(57)【要約】  プラズマリアクタ（１０）は、ガス入口（１８）及びガス出口（２０）を有するマイクロ波共振空胴（１２）と、マイクロ波放射を共振空胴に伝えるための導波管（１４）と、ガス入口（１８）からガス出口（２０）に流れるガスと反応するイオンを含むプラズマ流を、共振空胴内に注入するためのプラズマトーチ（４０）と、を含む。
2009513329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス入口及びガス出口を有するマイクロ波共振空胴と、
マイクロ波放射を共振空胴に伝えるための導波管と、
ガス入口からガス出口に流れるガスと反応するイオンを含むプラズマ流を共振空胴内に注入するためのプラズマトーチと、を含む、
ことを特徴とするプラズマリアクタ。
【請求項２】
プラズマトーチは、プラズマ源ガスからプラズマ流を発生させるための手段と、前記イオンを形成するために、プラズマ流に衝突するための前記イオンの源をプラズマ流に運ぶための手段と、を含む、
請求項１に記載のプラズマリアクタ。
【請求項３】
プラズマトーチは、ガス入口から共振空胴にイオンを注入するように構成される、
請求項１又は２に記載のリアクタ。
【請求項４】
プラズマトーチは、ガスを受け入れるための手段と、イオンと共に共振空胴への注入のために、ガスをプラズマ流に運ぶための手段と、を含む、
請求項３に記載のリアクタ。
【請求項５】
共振空胴は、プラズマ流を共振空胴内に注入する更なる入口を含む、
請求項１又は２に記載のリアクタ。
【請求項６】
共振空胴は、複数の前記更なる入口を含み、
リアクタは、各々がそれぞれの更なる入口を通して共振空洞内にプラズマ流を注入するように構成された複数の前記プラズマトーチを含む、
請求項５に記載のリアクタ。
【請求項７】
共振空胴は、それぞれのガス流が共振空胴に入る複数の前記ガス入口を含む、
請求項１から６のいずれか１項に記載のリアクタ。
【請求項８】
共振空胴は、単一モード共振空胴であり、
リアクタは、共振空胴内に電磁定常波を形成するための手段を含む、
請求項１から７のいずれか１項に記載のリアクタ。
【請求項９】
その、または各プラズマトーチは、プラズマ流が、電磁定常波の電界の実質的に最大のところで、プラズマトーチから空胴に注入されるように位置決めされる、
請求項８に記載のリアクタ。
【請求項１０】
共振空胴は、多モード共振空胴である、
請求項１から７の何れか１項に記載のリアクタ。
【請求項１１】
マイクロ波は、２ｋＷ以下の電力を有する、
請求項１から１０の何れか１項に記載のリアクタ。
【請求項１２】
マイクロ波は、１ｋＷ以下の電力を有する、
請求項１から１１の何れか１項に記載のリアクタ。
【請求項１３】
請求項１から１２の何れか１項に記載のプラズマリアクタを含む、ことを特徴とする、プロセスツールからのガス流排気を処理するための装置。
【請求項１４】
ガス入口及びガス出口を有するマイクロ波共振空胴と、
マイクロ波放射を共振空胴に伝えるための導波管と、
ガス入口からガス出口に流れるガスと反応するイオンを含むプラズマ流を、共振空胴内に注入するためのプラズマトーチと、を含む、
ことを特徴とするプラズマ除害装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマリアクタに関する。装置は、プラズマ除害システムに特定の用途を見いだすが、本発明は、そのようなシステムに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造における一次工程は、蒸気の前駆体の化学反応によって半導体基板の上に薄膜を形成することである。基板上に薄膜を置くための１つの知られた技術は、化学蒸着法（ＣＶＤ）である。この技術では、プロセスガスが、基板を収容するプロセス室に供給され、基板の表面に薄膜を形成するように反応する。薄膜を形成するためにプロセス室に供給されるガスの例は、
・窒化珪素膜を形成するためのシラン及びアンモニア
・ＳｉＯＮ膜を形成するためのシラン、アンモニア、及び一酸化二窒素
・酸化シリコン膜を形成するためのＴＥＯＳと、酸素及びオゾンの何れか一方
・酸化アルミニウム膜を形成するためのＡｌ（ＣＨ3）3及び水蒸気
