이 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이, 초단의 코일(AL1, BL1)이 원통 형상의 공심 솔레노이드 코일 즉 공심 솔레노이드 코일로 이루어지고, 다음 단의 코일(AL2, BL2)이 트로이덜 코일로 이루어진다.
[필터 유닛 내의 물리적 구조]
도 4에, 이 실시 형태에 있어서의 필터 유닛(54(IN)) 내의 물리적인 구조를 나타낸다. 도 5a ~ 도 9에, 필터 유닛(54(IN)) 내의 주요부의 구성을 나타낸다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 필터 유닛(54(IN))은, 예를 들면 알루미늄으로 이루어지는 접지된 원통 형상의 도체 또는 하우징(82) 내에, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1), 제 1 콘덴서(AC1, BC1), 트로이덜 코일(AL2, BL2) 및 제 2 콘덴서(AC2, BC2)를 위에서 아래로 이 순서로 배치하고 있다.
공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)은, 히터 전원(58(IN))으로부터 내측 발열선(40(IN))에 충분히 큰(예를 들면 30 A 정도의) 전류를 흘리는 급전선의 기능에 더불어, 발열(파워 로스)을 방지하는 관점으로부터 페라이트 등의 자심(磁芯)을 가지지 않고 공심으로 매우 큰 인덕턴스를 얻기 위하여, 또한 큰 선로 길이를 얻기 위하여, 일반 솔레노이드 코일보다 굵은 코일 도체와 큰 코일 사이즈를 가지고 있다.
단, 이 실시 형태에서는, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 차단 대상인 고주파 노이즈의 주파수가 높은 주파수 영역(40 MHz 이상)으로 설정되므로, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 사이즈는 그 정도로 크지 않고, 예를 들면 직경(D)을 25 mm 이하, 길이(S)를 150 mm 이하로 해결할 수 있다.
하우징(82) 내에서, 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)은, 절연체 예를 들면 수지로 이루어지는 코일 지지축(도시하지 않음)을 개재하여 하우징(82)과 동축에 배치되어 있다. 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 코일 도체는, 코일 슬리브로 덮여 있지 않은 실질적으로 나선의 상태로, 복수 단계로 가변의 권선 피치(p)로 중첩되어 병진하여 나선 형상으로 감겨 있고, 동일한 코일 길이(S)를 가지고 있다.
양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 주위에는, 그들 외주면에 인접하여, 코일축 방향과 평행하게 연장되는 봉 형상의 빗살 부재(86)가 둘레 방향으로 일정한 간격을 두고 복수 개 예를 들면 4 개 마련되어 있다. 각각의 빗살 부재(86)는, 절연체 예를 들면 PEEK 또는 PCTFE와 같은 경도, 가공성 및 내열성이 우수한 수지로 이루어지고, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)로부터 독립하여 필터 유닛(54(IN)) 내에서 고정되어 있다.
도 5a, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 각각의 빗살 부재(86)의 내측면에는, 양 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 사이에 삽입되는(즉 들어가 있는) 빗살(M)이 형성되어 있다. 다른 관점에서 보면, 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 코일 도체가, 서로 인접하는 2 개의 빗살(M, M) 사이의 슬릿에 끼워져 있다. 이렇게 하여, 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 피치(p)는, 빗살(M)의 피치(m)에 의해 규정된다. 이 실시 형태에서는, 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)이 서로 병진하여 나선 형상으로 감겨 있으므로, 각각의 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 피치(p)는 빗살(M)의 피치(m)의 2 배이다. 즉, p=2 m의 관계가 있다. 이 실시예에서는, 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 피치(p)는, 코일의 가장자리에서 가장자리까지 일정(PS)하다.
하우징(82)의 상단의 개구부에는, 환 형상의 덮개체(88)와 수지제의 상부 커넥터(90)가 장착된다. 상부 커넥터(90)에, 상기에 도시하지 않은 코일 지지축 및 빗살 부재(86)의 상단이 고정된다. 그리고, 상부 커넥터(90)의 내부 또는 주위에서 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 상단이 필터 단자(TA, TB)에 각각 전기적으로 접속된다.
도 6a 및 도 6b에, 이 실시예에 있어서의 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1) 둘레의 구체예인 서브 어셈블리의 구성을 나타낸다. 도시와 같이, 복수 개(4 개)의 봉 형상 빗살 부재(86)가, 축방향의 복수 개소(양단 및 중간의 3 개소)에서 그들을 위요하는 링 형상의 예를 들면 수지로 이루어지는 지지체(92)에 볼트(94)로 결합되어 있다. 그리고, 각각의 빗살 부재(86)가, 그 내측면에 형성되어 있는 빗살(M)을 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 사이에 삽입시키고 있다(넣고 있다). 이에 의해, 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 피치(p)가 빗살(M)의 피치(m)에 p = 2 m의 관계로 대응하고, 또한 코일 권선 사이에는 빗살(M)을 제외한 부분에 빗살(M)의 두께에 상당하는 에어 갭(G)이 형성된다(도 6b, 도 5b).
양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 내측에는, 예를 들면 단면 십자형의 코일 지지축(96)이 삽입되어 있다. 이 코일 지지축(96)은, 코일 반경 방향에서는 코일(AL1, BL1)의 내주면에 접촉하도록 방사 형상으로 연장되고, 코일축 방향에서는 코일(AL1, BL1)과 평행하게 연장되는 복수 매의 절연체 예를 들면 수지로 이루어지는 판 형상 부재(98)에 의해 구성되어 있다. 또한, 도 6a 및 도 6b에 있어서, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 일방의 가장자리에서 코일 지지축(96) 및 빗살 부재(86) 등을 유지하고 있는 블록(100)은, 이 서브 어셈블리를 조립할 시에 이용되는 지그이다.
도 7에, 일 변형예에 있어서의 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1) 둘레의 구체적인 서브 어셈블리 구조를 나타낸다. 이 변형예는, 상기 코일 지지축(96)을 구성하고 있는 판 형상 부재(98)의 외측 단면에 빗살(M)을 형성하고 있고, 판 형상 부재(98)의 빗살(M)이 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 사이에 코일 반경 방향의 내측으로부터 삽입되어, 역시 p=2 m의 관계로 권선 피치(p)를 규정하고 있다. 이 경우는, 코일 지지축(96)을 구성하는 판 형상 부재(98)가 빗살 부재를 겸하므로, 상기와 같은 봉 형상의 빗살 부재(86)를 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 주위에 마련할 필요가 없어진다.
단, 다른 변형예로서, 도 7과 같이 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 내측에 배치되는 판 형상 부재(98)의 외측 단면에 소정의 피치(m)로 빗살(M)을 형성하고, 또한 도 6a와 같이 내측면에 동일한 피치(m)로 빗살(M)이 형성되어 있는 봉 형상의 빗살 부재(86)를 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 주위에 배치함으로써, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 사이에 둘레 방향이 상이한 위치에서 코일 반경 방향의 내측 및 외측 쌍방으로부터 빗살(M)을 삽입시키는(넣는) 구성도 가능하다. 또한, 또 다른 변형예로서, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 내측에 봉 형상의 빗살 부재(86)를 복수 개 배치하고, 각각의 빗살 부재(86)의 외측면에 형성되어 있는 빗살(M)을 코일(AL1, BL1)의 권선 사이에 삽입시키는 구성도 가능하다.
다시 도 4에 있어서, 제 1 콘덴서(AC1, BC1)는, 시판품의 2 단자형 콘덴서이며, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)과 트로이덜 코일(AL2, BL2)의 사이의 스페이스에 가로 방향으로 쌍으로 배치되어 있다. 제 1 필터(84A)측의 제 1 콘덴서(AC1)는, 일방의 단자가 접속 도체(102A)를 개재하여 공심 솔레노이드 코일(AL1)의 하부 단자에 접속되고, 타방의 단자가 접속 도체(104A)를 개재하여 하우징(82)의 측벽에 접속되어 있다. 제 2 필터(84B)측의 제 1 콘덴서(BC1)는, 일방의 단자가 접속 도체(102B)를 개재하여 공심 솔레노이드 코일(BL1)의 하부 단자에 접속되고, 타방의 단자가 접속 도체(104B)를 개재하여 하우징(82)의 측벽에 접속되어 있다.
