(57)【要約】  反応性ガス源と共に使用するためのプラズマチャンバであって、壁、入口、出口、内表面及び外表面、及び壁を通る複数の開口部を備える第１の導管であって、入口が第１の導管内で形成されたプラズマを用いて第１の導管内で反応性ガスを発生させる。プラズマチャンバはまた壁、入口、及び内表面を備える第２の導管を含む。第１の導管が第２の導管内に配置され、第１の導管の外表面と第２の導管の内表面との間にチャネルを定義する。第１の導管内の反応性ガス及びプラズマを取り囲むために、第２の導管の入口に供給された第２のガスが、チャネルに沿って第１の導管の壁の複数の開口部を通って第１の導管内へ流れる。
2015500557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性ガス源と共に使用するためのプラズマチャンバであって、
壁、入口、出口、内表面及び外表面、及び前記壁を通る複数の開口部を備える第１の導管であって、前記入口が前記第１の導管内で形成されたプラズマを用いて前記第１の導管内で反応性ガスを発生させるための第１のガスを受け入れる第１の導管と、
壁、入口、及び内表面を備える第２の導管と
を備え、
前記第１の導管が、前記第２の導管内に配置され、前記第１の導管の前記外表面と前記第２の導管の前記内表面との間にチャネルを定義し、前記第１の導管内の反応性ガス及びプラズマを取り囲むために、前記第２の導管の前記入口に供給された第２のガスが、前記チャネルに沿って前記第１の導管の前記壁の前記複数の開口部を通って前記第１の導管内へ流れる、プラズマチャンバ。
【請求項２】
前記開口部が、前記第１の導管の前記壁を通って半径方向内向きに向けられている請求項１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項３】
前記開口部が、前記第１の導管の前記壁を通って半径方向内向きに向けられ、且つ前記第１のガスの流れ方向に沿っている請求項２に記載のプラズマチャンバ。
【請求項４】
前記開口部が、前記第１の導管の前記壁を通って半径方向内向きに向けられ、前記第１のガス流れ方向に対して鋭角を有している請求項２に記載のプラズマチャンバ。
【請求項５】
前記第１の導管が、共に結合された複数の導管部分を備え、前記開口部が、共に連結された前記導管部分の間に位置する請求項１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項６】
前記複数の導管部分が、各導管部分の前記外表面を互いに接合する１又は複数のリブを用いて共に結合される請求項５に記載のプラズマチャンバ。
【請求項７】
前記１又は複数のリブが、前記第１の導管の前記外表面と前記第２の導管の前記内表面との間に前記チャネルの間隙を定義する請求項６に記載のプラズマチャンバ。
【請求項８】
前記第１の導管内で前記プラズマを発生させるための電源を備える請求項１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項９】
前記第１のガス種が前記第２のガス種と同一である請求項１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項１０】
前記開口部が、穴、スロット、スリット又はこれらの組み合わせである請求項１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項１１】
前記第２の導管が出口を有する請求項１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項１２】
前記第２の導管が出口を有さない請求項１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項１３】
前記第１の導管の出口が、前記第１及び第２の導管の１の共通端を前記反応性ガス源へ結合させるための取付フランジを備え、前記前記第１及び第２の導管の１の共通端を結合させることにより、操作中において前記第１及び第２の導管内の熱機械的ストレスを最小化させる請求項１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項１４】
前記第２の導管の前記出口がシールされており、前記第２の導管の前記出口をシールすることにより前記第２の導管へ流入する前記ガスのすべてが前記第１の導管の前記壁内の前記複数の開口部を通って前記第１の導管内へ流れる請求項１１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項１５】
前記第１及び第２の導管のそれぞれが、トロイダルプラズマチャンバを形成する複数の導管脚を備える請求項１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項１６】
反応性ガス源のプラズマチャンバ内で反応性ガスを発生させるための方法であって、前記プラズマチャンバが、壁、入口、出口、内表面及び外表面、及び前記壁を通る複数の開口部を備える第１の導管と、壁、入口、及び内表面を備える第２の導管とを備え、前記第１の導管が、前記第２の導管内に配置され、前記第１の導管の前記外表面と前記第２の導管の前記内表面との間にチャネルを定義し、以下の方法：
前記第１の導管の前記入口に第１のガスを供給することと、
前記第１の導管内で形成されたプラズマを用いて前記第１の導管内で反応性ガスを発生させることと、
前記第１の導管内の反応性ガス及びプラズマを取り囲むために、前記チャネルに沿って前記第１の導管の前記壁の前記複数の開口部を通って前記第１の導管内へ流れる第２のガスを前記第２の導管の前記入口へ供給すること
を含む方法。
【請求項１７】
