(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロ波吸収液体を利用したマイクロ波プラズマ・システム用の液体冷却プラズマ・アプリケータの提供。【解決手段】入口８２および出口８４を備えた冷却管８０は、放電管８６のまわりに巻き付けられている。冷却管８０は、経路のループ間に小さい間隔８８ができるように、放電管８６の外表面をらせん経路で覆っている。マイクロ波電界は、放電管８６の中心を通って延びる縦軸９０に平行な方向を向いている。この向きにより、マイクロ波エネルギーが、液体によってほとんど減衰されずに、らせんチャネルのループ間の放電管８６内に容易に浸透することが可能になり、プラズマを形成し、持続させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波および無線波エネルギーに対してほぼ透過性の放電管、冷却管内側に形成された放電管とは隔離されたらせん経路で放電管の外表面を間隔をもって巻き付けている冷却液を運ぶためのチャネルを画定する、その外表面が放電管に熱的に結合されている放電管を間隔をもって巻き付けている金属製の冷却管、及び、電界が放電管に入り、液体がチャネルを流れている間、放電管内のプラズマを持続させることを可能にするらせん経路のループ間の間隔を備えることを特徴とする、液体冷却プラズマ・アプリケータ。
【請求項２】
電界が、放電管の中心を通って延びている縦軸に平行な方向を向いていることを特徴とする、請求項１に記載のアプリケータ。
【請求項３】
液体が水であることを特徴とする、請求項１に記載のアプリケータ。
【請求項４】
放電管がサファイアでできていることを特徴とする、請求項１に記載のアプリケータ。
【請求項５】
放電管が石英またはアルミナでできていることを特徴とする、請求項１に記載のアプリケータ。
【請求項６】
チャネルが、液体をチャンネルに送るポンプに接続可能であることを特徴とする、請求項１に記載のアプリケータ。
【請求項７】
らせん経路のループ間の間隔が媒体であり、該媒体が空気であることを特徴とする、請求項１に記載のアプリケータ。
【請求項８】
冷却管の内表面に沿って形成された液体を運ぶためのチャネルを有することを特徴とする、請求項１に記載のアプリケータ。
【請求項９】
マイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性の放電管、外表面が放電管に接触し熱的に結合されており、かつ、放電管を間隔をもって巻き付けており、冷却管内側の内表面が放電管の周りのらせん経路に水を運ぶための放電管から隔離されたチャンネルを画定する、細長い金属製冷却管、及び、マイクロ波電界が放電管の中に入り、水が冷却管の中を流れている間、放電管内のプラズマを持続させることを可能にするらせん経路のループ間の間隔
を含んでいることを特徴とする、水冷却プラズマ・アプリケータ。
【請求項１０】
電界が放電管の中心を通って延びる縦軸に平行な方向を向いていることを特徴とする、請求項９に記載のアプリケータ。
【請求項１１】
らせん経路のループ間の間隔が媒体であり、該媒体が空気であることを特徴とする、請求項９に記載のアプリケータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にマイクロ波プラズマ・システムの分野に関する。詳細には、本発明は、マイクロ波プラズマ・システム用の、処理用反応性気体核種を生成するための液体冷却マイクロ波プラズマ・アプリケータおよび液体冷却誘電体窓に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応性気体および混合気体は、電子素子および光学要素を製造するための半導体ウエハの処理など、多くの工業工程に使用されている。例えば、反応性気体を使用して、誘電材料および半導体材料、またはホトレジストやポリイミドなどの各種のマスキング・フィルムをエッチングすることが可能である。さらに、反応性気体を使用して、誘電体フィルムを形成することが可能である。
【０００３】
気体分子の反応性核種は、プラズマ放電において気体分子を励起させることによって生成することができる。放電は、プラズマ源を用いて、放電管または気体が入っている室上の放電窓にエネルギーを結合することによって発生させることができる。マイクロ波エネルギーは、プラズマ放電を発生させ、持続させるためのエネルギー源として使用されることが多い。プラズマ放電を発生させるのに使用される代表的なマイクロ波の周波数は、電源およびシステム構成部品の入手可能性の点から、2.45ＧＨｚである。
【０００４】
多量の種々の反応性気体核種を非常に清潔な状態下で生成することができるプラズマ源を備えることが望ましい。望ましい核種の例には、各種のハロゲン原子（フッ素原子、塩素原子、臭素原子など）、酸素原子、および窒素原子がある。プラズマ源において多量の反応性気体核種を生成するのにマイクロ波エネルギーを使用する場合の１つの技術上の問題点は、プラズマ放電管または誘電体窓の冷却である。放電管には空気冷却を使用することができるが、液体冷却に比べて比較的効率が悪い。さらに、空気冷却は、十分な量の熱を除去するために比較的大型の高価な空気送風機または圧縮機を必要とする。また、空気冷却は、半導体を製造するのに使用される現代の清潔な室内環境と両立させることが不可能である。
