WO2004032219A1 - Plasma processing system - Google Patents

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WO2004032219A1
WO2004032219A1 PCT/JP2003/012792 JP0312792W WO2004032219A1 WO 2004032219 A1 WO2004032219 A1 WO 2004032219A1 JP 0312792 W JP0312792 W JP 0312792W WO 2004032219 A1 WO2004032219 A1 WO 2004032219A1
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WO
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microwave
antenna
microwaves
plasma processing
processing apparatus
Prior art date
Application number
PCT/JP2003/012792
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French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Shigeru Kasai
Yuki Osada
Takashi Ogino
Original Assignee
Tokyo Electron Limited
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192Microwave generated discharge
    • H01J37/32211Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/3222Antennas
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192Microwave generated discharge

Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing apparatus that performs a plasma process such as etching on a substrate to be processed.
  • plasma processing such as etching and film formation on substrates to be processed, such as semiconductor wafers and glass substrates, plasma etching equipment, plasma CVD film deposition equipment, etc.
  • the plasma processing apparatus is used.
  • a processing gas is supplied into a chamber in which parallel plate electrodes are arranged, and a predetermined power is supplied to the parallel plate electrodes to generate plasma by capacitive coupling between the electrodes.
  • the method accelerates the electrons by an electric field generated by a microwave introduced into the chamber and a magnetic field generated by a magnetic field generator disposed outside the chamber, and the electrons collide with neutral molecules of the processing gas to generate neutral molecules.
  • a method of generating plasma by ionizing a gas There is known a method of generating plasma by ionizing a gas.
  • a microwave having a predetermined power is supplied to an antenna disposed in a chamber through a waveguide Z coaxial tube. Microwaves are radiated from the antenna to the processing space in the chamber.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a conventional general microwave introduction device.
  • the microwave introduction device 90 generally includes a magnetron 91 a that outputs a microwave adjusted to a predetermined power and a microwave generation power supply 91 b that supplies an anode current of a predetermined frequency to the magnetron 91 a.
  • a matcher 93 that has a tuner that matches the antenna 94 so as to reduce the power of the reflected microwave and that connects the waveguide to the coaxial waveguide.
  • the microwave oscillator 91 using the magnetron 91a has a problem that the life of the magnetron 91a is short, about half a year, so that the equipment cost and the maintenance cost are increased.
  • the oscillation stability of the magnetron 91a was about 1%, and the output stability was as large as about 3%. Therefore, it was difficult to transmit a stable microphone mouth wave.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a plasma processing apparatus including a long-life microwave oscillator. Another object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus including a microwave oscillator capable of stably supplying a microwave.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a microwave introduction device provided with a microwave oscillator using a semiconductor amplifying element according to the prior application.
  • the microwave introduction device 80 includes a microwave oscillator 80 a that oscillates microwaves of a predetermined power, and a microwave oscillator 80 a from the antenna 87 to the microwave oscillator 80 a among the microwaves output from the microwave oscillator 80 a.
  • An isolator 85 that absorbs the reflected microwaves that are going to return, an antenna 87 that is provided in the chamber and oscillates the microphone mouth wave output through the isolator 85 toward the processing space of the chamber, and an antenna 87 And a matcher 86 that matches the antenna 87 so as to reduce reflected microwaves.
  • the microwave oscillator 80a includes a microwave generator 81 for generating microwaves and a plurality of microwaves output from the microwave generator 81 (four in FIG. 7). And the four soli- cers that amplify each of the four-path microphone mouth waves output from the splitter 82 to predetermined power individually. And a combiner 84 that combines microwaves amplified by the solid state amplifiers 83.
  • the microwave generator 81 includes a microwave generator (generator) 81 a for generating a microwave of a predetermined frequency (for example, 2.45 GHz), and a microwave generated by the microwave generator 81 a. And a variable attenuator 81b that attenuates the power of the wave to a predetermined level.
  • a microwave generator generator
  • 81 a for generating a microwave of a predetermined frequency (for example, 2.45 GHz)
  • a microwave generated by the microwave generator 81 a for example, 2.45 GHz
  • a variable attenuator 81b that attenuates the power of the wave to a predetermined level.
  • the solid-state amplifier 83 is composed of a sub-distributor 83 a that distributes the input microwave to a plurality of microphone mouth waves (a case where the microwave is distributed to four systems) and a sub-divider 83. a semiconductor amplifying element 83 b for amplifying the microwave output from a to a predetermined power, and a sub-combiner 83 c for synthesizing the amplified microwave output from each semiconductor amplifying element 83 b. Have.
  • the semiconductor amplifying element 83b since the semiconductor amplifying element 83b performs power amplification, the lifetime of the device is semi-permanent, and a microwave with stable output can be radiated into the chamber. it can.
  • the isolator 85 since the high-power microwave output from the combiner 84 is transmitted to the isolator 85, the isolator 85 also needs to be a large-sized device of several kilobits. Therefore, there arises a problem that the degree of freedom of an installation place of the isolator 85 is reduced and a problem that the isolator 85 itself becomes expensive. Furthermore, since the synthesized microwave is transmitted to the antenna 87 by one coaxial tube, the antenna is It is not possible to adjust the power distribution of the microwaves output from the antenna 87.
  • the present invention relates to these problems that occur in the microwave introduction device according to the above-mentioned prior application, namely, a problem of an increase in transmission loss, a problem of an increase in the size of a device for supplying microwaves, and a problem of radiated microwave power It solves the problem of non-adjustable distribution and.
  • a chamber accommodating a substrate to be processed
  • a gas supply device for supplying a processing gas into the chamber
  • a microwave introduction device for introducing a microwave for plasma generation into the chamber
  • the microwave introduction device The microwave introduction device
  • a microwave oscillator that outputs a plurality of microwaves having a predetermined output
  • An antenna unit having a plurality of antennas to which a plurality of microwaves output from the microwave oscillator are respectively transmitted;
  • a plasma processing apparatus characterized by the above-mentioned features.
  • each microwave is transmitted to each of the plurality of antennas constituting the antenna unit, it is not necessary to combine high-power microwaves on the transmission line up to the antenna unit. Therefore, since a combiner becomes unnecessary, it is possible to completely avoid the occurrence of power loss due to the combiner. Further, since the output of each microwave transmitted to each antenna unit can be reduced, it is not necessary to use a high power isolator. As a result, it is possible to avoid an increase in the size of the microwave oscillator. Further, a plurality of antennas constituting the antenna unit can be supplied with microwaves having different powers, whereby the output distribution of the microphone mouth wave radiated from the antenna unit can be adjusted.
  • the microwave oscillator is a microphone mouth wave generator that generates a low-power microwave, a distributor that distributes the microwave generated from the microphone mouth wave generator to a plurality of microphone mouth waves, And a plurality of amplifier units for amplifying the microwave output from the distributor to a predetermined power, and output from the plurality of amplifier units.
  • a plurality of microwaves are respectively transmitted to the plurality of antennas.
  • each of the plurality of amplifier units includes a variable attenuator that attenuates each microwave output from the distributor to a predetermined level, and amplifies the microwave output from the variable attenuator to a predetermined power.
  • a solid-state amplifier an isolator for separating reflected microwaves to be returned to the solid-state amplifier from microphone mouth waves output from the solid-state amplifier to the antenna, and adjusting the power of the reflected microwaves
  • the isolator includes a dummy load that converts the reflected microwave into heat, and a circuit that guides the microwave output from the solid state amplifier to the antenna and guides the reflected microwave from the antenna to the dummy load.
  • the solid-state amplifier includes: a sub-divider that distributes an input microwave to a plurality of microwaves; and a plurality of semiconductor amplifying elements that amplify a plurality of microphone mouth waves output from the sub-divider to predetermined power, respectively. And a synthesizer for synthesizing microwaves power-amplified by the plurality of semiconductor amplifying elements.
  • a power MOS FET, a GaAs FET, a GeSi transistor, or the like is preferably used as this semiconductor amplifying element.
  • the low-power microwave is amplified by the semiconductor amplifying element without using the magneto port, the life of the amplifier section can be made semi-permanent. As a result, equipment costs and maintenance costs can be kept low. Further, since the semiconductor amplifier has excellent output stability, it is possible to radiate microwaves having stable characteristics into the chamber. As a result, the state of plasma generation is maintained well, and Processing quality can be improved. Further, in this case, the output adjustment range of the amplifier section is as wide as 0 ° / 0 to: L 0%, and the adjustment is easy.
  • the antenna section includes a circular antenna provided at the center, a plurality of substantially sector-shaped antennas surrounding the outside of the circular antenna, and a separation plate separating the circular antenna and the substantially sector-shaped antenna.
  • a separation plate separating the circular antenna and the substantially sector-shaped antenna.
  • Each antenna may have a slow wave plate, a cooling plate, and a slot plate. It is preferable that the separation plate is a metal member and is grounded.
  • the slot plate of the circular antenna is provided with a first slot of a predetermined length on the circumference inside by ⁇ g Z4 from the outer periphery of the circular antenna, and g / 2 from the first slot.
  • a second slot of a predetermined length is provided on each of the inner concentric circles.
  • a third slot of a predetermined length is provided on the slot plate of the substantially fan-shaped antenna from the boundary between the substantially fan-shaped antennas; g / 4 inside and ⁇ g Z 2 from the third slot. It is preferable that a fourth slot having a predetermined length is provided in the second slot. This allows the microphone mouth wave to be efficiently radiated into the chamber.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a plasma etching apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a microwave introduction device provided in the plasma etching device of FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a planar structure of the antenna.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the disk antenna.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an equivalent circuit used for impedance matching.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram (smith chart) showing the impedance change during plasma ignition and during the process.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a microphone mouth wave introducing device provided with a microwave oscillator using a semiconductor amplifying element.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a configuration of a conventional microwave introduction device. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a plasma etching apparatus 1 which is an example of a plasma processing apparatus.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a more detailed configuration of the microwave introduction device 50 provided in the plasma etching device 1.
  • the substrate to be processed in the plasma etching apparatus 1 is a semiconductor wafer W.
  • Plasma etching measures 1 consist of a chamber 11 for accommodating the wafer W and a chamber
  • a processing gas for plasma generation for example, chlorine (C 1 2 )
  • a substrate holding stage 23, an air-core coil 21 for generating a magnetic field in a processing space 20 inside the chamber 11, and a microphone mouth wave introducing device 50 for supplying a microwave into the chamber 11 are provided. I have.
  • the microwave introduction device 50 includes a microwave oscillator 30 that outputs a plurality of microwaves having predetermined outputs (FIGS. 1 and 2 show four paths), and a microwave oscillator.
  • the microwave oscillator 30 is composed of a microwave generator 31 that generates a low-power microwave, and a distributor 3 2 that distributes the microwave output from the microwave generator 31 to a plurality of microwaves (see FIG. 2 shows the case where the signal is divided into four), and a plurality of amplifiers 3 3 that amplify each microwave output from the distributor 32 to a predetermined power (four amplifiers 3 3 are shown in Figure 2) Is provided.
  • the microphone mouth waves output from these four amplifier sections 33 are respectively supplied to feed points 60a'60b'60c.60d provided in antennas 13a to 13d, respectively. Transmitted (see Figure 3).
