(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを除害するための装置であって、
除害されるガスをガス流路に沿って導くガス入口と、ガス出口と、前記ガスを格納するための少なくとも１つのチャンバ壁とを有するプラズマ源と、
前記プラズマ源を通って延在している平面に沿って配向された環状プラズマ通路であって、前記環状プラズマ通路が、環状プラズマ通路入口部分、主環状プラズマ通路部分および環状プラズマ通路出口部分を有し、前記環状プラズマ通路入口部分および前記環状プラズマ通路出口部分が、それぞれ前記主環状プラズマ通路部分の幅Ｗより狭い幅を有する、環状プラズマ通路と、
前記環状プラズマ通路に対して配置された１つまたは複数の磁心であって、該磁心は前記環状プラズマ通路が前記１つまたは複数の磁心の各々を通過するように配置されている、１つまたは複数の磁心と、
前記１つまたは複数の磁心に結合された一次巻線と、
前記プラズマ源は、前記プラズマ源を通って延在している前記平面に沿って、前記環状プラズマ通路の中に閉じ込められる環状プラズマを生成する、装置であって、前記ガス入口は、前記ガス流路が前記プラズマ源を通って延在している前記平面に対してほぼ垂直になるように配向される、装置。
【請求項２】
前記主環状プラズマ通路部分の前記幅Ｗは、前記環状プラズマの断面の直径にほぼ等しい、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ガス入口は、前記環状プラズマ通路に流入する前記除害されるガスの摩擦および抗力を小さくする湾曲部分を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ガス入口の湾曲部分は球状鈍頭円錐である、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記環状プラズマ通路の主直径が、前記ガス入口の直径以上である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ガス入口の前記直径が、約２．５４センチメートル（１インチ）と２５．４センチメートル（１０インチ）との間である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記除害されるガスが、前記環状プラズマ通路に流入する前に１つまたは複数の反応物ガスと混合される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記環状プラズマ通路が、前記環状プラズマを静電結合から遮蔽するための少なくとも１つの金属層を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
１つまたは複数の誘電体ギャップが前記環状プラズマ通路に沿って配置され、誘導電流が前記環状プラズマ通路において流れることを防止する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
プラズマ源内でプロセス・ガスを除害するための方法であって、
除害されるガスを、ガス入口を介して、ガス流路に沿ってプラズマ源中に導く工程であって、前記プラズマ源は、前記プラズマ源に結合された一次巻線と、複数の磁心とを有し、前記複数の磁心は、前記プラズマ源を通って延在している平面に沿って配向された環状プラズマ通路が前記複数の磁心の各々を通過するように配置される、工程と、
前記プラズマ源を通って延在している前記平面に沿って、前記環状プラズマ通路の中に閉じ込められる環状プラズマを生成する工程と、
前記ガス流路が前記プラズマ源を通って延在している前記平面に対してほぼ垂直になるように前記ガス入口を配置する工程と、
前記除害されるガスがピーク電子密度を有する前記環状プラズマの本体と相互作用するよう、前記除害されるガスを前記環状プラズマ通路に流入させる工程と、を備える方法。
【請求項１１】
前記除害されるガスが前記環状プラズマ通路に流入する前に、前記除害されるガスと混合するための１つまたは複数の反応物ガスを提供する工程をさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
誘導電流が前記環状プラズマ通路において流れることを防止するために、前記環状プラズマ通路に沿って１つまたは複数の誘電体ギャップを配置する工程をさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にプロセス・ガス除害の分野に関する。より詳細には、本発明は、環状プラズマを使用してプロセス・ガスを除害するための装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エッチングおよび化学気相成長などの半導体プロセスでは、処理中に化学反応ガスが使用されてよく、あるいは処理の結果として化学反応ガスが生成され得る。これらの有毒プロセス・ガスあるいは他の有害プロセス・ガスは、大気中へのそれらの解放に先立って、処置または除害され得る。このようなガスの除害（ａｂａｔｅｍｅｎｔ）のために、多くの技術が伝統的に使用されている。例えば熱除害プロセスは、通常、ハロゲン含有ガスと水素含有燃料を燃焼させて、フッ素（Ｆ）または塩素（Ｃｌ）をフッ化水素（ＨＦ）または塩化水素（ＨＣｌ）に変換することによって実施される。これらの例示的プロセスでは、結果として得られるＨＦまたはＨＣｌは、引き続いて洗浄装置の中で除去され得る。
【０００３】
現在の除害プロセスの他の例は触媒熱除害である。触媒熱除害は、典型的には、ハロゲン含有ガスを高温で金属酸化物に露出させて、ハロゲンを塩に変換することによって実行される。他の例は、マイクロ波プラズマを使用して準大気圧または大気圧で実行され得るプラズマ除害である。
【０００４】
現在の熱除害プロセスでは、エネルギーの使用が非効率的であり得る。多くのハロゲン含有化合物は化学的に安定であり得るが、熱除害を達成するためには（例えば１０００Ｋから２０００Ｋの）温度が必要である。例えばこの困難性は、高度に安定している四フッ化炭素（ＣＦ４）を除害する場合に生じ得る。
【０００５】
大気圧で行われる現在の熱除害プロセスは、ポンプを保護するために、プラズマ・デバイスの真空ポンプに加えられる大量のパージ・ガスが必要となり得る。したがって高いレベルのエネルギーが単にパージ・ガスを加熱するためだけに浪費され得る。
【０００６】
触媒熱除害プロセスは、より高い除害効率を達成することができるが、依然として高い維持費および高い消耗品費の問題を抱えることがあり得る。半導体プロセスの間、ハロゲン含有ガスの流れが連続的でなく、個々のウェーハ・サイクルの中でトグル・オンおよびトグル・オフすることがしばしばである。動作温度に到達するまでのバーナの熱時定数は、ウェーハ・サイクルよりはるかに長いことがあるため、熱除害ユニットは、しばしば、連続的に、かつ、劇的にエネルギー効率を低下し続けている。
【０００７】
プラズマ除害では、既存の技術は、高い除害効率（例えば９５％を超える）を立証している。プラズマは、ＤＣ放電、無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）放電およびマイクロ波放電を始めとする様々な方法で発生され得る。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、電源からのエネルギーを静電的または誘導的のいずれかによってプラズマ中に結合することによって達成される。エネルギーを静電的にプラズマ中に結合するためには、典型的には平行板が使用される。電流をプラズマ中に誘導するためには、典型的には誘導コイルが使用される。マイクロ波放電は、マイクロ波通過窓を介して、ガスを格納した放電チャンバ中にマイクロ波エネルギーを直接結合することによって達成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
