CN105209156A - 环形等离子体减少设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于减少气体的设备。该设备包含环形等离子体腔室，其具有多个进口和一个出口,和至少一个腔室壁。一个或多个磁芯相对于环形等离子体腔室设置。等离子体腔室限定环形等离子体。第二气体进口设置在环形等离子体腔室上，且设置在第一气体进口和气体出口之间并与该气体出口相距距离d,从而第一气体进口和第二气体进口之间的环形等离子体通道体积基本上由惰性气体填充，该距离d基于所需的要减少的气体的停留时间。

Description

环形等离子体减少设备和方法
发明领域
本发明总体涉及加工气体减少(abatement)领域。具体来说，本发明涉及使用环形等离子体减少加工气体的设备和方法。
发明背景
在半导体制程例如蚀刻和化学气相沉积中,可在加工时使用化学反应性气体或在加工时形成化学反应性气体。在释放到大气之前，可处理或减少这些有毒的或以其它方式有害的加工气体。传统地已将多种技术用于减少这种气体。例如,通常通过一起燃烧含卤素的气体与含氢气的燃料来将氟(F)或氯(Cl)转化成氟化氢(HF)或氯化氢(HCl)，来实施热减少过程。在那些示例方法中，随后可在湿的洗涤器中除去所得HF或HCl。
目前减少方法的另一示例是催化热减少。通常通过将含卤素的气体在高温度下暴露于金属氧化物以将卤素转化成盐，来实施催化热减少。另一示例是等离子体减少,其可使用微波等离子体在小于常压下或在常压下进行。
在现有热减少方法中，能量使用效率较低。许多含卤素的化合物可为化学稳定的，需要温度(例如,1000K-2000K)来实现热减少。例如,在减少高度稳定的四氟化碳(CF4)时，可出现这种困难。
在常压下实施的现有热减少方法可需要在等离子体装置的真空泵添加大量吹扫气体来保护泵。结果，将高水平的能量浪费在仅仅加热吹扫气体。
催化热减少方法可实现更高的减少效率,但其不足可为维护成本较高和消耗成本较高。在半导体加工中，含卤素的气体的流动通常是不连续的,在各晶片循环中开启和关闭。因为燃烧器达到操作温度的热时间常数可远远长于晶片循环,所以常常使热减少装置保持连续开启，这显著降低能量效率。
在等离子体减少中,现有技术已显示了高减少效率(例如,大于95％)。等离子体可以各种方式产生，包括DC放电、射频(RF)放电和微波放电。DC放电通过在气体中的两个电极之间施加电势而获得。RF放电通过将来自电源的能量静电地或电感地耦合成等离子体。通常将平行板用于将能量静电地耦合成等离子体。通常将电感线圈用于将电流诱导进入等离子体。通过透过微波-穿透的窗户直接将微波能量结合进入包含气体的放电腔室，来实现微波放电。
现有技术例如电感耦合的等离子体或微波等离子体都可具有有限的操作范围。为了实现高减少效率,通常在等离子体中激发和反应要减少的气体。理想地，使等离子体尽可能多地覆盖气体流动路径，从而气体分子不能在不与等离子体相互作用的情况下绕过等离子体区域。
在减少时,可导致压力增加,例如因对气体流动路径的限制而造成。因为减少装置常常位于加工腔室下游，该加工腔室中使用和/或产生要减少的气体，所以减少装置中的压力上升可直接影响加工腔室中的过程。因此，需要限制在减少时的压力上升。
现有的等离子体减少装置的不足在于受限的气体流量和操作压力范围。它们还可遭受因例如反应性等离子体化学物质和等离子体源中产生的高能离子造成的表面腐蚀。
发明内容
本发明的优势之一在于提供因例如等离子体通道的形状和构造带来的高流动传导的等离子体源，用于减少加工气体(例如,大于500L/s)。另一优势是可调节和优化要减少的加工气体的停留时间。等离子体的气体停留时间对减少效率而言可为至关重要。例如，过短的停留时间可导致气体-等离子体相互作用不足和更低的减少速率,而停留时间过长可导致气体的过热和更低的能量效率。本发明的另一优势在于它的形貌允许结构放大，从而等离子体通道维度可定制以满足多种加工需求和/或促进有效的减少性能。气体进口和出口装配件可放大到例如匹配用户抽吸设备，使得更容易集成进入现有的半导体制造系统。本发明的另一优势是因环形等离子体源中的低电场带来的等离子体腔室表面的低腐蚀。
本发明的另一优势是在减少高度稳定的CF4时，操作时使用高能量效率(例如,对于100-200sccmCF4使用3-6kW),所取得的大于95％的高减少效率。本发明的另一优势是宽的操作压力范围，从0.1托到几十托，且在一些情况下，最高达常压。本发明的另一优势是小于或等于0.1托的低压力降。参数例如减少系统中的高能量效率和低压力降可带来改善的产品寿命，对气体流量变化更快的响应,和更低的减少设备的资金和操作成本。
在一方面中,本发明包含用于减少气体的设备。设备包含等离子体腔室，该等离子体腔室具有接收用于灼烧成等离子体的惰性气体的第一气体进口,接收要减少的气体的第二气体进口,气体出口,和用于包含气体的至少一个腔室壁。相对于环形等离子体腔室设置一个或多个磁芯，从而环形等离子体腔室穿过一个或多个磁芯中的每一个。初级线组耦合到(coupledto)一个或多个磁芯。等离子体腔室限定环形等离子体。环形等离子体沿着延伸穿过等离子体腔室的平面延伸。第二气体进口设置在环形等离子体腔室上，且设置在第一气体进口和气体出口之间并沿着平面与该气体出口相距距离d,从而第一气体进口和第二气体进口之间的环形等离子体通道体积基本上由惰性气体填充。距离d基于所需的要减少的气体的停留时间。
在一些实施方式中,沿着平面的距离d是约2-5英寸。在一些实施方式中,第二气体进口是一系列沿着环形等离子体腔室设置的可选择的气体进口端口。在各种实施方式中,在进入等离子体腔室之前，使要减少的气体与一种或多种反应物气体混合。在一些实施方式中,与要减少的气体混合的一种或多种反应物气体是水蒸汽。
在各种实施方式中,该设备包含传感器，该传感器相对于气体出口设置并构造成监控来自等离子体腔室的排放物(emission)。在各种实施方式中,传感器包含光学和/或红外传感器。