を含む、しかし、これらに制限されない。
【０００３】
プラズマエッチング工程は、また、典型的に、回路部分をエッチングするプロセス室内で行われる。エッチングガスは、典型的には、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6、ＣＨＦ3、ＮＦ3、及びＳＦ6-のようなペルフルオロ化合物である。
【０００４】
プロセス室の内面は、また、通常、望ましくない付着材料を室から取り除くために、定期的に洗浄される。室を洗浄する１つの方法は、望ましくない付着材料と反応するように、ＮＦ3またはＣ2Ｆ6のようなペルフルオロ化合物洗浄ガスを供給することにある。
【０００５】
プロセスツールは、典型的に、複数のプロセス室を有し、その各々は、付着、エッチング、または洗浄工程におけるそれぞれ異なるステージであり、したがって、任意の所定時間で室からの排気であるガスは、様々な異なる化合物を有する。これらの工程中、典型的に、プロセス室に供給されたガスの残量が、プロセス室からのガス排気に含まれる。シラン及びアンモニアのようなガスは、大気に排出されると非常に危険であり、ペルフルオロ化合物は、温暖化ガスである。この観点から、排出ガスが大気に排出される前に、排出ガスを処理する除害装置がしばしば設けられる。除害装置は、排出ガスのより有害なまたは望ましくない成分を、例えば従来の洗浄によって、排出ガスから容易に除去することができる及び／又は大気に安全に排出することができる化学種に変換する。
【０００６】
ＮＦ3及びＣ2Ｆ6のような、シラン、アンモニア、及びペルフルオロ化合物（ＰＦＣｓ）を、マイクロ波プラズマ除害装置を用いて、ガス流から高効率で取り除くことができる。マイクロ波プラズマリアクタの例は、英国特許第ＧＢ２，２７３，０２７号に記載されている。その装置では、導波管が、マイクロ波放射を、マイクロ波発生器から、接近して対向した関係に２つの電極を収容する共振空胴内に伝える。処理されるべきガスは、ガス入口から空胴に流入し、電極間を通り、それにより、マイクロ波プラズマが、電極間を流れるガスから２つの電極間で発生し、持続される。電極の１つは、共振空胴からのガス出口を提供する軸方向孔を有する。プラズマ内の集中状態の下で、ガス流内の化学種は、エネルギを与えられた電極との衝突を受け、比較的安定した副産物を生じさせるために酸素または水素と結合することができる反応種への解離を引き起こす。例えば、Ｃ2Ｆ6は、更なる処理段階で取り除くことができるＣＯ、ＣＯ2、及びＨＦに変換され、ＳｉＨ4は、ＳｉＯ2に変換される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、マイクロ波プラズマ除害装置を、プロセスツール室からのガス流排気を処理するために、ツールの各プロセス室からの排気に連結してもよく、各装置は、自己のマイクロ波発生器を有する。しかしながら、プロセス室から排出されたガス流は、典型的に、比較的高い流速を有するので、プラズマを起こし、且つ許容できる破壊及び除去効率（ＤＲＥ）を維持するのに必要なマイクロ波の電力は、典型的に３ないし６ｋＷと、比較的高い傾向がある。したがって、マイクロ波プラズマ除害装置と関連したコストは、比較的高い傾向がある。
【０００８】
マイクロ波プラズマ除害装置を使用する変形として、直流プラズマトーチ除害装置を、プロセスツールから排出された各ガス流を処理するのに使用してもよい。知られているように、直流プラズマトーチは、トーチの電極間に運ばれた、アルゴンのような不活性且つイオン化可能なガスからプラズマ炎を作る。ガス流及び適当な源の水素及び酸素を、上述の比較的安定した副産物を形成するように反応させるために、プラズマ炎の中に運び込むことができる。プラズマトーチ除害装置は、例えば、複数のトーチを、単一の直流電源から作動することができるので、マイクロ波プラズマ除害装置と比べて比較的安価で、比較的作動し易い。しかしながら、過フッ化炭化水素及びＮＦ3のような洗浄ガスの除害性能は、マイクロ波プラズマ除害装置の除害性能と比べて、比較的低い傾向がある。
【０００９】
