JP3963428B2

JP3963428B2 - 高周波電源

Info

Publication number: JP3963428B2
Application number: JP2001375639A
Authority: JP
Inventors: 利泰速水; 剛大瀬; 淳一高平
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2021-12-10
Also published as: JP2003179029A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電源に関し、特に、半導体ウエハに対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置用の高周波電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイスの製造プロセスでは、高密度のプラズマを生成して半導体ウエハにエッチングを行うプラズマ処理装置が用いられている。プラズマ処理装置は、高周波電源によりプラズマチャンバ内に配置された電極にプラズマ生成用の高周波とプラズマ中のイオンを引き込むためのバイアス用の高周波とを重畳して印加する。
【０００３】
プラズマ処理装置では、高周波電源からプラズマチャンバに出力された入射波（入射電力：Ｐｆ）に対して、プラズマ生成時の負荷インピーダンスの変動によりプラズマチャンバから反射波（反射電力：Ｐｒ）が戻ってくるので、該反射波から高周波電源を保護するために、例えば、反射波を検出して入射波を低下させる方法や高周波電源とプラズマチャンバ間に反射波を除去するためのサーキュレータを挿入する方法等が採られている。特に、プラズマ生成用の高周波電源には、プラズマ生成時の着火マージンを確保するために高周波電源とプラズマチャンバ間にサーキュレータを挿入する方法が有効である。
【０００４】
図３は、従来のプラズマ処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【０００５】
図３において、プラズマ処理装置２０は、本体装置であるプラズマチャンバ２１と、反射波を最も少なくするようにプラズマチャンバ２１側の入力インピーダンスを高周波電源２６側の出力インピーダンスに合わせるための整合回路であるマッチングボックス２２と、入射波及び反射波を検出してプラズマチャンバ２１に供給する高周波電力の制御を行うパワーモニタ２３と、磁性体から成るサーキュレータ２４と、終端抵抗であるダミーロード２５と、プラズマ生成用の高周波電源２６とを備える。
【０００６】
高周波電源２６は、パワーモニタ２３と同様の機能を備えるパワーモニタ２７と、電力を合成して出力する複数の電力合成器２８〜３４とを備え、例えば、入射波として１００ＭＨｚ、３ｋＷのプラズマ生成用の高周波を出力する。
【０００７】
サーキュレータ２４は、高周波電源２６側から出力された入射波Ｐｆをプラズマチャンバ２１側へ出力する（Ｐｆ´）一方、プラズマチャンバ２１側から戻ってくる反射波Ｐｒをダミーロード２５に出力する。ダミーロード２５は、サーキュレータ２４から出力された反射波を消費する。
【０００８】
プラズマ処理装置２０では、プラズマ生成時の負荷インピーダンスの変動によりプラズマチャンバ２１から発生した反射波が直接高周波電源２６に戻ってくることをサーキュレータ２４により防止して反射波から高周波電源２６を保護している。
【０００９】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、上記従来のプラズマ処理装置２０では、高周波電源２６の外部に大電力用のサーキュレータ２４及びダミーロード２５を配置するので、それらに対応する装置用スペースを広く採る必要があった。
【００１０】
また、サーキュレータ２４は磁性体から成るので、高周波電源２６からの入射波（Ｐｆ）がサーキュレータ２４を通過すると磁気損失等によりわずかに減衰（ΔＰｆ＝Ｐｆ−Ｐｆ′）し、その結果、プラズマチャンバ２１側に入力する入射波を精度よく制御するために、マッチングボックス２２の前段にパワーモニタ２３を設置する必要があった。