(57)【要約】【課題】プラズマチャンバ内で処理プラズマに点火するための方法および装置が提供される。【解決手段】１つまたは複数の自己共振装置が、プラズマチャンバ内のプラズマ生成空間に対してプラズマチャンバ内に配置される。プラズマ生成空間はプラズマチャンバによって形成される。自己共振装置のそれぞれは、点火プラズマを生成する。点火プラズマによって点火ガスの部分的なイオン化が引き起こされる。部分的にイオン化された点火ガスは、電界をプラズマ生成空間に印加することによって処理プラズマの点火を可能にする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理プラズマに点火するための方法であって、
点火ガスをプラズマチャンバに流し込む工程と、
前記プラズマチャンバに対して配置された１つ以上の自己共振装置と、前記プラズマチャンバに結合された電力変圧器とを提供する工程と、
前記プラズマチャンバ内に１つ以上の点火プラズマを形成するために前記１つ以上の自己共振装置を使用する工程であって、前記１つ以上の点火プラズマによって前記点火ガスの少なくとも部分的なイオン化が引き起こされる工程と、
前記電力変圧器を用いて、前記プラズマチャンバに対して配置された前記１つ以上の自己共振装置によって前記プラズマチャンバ内に形成された前記１つ以上の点火プラズマに加えて、前記プラズマチャンバに電力を誘電結合させる工程であって、それにより前記プラズマチャンバ内で前記処理プラズマに点火する工程と、を備え、
前記１つ以上の自己共振装置によって、前記処理プラズマの点火中、低減された電力を用いて前記点火ガスの前記少なくとも部分的なイオン化が可能となる、方法。
【請求項２】
前記自己共振装置は、高周波またはマイクロ波周波数で共振する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１つ以上の自己共振装置を前記プラズマチャンバ内のプラズマ生成空間に隣接させて配置する工程をさらに備え、前記プラズマ生成空間は、前記処理プラズマが形成される領域である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記１つ以上の自己共振装置のうちの第１の自己共振装置を前記プラズマチャンバの入口に配置し、第２の自己共振装置を前記プラズマチャンバの出口に配置する工程をさらに備える、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記１つ以上の自己共振装置のうちの第１の自己共振装置および第２の自己共振装置をプラズマチャネルに沿って等間隔に配置する工程をさらに備える、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記１つ以上の自己共振装置を１００メガヘルツ〜１０ギガヘルツの間の周波数で動作させる工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記１つ以上の自己共振装置を３００メガヘルツ〜３ギガヘルツの間の周波数で動作させる工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記１つ以上の自己共振装置は、同軸共振器、リング共振器、またはそれらの任意の組み合わせである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記１つ以上の自己共振装置は、マイクロストリップ共振器、ストリップライン共振器、またはそれらの任意の組み合わせである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記処理プラズマは、約１〜１０キロボルト／メートルの間の平均電界で点火される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記点火プラズマは、１００Ｖｒｍｓ未満の電圧で持続する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記点火プラズマのピーク電圧は３００Ｖｒｍｓ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記１つ以上の自己共振装置に５０ワット未満の電力を供給する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記プラズマチャンバ内の圧力は６，６６６パスカル（５０トル）未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
プラズマを生成するためのプラズマ源であって、
プラズマ点火ガスをプラズマチャンバに流し込むプラズマ点火ガス源と、
前記プラズマチャンバ内に１つ以上の点火プラズマを生成する１つ以上の自己共振装置であって、前記１つ以上の点火プラズマによって前記プラズマ点火ガスの少なくとも部分的なイオン化が引き起こされる、１つ以上の自己共振装置と、
前記プラズマチャンバと直接電気的に接続する電源と、
電力変圧器であって、前記プラズマチャンバ内の前記１つ以上の点火プラズマに加えて、前記プラズマチャンバに前記電源からの電力を結合させることにより、前記プラズマチャンバ内で前記処理プラズマに点火するように構成される電力変圧器と、を備え、
前記１つ以上の自己共振装置によって、前記処理プラズマの点火中、低減された電力を用いて前記プラズマ点火ガスの前記少なくとも部分的なイオン化が可能となる、プラズマ源。
【請求項１６】
前記１つ以上の自己共振装置を前記プラズマチャンバ内のプラズマ生成空間に隣接させて配置することをさらに含み、前記プラズマ生成空間は前記処理プラズマが形成される領域である、請求項１５に記載のプラズマ源。
【請求項１７】
前記１つ以上の自己共振装置のうちの第１の自己共振装置および第２の自己共振装置は、前記プラズマ生成空間に沿って等間隔配置される、請求項１６に記載のプラズマ源。
