KR20210054457A

KR20210054457A - 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법

Info

Publication number: KR20210054457A
Application number: KR1020200141926A
Authority: KR
Inventors: 에이키 가마타; 다로 이케다; 미키오 사토; 노부히코 야마모토
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2021-05-13
Also published as: KR102472488B1; US11967485B2; CN112788826A; JP2021077451A; US20210134560A1

Abstract

본 발명은, 복수의 안테나의 배치에 구애되지 않고, 자유롭게 플라스마 분포 제어를 행할 수 있는 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법을 제공한다. 플라스마 처리 장치는, 기판에 플라스마 처리를 실시하는 처리 공간 및 전자파를 합성하는 합성 공간을 갖는 챔버와, 처리 공간과 합성 공간을 칸막이하는 유전체 창과, 합성 공간에 전자파를 방사하는 복수의 안테나를 갖고, 페이즈드 어레이 안테나로서 기능하는 안테나 유닛과, 안테나 유닛에 전자파를 출력하는 전자파 출력부와, 안테나 유닛을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시키는 제어부를 갖고, 해당 복수의 안테나는 헬리컬 안테나이다.

Description

플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}

본 개시는, 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법에 관한 것이다.

전자파의 파워에 의해 가스를 플라스마화하여, 챔버 내에서 반도체 웨이퍼 등의 기판에 플라스마 처리를 행하는 플라스마 처리 장치가 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 챔버의 천장벽을 구성하는 유전체 부재와, 마이크로파(전자파)를 출력하는 마이크로파 출력부와, 유전체 부재 상에 배치된 복수의 마이크로파 방사 기구를 갖는 플라스마 처리 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 1의 플라스마 처리 장치에서는, 마이크로파 출력부로부터 출력된 마이크로파를, 복수의 마이크로파 방사부의 안테나로부터 유전체 부재를 통해서 챔버 내에 방사하여, 챔버 내에 플라스마를 형성해서 기판에 대하여 플라스마 처리를 행한다.

일본 특허 공개 제2018-181634호 공보

본 개시는, 복수의 안테나의 배치에 구애되지 않고, 자유롭게 플라스마 분포 제어를 행할 수 있는 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법을 제공한다.

본 개시의 일 양태에 따른 플라스마 처리 장치는, 기판에 플라스마 처리를 실시하는 처리 공간 및 전자파를 합성하는 합성 공간을 갖는 챔버와, 상기 처리 공간과 상기 합성 공간을 칸막이하는 유전체 창과, 상기 합성 공간에 전자파를 방사하는 복수의 안테나를 갖고, 페이즈드 어레이 안테나로서 기능하는 안테나 유닛과, 상기 안테나 유닛에 전자파를 출력하는 전자파 출력부와, 상기 안테나 유닛을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시키는 제어부를 갖고, 상기 안테나는 헬리컬 안테나이다.

본 개시에 의하면, 복수의 전자파 방사 기구의 배치에 구애되지 않고, 자유롭게 플라스마 분포 제어를 행할 수 있는 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법이 제공된다.

도 1은 일 실시 형태에 따른 플라스마 처리 장치를 도시하는 단면도이다.
도 2는 전자파 방사부의 상세를 도시하는 단면도이다.
도 3은 도 1의 플라스마 처리 장치에서의 안테나 모듈의 배치를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 도 1의 플라스마 처리 장치에서의 전자파 출력부의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5는 안테나를 구성하는 헬리컬 안테나를 도시하는 사시도이다.
도 6은 합성 공간에 배치되는 헬리컬 안테나에 관한 파라미터를 설명하는 도면이다.
도 7은 복수의 전자파 방사부를 갖고, 위상 제어를 행하지 않는 플라스마 처리 장치의 처리 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 일 실시 형태에 따른 플라스마 처리 장치의 처리 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 일 실시 형태에 따른 플라스마 처리 장치의 전자파의 집광 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 전자파 방사 위치(x)로부터 방사된 전자파의 위치(O)에서의 위상(δ(x))을 좌표로 표시한 도면이다.
도 11은 각 안테나의 배치와 위치(O)에서의 위상을 도시하는 모식도이다.
도 12는 위상 제어에 의해 유전체 창의 집광 부분을 스캔시키는 상태를 도시하는 모식도이다.
도 13은 안테나로서 모노폴 안테나를 사용한 경우에 전자파가 합성 공간의 벽에 반사해서 원하지 않는 집광 부분이 형성되는 상태를 도시하는 모식도이다.
도 14는 안테나로서 모노폴 안테나를 사용한 경우에 인접하는 안테나간에서의 상호 결합이 커져서 안테나에 투입한 전력의 일부가 다른 안테나로부터 돌아오는 상태를 도시하는 모식도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명한다.

<플라스마 처리 장치의 구성>

도 1은, 일 실시 형태에 따른 플라스마 처리 장치를 도시하는 단면도이다.

본 실시 형태의 플라스마 처리 장치(100)는, 전자파(마이크로파)에 의해 표면파 플라스마를 형성하고, 형성된 표면파 플라스마에 의해 기판(W)에 대하여 성막 처리나 에칭 처리 등의 플라스마 처리를 실시하는 것이다. 기판(W)으로서는 전형례로서 반도체 웨이퍼를 들 수 있지만, 이에 한정하지 않고, FPD 기판이나 세라믹스 기판 등의 다른 기판이면 된다.