既存の技術、例えば誘導結合プラズマまたはマイクロ波プラズマのいずれかは、限られた動作範囲を有し得る。高い除害効率を達成するために、典型的には除害されるガスがプラズマ中で励起され、かつ、反応される。プラズマは、ガス分子がプラズマと相互作用することなくプラズマ領域をバイパスすることができないよう、可能な限り多くのガス流路を覆うことが望ましい。
【０００９】
除害中、例えばガス流路に対する制限のため、圧力増加が生成され得る。除害デバイスは、しばしば、除害されるガスが使用され、および／または生成されるプロセス・チャンバの下流側に設けられるため、除害デバイス内の圧力上昇は、プロセス・チャンバ内のプロセスに直接影響を及ぼし得る。したがって除害中の圧力上昇を制限することが望ましい。
【００１０】
既存のプラズマ除害デバイスは、ガス流量および動作圧力の範囲が制限される問題を抱えることがあり得る。それらは、例えば反応プラズマ化学およびプラズマ源の中に生成される高エネルギー・イオンのため、表面浸食の問題を抱えることがあり得る。
【００１１】
本発明の利点の１つは、例えばプラズマ通路の形状および構成のため、プロセス・ガスを除害するための高フロー・コンダクタンス（例えば５００Ｌ／ｓを超える）のプラズマ源を提供することである。他の利点は、除害されるプロセス・ガスの滞留時間が調整され得ること、および最適化され得ることである。プラズマ中におけるガス滞留時間は、除害効率にとっては極めて重大であり得る。例えば滞留時間が短すぎると、ガス−プラズマ相互作用が不十分になり、また、除害速度が遅くなることになり、一方、滞留時間が長すぎると、ガスが過熱し、エネルギー効率が低下することになり得る。本発明の他の利点は、そのトポロジーが構造的拡張可能性を可能にし、したがってプラズマ通路寸法がサイズ化され、広範囲にわたるプロセス要求事項に適応し得ること、および／または有効な除害性能を容易にし得ることである。ガス入口フィッティングおよび出口フィッティングは、例えばユーザのポンプ供給設備に合致するよう、拡張可能にすることができ、それにより既存の半導体製造システムにより容易に統合することができる。本発明のさらに他の利点は、環状プラズマ源中の電界が小さいため、プラズマ・チャンバ表面の浸食が小さいことである。
【００１２】
本発明の他の利点は、高度に安定しているＣＦ４の除害において、動作中における高いエネルギー効率（例えば６×１０−３〜１２×１０−３ｍ３／ｈ（１００〜２００ｓｃｃｍ）のＣＦ４の場合、３〜６ｋＷ）によって達成される、９５％を超える高い除害効率である。本発明の他の利点は、０．１トルから数十トルまでの広い動作圧力範囲であり、いくつかのケースでは大気圧までの広い動作圧力範囲である。本発明の他の利点は、０．１トル以下の小さい圧力降下である。除害システムにおける高いエネルギー効率および小さい圧力降下などのパラメータは、改善された製品寿命、変化するガス流量に対する高速応答、および除害装置のより安価な資本費および運転費をもたらし得る。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一態様では、本発明は、ガスを除害するための装置を含む。装置は、プラズマ中への点火のための不活性ガスを受け取る第１のガス入口、除害されるガスを受け取る第２のガス入口、ガス出口、およびガスを格納するための少なくとも１つのチャンバ壁を有するプラズマ・チャンバを含む。１つまたは複数の磁心が環状プラズマ・チャンバに対して配置され、１つまたは複数の磁心は、環状プラズマ・チャンバがその１つまたは複数の磁心の各々を通過するように配置される。一次巻線が１つまたは複数の磁心に結合される。プラズマ・チャンバは環状プラズマを閉じ込める。環状プラズマは、プラズマ・チャンバを通って延在している平面に沿って延在する。第２のガス入口は、第１のガス入口と第２のガス入口の間の環状プラズマ通路体積が不活性ガスで実質的に充填されるよう、環状プラズマ
・チャンバ上の第１のガス入口とガス出口の間に、ガス出口から平面に沿って距離ｄを隔てて置かれる。距離ｄは、除害されるガスの所望の滞留時間を基礎にされる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、平面に沿った距離ｄは、約５．０８センチメートル（２インチ）から１２．７センチメートル（５インチ）である。いくつかの実施形態では、第２のガス入口は、環状プラズマ・チャンバに沿って置かれた一連の選択可能ガス入口ポートである。様々な実施形態では、除害されるガスは、プラズマ・チャンバに流入する前に１つまたは複数の反応物ガスと混合される。いくつかの実施形態では、除害されるガスと混合される１つまたは複数の反応物ガスは水蒸気である。
【００１５】
様々な実施形態では、装置は、ガス出口に対して置かれ、かつ、プラズマ・チャンバからの放出を監視するように構成されたセンサを含む。様々な実施形態では、センサは、光および／または赤外線センサを含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、除害されるガスは、プラズマ・チャンバに流入する前に１つまたは複数の反応物ガスと混合される。いくつかの実施形態では、除害されるガスと混合される１つまたは複数の反応物ガスは水蒸気である。様々な実施形態では、除害される、第２のガス入口によって受け取られるガスは塩素化合物である。いくつかの実施形態では、除害される、第２のガス入口によって受け取られるガスは、パーフルオロカーボン化合物である。様々な実施形態では、第２のガス入口によって受け取られるパーフルオロカーボン化合物は、四フッ化炭素を含む。
【００１７】
他の態様では、本発明は、プラズマ・チャンバ内でプロセス・ガスを除害するための方法を含む。方法は、プラズマ中への点火のための第１のガスを第１のガス入口を介して環状プラズマ・チャンバに流入させる工程であって、環状プラズマ・チャンバが、プラズマ・チャンバに結合された一次巻線および複数の磁心を有し、複数の磁心が、プラズマ・チャンバが複数の磁心の各々を通過するように配向される工程を含む。方法は、プラズマ・チャンバの中に、プラズマ・チャンバを通って延在している平面に沿って環状プラズマを生成する工程を同じく含む。方法は、第１のガス入口とガス出口の間に、プラズマ・チャンバに沿って、ガス出口から平面に沿って距離ｄを隔てて第２のガス入口を置く工程を同じく含み、距離ｄは、除害されるガスの所望の滞留時間に基づいている。方法は、除害されるガスが環状プラズマと反応するよう、除害されるガスを第２のガス入口を介してプラズマ・チャンバに流入させる工程をさらに含む。
【００１８】
いくつかの実施形態では、方法は、除害されるガスの所望の滞留時間を制御するために、第２のガス入口の位置を調整する工程をさらに含む。様々な実施形態では、方法は、環状プラズマ通路内の第１のガス入口と第２のガス入口の間の環状プラズマ通路体積が第１のガスによって実質的に充填されるよう、プラズマ・チャンバに流入する第１のガスの流量を調整する工程をさらに含む。いくつかの実施形態では、方法は、第２のガス入口を介してプラズマ・チャンバに流入する前に、除害されるガスと混合するための反応物ガスを提供する工程をさらに含む。さらに、様々な実施形態では、方法は、光および／または赤外線センサによってプラズマ・チャンバからの放出を監視する工程と、反応物ガスの濃度が除害されるガスと反応させるための所望のレベルになるよう、プラズマ・チャンバからの放出に応答して反応物ガスの流量を調整する工程とを含む。いくつかの実施形態では、方法は、ガス出口を後続する処置デバイスに結合する工程を含む。
【００１９】
他の態様では、本発明は、ガスを除害するための装置を含む。装置は、除害されるガスをガス流路に沿って導くガス入口、ガス出口、およびガスを格納するための少なくとも１つのチャンバ壁を有するプラズマ源を含む。装置は、プラズマ源を通って延在している平面に沿って配向された環状プラズマ通路を同じく含み、環状プラズマ通路は、環状プラズ