【請求項１８】
前記１つ以上の自己共振装置のうちの第１の自己共振装置は前記プラズマチャンバの入口に配置され、第２の自己共振装置は前記プラズマチャンバの出口に配置される、請求項１６に記載のプラズマ源。
【請求項１９】
前記１つ以上の自己共振装置は、マイクロ波周波数または高周波で動作する、請求項１５に記載のプラズマ源。
【請求項２０】
前記１つ以上の自己共振装置は、１００メガヘルツ〜１０ギガヘルツの間の周波数で動作する、請求項１５に記載のプラズマ源。
【請求項２１】
前記１つ以上の自己共振装置は、３００メガヘルツ〜３ギガヘルツの間の周波数で動作する、請求項１５に記載のプラズマ源。
【請求項２２】
前記１つ以上の自己共振装置は、同軸共振器、リング共振器、またはそれらの任意の組み合わせである、請求項１５に記載のプラズマ源。
【請求項２３】
前記処理プラズマは、１０キロボルト／メートルの平均電界で点火される、請求項１５に記載のプラズマ源。
【請求項２４】
前記１つまたは複数の点火プラズマは、１００Ｖｒｍｓ未満の電圧で持続する、請求項１５に記載のプラズマ源。
【請求項２５】
前記点火プラズマのピーク電圧は３００Ｖｒｍｓ未満である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
前記１つ以上の自己共振装置に対し、５０ワット未満の電力が供給される、請求項１６に記載のプラズマ源。
【請求項２７】
前記プラズマチャンバ内の圧力は６，６６６パスカル（５０トル）未満である、請求項１６に記載のプラズマ源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、イオン、フリーラジカル、原子および分子を含む活性化ガスを発生させるために、プラズマに点火し、それを持続させる分野に関する。詳細には、自己共振装置が処理プラズマ点火ガスを部分的にイオン化するとともにプラズマ生成空間に対して配置され、電界の存在下においてプラズマ点火ガスを発火させる。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ放電は、イオン、フリーラジカル、原子および分子を含む活性化ガスを生成するためにガスを励起すべく使用することができる。活性化ガスは、半導体ウェハなどの固体材料、粉末、および他のガスの処理を含む多くの産業的および科学的用途に使用される。プラズマのパラメータと処理される材料へのプラズマの曝露条件とは、用途に応じて大きく変わる。
【０００３】
プラズマは、ＤＣ放電、高周波（ＲＦ）放電、およびマイクロ波放電を含む様々な方法で生成することができる。ＤＣ放電は、ガス中の２つの電極間に電位を印加することによって達成される。ＲＦ放電は、電源からプラズマに静電的または誘導的にエネルギーを結合することによって達成される。エネルギーをプラズマに静電的に結合するには、典型的には平行な平板が使用される。電流をプラズマに誘導するには、典型的には誘導コイルが使用される。マイクロ波放電は、ガスを含む放電チャンバにマイクロ波透過窓を介してマイクロ波エネルギーを直接的に結合することによって達成される。マイクロ波放電は、高度にイオン化された電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを含む広範囲の放電条件を支持するために使用できるので、有利である。
【０００４】
容量結合型ＲＦ放電およびＤＣ放電では高エネルギーイオンが生成されるので、処理される材料がプラズマと直接接触する用途向けにプラズマを生成するためにしばしば使用される。マイクロ波放電は、高密度の低イオンエネルギープラズマを生成する。また、マイクロ波放電は、低エネルギーでイオンを発生させることと、次いで印加電位によってイオンを処理表面に対して加速することとが望ましい用途に有用である。
【０００５】
ＲＦ誘導結合プラズマは、半導体ウェハ処理のような用途向けに大面積プラズマを生成するのに特に有用である。しかしながら、一部のＲＦ誘導結合プラズマは、駆動電流がプラズマに弱く結合しているだけなので、純粋に誘導性のものではない。その結果、ＲＦ誘導結合プラズマはしばしば非効率的であり、駆動コイル上で高電圧を使用する必要がある。この高電圧によって、反応器表面の高エネルギーイオン衝突を引き起こす高い静電界が生成される。イオン衝突は反応器を劣化させ、処理チャンバおよび処理される材料を汚染する可能性がある。イオン衝突はまた、処理される材料に損傷を与える可能性がある。
【０００６】
マイクロ波プラズマ源および誘導結合プラズマ源は、高価で複雑な電力供給システムを必要とする場合がある。これらのプラズマ源は、精密なＲＦ発電機またはマイクロ波発電機と、発電機のインピーダンスをプラズマ源に整合させるための複雑な整合ネットワークとを必要とする場合がある。加えて、プラズマに到達する実際の電力を確かめ、制御するために、精密な計器が通常必要とされる。
【０００７】
プラズマに点火することはまた、プラズマガスのイオン化を引き起こすのに十分大きな電力を供給できる電力供給システムを必要とする場合がある。現在のシステムでは、プラズマに点火するには、プラズマが形成される状態までガスを励起するのに十分な高電界（例えば、絶縁破壊電界）を供給することが必要である場合があり、その高電界は、例えば、パッシェン曲線によって導かれる。マイクロ波プラズマ、容量結合プラズマ、誘導結合プラズマ、および／またはグロー放電プラズマの場合、典型的には高電界（例えば、０．１〜１０ｋＶ／ｃｍ）が、ガスの初期絶縁破壊を引き起こすために印加される。
【０００８】
