KR20240001109A - 플라스마 처리 장치 및 가열 장치 - Google Patents

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KR20240001109A
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히토시 다무라
노리히코 이케다
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Abstract

원편파를 사용한 플라스마 처리 장치에 있어서, 반사파의 영향을 저감해서, 원편파를 효율적으로 플라스마 처리에 이용하는 것을 가능하게 하기 위해, 마이크로파를 발생하는 마이크로파원과, 이 마이크로파에 의해 발생시킨 플라스마를 사용해서 내부에 설치한 피처리물을 처리하는 플라스마 처리실과, 마이크로파원에 접속하는 직사각형 도파관과 플라스마 처리실에 접속하는 원형 도파관을 구비한 도파관부를 갖는 플라스마 처리 장치에 있어서, 원형 도파관의 내부에, 마이크로파에 의해 플라스마 처리실의 내부에 플라스마를 발생시킨 상태에 있어서 플라스마 처리실의 측으로부터 원형 도파관 내를 전파하는 반사파를 상쇄하는 반사파를 발생시키는 반사파 발생기를 설치했다.

Description

플라스마 처리 장치 및 가열 장치
본 발명은, 플라스마 처리 장치 및 가열 장치에 관한 것이다.
반도체 집적회로 소자의 생산에 플라스마 처리 장치가 사용되고 있다. 소자의 성능 향상과 비용 저감을 위해, 소자의 미세화가 진전되어 왔다. 종래는 소자의 2차원적인 미세화에 의해, 1매의 피처리 기판으로부터 제조할 수 있는 소자 수가 증가해서 소자 1개당의 제조 비용이 내려감과 함께, 배선 길이 단축 등 소형화의 효과로 성능 향상도 도모되어 왔다. 그러나 반도체 소자의 치수가 원자의 치수에 가까운 나노미터 오더로 되면, 2차원적인 미세화의 난이도가 현저히 높아져, 신재료나 3차원적인 소자 구조의 적용 등, 대응이 이루어지고 있다. 이들 구조 변경에 의해, 제조의 난이도가 올라감과 함께 제조 공정은 증가하고, 제조 비용의 증대가 심각한 문제로 되고 있다.
제조 도중의 반도체 집적회로 소자에 미소한 이물이나 오염 물질이 부착하면, 치명적인 결함으로 되기 때문에, 반도체 집적회로 소자는 이물이나 오염 물질을 배제하고 온도나 습도를 최적으로 제어한 클린룸 내에서 제조된다. 소자의 미세화에 수반해서, 제조에 필요한 클린룸의 청정도는 높아져, 클린룸의 건설이나 유지 운용에 막대한 비용이 필요해진다. 그 때문에, 클린룸 공간을 효율적으로 이용해서 생산하는 것이 요구된다. 이 관점에서, 반도체 제조 장치는 소형화와 저비용화가 엄격히 요구되고 있다.
또한 피처리 기판에 대한 플라스마 처리의 면내 균일성도 중요하다. 반도체 집적회로 소자의 제조에는 피처리 기판으로서 직경 300mm의 원반 형상의 실리콘 웨이퍼가 사용되는 경우가 많다. 이 실리콘 웨이퍼 상에 다수의 반도체 집적회로 소자를 제작할 경우가 많은데, 플라스마 처리의 면내 균일성이 나쁘면, 1매의 실리콘 웨이퍼로부터 취득할 수 있는 사양을 만족한 양품이 적어질 경우가 있다. 마찬가지로 각 피처리 기판마다의 플라스마 처리의 안정성도 중요하다. 플라스마 처리의 품질이 안정되지 않고, 예를 들면 경시적으로 품질이 변화할 경우는, 마찬가지로 양품의 비율이 저하될 경우가 있다.
전자파에 의해 플라스마를 발생하는 플라스마 처리 장치에 있어서, 전자파로서 주파수가 수㎓ 정도, 전형적으로는 2.45㎓의 마이크로파를 사용한 장치가 널리 사용되고 있다. 특히 마이크로파와 정자계를 조합해서 일어나는 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance, 이하 ECR이라 칭함) 현상을 사용한 장치가 있고, 이 장치에서는, 극저압 등 플라스마의 생성이 통상은 곤란한 조건에서도 비교적 안정적으로 플라스마를 생성할 수 있는, 정자계의 분포에 의해 플라스마의 분포를 제어할 수 있는 등의 우수한 특징을 갖고 있다.
마이크로파를 사용한 플라스마 처리 장치에서는, 마이크로파의 발진기로서 마그네트론이 널리 사용되지만, 최근은 고체 소자를 사용한 발진기도 사용되게 되어 왔다. 고체 소자를 사용한 발진기에서는 발진 주파수나 출력이 마그네트론에 비해 안정되는, 다양한 변조가 용이하게 가해지는 등의 이점이 있다. 또한 마이크로파 전력의 전송에 방형(方形) 도파관, 원형 도파관, 동축 선로 등이 사용된다. 그 외 마이크로파 발진기를 보호하기 위한 아이솔레이터, 부하와의 임피던스 부정합을 방지하기 위한 자동 정합기를 조합해서 사용하는 경우가 많다.
이 기술분야에 관한 종래 기술로서, 특허문헌 1(일본국 특개평9-270386호 공보)에는, 공동 공진기 하부에 설치한 슬롯 안테나에서 마이크로파를 플라스마 처리실에 방사해서, 균일성이 좋은 플라스마를 발생시키는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2(일본국 특허 제3855468호 공보)에는, 원편파 발생 수단을 사용해서 마이크로파를 원편파화하여 플라스마를 생성함으로써, 방위각 방향의 균일성을 향상시키는 것이 기재되어 있다.
일본국 특개평09-270386호 공보 일본국 특허 제3855468호 공보
특허문헌 1에는 공동 공진기 하부에 설치한 슬롯 안테나에서 마이크로파를 플라스마 처리실에 방사해서, 균일성이 좋은 플라스마를 발생시키는 것에 관한 것으로, 동축 선로의 최저차 모드인 TEM 모드에 의해 마이크로파를 공동 공진기에 공급하고 있지만, 공동 공진기와의 접속부에서의 반사를 저감하기 위해 선로 길이가 1/4 파장으로 되는 내부 도체 직경 또는 외부 도체 직경의 다른 동축 선로를 개재해서 접속하는 사례가 기재되어 있다.
이 특허문헌 1에 개시되어 있는 구성에서는, 전자계가 방위각 방향으로 변화하지 않는 동축 선로의 TEM 모드를 사용하고 있다. 그 때문에 원편파를 사용해서 방위각 방향으로 시간적으로 균일화할 필요는 없어, 이 사상은 포함하지 않는다.
또한 반사파 저감을 위한 선로의 선로 길이를 1/4 파장으로 한정하고 있고, 당해 선로의 상단과 하단에서의 반사파를 사용한 반사파의 저감에 대해 개시하고 있다. 그 외 반사를 일으키는 접속부에 정합실을 개재시키는 기재가 있고, 당해 정합실의 높이와 직경을 최적화해서 반사파를 상쇄한다고 기재되어 있다. 그러나 당해 높이와 직경의 조정 방법에 대해서는 최적화한다는 기술에 그쳐, 최적화의 방법에 대한 개시는 없다.
또한, 특허문헌 1에서는 1/4 파장 선로를 사용한 방법이 개시되어 있지만, 반사파 저감을 위한 최적 치수를 구하는 방법의 개시는 없고, 시행착오적으로 실험을 반복해서 최적 치수를 구할 필요가 있어, 다대한 노력, 시간, 자금 등이 필요해지는 과제가 있다.