플라스마 처리 장치(100)는, 챔버(1)와, 안테나 유닛(2)과, 전자파 출력부(3)와, 제어부(4)를 갖는다.

챔버(1)는, 대략 원통상을 이루고, 상부가 개방된 용기부(11)와, 용기부(11)의 상부 개구를 폐색하는 천장판(12)을 갖는다. 챔버(1)는, 알루미늄, 스테인리스강 등의 금속 재료로 형성되어 있다.

챔버(1) 내의 공간은, 유전체 창(13)으로 상하로 칸막이되어 있고, 유전체 창(13)의 상측의 공간이 전자파를 합성하는 합성 공간(14), 하측의 공간이 기판(W)에 대하여 플라스마 처리를 행하는 처리 공간(15)으로 되어 있다. 유전체 창(13)은, 예를 들어 석영, 알루미나(Al₂O₃) 등의 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 형성되어 있다. 합성 공간(14)은 대기 공간이며, 안테나 유닛(2)의 후술하는 복수의 안테나로부터 합성 공간(14)에 전자파가 방사되어, 합성된다. 또한, 처리 공간(15)에는 기판(W)을 수평 상태에서 적재하는 원판 형상을 이루는 스테이지(21)가 마련되고, 그 안에 기판(W)을 처리하기 위한 표면파 플라스마가 형성된다. 처리 공간(15)은, 플라스마 처리 중에는 진공 상태가 된다.

스테이지(21)는, 절연 부재(22)를 통해서 세워 설치된 통상의 지지 부재(23)에 의해 지지되어 있다. 스테이지(21)를 구성하는 재료로서는, 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄 등의 금속이나 세라믹스 등의 유전체 부재가 예시된다. 스테이지(21)에는, 기판(W)을 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 기판(W)의 이면에 열전달용 가스를 공급하는 가스 유로 등이 마련되어도 된다.

또한, 플라스마 처리에 따라서는, 스테이지(21)에 정합기를 통해서 고주파 바이어스 전원이 전기적으로 접속되어도 된다. 고주파 바이어스 전원으로부터 스테이지(21)에 고주파 전력이 공급됨으로써, 기판(W)측에 플라스마 중의 이온이 인입된다.

챔버(1)의 저부에는 배기관(24)이 접속되어 있고, 배기관(24)에는 압력 제어 밸브나 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(25)가 접속되어 있다. 배기 장치(25)를 작동시키면 챔버(1)의 처리 공간(15) 내가 배기되어, 소정의 진공도까지 감압된다. 챔버(1)의 측벽에는, 기판(W)의 반입 및 반출을 행하기 위한 반입출구(26)와, 반입출구(26)를 개폐하는 게이트 밸브(27)가 마련되어 있다.

챔버(1) 측벽의 유전체 창(13) 하방 위치에는, 내부에 링 형상의 가스 유로가 형성되고, 당해 가스 유로로부터 그 내측에 개구되는 복수의 가스 토출 구멍을 갖는 샤워링(28)이 마련되어 있고, 샤워링(28)에는 가스 공급 기구(29)가 접속되어 있다. 가스 공급 기구(29)로부터는, 플라스마 생성 가스로서 사용되는 Ar 가스와 같은 희가스, 및 플라스마 처리를 위한 처리 가스가 공급된다.

안테나 유닛(2)은, 전자파 출력부(3)로부터 출력된 전자파를 챔버(1)의 상방으로부터 챔버(1) 내의 합성 공간(14)에 방사하는 것이며, 복수의 안테나 모듈(31)을 갖고 있다. 안테나 모듈(31)은, 위상기(32)와, 앰프부(33)와, 전자파 방사부(34)를 갖는다. 전자파 방사부(34)는, 앰프부(33)에서 증폭한 전자파를 전송하는 전송로(35)와, 전송로(35)로부터 연장되어, 합성 공간(14)에 전자파를 방사하는 안테나(36)를 갖는다. 안테나(36)는 헬리컬 안테나이다. 안테나 모듈(31)의 위상기(32)와 앰프부(33)는 챔버(1)의 상방에 마련되어 있다.

위상기(32)는, 전자파의 위상을 변화시키는 것이며, 안테나(36)로부터 방사되는 전자파의 위상을 앞서게 하거나 뒤지게 해서 위상을 조정할 수 있도록 구성되어 있다. 위상기(32)에 의해 전자파의 위상을 조정함으로써, 전자파의 간섭을 이용해서 유전체 창(13)의 원하는 위치에 전자파를 집중시키는 것이 가능하다.

앰프부(33)는, 가변 게인 앰프, 솔리드 스테이트 앰프를 구성하는 메인 앰프 및 아이솔레이터를 갖고 있다. 가변 게인 앰프는, 메인 앰프에 입력하는 전자파의 전력 레벨을 조정하여, 개개의 안테나 모듈(31)의 변동을 조정 또는 전자파 강도 조정을 위한 앰프이다. 메인 앰프는, 예를 들어 입력 정합 회로와, 반도체 증폭 소자와, 출력 정합 회로와, 고Q 공진 회로를 갖는 구성으로 할 수 있다. 아이솔레이터는, 안테나(36)에서 반사해서 메인 앰프를 향하는 반사 전자파를 분리하는 것이다.