【０００５】
液体冷却は、効率がよいため有利である。水冷は、水は熱伝導率が良好であり、安全に取り扱うことができ、環境にも優しいので、特に望ましい。また、冷水は、ほとんどすべての製造設備、大学および研究開発施設において容易に入手できる。マイクロ波プラズマ放電管を冷却するのに水を使用する場合の障害は、水がマイクロ波エネルギーも吸収しやすいことである。同様に、その他の多くの望ましい冷却液もマイクロ波エネルギーを吸収しやすい。
【０００６】
シリコーン油などのいくつかの液体、いくつかのクロロフルオロカーボン、および各種の炭化水素化合物は、マイクロ波エネルギーを吸収せず、したがってプラズマ放電管の外側を冷却するのに使用することができる。残念ながら、これらの液体は、環境上望ましくなく、処理が危険であり、高価であることが多い。さらに、これらの液体を使用する場合、システムの費用および複雑さをさらに増大させる循環熱交換器を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の主要な目的は、水またはその他の望ましいマイクロ波吸収液体を利用して、プラズマ放電管を冷却することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、水またはその他の望ましいマイクロ波吸収液体を利用して、マイクロ波エネルギーを室に送る誘電体窓を冷却することにある。      
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の主要な発見は、特定の方向を向いたマイクロ波電界を、マイクロ波吸収冷却液の入った一定の経路で放電管を覆っているチャネルを有するマイクロ波プラズマ放電管に効率的に結合することができることにある。例えば、放電管の中心を通って延びる縦軸に平行な方向を向いたマイクロ波電界を、放電管をらせん経路で覆っている冷却チャネルを有するプラズマ放電管に効率的に結合することができる。
【００１０】
本発明の他の発見は、特定の方向を向いたマイクロ波電界を、窓に接触し、かつマイクロ波吸収冷却液の入った１つまたは複数のチャネルを有する誘電体窓に効率的に結合することができることにある。例えば、窓の表面に平行な方向を向いたマイクロ波電界を、放電管をらせん経路で覆っている冷却チャネルを有するプラズマ放電管に効率的に結合することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、プラズマ放電管および／あるいは誘電体窓を効率的に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、石英、サファイア、アルミナなどマイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性の材料でできたプラズマ放電管を備える、マイクロ波吸収液体用の液体冷却プラズマ・アプリケータを特徴とする。サファイアでできた放電管は、フッ素ベースの気体を使用する用途に望ましい。冷却部材は、管を覆っており、かつ部材の内表面に沿って形成され、管の外表面を覆っているチャネルを画定する。チャネルは、管の外表面上にマイクロ波吸収冷却液を運ぶための導管となる。チャネルに隣接した媒体により、マイクロ波電界が管の中に入り、したがって液体がチャネルを流れている間、管の中にプラズマを発生させ、持続させることが可能になる。
【００１３】
さらに詳細には、チャネルは、管の外表面をらせん経路で覆っている。管の中心を通って延びている縦軸に平行な方向を向いたマイクロ波電界は、液体によってほとんど減衰されずに管に入り、したがってプラズマを形成し、持続させることが可能になる。冷却部材は、化学的に不活性であり、マイクロ波に対して透過性であるポリテトラフルオロエチレンで作成することができる。部材内のチャネルは、液体を管の外表面上に送るポンプに接続可能である。液体は、熱伝導率が高く、使いやすい水でよい。
【００１４】
他の実施例では、液体冷却プラズマ・アプリケータは、マイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性の材料でできたプラズマ放電管を備えている。外表面が管に接触しており、かつ内表面がマイクロ波吸収冷却液を運ぶためのチャネルを画定する細長い冷却部材が管を覆っている。冷却部材は、化学的に不活性であり、マイクロ波に対して透過性であるポリテトラフルオロエチレン、またはマイクロ波に対して透過性であるか、またはマイクロ波を反射する高熱伝導率材料でできている場合もある。部材の外表面を管に熱的に結合することが可能である。冷却部材に隣接した媒体により、マイクロ波電界が管の中に入り、液体が冷却部材の中を流れている間、管内のプラズマを持続させることが可能になる。媒体は、空気でもよい。
