(57)【要約】【課題】清浄なフッ素の即応供給源として使用可能であり、フッ素の安全な長期貯蔵を可能とし、使用簡単、製造容易、かつ費用効果的なフッ素発生器の提供。【解決手段】作業ガスを充填した真空チャンバにフッ化カリウム（ＫＦ）源を位置させ、絶縁性の窓部の向こう側のチャンバの外側に位置づけさせた高周波アンテナが窓部を通して作業ガスを加熱してＫＦ源を昇華し、カリウムイオン、フッ素イオン、フッ素原子、作業ガスイオンのプラズマを形成する。真空チャンバに形成され、交差した電界と磁界とがプラズマ中のより重いカリウムイオンを収集するため非制限軌道に沿って収集器まで推進し、一方より軽いフッ素イオンと作業ガスイオンとを制限された軌道に沿ってチャンバから抽出させてフッ素を収集する。【選択図】        図２
2004154770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の端および第二の端を有するとともに、軸線を規定し、作業ガスで充たされるチャンバと、
前記チャンバの前記第一の端を密閉する絶縁性の窓部と、
前記チャンバ内の前記窓部の近傍に位置づけられているフッ化カリウム（ＫＦ）源と、
前記作業ガスを加熱することにより、前記フッ化カリウム源を昇華させ、前記チャンバ内にカリウムイオン、フッ素イオン、フッ素原子、および作業ガスイオンのプラズマを形成するｒ−ｆ（無線周波数）アンテナであって、前記窓部が前記フッ化カリウム（ＫＦ）源と該ｒ−ｆアンテナとの間に位置するように、前記チャンバの外側に位置づけられているｒ−ｆアンテナと、
前記第一の端と第二の端との間の前記チャンバ内にあり、前記軸線から距離「ａ」をおいて位置づけられている収集器と、
前記チャンバ内に半径方向に向いた電界（Ｅr）を発生させる装置と、
交差する電界および磁界（ＥrＸＢ）を形成するために、前記チャンバ内に軸線方向に向いた磁界（Ｂ）を発生させる装置と、
カリウムイオンを収集するために、カリウムイオンを前記チャンバ内の非制限軌道で前記収集器に向かわせ、フッ素を収集するために、フッ素イオンおよび作業ガスイオンを前記第二の端を通して前記チャンバから抽出するような前記チャンバ内の前記軸線の周りに制限された軌道に位置させるように、前記交差する電界および磁界（ＥrＸＢ）を制御する装置とを含むフッ素発生器。
【請求項２】
ネオン（Ｎｅ）および窒素（Ｎ2）から成る群から選択された前記作業ガスを前記チャンバへ導入する装置と、
前記チャンバからフッ素イオンおよび作業ガスイオンを抽出する装置とを更に含み、
前記抽出装置および導入装置が、前記チャンバ内の前記作業ガスを所定圧力に保持するように協働して制御される請求項１に記載されたフッ素発生器。
【請求項３】
前記半径方向に向いた電界を発生させる装置（Ｅr）が、前記チャンバ内に装架されるとともに、前記窓部から距離「Ｌ」をおいて位置し、かつ前記フッ化カリウム（ＫＦ）源と前記チャンバの第二の端との間にある、前記軸線を中心とする複数の同心状の電極である請求項１に記載されたフッ素発生器。
【請求項４】
前記半径方向に向いた電界（Ｅr）の電位が放物線形状を形成するように、前記電極にバイアスが付加され、更に、前記軸線上の電圧を「Ｕ」、半径方向距離を「ｒ」で表すと、前記放物線形状がφ（ｒ）＝Ｕ（１−ｒ2／ａ2）により規定される請求項３に記載されたフッ素発生器。
【請求項５】
軸線を規定する真空チャンバにフッ化カリウム（ＫＦ）源を配置する段階と、
前記真空チャンバに作業ガスを充填する段階と、
前記作業ガスを加熱することにより、前記フッ化カリウム（ＫＦ）源を昇華させ、カリウムイオン、フッ素イオン、フッ素原子、および作業ガスイオンのプラズマを前記チャンバ内に形成する段階と、
半径方向に向いた電界と軸線方向に向いた磁界とを前記チャンバ内において交差させる（ＥrＸＢ）段階と、
カリウムイオンを収集するために前記チャンバ内に装架された収集器に前記チャンバの非制限軌道でカリウムイオンを向かわせ、前記チャンバ内の軸線の周りに制限された軌道にフッ素ガスおよび作業ガスイオンを位置させるように前記交差する電界および磁界（ＥrＸＢ）を制御する段階と、
