KR20230131263A - 플라즈마 처리 장치, 고주파 전력 급전 회로, 및 임피던스정합 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치, 고주파 전력 급전 회로, 및 임피던스정합 방법 Download PDF

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마사하루 시라타니
구니히토 가마타키
가즈노리 고가
다카히로 신도
다츠오 마츠도
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고쿠리쓰다이가쿠호진 규슈다이가쿠
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

기판에 대해서 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치는, 기판이 수용되는 처리 용기와, 처리 용기 내에 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력이 인가되는 전극과, 전극에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원과, 고주파 전원으로부터 전극에 고주파 전력을 급전하는 고주파 전력 급전 회로를 구비한다. 고주파 전력 급전 회로는, 고주파 전원으로부터 전극에 급전하는 급전로와, 급전로에 접속되고, 플라즈마측의 임피던스에 대응하는 음의 임피던스를 실현하는 음성 임피던스부를 포함하고, 고주파 전원측의 임피던스와 부하인 플라즈마측의 임피던스를 정합시키는 정합기를 갖는다.

Description

플라즈마 처리 장치, 고주파 전력 급전 회로, 및 임피던스 정합 방법
본 개시는, 플라즈마 처리 장치, 고주파 전력 급전 회로, 및 임피던스 정합 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 프로세스에는 플라즈마 처리 장치가 많이 사용되고 있다. 플라즈마 처리 장치는, 피처리 기판이 수용된 챔버를 갖는 플라즈마 처리부에 고주파 전력을 공급하여 챔버 내에 플라즈마를 생성시키고, 그 플라즈마에 의해 에칭 처리나 성막 처리 등의 플라즈마 처리를 행한다.
이러한 플라즈마 처리 장치에서는, 처리 중에 고주파 전원으로부터 플라즈마 처리부에 효율 좋게 고주파 전력을 공급하기 위해서, 전원측의 임피던스와 부하측(플라즈마측)의 임피던스를 정합할 필요가 있다. 이러한 관점으로부터, 고주파 전원과 플라즈마 처리부 사이에, 2개의 가변 수동 소자(예를 들면 가변 캐패시터)를 포함하는 임피던스 정합기를 마련하는 기술이 이용되고 있다(예를 들면 특허문헌 1).
[특허문헌 1] 일본특허공개 제2011－124192호 공보
본 개시는, 넓은 주파수 대역에서 고주파 전원측의 임피던스와 부하인 플라즈마측의 임피던스를 정합할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 한 태양에 따른 플라즈마 처리 장치는, 기판에 대해서 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 기판이 수용되는 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력이 인가되는 전극과, 상기 전극에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원과, 상기 고주파 전원으로부터 상기 전극에 고주파 전력을 급전하는 고주파 전력 급전 회로를 구비하고, 상기 고주파 전력 급전 회로는, 상기 고주파 전원으로부터 상기 전극에 급전하는 급전로와, 상기 급전로에 접속되고, 상기 플라즈마측의 임피던스에 대응하는 음의 임피던스를 실현하는 음성(負性) 임피던스부를 포함하고, 상기 고주파 전원측의 임피던스와 부하인 플라즈마측의 임피던스를 정합시키는 정합기를 갖는다.
본 개시에 의하면, 넓은 주파수 대역에서 고주파 전원측의 임피던스와 부하인 플라즈마측의 임피던스를 정합할 수 있는 기술이 제공된다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 제1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 있어서, 음성 임피던스부로서 음성 임피던스 변환 회로를 이용하고, 증폭기로서 승압 트랜스를 이용한 구체적인 예를 나타내는 구성도이다.
도 3은 종래의 정합기의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 4는 종래의 정합기를 이용한 경우의 임피던스 정합을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 종래의 정합 기술을 이용하여 복수의 주파수의 고주파 전력을 투입하여 플라즈마를 생성하는 경우의 장치 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 제1 실시형태의 정합기를 이용한 경우의 임피던스 정합을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제1 실시형태의 고주파 전력 급전 회로를 이용하여 복수의 주파수의 고주파 전원으로부터 복수의 주파수의 고주파 전력을 투입하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 8은 제2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는 제3 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 제3 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 있어서, 음성 임피던스부로서 음성 임피던스 변환 회로를 이용한 구체적인 예를 나타내는 구성도이다.
도 11은 음성 임피던스 변환 회로에 이용하는 오피 앰프의 구조예를 나타내는 도면이다.
도 12는 음성 임피던스 변환 회로에 이용하는 오피 앰프의 구체적인 회로의 예를 나타내는 도면이다.
