KR20160143527A - 전력 합성기 및 마이크로파 도입 기구 - Google Patents

전력 합성기 및 마이크로파 도입 기구 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소형화가 가능하고, 또한 큰 전력의 마이크로파를 충분히 효율적으로 합성할 수 있는 전력 합성기를 제공한다. 복수의 전력 도입 포트(2a, 2b)로부터 급전선(4)을 통해서 공급된 전자파를 전력 합성 안테나(10)를 사용해서 합성한다. 전력 합성 안테나(10)는, 복수의 전력 도입 포트(2a, 2b)의 각각에 있어서 급전선(4)으로부터 전자파가 공급되는 제1 극 및 내측 도체(3)에 접촉하는 제2 극을 갖는 복수의 안테나 부재(11a, 11b)와, 복수의 안테나 부재(11a, 11b)의 양측으로부터 본체부의 내측 도체(3)의 외측을 따라서 링 형상으로 설치되고, 전자파를 반사시키는 반사부(12)를 갖고, 안테나 부재(11a, 11b)에 입사된 전자파와 반사부(12)에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하고, 그 정재파에 의해 상기 본체부 내에서 발생하는 유도 자계 및 유도 전계의 연쇄 작용에 의해 전자파 전력이 합성된다.

Description

전력 합성기 및 마이크로파 도입 기구{POWER COMBINER AND MICROWAVE INTRODUCTION MECHANISM}
본 발명은 전력 합성기 및 그것을 사용한 마이크로파 도입 기구에 관한 것이다.
반도체 디바이스나 액정 표시 장치의 제조 공정에서는, 반도체 웨이퍼나 유리 기판과 같은 피처리 기판에 에칭 처리나 성막 처리 등의 플라즈마 처리를 실시하기 위해서, 플라즈마 에칭 장치나 플라즈마 CVD 성막 장치 등의 플라즈마 처리 장치가 사용된다.
최근 들어, 이러한 플라즈마 처리 장치로서, 챔버의 상부에 소정의 패턴으로 다수의 슬롯이 형성된 평면 안테나를 설치하고, 마이크로파 발생원으로부터 유도된 마이크로파를, 평면 안테나의 슬롯으로부터 방사시킴과 함께, 그 아래에 설치된 유전체로 이루어지는 마이크로파 투과판을 개재해서 진공으로 유지된 챔버 내에 방사하고, 이 마이크로파 전계에 의해 챔버 내에 도입된 가스를 플라즈마화하여, 이렇게 형성된 플라즈마에 의해 반도체 웨이퍼 등의 피처리체를 처리하는 RLSA(등록 상표) 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 주목받고 있다(예를 들어 특허문헌 1).
또한, 마이크로파를 복수로 분배하고, 상기 평면 안테나를 갖는 복수의 안테나 모듈을 통하여 마이크로파를 챔버 내에 유도하여 챔버 내에서 마이크로파를 공간 합성하는 마이크로파 플라즈마원을 갖는 마이크로파 플라즈마 처리 장치도 제안되어 있다(특허문헌 2).
상기 특허문헌 2에서는, 마이크로파 전력과 같은 전자파 전력을 동축 구조의 도파로에 급전하기 위해서 동축 구조의 도파로의 축의 연장선상에 급전 포트를 형성하고, 그곳으로부터 동축선로를 통해서 급전하고 있다.
그러나, 특허문헌 2의 급전 방식에서는, 공급 가능한 전력이 작아, 마이크로파 처리 장치에 필요한 전력을 공급하는 것이 곤란하다.
이에 반해, 특허문헌 3에는, 링 형상 안테나를 이용하여, 동축 구조의 도파로의 측부에 형성된 전력 도입 포트로부터 동축선로를 통해서 해당 도파로에 마이크로파 전력과 같은 전자파 전력을 급전하는 기술이 개시되어 있고, 이 기술을 이용해서, 860MHz 정도의 저주파수의 마이크로파를 사용함으로써, 보다 크게 실용적인 전력을 공급할 수 있다.
최근에는, 특허문헌 3의 급전 기술로 공급 가능한 전력보다도 더 큰 전력이 요구되고 있어, 전력 합성 기술이 검토되고 있다.
이러한 전력 합성 기술로서는, 종래, 「윌킨슨(Wilkinson) 합성기」를 사용한 것으로 알려져 있다. 그러나, 이 기술은, 합성기의 내부에 반사 흡수 저항을 포함하여 대형으로 될 수밖에 없고, 또한 「직접 공급」(전력을 전력으로서 전송)이므로, 전력 손실을 일으키기 쉽고, 발열하기 쉬우므로, 실효 전송 전력이 감소한다는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 특허문헌 4에는, 복수의 전력 도입 포트와, 전력 도입 포트에 각각 설치되고, 공급된 전자파를 상기 본체 용기 내에 방사하는 복수의 급전 안테나와, 복수의 급전 안테나로부터 본체 용기 내에 방사된 전자파를 공간 합성하는 합성부와, 합성부에서 합성된 전자파를 출력하는 출력 포트를 갖는 전력 합성기가 개시되어 있다. 그리고, 급전 안테나는, 전력 도입 포트로부터 전자파가 공급되는 제1 극 및 공급된 전자파를 방사하는 제2 극을 갖는 안테나 본체와, 안테나 본체로부터 측방으로 돌출되도록 설치되고, 전자파를 반사시키는 반사부를 갖고, 안테나 본체에 입사된 전자파와 반사부에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하도록 구성되고, 각 급전 안테나로부터 방사된 정재파인 전자파가 상기 합성부에서 합성되도록 되어 있다.
특허문헌 4에 기재된 전력 합성기는, 내부에 반사 흡수 저항이 불필요하기 때문에, 소형화가 가능하고, 또한 발열의 문제도 발생하지 않는다.
일본 특허 공개 제2007-109457호 공보 국제 공개 제2008/013112호 팸플릿 일본 특허 공개 제2011-166740호 공보 일본 특허 공개 제2009-230915호 공보
그런데, 마이크로파를 전송할 때는, TEM 모드 이외의 고차 모드가 발생하면 마이크로파의 전파 특성이 열화되어버리기 때문에, 고차 모드를 최대한 억제할 필요가 있다. 그러나, 상기 특허문헌 4의 기술에서는, 고차 모드를 충분히 억제할 수 없어, 큰 전력의 마이크로파를 충분히 효율적으로 합성하는 것이 곤란하다.
본 발명은, 소형화가 가능하고, 또한 큰 전력의 마이크로파를 충분히 효율적으로 합성할 수 있는 전력 합성기, 및 그러한 전력 합성기를 사용한 마이크로파 도입 기구를 제공한다.