트로이덜 코일(AL2, BL2)은, 도 4 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 바람직하게는 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)과 동축에 배치되는 공통의 트로이덜 코어(106)에 각각의 코일 도체를 약 반 둘레씩 나선 형상으로 감고 있다. 여기서, 양 트로이덜 코일(AL2, BL2)의 코일 도체는, 양 코일에 고주파의 전류(IA, IB)가 동일한 위상으로 흘렀을 때에 트로이덜 코어(106) 내에 발생하는 각각의 자속(ΦA, ΦB)이 둘레 방향에서 동일 방향이 되도록(합쳐지도록), 역방향으로 감겨 있다. 트로이덜 코어(106)는, 비투자율이 높은 코어재 예를 들면 Ni-Zn계 페라이트로 이루어지고, 원환의 폐쇄 자로(磁路)를 형성하고 있다.
제 1 필터(84A)측의 트로이덜 코일(AL2)은, 일방의 단자(상부 단자)가 접속 도체(102A)를 개재하여 공심 솔레노이드 코일(AL1)의 하부 단자에 접속되고, 타방의 단자(하부 단자)가 접속 도체(107A)를 개재하여 제 2 콘덴서(AC2)의 일방의 단자에 접속되어 있다. 제 2 필터(84B)측의 트로이덜 코일(BL2)은, 일방의 단자(상부 단자)가 접속 도체(102B)를 개재하여 공심 솔레노이드 코일(BL1)의 하부 단자에 접속되고, 타방의 단자(하부 단자)가 접속 도체(107B)를 개재하여 제 2 콘덴서(BC2)의 일방의 단자에 접속되어 있다.
이 실시 형태에서는, 트로이덜 코일(AL2, BL2)과 하우징(82)의 사이에서 코일 권선 1 턴당의 부유 용량을 크게 하기 위하여, 트로이덜 코어(106)의 두께(t)를 통상의 배 이상(특히 바람직하게는 4 배 이상)으로 크게 하고 있다. 이 때문에, 도 9에 나타낸 바와 같이, 시판품의 단체(單體)의 트로이덜 코어(TC)를 축방향(세로 방향)으로 복수(예를 들면 4 개) 중첩하고 있다.
일반적으로, 단체(單體)의 트로이덜 코어(TC)에 있어서는, 내반경을 a, 외반경을 b, 두께(높이)를 c로 하면, 코어 동부(胴部)의 가로 폭(b - a)과 두께(c)는 대략 동일하여, c ≒ (b - a)의 관계가 성립한다. 따라서, 단체의 트로이덜 코어(TC)를 2 단 중첩으로 한 경우의 트로이덜 코어(106)의 두께(높이)(t)는 t = 2c이며, t ≒ 2(b - a)의 관계가 성립한다. 또한, 도시의 구성예와 같이 단체의 트로이덜 코어(TC)를 4 단 중첩으로 한 경우의 트로이덜 코어(106)의 두께(높이)(t)는 t = 4c이며, t ≒ 4(b - a)의 관계가 성립한다. 이 실시 형태에서는, t ≥ 2(b - a)의 관계가 성립하도록, 특히 바람직하게는 t ≥ 4(b - a)의 관계가 성립하도록, 트로이덜 코어(106)의 두께(t)를 상식에서 벗어나 크게 하는 구성이 채용된다.
또한, 통상의 트로이덜 코어는, 고주파의 주파수 대역에서는 항상 집중 정수 소자로서 기능한다. 이 실시 형태에 있어서의 트로이덜 코일(AL2, BL2)도, 고주파의 주파수 대역에 있어서, 특히 제 1 고주파(HF) 및 제 2 고주파(LF)의 각각의 기본 주파수에 대하여 집중 정수 소자로서 기능한다.
또한, 코일 내에 코어가 들어가면, 코어재에서 고주파 전력의 손실 즉 철손(損)이 발생한다. 코어재에 있어서의 철손, 특히 히스테리시스 손실 또는 와전류 손실은, 주파수가 높아질수록 증가한다. 이 실시 형태의 필터 유닛(54(IN))에 있어서는, 주파수가 높은 제 1 고주파(HF)의 노이즈가, 초단의 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)에 의해 차단되므로, 다음 단의 트로이덜 코일(AL2, BL2)로는 들어오지 않는다. 이 때문에, 트로이덜 코어(106)의 철손은 적다. 이와 같이 트로이덜 코어(106)에 의한 손실이 적기 때문에, 트로이덜 코어(106)에 비투자율이 높은 코어재(예를 들면 페라이트)를 사용하여, 트로이덜 코일(AL2, BL2)의 소형화를 도모할 수 있다.
제 2 콘덴서(AC2, BC2)는, 시판품의 2 단자형 콘덴서이며, 도 4에 나타낸 바와 같이, 트로이덜 코일(AL2, BL2)과 하우징(82)의 바닥 판(110)의 사이의 스페이스에 가로 방향으로 쌍으로 배치되어 있다. 제 1 필터(84A)측의 제 2 콘덴서(AC2)는, 일방의 단자가 접속 도체(107A)를 개재하여 트로이덜 코일(AL2)의 하부 단자 및 전기 케이블(56(IN))의 일방에 접속되고, 타방의 단자가 접속 도체(109A)를 개재하여 하우징(82)의 측벽에 접속되어 있다. 제 2 필터(84B)측의 제 2 콘덴서(BC2)는, 일방의 단자가 접속 도체(107B)를 개재하여 트로이덜 코일(BL2)의 하부 단자 및 전기 케이블(56(IN))의 타방에 접속되고, 타방의 단자가 접속 도체(109B)를 개재하여 하우징(82)의 측벽에 접속되어 있다.
하우징(82)의 하단의 개구부는, 예를 들면 수지제의 바닥 판(110)으로 폐색되어 있다. 또한, 하우징(82)의 덮개(88) 및 바닥 판(110)의 일방 또는 양방이 도체판이어도 된다.
또한, 하우징(82)에는, 안에 수용되는 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1) 및 트로이덜 코일(AL2, BL2)을 공랭으로 냉각하기 위한 다수의 환기통(도시하지 않음)이, 예를 들면 펀칭 가공에 의해 형성되어 있다.
상기와 같이, 이 필터 유닛(54(IN))은, 접지되는 원통 형상 도체의 하우징(82) 내에서, 최상부 즉 초단에 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 하우징(82)과 동축에 배치하고, 그 아래에 제 1 콘덴서(AC1, BC1)를 개재하여 다음 단에 트로이덜 코일(AL2, BL2)을 하우징(82)과 동축에 배치하고, 최하부에 제 2 콘덴서(AC2, BC2)를 배치하고 있다.
필터 유닛(54(IN)) 내의 상기 레이아웃에 있어서, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)은, 축방향(세로 방향)으로 중첩되어 병진하여 동일한 권선 간격으로 나선 형상으로 감겨 있고, 또한 코일 길이(S)가 그 정도로 크지는 않고, 비교적 컴팩트한 어셈블리로 되어 있다. 한편, 트로이덜 코일(AL2, BL2)도, 공통의 트로이덜 코어(106)에 반 둘레씩 감겨 있고, 컴팩트한 이중 코일의 어셈블리로 되어 있다. 또한, 트로이덜 코일(AL2, BL2)은, 상기와 같이 통상의 트로이덜 코일에 비해 높이(두께)가 배로 증가하고는 있지만, 동일한 인덕턴스를 가지는 봉 형상의 솔레노이드 코일을 세로로 배치하는 경우보다는 작은 높이 사이즈로 해결하고 있다.
그리고, 트로이덜 코일(AL2, BL2)의 트로이덜 코어(106)가 원환(圓環)의 폐쇄 자로를 형성하고, 또한 그 상방에 위치하는 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)에 대하여 동축에 배치됨(따라서 쌍방의 자속이 직교하여 교차함)으로써, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)과 트로이덜 코일(AL2, BL2)의 사이의 전자적인 상호 영향을 회피할 수 있다. 따라서, 축방향 또는 세로 방향에 있어서 양 코일[AL1, BL1], [AL2, BL2]간의 이간 거리 또는 스페이스를 가급적으로 작게 할 수 있다.