도 13은 제3 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 음성 임피던스부로서 이용하는 음성 임피던스 변환 회로의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 14는 제4 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 15는 도 14의 플라즈마 처리 장치에서의 고주파 전력 급전 회로의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 16은 제5 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 17은 제6 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 18은 제7 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 19는 10MHz와 5MHz의 2 주파수 중첩 시의 전압 파형을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 실시형태에 대해 설명한다.
도 1은, 제1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 기판 W에 대해서 플라즈마 처리를 행하는 것이며, 용량 결합 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다. 기판 W로서는, 예를 들면 반도체 웨이퍼를 들 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 대략 원통형의 금속제의 처리 용기(챔버)(1)를 갖고 있다. 처리 용기(1)는 접지되어 있다. 처리 용기(1)의 내부에는, 기판 W를 수평으로 탑재하기 위한 기판 탑재대(2)가 설치되어 있다. 기판 탑재대(2)는 접지된 하부 전극을 포함하고 있다. 도시의 예에서는, 기판 탑재대(2)가 금속제이며, 기판 탑재대(2)가 하부 전극으로서 기능하고, 기판 탑재대(2)는 접지되어 있다. 기판 탑재대(2)는 절연체로 구성되어 있어도 좋고, 그 경우는, 기판 탑재대(2)는 금속제의 접지된 하부 전극이 매설된 구성을 취할 수 있다. 하부 전극은, 가변 콘덴서 및/또는 인덕터를 가질 수 있는 임피던스 조정 회로를 거쳐 접지할 수 있다.
기판 탑재대(2)에는, 플라즈마 처리에 따라, 가열 기구 또는 냉각 기구가 설치되어 있어도 좋다. 또 기판 탑재대(2)에는, 그 상면에 대해 돌출/후퇴 가능하게 복수의 승강핀(도시하지 않음)이 삽입되어 있고, 승강 기구(도시하지 않음)에 의한 복수의 승강핀의 승강 동작에 의해, 기판 탑재대(2)에 대한 기판 W의 수수가 행해지도록 되어 있다.
처리 용기(1)의 상부에는, 개구가 형성되어 있고, 개구에는 절연 부재(9)를 거쳐 샤워 헤드(10)가 기판 탑재대(2)에 대향하도록 끼워넣어져 있다. 샤워 헤드(10)는 금속제이며, 전체 형상이 원통형을 이루고, 상부 전극을 포함하고 있다. 도시의 예에서는 샤워 헤드(10) 자체가 상부 전극으로서 기능하지만, 샤워 헤드(10)의 일부가 상부 전극이어도 좋다. 샤워 헤드(10)는, 하부에 개구를 갖는 본체부(11)와, 본체부(11)의 개구를 막도록 설치된 샤워 플레이트(12)를 갖고, 이들 사이의 내부 공간은 가스 확산 공간으로서 기능한다. 샤워 플레이트(12)에는 복수의 가스 토출 구멍(13)이 형성되어 있다.
샤워 헤드(10)에는 가스 도입 구멍(14)이 형성되어 있고, 가스 공급부(20)로부터 공급된 플라즈마 처리를 위한 처리 가스가 가스 도입 구멍(14)을 거쳐 샤워 헤드(10) 내에 도입된다. 그리고, 샤워 헤드(10) 내에 도입된 처리 가스가 가스 토출 구멍(13)으로부터 처리 용기(1) 내에 토출되고, 상부 전극인 샤워 헤드(10)와 하부 전극인 기판 탑재대(2) 사이의 공간에 처리 가스가 공급된다.
가스 공급부(20)는, 플라즈마 처리에 필요한 처리 가스, 플라즈마 생성 가스, 퍼지 가스 등의 복수의 가스를 공급하도록 구성되어 있다. 처리 가스로서는, 실시되는 플라즈마 처리에 따라 적절한 것이 선택된다. 가스 공급부(20)는, 복수의 가스 공급원 및 가스 공급 배관을 갖고, 가스 공급 배관에는, 밸브류 및 매스 플로우 콘트롤러와 같은 유량 제어기가 설치되어 있다.
처리 용기(1)의 저벽에는 배기구(51)가 설치되어 있고, 배기구(51)에는 배기관(52)을 거쳐 배기 장치(53)가 접속되어 있다. 배기 장치(53)는 자동 압력 제어 밸브와 진공 펌프를 갖고, 배기 장치(53)에 의해 처리 용기(1) 내를 배기하고, 또한, 처리 용기(1) 내를 소망의 진공도로 유지하는 것이 가능해지고 있다.
도시하고 있지 않지만, 처리 용기(1)의 측벽에는, 처리 용기(1)에 대해서 기판 W를 반입출하기 위한 반입출구가 설치되어 있고, 이 반입출구는 게이트 밸브로 개폐하도록 구성되어 있다.