在一些实施方式中,在进入等离子体腔室之前，使要减少的气体与一种或多种反应物气体混合。在一些实施方式中,与要减少的气体混合的一种或多种反应物气体是水蒸汽。在各种实施方式中,通过第二气体进口接收的要减少的气体是氯化合物。在一些实施方式中,通过第二气体进口接收的要减少的气体是全氟化碳化合物。在各种实施方式中,通过第二气体进口接收的全氟化碳化合物包含四氟化碳。
在另一方面中,本发明包含用于在等离子体腔室之内减少加工气体的方法。该方法涉及通过第一气体进口,使用于灼烧成等离子体的第一气体流动进入环形等离子体腔室，该等离子体腔室具有耦合到该等离子体腔室的初级线组和取向的多个磁芯，从而等离子体腔室穿过多个磁芯中的每一个。该方法还涉及沿着延伸穿过等离子体腔室的平面，在等离子体腔室中产生环形等离子体。该方法还涉及沿着等离子体腔室在第一气体进口和气体出口之间沿着平面与气体出口相距距离d设置第二气体进口,该距离d基于所需的要减少的气体的停留时间。该方法还涉及通过第二气体进口,使要减少的气体流动进入等离子体腔室，从而使要减少的气体与环形等离子体反应。
在一些实施方式中,该方法还涉及调节第二气体进口的位置来控制所需的要减少的气体的停留时间。在各种实施方式中,该方法还涉及调节流入等离子体腔室的第一气体的流量，从而环形等离子体通道中的第一气体进口和第二气体进口之间的环形等离子体通道体积基本上由第一气体填充。在一些实施方式中,该方法还涉及在通过第二气体进口流动进入等离子体腔室之前，提供与要减少的气体混合的反应物气体。此外，在各种实施方式中,该方法还涉及通过光学和/或红外传感器监控来自等离子体腔室的排放物，响应来自等离子体腔室的排放物调节反应物气体的流量，从而反应物气体的浓度在与要减少的气体反应所需的水平。在一些实施方式中，该方法还涉及将气体出口结合到后续的处理装置。
在另一方面中,本发明包含用于减少气体的设备。该设备包含等离子体源，该等离子体源具有沿着气体流动路径引导要减少的气体的气体进口,气体出口,和用于包含气体的至少一个腔室壁。该设备还包含沿着延伸穿过等离子体源的平面取向的环形等离子体通道,该环形等离子体通道具有环形等离子体通道进口部分,主要环形等离子体通道部分,和环形等离子体通道出口部分,该环形等离子体通道进口部分和环形等离子体通道出口部分各自的宽度小于主要环形等离子体通道部分的宽度W。相对于环形等离子体源设置一个或多个磁芯，从而环形等离子体通道穿过一个或多个磁芯中的每一个。初级线组耦合到一个或多个磁芯。等离子体源沿着延伸穿过等离子体源的平面产生环形等离子体，且该等离子体源限制在环形等离子体通道中。
在一些实施方式中,气体进口进行取向，从而气体流动路径基本上垂直于延伸穿过等离子体源的平面。在一些实施方式中,主要环形等离子体通道部分的宽度W约等于环形等离子体的横截面直径。
在一些实施方式中,气体进口包含弯曲的部分，该弯曲的部分降低要减少的气体流动进入环形等离子体通道的摩擦和阻力(drag)。此外，在各种实施方式中,气体进口的弯曲的部分是球形钝化的锥。
在一些实施方式中,环形等离子体通道的主直径大于或等于气体进口的直径。在各种实施方式中,气体进口的直径是约1-10英寸。
在一些实施方式中,在进入环形等离子体通道之前，使要减少的气体与一种或多种反应物气体混合。在各种实施方式中,环形等离子体通道包含至少一个金属层，来屏蔽环形等离子体免受静电耦合。在一些实施方式中，沿着环形等离子体通道设置一个或多个介电间隙，来防止诱导的电流在环形等离子体通道中流动。
在另一方面中,本发明包含用于在等离子体源之内减少加工气体的方法。该方法涉及通过气体进口，沿着气体流动路径将要减少的气体引导进入等离子体源，该等离子体源具有耦合到等离子体源的初级线组和设置的多个磁芯，从而环形等离子体通道沿着延伸穿过等离子体源的平面取向并穿过多个磁芯中的每一个。该方法还涉及沿着延伸穿过等离子体源的平面产生环形等离子体，且该等离子体限制在环形等离子体通道中。该方法还涉及设置气体进口，从而气体流动路径基本上垂直于延伸穿过等离子体源的平面。此外，该方法还涉及使要减少的气体流动进入环形等离子体通道，从而使要减少的气体与具有高电子密度的环形等离子体的主体相互作用。
在各种实施方式中,该方法还涉及在使气体进入环形等离子体通道之前，提供一种或多种反应物气体来与要减少的气体混合。在一些实施方式中,该方法涉及沿着环形等离子体通道设置一个或多个介电间隙，来防止诱导的电流在环形等离子体通道中流动。
附图简要说明
本发明上述优势和其他优势能通过参考下述说明结合附图来更好地理解。附图不必按比例绘制，相反通常重点是阐明本发明的原理。
图1示意性地显示根据本发明的示例实施方式的制备活化气体的等离子体源。
图2示意性地显示根据本发明的示例实施方式的等离子体腔室的横截面。
图3示意性地显示根据本发明的示例实施方式的等离子体减少装置。
图4是流程图，其显示根据本发明的示例实施方式的在等离子体腔室之内减少加工气体的方法。
图5a的图片显示根据本发明的示例实施方式的等离子体腔室的气体出口处CF4浓度随时间的变化。
图5b的图片显示根据本发明的示例实施方式的等离子体腔室的气体出口处CF4浓度随时间的变化。
图5c的图片显示根据本发明的示例实施方式的等离子体腔室的气体出口处CF4浓度随时间的变化。
图6的图片显示根据本发明的示例实施方式的CF4毁灭效率相对于等离子体腔室压力的变化。
图7a示意性地显示根据本发明的示例实施方式的等离子体源的横截面。
图7b示意性地显示根据本发明的示例实施方式的等离子体源的横截面。
图8是流程图，其显示根据本发明的示例实施方式的在等离子体源之内减少加工气体的方法。
图9a的图片显示根据本发明的示例实施方式的减少速率相对于压力的变化。
图9b的图片显示根据本发明的示例实施方式的减少速率相对于功率的变化。
图9c的图片显示根据本发明的示例实施方式的减少效率相对于压力的变化。
