KR20210010349A - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

Abstract

예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치는, 챔버, 마이크로파 발생기, 안테나, 및 동축 도파로를 구비한다. 안테나는, 챔버 내에 마이크로파를 방사하도록 구성되어 있다. 동축 도파로는, 마이크로파 발생기로부터 출력되는 마이크로파를 마이크로파 발생기와 안테나의 사이에서 전파하도록 구성되어 있다. 동축 도파로를 구성하는 하나 이상의 동축 관 각각의 내도체의 외주면의 직경 d 및 외도체의 내주면의 직경 D는, D+d≤76.3mm, d≥21mm, 및 D≥3.71×(R+1)/log₁₀(R)을 충족시킨다. R은 D/d이다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 개시의 예시적 실시형태는, 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

플라즈마 처리 장치가 기판의 플라즈마 처리를 위하여 이용되고 있다. 플라즈마 처리 장치로서는, 일본 공개특허공보 2018-78010호(이하, "특허문헌 1"이라고 함)에 기재되어 있는 바와 같이, 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 생성하는 것이 알려져 있다. 특허문헌 1에 기재된 플라즈마 처리 장치는, 챔버, 안테나, 및 마이크로파 발생기를 구비하고 있다. 안테나는, 마이크로파를 챔버 내에 방사한다. 마이크로파 발생기와 안테나는, 직사각형 도파관 및 동축 관을 통하여 접속되어 있다. 직사각형 도파관과 동축 관의 사이에는, 마이크로파의 모드를 변환하는 변환기가 필요하다.

본 개시는, 마이크로파 발생기와 안테나의 사이의 도파로를 배치하는 스페이스를 작게 하고, 또한 안테나에 공급하는 마이크로파의 전계 분포의 편향을 적게 하는 기술을 제공한다.

하나의 예시적 실시형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치가 제공된다. 플라즈마 처리 장치는, 챔버, 마이크로파 발생기, 안테나, 및 동축 도파로를 구비한다. 안테나는, 챔버 내에 마이크로파를 방사하도록 구성되어 있다. 동축 도파로는, 마이크로파 발생기로부터 출력되는 마이크로파를 마이크로파 발생기와 안테나의 사이에서 전파하도록 구성되어 있다. 동축 도파로를 구성하는 하나 이상의 동축 관 각각의 내도체의 외주면의 직경 d 및 외도체의 내주면의 직경 D는, D+d≤76.3mm, d≥21mm, 및 D≥3.71×(R+1)/log₁₀(R)을 충족시킨다. R은 D/d이다.

하나의 예시적 실시형태에 의하면, 마이크로파 발생기와 안테나의 사이의 도파로를 배치하는 스페이스를 작게 하고, 또한 안테나에 공급하는 마이크로파의 전계 분포의 편향을 적게 하는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

도 1은, 하나의 예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 2는, 하나의 예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 마이크로파 발생기의 구성을, 동축 도파로 및 안테나와 함께 나타내는 도이다.
도 3은, 하나의 예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치의 파형 발생기에 있어서의 마이크로파의 생성 원리의 일례를 나타내는 도이다.
도 4는, 하나의 예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 하나 이상의 동축 관의 단면도이다.
도 5는, 하나의 예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 동축 도파로의 하나 이상의 동축 관의 내도체의 외주면의 직경 및 외도체의 내주면의 직경이 충족시켜야 하는 조건을 나타내는 도이다.

이하, 다양한 예시적 실시형태에 대하여 설명한다.

하나의 예시적 실시형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치가 제공된다. 플라즈마 처리 장치는, 챔버, 마이크로파 발생기, 안테나, 및 동축 도파로를 구비한다. 안테나는, 챔버 내에 마이크로파를 방사하도록 구성되어 있다. 동축 도파로는, 마이크로파 발생기로부터 출력되는 마이크로파를 마이크로파 발생기와 안테나의 사이에서 전파하도록 구성되어 있다. 동축 도파로를 구성하는 하나 이상의 동축 관 각각의 내도체의 외주면의 직경 d 및 외도체의 내주면의 직경 D는, 이하의 식 (1), 식 (2), 및 식 (3)을 충족시킨다.

식 (3)에 있어서의 R은 D/d이다.

상기 실시형태의 플라즈마 처리 장치에서는, 마이크로파 발생기와 안테나가 동축 도파로에서 서로 접속되어 있다. 따라서, 도파관과 동축 관의 사이에서 마이크로파의 모드를 변환하는 변환기가 불필요하다. 따라서, 이 플라즈마 처리 장치에 의하면, 마이크로파 발생기와 안테나의 사이의 도파로를 배치하는 스페이스를 작게 하는 것이 가능해진다. 또, 마이크로파 발생기와 안테나가 동축 도파로에서 서로 접속되어 있으므로, 안테나에 공급하는 마이크로파의 전계 분포의 편향을 적게 하는 것이 가능하다. 또, D+d≤76.3mm를 충족시킴으로써, 2500MHz보다 큰 주파수를 갖는 고차 모드의 발생이 억제된다. 또, d≥21mm를 충족시킴으로써, 4kW 이상의 허용 전력이 얻어진다. 또, D≥3.71×(R+1)/log₁₀(R)을 충족시킴으로써, 동축 도파로 내에서의 단위 길이당 마이크로파의 감쇠율이 1% 이하가 된다. 또한, 상기 식 (1), 식 (2), 및 식 (3)을 충족시키는 경우에는, 10kW 이상에서의 방전 전력이 얻어지고 있다.