プラズマに点火するために高電圧を印加すると、いくつかの困難、例えば点火ウィンドウ（例えば、圧力、ガス流、および／またはガス種についての正常な点火のための標準使用範囲）の外でのアーク放電、および／または誘電体の電気的絶縁破壊（例えばパンチスルー）を引き起こす可能性がある。付加的な望ましくないアーク放電と誘電体の電気的絶縁破壊とは、プラズマチャンバおよび／またはシステム部品を損傷させる可能性がある。部品が損傷すると頻繁な交換が必要となることがあり、高額になる可能性がある。点火のために高電圧を印加する別の困難は、様々なタイプ／形状のプラズマ源に対して、カスタムの点火設計が典型的に必要であることである。
【０００９】
プラズマに点火するために高電圧を印加する現在の技術は、プラズマチャンバに結合された高電圧スパークプラグまたは高電圧電極の使用を含む。別の現在の技術は、高電圧をプラズマチャンバ自体の一部に直接印加すること（例えばブロック点火）である。上記の困難に加えて、これらの着火技術のそれぞれは困難を有する。
【００１０】
スパークプラグは、典型的には、例えばスパークプラグにおいて使用されるリレーのために限定的な寿命を有し、したがって、頻繁な交換を必要とする。高電圧電極は、典型的には、処理中にプラズマへの暴露に耐えなければならない。これは、電極の限定的な寿命および／または電極のための限定的な材料の選択肢を引き起こす可能性がある。ブロック点火は、プラズマアーク放電の可能性を生じ、ブロック材料／コーティングの選択肢を制限する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、アーク放電もパンチスルーもなく、また部品および／またはプラズマチャンバ自体を高電圧、イオン衝突、ラジカルおよび／または望ましくないアーク放電／熱にさらすこともなく、プラズマに点火することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の利点は、プラズマ点火を引き起こすために高い電圧が必要でないことによる、アーク放電の最小化を含む。本発明の他の利点は、高電圧、アークおよび／またはパンチスルーへの暴露を相当排除することに起因する、部品交換頻度の低減を含む。
【００１３】
他の利点は、高価な部品および／またはカスタム点火設計の必要性の最小化によるコストの削減を含む。他の利点は、材料がもはや高電圧、アーク放電および／またはパンチスルーに耐える必要がないので、より広い範囲のチャンバ材料／コーティングが許容されることを含む。
【００１４】
他の利点は、高い点火電圧の要件の排除のために、以前には到達できなかった圧力および／または流れ領域で動作する他のプラズマ源のためのスタータープラズマとしてプラズマ源を使用することを含む。他の利点は、処理ガスを用いて発火し、典型的に現在必要とされる不活性ガス混合物からの切り替えを回避する能力のために、初期絶縁破壊のインピーダンス条件および処理条件が非常に異なる処理チャンバ内で、高速パルスプラズマ処理を実行する能力を含む。
【００１５】
他の利点は、点火に必要な電界の低減による、誘導結合プラズマの同調範囲要件の低減を含む。他の利点は、自己共振装置の使用による単純化されたエレクトロニクス、および／または他の場合には必要とされる点火スイッチングスキームの排除を含む。
【００１６】
一態様において、本発明は、処理プラズマに点火するための方法を含む。この方法は、点火ガスをプラズマチャンバに流し込むことを含む。この方法はまた、プラズマチャンバ内に１つ以上の点火プラズマを形成するために１つ以上の自己共振装置を使用することを含み、１つ以上の点火プラズマによって点火ガスの少なくとも部分的なイオン化が引き起こされる。この方法はまた、プラズマチャンバに電力を誘導結合させることによって、プラズマチャンバ内で処理プラズマに点火することを含む。
【００１７】
いくつかの実施形態では、自己共振装置は、高周波またはマイクロ波周波数で共振する。いくつかの実施形態では、この方法は、１つ以上の自己共振装置を、プラズマチャンバ内のプラズマ生成空間に隣接させて配置することを含み、プラズマ生成空間は、処理プラズマが形成される領域である。
【００１８】
いくつかの実施形態では、この方法は、１つ以上の自己共振装置のうちの第１の自己共振装置をプラズマチャンバの入口に配置し、第２の自己共振装置をプラズマチャンバの出口に配置することを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、１つ以上の自己共振装置のうちの第１の自己共振装置と第２の自己共振装置とをプラズマチャネルに沿って等間隔に配置することを含む。
【００１９】
いくつかの実施形態では、この方法は、１つ以上の自己共振装置を１００メガヘルツ〜１０ギガヘルツの間の周波数で動作させることを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、１つ以上の自己共振装置を３００メガヘルツ〜３ギガヘルツの間の周波数で動作させることを含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、１つ以上の自己共振装置は、同軸共振器、リング共振器、スプリットリング共振器、半波長共振器、環状シングルスプリットリング共振器、環状スプリットリング共振器、ストリップラインスプリットリング共振器、２つの放電ギャップを有する半波長共振器、スプリットリング共振器を載せた半波長共振器、スプリットリング共振器を載せた伝達装置、またはそれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、１つ以上の自己共振装置は、マイクロストリップ共振器、ストリップライン共振器、またはそれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、処理プラズマは、約１〜１０キロボルト／メートルの平均電界で点火される。
【００２１】