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、プラズマ処理装置における装置用スペースを削減すると共に、装置の全体構成を簡略化し、入射波の損失を防止することができる高周波電源を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の高周波電源は、少なくとも２つの高周波電力を合成する電力合成手段と、前記電力合成手段により合成された高周波電力を制御する制御手段とを備え、前記制御手段により制御された高周波電力を入射電力としてプラズマ処理装置に供給する高周波電源において、前記電力合成手段は、前記プラズマ処理装置に供給された入射電力に対する反射電力を分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された反射電力を消費する消費手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の高周波電源は、請求項１記載の高周波電源によれば、前記分岐手段は、フェライトから成る少なくとも２つのサーキュレータが前記制御手段に対して並列に接続されて成ることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の高周波電源は、請求項１又は２記載の高周波電源について、前記消費手段は、前記サーキュレータそれぞれに接続された抵抗から成ることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の高周波電源は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高周波電源において、少なくとも２つの高周波電力を合成し、前記電力合成手段に供給する他の電力合成手段を複数備えることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態に係る高周波電源を含むプラズマ処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１８】
図１において、プラズマ処理装置１は、本体装置であるプラズマチャンバ２と、プラズマチャンバ２に接続されたマッチングボックス３と、プラズマ生成用の高周波電源４とを備える。
【００１９】
プラズマ処理装置１は、プラズマチャンバ２内に不図示の一対の平行平板電極（上部電極及び下部電極）を配置して処理ガスを導入すると共に、当該電極の一方に高周波電源４により高周波を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界によりプラズマを生成して半導体ウエハ（以下「ウエハ」という。）にプラズマ処理を行う。
【００２０】
マッチングボックス３は、可変コンデンサ及びコイル等から成る回路（不図示）を備え、プラズマチャンバ２側の入力インピーダンスを高周波電源４側の出力インピーダンスに合わせるための整合回路である。特に、マッチングボックス３の入力側をみたインピーダンスと高周波電源４の出力側をみたインピーダンスとが同じ（５０Ω）になるように設定されている。
【００２１】
高周波電源４は、プラズマチャンバ２に進行する入射波（入射電力：Ｐｆ）及びプラズマ生成時の負荷インピーダンスの変動によりプラズマチャンバ２から戻ってくる反射波（反射電力：Ｐｒ）を検出して高周波電力を制御するパワーモニタ５と、電力を合成する複数の電力合成器６〜１２とを備え、入射波として１００ＭＨｚ、３ｋＷのプラズマ生成用の高周波を出力する。
【００２２】
一般に、高周波電源で大電力を得るには、一つの増幅素子の出力が２００〜３００Ｗ程度と限られているので電力合成が必要となる。特に、１００ＭＨｚ、３ｋＷの高周波を出力する場合は、図示した数に限られず、複数の電力合成器６〜１２を複数段接続して電力合成を行う。
【００２３】
電力合成器７〜１２は、ウィルキンソン型合成器から成る。電力合成器６は、他の電力合成器７〜１２と異なり、フェライト（磁性体）から成るサーキュレータ１３，１４と、終端抵抗であるダミーロード１５，１６とで構成される。電力合成器６は、サーキュレータ１３，１４を図示のようにパワーモニタ５に対して並列に接続することにより電力合成器として機能し、電力合成器７からの出力と電力合成器８からの出力とを合成して出力する。
【００２４】
図２は、図１における電力合成器７〜１２の電力合成方法を説明する説明図である。本合成方法は、一般に、１／４波長（１／４λ）の同軸ケーブルによるインピーダンス変換を応用したウィルキンソン型合成・分配方式と呼ばれている。
【００２５】
図２において、３０，３１は１／４λでインピーダンスが７０Ωの同軸ケーブルである。Ｒｘは、Ｐ１〜Ｐ２間のアイソレーションを保つために配置された抵抗分である。図示のように、電力合成器７〜１２を接続することにより電力を合成することができる。
【００２６】
図１に戻って、サーキュレータ１３，１４は、電力合成器７，８から入力された各高周波電力を合成して入射波としてパワーモニタ５へ出力する一方、プラズマチャンバ２からパワーモニタ５を介して戻ってくる反射波をフェライトの磁気共鳴現象を利用してダミーロード１５，１６にそれぞれ出力する。ダミーロード１５，１６へ出力された反射波は、ダミーロード１５，１６内の各抵抗分により消費される。
