高周波電力供給装置、プラズマ処理装置、及び半導体薄膜の製造方法
【課題】電力利用効率を向上できる高周波電力供給装置、プラズマ処理装置、及び半導体薄膜の製造方法を得ること。
【解決手段】高周波電力供給装置は、変動負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給装置であって、高周波電源と、前記高周波電源と前記変動負荷との間に配され、前記変動負荷からの反射電力を分離するサーキュレータと、前記サーキュレータにより分離された反射電力の位相及び振幅を調整する調整部と、前記高周波電源から出力された電力と前記調整部により調整された反射電力とを合成して前記サーキュレータへ出力する電力合成部とを備えている。
【解決手段】高周波電力供給装置は、変動負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給装置であって、高周波電源と、前記高周波電源と前記変動負荷との間に配され、前記変動負荷からの反射電力を分離するサーキュレータと、前記サーキュレータにより分離された反射電力の位相及び振幅を調整する調整部と、前記高周波電源から出力された電力と前記調整部により調整された反射電力とを合成して前記サーキュレータへ出力する電力合成部とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電力供給装置、プラズマ処理装置、及び半導体薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置は、アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜等の薄膜を基板上に成膜するための装置として広く用いられている。今日では、薄膜シリコン太陽電池の発電層やフラットディスプレイパネルに用いられる薄膜トランジスタのような大面積の薄膜を高速で一時に成膜することができるプラズマ処理装置も開発されている。大面積のシリコン薄膜を成膜するには、平行平板型プラズマ処理装置を使用するのが一般的である。以下、平行平板型プラズマ処理装置について中心的に説明を行う。
【０００３】
平行平板型プラズマ処理装置は、真空チャンバ内において数ｍｍから数十ｍｍの距離を隔てて対向している第１の電極と第２の電極とを有する。通常、これらの電極は水平面内に設置され、第１の電極に高周波電力を供給し、第２の電極は接地されている。シリコン薄膜を成膜する場合、シラン（ＳｉＨ４）や水素（Ｈ２）等の成膜ガスを、第１の電極に形成された多数のアパーチャを通して放電領域となる電極間のギャップに供給する。放電領域に供給されたガスは高周波電力によってプラズマ化する。成膜ガスはプラズマ中で分解され、ラジカルやイオンとなって被成膜基板へと入射し、基板上にシリコン膜を形成する。一般に、接地されている側となる第２の電極がステージとして用いられ、ステージ上に被成膜基板が載置される。
【０００４】
近年、成膜品質や成膜速度向上といったニーズに応えるため、従来一般的であった１３．５６ＭＨｚよりも周波数の高いＶＨＦ（Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の高周波電力を用いて生成したＶＨＦプラズマを成膜に用いることが盛んに研究されている。ＶＨＦプラズマは高密度、低電子温度であるため、上記のニーズに対する解として、期待が持たれている。
【０００５】
しかしながら、高周波電力の周波数の増加により、電極面内で高周波電力が干渉を起こし、定在波を形成することで電界強度分布が不均一になり、その結果、プラズマ密度が不均一となり、最終的に成膜速度や膜質そのものが不均一になってしまう傾向にある。一般に電極サイズは使用する高周波電力の波長λの１／１０以下であることが望ましいとされおり、例えば１３．５６ＭＨｚの場合、電極サイズは２ｍ強まで、ＶＨＦ帯、例えば６０ＭＨｚでは５０ｃｍ程度が限界となる。
【０００６】
ここで成膜特性、例えば膜厚分布のばらつきは、太陽電池分野では再現性を確保して、±１０％程度を達成することが実用化の一つの指標となっている。従来のＶＨＦプラズマ技術では、例えばアモルファスシリコン膜の成膜速度の場合、基板面積５０ｃｍ×５０ｃｍ程度で±１０〜１５％程度と、小面積基板でかろうじて満たしている状況であり、１００ｃｍ×１００ｃｍ程度に至っては±２０〜４０％程度と、上記指標に達していない。
【０００７】
定在波の形成は波の干渉という基本的な物理現象に起因しているため根本的な解決が非常に困難である。したがって次善の策として、従来技術の多くは定在波の形成そのものは許容し、その分布を時間的に制御することにより時間平均として均一なプラズマの生成、ひいては成膜を行うという指針をとっている。
【０００８】
特許文献１には、プラズマＣＶＤ装置において、方形電極の互いに対向した２つの辺から供給される電力の電圧の位相差を時間的に変化させ、２台のパルス変調可能な２出力の高周波電源から時間的に分離されたパルス電力を供給することが記載されている。これにより、特許文献１によれば、腹の位置が該第１及び第２の給電点の位置に合致した第１の定在波と、節の位置が該第１及び第２の給電点の位置に合致した第２の定在波とを時間的に交互に発生させ、時間平均的にプラズマを均一化できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４０２２６７０号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８２６８３号公報
【特許文献３】特開２０００−１３８５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、低電子温度で高密度なプラズマが生成可能なＶＨＦ帯の高周波電力を用いて成膜を行うことは、膜質向上と高速成膜をともに解決できる技術として近年実用化研究が盛んに行われている。しかしながら定在波の形成による成膜均一性の悪化のため、従来技術の多くは定在波の分布を時間的に制御することにより時間平均として均一なプラズマの生成、ひいては成膜を行うという指針をとっている。
【００１１】
したがって、電極面内にはプロセスの時間進展にともなって分布の異なるプラズマ、つまり分布の異なる負荷が形成されるため、従来の整合方式では反射電力が高くなることが多い。一般にプラズマに代表される変動負荷の整合にはＬ型、逆Ｌ型、Π型などの受動素子ネットワークが用いられることが多い。このネットワーク内において整合条件を制御するための可変素子、例えば可変キャパシタなどは、プラズマ生成に必要な電力を許容するために機械式の物が多く用いられており、応答速度が概ね数十ｍｓｅｃ〜数ｓｅｃと遅い。このような応答速度を許容できるような変調速度であれば常に整合を取ることができるために反射電力を低く抑えることが可能である。
【００１２】
しかしながら、通常成膜プロセスからの要請により変調速度は数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚに設定される。この場合、変調速度が可変素子の応答速度を大幅に上回るため、可変素子の値、つまり負荷の整合条件は時間平均で反射電力が小さくなるような所で落ち着くと予想される。
【００１３】
そこで、本発明者が実際に特許文献１に示されているような定在波の腹と節とが逆転する分布を１ｋＨｚで切り替えるように高周波電力を変調してプラズマを生成する実験を行ったところ、時間平均の反射電力は供給電力の約３０％と、非常に大きな値で落ち着く結果となった。
【００１４】
このように反射電力が大きくなると、負荷への電力供給効率が下がるだけでなく、電源の保護という面でも問題が発生する。そこで、サーキュレータと抵抗負荷とを組み合わせたアイソレータを用いて電源を反射電力から保護するシステムが必要となる。
【００１５】
特許文献２には、ＶＨＦプラズマ処理システムにおいて、サーキュレータの第１のポートが電力増幅器に接続され、サーキュレータの第２のポートがプラズマ負荷側に接続され、サーキュレータの第３のポートが終端抵抗器を介して接地電位に接続されている。これにより、特許文献２によれば、プラズマインピーダンスが引き起こす反射電力を分離して終端抵抗器に加わるようにするので、システムの安定性を向上できるとされている。
【００１６】
しかしながら、このようにサーキュレータと抵抗負荷とを用いると、抵抗負荷において反射電力を熱として捨てていることになるため、システムトータルで見た電力利用効率が著しく低下する。例えば前述の実験のように約３０％の反射電力が発生していると、微結晶シリコンの成膜プロセスなどのように数十ｋＷクラスの電力を用いる場合では数ｋＷ〜１０ｋＷの電力が無駄になる。
【００１７】
特許文献３には、１つの電源と複数のプラズマ溶接機との間に複数のサーキュレータが接続されたマイクロ波給電システムが記載されている。このマイクロ波給電システムでは、１つのプラズマ溶接機からの反射電力が１つのサーキュレータで分離された後に別のサーキュレータを介して別のプラズマ溶接機に給電されると考えられる。
【００１８】
特許文献３に記載のマイクロ波給電システムでは、反射電力を別の負荷に給電するので、１つのプラズマ溶接機からの反射電力がその１つのプラズマ溶接機自身で再利用されることがないため、個々のプラズマ溶接機で見た場合の電力利用効率（＝負荷で消費する電力／電源からの供給電力）が低い。また、特許文献３に記載のマイクロ波給電システムでは、最終段のサーキュレータが無反射終端器に反射電力を捨ててしまうので、システム全体として見た場合の電力利用効率も低い。
【００１９】
一方、反射電力を元の負荷に再度供給しようとした場合、以下のような問題がある。通常、反射電力は電源出力と異なる振幅と位相差とを持ち、さらに前述のように高速に変調をかけた場合はそれらの位相差、振幅も高速に変化することになる。従来技術では任意の位相差、振幅比率の電力を合成しようとした場合、それを無損失で行うことがまず困難であり、さらに、合成後の電力の位相が不確定になる。したがって複数給電や位相変調給電のように成膜特性やその均一性が供給電力の振幅や位相差に敏感な給電手法への適用は困難である。すなわち、電力利用効率を向上することが困難である。
【００２０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力利用効率を向上できる高周波電力供給装置、プラズマ処理装置、及び半導体薄膜の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる高周波電力供給装置は、変動負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給装置であって、高周波電源と、前記高周波電源と前記変動負荷との間に配され、前記変動負荷からの反射電力を分離するサーキュレータと、前記サーキュレータにより分離された反射電力の位相及び振幅を調整する調整部と、前記高周波電源から出力された電力と前記調整部により調整された反射電力とを合成して前記サーキュレータへ出力する電力合成部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、合成の際における電力損失を抑制しながら、変動負荷からの反射電力を元の変動負荷に再度供給することができるので、電力利用効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる高周波電力供給装置の概略図である。
