JPH09219295A - 液冷式リモートプラズマアプリケータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロ波等のエネルギーをさほど減じず
に、アプリケータ等を効率良く冷却する。 【解決手段】 動作中に電磁放射を受容する導波路と、
導波路を貫通し導波路内の電磁マイクロ波放射により自
身の内部を流れるガスが励起されるプラズマチューブ
と、プラズマチューブの外側の周囲で且つプラズマチュ
ーブのうち導波路内部にあり電磁放射に曝露される部分
の上をスパイラル状に巻き付けられるクーラントチュー
ブ（冷却液チューブ）と、を備えている。使用中は、プ
ラズマチューブを冷却するよう、クーラントがクーラン
トチューブ内を循環する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は概説的には、リモー
トプラズマソースに関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマベースのリモート励起ソースな
いしプラズマアプリケータは、高い入力電力を取り扱う
必要があり、また、高温と高化学反応性環境との組合わ
せの環境に耐える必要がある。例えば、プラズマアプリ
ケータの通常の用途において、ジェネレータにはＮＦ₃
ガスが流入し、これがプラズマにより分解する。その結
果、励起種が生じてこれがアプリケータ中を流動し、イ
ンシチュウチャンバクリーニング、エッチング、フォト
レジストストリッピングやその他のあらゆる処理を行う
半導体処理装置の中に進入する。インシチュウチャンバ
クリーニングに反応性種を用いる例としては、１９９４
年７月２１日に出願の米国特許出願Ｓ．Ｎ．０８／２７
８６０５号、標題 A Deposition Chamber Cleaning Tec
hnique Using a Remote Excitation Source"（「リモー
ト励起ソースを用いた堆積チャンバのクリーニング技
術」）の特許出願に記載されている。

【０００３】このように非常に苛酷な環境に装置が晒さ
れるため、プラズマアプリケータはすぐに使用不能にな
ってしまう。例えば、市販のアプリケータによっては、
クオーツチューブを用いてこのような励起種を収容して
しまうものもある。このようなシステムでは、発生する
弗素がチューブを急速にエッチングしてしまう。更に、
電力のレベルが高い場合（１ないし１．５ｋＷ以上）
は、クオーツは破壊されやすい。このように、アプリケ
ータを２〜３回用いた後、あるいはある時間操作を持続
させた後では、チューブの壁は、このシステムを支配し
ている高温及び真空に晒され続ければすぐに破壊されて
しまうほどに薄くなっている。従って、チューブは、寿
命の非常に初期の段階で、新しいチューブと取り替えな
ければならない。 クオーツチューブを定期的に交換し
なければならない不便さとコストは共に非常に高いもの
である。

【０００４】現在あるプラズマアプリケータの中には、
クオーツチューブの代りにセラミックチューブを用いる
ものもある。セラミックチューブは、しばしば遭遇する
化学的腐食性環境において、クオーツチューブよりも耐
久性が高い。しかし、セラミックチューブは万能薬では
ない。これらは通常、クオーツやその他の材料と比べ
て、熱膨張係数が比較的高い。従って、このようなシス
テムに通常行われる室温と高い処理温度との間の温度サ
イクルを繰り返すことにより、セラミックチューブには
大きな応力が発生することになる。この応力により、チ
ューブにクラックが生じて破壊される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】マイクロ波プラズマア
プリケータでは、２本の同心状のセラミックチューブを
用いるものが開発されており、これらチューブ、即ち外
側チューブと内側チューブは共に、マイクロ波放射に対
して透過性を有する材料、例えばクオーツやサファイア
製である。内側チューブはプラズマを収容し、従って、
高温及び腐食性の高い環境に曝露される。内側チューブ
を冷却するため、２つのチューブの間の環状の領域の中
に水を流す。このようなシステムは、１９９５年２月１
３日に出願の米国特許出願第０８／３８７６０３号に記
載されている。水はマイクロ波を吸収するため、この環
状の領域を形成できる厚さには、厳しい制限がある。厚
すぎれば、マイクロ波は著しく減じられ、内側チューブ
の中にプラズマを発生しこれを維持することが困難ある
いは不可能になる。他方、この領域が薄すぎれば、冷却
効率が著しく悪化する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】概説的に、１つの特徴と
して、本発明は、出力ソースに用いる液冷式プラズマア
プリケータである。このアプリケータないしジェネレー
タは、動作中に電磁放射を受容する導波路と、導波路を
貫通し導波路内の電磁マイクロ波放射により自身の内部
を流れるガスが励起されるプラズマチューブと、プラズ
マチューブの外側の周囲で且つプラズマチューブのうち
導波路内部にあり電磁放射に曝露される部分の上をスパ
イラル状に巻き付けられるクーラントチューブ（冷却液
チューブ）と、を備えている。使用中は、プラズマチュ
ーブを冷却するよう、クーラントがクーラントチューブ
内を循環する。