前記第１のガスを前記第１の導管の前記入口に供給する前に前記第２のガスを前記第２の導管の前記入口へ供給することを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１及び第２のガスを同時に供給することを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の導管内で形成された前記プラズマ及び反応性ガスを取り巻くガスのシースを形成するために、前記第２のガスのガス供給特性を変化させることを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の導管の前記壁を冷却するために前記ガス供給特性を変化させることを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の導管内に電磁エネルギーを印加することにより前記第１の導管内で前記プラズマを点火することを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２のガスが、前記第１の導管で半径方向内向きに流れる請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の導管内及び前記第１の導管と前記第２の導管との間の前記チャネル内の前記ガスの圧力及び流速をモニタリングすることを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の導管に対する前記プラズマの位置及び前記第１の導管の温度をモニタリングすることを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２の導管が出口を含み、前記方法が、前記第２の導管に入る前記ガスを前記第１の導管の前記壁内の前記複数の開口部を通って前記第１の導管へと流すために、前記第２の導管の出口をシールすることを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
壁、入口、出口、内表面及び外表面、及び前記壁を通る複数の開口部を備える第１の導管であって、前記入口が前記第１の導管内で形成されたプラズマを用いて前記第１の導管内で反応性ガスを発生させるための第１のガスを受け入れる第１の導管と、壁、入口、及び内表面を備える第２の導管とを備えるプラズマチャンバを備え、前記第１の導管が、前記第２の導管内に配置され、前記第１の導管の前記外表面と前記第２の導管の前記内表面との間にチャネルを定義し、前記第１の導管内の前記反応性ガス及びプラズマを取り囲むために、前記第２の導管の前記入口に供給された第２のガスが、前記チャネルに沿って前記第１の導管の前記壁の前記複数の開口部を通って前記第１の導管内へ流れるプラズマチャンバと、
前記第１のガスを用いて前記第１の導管内で前記プラズマを発生させるための電源と、
前記第１及び第２のガスを前記プラズマチャンバへ供給するためのガス供給部と
を備える反応性ガス源。
【請求項２７】
反応性ガス源と共に使用するためのプラズマチャンバ用の導管であって、
壁と、
入口と、
出口と、
内表面及び外表面と、
前記壁を通る複数の開口部であって、ガスを受け入れて前記導管内に形成された反応性ガス及びプラズマを取り巻くための前記複数の開口部と
を備える導管。
【請求項２８】
反応性ガス源上に対応する要素により位置決めされた位置決め要素を備える請求項２７に記載の導管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
現在記載された発明は、プラズマ・アプリケーター用のガス注入器及びガスを注入してプラズマを発生させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマは、多くの場合、それを励起状態に置いて反応性を高めてガスを活性化するために用いられる。ガスは、イオン、フリーラジカル、原子及び分子を含む解離ガスを生成させるために励起され得る。励起されたガスは、半導体ウエハ及び粉末等の固体材料、他のガス及び液体を処理することを含む多数の工業及び化学的な用途に使用される。解離ガスがシステムによって処理されるべき材料と相互作用する条件及び解離ガスのパラメーターは用途によって広く変わる。例えば、フッ素原子は、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ｗ及びＴｉＮ等の材料をエッチングするために使用される。酸素原子は、フォトレジスト又は他の炭化水素材料を除去するために使用される。水素イオン及び水素原子は銅やシリコンの酸化物を除去するために用いられる。プラズマに解離を生じさせるために必要な電力量は、例えば、ガス流速、ガス種、プラズマチャンバ圧、及びプラズマ源に関する特定の用途に応じて変化し得る。
【０００３】
プラズマ源は、プラズマを種々の方法で発生させる。例えば、プラズマ源は、プラズマガス(例えば、Ｏ2、ＮＦ3、Ａｒ、ＣＦ4、Ｈ2、及びＨｅ)又は混合ガス内で電場をかけることによってプラズマを発生させる。プラズマ源は、直流放電、マイクロ波放電又は高周波（ＲＦ）放電を使用してプラズマを発生させることができる。直流放電は、プラズマガス内で２つの電極間に電位を印加することによってプラズマを発生させる。マイクロ波放電は、プラズマガスを含む放電チャンバにマイクロ波透過窓を介してマイクロ波エネルギーを直接結合させることによってプラズマを発生させる。ＲＦ放電は、電源からプラズマに対してエネルギーを静電的に又は誘導的に結合させることによってプラズマを発生させる。
【０００４】
静電結合プラズマは、通常、誘導結合プラズマよりも高いイオン衝撃エネルギーを有しており、高いイオンエネルギーが好ましい場合、又は高いイオンエネルギーが随意に有害作用を引き起こさない場合の用途に典型的には使用されている。誘導結合プラズマは、高いエネルギーのイオンによる表面衝突が望まれていない場合又は高いプラズマ密度が必要である用途に使用されている。通常は、高電圧が誘導コイルに印加され、コイルがプラズマに近接しているために、静電及び誘導結合は、多くの場合誘導結合プラズマ装置内で同時に起こるものである。静電結合を抑制又は低減させるために、誘導コイルとプラズマとの間に静電遮蔽を使用することができる。しかしながら、静電遮蔽は、多くの場合、誘導コイルとプラズマとの間の結合効率を低下させ、ＲＦ電力を浪費させ、インピーダンス整合をより困難にさせる。プラズマは多くの場合、アルミニウム等の金属材料、石英又はサファイア等の誘電材料、又は金属材料及び誘電材料の組み合わせなどで構成される容器中に含まれる。
【０００５】