【図２】図２は、実施の形態１におけるプラズマ処理装置の概略図である。
【図３】図３は、実施の形態１におけるローデッドライン型移相器の回路図である。
【図４】図４は、実施の形態１におけるハイブリッド型移相器の回路図である。
【図５】図５は、実施の形態１におけるウィルキンソンカプラの回路図である。
【図６】図６は、実施の形態１における集中定数回路型のウィルキンソンカプラの回路図である。
【図７】図７は、実施の形態２による高周波電力供給装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明にかかる高周波電力供給装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２５】
実施の形態１．
実施の形態１にかかる高周波電力供給装置１００について図１を用いて説明する。図１は、高周波電力供給装置１００の構成を示す図である。
【００２６】
高周波電力供給装置１００は、変動負荷ＦＬに高周波電力を供給する。変動負荷ＦＬは、例えば、プラズマ負荷である。プラズマ負荷は、例えば図２に示すようなプラズマ処理装置２００である。プラズマ処理装置２００は、真空チャンバ２０１、ステージ２０２、電極ブロック２０３、ガス供給ポート２０５、及びシャワープレート２０４を有する。ステージ２０２は、移動可能に構成されている。ガス供給ポート２０５は、電極ブロック２０３に成膜ガスを導入する。シャワープレート２０４は、放電領域２０６に成膜ガスを供給する。ステージ２０２上には、被処理基板２０７（例えば、シリコンウェーハやガラス基板）が載置される。
【００２７】
高周波電力供給装置１００は、例えば、電極ブロック（第１の電極）２０３に接続される。電極ブロック２０３に対向して設置されたステージ（第２の電極）２０２はアース（グランド電位）に接続される。これにより、電極ブロック２０３とステージ２０２との間に高周波電界を形成する。その高周波電界が放電しきい電界を超えると、成膜ガスの解離反応や電離反応が起こり、プラズマが生成する。そして、被処理基板２０７上へプラズマからイオンやラジカルが入射することで成膜が行われる。
【００２８】
次に、高周波電力供給装置１００について詳細に説明する。高周波電力供給装置１００から電極ブロック２０３へ給電する周波数は、高速成膜を実現するためにＲＦ〜ＶＨＦ帯が選定される。大面積の電極ブロック２０３にＶＨＦ帯の高周波電力を供給するには、定在波の影響を少なくするため複数箇所から給電する方式が好適である。例えば、給電箇所の配置や数は装置の大きさや構造により選定されるが、本実施の形態の効果は給電箇所の配置や数に依るものではないため、ここではそれら電極に接続された１つもしくは複数の高周波電力供給装置１００の内の１つについて説明する。
【００２９】
高周波電力供給装置１００は、高周波電源１０４、電力合成器（電力合成部）１０１、サーキュレータ１０２、位相・振幅制御回路（調整部）１０５、及び整合器１０３を備える。位相・振幅制御回路１０５は、方向性結合器（検出部）１１０、反射電力調整器（決定部）１１１、及び波形成形回路（波形成形部）１１２を有する。波形成形回路１１２は、可変移相器１０８及び可変減衰器１０９を有する。
【００３０】
高周波電源１０４の出力は、電力合成器１０１の第１の入力ポート１０１ａに接続され、電力合成器１０１の出力ポート１０１ｃはサーキュレータ１０２の第１のポート１０２ａに接続される。サーキュレータ１０２の第２のポート１０２ｂはサーキュレータ１０２の第１のポート１０２ａからの入力のみを通すようになっており、整合器１０３を通して変動負荷ＦＬに接続されている。またサーキュレータ１０２の第３のポート１０２ｃはサーキュレータ１０２の第２のポート１０２ｂからの入力、すなわち変動負荷ＦＬからの反射電力のみを通すようになっており、方向性結合器１１０に接続されている。方向性結合器１１０は波形成形回路１１２に接続される。波形成形回路１１２では、例えば、可変移相器１０８及び可変減衰器１０９が直列に接続されている。波形成形回路１１２の出力、すなわち位相・振幅制御回路１０５の出力は、電力合成器１０１の第２の入力ポート１０１ｂに接続される。反射電力調整器１１１は、高周波電源１０４、方向性結合器１１０、及び波形成形回路１１２に接続されている。反射電力調整器１１１は、電源出力電力の位相・振幅情報を高周波電源１０４から取得し、反射電力の位相・振幅情報を方向性結合器１１０から取得すると共に、それらに基づき波形成形回路１１２に移相量、減衰量を指示する。
【００３１】
高周波電源１０４は、高周波発振器１０６及び高周波増幅器１０７を有する。電極ブロック２０３における給電点が複数ある場合には、例えば、給電点同士の同期を取るために、１つの高周波発振器の出力を分配してそれぞれの高周波増幅器１０７に入力してもよい。高周波発振器１０６には、ＶＨＦ帯での均一性向上など、プラズマ処理特性の改善のために位相変調システム、パルス変調システム、周波数変調システム、その他各種変調システムを適宜接続してもよい。すなわち、高周波電源１０４は、少なくとも１つの変調機構を有してもよい。これにより、例えば、高周波電源１０４からの電磁波放射（ＥＭＩ）を低減できる。
【００３２】
高周波電源１０４の変動負荷ＦＬへの接続には整合器１０３及びサーキュレータ１０２を用いる。整合器１０３は、例えば変動負荷ＦＬの直近に設置され、銅やアルミなどの抵抗率の小さな金属板によって例えば最短で負荷と接続される。整合器１０３は例えばＬ型、逆Ｌ型、Π型などの受動素子ネットワークを用いて構成されている。整合器１０３の入口に接続された方向性結合器（図示せず）と制御器（図示せず）とにより検出した入／反射電力情報を基に、受動素子ネットワーク内の可変素子の値が設定される。
【００３３】
通常、可変素子の値は反射電力が最小になる、すなわち負荷整合状態になるように決定されるが、本実施の形態では高周波電源１０４の出力電力に対して一定振幅比率の反射電力を必要とするため、あえて不整合状態になるように可変素子の値を決定し、反射電力をある程度確保するように制御することもできる。
【００３４】
高速での変調などにより、整合器１０３の応答が間に合わない場合は反射電力が発生するため、電源保護のためにサーキュレータ１０２を用いて反射電力を分離する。この際用いるのは３ポートのＹ接続型サーキュレータが好適であるが、４ポートなど、他の種類のサーキュレータでも問題ない。
【００３５】
サーキュレータ１０２で分離された反射電力は、反射電力調整器１１１によりその位相及び振幅が調整される。具体的には、サーキュレータ１０２で分離された反射電力は、方向性結合器１１０によってその位相、振幅情報が検出され、その情報に基づき反射電力調整器１１１がフィードバック制御によって移相量（位相の変更量）及び減衰量（振幅の変更量）を決定するとともにその変更の指示を位相・振幅制御回路１０５に送る。
【００３６】
例えば、反射電力調整器１１１は、反射電力の位相及び振幅を、高周波電源１０４の出力電力と同位相かつ一定振幅比率になるよう調整する。すなわち、反射電力調整器１１１は、高周波電源１０４から出力された電力の位相が方向性結合器１１０により検出された反射電力の位相に一致し、かつ、高周波電源１０４から出力された電力の振幅に対する方向性結合器１１０により検出された反射電力の振幅の比率が目標値に一致するように、移相量（位相の変更量）及び減衰量（振幅の変更量）を決定する。
【００３７】
なお、高周波電源１０４が変調機構を有する場合、成膜やエッチングなどのプラズマ処理に用いる負荷では変調信号を基に変動量がある程度予測可能なため、反射電力調整器１１１は、高周波電源１０４の変調機構からの変調信号を基にフィードフォワード制御を行うことも可能である。すなわち、反射電力調整器１１１は、高周波電源１０４の変調信号から予測した反射電力の位相及び振幅に基づいて、フィードフォワード制御を行ってもよい。具体的には、反射電力調整器１１１は、高周波電源１０４から出力された電力の位相が予測した反射電力の位相に一致し、かつ、高周波電源１０４から出力された電力の振幅に対する予測した反射電力の振幅の比率が目標値に一致するように、移相量（位相の変更量）及び減衰量（振幅の変更量）を決定してもよい。これにより、反射電力調整器１１１は、反射電力の位相及び振幅を調整できる。
【００３８】
また、反射電力調整器１１１は、フィードバック制御とフィードフォワード制御との両制御を同時に行ってもよい。
【００３９】
波形成形回路１１２では、上記のように、例えば、可変移相器１０８及び可変減衰器１０９が直列に接続されている。波形成形回路１１２は、反射電力調整器１１１からの指示値に基づいて反射電力の位相、振幅をそれぞれ調整する。すなわち、可変移相器１０８は、移相量の指示を反射電力調整器１１１から受け、移相量の指示に従い、反射電力の移相を行う。可変減衰器１０９は、減衰量の指示を反射電力調整器１１１から受け、減衰量の指示に従い、反射電力の減衰を行う。
【００４０】
図１では反射電力は可変移相器１０８を通ったのちに、可変減衰器１０９を通るように示されているが、これらの順番は逆としてもよい。
【００４１】
可変移相器１０８には、いわゆる透過型のローデッドライン型移相器（図３参照）や、反射型のハイブリッド型移相器（図４参照）を用いることができる。
【００４２】
図３に示す透過型のローデッドライン型移相器は、移相器入力３００と移相器出力３０１との間に伝送線路３０３が接続され、移相器入力３００及び伝送線路３０３を結ぶラインとグランド電位との間に可変コンデンサ３０２ａが接続され、伝送線路３０３及び移相器出力３０１を結ぶラインとグランド電位との間に可変コンデンサ３０２ｂが接続されている。伝送線路３０３の特性インピーダンスは、λ／４（λ：電力信号の波長）であり、例えば、５０Ωである。
【００４３】
図４に示す反射型のハイブリッド型移相器は、移相器入力３００と移相器出力３０１との間に伝送線路３０３ａが接続され、移相器入力３００及び伝送線路３０３ａを結ぶラインとグランド電位との間に伝送線路３０３ｂ及び可変コンデンサ３０２ｃが接続され、伝送線路３０３ａ及び移相器出力３０１を結ぶラインとグランド電位との間に伝送線路３０３ｃ及び可変コンデンサ３０２ｄが接続されている。また、伝送線路３０３ｂ及び可変コンデンサ３０２ｃを接続するノードと伝送線路３０３ｃ及び可変コンデンサ３０２ｄを接続するノードとの間に伝送線路３０３ｄが接続されている。伝送線路３０３ａ及び伝送線路３０３ｄの特性インピーダンスは、ともに、λ／４（λ：電力信号の波長）であり、例えば５０Ωである。伝送線路３０３ｂ及び伝送線路３０３ｃの特性インピーダンスは、ともに、λ／４（λ：電力信号の波長）であり、例えばＺ１である。
