(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、およびグラフェンのうちの少なくとも１つを堆積させるためのＣＶＤプラズマ処理の方法であって、前記方法は、
ａ）導管とプロセスチャンバとを備える真空チャンバを形成することと、
ｂ）ガスを前記真空チャンバの中に導入することと、
ｃ）ＲＦ電磁場を前記導管の周囲に位置付けられた磁気コアに印加し、トロイダルプラズマループ放電を前記真空チャンバ内に形成することと、
ｄ）プラズマ処理のために、ある距離でワークピースを前記プロセスチャンバ内に位置付けることであって、高温プラズマコアから前記ワークピースの表面までの前記距離は、０．１ｃｍ〜５ｃｍの範囲内である、ことと、
ｅ）水素を含むガスを前記ワークピースに近接して導入することであって、それにより、前記トロイダルプラズマループ放電は、原子水素を発生させる、ことと
を含む、方法。
【請求項２】
水素を含む前記ガスは、少なくとも１トルである、前記ワークピースでのガス圧力を達成するように、前記ワークピースに近接して導入される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
吸収されるＲＦ電力は、約１０Ｗｃｍ−３を上回る、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ガスは、アルゴンガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
水素を含む前記ガスは、１トル〜１００トルの範囲内である、前記ワークピースでの、水素を含むガスの圧力を達成するように、前記ワークピースに近接して導入される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ＲＦ電磁場を結合させることをさらに含み、それにより、前記プラズマの電力密度は、０．１ｃｍ〜５ｃｍの範囲内の、前記高温プラズマコアから前記ワークピースの表面までの距離において少なくとも１００Ｗｃｍ−３である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ワークピースを前記プラズマに対して平行移動させ、前記ＣＶＤプラズマ処理の均一性を改善することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ワークピースを前記プラズマに対して回転させ、前記ＣＶＤプラズマ処理の均一性を改善することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ワークピースの表面における温度を制御することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ワークピースの表面における温度を制御することは、前記ワークピースを支持する取付盤の温度を制御することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ワークピースの表面における温度を制御することは、前記ワークピースを支持する取付盤の位置を前記高温プラズマコアに対して調節することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ワークピースの表面における温度を制御することは、前記ワークピースに近接している、水素を含む前記ガスの圧力を調節することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
取付盤に電気的にバイアスをかけ、前記ワークピースに近接する前記プラズマの形状を変化させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記プロセスチャンバと前記導管との間のガス流を調節することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
炭素含有ガスを前記ワークピースに近接して導入することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記ワークピースの温度を測定することと、前記測定に応答して、前記ＲＦ電磁場のＲＦ電力を調節することとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記導管の内側の水素の部分的圧力は、前記プロセスチャンバの内側の水素の部分的圧力と異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ワークピースの表面上の原子水素は、前記ワークピースを所望の温度まで加熱する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記真空チャンバを形成することは、前記導管の断面積よりも大きい断面積を伴う前記プロセスチャンバを形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記真空チャンバを形成することは、溶融シリカ、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、複合材材料、およびサファイアから成る群から選定される誘電材料から前記導管を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記真空チャンバを形成することは、アルミニウム、鋼鉄、銅、ニッケル、タングステン、モリブデン、ならびにアルミニウム、鋼鉄、銅、ニッケル、タングステン、およびモリブデンの合金から成る群から選定される伝導性材料から前記導管を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記真空チャンバを形成することは、前記プロセスチャンバに近接して変化する断面積を伴う前記導管を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記真空チャンバを形成することは、電気アーク放電、腐食、およびプロセス汚染のうちの少なくとも１つを阻止することができる電気絶縁コーティングを備える内側表面を伴う前記プロセスチャンバを形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記真空チャンバを形成することは、前記プロセスチャンバへの電気短絡を防止するように配列されている絶縁カラーを前記導管に搭載することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記真空チャンバを形成することは、前記導管内に内部流体冷却チャネルを形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記ＲＦ電磁場を前記導管の周囲に位置付けられた磁気コアに印加し、前記トロイダルプラズマループ放電を前記真空チャンバ内に形成することは、２０ＫＨｚ〜１４ＭＨｚの範囲内である周波数を伴うＲＦ電磁信号を印加することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記ワークピースを前記プロセスチャンバ内に位置付けることは、前記ワークピースが、前記トロイダルプラズマループ放電と第２のトロイダルプラズマループ放電との両方で反応性種に暴露されるように、前記ワークピースを位置付けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
水素を含む前記ガスは、２００トルを超える、前記ワークピースでの圧力を達成するように、前記ワークピースに近接して導入される、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
水素を含む前記ガスと、前記真空チャンバの中に導入されるガスとは、異なるガスポートにおいて導入される、請求項１に記載の方法。
【請求項３０】
水素を含む前記ガスと、前記真空チャンバの中に導入されるガスとは、同一のガス入力ポートにおいて導入される、請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
複数のポンプ出口ポートを介して、トロイダルプラズマループの異なる部分を異なる率で圧送することをさらに含み、前記ガスを前記真空チャンバの中に導入することは、複数のガス入力ポートを介して前記ガスを前記真空チャンバの中に提供することを含む、請求項１〜２８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本明細書に使用される見出しは、系統化目的のためだけのものであって、本願に説明される主題をいかようにも限定するものとして解釈されるべきではない。
【０００２】
多くのタイプのプラズマ放電が存在し、それらは、広範囲の条件下で動作する。いくつかの用途では、１０−３トル程度の低い圧力が、使用される。低圧力では、解離は、主に、分子への電子衝突により生じる。ガス種の加熱は、解離プロセスにおいて比較的に少ない役割を果たす。他の用途では、１トル〜１ａｔｍ超であり得る、はるかにより高いガス圧力が、使用される。分子の解離は、電子衝突とガス種の加熱の組み合わせにより生じる。概して、最も効率的な解離は、圧力およびガス温度が両方とも比較的に高いときに生じる。ガス温度は、ガス圧力が１トルまたはそれを上回り、プラズマ中に吸収された電力が１０Ｗｃｍ−３を上回るとき、数千℃を超え得る。これらの高ガス温度では、熱影響が、高度に解離されたガスを維持する際、重要な役割を果たし始める。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本教示は、分子ガスを解離するためのプラズマ放電の使用に関する。本教示の装置および方法の一側面は、分子ガスを解離するために、プラズマ放電を使用して、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、および関連材料を形成するステップに関する。合成ダイヤモンド材料は、長年、種々の手段によって産生されている。初期の合成ダイヤモンド処理技法は、熱トーチおよび高圧力高温反応器を含む。１９８０年代始め、研究者は、合成ダイヤモンドフィルムを発生させるためのプラズマ技法を模索し始めた。これらは、典型的には、シリコン、タングステン、およびモリブデン等の基質上に堆積されたダイヤモンド材料の薄いまたは厚いフィルムであった。これらの反応器タイプは、概して、プラズマ化学蒸着反応器またはプラズマＣＶＤ反応器と称される。プラズマＣＶＤダイヤモンド堆積の初期開発の多くは、１０〜１００トルの一般的圧力範囲で動作するマイクロ波ベースの反応器を使用して行われていた。他のダイヤモンド堆積は、より低い圧力プラズマ反応器および非マイクロ波発生器を使用して行われていた。一般に、より高い品質のフィルムおよびより高い堆積率は、より高い圧力マイクロ波システムを使用して得られていた。例えば、Ｊ．Ｅ．  Ｂｕｔｌｅｒ，  Ｙ．Ａ．  Ｍａｎｋｅｌｅｖｉｃｈ，  Ａ．  Ｃｈｅｅｓｍａｎ，  Ｊｉｅ  Ｍａ  ａｎｄ  Ｍ．Ｎ．Ｒ．  Ａｓｈｆｏｌｄ，“Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｄｉａｍｏｎｄ：Ｒｅｃｅｎｔ  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  Ｍａｔｔｅｒ  ２１（２００９）３６４２０１，ＩＯＰ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇを参照されたい。また、Ｆ．  Ｓｉｌｖａ，  Ｋ．  Ｈａｓｓｏｕｎｉ，  Ｘ．  Ｂｏｎｎｉｎ  ａｎｄ  Ａ．  Ｇｉｃｑｕｅｌ，“Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｐｌａｓｍａ-Ａｓｓｉｓｔｅｄ  ＣＶＤ  Ｒｅａｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，”Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  Ｍａｔｔｅｒ  ２１（２００９）３６４２０２  ＩＯＰ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇを参照されたい。Ｊ．Ｅ．  Ｂｕｔｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，およびＦ．  Ｓｉｌｖａ  ｅｔ  ａｌ．を含む、本明細書に引用される全参考文献は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【０００４】
ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、および関連材料を堆積させるためのプラズマ化学的性質は、主に、メタンまたはアセチレン等の少量の炭素含有ガスの添加を伴う、水素化学的性質を含む。炭素および水素を含有する他のガスが、使用されてもよい。加えて、窒素、酸素、またはハロゲン種等の他のガスも、添加されることができる。プラズマは、水素ならびに炭素含有種をある割合に解離する。原子水素は、成長中のダイヤモンド表面上に吸収され、また、ダイヤモンド結合に有利に働くように、優先的に、炭素結合をエッチングするため、重要な原料である。高堆積率および高品質フィルム成長両方に重要なのは、高原子水素流束をワークピース表面に有することである。用語「ワークピース」は、本明細書では、材料が堆積されている物体であると定義される。言い換えると、ワークピースは、本教示の方法および装置に従って処理されている、サンプルまたは素子である。
【０００５】
多くのタイプのプラズマ放電は、高原子水素流束のために必要な条件を発生させる。しかしながら、これらのプラズマ放電の多くは、多くの実践的用途に対して有意な不利点を示す。例えば、大気圧で動作するプラズマトーチは、非常に高ガス温度を発生させることができ、種々の分子ガスを解離する際、非常に効果的である。しかしながら、トーチ電極は、寿命時間を有する。また、プラズマトーチ電極の腐食は、多くの用途に対して容認不可能な汚染を発生させる。加えて、プラズマトーチが大面積にわたって均一放電を発生させることは困難である。
【０００６】
誘導ＲＦプラズマ源は、一般に、半導体処理機器において使用されている。誘導ＲＦプラズマ源は、典型的には、２ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの周波数で動作する。しかしながら、電力密度および／または圧力が上昇されるにつれて、深刻なプラズマチャンバ腐食が、生じ得る。高原子水素流束を発生させるために所望の高プラズマ密度およびガス圧力は、従来の誘導プラズマ源において達成することは困難である。また、誘導結合されたプラズマを駆動させるために使用される電力供給源は、典型的には、あまり効率的ではない。さらに、電力供給源とプラズマとの間に有意な結合損失が存在する。これらの損失の補償は、実質的に、より大きい電力供給源が必要とされ、かつこれらのシステムが、多くの場合、冷却を要求するため、プラズマ発生器にコストおよび複雑性を追加する。
【０００７】
マイクロ波放電源もまた、一般に、半導体処理機器および多くの他の用途において使用されている。これらの源は、１０−３トル未満〜１ａｔｍ超の範囲の圧力で動作する。しかしながら、マイクロ波発生器は、非効率的であることが知られている。マイクロ波発生器は、典型的には、わずか約５０％の全体的効率を有する（マイクロ波電力へのＡＣライン）。加えて、これらの発生器内の磁電管は、典型的には、定期的ベースで交換される必要があり、これは、有意に、システムの動作コストおよびダウンタイムを追加させる。加えて、特殊かつコストがかかる導波管構成要素は、電力をマイクロ波発生器からプラズマに結合する必要がある。マイクロ波結合構成要素および発生器もまた、サイズおよび重量が大きく、特に、クリーンルーム環境において、その用途を制限する。
【０００８】
マイクロ波プラズマ反応器は、一般に、ダイヤモンドを堆積させるために使用されている。これらの反応器では、典型的ガス種は、水素およびメタン等の炭素含有ガスを含み、酸素、窒素、およびハロゲン種等の他のガス量を含んでもよい。メタン以外の炭素含有種もまた、使用されている。高性能マイクロ波ダイヤモンドＣＶＤ反応器は、単独で、または高圧力（１０〜１００＋トル）、高中性ガス温度（２０００℃またはそれを上回る）で動作させること、および／またはワークピース表面を原子水素が発生されるプラズマコアから短距離に位置付けること等と組み合わせて、種々の方法で高原子水素流束をワークピース表面に印加する。プラズマコアから短距離で動作させることは、プロセスチャンバ内の典型的圧力において、ガス相再結合および壁反応の両方が、原子水素の損失を生じさせるであろうため望ましい。
【０００９】
ワークピースは、ワークピース表面への原子水素の最適移送が達成されるように、いくつかの構成では、プラズマの高温コアから５センチメートル未満である必要がある。多くの場合、ガス圧力に応じて、プラズマの高温コアから基質までの最適距離は、ミリメートル以下であり得る。これらの電力密度およびプラズマコアまでの近接基質距離では、基質の非常に有意な加熱が存在するであろう。本加熱は、ワークピースを所望の堆積温度まで加熱するために必要なエネルギーを成長表面に提供することによって有利となり得る。
【００１０】
一般に、ダイヤモンドを堆積させるために使用される、マイクロ波プラズマ反応器内のプラズマおよび表面化学的性質は、広範に研究されており、プラズマ中の原子水素の産生およびワークピース表面上でのその使用は、プロセスに重要であることが周知である。堆積率および材料品質は、反応器が、分子水素を原子水素に解離し、それをワークピース表面に送達する際、より効率的になるにつれて増加する。また、原子水素がワークピース表面上に衝突すると、原子水素が分子水素に再結合するであろう確率が高くなり、大量のエネルギーを解放し、ワークピースに伝達し、温度を上昇させる。これは、ダイヤモンド、グラフェン、および類似材料の堆積等、高ワークピース温度を要求するプロセスにおいて有利であり得る。原子水素をワークピース加熱のために利用することによって、補助加熱の必要性は、低減または完全に回避され、エネルギーコスト、機器複雑性、および機器コストを低減させ得る。
【００１１】
本教示の一側面は、効果的および効率的に、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、および他の炭素系材料を含む、種々の材料を堆積させる、原子水素を発生させるためのトロイダルプラズマの使用である。トロイダルプラズマは、本明細書では、閉ループを完成させる、プラズマとして定義される。トロイダルプラズマは、ここ数年、商業用材料処理用途において使用されている。材料処理のための公知のトロイダルプラズマ装置の１つは、米国特許第６，１５０，６２８号に説明されており、参照することによって本明細書に組み込まれる。本明細書に説明されるようなトロイダルプラズマは、一般に、以下の特性のうちの１つまたはそれを上回るものを有する。（１）プラズマは、閉ループ内で発生される。（２）１つまたはそれを上回る磁気コアが、プラズマループの一部を囲繞する。（３）ＲＦ電力供給源は、電力が、事実上、変圧器回路の二次巻線である、磁気コアを通してプラズマループに結合されるように、磁気コアの一次巻線に接続される。
【００１２】
したがって、本教示のトロイダルプラズマ源の特徴の１つは、非マイクロ波電力が、成功を収めているマイクロ波プラズマダイヤモンドＣＶＤ反応器内で見出されるものと同様の条件を生成し得る、プラズマ放電を開始および維持するために使用されることができることである。活性ガスの部分的圧力は、いくつかの構成では、１トルまたはそれを上回ってもよい。吸収されるＲＦ電力は、１０Ｗｃｍ−３またはそれを上回ることができる。
【００１３】
本教示のトロイダルプラズマ装置は、多数の用途を有する。本教示のトロイダルプラズマ装置の用途の１つは、ダイヤモンド等の種々の材料を堆積させることである。しかしながら、本教示は、ダイヤモンドの堆積に限定されないことを理解されたい。本教示のトロイダルプラズマ装置の別の用途は、ワークピース表面をエッチまたは清掃することである。エッチングまたは清掃は、プラズマ放電中に生成される帯電種への暴露および／またはプラズマ放電中に生成される反応性中性種への暴露によって達成されることができる。本教示のトロイダルプラズマ装置の別の用途は、反応性ガス源である。本願では、源は、主に、非帯電反応性ガス種がワークピース表面に到達するように、構成および動作されるであろう。トロイダルプラズマ源のさらに別の用途は、可動式ロールツーロールウェブベースのワークピース取付盤上での堆積またはエッチングのためのものである。そのようなシステムは、ウェブをプロセスチャンバを通して移送する、少なくとも、供給ローラおよび戻りローラを含む。例えば、米国特許公開第２０１０−０３１０７６６Ａ１号（参照することによって本明細書に組み込まれる）を参照されたい。これらの可動式ロールツーロールウェブベースのワークピース取付盤は、太陽電池のようなウェブタイプ基質を支持することができる、または従来の基質を支持することができる。
【００１４】
トロイダルプラズマ源は、特に、プラズマ中の非常に高いガス温度が望ましい用途に有用である。例えば、プラズマ領域内の非常に高ガス温度は、分子水素からの原子水素の解離を助長し、高解離度を維持するために、水素を用いて処理するときに望ましい。特に、２，０００℃を超えるガス温度が、望ましいことが分かっている。本教示による多くのプロセスでは、３，０００℃を上回るガス温度は、特に、堆積されるダイヤモンド材料の高堆積率および高品質の両方のために好ましい条件をもたらす。また、原子窒素、酸素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、および多数の炭化水素を使用するとき、非常に高ガス温度をプラズマ領域内に有することが望ましい。一般に、プラズマ中のガス温度が高いほど、原子種の産生がより効果的となる。
【００１５】
加えて、本教示によるトロイダルプラズマ源は、特に、プラズマが狭閉じ込め型プラズマ処理チャンバ内に維持することが困難であって、プラズマまたはその生成物が壁に接触する、反応性ガス種を用いた用途のために有用である。原子水素は、表面上のその高再結合率および解離されるときのその高化学活性のため、狭閉じ込め型プラズマ処理チャンバ内に維持することが困難である、反応性ガスの実施例である。水素は、半導体ウエハ表面の清掃およびリソグラフィプロセスステップ後の半導体ウエハからのフォトレジストの除去等の用途のために使用される。水素はまた、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、およびグラフェン等の種々の炭素系材料を堆積させるためにも使用される。したがって、本教示のトロイダルプラズマ装置の重要な用途の１つは、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、および他の炭素系材料を堆積させることである。類似理由から、狭閉じ込め型プラズマ処理チャンバ内に維持することが困難な他のガスとして、原子窒素、酸素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アンモニア、および多数の炭化水素、フッ化炭素、および他の分子種が挙げられる。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