전자파 방사부(34)의 전송로(35)는, 천장판(12)에 끼워져 있고, 전송로(35)의 하단이 천장판의 내벽과 동일한 높이로 되어 있다. 안테나(36)는, 전송로(35)의 하단으로부터, 그 축이 연직으로 되도록 합성 공간(14) 내로 연장되어 있다. 즉, 안테나(36)는, 합성 공간(14)의 상벽의 내면으로부터 합성 공간(14) 내로 연장되어 있다. 안테나(36)로서는, 구리나 놋쇠, 또는 은 도금된 알루미늄 등을 사용할 수 있다. 안테나(36)를 구성하는 헬리컬 안테나의 상세에 대해서는 후술한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 전송로(35)는, 중심에 배치된 내측 도체(41)와, 그 주위에 배치된 외측 도체(42)와, 이들 사이에 마련된 테플론(등록 상표) 등의 유전체 부재(43)를 갖고, 동축 케이블 형상을 이루고 있다. 부호 44는 슬리브이다. 안테나(36)는, 내측 도체(41)에 접속되어 있다.

복수의 안테나 모듈(31)(전자파 방사부(34))은, 천장판(12)에 대하여 균등하게 마련된다. 안테나 모듈(31)의 수는, 적절한 플라스마가 형성되는 적절한 수로 설정된다. 본 예에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 안테나 모듈(31)(전자파 방사부(34))은 7개 마련되어 있다(도 1에서는 3개만 도시).

각 안테나 모듈(31)의 위상기(32)에 의해 안테나(36)로부터 방사되는 전자파의 위상을 조정함으로써, 전자파의 간섭을 생기게 하여, 유전체 창(13)의 임의의 부분에 전자파를 집중시키는 것이 가능하게 되어 있다. 즉, 안테나 유닛(2)은, 페이즈드 어레이 안테나로서 기능한다.

전자파 출력부(3)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 전원(51)과, 발진기(52)와, 발진된 전자파를 증폭하는 앰프(53)와, 증폭된 전자파를 각 안테나 모듈(31)에 분배하는 분배기(54)를 갖고 있으며, 각 안테나 모듈(31)에 전자파를 출력한다.

발진기(52)는 전자파를 예를 들어 PLL(phase-locked loop) 발진시킨다. 전자파로서는, 예를 들어 860MHz의 주파수의 것을 사용한다. 전자파의 주파수로서는, 860MHz 이외에, 500MHz 내지 3GHz의 범위의 원하는 주파수를 사용할 수 있다. 분배기(54)는 앰프(53)에서 증폭된 전자파를 분배한다.

제어부(4)는 CPU를 갖고 있어, 플라스마 처리 장치(100)에서의 각 구성부를 제어한다. 제어부(4)는, 플라스마 처리 장치(100)의 제어 파라미터 및 처리 레시피를 기억한 기억부나, 입력 수단, 디스플레이 등을 구비하고 있다. 제어부(4)는, 전자파 출력부(3)의 파워나 가스 공급 기구(29)로부터의 가스의 공급 등을 제어한다. 또한, 제어부(4)는, 각 안테나 모듈(31)의 위상기(32)에 제어 신호를 출력하여, 각 안테나 모듈(31)의 전자파 방사부(34)(안테나(36))로부터 방사되는 전자파의 위상을 제어하고, 전자파에 간섭을 생기게 해서 유전체 창(13)의 원하는 부분에 전자파를 집광하도록 제어한다. 즉, 제어부(4)는, 안테나 유닛(2)을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시키도록 제어한다.

제어부(4)에 의한 위상기(32)의 제어는, 예를 들어 미리, 기억부에 각 안테나 모듈의 위상과 전자파의 집광 위치의 관계를 나타내는 테이블을 복수 기억시켜 두고, 고속으로 테이블을 전환함으로써 행할 수 있다.

또한, 안테나 유닛(2), 전자파 출력부(3) 및 제어부(4)는, 플라스마 처리를 위한 플라스마를 생성하는 플라스마원을 구성한다.

[헬리컬 안테나]

이어서, 안테나(36)를 구성하는 헬리컬 안테나에 대해서 설명한다.

안테나(36)를 구성하는 헬리컬 안테나는, 도 5의 사시도로 나타내는 바와 같이, 금속선(61)을 나선상으로 감은 안테나이며, 특정 범위 내의 치수로 나선의 축 방향으로의 지향성이 높은 성질을 갖는다. 이 때문에, 안테나(36)로부터 방사되는 전자파의 방사 성분은 바로 아래 방향이 주체가 되고, 가로 방향으로의 방사 성분이 적으므로, 안테나간의 상호 결합이 적어, 벽에서의 반사도 작다.

또한, 안테나(36)를 구성하는 헬리컬 안테나의 형상 및 배치를 최적화함으로써, 전자파의 간섭을 보다 생기기 쉽게 할 수 있고, 또한 전계 분포 제어의 제어성을 높게 할 수 있다.