いくつかの実施形態では、点火プラズマは、１００Ｖｒｍｓ未満の電圧で持続する。いくつかの実施形態では、点火プラズマのピーク電圧は３００Ｖｒｍｓ未満である。いくつかの実施形態では、この方法は、１つ以上の自己共振装置に５０ワット未満の電力を供給することを含む。いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ内の圧力は６，６６６パスカル（５０トル）未満である。
【００２２】
一態様において、本発明は、プラズマを生成するためのプラズマ源を含む。プラズマ源は、プラズマ点火ガスをプラズマチャンバに流し込むプラズマ点火ガス源を含む。プラズマ源はまた、プラズマチャンバ内に１つ以上の点火プラズマを生成する１つ以上の自己共振装置を含み、１つ以上の点火プラズマによってプラズマ点火ガスの少なくとも部分的なイオン化が引き起こされる。プラズマ源はまた、プラズマチャンバ内の処理プラズマに点火するために、プラズマチャンバと直接電気的に接続する電源を含む。
【００２３】
いくつかの実施形態では、プラズマ源は、１つ以上の自己共振装置をプラズマチャンバ内のプラズマ生成空間に隣接させて配置することを含み、プラズマ生成空間は処理プラズマが形成される領域である。
【００２４】
いくつかの実施形態では、１つ以上の自己共振装置のうちの第１の自己共振装置および第２の自己共振装置は、プラズマ生成空間に沿って等間隔配置される。いくつかの実施形態では、１つ以上の自己共振装置のうちの第１の自己共振装置はプラズマチャンバの入口に配置され、第２の自己共振装置はプラズマチャンバの出口に配置される。
【００２５】
いくつかの実施形態では、１つ以上の自己共振装置は、マイクロ波周波数または高周波で動作する。いくつかの実施形態では、１つ以上の自己共振装置は、１００メガヘルツ〜１０ギガヘルツの間の周波数で動作する。いくつかの実施形態では、１つ以上の自己共振装置は、３００メガヘルツ〜３ギガヘルツの間の周波数で動作する。
【００２６】
いくつかの実施形態では、１つ以上の自己共振装置は、同軸共振器、リング共振器、またはそれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、処理プラズマは、１０キロボルト／メートルの平均電界で点火される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の点火プラズマは、１００Ｖｒｍｓ未満の電圧で持続する。
【００２７】
いくつかの実施形態では、点火プラズマのピーク電圧は３００Ｖｒｍｓ未満である。いくつかの実施形態では、１つ以上の自己共振装置には、１０ワット未満の電力が供給される。いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ内の圧力は６，６６６パスカル（５０トル）未満である。
【００２８】
上述の本発明の利点は、さらなる利点とともに、添付の図面と併せて以下の説明を参照することによってより深く理解され得る。図面は必ずしも一定の縮尺比ではなく、その代わりに全体的に本発明の原理の図示に強調が置かれている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、活性化ガスを生成するためのプラズマ源の概略図。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、プラズマチャンバの概略図。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、プラズマに点火するための方法の流れ図。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、点火電力対圧力のグラフ。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、自己共振装置の数に対する点火性能のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
一般に、１つまたは複数の自己共振装置が、プラズマチャンバによって形成されるプラズマ生成空間に対して配置される。点火の間、各自己共振装置は、プラズマ生成空間に流れ込むガス（例えば点火ガス）を少なくとも部分的にイオン化する、各自己共振装置自体のプラズマ（例えば点火プラズマ）を生成する。エネルギーがプラズマ生成空間へと結合され、プラズマ（例えば処理プラズマ）が点火される。
【００３１】
点火ガスの部分イオン化は、部分イオン化なしに（例えば１つまたは複数の自己共振装置なしに）処理プラズマの点火を引き起こすために必要なエネルギーよりも少ないエネルギーで処理プラズマの点火が起こることを可能にする。
【００３２】
図１は、本発明の例示的な実施形態による、活性化されたガスを生成するためのプラズマ源１０の概略図である。プラズマ源１０は、活性化されたガスを半導体処理チャンバ２２に提供する。プラズマ源１０は、電力変圧器、プラズマチャンバ２０、ガス入口３２、第１自己共振装置１５ａ、第２自己共振装置１５ｂ、第３自己共振装置、１５ｎ（総じて自己共振装置１５）、スイッチング電源（電源２４およびスイッチング素子２６）およびフィードバックループ４４を含む。
【００３３】
電力変圧器は、磁心１６、一次コイル１８と処理プラズマ１４（点火された場合）とを含む。電力変圧器は、スイッチング電源から受け取った電力をプラズマ生成空間に結合する。プラズマ生成空間は、プラズマチャンバ２０によって形成される。電力変圧器はまた、スイッチング電源から受け取った電力を、３つの点火プラズマ空間（自己共振装置１５ごとに１つの点火プラズマ空間がある）に結合する。磁心１６は、プラズマチャンバ２０が磁心１６を通過するようにプラズマチャンバ２０の周囲を取り囲む。一次コイル１８および磁心１６は、プラズマ生成空間内で点火され持続される処理プラズマ１４が電力変圧器の第２回路を形成することを可能にする。
【００３４】