本発明の少なくとも好ましい実施形態の目的は、マイクロ波プラズマ除害装置の比較的高い破壊効率を、プラズマトーチ除害装置と関連した低コストと結合することができるプラズマリアクタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ガス入口及びガス出口を有するマイクロ波共振空胴と、マイクロ波放射を共振空胴に伝えるための導波管と、ガス入口からガス出口に流れるガスと反応するイオンを含むプラズマ流を共振空胴に注入するためのプラズマトーチと、を含むプラズマリアクタを提供する。
【００１１】
プラズマトーチによって空胴内に注入されたプラズマ流に加えられるのマイクロ波の作用は、ペルフルオロ化合物のＤＲＥが、マイクロ除害退装置のＤＲＥに匹敵するように、プラズマトーチによって作られたプラズマ流の反応性を著しく高めることができる。プラズマ流の反応性をこのレベルまで高めるのに必要なマイクロ波電力は、プロセスツールの室から排出されたガス流のために１ｋＷ以下になることができ、比較的低コストのマイクロ波発生器を使用してマイクロ波を発生させることができることを見いだした。
【００１２】
１つの好ましい実施形態では、プラズマトーチは、プラズマ源ガスからプラズマ流を発生させるための手段と、前記イオンを形成するために、プラズマ流に衝突するための前記イオンの源をプラズマ流に運ぶための手段と、を含む。イオンは、加熱されたＯＨ-及び／又はＨ+イオンからなるのがよい。共振空胴の中を流れるガスとのその後の反応のために、加熱されたＯＨ-及び／又はＨ+イオンを、水またはアルコールのような、適当な源から形成することにより、ガスの分解を引き起こすのに必要なエネルギを減じることができ、その分解の効率を根本的に改善することができることを見いだした。
【００１３】
例えば水素、炭化水素、またはアルコール等のための、水蒸気または燃料のような、比較的安価で容易に入手可能な流体を、Ｈ+及び／又はＯＨ-イオンを生成するのに使用することができ、反応が、例えば大気圧近傍またはそれ以下の、任意の都合の良い圧力で起こることができる。適当なアルコールの例は、メタノール、エタノール、プロパノール、プロパン−２−オール、及びブタノールを含む。Ｈ+イオンの源の他の例は、水素、炭化水素、アンモニア、及びパラフィンを含む。
【００１４】
ある実施形態では、プラズマトーチは、イオンをガス入口から共振空胴に注入するように構成されている。この実施形態では、プラズマトーチは、ガスを受け入れるための手段と、共振空胴にイオンと共に注入するためにガスをプラズマ流に運ぶための手段と、を含んでいてもよい。
【００１５】
プラズマ流を、ガスとは別個に共振空胴に注入してもよく、したがって、他の実施形態では、共振空胴は、プラズマ流を共振空胴に注入する更なる入口を含む。共振空胴は、例えばそれぞれのプロセス室から各ガスを受け入れるため、及び／又はそれぞれのプラズマトーチからプラズマ流を受け入れるための多数の入口を備えていてもよい。
【００１６】
共振空胴は、多モードまたは単一モードの共振空胴であってもよい。もし、空胴が単一モードの空胴であるならば、リアクタは、共振空胴内に電磁定常波を形成するための手段を備える。そのまたは各プラズマトーチは、好ましくは、プラズマ流が、空胴内の電場強さがピークになり、それによりプラズマ流の反応性の高まりを最大にする位置で空胴に注入されるように配置される。
【００１７】
もし空胴が、電場の強さが空胴内でおおよそ均一である多モードの空胴であるならば、プラズマトーチを、任意の都合のよい位置に配置することができる。
【００１８】
本発明は、また、プロセスツールから排出されたガス流を処理するための装置であって、前述のようにプラズマリアクタを含む前記装置を提供する。本発明は、ガス入口及びガス出口を有するマイクロ波共振空胴と、マイクロ波放射を共振空胴に伝えるための導波管と、ガス入口からガス出口に流れるガスと反応するイオンを含むプラズマ流を共振空洞内に注入するためのプラズマトーチと、を含むプラズマ除害装置を更に提供する。
【００１９】