도 6은, 합성 공간(14)에 배치되는 헬리컬 안테나에 관한 파라미터를 설명하는 도면이다. 도 6에서는 편의상, 헬리컬 안테나를 2개 배치한 상태를 도시하고 있다. 도면 중 D는 헬리컬 안테나의 직경, P는 헬리컬 안테나의 피치, A는 안테나간의 거리, H는 합성 공간(14)의 높이, H'는 헬리컬 안테나의 하단부터 유전체 창(13)까지의 높이, K는 안테나와 합성 공간(14)의 측벽까지의 거리이다. 또한, 도 6에서는, 헬리컬 안테나의 권취수(N)를 3으로 해서 나타내고 있다.

헬리컬 안테나에서는, 전자파의 파장을 λ로 하면, 1회 권취로 λ가 되도록 설계되어, 직경(D)는 λ/π가 된다. 단, 해당 직경 (D)은, 미세 조정을 위한 10 내지 20％의 범위에서 조절될 수 있다. 안테나간의 거리(A)는, 전자파의 간섭을 생기게 하는 데 적합한 거리이며, 또한 서로 물리적으로 간섭하지 않는 거리인 것이 필요해서, A≤λ/2인 것이 바람직하다.

또한, 헬리컬 안테나의 전형적인 형상에 대해서는, Antennas 2nd edition by John D. Kraus(1988)에 기재되어 있다. 이 문헌의 284페이지에는, 일반적인 헬리컬 안테나에 대해서, 권취수(N)가 N>3으로 기재되어 있고, 또한 헬리컬 안테나의 나선의 각도(α)가, 12°<α<14°로 기재되어 있다. α로부터 피치(P)를 계산하면, λ/5<P<λ/4가 된다. 이 조건은, 전자파 빔의 폭이 작아져, 방사 특성(직진성)이 양호해지는 범위이다.

그러나, 본 실시 형태에서는, 복수의 안테나(36)로부터 방사하는 전자파가 간섭하는 것이 필요하기 때문에, 방사 특성보다도 안테나(36)의 하방에서 전자파의 간섭이 일어나기 쉬운 조건인 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 권취수(N) 및 피치(P)에 대해서는, 일반적인 헬리컬 안테나와는 달리, 권취수(N)가 1 내지 3, 피치(P)가 λ/12 내지 λ/8의 범위(특히 λ/10 정도가 바람직함)가 선택된다.

또한, 전자파를 합성하는 합성 공간(14)은, 상벽과 측벽이 금속으로 둘러싸인 폐쇄 공간이며, 합성 공간의 높이(H)가 너무 크면 전자파의 다중 반사에 의해 도파관 모드가 발생하여, 전계 분포 제어가 곤란해진다. 도파관 모드에는, TM01, TE01 등의 다양한 패턴이 있어, 조건에 따라 어느 것의 패턴이 현출한다. 또한, 높이(H)가 너무 작으면 전자파의 간섭이 생기기 어려워진다. 이 때문에, 합성 공간(14)의 높이(H)는 λ/4 내지 λ/2의 범위가 바람직하다. 또한, 합성 공간(14)의 높이(H)가 상기 범위를 충족해도, 헬리컬 안테나의 하단부터 유전체 창(13)까지의 높이(H')가 너무 크면 다중 반사가 생기고, 너무 작으면 전자파의 간섭이 생기기 어려워지기 때문에, 높이(H')를 규정하는 것이 보다 중요하다. 이러한 점에서, 헬리컬 안테나의 하단부터 유전체 창(13)의 표면까지의 높이(H')는 λ/8 내지 λ/2의 범위가 바람직하다. 또한, 상술한 바와 같이, 헬리컬 안테나는, 축 방향의 지향성이 높기 때문에, 합성 공간(14)의 측벽에서의 반사는 생기기 어렵지만, 안테나와 합성 공간(14)의 측벽까지의 거리(K)가 λ/10보다 작아지면, 측벽에서의 반사의 영향이 생긴다. 이 때문에, K는 λ/10 이상이 바람직하다.

전자파의 파장이 860MHz인 경우, λ=348.6mm이므로, 각 파라미터의 바람직한 범위는 이하와 같이 된다.

직경(D): 88.8 내지 133.2mm((λ/π)±20％로 한 값)

거리(A): 174.3mm 이하

피치(P): 29.1 내지 43.6mm(특히 34.9mm 정도)

높이(H): 87.2 내지 174.3mm

높이(H'): 43.6 내지 174.3mm

거리(K): 34.9mm

<플라스마 처리 장치의 동작>

이어서, 이상과 같이 구성되는 플라스마 처리 장치(100)의 동작에 대해서 설명한다. 이하의 동작은, 제어부(4)에 의한 제어에 기초해서 이루어진다.

최초로, 게이트 밸브(27)를 개방하여 챔버(1)에 인접하는 진공 반송실로부터 반송 장치(모두 도시하지 않음)에 의해 반입출구(26)를 통해서 기판(W)을 진공 배기된 챔버(1)의 처리 공간(15)에 반입하여, 스테이지(21) 상에 적재한다.