【０００７】好ましい具体例では、以下の特徴を有して
いる。アプリケータはマイクロ波放射ソースも有し、ま
た、導波路はマイクロ波導波路である。マイクロ波放射
ソースにより、波長１〜１００センチメートルの波長を
有するマイクロ波が発生する。マイクロ波の放射の波長
がλとすれば、クーラントチューブの外径はおよそλ／
１００よりも低く、また、スパイラル状クーラントチュ
ーブは約λ／５０よりも大きな巻き間隔を有するコイル
状である。あるいは、スパイラル状クーラントチューブ
の巻き間隔は、クーラントチューブの外径よりも大きく
てもよい（例えば、クーラントチューブの直径の２倍以
上）。また、液冷式プラズマアプリケータは、クーラン
トチューブ内を循環させようとするクーラントを受容す
るための流入コネクタと、クーラントチューブの中を通
過した後のクーラントを流出させる流出コネクタとを有
している。更に、クーラントチューブはプラズマチュー
ブの外面と接触している。

【０００８】また、好ましい具体例では、プラズマチュ
ーブはセラミック製であり、例えば酸化アルミニウム製
やサファイア製などである。また、クーラントチューブ
は誘電材料製であり、例えばテフロン（ポリ四弗化エチ
レン樹脂）製である。また、液冷式プラズマアプリケー
タは、自身の内部にプラズマチューブが設置されるアプ
リケータ本体と、アプリケータ本体の流入端に設置され
る第１のアダプタ板と、アプリケータ本体の流出端に設
置される第２のアダプタ板とを有している。第１のアダ
プタ板は、ガスラインをプラズマアプリケータへとつな
げ、プラズマチューブプラズマチューブ内のガスが流入
する通路を与える第１のカップリングを有し、第２のア
ダプタ板は、プラズマアプリケータから流出する励起ガ
スの流出通路を有している。

【０００９】スパイラル状冷却器の構成により、マイク
ロ波を吸収する水等のクーラントを用いる場合でも、プ
ラズマチューブ内を通過するマイクロ波エネルギーをあ
まり減じずに、プラズマチューブを充分に冷却すること
が可能となる。本発明の液冷式プラズマアプリケータ
は、半導体製造産業で用いられる化学物質のうち最も攻
撃性の高い化学物質のいくつかと共に用いることが可能
であり、これは例えば、Ｃｌ₂、ＮＦ₃、ＣＦ₄、その他
弗素化合物が挙げられる。