【００１５】
さらに詳細には、冷却部材は、管の外表面をらせん経路で覆うことができる。管の中心を通って延びる縦軸に平行な方向を向いたマイクロ波電界は、液体によってほとんど減衰されずに管に入り、したがってプラズマを形成し、持続させることが可能になる。部材内のチャネルは、液体をチャネルに送るポンプに接続可能である。
【００１６】
他の実施例では、マイクロ波またはプラズマ・システムは、マイクロ波エネルギーの供給源、供給源に結合されマイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性の放電管、および管に対して円周方向に配置されマイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性の冷却ジャケットを備えている。ジャケットは、ジャケットの内表面に沿ってらせん経路で形成された、水を管の外表面上に運ぶためのチャネルを画定する。チャネルに隣接した媒体により、放電管の中心を通って延びる縦軸に平行な方向を向いたマイクロ波電界が管の中に入り、液体がチャネルを流れている間、プラズマを持続させることが可能になる。このシステムは、水の供給源に接続されたポンプ、および水をチャネルに再循環させるチャネルも備えている。
【００１７】
本発明は、マイクロ波プラズマ・システムのための液体冷却誘電体窓をも特徴とする。冷却部材は、誘電体窓の外表面に接触している。窓は、石英、サファイア、またはアルミナなどのマイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性の材料でできている。冷却部材は、マイクロ波吸収冷却液を窓の外表面上に運ぶためのチャネルおよびチャネルに隣接する媒体を画定する。媒体により、マイクロ波電界が窓を通過し、液体がチャネルを流れている間、室内のプラズマを持続させることが可能になる。
【００１８】
さらに詳細には、チャネルが、窓の外表面上にらせん経路を形成することができる。窓の表面に平行な方向を向いた電界は、液体によってほとんど減衰されずに窓に入り、したがってプラズマを形成し、持続させることが可能になる。冷却部材は、化学的に不活性であり、マイクロ波に対して透過性であるポリテトラフルオロエチレンで作成することができる。部材内のチャネルは、窓の外表面上に液体を送るポンプに接続可能である。液体は、水でよい。
【００１９】
他の実施例では、細長い冷却部材が、外表面が誘電体窓に接触しており、内表面がマイクロ波または無線波吸収冷却液を運ぶためのチャネルを画定する。冷却部材に隣接した媒体により、電界が窓を通過して、マイクロ波吸収冷却液がチャネルを流れている間、プラズマを形成し、持続させることが可能になる。冷却部材は、高熱伝導率材料で作成することができ、部材の外表面は管に熱的に結合することができる。
【００２０】
さらに詳細には、チャネルの外表面が、窓の上にらせん経路を形成することができる。窓の表面に平行な方向を向いたマイクロ波電界は、液体によってほとんど減衰されずに管に入り、したがってプラズマを形成し、持続させることが可能になる。
【００２１】
他の実施例では、プラズマ・アプリケータは、誘電体窓を有する室を備えている。冷却部材は、マイクロ波吸収冷却液を窓の外表面上に運ぶためのらせん経路を有するチャネルを画定する。チャネルに隣接した媒体により、窓の表面に平行な方向を向いたマイクロ波電界が窓を通過し、マイクロ波吸収冷却液がチャネルを流れている間、プラズマを持続させることが可能になる。液体の供給源およびチャネルに接続されたポンプが、チャネルに液体を再循環させる。
【００２２】
本発明では、プラズマ放電を生成するためのエネルギー源としてマイクロ波エネルギーを指定しているが、本発明の原理は、無線波（ＲＦ）エネルギー源を使用する場合にも適用されることに留意されたい。また、本発明では、マイクロ波吸収冷却液の使用を指定しているが、本発明を組み込んだシステムは、非吸収冷却液も利用できることに留意されたい。
【００２３】
本発明に関する以上の説明、他の目的、特徴、利点は添付図に示した発明の好適な実施例によってさらに明確になる。図は必ずしも限定強調するものではなく、本発明の原理を図示するにすぎない。
【００２４】
図１は、従来技術の液体冷却マイクロ波プラズマ・アプリケータの断面図である。アプリケータは、誘電体放電管１０を備えている。放電管は、マイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性であり、かつプラズマ処理に適した機械的、熱的および化学的特性を有する材料でできている。代表的な材料には、石英、サファイア、およびアルミナがある。管１４の上部にある気体の入口１２により、プロセス気体を管の中に導入することができる。管の底１６は、真空室１８に結合されている。真空ポンプ１９は、真空室を真空にするのに使用される。処理の間、管内に発生した反応性気体核種は、室の下方に向かって流れる。