图9d的图片显示根据本发明的示例实施方式的减少效率相对于功率的变化。
详细描述
图1示意性地显示根据本发明的示例实施方式的制备活化气体的等离子体源。源10包含电力变压器12，其将电磁能耦合(couples)成等离子体14。电力变压器12包含高渗透能力磁芯16,初级线圈18,和包含等离子体14的等离子体腔室20,其使得等离子体14形成变压器12的次级电路。电力变压器12可包含形成额外的次级电路的额外的磁芯和初级线圈(未显示)。
将等离子体腔室20的一个或多个侧面暴露于腔室22，使得由等离子体14产生的带电的颗粒和活化气体直接接触要加工的材料(未显示)。可在加工腔室22中设置样品固定器23，来支撑要加工的材料。要加工的材料可相对于等离子体的电势进行偏压。
供电电压24可为直线供电电压或总线供电电压，其直接到包含一个或多个开关半导体装置的开关电路26。一个或多个开关半导体装置可为开关晶体管。电路可为固态开关电源。开关电路26的输出28可直接结合到变压器12的初级线组18。
如本文所述，环形低场等离子体源10可包含用于产生自由电荷的设备，该自由电荷提供初始的离子化事件，这在等离子体腔室20中灼烧等离子体。还可将惰性气体例如氩气插入等离子体腔室20，以降低灼烧等离子体所需的电压。如本文所述，自由电荷可以多种方式来产生。例如,可通过下述来产生自由电荷：将短的高的电压脉冲施加到等离子体腔室20里面的电极。此外，可通过下述来产生自由电荷：将短的高的电压脉冲直接施加到初级线圈18。可将高的电压信号施加到电极,该电极设置在介电等离子体腔室20外面但电容地结合到等离子体体积,以产生自由电荷来辅助等离子体腔室20中的灼烧。
在另一种实施方式中,使用紫外光源34来产生自由电荷，该自由电荷提供初始的离子化事件，这在等离子体腔室20中灼烧等离子体。紫外(UV)光源34光学地结合到等离子体腔室20。UV光源34可通过光学透明的窗户光学地结合到等离子体通道。取决于等离子体源的工作周期，UV光源34可为连续波(CW)光源或脉冲光源。
环形低场等离子体源10还可包含测量电路36，用于测量初级线组18的电气参数。初级线组18的电气参数包含驱动初级线组18的电流,穿过初级线组18的电压,由供电电压24产生的总线或直线电压,初级线组18中的平均功率,和初级线组18中的最大功率。可连续地监控初级线组的电气参数。
等离子体源10还可包含设备，用于测量等离子体14自身的电气和光学参数。例如,源10可包含电流探头38，其绕着等离子体腔室20设置，以测量在变压器12的次级中流动的等离子体电流。同样地,可测量等离子体次级上的电压,例如通过在磁芯上设置平行于等离子体14的次级线组。或者,可由下述测定施加到等离子体的电气功率：AC直线电压和电流的测量以及来自电气电路中的已知的损失。
等离子体源10还可包含光学检测器40，用于测量等离子体14的光学发射。可连续地监控等离子体14的电气和光学参数。此外,等离子体源10可包含功率控制电路42，功率检测器40,和开关电路26，该功率控制电路42接受来自至少一个电流探头38的数据,然后通过调节初级线组18中的电流，来调节等离子体中的功率。
操作时，将气体加入等离子体腔室20直到达到压力基本上是1毫托(mTorr)-100托(Torr)。在一些实施方式中，将气体加入等离子体腔室20直到达到压力是约0.1毫托-约1000托。气体可包含惰性气体,反应性气体或至少一种惰性气体和至少一种反应性气体的混合物。包含开关半导体装置的开关电路26向初级线组18供应电流，其在等离子体腔室20里面诱导电势。
根据法拉第电磁感应定律，诱导的电势的大小可取决于由磁芯16产生的磁场和开关半导体装置操作的频率。可在腔室20内引发形成等离子体的离子化事件。如本文所述，离子化事件可将电压脉冲施加到初级线组或施加到设置在腔室20中的电极30。或者,离子化事件可为将等离子体腔室20的内侧暴露于紫外辐射。
一旦气体被离子化,就在等离子体腔室20中形成等离子体，这使变压器12的次级电路变完整。环形等离子体腔室20的周长可为10-40英寸。等离子体腔室20的横截面积的形状可从圆形到非圆形(卵形等)变化。在一种实施方式中,取决于操作条件，圆形等离子体腔室20的直径可为约0.5-2.0英寸。改变等离子体腔室20的周长或横截面直径可改变气体流动动力学和等离子体阻抗，并允许将等离子体源优化用于不同的操作范围(即不同的功率水平,压力范围,气体,和气体流量)。
等离子体的电场可基本上为约1-100V/cm。如果等离子体腔室20中只存在惰性气体,等离子体14中的电场可低至1伏特/厘米。然而,如果等离子体腔室20中存在电负性气体,那么等离子体14中的电场显著更高。在一些实施方式中,使用等离子体14中的低电场操作等离子体源10是优选的，因为等离子体14和腔室20之间的低电势差基本上减少由高能离子产生的对腔室20的腐蚀。这基本上减少对被处理的材料的所得污染。在一些实施方式中，无需减少对腔室20的腐蚀。
输送到等离子体的功率可通过反馈回路44来控制，其包含功率控制电路42,用于测量初级线组18的电气参数的测量电路36和包含一个或多个开关半导体装置的开关电路26。此外,反馈回路44可包含电流探头38和光学检测器40。
在一种实施方式中,功率控制电路42使用用于测量初级线组18的电气参数的测量电路36来测量等离子体中的功率。功率控制电路42将所得测量与表示所需操作条件的预定值进行比较，然后调节开关电路26的一个或多个参数来控制输送到等离子体的功率。开关电路26的一个或多个参数包含例如电压和电流幅度,频率,脉冲宽度,和到达一个或多个开关半导体装置的驱动脉冲的相对相位。
在另一种实施方式中,功率控制电路42使用电流探头38或光学检测器40测量等离子体中的功率。然后，功率控制电路42将测量与表示所需操作条件的预定值进行比较，然后调节开关电路26的一个或多个参数来控制输送到等离子体的功率。