【００４４】
また、可変減衰器１０９にはＴ型、Π型ネットワークを用いることができる。
【００４５】
ただし、反射電力が数十％、すなわち数百Ｗから数ｋＷに達している場合、一般に可変容量ダイオードなどの固体素子を用いた可変移相器、可変減衰器は耐圧や熱の問題で構成が困難となる。そのような場合は、後述のウィルキンソンカプラ（図５参照）などの無損失型電力合成器を用いるとよい。
【００４６】
図５に示すウィルキンソンカプラは、合成器入力４０１ａ及び合成器出力４００との間に伝送線路４０３ａが接続され、合成器入力４０１ｂ及び合成器出力４００との間に伝送線路４０３ｂが接続されている。また、伝送線路４０３ａ及び合成器入力４０１ａを接続するノードと伝送線路４０３ｂ及び合成器入力４０１ｂを接続するノードとの間に非平衡吸収抵抗４０２が接続されている。伝送線路４０３ａ及び伝送線路４０３ｂの特性インピーダンスは、ともに、λ／４（λ：電力信号の波長）であり、例えば７０．７Ωである。非平衡吸収抵抗４０２は、例えば、１００Ωである。
【００４７】
なお、ウィルキンソンカプラなどの無損失型電力合成器は入力と出力とを入れ替えて用いると電力分配器としても用いることが可能である。すなわち、図５に示すウィルキンソンカプラにおいて、合成器出力４００、合成器入力４０１ａ、４０１ｂを、それぞれ、分配器入力４００、分配器出力４０１ａ、４０１ｂとする。
【００４８】
この電力分配器により、まず固体素子が使用可能な電力値まで反射電力を分配する。その後分配数に対応した複数の可変移相器、もしくは可変減衰器、もしくは可変移相器と可変減衰器とを備える複数の波形成形サブユニットを用いて移相、減衰を行い、その後再度無損失型電力合成器を用いて合成してもよい。すなわち、波形成形回路１１２は１つの波形成形ユニットを有し、その波形成形ユニットは、反射電力分配器、複数の波形成形サブユニット、及び反射電力合成器を有していても良い。波形成形回路１１２はその波形成形ユニットを複数有していても良い。この波形成形ユニットにより、反射電力が数十％、すなわち数百Ｗから数ｋＷに達している場合でも、反射電力の移相及び減衰を行うことができる。
【００４９】
波形成形ユニットでは、反射電力分配器が、サーキュレータ１０２により分離された反射電力を複数の反射電力に分配する。反射電力分配器は、例えば、ウィルキンソンカプラ（図５参照）などの無損失型電力合成器の入力と出力とを入れ替えたものである。複数の波形成形サブユニットは、反射電力分配器により分配された複数の反射電力に対して移相及び減衰の少なくとも一方を行う。すなわち、各波形成形サブユニットは、上述のような可変移相器及び可変減衰器の少なくとも一方を有していても良い。可変移相器は、例えば、透過型のローデッドライン型移相器（図３参照）又は反射型のハイブリッド型移相器（図４参照）である。反射電力合成器は、複数の波形成形サブユニットから出力された複数の反射電力を合成する。反射電力合成器は、例えば、ウィルキンソンカプラ（図５参照）などの無損失型電力合成器である。なお、波形成形サブユニットにフィルタを備え、高調波などの除去を同時に行ってもよい。
【００５０】
波形成形回路１１２により移相及び減衰が施された反射電力は電力合成器１０１に入力される。また、高周波電源１０４から出力された電力も電力合成器１０１に入力される。そして、電力合成器１０１は、高周波電源１０４の出力電力と反射電力とを合成し、その合成した電力をサーキュレータ１０２及び整合器１０３経由で再度変動負荷ＦＬに供給する。
【００５１】
電力合成器１０１には、ウィルキンソンカプラ（図５参照）やブランチラインカプラなどの無損失型の合成器を使用するのが好ましい。例えば１：１の合成を行う際のウィルキンソンカプラの回路を図５に示す。図５では１：１の合成を図示しているが、１：ｎ（ｎ≠１）の合成となるように回路を構成することも可能である。ウィルキンソンカプラには非平衡吸収抵抗４０２が入っているが、振幅と位相とをそろえて入力すると非平衡吸収抵抗４０２両端での電位が等しくなるため、損失を最小に抑えることが可能である。
【００５２】
なお、ウィルキンソンカプラやブランチラインカプラでは通常λ／４線路が必要なため、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の比較的低い発振周波数では設置面積が大きくなりがちである。そのため、図６に示す集中定数回路型のものを用いてもよい。この場合、設置面積を大幅に小さくすることができる。
【００５３】
図６に示す集中定数回路型のウィルキンソンカプラは、合成器入力４０１ａ及び合成器出力４００との間にインダクタ４０３ａ１が接続され、合成器入力４０１ｂ及び合成器出力４００との間にインダクタ４０３ｂ１が接続されている。また、インダクタ４０３ａ１、インダクタ４０３ｂ１、及び合成器出力４００を接続するラインとグランド電位との間にコンデンサ４０３ｃが接続され、インダクタ４０３ａ１及び合成器入力４０１ａを接続するラインとグランド電位との間にコンデンサ４０３ａ２が接続され、インダクタ４０３ｂ１及び合成器入力４０１ｂを接続するラインとグランド電位との間にコンデンサ４０３ｂ２が接続されている。また、インダクタ４０３ａ１、コンデンサ４０３ａ２、及び合成器入力４０１ａを接続するノードとインダクタ４０３ｂ１、コンデンサ４０３ｂ２、及び合成器入力４０１ｂを接続するノードとの間に非平衡吸収抵抗４０２が接続されている。インダクタ４０３ａ１及びインダクタ４０３ｂ１のインダクタンスは、ともに、例えば１８７．６ｎＨである。コンデンサ４０３ａ２及びコンデンサ４０３ｂ２の容量は、ともに、例えば３７．５ｐＦである。コンデンサ４０３ｃの容量は、例えば７０．５ｐＦである。非平衡吸収抵抗４０２は、例えば、１００Ωである。
【００５４】
以上のように、実施の形態１では、サーキュレータ１０２が反射電力を分離し、位相・振幅調整回路が、その分離された反射電力の位相及び振幅を調整し、電力合成部が、その調整された反射電力と高周波電源１０４からの出力電力とを合成してサーキュレータ１０２へ入力する。これにより、合成の際における電力損失を抑制しながら、変動負荷からの反射電力を元の変動負荷に再度供給することができるので、電力利用効率（＝負荷で消費する電力／電源からの供給電力）を向上できる。
【００５５】
特に成膜均一性を高めるために変調をかけると反射電力が数十％にも及ぶという実験結果が出ている一方で、微結晶シリコンなどの成膜では数十ｋＷクラスの電力を用いることもあるため、このような電力利用効率の向上技術は産業上非常に有用なものである。
【００５６】
具体的には、反射電力調整器１１１が、サーキュレータ１０２により分離された反射電力に対する位相及び振幅の変更量を決定し、波形成形回路１１２が、反射電力調整器１１１により決定された位相及び振幅の変更量に従って、サーキュレータ１０２により分離された反射電力の位相及び振幅を変更する。これにより、反射電力の位相及び振幅を調整できる。
【００５７】
より具体的には、方向性結合器１１０が、サーキュレータ１０２により分離された反射電力の位相及び振幅を検出し、反射電力調整器１１１が、高周波電源１０４から出力された電力の位相及び振幅と方向性結合器１１０により検出された反射電力の位相及び振幅とに基づいて、フィードバック制御を行う。これにより、反射電力の位相及び振幅を調整できる。
【００５８】
さらに具体的には、反射電力調整器１１１が、高周波電源１０４から出力された電力の位相が方向性結合器１１０により検出された反射電力の位相に一致し、かつ、高周波電源１０４から出力された電力の振幅に対する方向性結合器１１０により検出された反射電力の振幅の比率が目標値に一致するように、位相及び振幅の変更量を決定する。これにより、反射電力調整器１１１は、フィードバック制御を行うことができる。
【００５９】
また、実施の形態１では、サーキュレータ１０２と変動負荷ＦＬとの間に配された整合器１０３が、電力合成器１０１が動作可能となる反射電力が変動負荷ＦＬからサーキュレータ１０２へ供給されるような整合条件を有している。これにより、負荷整合となり反射が無くなることのないように、すなわち不整合となるようにあえて整合条件をずらして常に電力合成器１０１が動作できる量の電力を反射させることができる。
【００６０】
実施の形態２．
実施の形態２にかかる高周波電力供給装置６００について図７を用いて説明する。図７は、高周波電力供給装置６００の構成を示す図である。以下では、実施の形態１との相違点を中心に説明を行う。
【００６１】
高周波電力供給装置６００は、未知の変動負荷ＦＬに給電するときに主として用いられる構成として、スイッチ６０２ａ、抵抗負荷６０１、及びスイッチ６０２ｂをさらに備える。
【００６２】
スイッチ６０２ａは、高周波電源１０４の出力の接続を電力合成器１０１の第１の入力ポート１０１ａと、サーキュレータ１０２の第１のポート１０２ａとに切り替えられるように配置されている。すなわち、スイッチ６０２ａは、高周波電源１０４が電力合成器１０１に接続された第１の状態と高周波電源１０４がサーキュレータ１０２に接続された第２の状態とを切り替える。
【００６３】
抵抗負荷６０１は、方向性結合器１１０とグランド電位との間に配されている。例えば、スイッチ６０２ｂとグランド電位との間に接続されている。
【００６４】
スイッチ６０２ｂは、方向性結合器１１０の出力の接続を波形成形回路１１２と、抵抗負荷６０１とに切り替えられるよう配置されている。すなわち、スイッチ６０２ｂは、方向性結合器１１０が波形成形回路１１２に接続された第３の状態と方向性結合器１１０が抵抗負荷６０１に接続された第４の状態とを切り替える。
【００６５】
例えば、図１の構成で未知の変動負荷ＦＬに給電を行う際、給電直後は高周波電力供給装置１００内の制御パラメータも未知のため、反射電力の移相量、減衰量の制御が発散する可能性がある。また高周波電源１０４の出力電力と反射電力の振幅比率が所望の値に満たない可能性があり、このような場合では電力合成器１０１が過負荷状態になり損傷する恐れがある。
【００６６】
そこで、本実施の形態では、未知の変動負荷ＦＬに給電を行う際は、まずスイッチ６０２ａにより高周波電源１０４の出力をサーキュレータ１０２の第１のポート１０２ａに直結し、かつスイッチ６０２ｂにより方向性結合器１１０の出力を抵抗負荷６０１に接続する。これにより、高周波電力供給装置６００は、反射電力を抵抗負荷６０１に捨てる構成となる。この構成において反射電力の振幅、位相について情報を取得し、反射電力調整器１１１、および整合器１０３を制御する図示しない制御器の制御パラメータをそれぞれ適切に設定する。
【００６７】