상부 전극인 샤워 헤드(10)의 거의 중앙에는, 고주파 전력 급전 회로(40)를 거쳐 고주파 전원(30)이 접속되어 있다. 고주파 전원(30)으로부터 상부 전극인 샤워 헤드(10)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 상부 전극인 샤워 헤드(10)와 하부 전극인 기판 탑재대(2) 사이에 용량 결합 플라즈마가 생성된다. 고주파 전원(30)의 주파수는, 0.1~1000MHz의 범위가 바람직하다.
고주파 전력 급전 회로(40)는, 고주파 전원(30)으로부터의 급전로(41)와, 정합기로서의 음성(負性) 임피던스부(42)와, 승압 또는 증폭부(43)를 갖는다.
급전로(41)는, 고주파 전원(30)으로부터 상부 전극인 샤워 헤드(10)에 접속되어 있다. 음성 임피던스부(42)는, 급전로(41)에 접속되고, 처리 용기(챔버)(1) 내에 생성되는 플라즈마(부하)의 임피던스에 대응하는 음의 임피던스를 실현하고, 전원측의 임피던스와 부하인 플라즈마측의 임피던스를 정합시키는 정합기로서 기능한다. 음성 임피던스부(42)는, 부하인 플라즈마의 임피던스에 대응하는 음의 임피던스를 가지므로, 부하인 플라즈마의 임피던스를 주파수 특성을 포함하여 없애도록 기능한다.
음성 임피던스부(42)는, 음성 임피던스 변환 회로로 구성되어 있어도 좋고, 메타 물질로 구성되어 있어도 좋다.
음성 임피던스 변환 회로란, 음의 임피던스를 실현하는 회로를 말한다. 또, 메타 물질이란, 전자파의 파장보다 작은 구조체를 집적화하여 물질의 전자기학적인 특성을 인공적으로 조작한 인공 물질이다. 메타 물질은, 전자파에 대해서, 자연계의 물질에는 없는 행동을 실현할 수 있다. 본 예의 경우는, 음의 임피던스를 실현하도록 구성된다.
승압 또는 증폭부(43)는, 급전로(41)의 음성 임피던스부(42)의 하류 측에 설치되고, 음성 임피던스부(42)의 출력을 고전압으로 출력하는 기능을 갖는다. 승압 또는 증폭부(43)로서는, 전압을 승압하는 승압기 또는 전력을 증폭시키는 증폭기를 이용할 수 있다. 승압기로서는, 승압 트랜스를 이용한 승압 회로를 이용할 수 있고, 증폭기로서는, 트랜지스터를 이용한 증폭 회로를 이용할 수 있다.
고주파 전력 급전 회로(40)의 구체적인 예를 도 2에 나타낸다. 도 2는, 음성 임피던스부(42)로서 음성 임피던스 변환 회로를 이용하고, 승압 또는 증폭부(43)로서 승압 트랜스를 포함하는 승압기를 이용한 예이다. 본 예에서는, 음성 임피던스부(42)로서의 음성 임피던스 변환 회로는, 오피 앰프(44)와 2개의 저항기(45, 46)를 갖는다. 오피 앰프(44)의 반전 입력 단자(47)는 고주파 전원(30)으로부터의 급전로(41)에 접속되어 있다. 오피 앰프(44)의 출력 단자(48)로부터의 출력은, 저항기(45)를 거쳐 반전 입력 단자(47)에 재차 입력되는 것과 동시에, 저항기(46)를 거쳐 비반전 입력 단자(49)에 입력되도록 구성되어 있다. 그리고, 비반전 입력 단자(49)는 승압 또는 증폭부(43)를 구성하는 승압기의 승압 트랜스에 접속되어 있다.
도 2의 음성 임피던스 변환 회로(음성 임피던스부(42))에 대해서는, 상부 전극인 샤워 헤드(10)와 하부 전극인 기판 탑재대(2) 사이에 생성되는 플라즈마의 임피던스가 음으로 반전된 임피던스를 실현하도록 구성된다. 저항기(45, 46)의 크기 및 오피 앰프(44)는 목적의 기능을 갖도록 적당히 설정된다. 또, 저항기(45, 46) 대신에 캐패시터나 코일 등의 다른 임피던스 소자를 이용해도 좋다.
또, 음성 임피던스 변환 회로로서는, 도 2와 같은 오피 앰프를 이용한 것에 한정하지 않고, 트랜지스터를 이용한 회로 등, 종래 공지의 여러 가지의 회로를 이용할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(100)의 구성부인 가스 공급부(20)의 밸브류나 유량 제어기, 고주파 전원 등은, 제어부(60)에 의해 제어된다. 제어부(60)는, CPU를 갖는 주제어부와, 입력 장치, 출력 장치, 표시 장치, 및 기억 장치를 갖고 있다. 그리고, 기억 장치의 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 근거하여 플라즈마 처리 장치(100)의 처리가 제어된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 동작에 대해 설명한다.