プラズマ処理装置であって、
ａ）真空チャンバであって、導管、プロセスチャンバ、ガスを前記真空チャンバの中に導入するための第１のガス入力ポート、およびガスを前記真空チャンバから排気するためのポンプポートを備える、真空チャンバと、
ｂ）前記導管を囲繞する磁気コアと、
ｃ）前記磁気コアに電気的に接続される出力を有する、ＲＦ電力供給源であって、前記磁気コアを励起し、それによって、トロイダルプラズマループ放電を前記真空チャンバ内に形成する、ＲＦ電力供給源と、
ｄ）前記プロセスチャンバ内に位置付けられる、プラズマ処理の間、ワークピースを支持する、取付盤と、
を備える、プラズマ処理装置。
（項目２）
前記真空チャンバは、絶縁材料を備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目３）
前記真空チャンバは、伝導性材料を備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目４）
前記プロセスチャンバの断面積は、前記導管の断面積より大きい、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目５）
前記ワークピースに近接して位置付けられる、第２のガス入力ポートをさらに備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目６）
第２のポンプポートをさらに備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目７）
前記導管は、前記プロセスチャンバに近接して変化する、断面積を有する、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目８）
前記導管は、溶融シリカ、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、複合材材料、およびサファイアから成る群から選定される、誘電材料を備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目９）
前記導管は、アルミニウム、鋼鉄、銅、ニッケル、タングステン、モリブデン、ならびにアルミニウム、鋼鉄、銅、ニッケル、タングステン、およびモリブデンの合金から成る群から選定される、伝導性材料を備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目１０）
前記プロセスチャンバの内側表面は、電気アーク放電、腐食、およびプロセス汚染のうちの少なくとも１つを阻止する、電気絶縁コーティングを備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目１１）
前記導管は、それらが接続される前記チャンバに対する電気短絡を防止する、絶縁カラーとともに搭載される、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目１２）
前記導管は、内部流体冷却チャネルを備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目１３）
前記ＲＦ電力供給源によって発生される信号の周波数は、２０ＫＨｚ〜１４ＭＨｚの範囲内である、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目１４）
前記真空チャンバは、流体冷却チャネルを備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目１５）
前記取付盤は、前記ワークピースを前記プラズマループに対して平行移動させる、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目１６）
前記取付盤は、可動式ウェブ基質取付盤を備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目１７）
前記取付盤は、前記プラズマループに近接して位置付けられる、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目１８）
前記取付盤は、前記プラズマループから変位されるように位置付けられる、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目１９）
前記取付盤は、前記プラズマループの中心から０．１ｃｍ〜５ｃｍであるように位置付けられる、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目２０）
前記取付盤は、内部流体冷却チャネルを備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目２１）
前記真空チャンバは、第２の導管を備える、項目１に記載のプラズマ処理装置。
（項目２２）
プラズマ処理装置であって、
ａ）真空チャンバであって、第１および第２の導管、プロセスチャンバ、およびプロセスガスを前記真空チャンバの中に導入するための第１のガス入力ポートを備える、真空チャンバと、
ｂ）前記第１および第２の導管のうちの一方を囲繞する、磁気コアと、
ｃ）前記磁気コアに電気的に接続される出力を有する、ＲＦ電力供給源であって、前記磁気コアを励起し、それによって、トロイダルプラズマループ放電を前記真空チャンバ内に形成する、ＲＦ電力供給源と、
ｄ）前記プロセスチャンバ内に位置付けられる少なくとも１つのワークピースを支持する、取付盤であって、前記プラズマループの第１の区分からの反応性種に暴露される第１の区分および前記プラズマループの第２の区分からの反応性種に暴露される第２の区分を有する、取付盤と、
を備える、プラズマ処理装置。
（項目２３）
前記プラズマループの区分からの反応性種に暴露される、第２の取付盤をさらに備える、項目２２に記載のプラズマ処理装置。
（項目２４）
前記取付盤は、可動式ウェブ基質取付盤を備える、項目２２に記載のプラズマ処理装置。
（項目２５）
前記プラズマループの第１の区分に近接して位置付けられる第２のガス入力ポートと、前記プラズマループの第２の区分に近接して位置付けられる第３のガス入力ポートとをさらに備える、項目２２に記載のプラズマ処理装置。
（項目２６）
前記第１および第２の導管のうちの少なくとも１つは、前記プロセスチャンバに近接して変化する、断面積を有する、項目２２に記載のプラズマ処理装置。
（項目２７）
第２のプロセスチャンバをさらに備える、項目２２に記載のプラズマ処理装置。
（項目２８）
前記第１および第２の導管の他方を囲繞する、第２の磁気コアであって、前記第２の磁気コアを励起し、前記トロイダルプラズマループ放電を前記真空チャンバ内に形成するのを補助する、ＲＦ電力供給源に電気的に接続された出力を有する、ＲＦ電力供給源に電気的に接続される、第２の磁気コアをさらに備える、項目２２に記載のプラズマ処理装置。
（項目２９）
前記第２の磁気コアに電気的に接続されたＲＦ電力供給源は、前記第１の磁気コアに電気的に接続されたＲＦ電力供給源と同一である、項目２８に記載のプラズマ処理装置。
（項目３０）
プラズマ処理の方法であって、
ａ）第１および第２の導管ならびにプロセスチャンバを備える、真空チャンバを形成するステップと、
ｂ）第１のガス入力ポートにおいて、第１のガスを前記真空チャンバの中に導入するステップと、
ｃ）ＲＦ電磁場を前記第１および第２の導管のうちの少なくとも１つの周囲に位置付けられる磁気コアに印加し、トロイダルプラズマループ放電を前記真空チャンバ内に形成するステップと、
ｄ）プラズマ処理のために、ワークピースを前記プロセスチャンバ内に位置付けるステップと、
ｅ）第２のガス入力ポートにおいて、プロセスガスを前記ワークピースに近接して導入するステップと、
を含む、方法。
（項目３１）
前記方法は、ダイヤモンド含有フィルムを堆積させる方法を含む、項目３０に記載の方法。
（項目３２）
前記方法は、グラフェン含有フィルムを堆積させる方法を含む、項目３０に記載の方法。
（項目３３）
前記プロセスガスは、水素を含み、前記トロイダルプラズマループ放電は、原子水素を発生させる、項目３０に記載の方法。
（項目３４）
前記プロセスガスの部分的圧力は、少なくとも１トルである、項目３０に記載の方法。
（項目３５）
吸収されるＲＦ電力は、約１０Ｗｃｍ−３を上回る、項目３０に記載の方法。
（項目３６）
前記第１のガスは、アルゴンガスを含み、前記プロセスガスは、水素ガスを含む、項目３０に記載の方法。
（項目３７）
前記ワークピースに近接した前記プロセスチャンバ内のプロセスガスの部分的圧力は、１トル〜１００トルの範囲内である、項目３０に記載の方法。
（項目３８）
前記プラズマ内の電力密度は、少なくとも１００Ｗｃｍ−３である、項目３０に記載の方法。
（項目３９）
前記ワークピースを前記プラズマに対して平行移動させ、前記プラズマ処理の均一性を改善するステップをさらに含む、項目３０に記載の方法。
（項目４０）
前記ワークピースを前記プラズマに対して回転させ、前記プラズマ処理の均一性を改善するステップをさらに含む、項目３０に記載の方法。
（項目４１）
前記ワークピースの表面における温度を制御するステップをさらに含む、項目３０に記載の方法。
（項目４２）
前記温度を制御するステップは、前記取付盤の温度を制御するステップを含む、項目４１に記載の方法。
（項目４３）
前記温度を制御するステップは、前記取付盤の位置を前記プラズマループに対して調節するステップを含む、項目４１に記載の方法。
（項目４４）
前記温度を制御するステップは、前記取付盤とワークピースとの間のガスの圧力を調節するステップを含む、項目４１に記載の方法。
（項目４５）
前記取付盤を電気的にバイアスし、前記ワークピースに近接する前記プラズマの形状を変化させるステップをさらに含む、項目４１に記載の方法。
（項目４６）
前記プロセスチャンバと前記導管との間に調節可能ガス流をさらに含む、項目３０に記載の方法。
（項目４７）
前記プロセスガスは、炭素を含む、項目３０に記載の方法。
（項目４８）
前記プロセスガスは、水素を含む、項目３０に記載の方法。
（項目４９）
前記ワークピースの温度を測定し、前記測定に応答して、前記ＲＦ電磁場のＲＦ電力を調節するステップをさらに含む、項目３０に記載の方法。
（項目５０）
第１および第２の導管のうちの少なくとも１つの内側の圧力は、前記プロセスチャンバの内側の圧力と異なる、項目３０に記載の方法。
（項目５１）
前記プロセスガスは、水素を含み、前記ワークピースの表面上の原子水素の再結合は、前記ワークピースを所望の温度まで加熱する、項目３０に記載の方法。
（項目５２）
下流プラズマ処理装置であって、