  • the microwave generator 31 generates a microwave having a predetermined frequency (for example, 2.45 GHz).
  • Distributor 32 should minimize the microwave loss Then, the microphone mouth wave is distributed while impedance matching between the input side and the output side is maintained.
  • each of the amplifier sections 33 includes a variable attenuator 41 for attenuating the microwave output from the distributor 32 to a predetermined level, and a predetermined output from the variable attenuator 41.
  • a solid-state amplifier 42 that amplifies the power of the antenna and a microphone that is output from the solid-state amplifier 42 to each of the antennas 13a to 13d. It has an isolator 43 for separating the waves, and a matcher 44 for adjusting the power of the reflected microwave.
  • variable attenuator 41 adjusts the power level of the microphone wave input to the solid state amplifier 42. Therefore, by adjusting the attenuation level in the variable attenuator 41, the power of the microwave output from the solid state amplifier 42 can be adjusted.
  • Each of the four amplifier sections 33 is individually provided with a variable attenuator 41. Therefore, the power of the microwaves output from the four amplifier sections 33 can be made different from each other by individually changing the attenuation rates of the variable attenuators 41. That is, in the microwave oscillator 30, the antennas 13a to 1
  • 3d can be supplied with microwaves of different power.
  • various distributions of plasma can be generated.
  • the solid-state amplifier 42 includes a sub-divider 42 a that distributes the input microwave to a plurality of microphone mouth waves (in FIG. 2, a case where the microwave is divided into four systems) and a sub-divider 42.
  • Semiconductor amplifying device that amplifies microwaves output from a to predetermined power
  • each semiconductor amplifying element 42 b and a combiner 42 c for combining amplified microwaves output from each semiconductor amplifying element 42 b.
  • the sub distributor 42 has the same configuration as the distributor 32.
  • the semiconductor amplifying element 42b for example, a power MOSFET is used.
  • the maximum power of the microwave output from one semiconductor amplifying element 4 2 b is, for example, 100 W to 150 W c.
  • the microwave that must be supplied to the antenna unit 13 The total power of the wave is Generally, it is 100 000 to 300 OW. Therefore, the attenuation rate of the variable attenuator 41 of each amplifier unit 33 can be adjusted so that the average mouth wave of 250 W to 75 OW is transmitted to the antennas 13a to 13d. .
  • the combiner 42c combines the microwaves output from the semiconductor amplifying elements 42b while maintaining impedance matching.
  • a circuit of a Wilkinson type, a branch line type, a sorter balun type, or the like can be used as the matching circuit.
  • the microwave output from the solid state amplifier 42 is sent to each of the antennas 13a to 13d constituting the antenna unit 13 through the isolator 43 and the matcher 44. At this time, some of the microwaves return (reflect) from the antennas 13a to l3d to the solid state amplifier 42.
  • the isolator 43 has a circulator 43 a and a dummy load (coaxial terminator) 43 b, and the circulator 43 a is connected to the solid state amplifier 42 from the antennas 13 a to 13 d.
  • the reflected microwave which tries to go backward is directed to the dummy load 4 3 b.
  • Dami bit by bit 43 b converts the reflected microphone mouth waves guided by the circulator 43 a into heat.
  • the isolator 84 has a capacity of several kilobytes. It is necessary to withstand electric power, and the isolator 84 itself becomes large and expensive.
  • the microwaves amplified to a predetermined power by the solid state amplifier 42 are passed through the isolator 43 without being synthesized, and the solid state amplifiers 4 2 Since the power of each microwave output from is not extremely large, a small isolator 43 can be used, and the device cost can be reduced.
  • the matcher 44 has a tuner that matches the antennas 13a to 13d so as to reduce the reflected microwave guided to the dummy load 43b.
  • the microwaves are passed from the matcher 44 to the feed points 60a to 60d provided in the antennas 13a to l3d through the coaxial outer tube conductor 16a and the coaxial inner tube conductor 16b (Fig. See 1).
  • the coaxial inner tube conductor 16 b is connected to the antenna 13 a to l 3 d side.
  • the end portion has a tapered portion 22 for suppressing / reducing microwave reflection.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the structure of the antenna unit 13 in a plan view.
  • the disc-shaped antenna section 13 includes a circular antenna 13 a provided at the center, three substantially fan-shaped antennas 13 b to l 3 d surrounding the outer circumference of the antenna 13 a, and each antenna 13 a to l 3 d, and a separation plate 19.
  • the antenna section 13 has a structure in which a conventional disk-shaped antenna is divided into four antennas 13a to 13d by the separation plate 19.
  • the power supply points 60a to 60d (the mounting portions of the coaxial outer tube conductor 16a and the coaxial inner tube conductor 16b) are provided for each of the antennas 13a to l3d. I have.
  • the antenna 13a is composed of a metal slot plate 14a in which a slot (not shown in FIG. 1) for emitting microwaves is formed at a predetermined position, and aluminum nitride. (A 1 N) and the like.
  • the antennas 13b to 13d each include a slot plate 14b in which a slot (not shown in FIG. 1) is formed and a slow wave plate 17b.
  • Each of the slow wave plates 17a and 17b also serves as a cooling plate.
  • the antenna section 13 has a microwave transmitting insulating plate 15 for preventing direct contact between the slot plates 14a and 14b and the plasma generated in the processing space 20.
  • the separating plate 19 is a metal member and is grounded.
  • the microphone mouth wave supplied to the antennas 13a to 13d through the power supply points 60a to 60d is rotated 180 degrees in phase by the separating plate 19 and totally reflected. That is, there is no microwave movement between the antennas 13a to 13d.
  • Each of the antennas 13a to 13d independently emits microwaves to the processing space 20. Due to the reflection of the microwaves by the separating plate 19, standing waves are formed on the slow wave plates 17a and 17b. Therefore, if elongated slots perpendicular to the traveling direction of the standing wave are formed at the positions of the slot plates 14a and 14b corresponding to the antinodes of the standing wave, these slots can be efficiently used.
  • Microphone Mouth waves can be emitted into the processing space 20.
  • FIG. 3 shows the slots 6 1 a-61 b provided on the slot plate 14 a of the antenna 13 a and the slots provided on the slot plate 14 b of the antennas 13 b-l 3 d.
  • the positions of 6 1 c and 6 1 d are also listed.
  • the slots 61 a to 61 d are indicated by solid lines for convenience, but the slots 61 a to 61 d are actually holes having a predetermined width.
  • a slot 61 a of a predetermined length is provided on a concentric circle inside by an amount of Ig / 4, and is abbreviated from this slot 61 a. It is preferable that a slot 61b of a predetermined length is provided on the inner concentric circle (only for g / 2). In addition, in the substantially fan-shaped antennas 13b to 13d, a slot 61c of a predetermined length is provided inward from the boundary between the antennas 13b to 13d by approximately gZ4. c. Abbreviation of force; It is preferable to provide a slot 61 d of a predetermined length inside by g / 2. Such positions of the slots 61a to 61d almost coincide with the positions of the antinodes of the standing wave described above.
  • the microwaves radiated from the slots 61 a to 61 d formed in the slot plates 14 a and 14 b pass through the microwave transmission insulating plate 15 and reach the processing space 20, where the processing space is processed.
  • a microwave electric field is formed in 20.
  • the air-core coil 21 is operated to generate a magnetic field in the processing space, the plasma can be efficiently generated by the magnetron effect.
  • the air-core coil 21 is not always necessary. Plasma can be generated only by the microwaves radiated from the antenna 13.
  • treatment space 2 0 in a microwave introduction device 5 0 may be supplied in a stable manner the plasma is generated in the processing spatial 20 As a result, the processing quality of the wafer W is improved. Also, by giving a distribution to the radiated microwave power, a plasma having a distribution can be generated. For example, processing can be performed with different plasma densities at the center and the outer periphery.
  • the outer diameter of the entire antenna 13, the shape of each of the antennas 13 a to 13 d, and the position of each slot are determined by the method used to design a general disk-shaped antenna. Can be referred to. Therefore, the disk antenna is described below. The design method will be described briefly.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of the disk-shaped antenna 70.
  • the disc-shaped antenna 70 includes a slot plate 71, a slow wave plate 72, a cooling plate 73, and a coaxial tube 74.
  • the cooling plate 73 covers the outer periphery of the slow wave plate 72 and reflects the microwaves reaching the periphery of the slow wave plate 72 inward.
  • the periphery of the slow wave plate 72 becomes a node of the standing wave, from the periphery of the slow wave plate 72; on the concentric circle inside by g / 4, and further from this circle; The concentric circle corresponds to the position of the antinode of the standing wave.
  • the position of the slot in the slot plate 71 is adjusted to the position of the antinode of the standing wave.
  • the thickness h of the slow wave plate 72 can be obtained as follows.
  • the characteristic impedance of the coaxial waveguide 74 is usually 50 ⁇ , while the characteristic impedance Z o of the parallel plate line is given by the following equation (1). Therefore, the thickness h of the slow wave plate 72 can be obtained as in the following equation (2).
  • is the average dielectric constant of aluminum nitride, and is the magnetic permeability of aluminum nitride.
  • aluminum nitride is a dielectric material (insulating material)
  • the relative magnetic permeability ( ⁇ r) is set to 1.
  • V s f (pL) (5)
  • the ignition voltage is uniquely determined. From equation (3), if Ze> Zo, the voltage Vo at the load point can be increased. Therefore, for example, in order to reduce the process time, as shown in the Smith chart of FIG. 6, the impedance is changed from the point A to the center point O through the inductive region so that an appropriate inductive reflection occurs at the time of plasma ignition. Should be maintained at the center point O (impedance matching position) during the process after plasma ignition.
  • the circuit configuration of the microwave oscillator 30 and the circuit configuration of the solid state amplifier 42 are not limited to the configuration shown in FIG. 2, and various modifications are possible.
  • the microwave radiating areas of the antennas 13 a to l 3 d are made equal and each amplifier section 3 3
  • a structure in which a variable attenuator is provided between the microwave generator 31 and the distributor 32 without providing the variable attenuator 41 can be adopted. Thereby, the number of components of the variable attenuator can be reduced.
  • an amplifier section having a solid-state amplifier equipped with different numbers of semiconductor amplifying elements is there.
  • an amplifier unit having a solid state amplifier having four semiconductor amplifying elements is used to transmit a microphone aperture wave of 60 OW
  • the antenna 13b to For 13 d an amplifier unit having a solid-state amplifier having two semiconductor amplifying elements 42 for transmitting microwaves of 300 W can be used.
  • the antenna section 13 is not limited to the form composed of the four antennas 13a to 13d, but may be composed of more or less antennas.
  • the shape of the antenna is not limited to a circle or a substantially fan shape as shown in FIG. If the antenna section is composed of more antennas, it is necessary to reduce the number of amplifier sections. However, since the power of the microphone mouth wave output from each amplifier section is further reduced, the amplifier section is further downsized. can do.
  • the etching process is taken as the plasma process.
  • the present invention can be applied to other plasma processes such as a plasma CVD process (a film forming process and a film modification of an oxynitride film) and an ashing process.
  • a plasma CVD process a film forming process and a film modification of an oxynitride film
  • an ashing process can be.