우선, 게이트 밸브(도시하지 않음)를 개방하여 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 기판 W를 반입출구를 거쳐 처리 용기(1) 내에 반입하고, 기판 탑재대(2) 상에 탑재한다. 반송 장치를 퇴피시킨 후, 게이트 밸브를 닫는다.
그 다음에, 처리 용기(1)의 압력을 조정한 후, 처리 용기(1) 내에 처리 가스를 도입하면서, 고주파 전원(30)으로부터 고주파 전력을 고주파 전력 급전 회로(40)를 거쳐 상부 전극인 샤워 헤드(10)에 공급한다. 이것에 의해, 상부 전극인 샤워 헤드(10)와 하부 전극인 기판 탑재대(2) 사이에 고주파 전계가 형성되고, 이들 사이에 용량 결합 플라즈마가 생성되고, 이 플라즈마에 의해 기판 W에 대해, 에칭이나 성막 등의 플라즈마 처리가 행해진다.
그런데, 고주파 전력을 부하(플라즈마)에 투입하는 경우, 전원측의 임피던스와 부하측의 임피던스를 정합시킬 필요가 있다. 정합을 취하지 않는 경우, 전력이 충분히 부하에 투입되지 않고, 전원 측에 반사된다. 이 때문에, 종래는, 특허문헌 1에 기재되어 있듯이, 2개의 가변 수동 소자를 포함하는 임피던스 정합기가 이용되고 있었다. 구체적으로는, 종래는, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이, 고주파 전원(130)과 부하(플라즈마)(140) 사이에, 2개의 가변 캐패시터(151, 152), 및 코일(153)을 갖는 정합기(150)를 마련하여, 전원측의 임피던스와 부하(플라즈마)측의 임피던스의 정합을 취하고 있었다.
그러나, 이러한 종래의 정합기의 경우, 도 4와 같이, 플라즈마의 임피던스(리액턴스)에 대해서, 어느 한 점의 주파수만으로밖에 정합을 취할 수 없다.
플라즈마에 대해 직사각형파나 톱니파 등의 임의의 전압 파형을 인가할 수 있으면, 이온 에너지 분포 제어나 전자 에너지 분포 제어가 가능해지지만, 직사각형파나 톱니파는 복수의 주파수 성분을 갖고 있어, 종래의 정합 기술에서는 정합을 취할 수 없다.
또, 복수의 주파수의 고주파 전력을 처리 용기(챔버)에 투입하여 플라즈마를 생성하는 경우, 종래의 정합 기술에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 복수의 주파수의 고주파 전원(130a, 130b, 130c)의 각각에 대응하여 정합기(150a, 150b, 150c)를 마련할 필요가 있어, 시스템이 거대화되고, 고비용화된다.
이것에 대해서, 본 실시형태에서는, 플라즈마의 임피던스에 대응하는 음의 임피던스를 실현하는 음성 임피던스부(42)를 마련하는 것에 의해, 도 6에 나타내는 바와 같이, 플라즈마의 임피던스(리액턴스)를 주파수 특성을 포함하여 없앨 수 있다. 이 때문에, 이론적으로는 모든 주파수에 있어서 임피던스를 정합하는 것이 가능해지고, 넓은 주파수 대역에서 전원측과 부하측의 임피던스를 정합할 수 있다.
이와 같이 넓은 주파수 대역에서 임피던스 정합이 가능하기 때문에, 복수의 주파수 성분을 갖는 직사각형파나 톱니파여도 정합이 가능해진다. 또, 도 7에 나타내는 바와 같이, 복수의 주파수의 고주파 전원(30a~30c)을 마련하고, 복수의 주파수의 고주파 전력을 처리 용기(챔버)에 투입하는 경우에도, 하나의 음성 임피던스부(42)를 마련하면 좋고, 시스템의 거대화, 고비용화를 초래하는 일이 없다.
음성 임피던스부(42)를 구성하는 음성 임피던스 변환 회로는 공지이지만, 모두 통신 분야와 같은 저전압의 용도를 상정한 것이며, 플라즈마 발화와 같은 고전압 용도에 적용한 예는 없다. 예를 들면 도 2에 나타내는 것과 같은 오피 앰프를 이용한 음성 임피던스 변환 회로에 있어서, 범용 오피 앰프는 15V 이하의 저전압으로 구동하는 소자를 사용하고 있기 때문에, 50V 이상의 고전압이 필요한 플라즈마 발화에는 대응이 곤란하다.