게이트 밸브(27)를 닫은 후, 배기 장치(25)에 의해 처리 공간(15)을 소정의 진공 압력으로 조정하여, 가스 공급 기구(29)로부터 처리 공간(15) 내에 플라스마 처리를 위한 가스를 도입하면서, 전자파 출력부(3)로부터 전자파를 출력한다. 전자파 출력부(3)로부터 출력된 전자파는, 안테나 유닛(2)의 복수의 안테나 모듈(31)에 공급되어, 복수의 안테나 모듈(31)의 전자파 방사부(34)로부터 챔버(1)의 합성 공간(14)에 방사된다.

이때, 종래의 복수의 전자파 방사부를 갖는 플라스마 처리 장치와 마찬가지로, 위상 제어를 행하지 않는 도 7의 플라스마 처리 장치(200)에서는, 안테나 유닛(2')의 복수의 전자파 방사부(34)(안테나(36))로부터 방사되는 전자파(E)의 위상은 동일하다. 이 때문에, 도 7에 도시하는 바와 같이, 전자파(E)의 간섭은 생기지 않아, 전자파 방사부(34)에 대응하는 부분의 전계 강도가 높고, 전자파 방사부(34)의 사이의 부분의 전계 강도가 낮아진다. 즉, 전계 강도의 분포는 전자파 방사부(34)의 물리적 배치에 의존하고, 따라서, 플라스마 분포도 전자파 방사부(34)의 물리적 배치에 의존한 강약을 갖는 불균일한 것이 된다.

이에 반해, 본 실시 형태에서는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 제어부(4)로부터 위상기(32)에 제어 신호를 출력함으로써, 각 안테나 모듈(31)의 전자파 방사부(34)(안테나(36))로부터 방사되는 전자파(E)의 위상을 제어한다. 즉, 안테나 유닛(2)을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시킨다. 이에 의해, 합성 공간(14)에서 전자파(E)를 합성할 때, 전자파의 간섭을 생기게 하여, 유전체 창(13)의 원하는 부분에 전자파(E)가 집광하는 부분, 즉 전자파 강도가 높은 부분을 형성할 수 있어, 그 부분에서 국부적으로 전계 강도를 높일 수 있다. 또한, 전자파 방사부(34)로부터 방사되는 전자파(E)의 위상 제어에 의해, 전자파의 집광 부분을 고속으로 이동시킬 수 있다.

유전체 창(13)에 집광된 전자파는, 유전체 창(13)을 투과하여, 그 전계에 의해 가스가 플라스마화되고, 처리 공간(15)에서의 집광 부분의 바로 아래 위치에 플라스마가 집중해서 생성된다. 그리고, 위상 제어에 의해 집광 부분을 고속으로 이동시킴으로써, 전자파 방사부(34)의 물리적 배치에 구애되지 않고, 자유롭게 플라스마 분포 제어를 행할 수 있다.

[위상 제어의 상세]

이어서, 안테나 유닛(2)을 페이즈 어레이 안테나로서 기능시킬 때의 전자파의 위상 제어의 상세에 대해서, 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명한다.

도 9는, 일 실시 형태에 따른 플라스마 처리 장치(100)에서의 집광 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 전자파 방사부(34)로부터의 전자파 방사 위치가 존재하는 천장판(12)의 이면을 방사면(R)으로 하고, 전자파가 조사되는 유전체 창(13)의 표면을 조사면(F)으로 하고, 방사면(R)과 조사면(F)의 거리를 z로 한다. 조사면(F)에서의 전자파를 집광시키고자 하는 위치를 O로 하고, 위치(O)와 대응하는 방사면(R)의 위치를 O'로 한다. 이때, 위치(O')로부터 x만큼 이격된 전자파 방사부(34)로부터 방사되는 전자파의 위상을 생각한다. 집광시키고자 하는 위치(O)와 위치(O')의 거리는 z이며, 위치(O)와 전자파 방사부(34)의 전자파 방사 위치(x)의 거리는, (x²+z²)^1/2이다. 전자파의 파수를 k(=2π/λ(단, λ은 전자파의 파장))로 하고, 위치(x)로부터 방사한 전자파의 위치(O)에서의 위상(즉, 위치(x)로부터 방사한 전자파의 위치(O)에서의 위상의, 위치(O')로부터 방사한 전자파의 위치(O)에서의 위상에 대한 위상차)을 δ(x)로 하면, 이하의 (1)식이 성립된다.

k(x²+z²)^1/2-δ(x)=kz … (1)

(1)식을 변형하면, 위상(δ(x))을 구하는 이하의 (2)식이 얻어진다.

δ(x)=k{(x²+z²)^1/2-z} … (2)

δ(x)를 x의 함수로서 좌표 상에 나타내면 도 10에 도시하는 곡선이 된다.

위상(δ(x))은, 위치(O')로부터 위치(O)에 이르는 전자파와 위치(x)로부터 위치(O)에 이르는 전자파의 진행 방향의 어긋남으로서 파악할 수 있고, 전자파 방사부(34)의 전자파 방사 위치가 위치(O')로부터 이격될수록(즉 x가 커질수록) 커진다. 이 때문에, 위상(δ(x))의 값에 따라서, 전자파 방사부(34)로부터 방사되는 전자파의 위상(θ)을 빠르게 하거나 뒤지게 함으로써, 복수의 전자파 방사부(34)로부터 방사된 전자파를 위치(O)에서 서로 강화하도록 할 수 있다.