【００１０】本発明のその他の利点及び特徴は、好まし
い具体例の記載及び請求の範囲により明らかになるだろ
う。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１に示すように、液冷式プラズ
マアプリケータ１０は、プラズマチューブ１２を有して
いる。プラズマチューブ１２は、チューブ内で励起しよ
うとするガスを受容するための流入端１２（ａ）と、遠
隔にあるプロセスチャンバ（図示せず）へ励起したガス
を流すための流出端１２（ｂ）とを有している。プラズ
マチューブ１２は、方形の導波路１４の中を貫通する。
導波路１４は、導波路１４の一方の端部につながったマ
イクロ波ジェネレータ（図示せず）からのマイクロ波エ
ネルギーを受容する。プラズマチューブ１２の導波路１
４の中にある部分は、導波路１４へと与えられるマイク
ロ波エネルギーに曝露される。プラズマチューブ１２
は、用いるマイクロ波の放射に対して実質的に透過性を
有する誘電材料製であり、動作中にプラズマチューブ１
２の中に発生するプラズマとマイクロ波の場とを最適に
結合させるように導波路１４の中に配置される。例え
ば、プラズマチューブ１２は、マイクロ波放射の方向を
横切る方向に通じ、導波路内部の電界がプラズマチュー
ブ内部に最大値をもつように配置される。

【００１２】ここに記載される具体例では、プラズマチ
ューブ１２は酸化アルミニウム製、特に単結晶のサファ
イア製である。サファイアチューブは、例えば米国ニュ
ーハンプシャー州ミルフォードの Saphikon 社などから
入手可能である。しかし、プラズマチューブ１２は、プ
ラズマチューブ内のプラズマ励起ガスによって生じる高
温及び高腐食性の環境に耐え得るあらゆる材料を使用可
能である。例えば、他のセラミック材料製あってもよ
く、あるいは、クオーツ製であってもよい。

【００１３】上述の如く、動作中には著しい量の熱が発
生するだろう。プラズマチューブ１２を冷却するため
に、プラズマチューブの外側の周囲で且つプラズマチュ
ーブの導波路内部に配置される部分全体の上方で、スパ
イラル状に巻き付けられる、スパイラル型チューブ又は
コイル１６が具備される。コイル１６の巻きの間にオー
プンスペースを形成するように、コイル１６の巻き同士
が分離される。コイル１６の巻きが相互に分離すること
により、プラズマチューブ１２の中へのマイクロ波が通
過するウィンドウが形成され、このとき、管自身又はそ
の中を通るクーラントによりマイクロ波が著しく吸収さ
れることはない。

【００１４】図１に示されている、配管の相対サイズ、
巻きの数、巻き同士の間隔は、例示が容易となるように
選択したものであり、実際の具体例を代表するものでは
ない。実際の具体例では、配管のサイズ、巻きの数、巻
き同士の間隔は、適切に以下に示すガイドラインに従っ
て選択される。

【００１５】ここに記載される具体例では、コイル１６
はテフロン（ポリ四弗化エチレン樹脂）製であり、この
材料は、プラズマチューブ１２の外側で生じる比較的高
温に対して耐性を有する材料である。無論、動作中にチ
ューブの周りに存在するだろう条件に耐え得る限り、マ
イクロ波を吸収する他の誘電材料や、更には非誘電性の
材料を用いることが可能である。

【００１６】コイル１６の一方の端部にはクーラント供
給ライン２２に接続する流入コネクタ２０が具備され、
コイル１６の他方の端部には流出ライン２６に接続する
流出コネクタ２４が具備される。動作中は、コイル１６
の中をクーラントが循環し、プラズマチューブ１２から
熱を奪い去る。ここに記載される具体例では、クーラン
トはフィルターを通った水である。しかし、他のクーラ
ントを用いてもよい。水を用いる利点は、水道から容易
に入手でき、しかも再循環させる必要がない点である。
従って、水道水を用いることにより、再循環のためクー
ラントから熱を除去する熱交換器を用いる必要をなくす
ことができる。

【００１７】アプリケータ１２は、導波路１４の上側に
取り付けられた、上側の円筒状中空の本体部３０と、導
波路１４の底部に取り付けられた、下側の円筒状中空の
本体部３２とを有している。上側本体部３０と下側本体
部３２は共にメタル製（例えばＡｌ）であり、これら本
体３０、３２の中を通過するプラズマチューブ１２の外
径よりも僅かに大きな内径を有している。上側本体部３
０の上端にはフランジ３０（ａ）が具備され、このフラ
ンジには、遠隔のガスソースからプラズマチューブ１２
内へとガスをつなげるためのアダプタ板３４がボルト留
めされている。