フッ素、塩素、酸素又は水素等の化学的反応性ガスを含むプラズマにおいては、励起されたガスの高い反応性によって、プラズマ容器表面の化学的浸食が引き起こされることがしばしばある。プラズマ容器の表面でのイオンのエネルギー及び密度を低減させること、化学的に安定な表面材料を選択すること、及び容器壁の温度を低減させることによって、表面−プラズマ相互作用を最小化するための種々の技術が開発されている。大部分のプラズマ装置における低い操作圧力により、処理ガスの流れがプラズマをプラズマ容器表面側へ押し出すことができる。プラズマ源／アプリケーターのための従来のガス注入方法は、一般的には、プラズマ−壁相互作用を十分に抑制するためには不十分である。十分に混合するためにプラズマチャンバへのガス流れの方向を操作するため、或いはプラズマの均一性を制御するために、プラズマ・アプリケーターにおいてはいくつかの構造（例えば、シャワーヘッド構造）が使用されているが、それらの構造は、プラズマチャンバの表面を適切には保護しないものである。プラズマによる表面浸食を低減するために、磁場が、プラズマチャンバ壁からプラズマを分離するために使用されることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＵＳ２００２／０３５９６２号明細書
【特許文献２】国際公開第ＷＯ００／４２６３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
よって、改良されたプラズマ・アプリケーター用のガス注入器及びガスを注入してプラズマを発生させるための方法への要求が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態は、同心管の構造を含む。外側の管（チューブ）／導管はソリッドで構造内にガス又は流体を含むための外側構造を提供するものである。内側の管（チューブ）は、２つの管の間の環状の容積から内側の管の容積へガスを流すことを可能にする複数の開口部（例えば、スリット又は穴）を有する。管への熱機械的ストレスは、構造体を一端で堅く保持することによって低減される。第１のガスが、プラズマによって反応性ガスを発生させるために、内側の管の入口に送られる。第２のガスが外側の管の入口に送られ、内側の管と外側の管の間のチャネルに沿って流れて、内側の管の壁の複数の開口部を介して内側の管へと入る。プラズマが、内側の管の内部に送られるガス／又は複数のガスにエネルギーを印加する高周波電源（例えば、マイクロ波又はＲＦ電源）を用いて、内側の管内で発生される。内側の管の壁の開口部を通る第２のガスの流れが、内側の管内に位置するプラズマ（及び反応性ガス）を取り巻くガス流れ及び圧力勾配を形成する。圧力勾配及びガス流れの運動力が、プラズマ（及び反応性ガス）を押し出して内側の管の表面から引き離し、内側の管の内表面上のエネルギー粒子の流束を低減させる。圧力勾配及びガス流れはまた、プラズマによって励起された中性ガスを内側の管の内表面から強制的に引き離す。これらは、管の表面浸食や、関連する化学的又は粒子の汚染を低減させるものである。
【０００９】
本発明は、一側面において、反応性ガス源と共に使用するためのプラズマチャンバを特徴とする。プラズマチャンバは、壁、入口、出口、内表面及び外表面、及び壁を通り抜ける複数の開口部を備える第１の導管であって、入口が第１の導管内で形成されたプラズマを用いて第１の導管内で反応性ガスを発生させるための第１のガスを受け入れる第１の導管を含む。プラズマチャンバはまた、壁、入口、出口、及び内表面を含む第２の導管を含む。第１の導管は、第２の導管内に配置され、第１の導管の外表面と第２の導管の内表面との間にチャネルを定義している。第１の導管内の反応性ガス及びプラズマを取り囲むために、第２の導管の入口に供給された第２のガスが、チャネルに沿って第１の導管の壁の複数の開口部を通って第１の導管内へ流れる。ある実施形態では、第１のガス及び第２のガスが、別々のガス入口を介してプラズマチャンバへ流れる異なる種類のガスである。ある実施形態では、第１のガス及び第２のガスが同じガス又は同じガスの混合物であり、これらは別々にプラズマチャンバ内の第１及び第２の導管の入口に供給される。ある実施形態では第２の導管の出口がシールされており、第２の導管の出口をシールすることにより、第２の導管の入口に供給されるすべてのガスが第１の導管の壁の複数の開口部を通って第１の導管へと流れる。
【００１０】
ある実施形態では、プラズマチャンバは、第１の導管内でプラズマを発生させるための電源を含む。電源は、電磁力をプラズマに結合させるために高周波又はマイクロ波周波数で動作することができる。
【００１１】
ある実施形態では、第１の導管は、共に結合された複数の導管部分を含み、開口部が、共に連結された導管部分の間に位置する。ある実施形態では、複数の導管部分が、各導管部分の外表面を互いに接合する１又は複数のリブを用いて共に結合される。ある実施形態では、１又は複数のリブが第１の導管の外表面と第２の導管の内表面との間にチャネルの間隙（ギャップ）を定義する。ある実施形態では、第１の導管内の開口部は、穴、スロット、スリット又はこれらの組み合わせ等からなる壁を通り抜ける通路／又は複数の通路である。
【００１２】
ある実施形態では、開口部が、第１の導管の壁を通って半径方向内向きに向けられている。ある実施形態では、開口部の通路が、第１の導管の縦軸に沿って又は第１の導管の縦軸に対して角度を有して、表面に沿ったガス流れの接線成分を設けるために、第１の導管の表面の標準方向に対して角度を有して配置される。ある実施形態では、開口部の通路は、第１の導管の壁を通って半径方向内向きに向けられ、第１のガス流れ方向に沿って向けられている。ある実施形態では、開口部の通路は、第１の導管の内表面に沿って螺旋状のガス流れを生成するために、第１の導管の壁を通って半径方向内向きに向けられ、第１のガス流れの方向に対して鋭角を有している。
【００１３】
ある実施形態では、第１の導管の出口が、第１及び第２の導管の１の共通端を反応性ガス源へ結合させるための取付フランジを備え、第１及び第２の導管の１の共通端を結合させることにより、操作中において第１及び第２の導管内の熱機械的ストレスが最小化する。ある実施形態では、第１及び第２の導管のそれぞれがトロイダルプラズマチャンバを形成する複数の導管脚を備える。
【００１４】