또한, 원편파를 사용한 플라스마 처리 장치의 경우, 상기 반사파 저감을 위한 구조는 원편파를 저해하지 않는 구조인 것이 필요해진다. 즉 원편파를 반사파 저감을 위한 구조에 입사시킨 경우, 투과한 전자파의 축비(軸比)가 악화하지 않는 것이 필요해진다.
또한 당해 마이크로파를 공급하기 위한 도파로를 통해 피처리 기판을 광학적으로 관찰하는 모니터 장치를 사용할 경우에는, 상기 반사파 저감을 위한 구조에 의해, 광학적으로 관찰하는 경로를 막지 않는 것이 필요해진다.
또한 특허문헌 2에는, 원편파 발생 수단을 사용해서 마이크로파를 원편파화하여 플라스마를 생성함으로써, 방위각 방향의 균일성을 향상시키는 것이 기재되어 있지만, 원반 형상의 피처리 기판을 처리하는 것에 대응해서, 플라스마 처리 장치를 축 대칭인 구성으로 하는 경우가 많다.
특허문헌 2에 개시되어 있는 구성에 있어서도, 장치의 중심축과 동축으로 원형 도파관을 배치하고, 당해 원형 도파관의 최저차 모드인 TE11 모드에서 마이크로파 전력을 전송하고 있다. 장치 구성을 피처리 기판과 동축의 축 대칭으로 함으로써 방위각 방향으로 균일한 플라스마의 생성을 노리고 있다. 그러나 원형 도파관의 최저차 모드인 TE11 모드는 방위각 방향으로 변화하는 모드이기 때문에, 원편파화에 의해, 마이크로파 1주기의 평균으로서 축 대칭인 전력 분포로 함으로써 축 대칭성이 좋은 플라스마를 생성하고 있다.
특허문헌 2에서 개시되어 있는 바와 같이, 원편파 발생 수단에 의해 원편파화한 마이크로파를 원형 도파관에서 전송하고, 당해 마이크로파에 의해 방위각 방향으로 균일한 플라스마를 생성할 경우, 원형 도파관으로부터 부하 측을 본 반사 계수가 크면, 다양한 불량, 예를 들면 원편파 발생 수단의 원편파화에 대한 동작 불량이나, 플라스마의 착화 불량, 큰 반사파에 의해 생기는 큰 정재파에 기인하는 이상 방전 등이 문제로 되는 경우가 있다.
또한 원편파 발생 수단은 부하 측의 반사 계수가 제로인 경우를 기준으로 설계되는 경우가 많고, 그 때문에 부하의 반사 계수가 크면, 원편파가 잘 발생할 수 없게 되어, 방위각 방향으로 균일한 전자계를 실현할 수 없게 될 경우가 있다.
본 발명은, 상기한 종래 기술의 과제를 해결해서, 원편파를 사용한 플라스마 처리 장치에 있어서, 반사파의 영향을 저감해서, 원편파를 효율적으로 플라스마 처리에 이용하는 것을 가능하게 하는, 플라스마 처리 장치 및 가열 장치를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 시료가 플라스마 처리되는 처리실과, 원형 도파관을 통해 마이크로파의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원과, 원형 도파관을 통해 플라스마 상태를 광학적으로 모니터하는 모니터 장치와, 원형 도파관의 내부에 배치되고 원편파를 생성하는 원편파 생성기와, 시료가 재치되는 시료대를 구비하는 플라스마 처리 장치에 있어서, 원편파 생성기와 처리실 사이 또한, 원형 도파관의 내부에 배치된 반사파 생성기를 더 구비하고, 반사파 생성기는, 처리실로부터 전파하는 반사파를 원편파를 저해하지 않고 상쇄하는 반사파를 생성하고, 플라스마 상태를 광학적으로 모니터하기 위한 광로가 반사파 생성기에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 시료가 가열되는 가열실과, 원형 도파관을 통해 마이크로파의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원과, 원형 도파관의 내부에 배치되고 원편파를 생성하는 원편파 생성기를 구비하는 가열 장치에 있어서, 원편파 생성기와 가열실 사이 또한, 원형 도파관의 내부에 배치된 반사파 생성기를 더 구비하고, 반사파 생성기는, 가열실로부터 전파하는 반사파를 원편파를 저해하지 않고 상쇄하는 반사파를 생성하도록 구성했다.
본 발명에 따르면, 반사파를 억제하는 구성으로 한 것에 의해, 마이크로파 전력이 효율적으로 처리실에 공급되므로, 플라스마의 생성 가능한 조건 범위가 확대함과 함께, 마이크로파 전력을 보다 효율적으로 활용할 수 있게 되었다.
또한, 원편파나 광학적으로 피처리 기판을 관찰하는 모니터 장치를 사용한 플라스마 처리 장치에 있어서, 원편파를 저해하지 않고 광학 경로를 확보할 수 있게 되었다.
도 1은 종래 기술에 있어서의 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 측면의 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로파 플라스마 에칭 장치의 측면의 단면도.
도 3a의 (a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반사파 발생기를 나타내는 평면도, (b)는 측면의 단면도.
도 3b의 (a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 2개소에 노치부가 형성된 반사파 발생기를 나타내는 평면도, (b)는 측면의 단면도.
도 3c의 (a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 4개소에 노치부가 형성된 반사파 발생기를 나타내는 평면도, (b)는 측면의 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로파를 사용한 가열 장치의 측면의 단면도.
도 5는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 반사파 발생기를 나타내는 측면의 단면도.
본 발명은, 마이크로파에 의해 플라스마를 발생시키는 플라스마 처리 장치에 있어서, 당해 마이크로파의 전력을 효율적으로 또한 공간적으로 균일하게 처리실에 공급함으로써 공간적으로 균일성이 좋은 플라스마를 안정적으로 생성 또한 유지하는 것을 가능하게 하는 플라스마 처리 장치, 및, 마이크로파를 사용한 가열 장치에 있어서, 마이크로파 전력을 피처리물에 효율적으로 또한 공간적으로 균일하게 공급하는 것을 가능하게 하는 가열 장치에 관한 것이다.
마이크로파 등의 전자파를 전송하는 마이크로파 회로를 취급하는 공지의 방법으로서 산란 행렬이 있다. 복수(n개)의 마이크로파의 입출력을 행하는 포트를 갖는 마이크로파 회로를 고려하여, 각 포트에서의 입사파와 반사파를 정의한다. 포트로서 물리적인 마이크로파의 출입구 이외에, 하나의 출입구에 복수의 모드를 고려하는 경우도 포함한다. 예를 들면 원형 도파관에 있어서, 편파면이 다른 복수의 모드를 포트로서 원형 도파관의 어느 면에 설정할 수도 있다.
각 포트의 입사파ij(j=1 내지 n)를 요소로 하는 입사파 벡터와 반사파rj(j=1 내지 n)를 요소로 하는 반사파 벡터에 대해, (수식 1)에서 나타내는 양자의 관계를 나타내는 행렬을 산란 행렬이라 한다. 입출력 포트의 수가 1개인 경우, 산란 행렬은 스칼라로 되고, 반사 계수에 상당한다. 산란 행렬의 각 요소는 복소수이고, 크기와 위상 또는 실수부와 허수부를 갖는다.
대상으로 하는 마이크로파 회로가 단순한 경우에는 이론적으로 산란 행렬을 구할 수 있는 경우도 있지만, 형상이 복잡한 경우에도 유한요소법 등의 수치적인 방법으로 전자계 해석을 행해서 산란 행렬을 구할 수 있다. 또한 네트워크 어낼라이저 등의 측정기를 사용해서, 측정할 수도 있다.