하나의 예시적 실시형태에 있어서, 마이크로파 발생기와 안테나는, 동축 도파로만으로 접속되어 있다.

하나의 예시적 실시형태에 있어서, 동축 도파로의 특성 임피던스는, 50Ω 이외여도 된다.

이하, 도면을 참조하여 다양한 예시적 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일하거나 또는 상당한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이기로 한다.

도 1은, 하나의 예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도이다. 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)는, 챔버(12), 마이크로파 발생기(16), 안테나(18), 및 동축 도파로(21)를 구비하고 있다.

챔버(12)는, 그 내부에 처리 공간(S)을 제공하고 있다. 챔버(12)는, 측벽(12a) 및 바닥부(12b)를 갖는다. 측벽(12a)은, 대략 통 형상으로 형성되어 있다. 측벽(12a)의 중심 축선은, 연직 방향으로 뻗는 축선(Z)에 대략 일치한다. 바닥부(12b)는, 측벽(12a)의 하단 측에 마련되어 있다. 바닥부(12b)에는, 배기용 배기 구멍(12h)이 마련되어 있다. 또, 측벽(12a)의 상단부는, 개구를 제공하고 있다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 유전체창(20)을 더 구비할 수 있다. 유전체창(20)은, 측벽(12a)의 상단부 위에 마련되어 있다. 유전체창(20)은, 하면(20a)을 갖는다. 하면(20a)은, 처리 공간(S)을 상방으로부터 구획 형성하고 있다. 유전체창(20)은, 측벽(12a)의 상단부의 개구를 폐쇄하고 있다. 이 유전체창(20)과 측벽(12a)의 상단부의 사이에는, O 링과 같은 봉지(封止) 부재(19)가 개재되어 있어도 된다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 스테이지(14)를 더 구비할 수 있다. 스테이지(14)는, 처리 공간(S) 내에 마련되어 있다. 스테이지(14)는, 연직 방향에 있어서 유전체창(20)과 대면하고 있다. 또, 스테이지(14)는, 유전체창(20)과 해당 스테이지(14)의 사이에 처리 공간(S)을 사이에 두도록 마련되어 있다. 스테이지(14)는, 그 위에 재치되는 피가공물(WP)(예를 들면, 웨이퍼)을 지지하도록 구성되어 있다. 피가공물(WP)은, 예를 들면 원반 형상을 가질 수 있다.

일 실시형태에 있어서, 스테이지(14)는, 기대(基臺)(14a) 및 정전 척(14c)을 포함하고 있어도 된다. 기대(14a)는, 알루미늄과 같은 도전성의 재료로 형성되어 있다. 기대(14a)는, 대략 원반 형상을 갖고 있다. 기대(14a)의 중심 축선은, 축선(Z)에 대략 일치한다. 기대(14a)는, 통상(筒狀) 지지부(48)에 의하여 지지되어 있다. 통상 지지부(48)는, 바닥부(12b)로부터 상방으로 뻗어 있다. 통상 지지부(48)는, 절연성의 재료로 형성되어 있다. 통상 지지부(50)가, 통상 지지부(48)의 외주를 따라 마련되어 있다. 통상 지지부(50)는, 챔버(12)의 바닥부(12b)로부터 상방으로 뻗어 있다. 통상 지지부(50)는, 도전성을 갖는다. 통상 지지부(50)와 측벽(12a)의 사이에는, 환상의 배기로(51)가 형성되어 있다.

배기로(51) 내에는, 배플판(52)이 마련되어 있다. 배플판(52)은, 환 형상을 갖는다. 배플판(52)에는, 해당 배플판(52)을 판두께 방향으로 관통하는 복수의 관통 구멍이 형성된다. 상술한 배기 구멍(12h)은, 배플판(52)의 하방에 마련되어 있다. 배기 구멍(12h)에는, 배기관(54)을 통하여 배기 장치(56)가 접속되어 있다. 배기 장치(56)는, 자동 압력 제어 밸브 및 터보 분자 펌프와 같은 진공 펌프를 가질 수 있다. 이 배기 장치(56)에 의하여, 처리 공간(S) 내의 압력을 원하는 진공도까지 감압할 수 있다.

기대(14a)는, 고주파 전극을 겸하고 있다. 기대(14a)에는, 급전봉(62) 및 매칭 유닛(60)을 통하여, 고주파 전원(58)이 전기적으로 접속된다. 고주파 전원(58)은, 고주파 전력을 발생시킨다. 고주파 전원(58)에 의하여 발생되는 고주파 전력은, 피가공물(WP)로 끌어들이는 이온의 에너지를 제어하는 데에 적합한 주파수를 갖는다. 이 주파수는, 예를 들면 13.56MHz이다.