在一种实施方式中,等离子体源10可包含保护电路，以确保等离子体源10不被异常的环境条件或异常的使用损坏。可在多个位置监控等离子体源10的温度，以确保有适当量的冷却流体在流动，且不在源中耗散异常高量的功率。例如,可监控开关装置的安装架,等离子体腔室20自身,和磁芯的温度。此外,可监控流经FET装置的电流。如果电流超过预定的值，则可关闭等离子体源10，由此保护开关装置免受可能的损坏。
图2示意性地显示根据本发明的示例实施方式的等离子体腔室的横截面。磁芯102a和102b相对于等离子体腔室101设置,从而等离子体腔室101通过磁芯102a和102b中的每一个。
等离子体腔室101包含腔室壁104,第一气体进口106,第二气体进口110,第三气体进口112和气体出口108。在一些实施方式中,不与等离子体源100一起包含第三气体进口112。在一些实施方式中,可沿着等离子体腔室101设置多于3个气体进口，用于将包含惰性气体、反应性气体和/或要减少的气体的加工气体引入等离子体腔室101。在各种实施方式中,第二气体进口110可由一系列沿着环形等离子体腔室设置的可选择的气体进口端口组成。
等离子体腔室101包含来自第一气体进口106的第一气体流动路径122,来自第二气体进口110的第二气体流动路径126,和来自第三气体进口112的第三气体流动路径128。等离子体腔室101包含来自气体出口108的气体出口流动路径124。
操作时，在等离子体腔室101之内形成的环形等离子体120基本上在平面150上的回路(例如,圆形或卵形)之内流动。如图2所示，平面150沿着x轴和y轴延伸。对本领域普通技术人员显而易见的是，图2中所示的平面150上的边界只是用于说明性目的，且平面150可延伸超出那些边界。
第一气体进口106设置在等离子体腔室101上，从而第一气体流动路径122基本上平行于平面150取向。在一些实施方式中,第一气体流动路径122是取向基本上垂直于平面150。第一气体流动路径122还可相对于平面150以锐角取向。第二气体进口110以离气体出口108的距离d设置在等离子体腔室101上。在一些实施方式中,第二气体流动路径126相对于平面150以锐角取向。在一些实施方式中,第二气体流动路径126取向以在等离子体腔室101中形成螺旋的气体流动，从而增加要减少的气体与等离子体120的相互作用。第三气体进口以离气体出口108的距离d设置在等离子体腔室101上。在一些实施方式中,第三气体流动路径128基本上平行于平面150取向。在一些实施方式中,第三气体流动路径128相对于平面150以锐角取向。在一些实施方式中,第三气体流动路径128取向以在等离子体腔室101中形成螺旋的气体流动，从而增加要减少的气体与等离子体120的相互作用。
气体进口例如第二气体进口110和第三气体进口112的设置可基于所需的反应性等离子体体积和/或要减少的气体的停留时间。所需的反应性等离子体体积和/或停留时间可允许优化气体减少效率和/或能量效率。
操作时,可沿着来自第一气体进口106的第一气体流动路径122，将惰性气体例如氩气插入等离子体腔室101，以灼烧和保持环形等离子体。环形等离子体和环形等离子体电流130在绕着等离子体腔室101的回路中流动。沿着来自第二气体进口110的第二气体流动路径126，将要减少的加工气体插入等离子体腔室101。氯化合物和全氟化碳化合物例如四氟化碳是可通过第二气体进口110插入用于减少的加工气体的示例。可将额外的反应物气体例如氧气,氢气,和水蒸汽与要减少的气体一起通过第二气体进口126和第三气体进口128加入等离子体腔室101。在一些实施方式中,将反应物气体通过沿着等离子体腔室101设置的额外的气体进口加入等离子体腔室101。
在图2所示的环形等离子体源中,等离子体腔室101的周长或等离子体120的长度可基于磁芯102的尺寸。磁芯的尺寸可取决于灼烧和保持等离子体所需的电气电压以及磁性材料的性质。对于减少应用而言,与要减少的气体相互作用所需的等离子体的体积可基于气体激发的速率,等离子体中的化学反应,和/或等离子体中的气体停留时间。过短的停留时间可导致气体-等离子体相互作用不足和/或低减少速率,而停留时间过长可导致气体的过热和低能量效率。在一些实施方式中,所需的等离子体体积小于环形等离子体的全部体积。
在图2所示的示例实施方式中,第一气体进口106和第二气体进口110之间的第一体积132主要用惰性气体填充。第二气体进口126和第三气体进口112之间的第二体积134主要用要减少的气体填充。用惰性气体填充第一体积132可降低第二体积134。与要减少的气体的等离子体阻抗相比，惰性气体可具有更低的等离子体阻抗。因为等离子体电流130沿着环形等离子体120恒定,第一体积132中更低的阻抗可允许将功率结合到待输送到与要减少的气体相互作用的环形等离子体的部分的环形等离子体。通过将输送到环形等离子体的功率聚集到第二体积134,气体减少可更加有效。可使一种或多种反应物气体与要减少的气体混合，然后通过第二气体进口110进入等离子体腔室101。在一些实施方式中,在位于靠近第二体积134的其它端口输送反应物气体。一种或多种反应物气体可改善减少效率。在一些实施方式中,将水蒸汽与要减少的气体混合。
图3示意性地显示根据本发明的示例实施方式的等离子体减少装置300。等离子体减少装置300包含等离子体源302,RF电源304,控制模块306,过程监控传感器308,和反应物气体输送系统310。
等离子体源302可包含等离子体腔室(例如,在图2中如上所述的等离子体腔室101)。
RF电源304可为本技术领域所公知的能输送足够的功率用于等离子体减少加工的任意RF电源(例如,在图1中如上所述的供电电压24)。
可将过程监控传感器308设置和构造成监控从等离子体源302的出口流动的气体排放物。在一些实施方式中,过程监控传感器308是光学传感器,红外传感器,和/或本技术领域所公知的用于监控从等离子体源302流动的气体排放物的任意传感器。