マ通路入口部分、主環状プラズマ通路部分および環状プラズマ通路出口部分を有し、環状プラズマ通路入口部分および環状プラズマ通路出口部分は、それぞれ主環状プラズマ通路部分の幅Ｗより狭い幅を有している。１つまたは複数の磁心が、環状プラズマ通路が１つまたは複数の磁心の各々を通過するよう、環状プラズマ源に対して配置される。一次巻線が１つまたは複数の磁心に結合される。プラズマ源は、プラズマ源を通って延在している平面に沿って、環状プラズマ通路の中に閉じ込められる環状プラズマを生成する。
【００２０】
いくつかの実施形態では、ガス入口は、ガス流路がプラズマ源を通って延在している平面に対してほぼ垂直になるように配向される。いくつかの実施形態では、主環状プラズマ通路部分の幅Ｗは、環状プラズマの断面の直径にほぼ等しい。
【００２１】
いくつかの実施形態では、ガス入口は、環状プラズマ通路に流入する除害されるガスの摩擦および抗力を小さくする湾曲部分を備えている。さらに、様々な実施形態では、ガス入口の湾曲部分は、球状鈍頭円錐（ｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｙ  ｂｌｕｎｔｅｄ  ｃｏｎｅ）である。
【００２２】
いくつかの実施形態では、環状プラズマ通路の主直径は、ガス入口の直径以上である。様々な実施形態では、ガス入口の直径は、約２．５４センチメートル（１インチ）と２５．４センチメートル（１０インチ）の間である。
【００２３】
いくつかの実施形態では、除害されるガスは、環状プラズマ通路に流入する前に１つまたは複数の反応物ガスと混合される。様々な実施形態では、環状プラズマ通路は、環状プラズマを静電結合から遮蔽するための少なくとも１つの金属層を備えている。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の誘電体ギャップが環状プラズマ通路に沿って置かれ、誘導電流が環状プラズマ通路において流れることを防止する。
【００２４】
他の態様では、本発明は、プラズマ源内でプロセス・ガスを除害するための方法を含む。方法は、除害されるガスを、ガス入口を介して、ガス流路に沿ってプラズマ源中に導く工程を含み、プラズマ源は、プラズマ源に結合された一次巻線および複数の磁心を有し、複数の磁心は、プラズマ源を通って延在している平面に沿って配向された環状プラズマ通路が複数の磁心の各々を通過するように置かれる。方法は、プラズマ源を通って延在している平面に沿って、環状プラズマ通路の中に閉じ込められる環状プラズマを生成する工程を同じく含む。方法は、ガス流路がプラズマ源を通って延在している平面に対してほぼ垂直になるようにガス入口を置く工程を同じく含む。さらに、方法は、除害されるガスが高い電子密度を有する環状プラズマの本体と相互作用するよう、除害されるガスを環状プラズマ通路に流入させる工程を同じく含む。
【００２５】
様々な実施形態では、方法は、除害されるガスが環状プラズマ通路に流入する前に、除害されるガスと混合するための１つまたは複数の反応物ガスを提供する工程を同じく含む。いくつかの実施形態では、方法は、誘導電流が環状プラズマ通路において流れることを防止するために、環状プラズマ通路に沿って１つまたは複数の誘電体ギャップを置く工程を含む。
【００２６】
上述した本発明の利点は、他の利点と共に、添付の図面に関連して行う以下の説明を参照することによってより良好に理解されよう。図面は、必ずしもスケール通りではなく、本発明の原理を図解するために一般的には強調されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一例の実施形態による、活性化されたガスを生成するためのプラズマ源の略図。
【図２】本発明の一例の実施形態によるプラズマ・チャンバの略断面図。
【図３】本発明の一例の実施形態によるプラズマ除害デバイスの略図。
【図４】本発明の一例の実施形態による、プラズマ・チャンバ内でプロセス・ガスを除害するための方法を示すフロー・チャート。
【図５ａ】本発明の実施形態例による、プラズマ・チャンバのガス出口における、時間に対するＣＦ４濃度を示すグラフ。
【図５ｂ】本発明の実施形態例による、プラズマ・チャンバのガス出口における、時間に対するＣＦ４濃度を示すグラフ。
【図５ｃ】本発明の実施形態例による、プラズマ・チャンバのガス出口における、時間に対するＣＦ４濃度を示すグラフ。
【図６】本発明の一例の実施形態による、ＣＦ４破壊効率対プラズマ・チャンバ圧を示すグラフ。
【図７ａ】本発明の一例の実施形態によるプラズマ源の略断面図。
【図７ｂ】本発明の一例の実施形態によるプラズマ源の略断面図。
【図８】本発明の一例の実施形態による、プラズマ源内でプロセス・ガスを除害するための方法を示すフロー・チャート。
【図９ａ】本発明の実施形態例による、除害速度対圧力を示すグラフ。
【図９ｂ】本発明の実施形態例による、除害速度対電力を示すグラフ。
【図９ｃ】本発明の実施形態例による、除害効率対圧力を示すグラフ。
【図９ｄ】本発明の実施形態例による、除害効率対電力を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明の一例の実施形態による、活性化されたガスを生成するためのプラズマ源の略図である。プラズマ源１０は、電磁エネルギーをプラズマ１４中に結合する電力変圧器１２を含む。電力変圧器１２は、高透磁率磁心１６、一次コイル１８、およびプラズマ１４による変圧器１２の二次回路の形成を可能にする、プラズマ１４を格納するプラズマ・チャンバ２０を含む。電力変圧器１２は、追加二次回路を形成する追加磁心および一次コイル（図示せず）を含むことができる。
【００２９】
プラズマ・チャンバ２０の１つまたは複数の側面はプロセス・チャンバ２２に露出されており、プラズマ１４によって生成された帯電粒子および活性化ガスは、処理される材料と直接接触することができる（図示せず）。サンプル・ホルダ２３は、処理される材料を支持するためにプロセス・チャンバ２２の中に置かれ得る。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。
【００３０】
線路電圧源または母線電圧源であってもよい電圧源２４は、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に直接結合される。１つまたは複数のスイッチング半導体デバイスは、スイッチング・トランジスタであってもよい。回路は、ソリッド・ステート・スイッチング電源であってもよい。スイッチング回路２６の出力２８は、変圧器１２の一次巻線１８に直接結合され得る。
【００３１】
環状弱電界プラズマ源１０は、本明細書において説明されるように、プラズマ・チャンバ２０内のプラズマを点火する初期イオン化事象を提供する自由電荷を生成するための装置を含むことができる。また、プラズマの点火に要求される電圧を低くするために、アルゴンなどの不活性ガスがプラズマ・チャンバ２０の中に注入されてもよい。自由電荷は、本明細書において説明される多くの方法で生成され得る。例えば自由電荷は、プラズマ・チャンバ２０の内側の電極に短い高電圧パルスを印加することによって生成され得る。また、自由電荷は、一次コイル１８に短い高電圧パルスを直接印加することによっても同じく生成され得る。プラズマ・チャンバ２０内の点火を補助するための自由電荷を生成するために、誘電体プラズマ・チャンバ２０の外部に設けられ、かつ、プラズマ体積に容量結
合されている電極には高電気電圧信号が印加され得る。
【００３２】
他の実施形態では、プラズマ・チャンバ２０内のプラズマを点火する初期イオン化事象を提供する自由電荷を生成するために紫外光源３４が使用される。紫外（ＵＶ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光源３４は、プラズマ・チャンバ２０に光結合される。ＵＶ光源３４は、光学的に透明な窓を介してプラズマ通路に光結合され得る。ＵＶ光源３４は、プラズマ源のデューティ・サイクルに応じて持続波（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）光源またはパルス光源のいずれかであってもよい。