매칭 유닛(60)은, 고주파 전원(58)의 출력 임피던스와, 주로 전극, 플라즈마, 및 챔버(12)와 같은 부하 측의 임피던스의 사이에서 정합을 취하기 위한 정합기를 갖는다. 이 정합기는, 자기(自己) 바이어스 생성용 블로킹 콘덴서를 포함할 수 있다.

정전 척(14c)은, 기대(14a) 상에 마련되어 있다. 정전 척(14c)은, 대략 원반 형상을 가질 수 있다. 정전 척(14c)의 중심 축선은, 축선(Z)에 대략 일치한다. 정전 척(14c)은, 피가공물(WP)을 정전 인력으로 유지하도록 구성되어 있다. 정전 척(14c)은, 전극(14d), 절연막(14e), 및 절연막(14f)을 포함할 수 있다. 전극(14d)은, 도전막으로 구성되어 있으며, 절연막(14e)과 절연막(14f)의 사이에 마련되어 있다. 전극(14d)에는, 직류 전원(64)이, 스위치(66) 및 피복선(68)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(64)으로부터의 직류 전압이 전극(14d)에 인가되면, 정전 척(14c)과 피가공물(WP)의 사이에서 정전 인력이 발생한다. 정전 척(14c)은, 발생한 정전 인력에 의하여 피가공물(WP)을 유지한다. 기대(14a) 상에는, 포커스 링(14b)이 마련된다. 피가공물(WP)은, 정전 척(14c) 상, 또한 포커스 링(14b)에 의하여 둘러싸인 영역 내에 배치된다.

기대(14a)의 내부에는, 냉매실(14g)이 마련되어 있다. 냉매실(14g)은, 예를 들면 축선(Z)의 둘레에서 연재되어 있다. 냉매실(14g)에는, 칠러 유닛으로부터의 냉매가 배관(70)을 통하여 공급된다. 냉매실(14g)에 공급된 냉매는, 배관(72)을 통하여 칠러 유닛으로 되돌려진다. 냉매의 온도가 칠러 유닛에 의하여 제어됨으로써, 정전 척(14c)의 온도, 나아가서는 피가공물(WP)의 온도가 제어된다.

스테이지(14)에는, 가스 공급 라인(74)이 형성되어 있다. 가스 공급 라인(74)은, 전열 가스, 예를 들면 He 가스를, 정전 척(14c)의 상면과 피가공물(WP)의 이면의 사이의 간극에 공급하기 위하여 마련되어 있다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 가스 공급계(38)를 더 구비할 수 있다. 가스 공급계(38)는, 처리 공간(S)에 처리 가스를 공급하도록 구성되어 있다. 일 실시형태에 있어서, 가스 공급계(38)는, 도관(36) 및 인젝터(41)를 통하여 처리 공간(S)에 처리 가스를 공급한다. 처리 가스는, 피가공물(WP)을 처리하기 위하여 이용되는 가스이다. 가스 공급계(38)는, 가스원(38a), 밸브(8b), 및 유량 제어기(38c)를 포함할 수 있다. 가스원(38a)은, 처리 가스의 가스원이다. 밸브(8b)는, 예를 들면 개폐 밸브이며, 가스원(38a)으로부터의 처리 가스의 공급 및 공급 정지를 전환하도록 구성되어 있다. 유량 제어기(38c)는, 예를 들면 매스 플로 컨트롤러이며, 가스원(38a)으로부터의 처리 가스의 유량을 조정하도록 구성되어 있다. 가스 공급계(38)는, 도관(36)에 접속되어 있다. 가스 공급계(38)는, 도관(36)에 처리 가스를 출력한다.

인젝터(41)는, 유전체창(20) 내에 형성된 스페이스 내에 배치되어 있다. 인젝터(41)는, 도관(36)으로부터의 가스를 유전체창(20)에 형성된 구멍(20h)에 출력한다. 구멍(20h)에 출력된 가스는, 처리 공간(S)에 공급된다.

마이크로파 발생기(16)는, 챔버(12) 내에 공급되는 가스를 여기시키기 위한 마이크로파를 발생하도록 구성되어 있다. 마이크로파 발생기(16)는, 동축 도파로(21)를 통하여 안테나(18)에 접속되어 있다. 동축 도파로(21)는, 마이크로파 발생기(16)로부터 출력되는 마이크로파를 마이크로파 발생기(16)와 안테나(18)의 사이에서 전파하도록 구성되어 있다. 안테나(18)는, 유전체창(20)의 하면(20a)의 반대 측의 면(20b) 상에 마련된다. 안테나(18)는, 유전체창(20)을 통하여, 챔버(12) 내에(즉, 처리 공간(S)에), 마이크로파를 방사하도록 구성되어 있다.

안테나(18)로부터 유전체창(20)을 통하여 처리 공간(S)에 방사되는 마이크로파는, 챔버(12) 내의 처리 가스를 여기시킨다. 이로써, 처리 공간(S) 내에서 처리 가스로부터 플라즈마가 생성된다. 피가공물(WP)은, 생성된 플라즈마로부터의 이온 및/또는 라디칼과 같은 화학종에 의하여 처리된다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 제어기(100)를 더 구비한다. 제어기(100)는, 플라즈마 처리 장치(1)의 각부(各部)를 총괄 제어한다. 제어기(100)는, CPU와 같은 프로세서, 유저 인터페이스, 및 기억부를 구비할 수 있다.