[수식 1]
n： 마이크로파의 입출력 포트의 수
예를 들면 관내 파장이 λ, 길이가 L인 도파관의 산란 행렬은 손실을 무시할 수 있을 정도로 작다고 하면,
[수식 2]
로 표시되는 것이 알려져 있다. 단 j는 허수 단위이다.
또한 마이크로파 회로가 가역인 경우,
[수식 3]
으로 되고, 산란 행렬은 대상 행렬로 되는 것이 알려져 있다. 또한 마이크로파 회로가 수동 회로로 무손실인 경우, 산란 행렬은 유니터리 행렬로 되는 것이 알려져 있다.
일반적으로 마이크로파의 전력을 부하에 효율적으로 공급하기 위해, 정합기가 사용된다. 정합기는 마이크로파원과 부하 사이의 전송로에 장하(裝荷)되고, 부하에서 생기는 반사파를 이상적으로는 없애는 작용을 한다. 즉 정합기를 사용해서, 부하에서 생긴 반사파를 상쇄해서, 입사한 마이크로파의 전력을 부하에 효율적으로 소비시킨다. 정합기는 마이크로파원 측과 부하 측의 2개의 포트를 갖고, 2×2의 산란 행렬을 사용해서 모델화할 수 있다. 부하의 반사 계수에 따라, 정합기의 내부 파라미터를 최적으로 제어해서 반사파를 없앤다. 정합기로서, 방형 도파관에 3개의 삽입 길이 가변의 스터브를 장하한 3 스터브 튜너나, 방형 도파관의 E면, H면에 길이 가변의 분기를 설치한 EH 튜너 등이 사용된다. 또한, 더욱이 반사파나 부하의 반사 계수를 모니터하는 기구나 정합기에 있어서의 정합 요소의 구동 기구 및 제어 기구 등을 조합해서 자동적으로 정합 동작을 행하는 자동 정합기도 사용된다.
또한 피처리 기판에 RF 바이어스 전력을 줌으로써, 플라스마 처리의 품질을 높일 수 있는 경우가 있다. 예를 들면 플라스마 에칭 처리의 경우, 주파수 400㎑ 내지 13.56㎒ 정도의 RF 바이어스에 의해, 이온과 전자의 질량차에 기인하는 직류 바이어스 전압을 피처리 기판에 생기게 하고, 이 직류 바이어스 전압으로 플라스마 중의 이온을 인입해서, 가공 형상의 수직성이나 가공 속도를 높이는 등에 의해, 플라스마 처리의 품질을 높일 수 있다.
마이크로파를 플라스마 처리실에 투입하는 방법으로서 많은 구조가 제안되어 있다. 마이크로파의 투입 방법에 의해 플라스마 처리실 내의 마이크로파 전자계 분포와 그 결과 생기는 플라스마의 분포가 영향을 받아, 피처리 기판에 주는 플라스마 처리의 균일성을 좌우하는 것이 요인의 하나이다.
반도체 집적회로의 제조에 사용되는 피처리 기판으로서 직경 300mm의 실리콘 웨이퍼를 사용하는 경우가 많다. 이 원반 형상의 피처리 기판 상에 균일한 플라스마 처리를 행할 필요로부터, 플라스마 처리 장치도 피처리 기판의 중심에 대해 축 대칭인 구조로 하는 경우가 많다. 또한 마이크로파의 공급도 플라스마 처리의 축 대칭성을 고려해서, 예를 들면 중심축과 동축으로 동축 선로를 배치해서 방위각 방향으로 변화가 없는 전자계로 되는 TEM 모드로 전송하거나, 또는 원형 도파관을 중심축과 동축으로 배치해서 최저차의 TE11 모드를 원편파화하여 전송하는 등이 행해질 경우가 있다.
원편파의 정도를 평가하는 지표로서 마이크로파의 1주기 내에서의 마이크로파 전계 벡터의 크기의 최소값에 대한 최대값의 크기를 축비라 부르고 이것을 사용하는 경우가 있다. 전자파의 진행 방향에 대해 전계 벡터가 우회전으로 회전할 경우를 음, 좌회전으로 회전할 경우를 양으로 취한다. 축비의 크기가 1인 경우에 전계 벡터의 크기가 변화하지 않고, 방향이 회전하는 완전한 원편파로 된다. 또한 축비의 크기가 무한대로 될 경우는 편파면이 회전하지 않는 직선 편파로 된다. 이 이외의 값을 취할 때는 타원 편파라고 한다. 원형 도파관의 최저차 모드인 TE11 모드에서는, 원형 도파관의 중심축 상의 전계 벡터에서 축비를 평가하는 것으로 한다.
일반적으로 원편파는 서로 다른 편파면과 위상차를 갖는 직선 편파를 중첩함으로써 실현할 수 있다. 여기에서 편파면이란 파의 전파 방향과 전계 벡터로 이루어지는 면을 가리킨다. 예를 들면 편파면이 직교하고 위상차가 90도인 2개의 동일 진폭의 파를 중첩시킴으로써, 축비의 크기가 1로 되는 완전한 원편파를 실현할 수 있다. 2개의 파의 진폭, 위상차, 편파면의 각도가 이들 값으로부터 시프트하면, 타원 편파로 된다. 일반적으로 n개의 동일 진폭의 직선 편파를 중첩시킬 경우, 편파면이 서로 180도/n의 각도를 이루고, 위상차를 180도/n으로 함으로써 완전 원편파를 실현할 수 있다.
일반적으로 마이크로파의 전송 경로에 불연속부가 있으면, 반사파가 생긴다. 마이크로파를 플라스마 처리실에 투입하는 구조에 있어서도, 예를 들면 원형 도파관을 스텝 형상으로 확대하면 이것에 기인해서 반사파가 생긴다.
플라스마 처리실 내에 플라스마 균일성의 관점에서 최적인 전자계 분포를 실현하기 위한 구조가 복잡화하면, 각부(各部)에서 생기는 반사파의 영향으로 마이크로파 전력을 처리실 내에 효율적으로 전송할 수 없게 되는 경우가 있다. 그 때문에 구조는 극력 단순화하는 것이 바람직하지만, 바람직한 전자계와의 양립이 곤란해질 경우가 많다. 대책으로서 상술한 정합기가 사용되지만, 부하와의 부정합의 정도가 지나치게 크면, 이것에 대응한 넓은 정합 범위의 확보가 곤란해질 경우가 있는 것 외에, 정합기와 부하 사이에 큰 정재파가 생기고, 이것에 의한 이상 방전이나 전력 손실이 문제로 될 경우가 있다.
플라스마 처리의 품질 향상이나 처리 시간의 단축 등에, 플라스마 처리의 즉석(insitu) 관찰이 유효하다. 즉석 관찰에는 플라스마 처리에 따라 다양한 방법이 있고, 예를 들면, 플라스마 에칭 처리의 경우, 처리 중의 피처리 기판을 직접 관찰해서 피에칭막의 막두께를 실시간으로 측정하고, 원하는 막두께로 된 시점에 처리를 중지한다는 제어를 행하는 경우가 있다. 즉석 관찰 없음의 경우와 비교해서, 처리 막두께의 안정화가 도모되는, 처리 시간을 단축할 수 있는 등의 이점이 있다. 또한, 즉석 관찰에 의해 장치의 이상이 발견된 경우, 바로 처리를 정지하는 등의 대응을 취하는 것도 가능한 이점이 있다.