【００３３】
また、環状弱電界プラズマ源１０は、一次巻線１８の電気パラメータを測定するための測定回路３６を含むことも可能である。一次巻線１８の電気パラメータは、一次巻線１８を駆動している電流、一次巻線１８の両端間の電圧、電圧源２４によって生成される母線または線路電圧、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。一次巻線の電気パラメータは、連続的に監視され得る。
【００３４】
また、プラズマ源１０は、プラズマ１４自体の電気および光パラメータを測定するための装置を含むことも可能である。例えばプラズマ源１０は、変圧器１２の二次側に流れるプラズマ電流を測定するためにプラズマ・チャンバ２０の周りに置かれる電流プローブ３８を含むことができる。また、例えば磁心の二次巻線をプラズマ１４に対して平行に置くことによってプラズマの二次側の電圧が測定され得る。別法としては、ＡＣ線路電圧および電流の測値から、また、電気回路の既知の損失から、プラズマに印加される電力が決定され得る。
【００３５】
また、プラズマ源１０は、プラズマ１４からの光放出を測定するための光検出器４０を含むことも可能である。プラズマ１４の電気および光パラメータは、連続的に監視され得る。さらに、プラズマ源１０は、電流プローブ３８、電力検出器４０およびスイッチング回路２６のうちの少なくとも１つからデータを受け入れ、次に一次巻線１８の電流を調整することによってプラズマの電力を調整する電力制御回路４２を含むことも可能である。
【００３６】
動作中、圧力が実質的に１ミリトルと１００トルの間に到達するまで、ガスがプラズマ・チャンバ２０中に流れ出る。いくつかの実施形態では、圧力が約０．１ミリトルと約１，０００トルの間に到達するまで、ガスがチャンバ２０中に流れ出る。ガスは、不活性ガス、反応ガス、または少なくとも１つの不活性ガスと少なくとも１つの反応ガスの混合物を含むことができる。スイッチング回路２６は、プラズマ・チャンバ２０の内側に電位を誘導する一次巻線１８に電流を供給するスイッチング半導体デバイスを含む。
【００３７】
誘導電位の大きさは、磁心１６によって生成される磁界、およびスイッチング半導体デバイスがファラデーの誘導の法則に従って動作する周波数に依存し得る。プラズマを形成するイオン化事象は、チャンバ２０の中で開始され得る。イオン化事象は、本明細書において説明されているようにチャンバ２０の中に置かれた一次巻線または電極３０への電圧パルスの印加であってもよい。別法としては、イオン化事象は、紫外放射へのプラズマ・チャンバ２０の内側の露出であってもよい。
【００３８】
ガスがイオン化されると、変圧器１２の二次回路を完成するプラズマがプラズマ・チャンバ２０の中に形成される。環状プラズマ・チャンバ２０の円周の長さは、２５．４センチメートル（１０インチ）から１０１．６センチメートル（４０インチ）までであってもよい。プラズマ・チャンバ２０の断面積の形状は、円形から非円形（楕円形、等々）まで変化させることができる。一実施形態では、円形プラズマ・チャンバ２０の直径は、動作条件に応じて約１．２７センチメートル（０．５インチ）から５．０８センチメートル（２．０インチ）まで変化させることができる。プラズマ・チャンバ２０の円周の長さ、す
なわち断面の直径を変えることにより、ガス・フロー力学およびプラズマ・インピーダンスを変えることができ、また、異なる動作範囲（つまり異なる電力レベル、圧力範囲、ガスおよびガス流量）に対してプラズマ源が最適化され得る。
【００３９】
プラズマの電界は、実質的に約１〜１００Ｖ／ｃｍの間にすることができる。プラズマ・チャンバ２０の中に不活性ガスのみが存在する場合、プラズマ１４中の電界は、１ボルト／ｃｍ程度に弱くすることができる。しかしながらプラズマ・チャンバ２０中に電気的陰性のガスが存在する場合、プラズマ１４中の電界はかなり強くなる。プラズマ１４とチャンバ２０の間の電位差が小さいと、高エネルギー・イオンによって生じるチャンバ２０の浸食が実質的に小さくなるため、いくつかの実施形態では、プラズマ１４中の電界が弱い状態でプラズマ源１０を動作させることが望ましい。これは、結果として生じる、処理中の材料に対する汚染を実質的に低減する。いくつかの実施形態では、チャンバ２０の浸食を小さくすることは要求されない。
【００４０】
プラズマに引き渡される電力は、電力制御回路４２、一次巻線１８の電気パラメータを測定するための測定回路３６、および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を備えた帰還ループ４４によって制御され得る。さらに、帰還ループ４４は、電流プローブ３８および光検出器４０を含むことができる。
【００４１】
一実施形態では、電力制御回路４２は、一次巻線１８の電気パラメータを測定するための測定回路３６を使用してプラズマ中の電力を測定する。電力制御回路４２は、結果として得られる測値と所望の動作条件を表す所定の値を比較し、次に、スイッチング回路２６の１つまたは複数のパラメータを調整して、プラズマに引き渡される電力を制御する。スイッチング回路２６の１つまたは複数のパラメータは、例えば電圧および電流の振幅、周波数、パルス幅、および１つまたは複数のスイッチング半導体デバイスに対する駆動パルスの相対位相を含む。
【００４２】
他の実施形態では、電力制御回路４２は、電流プローブ３８または光検出器４０を使用してプラズマ中の電力を測定する。電力制御回路４２は、次に、測値と所望の動作条件を表す所定の値を比較し、次に、スイッチング回路２６の１つまたは複数のパラメータを調整して、プラズマに引き渡される電力を制御する。
【００４３】
一実施形態では、プラズマ源１０は、プラズマ源１０が異常な環境条件または異常な使用のいずれかによって損傷されないことを保証するための保護回路を含むことができる。プラズマ源１０の温度は、適切な量の冷却流体が流れていること、および異常に大量の電力がプラズマ源中に散逸されていないことを保証するために、多くの位置で監視され得る。例えばスイッチング・デバイスのための取付けブロック、プラズマ・チャンバ２０自体および磁心の温度が監視され得る。また、ＦＥＴデバイスを通って流れる電流も同じく監視され得る。電流が所定の値を超えると、プラズマ源１０は運転停止されることができ、それによりあり得る損傷からスイッチング・デバイスを保護する。
【００４４】
図２は、本発明の一例の実施形態によるプラズマ・チャンバの略断面図である。磁心１０２ａおよび１０２ｂは、プラズマ・チャンバ１０１が磁心１０２ａおよび１０２ｂの各々を通過するようにプラズマ・チャンバ１０１に対して配置されている。
【００４５】
プラズマ・チャンバ１０１は、チャンバ壁１０４、第１のガス入口１０６、第２のガス入口１１０、第３のガス入口１１２およびガス出口１０８を含む。いくつかの実施形態では、第３のガス入口１１２は、プラズマ源１００と共には含まれていない。いくつかの実施形態では、不活性ガス、反応ガスおよび／または除害されるガスを含んだプロセス・ガスをプラズマ・チャンバ１０１に導入するために４つ以上のガス入口がプラズマ・チャン
バ１０１に沿って置かれてもよい。様々な実施形態では、第２のガス入口１１０は、環状プラズマ・チャンバに沿って置かれた一連の選択可能ガス入口ポートからなっていてもよい。
【００４６】
プラズマ・チャンバ１０１は、第１のガス入口１０６からの第１のガス流路１２２、第２のガス入口１１０からの第２のガス流路１２６、および第３のガス入口１１２からの第３のガス流路１２８を含む。プラズマ・チャンバ１０１は、ガス出口１０８からのガス出口流路１２４を含む。
【００４７】