本発明は他の側面において、反応性ガス源のプラズマチャンバ内で反応性ガスを発生させるための方法を特徴とする。プラズマチャンバは、壁、入口、出口、内表面及び外表面、及び壁を通る複数の開口部を有する第１の導管を含む。プラズマチャンバはまた、壁、入口、出口、及び内表面を有する第２の導管をも含む。第１の導管は、第２の導管内に配置され、第１の導管の外表面と第２の導管の内表面との間にチャネルを定義している。方法は、１の導管の入口に第１のガスを供給することと、第１の導管内で形成されたプラズマを用いて第１の導管内で反応性ガスを発生させることを含む。方法はまた、第１の導管内の反応性ガス及びプラズマを取り囲むために、チャネルに沿って第１の導管の壁の複数の開口部を通って第１の導管内へ流す第２のガスを第２の導管の入口へ供給することをも含む。
【００１５】
ある実施形態では、方法は、第１のガスを第１の導管の入口に供給する前に第２のガスを第２の導管の入口へ供給することを含む。ある実施形態では、方法は、第１の導管内で形成されたプラズマ及び反応性ガスを取り巻くガスのシースを形成するために第２のガスのガス供給特性を変化させることを含む。ある実施形態では、方法は、第１の導管の壁を冷却するためにガス供給特性を変化させることを含む。ある実施形態では、方法は、第１及び第２のガスを入口へ同時に供給することを含む。
【００１６】
ある実施形態では、方法は、第１の導管内で第１のガスにエネルギーを印加することによって第１の導管内でプラズマを点火することを含む。ある実施形態では、第２のガスが、第１の導管内で半径方向内向きに流れ、第１の導管内で第２のガスにエネルギーを印加することによってプラズマが点火される。ある実施形態では、第２のガスは、第１の導管内で部分的に接線方向に且つ部分的に半径方向内向きに流れる。ある他の実施形態では、第１及び第２のガスの両方が第１の導管へ流れ込む。プラズマは、第１の導管内で第１及び第２のガスにエネルギーを印加することによって、第１の導管内で点火される。ある実施形態では、方法は、第１の導管内及び第１の導管と第２の導管との間のチャネル内のガスの圧力及び流速をモニタリングすることを含む。ある実施形態では、方法は、第１の導管に対するプラズマの位置及び第１の導管の温度をモニタリングすることを含む。
【００１７】
本発明は他の側面において、反応性ガス源を特徴とする。反応性ガス源は、第１及び第２の導管を含むプラズマチャンバを含む。第１の導管は、壁、入口、出口、内表面及び外表面、及び壁を通る複数の開口部を含み、入口が第１の導管内で形成されたプラズマを用いて第１の導管内で反応性ガスを発生させるための第１のガスを受け入れる。第２の導管は、壁、入口、出口、及び内表面を含む。第１の導管は、第１の導管の外表面と第２の導管の内表面との間にチャネルを定義する第２の導管内に配置されており、第１の導管内の反応性ガス及びプラズマを取り囲むために、第２の導管の入口に供給された第２のガスが、チャネルに沿って第１の導管の壁の複数の開口部を通って第１の導管内へ流れる。反応性ガス源はまた、第１のガス及び第２のガスを用いて第１の導管内でプラズマを発生させるための電源と第１及び第２のガスをプラズマチャンバへ供給するためのガス供給部とを含む。
【００１８】
本発明は他の側面において、反応性ガス源と共に使用するためのプラズマチャンバ用の導管を特徴とする。導管は、壁、入口、出口及び内表面及び外表面を含む。導管はまた、壁を通る複数の開口部を含み、複数の開口部は、導管内で形成された反応性ガス及びプラズマを取り巻くためにガスを受け入れる。ある実施形態では、導管は、反応性ガス源上に、対応する要素により位置決めされた位置決め要素を含む。
【００１９】
現在の発明の他の側面及び利点は、例示の目的によってのみ示される本発明の原理を表す添付図面と合わせて、以下の詳細な説明によって明らかとなるであろう。
【００２０】
本発明の種々の実施形態に係る前述の特徴は、図面における以下の詳細な説明を参照することによってより理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の例示的な実施形態に係る反応性ガス源のプラズマチャンバの概略図である。
【図２】図２は、本発明の例示的な実施形態に係るプラズマチャンバの導管の概略斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の例示的な実施形態に係るプラズマチャンバの導管の概略端面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの導管の側断面図である。
【図４】図４は、本発明の例示的な実施形態に係るトロイダルプラズマチャンバの概略図である。
【図５】図５は、本発明の例示的な実施形態に係るマイクロ波プラズマ・アプリケーターの断面図である。
【図６】図６は、本発明の例示的な実施形態に係る反応性ガス源のプラズマチャンバ内に反応性ガスを発生させるための方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本発明の例示的な実施形態に係る反応性ガス源のプラズマチャンバ１００の概略図である。プラズマチャンバ１００は、第１の導管１０４を含む。第１の導管１０４は、壁１１２、入口１１６、出口１２０、内表面１１８、及び外表面１２２を有する。第１の導管１０４は、また、壁１１２を通り抜ける複数の開口部１２８（例えば、スリット又は穴）を定義した壁１１２を通り抜ける複数の通路１２４を有する。操作中は、第１のガス１６０が、第１の導管１０４内で形成されたプラズマ１３２を用いて第１の導管１０４内で反応性ガスを発生させるために第１の導管１０４の入口１１６に供給される。この実施形態では、開口部１２８の通路１２４は、第１の導管１０４の壁１１２を通り抜けて半径方向内向きに向けられており、且つ第１のガス１６０の流れの方向に沿って向けられている。代替的な実施形態では、開口部１２８は、ガス流れ方向に対して鋭角を有するように向けられている。ある実施形態では、第１の導管１０４及び第２の導管１０８は、誘電材料（例えば、石英、アルミナ、サファイア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、イットリア）を用いて製造され、第１のガス１６０を用いてプラズマ１３２を発生させるために、マイクロ波源が、マイクロ波エネルギーを第１の導管１０４で結合させるために使用される。本発明の代替的な実施形態では、プラズマ１３２を発生させるために代替的な方法及び装置を用いることができる。例えば、プラズマ１３２を発生させ維持するために、マイクロ波源以外の電源（例えば、誘導結合電源、ＲＦ電源）がプラズマチャンバ１００内にエネルギーを結合させるために使用され得る。
