(57)【要約】  トーラス状のプラズマチャンバを含む、ガス流のパターンと、ガスとプラズマとの相互作用とを調節するためのアセンブリ。トーラス状のプラズマチャンバは、注入部と、出力部と、第１側方部材と、第２側方部材とを有しており、これらは全て接続されている。第１側方部材は、第１側方部材の少なくとも１つの部分において第１内断面積を有し、第１側方部材の少なくとも別の部分において第２内断面積を有し、第１内断面積と第２内断面積とは異なっている。第２側方部材は、第２側方部材の少なくとも１つの部分において第３内断面積を有し、第２側方部材の少なくとも別の部分において第４内断面積を有し、第３内断面積と第４内断面積とは異なっている。
2015506052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流のパターンと、ガスとプラズマとの相互作用とを調節するためのアセンブリにおいて、
トーラス状のプラズマチャンバであって、注入部と、出力部と、第１側方部材と、第２側方部材とを備え、前記第１側方部材及び前記第２側方部材は、前記注入部と前記出力部とを接続しており、
前記第１側方部材は、該第１側方部材の少なくとも１つの部分において第１内断面積を有し、前記第１側方部材の少なくとも別の部分において第２内断面積を有し、前記第１内断面積と前記第２内断面積とは異なっており、
前記第２側方部材は、該第２側方部材の少なくとも１つの部分において第３内断面積を有し、前記第２側方部材の少なくとも別の部分において第４内断面積を有し、前記第３内断面積と前記第４内断面積とは異なっている、前記トーラス状のプラズマチャンバと、
前記注入部を通じて前記トーラス状のプラズマチャンバ中にガスを注入するためのガスインジェクタであって、該ガスの注入によって、前記トーラス状のプラズマチャンバ内におけるプラズマ形成のためのガスの流れが生じる、前記ガスインジェクタと、を備えるアセンブリ。
【請求項２】
前記第１内断面積と前記第３内断面積とは同じである、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記第１側方部材と前記第２側方部材とは相補的な形状を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記第１側方部材と前記第２側方部材とは平行である、請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記第１側方部材に沿った内断面の領域と前記第２側方部材に沿った内断面の領域とは、流体を連続的に流すべく滑らかな外形により接続されている、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記第１内断面積及び前記第３内断面積は、２〜５０ｃｍ２の範囲にある、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記第２内断面積及び前記第４内断面積は、３〜８０ｃｍ２の範囲にある、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記第１内断面積と前記第３内断面積とは、前記トーラス状のプラズマチャンバに沿ってそれぞれ前記第２内断面積と前記第４内断面積との下流にある、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記第１側方部材及び前記第２側方部材の両方は、前記注入部と前記出力部とに対し、ガス及びプラズマの漏れを抑制する真空シールと、電気的遮断とを生じるコネクタによって接続される、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記コネクタは流体により冷却される、請求項９に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記第１側方部材及び前記第２側方部材は着脱可能である、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
ガス流のパターンと、ガスとプラズマとの相互作用とを調節するためのアセンブリにおいて、
トーラス状のプラズマチャンバであって、注入部と、出力部と、第１側方部材と、第２側方部材とを備え、前記第１側方部材及び前記第２側方部材は、前記注入部と前記出力部とを接続しており、
前記第１側方部材は、前記第２側方部材の内断面積とは異なる内断面積を有する、前記トーラス状のプラズマチャンバと、
前記注入部を通じて前記トーラス状のプラズマチャンバ中にガスを注入するためのガスインジェクタであって、該ガスの注入によって、前記トーラス状のプラズマチャンバ内におけるプラズマ形成のためのガスの流れが生じる、前記ガスインジェクタと、を備えるアセンブリ。
【請求項１３】
トーラス状のプラズマチャンバを組み立てるためのキットであって、
ガスを受け取り送出することが可能な注入部と、
解離したガスを前記トーラス状のプラズマチャンバの外へ流出させることの可能な出力部と、