動作中、プラズマ・チャンバ１０１内に形成する環状プラズマ１２０が実質的に平面１５０上のループ（例えば円または楕円）内を流れる。平面１５０は、図２に示されているようにｘ軸およびｙ軸に沿って延在している。図２に示されている平面１５０上の境界は図解のためのものにすぎないこと、また、平面１５０はこれらの境界を超えて延在することができることは当業者には明らかである。
【００４８】
第１のガス入口１０６は、第１のガス流路１２２が平面１５０に対して実質的に平行に配向されるようにプラズマ・チャンバ１０１の上に置かれる。いくつかの実施形態では、第１のガス流路１２２は、平面１５０に対して実質的に直角に配向される。また、第１のガス流路１２２は、平面１５０に対して鋭角で配向されてもよい。第２のガス入口１１０は、プラズマ・チャンバ１０１の上に、ガス出口１０８から距離ｄを隔てて置かれる。いくつかの実施形態では、第２のガス流路１２６は、平面１５０に対して鋭角で配向される。いくつかの実施形態では、第２のガス流路１２６は、除害されるガスとプラズマ１２０の相互作用を増すために、プラズマ・チャンバ１０１の中に螺旋ガス流を形成するように配向される。第３のガス入口は、プラズマ・チャンバ１０１の上に、ガス出口１０８から距離ｄを隔てて置かれる。いくつかの実施形態では、第３のガス流路１２８は、平面１５０に対して実質的に平行に配向される。いくつかの実施形態では、第３のガス流路１２８は、平面１５０に対して鋭角で配向される。いくつかの実施形態では、第３のガス流路１２８は、除害されるガスとプラズマ１２０の相互作用を増すために、プラズマ・チャンバ１０１の中に螺旋ガス流を形成するように配向される。
【００４９】
第２のガス入口１１０および第３のガス入口１１２などのガス入口の位置は、所望の反応プラズマ体積および／または除害されるガスの滞留時間を基礎にされ得る。所望の反応プラズマ体積および／または滞留時間により、ガス除害効率および／またはエネルギー効率を最適化することができる。
【００５０】
動作中、環状プラズマを点火し、かつ、維持するために、アルゴンなどの不活性ガスが第１のガス入口１０６から第１のガス流路１２２に沿ってプラズマ・チャンバ１０１の中に注入されてもよい。環状プラズマおよび環状プラズマ電流１３０は、プラズマ・チャンバ１０１の周りをループをなして流れる。除害されるプロセス・ガスは、第２のガス入口１１０から第２のガス流路１２６に沿ってプラズマ・チャンバ１０１の中に注入される。塩素化合物および四フッ化炭素などのパーフルオロカーボン化合物は、除害のために第２のガス入口１１０を介して注入され得るプロセス・ガスの例である。酸素、水素および水蒸気などの追加反応物ガスは、除害されるガスと共に、第２のガス入口１２６および第３のガス入口１２８を介してプラズマ・チャンバ１０１の中に供給され得る。いくつかの実施形態では、反応物ガスは、プラズマ・チャンバ１０１に沿って置かれた追加ガス入口を介してプラズマ・チャンバ１０１の中に供給される。
【００５１】
図２に示されている環状プラズマ源では、プラズマ・チャンバ１０１の円周の長さまたはプラズマ１２０の長さは、磁心１０２のサイズを基礎にされ得る。磁心のサイズは、プラズマの点火および維持に要求される電圧、ならびに磁気材料の特性に応じて決定されて
もよい。除害応用例の場合、除害されるガスと相互作用させるためのプラズマの所望の体積は、プラズマ中におけるガス励起速度、化学反応および／またはガス滞留時間を基礎にされ得る。滞留時間が短すぎると、ガス−プラズマ相互作用が不十分になり、および／または除害速度が遅くなることになり、一方、滞留時間が長すぎると、ガスが過熱し、エネルギー効率が低下することになり得る。いくつかの実施形態では、必要とされるプラズマ体積は、環状プラズマの総体積より小さい。
【００５２】
図２に示されている例示的実施形態では、第１のガス入口１０６と第２のガス入口１１０の間の第１の体積１３２は、主として不活性ガスで充填される。第２のガス入口１２６と第３のガス入口１１２の間の第２の体積１３４は、主として除害されるガスで充填される。第１の体積１３２を不活性ガスで充填することにより、第２の体積１３４を小さくすることができる。不活性ガスは、除害されるガスのプラズマ・インピーダンスと比較すると、より小さいプラズマ・インピーダンスを有することができる。プラズマ電流１３０は、環状プラズマ１２０に沿って一定であるため、環状プラズマのうちの除害されるガスと相互作用する部分に引き渡される環状プラズマに結合される電力に対して、第１の体積１３２におけるインピーダンスをより小さくすることができる。環状プラズマに引き渡される電力を第２の体積１３４に絞ることにより、ガス除害をより有効にすることができる。１つまたは複数の反応物ガスは、第２のガス入口１１０を介してプラズマ・チャンバ１０１に流入する前に、除害されるガスと混合されてもよい。いくつかの実施形態では、反応物ガスは、第２の体積１３４の近傍に設けられた他のポートに引き渡される。１つまたは複数の反応物ガスは除害効率を改善することができる。いくつかの実施形態では、水蒸気が除害されるガスと混合される。
【００５３】
図３は、本発明の一例の実施形態によるプラズマ除害デバイス３００の略図である。プラズマ除害デバイス３００は、プラズマ源３０２、ＲＦ電源３０４、制御モジュール３０６、プロセス監視センサ３０８および反応物ガス引渡しシステム３１０を含む。
【００５４】
プラズマ源３０２は、プラズマ・チャンバ（例えば図２で上述したプラズマ・チャンバ１０１）を含むことができる。
ＲＦ電源３０４は、当業者に知られている、プラズマ除害処理のための十分な電力を引き渡すことができる任意のＲＦ電源であってもよい（例えば図１で上述した電圧源２４）。
【００５５】
プロセス監視センサ３０８は、プラズマ源３０２の出口から流れるガス放出を監視するために置かれ、かつ、構成され得る。いくつかの実施形態では、プロセス監視センサ３０８は、光センサ、赤外線センサ、および／または当業者に知られている、プラズマ源３０２から流れるガス放出を監視するための任意のセンサである。
【００５６】
制御モジュール３０６は、プロセス監視センサ３０８およびＲＦ電源に３０４に結合されることができ、また、任意のマイクロプロセッサ、または当業者に知られている、電力システムを制御し、および／または監視するための他のコントローラであってもよい。いくつかの実施形態では、制御モジュール３０６は、反応物ガス引渡しシステム３１０に同じく結合される。反応物ガス引渡しシステム３１０は、任意の反応物ガス引渡しシステム、または当業者に知られている、化学物質をプロセス・チャンバに引き渡すためのデバイスであってもよい。様々な実施形態では、反応物ガス引渡しシステム３１０は、水蒸気をプラズマ源３０２に提供する。
【００５７】
動作中、除害プロセスは、プロセス監視センサ３０８によって監視され、また、除害デバイス３００の入力および出力ガス・パラメータ、ならびにプラズマ源３０２およびＲＦ電源３０４のパラメータを測定することにより、制御モジュール３０６によって制御され
得る。プロセス監視センサ３０８は、環状プラズマからの光放出、および環状プラズマの下流側のガスからの光放出を知覚し、および／または測定することができる。測定された放出スペクトルは、基準スペクトルと比較され得る。基準スペクトルは、ルックアップ・テーブルからのスペクトル、および／または標準プロセス条件の下で既に測定され、かつ、除害デバイス３００に記憶されているスペクトルであってもよい。例えばルックアップ・テーブルおよび／または測定スペクトルは、プラズマ源３０２の所望のガスおよびプラズマ条件（例えば強度）を決定するために、制御モジュール３０６に記憶され、かつ、使用され得る。
【００５８】