프로세서는, 기억부에 기억된 프로그램 및 프로세스 레시피를 실행함으로써, 마이크로파 발생기(16), 스테이지(14), 가스 공급계(38), 배기 장치(56) 등의 각부를 총괄 제어한다.

유저 인터페이스는, 공정 관리자가 플라즈마 처리 장치(1)를 관리하기 위하여 커맨드의 입력 조작 등을 실시하는 키보드 또는 터치 패널, 플라즈마 처리 장치(1)의 가동 상황 등을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등을 포함하고 있다.

기억부에는, 플라즈마 처리 장치(1)에서 실행되는 각종 처리를 프로세서의 제어에 의하여 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어), 및 처리 조건 데이터 등을 포함하는 프로세스 레시피 등이 보존된다. 프로세서는, 유저 인터페이스로부터의 지시 등, 필요에 따라, 각종 제어 프로그램을 기억부로부터 호출하여 실행한다. 이와 같은 프로세서의 제어하에서, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서 원하는 처리가 실행된다.

이하, 도 1과 함께 도 2를 참조하여, 마이크로파 발생기(16), 안테나(18), 및 동축 도파로(21)에 대하여 상세하게 설명한다. 도 2는, 하나의 예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 마이크로파 발생기의 구성을, 동축 도파로 및 안테나와 함께 나타내는 도이다.

일 실시형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치(1)는, 마이크로파 발생기(16)로부터 출력되는 마이크로파의 주파수, 파워, 및 대역폭을 가변으로 조정하도록 구성되어 있다. 플라즈마 처리 장치(1)는, 예를 들면 마이크로파의 대역폭을 대략 0으로 설정함으로써, 단일 주파수의 마이크로파를 발생시킬 수 있다. 또, 플라즈마 처리 장치(1)는, 그 중에 복수의 주파수 성분을 갖는 대역폭을 가진 마이크로파를 발생시킬 수 있다. 이들 복수의 주파수 성분의 파워는 동일한 파워여도 되고, 대역 내의 중앙 주파수 성분만이 다른 주파수 성분의 파워보다 큰 파워를 갖고 있어도 된다. 일례에 있어서, 플라즈마 처리 장치(1)는, 마이크로파의 파워를 0W~5000W의 범위 내에서 조정할 수 있다. 플라즈마 처리 장치(1)는, 마이크로파의 주파수 또는 중앙 주파수를 2400MHz~2500MHz의 범위 내에서 조정할 수 있다. 또, 플라즈마 처리 장치(1)는, 마이크로파의 대역폭을 0MHz~400MHz의 범위에서 조정할 수 있다. 또, 플라즈마 처리 장치(1)는, 대역 내에 있어서의 마이크로파의 복수의 주파수 성분의 주파수의 피치(캐리어 피치)를 0~25kHz의 범위 내에서 조정할 수 있다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 발생기(16)는, 파형 발생기(101) 및 제어기(102)에 접속되어 있다. 파형 발생기(101)는, 제어기(102)에 의하여 지정된 설정 주파수 및 설정 대역폭에 각각 대응한 중앙 주파수 및 대역폭을 갖는 마이크로파를 발생시킨다. 설정 주파수 및 설정 대역폭은, 레시피에 근거하여 제어기(100)로부터 제어기(102)로 지정된다.

도 3은, 하나의 예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치의 파형 발생기에 있어서의 마이크로파의 생성 원리의 일례를 나타내는 도이다. 일 실시형태에 있어서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 파형 발생기(101)는, PLL(Phase Locked Loop) 발진기 및 IQ 디지털 변조기를 갖는다. PLL 발진기는, 기준 주파수와 위상을 동기(同期)시킨 마이크로파를 발진한다. IQ 디지털 변조기는, PLL 발진기에 접속되어 있다. 파형 발생기(101)는, PLL 발진기에 있어서 발진되는 마이크로파의 주파수를 제어기(102)에 의하여 지정된 설정 주파수로 설정한다. 그리고, 파형 발생기(101)는, PLL 발진기로부터의 마이크로파와, 해당 PLL 발진기로부터의 마이크로파는 90°의 위상차를 갖는 마이크로파를, IQ 디지털 변조기를 이용하여 변조한다. 이로써, 파형 발생기(101)는, 대역 내에 있어서 복수의 주파수 성분을 갖는 마이크로파 또는 단일 주파수의 마이크로파를 생성한다.

파형 발생기(101)는, 예를 들면 N개의 복소 데이터 심볼에 대한 역이산 푸리에 변환을 행하여 연속 신호를 생성함으로써, 복수의 주파수 성분을 갖는 마이크로파를 생성하는 것이 가능하다. 이 신호의 생성 방법은, 디지털 텔레비전 방송 등에서 이용되는 OFDMA(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) 변조 방식과 동일한 방법일 수 있다.