피에칭막의 막두께 측정에는 피처리 기판의 광학적인 간섭을 이용할 수 있다. 외부로부터의 참조 광을 피처리 기판에 조사하는 방법이나, 플라스마 발광의 특정의 파장을 사용하는 방법 등이 있다. 그 경우, 플라스마 에칭 처리 중에 피처리 기판을 광학적으로 관찰할 수 있는 구조로서 관찰용의 창을 준비할 필요가 있다.
피처리물에 마이크로파를 조사하여 피처리물을 가열하는 가열 장치가 사용되고 있다. 피처리물로서, 식품이나 목재, 세라믹스 등 다양한 재질에 대응한 것이 존재한다. 다른 형태의 가열 장치, 예를 들면 고온의 열원의 열을 피처리물에 열전달에 의해 주는 형태의 가열 장치에 비해, 마이크로파를 사용한 장치에서는, 피처리물을 직접 가열할 수 있기 때문에, 전력 손실이 적고 효율적으로 가열할 수 있는 것 외에, 고속으로 승온할 수 있는 이점이 있다. 또한 마이크로파는 파장이 짧기 때문에, 빔 형상으로 수속하는 것도 가능하고, 피처리물에만 집중하여 마이크로파를 조사함으로써, 공간적으로 원하는 부위만을 가열할 수도 있다. 또한 피처리물의 물성값에 따라 마이크로파의 손실이 다른 성질을 이용해서, 특정의 피처리물만을 선택적으로 가열하는 것도 가능한 이점도 있다.
한편, 마이크로파를 사용한 가열 장치에 있어서, 마이크로파의 전자계 분포의 제어가 적절하지 않으면, 파장이 짧은 것에 기인해서, 공간적으로 피처리물의 일부가 가열되지 않는 등의 가열 불균일이 생기는 경우가 있다. 예를 들면 주파수 2.45㎓의 마이크로파를 사용했을 경우, 닫힌 공간에서는 자유 공간의 파장 122mm의 절반 61mm 정도의 간격으로 정재파가 생기는 경향이 있고, 이 정도의 간격으로 가열 불균일이 생기는 경우가 있다. 대책으로서, 피처리물을 이동, 회전시키거나, 마이크로파를 반사하는 부재를 이동, 회전시키는 등을 행할 경우가 있다.
마이크로파를 사용한 플라스마 처리 장치에서는, 처리실 내에 마이크로파의 강한 전자계를 공급함으로써 플라스마를 생성하므로, 부하의 반사 계수가 크고 처리실 내의 전자계가 상대적으로 약한 경우에, 플라스마의 착화성이 악화하는 것은 명확하다. 또한 부하의 반사 계수가 크면, 반사파와 입사파가 중첩하여 생기는 정재파도 커지고, 이것에 의한 이상 방전의 리스크도 높아지는 것은 명확하다. 특히 정합기를 사용했을 경우, 당해 정합기의 정합 범위를 초과하는 반사 계수의 경우, 정합 불량으로 되는 것은 명확하다.
또한, 부하의 반사 계수가 정합기의 정합 범위 내에 있을 경우에도, 부하의 반사 계수가 크면 정합기의 내전력이 저하하고, 이상 방전 등의 불량을 일으킬 리스크가 높아진다. 예를 들면 스터브를 사용한 정합기의 경우, 부하의 반사 계수가 높으면 스터브의 도파관 내에의 삽입 길이가 큰 영역에서 동작할 수밖에 없으므로 스터브 선단과 도파관벽 사이에 생기는 전계가 높아져, 이상 방전의 리스크가 높아진다.
이와 같이 원편파나 광학적으로 피처리 기판을 관찰하는 모니터 장치를 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 원편파를 저해하지 않고, 광학 경로를 확보할 수 있는, 반사파 저감 구조를 실현하기 위해, 본 발명에서는, 대략 축 대칭인 구조를 갖는 마이크로파를 사용해서 플라스마를 발생시키는 플라스마 처리 장치에 있어서, 중심축 상에 배치된 싱글 모드로 동작하는 원형 도파관에 의해 플라스마 발생용의 마이크로파 전력을 전송하고, 원형 도파관 내에 원편파를 발생시키기 위한 원편파 발생기를 구비하고, 이 원편파 발생기의 처리실 측에 원편파를 저해하지 않는 불연속부를 구비하고, 이 불연속부에서 원하는 위상과 진폭을 갖는 반사파를 생성시키고, 생성시킨 반사파로, 처리실 측의 플라스마원 구조로부터 생기는 반사파를 상쇄하도록 구성했다.
이에 의해, 원형 도파관 내를 전파하는 원편파를 저해하지 않고, 또한 대체로 임의의 반사 계수를 갖는 구조를 실현해서, 반사 계수의 크기와 위상을 조정해서, 플라스마 처리실 측으로부터 초래되는 반사파를 상쇄할 수 있도록 했다.
또한, 마이크로파를 사용한 가열 장치의 경우에도, 상술한 플라스마 처리 장치와 마찬가지인 과제가 있다. 즉 가열 대상으로 되는 부재에 효율적으로 또한 균일하게 마이크로파 전력을 공급할 필요가 있고, 당해 마이크로파 전력의 전송 경로에서의 반사파가 크면, 전력 손실이나 이상 방전의 문제가 생기는 경우가 있지만, 본 발명에서는, 도파관에 의해 마이크로파 전력을 전송하고, 도파관 내의 소정의 위치에 원하는 반사파를 발생시키는 불연속부를 구비하고, 이 불연속부에서 생성하는 반사파로, 도파관의 부하 측으로부터 생기는 반사파를 상쇄하도록 구성함으로써, 이 과제를 해결했다.
본 발명을 플라스마 처리 장치에 적요했을 경우에 있어서, 이하에 설명하는 바와 같은 구성의 불연속부를 부하와 접속함으로써, 원형 도파관 내를 전파하는 원편파를 저해하지 않고, 또한 대체로 임의의 반사 계수를 갖는 구조를 실현하고, 이 반사 계수의 크기와 위상을 조정해서, 플라스마 처리실 측으로부터 초래되는 반사파를 상쇄할 수 있도록 했다.
예를 들면 불연속부를 내경이 작고 짧은 원형 도파관으로 구성한다. 예를 들면 주파수 2.45㎓의 마이크로파를 전송하는 내경 90mm의 원형 도파관의 경우, 예를 들면 불연속부로서 내경이 90mm 미만, 길이 25mm의 원형 도파관부를 설치한다. 정성적으로는, 당해 불연속부의 내경이 보다 작으면 반사 계수가 커지고, 당해 불연속부의 위치를 변경하면 반사 계수의 위상을 조정할 수 있다. 내경 90mm의 원형 도파관의 관내 파장은 주파수 2.45㎓의 경우, 202.5mm로 된다. 즉 당해 원형 도파관 내에서 위치를 일 파장분의 범위 내를 움직임으로써, 위상을 0~2π 라디안의 임의의 값으로 조정할 수 있다. 또한 당해 불연속부가 원형 도파관으로 구성되어 있기 때문에, 원편파를 저해하지 않는다. 원편파는 상술한 바와 같이, 2개의 직교하는 편파면을 갖는 직선 편파를 중첩함으로써 기술할 수 있지만, 당해 불연속부가 원형 도파관으로 구성되어 있으므로, 당해 불연속부의 산란 행렬은 입사파의 편파면에 의존하지 않고, 어떠한 각도의 편파면에서 입사해도 산란 행렬은 변화하지 않기 때문이다.