예를 들어, 도 11에 도시한 바와 같이, 7개의 전자파 방사부(34a, 34b, 34c, 34d, 34e, 34f, 34g)로 하고, 전자파 방사부(34b)의 전자파 방사 위치가 위치(O')에 존재하고, 다른 전자파 방사부의 전자파 방사 위치가 O'로부터 이격된 위치에 있는 경우를 생각한다. 또한, 도 11에서는 설명의 편의상, 실제의 위치와는 달리, 복수의 전자파 방사부를 가로로 배열한 상태로 도시되어 있다.

전자파 방사부(34a 내지 34g)의 전자파 방사 위치의 x 방향 위치는 xa 내지 xg이며, 이들 위치와 집광하고자 하는 위치(O)의 거리가 다르기 때문에, 동일한 위상에서 전자파를 방사하면, 위치(O)에서 위상의 어긋남이 생겨, 전자파의 간섭이 생기지 않아 전자파 강도를 높일 수 없다. 이 때문에, 각 전자파 방사부(34)로부터 방사되는 전자파의 위상(θ)을, 전자파 방사부(34a 내지 34g)의 x 방향 위치에 따른 위상(위상차)(δ(x))만큼 어긋나게 하여, 각 전자파 방사부로부터 방사된 전자파의 위치(O)에서의 위상을 맞추도록 한다. 이에 의해, 위치(O)에서 전자파의 간섭이 생겨서 전자파가 서로 강화되어, 위치(O)에 전자파를 집광시켜, 국부적으로 전계 강도를 높게 할 수 있다. 도 11에서는, 전자파 방사부(34a, 34b, 34c)로부터 방사된 전자파가 위치(O)에서 위상이 맞아, 간섭에 의해 전자파가 서로 강화되는 조건으로 되어 있는 것을 도시하고 있다.

단, 집광 위치(O)에서 전자파를 서로 강화하도록 하기 위한 위상 제어는, 위치(O)에서 전자파의 간섭에 의해 원하는 전계 강도가 얻어지면, 전자파 방사부(34a 내지 34g) 모두에서 행할 필요는 없고, 2개 이상의 적절한 수의 전자파 방사부에 대해서 행하면 된다. 또한, 상기 설명에서는, 유전체 창(13)에서의 집광하는 위치는 1개이었지만, 이에 한정하지 않고, 동일한 타이밍에 유전체 창(13)에 2개 이상의 위치에 대해서 위상을 서로 강화하는 제어를 행해도 된다.

또한, 전자파 방사부(34)의 중심부터 인접하는 전자파 방사부(34)의 중심까지의 거리는, 전자파의 파장(λ)으로 한 경우에 λ/2보다도 작은 것이 바람직하다. 인접하는 전자파 방사부(34)의 거리(간격)가 λ/2보다 크면, 유전체 창(13)의 집광하고자 하는 위치(O)에서 전자파의 위상을 서로 강화하는 제어를 행하기 어려워지기 때문이다.

이상으로 설명한 전자파의 집광은, 위상 제어에 의한 전자파의 간섭을 이용하는 것이기 때문에, 집광 부분의 이동도 위상 제어만으로 기계적 동작을 수반하지 않고 매우 고속으로 행할 수 있다. 원리 상으로는, 전자파의 주파수와 동일 정도의 속도로 이동시킬 수 있다. 이와 같이, 유전체 창(13) 상에서 전자파의 집광 위치를 고속으로 이동시킴으로써, 유전체 창(13)에서의 전자파의 분포를 균일하게 제어할 수 있어, 유전체 창(13)의 아래의 처리 공간(15)에서 플라스마를 균일하게 생성할 수 있다.

도 12는, 위상 제어에 의한 전자파의 집광 및 집광 부분의 주사의 일례를 도시하는 도면이다. 도 12의 예에서는, 제어부(4)가 위상기(32)를 제어해서(도 12에서는 제어부(4) 및 위상기(32)는 도시하지 않음), 7개의 전자파 방사부(34)로부터 각각 방사되는 전자파의 위상을, 위치(O)에서 서로 강화하도록 제어한다. 이에 의해, 위치(O)를 중심으로 한 영역에 집광 부분(P)이 형성되고, 집광 부분(P)에서 전자파의 전계가 강해지도록 제어된다. 도 12는 이것을 모식적으로 도시하고 있다. 그리고, 위상기(32)에 의한 위상 제어에 의해, 유전체 창(13)의 표면에서, 집광 부분(P)이 직경 방향(L1) 또한 둘레 방향(L2) 등으로 주사되도록, 7개의 전자파 방사부(34)로부터 방사되는 전자파의 위상을 고속으로 제어한다. 이와 같이, 집광 부분(P)을 고속으로 주사시킴으로써, 유전체 창(13)의 아래의 처리 공간(15)에서 플라스마를 균일하게 생성할 수 있다.