前記チャンバの軸線に概ね沿って前記チャンバからフッ素を抽出する段階とを含むフッ素を発生させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広い意味で言えばフッ素遊離基発生器に係り、とりわけ、プラズマからフッ素イオンを分離することができるイオン・フィルタに関するものである。本発明は、とりわけ、フッ化カリウム源を昇華させることによって、フッ素イオンを抽出することのできるプラズマを形成する装置として有用であるが、それには限定されない。
【背景技術】
【０００２】
フッ素（Ｆ）は淡黄緑色のガスである。フッ素は、元素のうち最も電気陰性度の大きい（非金属）元素であり、外殻エネルギ準位において１個のみの電子空孔があるハロゲンの一番目の元素である。化学的には、フッ素は腐食性が高く、極めて反応性のあるガスである。従って、フッ素は決して遊離状態では見られず、その貯蔵や搬送に問題があり、深刻な安全上の問題をもたらす。更に、フッ素ガスは高価である。
【０００３】
フッ素の取扱いや使用に際して直面する難点にも拘わらず、フッ素遊離基は多様な用途において極めて有用であることが判明している。例えば、ＮＦ3は専ら半導体の用途に使用される。とりわけ、ＮＦ3は半導体のエッチングのための供給剤として使用され、最近では、エッチング工程後の真空チャンバの清掃に使用されている。フッ素ガスまたはフッ素遊離基が有用であるその他の多くの例を、その他の形式の清掃作業を含めて挙げることができる。
【０００４】
カリウム（Ｋ）はフッ素（Ｆ）と反応してフッ化カリウム塩（ＫＦ）を生成する。フッ素遊離基とは相違して、フッ化カリウム塩（ＫＦ）は比較的安価で、かつより扱い易い。更に、フッ化カリウム塩（ＫＦ）はプラズマによって加熱されると、蒸発してその成分、すなわちＫおよびＦとなり、その結果得られるフッ素は前記の用途に使用することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の状況に鑑み、本発明の目的は、フッ素基の「要求に即応した」供給源として使用することのできるフッ素発生器を提供することである。本発明の別の目的は、フッ素の長期貯蔵に要求される安全手順を実行する必要のないフッ素発生器を提供することである。更に別の本発明の目的は、比較的清浄で汚染されていないフッ素の使い易い供給源を提供することである。更に別の本発明の目的は使用が簡単で、製造が比較的容易で、かつ比較的費用効果的なフッ素発生器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、フッ素発生器は第一の端と第二の端とを有する概ね円筒形の真空チャンバを含む。真空チャンバは長手方向の軸線を規定しており、作業ガスが充填される。本発明の目的に対して、作業ガスはネオン（Ｎｅ）または窒素（Ｎ2）のいずれかであることが好ましい。
【０００７】
真空チャンバの第一の端に絶縁性の窓部が位置しており、チャンバ内の窓部の近傍にフッ化カリウム（ＫＦ）源が位置づけられる。ＫＦ源はフッ化カリウム塩でつくられた平坦で、概ね環状のディスク形状であることが好ましい。絶縁性の窓部がＫＦ源とｒ−ｆ（無線周波数）アンテナとの間に位置するように、ｒ−ｆアンテナをチャンバの外側に位置づける。更に、第一と第二の端の間にあり、軸線から距離「ａ」をおいてチャンバ内に位置された概ね環状の収集器が、フッ素発生器に含まれる。
【０００８】
更に詳しくは、フッ素発生器は、チャンバ内に装架された複数の同心状の電極を含む。詳しくは、これらの電極は、軸線を中心として、ＫＦ源とチャンバの第二の端との間にあり、チャンバの半径方向に向いた電界Ｅrを形成するために使用される。重要なことは、電極は、電界Ｅrに対して、φ（ｒ）＝Ｕ（１−ｒ2／ａ2）により規定できる放物線状形の電位を形成するようにバイアスをかけられることである。ここで、「Ｕ」は（好ましくは２００ボルトより小さい）軸線上の電圧であり、「ｒ」は軸線からの半径方向距離である。更に、フッ素発生器は磁気コイルを含み、磁気コイルはチャンバの外側に装架されており、軸線方向に向いた概ね均一な磁界をチャンバ内部に形成する。このように、電界と磁界とが交差する（ＥrＸＢ）。
【０００９】