이 필터 유닛(54(IN))에 있어서는, 후술하는 바와 같이, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)이 주파수가 높은 쪽의 제 1 고주파(HF)의 노이즈에 대한 차단 기능을 맡는 한편, 트로이덜 코일(AL2, BL2)이 주파수가 낮은 쪽의 제 2 고주파(LF)의 노이즈에 대한 차단 기능을 맡도록 되어 있다. 이와 같이, 제 1 고주파(HF)의 노이즈에 대한 필터 차단 기능 및 제 2 고주파(LF)의 노이즈에 대한 필터 차단 기능을 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1) 및 트로이덜 코일(AL2, BL2)에 각각 역할 분담시킴으로써, 필터 유닛(54(IN)) 전체의 설계·제작·조정이 용이해져, 기차도 발생하기 어려워진다. 또한, 필터 유닛(54(IN))을 소형화할 수 있으므로, 서셉터(12) 내지 챔버(10) 아래에 마련되는 각종 용력 공급계의 레이아웃 설계가 용이해진다.
또한, 필터 유닛(54(IN))에 있어서, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)과 트로이덜 코일(AL2, BL2)을 교체하는 것, 즉 트로이덜 코일(AL2, BL2)을 초단에 배치하고, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 다음 단에 배치하는 레이아웃은 바람직하지 않다. 즉, 트로이덜 코일(AL2, BL2)을 초단에 배치하면, 트로이덜 코일(AL2, BL2)은 발열체(40(IN))측으로부터 고주파 급전 라인(80A, 80B) 상으로 들어오는 제 1 고주파(HF) 및 제 2 고주파(LF)의 노이즈 중 주파수가 낮은 쪽의 제 2 고주파(LF)의 노이즈를 차단하지만, 주파수가 높은 쪽의 제 1 고주파(HF)의 노이즈를 통과시킨다. 또한, 제 1 콘덴서(AC1, BC1)의 커패시턴스는 후술하는 바와 같이 상당히 작은 값으로 선택되기 때문에, 제 2 고주파(LF)의 노이즈는 물론 제 1 고주파(HF)의 노이즈도 어스로 흘려보내지 않는다. 이 때문에, 제 1 고주파(HF)의 노이즈가 트로이덜 코일(AL2, BL2)로 돌입하여, 제 1 고주파(HF)의 전류가 트로이덜 코일(AL2, BL2)을 흐른다. 이에 의해, 트로이덜 코어(106) 내에 철손이 다량으로 발생하여, 트로이덜 코어(106)가 발열하여 고온이 된다. 그리고, 트로이덜 코어(106)의 온도가 퀴리 온도 이상으로 높아지면, 투자율(透磁率)이 급격하게 저하되어, 제 2 고주파(LF)의 노이즈에 대한 차단 기능이 발휘되지 않는다.
이 실시 형태와 같이, 초단에 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 배치하고, 다음 단에 트로이덜 코일(AL2, BL2)을 배치하는 레이아웃에 의하면, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)이 주파수가 높은 쪽의 제 1 고주파(HF)의 노이즈를 차단하므로, 후단의 트로이덜 코일(AL2, BL2)에는 제 1 고주파(HF)의 노이즈가 들어하는 경우가 없다. 따라서, 트로이덜 코일(AL2, BL2)에는 주파수가 높은 제 1 고주파(HF)의 전류는 거의 흐르지 않아, 트로이덜 코어(106)가 고온으로 발열하는 경우는 없다.
[필터 유닛의 작용]
이 실시 형태의 필터 유닛(54(IN))에 있어서는, 필터(84A(84B))의 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))과 외부 도체인 하우징(82)의 사이에 분포 정수 선로가 형성된다.
일반적으로, 전송 선로의 특성 임피던스(Zo)는, 무손실인 경우에는 단위 길이당의 정전 용량(C), 인덕턴스(L)를 이용하여, Zo = √(L / C)로 부여된다. 또한, 파장(λ)은, 다음의 식 (1)로 부여된다.
λ = 2 π / (ω√(LC) … (1)
일반적인 분포 정수 선로(특히 동축 선로)에서는 선로의 중심이 봉 형상의 원통 도체인 것에 반하여, 이 필터 유닛(54(IN))에서는 원통 형상의 공심 솔레노이드 코일을 중심 도체로 하고 있는 점이 상이하다. 단위 길이당의 인덕턴스(L)는 주로 이 원통형 코일에 기인하는 인덕턴스가 지배적으로 된다고 상정된다. 한편, 단위 길이당의 정전 용량은, 코일 표면과 외부 도체가 이루는 콘덴서의 정전 용량(C)으로 규정된다. 따라서, 이 필터 유닛(54(IN))에 있어서도, 단위 길이당의 인덕턴스 및 정전 용량을 각각 L, C로 했을 때, 특성 임피던스(Zo = √(L / C))로 부여되는 분포 정수 선로가 형성되어 있다고 상정할 수 있다.
이러한 분포 정수 선로를 가지는 필터 유닛을 단자(T)측에서 보면, 반대측이 큰 용량(예를 들면 5000 pF)을 가지는 콘덴서로 유사적으로 단락되어 있기 때문에, 일정한 주파수 간격으로 큰 임피던스를 반복하는 것과 같은 주파수-임피던스 특성이 얻어진다. 이러한 임피던스 특성은, 파장과 분포 선로 길이가 동등할 때에 얻어진다.
이 필터 유닛(54(IN))에서는, 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1)) 권선 길이가 아닌, 축방향의 코일 길이(S)(도 4)가 분포 선로 길이가 된다. 그리고, 중심 도체에 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))을 이용함으로써, 봉 형상의 원통 도체의 경우에 비해 L을 훨씬 크게 하여 λ를 작게 할 수 있기 때문에, 비교적 짧은 선로 길이(코일 길이)(S)이면서 파장과 동등 이상의 실효 길이를 실현하는 것이 가능하다. 이에 의해, 도 10에 나타낸 바와 같이 일정한 권선 피치(ps)를 가지는 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))과 제 1 콘덴서(AC1(BC1))로 이루어지는 초단의 필터 회로에 있어서, 예를 들면 도 11에 나타낸 바와 같이 규칙적인 주파수 간격으로 큰 임피던스를 가지는 것을 반복하는 것 같은 주파수-임피던스 특성을 얻을 수 있다.
이 실시 형태에 있어서, 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))은, 오로지 높은 주파수 영역(40 MHz 이상)의 고주파 노이즈를 차단 대상으로 하면 되고, 그 코일 사이즈를 작게 함으로써 낮은 주파수 영역(3.2 MHz 이하)의 고주파 노이즈에 대한 임피던스가 낮아도, 전혀 상관없다.
예를 들면, 제 1 고주파(HF)의 주파수가 40 MHz인 경우, 도 11의 주파수-임피던스 특성에 의하면, 수 100 Ω 이상의 임피던스가 얻어지므로, 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))과 제 1 콘덴서(AC1(BC1))로 이루어지는 초단의 필터 회로에 있어서, 급전 라인(80A(80B)) 상으로 들어온 제 1 고주파(HF)의 노이즈를 완전히 차단할 수 있다.
도 12에, 트로이덜 코일(AL2(BL2)) 및 제 2 콘덴서(AC2(BC2))의 등가 회로를 나타낸다. 트로이덜 코일(AL2(BL2))은, 고유의 자기 인덕턴스를 가지는 정미(正味)의 유도성 소자 또는 인덕터(L2)를 제공할 뿐만 아니라, 그 주변에 발생하는 코일선간 용량(C2K)과, 하우징(82)의 사이에 발생하는 그라운드 부유 용량(C2F)를 겸비한다. 등가 회로에 있어서, 이들 용량(C2K, C2F)은 인덕터(L2)에 병렬로 접속된다.
여기서, 트로이덜 코일(AL2(BL2))에 있어서의 인덕터(L2)의 인덕턴스는, 다음의 식 (1)에 의해 나타난다.