その後、スイッチ６０２ａにより高周波電源１０４の出力を電力合成器１０１の第１の入力ポート１０１ａに接続し、かつスイッチ６０２ｂにより方向性結合器１１０の出力を波形成形回路１１２に接続する。これにより、高周波電力供給装置６００は、実施の形態１で示す反射電力を変動負荷ＦＬに再度供給する構成と同様の構成になる。
【００６８】
このように、実施の形態２では、反射電力調整器１１１、および整合器１０３を制御する図示しない制御器の制御パラメータは適切に設定された状態で実施の形態１と同様の構成に切り替えて動作させるため、電力合成器１０１の損傷などの不具合を回避することができる。
【００６９】
なお、方向性結合器１１０により検出された結果に基づいて、図示しない制御器により、反射電力が閾値より小さいと判断された場合は、スイッチ６０２ａにより高周波電源１０４の出力をサーキュレータ１０２の第１のポート１０２ａに直結し、かつスイッチ６０２ｂにより方向性結合器１１０の出力を抵抗負荷６０１に接続し、反射電力を抵抗負荷６０１に捨てる構成のまま使用することもできる。また、方向性結合器１１０により検出された結果に基づいて、図示しない制御器により、反射電力が閾値より大きいと判断された場合は、上記の実施の形態２と同様に動作するようにしてもよい。
【００７０】
実施の形態３．
本実施の形態では、図１に示す高周波電力供給装置１００を図２に示すプラズマ処理装置２００に接続し、シランガス（ＳｉＨ４）と水素ガス（Ｈ２）との混合プラズマを発生させ、ガラス基板上に微結晶シリコン膜を堆積させた例について説明する。
【００７１】
被処理基板上にシリコン薄膜を成膜するには、例えば、シリコン源としてモノシラン（ＳｉＨ４）ガス、キャリアガスとして水素（Ｈ２）ガスを用い、それらを混合したガスを成膜ガスとして用いる。成膜ガスはガス供給ポート２０５を通して電極ブロック２０３内部に供給され、シャワープレート２０４に構成した多数のアパーチャを通して対向するステージ２０２間の放電領域２０６へと導入される。電極ブロック２０３には高周波電力が供給されており、放電領域２０６中の成膜ガスは高周波電力により分解され、高周波プラズマを生じる。この過程でＳｉＨ３、ＳｉＨ２、ＳｉＨ、Ｓｉ、Ｈなどの活性種が生成され、これらの活性種が被処理基板２０７に入射し、被処理基板２０７表面上に非晶質あるいは微結晶のシリコンを形成する。高周波プラズマを一定時間継続した結果として、被処理基板２０７上に非晶質あるいは微結晶質のシリコン薄膜が成膜される。
【００７２】
以下、図１に示す高周波電力供給装置を図２に示すプラズマ処理装置に接続し、シランガス（ＳｉＨ４）と水素ガス（Ｈ２）との混合ガスで高周波プラズマを発生させ、ガラス基板上に微結晶シリコン膜を堆積させた実験について説明する。
【００７３】
真空排気した真空チャンバ２０１内のステージ２０２に被処理基板２０７として１４００ｍｍ×１１００ｍｍのガラス基板（厚み：４ｍｍ）を設置し、ステージ２０２に内蔵されている図示されないシースヒータを用いて２００℃に加熱した。次に、電極ブロック２０３と被処理基板２０７との間隔が５ｍｍになるようにステージ２０２の高さ位置を設定した。この状態で、電極ブロック２０３のガス供給ポート２０５にＳｉＨ４ガスとＨ２ガスをそれぞれ１ｓｌｍと５０ｓｌｍの流量で供給し、放電領域２０６内のガス圧力が１０００Ｐａとなるよう排気速度を調整した。ガス圧力が安定した後、電極ブロック２０３側に前記高周波電力供給装置１００を接続してＳｉＨ４／Ｈ２混合プラズマを発生させ、高周波電力を平均２０ｋＷ給電した状態で２０分間成膜を行った。成膜特性の均一化のために１０ｋＨｚの変調周波数で位相変調をかけて成膜を行ったところ、上記の条件で膜厚１μｍのシリコン薄膜を成膜すると、約３０％の反射電力を抵抗負荷で消費していたため、電力利用効率は時間平均で約７０％であった。
【００７４】
一方、図１に示す装置を用いて同条件で成膜を行ったところ、今回は高周波電源の出力電力：反射電力＝４：１で合成するため、実効的には高周波電源の出力電力の１２５％を負荷に供給することになる。したがって電力反射率が３０％のため、電力利用効率は１２５×（１−０．３）＝８７．５％に向上した。作製した薄膜を太陽電池に利用することを想定して、ラマン分光法によって結晶シリコンの形成比率を調査したところ十分なピーク強度比率が得られ、形成比率の面内均一性も実用範囲内であることを確認することが出来た。このことから、実用的な基板サイズにおいても、特性の優れたシリコン膜の成膜が可能であるとの結論を得た。
【００７５】
本実施の形態では、ガス流量、圧力、高周波電力等のパラメータに関して数値を示しているが、これらの数値は適宜変更可能である。また、シリコン薄膜形成のための成膜ガスとしてＳｉＨ４とＨ２の混合ガスの場合について説明したが、さらに、Ａｒ、Ｎｅ等の希ガスを添加させてもよい。その他、プロセスの目的に応じて適切なガス種が選択される。
【００７６】
なお、本発明のプラズマ処理装置はプラズマエッチング装置、アッシング装置、スパッタリング装置、イオン注入装置などにも適用することが出来る。
【００７７】
また、上記では横型の装置について説明を行ったが、この発明のプラズマ処理装置は縦型にも適用可能である。どちらの型にするかは当該プラズマ装置の用途等に応じて適宜選択が可能である。この発明については、上述した以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明にかかる高周波電力供給装置、プラズマ処理装置、及び半導体薄膜の製造方法は、半導体薄膜の成膜に有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１００ 高周波電力供給装置
１０１ 電力合成器
１０２ サーキュレータ
１０３ 整合器
１０４ 高周波電源
１０５ 位相・振幅制御回路
１０６ 高周波発振器
１０７ 高周波増幅器
１０８ 可変移相器
１０９ 可変減衰器
１１０ 方向性結合器
１１１ 反射電力調整器
１１２ 波形成形回路
２００ プラズマ処理装置
２０１ 真空チャンバ
２０２ ステージ
２０３ 電極ブロック
２０４ シャワープレート
２０５ ガス供給ポート
２０６ 放電領域
２０７ 被処理基板
３００ 移相器入力
３０１ 移相器出力
３０２ａ、３０２ｂ 可変コンデンサ
３０３、３０３ａ〜３０３ｄ 伝送線路
４００ 合成器出力／分配器入力
４０１ａ、４０１ｂ 合成器入力／分配器出力
４０２ 非平衡吸収抵抗
４０３ａ、４０３ｂ 伝送線路
４０３ａ１、４０３ｂ１ インダクタ
４０３ａ２、４０３ｂ２、４０３ｃ コンデンサ
６００ 高周波電力供給装置
６０１ 抵抗負荷
６０２ スイッチ
ＦＬ 変動負荷
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電力供給装置、プラズマ処理装置、及び半導体薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置は、アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜等の薄膜を基板上に成膜するための装置として広く用いられている。今日では、薄膜シリコン太陽電池の発電層やフラットディスプレイパネルに用いられる薄膜トランジスタのような大面積の薄膜を高速で一時に成膜することができるプラズマ処理装置も開発されている。大面積のシリコン薄膜を成膜するには、平行平板型プラズマ処理装置を使用するのが一般的である。以下、平行平板型プラズマ処理装置について中心的に説明を行う。
【０００３】
平行平板型プラズマ処理装置は、真空チャンバ内において数ｍｍから数十ｍｍの距離を隔てて対向している第１の電極と第２の電極とを有する。通常、これらの電極は水平面内に設置され、第１の電極に高周波電力を供給し、第２の電極は接地されている。シリコン薄膜を成膜する場合、シラン（ＳｉＨ４）や水素（Ｈ２）等の成膜ガスを、第１の電極に形成された多数のアパーチャを通して放電領域となる電極間のギャップに供給する。放電領域に供給されたガスは高周波電力によってプラズマ化する。成膜ガスはプラズマ中で分解され、ラジカルやイオンとなって被成膜基板へと入射し、基板上にシリコン膜を形成する。一般に、接地されている側となる第２の電極がステージとして用いられ、ステージ上に被成膜基板が載置される。
【０００４】
近年、成膜品質や成膜速度向上といったニーズに応えるため、従来一般的であった１３．５６ＭＨｚよりも周波数の高いＶＨＦ（Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の高周波電力を用いて生成したＶＨＦプラズマを成膜に用いることが盛んに研究されている。ＶＨＦプラズマは高密度、低電子温度であるため、上記のニーズに対する解として、期待が持たれている。
【０００５】
しかしながら、高周波電力の周波数の増加により、電極面内で高周波電力が干渉を起こし、定在波を形成することで電界強度分布が不均一になり、その結果、プラズマ密度が不均一となり、最終的に成膜速度や膜質そのものが不均一になってしまう傾向にある。一般に電極サイズは使用する高周波電力の波長λの１／１０以下であることが望ましいとされおり、例えば１３．５６ＭＨｚの場合、電極サイズは２ｍ強まで、ＶＨＦ帯、例えば６０ＭＨｚでは５０ｃｍ程度が限界となる。
【０００６】
ここで成膜特性、例えば膜厚分布のばらつきは、太陽電池分野では再現性を確保して、±１０％程度を達成することが実用化の一つの指標となっている。従来のＶＨＦプラズマ技術では、例えばアモルファスシリコン膜の成膜速度の場合、基板面積５０ｃｍ×５０ｃｍ程度で±１０〜１５％程度と、小面積基板でかろうじて満たしている状況であり、１００ｃｍ×１００ｃｍ程度に至っては±２０〜４０％程度と、上記指標に達していない。
【０００７】
定在波の形成は波の干渉という基本的な物理現象に起因しているため根本的な解決が非常に困難である。したがって次善の策として、従来技術の多くは定在波の形成そのものは許容し、その分布を時間的に制御することにより時間平均として均一なプラズマの生成、ひいては成膜を行うという指針をとっている。
【０００８】
特許文献１には、プラズマＣＶＤ装置において、方形電極の互いに対向した２つの辺から供給される電力の電圧の位相差を時間的に変化させ、２台のパルス変調可能な２出力の高周波電源から時間的に分離されたパルス電力を供給することが記載されている。これにより、特許文献１によれば、腹の位置が該第１及び第２の給電点の位置に合致した第１の定在波と、節の位置が該第１及び第２の給電点の位置に合致した第２の定在波とを時間的に交互に発生させ、時間平均的にプラズマを均一化できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４０２２６７０号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８２６８３号公報