ａ）真空チャンバであって、前記真空チャンバは、導管、反応チャンバ、不活性ガスを第１の場所において前記真空チャンバの中に導入するための第１のガス入力ポート、プロセスガスを第２の場所において導入するための第２のガス入力ポート、および前記反応チャンバ内で発生された反応性種を通過させるための出口を備え、前記プロセスチャンバ内の反応性ガスの圧力および濃度のうちの少なくとも１つは、前記導管内の前記圧力および濃度のうちの少なくとも１つと異なる、真空チャンバと、
前記導管を囲繞する磁気コアと、
ｂ）前記磁気コアに電気的に接続される出力を有する、ＲＦ電力供給源であって、前記磁気コアを励起し、それによって、トロイダルプラズマループ放電を前記真空チャンバ内に形成し、下流処理のための反応性種を発生させる、ＲＦ電力供給源と、
を備える、下流プラズマ処理装置。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本教示は、好ましいおよび例示的実施形態に従って、そのさらなる利点とともに、付随の図面と関連して検討される、以下の発明を実施するための形態により具体的に説明される。当業者は、以下に説明される図面が、例証目的にすぎないことを理解するであろう。図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を例証するために強調される。図面は、本出願人の教示の範囲をいかようにも限定することを意図するものではない。
【図１】図１は、磁気コアおよび電力供給源を有する、本教示の一実施形態による、トロイダルプラズマ源を図示し、不活性およびプロセスガスは、１点または複数の点において、導入されることができる。
【図２】図２は、本教示によるトロイダルプラズマ処理装置を図示し、プラズマ導管および磁気コアを図示する。
【図３】図３は、本教示のトロイダルプラズマ処理装置を図示し、複数のプラズマ源が、ワークピースの幅を横断して、または長さに沿って、積層される。
【図４】図４は、機能的に別個の部分を伴う、プラズマ処理のための真空チャンバを含む、本教示によるトロイダルプラズマ処理装置の斜視図を図示する。
【図５】図５は、プロセスチャンバと導管チャンバとの間に調節可能ガス制限器を伴う、プロセスチャンバ内の２つのプラズマループ区分を含む、本教示のトロイダルプラズマ処理装置を図示する。
【図６】図６は、より高いプラズマ密度およびガス温度の領域を生成するために、近接近または混在する、２つのプラズマ区分を含む、本教示のトロイダルプラズマ処理装置を図示する。
【図７】図７は、本教示による、反応性ガス種を発生させるための遠隔または下流トロイダルプラズマ源を図示する。
【図８】図８は、３つの導管およびプロセスチャンバを備える単一プラズマループを含む、本教示によるトロイダルプラズマ処理装置の実施形態を図示する。
【図９】図９は、本教示による単一プラズマループトロイダルプラズマ処理装置の等角図を図示する。
【図１０】図１０は、実験を実施するために使用される、本教示によるトロイダルプラズマ処理装置を図示する。
【図１１】図１１は、本教示のトロイダルプラズマ処理システムと併用され得る、ワークピースを支持するためのワークピース取付盤の斜視図を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
明細書内での「一実施形態」または「ある実施形態」という語句の参照は、実施形態と併せて説明される、特定の特徴、構造、または特性が、本教示の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。明細書中の種々の場所における「一実施形態では」という語句の表出は、必ずしも、すべて同一実施形態を指すわけではない。
【００１８】
本教示の方法の個々のステップは、本教示が動作可能のままである限り、任意の順番で、および／または同時に、行ってもよいことを理解されたい。さらに、本教示の装置および方法は、本教示が動作可能のままである限り、任意の数または全部の説明される実施形態を含むことが可能であることを理解されたい。
【００１９】
ここで、付随の図面に示されるように、その例示的実施形態を参照して、本教示をより詳細に説明する。本教示は、種々の実施形態および実施例と併せて説明されるが、本教示をそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。対照的に、本教示は、当業者によって理解されるように、種々の代替、修正、および均等物を包含する。本明細書の教示へのアクセスを有する当業者は、本明細書に説明されるように、本開示の範囲内にある、付加的実装、修正、および実施形態、ならびに他の使用分野を認識するであろう。
【００２０】
図１は、磁気コア１０２および電力供給源１０４を有する、本教示の一実施形態によるトロイダルプラズマ源１００を図示し、不活性およびプロセスガスは、１点１０６または複数の点１０６、１０６’、および１６０’’において導入されることができる。トロイダルプラズマ源１００は、絶縁または伝導性材料あるいその２つの組み合わせから形成され得る、プラズマチャンバ１０８を含む。プラズマチャンバ１０８は、単純伝導性構造ではない。磁気コア１０２は、プラズマチャンバ１０８を囲繞する。また、いくつかの実施形態では、真空チャンバ自体内に位置付けられる磁気コアを有することが望ましくあり得、その場合、プラズマループの区分を囲繞することができる。ＲＦ電力供給源１０４は、磁気コア１０２の一次巻線に接続される、出力を有する。ＲＦ電力供給源１０４は、磁気コア１０２を励起させ、ひいては、電場をプラズマ放電１１０に結合させるために使用される。
【００２１】
種々の実施形態では、不活性およびプロセスガスは、プラズマチャンバ１０８内の１点または複数の点において導入される。図１に示される実施形態では、トロイダルプラズマ源１００は、第１のガス入口１０６、第２のガス入口１０６’、および第３のガス入口１０６’’を含む。複数のガス入口の使用は、プラズマループの異なる区分に沿って、活性および貴ガス種を分離する能力を提供する。
【００２２】
２つのガス入口の使用は、プラズマループの異なる区分に沿って、活性および貴ガス種を分離する能力を提供する。用語「活性ガス」および「反応性ガス」は、本明細書で使用されるように、プロセスの化学的性質の一部である、ガスを指す。対照的に、アルゴン等の貴ガスは、主に、プラズマ放電を持続させるのを補助するために使用されるが、いくつかのプロセスでは、活性ガスの解離プロセスに役割を果たし得る。
【００２３】
ガスは、種々の理由から、プロセスに応じて、プラズマチャンバ１００内の複数のガス入力ポートに導入される。ガス入力ポートは、本明細書に定義されるように、単一または複数の開口、単一または複数の細隙、あるいはシャワーヘッド等の任意のタイプのガス入力ポートであることができる。例えば、アルゴンガスは、他のガスと比較して、アルゴンを用いた場合、プラズマ放電を生成および持続させるために、ほとんど電力および電圧が要求されないため、１つの場所において導入されることができる。アルゴンガスはまた、アルゴン放電に暴露されるプラズマチャンバの部分が、水素および他の活性ガスに暴露されるプラズマチャンバの部分と比較して、あまり複雑ではなく、かつコストがかからない構造の材料を要求するであろうように、化学的に不活性である。処理されるワークピース１１２は、図１に示されるように、真空ポンプへの出口１１４近傍に位置付けられることができる。他の構成は、処理されるワークピース１１２を真空ポンプへの出口１１４から変位させる。アルゴンガスを使用する多くの実施形態は、ワークピース１１２から離れた点においてそれを導入する一方、水素ガス、不活性、および他のプロセスガスは、ワークピース１１２により近接して導入される。そのような構成は、ワークピース１１２に近接して、原子水素をワークピース１１２表面に提供するために必要とされる、より多くの電力が消失される結果をもたらすであろう。
【００２４】
計算は、有意なガス分離が広範囲のガス流動および圧力下で生じることを示す。例えば、アルゴン流率が２００ｓｃｃｍまたはそれを上回り、水素流率が２００ｓｃｃｍ以下、および圧力が１０トル超の場合、有意なガス分離が、プラズマループ１１０に沿って生じる。種々の実施形態では、付加的ポンプチャネルおよびガス入力ポートが、ガス分離の量を増加させるために含まれる。いくつかの方法および構成では、プラズマ源１００は、プロセスガスの部分的圧力が１トル〜１００トルの圧力範囲内にあるように動作される。しかしながら、本明細書に説明される本教示は、具体的圧力範囲に限定されない。
【００２５】
複数のガス入力ポートにおいてガスを導入するための別の理由は、所望のガス流動パターンを提供する、または特定のパラメータに対する流動パターンを最適化することである。例えば、可変サイズおよび／または間隔パターンを伴う複数のガス入力ポートが、所望の流動パターンを達成する、またはガスの流動を最適化するために使用されることができる。最適化された流動は、固定および回転基質の両方上における均一性を向上させることができる。
【００２６】
種々の実施形態では、ワークピース１１２は、プラズマに近接近する、またはそれに隣接して位置付けられることができる。いくつかの実施形態では、ワークピース１１２は、高温プラズマコアに近接近して、トロイダルプラズマ領域の中に導入され、高品質フィルムを堆積させるために、適正な原子水素流束を受容する。一具体的実施形態では、ワークピース１１２は、プラズマの高温コアから２ｃｍ未満である。本実施形態では、高温プラズマコアからワークピース表面までの典型的距離は、１ｍｍ〜５ｃｍの範囲内である。
【００２７】
図１に示される実施形態では、４００ｋＨｚ電力供給源１０４が、示される。種々の実施形態では、ＲＦ電力供給源１０４の周波数は、概して、約６０Ｈｚ〜１００ＭＨｚである。しかしながら、電力供給源および磁気コアの全体的システムコストおよび重量を最小限にする望ましさに関する実践的限界を含む、種々の要因が、多くの実施形態では、実践的周波数範囲を約２０ｋＨｚ〜１４ＭＨｚに限定する。本周波数範囲はまた、容量結合を回避しながら、電力供給源１０４からプラズマへの電力の伝達を最大限にするために望ましい。いくつかの実施形態では、トロイダルプラズマ源１００は、１０Ｗｃｍ−３またはそれを上回るプラズマ内の電力密度を伴って動作される。他の実施形態では、電力密度は、１００Ｗｃｍ−３より高い。
【００２８】
図１に関連して説明されるトロイダルプラズマ源１００の特徴の１つは、マイクロ波空洞がプラズマを形成するために要求されないことである。マイクロ波空洞は、アーク放電を形成する傾向等、多数の不利点を有する。実際、マイクロ波空洞は、プラズマ放電を形成する他の手段と比較して、はるかに限定されたプロセスパラメータ空間を有し、ワークピース１１２が位置付けられ得る場所がはるかに限定される。マイクロ波空洞はまた、プラズマ形状を特定のワークピースタイプのために望ましくあり得るものに調整するための機会の限定された範囲を提供する。
【００２９】
図１に関連して説明されるトロイダルプラズマ源１００の別の特徴は、プラズマ負荷に対する電力供給源１０４の能動的同調または一致が、概して、要求されないことであって、これは、複雑性およびコストを低減させる。しかしながら、いくつかの状況では、同調または一致が、望ましい。トロイダルプラズマ源１００のさらに別の特徴は、デバイス内側の電場および電圧が、マイクロ波源またはより従来のＲＦプラズマ源に見出されるものと比較して、わずかであることであって、これは、信頼性を改善し、プラズマ環境に暴露される内部表面の腐食を低減させる。
【００３０】