이것에 대해서, 본 실시형태에서는, 고주파 전력 급전 회로(40)를, 정합기를 구성하는 음성 임피던스부(42)의 후단에 승압 또는 증폭부(43)를 마련한 구성으로 했으므로, 음성 임피던스부(42)의 출력 전압이 작아도, 플라즈마의 발화에 필요한 전압을 확보하는 것이 가능해진다.
도 8은, 제2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100a)는, 제1 실시형태의 고주파 전력 급전 회로(40) 대신에, 복수의 음성 임피던스부(42)를 갖는 정합기와, 복수의 음성 임피던스부(42)의 출력을 합성하는 합성기(55)를 구비한 고주파 전력 급전 회로(40a)를 마련하고 있다. 도 8의 플라즈마 처리 장치(100a)에 있어서 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)와 동일한 것에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100a)에서는, 고주파 전원(30)으로부터의 고주파 전력을 복수의 음성 임피던스부(42)에 공급하고, 복수의 음성 임피던스부(42)로부터의 출력을 합성기(55)에서 합성하고, 투입 전력을 증가시킨다. 그리고, 합성한 후, 제1 실시형태와 마찬가지로, 출력을 승압 또는 증폭부(43)로서 이용한 승압기에서 승압한다. 이와 같이, 승압 또는 증폭부(43)를 구성하는 승압기에 의한 전압 상승에 부가하여, 복수의 음성 임피던스부(42)를 이용하는 것으로 충분한 전력을 확보할 수 있다. 예를 들면, 샤워 헤드(10)에 전압으로서 25V~2kV, 합성 전력으로서 0.1W~50kW를 인가할 수 있다. 이와 같이 전압과 전력을 크게 하는 것에 의해, 플라즈마 발화를 보다 용이하게 행할 수 있다.
도 9는, 제3 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100b)는, 제1 실시형태의 고주파 전력 급전 회로(40)로부터 승압 또는 증폭부(43)를 제외한 고주파 전력 급전 회로(40b)를 갖고 있다. 도 9의 플라즈마 처리 장치(100b)에 있어서, 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)와 동일한 것에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100b)에서는, 정합기를 구성하는 음성 임피던스부(42)의 출력 전압을 플라즈마 발화 가능한 전압으로 하고, 음성 임피던스부(42)를 상부 전극인 샤워 헤드(10)에 직접 접속하고 있다.
상술한 바와 같이, 음성 임피던스부(42)를 구성하는 음성 임피던스 변환 회로는, 통신 분야와 같은 저전압의 용도를 상정한 것이며, 플라즈마 발화와 같은 고전압 용도에 적용한 예는 없다. 예를 들면, 오피 앰프를 이용한 음성 임피던스 변환 회로에 있어서, 범용 오피 앰프는 15V 이하의 저전압으로 구동하는 소자를 사용하고 있기 때문에, 50V 이상의 고전압이 필요한 플라즈마 발화에는 대응이 곤란하다. 이 때문에, 제1 실시형태 및 제2 실시형태에서는, 승압 또는 증폭부(43)로서 승압 트랜스와 같은 승압기를 이용하고 있다.
그러나, 정합기를 구성하는 음성 임피던스부(42) 자체를 플라즈마 발화가 가능한 전압을 출력하는 것으로 하면 승압 또는 증폭부(43)는 불필요하다. 그 때문에, 본 실시형태에서는, 승압 또는 증폭부(43)를 이용하지 않아도 좋도록, 이하와 같이 고주파 전력 급전 회로를 구성하고 있다.
예를 들면, 음성 임피던스부(42)를, 도 10에 나타내는 바와 같이, 오피 앰프(44)를 갖는 음성 임피던스 변환 회로로 구성한 경우, 오피 앰프(44)를 범용인 것이 아니라, 고전압 사양으로 하는 것으로 플라즈마 발화 가능한 출력 전압을 실현할 수 있다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 오피 앰프(44)는, 입력단(71), 이득단(72), 출력단(73)을 갖고 있다. 구체적인 회로는, 복수의 트랜지스터를 조합한 것이며, 예를 들면, 도 12에 나타내는 바와 같은 구성을 갖는다. 입력단(71)은 작동 증폭단이며, 반전 입력 단자(47)와 비반전 입력 단자(49) 사이의 차전압을 증폭하고, 동상 신호 성분은 증폭하지 않고 없앤다. 이득단(72)은 오피 앰프(44)의 개방 이득을 증가시킨다. 이득단(72)의 사이에는 발진 방지용의 위상 보상 용량(74)이 접속되어 있다. 출력단(73)은, 복수의 트랜지스터(81)를 갖는 푸시풀 회로로 되어 있고, 트랜지스터(81)에 의해 출력 전압이 결정된다. 따라서, 트랜지스터(81)를 본 실시형태에서 이용하는 고주파수에 있어서 플라즈마 발화가 가능한 정도의 고전압인 것으로 한다. 이러한 고전압으로 고주파 동작이 가능한 고성능의 트랜지스터로서는, 예를 들면, GaN, Ga2O3, 다이아몬드 등을 들 수 있다.