도 5에 상술한 내경이 작고 짧은 원형 도파관(0502)으로 구성한 불연속부에 대해, 산란 행렬을 수치적으로 구하기 위한 모델을 나타낸다. 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)은 상술한 바와 같이 내경이 90mm 미만이고 길이가 25mm인 원형 도파관(0502)이고, 그 전후에 내경이 90mm, 길이가 100mm인 원형 도파관(0501 및 0503)이 접속되어 있다. 직경을 좁힌 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)의 중심축은 원형 도파관(0501) 및 원형 도파관(0503)과 중심축을 공유하고 있다. 또한 원형 도파관(0501과 0503)에 각각 포트 1＿0504와 포트 2＿0505가 설정되어 있다.
2.45㎓의 주파수로 동작하는 내경 90mm의 원형 도파관(0501 및 0503)은 최저 시 모드의 TE11 모드만이 전파 가능하고, 당해 2개의 포트 0504와 0505에는 TE11 모드의 직선 편파가 입력 또는 출력된다고 한다. 이 모델의 산란 행렬은 2×2의 행렬로 된다.
도 5에 나타내는 모델을 사용해서 주파수 2.45㎓의 경우에 대해, 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)의 내경을 다양하게 변경해서 전자계의 기본 방정식인 헬름홀츠의 방정식을 유한요소법에 의해 풂으로써, 산란 행렬을 수치적으로 구했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1에 있어서, 각각 산란 행렬의 각 요소(s11, s12, s21, s22)의 크기(표 중의 amp란에 기재)와 위상(표 중의 arg란에 기재)을 나타낸다. 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)의 직경이 90mm에 가까울수록, s11과 s22의 크기가 작고, s12와 s21의 크기가 큰 경향으로 되고, 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)에 의한 반사가 작은 것을 나타낸다.
표 1에 나타내는 범위에서 원형 도파관부의 직경을 선택함으로써, 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)에서 생기는 반사파의 크기 또는 진폭을 0.9 정도까지 조정할 수 있음을 알 수 있다. 또한 당해 반사파의 위상은 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)과 부하의 거리로 조정할 수 있다. 즉 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)에 의해 생기는 반사파의 진폭과 위상을 대체로 임의로 설정할 수 있으므로, 부하에 의해 생기는 반사파를, 원편파를 저해하지 않고 상쇄할 수 있다.
또한 상술한 가역성과 무손실의 수동 회로인 것으로부터, s12와 s21이 동등하고, s11의 크기와 s12의 크기의 제곱 합이 1로 되고 있다. 또한 포트 1과 포트 2에 대해 대칭인 구조로 하고 있기 때문에, s11과 s22가 동등하게 되어 있다.
[표 1]
부하의 반사 계수가 상술과 같이 측정이나 계산 등의 방법에 의해 기지인 경우, 당해 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)을 사용해서 반사파를 저감할 수 있다. 산란 행렬을 사용해서, 최적인 불연속부를 구할 수 있다.
반사 계수가 Rp인 부하에 길이 L의 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)을 접속했을 경우, 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)의 도파관 단부면에서의 반사 계수 Rp'는, (수식 2)를 사용해서,
[수식 4]
로 된다. 즉 길이 L의 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)을 접속함으로써, 길이 L에 의해 부하의 반사 계수의 위상을 제어할 수 있다.
또한 도 5 및 표 1에 나타내는 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)을 접속했을 경우의 반사 계수 Rp＂는
[수식 5]
로 된다.
또한 가역, 수동 회로, 무손실, 대칭의 조건으로부터 s11=s22, s21=s12이므로
[수식 6]
Rp＂를 제로로 하기 위해서는
[수식 7]
이지 않으면 안 된다.
Rp'의 위상은 (수식 4)로부터 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)의 길이 L로 임의로 제어할 수 있으므로, (수식 7)의 우변의 크기를 Rp' 또는 Rp의 크기에 맞춰 조정할 수 있으면 된다. 즉 Rp' 또는 Rp의 크기는 0 이상 1 이하의 값으로 되므로, (수식 7)의 우변의 크기를 0 내지 1의 범위에서 조정할 수 있으면 된다.
표 1에 (수식 7)의 우변의 값을 나타낸다. 크기가 대체로 0.9 정도까지의 범위에서 조정할 수 있음을 알 수 있다. 즉 최적인 불연속부를 형성하는 원형 도파관(0502)의 길이 L을 선택함으로써, 부하의 반사 계수 Rp가 0.9 정도보다 작은 범위에서 전체의 반사파 Rp＂를 이상적으로는 제로로 조정할 수 있다.
상기한 고찰에 의거하는 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 본 실시형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서 동일 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 부여하도록 하고, 그 반복 설명은 원칙적으로 생략한다.
단, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정해서 해석되는 것은 아니다. 본 발명의 사상 내지 취지로부터 일탈하지 않는 범위에서, 그 구체적 구성을 변경할 수 있음은 당업자라면 용이하게 이해된다.
실시예 1
본 발명을, 마이크로파의 고주파 전력에 의해 생성된 플라스마를 사용하여, 플라스마 처리 상태를 광학적으로 모니터하는 모니터 장치와 원편파 발생기를 구비하는 플라스마 처리 장치에 적요한 예로서, 모니터 장치의 광로를 확보함과 함께 원편파를 저해하지 않고 반사파를 상쇄하는 불연속부가 원형 도파관의 내부 또한 상기 원편파 발생기의 하방에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치에 대해 설명한다.
본 실시예의 전제로 되는 종래의 플라스마 처리 장치의 예로서, 도 1에 의해 종래의 마이크로파 플라스마 에칭 처리를 행하는 플라스마 처리 장치(100)를 설명한다. 도 1은 종래의 플라스마 처리 장치(100) 전체의 종단면도를 나타낸다. 플라스마 처리 장치(100)는, 마이크로파의 발진기(0101), 아이솔레이터(0102), 자동 정합기(0103), 직사각형 도파관(0104), 측정기(0105), 원-직사각형 변환기(0106), 원형 도파관(0107), 원편파 발생기(0108), 정자계의 발생 장치(0109), 공동부(0110), 유전체창(0111), 샤워 플레이트(0112), 플라스마 처리실(0114), 피처리 기판(0113)을 재치하는 재치대(0115)를 구비하고 있다.
이러한 구성에 있어서, 마이크로파의 발진기(0101)로부터 출력된 주파수 2.45㎓의 마이크로파는 아이솔레이터(0102), 자동 정합기(0103)을 통해 원-직사각형 변환기(0106)에 직사각형 도파관(0104)에 의해 전송된다. 직사각형 도파관(0104)은 최저차 모드의 TE10 모드로 동작하는 것을 사용했다. 아이솔레이터(0102)는 부하 측에서 생긴 반사파가 마이크로파의 발진기(0101)에 입사해서 파괴하는 것을 방지하는 작용을 한다. 자동 정합기(0103)는 부하 측의 반사파 또는 임피던스를 모니터해서, 내부 파라미터의 조정에 의해 반사파를 자동적으로 저감하도록 동작한다. 자동 정합기(0103)는 장치 비용의 저감이나 장치 간략화를 위해 수동의 정합기로 해도 된다.