フッ素発生器を作動させる場合、作業ガスを先ずチャンバ中へ導入する。次いで、ｒ−ｆアンテナを作動させて作業ガスを加熱する。この加熱によって作業ガスがイオン化され、それにより、ＫＦ源が昇華される。その結果、カリウムイオン、フッ素原子、フッ素イオンおよび作業ガスイオンを含有するプラズマがチャンバ内に形成される。チャンバ内の収集器に向かう非制限軌道にカリウムイオンを駆動するように、交差する電界と磁界（ＥrＸＢ）を制御することが本発明の重要な特徴である。このように、質量数３９を有し、従って作業ガスまたはフッ素のいずれかのイオンよりも重いカリウムイオンがプラズマから分離される。詳しくは、カリウムイオンは非制限軌道にあるので、チャンバから抽出されずに、チャンバ内の収集器に集められる。他方、カリウムイオンに対する作用とは対照的に、（ＥrＸＢ）を制御することにより、フッ素イオンおよび作業ガスイオンは、軸線の周りに制限された軌道に位置するように設定される。このように、これらのイオンはチャンバの第二の端に向かって導かれる。次いで、これらのイオンはフッ素を収集するためにその第二の端を通してチャンバから抽出される。
【００１０】
本発明によるフッ素発生器の作動において、チャンバの圧力を約１〜１０ｍＴｏｒｒに保持するように考慮することは重要である。このことは、チャンバへの作業ガスの導入とチャンバからのフッ素イオンおよび作業ガスイオンの排出とを協働して制御することによって実行される。ここで重要なことは、カリウムイオン、フッ素イオンおよび作業ガスイオンのプラズマ中でのそれぞれの濃度が、カリウムイオンおよびフッ素イオンの濃度が作業ガスイオン濃度の５〜２０％の範囲となることことである。
【００１１】
本発明の新規な特徴、並びに構造および作動についての本発明そのものに関して、本発明の詳細な説明を参照することによって、同部材を同参照符号で示す添付図面から最もよく理解される。
【実施例】
【００１２】
先ず図１を見ると、本発明によるフッ素発生器が全体として１０で示されている。図示のとおり、フッ素発生器１０は、実質的に円筒形の真空チャンバ１２と、一端においてチャンバ１２を密閉するように位置する絶縁性の窓部１４とを含む。更に、フッ素発生器１０は、チャンバ１２の内部に位置するフッ化カリウム（ＫＦ）源１６を含むことが示されている。ＫＦ源１６はフッ化カリウムでできた平坦で環状のディスクであり、図示するようにチャンバ１２の内部で、実質的に絶縁性の窓部１４の近傍に位置することが好ましい。更に、フッ素発生器１０は、チャンバ１２の外側にあり、ＫＦ源から見て絶縁性の窓部１４を越えた位置にある無線周波数（ｒ−ｆ）アンテナ１８を含むことが示されている。
【００１３】
さらに図１を見ると、フッ素発生器１０は、コイル２０ａおよび２０ｂにより例示される複数の磁気コイル２０も含んでいることが判る。また、当該技術分野の専門家であれば、コイル２０の代わりに本発明の目的に対しては永久磁石を使用しても良いことが判るであろう。いずれの場合も、コイル２０（あるいは永久磁石）の目的は、チャンバ１２内部に、チャンバ１２の長手方向軸線２２に実質的に平行な一定の均一な磁界Ｂを発生させることである（図２参照）。
【００１４】
図１には、更に、フッ素発生器１０が、電極２４ａ〜ｃによって例示される複数の同心状の電極２４を含むことが示されている。図示のとおり、電極２４は軸線２２を中心としており、窓部１４から距離「Ｌ」離れて位置する。重要なことは、ＫＦ源１６が電極２４と窓部１４との間に位置することである。電極２４の目的は、チャンバ１２内で半径方向に向いた電界Ｅrを発生させることである。この電界Ｅrは軸線２２において約２００ボルト以下の正電位を有することが好ましく、軸線２２からの半径方向の距離「ａ」においてはゼロの電位を有する。また、本発明においては、電界Ｅrに対する放物線形状の電位が、φ（ｒ）＝Ｕ（１−ｒ2／ａ2）により規定されるように意図される。ここで、「Ｕ」は軸線２２における電圧（例えば、２００ボルト）であり、「ｒ」は軸線２２からの距離である。いずれにしても、ここで重要なことは、交差した電界と磁界（ＥrＸＢ）をチャンバ１２の内部に形成することである。
【００１５】
図１および図２を相互に見ると、概ね環状の収集器２６が、軸線２２から半径方向の距離「ａ」をおいてチャンバ１２の周りにすることが判る。この位置づけによって、収集器２６は軸線２２に対して実質的に垂直な平面に位置する。更に、ポンプ用ポート２８ａおよび２８ｂが、チャンバ１２と流体連結によって接続されている。特に図２を参照すれば、本発明はまた、作業ガスをチャンバ１２内へ導入するために使用される作業ガス源３０を組み込まれている。フッ素発生器１０に使用する作業ガスは、ネオン（Ｎｅ）または窒素（Ｎ2）のいずれかであることが好ましい。更に、図２には、制御装置３２が、電極２４および磁気コイル２０の双方に電気的に接続されることが示されている。更に、図２は、チャンバ１２からガスやプラズマを抽出するために流量制御装置３４が設けられることを示す。詳しくは、流量制御装置３４は絶縁性の窓部１４とは反対側のチャンバ１２の端に位置する。とりわけ、流量制御装置３４は、ＫＦ源１６および電極２４の双方が絶縁性の窓部１４と流量制御装置３４との間になるように位置づけされる。