【特許文献３】特開２０００−１３８５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、低電子温度で高密度なプラズマが生成可能なＶＨＦ帯の高周波電力を用いて成膜を行うことは、膜質向上と高速成膜をともに解決できる技術として近年実用化研究が盛んに行われている。しかしながら定在波の形成による成膜均一性の悪化のため、従来技術の多くは定在波の分布を時間的に制御することにより時間平均として均一なプラズマの生成、ひいては成膜を行うという指針をとっている。
【００１１】
したがって、電極面内にはプロセスの時間進展にともなって分布の異なるプラズマ、つまり分布の異なる負荷が形成されるため、従来の整合方式では反射電力が高くなることが多い。一般にプラズマに代表される変動負荷の整合にはＬ型、逆Ｌ型、Π型などの受動素子ネットワークが用いられることが多い。このネットワーク内において整合条件を制御するための可変素子、例えば可変キャパシタなどは、プラズマ生成に必要な電力を許容するために機械式の物が多く用いられており、応答速度が概ね数十ｍｓｅｃ〜数ｓｅｃと遅い。このような応答速度を許容できるような変調速度であれば常に整合を取ることができるために反射電力を低く抑えることが可能である。
【００１２】
しかしながら、通常成膜プロセスからの要請により変調速度は数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚに設定される。この場合、変調速度が可変素子の応答速度を大幅に上回るため、可変素子の値、つまり負荷の整合条件は時間平均で反射電力が小さくなるような所で落ち着くと予想される。
【００１３】
そこで、本発明者が実際に特許文献１に示されているような定在波の腹と節とが逆転する分布を１ｋＨｚで切り替えるように高周波電力を変調してプラズマを生成する実験を行ったところ、時間平均の反射電力は供給電力の約３０％と、非常に大きな値で落ち着く結果となった。
【００１４】
このように反射電力が大きくなると、負荷への電力供給効率が下がるだけでなく、電源の保護という面でも問題が発生する。そこで、サーキュレータと抵抗負荷とを組み合わせたアイソレータを用いて電源を反射電力から保護するシステムが必要となる。
【００１５】
特許文献２には、ＶＨＦプラズマ処理システムにおいて、サーキュレータの第１のポートが電力増幅器に接続され、サーキュレータの第２のポートがプラズマ負荷側に接続され、サーキュレータの第３のポートが終端抵抗器を介して接地電位に接続されている。これにより、特許文献２によれば、プラズマインピーダンスが引き起こす反射電力を分離して終端抵抗器に加わるようにするので、システムの安定性を向上できるとされている。
【００１６】
しかしながら、このようにサーキュレータと抵抗負荷とを用いると、抵抗負荷において反射電力を熱として捨てていることになるため、システムトータルで見た電力利用効率が著しく低下する。例えば前述の実験のように約３０％の反射電力が発生していると、微結晶シリコンの成膜プロセスなどのように数十ｋＷクラスの電力を用いる場合では数ｋＷ〜１０ｋＷの電力が無駄になる。
【００１７】
特許文献３には、１つの電源と複数のプラズマ溶接機との間に複数のサーキュレータが接続されたマイクロ波給電システムが記載されている。このマイクロ波給電システムでは、１つのプラズマ溶接機からの反射電力が１つのサーキュレータで分離された後に別のサーキュレータを介して別のプラズマ溶接機に給電されると考えられる。
【００１８】
特許文献３に記載のマイクロ波給電システムでは、反射電力を別の負荷に給電するので、１つのプラズマ溶接機からの反射電力がその１つのプラズマ溶接機自身で再利用されることがないため、個々のプラズマ溶接機で見た場合の電力利用効率（＝負荷で消費する電力／電源からの供給電力）が低い。また、特許文献３に記載のマイクロ波給電システムでは、最終段のサーキュレータが無反射終端器に反射電力を捨ててしまうので、システム全体として見た場合の電力利用効率も低い。
【００１９】
一方、反射電力を元の負荷に再度供給しようとした場合、以下のような問題がある。通常、反射電力は電源出力と異なる振幅と位相差とを持ち、さらに前述のように高速に変調をかけた場合はそれらの位相差、振幅も高速に変化することになる。従来技術では任意の位相差、振幅比率の電力を合成しようとした場合、それを無損失で行うことがまず困難であり、さらに、合成後の電力の位相が不確定になる。したがって複数給電や位相変調給電のように成膜特性やその均一性が供給電力の振幅や位相差に敏感な給電手法への適用は困難である。すなわち、電力利用効率を向上することが困難である。
【００２０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力利用効率を向上できる高周波電力供給装置、プラズマ処理装置、及び半導体薄膜の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる高周波電力供給装置は、変動負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給装置であって、高周波電源と、前記高周波電源と前記変動負荷との間に配され、前記変動負荷からの反射電力を分離するサーキュレータと、前記サーキュレータにより分離された反射電力の位相及び振幅を調整する調整部と、前記高周波電源から出力された電力と前記調整部により調整された反射電力とを合成して前記サーキュレータへ出力する電力合成部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、合成の際における電力損失を抑制しながら、変動負荷からの反射電力を元の変動負荷に再度供給することができるので、電力利用効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる高周波電力供給装置の概略図である。
【図２】図２は、実施の形態１におけるプラズマ処理装置の概略図である。
【図３】図３は、実施の形態１におけるローデッドライン型移相器の回路図である。
【図４】図４は、実施の形態１におけるハイブリッド型移相器の回路図である。
【図５】図５は、実施の形態１におけるウィルキンソンカプラの回路図である。
【図６】図６は、実施の形態１における集中定数回路型のウィルキンソンカプラの回路図である。
【図７】図７は、実施の形態２による高周波電力供給装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明にかかる高周波電力供給装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２５】
実施の形態１．
実施の形態１にかかる高周波電力供給装置１００について図１を用いて説明する。図１は、高周波電力供給装置１００の構成を示す図である。
【００２６】
高周波電力供給装置１００は、変動負荷ＦＬに高周波電力を供給する。変動負荷ＦＬは、例えば、プラズマ負荷である。プラズマ負荷は、例えば図２に示すようなプラズマ処理装置２００である。プラズマ処理装置２００は、真空チャンバ２０１、ステージ２０２、電極ブロック２０３、ガス供給ポート２０５、及びシャワープレート２０４を有する。ステージ２０２は、移動可能に構成されている。ガス供給ポート２０５は、電極ブロック２０３に成膜ガスを導入する。シャワープレート２０４は、放電領域２０６に成膜ガスを供給する。ステージ２０２上には、被処理基板２０７（例えば、シリコンウェーハやガラス基板）が載置される。
【００２７】
高周波電力供給装置１００は、例えば、電極ブロック（第１の電極）２０３に接続される。電極ブロック２０３に対向して設置されたステージ（第２の電極）２０２はアース（グランド電位）に接続される。これにより、電極ブロック２０３とステージ２０２との間に高周波電界を形成する。その高周波電界が放電しきい電界を超えると、成膜ガスの解離反応や電離反応が起こり、プラズマが生成する。そして、被処理基板２０７上へプラズマからイオンやラジカルが入射することで成膜が行われる。
【００２８】
次に、高周波電力供給装置１００について詳細に説明する。高周波電力供給装置１００から電極ブロック２０３へ給電する周波数は、高速成膜を実現するためにＲＦ〜ＶＨＦ帯が選定される。大面積の電極ブロック２０３にＶＨＦ帯の高周波電力を供給するには、定在波の影響を少なくするため複数箇所から給電する方式が好適である。例えば、給電箇所の配置や数は装置の大きさや構造により選定されるが、本実施の形態の効果は給電箇所の配置や数に依るものではないため、ここではそれら電極に接続された１つもしくは複数の高周波電力供給装置１００の内の１つについて説明する。
【００２９】
高周波電力供給装置１００は、高周波電源１０４、電力合成器（電力合成部）１０１、サーキュレータ１０２、位相・振幅制御回路（調整部）１０５、及び整合器１０３を備える。位相・振幅制御回路１０５は、方向性結合器（検出部）１１０、反射電力調整器（決定部）１１１、及び波形成形回路（波形成形部）１１２を有する。波形成形回路１１２は、可変移相器１０８及び可変減衰器１０９を有する。
【００３０】
高周波電源１０４の出力は、電力合成器１０１の第１の入力ポート１０１ａに接続され、電力合成器１０１の出力ポート１０１ｃはサーキュレータ１０２の第１のポート１０２ａに接続される。サーキュレータ１０２の第２のポート１０２ｂはサーキュレータ１０２の第１のポート１０２ａからの入力のみを通すようになっており、整合器１０３を通して変動負荷ＦＬに接続されている。またサーキュレータ１０２の第３のポート１０２ｃはサーキュレータ１０２の第２のポート１０２ｂからの入力、すなわち変動負荷ＦＬからの反射電力のみを通すようになっており、方向性結合器１１０に接続されている。方向性結合器１１０は波形成形回路１１２に接続される。波形成形回路１１２では、例えば、可変移相器１０８及び可変減衰器１０９が直列に接続されている。波形成形回路１１２の出力、すなわち位相・振幅制御回路１０５の出力は、電力合成器１０１の第２の入力ポート１０１ｂに接続される。反射電力調整器１１１は、高周波電源１０４、方向性結合器１１０、及び波形成形回路１１２に接続されている。反射電力調整器１１１は、電源出力電力の位相・振幅情報を高周波電源１０４から取得し、反射電力の位相・振幅情報を方向性結合器１１０から取得すると共に、それらに基づき波形成形回路１１２に移相量、減衰量を指示する。
【００３１】
高周波電源１０４は、高周波発振器１０６及び高周波増幅器１０７を有する。電極ブロック２０３における給電点が複数ある場合には、例えば、給電点同士の同期を取るために、１つの高周波発振器の出力を分配してそれぞれの高周波増幅器１０７に入力してもよい。高周波発振器１０６には、ＶＨＦ帯での均一性向上など、プラズマ処理特性の改善のために位相変調システム、パルス変調システム、周波数変調システム、その他各種変調システムを適宜接続してもよい。すなわち、高周波電源１０４は、少なくとも１つの変調機構を有してもよい。これにより、例えば、高周波電源１０４からの電磁波放射（ＥＭＩ）を低減できる。