控制模块306可结合到过程监控传感器308和RF电源304,并可为任意微处理器或本技术领域所公知的用于控制和/或监控功率系统的其它控制器。在一些实施方式中,控制模块306还结合到反应物气体输送系统310。反应物气体输送系统310可为本技术领域所公知的将化学品输送到加工腔室的任意反应物气体输送系统或装置。在各种实施方式中,反应物气体输送系统310向等离子体源302提供水蒸汽。
操作时,可通过下述用过程监控传感器308来监控减少过程并用控制模块306来控制：测量减少装置300的输入和输出气体参数,以及等离子体源302和RF电源304的参数。过程监控传感器308可传感和/或测量来自环形等离子体和来自在环形等离子体下游的气体的光学发射。可将测量的排放物光谱与参比光谱进行比较。参比光谱可来自查阅表(look-uptable)和/或之前在标准加工条件下测量并储存在减少装置300中的光谱。例如,查阅表和/或测量光谱可储存在控制模块306中，并用于决定所需的等离子体源302的气体和等离子体条件(例如,强度)。
可通过控制模块306调节化学反应物流进和流出等离子体源302。控制模块308可控制气体流动，从而反应物的浓度是基本上化学计量比地等于或大于与要减少的加工气体反应所需的浓度。还可调节(例如,用控制模块308)RF电源304，从而排出等离子体源302的未反应的气体的浓度可基本上低于预定的水平。可保持功率来实现所需的减少水平,例如可实现导致最大能量效率(例如,3-6kW用于100-200sccm的CF4)的减少水平。对于具有间歇流动的要减少的气体的减少系统而言，监控和控制化学反应物的流动和RF功率可特别重要。在半导体加工中,例如,要减少的气体的流动可遵循各晶片循环，其可为几秒钟到几分钟。当在循环中控制和/或调节功率和/或反应物流动时，可改善减少系统的能量效率。
由反应物气体输送系统310输送的化学反应物可为氧化剂例如氧气,还原剂例如氢气,或两者的组合。在一些实施方式中,通过反应物气体输送系统输送水蒸汽，并用于减少氟化碳化合物例如CF4。这种反应如下所述，其中水蒸汽与CF4混合，且通过等离子体促进反应:
化学反应物还可包含含卤素的气体。加工气体可常常包含用于化学气相沉积的前体，其可包含硅和碳的化合物，并可在减少时转化成卤素化合物。
图4是流程图，其显示根据本发明的示例实施方式的在等离子体腔室之内减少加工气体的方法400。该方法涉及通过第一气体进口(例如,如上图2中所示的第一气体进口106),使用于灼烧等离子体的第一气体流动进入等离子体腔室(例如,如上图2中所示的等离子体腔室101)(步骤410)等离子体腔室具有耦合到等离子体腔室的初级线组和多个取向的磁芯，从而等离子体腔室通过多个磁芯中的每一个。在一些实施方式中,该方法还涉及提供反应物气体来与要减少的气体混合，然后通过第二气体进口(例如,如上图2中所示的第二气体进口110)流动进入等离子体腔室。
该方法还涉及沿着延伸通过等离子体腔室的平面(例如,如上图2中所示的平面150)在等离子体腔室中产生环形等离子体(步骤420)。在一些实施方式中,该方法还涉及调节流动进入等离子体腔室的第一气体的流量，以控制环形等离子体中的功率分布。
该方法还涉及在沿着平面离气体出口距离d处(例如,如上图2中所示的气体出口108)沿着等离子体腔室设置第二气体进口,距离d基于所需的要减少的气体的停留时间(步骤430)。在各种实施方式中,该方法还涉及调节第二气体进口的位置来控制所需的要减少的气体的停留时间。
该方法还涉及通过第二气体进口,使要减少的气体流动进入等离子体腔室，从而使要减少的气体与环形等离子体相互作用(步骤440)。在一些实施方式中,该方法还涉及通过光学和/或红外传感器监控来自等离子体腔室的排放物，响应来自等离子体腔室的排放物调节反应物气体的流量，从而反应物气体的浓度在与要减少的气体反应所需的水平,RF功率亦如此，从而实现足够的减少效率。该方法还可涉及将气体出口结合到后续的处理装置。
图5a,5b,和5c分别是图片501,502,和503,显示根据本发明的示例实施方式的在不同条件下，等离子体腔室气体出口处CF4浓度随时间的变化。
如图5a所示,对于1,000sccm的CF4流量和2,500sccm的H2O流量,在25托下,不使用等离子体时等离子体腔室的气体出口处的CF4浓度是60,740ppm(例如,数据点510)；开启5.1kW下的等离子体时气体出口处的CF4浓度是10,000ppm(例如,数据点520)。
如图5b所示,对于1,000sccm的CF4流量和2,500sccm的H2O流量,在2托下,开启4.1kW下的等离子体时气体出口处的CF4浓度是13,021ppm(例如,数据点530)。对于1,000sccm的CF4流量和2,500sccm的H2O流量,在25托下,气体出口处的CF4浓度是9,791ppm(例如,数据点540)。
如图5c所示,对于500sccm的CF4流量和1,200sccm的H2O流量,在475托下,开启8.3kW下的等离子体时气体出口处的CF4浓度是2ppm(例如,数据点550)。对于500sccm的CF4流量和1,200sccm的H2O流量,在475托下,不使用等离子体时气体出口处的CF4浓度是26,927ppm(例如,数据点560)。
图6的图片600显示根据本发明的示例实施方式的CF4毁灭效率相对于等离子体腔室压力的变化。在500sccm的CF4流量下,腔室压力为25托时CF4毁灭效率是约73％(例如,数据点610)。腔室压力为85托时CF4毁灭效率是约99％(例如,数据点620)。
图7a和7b是根据本发明的示例实施方式的高传导等离子体源700的横截面视图。等离子体源700包含气体进口702,气体出口704,腔室壁708,和环形等离子体通道720。环形等离子体通道720包含环形等离子体通道进口部分722,主要环形等离子体通道部分723,和环形等离子体通道出口部分724。