【００１６】
本発明による発生器１０を作動させるには、作業ガス３６を作業ガス源３０からチャンバ１２内へ導入する。次いで、ｒ−ｆアンテナ１８を起動して、作業ガス３６を加熱し、蒸発させる。作業ガス３６の蒸気からの熱がＫＦ源１６を昇華させ、カリウムイオン３８、フッ素イオン４０およびフッ素原子を形成する。その結果、多種のプラズマ４２が得られ、それがチャンバ１２に保持される。
【００１７】
プラズマ４２がチャンバ１２内に形成された状態で、制御装置３２を設定して、所定のカットオフ（遮断）質量（Ｍc）に影響を与える、交差する電界および磁界（ＥrＸＢ）をチャンバ１２内に形成する。本発明の目的に対する、カットオフ質量（Ｍｃ）は、「プラズマ質量フィルタ」という名称の発明に対してオオカワ（Ｏｈｋａｗａ）に認可され、本発明と同じ譲受人に移転された米国特許第６０９６２２０号の開示に従って計算することができる。本発明に対しては、Ｍc＝０．１２Ｂ2ａ2／Ｕであることが好ましく、Ｍcは（カリウムの質量である）３９未満または３９と概ね等しく設定される。この結果、カットオフ質量（Ｍc）は作業ガスの質量３６（Ｍg）およびフッ素の質量より大きいが、カリウムの質量（ＭK）より小さく設定できる（すなわち、Ｍg＜Ｍc＜Ｍk）ので、交差する電界および磁界（ＥrＸＢ）の作用が予測できる。詳しくは、本発明は、より重い質量のカリウムイオンに非制限軌道４４を取らせる。詳しくは、図２に示すように、非制限軌道４４によって、カリウムイオン３８は収集器２６に収集される。一方、交差する電界と磁界（ＥrＸＢ）は作業ガスイオン３６およびフッ素イオン４０をＫＦ源１６と電極２４との間でチャンバ１２の軸線２２の周りの制限軌道４６に位置させる。図２に示すように、これらの制限軌道４６は作業ガスイオン３６およびフッ素イオン４０をチャンバ１２から抽出するよう軸線２２に沿って進行させる。流量制御装置３４に助成されて発生器１０から抽出される間に、電極２４と流量制御装置３４との間で、フッ素イオン４０は中性となる。
【００１８】
フッ素発生器１０の作動中は、チャンバ１２が約１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力に保持されることが重要である。このことは、作業ガス源３０と流量制御装置３４の協働した制御によって実行される。詳しくは、この制御はチャンバ１２への作業ガス３６の導入が、チャンバ１２からのフッ素ガス４０および作業ガスイオン３６の排出とを均衡させることを必要とする。ここで重要なことは、カリウムイオン３８、フッ素イオン４０およびフッ素原子の濃度が、作業ガスイオン３６の濃度の５〜２０％の範囲となるように、カリウムイオン３８、フッ素イオン４０、および作業ガスイオン３６が、プラズマ中でそれぞれの濃度を有することである。
【００１９】
本明細書において詳細に図示し、開示した特定のフッ素発生器は、完全に前記の目的を達成し、利点を提供することができる。しかし、それは本発明の現在の好適な実施例の単なる例示であり、特許請求の範囲の記載以外は、ここに図示した構造あるいは設計の細部を何ら限定するものでないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】理解を容易にするために、部分的に断面を示したフッ素発生器の斜視図。
【図２】本発明によるフッ素発生器の構成部材の概略図。
【符号の説明】
【００２１】
１０  フッ素発生器
１２  真空チャンバ
１４  窓部
１６  フッ化カリウム源
１８  高周波アンテナ
２０  磁気コイル
２２  軸線
２４  電極
２６  収集器
３０  作業ガス源
３２  制御装置
３４  流量制御装置
３６  作業ガス
３８  カリウムイオン
４０  フッ素イオン
４２  プラズマ
４４  非制限軌道
４６  制限軌道
【図１】
2004154770.tif 000003
【図２】
2004154770.tif 000004