또, 도 13에 나타내는 바와 같이, 음성 임피던스부(42)로서, 오피 앰프(44)에 범용인 것을 이용하고, 그 후단에 플라즈마 발화가 가능한 고전압을 실현하는 트랜지스터 회로 등의 승압 회로(56)를 접속한 음성 임피던스 변환 회로를 이용해도 좋다.
도 14는, 제4 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100c)는, 제3 실시형태와 같은 음성 임피던스부(42)를 증폭기를 거치지 않고 샤워 헤드(10)에 접속하는 구성이지만, 음성 임피던스부(42)를 복수 갖는 고주파 전력 급전 회로(40c)를 갖고 있다. 도 14의 플라즈마 처리 장치(100c)에 있어서, 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)와 동일한 것에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
도 14의 예에서는, 복수의 음성 임피던스부(42)의 각각으로부터 연장되는 급전선이 상부 전극인 샤워 헤드(10)에 접속되고, 다점 급전하도록 구성되어 있다. 도 15와 같이 복수의 음성 임피던스부(42)로부터의 출력을 합성기(57)에서 합성하여 상부 전극인 샤워 헤드(10)에 한 점에서 급전해도 좋다.
이와 같이 복수의 음성 임피던스부(42)를 마련하는 것으로, 하나의 음성 임피던스부(42)를 마련한 제3 실시형태와 비교하여 전력을 크게 할 수 있다.
도 16은, 제5 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100d)는, 음성 임피던스부(42)를 포함하는 정합기의 임피던스를 조정 가능하게 한 것이다. 부하인 플라즈마의 임피던스의 변동이 적은 경우는 음성 임피던스부(42)를 포함하는 정합기의 임피던스를 조정할 필요가 없지만, 플라즈마의 조건이 변동하여 플라즈마의 임피던스가 크게 변동하는 경우는 조정이 필요해지는 일이 있다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100d)는, 음성 임피던스부(42)와 임피던스 조정부로서의 가변 리액턴스 회로(91)로 구성된 정합기를 갖는 고주파 전력 급전 회로(40d)를 구비하고 있다. 도 16에서는, 음성 임피던스부(42)로서, 도 2에 나타내는 것과 같은 오피 앰프(44)를 갖는 음성 임피던스 변환 회로를 이용한 예를 나타내고 있다.
가변 리액턴스 회로(91)는, 가변 코일 및/또는 가변 캐패시터를 갖고, 음성 임피던스부(42)를 구성하는 음성 임피던스 변환 회로에 접속되어 있다.
본 실시형태에서는, 처리 용기(1) 내에 생성되는 플라즈마의 조건 변동에 따라 가변 리액턴스 회로(91)에서 정합기의 임피던스를 조정한다. 이것에 의해, 플라즈마의 임피던스가 변동해도 전원측의 임피던스를 부하인 플라즈마의 임피던스에 정합시킬 수 있다.
도 17은, 제6 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100e)는, 제5 실시형태와 마찬가지로, 음성 임피던스부(42)를 포함하는 정합기의 임피던스를 조정 가능하게 하여, 플라즈마의 임피던스가 크게 변동하는 경우에도 대응할 수 있도록 한 것이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100e)는, 음성 임피던스부(42)와 임피던스 조정부로서의 플라즈마 생성부(92)로 구성된 정합기를 갖는 고주파 전력 급전 회로(40e)를 구비하고 있다. 도 17에 있어서도, 음성 임피던스부(42)로서, 도 2에 나타내는 것과 같은 오피 앰프(44)를 갖는 음성 임피던스 변환 회로를 이용한 예를 나타내고 있다.
플라즈마 생성부(92)는, 상부 전극(10') 및 하부 전극(2')을 갖는다. 플라즈마 생성부(92)에는, 처리 용기(1)와 동일한 레시피로 동시에 플라즈마가 생성된다. 플라즈마 생성부(92)는 음성 임피던스부(42)를 구성하는 음성 임피던스 변환 회로에 접속되어 있다.