化学反応物のプラズマ源３０２への流入およびプラズマ源３０２からの流出は、制御モジュール３０６によって調整され得る。制御モジュール３０８は、反応物の濃度が、除害されるプロセス・ガスと反応させるための望ましい濃度に実質的に化学量論的に等しいか、それより高くなるようにガスの流れを制御することができる。また、ＲＦ電源３０４も、プラズマ源３０２から流出する未反応ガスの濃度が実質的に所定のレベル未満になり得るように同じく調整され得る（例えば制御モジュール３０８によって）。電力は、所望の除害レベル、例えば最大エネルギー効率（例えば６×１０−３〜１２×１０−３ｍ３／ｈ（１００〜２００ｓｃｃｍ）のＣＦ４の場合、３〜６ｋＷ）が達成され得る除害レベルを達成するべく維持され得る。化学反応物の流れおよびＲＦ電力の監視および制御は、除害されるガスの流れが断続的である除害システムにとっては、とりわけ重要となり得る。例えば半導体プロセスでは、除害されるガスの流れは、数秒から数分までの範囲に及び得る個々のウェーハ・サイクルに従うことができる。１サイクルの間に電力および／または反応物の流れが制御され、および／または調整される場合、除害システムのエネルギー効率を改善することができる。
【００５９】
反応物ガス引渡しシステム３１０によって引き渡される化学反応物は、酸素などの酸化剤、水素などの還元剤、またはその両方の組合せであってもよい。いくつかの実施形態では、水蒸気が反応物ガス引渡しシステムによって引き渡され、ＣＦ４などのフルオロカーボン化合物の除害に使用される。このような反応は以下のように説明され、水蒸気はＣＦ４と混合され、また、反応はプラズマによって容易にされる。
【００６０】
【数１】
0006474855.tif 000002
また、化学反応物は、ハロゲン含有ガスを含むことも可能である。プロセス・ガスは、しばしば、化学気相成長に使用される、ケイ素および炭素の化合物を含むことができ、また、除害中にハロゲン化合物に変換され得る先駆体を含むことができる。
【００６１】
図４は、本発明の一例の実施形態による、プラズマ・チャンバ内でプロセス・ガスを除害するための方法４００を示すフロー・チャートである。方法は、第１のガス入口（例えば図２に上で示した第１のガス入口１０６）を介して、プラズマ・チャンバ（例えば図２に上で示したプラズマ・チャンバ１０１）内のプラズマを点火するための第１のガスを流す工程を含む（工程４１０）。プラズマ・チャンバは、プラズマ・チャンバに結合された一次巻線および複数の磁心を有しており、複数の磁心は、プラズマ・チャンバが複数の磁心の各々を通過するように配向されている。いくつかの実施形態では、方法は、第２のガス入口（例えば図２に上で示した第２のガス入口１１０）を介してプラズマ・チャンバに流入する前に、除害されるガスと混合するための反応物ガスを提供する工程をさらに含む。
【００６２】
また、方法は、プラズマ・チャンバを通って延在している平面（例えば図２に上で示した平面１５０）に沿って、プラズマ・チャンバの中に環状プラズマを生成する工程を同じく含む（工程４２０）。いくつかの実施形態では、方法は、環状プラズマ中の電力の配電を制御するために、プラズマ・チャンバに流入する第１のガスの流量を調整する工程をさらに含む。
【００６３】
方法は、プラズマ・チャンバに沿って、ガス出口（例えば図２に上で示したガス出口１０８）から平面に沿って距離ｄを隔てて第２のガス入口を置く工程を同じく含み、距離ｄは、除害されるガスの所望の滞留時間に基づく（工程４３０）。様々な実施形態では、方法は、除害されるガスの所望の滞留時間を制御するために、第２のガス入口の位置を調整する工程を同じく含む。
【００６４】
方法は、除害されるガスが環状プラズマと相互作用するよう、除害されるガスを第２のガス入口を介してプラズマ・チャンバに流入させる工程を同じく含む（工程４４０）。いくつかの実施形態では、方法は、光および／または赤外線センサによってプラズマ・チャンバからの放出を監視する工程、および反応物ガスの濃度が除害されるガスと反応させるための所望のレベルになるよう、プラズマ・チャンバからの放出に応答して反応物ガスの流量を調整し、かつ、十分な除害効率が達成されるようＲＦ電力を調整する工程をさらに含む。方法は、ガス出口を後続する処置デバイスに結合する工程を同じく含むことができる。
【００６５】
図５ａ、５ｂおよび５ｃは、それぞれ、本発明の実施形態例による、様々な条件の下におけるプラズマ・チャンバのガス出口における、時間に対するＣＦ４濃度を示すグラフ５０１、５０２および５０３である。
【００６６】
図５ａに示されているように、２５トルにおけるＣＦ４の流量が６×１０−２ｍ３／ｈ（１，０００ｓｃｃｍ）で、Ｈ２Ｏの流量が１５×１０−２ｍ３／ｈ（２，５００ｓｃｃｍ）である場合、プラズマが存在しない場合のプラズマ・チャンバのガス出口におけるＣＦ４濃度は６０，７４０ｐｐｍ（例えばデータ・ポイント５１０）であり、５．１ｋＷのプラズマが存在する場合のガス出口におけるＣＦ４濃度は１０，０００ｐｐｍ（例えばデータ・ポイント５２０）である。
【００６７】
図５ｂに示されているように、２トルにおけるＣＦ４の流量が６×１０−２ｍ３／ｈ（１，０００ｓｃｃｍ）で、Ｈ２Ｏの流量が１５×１０−２ｍ３／ｈ（２，５００ｓｃｃｍ）である場合、４．１ｋＷのプラズマが存在する場合のガス出口におけるＣＦ４濃度は１３，０２１ｐｐｍ（例えばデータ・ポイント５３０）である。２５トルにおけるＣＦ４の流量が６×１０−２ｍ３／ｈ（１，０００ｓｃｃｍ）で、Ｈ２Ｏの流量が１５×１０−２ｍ３／ｈ（２，５００ｓｃｃｍ）である場合、ガス出口におけるＣＦ４濃度は９，７９１ｐｐｍ（例えばデータ・ポイント５４０）である。
【００６８】
図５ｃに示されているように、４７５トルにおけるＣＦ４の流量が３×１０−２ｍ３／ｈ（５００ｓｃｃｍ）で、Ｈ２Ｏの流量が７．２×１０−２ｍ３／ｈ（１，２００ｓｃｃｍ）である場合、８．３ｋＷのプラズマが存在する場合のガス出口におけるＣＦ４濃度は２ｐｐｍ（例えばデータ・ポイント５５０）である。４７５トルにおけるＣＦ４の流量が３×１０−２ｍ３／ｈ（５００ｓｃｃｍ）で、Ｈ２Ｏの流量が７．２×１０−２ｍ３／ｈ（１，２００ｓｃｃｍ）である場合、プラズマが存在しない場合のガス出口におけるＣＦ４濃度は２６，９２７ｐｐｍ（例えばデータ・ポイント５６０）である。
【００６９】
図６は、本発明の一例の実施形態による、ＣＦ４破壊効率対プラズマ・チャンバ圧を示
すグラフ６００である。ＣＦ４の流量が３×１０−２ｍ３／ｈ（５００ｓｃｃｍ）では、２５トルのチャンバ圧におけるＣＦ４破壊効率は約７３％（例えばデータ・ポイント６１０）である。８５トルのチャンバ圧におけるＣＦ４破壊効率は約９９％（例えばデータ・ポイント６２０）である。
【００７０】
図７ａおよび７ｂは、本発明の一例の実施形態による高コンダクタンス・プラズマ源７００の断面図である。プラズマ源７００は、ガス入口７０２、ガス出口７０４、チャンバ壁７０８および環状プラズマ通路７２０を含む。環状プラズマ通路７２０は、環状プラズマ通路入口部分７２２、主環状プラズマ通路部分７２３および環状プラズマ通路出口部分７２４を含む。
【００７１】
環状プラズマ通路７２０内では、主環状プラズマ通路部分７２３は、環状プラズマ通路入口部分７２２の幅Ｗ１が主環状プラズマ通路部分７２３の幅Ｗより狭くなるよう、チャンバ壁７０８の中へ凹まされている。環状プラズマ通路出口部分７２４の幅Ｗ２は、主環状プラズマ通路部分７２３の幅Ｗより狭い。いくつかの実施形態では、環状プラズマ通路入口部分７２２の幅Ｗ１は、環状プラズマ通路出口部分７２４の幅Ｗ２に実質的に等しい。
【００７２】
磁心７１０ａおよび７１０ｂ、一括して７１０は、環状プラズマ通路７２０が磁心７１０の各々を通過するよう、環状プラズマ通路７２０に対して配置されている。一次巻線７１２は、磁心７１０のうちの少なくとも１つに結合される。
【００７３】
動作中、プラズマ源７００内を流れる環状プラズマ７３０は、実質的に平面７５０上のループ（例えば円または楕円）内を流れる。平面７５０は、図７ｂに示されているようにｘ軸およびｚ軸に沿って延在しており、ｚ軸はページから外側に向かって突出している。図７ｂに示されている平面７５０上の境界は図解のためのものにすぎないこと、また、平面７５０はこれらの境界を超えて延在することができることは当業者には明らかである。