마이크로파의 발진기(0101)로서 마그네트론을 사용했다. 원-직사각형 변환기(0106)는 마이크로파의 진행 방향을 90도 구부리는 코너도 겸하고, 장치 전체의 소형화를 도모하고 있다. 원-직사각형 변환기(0106)의 하부에는 원형 도파관(0107) 및 당해 원형 도파관 중에 원편파 발생기(0108)가 장하되고, 직선 편파로 입사한 마이크로파를 원편파로 변환하고 있다. 당해 원형 도파관(0107)은 플라스마 처리실(0114)의 대략 중심축 상에 설치되어 있고, 원편파 발생기(0108)에 의해 발생한 원편파화된 마이크로파가 전송된다. 원형 도파관(0107)의 부하 측에는 공동부(0110), 유전체창(0111), 샤워 플레이트(0112)를 통해 피처리 기판(0113)을 재치하는 재치대(0115)를 구비한 플라스마 처리실(0114)이 설치되어 있다. 재치대(0115)의 중심축은, 플라스마 처리실(0114) 및 원형 도파관(0107)의 중심축과 일치하도록 설정되어 있다.
공동부(0110)는 투입한 마이크로파 전자계의 중심 집중을 완화하는 작용을 갖는다. 유전체창(0111), 샤워 플레이트(0112)는 마이크로파에 대한 손실이 작고, 플라스마 처리에 악영향을 주기 어려운 재질이 요구되어 석영을 사용했다. 플라스마 처리실(0114)에는, 도시하지 않은 가스 공급계가 접속되고, 유전체창(0111)과 샤워 플레이트(0112) 사이의 도시하지 않은 미소한 간극 및 샤워 플레이트(0112)에 설치한 복수의 미소한 공급 홀을 통해서 에칭 처리에 사용하는 가스를 샤워 형상으로 공급한다. 또한 플라스마 처리실(0114)에는 도시하지 않은 압력계 및 도시하지 않은 배기 속도 조정용의 컨덕턴스 가변 밸브를 통해 도시하지 않은 진공 배기계가 접속되어 있다.
이들 기기에 의해 플라스마 처리실(0114)을 플라스마 에칭 처리에 적합한 원하는 압력, 가스 분위기로 유지할 수 있다. 플라스마 처리실(0114) 내에 피처리 기판(0113)이 있고, 투입한 마이크로파에 의해 발생하는 플라스마를 사용해서 플라스마 에칭 처리를 행한다.
피처리 기판(0113)으로서 직경 300mm의 실리콘 웨이퍼를 사용했다. 피처리 기판(0113)에는 도시하지 않은 RF 바이어스 전원이 자동 정합기를 개재해서 접속되어, RF 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이에 의해 생기는 직류 바이어스 전압으로, 피처리 기판 표면에 플라스마 중의 이온을 인입해서 플라스마 에칭 처리의 고속화나 고품질화를 도모할 수 있다.
플라스마 처리실(0114) 등의 주위에는 정자계의 발생 장치(0109)가 설치되어, 플라스마 처리실(0114)에 정자계를 가할 수 있다. 정자계의 발생 장치(0109)는 복수의 솔레노이드 코일에 의한 전자석과 누설 자속을 저감하여 효율적으로 플라스마 처리실(0114)에 정자계를 인가하기 위한 요크로 이루어진다. 요크는 철성(鐵性)으로 했다. 당해 복수의 솔레노이드 코일에 흘리는 전류값을 조정함으로써 플라스마 처리실(0114)에 가하는 정자계의 크기나 분포를 조정할 수 있다. 당해 정자계는 대체로 원형 도파관(0107)의 중심축에 평행하고, 마이크로파의 투입 방향과 평행하다. 플라스마 처리실(0114) 내에 전자 사이클로트론 공명을 일으키는 0.0875 테슬라의 정자계를 발생시킬 수 있고, 또한 그 위치를 조정할 수 있다.
원-직사각형 변환기(0106)에는 피처리 기판(0113)을 광학적으로 관찰하는 측정기(0105)가 설치되어 있다. 당해 측정기(0105)는 원편파 발생기(0108), 원형 도파관(0107), 공동부(0110), 유전체창(0111), 샤워 플레이트(0112)를 통해 재치대(0115)에 재치된 피처리 기판(0113)을 광학적으로 관찰하고 있다.
측정기(0105)의 광축은 피처리 기판(0113)의 중심으로부터 약간 어긋난 위치에 설정되어 있다. 그 때문에, 측정기(0105)의 광축은 원형 도파관(0107)의 중심축으로부터 떨어진 위치에 있다.
피처리 기판의 플라스마 에칭 처리의 진행 상황을 즉석 관찰하고, 플라스마 처리의 고속화나 고품질화를 도모할 수 있다. 예를 들면 원하는 막두께에 달한 시점에 처리를 정지함으로써, 낭비인 처리 시간을 삭감함과 함께 가공 정밀도도 향상할 수 있다. 예를 들면 막두께의 측정에는 피처리막 표면과 하지층으로부터의 광학적인 간섭을 사용할 수 있다. 간섭광은 외부로부터 피처리 기판에 입사시켜도 되고, 처리실 내의 플라스마로부터 방사되는 광을 사용해도 된다.
도 2에는, 제1 실시예에 따른 플라스마 에칭 처리를 행하는 플라스마 처리 장치(200)를 나타낸다. 도 1에 나타낸 종래예에 본 발명을 적용한 것이고, 공통되는 부분에 대해서는 동일한 번호를 부여하고 설명을 생략한다. 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(200)에서는, 도 1을 사용해서 설명한 종래의 플라스마 처리 장치(100)에 대해, 원형 도파관(0107)에 접속하여 원편파 발생기(0108)의 부하 측에 설치한 도파관(0201)의 내부에 반사파 발생기(0202(a) 내지 (c))를 형성했다.
도 3a 내지 도 3c에 도파관(0201)의 내부에 형성한 반사파 발생기(0202(a) 내지 (c))의 구조를 나타낸다. 도 3a 내지 도 3c의 각각 (a)에 평면도와 (b)에 (a)의 N-N 단면도를 나타낸다.
도 3a의 반사파 발생기(0202(a))는, 도 5에서 설명한 불연속부의 원형 도파관(0502)과 마찬가지로 내경을 좁힌 짧은 원형 도파관으로 이루어지는 구조이고, 직경을 좁힌 부분의 축 방향 길이는 25mm로 했다. 반사파 발생기(0202(a))를 구성하는 직경을 좁힌 원형 도파관은, 그 상하에서 접속하고 있는 원형 도파관(0201)과 중심축을 공유하고 있고 편심하고 있지 않다.
도 1에서 설명한 바와 같이, 측정기(0105)의 광축은 재치대(0115)에 재치된 피처리 기판(0113)의 중심으로부터 약간 어긋난 위치에 설정되어 있으므로, 측정기(0105)의 광축은 원형 도파관(0107)의 중심축으로부터 떨어진 위치에 있다. 그 때문에, 반사파 발생기(0202(a))는 측정기(0105)의 시야와 간섭해 버린다. 이것을 피하기 위해서는, 반사파 발생기(0202(a))가 측정기(0105)의 시야와 겹치는 부분에 반사파 발생기(0202(a))의 측에 노치를 설치할 필요가 있다.
도 3b의 반사파 발생기(0202(b))는 도 3a에 나타낸 반사파 발생기(0202(a))에 방위각 방향으로 90도마다 동일한 형상의 4개의 노치(0301)를 설치한 구조이다. 마찬가지로 도 3c에 나타낸 반사파 발생기(0202(c))는, 도 3a에 나타낸 반사파 발생기(0202(a))에 방위각 방향 90도의 간격으로 동일한 형상의 2개의 노치(0302)를 설치한 구조이다.