본 발명의 제1 관점은, 외측 도체와 내측 도체로 이루어지는 동축 구조를 포함하는 본체부와, 상기 외측 도체의 측면에 설치되고, 급전선을 통해서 공급된 전자파 전력을 상기 본체부에 도입하는 복수의 전력 도입 포트와, 상기 복수의 전력 도입 포트로부터 상기 급전선을 통해서 공급된 전자파를 상기 본체부의 외측 도체와 내측 도체와의 사이의 공간에 방사해서 전력을 합성하는 전력 합성 안테나와, 합성된 전자파를 상기 본체부로부터 출력하는 출력 포트를 포함하고, 상기 전력 합성 안테나는, 상기 복수의 전력 도입 포트의 각각에 있어서 상기 급전선으로부터 전자파가 공급되는 제1 극 및 상기 내측 도체에 접촉하는 제2 극을 포함하는 복수의 안테나 부재와, 상기 복수의 안테나 부재의 양측으로부터 상기 내측 도체의 외측을 따라서 링 형상으로 설치되고, 전자파를 반사시키는 반사부를 포함하고, 상기 안테나 부재에 입사된 전자파와 상기 반사부에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하고, 상기 정재파에 의해 상기 본체부 내에서 발생하는 유도 자계 및 유도 전계의 연쇄 작용에 의해 전자파 전력이 합성되어 상기 본체부 내를 전파하여, 상기 출력 포트로부터 출력되는 전력 합성기를 제공한다.
본 발명의 제2 관점은, 챔버 내에 마이크로파에 의해 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 있어서 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 기구로서, 복수의 급전선으로부터 공급된 마이크로파 전력을 합성하는 전력 합성기와, 상기 전력 합성기에서 합성된 마이크로파 전력을 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 포함하는 안테나부와 상기 전력 합성기에서 합성된 마이크로파 전력을 전송함과 함께, 상기 챔버 내의 플라즈마를 포함하는 부하의 임피던스를 마이크로파 전원의 특성 임피던스에 정합시키는 튜너를 포함하고, 상기 전력 합성기는, 외측 도체와 내측 도체로 이루어지는 동축 구조를 포함하는 본체부와, 상기 외측 도체의 측면에 설치되고, 상기 복수의 급전선을 통해서 공급된 마이크로파 전력을 상기 본체부에 도입하는 복수의 전력 도입 포트와, 상기 복수의 전력 도입 포트로부터 상기 복수의 급전선을 통해서 도입된 마이크로파를 상기 본체부의 외측 도체와 내측 도체와의 사이의 공간에 방사해서 상기 마이크로 전력을 합성하는 전력 합성 안테나와, 합성된 마이크로파를 상기 본체부로부터 출력하는 출력 포트를 포함하고, 상기 전력 합성 안테나는, 상기 복수의 전력 도입 포트의 각각에 있어서 상기 급전선으로부터 마이크로파가 공급되는 제1 극 및 상기 내측 도체에 접촉하는 제2 극을 포함하는 복수의 안테나 부재와, 상기 복수의 안테나 부재의 양측으로부터 상기 내측 도체의 외측을 따라서 링 형상으로 설치되고, 마이크로파를 반사시키는 반사부를 포함하고, 상기 안테나 부재에 입사된 마이크로파와 상기 반사부에서 반사된 마이크로파로 정재파를 형성하고, 상기 정재파에 의해 상기 본체부 내에서 발생하는 유도 자계 및 유도 전계의 연쇄 작용에 의해 마이크로파 전력이 합성되어 상기 본체부 내를 전파하여, 상기 출력 포트로부터 출력되는 마이크로파 도입 기구를 제공한다.
상기 전력 합성기로서는, 상기 전력 도입 포트의 수는 2개이며, 서로 대향해서 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 2개의 전력 도입 포트에 각각 설치된 2개의 안테나 부재가 일직선 상에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 전력 합성기는, 상기 복수의 전력 도입 포트로부터, 동일 위상 및 동일 파워의 마이크로파 전력이 공급되는 것이 바람직하다.
상기 전력 합성기는, 상기 출력 포트에 대향해서 상기 본체부의 단부에 설치된 반사판을 더 포함하고, 상기 전력 합성 안테나로부터 공급된 상기 마이크로파 전력을 상기 반사판에서 반사시켜 상기 본체부를 전파시키는 구성으로 할 수 있다. 이 경우에, 상기 반사판과 상기 전력 합성 안테나와의 사이에 설치된 지파재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 튜너로서는, 유전체로 이루어지는 2개의 슬래그를 포함하는 슬래그 튜너를 사용할 수 있다.
상기 안테나부는, 마이크로파를 방사하는 슬롯을 포함하는, 평면 형상을 이루는 평면 슬롯 안테나를 갖는 것이 바람직하다.
상기 안테나부는, 상기 마이크로파 방사 안테나에 도달하는 마이크로파의 파장을 짧게 하기 위한 유전체로 이루어지는 지파재를 포함하고, 상기 지파재의 두께를 조정함으로써, 마이크로파의 위상이 조정되는 것으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력 합성 안테나를 사용해서 전력 도입 포트로부터 급전된 마이크로파 전력을 합성할 때, 안테나 부재의 선단측의 극이 본체부의 내측 도체에 접하고 있고, 또한 반사부가 링 형상을 이루고 있으므로, 이음매가 없어, 이음매에서 강전계가 방사되는 경우가 없다. 이 때문에, 고차 모드의 발생을 억제해서 TEM 모드를 주체로 하는 마이크로파를 출력할 수 있어, 큰 전력이어도 높은 효율로 전자파를 합성할 수 있다. 또한, 전력 도입 포트에 소정의 구조의 급전 안테나를 설치할 뿐이어서, 내부에 반사 흡수 저항이 불필요하므로 소형화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전력 합성기를 도시하는 도면으로서, (a)는 수직 단면도, (b)는 (a)의 AA'선에 의한 수평 단면도이다.
도 2는 전자파 합성의 이론 계산을 행할 때 사용한 모델을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 모델에 있어서, 포트(2, 3)의 전력을 동일하게 한 경우의 위상차와 반사 계수와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 2의 모델에 있어서, 포트(2, 3)의 위상을 동일하게 한 경우의 전력과 반사 계수와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태의 전력 합성기에서 860MHz의 마이크로파의 전력 합성을 행했을 때의 2개의 입력 포트로부터의 입력 파워의 합계값과 출력 파워와의 관계를 시판중인 전력 합성기와 비교해서 도시하는 도면이다.
도 6은 특허문헌 4의 전력 합성기에서 860MHz의 마이크로파의 전력 합성을 행했을 때의 2개의 입력 포트로부터의 입력 파워의 합계값과, 본 발명의 실시 형태의 전력 합성기의 출력에 대한 출력 파워 비율과의 관계를, 본 발명의 실시 형태의 전력 합성기와 비교해서 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전력 합성기를 적용한 마이크로파 도입 기구가 탑재된 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 8은 도 7의 플라즈마 처리 장치에 사용된 마이크로파 플라즈마원의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 9는 마이크로파 도입 기구를 도시하는 단면도이다.
도 10은 도 9의 BB'선에 의한 횡단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
<전력 합성기>
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전력 합성기를 도시하는 도면으로서, (a)는 수직 단면도, (b)는 (a)의 AA'선에 의한 수평 단면도이다. 본 실시 형태의 전력 합성기는, 500 내지 3000MHz의 범위의 마이크로파의 합성에 적용할 수 있는데, 특히, 500 내지 1000MHz의 범위, 예를 들어 860MHz의 주파수가 낮은 영역에서, 전력이 큰 마이크로파의 합성에 적합한 것이다.