【００２３】
ある実施形態では、第１のガスは、処理ガス(例えば、Ｏ2、Ｈ2、Ｎ2、又はＮＦ3)であり、第１の導管１０４へ流れてプラズマ１３２を発生させるために使用される。ある実施形態では、不活性ガス(例えば、アルゴン又はヘリウム)、又は不活性ガス及び処理ガスの混合物がプラズマ点火時に使用される。不活性ガスを励起するためには低電場が必要とされる。なぜならば、プラズマを励起するために必要な電場は、典型的には、プラズマを維持するために必要な電場よりもずっと高いため、不活性ガスは時折、電源／ガス励起の要求を低減させるために点火中に用いられるからである。
【００２４】
ある実施形態では、プラズマチャンバ１００は、第１の導管１０４内でのガスの点火を補助するために、第１の導管１０４内で自由電荷を発生させる点火源（図示せず）を含む。第１の導管１０４内で自由電荷を発生させる点火源は、第１の導管１０４内に配置された電極又は第１の導管１０４に光学的に結合された紫外光源であり得る。点火源は、第１の導管１０４の内部又は第１の導管１０４の内部に部分的に配置され得る。それは、第１の導管１０４及び第２の導管１０８の外側に配置されることができ、第１の導管１０４に光学的に結合されることができる。
【００２５】
第２の導管１０８は、壁１３６、入口１４０、出口（図示せず）及び内表面１４８を有する。ある実施形態では、組立時に、第２の導管の出口がシール（密閉）される。第１の導管１０４は第２の導管１０８内に配置されており、第１の導管１０４の外表面１２２と第２の導管１０８の内表面１４８との間にチャネル（通路）１５２を定義している。操作中は、第２のガス１５６が第２の導管１０８の入口１４０へ供給される。第２のガス１５６は、チャネル１５２に沿って流れ、通路１２４の開口部１２８を通って第１の導管１０４内へと流れる。第２のガス１５６は、第１の導管１０４内で反応性ガスとプラズマ１３２を取り囲む。
【００２６】
操作中、第２のガス１５６の特性（例えば、ガス流速、種混合、圧力）は、チャネル１５２を沿って流れ、その後開口部１２８を通って第１の導管１０４へ流れるガスが圧力勾配を形成させ、それが反応ガス及びプラズマ１３２を第１の導管１０４の内表面１１８から遠ざけるように制御される。第１の導管１０４の表面（例えば、内表面１１８）上のエネルギー粒子の流束は、第１の導管１０４の内表面１１８から反応性ガス及びプラズマ１３２を遠ざけることによって低減される。ガス流れと圧力勾配はまた、プラズマ１３２によって励起された中性ガスを第１の導管１０４の内表面１１８から遠ざけるように押し出す。これが、第１の導管１０４の表面浸食及びそうでなければ発生する関連する化学的又は粒子の汚染を低減させる。活性ガスには、例えば、Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｆ、Ｃｌ、及びＢｒなどのイオン、原子及び分子を含むことができる。第１の導管１０４の壁１１２の開口部１２８を通って流れるガスもまた、壁１１２を冷却する。プラズマ１３２から壁１１２への熱流束は、プラズマ１３２が壁１１２の内表面１１８から遠ざけられる際に低減されるため、第１の導管１０４の壁１１２が冷却される。更に、第１の導管は、開口部１２８を通って内表面１１８及び第１の導管１０４の外表面１２２に沿って流れる第２のガス１５６に関連する熱対流効果によっても冷却される。第２のガス１５６は、不活性ガス、処理ガス又は不活性ガス及び処理ガスの混合物であり得る。
【００２７】
第１の導管１０４の壁１１２を通る開口部１２４は様々な形状を有し得る。例えば、開口部１２４は、例えば、円形、楕円形、正方形、長方形又は不規則な形状を有することができる。ある実施形態では、開口部は、穴、スロット、スリット又はこれらの組み合わせである。開口部によって定義される平面は、第１の導管の縦軸に対して平行であるか、第１のガス１６０の流れの方向に向いて角度を有するか、第１のガス１６０の流れの方向に沿うことができる。開口部１２４は、表面１１８に沿って、あるいは第１の導管１０４の縦軸に沿って又は第１の導管１０４の縦軸に対して角度を有するガス流れの接線成分を与えるために、第１の導管１０４の内表面１１８に対して角度を有することができる。
【００２８】
図２は、本発明の例示的な実施形態に係るプラズマチャンバの導管２０４の概略斜視図である。導管２０４は、図１の第１の導管１０４として使用され得る。導管２０４は、壁２１２、入口２１６、出口２２０、内表面２１８、及び外表面２２２を有する。導管２０４は、また、導管２０４の縦軸に対して角度を有し、導管２０４の壁２１２を通り半径方向内向きに向けられた複数の開口部２２８(穴)を定義した、壁２１２を通り抜ける複数の通路２２４を有する。操作中は、プラズマガスが、導管２０４で形成されたプラズマを用いて導管２０４内で反応性ガスを発生させるために導管２０４の入口２１６に供給される。反応性ガスはその後、第１の導管２０４の出口２２０から出される。操作中は、第２のガスは、外表面２２２から内表面２１８に対して(例えば、図１の第１の導管１０４に関して本明細書で説明したのと同様に)開口部２２８を通って半径方向内向きに向けられている。導管２０４内の開口部２２８は、導管２０４の内表面２１８に沿って螺旋状のガス流れを形成させるために角度を有する（傾斜させる）ことができる。導管２０４はまた、導管２０４の出口２２０に配置された取付フランジ２４０を含む。代替的には、取付フランジ２４０は、導管２０４の入口２１６に配置されることができる。導管２０４が使用するプラズマ源は、取付フランジ２４０を介して導管２０４をプラズマ源へと結合させる補助フランジ結合機構を含むであろう。
【００２９】