  • an appropriate processing gas may be supplied into the chamber 11 according to the processing purpose.
  • the substrate to be processed is not limited to the semiconductor wafer W, and may be an LCD substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, or the like.

Abstract

A plasma processing system comprising a chamber for containing a substrate being processed, a unit for supplying processing gas into the chamber, and a unit for introducing a microwave for generating plasma into the chamber. The microwave introducing unit comprises an oscillator delivering a plurality of microwaves having specified outputs, and an antenna section having a plurality of antennas transmitting the plurality of microwaves delivered from the microwave oscillator.

Description

明 細 書 プラズマ処理装置 技 術 分 野  Description Plasma processing equipment Technical field
本発明は、 被処理基板に対してエッチング等のプラズマ処理を施すプラズマ処 理装置に関する。 背 景 技 術  The present invention relates to a plasma processing apparatus that performs a plasma process such as etching on a substrate to be processed. Background technology
半導体デバイスや液晶表示装置の製造工程においては、 半導体ウェハやガラス 基板といつた被処理基板にエツチング処理や成膜処理等のプラズマ処理を施すた めに、 プラズマエツチング装置ゃプラズマ C V D成膜装置等のプラズマ処理装置 が用いられている。  In the manufacturing process of semiconductor devices and liquid crystal display devices, in order to perform plasma processing such as etching and film formation on substrates to be processed, such as semiconductor wafers and glass substrates, plasma etching equipment, plasma CVD film deposition equipment, etc. The plasma processing apparatus is used.
プラズマ処理装置におけるプラズマの発生方法としては、 平行平板電極が配置 されたチャンバ内に処理ガスを供給し、 この平行平板電極に所定の電力を供給し て、 電極間の容量結合によってプラズマを発生させる方法や、 チャンバ内に導入 されるマイクロ波による電場とチヤンバ外に配置された磁場発生装置による磁場 とによつて電子を加速し、 当該電子を処理ガスの中性分子と衝突させて中性分子 を電離させることによってプラズマを発生させる方法等が知られている。  As a method of generating plasma in a plasma processing apparatus, a processing gas is supplied into a chamber in which parallel plate electrodes are arranged, and a predetermined power is supplied to the parallel plate electrodes to generate plasma by capacitive coupling between the electrodes. The method accelerates the electrons by an electric field generated by a microwave introduced into the chamber and a magnetic field generated by a magnetic field generator disposed outside the chamber, and the electrons collide with neutral molecules of the processing gas to generate neutral molecules. There is known a method of generating plasma by ionizing a gas.
マイクロ波による電場と磁場発生装置による磁場とのマグネトロン効果を利用 する後者の方法の場合には、 所定電力のマイクロ波が導波管 Z同軸管を通してチ ャンバ内に配置されたアンテナに供給され、 当該アンテナからマイクロ波がチヤ ンバ内の処理空間に放射される。  In the latter method using the magnetron effect of an electric field generated by a microwave and a magnetic field generated by a magnetic field generator, a microwave having a predetermined power is supplied to an antenna disposed in a chamber through a waveguide Z coaxial tube. Microwaves are radiated from the antenna to the processing space in the chamber.
図 8は、 従来の一般的なマイクロ波導入装置の概略構成を示す説明図である。 マイクロ波導入装置 9 0は、 大略的に、 所定電力に調整されたマイクロ波を出力 するマグネトロン 9 1 aおよび当該マグネトロン 9 1 aに所定周波数のァノード 電流を供給するマイクロ波発生電源 9 1 bを有するマイクロ波発振器 9 1と、 マ イク口波発振器 9 1から出力されるマイクロ波をチャンバ内の処理空間に放射す るアンテナ 9 4と、 アンテナ 9 4からマイクロ波発振器 9 1へ戻ろうとする反射 マイク口波を吸収するアイソレータ 9 2と、 反射マイクロ波の電力が小さくなる ようにアンテナ 9 4に対する整合を行うチューナーを有して導波管から同軸管へ の接続を行うマッチヤー 9 3と、 を有している (例えば、 特許第 2 7 2 2 0 7 0 号公報および特開平 8— 3 0 6 3 1 9号公報参照) 。 発 明 の 要 旨 FIG. 8 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a conventional general microwave introduction device. The microwave introduction device 90 generally includes a magnetron 91 a that outputs a microwave adjusted to a predetermined power and a microwave generation power supply 91 b that supplies an anode current of a predetermined frequency to the magnetron 91 a. A microwave oscillator 91, an antenna 94 that radiates the microwave output from the microphone mouth wave oscillator 91 to the processing space in the chamber, and a reflection from the antenna 94 to return to the microwave oscillator 91. An isolator 92 that absorbs the microphone mouth wave, and a matcher 93 that has a tuner that matches the antenna 94 so as to reduce the power of the reflected microwave and that connects the waveguide to the coaxial waveguide. (See, for example, Japanese Patent No. 2722070 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-306319). Summary of the invention
しかしながら、 マグネトロン 9 1 aを用いたマイクロ波発振器 9 1では、 マグ ネトロン 9 1 aの寿命は約半年と短いために、 装備コストおよぴメンテナンスコ ス トが嵩むという問題がある。 また、 マグネトロン 9 1 aの発振安定性は約 1 % あり、 しかも出力安定性が 3 %程度とばらつきが大きいために、 安定したマイク 口波を発信することが困難であった。  However, the microwave oscillator 91 using the magnetron 91a has a problem that the life of the magnetron 91a is short, about half a year, so that the equipment cost and the maintenance cost are increased. The oscillation stability of the magnetron 91a was about 1%, and the output stability was as large as about 3%. Therefore, it was difficult to transmit a stable microphone mouth wave.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、 長寿命なマイクロ波発振器 を備えたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。 また本発明は、 マイク 口波を安定して供給することができるマイクロ波発振器を備えたプラズマ処理装 置を提供することを目的とする。  The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a plasma processing apparatus including a long-life microwave oscillator. Another object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus including a microwave oscillator capable of stably supplying a microwave.
このような課題を解決する手段として、 本発明者らは、 先に、 半導体増幅素子 を用いてマイクロ波を所定の出力に増幅するプラズマ処理装置を提案した (特願 2 0 0 2— 2 8 8 7 6 9号、 以下 「先行出願」 という) 。 図 7は、 その先行出願 に係る半導体増幅素子を用いたマイクロ波発振器を備えたマイクロ波導入装置の 概略構成を示す説明図である。  As means for solving such a problem, the present inventors have previously proposed a plasma processing apparatus that amplifies a microwave to a predetermined output using a semiconductor amplifier (Japanese Patent Application No. 2002-28). 8769, hereinafter referred to as “prior application”). FIG. 7 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a microwave introduction device provided with a microwave oscillator using a semiconductor amplifying element according to the prior application.
マイクロ波導入装置 8 0は、 所定電力のマイクロ波を発振するマイクロ波発振 器 8 0 aと、 マイクロ波発振器 8 0 aから出力されるマイクロ波のうちアンテナ 8 7からマイクロ波発振器 8 0 aへ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイ ソレータ 8 5と、 チャンバ内に設けられアイソレータ 8 5を通して出力されるマ イク口波をチャンバの処理空間に向けて発振するアンテナ 8 7と、 アンテナ 8 7 からの反射マイクロ波を低減するようにアンテナ 8 7に対する整合を行うマッチ ヤー 8 6と、 を有している。  The microwave introduction device 80 includes a microwave oscillator 80 a that oscillates microwaves of a predetermined power, and a microwave oscillator 80 a from the antenna 87 to the microwave oscillator 80 a among the microwaves output from the microwave oscillator 80 a. An isolator 85 that absorbs the reflected microwaves that are going to return, an antenna 87 that is provided in the chamber and oscillates the microphone mouth wave output through the isolator 85 toward the processing space of the chamber, and an antenna 87 And a matcher 86 that matches the antenna 87 so as to reduce reflected microwaves.
また、 マイクロ波発振器 8 0 aは、 マイクロ波を発生させるマイクロ波発生器 8 1と、 マイクロ波発生器 8 1から出力されるマイクロ波を複数 (図 7には 4経 路に分配させた場合を示す) のマイクロ波に分配する分配器 8 2と、 分配器 8 2 から出力される 4経路の各マイク口波を個別に所定の電力に増幅する 4台のソリ ッドステートアンプ 8 3と、 各ソリッドステートアンプ 8 3において増幅される マイクロ波を合成する合成器 8 4と、 を有している。 The microwave oscillator 80a includes a microwave generator 81 for generating microwaves and a plurality of microwaves output from the microwave generator 81 (four in FIG. 7). And the four soli- cers that amplify each of the four-path microphone mouth waves output from the splitter 82 to predetermined power individually. And a combiner 84 that combines microwaves amplified by the solid state amplifiers 83.
マイクロ波発生器 8 1は、 所定周波数 (例えば、 2 . 4 5 G H z ) のマイクロ 波を発生させるマイクロ波発生源 (ジェネレータ) 8 1 aと、 マイクロ波発生源 8 1 aで発生されたマイクロ波の電力を所定レベルに減衰させる可変アツテ 4一 タ 8 1 bと、 を有している。  The microwave generator 81 includes a microwave generator (generator) 81 a for generating a microwave of a predetermined frequency (for example, 2.45 GHz), and a microwave generated by the microwave generator 81 a. And a variable attenuator 81b that attenuates the power of the wave to a predetermined level.
ソリツドステートアンプ 8 3は、 入力されるマイクロ波をさらに複数のマイク 口波に分配する副分配器 8 3 a (図 7には 4系統に分配した場合を示す) と、 副 分配器 8 3 aから出力されるマイクロ波を所定の電力に増幅する半導体増幅素子 8 3 bと、 各半導体増幅素子 8 3 bから出力される増幅されたマイクロ波を合成 する副合成器 8 3 cと、 を有している。  The solid-state amplifier 83 is composed of a sub-distributor 83 a that distributes the input microwave to a plurality of microphone mouth waves (a case where the microwave is distributed to four systems) and a sub-divider 83. a semiconductor amplifying element 83 b for amplifying the microwave output from a to a predetermined power, and a sub-combiner 83 c for synthesizing the amplified microwave output from each semiconductor amplifying element 83 b. Have.
このようなマイクロ波導入装置によれば、 半導体増幅素子 8 3 bが電力増幅を 行うために、 装置' 寿命は半永久的となり、 また、 出力の安定したマイクロ波をチ ヤンバ内へ放射することができる。  According to such a microwave introduction device, since the semiconductor amplifying element 83b performs power amplification, the lifetime of the device is semi-permanent, and a microwave with stable output can be radiated into the chamber. it can.