【００３２】
高周波電源１０４の変動負荷ＦＬへの接続には整合器１０３及びサーキュレータ１０２を用いる。整合器１０３は、例えば変動負荷ＦＬの直近に設置され、銅やアルミなどの抵抗率の小さな金属板によって例えば最短で負荷と接続される。整合器１０３は例えばＬ型、逆Ｌ型、Π型などの受動素子ネットワークを用いて構成されている。整合器１０３の入口に接続された方向性結合器（図示せず）と制御器（図示せず）とにより検出した入／反射電力情報を基に、受動素子ネットワーク内の可変素子の値が設定される。
【００３３】
通常、可変素子の値は反射電力が最小になる、すなわち負荷整合状態になるように決定されるが、本実施の形態では高周波電源１０４の出力電力に対して一定振幅比率の反射電力を必要とするため、あえて不整合状態になるように可変素子の値を決定し、反射電力をある程度確保するように制御することもできる。
【００３４】
高速での変調などにより、整合器１０３の応答が間に合わない場合は反射電力が発生するため、電源保護のためにサーキュレータ１０２を用いて反射電力を分離する。この際用いるのは３ポートのＹ接続型サーキュレータが好適であるが、４ポートなど、他の種類のサーキュレータでも問題ない。
【００３５】
サーキュレータ１０２で分離された反射電力は、反射電力調整器１１１によりその位相及び振幅が調整される。具体的には、サーキュレータ１０２で分離された反射電力は、方向性結合器１１０によってその位相、振幅情報が検出され、その情報に基づき反射電力調整器１１１がフィードバック制御によって移相量（位相の変更量）及び減衰量（振幅の変更量）を決定するとともにその変更の指示を位相・振幅制御回路１０５に送る。
【００３６】
例えば、反射電力調整器１１１は、反射電力の位相及び振幅を、高周波電源１０４の出力電力と同位相かつ一定振幅比率になるよう調整する。すなわち、反射電力調整器１１１は、高周波電源１０４から出力された電力の位相が方向性結合器１１０により検出された反射電力の位相に一致し、かつ、高周波電源１０４から出力された電力の振幅に対する方向性結合器１１０により検出された反射電力の振幅の比率が目標値に一致するように、移相量（位相の変更量）及び減衰量（振幅の変更量）を決定する。
【００３７】
なお、高周波電源１０４が変調機構を有する場合、成膜やエッチングなどのプラズマ処理に用いる負荷では変調信号を基に変動量がある程度予測可能なため、反射電力調整器１１１は、高周波電源１０４の変調機構からの変調信号を基にフィードフォワード制御を行うことも可能である。すなわち、反射電力調整器１１１は、高周波電源１０４の変調信号から予測した反射電力の位相及び振幅に基づいて、フィードフォワード制御を行ってもよい。具体的には、反射電力調整器１１１は、高周波電源１０４から出力された電力の位相が予測した反射電力の位相に一致し、かつ、高周波電源１０４から出力された電力の振幅に対する予測した反射電力の振幅の比率が目標値に一致するように、移相量（位相の変更量）及び減衰量（振幅の変更量）を決定してもよい。これにより、反射電力調整器１１１は、反射電力の位相及び振幅を調整できる。
【００３８】
また、反射電力調整器１１１は、フィードバック制御とフィードフォワード制御との両制御を同時に行ってもよい。
【００３９】
波形成形回路１１２では、上記のように、例えば、可変移相器１０８及び可変減衰器１０９が直列に接続されている。波形成形回路１１２は、反射電力調整器１１１からの指示値に基づいて反射電力の位相、振幅をそれぞれ調整する。すなわち、可変移相器１０８は、移相量の指示を反射電力調整器１１１から受け、移相量の指示に従い、反射電力の移相を行う。可変減衰器１０９は、減衰量の指示を反射電力調整器１１１から受け、減衰量の指示に従い、反射電力の減衰を行う。
【００４０】
図１では反射電力は可変移相器１０８を通ったのちに、可変減衰器１０９を通るように示されているが、これらの順番は逆としてもよい。
【００４１】
可変移相器１０８には、いわゆる透過型のローデッドライン型移相器（図３参照）や、反射型のハイブリッド型移相器（図４参照）を用いることができる。
【００４２】
図３に示す透過型のローデッドライン型移相器は、移相器入力３００と移相器出力３０１との間に伝送線路３０３が接続され、移相器入力３００及び伝送線路３０３を結ぶラインとグランド電位との間に可変コンデンサ３０２ａが接続され、伝送線路３０３及び移相器出力３０１を結ぶラインとグランド電位との間に可変コンデンサ３０２ｂが接続されている。伝送線路３０３の特性インピーダンスは、λ／４（λ：電力信号の波長）であり、例えば、５０Ωである。
【００４３】
図４に示す反射型のハイブリッド型移相器は、移相器入力３００と移相器出力３０１との間に伝送線路３０３ａが接続され、移相器入力３００及び伝送線路３０３ａを結ぶラインとグランド電位との間に伝送線路３０３ｂ及び可変コンデンサ３０２ｃが接続され、伝送線路３０３ａ及び移相器出力３０１を結ぶラインとグランド電位との間に伝送線路３０３ｃ及び可変コンデンサ３０２ｄが接続されている。また、伝送線路３０３ｂ及び可変コンデンサ３０２ｃを接続するノードと伝送線路３０３ｃ及び可変コンデンサ３０２ｄを接続するノードとの間に伝送線路３０３ｄが接続されている。伝送線路３０３ａ及び伝送線路３０３ｄの特性インピーダンスは、ともに、λ／４（λ：電力信号の波長）であり、例えば５０Ωである。伝送線路３０３ｂ及び伝送線路３０３ｃの特性インピーダンスは、ともに、λ／４（λ：電力信号の波長）であり、例えばＺ１である。
【００４４】
また、可変減衰器１０９にはＴ型、Π型ネットワークを用いることができる。
【００４５】
ただし、反射電力が数十％、すなわち数百Ｗから数ｋＷに達している場合、一般に可変容量ダイオードなどの固体素子を用いた可変移相器、可変減衰器は耐圧や熱の問題で構成が困難となる。そのような場合は、後述のウィルキンソンカプラ（図５参照）などの無損失型電力合成器を用いるとよい。
【００４６】
図５に示すウィルキンソンカプラは、合成器入力４０１ａ及び合成器出力４００との間に伝送線路４０３ａが接続され、合成器入力４０１ｂ及び合成器出力４００との間に伝送線路４０３ｂが接続されている。また、伝送線路４０３ａ及び合成器入力４０１ａを接続するノードと伝送線路４０３ｂ及び合成器入力４０１ｂを接続するノードとの間に非平衡吸収抵抗４０２が接続されている。伝送線路４０３ａ及び伝送線路４０３ｂの特性インピーダンスは、ともに、λ／４（λ：電力信号の波長）であり、例えば７０．７Ωである。非平衡吸収抵抗４０２は、例えば、１００Ωである。
【００４７】
なお、ウィルキンソンカプラなどの無損失型電力合成器は入力と出力とを入れ替えて用いると電力分配器としても用いることが可能である。すなわち、図５に示すウィルキンソンカプラにおいて、合成器出力４００、合成器入力４０１ａ、４０１ｂを、それぞれ、分配器入力４００、分配器出力４０１ａ、４０１ｂとする。
【００４８】
この電力分配器により、まず固体素子が使用可能な電力値まで反射電力を分配する。その後分配数に対応した複数の可変移相器、もしくは可変減衰器、もしくは可変移相器と可変減衰器とを備える複数の波形成形サブユニットを用いて移相、減衰を行い、その後再度無損失型電力合成器を用いて合成してもよい。すなわち、波形成形回路１１２は１つの波形成形ユニットを有し、その波形成形ユニットは、反射電力分配器、複数の波形成形サブユニット、及び反射電力合成器を有していても良い。波形成形回路１１２はその波形成形ユニットを複数有していても良い。この波形成形ユニットにより、反射電力が数十％、すなわち数百Ｗから数ｋＷに達している場合でも、反射電力の移相及び減衰を行うことができる。
【００４９】
波形成形ユニットでは、反射電力分配器が、サーキュレータ１０２により分離された反射電力を複数の反射電力に分配する。反射電力分配器は、例えば、ウィルキンソンカプラ（図５参照）などの無損失型電力合成器の入力と出力とを入れ替えたものである。複数の波形成形サブユニットは、反射電力分配器により分配された複数の反射電力に対して移相及び減衰の少なくとも一方を行う。すなわち、各波形成形サブユニットは、上述のような可変移相器及び可変減衰器の少なくとも一方を有していても良い。可変移相器は、例えば、透過型のローデッドライン型移相器（図３参照）又は反射型のハイブリッド型移相器（図４参照）である。反射電力合成器は、複数の波形成形サブユニットから出力された複数の反射電力を合成する。反射電力合成器は、例えば、ウィルキンソンカプラ（図５参照）などの無損失型電力合成器である。なお、波形成形サブユニットにフィルタを備え、高調波などの除去を同時に行ってもよい。
【００５０】
波形成形回路１１２により移相及び減衰が施された反射電力は電力合成器１０１に入力される。また、高周波電源１０４から出力された電力も電力合成器１０１に入力される。そして、電力合成器１０１は、高周波電源１０４の出力電力と反射電力とを合成し、その合成した電力をサーキュレータ１０２及び整合器１０３経由で再度変動負荷ＦＬに供給する。
【００５１】
電力合成器１０１には、ウィルキンソンカプラ（図５参照）やブランチラインカプラなどの無損失型の合成器を使用するのが好ましい。例えば１：１の合成を行う際のウィルキンソンカプラの回路を図５に示す。図５では１：１の合成を図示しているが、１：ｎ（ｎ≠１）の合成となるように回路を構成することも可能である。ウィルキンソンカプラには非平衡吸収抵抗４０２が入っているが、振幅と位相とをそろえて入力すると非平衡吸収抵抗４０２両端での電位が等しくなるため、損失を最小に抑えることが可能である。
【００５２】
なお、ウィルキンソンカプラやブランチラインカプラでは通常λ／４線路が必要なため、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の比較的低い発振周波数では設置面積が大きくなりがちである。そのため、図６に示す集中定数回路型のものを用いてもよい。この場合、設置面積を大幅に小さくすることができる。
【００５３】
図６に示す集中定数回路型のウィルキンソンカプラは、合成器入力４０１ａ及び合成器出力４００との間にインダクタ４０３ａ１が接続され、合成器入力４０１ｂ及び合成器出力４００との間にインダクタ４０３ｂ１が接続されている。また、インダクタ４０３ａ１、インダクタ４０３ｂ１、及び合成器出力４００を接続するラインとグランド電位との間にコンデンサ４０３ｃが接続され、インダクタ４０３ａ１及び合成器入力４０１ａを接続するラインとグランド電位との間にコンデンサ４０３ａ２が接続され、インダクタ４０３ｂ１及び合成器入力４０１ｂを接続するラインとグランド電位との間にコンデンサ４０３ｂ２が接続されている。また、インダクタ４０３ａ１、コンデンサ４０３ａ２、及び合成器入力４０１ａを接続するノードとインダクタ４０３ｂ１、コンデンサ４０３ｂ２、及び合成器入力４０１ｂを接続するノードとの間に非平衡吸収抵抗４０２が接続されている。インダクタ４０３ａ１及びインダクタ４０３ｂ１のインダクタンスは、ともに、例えば１８７．６ｎＨである。コンデンサ４０３ａ２及びコンデンサ４０３ｂ２の容量は、ともに、例えば３７．５ｐＦである。コンデンサ４０３ｃの容量は、例えば７０．５ｐＦである。非平衡吸収抵抗４０２は、例えば、１００Ωである。