図３Ａ及び３Ｂは、本発明の例示的な実施形態に係るプラズマチャンバの導管３０４の２つの図を示す概略図である。導管３０４は、図１の第１の導管１０４として使用されることができる。図３Ａは、導管３０４の端面図である。図３Ｂは、導管３０４の断面側面図である。導管３０４は、壁３２８、入口３３２、出口３３４及び内表面３３６を含む。導管３０４は、複数の導管部分３０８を含む。導管部分３０８は、隣接する導管部分３０８間に配置された複数の開口部３１２を定義するように互いに結合（連結）されている。開口部３１２を定義する通路は、導管３０４の縦軸３６４に対して鋭角３６０を有して配置される。開口部３１２を定義する通路は、導管３０４内で半径方向内向きに向けられている。ある実施形態では、開口部を定義する通路は、導管３０４内において部分的に接線方向にも向けられている（即ち、導管３０４の中心には向けられていない）。導管部分３０８は、３つのリブ３１６ａ、３１６ｂ、及び３１６ｃ（概して３１６）で共に結合されている。リブ３１６は、導管部分３０８のそれぞれの外表面３２０に接合されている。
【００３０】
一実施形態では、導管３０４は、プラズマチャンバ(例えば、図１のプラズマチャンバ１００の第２の導管１０８)を形成するために第２の導管（図示せず）とともに使用される。導管３０４は、導管部分３０８の外表面３２０と第２の導管の内表面との間にチャネルを定義する第２の導管内に配置される。リブ３１６は、導管部分３０８の外表面３２０と第２の導管の内表面との間にチャネルの間隙寸法を定義する。
【００３１】
代替的な実施形態では、導管部分３０８を共に結合させるために代替的な構造又は構成物品を使用することができる。例えば、ある実施形態では、導管部分３０８を共に結合させるために１又は複数のリブが使用される。ある実施形態では、導管部分を共に結合させるために、導管３０４中でリブ又は結合要素が使用される。
【００３２】
図４は、本発明の例示的な実施形態に係るトロイダルプラズマチャンバ４００の概略図である。チャンバ４００は、トロイダルプラズマチャンバ４００を形成するために結合された４つの導管脚４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、及び４０４ｄ（概して４０４）を含む。導管脚４０４ａは、内側の、第１の導管４０８ａ（例えば、図１の第１の導管１０４）及び外側の、第２の導管４１２ａ（例えば、図１の第２の導管１０８）を有する。導管脚４０４ａはまた、入口４１６ａ及び出口４２０ａを含む。導管脚４０４ｃは、内側の、第１の導管４０８ｃ（例えば、図１の第１の導管１０４）及び外側の、第２の導管４１２ｃ（例えば、図１の第２の導管１０８）を有する。導管脚４０４ｃはまた、入口４１６ｃ及び出口４２０ｃを含む。
【００３３】
導管脚４０４ｂは、内側の、第１の導管４０８ｂ及び外側の、第２の導管４１２ｂを有する。導管脚４０４ｂは、入口４１６ｂ、４６２ｂ及び２つの出口４２０ｂ、４２０ｂ’を有する。導管脚４０４ｄは、内側の、第１の導管４０８ｄ及び外側の、第２の導管４１２ｄを有する。導管脚４０４ｄは、２つの入口４１６ｄ、４１６ｄ’及び１つの出口４２０ｄを有する。導管４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ、及び４０８ｄ（概して４０８）は、壁を通り抜ける複数の開口部（例えば、スリット又は穴）を定義した、導管４０８の壁を通り抜ける複数の通路４２４を有する。
【００３４】
導管脚４０４は、導管脚４０４ｂの出口４２０ｂ’が導管脚４０４ｃの入口４１６ｃに接続されるように構成されている。導管脚４０４ｃの出口４２０ｃは、導管脚４０４ｄの入口４１６ｄ’に結合されている。導管脚４０４ｂの出口４２０ｂは、導管脚４０４ａの入口４１６ａに結合されている。導管脚４０４ａの出口４２０ａは、導管脚４０４ｄの入口４１６ｄに結合されている。
【００３５】
操作中は、第１のガス４６０は、導管脚４０４ｂの入口４１６ｂに供給され、導管４０４のそれぞれを流れる。第１のガス４６０は、導管４０４内に形成されたトロイダルプラズマ４４４を用いて導管４０４内に反応性ガスを発生させるために使用される。システムは、電磁エネルギーをプラズマ４４４に結合させる電力変換器４４０を含む。電力変換器４４０は、高い透磁率の磁性体コア４５２、一次コイル／巻線４５６、及びプラズマチャンバ４００を含む。プラズマチャンバ４００は、プラズマ４４４により変換器４４０の二次回路を形成することを可能にする。システムはまた、電源４６０（例えば、スイッチング電源）を含む。一実施形態において、電源４６０は、スイッチング半導体装置を含むスイッチング回路に直接接続された電圧源を含む。電圧源は、ライン電圧源又はバス電圧源であり得る。スイッチング半導体装置は、スイッチングトランジスタのセットであり得る。スイッチング回路は、ソリッドステートスイッチング回路であり得る。回路の出力は、変換器４４０の一次巻線４５６に直接接続されている。
【００３６】
操作中は、第２のガス４６４は、導管脚４０４ｂの入口４６２ｂに供給される。第２のガス４６４は、第１の導管４０８と第２の導管４１２との間に定義されたチャネル４７０に沿って流れる。第２のガス４６４は、チャネル４７０に沿って、通路４２８の開口部を通って第１の導管４０８に流れる。第２のガス４６４は、第１の導管４０８内の反応性ガス及びプラズマ４４４を取り巻いている。第２のガス４６４は、不活性ガス、処理ガス、又は不活性ガス及び処理ガスの混合物であり得る。第２のガス４６４は、第１のガス４６０と同じとすることができる。
【００３７】
操作中、第２のガス４６４の特性（例えば、ガス流速、種混合、圧力）は、チャネル４７０を沿って流れ、その後開口部を通って第１の導管４０８へ流れるガスが圧力勾配を形成させ、それが反応性ガス及びプラズマ４４４を第１の導管４０８の内表面から遠ざけるように制御される。
【００３８】
図５は、本発明の例示的な実施形態に係るマイクロ波プラズマ・アプリケーター５００の断面図である。アプリケーター５００は、マイクロ波エネルギーを実質的に透過させる材料（例えば、石英、サファイア、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、イットリア、又は他の好適な誘電体）で作られた誘電プラズマチャンバ５０４（例えば、図１のプラズマチャンバ１００）を含む。アプリケーター５００はまた導波管５０８を含む。導波管５０８は、マイクロ波エネルギーを電源５７０（この実施形態ではマイクロ波電源）からプラズマチャンバ５０４の内部５１２（例えば、図１の導管１０４内）にプラズマチャンバ５０４内でプラズマを生成して維持するために運ぶ。