様々な実施形態において、電力変圧器は、２つ、４つまたは任意の数の磁心を含む。様々な実施形態において、プラズマチャンバ２０は、石英、アルミナもしくはサファイアなどの誘電材料、またはアルミニウムなどの金属、または陽極処理アルミニウムなどの被覆金属から作製することができる。
【００３５】
いくつかの実施形態では、自己共振装置１５のそれぞれは、それ自体の個別の電源を有する。例えば、各個別電源は、約３ワット（電力）の電力を提供するマイクロ波増幅器であり得る。いくつかの実施形態では、各個別電源は、マイクロ波周波数が制御されることを可能にする電圧制御発振器である。いくつかの実施形態では、各個別電源は、その個別の自己共振装置と共にマイクロチップ上にある。これらの実施形態では、マイクロチップは、低電圧ＤＣ電源によって電力を供給される。いくつかの実施形態では、各個別電源は、その個別の自己共振装置と別に収容される。
【００３６】
いくつかの実施形態では、スイッチング電源は、例えば、参照することによって完全な形で本明細書に組み込まれる米国特許第６，３８８，２２６号明細書の図７および図８に記載されているように、ソリッドステートスイッチング電源とすることができる。
【００３７】
自己共振装置１５は、プラズマチャンバ２０に対して結合されている。動作中、点火ガスがプラズマチャンバ２０に流れ込む。自己共振装置１５のそれぞれは、全てプラズマチャンバ２０内にあるその対応する点火プラズマ空間内で点火プラズマを生成する。自己共鳴装置によって生成された点火プラズマは、点火ガスを少なくとも部分的にイオン化する。
【００３８】
自己共振装置１５によって生成された部分的にイオン化されたガスは、処理プラズマに点火するために使用されるガス（例えば、点火プラズマおよび／または追加のガスを発生させるのに使用されるのと同じ点火ガス）の、自己共振装置なしの絶縁破壊が不可能な印加電界強度（例えば、パッシェン曲線から予想される強度よりも小さい強度）による絶縁破壊を可能にする。このようにして、処理プラズマに点火するのに必要な電界（例えば、約５０ボルト／メートル）は、プラズマチャンバ内で自己共振装置１５なしで処理プラズマに点火するのに必要な電界（例えば、３００ボルト／メートル）よりも小さい。
【００３９】
いくつかの実施形態では、自己共振装置の各プラズマを生成するのに必要な電力は、自己共振装置当たり１０ワット未満である。このようにして、処理プラズマの点火を引き起こすのに必要な電力（例えば、自己共振装置当たり１０ワット）は、自己共振装置１５なしで処理プラズマの点火を引き起こすのに必要な電力（例えば、約１００〜３００ワット）よりも小さい。
【００４０】
部分的にイオン化された点火ガスが自己共振装置１５および点火ガスによってプラズマ生成空間内で生成された状態で、電力変換器が電力をプラズマ生成空間に結合すると、処理プラズマ１４が発火する。このようにして、処理プラズマは、点火電極および／またはプラズマチャンバ２０に対して印加される高電圧を使用することなく発火する。処理プラズマ１４の点火がいったん起こると、自己共振装置１５は点火プラズマの生成を停止する。
【００４１】
自己共振装置１５のそれぞれは、処理プラズマの密度よりも密度が低く、および／または処理プラズマが内部に存在する空間よりも小さい空間内に存在するプラズマを生成することができる。したがって、自己共振装置１５に供給するのに必要な電力（例えば、プラズマ点火のための電力）は、処理プラズマを持続させるのに必要な電力未満であることができる。
【００４２】
ガスは、プラズマチャンバ２０の出口を介してプラズマチャンバ２０を出て、処理チャンバ２２に入る。いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ２０は、複数のガス入口を含む。様々な実施形態において、プラズマチャンバ２０は、磁心ごとに１つのガス出口を有する。様々な実施形態において、プラズマチャンバ２０は、磁心より多くのガス出口を含む。
【００４３】
いくつかの実施形態では、点火ガスとプラズマ１４が持続している間に使用されるガス（例えば、処理プラズマガス）とは同じである。いくつかの実施形態では、処理ガスは、ＮＨ３、Ｏ２、Ｈ２、Ｎ２、ＮＦ３、またはそれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、点火ガスと処理プラズマガスとは異なる。様々な実施形態において、点火ガスは、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノン、ネオン、ラドン、ウンウンオクチウム、水素、窒素またはこれらの任意の組み合わせである。点火ガスは、プラズマに点火することができる任意のガスであってよいことは、当業者には明らかである。
【００４４】
処理される材料を支持するために処理チャンバ２２内に試料ホルダ２３を配置することができる。処理される材料は、プラズマの電位に対してバイアスされ得る。いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ出口５０と試料ホルダ２３との間にシャワーヘッド（図示せず）が配置され、その結果、活性化ガスが、処理される材料の表面にわたって実質的に均一に分散される。
【００４５】
プラズマ源１０はまた、一次巻線１８の電気的パラメータを測定するための測定回路３６を含むことができる。一次巻線１８の電気的パラメータは、一次巻線１８を駆動する電流、一次巻線１８を跨いだ電圧、電源２４によって生成されたバス電圧または線間電圧、一次巻線１８の平均電力、および一次巻線１８のピーク電力を含む。一次巻線の電気的パラメータは、連続的に監視することができる。
【００４６】
プラズマに対して供給される電力は、電力制御回路４２と、一次巻線１８の電気的パラメータを測定する測定回路３６と、１つまたは複数のスイッチング半導体デバイスを含むスイッチング回路２６とを含むフィードバックループ４４によって正確に制御することができる。加えて、フィードバックループ４４は、電圧プローブおよび電流プローブを含むことができる。