상술한 바와 같이, 반사파 발생기(0202(a)~0202(c))는, 원편파를 저해하지 않는 것이 필요하다. 반사파 발생기(0202(a))에서는 편파면의 위치에 의존하지 않고, 산란 행렬은 동일하게 되어, 명확히 원편파를 저해하지 않는다.
반사파 발생기(0202(b), 0202(c))에서는 서로 편파면이 방위각 방향으로 90도 다른 TE11 모드에 대해, 노치(0301, 0302)가 편파면에 대해 동일한 위치에 있기 때문에, 각 TE11 모드에 대해 산란 행렬도 동일해진다. 그 때문에 반사파 발생기(0202(a))와 마찬가지로 원편파를 저해하지 않는다.
도 3b의 반사파 발생기(0202(b))에는 방위각 방향으로 등간격으로 4개소 동일한 형상의 노치를 설치한 예를 나타냈지만, 마찬가지로 동일한 형상의 노치를 3개소, 등간격으로 설치한 형상이어도 되고, 5개소 등간격, 6개소 등간격으로 해도 된다.
노치(0301, 0302)를 설치함에 의해, 재치대(0115)에 재치한 피처리 기판(0113)을 광학적으로 관찰하는 측정기(0105)의 광학 경로 설정의 자유도가 증대하는 효과가 있다.
도 3a 내지 도 3c에 나타낸 반사파 발생기(0202(a) 내지 (c))에 의해 생기는 반사파의 크기와 위상을 부하의 반사 계수에 맞춰 조절함으로써, 반사파 발생기(0202(a) 내지 (c))를 통해 본 부하 측의 반사 계수를 이상적으로는 제로로 할 수 있다. 조절의 수순을 이하에 설명한다. 첫째로 반사파 발생기(0202(a) 내지 (c)) 중 어느 하나의 산란 행렬을 표 1에 나타내는 바와 같이 계산 또는 측정에 의해 준비해 둔다. 또한 부하의 반사 계수를 측정 또는 계산에 의해 구한다.
예를 들면 반경 a(m)의 원형 도파관의 최저차 모드인 TE11 모드의 관내 파장 λg(m)는 주파수 f(㎐)의 경우, 식 (3)으로 계산할 수 있다.
[수식 8]
단 c는 광속(m/s)이다. 내경 90mm의 원형 도파관에 대해, TE11 모드의 파장은 주파수 2.45㎓의 경우, (수식 8)로부터 202.5mm로 된다.
또한 (수식 2)를 사용해서, 길이 L의 TE11 모드 원형 도파관의 산란 행렬이 구해진다. 부하의 반사 계수와 (수식 2), (수식 8)을 사용해서, 부하에 길이 L의 원형 도파관을 접속했을 경우의 반사 계수를 구할 수 있다. 원형 도파관의 손실을 무시할 수 있을 경우, 원형 도파관 접속 후의 반사 계수는, 접속 전에 비해, 크기는 동일하고 위상만이 변한다.
원형 도파관의 길이 L을 바꿈으로써 부하의 반사 계수의 위상을 조정할 수 있다. 또한 반사파 발생기(반사파 발생기(0202(a) 내지 (c))에 상당)를 접속해서, 전체의 산란 행렬을 구할 수 있다. 즉, 부하에 길이 L의 원형 도파관(원형 도파관(0107 및 0201)에 상당) 및 반사파 발생기(반사파 발생기(0202(a) 내지 (c))에 상당)를 접속하면, 1포트의 마이크로파 회로로 되고, 전체의 반사 계수를 산란 행렬 등으로부터 구할 수 있다. 도파관 길이 L과 반사파 발생기(반사파 발생기(0202(a) 내지 (c))에 상당)의 내경의 최적값을, 반사파를 최소로 하는 것을 기준으로 해서 구할 수 있다. 구한 최적값을 적용함으로써, 부하 측의 반사 계수를 작게 할 수 있다.
표 1에 상당하는 데이터를 다수 준비함으로써, 부하 측의 반사 계수의 크기를 보다 작게 할 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는, 마이크로파의 고주파 전력에 의해 생성된 플라스마를 사용하는 플라스마 처리 장치에 있어서, 원편파 발생기의 부하 측, 원형 도파관 내에 불연속부(반사파 발생기)를 장하하고, 부하의 반사 계수에 따라, 부하에서 생기는 반사파를 상쇄하는 파를 불연속부에서 발생시키는 구성으로 하고, 이 불연속부에서 발생하는 파의 진폭과 위상은 부하의 반사 계수에 맞춰 조정하고, 불연속부는 내경을 좁힌 짧은 원형 도파관으로 구성하고, 파의 진폭은 형상(스로틀의 내경)으로, 위상은 스로틀의 축 방향 위치로 조정하도록 했다.
이에 의해, 본 실시예에 따르면, 원형 도파관 내를 전파하는 원편파를 저해하지 않고, 또한 대체로 임의의 반사 계수를 갖는 구조를 실현할 수 있게 되었다. 그리고, 이 반사 계수의 크기와 원편파의 위상을 조정하여 플라스마 처리실 측으로부터 도파관의 측으로 초래되는 반사파를 상쇄함으로써, 마이크로파 전력의 손실을 억제하여, 이상 방전의 발생을 억제하는 것이 가능하게 되었다.
불연속부를 구성하는 반사파 발생기(0202(b) 또는 0202(c))에는 중심에 대해 방위각 방향의 대칭 위치에 복수의 노치(0301 또는 0302)를 형성함으로써, 노치(0301 또는 0302)의 위치의 대칭성은 원편파를 저해하지 않기 위함. 마이크로파의 손실 방지를 위해 특히 표면에 도전률의 높은 재료를 사용하도록 했다.
이와 같이 반사파 발생기(0202(b) 또는 0202(c))에 노치(0301 또는 0302)를 설치함에 의해, 플라스마 처리실(0114) 중에서 재치대(0115)에 재치된 피처리 기판(0113)을 측정기(0105)에서 광학적으로 관찰하기 위한 광로를 확보할 수 있도록 했다. 이에 의해 플라스마 처리를 insitu로 관찰할 수 있으므로, 플라스마 처리의 고품질화가 가능해진다.
즉, 본 실시예에 따르면, 즉석 관찰 수단을 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 원형 도파관 내를 전파하는 원편파를 저해하지 않고, 또한 대체로 임의의 반사 계수를 갖는 구조를 실현할 수 있고, 이 반사 계수의 크기와 위상을 조정해서, 플라스마 처리실 측으로부터 초래되는 반사파를 없앨 수 있게 되었다. 이에 의해, 전력 손실이나 이상 방전의 문제를 해결해서 가열 대상으로 되는 부재에 효율적으로 또한 균일하게 마이크로파 전력을 공급할 수 있고, 플라스마 처리의 즉석 관찰을 행하면서 플라스마 처리의 품질 향상이나 처리 시간의 단축을 실현할 수 있게 되었다.
실시예 2
제2 실시예로서, 마이크로파원, 원형 도파관, 당해 원형 도파관 내에 설치한 원편파 발생기, 당해 원편파 발생기의 출력 측에 설치한 불연속부를 갖는 가열 장치에 있어서, 불연속부는 원편파를 저해하지 않는 축 대칭인 구조로 하고, 마이크로파 전자계의 축 대칭성을 무너뜨리지 않고 반사파를 상쇄하는 파를 발생시켜, 양호한 균일성으로 피처리물을 가열할 수 있도록 구성한 예를 설명한다.