L2 = N2 × μ × t × ln(b / a) / 2π … (1)
단, N은 권회수, μ는 투자율, t는 두께(높이), a는 내반경, b는 외반경이다.
이 실시 형태에서는, 상기와 같이 트로이덜 코어(106)에는 비투자율이 높은 코어재(예를 들면 페라이트)를 이용한다. 그리고, 트로이덜 코어(106)의 두께(높이)(t)를 상기와 같이 통상의 2배 이상(바람직하게는 4배 이상)으로 크게 하고, 권수(N)를 넉넉하게 선택함으로써, 인덕터(L2)의 인덕턴스를 상당히 높은 값(예를 들면 100 μH 이상)으로 설정할 수 있다.
코일선간 용량(C2K)의 커패시턴스는, 트로이덜 코일(AL2(BL2))의 권선 간격(피치)에 의존하고, 권수(N)에는 의존하지 않는다. 한편, 그라운드 부유 용량(C2F)의 커패시턴스는, 하우징(82)으로부터의 이간 거리와, 하우징(82)과 마주하는 코일 표면의 전체 면적에 의존한다. 따라서, 트로이덜 코일(AL2(BL2))에 있어서는, 하우징(82)의 직경 및 트로이덜 코어(106)의 사이즈가 일정한 한, 코일 권수를 많게 할수록, 인덕터(L2)의 인덕턴스가 높아지고, 또한 그라운드 부유 용량(C2F)의 커패시턴스도 커진다.
특히, 상기와 같이 단체의 트로이덜 코어(TC)를 복수 중첩한 두께(높이)(t)가 큰 트로이덜 코어(106)는, 1 턴당의 코일 표면의 면적이 크기 때문에, 그라운드 부유 용량(C2F)의 커패시턴스는 상당히 크고, 코일선간 용량(C2K)의 4 ~ 5 배 이상(예를 들면 20 pF 이상)이 되기도 한다.
이와 같이, 트로이덜 코일(AL2(BL2))에 있어서 인덕터(L2)의 인덕턴스가 낮고, 또한 그라운드 부유 용량(C2F)의 커패시턴스가 코일선간 용량(C2K)의 커패시턴스보다 현격히 큰 것은, 트로이덜 코일(AL2(BL2))의 자기 공진 주파수, 즉 후술하는 제 2 병렬 공진 회로(112)로부터 부여되는 제 2 병렬 공진 주파수(fPL)를 상당히 낮은 주파수 영역으로 설정하는데, 유리(적합)하다.
상기와 같은 등가 회로(도 12)에 있어서는, 트로이덜 코일(AL2(BL2))의 인덕터(L2)와 코일선간 용량(C2K) 및 그라운드 부유 용량(C2F)에 의해, 상당히 낮은 주파수 영역에 병렬 공진 주파수(fPL)를 가지는 병렬 공진 회로(112)가 형성된다. 여기서, 이 병렬 공진 주파수(fPL)는, 트로이덜 코일(AL2(BL2))의 자기 공진 주파수이기도 하고, 다음의 식 (2)로 나타난다.
fPL = 1 / 2π√L2(C2K + C2F) … (2)
도 13에, 제 2 고주파(LF)의 기본 주파수가 3.2 MHz인 경우에, 트로이덜 코일(AL2(BL2))과 제 2 콘덴서(AC2(BC2))로 이루어지는 다음 단의 필터 회로에서 얻어지는 주파수-임피던스 특성의 일례를 나타낸다.
도시의 주파수-임피던스 특성에서는, 병렬 공진 주파수(fPL)를 제 2 고주파(LF)의 기본 주파수(3.2 MHz)에 대략 일치시키고 있고, 이것은 용이하게 실현할 수 있다. 즉, 상기와 같이, 트로이덜 코일(AL2(BL2))의 권수(N)를 변경하면, 코일선간 용량(C2K)의 커패시턴스는 변함없지만, 인덕터(L2)의 인덕턴스와 그라운드 부유 용량(C2F)의 커패시턴스가 권수(N)의 변화량에 따라 동일한 방향으로 변화하고, 상기의 식 (2)에 의해 제 2 병렬 공진 주파수(fPL)가 단조롭게 변화한다. 또한, 트로이덜 코어(106)를 구성하는 단체 트로이덜 코어(TC)의 적층 수를 변경하면, 인덕터(L2)의 인덕턴스와 그라운드 부유 용량(C2F)의 커패시턴스가 동일한 방향으로 큰 단계로 변화하여, 상기의 식 (2)에 의해 병렬 공진 주파수(fPL)가 단계적으로 변화한다. 따라서, 대략적인 조정을 행할 때에는 트로이덜 코어(106)를 구성하는 단체 트로이덜 코어(TC)의 적층 수를 변경함으로써, 세밀한 조정을 행할 때에는 트로이덜 코일(AL2(BL2))의 권수(N)를 변경함으로써, 병렬 공진 주파수(fPL)를 제 2 고주파(LF)의 기본 주파수(3.2 MHz)에 대략 일치시킬 수 있다.
단, 병렬 공진 주파수(fPL) 부근의 특성은 여유가 있으므로 (브로드하므로), 병렬 공진 주파수(fPL)가 제 2 고주파(LF)의 기본 주파수(3.2 MHz)로부터 다소 이탈되어 있어도, 제 2 고주파(LF)의 노이즈에 대하여 충분히 높은 임피던스를 부여할 수 있다.
상기와 같이, 이 실시 형태의 필터(84A(84B))에 있어서는, 외부 도체의 하우징(82)과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 초단의 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))이, 서셉터(12) 내의 발열체(40)측으로부터 히터 급전 라인(80A(80B)) 상으로 들어오는 주파수가 높은 쪽의 제 1 고주파(HF)의 노이즈에 대하여 임피던스가 충분히 높은 필터 차단 기능을 나타내고, 제 1 고주파(HF)의 노이즈와 함께 들어오는 주파수가 낮은 쪽의 제 2 고주파(LF)의 노이즈를 통과시킨다. 그리고, 제 2 고주파(LF)의 기본 주파수에 일치 또는 근접하는 자기(병렬) 공진 주파수(fPL)를 가지는 다음 단의 트로이덜 코일(AL2(BL2))이, 초단의 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))을 통과해 온 제 2 고주파(LF)의 노이즈에 대하여 임피던스가 충분히 높은 필터 차단 기능을 나타낸다. 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))의 병렬 공진 주파수와 트로이덜 코일(AL2(BL2))의 자기 공진 주파수(fPL)는 서로 독립하고 있어, 상기와 같이 각각의 코일에 있어서 독립적으로 조정할 수 있다.
또한, 이 실시예에서는, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 주위 또는 내측에 코일축 방향과 평행하게 연장되는 빗살 부재(86, 98)를 마련하고, 빗살 부재(86, 98)의 내측면 또는 외측면에 형성되어 있는 권선 피치(p)에 대응한 피치(m)를 가지는 빗살(M)을 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 사이에 삽입시키고 있다.
이러한 구성에 의하면, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 피치(p)가 빗살 피치(m)에 의해 정확하게 설정치에 맞춰지므로, 재현성이 높아 개체 차가 없는 주파수-임피던스 특성 또는 필터 특성을 얻을 수 있다. 또한, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 사이에는 빗살(M)을 제외한 부분에 에어 갭(G)이 형성되어 있으므로, 코일에서 발생하는 열이 에어 갭(G)를 통하여 신속하게 방출된다. 따라서, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 효율적으로 냉각할 수 있는 이점도 있다.
[공심 솔레노이드 코일에 관한 다른 실시예]
상기 실시 형태에서는, 필터 유닛(54(IN))에 있어서 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 피치(p)가 코일의 가장자리에서 가장자리까지 일정(ps)하며(도 4, 도 10), 이에 따라 예를 들면 도 11에 나타낸 바와 같이 규칙적인 주파수 간격으로 임피던스가 각(角)(뿔) 형상으로 상승하는 것과 같은 병렬 다중 공진의 주파수-임피던스 특성이 얻어진다. 따라서, 서셉터(12) 내지 발열체(40)를 거쳐 급전 라인(80A, 80B) 상으로 들어오는 고주파 노이즈 중에서 가장 주파수가 낮은 제 2 고주파(LF)를 제외한 각 고주파(특히 제 1 고주파(HF))의 주파수가 병렬 다중 공진 중 어느 하나의 병렬 공진 주파수에 일치 또는 근사하도록 설계하면, 필터 유닛(54(IN))에 있어서 높은 주파수 영역의 고주파 노이즈를 효과적으로 차단할 수 있다.