일례에서는, 파형 발생기(101)는, 미리 디지털화된 부호의 열로 나타난 파형 데이터를 갖는다. 파형 발생기(101)는, 파형 데이터를 양자화하고, 양자화한 데이터에 대하여 역푸리에 변환을 적용함으로써, I 데이터와 Q 데이터를 생성한다. 그리고, 파형 발생기(101)는, I 데이터 및 Q 데이터의 각각에, D/A(Digital/Analog) 변환을 적용하여, 2개의 아날로그 신호를 얻는다. 파형 발생기(101)는, 이들 아날로그 신호를, 저주파 성분만을 통과시키는 LPF(로 패스 필터)에 입력한다. 파형 발생기(101)는, LPF로부터 출력된 2개의 아날로그 신호를, PLL 발진기로부터의 마이크로파, PLL 발진기로부터의 마이크로파와는 90°의 위상차를 갖는 마이크로파와 각각 믹싱한다. 그리고, 파형 발생기(101)는, 믹싱에 의하여 생성된 마이크로파를 합성한다. 이로써, 파형 발생기(101)는, 하나 또는 복수의 주파수 성분을 갖는 마이크로파를 생성한다. 파형 발생기(101)는, 생성한 마이크로파를 마이크로파 발생기(16)에 출력한다.

일 실시형태에 있어서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 발생기(16)는, 파워 제어부(162), 감쇠기(163), 증폭기(164), 증폭기(165), 및 결합기(166)를 갖는다.

파형 발생기(101)는, 감쇠기(163)에 접속되어 있다. 감쇠기(163)는, 예를 들면 인가 전압값에 의하여 감쇠량(감쇠율)을 변경 가능한 기기이다. 감쇠기(163)에는, 파워 제어부(162)가 접속되어 있다. 파워 제어부(162)는, 프로세서를 가질 수 있다. 파워 제어부(162)는, 제어기(102)로부터 설정 프로파일을 취득한다. 설정 프로파일은, 레시피로 특정된 설정 파워에 따라, 제어기(100)로부터 제어기(102)로 지정된다. 파워 제어부(162)는, 취득한 설정 프로파일에 근거하여, 감쇠기(163)에 있어서의 마이크로파의 감쇠율(감쇠량)을 결정한다. 파워 제어부(162)는, 인가 전압값을 이용하여, 감쇠기(163)에 있어서의 마이크로파의 감쇠율(감쇠량)을, 결정된 감쇠율(감쇠량)로 제어한다. 감쇠기(163)에서는, 마이크로파 발생기(16)에 의하여 출력되는 마이크로파의 파워가 설정 파워에 따른 파워가 되도록, 파형 발생기(101)에 의하여 출력된 마이크로파의 감쇠율(감쇠량)이 조정된다.

감쇠기(163)의 출력은, 증폭기(164) 및 증폭기(165)를 통하여 결합기(166)에 접속된다. 증폭기(164) 및 증폭기(165)는, 마이크로파를 각각에 소정의 증폭률로 증폭한다. 결합기(166)는, 증폭기(165)로부터 출력되는 마이크로파를 동축 도파로(21)에 결합한다.

동축 도파로(21)는, 상술한 바와 같이, 마이크로파 발생기(16)로부터 출력되는 마이크로파를 마이크로파 발생기(16)와 안테나(18)의 사이에서 전파하도록 구성되어 있다. 마이크로파 발생기(16)와 안테나(18)는, 동축 도파로(21)만으로 접속될 수 있다.

동축 도파로(21)는, 하나 이상의 동축 관을 갖고 있다. 하나 이상의 동축 관의 각각은, 내도체 및 외도체를 갖는다. 내도체는, 원기둥상 또는 원통상으로 형성되어 있다. 외도체는, 원통상으로 형성되어 있으며, 내도체의 외측에 있어서 내도체와 동축에 마련되어 있다. 즉, 내도체는, 외도체 중에서 연재되어 있다. 일 실시형태에서는, 동축 도파로(21)는, 하나 이상의 동축 관으로서, 동축 관(21a), 동축 관(21b), 동축 관(21c), 및 동축 관(21d)을 갖고 있다. 동축 관(21a)의 일단(一端)은, 결합기(166)에 접속되어 있다. 동축 관(21a)의 타단(他端)은, 동축 서큘레이터(21e)의 제1 포트에 접속되어 있다. 동축 서큘레이터(21e)는, 제1~제3 포트를 갖는다. 동축 서큘레이터(21e)는, 제1 포트에 입력된 마이크로파를 제2 포트로부터 출력하고, 제2 포트에 입력한 마이크로파를 제3 포트로부터 출력하도록 구성되어 있다.