【００４７】
プラズマ源１０はまた、一次巻線１８の電気的パラメータを測定するための測定回路３６を含むことができる。一次巻線１８の電気的パラメータは、一次巻線１８を駆動する電流、一次巻線１８を跨いだ電圧、電源２４によって生成されたバス電圧または線間電圧、一次巻線１８の平均電力、および一次巻線１８のピーク電力を含む。一次巻線の電気的パラメータは、連続的に監視することができる。
【００４８】
プラズマに対して供給される電力は、ＲＦセクションに給電するＤＣバスに基づく電力測定値を監視することによって正確に制御することができる。
プラズマ源１０は、固体表面、粉末、および気体などの多数の材料を処理するのに有用である。プラズマ源１０は、薄膜堆積システムおよびエッチングシステムなどの半導体処理装置に活性化ガスを供給するのに特に有用である。プラズマ源１０はまた、フォトレジスト剥離、原子層堆積、ウェハ洗浄、およびゲート酸化膜、処理チャンバ洗浄または誘電体改質に特に有用である。
【００４９】
プラズマ源は、ケイ素と、二酸化ケイ素と、窒化ケイ素と、アルミニウムと、モリブデンと、タングステンと、フォトレジスト、ポリイミドおよび他のポリマー材料のような有機材料となどの多数の材料をエッチングするために使用することができる。プラズマ源１０は、ダイヤモンド薄膜、二酸化ケイ素、窒化ケイ素および窒化アルミニウムなどの多数の薄膜材料のプラズマ強化堆積に使用することができる。
【００５０】
加えて、プラズマ源１０は、原子状フッ素、原子状塩素、原子状水素、原子状臭素、原子状窒素および原子状酸素などの反応性ガスを生成するために使用することができる。プラズマ源は、ＮＨと、ＮＦと、ＯＨと、安定な前駆体の他の分子フラグメントとなどの分子ラジカルを生成するために使用することができる。このような反応性ガスは、二酸化ケイ素、酸化スズ、酸化亜鉛および酸化インジウムスズなどの種々の酸化物を還元、変換、安定化または不動態化するのに有用である。特定の用途には、フラックスレスはんだ付けと、ケイ素表面からの二酸化ケイ素の除去と、ウェハ処理前のケイ素表面の不動態化と、銅、ケイ素、酸化ケイ素などの様々な金属および誘電材料の表面洗浄とが含まれる。
【００５１】
プラズマ源１０の他の用途には、ポリマー、金属、セラミックおよび紙の表面特性の改質が含まれる。加えて、プラズマ源１０は、滅菌のための原子状酸素、原子状塩素、または原子状フッ素の高粒子束を生成するために使用されてもよい。
【００５２】
種々の実施形態において、プラズマチャンバの表面材料は、用途および／または特定のプロセス中に使用されるガスの化学的性質に基づいて選択される。例えば、石英は酸素プラズマおよび塩素プラズマに対して比較的安定であるが、フッ素および水素プラズマでエッチングされる可能性がある。フッ素を含むプラズマを生成するために、プラズマチャンバの表面は、アルミニウム、マグネシウム、イットリウム、またはそれらの化合物から作製することができる、というのも、これらの元素には安定なフッ化物が存在するためである。
【００５３】
様々な実施形態において、処理ガスの組成は、プラズマチャンバ表面の侵食を最小限に抑えるように調整することができる。例えば、サファイア、アルミナ、または陽極処理アルミニウムなどの酸化アルミニウムを含む表面は、水素プラズマによって侵食される可能性がある。水素イオンは、最初に酸化アルミニウムを還元し、続いてそれを揮発性の水素化アルミニウムに変換する。Ｏ２またはＨ２Ｏの形態でおよび１〜１０００ｐｐｍの範囲で少量の酸素を水素に添加することにより、酸化アルミニウム表面を安定化させ、その侵食を実質的に低減することができる。
【００５４】
プラズマ源１０によって生成されるプラズマ１４のプラズマ電流およびプラズマ電流密度は、特定の用途のための特定のガスの解離を最適化するように選択することができる。例えば、プラズマ電流およびプラズマ電流密度は、ＮＦ３解離を最適化するように選択することができる。ＮＦ３は、チャンバ洗浄および他の多くの用途のためのフッ素源として広く使用されている。ＮＦ３は比較的高価である。高いＮＦ３解離速度についてプラズマ源１０を最適化することによって、ガス利用率が改善され、システムを稼動させる全体的なコストが低減される。加えて、ＮＦ３の解離速度を高めることは、環境に有害な気体の大気中への放出を減少させるので望ましい。
【００５５】
ＮＦ３の解離は、プラズマ中のＮＦ３分子と電子と高温ガスとの間の衝突によって引き起こされる。プラズマ源内の電子の密度は、プラズマ電流密度にほぼ比例する。ＮＦ３分子の解離を最大にするプラズマ電流密度の最適範囲が存在する。一実施形態では、約４０〜６０ｃｍの長さを有するトロイダルプラズマ１４の場合、ＮＦ３ガスを効率的に解離させるのに最適なプラズマ電流密度は５〜２０Ａ／ｃｍ２である。一実施形態では、３〜１０ｃｍ２の断面積を有するトロイダルプラズマ１４の場合、この電流密度範囲は、約２０〜２００Ａの範囲の合計トロイダルプラズマ電流に対応する。
【００５６】
プラズマチャンバ２０の内部表面に使用される材料とプラズマチャンバ２０の出力を処理チャンバ２２に接続する要素とは、特にプラズマ源が化学的に反応性の種を生成するために使用される場合には注意深く選択され得る。いくつかの要件を満たすように該材料を選択することができる。該材料の１つの要件は、該材料と処理ガスとの相互作用によって生じる材料の腐食または劣化に起因する汚染の発生を最小限に抑えることである。該材料の別の要件は、処理ガスに対して暴露されたときにそれらが最小の侵食しか有しないことである。該材料の別の要件は、反応性ガスの再結合および不活性化を最小限に抑え、従って処理チャンバへの反応物の供給を最大にすることである。
【００５７】
