(57)【要約】      （修正有）【課題】整合器と電極の間の距離が長い場合でも容易に整合をとることが可能な整合器を提供する。【解決手段】整合器３０は、チャンバ内に設けられた電極に給電線路を介して高周波電力を供給する半導体プラズマ処理装置に用いられるものであって、２つの可変容量コンデンサ２２，２３と、コンデンサ２３の電極と給電線路の内部導体１６の端部との間に接続された銅板３１〜３３などで構成された分布定数回路とを備えたものである。分布定数回路および給電線路は、高周波電圧の２分の１波長分だけ位相を遅延させる。したがって、コンデンサ２３の電極とチャンバ内の電極とを直接接続したのと同じ状態を実現することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に設けられた電極と、その一方端子が前記電極に接続され、その他方端子が前記チャンバ外に配置された給電線路とを含む半導体プラズマ処理装置に用いられる整合器であって、
その一方電極が高周波電圧を受け、その他方電極が基準電圧を受け、その容量値の調整が可能な第１のコンデンサ、
その一方電極が前記高周波電圧を受け、その容量値の調整が可能な第２のコンデンサ、および
前記第２のコンデンサの他方電極と前記給電線路の他方端子との間に接続され、前記高周波電圧の２分の１波長の自然数倍から前記給電線路の長さを除いた長さに略等しい長さ分だけ前記高周波電圧の位相を遅延させる分布定数回路を備える、整合器。
【請求項２】
前記分布定数回路は、前記第２のコンデンサの他方電極と前記給電線路の他方端子との間に接続された所定長さの同軸線路を含む、請求項１に記載の整合器。
【請求項３】
前記整合器は、前記第１のコンデンサ、前記第２のコンデンサおよび前記分布定数回路を収容するシールドケースをさらに備え、
前記分布定数回路は、
前記第２のコンデンサの他方電極と前記給電線路の他方端子との間に接続され、少なくともその一部が前記シールドケースの内壁に対向して設けられた所定長さの金属板、および
前記金属板の少なくとも一部と前記シールドケースの内壁との間に配置された誘電体部材を含む、請求項１に記載の整合器。
【請求項４】
前記分布定数回路は、前記金属板の少なくとも一部と前記シールドケースの内壁との間隔および／または前記金属板の長さを調整するための調整部をさらに含む、請求項３に記載の整合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は整合器に関し、特に、半導体プラズマ処理装置に用いられる整合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体プラズマ処理装置は、チャンバ内に設けられた１対の電極間に高周波電力を供給してプラズマを発生させ、そのプラズマによって半導体基板を処理する装置である。半導体プラズマ処理装置では、高周波電力の反射を抑制するために、高周波電源と電極の間に整合器が設けられる。また、インピーダンス整合を容易にするため、整合器はチャンバの外壁に直接固定され、整合器と電極の間は最短距離に設定される。
【０００３】
また、高周波電力を同軸給電線を介して受電してプラズマに入力させるアンテナと、同軸給電線の途中に設けられたスタブとを備えた高周波加熱装置において、同軸給電線の長さを、アンテナからスタブまでのインピーダンス整合に必要な長さに、高周波の半波長の整数倍を加えた長さに設定するとともに、スタブの短絡端までの長さを、インピーダンス整合に必要な長さに、高周波の半波長の整数倍を加えた長さに設定し、高周波電力の周波数を制御して同軸給電線とアンテナのインピーダンスを整合させる技術もある（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−１５９５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように半導体プラズマ処理装置では、一般に整合器はチャンバーの外壁に直接固定されるが、装置の種類によっては整合器をチャンバから離れた位置に配置する必要がある。このような場合は、整合器と電極の間の配線が長くなって配線のインダクタンスが大きくなり、整合をとることが容易でなかった。