동축 서큘레이터(21e)의 제2 포트에는, 동축 관(21b)의 일단이 접속되어 있다. 동축 서큘레이터(21e)의 제3 포트에는, 동축 관(21c)의 일단이 접속되어 있다. 동축 관(21c)의 타단은 더미 로드(21f)에 접속되어 있다. 더미 로드(21f)는, 동축 관(21c)을 전파하는 마이크로파를 받아, 해당 마이크로파를 흡수한다. 더미 로드(21f)는, 예를 들면 마이크로파를 열로 변환한다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 제1 동축 방향성 결합기(21g), 제1 검출기(21h), 제2 동축 방향성 결합기(21i), 및 제2 검출기(21j)를 더 구비하고 있어도 된다. 제1 동축 방향성 결합기(21g)는, 동축 관(21a)의 일단과 타단의 사이에 마련되어 있다. 제1 동축 방향성 결합기(21g)는, 마이크로파 발생기(16)로부터 출력되어 동축 관(21a)을 전파하는 마이크로파, 즉 진행파의 일부를 분기시켜, 해당 진행파의 일부를 출력하도록 구성되어 있다. 제1 검출기(21h)는, 제1 동축 방향성 결합기(21g)로부터 출력된 진행파의 일부를 받아, 해당 진행파의 파워에 따른 측정값을 검출하도록 구성되어 있다.

제2 동축 방향성 결합기(21i)는, 동축 관(21c)의 일단과 타단의 사이에 마련되어 있다. 제2 동축 방향성 결합기(21i)는, 동축 관(21c)을 전파하는 마이크로파, 즉 반사파의 일부를 분기시켜, 해당 반사파의 일부를 출력하도록 구성되어 있다. 제2 검출기(21j)는, 제2 동축 방향성 결합기(21i)로부터 출력된 반사파의 일부를 받아, 해당 반사파의 파워에 따른 측정값을 검출하도록 구성되어 있다.

제1 검출기(21h) 및 제2 검출기(21j)는, 파워 제어부(162)에 접속되어 있다. 파워 제어부(162)는, 제1 검출기(21h) 및 제2 검출기(21j)에 의하여 각각 취득된 측정값을 이용하여, 진행파의 파워와 반사파의 파워의 차, 즉 로드 파워(실효 파워)가 설정 파워에 일치하도록, 감쇠기(163)를 제어한다.

동축 관(21b)의 타단은, 동축 관(21d)에 접속되어 있다. 동축 관(21d)의 일단과 타단의 사이에는, 동축 튜너(21k)가 접속되어 있다. 동축 튜너(21k)는, 그 복수의 스터브의 위치를 조정하여, 마이크로파 발생기(16) 측의 임피던스에, 안테나(18) 측의 임피던스를 정합시키도록 구성되어 있다.

안테나(18)는, 슬롯판(30), 유전체판(32), 및 냉각 재킷(34)을 포함하고 있다. 슬롯판(30)은, 유전체창(20)의 면(20b) 상에 마련되어 있다. 슬롯판(30)은, 도전성을 갖는 금속으로 형성되어 있다. 슬롯판(30)은, 대략 원반 형상을 갖는다. 슬롯판(30)의 중심 축선은, 축선(Z)에 대략 일치하고 있다. 슬롯판(30)에는, 복수의 슬롯 구멍(30a)이 형성된다. 복수의 슬롯 구멍(30a)은, 일례에 있어서는, 복수의 슬롯 쌍을 구성한다. 복수의 슬롯 쌍의 각각은, 서로 교차하는 방향으로 뻗는 대략 긴 구멍 형상의 2개의 슬롯 구멍(30a)을 포함한다. 복수의 슬롯 쌍은, 축선(Z) 둘레의 하나 이상의 동심원을 따라 배열된다. 슬롯판(30)의 중앙부에는, 도관(36)이 통과 가능한 관통 구멍(30d)이 형성되어 있다.

유전체판(32)은, 슬롯판(30) 상에 마련되어 있다. 유전체판(32)은, 석영과 같은 유전체 재료로 형성되어 있다. 유전체판(32)은, 대략 원반 형상을 갖는다. 유전체판(32)의 중심 축선은, 축선(Z)에 대략 일치하고 있다. 냉각 재킷(34)은, 유전체판(32) 상에 마련되어 있다. 유전체판(32)은, 냉각 재킷(34)과 슬롯판(30)의 사이에 마련된다.

냉각 재킷(34)의 표면은, 도전성을 갖는다. 냉각 재킷(34)의 내부에는, 유로(34a)가 형성되어 있다. 유로(34a)에는, 냉매가 공급되도록 구성되어 있다. 냉각 재킷(34)의 상부 표면에는, 동축 관(21d)의 외도체의 하단이 접속되어 있다. 동축 관(21d)의 내도체의 하단은, 냉각 재킷(34) 및 유전체판(32)의 중앙 부분에 형성된 구멍을 통과하여, 슬롯판(30)에 접속되어 있다.

일 실시형태에서는, 동축 관(21d)의 내도체는, 원통상으로 형성되어 있다. 상술한 도관(36)은, 동축 관(21d)의 내도체의 내 구멍을 통과하고 있다. 또, 상술한 바와 같이, 슬롯판(30)의 중앙부에는, 도관(36)이 통과 가능한 관통 구멍(30d)이 형성된다. 도관(36)은, 동축 관(21d)의 내도체의 내 구멍을 통과하여 연재되어 있으며, 가스 공급계(38)에 접속되어 있다. 또한, 동축 관(21d)의 내도체는, 그 중을 통과하여 도관(36)이 연재되기 때문에, 중공(中空) 구조를 가질 필요가 있다. 한편, 동축 도파로(21)의 동축 관 중 동축 관(21d) 이외의 동축 관(21a, 21b, 21c) 각각의 내도체는, 중공 구조를 갖지 않아도 된다.