し力 しながら、 このようなマイクロ波導入装置 8 0では、 ソリッドステートァ ンプ 8 3内におけるインピーダンス整合に加えて、 分配器 8 2および合成器 8 4 におけるインピーダンス整合をも行う必要がある。 インピーダンスの不整合の場 合には、 電力損失が大きくなり得る。 特に、 プラズマ処理装置においては、 例え ば、 アンテナ 8 7に 2〜3 k Wのマイクロ波を伝送する必要があり、 マイクロ波 導入装置 8 0では、 このような大電力のマイクロ波が合成器 8 4で合成される必 要がある。 このために、 特に合成器 8 4では、 マイクロ波の電力損失を抑制する ために、 より精密なィンピーダンス整合が求められる。  However, in such a microwave introduction device 80, in addition to the impedance matching in the solid state pump 83, it is necessary to perform the impedance matching in the distributor 82 and the combiner 84. In the case of impedance mismatch, power loss can be large. In particular, in a plasma processing apparatus, for example, it is necessary to transmit a microwave of 2 to 3 kW to the antenna 87, and in the microwave introducing apparatus 80, such high-power microwaves are Must be synthesized in 4. For this reason, in the combiner 84 in particular, more precise impedance matching is required in order to suppress microwave power loss.
さらに、 合成器 8 4から出力された大電力のマイクロ波がアイソレータ 8 5に 伝送されるために、 アイソレータ 8 5も数キロヮット級の大型のものである必要 がある。 従って、 アイソレータ 8 5の設置場所の自由度が少なくなる問題や、 ァ イソレータ 8 5自体が高価になるといった問題が発生する。 さらにまた、 合成さ れたマイクロ波は 1本の同軸管によりアンテナ 8 7へ伝送されるために、 アンテ ナ 8 7から出力されるマイクロ波の出力分布を調整することはできない。 Furthermore, since the high-power microwave output from the combiner 84 is transmitted to the isolator 85, the isolator 85 also needs to be a large-sized device of several kilobits. Therefore, there arises a problem that the degree of freedom of an installation place of the isolator 85 is reduced and a problem that the isolator 85 itself becomes expensive. Furthermore, since the synthesized microwave is transmitted to the antenna 87 by one coaxial tube, the antenna is It is not possible to adjust the power distribution of the microwaves output from the antenna 87.
本発明は、 前記先行出願に係るマイクロ波導入装置において生ずるこれらの問 題、 すなわち、 伝送損失の増大の問題と、 マイクロ波を供給する装置の大型化の 問題と、 放射されるマイクロ波の電力分布の調整不能の問題と、 を解決するもの である。  The present invention relates to these problems that occur in the microwave introduction device according to the above-mentioned prior application, namely, a problem of an increase in transmission loss, a problem of an increase in the size of a device for supplying microwaves, and a problem of radiated microwave power It solves the problem of non-adjustable distribution and.
本発明によれば、 被処理基板を収容するチャンバと、  According to the present invention, a chamber accommodating a substrate to be processed;
前記チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給装置と、  A gas supply device for supplying a processing gas into the chamber;
前記チャンバ内にプラズマ生成用のマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置 と、  A microwave introduction device for introducing a microwave for plasma generation into the chamber;
を備え、 With
前記マイクロ波導入装置は、  The microwave introduction device,
複数の所定出力のマイクロ波を出力するマイクロ波発振器と、  A microwave oscillator that outputs a plurality of microwaves having a predetermined output,
前記マイクロ波発振器から出力される複数のマイクロ波がそれぞれ伝送される 複数のアンテナを有するアンテナ部と、  An antenna unit having a plurality of antennas to which a plurality of microwaves output from the microwave oscillator are respectively transmitted;
を有している have
ことを特徴とするプラズマ処理装置、 が提供される。  A plasma processing apparatus characterized by the above-mentioned features.
本発明によれば、 各マイクロ波はアンテナ部を構成する複数のアンテナにそれ ぞれ伝送されるために、 アンテナ部へ至るまでの伝送線路において大電力のマイ クロ波を合成する必要がない。 従って、 合成器が不要となるため、 合成器による 電力損失の発生を完全に回避することができる。 また、 各アンテナ部に伝送され る個々のマイクロ波の出力を小さくすることができるために、 大電力用のアイソ レータを用いる必要もない。 これにより、 マイクロ波発振器の大型化を回避する こともできる。 さらに、 アンテナ部を構成する複数のアンテナには、 それぞれ異 なる電力のマイクロ波を供給することもでき、 これによつてアンテナ部から放射 されるマイク口波の出力分布を調整することもできる。  According to the present invention, since each microwave is transmitted to each of the plurality of antennas constituting the antenna unit, it is not necessary to combine high-power microwaves on the transmission line up to the antenna unit. Therefore, since a combiner becomes unnecessary, it is possible to completely avoid the occurrence of power loss due to the combiner. Further, since the output of each microwave transmitted to each antenna unit can be reduced, it is not necessary to use a high power isolator. As a result, it is possible to avoid an increase in the size of the microwave oscillator. Further, a plurality of antennas constituting the antenna unit can be supplied with microwaves having different powers, whereby the output distribution of the microphone mouth wave radiated from the antenna unit can be adjusted.
好ましくは、 前記マイクロ波発振器が、 低電力のマイクロ波を発生するマイク 口波発生器と、 前記マイク口波発生器から発生されるマイクロ波を複数のマイク 口波に分配する分配器と、 前記分配器から出力されるマイクロ波を所定の電力に 増幅する複数のアンプ部と、 を有しており、 前記複数のアンプ部から出力される 複数のマイクロ波が、 前記複数のアンテナへそれぞれ伝送されるようになってい る。 Preferably, the microwave oscillator is a microphone mouth wave generator that generates a low-power microwave, a distributor that distributes the microwave generated from the microphone mouth wave generator to a plurality of microphone mouth waves, And a plurality of amplifier units for amplifying the microwave output from the distributor to a predetermined power, and output from the plurality of amplifier units. A plurality of microwaves are respectively transmitted to the plurality of antennas.
この場合において、 前記複数のアンプ部の各々が、 前記分配器から出力される 各マイクロ波を所定のレベルに減衰させる可変アツテネータと、 前記可変アツテ ネータから出力されるマイクロ波を所定の電力に増幅するソリッドステートアン プと、 前記ソリッドステートアンプから前記アンテナへ出力されるマイク口波の 内、 ソリッドステートアンプに戻ろうとする反射マイクロ波を分離するアイソレ ータと、 前記反射マイクロ波の電力を調整するマッチヤーと、 を有していれば、 各可変アツテネータでの減衰率を調整することによって、 複数のアンテナにそれ ぞれ異なる電力のマイクロ波を供給することができる。 これにより、 チャンパ内 に発生するプラズマの分布を調整することができる。  In this case, each of the plurality of amplifier units includes a variable attenuator that attenuates each microwave output from the distributor to a predetermined level, and amplifies the microwave output from the variable attenuator to a predetermined power. A solid-state amplifier, an isolator for separating reflected microwaves to be returned to the solid-state amplifier from microphone mouth waves output from the solid-state amplifier to the antenna, and adjusting the power of the reflected microwaves By adjusting the attenuation rate of each variable attenuator, it is possible to supply microwaves with different powers to a plurality of antennas, respectively. This makes it possible to adjust the distribution of plasma generated in the champer.
前記アイソレータは、 前記反射マイクロ波を熱に変換するダミーロードと、 前 記ソリッドステートアンプから出力されるマイクロ波を前記アンテナへ導き、 前 記アンテナからの反射マイクロ波を前記ダミーロードに導くサーキユレータと、 を有し得る。  The isolator includes a dummy load that converts the reflected microwave into heat, and a circuit that guides the microwave output from the solid state amplifier to the antenna and guides the reflected microwave from the antenna to the dummy load. , May be
この場合、 1.台のソリッドステートアンプから出力されるマイクロ波の電力は 極端に大きなものではないために、 小型のアイソレータが使用でき、 従って、 装 置コストも安価に抑えることができる。  In this case: 1. Since the power of the microwave output from one solid-state amplifier is not extremely large, a small isolator can be used, and therefore the equipment cost can be reduced.
前記ソリッドステートアンプは、 入力されるマイクロ波を複数のマイクロ波に 分配する副分配器と、 前記副分配器から出力される複数のマイク口波をそれぞれ 所定の電力に増幅する複数の半導体増幅素子と、 前記複数の半導体増幅素子によ つて電力増幅されたマイクロ波を合成する合成器と、 を有している。 この半導体 増幅素子としては、 パワー MO S F E Tまたは G a A s F E Tまたは G e S i ト ランジスタ等が好適に用いられる。  The solid-state amplifier includes: a sub-divider that distributes an input microwave to a plurality of microwaves; and a plurality of semiconductor amplifying elements that amplify a plurality of microphone mouth waves output from the sub-divider to predetermined power, respectively. And a synthesizer for synthesizing microwaves power-amplified by the plurality of semiconductor amplifying elements. As this semiconductor amplifying element, a power MOS FET, a GaAs FET, a GeSi transistor, or the like is preferably used.
マグネト口ンを用いずに半導体増幅素子によって低電力のマイクロ波を電力增 幅するために、 アンプ部の寿命を半永久的とすることができる。 これにより、 設 備コストやメンテナンスコストが低く抑えられる。 また、 半導体増幅素子は出力 安定性に優れるために、 安定した特性を有するマイクロ波をチャンバ内に放射す ることが可能となる。 これによりプラズマの発生状態を良好に保持して、 基板の 処理品質を高めることができる。 さらに、 この場合、 アンプ部の出力調整範囲が 0 °/0〜: L 0 0 %と広く、 調整も容易である。 Since the low-power microwave is amplified by the semiconductor amplifying element without using the magneto port, the life of the amplifier section can be made semi-permanent. As a result, equipment costs and maintenance costs can be kept low. Further, since the semiconductor amplifier has excellent output stability, it is possible to radiate microwaves having stable characteristics into the chamber. As a result, the state of plasma generation is maintained well, and Processing quality can be improved. Further, in this case, the output adjustment range of the amplifier section is as wide as 0 ° / 0 to: L 0%, and the adjustment is easy.
前記アンテナ部としては、 中心に設けられた円形アンテナと、 この円形アンテ ナの外側を囲う複数の略扇形ァンテナと、 これら円形アンテナと略扇形ァンテナ とを分離する分離板と、 から構成されるものを用いることができる。 各アンテナ は、 遅波板と、 冷却板と、 スロッ ト板とを有し得る。 なお、 分離板は金属部材で あって、 かつ、 接地されていることが好ましい。  The antenna section includes a circular antenna provided at the center, a plurality of substantially sector-shaped antennas surrounding the outside of the circular antenna, and a separation plate separating the circular antenna and the substantially sector-shaped antenna. Can be used. Each antenna may have a slow wave plate, a cooling plate, and a slot plate. It is preferable that the separation plate is a metal member and is grounded.
この場合において、 円形アンテナのスロッ ト板には、 円形アンテナの外周から λ g Z 4だけ内側の円周上に所定長さの第 1スロットが設けられ、 当該第 1スロ ットから g / 2ずつ内側の同心円上に所定長さの第 2スロットが設けられるこ とが好ましい。 また、 略扇形アンテナのスロット板には、 それぞれ、 略扇形アン テナどうしの境界から; g / 4だけ内側に所定長さの第 3スロットが設けられ、 当該第 3スロットから λ g Z 2ずつ内側に所定長さの第 4スロットが設けられる ことが好ましい。 これによりマイク口波を効率よくチヤンパ内へ放射することが できる。 図面の簡単な説明  In this case, the slot plate of the circular antenna is provided with a first slot of a predetermined length on the circumference inside by λ g Z4 from the outer periphery of the circular antenna, and g / 2 from the first slot. Preferably, a second slot of a predetermined length is provided on each of the inner concentric circles. In addition, a third slot of a predetermined length is provided on the slot plate of the substantially fan-shaped antenna from the boundary between the substantially fan-shaped antennas; g / 4 inside and λ g Z 2 from the third slot. It is preferable that a fourth slot having a predetermined length is provided in the second slot. This allows the microphone mouth wave to be efficiently radiated into the chamber. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1は、 本発明の一実施の形態に係るプラズマエッチング装置の概略構成を示す 断面図である。  FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a plasma etching apparatus according to one embodiment of the present invention.