在环形等离子体通道720中,主要环形等离子体通道部分723凹陷进入腔室壁708，从而环形等离子体通道进口部分722的宽度W1小于主要环形等离子体通道部分723的宽度W。环形等离子体通道出口部分724的宽度W2小于主要环形等离子体通道部分723的宽度W。在一些实施方式中,环形等离子体通道进口部分722的宽度W1基本上等于环形等离子体通道出口部分724的宽度W2。
磁芯710a和710b统称为710,其相对于环形等离子体通道720设置,从而环形等离子体通道720穿过磁芯710中的每一个。初级线组712耦合到磁芯710中的至少一个。
操作时，在等离子体源700之内流动的环形等离子体730基本上在平面750上的回路(例如,圆形或卵形)之内流动。如图7b所示，平面750沿着x轴和z轴延伸,其中z轴从页面向外凸起。对本领域普通技术人员显而易见的是，图7b中所示的平面750上的边界只是用于说明性目的，且平面750可延伸超出那些边界。
等离子体源700包含来自气体进口702的气体流动路径706。气体进口702设置在等离子体源700上，从而气体流动路径706基本上垂直于延伸穿过等离子体源700的平面750取向。在一些实施方式中,相对于气体流动方向的环形等离子体通道720的横截面积约为等离子体通道720的周长和环形等离子体通道的进口部分722的宽度W1的乘积。环形等离子体通道的横截面积可基于所需的气体流动传导和/或减少过程所需的气体-等离子体相互作用时间。在一些实施方式中,环形等离子体通道720的直径D大于或等于气体进口702的直径。在一些实施方式中,相对于气体流动方向的环形等离子体通道720的横截面积大于或等于气体进口702的横截面积。在一些实施方式中,气体进口702的半径是约1-4英寸。
气体进口702包含弯曲的部分760，用于将气体流动706引导进入环形等离子体通道720。可成形弯曲的部分760，以最小化沿着来自气体进口702的气体流动路径706的表皮摩擦和压力阻力。可成形弯曲的部分760，从而可最小化整个等离子体源700之内的压力升高。
弯曲的部分760可使用各种形状。例如,亚音速流动,弯曲的部分760可为椭圆形状的锥,切向葱形穹顶锥,和/或球形钝化锥。在另一实施例中，对于跨音流动，可使用卡门(VonKármán)葱形穹顶锥和/或抛物线锥。
操作时,可沿着来自气体进口702的气体流动路径706，将惰性气体例如氩气插入等离子体源700，以灼烧和保持在环形等离子体通道720之内的回路中流动的环形等离子体730,且大多数的等离子体在主要等离子体通道部分723中。沿着来自气体进口702的气体流动路径706，将要减少的气体引导进入等离子体源700。要减少的气体沿着弯曲的部分760流动，以通过环形等离子体通道进口部分722进入环形等离子体通道720。如上所述，主要环形等离子体通道部分723是凹陷的，从而要减少的气体被引导与具有基本上峰值电子密度(例如,1012cm-3的电子密度)的环形等离子体730的区域相互作用。使更少的气体流动到等离子体的边缘或等离子体-壁边界区域，其中电子密度因为等离子体到壁的损失而降低,因为等离子体的边界仍然在主要环形等离子体通道部分723的凹陷的边缘中。气体通过环形等离子体通道出口部分724排出主要环形等离子体通道部分723。气体可通过气体出口704排出等离子体源700。
主要环形等离子体通道部分723的宽度W可基于环形等离子体730在正常操作条件下的扩散长度。主要环形等离子体通道部分的宽度W可基于在所述操作中使用环形等离子体730填充主要环形等离子体通道部分723时所需的宽度。
主要环形等离子体通道部分723的宽度W还可基于要减少的气体的类型,气体的压力和流量,和/或电子和/或离子在等离子体通道中的扩散长度。
主要环形等离子体通道部分723的宽度W约等于环形等离子体730的自然宽度(例如,不存在壁时的等离子体的宽度)。电子和/或离子在等离子体通道中的扩散长度可随着压力增加而增加，在电负性气体中也可增加。当主要环形等离子体通道部分723的宽度W比环形等离子体730的自然宽度更窄时,因为靠近壁的高的损失速率，等离子体源可不足的。当主要环形等离子体通道部分723的宽度W宽于环形等离子体730的自然宽度时,等离子体可只存在于主要环形等离子体通道部分723的一部分中,使得部分要减少的气体在没有活化和反应的情况下流经环形等离子体通道720，由此降低减少效率。
在一些实施方式中,凹陷的深度(例如,环形等离子体通道进口部分722的宽度W1和主要环形等离子体通道部分723的宽度W之间的差异)约等于环形等离子体730的边界层的厚度。使凹陷的深度约等于边界层的厚度可使大多数的要减少的气体流动经过其中等离子体密度较高的环形等离子体730的区域。例如,对于包含氟化碳和氧气且压力为0.1-0.5托的气体,环形等离子体通道720的宽度W可为30mm,且凹陷的深度可为5mm。对于其它应用，最佳环形等离子体通道720的宽度W可为10mm-50mm,且最佳凹陷的深度可为1mm-20mm。
在一些实施方式中,环形等离子体通道720由金属例如铝制成，其表面被保护涂层覆盖。在一些实施方式中,通过环形等离子体通道720的金属层来屏蔽静电耦合。保护涂层可为一层化学稳定的介电材料例如Y2O3,在铝上的阳极化涂层，通过等离子体电解氧化形成的一氧化物层。可在2-10V/cm的电场下操作电感耦合的、低场环形等离子体730，以消除高能离子和降低离子诱导的腐蚀。在一些实施方式中,沿着环形等离子体通道720的一个或多个介电间隙(例如图7a所示的介电间隙716a和716b)防止诱导的电流沿着环形等离子体通道720流动。可将越过各介电间隙诱导的电压限制到低于100V。
减少效率可取决于气体激发的速率,化学反应,和气体在环形等离子体730的体积之内停留的时间。在环形等离子体通道730之内流动的环形等离子体730可激发、加热或解离要减少的气体并增加气体的化学反应性。环形等离子体730的体积之内的气体停留时间与等离子体体积V成正比，如下所示:
t = V S ≅ πDw 2 S , 其中 S = d V d t 是抽吸速度。
对于等离子体减少而言,气体停留时间t可具有气体化学反应时间的量级。如果停留时间过短,减少效率可受损，因为在环形等离子体730中，气体没有足够的时间来活化和反应。如果停留时间过程,可降低能量效率，因为可在再次加热和再次活化反应的物质时消耗功率。
环形等离子体通道720的周长或主直径D可基于所需的环形等离子体730的体积和/或所需的减少效率。虽然主要环形等离子体通道部分723的宽度W可由环形等离子体730的宽度决定,但没有限制等离子体通道的主直径D。例如,当环形等离子体减少装置用于匹配或超过直径为x的管线的流动传导时,环形等离子体通道720的主直径可通过D>x2/4W来选择,从而沿着气体流动方向，环形等离子体通道的横截面积超过管线的横截面积。此外,可选定环形等离子体通道720的主直径D来实现所需的等离子体中的气体停留时间t,因为环形等离子体通道720的等离子体的体积是约V≈πDw2。
图8是流程图，其显示根据本发明的示例实施方式的在等离子体源之内减少加工气体的方法800。该方法涉及沿着气体流动路径(例如,如上图7a和7b所示的气体流动路径706)，通过气体进口(例如,如上图7a和7b所示的气体进口702)将要减少的气体引导进入等离子体源(例如,如上图7a和7b所示的等离子体源700)。该等离子体源具有耦合到该等离子体源的初级线组和设置的多个磁芯，从而环形等离子体通道沿着延伸穿过等离子体源的平面取向并穿过多个磁芯中的每一个(步骤810)。
该方法还涉及沿着延伸穿过等离子体源的平面产生环形等离子体，且将该等离子体限制在环形等离子体通道(例如,如上图7b所示的环形等离子体通道720)(步骤820)之内。在各种实施方式中,该方法还涉及沿着环形等离子体通道设置一个或多个介电间隙，来防止诱导的电流在环形等离子体通道中流动。
该方法还涉及设置气体进口，从而气体流动路径基本上垂直于延伸穿过等离子体源的平面(例如,如上图7b所示的平面750)(步骤830)。
该方法还涉及使要减少的气体流动进入环形等离子体通道，从而使要减少的气体与具有峰值电子密度的环形等离子体的主体相互作用(步骤840)。在一些实施方式中,该方法还涉及提供一种或多种反应物气体与要减少的气体混合，然后使要减少的气体进入环形等离子体通道。
图9a和9b的图片显示根据本发明的示例实施方式的减少速率相对于压力和功率的变化。等离子体电流的大小一阶地与环形等离子体通道中的等离子体的密度成比例。可通过调节为等离子体源供电的RF电源来控制等离子体电流。更高的等离子体密度增加气体-等离子体反应速率和要减少的气体的减少速率。然而，过量的等离子体电流降低减少过程的能量效率。取决于要减少的气体的类型，优选的减少效率可为80％-100％。
如图9a所示,对于33A的等离子体电流，在CF4流量为100sccm,源压力为约0.5托时，CF4减少效率是约98％(例如,数据点910)。
如图9b所示,对于33A的等离子体电流，在源功率为约4kW时，CF4减少效率是约97％(例如,数据点920)。
图9c和9d的图片显示根据本发明的示例实施方式的减少速率相对于压力和功率的变化。
如图9c所示,对于37.5A的等离子体电流，在CF4流量为200sccm,源压力为约0.4托时，CF4减少效率是约97％(例如,数据点930)。
如图9b所示,对于37.5A的等离子体电流，在源功率为约6kW时，CF4减少效率是约97％(例如,数据点940)。
本发明可用于降低来自微电子制造工艺特别是来自介电蚀刻和CVD车床的PFC排放。本发明可用来减少气体以去除气流中不想要的物质。本发明还可用于在加工腔室里面或上游分解CVD前体，以辅助沉积。本发明可用于化学工厂，以在释放到大气之前减少有害的气体。
虽然参照具体实施方式对本发明进行了具体展示和描述，但本领域技术人员应理解，可在不背离由所附权利要求所限定的本发明精神和范围的情况下对形式和细节作出各种改变。

Claims (29)

1.一种用于减少气体的设备，所述设备包含：
环形等离子体腔室，该等离子体腔室具有接收用于灼烧成等离子体的惰性气体的第一气体进口,接收要减少的气体的第二气体进口,气体出口,和用于包含气体的至少一个腔室壁；
相对于环形等离子体腔室设置的一个或多个磁芯，从而环形等离子体腔室穿过所述一个或多个磁芯中的每一个；和
耦合到所述一个或多个磁芯的初级线组，
该等离子体腔室沿着延伸穿过等离子体腔室的平面限定环形等离子体，
以及，第二气体进口设置在环形等离子体腔室上，且设置在第一气体进口和气体出口之间并沿着所述平面与该气体出口相距距离d,从而第一气体进口和第二气体进口之间的环形等离子体通道体积基本上由惰性气体填充，该距离d基于所需的要减少的气体的停留时间。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该距离d是约2-5英寸。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，第二气体进口是一系列沿着环形等离子体腔室设置的可选择的气体进口端口。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，在进入等离子体腔室之前，使要减少的气体与一种或多种反应物气体混合。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，与要减少的气体混合的一种或多种反应物气体是水蒸汽。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包含传感器，该传感器相对于气体出口设置并构造成监控来自等离子体腔室的排放物。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述传感器包含光学和/或红外传感器。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，通过第二气体进口接收的要减少的气体是氯化合物。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，通过第二气体进口接收的要减少的气体是全氟化碳化合物。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，通过第二气体进口接收的全氟化碳化合物包含四氟化碳。