이하, 도 4를 참조한다. 도 4는, 하나의 예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 하나 이상의 동축 관의 단면도이다. 상술한 바와 같이, 동축 도파로(21)는, 하나 이상의 동축 관(200)을 갖고 있다. 일 실시형태에서는, 동축 도파로(21)는, 하나 이상의 동축 관(200)으로서, 동축 관(21a~21d)을 갖고 있다. 상술한 바와 같이, 또, 도 4에 나타내는 바와 같이, 하나 이상의 동축 관(200)의 각각은, 내도체(201) 및 외도체(202)를 포함하고 있다. 하나 이상의 동축 관(200) 각각의 내도체(201)의 외주면의 직경 d 및 외도체(202)의 내주면의 직경 D는, 상기의 식 (1), 식 (2), 및 식 (3)을 충족시킨다.

플라즈마 처리 장치(1)에서는, 마이크로파 발생기(16)와 안테나(18)가 동축 도파로(21)에서 서로 접속되어 있다. 따라서, 도파관과 동축 관의 사이에서 마이크로파의 모드를 변환하는 변환기가 불필요하다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(1)에 의하면, 마이크로파 발생기(16)와 안테나(18)의 사이의 도파로를 배치하는 스페이스를 작게 하는 것이 가능해진다. 또, 마이크로파 발생기(16)와 안테나(18)가 동축 도파로(21)에서 서로 접속되어 있으므로, 안테나(18)에 공급하는 마이크로파의 전계 분포의 편향을 적게 하는 것이 가능하다. 또, D+d≤76.3mm를 충족시킴으로써, 2500MHz보다 큰 주파수를 갖는 고차 모드의 발생이 억제된다. 또, d≥21mm를 충족시킴으로써, 4kW 이상의 허용 전력이 얻어진다. 또, D≥3.71×(R+1)/log₁₀(R)을 충족시킴으로써, 동축 도파로(21) 내에서의 단위 길이당 마이크로파의 감쇠율이 1% 이하가 된다. 또한, 식 (1), 식 (2), 및 식 (3)을 충족시키는 경우에는, 10kW 이상에서의 방전 전력이 얻어지고 있다.

이하, 도 5를 참조한다. 도 5는, 하나의 예시적 실시형태에 관한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 동축 도파로의 하나 이상의 동축 관의 내도체의 외주면의 직경 d 및 외도체의 내주면의 직경 D가 충족시켜야 하는 조건을 나타내는 도이다. 여기에서, 동축 관에 있어서의 차단 파장 λ_C는, 이하의 식 (4)로 나타난다.

식 (4)에 의하면, 2500MHz보다 큰 주파수의 고차 모드의 동축 관 내에 있어서의 발생을 억제하기 위해서는, 이하의 식 (5)가 충족될 필요가 있다.

또한, 식 (5)에 있어서, "C"는 광속이다. 이 식 (5)로부터 식 (1)이 유도된다. 도 5에 있어서, (1)로 나타나는 직선은, 식 (1)을 충족시키는 직경 d 및 직경 D의 세트의 범위의 경계를 나타내고 있다.

또, 동축 관의 허용 전력(전력 용량) P_C는, 이하의 식 (6)으로 나타난다.

식 (6)은, "마이크로파 플라즈마의 기술", 전기 학회·마이크로파 플라즈마 조사 전문 위원회편, 주식회사 오움사, 평성 15년 9월 25일, 제235페이지의 도 6·8로부터 유도된 근사식이다. 식 (6)으로 규정되는 허용 전력이 4000W 이상이기 위해서는, 상기의 (2) 식이 충족될 필요가 있다. 도 5에 있어서, (2)로 나타나는 직선은, 식 (2)를 충족시키는 직경 d 및 직경 D의 세트의 범위의 경계를 나타내고 있다.

또, 동축 관 내에 있어서의 단위 길이당 감쇠 α_C[dB/m]는, 이하의 식 (7)로 나타난다.

식 (7)은, 대학 과정 "마이크로파 공학", 주식회사 오움사, 소화 55년 3월 10일 제1판 제14쇄, 제16페이지의 식 33으로부터 유도된다. 여기에서, F는 마이크로파의 주파수이고, ε_r은 동축 관의 내도체와 외도체의 사이의 매질의 비유전율이며, ρ는 동축 관의 내도체와 외도체의 도전율이고, μ는 동축 관의 내도체와 외도체의 사이의 매질의 투자율이다.

동축 관의 단위 길이당 전력의 감쇠율 α[%/m]는, 이하의 식 (8)로 나타난다.

식 (8)에 있어서, P1은 동축 관의 단위 길이에 있어서의 일단의 전력이고, P2는 해당 단위 길이에 있어서의 타단의 전력이며, P1>P2이다. 식 (8)에 있어서, t는, P2/P1이며, 동축 관 내의 단위 길이당 전력의 통과율[%/m]이다. 따라서, α_C[dB/m]와 t[%/m]의 관계는, 이하의 식 (9)로 나타난다.

이 식 (9)로부터 이하의 식 (10)이 유도된다.