図 2は、 図 1のプラズマエッチング装置に設けられているマイクロ波導入装置 の構成を示す説明図である。  FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a microwave introduction device provided in the plasma etching device of FIG.
図 3は、 アンテナの構造を平面的に示す説明図である。  FIG. 3 is an explanatory diagram showing a planar structure of the antenna.
図 4は、 円盤形アンテナの構造を示す概略断面図である。  FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the disk antenna.
図 5は、 インピーダンス整合に用いられる等価回路の一例を示す図である。 図 6は、 プラズマ点火時及びプロセス時のインピーダンス変化を示す説明図 (スミスチヤ一ト) である。  FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an equivalent circuit used for impedance matching. FIG. 6 is an explanatory diagram (smith chart) showing the impedance change during plasma ignition and during the process.
図 7は、 半導体増幅素子を用いたマイクロ波発振器を備えたマイク口波導入装 置の概略構成を示す説明図である。  FIG. 7 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a microphone mouth wave introducing device provided with a microwave oscillator using a semiconductor amplifying element.
図 8は、 従来のマイクロ波導入装置の構成を示す説明図である。 発明を実施するための最良の形態 FIG. 8 is an explanatory diagram showing a configuration of a conventional microwave introduction device. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 図 1 は、 プラズマ処理装置の一例であるプラズマエッチング装置 1の概略構成を示す 断面図である。 図 2は、 プラズマエッチング装置 1に設けられているマイクロ波 導入装置 5 0のより詳細な構成を示す説明図である。 なお、 プラズマエッチング 装置 1の被処理基板は、 半導体ウェハ Wである。  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a plasma etching apparatus 1 which is an example of a plasma processing apparatus. FIG. 2 is an explanatory diagram showing a more detailed configuration of the microwave introduction device 50 provided in the plasma etching device 1. The substrate to be processed in the plasma etching apparatus 1 is a semiconductor wafer W.
プラズマエッチング措置 1は、 ウェハ Wを収容するチャンバ 1 1と、 チャンバ Plasma etching measures 1 consist of a chamber 11 for accommodating the wafer W and a chamber
1 1に設けられたガス導入口 2 6と、 当該ガス導入口 2 6を通してチャンバ 1 1 の内部にプラズマ生成用の処理ガス (例えば、 塩素 (C 1 2 ) ) を供給するガス 供給装置 2 7と、 チャンバ 1 1に設けられた排気口 2 4と、 当該排気口 2 4を通 してチャンバ 1 1の内部を排気する排気装置 2 5と、 チャンバ 1 1内においてゥ ェハ Wを保持する基板保持ステージ 2 3と、 チャンバ 1 1内部の処理空間 2 0に 磁場を発生させる空心コイル 2 1と、 チャンバ 1 1内にマイクロ波を供給するマ イク口波導入装置 5 0と、 を備えている。 A gas inlet 26 provided in 11 and a gas supply device 27 for supplying a processing gas for plasma generation (for example, chlorine (C 1 2 )) to the inside of the chamber 11 through the gas inlet 26. And an exhaust port 24 provided in the chamber 11, an exhaust device 25 for exhausting the inside of the chamber 11 through the exhaust port 24, and holding the wafer W in the chamber 11. A substrate holding stage 23, an air-core coil 21 for generating a magnetic field in a processing space 20 inside the chamber 11, and a microphone mouth wave introducing device 50 for supplying a microwave into the chamber 11 are provided. I have.
マイクロ波導入装置 5 0は、 複数 (図 1および図 2には 4経路の場合を示す) の所定出力のマイクロ波を出力するマイクロ波発振器 3 0と、 マイクロ波発振器 The microwave introduction device 50 includes a microwave oscillator 30 that outputs a plurality of microwaves having predetermined outputs (FIGS. 1 and 2 show four paths), and a microwave oscillator.
3 0から出力された各マイクロ波が別々に給電されるアンテナ 1 3 a , 1 3 b ·Antennas 13a, 13b · to which each microwave output from 30 is fed separately
1 3 c · 1 3 d (図 1には 1 3 dを図示せず) から構成されるアンテナ部 1 3と、 を有している。 And an antenna section 13 composed of 13 c · 13 d (13 d is not shown in FIG. 1).
マイクロ波発振器 3 0は、 低電力のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器 3 1と、 マイクロ波発生器 3 1から出力されるマイクロ波を複数のマイクロ波に分 配する分配器 3 2 (図 2には 4分配した場合を示す) と、 分配器 3 2から出力さ れる各マイクロ波を所定の電力に増幅する複数のアンプ部 3 3 (図 2には 4つの アンプ部 3 3を示す) とを具備している。 これら 4つのアンプ部 3 3から出力さ れる各マイク口波は、 アンテナ 1 3 a〜 1 3 dにそれぞれ設けられた給電ボイン ト 6 0 a ' 6 0 b ' 6 0 c . 6 0 dへそれぞれ伝送される (図 3参照) 。  The microwave oscillator 30 is composed of a microwave generator 31 that generates a low-power microwave, and a distributor 3 2 that distributes the microwave output from the microwave generator 31 to a plurality of microwaves (see FIG. 2 shows the case where the signal is divided into four), and a plurality of amplifiers 3 3 that amplify each microwave output from the distributor 32 to a predetermined power (four amplifiers 3 3 are shown in Figure 2) Is provided. The microphone mouth waves output from these four amplifier sections 33 are respectively supplied to feed points 60a'60b'60c.60d provided in antennas 13a to 13d, respectively. Transmitted (see Figure 3).
マイクロ波発生器 3 1は、 所定周波数 (例えば、 2 . 4 5 G H z ) のマイクロ 波を発生させる。 分配器 3 2は、 マイクロ波の損失ができるだけ起こらないよう に、 入力側と出力側とのィンピーダンス整合を取りながらマイク口波の分配を行 う。 The microwave generator 31 generates a microwave having a predetermined frequency (for example, 2.45 GHz). Distributor 32 should minimize the microwave loss Then, the microphone mouth wave is distributed while impedance matching between the input side and the output side is maintained.
各アンプ部 3 3は、 図 2に示すように、 分配器 3 2から出力されるマイクロ波 を所定のレベルに減衰させる可変アツテネータ 4 1と、 可変アツテネータ 4 1か ら出力されるマイクロ波を所定の電力に増幅するソリッドステートアンプ 4 2と、 ソリツドステートアンプ 4 2から各アンテナ 1 3 a〜 1 3 dへ出力されるマイク 口波の内、 ソリツドステートアンプ 4 2に戻ろうとする反射マイクロ波を分離す るアイソレータ 4 3と、 反射マイクロ波の電力を調整するマッチヤー 4 4と、 を 有している。  As shown in FIG. 2, each of the amplifier sections 33 includes a variable attenuator 41 for attenuating the microwave output from the distributor 32 to a predetermined level, and a predetermined output from the variable attenuator 41. A solid-state amplifier 42 that amplifies the power of the antenna and a microphone that is output from the solid-state amplifier 42 to each of the antennas 13a to 13d. It has an isolator 43 for separating the waves, and a matcher 44 for adjusting the power of the reflected microwave.
可変ァッテネータ 4 1は、 ソリツドステートアンプ 4 2へ入力されるマイク口 波の電力レベルを調整する。 したがって、 可変アツテネータ 4 1における減衰レ ベルを調整することによって、 ソリツドステートアンプ 4 2から出力されるマイ クロ波の電力を調整することができる。  The variable attenuator 41 adjusts the power level of the microphone wave input to the solid state amplifier 42. Therefore, by adjusting the attenuation level in the variable attenuator 41, the power of the microwave output from the solid state amplifier 42 can be adjusted.
4つのアンプ部 3 3の各々には、 個々に可変アツテネータ 4 1が装着されてい る。 このために、 これら可変アツテネータ 4 1の減衰率を個別に変えることによ つて、 4つのアンプ部 3 3から出力されるマイクロ波の電力を互いに異ならせる ことができる。 つまり、 マイクロ波発振器 3 0においては、 アンテナ 1 3 a〜1 Each of the four amplifier sections 33 is individually provided with a variable attenuator 41. Therefore, the power of the microwaves output from the four amplifier sections 33 can be made different from each other by individually changing the attenuation rates of the variable attenuators 41. That is, in the microwave oscillator 30, the antennas 13a to 1
3 dにそれぞれ異なる電力のマイクロ波を供給することができる。 これによつて、 チャンバ 1 1内に均一なプラズマを発生させる他、 種々の分布のプラズマを発生 させることもできる。 3d can be supplied with microwaves of different power. Thus, in addition to generating uniform plasma in the chamber 11, various distributions of plasma can be generated.
ソリツドステートアンプ 4 2は、 入力されるマイクロ波をさらに複数のマイク 口波に分配する副分配器 4 2 a (図 2には 4系統に分配した場合を示す) と、 副 分配器 4 2 aから出力されるマイクロ波を所定の電力に増幅する半導体増幅素子 The solid-state amplifier 42 includes a sub-divider 42 a that distributes the input microwave to a plurality of microphone mouth waves (in FIG. 2, a case where the microwave is divided into four systems) and a sub-divider 42. Semiconductor amplifying device that amplifies microwaves output from a to predetermined power
4 2 bと、 各半導体増幅素子 4 2 bから出力される増幅されたマイクロ波を合成 する合成器 4 2 cと、 を有している。 42 b and a combiner 42 c for combining amplified microwaves output from each semiconductor amplifying element 42 b.
副分配器 4 2 aは、 分配器 3 2と同じ構成を有する。 半導体増幅素子 4 2 bと しては、 例えば、 パワー M O S F E Tが用いられる。 1個の半導体増幅素子 4 2 bから出力されるマイクロ波の最大電力は、 例えば、 1 0 0 W〜 1 5 0 Wである c これに対して、 アンテナ部 1 3に供給しなければならないマイクロ波の全電力は、 一般的に 1 0 0 0〜 3 0 0 O Wである。 従って、 平均で 2 5 0 W〜 7 5 O Wのマ イク口波がアンテナ 1 3 a〜 l 3 dに伝送されるように、 各アンプ部 3 3の可変 アツテネータ 4 1の減衰率が調整され得る。 The sub distributor 42 has the same configuration as the distributor 32. As the semiconductor amplifying element 42b, for example, a power MOSFET is used. The maximum power of the microwave output from one semiconductor amplifying element 4 2 b is, for example, 100 W to 150 W c. On the other hand, the microwave that must be supplied to the antenna unit 13 The total power of the wave is Generally, it is 100 000 to 300 OW. Therefore, the attenuation rate of the variable attenuator 41 of each amplifier unit 33 can be adjusted so that the average mouth wave of 250 W to 75 OW is transmitted to the antennas 13a to 13d. .