또한, 제어부(4)가 위상기(32)를 제어하여, 전자파 방사부(34)로부터 방사되는 전자파의 위상 제어에 의한 집광 부분(P)의 이동 속도를 바꿈으로써, 단위 시간당 평균 전계 분포를 자유롭게 제어할 수 있다. 예를 들어, 집광 부분(P)이, 유전체 창(13)의 외주측에서 상대적으로 저속으로 이동하고, 내주측에서 상대적으로 고속으로 이동하도록 전자파의 위상을 제어한다. 이에 의해, 유전체 창(13)의 외주측의 전계 강도를 내주측의 전계 강도보다도 강하게 할 수 있어, 유전체 창(13)의 아래의 외주측의 플라스마 밀도를 내주의 플라스마 밀도보다도 높게 제어할 수 있다.

위상 제어에 의해 집광 부분을 형성함과 함께 집광 부분을 이동시키는 페이즈드 어레이 안테나 자체는 종래부터 알려져 있으며, 기지국-단말기간 통신이나, 인공위성-이지스함간 통신 등의 통신 분야에서의 빔 포밍에 사용되고 있다. 또한, 페이즈드 어레이 안테나를 플라스마 처리에 사용하는 기술로서는, 일본 특허 공개 제2017-103454호 공보에 기재된 것이 있다. 그러나, 이 기술은, 페이즈드 어레이 안테나로부터의 마이크로파 빔을 반도체 기판 상의 반응 속도의 조정에 사용하는 것이며, 본 실시 형태와 같이 플라스마의 생성 자체에 사용하는 것은 아니다.

[헬리컬 안테나를 사용함으로 인한 효과]

기지국- 단말기간 통신이나, 인공위성-이지스함간 통신 등의 통신 분야에서의 빔 포밍에 사용되는 페이즈드 어레이 안테나는, 개방 공간에서 빔 포밍(전자파 합성)이 행하여진다. 또한, 전자파 방사 안테나로서는 일반적으로 구조가 간단한 모노폴 안테나가 사용된다.

그러나, 플라스마 처리 장치에서의 플라스마의 생성에 페이즈드 어레이 안테나를 사용하는 경우, 전자파의 합성은 폐쇄 공간인 합성 공간(14)에서 행하여진다. 이 때문에, 가로 방향의 방사가 많은 모노폴 안테나로 구성된 안테나(36')를 사용하면, 도 13에 도시하는 바와 같이, 전자파가 합성 공간(14)의 벽에 반사하여, 유전체 창(13) 표면의 예정되어 있는 집광 부분(P) 이외에, 원하지 않는 집광 부분(U)이 형성되는 경우가 있어, 원하는 전자파 분포를 얻기 어려워진다. 이것을 억제하기 위해서는, 안테나(36')를 벽으로부터 이격된 위치에 마련하는 것을 생각할 수 있지만, 장치가 대형화해버린다. 또한, 도 14에 도시하는 바와 같이, 인접하는 안테나(36')간에서의 상호 결합이 커져서, 하나의 안테나에 투입한 전력의 일부는 다른 안테나로부터 돌아와버려, 플라스마 생성의 에너지 효율이 저하되어버린다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 복수의 전자파 방사부(34)의 안테나(36)를 헬리컬 안테나로 구성한다. 헬리컬 안테나는, 지향성이 높은 안테나이며, 방사되는 전자파의 가로 방향으로의 방사 성분을 적게 할 수 있다. 이 때문에, 어레이화한 경우에, 안테나간의 상호 결합이 적어, 플라스마 생성의 에너지 효율을 높게 할 수 있다. 또한, 이러한 전자파 방사의 지향성이 높은 헬리컬 안테나를 사용함으로써, 페이즈드 어레이 안테나에서의 위상 제어에 의한 전자파 분포 제어가 용이하게 된다.

또한, 헬리컬 안테나의 형상 및 배치를 최적화함으로써, 보다 특성이 좋은 페이즈드 어레이 안테나를 실현할 수 있다. 구체적으로는, 도 6에서 설명한 바와 같이, 권취수(N)를 1 내지 3, 피치(P)를 λ/12 내지 λ/8의 범위, 특히 λ/10 정도로 함으로써, 전자파의 간섭을 생기게 하기 쉽게 할 수 있다. 또한, 합성 공간의 높이(H)를 λ/4 내지 λ/2의 범위, 헬리컬 안테나의 하단부터 유전체 창(13)까지의 높이(H')를 λ/8 내지 λ/2의 범위로 함으로써, 다중 반사를 억제한 상태에서, 전자파의 간섭을 확보할 수 있다. 또한, 안테나와 합성 공간(14)의 측벽까지의 거리(K)를 λ/10 이상으로 함으로써 측벽에서의 반사의 영향을 적게 할 수 있다.

<전자계 시뮬레이션 결과>

다음으로 전자계 시뮬레이션에 의해, 안테나 상호간의 결합에 대해서 확인하였다. 여기에서는, 2회 권취의 헬리컬 안테나를 유전체 창의 상방에 4개 균등하게 배치하고, 4개의 헬리컬 안테나로부터 유전체 창의 중앙의 전계 강도가 높아지도록 위상 제어하여 주파수가 860MHz의 전자파를 방사한 경우를 시뮬레이션하였다. 이 때의 안테나간의 상호 결합을 S 파라미터로 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 4개의 헬리컬 안테나에는, 편의상, A1, A2, A3, A4의 부호를 붙이고 있다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 안테나(A1)와 안테나(A2, A3, A4)의 사이의 S 파라미터 값은 작아, 안테나간의 상호 결합이 작은 것으로 확인되었다.