ガス及びプラズマを流すことの可能な第１側方部材であって、少なくとも第１部分において第１内断面積を有し、該第１内断面積は前記注入部及び前記出力部のいずれかの接続部分の内断面積よりも小さい、前記第１側方部材と、
ガス及びプラズマを流すことの可能な第２側方部材であって、少なくとも第２部分において第２内断面積を有し、該第２内断面積は前記注入部及び前記出力部のいずれかの接続部分の内断面積よりも小さい、前記第２側方部材と、
水により冷却される水冷コネクタであって、ガス及びプラズマの漏れを抑制する真空シールと、電気的遮断とを生じる、前記水冷コネクタと、を備えるキット。
【請求項１４】
前記第１側方部材及び前記第２側方部材は着脱可能である、請求項１３に記載のキット。
【請求項１５】
ガス流のパターンと、ガスとプラズマとの相互作用とを調節するための方法であって、
第１の所与のプラズマのサイズに基づく第１内断面積を有する第１側方部材をトーラス状のプラズマチャンバ中に挿入する工程と、
第２の所与のプラズマのサイズに基づく第２内断面積を有する第２側方部材をトーラス状のプラズマチャンバ中に挿入する工程と、
注入部を通じて前記トーラス状のプラズマチャンバ中にガスを注入する工程と、
前記トーラス状のプラズマチャンバ内においてガスの流れを生じさせる工程と、
前記トーラス状のプラズマチャンバ内においてプラズマを生成する工程であって、これによってプラズマが第１側方部材の開口部を通じて、また第２側方部材の開口部を通じて流れる、前記工程と、を備える方法。
【請求項１６】
前記第１の所与のプラズマのサイズ及び前記第２の所与のプラズマのサイズは、前記トーラス状のプラズマチャンバを通じて流れるプラズマのサイズに実質的に一致する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
トーラス状のプラズマチャンバの側方部材を取り替えるための方法であって、
第１側方部材と注入部とを接続する第１コネクタを取り除く工程と、
前記第１側方部材と出力部とを接続する第２コネクタを取り除く工程と、
前記トーラス状のプラズマチャンバから前記第１側方部材を取り除く工程と、
前記トーラス状のプラズマチャンバに第２側方部材を取り付ける工程であって、該第２側方部材は前記第１側方部材の取替部品である、前記工程と、
前記第２側方部材及び前記注入部を接続すべく、前記第１コネクタを取り付ける工程と、
前記第２側方部材及び前記出力部を接続すべく、前記第２コネクタを取り付ける工程と
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、トーラス状（トロイダル型）プラズマ装置に関し、より詳細には、様々なプラズマのサイズに対して調節すべくサイズが変化することの可能なチャネルを有するトーラス状のプラズマ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ放電は、ガスを励起し、イオン、フリーラジカル、原子、及び分子を含む活性化ガスを生成させるべく、使用され得る。活性化ガスは、半導体ウェハ等の固体材料、粉体、及び他のガスを処理することを含む、多くの工業的及び科学的な用途のために使用される。プラズマのパラメータや、処理される材料に対するプラズマ曝露条件は、用途に応じて大きく異なる。
【０００３】
プラズマは、直流（ＤＣ）放電、高周波（ＲＦ）放電、及びマイクロ波放電を含む様々な手法により生成され得る。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得られる。ＲＦ放電は、電源からのエネルギを静電的に又は誘導的にプラズマと結合させることによって得られる。平行極板は、典型的には、エネルギを静電的にプラズマと結合させるために使用される。誘導コイルは、典型的には、電流をプラズマに誘導するために使用される。マイクロ波放電は、マイクロ波のエネルギを、マイクロ波透過窓（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ−ｐａｓｓｉｎｇ  ｗｉｎｄｏｗ）を通じてガスを含む放電チャンバと直接結合させることによって得られる。マイクロ波放電は、高電離（高イオン化）電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを含む、広範な放電条件をサポートするために使用され得るので、有利である。ＲＦ放電やＤＣ放電では、その性質として高エネルギのイオンが生成されるので、ＲＦ放電やＤＣ放電は、処理される材料がプラズマと直接的に接触する用途においてプラズマを発生させるのにしばしば使用される。マイクロ波放電によって、高密度でイオンエネルギの低いプラズマが生成されるので、マイクロ波放電は、“下流”の処理のために活性化ガス流を生成するのにしばしば使用される。また、マイクロ波放電は、低エネルギのイオンを発生させ、そのイオンを次いで電位の印加された処理表面に向けて加速させることが所望される用途においても有用である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