【００７４】
プラズマ源７００は、ガス入口７０２からのガス流路７０６を含む。ガス入口７０２は、ガス流路７０６がプラズマ源７００を通って延在している平面７５０に対してほぼ垂直に配向されるようにプラズマ源７００の上に置かれている。いくつかの実施形態では、ガスが流れる方向に対する環状プラズマ通路７２０の断面積は、ほぼプラズマ通路７２０の円周の長さと環状プラズマ通路の入口部分７２２の幅Ｗ１の積である。環状プラズマ通路の断面積は、所望のガス・フロー・コンダクタンスおよび／または除害プロセスのための所望のガス−プラズマ相互作用時間を基礎にされ得る。いくつかの実施形態では、環状プラズマ通路７２０の直径Ｄは、ガス入口７０２の直径以上である。いくつかの実施形態では、ガスが流れる方向に対する環状プラズマ通路７２０の断面積は、ガス入口７０２の断面積以上である。いくつかの実施形態では、ガス入口７０２の半径は、約２．５４センチメートル（１インチ）と１０．１６センチメートル（４インチ）の間である。
【００７５】
ガス入口７０２は、ガスの流れ７０６を環状プラズマ通路７２０の中へ案内するための湾曲部分７６０を含む。湾曲部分７６０は、ガス入口７０２からのガス流路７０６に沿った表面摩擦および圧力抗力を最小化する形状にされ得る。湾曲部分７６０は、プラズマ源７００内全体の圧力上昇が最小化され得るように形状化され得る。
【００７６】
湾曲部分７６０には様々な形状が使用され得る。例えば亜音速流の場合、湾曲部分７６０は、楕円形状円錐、タンジェント・オージャイブ円錐および／または球状鈍頭円錐であってもよい。他の例では、遷音速流の場合、フォン・カルマン（Ｖｏｎ  Ｋａｒｍａｎ）・オージャイブ円錐および／またはパラボラ円錐が使用され得る。
【００７７】
動作中、主プラズマ通路部分７２３の大部分のプラズマと共に環状プラズマ通路７２０内をループをなして流れる環状プラズマ７３０を点火し、かつ、維持するために、アルゴンなどの不活性ガスがガス入口７０２からガス流路７０６に沿ってプラズマ源７００の中に注入されてもよい。除害されるガスは、ガス入口７０２からガス流路７０６に沿ってプラズマ源７００の中へ導かれる。除害されるガスは、湾曲部分７６０に沿って流れ、環状プラズマ通路入口部分７２２を通って環状プラズマ通路７２０に流入する。主環状プラズマ通路部分７２３は、上述したように、除害されるガスが導かれて、環状プラズマ７３０の領域のうちの実質的にピーク電子密度（例えば１０１２ｃｍ−３の電子密度）を有する領域と相互作用するよう、凹まされている。プラズマの境界が主環状プラズマ通路部分７２３の凹んだ縁に留まっているため、壁に対するプラズマ損失によって電子密度が低下するプラズマの縁またはプラズマと壁の境界領域にはもっと少ないガスが流される。ガスは、環状プラズマ通路出口部分７２４を通って主環状プラズマ通路部分７２３から流出する。ガスは、ガス出口７０４を通ってプラズマ源７００から流出することができる。
【００７８】
主環状プラズマ通路部分７２３の幅Ｗは、正規の動作状態における環状プラズマ７３０の拡散長を基礎にされ得る。主環状プラズマ通路部分の幅Ｗは、説明されている動作中に主環状プラズマ通路部分７２３を環状プラズマ７３０で充填するのに要求される幅を基礎にされ得る。
【００７９】
また、主環状プラズマ通路部分７２３の幅Ｗは、除害されるガスのタイプ、ガスの圧力および流量、および／またはプラズマ通路内の電子および／またはイオンの拡散長を同じく基礎にされ得る。
【００８０】
主環状プラズマ通路部分７２３の幅Ｗは、環状プラズマ７３０の自然幅（例えば壁が存在しない場合のプラズマの幅）にほぼ等しくすることができる。プラズマ通路内の電子およびイオンの拡散長は、圧力を高くすることによって短くすることができ、また、電気的陰性のガス中でも同じく短くすることができる。主環状プラズマ通路部分７２３の幅Ｗが環状プラズマ７３０の自然幅より狭い場合、壁の近傍におけるプラズマの損失の割合が高いため、プラズマ源が不十分になることがある。主環状プラズマ通路部分７２３の幅Ｗが環状プラズマ７３０の自然幅より広い場合、プラズマは、主環状プラズマ通路部分７２３の一部においてしか存在することができず、したがって除害されるガスの部分は、活性化されることなく、また、反応されることなく環状プラズマ通路７２０を通って流れ、したがって除害効率が低下する。
【００８１】
いくつかの実施形態では、凹所の深さ（例えば環状プラズマ通路入口部分７２２の幅Ｗ１と主環状プラズマ通路部分７２３の幅Ｗの差）は、環状プラズマ７３０の境界層の厚さにほぼ等しい。凹所の深さを境界層の厚さにほぼ等しくすることにより、除害されるガスの大部分は、環状プラズマ７３０の領域のうちのプラズマ密度が高い領域を通って流れることができる。例えば圧力が０．１〜０．５トルのフルオロカーボンおよび酸素を含むガスの場合、環状プラズマ通路７２０の幅Ｗは３０ｍｍにすることができ、凹所の深さは５ｍｍにすることができる。他の応用例の場合、環状プラズマ通路７２０の最適幅Ｗは、１０ｍｍから５０ｍｍまでの範囲にすることができ、凹所の最適深さは、１ｍｍから２０ｍｍまでの範囲にすることができる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、環状プラズマ通路７２０は、アルミニウムなどの金属で構築され、その表面は保護コーティングで覆われる。いくつかの実施形態では、静電結合は、環状プラズマ通路７２０の金属層によって遮蔽される。保護コーティングは、Ｙ２０３、アルミニウム上の陽極処理コーティング、またはプラズマ電解酸化を介して形成された酸化物層などの化学的に安定な誘電体の層であってもよい。誘電結合弱電界環状プラズマ７３０は、高エネルギー・イオンを除去し、かつ、イオン誘導浸食を小さくするために２〜
１０Ｖ／ｃｍの電界で動作され得る。いくつかの実施形態では、環状プラズマ通路７２０に沿った１つまたは複数の誘電体ギャップ（例えば図７ａに示されている誘電体ギャップ７１６ａおよび７１６ｂ）は、誘導電流が環状プラズマ通路７２０に沿って流れるのを防止する。個々の誘電体ギャップの両端間の誘導電圧は、１００Ｖ未満に制限され得る。
【００８３】
除害効率は、ガス励起速度、化学反応、およびガスが環状プラズマ７３０の体積中に留まる時間に依存し得る。環状プラズマ通路７３０に流入する環状プラズマ７３０は、除害されるガスを励起し、加熱し、あるいは解離させることができ、また、ガスの化学反応性を高くすることができる。環状プラズマ７３０の体積中におけるガス滞留時間は、以下の通りプラズマ体積Ｖに比例する。
【００８４】
【数２】
0006474855.tif 000003
プラズマ除害の場合、ガス滞留時間ｔは、おおよそガス化学反応時間であってもよい。滞留時間が短すぎると、環状プラズマ７３０中でガスを活性化させ、かつ、反応させるための時間が不十分になり得るため、除害効率の問題を抱えることになり得る。滞留時間が長すぎると、反応種を再加熱および再活性化するための電力が消費され得るため、エネルギー効率が低下し得る。
【００８５】
環状プラズマ通路７２０の円周すなわち主直径Ｄは、環状プラズマ７３０の所望の体積および／または所望の除害効率に基づき得る。主環状プラズマ通路部分７２３の幅Ｗは、環状プラズマ７３０の幅によって決定され得るが、プラズマ通路の主直径Ｄに対するこのような制限はない。例えば環状プラズマ除害デバイスを直径がｘのパイプ配管のフロー・コンダクタンスに一致させるか、あるいはそれ以上にする場合、環状プラズマ通路７２０の主直径は、Ｄ＞ｘ２／４Ｗによって選択されることが可能であり、したがってガスが流れる方向における環状プラズマ通路の断面積は、パイプ配管の断面積より大きい。さらに、環状プラズマ通路７２０の主直径Ｄは、環状プラズマ通路７２０内のプラズマの体積がほぼＶ≒πＤｗ２であるため、プラズマ中における所望のガス滞留時間ｔを達成するべく選択され得る。
【００８６】