【００３９】
プラズマチャンバ５０４は、第１の導管５１６を含む。第１の導管５１６は、入口５２４及び出口５２８を有する。第１の導管５１６はまた、壁を通り抜ける複数の開口部５３６を定義した、導管５１６の壁を通り抜ける複数の通路５３２を有する。アプリケーターは、第１及び第２のガスをプラズマチャンバ５０４に供給するためのガス供給部５４０を含む。操作中、第１のガスは、第１の導管５１６で形成されたプラズマを用いて第１の導管５１６内で反応性ガスを発生させるために第１の導管５１６の入口５２４に供給される。第２の導管５２０は、入口５４４及び出口５４８を有する。第１の導管５１６は、第１の導管５１６の外表面と第２の導管５２０の内表面との間にチャネル（説明目的の明確性のため図示せず）を定義する第２の導管５２０（図１のプラズマチャンバ１００に関して説明したのと同様に）内に配置される。操作中、第２のガスは、ガス供給部５４０によって、第２の導管５２０の入口５４４に供給される。第２のガスは、チャネルに沿って、通路５３２の開口部５３６を通って第１の導管５１６へ流れる。第２のガスは、本明細書に記載したものと同様に第１の導管５１６で反応性ガス及びプラズマを取り巻く。第１のガス及び第２のガスは、同様のガス源によって供給され得る。
【００４０】
第１の導管５１６の出口５２８は、第１及び第２の導管５１６、５２０の１の共通端５８４をプラズマ・アプリケーター５００（例えば、反応性ガス源）へ連結するための取付フランジ５８０を有する。第１及び第２の導管５１６、５２０を１の共通端５８４（他の場所でなく）で連結することによって、第１の導管５１６がアプリケーター５００の縦軸５８８に沿って自由に膨張し縮小するため、第１及び第２の導管５１６、５２０内の熱機械的ストレスが低減される。取付フランジ５８０は、第２の導管５２０の出口５４８をシールすることにより、ガスシール５９５を形成することができる。第２の導管５２０の出口５４８をシールすることにより、第２のガスのすべてが通路５３２の開口部５３６を通って第１の導管５１６へ強制的に流される。
【００４１】
アプリケーター５００はまた、第１及び第２の導管５１６、５２０がアプリケーター５００とともに適切に用いられることを保証する位置決め要素５９２をも含む。この実施形態では、位置決め要素５９２は、取付フランジ５８０の一部となっている。位置決め要素５９２は、例えば、プロセッサ（図示していないが、アプリケーター５００に接続されている）がアプリケーター５００の操作を許可することを可能にするアプリケーター５００上の対応する位置に位置決めする。位置決め要素５９２は、例えば、位置決めのための電気的接続を閉止する取付フランジ５８０上の導電層又は位置決めのための機械的スイッチの合わせ部を閉止する機械的突起であり得る。
【００４２】
図６は、本発明の例示的な実施形態に係る反応性ガス源のプラズマチャンバ内で反応性ガスを発生させる方法のフローチャート６００である。プラズマチャンバは、例えば、図１のプラズマチャンバ１００であり得る。一実施形態において、プラズマチャンバは、壁、入口、出口、内表面及び外表面及び壁を通る複数の開口部を含む第１の導管を含む。プラズマチャンバはまた、壁、入口、出口、及び内表面を含む第２の導管を含む。第１の導管は、第１の導管の外表面と第２の導管の内表面との間にチャネルを定義する第２の導管内に配置されている。
【００４３】
方法は、第１のガスを第１の導管の入口へ供給すること６０４を含む。方法はまた、第１の導管内に（例えば、電源、例えば、マイクロ波源を用いて）電磁エネルギーを印加することによって第１の導管内でプラズマを点火すること６１２を含む。方法はまた、第１の導管内で形成されたプラズマを用いて第１の導管内で反応性ガスを発生させること６１６を含む。方法はまた、第２の導管の入口に第２のガスを供給すること６０８を含む。第２のガスは、チャネル（第１及び第２の導管によって定義される）に沿って第１の導管の壁の複数の開口部を通って第１の導管へ流れる。第２のガスは、第１の導管内の反応性ガス及びプラズマを取り囲む。方法はまた、プラズマチャンバ内で生成された反応性ガスを処理チャンバ（例えば、ウエハ処理チャンバ）へ出力すること６２８を含む。
【００４４】
ある実施形態では、方法は、第１のガスを第１の導管の入口に供給する前に第２のガスを第２の導管の入口に供給すること６０８を含む。第１のガスを供給してプラズマを点火する前に第２のガスを供給すること６０８によって、第２のガス（例えば、図１の第２のガス１５６）が、点火の間に第１の導管の内表面（例えば、図１の第１の導管１０４の内表面１１８）上で第１のガス、反応性ガス、及びプラズマが衝突することを抑制する第２のガスのシース（覆い）を作製する。ある実施形態では、方法は、第１及び第２の導管のそれぞれの入口に第１及び第２のガスを同時に供給することを含む。
【００４５】
方法は、第１の導管内と第１の導管と第２の導管との間のチャネル内のガス圧力をモニタリングすること６０６を含む。第１の導管の圧力勾配は第１の導管の内表面から反応性ガス及びプラズマを強制的に遠ざけるために第２のガスが第１の導管内の開口部を通って流れるために必要とされる。圧力勾配はまた、第１の導管と第２の導管との間のチャネルではなく、第１の導管の内部でプラズマを発生させて維持するのに役立つ。方法は、第１のガスの流量をモニタリングすること６０６（ステップ６０４で与えられる）と第２のガスの流量をモニタリングすること（ステップ６０８）を含む。ガス流速は、例えば、質量流量計によって直接測定することができる。代替的には、流速は、第１の導管内と第１及び第２の導管の間のチャネル内のガス圧力を測定することによってもモニタリングすることができる。
【００４６】