トーラス状のプラズマ装置では、誘導放電によりプラズマを発生させ、この誘導放電において、プラズマ電流はトーラス状のプラズマチャネルを循環する。静電的な結合を除去することによって、トーラス状のプラズマ装置において電極又はチャンバ壁はプラズマ電流の終端とならない。このことによって、容量性の結合放電と比べ、イオンエネルギ及び表面の腐食が相当に低減される。既存のトーラス状のプラズマ装置では、トーラス状のプラズマチャンバは、典型的には、ほぼ断面積が一様なプラズマチャネルを有する。ガスの注入は、プラズマチャネル内においてガス流のパターンと、ガスとプラズマとの相互作用とを調節するための手段となり得る。しかしながら、プラズマ装置の性能は、チャンバの設計によって依然として制限されている。
【０００５】
トーラス状のプラズマチャネルは、ガスの温度、組成、イオン化率、及びプラズマインピーダンスは、チャネルの寸法に沿って一定でない。ガスは、プラズマの満ちたチャネルに沿って流れるので、そのプラズマによって加熱されて解離する。ほぼ一様な断面積を有する既存のトーラス状のプラズマチャネルの設計では、ガス又はプラズマの状態におけるそれらの変化によって、所望されない又は制御されないガス流のパターンやプラズマのプロファイルが生じる。スワールインジェクタによるガス流のパターンの制御は、インジェ
クタが配置されているインレット付近では有効であるものの、ガスがプラズマチャネルに沿ってさらに流れるにつれて弱められる。結果として、プラズマ装置は、プラズマチャネル全体において最適化されてはいない。ガスとプラズマとの相互作用が不十分であり、またプラズマと表面との相互作用は過剰であるので、必要なガスの解離を得るには、より多くの電力が使用される。プラズマチャネルにおける腐食も大きく、特に、プラズマがチャンバ壁に向かって進む領域や、高温で解離された原子種の密度が高い出口付近において大きい。プラズマチャネルにおける腐食する位置は、電力、流れ、圧力、及び種に依存するので、予測も困難である。結果として、トーラス状のプラズマ装置の寿命は制限されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様では、本発明は、ガス流と、ガスとプラズマとの相互作用とを最適化すべく、チャネルに沿って様々な断面積を有するトーラス状のプラズマチャネルを特徴とする。このプラズマチャネルは、以前のトーラス状のプラズマチャネルの設計において見られたような、ある特定の流量における解離度の急な低下の排除もし得る。さらに、プラズマ流と、ガスとプラズマとの相互作用とは、特定の用途又は使用に応じて作られたチャネルの設計を利用することによって最適化され得る。さらに、このプラズマチャネルの設計によって、チャネルにおいてプラズマを中央に置きプラズマのプロファイルを制御することにより、表面の腐食が低減され得る。これによって、プラズマチャンバの耐用寿命が延ばされる。
【０００７】
１つの態様では、ガス流のパターンと、ガスとプラズマとの相互作用とを調節するためのアセンブリであって、トーラス状のプラズマチャンバと、ガスインジェクタとを備えるアセンブリが存在する。トーラス状のプラズマチャンバは、注入部と、出力部と、第１側方部材と、第２側方部材とを備える。第１側方部材及び第２側方部材は、注入部と出力部とに接続される。第１側方部材は、第１側方部材の少なくとも１つの部分において第１内断面積を有し、第１側方部材の少なくとも別の部分において第２内断面積を有し、第１内断面積と第２内断面積とは異なる。第２側方部材は、第２側方部材の少なくとも１つの部分において第３内断面積を有し、第２側方部材の少なくとも別の部分において第４内断面積を有し、第３内断面積と第４内断面積とは異なる。ガスインジェクタによって、トーラス状のプラズマチャンバ中にガスが注入され、トーラス状のプラズマチャンバ内におけるプラズマ形成のためのガス流が生じ得る。
【０００８】
別の態様では、ガス流のパターンと、ガスとプラズマとの相互作用とを調節するためのアセンブリであって、トーラス状のプラズマチャンバを備えるアセンブリが存在する。トーラス状のプラズマチャンバは、注入部と、出力部と、第１側方部材と、第２側方部材とを備える。第１側方部材及び第２側方部材は、注入部と出力部とを接続する。第１側方部材は、第２側方部材の内断面積とは異なる内断面積を有する。ガスインジェクタは、トーラス状のプラズマチャンバ中にガスを注入するために使用され、これによりガスの注入によって、トーラス状のプラズマチャンバ内におけるプラズマ形成のためのガスの流れが生じる。
【０００９】
さらに別の態様では、トーラス状のプラズマチャンバを組み立てるためのキットであって、ガスを受け取り送出することが可能な注入部と、解離したガスをトーラス状のプラズマチャンバの外へ流出させることの可能な出力部とを備える、キットが存在する。第１側方部材及び第２側方部材は、それぞれ少なくとも第１部分における第１内断面積及び少なくとも第２部分における第２内断面積を通じて、ガス及びプラズマを流すことが可能である。さらに、キットは、注入部及び出力部のいずれかの接続部分の内断面積よりも小さい第１内断面積と、注入部又は出力部のいずれかの接続部分の内断面積よりも小さい第２内断面積とを含む。水により冷却される水冷コネクタによって、ガス及びプラズマの漏れを