【００２５】
マグネトロン２０は、管内にプラズマを生成し、持続させるのに必要なマイクロ波エネルギーを発生させる。マグネトロンの出力部２２は、管に結合された導波路２６にマイクロ波エネルギーを無制限に通過させる循環器２４に結合されている。導波路はエネルギーを管へ運ぶ。循環器は、管によって反射されたマイクロ波エネルギーを、マグネトロンを損傷しないように、ダミー負荷２８に向ける。調整器３０は、導波路内の電磁界摂動させることによって反射されるエネルギーを最小限に抑える。
【００２６】
入口３４および出口３６を備えた冷却ジャケット３２が管を覆っている。ジャケットに結合されたポンプ３８により、冷却液がジャケットを通って入口に入り、出口を通ってポンプに戻る。液体は、管の外表面全体と直接接触する。したがって、導波路内のマイクロ波エネルギーは、管に到達する液体に伝播することになる。液体によるマイクロ波エネルギーの吸収が著しい場合、導波路内のエネルギーは、管に十分に結合されず、プラズマを形成し持続させることができない。
【００２７】
したがって、従来の液体冷却マイクロ波プラズマ・アプリケータには、マイクロ波エネルギーをあまり吸収しない液体だけが使用される。そのような液体の例としては、シリコーン油、いくつかのクロロフルオロカーボン、および各種の炭化水素化合物がある。残念ながら、そのような液体は、環境上望ましくない上、高価である。また、多くのそのような液体は、作業者に対して危険であり、複雑な処理手順を必要とする。さらに、ほとんどのこれらの液体は、システムの費用および複雑さを著しく増大させる循環熱交換器を使用する必要がある。さらに、万一管が破裂した場合、これらの液体は、処理装置を汚染することになる。
【００２８】
図２は、本発明の原理を組み込んだマイクロ波吸収液体用の液体冷却マイクロ波プラズマ・アプリケータの断面図である。アプリケータは、従来技術と同じものである。マイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性であり、かつプラズマ処理に適切な機械的、熱的および化学的特性を有する材料でできた誘電体放電管５０を備えている。そのような材料には、石英、サファイア、およびアルミナがある。サファイアでできた管は、フッ素ベースの気体を使用する用途に望ましい。管５４の上部にある気体入口５２により、プロセス気体を管に導入することができる。管の底５６は、真空室５８に結合されている。管内に発生した反応性気体核種は、室の下方に向かって流れる。
【００２９】
入口６２および出口６４を備えた冷却ジャケット６０が管の外表面６６を覆っている。ジャケットは、マイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性である材料でできている。そのような材料の例は、ポリテトラフルオロエチレンである。ジャケットは、管の外表面を覆っているジャケットの内表面７０に沿って形成されたチャネル６８を備えている。チャネルは、管の外表面上に直接にマイクロ波吸収冷却液を運ぶための導管となる。液体は、容易に入手でき、熱伝導率が高く、化学的に不活性であるため便利な水でよい。
【００３０】
チャネルにより、冷却液が放電管の外表面のまわりの特定の経路をとるようになる。経路は、冷却液に触れる放電管の領域が最大となるように選択される。しかしながら、経路は、ある方向を向いたマイクロ波電界が管に入り、プラズマ放電を形成し、持続させることができるほどの十分な空間が空けられている。ある実施例では、チャネルは、経路のループ間に小さい間隔ができるように、管の外表面をらせん経路で覆っている。
【００３１】
導波路７２は、管内にプラズマを生成し、持続させるのに必要なマイクロ波エネルギーを、マグネトロン（図示せず）から管５０まで運ぶ。ある実施例では、マイクロ波電界は、管７６の中心を通って延びる縦軸７４に平行な方向を向いている。この向きにより、マイクロ波エネルギーが、液体によってほとんど減衰されずに、らせんチャネルのループ間の管内に容易に浸透することが可能になり、したがってプラズマを形成し、持続させることが可能になる。
【００３２】
プラズマ放電を生成するためのエネルギー源としてマイクロ波エネルギーが指定されているが、本発明の原理は、無線波（ＲＦ）エネルギー源を使用する場合にも適用されることに留意されたい。また、マイクロ波吸収冷却液の使用が指定されているが、本発明を組み込んだシステムは、非吸収冷却液も利用することが可能であることに留意されたい。
【００３３】
図３は、冷却ジャケットの他の実施例の断面図である。入口８２および出口８４を備えた冷却管８０は、放電管のまわりに巻き付けられている。冷却管は、経路のループ間に小さい間隔８８ができるように、放電管８６の外表面をらせん経路で覆っていることが望ましい。マイクロ波電界は、管９２の中心を通って延びる縦軸９０に平行な方向を向いている。この向きにより、マイクロ波エネルギーが、液体によってほとんど減衰されずに、らせんチャネルのループ間の管内に容易に浸透することが可能になり、したがってプラズマを形成し、持続させることが可能になる。