【００５４】
以上のように、実施の形態１では、サーキュレータ１０２が反射電力を分離し、位相・振幅調整回路が、その分離された反射電力の位相及び振幅を調整し、電力合成部が、その調整された反射電力と高周波電源１０４からの出力電力とを合成してサーキュレータ１０２へ入力する。これにより、合成の際における電力損失を抑制しながら、変動負荷からの反射電力を元の変動負荷に再度供給することができるので、電力利用効率（＝負荷で消費する電力／電源からの供給電力）を向上できる。
【００５５】
特に成膜均一性を高めるために変調をかけると反射電力が数十％にも及ぶという実験結果が出ている一方で、微結晶シリコンなどの成膜では数十ｋＷクラスの電力を用いることもあるため、このような電力利用効率の向上技術は産業上非常に有用なものである。
【００５６】
具体的には、反射電力調整器１１１が、サーキュレータ１０２により分離された反射電力に対する位相及び振幅の変更量を決定し、波形成形回路１１２が、反射電力調整器１１１により決定された位相及び振幅の変更量に従って、サーキュレータ１０２により分離された反射電力の位相及び振幅を変更する。これにより、反射電力の位相及び振幅を調整できる。
【００５７】
より具体的には、方向性結合器１１０が、サーキュレータ１０２により分離された反射電力の位相及び振幅を検出し、反射電力調整器１１１が、高周波電源１０４から出力された電力の位相及び振幅と方向性結合器１１０により検出された反射電力の位相及び振幅とに基づいて、フィードバック制御を行う。これにより、反射電力の位相及び振幅を調整できる。
【００５８】
さらに具体的には、反射電力調整器１１１が、高周波電源１０４から出力された電力の位相が方向性結合器１１０により検出された反射電力の位相に一致し、かつ、高周波電源１０４から出力された電力の振幅に対する方向性結合器１１０により検出された反射電力の振幅の比率が目標値に一致するように、位相及び振幅の変更量を決定する。これにより、反射電力調整器１１１は、フィードバック制御を行うことができる。
【００５９】
また、実施の形態１では、サーキュレータ１０２と変動負荷ＦＬとの間に配された整合器１０３が、電力合成器１０１が動作可能となる反射電力が変動負荷ＦＬからサーキュレータ１０２へ供給されるような整合条件を有している。これにより、負荷整合となり反射が無くなることのないように、すなわち不整合となるようにあえて整合条件をずらして常に電力合成器１０１が動作できる量の電力を反射させることができる。
【００６０】
実施の形態２．
実施の形態２にかかる高周波電力供給装置６００について図７を用いて説明する。図７は、高周波電力供給装置６００の構成を示す図である。以下では、実施の形態１との相違点を中心に説明を行う。
【００６１】
高周波電力供給装置６００は、未知の変動負荷ＦＬに給電するときに主として用いられる構成として、スイッチ６０２ａ、抵抗負荷６０１、及びスイッチ６０２ｂをさらに備える。
【００６２】
スイッチ６０２ａは、高周波電源１０４の出力の接続を電力合成器１０１の第１の入力ポート１０１ａと、サーキュレータ１０２の第１のポート１０２ａとに切り替えられるように配置されている。すなわち、スイッチ６０２ａは、高周波電源１０４が電力合成器１０１に接続された第１の状態と高周波電源１０４がサーキュレータ１０２に接続された第２の状態とを切り替える。
【００６３】
抵抗負荷６０１は、方向性結合器１１０とグランド電位との間に配されている。例えば、スイッチ６０２ｂとグランド電位との間に接続されている。
【００６４】
スイッチ６０２ｂは、方向性結合器１１０の出力の接続を波形成形回路１１２と、抵抗負荷６０１とに切り替えられるよう配置されている。すなわち、スイッチ６０２ｂは、方向性結合器１１０が波形成形回路１１２に接続された第３の状態と方向性結合器１１０が抵抗負荷６０１に接続された第４の状態とを切り替える。
【００６５】
例えば、図１の構成で未知の変動負荷ＦＬに給電を行う際、給電直後は高周波電力供給装置１００内の制御パラメータも未知のため、反射電力の移相量、減衰量の制御が発散する可能性がある。また高周波電源１０４の出力電力と反射電力の振幅比率が所望の値に満たない可能性があり、このような場合では電力合成器１０１が過負荷状態になり損傷する恐れがある。
【００６６】
そこで、本実施の形態では、未知の変動負荷ＦＬに給電を行う際は、まずスイッチ６０２ａにより高周波電源１０４の出力をサーキュレータ１０２の第１のポート１０２ａに直結し、かつスイッチ６０２ｂにより方向性結合器１１０の出力を抵抗負荷６０１に接続する。これにより、高周波電力供給装置６００は、反射電力を抵抗負荷６０１に捨てる構成となる。この構成において反射電力の振幅、位相について情報を取得し、反射電力調整器１１１、および整合器１０３を制御する図示しない制御器の制御パラメータをそれぞれ適切に設定する。
【００６７】
その後、スイッチ６０２ａにより高周波電源１０４の出力を電力合成器１０１の第１の入力ポート１０１ａに接続し、かつスイッチ６０２ｂにより方向性結合器１１０の出力を波形成形回路１１２に接続する。これにより、高周波電力供給装置６００は、実施の形態１で示す反射電力を変動負荷ＦＬに再度供給する構成と同様の構成になる。
【００６８】
このように、実施の形態２では、反射電力調整器１１１、および整合器１０３を制御する図示しない制御器の制御パラメータは適切に設定された状態で実施の形態１と同様の構成に切り替えて動作させるため、電力合成器１０１の損傷などの不具合を回避することができる。
【００６９】
なお、方向性結合器１１０により検出された結果に基づいて、図示しない制御器により、反射電力が閾値より小さいと判断された場合は、スイッチ６０２ａにより高周波電源１０４の出力をサーキュレータ１０２の第１のポート１０２ａに直結し、かつスイッチ６０２ｂにより方向性結合器１１０の出力を抵抗負荷６０１に接続し、反射電力を抵抗負荷６０１に捨てる構成のまま使用することもできる。また、方向性結合器１１０により検出された結果に基づいて、図示しない制御器により、反射電力が閾値より大きいと判断された場合は、上記の実施の形態２と同様に動作するようにしてもよい。
【００７０】
実施の形態３．
本実施の形態では、図１に示す高周波電力供給装置１００を図２に示すプラズマ処理装置２００に接続し、シランガス（ＳｉＨ４）と水素ガス（Ｈ２）との混合プラズマを発生させ、ガラス基板上に微結晶シリコン膜を堆積させた例について説明する。
【００７１】
被処理基板上にシリコン薄膜を成膜するには、例えば、シリコン源としてモノシラン（ＳｉＨ４）ガス、キャリアガスとして水素（Ｈ２）ガスを用い、それらを混合したガスを成膜ガスとして用いる。成膜ガスはガス供給ポート２０５を通して電極ブロック２０３内部に供給され、シャワープレート２０４に構成した多数のアパーチャを通して対向するステージ２０２間の放電領域２０６へと導入される。電極ブロック２０３には高周波電力が供給されており、放電領域２０６中の成膜ガスは高周波電力により分解され、高周波プラズマを生じる。この過程でＳｉＨ３、ＳｉＨ２、ＳｉＨ、Ｓｉ、Ｈなどの活性種が生成され、これらの活性種が被処理基板２０７に入射し、被処理基板２０７表面上に非晶質あるいは微結晶のシリコンを形成する。高周波プラズマを一定時間継続した結果として、被処理基板２０７上に非晶質あるいは微結晶質のシリコン薄膜が成膜される。
【００７２】
以下、図１に示す高周波電力供給装置を図２に示すプラズマ処理装置に接続し、シランガス（ＳｉＨ４）と水素ガス（Ｈ２）との混合ガスで高周波プラズマを発生させ、ガラス基板上に微結晶シリコン膜を堆積させた実験について説明する。
【００７３】
真空排気した真空チャンバ２０１内のステージ２０２に被処理基板２０７として１４００ｍｍ×１１００ｍｍのガラス基板（厚み：４ｍｍ）を設置し、ステージ２０２に内蔵されている図示されないシースヒータを用いて２００℃に加熱した。次に、電極ブロック２０３と被処理基板２０７との間隔が５ｍｍになるようにステージ２０２の高さ位置を設定した。この状態で、電極ブロック２０３のガス供給ポート２０５にＳｉＨ４ガスとＨ２ガスをそれぞれ１ｓｌｍと５０ｓｌｍの流量で供給し、放電領域２０６内のガス圧力が１０００Ｐａとなるよう排気速度を調整した。ガス圧力が安定した後、電極ブロック２０３側に前記高周波電力供給装置１００を接続してＳｉＨ４／Ｈ２混合プラズマを発生させ、高周波電力を平均２０ｋＷ給電した状態で２０分間成膜を行った。成膜特性の均一化のために１０ｋＨｚの変調周波数で位相変調をかけて成膜を行ったところ、上記の条件で膜厚１μｍのシリコン薄膜を成膜すると、約３０％の反射電力を抵抗負荷で消費していたため、電力利用効率は時間平均で約７０％であった。
【００７４】
一方、図１に示す装置を用いて同条件で成膜を行ったところ、今回は高周波電源の出力電力：反射電力＝４：１で合成するため、実効的には高周波電源の出力電力の１２５％を負荷に供給することになる。したがって電力反射率が３０％のため、電力利用効率は１２５×（１−０．３）＝８７．５％に向上した。作製した薄膜を太陽電池に利用することを想定して、ラマン分光法によって結晶シリコンの形成比率を調査したところ十分なピーク強度比率が得られ、形成比率の面内均一性も実用範囲内であることを確認することが出来た。このことから、実用的な基板サイズにおいても、特性の優れたシリコン膜の成膜が可能であるとの結論を得た。
【００７５】
本実施の形態では、ガス流量、圧力、高周波電力等のパラメータに関して数値を示しているが、これらの数値は適宜変更可能である。また、シリコン薄膜形成のための成膜ガスとしてＳｉＨ４とＨ２の混合ガスの場合について説明したが、さらに、Ａｒ、Ｎｅ等の希ガスを添加させてもよい。その他、プロセスの目的に応じて適切なガス種が選択される。
【００７６】
なお、本発明のプラズマ処理装置はプラズマエッチング装置、アッシング装置、スパッタリング装置、イオン注入装置などにも適用することが出来る。
【００７７】
また、上記では横型の装置について説明を行ったが、この発明のプラズマ処理装置は縦型にも適用可能である。どちらの型にするかは当該プラズマ装置の用途等に応じて適宜選択が可能である。この発明については、上述した以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明にかかる高周波電力供給装置、プラズマ処理装置、及び半導体薄膜の製造方法は、半導体薄膜の成膜に有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１００ 高周波電力供給装置