그러나, 상기와 같이 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 피치가 전체 길이(S)에 걸쳐 일정(ps)한 필터 구성에 있어서는, 병렬 공진 주파수가 규칙적인 주파수 간격으로 얻어지기 때문에, 프로세스의 종류 또는 사양 등 다양한 관점 또는 조건으로부터 임의로 선정되거나 혹은 교체되는 제 1 고주파(HF)의 주파수에 대하여, 병렬 다중 공진 중 어느 하나의 병렬 공진 주파수를 맞추는 것은 어렵다.
예를 들면, 제 1 고주파(HF)의 주파수에 40 MHz가 이용되는 경우, 도 11의 주파수-임피던스 특성에 있어서는, 제 1 고주파(HF)의 노이즈에 대한 임피던스가 수 100 Ω에 그치고, 1000 Ω 이상은 되지 않는다. 또한, 제 1 고주파(HF)의 주파수를 40 MHz에서 60 MHz로 전환할 필요성 또는 요청이 있었을 경우, 60 MHz 부근은 3 번째의 직렬 공진 주파수(fs3)가 위치하고 있기 때문에 임피던스가 현저하게 낮아질 가능성이 있고, 그러한 제 1 고주파(HF)의 주파수 전환에 대응할 수 없다.
이러한 문제에 대처하기 위하여, 상기 특허 문헌 1의 종래 기술은, 필터 유닛(54(IN))에 있어서 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)과 하우징(외부 도체)(82)의 사이에 링 부재를 마련함으로써, 국소적으로 동축 선로의 갭을 좁게 하여 C(단위 길이의 정전 용량)를 변화시키고, 나아가서는 국소적으로 특성 임피던스(Zo = √(L / C))를 변화시켜, 병렬 다중 공진에 있어서의 공진 주파수의 일부 또는 전부를 시프트 시키는 수법을 채용하고 있다.
이에 반하여, 이 실시예에서는, 필터 유닛(54(IN))에 있어서, 그러한 링 부재를 마련하는 대신에, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 코일축 방향에 있어서 복수의 구간(K1, K2, ‥)으로 분할하고, 각 구간(Ki(i = 1, 2, ‥))마다 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 피치(p)를 독립적으로 설정 또는 조정함으로써, 동축 선로의 갭을 변화시키지 않고 구간 단위로 특성 임피던스(Zo = √(L / C))를 변화시켜, 병렬 다중 공진에 있어서의 공진 주파수의 일부 또는 전부를 시프트 시키는 수법을 채용한다. 이 경우, 각 구간(Ki)에 있어서는, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 피치(p)를 작게 할수록, 단위 길이당의 C, L이 커져, 특성 임피던스(Zo = √(L / C)는 커진다. 반대로, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 피치(p)를 크게 할수록, 단위 길이당의 C, L이 작아져, 특성 임피던스(Zo = √(L / C))는 작아진다.
이 실시예에서는, 상기와 같이 권선 피치에 관하여 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 복수의 구간(K1, K2, ‥)으로 분할하는 형태(패턴)로서, 예를 들면 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같은 분할 패턴을 채용할 수 있다.
이 분할 패턴은, 도 15에 나타낸 바와 같이, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 코일 단자(TA, TB)측에서 봤을 때 입구(IN)로부터 출구(OUT)를 향해 길이 2 : 1 : 2의 비로 3 개의 구간(K1, K2, K3)으로 분할하고, 이들 3 개의 구간(K1, K2, K3)의 권선 피치(p1, p2, p3)를 2 : 1 : 2의 비로 선택한다. 이 경우, 분할하지 않은 경우(도 10)의 권선 피치(ps)에 대하여, p1 = 1.12ps, p2 = 0.56ps, p3 = 1.12ps로 함으로써, 코일 전체의 길이(S)를 동일하게 유지할 수 있다.
이 경우, 도 14에 나타낸 바와 같이, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 권선 피치(p)에 관하여 3 개의 구간(K1, K2, K3)으로 분할하기 위하여, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 주위 또는 내측에 코일축 방향과 평행하게 연장되는 빗살 부재(86(98))를 마련하고, 빗살 부재(86(98))의 내측면 또는 외측면에 형성되어 있는 구간(Ki)마다 권선 피치(pi)에 대응한 피치(mi)를 가지는 빗살(Mi)을 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 권선 사이에 삽입시킨다.
도 16에, 상기 분할 패턴(도 15)을 채용한 경우에 전자계 계산에 의해 취득된 초단 필터 회로의 주파수-임피던스 특성을, 권선 피치가 일정한 경우에 취득한 주파수-임피던스 특성(도 11)과 대비하여 나타낸다. 도시와 같이, 2 번째 및 4 번째의 직렬 공진 주파수 및 병렬 공진 주파수가 각각 높은 주파수 영역측으로 시프트되고(fs2 < f's2), (fp2 < f'p2), (fs4 < f's4), (fp4 < f'p4), 3 번째 및 5 번째의 직렬 공진 주파수 및 병렬 공진 주파수가 각각 낮은 주파수 영역측으로 시프트된다(fs3 > f's3), (fp3 > f'p3), (fs5 > f's5), (fp5 > f'p5).
이러한 공진 주파수의 시프트에 의해, 40 MHz에서 1000 Ω 이상의 고임피던스가 얻어지고, 또한 60 MHz로도 수 100 Ω 이상의 고임피던스가 얻어지게 된다. 이에 의해, 상기 실시 형태의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 제 1 고주파(HF)의 주파수에 40 MHz가 이용되는 경우에 제 1 고주파(HF)의 노이즈에 대한 필터(84A(84B))의 차단 성능을 보다 한층 높일 수 있고, 또한 제 1 고주파(HF)의 주파수를 40 MHz와 60 MHz의 2 가지로 전환하는 어플리케이션에도 대응할 수 있다.
또한, 상기 분할 패턴(도 15)은 일례이며, 분할 구간의 수, 권선 피치 분포 형태 등에 관하여 다양한 선택 또는 변형이 가능하다.
단, 필터(84A(84B))의 병렬 다중 공진 특성 중에서 일부의 공진 주파수를 상기와 같이 선택적으로 시프트 시키기 위해서는, 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1)) 상에서 설정되는 복수의 구간(K1, K2, ‥)의 사이에서 구간의 길이의 비 및 권선 피치(p1, p2, ‥)의 비를 적당한 값으로 선정할 필요가 있다. 예를 들면, 도 15의 분할 패턴에 있어서, 제 1 구간(K1)이 예를 들면 S / 100 이하와 같이 극단적으로 짧을 때에는 도 16에 나타낸 바와 같은 일부 공진 주파수의 시프트 효과를 얻는 것은 어렵고, 제 1 구간(K1)에 있어서의 권선 피치(p1)가 제 2 구간(K2)에 있어서의 권선 피치(p2)와 예를 들면 수 % 밖에 다르지 않을 경우도 마찬가지이다.
본 발명자가 행한 전자계 계산에 의하면, 제 1 구간(K1)의 길이는, 제 2 구간(K2)의 길이의 1 / 5 이상이며 5 배 이하인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 구간(K1)의 권선 피치(p1)는, 제 2 구간(K2)의 권선 피치(p2)의 2 배 이상 또는 1 / 2 이하인 것이 바람직하다.
[플라즈마 처리 장치에 관한 다른 실시예]
도 17에, 일 변형예에 있어서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 나타낸다. 도면 중, 상술한 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(도 1)와 동일한 구성 또는 기능을 가지는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다.