전력 합성기(100)는, 통 형상을 이루는 도체로 이루어지는 주관(1)과, 통 형상 또는 기둥 형상을 이루는 도체로 이루어지고, 주관(1)의 내부에 동축 형상으로 설치된 도체로 이루어지는 내측 부재(3)를 구비하고 있다. 주관(1)과 내측 부재(3)는 동축 구조의 본체부를 구성하고 있고, 주관(1)이 외측 도체를 구성하고, 내측 부재(3)가 내측 도체를 구성한다. 주관(1)의 측면에는, 마이크로파 전력을 도입하는 2개의 전력 도입 포트(2a, 2b)가 형성되어 있다. 주관(1)의 한쪽 단부에는 반사판(7)이 설치되어 있고, 다른 쪽 단부는 출력 포트(8)로 되어 있다.
주관(1)의 2개의 전력 도입 포트(2a, 2b)는, 서로 대향해서 형성되어 있고, 이들에는, 각각 내측 도체(5)와 외측 도체(6)로 이루어지는 급전선으로서의 동축선로(4)가 접속되어 있다. 그리고, 각각의 동축선로(4)의 내측 도체(5)의 선단에는, 내측 부재(3)를 향해서 설치된 전력 합성 안테나(10)가 접속되어 있다.
전력 합성 안테나(10)는, 예를 들어 알루미늄 등의 금속판을 절삭 가공한 후, 테플론(등록 상표) 등의 유전체 부재의 틀에 넣어 형성된다. 반사판(7)부터 전력 합성 안테나(10)까지의 사이에는, 반사파의 실효 파장을 짧게 하기 위한 테플론(등록 상표) 등의 유전체로 이루어지는 지파재(9)가 설치되어 있다. 전력 합성 안테나(10)부터 반사판(7)까지의 거리를 최적화하여, 전력 합성 안테나(10)로부터 방사되는 마이크로파(전자파)를 반사판(7)에서 반사시킴으로써, 최대의 전력을 출력할 수 있다. 그 경우, 전력 합성 안테나(10)부터 반사판(7)까지의 거리를 약 λg/4+nλg/2(n은 0 이상의 정수)로 설정한다.
전력 합성 안테나(10)는, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 전력 도입 포트(2a, 2b)에 대응해서 설치된 안테나 부재(11a, 11b)와, 안테나 부재(11a, 11b)에 접속된 반사부(12)를 갖는다.
안테나 부재(11a, 11b)는, 한쪽 극이 전력 도입 포트(2a, 2b)에 있어서 동축선로(4)의 내측 도체(5)에 접속되고, 다른 쪽 극이 내측 부재(3)의 표면에 접촉하고 있어, 한쪽 극에 동축선로(4)로부터 마이크로파가 급전되고, 다른 쪽 극으로부터 마이크로파가 방사된다. 안테나 부재(11a, 11b)는, 동일직선상에 배치되어 있어, 대칭 급전이 가능하게 되어 있다.
반사부(12)는, 안테나 부재(11a, 11b)의 측면으로부터 내측 부재(3)의 외측을 따라서 연장되는 링 형상을 이루고 있다. 그리고, 안테나 부(11a, 11b)에 입사된 마이크로파(전자파)와 반사부(12)에서 반사된 마이크로파(전자파)로 정재파를 형성하도록 반사파의 위상이 조정되어 있다.
전력 합성 안테나(10)로부터 마이크로파(전자파)가 방사됨으로써, 주관(1)과 내측 부재(3)와의 사이의 공간에서 전력 도입 포트(2a 및 2b)로부터 도입된 마이크로파가 합성되고, 주관(1)과 내측 부재(3)와의 사이의 공간을 합성된 마이크로파가 정재파로 되어 전파되어, 출력 포트(8)로부터 출력된다.
그리고, 전력 합성 안테나(10)에 대응하는 부분이 정재파의 배 부분으로 되고, 출력 포트(8)에 대응하는 부분이 정재파의 마디 부분으로 되도록 구성된다. 단, 주파수가 낮은 마이크로파에서는, 직경 방향의 제약 때문에, 전력 합성 안테나(10)부터 반사판(7)까지의 거리를 약 λg/4+nλg/2(n은 0 이상의 정수)로 설정해도 최대 전력이 안되는 경우가 있으며, 그 경우에는, 정재파의 배 부분을 전력 합성 안테나(10)가 아니라, 전력 합성 안테나(10)의 하방으로 유기시키도록, 전력 합성 안테나(10)의 형상을 최적화하는 것이 바람직하다.
이렇게 구성되는 전력 합성기(100)에 있어서는, 동축선로(4)로부터 전파되어 온 마이크로파(전자파)가, 전력 도입 포트(2a, 2b)에 있어서 급전 안테나(10)의 안테나 부재(11a, 11b)의 한쪽 극에 도달하면, 안테나 부재(11a, 11b)를 따라 마이크로파(전자파)가 전파되어 나가, 안테나 부재(11a, 11b)의 선단의 다른 쪽 극으로부터 방사된다. 또한, 안테나 부재(11a, 11b)를 전파하는 전자파가 반사부(12)에서 반사되고, 그것이 안테나 부재(11a, 11b)에 입사된 입사파와 합성된다. 이때 반사파의 위상을 조정하여, 정재파를 발생시킨다. 전력 합성 안테나(10)의 배치 위치에서 정재파가 발생하면, 내측 부재(3)의 내벽을 따라 유도 자계가 발생하고, 그것에 유도되어 유도 전계가 발생하고, 이러한 연쇄 작용에 의해 합성된 마이크로파(전자파)가 정재파로 되어 주관(1)과 내측 부재(3)와의 사이의 공간을 전파하여, 출력 포트(8)로부터 출력된다.
이렇게 전력 합성 안테나(10)를 사용해서 전력 도입 포트(2a 및 2b)로부터 급전된 마이크로파 전력을 합성할 때, 안테나 부재(11a, 11b)의 선단측의 극이 내측 부재(3)에 접하고 있고, 또한 반사부(12)가 링 형상을 이루고 있으므로, 이음매가 없어, 이음매에서 강전계가 방사되는 경우가 없다. 이 때문에, 고차 모드의 발생을 억제해서 TEM 모드를 주체로 하는 마이크로파를 출력할 수 있다. 또한, 전력 도입 포트(2a 및 2b)를 대향해서 형성하고, 안테나 부재(11a, 11b)는 동일직선상에 배치해서 대칭 급전을 행할 수 있도록 되어 있으므로, 고차 모드의 발생을 한층 효과적으로 억제할 수 있다. 이 때문에, 큰 전력이어도 높은 효율로 마이크로파(전자파)를 합성할 수 있다. 이때, 마이크로파 전력 도입 포트(2a 및 2b)로부터 동일 위상 및 동일 파워의 마이크로파 전력을 공급함으로써, 한층 고효율의 전력 합성이 가능하게 된다.