１０１ 電力合成器
１０２ サーキュレータ
１０３ 整合器
１０４ 高周波電源
１０５ 位相・振幅制御回路
１０６ 高周波発振器
１０７ 高周波増幅器
１０８ 可変移相器
１０９ 可変減衰器
１１０ 方向性結合器
１１１ 反射電力調整器
１１２ 波形成形回路
２００ プラズマ処理装置
２０１ 真空チャンバ
２０２ ステージ
２０３ 電極ブロック
２０４ シャワープレート
２０５ ガス供給ポート
２０６ 放電領域
２０７ 被処理基板
３００ 移相器入力
３０１ 移相器出力
３０２ａ、３０２ｂ 可変コンデンサ
３０３、３０３ａ〜３０３ｄ 伝送線路
４００ 合成器出力／分配器入力
４０１ａ、４０１ｂ 合成器入力／分配器出力
４０２ 非平衡吸収抵抗
４０３ａ、４０３ｂ 伝送線路
４０３ａ１、４０３ｂ１ インダクタ
４０３ａ２、４０３ｂ２、４０３ｃ コンデンサ
６００ 高周波電力供給装置
６０１ 抵抗負荷
６０２ スイッチ
ＦＬ 変動負荷
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変動負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給装置であって、
高周波電源と、
前記高周波電源と前記変動負荷との間に配され、前記変動負荷からの反射電力を分離するサーキュレータと、
前記サーキュレータにより分離された反射電力の位相及び振幅を調整する調整部と、
前記高周波電源から出力された電力と前記調整部により調整された反射電力とを合成して前記サーキュレータへ出力する電力合成部と、
を備えたことを特徴とする高周波電力供給装置。
【請求項２】
前記調整部は、
前記サーキュレータにより分離された反射電力に対する位相及び振幅の変更量を決定する決定部と、
前記決定部により決定された位相及び振幅の変更量に従って、前記サーキュレータにより分離された反射電力の位相及び振幅を変更する波形成形部と、
を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の高周波電力供給装置。
【請求項３】
前記調整部は、前記サーキュレータにより分離された反射電力の位相及び振幅を検出する検出部をさらに有し、
前記決定部は、前記高周波電源から出力された電力の位相及び振幅と前記検出部により検出された反射電力の位相及び振幅とに基づいて、フィードバック制御を行う
ことを特徴とする請求項２に記載の高周波電力供給装置。
【請求項４】
前記決定部は、前記高周波電源から出力された電力の位相が前記検出部により検出された反射電力の位相に一致し、かつ、前記高周波電源から出力された電力の振幅に対する前記検出部により検出された反射電力の振幅の比率が目標値に一致するように、位相及び振幅の変更量を決定する
ことを特徴とする請求項３に記載の高周波電力供給装置。
【請求項５】
前記高周波電源は、少なくとも１つの変調機構を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の高周波電力供給装置。
【請求項６】
前記決定部は、前記高周波電源の変調信号から予測した反射電力の位相及び振幅に基づいて、フィードフォワード制御を行う
ことを特徴とする請求項５に記載の高周波電力供給装置。
【請求項７】
前記波形成形部は、少なくとも１つの波形成形ユニットを有し、
前記波形成形ユニットは、
前記サーキュレータにより分離された反射電力を複数の反射電力に分配する反射電力分配器と、
前記反射電力分配器により分配された複数の反射電力に対して移相及び減衰の少なくとも一方を行う複数の波形成形サブユニットと、
前記複数の波形成形サブユニットから出力された複数の反射電力を合成する反射電力合成器と、
を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の高周波電力供給装置。
【請求項８】
前記電力合成部は、集中定数回路として構成されている
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の高周波電力供給装置。
【請求項９】
前記高周波電源が前記電力合成部に接続された第１の状態と前記高周波電源が前記サーキュレータに接続された第２の状態とを切り替える第１のスイッチと、
前記検出部とグランド電位との間に配された抵抗負荷と、
前記検出部が前記波形成形部に接続された第３の状態と前記検出部が前記抵抗負荷に接続された第４の状態とを切り替える第２のスイッチと、
をさらに備えた
ことを特徴とする請求項３に記載の高周波電力供給装置。
【請求項１０】
前記電力合成部が動作可能となる反射電力が前記変動負荷から前記サーキュレータへ供給される整合条件を有し、前記サーキュレータと前記変動負荷との間に配された整合器をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の高周波電力供給装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の高周波電力供給装置と、
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置され、前記高周波電力供給装置から電力が供給される第１の電極として機能し、プラズマ生成ガスを被処理基板に供給するシャワープレートと、
前記真空チャンバ内に配置され、前記被処理基板が載置される第２の電極として機能するステージと、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプラズマ処理装置を用いて被処理基板上に半導体薄膜を成膜する
ことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項１】
変動負荷に高周波電力を供給する高周波電力供給装置であって、
高周波電源と、
前記高周波電源と前記変動負荷との間に配され、前記変動負荷からの反射電力を分離するサーキュレータと、
前記サーキュレータにより分離された反射電力の位相及び振幅を調整する調整部と、
前記高周波電源から出力された電力と前記調整部により調整された反射電力とを合成して前記サーキュレータへ出力する電力合成部と、
を備えたことを特徴とする高周波電力供給装置。
【請求項２】
前記調整部は、
前記サーキュレータにより分離された反射電力に対する位相及び振幅の変更量を決定する決定部と、
前記決定部により決定された位相及び振幅の変更量に従って、前記サーキュレータにより分離された反射電力の位相及び振幅を変更する波形成形部と、
を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の高周波電力供給装置。
【請求項３】
前記調整部は、前記サーキュレータにより分離された反射電力の位相及び振幅を検出する検出部をさらに有し、
前記決定部は、前記高周波電源から出力された電力の位相及び振幅と前記検出部により検出された反射電力の位相及び振幅とに基づいて、フィードバック制御を行う
ことを特徴とする請求項２に記載の高周波電力供給装置。
【請求項４】
前記決定部は、前記高周波電源から出力された電力の位相が前記検出部により検出された反射電力の位相に一致し、かつ、前記高周波電源から出力された電力の振幅に対する前記検出部により検出された反射電力の振幅の比率が目標値に一致するように、位相及び振幅の変更量を決定する
ことを特徴とする請求項３に記載の高周波電力供給装置。
【請求項５】
前記高周波電源は、少なくとも１つの変調機構を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の高周波電力供給装置。
【請求項６】
前記決定部は、前記高周波電源の変調信号から予測した反射電力の位相及び振幅に基づいて、フィードフォワード制御を行う
ことを特徴とする請求項５に記載の高周波電力供給装置。
【請求項７】
前記波形成形部は、少なくとも１つの波形成形ユニットを有し、
前記波形成形ユニットは、
前記サーキュレータにより分離された反射電力を複数の反射電力に分配する反射電力分配器と、
前記反射電力分配器により分配された複数の反射電力に対して移相及び減衰の少なくとも一方を行う複数の波形成形サブユニットと、
前記複数の波形成形サブユニットから出力された複数の反射電力を合成する反射電力合成器と、
を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の高周波電力供給装置。
【請求項８】
前記電力合成部は、集中定数回路として構成されている
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の高周波電力供給装置。
【請求項９】
前記高周波電源が前記電力合成部に接続された第１の状態と前記高周波電源が前記サーキュレータに接続された第２の状態とを切り替える第１のスイッチと、
前記検出部とグランド電位との間に配された抵抗負荷と、
前記検出部が前記波形成形部に接続された第３の状態と前記検出部が前記抵抗負荷に接続された第４の状態とを切り替える第２のスイッチと、
をさらに備えた
ことを特徴とする請求項３に記載の高周波電力供給装置。
【請求項１０】
前記電力合成部が動作可能となる反射電力が前記変動負荷から前記サーキュレータへ供給される整合条件を有し、前記サーキュレータと前記変動負荷との間に配された整合器をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の高周波電力供給装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の高周波電力供給装置と、
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置され、前記高周波電力供給装置から電力が供給される第１の電極として機能し、プラズマ生成ガスを被処理基板に供給するシャワープレートと、
前記真空チャンバ内に配置され、前記被処理基板が載置される第２の電極として機能するステージと、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプラズマ処理装置を用いて被処理基板上に半導体薄膜を成膜する
ことを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１７４６６８（Ｐ２０１２−１７４６６８Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３８８６８（Ｐ２０１１−３８８６８）
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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