図２は、本教示によるトロイダルプラズマ処理装置２００を図示し、プラズマ導管２０２および磁気コア２０４を図示する。用語「導管」は、本明細書に定義されるように、トロイダル放電の区分を含有するように設計される構造を意味するが、材料および／またはガスの実質的処理が行われる構図として意図されない。導管２０２は、本教示の多くの実施形態では、導管２０２内の不活性およびプロセスガスの圧力および濃度が、プロセスチャンバ２０６内の圧力および濃度と異なるように、プロセスチャンバ２０６と比較して、異なる幾何学形状を有する。用語「プロセスチャンバ」は、本明細書では、材料およびガスの一方または両方が処理される、真空チャンバの区分として定義される。したがって、用語「プロセスチャンバ」は、関連技術分野のいくつかのものより一般的に定義される。図に示されるプロセスチャンバは、多くの可能性として考えられるプロセスチャンバ構成のうちのいくつかにすぎない。種々の構成では、真空チャンバの異なる部分は、プロセス化学物質に応じて、異なる材料または同一の材料から構築されることができる。いくつかの用途の場合、プラズマチャンバのいくつかの区分内のアルゴンパージを提供し、プロセスガスの濃度を低減させることが望ましい。
【００３１】
図２は、本教示によるトロイダルプラズマ源２００の導管２０２および磁気コア２０４または複数のコアの一構成を図示する。トロイダルプラズマ源２００は、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、および堆積プロセスに原子水素を要求する他の材料等、材料の堆積において使用するための原子水素の発生を含む、広範囲の目的に非常に好適である。また、表面清掃および修正を含む、多数の他の化学物質およびプロセスのためにも使用されることができる。
【００３２】
プラズマ処理装置２００は、２つの略直線導管２０２を含む。プラズマ２０２は、導管の両側において、トロイダルプラズマループを閉鎖する。本実施形態の幾何学形状の特徴の１つは、直線導管２０２が、広範な種々の材料において利用可能であって、より複雑な形状の導管と比較して、有意により低いコストで加工されることができることである。本実施形態の幾何学形状の別の特徴は、プラズマ２０８が、より大きい真空チャンバ内にあるとき、そのトロイダル経路に沿って旋回することである。その結果、放電からの熱は、プラズマ２０８が旋回する場所に最も集中する。より集中した熱の本領域は、熱および化学攻撃の両方から、腐食をより受けやすい。したがって、イオンからの物理的スパッタリングは、熱を吸収するための表面積がより多いより大きい体積の領域に移動される。
【００３３】
種々の実施形態では、プラズマ導管２０２は、溶融シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、サファイア、ならびに他のセラミックおよびガラス等、多数の異なるタイプの誘電材料から加工されることができる。プラズマ導管２０２はまた、アルミニウム、種々の鋼鉄、銅、タングステン、モリブデン等の伝導性材料から加工されることができる。伝導性または誘電材料を使用する実施形態では、電気絶縁コーティングが、電気アーク放電または腐食を阻止するために、プラズマ導管の内側壁に塗布されることができる。伝導性材料の場合、導管２０２は、絶縁カラーまたはワッシャとともに搭載され、それらが接続されるチャンバに対する電気短絡を防止することができる。導管２０２および磁気コア２０６の温度は、多数の方法で制御されることができる。例えば、導管２０２および磁気コア２０６は、空気対流、直接流体冷却を行うことによって、または導管２０２および／または磁気コア２０６の外部表面に近接して接触される１つまたはそれを上回る冷却要素によって、冷却されることができる。
【００３４】
公知のトロイダルプラズマ源では、プロセスガスの化学的性質は、多くの場合、プラズマ処理チャンバの壁材料と互換性がない。本非互換性は、事実上、使用され得るプロセスガスを限定する。本教示のトロイダルプラズマ源２００の別の特徴は、本教示の装置が、従来のプラズマ処理チャンバの壁材料と互換性がないプロセスガスの化学的性質を使用することができることである。
【００３５】
公知のトロイダルプラズマ源では、プラズマループの大部分は、主に、プラズマを維持するためだけに使用される。プラズマの維持は、多くの用途のためのプロセス利点を提供せずに、エネルギーを消費する。本教示のトロイダルプラズマ源２００の別の特徴は、プラズマ２０８を維持するためだけに使用される総プラズマ電力の割合を低減させることである。種々の実施形態では、本教示のトロイダルプラズマ源２００は、いくつかの実施形態では、プロセスガスのプラズマ経路長の１００％、他の実施形態では、プラズマ経路長のわずか５％を利用してもよい。
【００３６】
公知のトロイダルプラズマ源では、プラズマループは、閉鎖された真空チャンバ内に閉じ込められ、プラズマの最も高温部分は、ワークピースから離れている。本教示のプラズマ処理装置の別の特徴は、ワークピース２１０が、直接、高温プラズマ２０４コアに隣接する、またはその近傍にあることを可能にすることである。
【００３７】
図３は、本教示のトロイダルプラズマ処理装置３００を図示し、複数のプラズマ源３０２が、ワークピース３０４の幅を横断して、またはその長さに沿って、積層される。本幾何学形状では、積層されたトロイダルプラズマ源３０２は、種々の構成において重複およびオフセットされ、したがって、プロセスの均一性が制御されることを可能にすることができる。トロイダルプラズマ源３０２はそれぞれ、導管３０８と、少なくとも１つの磁気コア３１０とを含む。プロセスチャンバ３０６は、両トロイダルプラズマ源に共通である。各対の導管３０８のためのプラズマ流束３１２は、他方の対から離散されて保たれることができる。他の実施形態では、プラズマ流束３１２は、導管間で連結される。そのような幾何学形状は、大面積離散ワークピース３０４およびロールツーロールまたはウェブ堆積システムの両方のために非常に好適であって、ワークピース３０４は、プロセスチャンバ内で継続的に移動され、材料を堆積させるか、材料をエッチングするか、または材料の表面特性を修正するかのいずれかを行う。本明細書に説明されるプラズマ処理装置３００の特徴の１つは、トロイダルプラズマ源がプロセスの均一性および率を制御するために、固定または移動ワークピース３０４の幅または長さに沿ってアレイ化されることができることである。
【００３８】
いくつかの実施形態では、本教示のプラズマ処理装置３００は、単一プロセスチャンバ３０６に加え、単一接続チャンバ３０２を共有する。そのような構成では、単一接続チャンバ３０２は、第２のプロセスチャンバとして使用されることができる。本構成では、２つの移動または２つの固定ワークピースは、同時に、処理されることができる。２つのワークピースチャンバが使用される実施形態では、同一または異なるガス混合物が、異なるワークピースチャンバの中に導入されてもよい。
【００３９】
複数のプラズマ源を伴うプラズマ処理装置３００は、一般に、あるプロセスチャンバ３０６から次のものへ移動される、ガラス片等の固定離散基質に非常に好適である。プラズマ処理装置３００は、材料を堆積させる、あるいは表面を清掃または修正するために使用されることができる。プラズマ処理装置３００を用いて処理するために好適なデバイスの実施例は、光起電技術およびディスプレイである。
【００４０】
複数のプラズマ源を伴うプラズマ処理装置３００はまた、ワークピース３０４をプラズマ３１２領域真下で回転、平行移動、または別様に移動させるその能力のため、均一フィルムを大面積にわたって堆積させるために非常に好適である。種々の実施形態では、ワークピース３０４の移動は、プラズマ源からの電力をより大きいワークピース３０４面積にわたって平均化することによって、均一フィルム堆積を提供し、かつワークピース３０４の温度を制御するように制御されることができる。種々の実施形態では、ワークピースの移動は、単純回転または単純平行移動あるいは回転および平行移動の組み合わせであることができる。いくつかの実施形態では、トロイダルプラズマ源３００自体が、回転および／または平行移動され、プラズマ３０２の均一性を改善する。いくつかの実施形態では、ワークピース３０４およびトロイダルプラズマ源３００は両方とも、相互に対して回転および／または平行移動され、均一性を改善する。
【００４１】
図４は、機能的に別個の部分を伴う真空チャンバを含む、本教示によるトロイダルプラズマ処理装置４００の斜視図を図示し、プラズマ条件は、チャンバの局所ガス注入および／または局所幾何学形状のうちの少なくとも１つのため、ループの異なる区分において異なり得る。種々の構成では、機能的に別個の部分のうちのいくつかは、直接または遠隔のいずれかでプラズマによって発生される反応性種へのワークピースのある暴露のための少なくとも１つの導管を提供する。多くの異なるタイプの反応性種が、発生されることができる。例えば、一実施形態では、原子水素が、発生される。
【００４２】
より具体的には、トロイダルプラズマ処理装置４００は、トロイダルプラズマを支持するための導管４０２、プロセスチャンバ４０６、および導管４０２のうちの少なくとも１つの周囲の少なくとも１つの磁気コア４０８を伴う、真空チャンバを含む。トロイダルプラズマ処理装置４００はまた、点火器ポートとして使用され得る、視認ポート４１０を含む。
【００４３】
図４に図示されるトロイダルプラズマ処理装置４００は、種々の方法で使用され得る、２つのガス導入ポート４１２、４１４を示す。種々の実施形態では、任意の数のガス導入ポートが使用されることができることを理解されたい。これらの実施形態のうちのいくつかでは、反応性ガスは、処理されるワークピースに近接近して注入される。いくつかの方法では、ガス導入ポート１  ４１２は、閉プラズマループの大部分の周囲のプラズマのための容易にイオン化可能な経路を提供する、アルゴン等の非反応性ガスを導入するために使用される。導管４０２が、主に、アルゴンガスまたはいくつかの他の種類の不活性ガスを含有するとき、それらの領域内で消散される電力は、プロセスガスが存在する場合より少なくなり、それらの領域内の真空チャンバ壁に及ぼす任意の化学攻撃は、有意に低減されるであろう。
【００４４】
これらのプロセスでは、ガス導入ポート２  ４１４は、プロセスガスをプロセスチャンバ４０６の中に導入するために使用されることができる。プロセスガスは、典型的には、アルゴン単独より高いインピーダンスプラズマ負荷を提示する。その結果、プラズマの単位長あたり消散される電力は、ほとんどアルゴンを含有するプラズマチャンバの他の面積より、プロセスチャンバ４０６内においてより大きくなるであろう。同様に、最も攻撃的プラズマの化学的性質は、プロセスチャンバ４０６内に位置するであろう。本教示のトロイダルプラズマ発生器の特徴の１つは、種々の冷却手段が、プラズマループ全体の周囲に等しく分散されるのではなく、最も必要とされる場所に位置付けられることができることである。
【００４５】
真空チャンバを備える種々の要素は、プラズマの付加的制御を提供するために、電気的に絶縁されてもよい。これらの要素は、電気的に浮動であってもよく、あるいはＤＣおよび／またはＲＦ電源を用いて電気的にバイアスされてもよい。例えば、いくつかの構成では、ワークピース取付盤は、電気的に浮動である、または電気的にバイアスされてもよい。ワークピース取付盤へのバイアスの制御は、プラズマのある領域内のプラズマ形状または強度を変化させることができる。また、真空チャンバの異なる区分を別個にバイアスまたは浮動させることは、プラズマ内のエネルギー消散の付加的制御を提供することができる。
【００４６】