【００１８】アプリケータ１０の下流端には、同様の構
成が配置されている。即ち、下端下側本体部３２にはフ
ランジ３２（ａ）が具備され、このフランジには、プラ
ズマチューブ１２からのプラズマ励起ガスを、処理シス
テム（例えばプラズマ処理システム）に接続するライン
４０へとつなげるための、別のアダプタ板３８がボルト
留めされている。

【００１９】電磁放射は、マイクロ波の範囲にある周波
数（例えば、波長１ｃｍ〜１００ｃｍ）でなされる。こ
こに記載される具体例では、マイクロ波ソースは約２．
５４ＧＨｚで動作する。また、出力ソースは、これより
低いＲＦの範囲にある周波数で動作する。このケースで
あっても、プラズマへ放射を結合させる方法は、ここに
図示され説明されたものから修正しなければならない場
合がある。

【００２０】導波路１４のマイクロ波ソースが結合する
開口と反対の端部には、プランジャ４４によって動かし
出し入れすることができるメタルショート４２が具備さ
れる。メタルショート４２は、プラズマチューブ１２の
中を流れるガスの内部でプラズマを点火させるに適切な
ポジションまで移動して、そのポジションに置かれる。
このポジションは、トライアルアンドエラーにより容易
に見出すことができる。メタルショート４２は、エッチ
レイトを最も高くするための最適なポジション又はその
近傍に配置されるべきであることが見出された。無論、
いわゆる当業者に知られそして用いられ得る、別の設計
及びチューニングの方法もある。例えば、米国特許第
４,８５１,６３０号に記載されるシステムなどである。
本発明は特定の導波路の設計ないしチューニングの技術
に制限されるものではない。

【００２１】前述の如く、コイル１６の巻の間の空間に
より、プラズマチューブ１２の中へのマイクロ波が通過
するウィンドウが形成され、このとき、冷却システムに
よりマイクロ波が著しく吸収されることはない。伝達さ
れる電力に対する冷却効率を最適化するように、巻の間
隔ないしピッチを選択するべきである。この間隔が小さ
過ぎれば、プラズマチューブ内へ伝達されるマイクロ波
エネルギーが著しく減じられるであろう。他方、この間
隔が大きすぎれば、冷却効率が許容できるものではなく
なる。一般に、離れていることによる伝達分は、コイル
の巻きのピッチないし間隔の自乗で上昇する。許容され
る間隔は、λ／５０の範囲であり、λは放射の波長であ
る。

【００２２】クーラント及びおそらくコイル自身（コイ
ルに用いる材料の選択によるが）もマイクロ波を吸収す
るため、コイルを形成する配管の直径が、吸収量を最小
にするように充分小さくすることが重要である。スパイ
ラル型コイルは、熱伝導によりプラズマチューブ１２か
ら熱を奪い去り、冷却効率はコイル配管の直径に比例し
て増加する。他方、コイルにより吸収されるマイクロ波
エネルギーは、コイルの直径に比例して増加する。従っ
て、コイルの直径の増加に伴い、冷却効率のへの寄与分
がプラズマチューブへのマイクロ波伝達の減少により相
殺される分よりも大きくなるような点が存在することに
なるだろう。しかし、チューブが小さすぎれば、加熱さ
れたプラズマチューブを冷却得る能力が弱められるだろ
う。一般に、配管の直径がおよそλ／１００のオーダー
またはそれ以下であれば許容される。

【００２３】ここに記載した具体例では配管形成のため
の材料にプラスチック又はテフロンを用いているが、他
の適切な材料を用いることもでき、これには例えば、銅
などの非誘電マイクロ波吸収材料だけでなく、マイクロ
波を吸収しない誘電材料が含まれる。更に、配管中を循
環するクーラントと加熱されたプラズマチューブの外壁
との間の熱伝導を更に向上させるため、熱セメントを用
いることもできる。