抑制する真空シールと、電気的遮断とが生じる。
【００１０】
さらに別の態様では、ガス流のパターンと、ガスとプラズマとの相互作用とを調節するための方法であって、第１の所与のプラズマのサイズに基づく第１内断面積を有する第１側方部材をトーラス状のプラズマチャンバ中に挿入する工程と、第２の所与のプラズマのサイズに基づく第２内断面積を有する第２側方部材をトーラス状のプラズマチャンバ中に挿入する工程とを備える方法が存在する。さらに、その方法は、トーラス状のプラズマチャンバ中にガスを注入する工程と、トーラス状のプラズマチャンバ内においてガスの流れを生じさせる工程と、トーラス状のプラズマチャンバ内においてプラズマを生成する工程であって、これによってプラズマが第１側方部材の開口部を通じて、また第２側方部材の開口部を通じて流れる、工程とを備える。
【００１１】
さらに別の態様では、トーラス状のプラズマチャンバの側方部材を取り替えるための方法において、第１側方部材と注入部とを接続する第１コネクタを取り除く工程と、第１側方部材と出力部とを接続する第２コネクタを取り除く工程と、トーラス状のプラズマチャンバから第１側方部材を取り除く工程と、トーラス状のプラズマチャンバに第２側方部材を取り付ける工程であって、第２側方部材は第１側方部材の取替部品である、工程とを備える、方法が存在する。さらに、その方法は、第２側方部材及び注入部を接続すべく、第１コネクタを取り付ける工程と、第２側方部材及び出力部を接続すべく、第２コネクタを取り付ける工程とを備える。
【００１２】
上述した各態様には、１つ以上の次の特徴が含まれ得る。実施形態では、アセンブリ、キット、又は方法の性能を向上させるべく、第１側方部材と第２側方部材とは、様々な形状及び構成で実現される。例えば、一実施形態では、第１内断面積（例えば、第１側方部材のセクション）と第３内断面積（例えば、第２側方部材のセクション）とは同じである場合がある。様々な実施形態では、第１側方部材と第２側方部材は相補的な形状を有する。ある実施形態では、第１側方部材と第２側方部材とは平行である場合がある。実施形態では、第１側方部材に沿った内断面の領域と第２側方部材に沿った内断面の領域とは、流体を連続的に流すべく滑らかな外形により接続されている場合がある。
【００１３】
ある実施形態では、第１側方部材及び第２側方部材は、サイズが異なり得る内断面積を有する。第１内断面積及び第３内断面積は、２〜５０ｃｍ２の範囲にある場合がある。第２内断面積及び第４内断面積は、３〜８０ｃｍ２の範囲にある場合がある。第１内断面積と第３内断面積とは、トーラス状のプラズマチャンバに沿ってそれぞれ第２内断面積と第４内断面積との下流にある場合がある。
【００１４】
様々な実施形態では、第１側方部材及び第２側方部材は着脱可能である。第１側方部材及び第２側方部材の両方は、注入部と出力部とに対し、ガス及びプラズマの漏れを抑制する真空シールと、電気的遮断とを生じるコネクタによって接続され得る。ある実施形態では、コネクタは流体により冷却され得る。第１側方部材及び第２側方部材は着脱可能な場合がある。第１側方部材と第２側方部材のサイズは、トーラス状のプラズマチャンバを通じて流れるプラズマのサイズに実質的に一致し得る。
【００１５】
本発明の上述した態様は、従来の程度を超える多くの利点を有する。例えば、本発明によって、ガス流と、プラズマのプロファイルとが制御され得る。さらに、本発明によって、反応性ガスの解離度が増大し、トーラス状のプラズマチャネルの腐食が低減され得る。これによって製品寿命が可能な限り延ばされ得る一方、電力効率が増大し、プラズマ安定性が改良される。さらに、本発明によって、製造コストが低下し、保守性が改良され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】トーラス状のプラズマチャンバの先行技術を示す図。
【図２】本発明の例示的な一実施形態による、比較的小さな直径を有する側方チャネルを備えるトーラス状のプラズマチャンバを示す図。
【図３Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、２つの断面直径を各々有する側方チャネルを備えるトーラス状のプラズマチャンバを示す図。
【図３Ｂ】本発明の例示的な一実施形態による、互いに異なる内断面積を有する側方チャネルを備えるトーラス状のプラズマチャンバを示す図。
【図４Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、他の部材の直径よりも大きな直径を有する出力部を備えるトーラス状のプラズマチャンバを示す図。
【図４Ｂ】本発明の例示的な一実施形態による、他の部材の直径よりも大きな直径を有する注入部を備えるトーラス状のプラズマチャンバを示す図。
【図４Ｃ】本発明の例示的な一実施形態による、楕円形のトーラス状のプラズマチャンバを示す図。
【図４Ｄ】本発明の例示的な一実施形態による、両側方部材よりも大きな直径を有する出力部と注入部とを備える楕円形のトーラス状のプラズマチャンバを示す図。