ワークピースは、プロセスチャンバ４０６内に、典型的には、取付盤またはホルダ上に位置する。取付盤は、いくつかの用途の場合、温度制御される、または位置調節されることができる。ワークピースの温度は、プラズマに対するワークピースの物理的位置の調節、取付盤に対するワークピースの物理的位置の調節、取付盤の温度の調節、およびワークピースと取付盤との間のガスの圧力の調節を含む、種々の手段によって調節されることができる。ワークピースの温度はまた、ワークピースの背面の放出率またはワークピースに隣接する取付盤の面の放出率を変更することによって調節されてもよい。いくつかのシステムでは、取付盤は、取付盤に隣接する表面におけるワークピースの温度を監視する、センサを含むことができる。センサは、自動的に、成長表面におけるプロセス温度を制御するために使用される、閉ループフィードバックシステムの一部であることができる。代替として、センサは、その成長側におけるワークピースの温度を監視してもよい。センサはまた、ワークピースの成長側に堆積されるフィルムの核生成および成長率を監視するために使用されてもよい。両機能は、ある場合には、同一のセンサの中に統合されてもよい。
【００４７】
図４のトロイダルプラズマ源４００の別の特徴は、プロセスチャンバ４０６が、プラズマ導管部分４０２と比較して、より大きい寸法またはより大きい断面積を有することができることである。本幾何学形状は、いくつかの利点を提供する。例えば、プロセスチャンバ４０６によってプラズマから吸収される必要がある電力は、より大きい面積に吸収され、壁上の電力密度を低減させるであろう。また、最高プラズマ密度および最高ガス温度の領域は、壁からより離れ、冷却要件を低減させ、活性化学種が、壁に到達する前に、部分的に中性化される、完全に中性化される、または再結合されることを可能にするであろう。加えて、プラズマ導管部分より大きい寸法またはより大きい断面積を伴うプロセスチャンバの使用は、より大きいワークピースサイズを可能にし、および／またはワークピースを回転または移動させる、公知の機械的手段が、プロセス均一性を改善することを可能にする。
【００４８】
図５は、本教示のトロイダルプラズマ処理装置５００を図示し、プラズマループの２つの別個の部分が、単一プロセスチャンバを通して伝搬する。本構成では、真空チャンバは、プラズマループを維持し、サンプルが、直接、プラズマ内で反応性種に暴露されることを可能にする、別個の部分を有する。図５に示される構成では、２つの別個のプラズマループ区分は、プロセスチャンバを通して伝搬するが、他の構成では、３つまたはそれを上回る別個のプラズマループ区分が、プロセスチャンバを通して延設される。種々の構成では、プラズマループの２つの別個の部分は、より多量のワークピース材料が処理されることをもたらす。代替として、または加えて、プラズマループの２つの別個の部分は、より高いプロセス率、改良されたプロセス均一性、または改変された化学的性質選択肢のうちの少なくとも１つをもたらすことができる。
【００４９】
他の構成では、トロイダルプラズマ処理装置は、複数の別個のプロセスチャンバを有する。本実施形態に対して、多くの異なる可能性として考えられる構成が存在する。例えば、本教示の本側面は、Ｃ形状プラズマ導管に限定されない。多数の他の形状も、可能性として考えられる。加えて、プラズマ導管は、単一導管から構成されることができる、またはともに接続される２つまたはそれを上回る別個の導管片であることができる。実際、トロイダルプラズマ処理装置は、少なくとも１つの局所的に異なる反応性ガスの濃度、圧力、および／または温度が存在する、任意の構成を有することができる。
【００５０】
プラズマ導管およびプロセスチャンバ要素は、多数の方法で構築されてもよい。いくつかの加工方法として、機械加工、成形、鋳造、押出成形、および３Ｄ印刷が挙げられる。セラミックおよび複合材片のための種々の構築技法は、材料に応じて、異なる特徴を有する。例えば、３Ｄ印刷では、冷却、ガス導入、および搭載要素等の内部要素は、構築されるにつれて、セラミック片の中に内蔵されてもよい。これは、より低いコスト、より優れた熱管理、より優れたプラズマ制御、ならびに真空、水、およびガスシール数の減少等、いくつかの利点を提供し得る。
【００５１】
導管およびプロセスチャンバは、アルミニウム、陽極酸化アルミニウム、ステンレス鋼、酸化アルミニウム、サファイア、窒化アルミニウム、種々の複合材材料、および多数の他のセラミック材料等の種々の材料から構築されてもよい。スプレーコーティングまたは他の技法が、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属をコーティングし、化学攻撃に対する抵抗を増加させるために使用されてもよい。これらの領域の中に拡散する、残留量のプロセスガスさえ、化学攻撃をもたらし得る。いくつかの実施形態では、金属表面上の絶縁コーティングまたはセラミック材料およびいくつかの複合材材料等の完全絶縁材料の使用は、ハードウェアおよびプロセス両方の故障を生じさせ得る、プラズマから壁への電気アーク放電を限定するのを補助する。タングステンおよびモリブデン等の耐熱金属も、より高い温度動作のために使用されることができる。
【００５２】
図５は、導管５０２とプロセスチャンバ５０４との間の調節可能ガス制限器を伴う、２つのプラズマループ区分を含む、本教示のトロイダルプラズマ処理装置５００を図示する。少なくとも１つの磁気コア５０６が、少なくとも１つの導管５０２を囲繞する。電力供給源５０７の出力は、磁気コア５０６に電気的に接続される。トロイダルプラズマ処理装置５００はまた、不活性およびプロセスガスを提供するための複数のガス入力ポート５０８、５０８’を含む。いくつかの実施形態では、入力ポート５０８は、アルゴン等の不活性ガスを導入するために使用され、入力ポート５０８’は、プロセスガスを導入するために使用される。同様に、トロイダルプラズマ処理装置５００はまた、真空ポンプに結合される、複数のポンプ出口ポート５１０を含む。本教示のトロイダルプラズマ処理装置５００の特徴の１つは、複数のポンプ出口ポート５１０が、ポンププラズマループの異なる部分を異なる率で圧送し、それによって、プラズマループの異なる区分に圧力差を生成するために使用されることができることである。
【００５３】
本構成では、ガス分布は、プロセスループ内の別個のガスチャネルを通して最適化されることができる。最適化された流動は、固定基質、回転基質、または重複プラズマループ上における均一性を向上させることができる。図５はまた、プロセスチャンバ５０４と導管５０２との間に調節可能ガス制限器を伴う、プロセスチャンバ内の２つのプラズマループ区分を含む、本教示のトロイダルプラズマ源５００を図示する。可変制限器またはゲート５１２は、プロセスチャンバ５０４と導管５０２のそれぞれとの間の定位置に設置されてもよい。ゲート５１２は、プロセスチャンバ５０４内のプロセスパラメータが、導管５０２からある分離を伴って、最適化されることを可能にする。
【００５４】
図５に示される構成では、導管５０２の出口は、アルゴンパージ領域等のある領域からプロセスチャンバ５０４まで遷移するにつれて、断面積の減少を有するように示される。本遷移領域における断面積の変化は、依然として、パージ領域の中へのプロセスガスの流動または拡散を阻止しながら、プロセスチャンバ５０４の中へのパージガスの流動を低減させる。しかしながら、当業者は、断面積変化が全用途において望ましいわけではないことを理解するであろう。プラズマがそれを通して通過するために必要な断面積は、許容可能断面積変化を限定するであろう。最適断面面積は、１トル〜２００トルの圧力範囲にわたるプロセス条件によって判定されるであろう。いくつかの幾何学形状および条件の場合、最小断面面積は、約０．２５ｃｍ２となるであろう。
【００５５】
プロセスチャンバとプラズマ導管チャンバとの間にガス制限器を伴う、図５に図示されるトロイダルプラズマ源５００の特徴の１つは、導管５０２毎に、ガス圧力およびガス組成物が、別個に最適化されることができることである。図５に示されるトロイダルプラズマ源５００の別の特徴は、導管５０２が、プロセスチャンバ５０４を通して進むプラズマループ区分がプロセスガスに暴露される間、アルゴンまたは別の不活性ガスあるいはガスの混合物でパージされることができることである。
【００５６】
図６は、比較的に高プラズマ密度およびガス温度の領域を生成するために、近接近または混在して、２つのプラズマループ導管区分６０２を含む、本教示のトロイダルプラズマ処理装置６００を図示する。図６のトロイダルプラズマ処理装置６００は、図５に関連して説明されるトロイダルプラズマ処理装置６００に類似し、同一の要素の多くを含有する。トロイダルプラズマ処理装置６００は、導管６０２とプロセスチャンバ６０４との間に調節可能ガス制限器を含む。少なくとも１つの磁気コア６０６が、少なくとも１つの導管６０２を囲繞する。電力供給源６０７の出力は、磁気コア６０６に電気的に接続される。トロイダルプラズマ処理装置６００はまた、不活性およびプロセスガスを提供するための複数のガス入力ポート６０８、６０８’を含む。いくつかの実施形態では、入力ポート６０８は、アルゴン等の不活性ガスを導入するために使用され、入力ポート６０８’は、プロセスガスを導入するために使用される。同様に、トロイダルプラズマ処理装置６００はまた、真空ポンプに結合される複数のポンプ出口ポート６１０を含む。本教示のトロイダルプラズマ処理装置６００の特徴の１つは、複数のポンプ出口ポート６１０が、いくつかの実施形態では、プラズマループの異なる部分を異なる率で圧送し、それによって、プラズマループの異なる区分に圧力差を生成するために使用されることができることである。
【００５７】
図６に示されるトロイダルプラズマ処理装置６００の特徴の１つは、近接近または混在する、２つのプラズマループ導管区分６０２が、ダイヤモンドおよびダイヤモンド状コーティングの堆積等の高密度プラズマ処理を要求する用途のために使用され得る、比較的に高プラズマ密度およびガス温度の領域を生成することである。図６に示されるトロイダルプラズマ処理装置６００の別の特徴は、より大きい単一ワークピースが処理され得る、プロセス面積の増加を提供することである。
【００５８】
図７は、本教示による、反応性ガス種を発生させるための遠隔または下流トロイダルプラズマ源７００を図示する。本構成では、ワークピースは、プラズマに近接近するのではなく、プラズマ源の下流のある距離にある。本実施形態の典型的用途として、表面清掃、エッチング、堆積、および堆積またはエッチングチャンバ等のプロセスチャンバの壁の清掃が挙げられる。
【００５９】
本教示による遠隔トロイダルプラズマ源７００は、導管７０２、反応チャンバ７０３、第１の場所において不活性ガスを真空チャンバの中に導入するための第１のガス入力ポート７０５、第２の場所においてプロセスガスを導入するための第２のガス入力ポート７０６、および反応チャンバ７０３内で発生された反応性種を通過させるための反応性ガス出口７０８を備える、真空チャンバを含む。
【００６０】
遠隔トロイダルプラズマ源７００の特徴の１つは、プロセスチャンバ７０３内の圧力および反応性ガス濃度のうちの少なくとも１つが導管７０２内の圧力および反応性ガス濃度のうちの少なくとも１つと異なることである。磁気コア７０７は、導管７０２のうちの少なくとも１つを囲繞する。ＲＦ電力供給源７１２は、磁気コア７０７に電気的に接続される、出力を有する。ＲＦ電力供給源７１２は、磁気コア７０７を励起し、それによって、下流処理のための反応性種を発生させる、トロイダルプラズマループ放電を真空チャンバ内に形成する。
【００６１】