【００２７】
このように、プラズマ生成時の負荷インピーダンス変動によりプラズマチャンバ２から発生した反射波をサーキュレータ１３，１４を介してダミーロード１５，１６により消費させることで反射波から最終段である高周波電源４を保護すると共に、プラズマチャンバ２に対して安定したエネルギを供給することができる。
【００２８】
サーキュレータ１３，１４が高周波電源４の外部にある場合は、高周波電源４の出力が負荷であるプラズマチャンバ２の状態に関わらず一定出力となるので、入射波の制御においてはマッチングボックス３の入力側にパワーモニタ５を設けて高周波電源４本体とのパワーフィードバックを行わなければならない。本実施の形態では、サーキュレータ１３，１４による電力合成により高周波電源４内部にて入射波の処理を行うことができ、装置全体の構成がシンプルとなる。
【００２９】
上記実施の形態によれば、高周波電源４内の電力合成器６に備わるフェライトから成るサーキュレータ１３，１４によりプラズマチャンバ２側からの反射波を分岐してダミーロード１５，１６へ出力し、該ダミーロード１５，１６により反射波を消費するので、プラズマ処理装置における装置用スペースを削減すると共に、装置の全体構成を簡略化し、入射波の損失を防止することができる。
【００３０】
また、電力合成器６内では、２つのサーキュレータ１３，１４をパワーモニタ５に対して並列に接続しているので、電力合成器を利用することなく２つの高周波電力を合成して取り出すことができる。さらに、サーキュレータ１３，１４に接続されたダミーロード１５，１６を高周波電源４の電力増幅部（不図示）の冷却装置内に取り付けることができるので、装置用スペースを削減することができる。
【００３１】
上記実施の形態では、サーキュレータ１３，１４を別個に設けているが一体としてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１記載の高周波電源によれば、少なくとも２つの高周波電力を合成する電力合成手段において、分岐手段がプラズマ処理装置に供給された入射電力に対する反射電力を分岐し、消費手段が分岐された反射電力を消費するので、プラズマ処理装置における装置用スペースを削減すると共に、装置の構成を簡略化し、入射波の損失を防止することができる。
【００３３】
請求項２記載の高周波電源によれば、分岐手段は、フェライトから成る少なくとも２つのサーキュレータが制御手段に対して並列に接続されて成るので、電力合成器を利用することなく２つの高周波電力を合成して取り出すことができる。
【００３４】
請求項３記載の高周波電源によれば、消費手段は、前記サーキュレータにそれぞれ接続された抵抗から成るので、高周波電源内の電力増幅部の冷却装置内に取り付けて使用することができ、装置用スペースを削減することができる。
【００３５】
請求項４記載の高周波電源によれば、少なくとも２つの高周波電力を合成し、前記電力合成手段に供給する他の電力合成手段を複数備えるので、所望の高周波電力を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る高周波電源を含むプラズマ処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１における電力合成器７〜１２の電力合成方法を説明する説明図である。
【図３】従来のプラズマ処理装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１プラズマ処理装置
２プラズマチャンバ
３マッチングボックス（整合回路）
４高周波電源
５パワーモニタ
６，７，８，９，１０，１１，１２電力合成器
１３，１４サーキュレータ
１５，１６ダミーロード

Claims

少なくとも２つの高周波電力を合成する電力合成手段と、前記電力合成手段により合成された高周波電力を制御する制御手段とを備え、前記制御手段により制御された高周波電力を入射電力としてプラズマ処理装置に供給する高周波電源において、
前記電力合成手段は、前記プラズマ処理装置に供給された入射電力に対する反射電力を分岐する分岐手段と、
前記分岐手段により分岐された反射電力を消費する消費手段とを備えることを特徴とする高周波電源。
前記分岐手段は、フェライトから成る少なくとも２つのサーキュレータが前記制御手段に対して並列に接続されて成ることを特徴とする請求項１記載の高周波電源。
前記消費手段は、前記サーキュレータそれぞれに接続された抵抗から成ることを特徴とする請求項１又は２記載の高周波電源。
少なくとも２つの高周波電力を合成し、前記電力合成手段に供給する他の電力合成手段を複数備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高周波電源。