合成器 4 2 cは、 インピーダンス整合を取りながら、 各半導体増幅素子 4 2 b から出力されたマイクロ波を合成する。 この際、 整合回路としては、 ウィルキン ソン型、 ブランチライン型、 ソータバラン型等の回路を用いることができる。 ソリツドステートアンプ 4 2から出力されるマイクロ波は、 アイソレータ 4 3 とマッチヤー 4 4とを通して、 アンテナ部 1 3を構成する各アンテナ 1 3 a〜 l 3 dに送られる。 このとき、 アンテナ 1 3 a〜 l 3 dから一部のマイクロ波がソ リッドステートアンプ 4 2に戻ってくる (反射してくる) 。 アイソレータ 4 3は、 サーキユレータ 4 3 aとダミーロード (同軸終端器) 4 3 bとを有しており、 サ ーキユレータ 4 3 aは、 アンテナ 1 3 a〜 1 3 dからソリツドステートアンプ 4 2へ向けて逆行しょうとする反射マイクロ波をダミーロード 4 3 bへ導く。 ダミ 一口一ド 4 3 bは、 サーキュレータ 4 3 aによって導かれた反射マイク口波を熱 に変換する。  The combiner 42c combines the microwaves output from the semiconductor amplifying elements 42b while maintaining impedance matching. At this time, a circuit of a Wilkinson type, a branch line type, a sorter balun type, or the like can be used as the matching circuit. The microwave output from the solid state amplifier 42 is sent to each of the antennas 13a to 13d constituting the antenna unit 13 through the isolator 43 and the matcher 44. At this time, some of the microwaves return (reflect) from the antennas 13a to l3d to the solid state amplifier 42. The isolator 43 has a circulator 43 a and a dummy load (coaxial terminator) 43 b, and the circulator 43 a is connected to the solid state amplifier 42 from the antennas 13 a to 13 d. The reflected microwave which tries to go backward is directed to the dummy load 4 3 b. Dami bit by bit 43 b converts the reflected microphone mouth waves guided by the circulator 43 a into heat.
図 7を用いて説明したように、 ソリツドステートアンプ 8 3によって所定の電 力に増幅されたマイクロ波が合成されてからアイソレータ 8 4に通される場合に は、 アイソレータ 8 4は数キロヮットの電力に耐えることが必要となり、 ァイソ レータ 8 4自体が大型化し、 かつ、 高価なものとなる。 しかし、 本実施形態のマ イク口波発振器 3 0では、 ソリツドステートアンプ 4 2によって所定電力に増幅 されたマイクロ波が合成されないでそのままアイソレータ 4 3に通され、 また、 各ソリッドステートアンプ 4 2から出力される各マイクロ波の電力は極端に大き なものではないため、 アイソレータ 4 3として小型のものを使用することができ、 装置コストも安価に抑えられる。  As described with reference to FIG. 7, when microwaves amplified to a predetermined power by the solid state amplifier 83 are combined and then passed through the isolator 84, the isolator 84 has a capacity of several kilobytes. It is necessary to withstand electric power, and the isolator 84 itself becomes large and expensive. However, in the microwave microphone 30 according to the present embodiment, the microwaves amplified to a predetermined power by the solid state amplifier 42 are passed through the isolator 43 without being synthesized, and the solid state amplifiers 4 2 Since the power of each microwave output from is not extremely large, a small isolator 43 can be used, and the device cost can be reduced.
マッチヤー 4 4は、 ダミーロード 4 3 bに導かれる反射マイクロ波を少なくす るようにアンテナ 1 3 a 〜 1 3 dに対して整合をとるチューナーを有している。 マイクロ波は、 マッチヤー 4 4からアンテナ 1 3 a〜 l 3 dに設けられた給電ポ イント 6 0 a 〜 6 0 dへ、 同軸外管導体 1 6 aと同軸内管導体 1 6 bを通して (図 1参照) 伝送される。 同軸内管導体 1 6 bは、 アンテナ 1 3 a〜 l 3 d側の 端部において、 マイクロ波の反射を抑制/低減するためのテーパー部 2 2を有し ている。 The matcher 44 has a tuner that matches the antennas 13a to 13d so as to reduce the reflected microwave guided to the dummy load 43b. The microwaves are passed from the matcher 44 to the feed points 60a to 60d provided in the antennas 13a to l3d through the coaxial outer tube conductor 16a and the coaxial inner tube conductor 16b (Fig. See 1). The coaxial inner tube conductor 16 b is connected to the antenna 13 a to l 3 d side. The end portion has a tapered portion 22 for suppressing / reducing microwave reflection.
図 3は、 アンテナ部 1 3の構造を平面的に示す説明図である。 円盤状のアンテ ナ部 1 3は、 中心に設けられた円形のアンテナ 1 3 aと、 アンテナ 1 3 aの外周 を囲う 3つの略扇形のアンテナ 1 3 b〜 l 3 dと、 各アンテナ 1 3 a〜 l 3 dを 分離する分離板 1 9と、 から構成されている。 換言すれば、 アンテナ部 1 3は、 従来の円盤形アンテナが分離板 1 9によって 4つのアンテナ 1 3 a ~ l 3 dに分 割されている構造を有する。 なお、 給電ポイント 6 0 a〜 6 0 d (同軸外管導体 1 6 aと同軸内管導体 1 6 bとの取り付け部) は、 各アンテナ 1 3 a〜 l 3 dに 1箇所ずつ設けられている。  FIG. 3 is an explanatory diagram showing the structure of the antenna unit 13 in a plan view. The disc-shaped antenna section 13 includes a circular antenna 13 a provided at the center, three substantially fan-shaped antennas 13 b to l 3 d surrounding the outer circumference of the antenna 13 a, and each antenna 13 a to l 3 d, and a separation plate 19. In other words, the antenna section 13 has a structure in which a conventional disk-shaped antenna is divided into four antennas 13a to 13d by the separation plate 19. The power supply points 60a to 60d (the mounting portions of the coaxial outer tube conductor 16a and the coaxial inner tube conductor 16b) are provided for each of the antennas 13a to l3d. I have.
図 1に示されるように、 アンテナ 1 3 aは、 所定位置にマイクロ波を放射する ためのスロッ ト (図 1に示さず) が形成された金属からなるスロッ ト板 1 4 aと、 窒化アルミニウム (A 1 N ) 等からなる遅波板 1 7 aと、 を有している。 同様に、 アンテナ 1 3 b〜 l 3 dも、 それぞれ、 スロッ ト (図 1に示さず) が形成された スロッ ト板 1 4 bと、 遅波板 1 7 bと、 を有している。 なお、 遅波板 1 7 a · 1 7 bは、 それぞれ、 冷却板の役割をも果たすようになつている。 また、 アンテナ 部 1 3は、 スロッ ト板 1 4 a · 1 4 bと処理空間 2 0に発生されるプラズマとの 直接接触を防止するマイクロ波透過絶縁板 1 5を有している。  As shown in FIG. 1, the antenna 13a is composed of a metal slot plate 14a in which a slot (not shown in FIG. 1) for emitting microwaves is formed at a predetermined position, and aluminum nitride. (A 1 N) and the like. Similarly, the antennas 13b to 13d each include a slot plate 14b in which a slot (not shown in FIG. 1) is formed and a slow wave plate 17b. Each of the slow wave plates 17a and 17b also serves as a cooling plate. Further, the antenna section 13 has a microwave transmitting insulating plate 15 for preventing direct contact between the slot plates 14a and 14b and the plasma generated in the processing space 20.
分離板 1 9は、 金属部材であって、 かつ、 接地されていることが好ましい。 給 電ポィント 6 0 a 〜 6 0 dを通してアンテナ 1 3 a ~ 1 3 dに供給されるマイク 口波は、 分離板 1 9で位相が 1 8 0度回転して全反射する。 つまり、 アンテナ 1 3 a〜 l 3 d間でのマイクロ波の移動はない。 各アンテナ 1 3 a〜 l 3 dは、 そ れぞれが独立してマイクロ波を処理空間 2 0に放射する。 分離板 1 9によるマイ クロ波の反射により、 遅波板 1 7 a · 1 7 bには定在波が立つ。 従って、 この定 在波の腹の部分に対応するスロット板 1 4 a · 1 4 bの位置に、 定在波の進行方 向と垂直な細長いスロットを形成すれば、 これらのスロットから効率的にマイク 口波を処理空間 2 0に放射することができる。  It is preferable that the separating plate 19 is a metal member and is grounded. The microphone mouth wave supplied to the antennas 13a to 13d through the power supply points 60a to 60d is rotated 180 degrees in phase by the separating plate 19 and totally reflected. That is, there is no microwave movement between the antennas 13a to 13d. Each of the antennas 13a to 13d independently emits microwaves to the processing space 20. Due to the reflection of the microwaves by the separating plate 19, standing waves are formed on the slow wave plates 17a and 17b. Therefore, if elongated slots perpendicular to the traveling direction of the standing wave are formed at the positions of the slot plates 14a and 14b corresponding to the antinodes of the standing wave, these slots can be efficiently used. Microphone Mouth waves can be emitted into the processing space 20.
図 3には、 アンテナ 1 3 aのスロット板 1 4 aに設けられるスロット 6 1 a - 6 1 bおよびアンテナ 1 3 b〜 l 3 dのスロット板 1 4 bに設けられるスロット 6 1 c · 6 1 dの位置が並記されている。 なお、 図 3では、 スロット 6 1 a〜 6 1 dが便宜的に実線で示されているが、 スロット 6 1 a~6 1 dは実際には所定 の幅を有する孔部である。 FIG. 3 shows the slots 6 1 a-61 b provided on the slot plate 14 a of the antenna 13 a and the slots provided on the slot plate 14 b of the antennas 13 b-l 3 d. The positions of 6 1 c and 6 1 d are also listed. In FIG. 3, the slots 61 a to 61 d are indicated by solid lines for convenience, but the slots 61 a to 61 d are actually holes having a predetermined width.
図 3に示されるように、 円形のアンテナ 1 3 aにおいては、 マイクロ波の波長 を i とし、 遅波板 1 7 a · 1 7 bの比誘導率を £ r とし、 を; /^ r 1, 2 と定義したときに、 アンテナ 1 3 aの外周から略; I g/4だけ内側の同心円上 に所定長さのスロッ ト 6 1 aが設けられ、 このスロッ ト 6 1 aから略; I g/2だ け (ずつ) 内側の同心円上に所定の長さのスロット 6 1 bが設けられることが好 ましい。 また、 略扇形のアンテナ 1 3 b〜l 3 dにおいては、 アンテナ 1 3 b〜 1 3 dどうしの境界から略 gZ4だけ内側に所定長さのスロット 6 1 cが設け られ、 このスロッ ト 6 1 c.力 ら略; g/2ずつ内側に所定長さのスロット 6 1 d が設けられることが好ましい。 スロッ ト 6 1 a〜 6 1 dのこのような位置が、 前 述した定在波の腹の位置とほぼ一致する。 As shown in FIG. 3, in the circular antenna 13 a, the wavelength of the microwave is i, the specific inductivity of the slow wave plates 17 a and 17 b is £ r, and: / ^ r 1 , 2 , a slot 61 a of a predetermined length is provided on a concentric circle inside by an amount of Ig / 4, and is abbreviated from this slot 61 a. It is preferable that a slot 61b of a predetermined length is provided on the inner concentric circle (only for g / 2). In addition, in the substantially fan-shaped antennas 13b to 13d, a slot 61c of a predetermined length is provided inward from the boundary between the antennas 13b to 13d by approximately gZ4. c. Abbreviation of force; It is preferable to provide a slot 61 d of a predetermined length inside by g / 2. Such positions of the slots 61a to 61d almost coincide with the positions of the antinodes of the standing wave described above.