도 4에 본 실시예에 따른 가열 장치(400)를 나타낸다. 본 실시예에 따른 가열 장치(400)는, 마이크로파의 발진기(마이크로파 발생원)(0401), 아이솔레이터(0402), 정합기(0403), 직사각형 도파관(0404), 측정기(0405), 원-직사각형 변환기(0406), 원형 도파관(0407), 원편파 발생기(0408), 반사파 발생기(0409), 가열실(0410), 시료(0411)를 재치하는 재치대(0412)를 구비하고 있다.
이러한 구성에 있어서 가열 장치(400)는, 마이크로파 발생원(0401)에서 주파수 2.45㎓의 마이크로파를 발생시켜, 아이솔레이터(0402), 정합기(0403)를 통해 직사각형 도파관(0404)에 의해 전송한다. 직사각형 도파관(0404)은 최저차 모드인 TE10 모드로 동작하는 내측 단면이 109.2mm×54.6mm인 것을 사용했다. 마이크로파 발생원(0401)으로서 마그네트론을 사용했다. 아이솔레이터(0402)는 부하 측으로부터의 반사파가 마이크로파 발생원(0401)으로 되돌아가 파손하는 것을 방지하는 작용을 한다. 정합기(0403)는 부하의 임피던스 부정합에 의해 생기는 반사파를 없애는 작용을 한다. 정합기(0403)로서 수동의 3 스터브 튜너를 사용했지만, 자동 정합기를 사용해도 된다.
또한 마이크로파는 원-직사각형 변환기(0406)를 통해 원형 도파관(0407)에 의해 가열실(0410)에 도입된다. 원형 도파관(0407)은 최저차 모드인 TE11 모드로 동작하는 내경 90mm의 것을 사용했다. 원-직사각형 변환기(0406)는 마이크로파의 진행 방향을 직각으로 구부리는 작용도 함께 갖는다.
원형 도파관(0407) 내에는 원편파 발생기(0408)가 있으며, 직선 편파로서 입사한 마이크로파를 원편파로 변환한다. 또한 원편파 발생기(0408)의 부하 측에 반사파 발생기(0409)가 있으며, 반사파를 발생시키는 기능을 갖는다. 당해 반사파 발생기(0409)는 원편파를 저해하지 않는다. 즉 원편파를 입사 측으로부터 접속했을 경우, 반사파 및 투과파가 원편파로 된다. 반사파 발생기(0409)는, 실시예 1에 있어서도 3a 내지 도 3c를 사용해서 설명한 도파관(0201)의 내부에 형성한 불연속부를 구성하는 반사파 발생기(0202(a) 내지 (c))와 동일한 구조를 갖고, 동일한 작용 및 효과가 얻어진다.
가열실(0410) 내에는 시료(0411)를 재치하는 재치대(0412)와 시료(0411)가 있다. 가열실(0410)은 대체로 원통 형상이고, 재치대(0412)는 당해 원통 형상의 가열실(0410)의 중심축과 대체로 동축으로 배치되어 있다. 또한 원형 도파관(0407)은 가열실(0410)의 중심축과 동축으로 접속되어 있다. 원편파 발생기(0408)에서 생성한 원편파는 가열실(0410) 내에 투입되어, 시료(0411)를 가열한다.
이러한 구성에 있어서, 원편파 발생기(0408)에 의해 발생한 원편파는 편파면이 마이크로파의 주파수로 회전하기 때문에, 원형 도파관(0407)의 중심축에 대한 방위각 방향으로 1주기 동안에 흡수 전력이 평활화된다. 즉 원편파에 의해 방위각 방향으로 균일한 흡수 전력 분포를 실현할 수 있다. 이에 의해 시료(0411)의 방위각 방향의 가열 불균일을 저감할 수 있다.
또한, 실시예 1에서 설명한 것과 마찬가지로, 반사파 발생기(0409)에 의한 반사파의 크기와 위상을 부하의 반사 계수에 따른 최적값으로 조정함에 의해, 반사파를 저감해서 투입 전력을 유효하게 시료(0411)의 가열에 사용할 수 있다. 또한 정합기(0403)의 부담을 저감할 수 있다.
또한 상술과 같이 원편파 발생기(0408)는 정합 부하에 대해 최적화되어 있는 경우가 많아, 부정합의 부하의 경우에 축비가 악화할 경우가 있지만, 반사파 발생기(0409)의 사용에 의해, 원편파 발생기(0408)의 동작 불량을 방지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 도파관 내의 소정의 위치에 원하는 반사파를 발생시키는 불연속부를 구비하고, 이 불연속부에서 생성하는 반사파로, 도파관의 부하 측으로부터 생기는 반사파를 상쇄하도록 구성한 것에 의해, 가열 대상으로 되는 부재에 효율적으로 또한 균일하게 마이크로파 전력을 공급할 수 있게 되었다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능한 것은 물론이다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위해 상세히 설명한 것이고, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.
100, 200 플라스마 처리 장치
0101, 0401 마이크로파의 발진기 0102, 0402 아이솔레이터
0103 자동 정합기 0104, 0404 직사각형 도파관
0105, 0405 광학적으로 관찰하는 측정기
0106, 0406 원-직사각형 변환기 0107, 0201, 0407 원형 도파관
0108, 0408 원편파 발생기 0109 정자계의 발생 장치
0110 공동부 0111 유전체창
0112 샤워 플레이트 0113 피처리 기판
0114 플라스마 처리실 0115, 0412 재치대
0202, 0202(a), 0202(b), 0202(c), 0409 반사파 발생기
0301, 0302 노치 0403 정합기
0410 가열실 0411 시료
0501 원형 도파관
0502 불연속부를 형성하는 원형 도파관 0503 원형 도파관
0504 포트 1 0505 포트 2

Claims (8)

  1. 시료가 플라스마 처리되는 처리실과, 원형 도파관을 통해 마이크로파의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원과, 상기 원형 도파관을 통해 플라스마 상태를 광학적으로 모니터하는 모니터 장치와, 상기 원형 도파관의 내부에 배치되고 원편파를 생성하는 원편파 생성기와, 상기 시료가 재치되는 시료대를 구비하는 플라스마 처리 장치에 있어서,
    상기 원편파 생성기와 상기 처리실 사이 또한, 상기 원형 도파관의 내부에 배치된 반사파 생성기를 더 구비하고,
    상기 반사파 생성기는, 상기 처리실로부터 전파하는 반사파를 원편파를 저해하지 않고 상쇄하는 반사파를 생성하고,
    상기 플라스마 상태를 광학적으로 모니터하기 위한 광로가 상기 반사파 생성기에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사파 생성기의 중심축은, 상기 원형 도파관의 중심축과 동일한 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사파 생성기의 내경은, 부하의 반사 계수를 기초로 규정되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사파 생성기의 중심축의 방향에 있어서의 상기 반사파 생성기의 위치는, 부하의 반사 계수를 기초로 규정되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반사파 생성기의 중심축의 방향에 있어서의 상기 반사파 생성기의 위치는, 부하의 반사 계수를 기초로 규정되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사파 생성기는, 복수의 노치부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 노치부는, 상기 원편파의 편파면에 대해 동일한 위치로 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  8. 시료가 가열되는 가열실과, 원형 도파관을 통해 마이크로파의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원과, 상기 원형 도파관의 내부에 배치되고 원편파를 생성하는 원편파 생성기를 구비하는 가열 장치에 있어서,
    상기 원편파 생성기와 상기 가열실 사이 또한, 상기 원형 도파관의 내부에 배치된 반사파 생성기를 더 구비하고,
    상기 반사파 생성기는, 상기 가열실로부터 전파하는 반사파를 원편파를 저해하지 않고 상쇄하는 반사파를 생성하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
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