이 점에 대해서, 이하에 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 출력 포트(8)에 대응하는 포트를 포트(1)로 하고, 2개의 전력 도입 포트(2a, 2b)에 대응하는 포트를 포트(2, 3)로 하고, 입력 방향으로 진행하는 전자파의 진폭을 각각 a1, a2, a3으로 하고, 출력 방향으로 진행하는 전자파의 진폭을 각각 b1, b2, b3으로 한 경우에, S 행렬은, 이하의 (1)식과 같이 나타낼 수 있다. 그리고, 포트(2, 3)로부터 전력을 도입해서 합성할 때의 포트(2)에서의 반사 계수는, 이하의 (2)식에 의해 구할 수 있다. (2)식에서, 포트(2, 3)의 입력 전력을 이하의 (3)식으로 두면, 형상 설계 최적화에 의해, (4)식이 유도되고, (4)식으로부터 (5)식이 유도된다. 그리고, 이것을 정리함으로써, 포트(2)의 반사 계수가 (6)식에 의해 얻어진다. 이때 마찬가지의 계산에 의해, 포트(3)의 반사 계수가 (7)식에 의해 얻어진다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상기 (6), (7)식이 전력 합성시의 반사 계수를 나타내는 식이며, 포트(2, 3)의 전력을 동일하게 한 경우의 위상차와 반사 계수와의 관계는 도 3과 같이 되고, 양자의 위상을 동일하게 한 경우의 전력과 반사 계수와의 관계는 도 4에 도시하는 바와 같이 된다. 이로부터, 마이크로파 전력 도입 포트(2a 및 2b)로부터 동일 위상 및 동일 파워의 마이크로파 전력을 공급함으로써, 반사율이 적은 고효율의 전력 합성이 가능하게 된다. 또한, 도 3, 도 4로부터, 반사 계수에 대해서는 위상차의 영향이 크고, 전력의 영향이 작은 것을 알 수 있다. 이 점은, S 파라미터를 사용하여, 유한 요소법을 사용한 의사 뉴턴법에 의해 시뮬레이션을 행한 결과로부터도 뒷받침되었다.
또한, 이와 같이 2개의 전력 도입 포트(2a, 2b)로부터 도입된 마이크로파 전력을, 전력 합성 안테나(10)를 사용하는 것만으로 전력을 합성할 수 있으므로, 내부에 반사 흡수 저항이 불필요해서, 시판중인 전력 합성기보다도 소형의 전력 합성기를 실현할 수 있고, 발열의 문제도 발생하지 않는다.
상기 특허문헌 4에 기재된 전력 합성기는, 안테나를 사용해서 전력을 합성하는 것으로, 소형화가 가능한 기술이지만, 860MHz 정도로 낮은 주파수의 마이크로파를 사용해서 고파워의 전력 합성을 행하는 경우에는, 고효율의 전력 합성이 곤란하다. 즉, 상기 특허문헌 4에 기재된 전력 합성기와 같이 안테나의 반사부로부터 공간에 전계가 방사되는 구조를 사용하여, 고파워의 전력 합성을 행하는 경우에는, TEM 모드 이외의 고차 모드가 발생하여, 고효율로 전력 합성을 행하는 것이 곤란한 것이 새롭게 발견되었다.
이에 반해, 본 실시 형태의 전력 합성기(100)는, 860MHz 정도로 낮은 주파수의 마이크로파를 사용해서 고파워의 전력 합성을 행해도, 고차 모드가 발생하기 어려워, 고효율로 전력 합성을 행할 수 있는 것이 판명되었다.
실제로, 본 실시 형태의 전력 합성기(100)에서 860MHz의 마이크로파의 전력 합성을 행한 결과, 도 5에 도시한 바와 같이, 출력 파워는, 2개의 입력 포트로부터의 입력 파워의 합계에 대하여 90％ 이상이 되어, 시판중인 전력 합성기와 동등한 성능이 얻어지는 것으로 확인되었다. 또한, 상기 특허문헌 4에 기재된 전력 합성기에서 860MHz의 마이크로파의 전력 합성을 행하여 본 실시 형태의 전력 합성기와 비교하였다. 그 결과를 도 6에 도시한다. 도 6은, 횡축에 2개의 입력 포트로부터의 입력 파워의 합계값을 취하고, 종축에 본 실시 형태의 전력 합성기에 있어서 입력 파워의 합계값이 500W일 때의 출력 파워를 100％로 했을 때의 출력 파워 비율을 취하여, 이들의 관계를 도시하는 도면으로서, 특허문헌 4에 기재된 전력 합성기의 입력 파워의 합계값이 500W일 때의 출력 파워 비율은, 88.3％가 되고, 특허문헌 4의 전력 합성기는 본 실시 형태의 전력 합성기보다도 출력 파워가 10％ 이상 낮아지는 것으로 확인되었다.
<플라즈마 처리 장치>
이어서, 이상과 같은 전력 합성기를 적용한 마이크로파 도입 기구에 의해 플라즈마를 생성해서 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 전력 합성기를 적용한 마이크로파 도입 기구가 탑재된 플라즈마 처리 장치의 개략 구성을 도시하는 단면도이며, 도 8은 도 7에 도시한 마이크로파 플라즈마원의 구성을 나타내는 블록이다.
플라즈마 처리 장치(200)는, 피처리체인 반도체 웨이퍼에 대하여 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(101)와, 챔버(101) 내에 마이크로파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원(102)과, 제어부(103)를 갖고 있다.
챔버(101)의 상부에는 개구부(101a)가 형성되어 있고, 마이크로파 플라즈마원(102)의 천장판(90)이 이 개구부(101a)를 덮도록 설치되어 있다.
챔버(101) 내에는 피처리체인 웨이퍼(W)를 수평하게 지지하기 위한 서셉터(111)가, 챔버(101)의 저부 중앙에 절연 부재(112a)를 개재해서 세워 설치된 통 형상의 지지 부재(112)에 의해 지지된 상태로 설치되어 있다. 서셉터(111) 및 지지 부재(112)를 구성하는 재료로서는, 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등이 예시된다.
또한, 도시는 하지 않았지만, 서셉터(111)에는, 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼(W)의 이면에 열전달용의 가스를 공급하는 가스 유로, 및 웨이퍼(W)를 반송하기 위해서 승강하는 승강 핀 등이 설치되어 있다. 또한, 서셉터(111)에는, 정합기(113)를 통해서 고주파 바이어스 전원(114)이 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 바이어스 전원(114)으로부터 서셉터(111)에 고주파 전력이 공급됨으로써, 웨이퍼(W)측에 이온이 인입된다.
챔버(101)의 저부에는 배기관(115)이 접속되어 있고, 이 배기관(115)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(116)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기 장치(116)를 작동시킴으로써 챔버(101) 내가 배기되어, 챔버(101) 내가 소정의 진공도까지 고속으로 감압되는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 챔버(101)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반출입을 행하기 위한 반입출구(117)와, 이 반입출구(117)를 개폐하는 게이트 밸브(118)가 설치되어 있다.
챔버(101) 내의 서셉터(111)의 상방 위치에는, 플라즈마 에칭을 위한 처리 가스를 웨이퍼(W)를 향해서 토출하는 샤워 플레이트(120)가 수평하게 설치되어 있다. 이 샤워 플레이트(120)는, 격자 형상으로 형성된 가스 유로(121)와, 이 가스 유로(121)에 형성된 다수의 가스 토출 구멍(122)을 갖고 있으며, 격자 형상의 가스 유로(121)의 사이는 공간부(123)로 되어 있다. 이 샤워 플레이트(120)의 가스 유로(121)에는 챔버(101)의 외측으로 연장되는 배관(124)이 접속되어 있고, 이 배관(124)에는 처리 가스 공급원(125)이 접속되어 있다.