遠隔プラズマ源を動作させる方法の１つでは、アルゴンガスが、プラズマ導管領域７０２の中に注入される。解離されるべきプロセスガス７０６は、次いで、ループ７０４の開放部分の中に給送される。いくつかの方法では、開ループ７０４の領域内の動作圧力は、０．５〜４０トルの範囲内であって、アルゴン（または、他の不活性ガス）およびプロセスガス７０６の組み合わせられた流率は、０．５ｓｌｍ（標準的リットル／分）〜４０ｓｌｍの範囲内であろう。動作圧力の最小値は、再結合前に、解離された反応性種７０８を遠隔プラズマ源７０２からワークピースに迅速に移送するための必要性によって設定される。動作圧力の最大値は、処理システムの実践的圧送能力によって設定される。
【００６２】
遠隔プラズマ源７００では、プラズマ内で発生された帯電種は、多くの場合、ワークピースの表面に到達する前に、再結合する。多くのプラズマ化学物質の場合、反応性中性種のみ、事実上、ワークピースの表面に到達する。遠隔プラズマ源と併用される典型的プロセスガス７０６として、水素、酸素、窒素、三フッ化窒素、分子フッ素、塩素、臭素、種々のフッ化炭素および水素含有ガス、ならびに他のガスが挙げられる。これらのガスは、単独で、または他のガスと組み合わせて、使用されることができる。
【００６３】
図７に示される遠隔トロイダルプラズマ源７００の別の特徴は、プラズマループ７０４が、開チャンバ領域を通して伝搬することである。その結果、プラズマ種とチャンバ壁の化学相互作用は、本明細書に説明される他の実施形態と比較して低減される。加えて、プラズマチャンバ壁との物理的相互作用もまた、本明細書に説明される他の実施形態と比較して有意に低減される。本教示の遠隔プラズマ源の特徴の１つは、プラズマによる熱負荷が、プロセスチャンバ内のより大きい壁面積にわたって拡散されることである。
【００６４】
図８は、３つの導管８０２とともに、導管８０２のうちの２つを囲繞する磁気コア８０４と、プロセスチャンバ８０６とを備える、トロイダルプラズマ源８００の実施形態を図示する。一具体的実施形態では、プラズマ導管８０２の内径は、約２．５４ｃｍである。他の構成は、０．５ｃｍ程度の小さい内径を伴う導管を有する。いくつかの構成では、プラズマ導管８０２の少なくともいくつかとプロセスチャンバ８０６との間の遷移領域８０８は、直径が低減される。一具体的構成では、遷移領域は、内径約２．０ｃｍを有するが、他の構成では、遷移領域は、０．５ｃｍ程度の小さいものからプロセスチャンバ開口部程度の大きいものであり得る、内径を有してもよい。
【００６５】
図８に示されるトロイダルプラズマ源８００は、２つの磁気コア８０４を含む。種々の他の構成では、１つまたは３つまたはそれを上回る磁気コアが、使用される。磁気コア８０４の数は、プラズマループを持続させるために必要とされる電圧および電力に依存する。一具体的構成では、３つのプラズマ導管８０２およびプロセスチャンバ８０６はそれぞれ、約１５ｃｍの長さである。図８に示される単一ループトロイダルプラズマ源８００の一具体的動作モードでは、２つの磁気コア８０４上の一次巻線を駆動させる電力供給源は、周波数４００ｋＨｚおよび最大電力出力１４ｋＷを有する。他の動作モードでは、周波数および電力は、５０ＫＨｚ〜１４ＭＨｚまたはそれを上回る範囲および２ｋＷ〜１００ＫＷまたはそれを上回る範囲であることができる。
【００６６】
本教示のトロイダルプラズマ処理装置の利点の１つは、堆積領域の形状が、源構造によって調整されることができることである。例えば、線形堆積領域が所望される場合、トロイダルプラズマ処理装置は、直線プロセス領域であるように構築されることができる。円形堆積プロファイルが所望される場合、トロイダル源は、円形形状に構築されることができる。
【００６７】
本教示のトロイダルプラズマ処理装置の別の利点は、大面積にわたって均一処理を助長するために、源またはワークピースのいずれかの運動と組み合わられ得ることである。マイクロ波および他のタイプのプラズマ源は、本柔軟性を有していない。
【００６８】
図９は、本教示による、単一プラズマループトロイダルプラズマ処理装置９００の等角図を図示する。一具体的実施形態では、真空チャンバは、プラズマ導管９０２と、少なくとも１つのプロセスチャンバ９０４とを含む。導管９０２は、窒化アルミニウムから形成されるが、他の実施形態では、プラズマ導管９０２は、酸化アルミニウム等の他のセラミック材料、またはアルミニウム、陽極酸化アルミニウム、ステンレス鋼等の金属、あるいはコーティングされない、または絶縁コーティングによってコーティングされる、他の金属材料から形成される。セラミック導管９０２は、成形、機械加工、および３Ｄ印刷を含む、いくつかの異なる技法によって加工されてもよい。また、その長さに沿った種々の点に位置するガス入力とともに、真空チャンバ全体をセラミックの単一片から作製することが可能であって、そしてある場合には、望ましい。
【００６９】
導管９０２は、プラズマ導管９０２の内部の冷却通路を用いて液体冷却される。導管区分９０２はまた、導管区分に熱的に取り付けられる、液体冷却放熱板を用いて冷却されることができる。加えて、導管区分９０２は、導管区分９０２の外側を流動する水または他の流体を用いて冷却されることができる。ある場合には、導管区分９０２は、アルゴンが使用されるとき、電力消散が導管区分９０２内で低減されるという事実のため、気流によって冷却される。
【００７０】
プラズマ処理装置の上部に図示されるエンドキャップ９０６は、水冷、プロセスガス、および真空のために、プラズマ源への接続を提供する。エンドキャップ９０６はまた、光学視認ポートならびに種々の診断および測定要素のための接続も提供する。エンドキャップ９０６は、種々の絶縁または金属材料から構築されてもよい。エンドキャップ９０６が金属材料から構築される実施形態では、ある場合には、アーク放電を発生させる確率を低減させるために、エンドキャップ９０６の一部または全部を電気的に絶縁させることが望ましくあり得る。
【００７１】
図１０は、本教示に従って、実験を実施するために使用される、トロイダルプラズマ処理装置１０００を図示する。プラズマ処理装置１０００は、３つの導管１００２と、プロセスチャンバ１００４とを含む。２つの磁気コア１００６が、示されるが、任意の数の磁気コアが、種々の位置において使用されることができる。付加的外部永久磁石または電磁石が、プラズマの均一性を最適化する、プラズマを特定の面積に移動させる、および／またはプラズマの形状を所望の面積に変化させることを含む、種々の目的のために、外部磁場を発生させるために含まれることができる。例えば、永久磁石は、約１，０００ガウスの磁場強度を発生させるために、動作可能に位置付けられることができる。実験は、外部磁石がプラズマを所望の方向に数ミリメートル移動させるために使用され得ることを示すために行われた。
【００７２】
源はまた、最初に、プラズマを確立するために使用される、アルゴン導入ポート１００８および点火器ポート１０１０を含む。ワークピース取付盤のためのステージアセンブリ１０１２は、プロセスチャンバ１００４の下方に示され、図１１に詳細に説明される。プラズマループ１０１４は、示される。
【００７３】
種々の実施形態では、プラズマを直線経路内で指向する、ガイドを提供する構造は、プロセスチャンバ１００４またはステージ１０１２のいずれかの中に統合されることができる。図１０に示されるトロイダルプラズマ源１０００では、１．０〜６．０ｃｍの範囲内である幅および０．５〜５．０ｃｍの範囲内である深度を有する、トラフ形状構造が、随意に、ワークピースホルダに締結された（図１１参照）。トラフ形状構造は、Ａｒ、Ｈ２、およびＣＨ４の種々の混合物を用いて、１０〜２００トルの試験動作範囲にわたって、プラズマを直線経路内で誘導する。したがって、本教示によるトロイダルプラズマ源１０００は、暴露されるプラズマループ１０１４に対して、予測可能直線経路を提供する。用途に応じて、誘導構造はまた、プラズマを非線形経路内で誘導するために使用されることができる。
【００７４】
多くの動作方法は、制御された壁堆積を助長するために、プロセスチャンバ壁の温度の測定および制御を要求する。例えば、いくつかの動作方法では、チャンバ壁温度は、材料除去ではなく、堆積が生じるように設定されてもよい。これは、壁表面を保護し、堆積されるフィルムの品質を改善する。チャンバ壁加熱は、プレコーティングステップと協働することができる、またはプレコーティングステップから独立することもできる。チャンバ壁加熱はまた、次いで、拡張ワークピース面積として作用する、壁上に堆積された材料の取集を助長するために使用されることができる。適切な壁材料の選定もまた、壁上に堆積された材料の収集を助長するのを補助するであろう。例えば、タングステンまたはモリブデン壁は、壁上へのＣＶＤダイヤモンド、関連ダイヤモンド状材料グラフェン、および類似炭素ベースの材料の堆積を助長するために、３００℃〜１３００℃の温度で使用および動作されることができる。
【００７５】
図１１は、本教示のトロイダルプラズマ源と併用され得るワークピースを支持するための取付盤１１０２を含む、ワークピース取付盤アセンブリ１１００の斜視図を図示する。ワークピースは、取付盤１１０２上に搭載され、本教示のトロイダルプラズマ処理システムのプロセスチャンバの中に挿入される。いくつかの動作方法では、ワークピースは、ワークピース温度を継続的に監視しながら、プラズマ放電領域に向かって保持および挿入されることができる。
【００７６】
多くのプロセスは、ワークピースの温度が、プロセスの間、監視および制御されることを要求する。ワークピース取付盤１１０２は、プラズマ処理の間、ワークピース温度を測定し、温度に基づいてプロセスを制御するために使用され得る、コントローラに信号を送信する、内蔵温度センサ１１０４を有する。一具体的実施形態では、温度は、ワークピースの背面を視認する、ファイバベースの高温計の使用によって測定される。Ｏｍｅｇａ  Ｉｎｃ．によって製造され、型番ＩＲ−２Ｃとして販売される、二重波長高温計を含む、トロイダルプラズマ源が、内蔵されている。本高温計は、ワークピースからセンチメートル以内に位置付けられ、ワークピースの背面温度を測定する、カスタム設計されたサファイアプローブを使用する。ワークピースの正面側ではなく、ワークピースの背面を視認することによって、プラズマ光からの干渉が、回避される。基質の背面はまた、直接、放出率を変化させる、プロセスガスに暴露されない。これらの変化は、高温計ベースの温度測定をより困難かつあまり正確ではないものにする。本システムでは、ワークピース取付盤１１０２は、ワークピースがプラズマに対して位置付けられ、プラズマが存在する間、調節されることができるように、可動式である真空ステージ上にある。別個の要素が、ワークピースの背面および高温計の両方をプラズマによって放出される光およびプラズマ内の反応性ガスから遮蔽するために使用されてもよい。
【００７７】
ワークピース温度は、いくつかの方法で変動および制御されることができる。ワークピース取付盤アセンブリ１１００はまた、真空フランジ１１０８を通して給送される、流体冷却ライン１１０６を含む。多くのシステムでは、水冷が、比較的に高熱伝導性を有し、したがって、効率的であって、システムの動作コストを追加しないため、使用される。ワークピース取付盤アセンブリ１１００のいくつかの実施形態は、ワークピース温度およびワークピース表面におけるプロセス環境の両方が変更されるであろうように、プラズマに対するワークピースの位置を変化させる、モーション制御を含む。ワークピースの背面とワークピースホルダ１１０２との間の間隙のサイズの変化は、ワークピースとワークピース取付盤１１０２との間の熱伝導を変化させ、それによって、ワークピース温度を変化させる。ワークピースの背面とワークピース取付盤１１０２との間の圧力を制御するためのガスを導入することによって、ワークピースとワークピース取付盤１１０２との間の熱伝導は、変化され、それによって、ワークピース温度を変化させるであろう。