이 플라즈마 처리 장치는, 하부 2 주파 / 상부 1 주파 인가 방식의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있다. 이 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상술한 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(도 1)와 상이한 주된 점은, 플라즈마 생성용의 제 1 고주파(HF)를 상부 전극(64)에 인가하고, 반도체 웨이퍼(W)에 입사되는 이온의 에너지(바이어스)를 보다 큰 자유도로 다양하게 제어하기 위하여 주파수가 상이한 제 2 및 제 3 고주파(LF, MF)를 서셉터(12)에 중첩하여 인가하는 구성에 있다. 여기서, 제 3 고주파(MF)의 주파수는, 제 2 고주파(LF)의 주파수(예를 들면 3.2 MHz)보다 높은 값(예를 들면 12.88 MHz)으로 선택된다.
이 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상부 전극(64)은 링 형상의 절연체(130)를 개재하여 챔버(10)의 상면에 장착되어 있다. 플라즈마 생성용의 제 1 고주파(HF)를 출력하는 제 1 고주파 전원(28)은, 매칭 유닛(132) 및 상부 급전 봉(134)을 개재하여 상부 전극(64)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 이온 인입용의 제 2 및 제 3 고주파(LF, MF)를 각각 출력하는 제 2 및 제 3 고주파 전원(30, 136)은, 매칭 유닛(32) 내의 정합기(도시하지 않음) 및 하부 급전 봉(34)을 개재하여 서셉터(12)에 전기적으로 접속되어 있다. 제어부(75)는, 에칭 가공의 사양, 조건 또는 레시피에 따라, 고주파 전원(30, 136)으로부터 각각 출력되는 제 2 및 제3 고주파(LF, MF)의 토탈 파워 및 파워비를 제어하도록 되어 있다.
이 플라즈마 처리 장치에 있어서도, 상기 실시 형태의 플라즈마 처리 장치(도 1)에서의 것과 동일한 구성 및 기능을 가지는 필터 유닛(54(IN), 54(OUT))을 히터 급전 라인 상에 마련할 수 있다. 특히, 권선 피치(p)에 관하여 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))을 도 15와 같은 분할 패턴으로 3 개의 구간(K1, K2, K3)으로 분할하여, 도 16과 같은 주파수-임피던스 특성이 얻어지는 경우는, 상기 실시예와 마찬가지로 단일의 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))과 단일의 트로이덜 코일(AL2(BL2))을 구비하는 필터 구성에 의해, 서셉터(12) 내의 발열체(40)측으로부터 히터 급전 라인(80A, 80B) 상으로 들어오는 제 1, 제 2 및 제 3 고주파(HF, LF, MF)의 노이즈 중 어느 것에도 충분히 높은 임피던스로 대응할 수 있다.
즉, 외부 도체의 하우징(82)과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 초단의 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))이, 제3 고주파 MF(12.88 MHz)의 노이즈에 대해서는 1 번째의 병렬 공진 주파수(f'p1) 부근의 높은 임피던스로 안정되고 확실한 필터 차단 기능을 나타내고, 제 1 고주파(HF)(40 MHz 또는 60 MHz)의 노이즈에 대해서는 2 번째의 병렬 공진 주파수(f'p2) 부근 또는 3 번째의 병렬 공진 주파수(f'p3) 부근의 충분히 높은 임피던스로 안정되고 확실한 필터 차단 기능을 나타낼 수 있다. 그리고, 다음 단의 트로이덜 코일(AL2(BL2))은, 초단의 공심 솔레노이드 코일 코일(AL1(BL1))을 통과하여 들어온 제 2 고주파(LF)(3.2 MHz)의 노이즈에 대하여 자기 공진 주파수(fPL) 부근의 충분히 높은 임피던스로 안정되고 확실한 필터 차단 기능을 나타낼 수 있다.
[다른 실시 형태 또는 변형예]
도 18에, 다른 실시예에 있어서의 필터 유닛(54(IN)) 내의 물리적인 구조를 나타낸다. 이 실시예에 있어서는, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 코일축 방향에 있어서 복수의 구간(K1, K2, ‥)으로 분할하고, 1 개의 구간 예를 들면 K2에 있어서 권선 사이를 코일 튜브(J)에 의해 둘레 방향의 전역에서 차폐하고, 다른 구간 예를 들면 K1, K3에 있어서는 상술한 실시예와 마찬가지로 빗살 부재(86(98))의 빗살(M)을 둘레 방향에서 국소적으로 권선 사이에 삽입시키도록 하고 있다. 이외는, 상술한 제 1 실시예의 것과 대부분 동일하다.
이 경우, 코일 튜브(J)를 이용하는 구간(K2)에서는, 도 19에 나타낸 바와 같이, 통상은 한쪽의 공심 솔레노이드 코일(BL1)의 코일 도체만을 코일 튜브(J)에 통과시키는 구성이 채용된다. 다른 한쪽의 솔레노이드 코일(AL1)의 코일 도체를 코일 튜브(J)에 통과시키지 않아도, 양 코일(AL1, BL1)간에 일정한 권선 피치(p)와 전기적 절연성을 확보할 수 있다. 단, 양코일(AL1, BL1)의 코일 도체를 각각 코일 튜브(J)에 통과시키는 구성도 가능하다.
이 실시예에 있어서도, 상술한 실시예와 마찬가지로, 필터 유닛(54(IN))에 있어서, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)과 외부 도체의 하우징(82)의 사이에 링 부재를 마련하는 대신에, 코일축 방향으로 분할된 복수의 구간의 각각에 대하여 동축 선로의 C 및 L 중 적어도 하나를 좌우하는 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 물리적 특성을 독립적으로 설정 또는 조정함으로써, 동축 선로의 갭을 변경하지 않고 구간 단위로 특성 임피던스(Zo = √(L / C))를 변화시켜, 병렬 다중 공진에 있어서의 공진 주파수의 일부 또는 전부를 시프트 시키는 수법을 채용한다.
보다 상세하게는, 상기와 같이, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 권선간 구조에 관하여 복수의 구간(K1, K2, ‥)으로 분할하고, 권선 사이에 빗살(M)을 삽입시키는 구간과, 권선 사이를 코일 튜브(J)로 차폐하는 구간을 혼재시킴으로써, 동축 선로의 C, L을 구간 단위로 변화시키고, 나아가서는 특성 임피던스(Zo = √(L / C))를 구간 단위로 변화시켜, 병렬 다중 공진에 있어서의 공진 주파수의 일부 또는 전부를 시프트 시키도록 하고 있다.
예를 들면 도 18의 분할 패턴의 경우, 권선 사이에 빗살(M)을 삽입시키는 구간(K1, K3)에 있어서는, 그들 권선 피치(p)가 작을수록, 단위 길이당의 C, L가 커져, 특성 임피던스(Zo = √(LC))는 커진다. 반대로, 권선 피치(p)가 클수록, 단위 길이당의 C, L이 작아져, 특성 임피던스(Zo = √(LC))는 작아진다. 또한, 권선 사이를 코일 튜브(J)로 차폐하는 구간(K2)에 있어서는, 그 권선 피치(p)가 일정한 경우는, 코일 튜브(J)의 비유전율(ε)이 클수록, 단위 길이당의 C가 커져, 특성 임피던스(Zo = √(LC))는 커진다. 반대로, 코일 튜브(J)의 비유전율(ε)이 작을수록, 단위 길이당의 C가 작아져, 특성 임피던스(Zo = √(LC))는 작아진다.
본 발명자는, 공심 솔레노이드 코일(AL1)에 관하여 도 18 및 도 20에 나타낸 바와 같은 분할 패턴을 가지는 제 1 필터 (84A)의 주파수-임피던스 특성을 전자계 계산에 의해 취득하고, 권선 피치를 일정치(ps)로 맞추어 구간 분할을 행하지 않고 코일의 가장자리에서 가장자리까지 권선 사이에 빗살(M)을 삽입시키는(넣는) 구성(도 10)에 대하여 취득한 주파수-임피던스 특성과 대비했다. 이 전자계 계산에서는, 코일 튜브(J)의 비유전율을 4로 선택했다. 예를 들면, 코일 튜브(J)의 재질에 PEEK를 이용하면, 이 비유전율의 값(4)을 얻을 수 있다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 3 번째 이후의 직렬 공진 주파수 및 병렬 공진 주파수가 각각 낮은 주파수 영역측으로 시프트 되는 것이 확인된다(fs3 > f's3), (fp3 > f'p3) ~ (fs6 > f's6), (fp6 > f'p6).