한편, 챔버(1)의 샤워 플레이트(120)의 상방 위치에는, 링 형상의 플라즈마 가스 도입 부재(126)가 챔버(101)의 벽을 따라 설치되어 있고, 이 플라즈마 가스 도입 부재(126)에는 내주에 다수의 가스 토출 구멍이 형성되어 있다. 이 플라즈마 가스 도입 부재(126)에는, 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급원(127)이 배관(128)을 통해서 접속되어 있다. 플라즈마 가스로서는 Ar 가스 등이 적절하게 사용된다.
플라즈마 가스 도입 부재(126)로부터 챔버(101) 내에 도입된 플라즈마 가스는, 마이크로파 플라즈마원(102)으로부터 챔버(101) 내에 도입된 마이크로파에 의해 플라즈마화되고, 이 Ar 플라즈마가 샤워 플레이트(120)의 공간부(123)를 통과해서 샤워 플레이트(120)의 가스 토출 구멍(122)으로부터 토출된 처리 가스를 여기하여, 처리 가스의 플라즈마를 형성한다.
마이크로파 플라즈마원(102)은, 그 천장판(90)이 챔버(101)의 상부에 설치된 지지 링(129)에 의해 지지되도록 설치되어 있고, 이들의 사이는 기밀하게 시일되어 있다. 천장판(90)은, 진공 시일 및 마이크로파 투과판으로서 기능하고, 금속제의 프레임(91)과, 그 프레임(91)에 끼워 넣어지고, 마이크로파를 투과하는 석영 등의 유전체로 이루어지는 유전체 부재(92)를 갖고 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 마이크로파 플라즈마원(102)은, 복수 경로에 분배해서 마이크로파를 출력하는 마이크로파 출력부(130)와, 복수의 마이크로파 도입 기구에 의해 챔버(101) 내에 마이크로파를 도입하기 위한 마이크로파 도입부(140)와, 마이크로파 출력부(130)로부터 복수 경로에 분배해서 출력된 마이크로파를 마이크로파 도입부(140)의 각 마이크로파 도입 기구에 공급하는 마이크로파 공급부(150)를 갖고 있다.
마이크로파 출력부(130)는, 전원부(131)와, 마이크로파 발진기(132)와, 발진된 마이크로파를 증폭하는 앰프(133)와, 증폭된 마이크로파를 복수로 분배하는 분배기(134)를 갖고 있다.
마이크로파 발진기(132)는, 500 내지 3000MHz 정도, 바람직하게는 500 내지 1000MHz(예를 들어, 860MHz)의 마이크로파를 예를 들어 PLL 발진시킨다. 분배기(134)에서는, 마이크로파의 손실이 가능한 한 일어나지 않도록, 입력측과 출력측의 임피던스 정합을 취하면서 앰프(133)에서 증폭된 마이크로파를 분배한다.
마이크로파 공급부(150)는, 분배기(134)에서 분배된 마이크로파를 주로 증폭하는 복수의 앰프부(142)를 갖는다. 앰프부(142)는, 위상기(145)와, 가변 게인 앰프(146)와, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(147)와, 아이솔레이터(148)를 갖고 있다.
위상기(145)는, 슬래그 튜너에 의해 마이크로파의 위상을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있고, 이것을 조정함으로써 방사 특성을 변조시킬 수 있다. 예를 들어, 각 안테나 모듈마다 위상을 조정함으로써 지향성을 제어해서 플라즈마 분포를 변화시키는 것이나, 후술하는 바와 같이 인접하는 안테나 모듈에 있어서 90°씩 위상을 어긋나게 해서 원편파를 얻을 수 있다. 단, 이러한 방사 특성의 변조가 불필요한 경우에는 위상기(145)는 설치할 필요는 없다.
가변 게인 앰프(146)는, 메인 앰프(147)에 입력하는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하여, 개개의 안테나 모듈의 편차를 조정 또는 플라즈마 강도 조정을 위한 앰프이다. 가변 게인 앰프(146)를 각 안테나 모듈마다 변화시킴으로써, 발생하는 플라즈마에 분포를 발생시킬 수도 있다.
솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프(147)는, 예를 들어 입력 정합 회로와, 반도체 증폭 소자와, 출력 정합 회로와, 고 Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다.
아이솔레이터(148)는, 마이크로파 도입부(140)에서 반사해서 메인 앰프(147)를 향하는 반사 마이크로파를 분리하는 것으로, 써큘레이터와 더미 로드(동축 종단기)를 갖고 있다. 써큘레이터는, 후술하는 안테나부(180)에서 반사한 마이크로파를 더미 로드에 유도하고, 더미 로드는 써큘레이터에 의해 유도된 반사 마이크로파를 열로 변환한다.
마이크로파 도입부(140)는, 챔버(101) 내에 마이크로파를 도입하는 복수의 마이크로파 도입 기구(190)를 갖고 있으며, 각 마이크로파 도입 기구(190)는, 2개의 앰프부(142)에서 증폭된 마이크로파 전력을 합성해서 챔버(101) 내에 출력하도록 되어 있다. 마이크로파 도입 기구(190)는, 전력 합성기(160), 튜너(170), 안테나부(180)를 갖고 있다. 마이크로파 도입 기구(190)의 상세한 구성은 후술한다.
제어부(103)는, 플라즈마 처리 장치(200)의 각 부를 제어하도록 되어 있다. 제어부(103)는, 플라즈마 처리 장치(200)의 프로세스 시퀀스 및 제어 파라미터인 프로세스 레시피를 기억한 기억부나, 입력 수단 및 디스플레이 등을 구비하고 있고, 선택된 프로세스 레시피에 따라서 소정의 제어를 행하는 것이 가능하다.
<마이크로파 도입 기구>
이어서, 마이크로파 도입 기구(190)에 대해서 상세하게 설명한다.
도 9는 마이크로파 도입 기구(190)를 도시하는 단면도, 도 10은 마이크로파 도입 기구(190)에 있어서의 슬래그와 미끄럼 부재를 도시하는 도 9의 BB'선에 의한 횡단면도이다.
마이크로파 도입 기구(190)는, 상술한 바와 같이, 전력 합성기(160)와, 튜너(170)와, 안테나부(180)를 갖고 있으며, 또한 튜너(170)의 슬래그를 구동하는 슬래그 구동부(70)를 갖고 있다.
전력 합성기(160)는, 상술한 도 1의 전력 합성기(100)와 동일한 구조를 갖고 있으며, 도 9 중, 도 1과 동일한 것에는 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다. 도 9의 전력 합성기(160)의 2개의 전력 도입 포트(2a, 2b)에 각각 접속되는 동축선로(4)에는, 마이크로파 공급부(150)의 앰프부(142)에서 증폭된 마이크로파 전력이 전송된다.