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、整合器と電極の間の距離が長い場合でも容易に整合をとることが可能な整合器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る整合器は、チャンバ内に設けられた電極と、その一方端子が電極に接続され、その他方端子がチャンバ外に配置された給電線路とを含む半導体プラズマ処理装置に用いられる整合器であって、その一方電極が高周波電圧を受け、その他方電極が基準電圧を受け、その容量値の調整が可能な第１のコンデンサと、その一方電極が高周波電圧を受け、その容量値の調整が可能な第２のコンデンサと、第２のコンデンサの他方電極と給電線路の他方端子との間に接続され、高周波電圧の２分の１波長の自然数倍から給電線路の長さを除いた長さに略等しい長さ分だけ高周波電圧の位相を遅延させる分布定数回路とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る整合器では、第２のコンデンサの他方電極と給電線路の他方端子との間に接続され、高周波電圧の２分の１波長の自然数倍から給電線路の長さを除いた長さに略等しい長さ分だけ高周波電圧の位相を遅延させる分布定数回路が設けられる。したがって、第２のコンデンサの他方端子と電極との間で２分の１波長の自然数倍に略等しい長さ分だけ高周波電圧の位相が遅延され、その間のインピーダンスが略０になる。よって、容易に整合をとることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による半導体プラズマ処理装置の構成を示すブロック図である。図１において、この半導体プラズマ処理装置は、高周波電源１、高周波センサ２、整合器３、処理室４、コントローラ５、および駆動装置６を備える。
【０００９】
高周波電源１は、所定の高周波電力を発生する。この高周波電力は、６０ＭＨｚと５００ＭＨｚの間の所定の周波数（ここでは１００ＭＨｚとする）を有する。高周波電源１で発生された高周波電力は、高周波センサ２および整合器３を介して処理室４に与えられる。高周波電力の一部は処理室４で反射し、給電線路（図示せず）には進行波電力Ｐｆおよび反射波電力Ｐｒが発生する。
【００１０】
高周波センサ２は、高周波電源１と整合器３との間の給電線路の電圧Ｖおよび電流Ｉを検出し、その検出結果に基づいて、電圧Ｖと電流Ｉの比Ｚの特性インピーダンスＺ０（たとえば５０オーム）に対するずれに相当する信号ＶＺと、電圧Ｖと電流Ｉの位相差φに比例するレベルの信号Ｖφとを出力する。
【００１１】
整合器３は、その入力端子側から処理室４側を見たインピーダンスを高周波電源１および整合器３間の給電線路の特性インピーダンスＺ０に等しくすることにより、反射波電力Ｐｒを最小値にするものである。整合器３のインピーダンスは制御可能になっている。この整合器３については、後に詳述する。
【００１２】
駆動装置６は、モータ、ギアなどを含み、コントローラ５に従って整合器３を駆動させる。コントローラ５は、高周波センサ２からの信号ＶＺ，Ｖφの各々のレベルが最小値になるように、駆動装置６を介して整合器３のインピーダンスを調整する。
【００１３】
処理室４は、図２に示すように、チャンバ１０を備えており、チャンバ１０にはガス供給口１０ａおよび排気口１０ｂが設けられている。ガス供給口１０ａは、ガス流量コントローラ、バルブ、ガスボンベなどを含むガス供給装置（図示せず）に接続され、排気口１０ｂはバルブ、真空ポンプ、ガス処理装置などを含むガス排出装置（図示せず）に接続されている。ガス供給装置およびガス排出装置により、チャンバー１０内を所望の低圧力にすることが可能になっている。
【００１４】
チャンバ１０内には、たとえば２枚の平行平板電極１１，１２が設けられる。２枚の電極１１，１２のうちの一方の電極１１はたとえば接地され、他方の電極１２は高周波電源１からの高周波電圧を受ける。チャンバ１０は、接地されている。電極１１の表面には、半導体基板１３がセットされる。
【００１５】
また、チャンバ１０には給電口１０ｃが設けられており、給電口１０ｃは給電線路１４を介して整合器３に接続される。給電線路１４は、円筒状の外部導体１５と、棒状の内部導体１６とを含む。内部導体１６は、所定の長さ（ここでは６０ｃｍとする）を有する。外部導体１５の一方端部は整合器３のシールドケースに電気的に接続され、外部導体１５の他方端部はチャンバ１０の給電口１０ｃの外周部に接合されている。内部導体１６の一方端部は整合器３の出力電圧を受け、内部導体１６の他方端部は給電口１０ｃを通過して電極１２に接続されている。外部導体１５と内部導体１６の間には、リング状の絶縁体部材１７，１８が挿入されている。チャンバ１０内の空間と給電線路１４内の空間との間は、絶縁体部材１７によってシールされている。外部導体１５と内部導体１６の間の空間は、放電しないように常圧にされている。