이 실시예에 있어서도, 분할 구간의 수 또는 권선 사이에 빗살(M)을 삽입시키는 구간과 권선 사이를 코일 튜브(J)로 폐쇄하는 구간의 혼재 형태 등에 대하여, 다양한 선택 또는 변형이 가능하다.
또한, 다른 실시예로서, 도 22에 나타낸 바와 같이, 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)을 권선간 구조에 관하여 복수의 구간(K1, K2, ‥)으로 분할하고, 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 제 1 비유전율을 가지는 제 1 코일 튜브(J1)로 차폐하는 구간(예를 들면 K1)과, 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 제 2 비유전율을 가지는 제 2 코일 튜브(J2)로 차폐하는 구간(예를 들면 K2)을 혼재시키는 구성도 가능하다. 일례로서, 제 1 코일 튜브(J1)의 재질에 비유전율 1의 테플론(등록상표)을 사용하고, 제 2 코일 튜브(J2)의 재질에 비유전율 4의 PEEK를 사용할 수 있다.
상술한 실시 형태에서는, 1 개의 외부 도체(하우징)(82) 중에서 제 1 필터(84A)의 솔레노이드 코일(AL1) 및 제 2 필터(84B)의 솔레노이드 코일(BL1)을 각각 구성하는 코일 도체가 중첩되어 병진하면서 나선 형상으로 감겨 있다. 이러한 코일 권선 구조는, 양 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)의 사이에서, 자기(自己) 인덕턴스가 서로 동일하고, 또한 최대의 상호 인덕턴스를 얻을 수 있다. 이에 의해, 필터 유닛(54(IN))에 있어서의 RF 전력 손실이 저감되고, 또한 RF 파워 손실의 기차가 저감한다고 하는 이점이 있다. 또한, 도시하지 않지만, 제 1 필터(84A)의 공심 솔레노이드 코일(AL1)과 제 2 필터(84B)의 공심 솔레노이드 코일(BL1)을 각각의 외부 도체(하우징)(82) 내에 수용하는 구성도 가능하다. 그 경우, 상기와 같은 빗살 부재(86, 98)를 구비하는 경우는, 권선 피치(p)와 빗살 피치(m)는 동일하며, p = m의 관계가 성립한다.
또한, 상술한 실시 형태에 있어서의 트로이덜 코일(AL2(BL2))은, 단체의 트로이덜 코어(TC)를 복수 중첩한 1 개의 트로이덜 코어(106)에 코일 도체를 감고 있다. 이 형식의 트로이덜 코일을 콘덴서를 개재하지 않고 복수 개 직렬로 접속한 것을 1 개 또는 1 세트의 트로이덜 코일로 하는 것도 가능하다.
또한, 도 23에 나타낸 바와 같이, 단체의 트로이덜 코어(TC)에 코일 도체를 감은 단체의 트로이덜 코일(TR)을 복수 개(도시의 예는 3 개) 직렬로 접속하여 이루어지는 복합형의 트로이덜 코일(AL)을 사용할 수도 있다. 또한, 도 23에서는, 제 1 급전 라인(80A) 상의 트로이덜 코일(AL)만을 나타내고, 제 2 급전 라인(80B) 상의 트로이덜 코일(BL)을 도시하고 있지 않다.
상술한 실시 형태에서는, 필터(84A(84B))에 포함되는 콘덴서(AC1(BC1), AC2(BC2))를 하우징(82) 내에 수용했다. 그러나, 이들 콘덴서의 일부 또는 전부를 하우징(82)의 외부에 배치하는 구성도 가능하다. 또한, 이들 콘덴서에 대하여 하우징(82) 이외의 접지 전위 부재를 이용할 수도 있다. 또한, 트로이덜 코일(AL2, BL2)을 공심 솔레노이드 코일(AL1, BL1)과 각각의 하우징(82)에 수용하는 것도 가능하다. 또한, 트로이덜 코일(AL2, BL2)을 다른 코어를 포함하는 코일 예를 들면 코어를 포함하는 솔레노이드 코일로 치환하는 것도 가능하다.
상기 실시 형태는, 챔버(10) 내의 서셉터(12)에 플라즈마 생성용의 제 1 고주파(HF)와 이온 인입용의 제 2 고주파(LF)를 중첩하여 인가하는 하부 2 주파 인가 방식의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 서셉터(12)에 내장되는 발열체(40)와 챔버(10)의 외부에 설치되는 히터 전원(58(IN), 58(OUT))을 전기적으로 접속하는 한 쌍의 히터 급전 라인(80A, 80B)상에 양 주파수의 노이즈를 감쇠시키기 위한 필터에 관한 것이었다. 그러나, 상부 전극(64)에 플라즈마 생성용의 제 1 고주파(HF)를 인가하고, 서셉터(12)에 이온 인입용의 제 2 고주파(LF)를 인가하는 상하부 2 주파 인가 방식의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치, 혹은 서셉터(12)에 단일의 고주파를 인가하는 하부 1 주파 인가 방식의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치에 있어서도, 상기 실시 형태의 필터 또는 필터 유닛을 그대로 적합하게 적용할 수 있다.
또한, 공심 솔레노이드 코일(AL1(BL1))과 외부 도체의 하우징(82)에 의해 형성되는 분포 정수 선로의 병렬 다중 공진을 이용하여, 플라즈마 처리를 위한 고주파(HF, LF)로부터 파생되는 고조파(특히 제 1 고주파(HF)의 제 2 고조파)의 노이즈에 대한 차단을 행하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명은, 히터 급전선 등의 전원선용의 필터에 한정되는 것은 결코 아니고, 챔버 내에 마련되는 소정의 전기적 부재와 챔버의 외부에 마련되는 전력계 또는 신호계의 외부 회로를 전기적으로 접속하는 한 쌍의 선로 또는 단일의 선로 상에 마련되는 임의의 필터 또는 필터 유닛에 적용 가능하다.
또한, 본 발명은, 용량 결합형의 플라즈마 에칭 장치에 한정되지 않고, 마이크로파 플라즈마 에칭 장치 또는 유도 결합 플라즈마 에칭 장치, 헬리콘파 플라즈마 에칭 장치 등에도 적용 가능하고, 또한 플라즈마 CVD, 플라즈마 산화, 플라즈마 질화, 스패터링 등의 다른 플라즈마 처리 장치에도 적용 가능하다. 또한, 본 발명에 있어서의 피처리 기판은, 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 플랫 패널 디스플레이, 유기 EL, 태양 전지용의 각종 기판 또는 포토마스크, CD 기판, 프린트 기판 등도 가능하다.
10 : 챔버
12 : 서셉터(하부 전극)
28 : (플라즈마 생성용) 고주파 전원
30: (이온 인입용) 고주파 전원
40(IN) : 내측의 발열선
40(OUT) : 외측의 발열선
54(IN), 54(OUT) : 필터 유닛
58(IN), 58(OUT) : 히터 전원
80A, 80B : 급전 라인
82 : 하우징(외부 도체)
84A, 84B : 필터
AL1, BL1 : 공심 솔레노이드 코일
AC1, BC1 : 콘덴서
AL2, BL2 : 트로이덜 코일
AC2, BC2 : 콘덴서
86 : 봉 형상 빗살 부재
98 : 판 형상 빗살 부재
M, M1 ~ M3 : 빗살
J : 코일 튜브

Claims (20)

  1. 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 소정의 전기적 부재에 선로를 개재하여 전기적으로 접속되는 전력계 또는 신호계의 외부 회로를 가지고, 상기 전기적 부재로부터 상기 외부 회로를 향해 상기 선로로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 상기 선로 상에 마련한 필터에 의해 감쇠시키거나, 또는 저지하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 필터가,
    상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 전기적 부재측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과,
    상기 공심 솔레노이드 코일의 권선 사이에 둘레 방향의 복수 개소에서 국소적으로 들어가 있는 절연성의 빗살과,
    상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과,
    적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체
    를 가지는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공심 솔레노이드 코일이, 축방향에 있어서, 권선 피치가 상이한 제 1 및 제 2 구간을 가지고,
    상기 빗살이, 상기 제 1 및 제 2 구간의 권선 피치를 각각 규정하는 제 1 및 제 2 빗살 피치를 가지는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 구간의 권선 피치는, 상기 제 2 구간의 권선 피치의 2 배 이상 또는 1 / 2 이하인 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 구간의 길이는, 상기 제 2 구간의 길이의 1 / 5 이상이며 5배 이하인, 플라즈마 처리 장치.