スロッ ト板 1 4 a · 1 4 bに形成されたスロット 6 1 a ~6 1 dから放射され るマイクロ波は、 マイクロ波透過絶縁板 1 5を通過して処理空間 20に達し、 処 理空間 2 0内にマイクロ波の電場を形成する。 これと同時に、 空心コイル 2 1を 作動させて処理空間に磁場が発生されると、 マグネトロン効果によって、 効率的 にプラズマが発生され得る。 伹し、 この空心コイル 2 1は、 必ずしも必要ではな い。 アンテナ部 1 3から放射されるマイクロ波のみによっても、 プラズマを発生 させることができる。  The microwaves radiated from the slots 61 a to 61 d formed in the slot plates 14 a and 14 b pass through the microwave transmission insulating plate 15 and reach the processing space 20, where the processing space is processed. A microwave electric field is formed in 20. At the same time, when the air-core coil 21 is operated to generate a magnetic field in the processing space, the plasma can be efficiently generated by the magnetron effect. However, the air-core coil 21 is not always necessary. Plasma can be generated only by the microwaves radiated from the antenna 13.
本実施形態のプラズマエッチング装置 1によれば、 マイクロ波導入装置5 0に よって処理空間 2 0に電力の安定したマイクロ波が供給され得るために、 処理空 間 20に安定してプラズマが発生され得て、 これによつてウェハ Wの処理品質が 高められる。 また、 放射されるマイクロ波の電力に分布を持たせることによって、 分布を有するプラズマを発生することができる。 例えば、 中心部と外周部とで異 なるプラズマ密度で処理を行うことができる。 According to the plasma etching apparatus 1 of the present embodiment, in order to stable microwave power into Therefore treatment space 2 0 in a microwave introduction device 5 0 may be supplied in a stable manner the plasma is generated in the processing spatial 20 As a result, the processing quality of the wafer W is improved. Also, by giving a distribution to the radiated microwave power, a plasma having a distribution can be generated. For example, processing can be performed with different plasma densities at the center and the outer periphery.
ところで、 アンテナ部 1 3全体の外径、 各アンテナ 1 3 a〜 1 3 dのそれぞれ の形状、 及ぴ、 各スロッ トの形成位置については、 一般的な円盤形のアンテナを 設計する際の手法を援用することができる。 そこで以下に、 円盤形アンテナにつ いての設計方法について簡単に説明する。 By the way, the outer diameter of the entire antenna 13, the shape of each of the antennas 13 a to 13 d, and the position of each slot are determined by the method used to design a general disk-shaped antenna. Can be referred to. Therefore, the disk antenna is described below. The design method will be described briefly.
図 4は、 円盤形アンテナ 70の概略断面図である。 円盤形アンテナ 7 0は、 ス 口ット板 7 1と、 遅波板 7 2と、 冷却板 7 3と、 同軸管 7 4と、 から構成されて いる。 冷却板 7 3は、 遅波板 7 2の外周を覆っており、 遅波板 7 2の周縁に到達 したマイクロ波を内側へ反射させる。  FIG. 4 is a schematic sectional view of the disk-shaped antenna 70. The disc-shaped antenna 70 includes a slot plate 71, a slow wave plate 72, a cooling plate 73, and a coaxial tube 74. The cooling plate 73 covers the outer periphery of the slow wave plate 72 and reflects the microwaves reaching the periphery of the slow wave plate 72 inward.
遅波板 7 2は、 内径が 2 X r、 外径が 2 XR、 厚さが hの平リング状の形状を 有する。 マイクロ波の波長を とし、 遅波板 7 2の比誘導率を ε rとしたとき に、 λ 8 = £ r 1/2 と定義すると、 遅波板 7 2の幅 L (=R— r ) は、 λ gの略整数倍であることが好ましい。 この場合、 遅波板 7 2の周縁が定在波の節 となり、 遅波板 7 2の周縁から; g/4だけ内側の同心円上、 および、 この円か ら更に; g/ 2ずつ内側の同心円上が定在波の腹の位置に対応する。 スロット板 7 1におけるスロットの形成位置は、 この定在波の腹の位置に合わせることが好 ましい。 これによつて、 もし同軸管 74と遅波板 7 2との特性インピーダンスが 不一致となっても、 アンテナ 7 0からマッチヤーへ戻る反射マイクロ波の電力を 小さく抑制することができる。 The slow wave plate 72 has a flat ring shape with an inner diameter of 2 Xr, an outer diameter of 2 XR, and a thickness of h. Defining λ 8 = £ r 1/2 , where λ is the wavelength of the microwave and ε r is the specific induction factor of the slow wave plate 72, the width L (= R—r) of the slow wave plate 72 Is preferably substantially an integral multiple of λg. In this case, the periphery of the slow wave plate 72 becomes a node of the standing wave, from the periphery of the slow wave plate 72; on the concentric circle inside by g / 4, and further from this circle; The concentric circle corresponds to the position of the antinode of the standing wave. It is preferable that the position of the slot in the slot plate 71 is adjusted to the position of the antinode of the standing wave. Thus, even if the characteristic impedances of the coaxial waveguide 74 and the slow wave plate 72 do not match, the power of the reflected microwave returning from the antenna 70 to the matcher can be suppressed to a small level.
遅波板 7 2の厚さ hは、 次のようにして求められ得る。 例えば、 同軸管 7 4と して WX— 3 9 Dが使用される場合、 遅波板 7 2の内径は、 2 r = 3 8. 8 mm となる。 同軸管 7 4の特性インピーダンスは、 通常、 5 0 Ωである一方、 平行板 線路の特性インピーダンス Z oは、 下式 (1 ) で与えられる。 従って、 遅波板 7 2の厚さ hは、 下式 (2) のように求めることができる。 なお、 εは窒化アルミ ユウムの平均的な誘電率であり、 は窒化アルミニウムの透磁率である。 ここで、 窒化アルミニウムは誘電材 (絶縁材) であるため、 比透磁率 (^ r ) は 1として いる。  The thickness h of the slow wave plate 72 can be obtained as follows. For example, when WX-39D is used as the coaxial waveguide 74, the inner diameter of the slow wave plate 72 is 2r = 38.8 mm. The characteristic impedance of the coaxial waveguide 74 is usually 50 Ω, while the characteristic impedance Z o of the parallel plate line is given by the following equation (1). Therefore, the thickness h of the slow wave plate 72 can be obtained as in the following equation (2). Here, ε is the average dielectric constant of aluminum nitride, and is the magnetic permeability of aluminum nitride. Here, since aluminum nitride is a dielectric material (insulating material), the relative magnetic permeability (^ r) is set to 1.
h β. h h 3 7 7 h β.h h 3 7 7
Z o =- 3 7 7 ( 1 ) Z o =-3 7 7 (1)
2 π r 2 π r 2 π r r h =— ~ -x3 8. 8x3. 1 4x5 0 = 4 6. 8 3 (mm) ' · ( 2) 3 7 7 次に、 アンテナ 70におけるインピーダンス整合の方法について説明する。 図 5に示す回路において、 電源電圧を Vg、 線路の特性インピーダンスを Z o、 負 荷インピーダンスを Z eとすると、 負荷点の電圧 V oは下式 (3) で示され、 反 射係数 Γは下式 (4) で与えられる。 2 π r 2 π r 2 π rrh = — ~ -x3 8.8x3.1 4x5 0 = 46.83 (mm) ' Next, a method of impedance matching in the antenna 70 will be described. In the circuit shown in Fig. 5, if the power supply voltage is Vg, the characteristic impedance of the line is Zo, and the load impedance is Ze, the voltage Vo at the load point is expressed by the following equation (3), and the reflection coefficient Γ is It is given by the following equation (4).
Z e— Z o Z e— Z o
V o = Vg (3)  V o = Vg (3)
Z e + Ζ ο  Z e + Ζ ο
Ζ e—ん ο Ζ e—n ο
Γ (4)  Γ (4)
Ζ e + Ζ ο 伝送されたマイクロ波のエネルギーを負荷で有効に消費させるには、 Z e =Z oとする必要がある。 すなわち、 負荷とマッチヤーとの合成インピーダンスを伝 送線路の特性インピーダンスに一致させる必要がある。 ところが、 プラズマを点 火するためには、 P a s c h e nの法則により、 点火電圧 V sは、 圧力 Pとギヤ ップ (放電距離) Lとの関係式である下式 (5) で表される。  Ζ e + ο ο In order for the transmitted microwave energy to be effectively consumed by the load, it is necessary to set Ze = Zo. That is, it is necessary to match the combined impedance of the load and the matcher to the characteristic impedance of the transmission line. However, in order to ignite the plasma, the ignition voltage V s is represented by the following equation (5), which is the relational expression between the pressure P and the gap (discharge distance) L, according to the law of Paschen.
V s =f(p · L) · · · ( 5 ) V s = f (pL) (5)
式 (5) より、 ギャップ Lが定まれば一義的に点火電圧は決定される。 また、 式 (3) より、 Z e >Z oとすると、 負荷点の電圧 Voを高くすることができる。 従って、 例えば、 プロセス時間を短縮するためには、 図 6のスミスチャートに 示すように、 プラズマ点火時には適当な誘導的反射が生じるようにインピーダン スを点 Aから誘導的領域を通って中心点 Oへ移動させ、 プラズマ点火後のプロセ ス時には中心点 O (インピーダンス整合位置) で保持するとよい。 From equation (5), once the gap L is determined, the ignition voltage is uniquely determined. From equation (3), if Ze> Zo, the voltage Vo at the load point can be increased. Therefore, for example, in order to reduce the process time, as shown in the Smith chart of FIG. 6, the impedance is changed from the point A to the center point O through the inductive region so that an appropriate inductive reflection occurs at the time of plasma ignition. Should be maintained at the center point O (impedance matching position) during the process after plasma ignition.
以上、 本発明の実施の形態について説明してきたが、 本発明はこのような実施 の形態に限定されるものではない。 例えば、 マイクロ波発振器 30の回路構成や ソリツドステートアンプ 42の回路構成は、 図 2に示す構成に限定されるもので はなく、 種々の変形が可能である。 例えば、 アンテナ部 1 3から放射されるマイクロ波に一様でない分布を設ける 必要がない場合には、 アンテナ 1 3 a〜l 3 dのマイクロ波放射面積を等しくし て、 各アンプ部 3 3に可変アツテネータ 4 1を設けないで、 マイクロ波発生器 3 1と分配器 3 2の間に可変アツテネータを設けた構成とすることができる。 これにより、 可変アツテネータの部品点数を減らすことができる。 The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to such embodiments. For example, the circuit configuration of the microwave oscillator 30 and the circuit configuration of the solid state amplifier 42 are not limited to the configuration shown in FIG. 2, and various modifications are possible. For example, if it is not necessary to provide a non-uniform distribution in the microwaves radiated from the antenna section 13, the microwave radiating areas of the antennas 13 a to l 3 d are made equal and each amplifier section 3 3 A structure in which a variable attenuator is provided between the microwave generator 31 and the distributor 32 without providing the variable attenuator 41 can be adopted. Thereby, the number of components of the variable attenuator can be reduced.