陽極処理アルミニウムは、半導体処理用途にいくつかの利点を有する。１つの利点は、陽極処理アルミニウムは電解プロセスを通して下にあるアルミニウム基体上に直接成長できることである。得られる膜は優れた接着特性を有する。別の利点は、陽極処理アルミニウムは石英の熱伝導率より約１５倍高い熱伝導率を有することである。したがって、陽極処理アルミニウムで形成された処理チャンバの内部表面は、著しい入射電力密度であっても、比較的低温のままである。
【００５８】
別の利点は、陽極処理アルミニウムは、イオン衝突が存在しないか、低エネルギーのイオン衝突しか存在しない限り、多くの原子種（Ｆ、Ｏ、Ｃｌ等）に対して化学的に不活性であることである。陽極処理アルミニウムは、原子状フッ素に対して低い再結合係数を有するので、フッ素化学的性質に対して特に有利である。また、陽極処理アルミニウムは、半導体材料処理用途に一般に使用され、受け入れられている材料である。
【００５９】
同じく石英は半導体処理用途にいくつかの利点を有する。石英は極めて高純度で入手可能であり、半導体業界で一般に使用され、受け入れられている。また、石英は、Ｏ、Ｈ、Ｎ、Ｃｌ、およびＢｒを含む多数の反応種に対し安定である。特に、石英は原子状酸素および原子状水素に対して低い表面再結合係数を有する。また、石英は低い熱膨張係数を有し、熱衝撃に対して比較的高い耐性を有する。加えて、石英は高い軟化点および融点を有するので、石英から処理チャンバを形成することは比較的簡単である。
【００６０】
同じくフルオロポリマーは半導体処理用途にいくつかの利点を有する。いくつかのフルオロポリマーの例は、ＰＴＦＥ、ＰＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、およびテフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）（登録商標）である。多くのフルオロポリマーの再結合率は比較的低い。フルオロポリマーはまた、原子状フッ素および原子状酸素を含むほとんどの原子種に対して比較的不活性である。加えて、フルオロポリマーの純度は比較的高く、フルオロポリマーはバルク形態（チューブ、シートなど）および薄膜形態の両方で入手可能である。
【００６１】
しかしながら、いくつかの実施形態では、フルオロポリマーは、プラズマ中のイオンによって侵食される可能性がある。また、フルオロポリマーが許容できる最大使用温度は、石英が許容できる最大温度よりも著しく低い。加えて、フルオロポリマーの熱伝導率は比較的低い。したがって、いくつかの実施形態では、フルオロポリマーは、プラズマチャンバの外の輸送セクションを構築するために最も有用である。
【００６２】
上で図１に示したプラズマ源はプラズマ生成空間内で処理プラズマに点火し持続させることができるプラズマ源の１つの例示的な構成であること、およびプラズマ源の数多くの可能な構成が本発明に可能でありかつ適用できることは当業者には明白である。様々な実施形態において、当技術分野で知られている他のプラズマ源構成は、プラズマ生成空間内の自己共振装置励起ガスを許容し、処理プラズマが中性点火ガスに必要な電界強度よりも低い電界強度で発火することを可能にするように修正される。
【００６３】
図２は、本発明の例示的な実施形態による、プラズマチャンバ２００の概略図である。プラズマチャンバ２００はトロイダル形状であり、プラズマチャンバによって形成されるプラズマ生成空間を含む。プラズマチャンバ２００はまた、４つの自己共振装置２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄ（総じて自己共振装置２３０）と、入口２０５と出口２１０とを含む。プラズマチャンバ２００は、磁心２４０ａおよび２４０ｂによって取り囲まれている。
【００６４】
様々な実施形態において、自己共振装置２３０の１つまたは複数のそれぞれは、同軸共振器、リング共振器、またはそれらの任意の組み合わせである。様々な実施形態において、自己共振装置２３０の１つまたは複数のそれぞれは、マイクロストリップ共振器、ストリップライン共振器、またはそれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の自己共振装置のそれぞれは、当技術分野で知られている自己共振装置である。例えば、参照により本明細書に組み込まれるデービッド  Ｍ．ポザール（Ｄａｖｉｄ  Ｍ．Ｐｏｚａｒ）著、「マイクロ波工学（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」、ワイリー・アンド・サンズ（Ｗｉｌｅｙｓ  ＆  Ｓｏｎｓ）、２０１１年の第６章に記載されているような自己共振装置。
【００６５】
様々な実施形態において、より多いまたは少ない自己共振装置２３０が存在する。様々な実施形態において、１、２、３、５、６または任意の数の自己共振装置が存在する。様々な実施形態において、自己共振装置の数は、プラズマチャンバ２００のサイズ、点火パラメータ（例えば、種混合、ガス圧、および／またはガス流量）の所望の範囲に依存する。いくつかの実施形態では、自己共振装置の数は、ガス流中のまたはプラズマチャンバの表面上の汚染物質に対する所望の許容度に依存する。例えば、自己共振装置の数が多いほど、汚染物質に対する許容度が大きくなることができる。
【００６６】
いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ２００の入口２２５に１つの自己共振装置があり、プラズマチャンバ２００の出口に１つの自己共振装置がある。いくつかの実施形態では、自己共振装置２３０はプラズマチャネルに沿って等間隔で配置される。いくつかの実施形態では、各自己共振装置２３０は、プラズマ生成空間に隣接して配置される。
【００６７】
いくつかの実施形態では、自己共振装置２３０は、マイクロ波周波数によって共振する。いくつかの実施形態では、自己共振装置２３０は高周波によって共振する。いくつかの実施形態では、自己共振装置２３０は、１００メガヘルツ〜１０ギガヘルツの間の周波数で共振する。いくつかの実施形態では、自己共振装置２３０は、３００メガヘルツ〜３ギガヘルツの間の周波数で共振する。