【図４Ｅ】本発明の例示的な一実施形態による、ボウタイ形状の側方チャネルを備えるトーラス状のプラズマチャンバを示す図。
【図４Ｆ】本発明の例示的な一実施形態による、異なるサイズの直径を有する側方チャネルを備えるトーラス状のプラズマチャンバを示す図。
【図５】本発明の例示的な一実施形態による、コネクタの詳細を示したトーラス状のプラズマチャンバを示す図。
【図６】本発明の例示的な一実施形態による、トーラス状のプラズマチャンバ用の水冷装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
上述した本発明の利点はさらなる利点とともに、添付の図面とともに考慮して以下の記載を参照することによってより良く理解され得る。図面は必ずしも縮尺通りではなく、その代わり一般に、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【００１８】
本発明は、ガス流のパターンと、ガスとプラズマとの相互作用とを調節するトーラス状のプラズマ装置を使用するためのアセンブリ、キット、及び方法を提供する。一般的には、トーラス状のプラズマ装置は、トーラス状のプラズマチャンバを有する。
【００１９】
図１は、トーラス状のプラズマチャンバ１０１の先行技術の一実施形態を示す。トーラス状のプラズマチャンバ１０１は、第１側方部材１０５と、第２側方部材１０９とを有する。さらに、トーラス状のプラズマチャンバ１０１は、注入部１１３と、出力部１１７とを有する。注入部１１３は、ガスがトーラス状のプラズマチャンバ１０１に導入される入口点である。出力部１１７は、ガスがトーラス状のプラズマチャンバ１０１から出され得る出口点である。ガス流は、第１側方部材１０５と第２側方部材１０９の両方を通過し、トーラス状のプラズマチャンバ１０１の内部のチャネルを巡回する。
【００２０】
既存のトーラス状のプラズマ装置では、プラズマチャネルは、ほぼ均一な断面積を有する。第１側方部材１０５は、その全長に沿って実質的に均一な断面積を有する。第２側方部材１０９も、その全長に沿って実質的に均一な断面積を有する。第１側方部材１０５と第２側方部材１０９は、実質的に同じサイズの均一な断面積を有し得る。ある実施形態では、第１側方部材１０５と第２側方部材１０９は、同一である。さらに、第１側方部材１０５と注入部１１３との間の接続点と、第１側方部材１０５と出力部１１７との間の接続点は、同じ断面積を有し得る。第２側方部材１０９と注入部１１３との間の接続点と、第２側方部材１０９と出力部１１７との間の接続点は、同じ断面積を有し得る。ガスの注入
は、ガス流のパターンと、ガスとプラズマとの相互作用とを調節するために使用され得るが、しかしながら、この方法はプラズマ装置の性能を制限している。
【００２１】
図２は、トーラス状のプラズマチャンバにおける他の全ての部品の直径よりも小さな直径を有する複数の側方チャネルを備えるトーラス状のプラズマチャンバを示す。トーラス状のプラズマチャンバ２０１は、第１側方部材２０５と、第２側方部材２０９とを有する。第１側方部材２０５の１つの部分は、第１側方部材２０５の別の部分よりも小さな断面積を有する（例えば、第１側方部材２０５の頂部分及び底部分は、中間部分よりも大きな直径を有する）。第２側方部材２０９の１つの部分は、第２側方部材２０９の別の部分よりも小さな断面積を有する（例えば、第２側方部材２０９の頂部分と底部分は、中間部分よりも大きな直径を有する）。さらに、トーラス状のプラズマチャンバ２０１は、注入部２１３と、出力部２１７とを有する。
【００２２】
プラズマチャネルの設計では、変化するガス流やプラズマの状態により良く順応するべく、プラズマチャネルに沿って均一でない断面積、形状、又はその両方を有し得る。例えば、図２に示すように、セグメントに分けられたプラズマチャネルの（例えば、第１側方部材２０５又は第２側方部材２０９の）中間セクション（大抵のガスとプラズマとの相互作用が起こる）は、インレットセクション及び出口セクションよりも小さく作られ得る。幾つかの実施形態では、中間のプラズマチャネルのセクションの直径は、例えば、３．１８ｃｍ（１．２５インチ）から約２．５４ｃｍ（１インチ）まで低減される一方、インレットセクション及びアウトレットセクションは３．１８ｃｍ（１．２５インチ）のままである。インレットセクション（例えば、注入部２１３）によってガス流のパターンが制御され得る一方、出口セクション（例えば、出力部２１７）によって活性化ガスはプラズマチャネルの外へ滑らかに流出させられ得る。その低減がされた中間セクションの内部外形は、プラズマチャネル表面の腐食を避けるべく、大きな直径の領域から滑らかに遷移することを確実にするように輪郭が形成され得る。ある実施形態では、腐食をさらに避けるべく、コーティングがプラズマチャネルに施され得る。
【００２３】