【００１６】
エッチングまたは成膜時は、まずガス排出装置によってチャンバ１０内の空気が排出される。次いでガス供給装置によって所定のガスが所定流量でチャンバ１０内に導入されるとともに、ガス排出装置の排気速度が調整されて、チャンバ１０内が所定の圧力に調整される。
【００１７】
次に、高周波電源１がオンされて所定の高周波電力が処理室４に与えられ、電極７，８間のガスが電離されてプラズマ状態になる。このとき、反射波電力Ｐｒが最小値になるように、高周波センサ２、コントローラ５および駆動装置６によって整合器３のインピーダンスが制御される。エッチング用のガス（たとえばＣＦ4）を用いた場合は基板１３の表面がエッチングされ、成膜用のガス（たとえばＳｉＨ4）を用いた場合は基板１３の表面に膜が堆積する。
【００１８】
図３は、整合器３の構成を示す断面図である。図３において、整合器３はシールドケース２０を備える。シールドケース２０は、アルミニウム板製の直方体状の箱であり、接地されている。シールドケース２０には、入力口２０ａおよび出力口２０ｂが設けられている。入力口２０ａには入力端子２１が設けられ、出力口２０ｂには給電線路１４の端部が挿入される。入力端子２１は、高周波センサ２を介して高周波電源１に接続される。
【００１９】
シールドケース２０内には、インピーダンスマッチング用の可変容量コンデンサ２２と、位相マッチング用の可変容量コンデンサ２３と、分布定数回路を構成する同軸線２４とが設けられている。コンデンサ２２，２３の各々は、駆動軸（図示せず）を介して駆動装置６に結合されており、各々のキャパシタンスは駆動軸の回転角度に応じて所定の範囲で変化する。コンデンサ２２，２３の一方電極はともに入力端子に接続される。コンデンサ２２の他方電極は、シールドケース２０の内壁に接続されて接地されている。
【００２０】
同軸線２４は、内部導体２５および外部導体２６を含む。内部導体２５の一方端部はコンデンサ２３の他方電極に接続され、その他方端部は給電線路１４の内部導体１６の端部に接続される。外部導体２６の一方端部はコンデンサ２２の他方電極に接続されて接地され、その他方端部はシールドケース２０の内壁に接続されて接地されている。
【００２１】
ここで、高周波回路の理論によれば、高周波電源と負荷回路の間を高周波電圧の２分の１波長の整数倍の長さの線路で接続すると、線路を介さずに高周波電源に負荷回路を直接接続したことと同じ結果になる。そこで本願発明は、コンデンサ２３の他方端子と給電線路１４の内部導体１６の端部との間を、高周波電圧の２分の１波長の自然数倍（ここでは１倍とする）から給電線路１４の内部導体１６の長さを減算した長さに略等しい長さの線路で接続する。
【００２２】
換言すると、高周波電源と負荷回路の間を高周波電圧の位相を１８０度の整数倍の角度だけ遅延させる線路で接続すると、線路を介さずに高周波電源に負荷回路を直接接続したことと同じ結果になる。そこで本願発明は、コンデンサ２３の他方端子と給電線路１４の内部導体１６の端部との間を、１８０度の自然数倍（ここでは１倍とする）から給電線路１４の内部導体１６による遅延角度を減算した角度に略等しい遅延角度を有する線路で接続する。
【００２３】
具体的に示すと、１００ＭＨｚの高周波電圧の２分の１波長は、光速（３×１０８ｍ/ｓ）を１００ＭＨｚ×２で除算することにより得られ、１５０ｃｍとなる。１５０ｃｍから給電線路１４の内部導体１６の長さ（６０ｃｍ）を減算すると、９０ｃｍとなる。同軸線２４では内部導体２５と外部導体２６の間に誘電体が充填されているので、同軸線２４は短縮率（１／√ε≒２／３）を有する。９０ｃｍに同軸線２４の短縮率（２／３）を積算すると６０ｃｍとなる。そこで、この実施の形態１では、６０ｃｍの同軸線２４でコンデンサ２３の他方電極と給電線路１４の内部導体１６の端部とを接続した。これにより、コンデンサ２３の他方電極をチャンバ１０内の電極１２に直接接続したのと同じ状態を実現することができ、容易に整合をとることができる。なお、上述の場合でも同軸線２４の長さを正確に６０ｃｍにする必要はなく、５０ｃｍ〜７０ｃｍであればコンデンサ２２，２３のキャパシタンスを調整することにより、整合をとることが可能であることは言うまでもない。
【００２４】
［実施の形態２］