  5. 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 소정의 전기적 부재에 선로를 개재하여 전기적으로 접속되는 전력계 또는 신호계의 외부 회로를 가지고, 상기 전기적 부재로부터 상기 외부 회로를 향해 상기 선로로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 상기 선로 상에 마련한 필터에 의해 감쇠시키거나, 또는 저지하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 필터가,
    상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 전기적 부재측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과,
    상기 공심 솔레노이드 코일의 제 1 구간에서 권선 사이에 둘레 방향의 복수 개소에서 국소적으로 들어가 있는 절연성의 빗살과,
    상기 공심 솔레노이드 코일의 제 2 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 코일 튜브와,
    상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과,
    적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체
    를 가지는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 빗살은, 상기 공심 솔레노이드 코일의 외주면에 인접하게 마련되고, 코일축 방향에 있어서 상기 공심 솔레노이드 코일과 평행하게 연장되는 복수 개의 절연체로 이루어지는 봉 형상 부재의 내측면에 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 빗살은, 상기 공심 솔레노이드 코일의 내주면에 인접하게 마련되고, 코일축 방향에 있어서 상기 공심 솔레노이드 코일과 평행하게 연장되는 복수 개의 절연체로 이루어지는 봉 형상 부재의 외측면에 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 빗살은, 상기 공심 솔레노이드 코일 내에 마련되고, 코일 반경 방향에서는 상기 공심 솔레노이드 코일의 내주면에 접촉하도록 방사 형상으로 연장되고, 코일축 방향에서는 상기 공심 솔레노이드 코일과 평행하게 연장되는 복수 매의 절연체로 이루어지는 판 형상 부재의 외측 단면에 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  9. 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 소정의 전기적 부재에 선로를 개재하여 전기적으로 접속되는 전력계 또는 신호계의 외부 회로를 가지고, 상기 전기적 부재로부터 상기 외부 회로를 향해 상기 선로로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 상기 선로 상에 마련한 필터에 의해 감쇠시키거나, 또는 저지하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 필터가,
    상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 전기적 부재측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과,
    상기 공심 솔레노이드 코일의 제 1 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 제 1 비유전율을 가지는 제 1 코일 튜브와,
    상기 공심 솔레노이드 코일의 제 2 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 제 2 비유전율을 가지는 제 2 코일 튜브와,
    상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과,
    적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체
    를 가지는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 비유전율은, 상기 제 2 비유전율의 2 배 이상 또는 1 / 2 이하인 플라즈마 처리 장치.
  11. 제 1 항, 제 5 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 공심 솔레노이드 코일과 상기 코어를 포함하는 코일의 사이의 접속점과 상기 통 형상 도체와의 사이에 전기적으로 접속되는 제 1 콘덴서를 가지는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제 1 항, 제 5 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 코어를 포함하는 코일의 상기 외부 회로측의 단자와 상기 통 형상 도체의 사이에 전기적으로 접속되는 제 2 콘덴서를 가지는 플라즈마 처리 장치.
  13. 제 1 항, 제 5 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 코어를 포함하는 코일은, 트로이덜 코일인 플라즈마 처리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 트로이덜 코일에 있어서, 트로이덜 코어의 내반경을 a, 외반경을 b, 두께를 t로 하면, t ≥ 2(b - a)인 플라즈마 처리 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 트로이덜 코일의 트로이덜 코어는, 일정한 내반경, 외반경 및 두께를 가지는 단체의 트로이덜 코어를 복수 중첩하고 있는 플라즈마 처리 장치.
  16. 제 1 항, 제 5 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 전기적 부재는, 상기 플라즈마 처리를 위하여 이용되는 단일의 고주파 또는 주파수가 상이한 복수의 고주파가 인가되는 고주파 전극에 마련되는 발열체이며,
    상기 외부 회로는, 상기 발열체로 발열용의 전력을 공급하기 위한 히터 전원이며,
    상기 선로는, 상기 히터 전원과 상기 발열체를 전기적으로 접속하는 급전 라인인 플라즈마 처리 장치.
  17. 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 전기적 부재가 상기 처리 용기의 외부에 배치되는 외부 회로에 선로를 개재하여 전기적으로 접속되어 있는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 전기적 부재로부터 상기 외부 회로를 향해 상기 선로로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 감쇠시키거나, 또는 저지하기 위하여 상기 선로의 도중에 마련되는 필터 유닛으로서,
    상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 전기적 부재측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과,
    상기 공심 솔레노이드 코일의 권선 사이에 둘레 방향의 복수 개소에서 국소적으로 들어가 있는 절연성의 빗살과,
    상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과,
    적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체
    를 가지는 필터 유닛.
  18. 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 제 1 전극에 마련되어 있는 발열체가 상기 처리 용기의 외부에 배치되는 히터 전원에 급전 라인을 개재하여 전기적으로 접속되어 있는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 발열체로부터 상기 히터 전원을 향해 상기 급전 라인으로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 감쇠시키거나, 또는 저지하기 위하여 상기 급전 라인의 도중에 마련되는 필터 유닛으로서,
    상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 발열체측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과,
    상기 공심 솔레노이드 코일의 제 1 구간에서 권선 사이에 둘레 방향의 복수 개소에서 국소적으로 들어가 있는 절연성의 빗살과,
    상기 공심 솔레노이드 코일의 제 2 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 코일 튜브와,
    상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과,
    적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체를 가지는 필터 유닛.
  19. 플라즈마 처리가 행해지는 처리 용기 내의 전기적 부재가 상기 처리 용기의 외부에 배치되는 외부 회로에 선로를 개재하여 전기적으로 접속되어 있는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 전기적 부재로부터 상기 외부 회로를 향해 상기 선로로 들어오는 주파수가 상이한 복수의 고주파의 노이즈를 감쇠시키거나, 또는 저지하기 위하여 상기 선로의 도중에 마련되는 필터 유닛으로서,
    상기 복수의 고주파의 노이즈 중에서, 주파수가 가장 낮은 고주파를 제외한 1 개 또는 복수의 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 전기적 부재측에서 봤을 때 초단에 마련되는 공심 솔레노이드 코일과,
    상기 공심 솔레노이드 코일의 제 1 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 제 1 비유전율을 가지는 제 1 코일 튜브와,
    상기 공심 솔레노이드 코일의 제 2 구간에서 권선 사이를 둘레 방향의 전역에서 차폐하는 제 2 비유전율을 가지는 제 2 코일 튜브와,
    상기 주파수가 가장 낮은 고주파의 노이즈를 차단하기 위하여, 상기 공심 솔레노이드 코일과 직렬로 접속되는 코어를 포함하는 코일과,
    적어도 상기 공심 솔레노이드 코일을 수용 또는 포위하고, 상기 공심 솔레노이드 코일과 조합되어 복수의 주파수에서 병렬 공진을 이루는 분포 정수 선로를 형성하는 통 형상의 도체를 가지는 필터 유닛.
  20. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기적 부재는, 상기 플라즈마 처리를 위하여 이용되는 단일의 고주파 또는 주파수가 상이한 복수의 고주파가 인가되는 고주파 전극에 마련되는 발열체이며,
    상기 외부 회로는, 상기 발열체로 발열용의 전력을 공급하기 위한 히터 전원이며,
    상기 선로는, 상기 히터 전원과 상기 발열체를 전기적으로 접속하는 급전 라인인 필터 유닛.
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