이와 같이, 본 실시형태에서는, 처리 용기(1) 내에 생성되는 플라즈마와 동일한 레시피로 플라즈마가 생성되는 플라즈마 생성부(92)를 음성 임피던스부(42)를 구성하는 음성 임피던스 변환 회로에 접속한다. 이것에 의해, 처리 용기(1) 내에 생성되는 플라즈마와 동일한 임피던스가 음성 임피던스 변환 회로에서 음으로 반전되고, 정합기의 임피던스로 된다. 이 때문에, 정합기의 임피던스가 처리 용기(1) 내의 플라즈마의 임피던스를 없앨 수 있고, 플라즈마의 임피던스가 변동해도 전원측의 임피던스를 부하인 플라즈마의 임피던스에 정합시킬 수 있다.
도 18은, 제7 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100f)는, 제5 및 제6 실시형태와 마찬가지로, 음성 임피던스부(42)를 포함하는 정합기의 임피던스를 조정 가능하게 하여, 플라즈마의 임피던스가 크게 변동하는 경우에도 대응할 수 있도록 한 것이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100f)는, 음성 임피던스부(42)와 임피던스 조정부로서의 임피던스 미러링 회로(93)로 구성된 정합기를 갖는 고주파 전력 급전 회로(40f)를 구비하고 있다. 도 18에 있어서도, 음성 임피던스부(42)로서, 도 2에 나타내는 것과 같은 오피 앰프(44)를 갖는 음성 임피던스 변환 회로를 이용한 예를 나타내고 있다.
임피던스 미러링 회로(93)는, 오피 앰프 등의 능동 소자를 갖고, 처리 용기(1) 내의 플라즈마와 동일한 임피던스가 실현되도록 임피던스가 조정되어 있고, 음성 임피던스부(42)를 구성하는 음성 임피던스 변환 회로에 접속되어 있다.
이 때문에, 처리 용기(1) 내의 플라즈마와 동일한 임피던스를 갖는 임피던스 미러링 회로(93)의 임피던스가 음성 임피던스 변환 회로에서 음으로 반전되고, 정합기의 임피던스로 된다. 이 때문에, 정합기의 임피던스가 처리 용기(1) 내의 플라즈마의 임피던스를 없앨 수 있고, 플라즈마의 임피던스가 변동해도 전원측의 임피던스를 부하인 플라즈마의 임피던스에 정합시킬 수 있다.
다음에, 실험 결과에 대해 설명한다.
우선, 네트워크 애널라이저를 이용하여, 도 2에 나타내는 음성 임피던스 변환 회로의 전력 반사를 측정했다. 그 결과, 주파수가 13.5~310MHz의 범위에서, 반사 전력에 대응하는 S 파라미터로 표현되는 반사 비율 S11이 -10dB 이하(전력의 반사가 1/10 이하)인 것이 확인되었다. 즉, 음성 임피던스 변환 회로를 이용하는 것에 의해 넓은 주파수 대역에서 임피던스 정합을 행할 수 있는 것이 확인되었다.
다음에, 음성 임피던스부로서 오피 앰프를 이용한 음성 임피던스 변환 회로를 복수 마련하고, 승압기로서 승압 트랜스를 더 마련한, 도 8에 나타내는 구조의 고주파 전력 급전 회로를 갖는 소형 플라즈마 처리 장치를 준비하여, 플라즈마 발화 시험을 행했다. 그 결과, 플라즈마의 발화가 달성되었다.
다음에, 음성 임피던스부로서 오피 앰프를 이용한 음성 임피던스 변환 회로를 이용하여, 고주파 전력으로서 10MHz와 5~15MHz의 2 주파수 중첩에서 플라즈마 발화 시험을 행하였고, 그 결과, 플라즈마의 발화가 달성되었다. 10MHz와 5MHz의 2 주파수 중첩 시의 전압 파형을 도 19에 나타낸다. 이 도면에 나타내는 바와 같이 2 주파수 중첩에서 플라즈마를 생성했을 때의 전압 파형에 왜곡은 보이지 않았다. 이것으로부터, 정합기로서 음성 임피던스 변환 회로를 이용하는 것에 의해, 부하가 플라즈마여도 복수의 주파수에 대해서 임피던스 정합을 달성할 수 있는 것이 추측되었다.
이상, 몇 가지 실시형태에 대해 설명했지만, 금회 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 할 것이다. 상기의 실시형태는, 첨부의 특허 청구의 범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 여러가지 형태로 생략, 치환, 변경되어도 좋다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는, 고주파 전력을 상부 전극에 인가하는 예에 대해 나타냈지만, 이것에 한정하지 않고, 하부 전극에 인가해도 좋고, 또, 상부 전극과 하부 전극의 양쪽에 인가해도 좋다.
또, 상기 실시형태에서는, 플라즈마로서 용량 결합 플라즈마를 이용한 경우를 나타냈지만, 이것에 한정하지 않고, 유도 결합 플라즈마나 마이크로파 플라즈마등의 다른 플라즈마여도 좋다.