튜너(170)는, 외측 도체(52)와 내측 도체(53)로 이루어지는 동축 구조의 전송로(51), 및 외측 도체(52)와 내측 도체(53)와의 사이를 상하로 이동하는 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)를 갖고 있다. 튜너(170)는, 커넥터(15)에 의해 전력 합성기(160)와 연결되고, 외측 도체(52)는 전력 합성기(160)의 주관(1)에 접속되고, 내측 도체(53)는 전력 합성기(160)의 내측 부재(3)에 접속된다. 그리고, 튜너(170)는, 전력 합성기(160)에서 합성된 마이크로파 전력을 안테나부(180)에 유도함과 함께, 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)를 이동시킴으로써, 챔버(1) 내의 플라즈마를 포함하는 부하의 임피던스를 마이크로파 출력부(130)에 있어서의 마이크로파 전원(131)의 특성 임피던스에 정합시키는 것이다.
이들 슬래그 중, 제1 슬래그(61a)는 슬래그 구동부(70)측에 설치되고, 제2 슬래그(61b)는 안테나부(180)측에 설치되어 있고, 이들 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)는, 슬래그 구동부(70)로부터, 전력 합성기(160)의 내측 부재(3)의 내부 공간 및 튜너(170)의 내측 도체(53)의 내부 공간의 길이 방향을 따라서 설치되고, 예를 들어 사다리꼴 나사가 형성된 나사봉으로 이루어지는 슬래그 이동용의 2개의 슬래그 이동 축(64a, 64b)을 회전함으로써 승강되도록 되어 있다.
도 10에 도시한 바와 같이, 제1 슬래그(61a)는, 유전체로 이루어지는 원환 형상을 이루고, 그 내측에 미끄럼성을 갖는 수지로 이루어지는 미끄럼 부재(63)가 끼워 넣어져 있다. 미끄럼 부재(63)에는 슬래그 이동 축(64a)이 나사 결합하는 나사 구멍(65a)과 슬래그 이동 축(64b)이 삽입 관통되는 관통 구멍(65b)이 형성되어 있다. 한편, 제2 슬래그(61b)도 마찬가지로, 나사 구멍(65a)과 관통 구멍(65b)을 갖고 있지만, 슬래그(61a)와는 반대로, 나사 구멍(65a)은 슬래그 이동 축(64b)에 나사 결합되고, 관통 구멍(65b)에는 슬래그 이동 축(64a)이 삽입 관통되도록 되어 있다. 이에 의해 슬래그 이동 축(64a)을 회전시킴으로써 제1 슬래그(61a)가 승강 이동하고, 슬래그 이동 축(64b)을 회전시킴으로써 제2 슬래그(61b)가 승강 이동한다. 즉, 슬래그 이동 축(64a, 64b)과 미끄럼 부재(63)로 이루어지는 나사 기구에 의해 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)가 승강 이동된다.
내측 도체(53)에는 길이 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 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 내주에 맞닿은 상태에서 미끄럼 부재(63)가 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 내부에 끼워 넣어진다. 미끄럼 부재(63)의 외주면은, 내측 도체(53)의 내주면과 여유 없이 접촉하도록 되어 있고, 슬래그 이동 축(64a, 64b)이 회전됨으로써, 미끄럼 부재(63)가 내측 도체(53)를 미끄러져서 승강하도록 되어 있다. 즉, 내측 도체(53)의 내주면이 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 미끄럼 가이드로서 기능한다.
상기 슬래그 이동 축(64a, 64b)은, 전력 합성기(160)의 반사판(7)을 관통해서 슬래그 구동부(70)에 연장되어 있다. 슬래그 이동 축(64a, 64b)과 반사판(7)과의 사이에는 베어링(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 또한, 내측 도체(53)의 하단에는, 도체로 이루어지는 저판(67)이 설치되어 있다.
슬래그 구동부(70)는 하우징(71)을 갖고, 슬래그 이동 축(64a 및 64b)은 하우징(71) 내에 연장되어 있고, 슬래그 이동 축(64a 및 64b)의 상단에는, 각각 기어(72a 및 72b)가 설치되어 있다. 또한, 슬래그 구동부(70)에는, 슬래그 이동 축(64a)을 회전시키는 모터(73a)와, 슬래그 이동 축(64b)을 회전시키는 모터(73b)가 설치되어 있다. 모터(73a)의 축에는 기어(74a)가 설치되고, 모터(73b)의 축에는 기어(74b)가 설치되어 있어, 기어(74a)가 기어(72a)에 교합하고, 기어(74b)가 기어(72b)에 교합하도록 되어 있다. 따라서, 모터(73a)에 의해 기어(74a 및 72a)를 통해서 슬래그 이동 축(64a)이 회전되고, 모터(73b)에 의해 기어(74b 및 72b)를 통해서 슬래그 이동 축(64b)이 회전된다. 또한, 모터(73a, 73b)는 예를 들어 스테핑 모터이다.
또한, 슬래그 이동 축(64b)은, 슬래그 이동 축(64a)보다도 길어, 보다 상방에 달하고 있으며, 따라서, 기어(72a 및 72b)의 위치가 상하로 오프셋하고 있고, 모터(73a 및 73b)도 상하로 오프셋하고 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)의 위에는, 이들의 출력축에 직결되도록, 각각 슬래그(61a 및 61b)의 위치를 검출하기 위한 인크리먼트형의 인코더(75a 및 75b)가 설치되어 있다.
제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 위치는, 슬래그 컨트롤러(68)에 의해 제어된다. 구체적으로는, 도시하지 않은 임피던스 검출기에 의해 검출된 입력 단의 임피던스 값과, 인코더(75a 및 75b)에 의해 검지된 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 위치 정보에 기초하여, 슬래그 컨트롤러(68)가 모터(73a 및 73b)에 제어 신호를 보내어, 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)의 위치를 제어함으로써, 임피던스를 조정하도록 되어 있다. 슬래그 컨트롤러(68)는, 종단이 예를 들어 50Ω이 되도록 임피던스 정합을 실행시킨다. 2개의 슬래그 중 한쪽만을 움직이게 하면, 스미스 차트의 원점을 지나는 궤적을 그리고, 양쪽 동시에 움직이게 하면 위상만이 회전한다.
안테나부(180)는, 마이크로파 방사 안테나로서 기능하는, 평면 형상을 이루고 슬롯(81a)을 갖는 평면 슬롯 안테나(81)와, 평면 슬롯 안테나(81)의 상면에 설치된 지파재(82)를 갖고, 평면 슬롯 안테나(81)에 대응해서 천장판(90)의 유전체 부재(92)가 설치되어 있다. 지파재(82)의 중심에는 도체로 이루어지는 원기둥 부재(82a)가 관통하고 있어, 저판(67)과 평면 슬롯 안테나(81)를 접속하고 있다. 따라서, 튜너(170)의 내측 도체(53)가 저판(67) 및 원기둥 부재(82a)를 통해서 평면 슬롯 안테나(81)에 접속되어 있다. 또한, 외측 도체(52)의 하단은, 평면 슬롯 안테나(81)까지 연장되어 있고, 지파재(82)의 주위는 외측 도체(52)로 덮여 있다. 또한, 평면 슬롯 안테나(81)의 주위는 피복 도체(84)에 의해 덮여 있다.