【００２４】サファイアプラズマチューブの壁の厚さ
は、コイル１６の巻と巻の間の間隔により決まる。ここ
に記載される具体例では、コイルの巻と巻の間の間隔が
０．２５インチ（１インチ＝約２５．４ｍｍ）に対し
て、壁の厚さは約０．０６インチよりも大きい。壁の厚
さをこのようにすることにより、壁の長手方向の温度勾
配がコイルで軸方向の温度勾配に確実に適合するように
なり、熱応力を最小にする。

【００２５】コイルを形成する配管の壁の厚さは主に、
コイルの中をポンプ輸送される液体クーラントの圧力に
より決まる。無論、コイルが壊れないようにするために
は、高い圧力に対してより厚い壁が必要である。

【００２６】このプラズマアプリケータは、広範な用途
に用いることができる。例えば、図２に示されるよう
に、プラズマ処理システムの励起ガス種の遠隔のソース
として用いることも可能である。この用途では、外部の
ガスソース１００から、導管１０２を介してプラズマア
プリケータ１０のガス流入ポートへ反応性ガスを供給す
る。次に、プラズマアプリケータ１０内で生成した励起
ガス種は、プラズマアプリケータ１０のガス流出ポート
に接続したライン４０を介してプラズマチャンバ１０４
の中へと供給される。アプリケータの冷却システムの流
入ポートと流出ポートの間に接続されるポンプ１０４及
び熱交換器１０６により、動作中は、クーラントをアプ
リケータ１０内に循環させる。導波路１４へ電力を供給
するマイクロ波ソース１０８は、アプリケータ１０のプ
ラズマチューブ１２の中にプラズマを発生させ、主プラ
ズマチャンバ１０４へガス種を導入する前にこれを励起
するようにする。

【００２７】このようなシステムに典型的に存在するそ
の他の部材には、プラズマチャンバを脱気するための真
空ポンプと、プラズマチャンバ内に第２のプラズマを発
生させるための出力ソース（例えば、ＲＦ電源やＤＣ電
源）とがある。

【００２８】励起された種は、何等かの適切な方法で処
理チャンバ内に輸送される。更に、アプリケータは、基
板処理チャンバに直接設置してもよく、又は、基板処理
チャンバから離して配置してもよく、この場合には、適
切な材料の励起ガス供給ラインが必要となる。励起弗素
の場合のように、励起種の反応性が非常に高い場合は、
ライン４０を形成する材料は、発生する励起種と相互作
用をしない材料、例えばステンレス鋼とする必要があ
る。他の適切な材料には、アルミニウム、セラミックや
一部の弗素ベース材料等が挙げられる。

【００２９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、マイクロ波等のエネルギーをさほど減じずに、ア
プリケータ等を効率良く冷却することができる装置が提
供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体例の１つであるプラズマアプリケ
ータの断面図である。