1 : 처리 용기(챔버)
2 : 기판 탑재대(하부 전극)
10 : 샤워 헤드(상부 전극)
20 : 가스 공급부
30, 30a~30c : 고주파 전원
40, 40a, 40b, 40c, 40d, 40e, 40f : 고주파 전력 급전 회로
42 : 음성 임피던스부(음성 임피던스 변환 회로)
44 : 오피 앰프
100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f : 플라즈마 처리 장치
W : 기판

Claims (20)

  1. 기판에 대해서 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서,
    기판이 수용되는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력이 인가되는 전극과,
    상기 전극에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원과,
    상기 고주파 전원으로부터 상기 전극에 고주파 전력을 급전하는 고주파 전력 급전 회로를 구비하고,
    상기 고주파 전력 급전 회로는,
    상기 고주파 전원으로부터 상기 전극에 급전하는 급전로와,
    상기 급전로에 접속되고, 상기 플라즈마측의 임피던스에 대응하는 음의 임피던스를 실현하는 음성(負性) 임피던스부를 포함하고, 상기 고주파 전원측의 임피던스와 부하인 플라즈마측의 임피던스를 정합시키는 정합기를 갖는
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음성 임피던스부는, 음성 임피던스 변환 회로 또는 메타 물질로 구성되는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 음성 임피던스 변환 회로는, 오피 앰프를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 오피 앰프의 출력단은, 상기 플라즈마가 발화 가능한 정도의 전압을 출력하는 복수의 트랜지스터를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 음성 임피던스 변환 회로는, 상기 오피 앰프의 후단에 설치된, 플라즈마 발화 가능한 정도의 전압을 출력하는 승압 회로를 더 갖는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정합기는 상기 음성 임피던스부를 복수 갖는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고주파 전력 급전 회로는, 복수의 상기 음성 임피던스부의 출력을 합성하는 합성기를 더 갖는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고주파 전력 급전 회로는, 상기 음성 임피던스부의 출력을 승압하는 승압기, 또는 출력을 증폭하는 증폭기를 더 갖는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정합기는, 상기 음성 임피던스부에 접속되고, 상기 정합기의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정부를 더 갖는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 임피던스 조정부는, 가변 캐패시터 및/또는 가변 코일을 갖는 가변 리액턴스 회로를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 임피던스 조정부는, 상기 처리 용기에 생성되는 플라즈마와 동일한 레시피로 플라즈마가 생성되는 플라즈마 생성부를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 임피던스 조정부는, 능동 소자를 갖고, 상기 처리 용기 내의 플라즈마와 동일한 임피던스를 갖도록 임피던스가 조정되는 임피던스 미러링 회로를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  13. 고주파 전원으로부터 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력을 전극에 급전하는 고주파 전력 급전 회로로서,
    상기 고주파 전원으로부터 상기 전극에 급전하는 급전로와,
    상기 급전로에 접속되고, 상기 플라즈마측의 임피던스에 대응하는 음의 임피던스를 실현하는 음성 임피던스부를 포함하고, 상기 고주파 전원측의 임피던스와 부하인 플라즈마측의 임피던스를 정합시키는 정합기를 갖는
    고주파 전력 급전 회로.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 음성 임피던스부는, 음성 임피던스 변환 회로 또는 음의 임피던스를 갖는 메타 물질인 고주파 전력 급전 회로.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 음성 임피던스 변환 회로는, 오피 앰프를 갖는 고주파 전력 급전 회로.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정합기는 상기 음성 임피던스부를 복수 갖는 고주파 전력 급전 회로.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음성 임피던스부의 출력을 승압하는 승압기, 또는 출력을 증폭하는 증폭기를 더 갖는 고주파 전력 급전 회로.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정합기는, 상기 음성 임피던스부에 접속되고, 상기 정합기의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정부를 더 갖는 고주파 전력 급전 회로.
  19. 고주파 전력을 공급하여 플라즈마를 생성할 때에 실행되는 임피던스 정합 방법으로서,
    고주파 전원으로부터 급전로를 거쳐 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력을 전극에 급전하는 것과,
    상기 급전로에 접속되고, 상기 플라즈마측의 임피던스에 대응하는 음의 임피던스를 실현하는 음성 임피던스부를 포함하는 정합기에 의해, 상기 고주파 전원측의 임피던스와 부하인 플라즈마측의 임피던스를 정합시키는 것을 포함하는
    임피던스 정합 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 음성 임피던스부는, 음성 임피던스 변환 회로 또는 음의 임피던스를 갖는 메타 물질인 임피던스 정합 방법.
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