また、 互いに異なる電力のマイクロ波をアンテナ 1 3 a〜 1 3. dに伝送する場 合には、 異なる数の半導体増幅素子が装着されたソリッドステートアンプを有 するアンプ部を用いることも可能である。 例えば、 アンテナ 1 3 aのためには、 6 0 O Wのマイク口波を伝送するために、 半導体増幅素子を 4個有するソリツ ドステートアンプを備えたアンプ部が用いられる一方、 アンテナ 1 3 b〜 1 3 dのためには、 3 0 0 Wのマイクロ波を伝送するために、 半導体増幅素子 4 2を 2個有するソリッドステートアンプを備えたアンプ部が用いられ得る。 アンテナ部 1 3は、 4つのアンテナ 1 3 a〜 l 3 dから構成される形態に限定 されず、 より多くのアンテナまたはより少ないアンテナから構成してもよい。 ま た、 アンテナの形状は、 図 3に示すような円形や略扇形に限定されるものではな い。 より多くのアンテナからアンテナ部を構成した場合には、 アンプ部の数を增 やす必要があるが、 それぞれのアンプ部から出力されるマイク口波の電力が更に 小さくなるためアンプ部を更に小型化することができる。  When transmitting microwaves having different powers to the antennas 13a to 13.d, it is also possible to use an amplifier section having a solid-state amplifier equipped with different numbers of semiconductor amplifying elements. is there. For example, for the antenna 13a, an amplifier unit having a solid state amplifier having four semiconductor amplifying elements is used to transmit a microphone aperture wave of 60 OW, while the antenna 13b to For 13 d, an amplifier unit having a solid-state amplifier having two semiconductor amplifying elements 42 for transmitting microwaves of 300 W can be used. The antenna section 13 is not limited to the form composed of the four antennas 13a to 13d, but may be composed of more or less antennas. Also, the shape of the antenna is not limited to a circle or a substantially fan shape as shown in FIG. If the antenna section is composed of more antennas, it is necessary to reduce the number of amplifier sections. However, since the power of the microphone mouth wave output from each amplifier section is further reduced, the amplifier section is further downsized. can do.
上記説明においては、 プラズマ処理としてエッチング処理を取り上げたが、 本 発明は、 プラズマ C V D処理 (成膜処理や酸窒化膜の膜改質等) やアツシング処 理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。 この場合には、 処理目的に応 じて適切な処理ガスをチャンバ 1 1内に供給すればよい。 また、 被処理基板は半 導体ウェハ Wに限定されず、 L C D基板、 ガラス基板、 セラミックス基板等であ つてもよい。  In the above description, the etching process is taken as the plasma process. However, the present invention can be applied to other plasma processes such as a plasma CVD process (a film forming process and a film modification of an oxynitride film) and an ashing process. Can be. In this case, an appropriate processing gas may be supplied into the chamber 11 according to the processing purpose. The substrate to be processed is not limited to the semiconductor wafer W, and may be an LCD substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, or the like.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims
1 . 被処理基板を収容する' 1. Accommodate the substrate to be processed
前記チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給装置と、  A gas supply device for supplying a processing gas into the chamber;
前記チャンバ内にプラズマ生成用のマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置 と、  A microwave introduction device for introducing a microwave for plasma generation into the chamber;
を備え、 With
前記マイクロ波導入装置は、  The microwave introduction device,
複数の所定出力のマイク口波を出力するマイク口波発振器と、  A microphone mouth wave oscillator that outputs a plurality of microphone output waves of a predetermined output,
前記マイクロ波発振器から出力される複数のマイクロ波がそれぞれ伝送される 複数のアンテナを有するアンテナ部と、  An antenna unit having a plurality of antennas to which a plurality of microwaves output from the microwave oscillator are respectively transmitted;
を有している have
ことを特徴とするプラズマ処理装置。 A plasma processing apparatus characterized by the above-mentioned.
2 . 前記マイクロ波発振器は、 2. The microwave oscillator comprises:
低電力のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、  A microwave generator for generating low-power microwaves,
前記マイク口波発生器から発生されるマイク口波を複数のマイク口波に分配す る分配器と、  A distributor that distributes a microphone mouth wave generated from the microphone mouth wave generator to a plurality of microphone mouth waves;
前記分配器により分配される各マイクロ波を所定の電力に増幅する複数のアン プ部と、  A plurality of amplifiers for amplifying each microwave distributed by the distributor to a predetermined power;
を有しており、 Has,
前記複数のアンプ部から出力される複数のマイクロ波が、 前記複数のアンテナ へそれぞれ伝送されるようになっている  A plurality of microwaves output from the plurality of amplifier units are respectively transmitted to the plurality of antennas
ことを特徴とする請求項 1に記載のプラズマ処理装置。  2. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein:
3 . 前記複数のアンプ部の各々は、 3. Each of the plurality of amplifier units includes:
前記分配器から出力される各マイクロ波を所定のレベルに減衰させる可変アツ テネータと、  A variable attenuator for attenuating each microwave output from the distributor to a predetermined level;
前記可変アツテネータから出力されるマイクロ波を所定の電力に増幅するソリ ッドステートアンプと、 A solid-state amplifier that amplifies microwaves output from the variable attenuator to a predetermined power. A single-state amplifier,
前記ソリッドステートアンプから前記アンテナへ出力されるマイクロ波の内、 ソリッドステートアンプに戻ろうとする反射マイクロ波を分離するアイソレータ と、  An isolator for separating reflected microwaves returning to the solid-state amplifier from microwaves output from the solid-state amplifier to the antenna;
前記反射マイクロ波の電力を調整するマッチヤーと、  A matcher for adjusting the power of the reflected microwave;
を有している have
ことを特徴とする請求項 2に記載のプラズマ処理装置。 3. The plasma processing apparatus according to claim 2, wherein:
4 . 前記アイソレータは、 4. The isolator is
前記反射マイク口波を熱に変換するダミーロードと、  A dummy load that converts the reflected microphone mouth waves into heat;
前記ソリッドステートアンプから出力されるマイクロ波を前記アンテナへ導き、 前記アンテナからの反射マイクロ波を前記ダミーロードに導くサーキュレータと、 を有している  A circulator for guiding microwaves output from the solid state amplifier to the antenna, and guiding reflected microwaves from the antenna to the dummy load.
ことを特徴とする請求項 3に記載のプラズマ処理装置。 4. The plasma processing apparatus according to claim 3, wherein:
5 . 前記ソリッドステートアンプは、 5. The solid state amplifier is
入力されるマイクロ波を複数のマイクロ波に分配する副分配器と、  A sub-divider for distributing an input microwave to a plurality of microwaves,
前記副分配器から出力される複数のマイクロ波をそれぞれ所定の電力に増幅す る複数の半導体増幅素子と、  A plurality of semiconductor amplifying elements for amplifying a plurality of microwaves output from the sub-divider to a predetermined power, respectively;
前記複数の半導体増幅素子によって電力増幅されたマイクロ波を合成する合成 と、  Synthesizing a microwave that has been power-amplified by the plurality of semiconductor amplifying elements;
を有している have
ことを特徴とする請求項 3または 4に記載のプラズマ処理装置。 5. The plasma processing apparatus according to claim 3, wherein:
6 . 前記半導体増幅素子は、 パワー MO S F E Tまたは G a A s F E Tまた は G e S i トランジスタで構成されている 6. The semiconductor amplifying element is composed of a power MOS FET or a GaAs FET or a GeSi transistor.
ことを特徴とする請求項 5に記載のプラズマ処理装置。 6. The plasma processing apparatus according to claim 5, wherein:
7 . 前記複数のアンテナの各々は、 遅波板と、 7. Each of the plurality of antennas A slow wave plate,
スロット板と、  A slot plate,
を有している have
ことを特徴とする請求項 1乃至 6のいずれかに記載のプラズマ処理装置。 7. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein:
8 . 前記アンテナ部は、 8. The antenna section
中心に設けられた円形ァンテナと、  A circular antenna provided in the center,
前記円形ァンテナの外側を囲う複数の略扇形ァンテナと、  A plurality of substantially sector-shaped antennas surrounding the outside of the circular antenna;
前記円形ァンテナ及び前記複数の略扇形ァンテナとを分離する分離板と、 を有している  A separation plate for separating the circular antenna and the plurality of substantially fan-shaped antennas.
ことを特徴とする請求項 7に記載のブラズマ処理装置。 8. The plasma processing apparatus according to claim 7, wherein:
9 . 前記分離板は金属部材であって、 かつ、 接地されている 9. The separation plate is a metal member and is grounded
ことを特徴とする請求項 8に記載のブラズマ処理装置。 9. The plasma processing apparatus according to claim 8, wherein:
1 0 · 前記マイク口波の波長を λ t とし、 前記遅波板の比誘電率を ε rとし、 λ gを; / ε r 1/ 2 と定義した場合において、 10 · When the wavelength of the microphone mouth wave is λ t, the relative permittivity of the slow wave plate is ε r, and λ g is defined as: / ε r 1/2 ,
前記円形アンテナのスロット板には、 前記円形アンテナの外周から: g Z 4だ け内側の円周上に所定長さの第 1スロットが設けられ、 当該第 1スロットから; g Z 2ずつ内側の同心円上に所定長さの第 2スロットが設けられ、  The slot plate of the circular antenna is provided with a first slot of a predetermined length on the inner circumference only from the outer periphery of the circular antenna: gZ4, and from the first slot; A second slot of a predetermined length is provided on the concentric circle,
前記複数の略扇形アンテナのスロッ ト板には、 それぞれ、 当該略扇形アンテナ どうしの境界から; L g / 4だけ内側に所定長さの第 3スロットが設けられ、 当該 第 3スロットからえ g Z 2ずつ内側に所定長さの第 4スロットが設けられている ことを特徴とする請求項 8または 9に記載のプラズマ処理装置。  The slot plates of the plurality of substantially fan-shaped antennas each have a third slot of a predetermined length provided on the inner side by L g / 4 from the boundary between the substantially fan-shaped antennas. 10. The plasma processing apparatus according to claim 8, wherein a fourth slot having a predetermined length is provided inside each two.
1 1 . 前記チャンバ内に磁場を発生させる磁場発生装置が更に設けられてお り、 ' 1 1. A magnetic field generator for generating a magnetic field is further provided in the chamber.
前記チャンバ内に導入されるマイクロ波により発生される電場と前記磁場発生 装置により発生される磁場とによって、 マグネトロン効果が生じるようになって いる The magnetron effect is caused by the electric field generated by the microwave introduced into the chamber and the magnetic field generated by the magnetic field generator. Is
ことを特徴とする請求項 1乃至 1 0のいずれかに記載のプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein:
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