本発明の好ましい特徴を、今、添付図面を参照して例としてのみ記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１を参照すると、プラズマリアクタ１０は、電導性共振空胴１２を含む。この実施形態では、共振空胴は、ＴＥ01モードで作動する単一モード共振空胴である。共振空胴１２の一端は、マイクロ波放射をマイクロ波発生器（図示せず）から共振空胴１２の中へ伝えるための導波管１４に連結されている。共振空胴１２の他端は、短絡１６に連結されている。共振空胴は、この実施形態では、図１に矢印２２で示すように、共振空胴１２の中のマイクロ波の伝播方向に直交して配置されたガス入口１８及びガス出口２０を有する。
【００２１】
短絡１６は、共振空胴１２の反対側で導波管１４の延長部を提供する。短絡１６は、一部が導波管１４の端から間隔を隔てられた端プレート２６によって画成された室２４を含み、それにより、入射マイクロ波放射は、共振空胴１２内に電磁定常波を形成するように端プレート２６によって反射される。端プレート２６の導波管１４の端に対する位置は、調整可能であってもよい。
【００２２】
共振空胴１２は、好ましくは、ＰＴＦＥ、または適切な耐腐食性を保持するが共振空胴１２を通して伝えられるマイクロ波放射を実質的に透過する他の適当な材料で形成される２つの誘電プレート部材２８，３０を収容する。各プレート部材２８，３０は、好ましくは、共振空胴１２の中のマイクロ波放射の伝播方向に直交して延びる第１側壁部分３２と、一部が共振空胴１２内にガス室３６を画成する第２側壁部３４と、を有する。ガス室３６は、任意の所望の断面を有していてもよい。
【００２３】
使用中、マイクロ波放射は、マイクロ波発生器から導波管１４によって共振空胴１２に、かくしてガス室３６に供給される。発生器は、好ましくは２ｋＷ以下、より好ましくは１ｋＷ以下の比較的低い電力で、マイクロ波放射を発生させる。短絡１６の端プレート２６は、マイクロ波を反射させて共振空胴１２内に定常波を形成し、共振空胴１２内の電磁場は、ガス入口１８とガス出口２０の間に位置する最大値を有する。
リアクタ１０は、ガス入口１８とガス出口２０の間に流れるガスと反応するためのイオンまたはラジカルを含むプラズマ流を共振空胴１２内に注入するための直流プラズマトーチ４０を更に含む。プラズマトーチ４０は、第１開口端４４及び第２開口端４６を有する管状カソードまたは電子エミッター４２を含む。冷却水が、電子エミッター４２の周りに搬送される。電子エミッター４２のボア４８は、電子エミッター４２の第２開口４６を取り囲む始動アノードまたは電極５２に形成されたノズル５０と整合している。始動電極５２は、電子エミッター４２を取り囲む絶縁ブロック５４に取り付けられ、絶縁ブロック５４には、電子エミッター４２及び始動電極５２に、及びそこから冷却水を供給するための冷却剤入口及び出口が形成されている。
【００２４】
プラズマトーチ４０は、電子エミッター４２と始動電極５２の間に配置された空胴５７に入る、イオン化可能なプラズマ源ガス、例えばアルゴンまたは窒素の流れを受け入れるための第１ガス入口５６を有する。使用中、まず、高周波の高電圧信号をハフニウムインサート５８に供給することによって、パイロットアークを、電子エミッター４２と始動電極５２の間に発生させる。かくして、電子エミッター４２と始動電極５２の間に形成されたパイロットアークは、第１ガス入口５６から空胴５７に入るプラズマ源ガスをイオン化して、ノズル５０の先端からイオン化源ガスの高運動量のプラズマ炎または流れを作る。
【００２５】
プラズマトーチ４０は、イオン源、例えば水蒸気の流れを受け入れるための第２ガス入口６０を更に含む。水は、第２ガス入口６０から、ノズル５０の下方に配置されたプラズマ領域６２に運ばれ、それにより、水は、プラズマ流によって分解され、プラズマ流内に同伴されるようになるＨ+及びＯＨ-イオンを形成する。
【００２６】
この実施形態では、プラズマトーチ４０は、プラズマ流を、共振空胴１２のガス入口１８から共振空胴１２に注入するように構成されている。プラズマトーチ４０は、プラズマ流内に同伴されたイオンとの反応によってリアクタ１０内で処理されるべきガスを受け入れるための第３ガス入口６４を含む。第３ガス入口６４は、ガスを、電子エミッター４２の第１開口端４４を通して電子エミッター４２のボア４８に運び込むために、電子エミッター４２及び始動電極５２と実質的に同軸上に配置される。ガスは、電子エミッター４２の第２開口端４６からプラズマ領域６２に流入し、それにより、ガスは、空胴５７内でプラズマ源ガスと混合し、ガス入口１８を通るプラズマ流と共にプラズマトーチ４０から共振空胴１２に放出される。マイクロ波放射によって共振空胴１２内に形成された定常波は、処理されるべきガスとプラズマ流内のイオンとの反応を高め、それにより、ガスは、高い破壊及び除去効率（ＤＲＥ）で破壊される。