11.一种用于在等离子源中减少加工气体的方法，所述方法包含：
通过第一气体进口,使用于灼烧成等离子体的第一气体流动进入环形等离子体腔室，该等离子体腔室具有耦合到该等离子体腔室的初级线组和取向的多个磁芯，从而等离子体腔室穿过所述多个磁芯中的每一个；
在等离子体腔室中，沿着延伸穿过等离子体腔室的平面产生环形等离子体；
沿着等离子体腔室在第一气体进口和气体出口之间沿着所述平面与气体出口相距距离d处设置第二气体进口,该距离d基于所需的要减少的气体的停留时间；和
通过第二气体进口,使要减少的气体流动进入等离子体腔室，从而使要减少的气体与环形等离子体反应。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含调节第二气体进口的位置来控制所需的要减少的气体的停留时间。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含调节流入等离子体腔室的第一气体的流量，从而环形等离子体通道中的第一气体进口和第二气体进口之间的环形等离子体通道体积基本上由第一气体填充。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含在通过第二气体进口流动进入等离子体腔室之前，提供与要减少的气体混合的反应物气体。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含通过光学和/或红外传感器监控来自等离子体腔室的排放物，响应来自等离子体腔室的排放物调节反应物气体的流量，从而反应物气体的浓度是与要减少的气体反应所需的水平。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含将气体出口结合到后续的处理装置。
17.一种用于减少气体的设备，所述设备包含：
等离子体源，该等离子体源具有沿着气体流动路径引导要减少的气体的气体进口、气体出口和用于包含气体的至少一个腔室壁；
沿着延伸穿过等离子体源的平面取向的环形等离子体通道,该环形等离子体通道具有环形等离子体通道进口部分,主要环形等离子体通道部分,和环形等离子体通道出口部分,该环形等离子体通道进口部分和环形等离子体通道出口部分各自的宽度小于主要环形等离子体通道部分的宽度W；
相对于环形等离子体通道设置的一个或多个磁芯，从而环形等离子体通道穿过所述一个或多个磁芯中的每一个；和
耦合到所述一个或多个磁芯的初级线组，
该等离子体源沿着延伸穿过等离子体源的平面产生环形等离子体，且该等离子体源限制在环形等离子体通道中。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，该气体进口进行取向，从而气体流动路径基本上垂直于延伸穿过等离子体源的平面。
19.如权利要求17所述的设备，其特征在于，主要环形等离子体通道部分的宽度W约等于环形等离子体的横截面半径。
20.如权利要求17所述的设备，其特征在于，该气体进口包含弯曲的部分，该弯曲的部分降低要减少的气体流动进入环形等离子体通道的摩擦和阻力。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，该气体进口的弯曲的部分是球形钝化的锥。
22.如权利要求17所述的设备，其特征在于，环形等离子体通道的主直径大于或等于气体进口的直径。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于，该气体进口的直径是约1-10英寸。
24.如权利要求17所述的设备，其特征在于，在进入环形等离子体通道之前，使要减少的气体与一种或多种反应物气体混合。
25.如权利要求17所述的设备，其特征在于，环形等离子体通道包含至少一个金属层，来屏蔽环形等离子体免受静电耦合。
26.如权利要求17所述的设备，其特征在于，沿着环形等离子体通道设置一个或多个介电间隙，来防止诱导的电流在环形等离子体通道中流动。
27.一种用于在等离子体源中减少加工气体的方法，所述方法包含：
通过气体进口，沿着气体流动路径将要减少的气体引导进入等离子体源，该等离子体源具有耦合到等离子体源的初级线组和设置的多个磁芯，从而环形等离子体通道沿着延伸穿过等离子体源的平面取向并穿过所述多个磁芯中的每一个；
沿着延伸穿过等离子体源的平面产生环形等离子体，且该等离子体限制在环形等离子体通道中；
设置气体进口，从而气体流动路径基本上垂直于延伸穿过等离子体源的平面；和
使要减少的气体流动进入环形等离子体通道，从而使要减少的气体与具有峰值电子密度的环形等离子体的主体相互作用。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包含在使要减少的气体进入环形等离子体通道之前，提供一种或多种反应物气体来与要减少的气体混合。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包含沿着环形等离子体通道设置一个或多个介电间隙，来防止诱导的电流在环形等离子体通道中流动。
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