プラズマチャネルの内部領域のカスタマイズによって、ガス相互作用の頻度がより低い低圧力においてさえも、ガスの解離における改良が可能である。すなわち、中間セクションにおける比較的小さな（すなわち、調整された）断面積によって、ガスがプラズマと反応する確率を、より高くすることができる。プラズマチャネルへのコーティングは様々な実施形態において使用され得る。その実施形態は、例えば、トーラス状のプラズマチャンバの各部分を形成する材料がプラズマに対し反応性である実施形態を含む。プラズマチャネルの直径には、コーティングの厚さが考慮され得る。すなわち、プラズマと相互作用しない誘電材料又は他の材料は、チャンバ壁に提供され得る。例えば、ある実施形態では、プラズマチャネルはアルミニウム等の金属から作られ、内側の表面（例えば、領域）は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化イットリウムアルミニウム、又は他の誘電材料の層で覆われる。他の実施形態では、プラズマチャネルは、石英等の誘電体からも作られ得る。石英のトーラス状のプラズマチャンバの表面は、覆われていなくてもよく、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化イットリウムアルミニウム等のコーティング材料を備えていてもよい。
【００２４】
プラズマチャネルの最適化によって、トーラス状のプラズマチャンバの性能が改良され得る。プラズマチャネルを最適化することによって、プラズマのプロファイルが制御される場合があり、プラズマは中央に置かれ得る。トーラス状のプラズマチャンバの直径（又は、円形ではない断面については、断面の寸法）がプラズマの直径よりもわずかに大きいことは、トーラス状のプラズマチャンバについて最適な場合がある（例えば、トーラス状のプラズマチャンバの摩耗を最小限にする）。さらに、最適化によって、トーラス状のプラズマチャンバの部品の潜在的な寿命が増大し得る。さらに、一定の部品は、犠牲部品と
なるように設計され得る。トーラス状のプラズマチャンバは、一定の部品又は領域が腐食による影響をより受けやすくなるように設計され得る。犠牲部品を有すると、それらの部品しか取り替えられる必要がないので（トーラス状のプラズマチャンバ全体の場合とは対照的に）、コストが低減され得る。ある実施形態では、側方チャネルは犠牲となるように設計される。
【００２５】
図３Ａは、複数の側方チャネルの各々が異なる断面の直径を２つ有する側方チャネルを備えるトーラス状のプラズマチャンバ３０１を示す。第１側方部材３０５と、第２側方部材３０９とはそれぞれ、２つの断面積を有する。第１側方部材３０５は、第１内断面積３１３と、第２内断面積３１７とを有する。第２側方部材３０９は、第３内断面積３２１と、第４内断面積３２５とを有する。さらに、トーラス状のプラズマチャンバ３０１は、注入部３２９と、出力部３３３とを有する。
【００２６】
ある実施形態では、第１内断面積３１３と第３内断面積３２１は、２〜５０ｃｍ２の範囲にある場合がある。第２内断面積３１７と第４内断面積３２５は、３〜８０ｃｍ２の範囲にある場合がある。内断面積同士は、流体を連続的に流すべく滑らかな外形により接続され得る。
【００２７】
チャネルに沿って断面積が変化するプラズマチャネルは、ガス流と、ガスとプラズマとの相互作用とを最適化するために使用され得る。ガスの解離度は、幾つかの閾値電力レベルにより増大し得る。比較的大きな電力が使用される場合、解離度は飽和するか、又はほぼ飽和する。ある実施形態では、２〜３０ｋＷの電力が、トーラス状のプラズマ装置に使用される。さらに、比較的大きな電力によって、ある特定の流量における解離度の急な低下が除去され得る。トーラス状のプラズマ装置は、毎分１〜１００リットルの流量において１３．３〜６６７０Ｐａ（０．１〜５０トル）の圧力を加え得る。本発明に従ったプラズマチャネルの設計によって、ある実施形態では、プラズマの流れが管の中央の実質的に下方に進ませられ得る。プラズマの流れを制御することによって、プラズマがチャネルの側部に触れることを抑制でき、プラズマがチャネルの側部に接触する場合に起こり得る重大な腐食が低減又は除去される。すなわち、ある実施形態では、プラズマチャンバの寿命を増大させたり、所望されるプラズマ流のパターンに順応したりするべく、側方部材は取り除かれて、異なる断面の寸法を有する側方部材と取り替えられ得る。他の実施形態では、側方部材は取り除かれて、必要に応じ同一の側方部材と取り替えられ得る。
【００２８】
図３Ｂは、第２側方部材３５９の内断面積とは異なる内断面積を有する第１側方部材３５５を備えるトーラス状のプラズマチャンバ３５１を示す。２つの入口のガス又はガスの混合物は、ガス入口３６３とガス入口３６７を通じてプラズマチャネルに流入させられ、ガス入口３６３とガス入口３６７は、注入部３７１の部品であり、第１側方部材３５５と第２側方部材３５９に近接してそれぞれ配置されている。ガスは、プラズマチャネルの第１側方部材と第２側方部材において励起された後、出力部３７５において混合し、その次にプラズマチャンバ３５１の外へ流出する。第１側方部材３５５と第２側方部材３５９の内断面積は、ガスの特性（流量及び化学特性）及びプラズマの特性（例えば、抵抗率、電子寿命、プラズマの拡散長）に基づいて選択され得る。これによって、エネルギ効率、ガスの化学の制御、又はその両方の最適化がなされ得る。