식 (10)을 식 (8)에 대입함으로써, 이하의 식 (11)이 유도된다.

식 (11)을 식 (7)에 대입함으로써, 이하의 식 (12)가 유도된다.

식 (12)에 의하면, 감쇠율 α가 1[%/m] 이하이기 위해서는, 식 (3)이 충족될 필요가 있다. 또한, 식 (3)은, 마이크로파의 주파수 F가 2500MHz, 알루미늄제의 동축 관의 내도체 및 외도체의 도전율 ρ가 2.65×10^8Ω·m, 동축 관의 내도체와 외도체의 사이의 매질의 비유전율 ε_r 및 투자율 μ의 각각이 1인 조건하에서 유도되고 있다.

도 5에 있어서, (3)으로 나타나는 곡선은, 식 (3)을 충족시키는 직경 d 및 직경 D의 세트의 범위의 경계를 나타내고 있다. 여기에서, 동축 관의 특성 임피던스 Z₀는, 이하의 식 (13)으로 나타난다.

식 (13)에 있어서, ε은 동축 관의 내도체와 외도체의 사이의 매질의 유전율이다. 동축 관의 내도체와 외도체의 사이의 매질이 진공 또는 공기인 경우에는, ε은 8.85×10^-12이며, μ는 4π×10^-7이다. 따라서, 동축 관의 내도체와 외도체의 사이의 매질이 진공 또는 공기인 경우에는, 식 (13)으로부터 이하의 식 (14)가 유도된다.

도 5에 있어서 (3)으로 나타나는 곡선은, 식 (14)의 Z₀를 변수로 하여 얻어지는 R을 식 (3)에 대입하여 얻어지는 값, 및 d=D/R의 관계로부터 유도되고 있다.

도 5에 있어서는, 식 (1), 식 (2), 및 식 (3)을 충족시키는 직경 d 및 직경 D의 세트의 범위는, 해칭된 영역으로서 나타나고 있다. 동축 도파로(21)는, 도 5에 있어서 해칭된 영역 내의 직경 d 및 직경 D의 세트를 갖는 동축 관을, 그 하나 이상의 동축 관으로서 채용 가능하다.

일 실시형태에 있어서, 동축 도파로(21)의 특성 임피던스는, 50Ω 이외여도 된다. 식 (14)로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 5에 있어서 해칭된 영역 내에서는, 50Ω의 특성 임피던스를 갖는 내도체의 직경 d와 외도체의 직경 D의 세트의 선택지의 수는, 한정된다. 따라서, 50Ω 이외의 특성 임피던스를 갖는 동축 도파로(21)를 이용함으로써, 그 하나 이상의 동축 관의 설계의 자유도가 높아진다.

이하, 동축 관의 방전 전력에 대하여 고찰한다. 방전 전력 P_S는, 이하의 식 (15)로 나타난다.

식 (15)에 있어서, E_S는 방전 전계이다. 방전 전력 P_S가 지정값 P_SS 이상이기 위해서는, 식 (15)로부터 유도되는 식 (16)이 충족될 필요가 있다.

도 5에 있어서, (16)으로 나타나는 직선은, 방전 전계 E_S가 0.334kV/mm이고, 또한 지정값 P_SS가 10kW인 경우에 식 (16)을 충족시키는 직경 d 및 직경 D의 세트의 범위의 경계를 나타내고 있다. 도 5로부터 명확한 바와 같이, 식 (1), 식 (2), 및 식 (3)이 충족되면, 식 (16)은 자동적으로 충족된다.

이상, 다양한 예시적 실시형태에 대하여 설명해 왔지만, 상술한 예시적 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 생략, 치환, 및 변경이 이루어져도 된다. 또, 다른 실시형태에 있어서의 요소를 조합하여 다른 실시형태를 형성하는 것이 가능하다.

이상의 설명으로부터, 본 개시의 다양한 실시형태는, 설명의 목적으로 본 명세서에서 설명되어 있으며, 본 개시의 범위 및 주지(主旨)로부터 벗어나지 않고 다양한 변경을 할 수 있는 것이, 이해될 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시한 다양한 실시형태는 한정하는 것을 의도하고 있지 않으며, 진정한 범위와 주지는, 첨부의 특허 청구의 범위에 의하여 나타난다.

Claims (3)

1. 챔버와,
   마이크로파 발생기와,
   상기 챔버 내에 마이크로파를 방사하도록 구성된 안테나와,
   마이크로파 발생기로부터 출력되는 마이크로파를 상기 마이크로파 발생기와 상기 안테나의 사이에서 전파하도록 구성된 동축 도파로를 구비하고,
   상기 동축 도파로를 구성하는 하나 이상의 동축 관 각각의 내도체의 외주면의 직경 d 및 외도체의 내주면의 직경 D는, 이하의 식 (1), 식 (2), 및 식 (3)을 충족시키며,
   

   

   
   여기에서, R은 D/d인, 플라즈마 처리 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 마이크로파 발생기와 상기 안테나는, 상기 동축 도파로만으로 접속되어 있는, 플라즈마 처리 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 동축 도파로의 특성 임피던스는, 50Ω 이외인, 플라즈마 처리 장치.

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