【００６８】
自己共振装置２３０は、ガスの部分的なイオン化を引き起こすのに十分なプラズマ（例えば、点火プラズマ）をそれぞれ生成することができる。ガスの部分的イオン化を生成するために使用されるプラズマは、より小さい密度を有することができ、次いで処理プラズマの密度。従って、ガスの部分イオン化を発生させるのに必要な電力は、処理プラズマを持続させるのに必要な電力よりも低くすることができる。例えば、ガスを部分的にイオン化するために、必要な電力は数ワットから１０ワットであり得るが、プラズマを持続させるための電力は１キロワットよりも大きい可能性がある。
【００６９】
いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ２００は、自己共振装置２３０にガスを供給するための１つまたは複数の追加のガス入口を含む。例えば、自己共振装置２３０ごとに、プラズマチャンバ２００は、各自己共振装置２３０に近い場所でガスを注入するための対応するガス入口を含むことができる。このようにして、自己共振装置２３０のそれぞれは、その対応するプラズマの点火のために各自己共振装置自体のガス源を有することができる。
【００７０】
いくつかの実施形態では、プラズマに点火するために自己共振装置２３０のそれぞれによって使用されるガスは、処理プラズマに点火するために使用される点火ガスとは異なる種類のガスである。例えば、点火ガスは、アルゴン、ヘリウム、またはそれらの任意の組み合わせであり得る。これらの実施形態では、各自己共振装置２３０がいったんプラズマに点火すると、点火ガスがプラズマチャンバ２００に流し込まれ、その結果、自己共振装置２３０のそれぞれのプラズマが点火ガスを少なくとも部分的にイオン化できるようにする。
【００７１】
図２を参照すると、動作中、点火ガスがプラズマチャンバ２００の入口２２５を介して流し込まれる。点火ガスはプラズマチャンバ２００を通って流れ、自己共振装置２３０のそれぞれはそれ自身の点火プラズマに点火する。各点火プラズマは、点火ガスを少なくとも部分的にイオン化させる。点火ガスの部分的イオン化は、自己共振装置２３０のそれぞれの近くに配置されたイオン化領域２３２内のプラズマチャンバ２００内に見出すことができる。例えば、自己共振装置２３０ａは対応するイオン化領域２３２ａを有し、自己共振装置２３０ｂは対応するイオン化領域２３２ｂを有し、自己共振装置２３０ｃは対応するイオン化領域２３２ｃを有し、自己共振装置２３０ｄは対応するイオン化領域２３２ｄを有する。
【００７２】
イオン化領域のそれぞれにおいて生成された部分的にイオン化されたガスの少なくとも一部は、プラズマ生成空間に流れ込む。電界が磁心２４０ａおよび２４０ｂを介してプラズマ生成空間に対して印加され、処理プラズマがプラズマ生成空間内で発火する。
【００７３】
様々な実施形態において、プラズマチャンバ２００は、誘導結合プラズマ源、容量結合プラズマ源、中空陰極、マイクロ波放電プラズマ源、またはグロー放電プラズマ源の一部である。
【００７４】
図３は、プラズマチャンバ（例えば、上で図２に示したようなプラズマチャンバ２００）内で処理プラズマに点火するための方法の流れ図３００である。
この方法は、点火ガスをプラズマチャンバに流し込むことを含む（ステップ３１０）。この方法はまた、１つ以上の自己共振装置（例えば、図２で上述したような自己共振装置２３０）を使用することを含む。各自己共振装置は、プラズマチャンバ内に１つ以上の対応する点火プラズマを形成する（ステップ３２０）。各点火プラズマによって、点火ガスの少なくとも部分的なイオン化が引き起こされる。点火ガスを部分的にイオン化させることにより、電力がプラズマチャンバに対して直接結合されると、処理プラズマが発火することができる。処理プラズマは、部分的にイオン化されたガスなしで処理プラズマに点火するのに必要な電力（例えば１キロワット）よりも小さい電力（例えば１０ワット未満）を印加することによって、発火することができる。
【００７５】
この方法はまた、プラズマチャンバに電力を誘導結合させることによって、プラズマチャンバ内で処理プラズマに点火することを含む（ステップ３３０）。
いくつかの実施形態では、部分的にイオン化されるガスのパーセンテージは、所定の点火電圧に基づく。例えば、自己共振装置によって高度の点火イオン化が達成されるほど、処理プラズマに点火するのに必要な電力を低減することができる。
【００７６】
図４は、本発明の例示的な実施形態による、点火電力対プラズマチャンバ圧力のグラフ４００である。自己共振装置を含むプラズマチャンバ（例えば、上で図２に示したようなプラズマチャンバ２００）の場合、処理プラズマに点火するのに必要な電力は、約３３パスカル（０．２５トル）〜２９９パスカル（２．２５トル）のプラズマチャンバ圧力に対して約１〜７ワットの範囲を有する。
【００７７】
図５は、本発明の例示的な実施形態による、自己共振装置の数に対する点火性能のグラフ５００である。１２Ｗの印加電力の場合、４つの自己共振装置を含むプラズマチャンバ（例えば、上で図２に示したようなプラズマチャンバ２００）は、３つの自己共振装置を含むプラズマチャンバよりも高い点火性能を有する。
【００７８】
特定の実施形態を参照して本発明を具体的に示し記載してきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および細部における様々な変更をその中に施すことができることは当業者に理解されるであろう。
【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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