【００２９】
プラズマのサイズは、構成（例えば、流量、温度、圧力等）によって変化するのみならず、トーラス状のプラズマ装置内においても変化し得る。様々なプラズマのサイズに順応すべく、トーラス状のプラズマチャンバは、多くの形状及びサイズで構成され得る。図４は、トーラス状のプラズマチャンバのための複数の様々な構成を示す。トーラス状のプラズマチャンバの様々な部品は、所望されるプラズマ流のパターンに順応すべく、任意の形状又はサイズを取り得る。トーラス状のプラズマチャネルが構成され得る様式は、図４に
示される例示的な形に限定されない。ある実施形態では、複数の側方部材は相補的な形状を有し得る（例えば、図４Ｃ及び図４Ｄに示される側方部材Ａ及び側方部材Ｂ）。他の実施形態では、複数の側方部材は平行な場合がある（例えば、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｅ、及び図４Ｆに示される側方部材Ａ及び側方部材Ｂ）。さらに、トーラス状のプラズマチャンバの部品は、取替可能であり、また交換可能である。実施形態では、注入部又は出力部は、サイズ、形状、又はその両方において変化するトーラス状のプラズマチャネルの部品の場合がある（例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示される）。他の実施形態では、注入部又は出力部は、第１側方部材又は第２側方部材と同じ部材の部品の場合がある（例えば、図４Ｆに示される）。様々な実施形態では、トーラス状のプラズマチャンバは、５つ以上の部品を有する場合もあれば、４つ未満の部品を有する場合もある（例えば、部品は、注入部、出力部、第１側方部材、及び第２側方部材だけに限定されない）。チャンバの形状は、プラズマとチャンバとの相互作用を最小限にするべく、又はその相互作用の場所を容易に取替可能なチャンバ部品とするべく、プラズマ流に順応するように特定の用途における使用のために選択され得る。
【００３０】
図４Ａは、他の部材の直径よりも大きな直径を有する出力部を備える例示的なトーラス状のプラズマチャンバを示す。図４Ｂは、他の部材の直径よりも大きな直径を有する注入部を備える例示的なトーラス状のプラズマチャンバを示す。図４Ｃは、例示的な楕円形のトーラス状のプラズマチャンバを示す。図４Ｄは、両側方部材よりも大きな直径を有する出力部と注入部とを備える別の例示的な楕円形のトーラス状のプラズマチャンバを示す。図４Ｅは、ボウタイ形状の側方チャネルを備える例示的なトーラス状のプラズマチャンバを示す。図４Ｆは、異なるサイズの直径を有する側方チャネルを備える例示的なトーラス状のプラズマチャンバを示す。さらに、図４Ｆは、注入部を含む第１側方部材と、出力部を含む第２側方部材とを備える例示的なトーラス状のプラズマチャンバを示す。
【００３１】
図５は、コネクタ５０１の拡大図とともにトーラス状のプラズマチャンバを示す。コネクタ５０１は、注入部５０５と第１側方部材５０９を接合する。図５では、４つのコネクタが存在する（例えば、Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚの各々に１つのコネクタが配置される）。
【００３２】
ある実施形態では、コネクタ５０１によって、ガス及びプラズマの漏れを抑制する真空シールが生じ得る。さらに、コネクタ５０１によって、トーラス状のプラズマ装置のために電圧の遮断又は電気的遮断が生じ得る。例えば、ある実施形態では、コネクタ５０１には、電気的遮断を形成するべくコネクタ５０１に配置される誘電体スペーサが含まれる。図５に示される実施形態では、電気的遮断は、コネクタ５０１の内面、外面、及び端面に施されるコーティングである。ある実施形態では、電気的遮断は、コネクタの１つ以上の内面、外面、及び端面に施されるコーティングである。例示的なコーティング材料には、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、及び酸化イットリウムアルミニウムが含まれるが、これらに限定されない。
【００３３】
コネクタ５０１が真空シールを含む実施形態では、誘電体スペーサによって、真空シールを形成するエラストマ（ｅｌａｓｍｅｒ）Ｏリングに対する機械的支持も提供される。これらの実施形態では、電気的遮断は、プラズマと、プラズマから放射される紫外光とからＯリングを保護する要素ないし部材である。さらに、コネクタ５０１は、トーラス状のプラズマチャンバの様々な部品同士の滑らかな接続を確実にし得る。これによって、トーラス状のプラズマチャンバの複数の部品は、内部のチャネルの滑らかさにほとんど又は全く影響を与えないように一体化し得るので、トーラス状のプラズマチャンバを通じて、実質的な崩壊又は中断を起こさずにプラズマを流すことが可能となる。
【００３４】
ある実施形態では、プラズマチャンバの部材はチャンバから着脱可能である。例えば、第１側方部材５０９は、チャンバを破壊することなくコネクタ５０１において接続を解除