【図２】図１のプラズマアプリケータを用いた半導体処
理システムの構成図である。

【符号の説明】

１０…液冷式プラズマアプリケータ、１２…プラズマチ
ューブ、１２（ａ）…流入端、１２（ｂ）…流出端、１
４…導波路、１６…スパイラルチューブ、２０…流入コ
ネクタ、２２…クーラント供給ライン、２４…流出コネ
クタ、２６…流出ライン、３０…アプリケータ上側本体
部、３０（ａ）…フランジ、３２…アプリケータ下側本
体部、３２（ａ）…フランジ、３４，３８…アダプタ
板、４０…ライン、４２…メタルショート、４４…プラ
ンジャ、１０２…導管、１０４…プラズマチャンバ、１
０６…熱交換器、１０８…マイクロ波ソース。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力ソースに用いるための液冷式プラズ
   マアプリケータであって、 動作中に出力ソースから電磁放射を受容する導波路と、 前記導波路内を通過し、且つ、前記導波路内の電磁放射
   により自身の中を流れるガスを励起するように配置され
   るプラズマチューブと、 前記プラズマチューブの外側で、且つ、前記プラズマチ
   ューブのうち前記導波路の中に配置されている領域で電
   磁放射に曝露されている領域の上に、スパイラル状に巻
   き付けられるクーラントチューブであって、使用の際に
   は前記プラズマチューブを冷却するためクーラントを前
   記クーラントチューブの中に循環させる、前記クーラン
   トチューブとを備える液冷式プラズマアプリケータ。
2. 【請求項２】 該電磁放射がマイクロ波放射であり、前
   記導波路がマイクロ波導波路である請求項１に記載の液
   冷式プラズマアプリケータ。
3. 【請求項３】 マイクロ波放射ソースを更に備える請求
   項２に記載のプラズマアプリケータ。
4. 【請求項４】 前記マイクロ波放射ソースが、１〜１０
   ０センチメートルの範囲にある波長を有するマイクロ波
   を発生する請求項３に記載の液冷式プラズマアプリケー
   タ。
5. 【請求項５】 該マイクロ波放射の波長がλであり、前
   記クーラントチューブの外径がＤであり、Ｄが約λ／１
   ００未満である請求項２に記載の液冷式プラズマアプリ
   ケータ。
6. 【請求項６】 該マイクロ波放射の波長がλであり、前
   記スパイラル状のチューブが、巻と巻の間の間隔がＳで
   あるコイルをなし、Ｓが約λ／５０よりも大きい請求項
   ２に記載の液冷式プラズマアプリケータ。
7. 【請求項７】 該マイクロ波放射の波長がλであり、前
   記クーラントチューブの外径がＤであり、前記スパイラ
   ル状のチューブが、巻と巻の間の間隔がＳであるコイル
   をなし、ＳがＤよりも大きい請求項２に記載の液冷式プ
   ラズマアプリケータ。
8. 【請求項８】 該マイクロ波放射の波長がλであり、前
   記クーラントチューブの外径がＤであり、前記スパイラ
   ル状のチューブが、巻と巻の間の間隔がＳであるコイル
   をなし、Ｓが２Ｄ（Ｄの２倍）よりも大きい請求項２に
   記載の液冷式プラズマアプリケータ。
9. 【請求項９】 前記クーラントチューブ内を循環させる
   クーラントを受容するための流入コネクタと、前記クー
   ラントチューブを通過した後のクーラントを排出するた
   めの流出コネクタとを更に備える請求項１に記載の液冷
   式プラズマアプリケータ。
10. 【請求項１０】 前記クーラントチューブが前記プラズ
    マチューブの外面と接触する請求項９に記載の液冷式プ
    ラズマアプリケータ。
11. 【請求項１１】 前記プラズマチューブがセラミック製
    である請求項７に記載の液冷式プラズマアプリケータ。
12. 【請求項１２】 前記プラズマチューブが酸化アルミニ
    ウム製である請求項７に記載の液冷式プラズマアプリケ
    ータ。
13. 【請求項１３】 前記プラズマチューブがサファイア製
    である請求項１２に記載の液冷式プラズマアプリケー
    タ。
14. 【請求項１４】 前記クーラントチューブが誘電材料製
    である請求項１３に記載の液冷式プラズマアプリケー
    タ。
15. 【請求項１５】 前記クーラントチューブがテフロンな
    いしポリ四弗化エチレン樹脂製である請求項１４に記載
    の液冷式プラズマアプリケータ。
16. 【請求項１６】 前記プラズマチューブが設置されるア
    プリケータ本体を更に備える請求項２に記載の液冷式プ
    ラズマアプリケータ。
17. 【請求項１７】 前記アプリケータ本体の流入端に設置
    され、前記プラズマアプリケータへガスラインをつなぎ
    前記プラズマチューブ内へガスを流す通路を与える、第
    １のアダプタ板を更に備える請求項１６に記載の液冷式
    プラズマアプリケータ。
18. 【請求項１８】 前記アプリケータ本体の流出端に設置
    され、前記プラズマアプリケータから流出する励起ガス
    を排出するための通路を有する、第２のアダプタ板を更
    に備える請求項１７に記載の液冷式プラズマアプリケー
    タ。