【００２７】
リアクタ１０を、例えば半導体または平面パネル表示装置の製造のための、プロセスツールのプロセス室からのガス流排気を処理する除害装置として使用してもよい。そのようなプロセスツールは、複数のプロセス室を有していてもよく、この場合、各々がそれぞれのプロセス室からのガス排気を処理するための、複数のプラズマリアクタ１０を備えていてもよい。しかしながら、コストを、２つまたはそれ以上のガス流を同時に処理するように構成されたプラズマリアクタ１０を設けることによって減ずることができる。そのようなプラズマリアクタの例を、今、記載する。
【００２８】
図２に示す第２実施形態では、プラズマリアクタ１０は、例えば各プロセス室からの、少なくとも２つのガス流を処理するように構成されている。２つのガス流は、各々、それぞれのガス入口７０ａ、７０ｂを通って共振空胴１２に運び込まれる。図２に示すように、これらのガス入口７０ａ、７０ｂは、ガス流が、プラズマ流を共振空胴１２内に注入する更なる入口７４の直下に位置される点７２で収束するように配置されている。前述の第１実施形態におけるように、第３ガス流が、プラズマ流と共に共振空胴１２内に注入するために、プラズマトーチ４０の第３ガス入口６４に運ばれてもよい。変形例として、プラズマ流内に同伴されるようになるイオンを形成するために、イオン源が、第３ガス入口６４に伝えられてもよい。
【００２９】
図３に示す第３実施形態では、プラズマリアクタ１０は、複数のプラズマトーチ４０ａ、４０ｂを含む。これらのプラズマトーチの各々は、第１実施形態のプラズマトーチ４０と同様であり、したがって、プラズマトーチ４０ａ、４０ｂの各々は、イオン化可能なプラズマ源ガスの流れを受け入れるための第１ガス入口と、イオン源の流れを受け入れるための第２ガス入口と、処理されるべきそれぞれのガス流を受け入れるための第３ガス入口６４と、を有する。トーチ４０ａ、４０ｂは、プラズマ流が、そこに同伴されたガス及び反応性イオンと共に、共振空胴内に発生された定常波の電界の実質的に最大値において、それぞれのガス入口（図示せず）を通って共振空胴１２に入るように配置される。共振空胴１２は、単一のガス出口を有していてもよいし、または各々が、共振空胴１２のそれぞれのガス入口の下方に配置される複数のガス出口を有していてもよい。
【００３０】
他の実施形態では、第３実施形態のプラズマリアクタ１０は、各々が、ガスを共振空胴１２に入るプラズマ流の一つの中に運び込むための、第２実施形態のガス入口７０ａ、７０ｂと同様の更なるガス入口を備えていてもよい。
【００３１】
上述の実施形態では、共振空胴１２は、ＴＥ01モードで作動する。しかしながら、空胴１２は、代替的な単一モードまたは多モード方式で作動するように構成されてもよい。空胴１２を、むしろマイクロ波オーブンのように、共振空胴１２にわたるマイクロ波電場が実質的に均一となるように、多モード方式で作動するように構成することにより、共振空胴１２に対する１つまたはそれ以上のプラズマトーチの配置について、選択のより大きな自由度がある。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】プラズマリアクタの第１実施形態の側方から見た断面図である。
【図２】プラズマリアクタの第２実施形態の側方から見た断面図である。
【図３】プラズマリアクタの第３実施形態の平面図である。
【図１】
2009513329.tif 000003
【図２】
2009513329.tif 000004
【図３】
2009513329.tif 000005
【国際調査報告】
2009513329.tif 000006
2009513329.tif 000007
2009513329.tif 000008