지파재(82) 및 유전체 부재(92)는, 진공보다도 큰 유전율을 갖고 있으며, 예를 들어 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 구성되어 있고, 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지므로, 마이크로파의 파장을 짧게 해서 안테나를 작게 하는 기능을 갖고 있다. 지파재(82)는, 그 두께에 의해 마이크로파의 위상을 조정할 수 있고, 천장판(90)과 평면 슬롯 안테나(81)의 접합부가 정재파의 「배 부분」으로 되도록 그 두께를 조정한다. 이에 의해, 반사가 최소이고, 평면 슬롯 안테나(81)의 방사 에너지가 최대가 되도록 할 수 있다.
천장판(90)은, 유전체 부재(92)가 프레임(91)에 끼워 넣어져 구성되어 있고, 유전체 부재(92)는, 평면 슬롯 안테나(81)에 접하도록 설치되어 있다. 그리고, 메인 앰프(147)에서 증폭된 마이크로파가 전력 합성기(160)에서 합성되어, 튜너(170)의 내측 도체(53)와 외측 도체(52)의 주위벽의 사이를 지나서 안테나부(180)에 이른다. 안테나부(180)에서는, 마이크로파가 표면파로서 지파재(82)를 투과하여, 평면 슬롯 안테나(81)의 슬롯(81a)으로 전송되고, 또한 천장판(90)의 유전체 부재(92)를 투과하여, 플라즈마에 접하는 유전체 부재(92)의 표면으로 전송되어, 이 표면파에 의해 챔버(1) 내의 공간에 표면파 플라즈마를 생성한다.
평면 슬롯 안테나(81)의 슬롯(81a)은, 균일하면서 또한 고효율로 마이크로파가 방사되도록 적절한 형상 및 치수로 설정된다. 슬롯(81a)의 형상은, 예를 들어 원호 형상으로 된다.
본 실시 형태에서, 메인 앰프(147)와, 튜너(170)와, 평면 슬롯 안테나(81)는 근접 배치되어 있다. 그리고, 튜너(170)와 평면 슬롯 안테나(81)는 1/2 파장 내에 존재하는 집중 상수 회로를 구성하고 있고, 또한 평면 슬롯 안테나(81), 지파재(82), 유전체 부재(92)는 합성 저항이 50Ω으로 설정되어 있으므로, 튜너(170)는 플라즈마 부하에 대하여 직접 튜닝하고 있는 것으로 되어, 효율적으로 플라즈마에 에너지를 전달할 수 있다.
<플라즈마 처리 장치의 동작>
이어서, 이상과 같이 구성되는 플라즈마 처리 장치(200)에 있어서의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 웨이퍼(W)를 챔버(101) 내에 반입하여, 서셉터(111) 위에 적재한다. 그리고, 플라즈마 가스 공급원(127)으로부터 배관(128) 및 플라즈마 가스 도입 부재(126)를 통해서 챔버(101) 내에 플라즈마 가스, 예를 들어 Ar 가스를 도입하면서, 마이크로파 플라즈마원(102)으로부터 마이크로파를 챔버(1) 내에 전송해서 표면파 플라즈마를 생성한다.
그리고, 처리 가스 공급원(125)으로부터 배관(124) 및 샤워 플레이트(120)를 통해서 챔버(101) 내에 처리 가스, 예를 들어 Cl2 가스 등의 에칭 가스가 토출된다. 토출된 처리 가스는, 샤워 플레이트(120)의 공간부(123)를 통과해 온 플라즈마에 의해 여기되어 플라즈마화하고, 이 처리 가스의 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)에 플라즈마 처리, 예를 들어 에칭 처리가 실시된다.
상기 표면파 플라즈마를 생성할 때, 마이크로파 플라즈마원(102)에서는, 마이크로파 출력부(130)의 마이크로파 발진기(132)로부터 발진된 마이크로파 전력은 앰프(133)에서 증폭된 후, 분배기(134)에 의해 복수로 분배되고, 분배된 마이크로파 전력은 마이크로파 공급부(150)를 거쳐서 마이크로파 도입부(140)의 각 마이크로파 도입 기구(190)에 유도된다.
이때, 각 마이크로파 도입 기구(190)에는, 마이크로파 공급부(150)의 2개의 앰프부(142)로부터 동축선로(4)를 통해서 마이크로파 전력이 공급된다. 마이크로파 도입 기구(190)에 있어서는, 2개의 앰프부(142)로부터 공급된 마이크로파 전력이 전력 합성기(160)에서 합성되고, 합성된 마이크로파가 튜너(170)의 전송로(51)를 통해서 안테나부(180)에 이른다. 그때, 튜너(170)의 제1 슬래그(61a) 및 제2 슬래그(61b)에 의해 임피던스가 자동 정합된다. 안테나부(180)에서는, 표면파로서의 마이크로파가 지파재(82)를 투과하여, 평면 슬롯 안테나(81)의 슬롯(81a)으로부터 방사되고, 또한 천장판(90)의 유전체 부재(92)를 투과하여, 플라즈마에 접하는 유전체 부재(92)의 표면으로 전송되고, 이 표면파에 의해 챔버(101) 내의 공간에 표면파 플라즈마가 생성된다.
이와 같이, 각 마이크로파 도입 기구(190)에 전력 합성기(160)를 설치하고, 마이크로파 공급부(150)의 2개의 앰프부(142)로부터의 마이크로파 전력을 합성하여, 안테나부(180)를 통해서 챔버(101)에 마이크로파를 도입하므로, 플라즈마를 생성할 때 큰 전력이 필요한 경우라도 대응이 가능하다. 또한, 하나의 마이크로파 도입 기구(190)로부터 큰 마이크로파 전력을 공급할 수 있으므로, 플라즈마 처리에 필요한 마이크로파 도입 기구(190)의 개수를 저감시키는 것도 가능하게 된다.
또한, 전력 합성기(160)는, 상기 전력 합성기(100)와 동일한 구성을 갖고 있으므로, 시판중인 전력 합성기보다도 소형화가 가능하여, 마이크로파 도입 기구(190)의 대형화를 회피할 수 있다.
또한, 전력 합성기(160)는, 상기 전력 합성기(100)와 마찬가지로, 고차 모드의 발생을 억제해서 TEM 모드를 주체로 하는 마이크로파를 출력할 수 있으므로, 마이크로파를 고효율로 챔버(101) 내에 도입할 수 있어, 고효율의 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 또한, 전력 합성기(160)의 마이크로파 전력 도입 포트(2a 및 2b)로부터 동일 위상 및 동일 전력의 마이크로파 전력을 공급함으로써, 마이크로파의 반사가 실질적으로 존재하지 않아, 매우 고효율의 전력 합성이 실현된다. 마이크로파의 주파수로서는 500 내지 3000MHz라는 넓은 범위에 적용 가능하며, 특히, 고파워가 얻어지는 500 내지 1000MHz, 예를 들어 860MHz의 저주파수의 마이크로파를 사용해도 전력이 부족한 경우에 유효하다.
<다른 적용>
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 사상의 범위 내에서 다양하게 변형 가능하다.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 전력 도입 포트가 2군데인 예를 나타냈지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 본 발명의 전력 합성기를, 챔버 내에 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 사용하는 마이크로파 도입 기구에 적용한 경우를 예로 들어 설명했지만, 이에 한정되지 않고 전자파로서 공급된 전력을 합성할 필요가 있는 용도 전반에 적용 가능하다. 또한, 상기 실시 형태에서는 복수의 마이크로파 도입 기구를 사용한 예를 나타냈지만, 마이크로파 도입 기구는 하나이어도 된다.