【００３４】
冷却管は、金属でも非金属でもよく、放電管の外表面に熱的に結合されている。この実施例は、液体と管の外表面との間が直接接触することが望ましくない状況に有用である。
【００３５】
図４は、本発明の他の面を表す、マイクロ波プラズマ・システム用の液体冷却誘電体窓の平面図である。マイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性の誘電体窓１００により、マイクロ波エネルギーが室（図示せず）内に入ることが可能になる。窓は、通常は石英、サファイア、またはアルミナでできている。
【００３６】
冷却部材１０２は、マイクロ波吸収冷却液を、窓１０６の外表面の上に運ぶためのチャネル１０４およびチャネルに隣接した媒体１０８を画定する。冷却部材は、窓を覆う冷却ジャケットとすることができる。範囲の媒体は、マイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性である。チャネルは、ある方向を向いたマイクロ波電界が窓を通過し、液体がチャネルを流れている間、室内にプラズマ放電を形成し、持続させることができるように、ある経路に形成されている。部材内のチャネルは、窓の外表面上に液体を送るポンプ（図示せず）に結合されている。液体は、熱伝導率が高く、使いやすい水でよい。
【００３７】
ある実施例では、冷却ジャケットは、窓の外表面上にマイクロ波冷却液を運ぶためのらせん経路を有するチャネルを画定する。ジャケットは、化学的に不活性であるポリテトラフルオロエチレンで作成することができる。らせん経路の間のチャネルに隣接した媒体は、マイクロ波エネルギーに対してほぼ透過性である。らせんパターンは、マイクロ波エネルギーの半径方向の結合を最小限に抑えるので望ましい。したがって、窓の表面に平行な方向を向いた電界は、ほぼ減衰されずに窓を通過し、マイクロ波吸収冷却液がチャネルを流れている間、プラズマを生成し、持続させることが可能である。
【００３８】
あるいは、冷却部材は、外表面が窓に接触しており、かつ内表面がマイクロ波吸収冷却液または無線波吸収冷却液を運ぶためのチャネルを画定する細長い冷却部材でもよい。細長い部材は、窓に接触して配置されている。冷却部材に隣接した媒体により、電界が窓を通過して、マイクロ波吸収冷却液がチャネルを流れている間、プラズマを生成し、持続させることが可能になる。媒体は、空気でよい。冷却部材は、高熱伝導率材料で作成し、部材の外表面を管に結合することができる。
【００３９】
特定の実施例に関して、本発明を詳細に図示し、説明してきたが、当業者なら、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、各種の形状および細部の変更が可能であることを理解するであろう。例えば、液体冷却プラズマ・アプリケータおよび液体冷却誘電体窓に関して、マイクロ波電界の特定の向き、およびマイクロ波吸収冷却液の特定の経路を記載したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の電界方向および液体経路を使用することが可能であることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来技術の液体冷却マイクロ波プラズマ・アプリケータの断面図である。
【図２】マイクロ波吸収液体用の液体冷却マイクロ波プラズマ・アプリケータの断面図である。
【図３】マイクロ波吸収液体用の液体冷却マイクロ波プラズマ・アプリケータの冷却ジャケットの他の実施例の断面図である。
【図４】マイクロ波プラズマ・システムのための液体冷却誘電体窓の平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  誘電体放電管
１２  気体入口
１４  管
１６  管の底
１８  真空室
１９  真空ポンプ
２０  マグネトロン
２２  マグネトロンの出力部
２４  循環器
２６  導波路
２８  ダミー負荷
３０  調整器
３２  冷却ジャケット
３４  入口
３６  出口
３８  ポンプ
５０  管
５２  気体入口
５４  管
５６  管の底
５８  真空室
６０  冷却ジャケット
６２  入口
６４  出口
６６  管の外表面
６８  チャネル
７０  ジャケット内表面
７２  導波路
７４  縦軸
７６  管
８０  冷却管
８２  入口
８４  出口
８６  放電管
８８  小さい間隔
９０  縦軸
９２  管
１００  誘電体窓
１０２  冷却部材
１０４  チャネル
１０６  窓
１０８  媒体
【図１】
2010103121.tif 000003
【図２】
2010103121.tif 000004
【図３】
2010103121.tif 000005
【図４】
2010103121.tif 000006