<다른 적용>

이상, 실시 형태에 대해서 설명했지만, 금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 특허 청구 범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 다양한 형태에서 생략, 치환, 변경되어도 된다.

예를 들어, 안테나 모듈의 구성은 상기 실시 형태의 것에 제한하지 않는다. 예를 들어, 위상기를 앰프부보다도 안테나측에 마련해도 되고, 위상기를 앰프부와 일체로 마련해도 된다. 또한, 전자파 출력부의 구성도 상기 실시 형태에 한정하는 것은 아니다.

Claims

기판에 플라스마 처리를 실시하는 처리 공간 및 전자파를 합성하는 합성 공간을 갖는 챔버와,
상기 처리 공간과 상기 합성 공간을 칸막이하는 유전체 창과,
상기 합성 공간에 전자파를 방사하는 복수의 안테나를 갖고, 페이즈드 어레이 안테나로서 기능하는 안테나 유닛과,
상기 안테나 유닛에 전자파를 출력하는 전자파 출력부와,
상기 안테나 유닛을 페이즈드 어레이 안테나로서 기능시키는 제어부를 포함하고,
상기 복수의 안테나는 헬리컬 안테나인, 플라스마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 복수의 안테나로부터 방사되는 복수의 전자파 각각의 위상을, 복수의 상기 전자파가 상기 합성 공간에서 합성되었을 때 간섭에 의해 상기 유전체 창의 표면의 임의의 위치에 집광되어 집광 부분이 형성되도록 제어하는, 플라스마 처리 장치.
제2항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 위상의 제어에 의해 상기 집광 부분을 이동시켜서 상기 처리 공간의 플라스마 분포를 제어하는, 플라스마 처리 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 위상의 제어에 의해 상기 집광 부분의 이동 속도를 변화시켜서, 단위 시간당 평균 전계 분포를 제어하는, 플라스마 처리 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나 유닛은, 상기 복수의 안테나에 각각 대응해서 마련된 복수의 위상기를 갖고, 상기 위상기에 의해 상기 복수의 안테나로부터 방사되는 전자파의 위상이 조정되는, 플라스마 처리 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, λ를 전자파의 파장으로 한 경우에, 상기 헬리컬 안테나간의 거리는 λ/2 이하인, 플라스마 처리 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, λ를 전자파의 파장으로 한 경우에, 상기 헬리컬 안테나의 직경은 λ/π인, 플라스마 처리 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헬리컬 안테나는, λ를 전자파의 파장으로 한 경우에, 피치가 λ/12 내지 λ/8의 범위이며, 권취수가 1 내지 3인, 플라스마 처리 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 안테나는 각각, 상기 합성 공간의 상벽의 내면으로부터 상기 합성 공간에 수직으로 연장되도록 마련되는, 플라스마 처리 장치.
제9항에 있어서, λ를 전자파의 파장으로 한 경우에, 상기 합성 공간의 높이가 λ/4 내지 λ/2이며, 상기 헬리컬 안테나의 하단부터 상기 유전체 창의 표면까지의 높이가 λ/8 내지 λ/2의 범위인, 플라스마 처리 장치.
플라스마 처리 장치에 의해 기판에 플라스마 처리를 실시하는 플라스마 처리 방법이며,
상기 플라스마 처리 장치는, 기판에 플라스마 처리를 실시하는 처리 공간 및 전자파를 합성하는 합성 공간을 갖는 챔버와, 상기 처리 공간과 상기 합성 공간을 칸막이하는 유전체 창과, 상기 합성 공간에 전자파를 방사하는 복수의 안테나를 갖는 안테나 유닛과, 상기 안테나 유닛에 전자파를 출력하는 전자파 출력부를 포함하고, 상기 복수의 안테나는 헬리컬 안테나이며,
상기 플라스마 처리 방법은,
기판을 처리 공간에 배치하는 공정과,
상기 복수의 안테나로부터 방사되는 복수의 전자파 각각의 위상을, 상기 안테나 유닛이 페이즈드 어레이 안테나로서 기능하도록 제어하는 공정과,
위상이 제어된 복수의 상기 전자파를 상기 복수의 안테나로부터 상기 합성 공간에 방사하여, 상기 유전체 창의 표면의 임의의 위치에 집광시켜 집광 부분을 형성하는 공정과,
집광된 후, 상기 유전체 창을 투과한 전자파에 의해 상기 처리 공간에 플라스마를 생성시켜, 당해 플라스마에 의해 상기 기판을 처리하는 공정
을 포함하는 플라스마 처리 방법.
제11항에 있어서, 상기 위상의 제어에 의해 상기 집광 부분을 이동시켜서, 상기 처리 공간에 생성된 플라스마 분포를 제어하는, 플라스마 처리 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 위상의 제어에 의해 상기 집광 부분의 이동 속도를 변화시켜서, 단위 시간당 평균 전계 분포를 제어하는, 플라스마 처리 방법.