方法はまた、プラズマの位置及び第１の導管の温度をモニタリングすること６１４を含む。通常、プラズマは、第１の導管の内部で形成され、第１の導管の表面から離れた（遠ざけられた）状態にされる。異常な条件下では(例えば、第２のガスの流速が不十分である場合等)プラズマは、第１の導管の表面或いは第１及び第２の導管との間のチャネル内にまで到達し得る。一度異常な条件が起こると、ガス流速、プラズマパワー及びマッチング回路電気特性等の操作パラメーターがその条件を修正するために調節される。例えば、導管の壁からプラズマを強制的に遠ざけるために、第２のガスの流速が、より大きな圧力勾配を作り出すように増加され得る。更に、導管壁上の熱負荷を低減させるために、ガス源に供給されるエネルギーを低くすることにより、プラズマパワーを低減させることができる。導管壁上の熱負荷を低減させるために、ガス源に用いられるマッチング回路の電気的特性(例えば、整合コンデンサ、抵抗器及びインダクタの値など)は、電源の特性がプラズマの電気的特性により近くなるように整合させるように変更され得る。異常な条件が修正できない場合は、操作を終了させることができる。光学プローブが、例えば、導管の壁に対するプラズマの位置をモニタリングするために使用され得る。ある実施形態では、導管の温度をモニタリングするために、熱電対が第１の導管に取り付けられる。操作パラメーターは、導管の壁に対するプラズマの位置に基づいて調節されることができる。
【００４７】
方法はまた、第２のガスのガス供給特性を変化させること６２４を含む。第２のガスの特性（例えば、ガス流速及び圧力）は、チャネルを流れてその後開口部を通って第１の導管へと流れるガスが、第１の導管の内表面から反応性ガス及びプラズマを強制的に遠ざける圧力勾配を作製するように制御される。第１の導管の表面（例えば、内表面）上のエネルギー荷電粒子の流束は、第１の導管の内表面から反応性ガス及びプラズマを強制的に遠ざけることによって低減される。ガス流れ及び圧力勾配はまた、第１の導管の内表面から離れたプラズマによって励起された中性ガスをも押し出す。これが、第１の導管の表面浸食及びそうでなければ発生する関連する化学的又は粒子の汚染を低減させる。第１の導管の壁の開口部を通って流れるガスもまた、壁を冷却する。プラズマから壁への熱流束は、プラズマが壁の内表面から強制的に遠ざけられる際に低減されるため、第１の導管の壁が冷却される。更に、第１の導管は、開口部を通って第１の導管の内表面及び外表面に沿って流れる第２のガスに関連する熱対流効果によっても冷却される。ある実施形態では、第１の導管内に形成されるプラズマ及び反応性ガスを取り巻くガスのシースの特性を形成又は修正するために、第２のガスのガス供給特性が変更される（ステップ６２４）。
【００４８】
本発明の例示的な実施形態が、マイクロ波プラズマ・アプリケーター５００の断面図である図５に説明される。アプリケーター５００は、プラズマチャンバ５０４を形成する第１の導管５１６を含み、第２の導管５２０を含む。双方の導管ともマイクロ波電力流束に透過的な誘電材料で作られている。プラズマチャンバ５０４内でプラズマを生成させ維持するために、アプリケーター５００はまた、マイクロ波エネルギーをマイクロ波電源５７０からプラズマチャンバ５０４の内部５１２へ運ぶ導波管５０８を含むこともできる。アプリケーター５００の１の例示的な構成では、０．０２ｃｍ幅の８つの環状の間隙であって第１の導管１１６の縦軸５８８に沿った主処理ガスの流れ方向に対して１０°傾いた第１の導管５１６内の開口部５３６を含む。マイクロ波電力で入口ガスを励起することによってプラズマチャンバ５０４内で酸素及び窒素プラズマが生成される。４ＳＬＭ（スタンダード・リッター・パー・ミニット）のガスが第１の導管と第２の導管との間のチャネルを流れる場合、第１の導管の周囲の圧力は１０トールよりも高くなる。第１の導管の内部圧力は１〜３トールに維持される。一実施例では、プラズマは、１〜５ｋＷのマイクロ波電力レベルで発生した。圧力勾配及び第１の導管内の開口部を通るガス流れが、第１の導管の内表面から反応性ガス及びプラズマを強制的に遠ざけ、表面プラズマ相互作用及びプロセスに対する化学的及び粒子汚染及びプラズマチャンバ壁の対応する浸食を低減させる。
【００４９】
当業者は、本発明が、その精神又はその本質的特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施できることを理解するであろう。従って、上述の実施形態は、本明細書に記載された本発明に限定されることなく、すべての面で考慮されるべきであろう。よって、本発明の範囲は、上述の説明よりもむしろ、添付の特許請求の範囲により示されるものであり、特許請求の範囲の意味及び均等の範囲でのすべての改変が含まれることが意図されるものである
【符号の説明】
【００５０】
１００、４００、５０４…プラズマチャンバ
１０４、２０４、４０８、５１６…第１の導管
１０８、４１２、５２０…第２の導管
１１２、２１２…壁
１１６、２１６、４１６…入口
１１８、２１８…内表面
１２０、２２０、４２０…出口
１２２、２２２…外表面
１２４、２２４、４２４…通路（開口部）
１２８、２２８…開口部
１３２…プラズマ
１３６…壁
１４０…入口
１４８…内表面
１５２…チャネル
１５６…第２のガス
１６０…第１のガス
２４０…取付フランジ
３０４…導管
３０８…導管部分
３１２…開口部
３１６…リブ
３２０…外表面
３２８…壁
３３２…入口
３３４…出口
３３６…内表面
３６０…鋭角
３６４…縦軸
４０４…導管脚
４１２…導管
４２８…通路
４４０…変換器
４４４…プラズマ
４５２…磁性体コア
４５６…一次巻線
５００…アプリケーター
５０８…導波管
５１２…内部
５２４…入口
５２８…出口
５３２…通路
５３６…開口部
５４０…ガス供給部
５４４…入口
５４８…出口
５７０…電源
５８０…取付フランジ
５８４…共通端
５８８…縦軸
５９２…要素
５９５…ガスシール
【図１】
2015500557.tif 000003
【図２】
2015500557.tif 000004
【図３Ａ】
2015500557.tif 000005
【図３Ｂ】
2015500557.tif 000006
【図４】
2015500557.tif 000007
【図５】
2015500557.tif 000008
【図６】
2015500557.tif 000009
【国際調査報告】
2015500557.tif 000010
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