図８は、本発明の一例の実施形態による、プラズマ源内でプロセス・ガスを除害するための方法８００を示すフロー・チャートである。方法は、除害されるガスを、ガス入口（例えば図７ａおよび７ｂに上で示したガス入口７０２）を介して、ガス流路（例えば図７ａおよび７ｂに上で示したガス流路７０６）に沿ってプラズマ源（例えば図７ａおよび７ｂに上で示したプラズマ源７００）中に導く工程を含む。プラズマ源は、プラズマ源に結合された一次巻線および複数の磁心を有し、複数の磁心は、プラズマ源を通って延在している平面に沿って配向された環状プラズマ通路が複数の磁心の各々を通過するように置かれる（工程８１０）。
【００８７】
方法は、プラズマ源を通って延在している平面に沿って、環状プラズマ通路（例えば図７ｂに上で示した環状プラズマ通路７２０）の中に閉じ込められる環状プラズマを生成する工程を同じく含む（工程８２０）。様々な実施形態では、方法は、誘導電流が環状プラズマ通路において流れることを防止するために、環状プラズマ通路に沿って１つまたは複数の誘電体ギャップを置く工程を同じく含む。
【００８８】
また、方法は、ガス流路がプラズマ源を通って延在している平面（例えば図７ｂに上で
示した平面７５０）に対してほぼ垂直になるようにガス入口を置く工程を同じく含む（工程８３０）。
【００８９】
また、方法は、除害されるガスがピーク電子密度を有する環状プラズマの本体と相互作用するよう、除害されるガスを環状プラズマ通路に流入させる工程を同じく含む（工程８４０）。いくつかの実施形態では、方法は、除害されるガスが環状プラズマ通路に流入する前に、除害されるガスと混合するための１つまたは複数の反応物ガスを提供する工程を同じく含む。
【００９０】
図９ａおよび９ｂは、本発明の実施形態例による、除害速度対圧力および電力を示すグラフである。プラズマ電流の大きさは、第１次数までは環状プラズマ通路内のプラズマの密度に比例していると言える。プラズマ電流は、プラズマ源に電力を供給するＲＦ電源を調整することによって制御され得る。プラズマ密度が高くなるにつれて、ガス−プラズマ反応の速度および除害されるガスの除害速度が速くなる。しかしながらプラズマ電流が過剰になると、除害プロセスのエネルギー効率が低下する。好ましい除害効率は、除害されるガスのタイプに応じて８０％から１００％の範囲に及び得る。
【００９１】
図９ａに示されているように、ＣＦ４の流量が６×１０−３ｍ３／ｈ（１００ｓｃｃｍ）の場合、約０．５トルのソース圧力におけるＣＦ４除害効率は、３３Ａのプラズマ電流に対して約９８％である（例えばデータ・ポイント９１０）。
【００９２】
図９ｂに示されているように、約４ｋＷのソース電力におけるＣＦ４除害効率は、３３Ａのプラズマ電流に対して約９７％である（例えばデータ・ポイント９２０）。
図９ｃおよび９ｄは、本発明の実施形態例による、除害速度対圧力および電力を示すグラフである。
【００９３】
図９ｃに示されているように、ＣＦ４の流量が１２×１０−３ｍ３／ｈ（２００ｓｃｃｍ）の場合、約０．４トルのソース圧力におけるＣＦ４除害効率は、３７．５Ａのプラズマ電流に対して約９７％である（例えばデータ・ポイント９３０）。
【００９４】
図９ｄに示されているように、約６ｋＷのソース電力におけるＣＦ４除害効率は、３７．５Ａのプラズマ電流に対して約９７％である（例えばデータ・ポイント９４０）。
本発明は、マイクロエレクトロニクス製造プロセスからのＰＦＣ放出、とりわけ誘電体エッチングおよびＣＶＤツールからのＰＦＣ放出を低減するために使用され得る。本発明は、ガスを除害してガス流中の望ましくない種を除去するために使用され得る。また、本発明は、プロセス・チャンバの内側および上流側のＣＶＤ先駆体を分解して、成長を促進するために同じく使用され得る。本発明は、大気中への解放に先立って有害ガスを除害する化学工場で使用され得る。
【００９５】
本発明は、特定の実施形態を参照して詳細に示され、かつ、説明されているが、当業者には、特許請求の範囲によって定義されている本発明の精神および範囲を逸脱することなく、形態および細部に様々な変更が加えられ得ることを理解されたい。
［項目１］
ガスを除害するための装置であって、
除害されるガスをガス流路に沿って導くガス入口と、ガス出口と、前記ガスを格納するための少なくとも１つのチャンバ壁とを有するプラズマ源と、
前記プラズマ源を通って延在している平面に沿って配向された環状プラズマ通路であって、前記環状プラズマ通路が、環状プラズマ通路入口部分、主環状プラズマ通路部分および環状プラズマ通路出口部分を有し、前記環状プラズマ通路入口部分および前記環状プラズマ通路出口部分が、それぞれ前記主環状プラズマ通路部分の幅Ｗより狭い幅を有する、
環状プラズマ通路と、
前記環状プラズマ通路に対して配置された１つまたは複数の磁心であって、該磁心は前記環状プラズマ通路が前記１つまたは複数の磁心の各々を通過するように配置されている、１つまたは複数の磁心と、
前記１つまたは複数の磁心に結合された一次巻線と、
前記プラズマ源は、前記プラズマ源を通って延在している前記平面に沿って、前記環状プラズマ通路の中に閉じ込められる環状プラズマを生成する、装置。
［項目２］
前記ガス入口は、前記ガス流路が前記プラズマ源を通って延在している前記平面に対してほぼ垂直になるように配向される、項目１に記載の装置。
［項目３］
前記主環状プラズマ通路部分の前記幅Ｗは、前記環状プラズマの断面の半径にほぼ等しい、項目１に記載の装置。
［項目４］
前記ガス入口は、前記環状プラズマ通路に流入する前記除害されるガスの摩擦および抗力を小さくする湾曲部分を備える、項目１に記載の装置。
［項目５］
前記ガス入口の湾曲部分は球状鈍頭円錐である、項目４に記載の装置。
［項目６］
前記環状プラズマ通路の主直径が、前記ガス入口の直径以上である、項目１に記載の装置。
［項目７］
前記ガス入口の前記直径が、約２．５４センチメートル（１インチ）と２５．４センチメートル（１０インチ）との間である、項目６に記載の装置。
［項目８］
前記除害されるガスが、前記環状プラズマ通路に流入する前に１つまたは複数の反応物ガスと混合される、項目１に記載の装置。
［項目９］
前記環状プラズマ通路が、前記環状プラズマを静電結合から遮蔽するための少なくとも１つの金属層を備える、項目１に記載の装置。
［項目１０］
１つまたは複数の誘電体ギャップが前記環状プラズマ通路に沿って配置され、誘導電流が前記環状プラズマ通路において流れることを防止する、項目１に記載の装置。
［項目１１］
プラズマ源内でプロセス・ガスを除害するための方法であって、
除害されるガスを、ガス入口を介して、ガス流路に沿ってプラズマ源中に導く工程であって、前記プラズマ源は、前記プラズマ源に結合された一次巻線と、複数の磁心とを有し、前記複数の磁心は、前記プラズマ源を通って延在している平面に沿って配向された環状プラズマ通路が前記複数の磁心の各々を通過するように配置される、工程と、
前記プラズマ源を通って延在している前記平面に沿って、前記環状プラズマ通路の中に閉じ込められる環状プラズマを生成する工程と、
前記ガス流路が前記プラズマ源を通って延在している前記平面に対してほぼ垂直になるように前記ガス入口を配置する工程と、
前記除害されるガスがピーク電子密度を有する前記環状プラズマの本体と相互作用するよう、前記除害されるガスを前記環状プラズマ通路に流入させる工程と、を備える方法。［項目１２］
前記除害されるガスが前記環状プラズマ通路に流入する前に、前記除害されるガスと混合するための１つまたは複数の反応物ガスを提供する工程をさらに備える、項目１１に記載の方法。
［項目１３］
誘導電流が前記環状プラズマ通路において流れることを防止するために、前記環状プラズマ通路に沿って１つまたは複数の誘電体ギャップを配置する工程をさらに備える、項目１１に記載の方法。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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