することによって、トーラス状のプラズマチャンバから取り除かれる。これによって、コネクタ５０１、注入部５０５、第１側方部材５０９のうちの少なくとも１つは、プラズマ装置の寿命を増大させるべく、除去されて取り替えられ得る。例えば、第１側方部材５０９が摩耗した場合、コネクタ５０１は解放され、第１側方部材５０９は注入部５０５から接続を解除され得る。これによって、第１側方部材５０９は除去され得る。新しい側方部材は、摩耗した側方部材と交換され得る。あるいは、又はさらに、コネクタ５０１が摩耗した場合、コネクタは新しいコネクタと交換され得る。コネクタ５０１は再使用可能な場合がある。さらに、コネクタ５０１は、異なる形状及びサイズで実現されるトーラス状のプラズマチャンバの部品であって、複数の異なる交換可能な部品とともに使用され得る。
【００３５】
ある実施形態では、コネクタ５０１は複数のセグメントから形成される。コネクタ５０１は、複数のセグメント（例えば、２，３，４，５つ）からなる場合がある接合部からなる場合がある。ある実施形態では、コネクタ５０１は、４〜８つのセグメントの場合がある。複数の部品から形成されるコネクタの利点は、トーラス状のプラズマチャネルに沿って電位を分配できることや、コネクタの１つの部分（又は１つのセグメント）だけを取替ないし交換できることである。別の利点は、材料の機能に基づいて異なる材料からセグメントを形成することである。この利点によって、高価な材料を含めることは必要とされる領域のみに限定され得るので、コストが節約され得る。
【００３６】
ある実施形態では、コーティングは、コネクタの全体に施され得る。コーティングは、コネクタが接続しているトーラス状のプラズマチャンバの部品のみならず、コネクタを保護するためにコネクタ５０１に施され得る。ある実施形態では、コーティングは、犠牲となる部品のみに施される。コーティングは、用途によっては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、又は酸化イットリウムアルミニウム等の材料からなる場合がある。
【００３７】
ある実施形態では、コネクタ５０１は水により冷却もされ得る。図６は、トーラス状のプラズマチャンバ用の水冷装置６０１を示す。水冷装置６０１は、図５のコネクタＷ，Ｘ，Ｙ，Ｚを冷却するための４つのコネクタ冷却領域６０５を有する。
【００３８】
ある実施形態では、コネクタ５０１は、任意の種類の継手、アダプタ、又はカップリングの場合がある。ある実施形態では、コネクタ５０１は必要ではなく、第１側方部材（例えば、上記において図３に示した第１側方部材３０５）又は第２側方部材（例えば、上記において図３に示した第２側方部材３０９）は、別の構成要素を必要とすることなく、トーラス状のプラズマチャンバに取り付けられ得る。ある実施形態では、側方部材は、注入部又は出力部に螺着されるようにねじ部が形成される。注入部又は出力部が側方部材に嵌合するように、側方部材が、かしめ固定されてもよい。コネクタ５０１を用いない接続の他の形態であって、当業者に既知の形態も使用され得る。
【００３９】
水冷装置６０１によって、対流冷却を通じてトーラス状のプラズマチャンバは冷却され得る。ガスが解離されるとき、トーラス状のプラズマチャンバ内において熱が生成される。水冷装置６０１によって、トーラス状のプラズマチャンバは流通する水を介して熱が奪われることにより、冷却され得る。コネクタにおける電気的遮断に適合する間隙を水冷装置６０１が有するように、図５のコネクタは嵌合させられ得る。例えば、ある実施形態では、コネクタ冷却領域６０５ａ及びコネクタ冷却領域６０５ｃによって注入部の側からのコネクタが冷却される一方、コネクタ冷却領域６０５ｂ及びコネクタ冷却領域６０５ｄによって複数の側方部材のうちの１つの側からのコネクタが冷却される。
【００４０】
本発明は、本発明の趣旨又は本質的特徴から逸脱することなく、他の具体的な形態において具現化され得ると、当業者によって了解される。したがって、以上の実施形態は、本
明細書に記載された本発明を限定するというよりは例示であると全ての点において考慮される。よって、本発明の範囲は、以上の記載よりは添付の特許請求の範囲によって示されており、したがって、特許請求の範囲と等価な意図及び範囲に属する全ての変形は、本発明に含まれると意図されている。
【図１】
2015506052.tif 000003
【図２】
2015506052.tif 000004
【図３Ａ】
2015506052.tif 000005
【図３Ｂ】
2015506052.tif 000006
【図４Ａ】
2015506052.tif 000007
【図４Ｂ】
2015506052.tif 000008
【図４Ｃ】
2015506052.tif 000009
【図４Ｄ】
2015506052.tif 000010
【図４Ｅ】
2015506052.tif 000011
【図４Ｆ】
2015506052.tif 000012
【図５】
2015506052.tif 000013
【図６】
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【国際調査報告】
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