【００７８】
図１１における本教示の別の側面は、ワークピースの背面領域が、背面上への望ましくない堆積が回避されるように、プラズマ放電から生じる堆積種から遮断されることができることである。本教示の特徴の１つは、パージガスが、望ましくないガスが無い状態を保つのを補助するために、背面領域の中に導入されることである。パージガスは、プロセスガスのうちの１つであることができる、またはアルゴンおよびヘリウム等の不活性ガスであることができる。
【００７９】
多数の実験が、図１０に示されるものに類似するトロイダルプラズマ処理装置を使用して本教示を実践するために行われた。アルゴンガスが、堆積を開始させるために、上側チャンバ内のガス導入ポートの中に給送された。しかしながら、点火および／またはプラズマ導管区分のパージのためのアルゴンの使用は、本発明をいかようにも限定しない。ヘリウム、ネオン、クリプトン、およびキセノンを含む、任意の貴ガス等の多数の他のガスもまた、使用されてもよい。また、本教示のいくつかの方法では、窒素ガスは、単独で、または他のガスと組み合わせて、使用される。本教示によるいくつかの方法では、プロセスガスは、点火およびプラズマ容器全体を通した動作のために使用されることができる。
【００８０】
動作を開始するために、ガス流動は、プロセスチャンバの底部から圧送されるガスを用いて、真空チャンバ全体を通して確立される。アルゴン流率は、再現可能プラズマ点火を得るために、１００ｓｃｃｍ〜３０００ｓｃｃｍまで変動した。試験された具体的構成では、接続プラズマチャンバの中心間の間隔は、１０センチメートルであった。最小アルゴン流率３００ｓｃｃｍは、一貫したプラズマ点火を提供した。より大きい間隔が、一貫した点火のため、対応した大アルゴン流率を要求するために予期される。
【００８１】
プラズマは、磁気コアの一次巻線への４００ＫＨｚにおけるＲＦ電力の印加とともに、プラズマ点火器を用いて点火された。点火器動作およびＲＦ電力の印加の順序は、自動的に、搭載制御システムによって管理された。点火器は、プラズマループ内のいずれかの場所に位置付けられことができ、多くの実施形態は、その位置にかかわらず、再現可能プラズマ点火を有することが予期される。
【００８２】
いったんプラズマループが、アルゴンガスを用いて確立されると、プロセスガス混合物が、プロセスチャンバの中に給送された。アルゴンガス流動は、プラズマを点火するために使用されるアルゴン流動より高いまたはより低くあり得る、所望の流動に調節された。多くの方法では、アルゴン流率は、実質的に、プロセスガスが、プロセスチャンバ内ではない、プラズマループの一部に流入することを防止するように調節される。プロセスガスはまた、ワークピースの表面に到達する反応性ガス種の流束が調節され、したがって、プロセス率およびプロセス条件を変化させることを可能にするために、プロセスチャンバ内のプロセスガスのある程度の希釈を提供するように調節されることができる。
【００８３】
種々の実験では、総ガス圧力は、１０〜２００トルまで変動し、各ガスの流率は、０〜２，０００ｓｃｃｍまで変動した。種々の実験において使用されるＡＣライン電力は、２．５ｋＷ〜１４ｋＷの範囲内であることがＡＣ電力メータを用いて測定された。温度測定は、プラズマコアから２ｃｍ未満の距離において、プラズマチャネル内に位置付けられるワークピースに対して行われた。これらのプロセス条件は、１００ｓｃｃｍＨ２ガス流動、２５０ｓｃｃｍＡｒガス流動、総ガス圧力１５トルであった。これらの実験では、測定された基質温度は、１，０００℃を超えて急上昇し、有意な原子水素流束がワークピース表面に到達していることを示した。
【００８４】
ダイヤモンドおよびグラフェンフィルムが、モリブデンおよびシリコンワークピース上に堆積された。堆積は、概して、約１０Ｗｃｍ-３を上回る体積電力密度を有する、プラズマ放電領域に結合されるＲＦ電力を用いて、放電中に発生された原子水素を解離することによって達成された。プラズマに結合されたＲＦ電力は、典型的には、６，０００〜１１，０００Ｗであった。いくつかの実験では、ダイヤモンド堆積のために使用されるガス流動条件は、アルゴンを１０００ｓｃｃｍの率で上側チャンバに流動させる、水素を３００ｓｃｃｍの率でプロセスチャンバの中に流動させる、およびメタンを４．７ｓｃｃｍの率でプロセスチャンバの中に流動させることを含んでいた。プロセスチャンバ内の圧力は、典型的には、１トルを上回る。
【００８５】
ワークピースステージは、ワークピース温度が約９００℃であるように高温計を用いて測定されるような位置に移動された。ワークピース温度は、ワークピースの背面から１０ｍｍ未満に位置付けられるサファイアファイバを用いて監視された。サファイアファイバによって収集された光は、二重波長高温計に給送され、約３５０℃〜１２００℃の範囲にわたってワークピース温度を測定した。
【００８６】
いくつかの実験の場合、ワークピース上のダイヤモンドの測定された堆積率は、約７ミクロン／時であった（ワークピース面積１３ｃｍ２にわたって平均化された）。ワークピース上のピーク率は、いくつかのプロセス条件に対して、４０ミクロン／時を超えて測定された。いくつかの実験では、アルゴンおよびプロセスガス流率は、２トル〜２００トル超の範囲内である、プロセス圧力をもたらすように調節された。プロセス率は、実験において使用された特定の電力供給源および磁気コアの物理的特性によってのみ限定された。ダイヤモンドフィルム組成物は、走査電子顕微鏡、Ｘ線回折、およびＲａｍａｎ分光計の使用を通して確認された。
【００８７】
本教示のトロイダルプラズマ源はまた、グラフェンを成長させるためにも使用された。グラフェン堆積のために使用されたガス流動条件は、アルゴンを８００ｓｃｃｍの率で上側チャンバの中に流動させる、水素を２５０ｓｃｃｍの率でプロセスチャンバの中に流動させる、およびメタンを２０ｓｃｃｍの率でプロセスチャンバの中に流動させることを含んでいた。総チャンバ圧力は、７トルであった。ワークピース温度は、約９７７℃であった。ＲＦ電力は、約６２００Ｗであった。
【００８８】
本教示のトロイダルプラズマ処理装置の特徴の１つは、堆積サイクルを行った後、装置を比較的に容易に清掃することである。清掃の間、トロイダルプラズマ源は、ガスが、チャンバ壁から堆積物を清掃する、反応性種に解離される、条件下で動作される。例えば、酸素含有清掃ガス化学物質および水素含有ガス化学物質は、炭素系材料を含有する壁および他の内部構成要素を清掃するのに効果的である。種々の方法では、フッ素または水蒸気等の他のガスが、清掃プロセスを補助するために添加されてもよい。
【００８９】
本明細書に説明される方法および装置は、水素、アルゴン、およびメタンを使用するプロセスに限定されず、ダイヤモンド、グラフェン、および他の炭素系フィルムの堆積にも限定されない。実際、本教示のトロイダルプラズマ処理装置のための多数の用途が存在する。そのような装置は、特に、ワークピースを高密度および／または高温プラズマに暴露させるプロセスに非常に好適である。
【００９０】
本教示の方法および装置は、活性プロセスガスの部分的圧力が約１トルを上回り、プラズマ放電内の電力密度が１０Ｗｃｍ−３またはそれを上回るものである条件下で動作するとき、多くの他のタイプの公知のプラズマ処理装置に優る特定の利点を有する。これらの条件下では、プラズマ領域内のガス温度は、非常に高く、典型的には、２，０００℃を上回り、効果的に解離し、高解離ガスを維持するのに役立つであろう。本高ガス温度を伴わない場合、水素、窒素、および酸素等の分子ガスを解離するとき、高速再結合がガス中に生じるであろう。
【００９１】
当業者は、本明細書に説明されるトロイダルプラズマ源が、公知のシステムに優る多数の特徴および利点を有することを理解するであろう。本教示のトロイダルプラズマ処理システムの特徴の１つは、異なる用途のために、容易にカスタマイズされることができることである。例えば、異なる用途は、異なる真空ポンプ構成を要求する。いくつかの用途の場合、フィルムの品質は、残留ガスの存在に非常に敏感である。例えば、チャンバ内の吸収されたガスまたはチャンバ構成要素の腐食から真空容器の中へのわずかな漏出等、種々の源からの酸素、窒素、および水蒸気のうちの１つまたはそれを上回るものは、いくつかのフィルムに望ましくない変化を生じさせ得る。他の用途では、制御様式において、酸素、窒素、および種々のハロゲン等の小量の付加的ガスをプロセスチャンバ内に導入することが望ましい。残留ガスがプロセスにおいて有意な要因となるプロセスでは、達成可能ベース圧力１０−７トルまたはそれを上回るものを伴う真空チャンバを有することが望ましい。いくつかのプロセスでは、１０−２標準的立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）未満の流率において、プラズマがオンまたはオフのいずれかである間、内部壁または外側のいずれかから、プロセスチャンバの中に非プロセスガスの発生を有することが望ましい。
【００９２】
本教示のトロイダルプラズマ源の特徴の１つは、装置の面積が拡張可能であって、従来の固定基質からウェブタイプ基質まで、広範な種々のワークピース表面を処理するために使用され得ることである。プラスチック、金属、ガラス、および多数の他の誘電材料等の多数のタイプの材料から構築され得る、継続的に移動するウェブを処理するとき、特定の利点が存在する。本教示のトロイダルプラズマ源の別の特徴は面積拡張可能プラズマ放電を発生させるために使用されることができ、これは、大面積基質、不規則形状基質、およびウェブベースの基質等の移動基質の効果的処理を可能にすることである。用途として、半導体、ディスプレイ、光起電技術、切断ツール、光学およびマイクロ波窓、および多くの他の特殊デバイスを含む、多様な製品の製造が挙げられる。導管の内部表面は、トロイダルプラズマ源を用いてコーティングまたは別様に処理されることができる。
【００９３】
本教示の方法および装置は、特に、高原子水素流束を要求するフィルムを堆積させるために有用である。そのようなフィルムとして、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素、グラフェン、および他の材料が挙げられる。本教示の方法および装置の用途として、限定ではないが、ダイヤモンドおよびグラフェン、酸化アルミニウム、サファイア、窒化ガリウム、ならびに多くの他の単純および複合金属および絶縁体、酸化物、および窒化物等のフィルムの堆積が挙げられる。
（均等物）
【００９４】
本出願人の教示は、種々の実施形態と併せて説明されたが、本出願人の教示をそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。対照的に、本出願人の教示は、当業者によって理解されるように、本教示の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書で行われ得る、種々の代替、修正、および均等物を包含する。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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