1; 주관 2a, 2b; 전력 도입 포트
3; 내측 부재 4; 동축선로
5; 내측 도체 6; 외측 도체
7; 반사판 8; 출력 포트
9; 지파재 10; 전력 합성 안테나
11a, 11b; 안테나 부재 12; 반사부
61a, 61b; 슬래그 70; 슬래그 구동부
81; 평면 슬롯 안테나 82; 지파재
90; 천장판 92; 유전체 부재
100, 160; 전력 합성기 101; 챔버
102; 마이크로파 플라즈마원 130; 마이크로파 출력부
140; 마이크로파 도입부 150; 마이크로파 공급부
170; 튜너 180; 안테나부
190; 마이크로파 도입 기구 200; 플라즈마 처리 장치

Claims (15)

  1. 외측 도체와 내측 도체로 이루어지는 동축 구조를 포함하는 본체부와,
    상기 외측 도체의 측면에 설치되고, 급전선을 통해서 공급된 전자파 전력을 상기 본체부에 도입하는 복수의 전력 도입 포트와,
    상기 복수의 전력 도입 포트로부터 상기 급전선을 통해서 공급된 전자파를 상기 본체부의 외측 도체와 내측 도체와의 사이의 공간에 방사해서 전력을 합성하는 전력 합성 안테나와,
    합성된 전자파를 상기 본체부로부터 출력하는 출력 포트
    를 포함하고,
    상기 전력 합성 안테나는,
    상기 복수의 전력 도입 포트의 각각에 있어서 상기 급전선으로부터 전자파가 공급되는 제1 극 및 상기 내측 도체에 접촉하는 제2 극을 포함하는 복수의 안테나 부재와,
    상기 복수의 안테나 부재의 양측으로부터 상기 내측 도체의 외측을 따라서 링 형상으로 설치되고, 전자파를 반사시키는 반사부
    를 포함하고,
    상기 안테나 부재에 입사된 전자파와 상기 반사부에서 반사된 전자파로 정재파를 형성하고, 상기 정재파에 의해 상기 본체부 내에서 발생하는 유도 자계 및 유도 전계의 연쇄 작용에 의해 전자파 전력이 합성되어 상기 본체부 내를 전파하여, 상기 출력 포트로부터 출력되는 전력 합성기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 도입 포트의 수는 2개이며, 서로 대향해서 형성되어 있는, 전력 합성기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2개의 전력 도입 포트에 각각 설치된 2개의 안테나 부재가 일직선상에 배치되어 있는, 전력 합성기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 전력 도입 포트로부터, 동일 위상 및 동일 파워의 전자파 전력이 공급되는, 전력 합성기.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 포트에 대향해서 상기 본체부의 단부에 설치된 반사판을 더 포함하고, 상기 전력 합성 안테나로부터 공급된 전자파 전력을 상기 반사판에서 반사시켜 상기 본체부를 전파시키는, 전력 합성기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반사판과 상기 전력 합성 안테나와의 사이에 설치된 지파재를 더 포함하는, 전력 합성기.
  7. 챔버 내에 마이크로파에 의해 표면파 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 플라즈마원에 있어서 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 기구로서,
    복수의 급전선으로부터 공급된 마이크로파 전력을 합성하는 전력 합성기와,
    상기 전력 합성기에서 합성된 마이크로파 전력을 상기 챔버 내에 방사하는 마이크로파 방사 안테나를 포함하는 안테나부와,
    상기 전력 합성기에서 합성된 마이크로파 전력을 전송함과 함께, 상기 챔버 내의 플라즈마를 포함하는 부하의 임피던스를 마이크로파 전원의 특성 임피던스에 정합시키는 튜너
    를 포함하고,
    상기 전력 합성기는,
    외측 도체와 내측 도체로 이루어지는 동축 구조를 포함하는 본체부와,
    상기 외측 도체의 측면에 설치되고, 상기 복수의 급전선을 통해서 공급된 마이크로파 전력을 상기 본체부에 도입하는 복수의 전력 도입 포트와,
    상기 복수의 전력 도입 포트로부터 상기 복수의 급전선을 통해서 도입된 마이크로파를 상기 본체부의 외측 도체와 내측 도체와의 사이의 공간에 방사해서 상기 마이크로 전력을 합성하는 전력 합성 안테나와,
    합성된 마이크로파를 상기 본체부로부터 출력하는 출력 포트
    를 포함하고,
    상기 전력 합성 안테나는,
    상기 복수의 전력 도입 포트의 각각에 있어서 상기 급전선으로부터 마이크로파가 공급되는 제1 극 및 상기 내측 도체에 접촉하는 제2 극을 포함하는 복수의 안테나 부재와,
    상기 복수의 안테나 부재의 양측으로부터 상기 내측 도체의 외측을 따라서 링 형상으로 설치되고, 마이크로파를 반사시키는 반사부
    를 포함하고,
    상기 안테나 부재에 입사된 마이크로파와 상기 반사부에서 반사된 마이크로파로 정재파를 형성하고, 상기 정재파에 의해 상기 본체부 내에서 발생하는 유도 자계 및 유도 전계의 연쇄 작용에 의해 마이크로파 전력이 합성되어 상기 본체부 내를 전파하여, 상기 출력 포트로부터 출력되는 마이크로파 도입 기구.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력 합성기에 있어서, 상기 전력 도입 포트의 수는 2개이며, 서로 대향해서 형성되어 있는, 마이크로파 도입 기구.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 합성기에 있어서, 상기 2개의 전력 도입 포트에 각각 설치된 2개의 안테나 부재가 일직선상에 배치되어 있는, 마이크로파 도입 기구.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 합성기는, 상기 복수의 전력 도입 포트로부터, 동일 위상 및 동일 파워의 마이크로파 전력이 공급되는, 마이크로파 도입 기구.
  11. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 합성기는, 상기 출력 포트에 대향해서 상기 본체부의 단부에 설치된 반사판을 더 포함하고, 상기 전력 합성 안테나로부터 공급된 상기 마이크로파 전력을 상기 반사판에서 반사시켜 상기 본체부를 전파시키는, 마이크로파 도입 기구.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반사판과 상기 전력 합성 안테나와의 사이에 설치된 지파재를 더 포함하는, 마이크로파 도입 기구.
  13. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜너는, 유전체로 이루어지는 2개의 슬래그를 포함하는 슬래그 튜너인, 마이크로파 도입 기구.
  14. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나부는, 마이크로파를 방사하는 슬롯을 포함하고, 평면 형상을 이루는 평면 슬롯 안테나를 포함하는, 마이크로파 도입 기구.
  15. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나부는, 상기 마이크로파 방사 안테나에 도달하는 마이크로파의 파장을 짧게 하기 위한 유전체로 이루어지는 지파재를 포함하고, 상기 지파재의 두께를 조정함으로써, 마이크로파의 위상이 조정되는, 마이크로파 도입 기구.
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