図４は、この発明の実施の形態２による半導体プラズマ処理装置で用いられる整合器３０の構成を示す断面図である。図４において、この整合器３０が図３の整合器３と異なる点は、同軸線２４が銅板３１〜３３および誘電体シート３４で置換されている点である。銅板３１〜３３、誘電体シート３４およびシールドケース２０によって分布定数回路が構成されている。銅板３１〜３３の各々は、５ｃｍと６ｃｍの間の所定の幅（たとえば５.５ｃｍ）を有する。
【００２５】
銅板３１は、Ｌ字型に折り曲げられている。銅板３１の一片３１ａは水平に設けられ、その端部はコンデンサ２３の他方電極に接続される。銅板３１の他片３１ｂは垂直に設けられ、絶縁体部材３５を介してシールドケース２０の内壁に固定されている。銅板３１の他片３１ｂの端部には、ビス孔３６が形成されている。銅板３３は、Ｌ字型に折り曲げられている。銅板３３の一片３３ａは水平に設けられ、その端部は給電線路１４の内部導体１６の端部に接続される。銅板３３の他片３３ｂは垂直に設けられ、その端部にはビス孔３７が形成されている。
【００２６】
銅板３２の両端は、それぞれ直角に折り曲げられている。銅板３２の中央部３２ａは、シールドケース２０の床部２０ｃの上方に水平に配置される。銅板３２の一方端部３２ｂには、図５に示すように、垂直方向に長孔３８が形成されている。銅板３２の他方端部３２ｃには、垂直方向に長孔３９が形成されている。銅板３１の他片３１ｂと銅板３２の一方端部３２ｂは、ビス孔３６および長孔３８を挿通するビス４０によって固定される。銅板３３の他片３３ｂと銅板３２の他方端部３２ｃは、ビス孔３７および長孔３９を挿通するビス４１によって固定される。
【００２７】
ビス孔３６と長孔３８とビス４０は複数組（図５では３組）設けられ、ビス孔３７と長孔３９とビス４１は複数組（図５では３組）設けられる。ビス孔３６と長孔３８の相対的な位置、およびビス孔３７と長孔３９の相対的な位置を調整してビス留めすることにより、銅板３２の中央部３２ａとシールドケース２０の床部２０ｃの間隔（キャパシタンス）を調整するとともに、銅板３１〜３３で構成される線路の長さ（インダクタンス）を調整することができ、分布定数回路の回路定数を調整することができる。
【００２８】
誘電体シート３４は、シールドケース２０の床部２０ｃ上に敷かれている。誘電体シート３４を設けたのは、銅板３２の中央部３２ａとシールドケース２０の床部２０ｃとの間のキャパシタンスを大きくするとともに、耐圧を確保し、さらに上述の短縮率を発生させて銅板３１〜３３の長さを短縮化するためである。
【００２９】
ビス４０，４１で接続された銅板３１〜３３の長さは、図３で示した同軸線２４と同じ６０ｃｍに設定されている。これにより、コンデンサ２３の他方電極をチャンバ１０内の電極１２に直接接続したのと同じ状態を実現することができ、容易に整合をとることができる。また、銅板３１〜３３を用いて分布定数回路を構成したので、同軸線２４を用いて分布定数回路を構成した実施の形態１よりも大電力を供給することができる。
【００３０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体プラズマ処理装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した処理室の構成を示す断面図である。
【図３】図１に示した整合器の構成を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２による整合器の構成を示す断面図である。
【図５】図４に示した銅板の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  高周波電源、２  高周波センサ、３，３０  整合器、４  処理室、５  コントローラ、６  駆動装置、１０  チャンバ、１１，１２  平行平板電極、１３  半導体基板、１４  給電線路、１５，２６  外部導体、１６，２５  内部導体、１７，１８，３５  絶縁体部材、２０  シールドケース、２１  入力端子、２２，２３  可変容量コンデンサ、２４  同軸線、３１〜３３  銅板、３４  誘電体シート、３６，３７  ビス孔、３８，３９  長孔、４０，４１  ビス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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