CN1781345A - 用于形成等离子体的设备和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于处理来自半导体制造加工工具的排出气体流的设备。所述设备包括用于由惰性可电离气体产生辉光放电的等离子体喷枪。所述气体流被输送至所述辉光放电处以使等离子体点火。电磁辐射源将电磁辐射供应至所述排出气体流以维持所述等离子体。所述设备特别适于处理所述排出气体流中的全氟化合物和氢氟碳化合物。

Description

用于形成等离子体的设备和方法

本发明涉及等离子体源。更具体而言，本发明提供了在等离子体减量(abatement)系统中有用的实施方式，尽管本发明并不限于这些系统。

稳定等离子体的存在需要一定的物理条件。然而，即便是存在那些条件，等离子体也可不自发点火。该现象的实例是众所周知的，例如，空气弧焊机需要“射频启动”。另一种已公知的等离子体点火技术包括使用特斯拉线圈感应“电火花”点火器。然而，那两种技术均包括在等离子体反应腔中使用金属部件，这可能是不利的。在微波泵送系统的情况下，发现这种金属部件使等离子体“接地”且导致其不稳定。

其它用以使等离子体点火的已公知方法包括降低气体压力，等离子体由所述气体形成，和引入比主等离子体气体更易离子化的氩、氦或一种或多种其它气体。

提供微波等离子体中的可靠点火是特别重要的。在形成这种等离子体的过程中，微波通常由磁控管提供且沿波导管被传输至等离子体，其能量通常在驻波装置中被等离子体吸收。然而，如果等离子体未点火(即如果没有等离子体而仅有气体的话)，那么很少能量被吸收且在驻波装置中，相当大量的入射能量被反射回磁控管，这可严重缩短其寿命。可通过在微波传递线路中包括单向循环器或“阀”而减少这种背反射，但是这种布置增加了装置成本。因此希望存在一种使微波等离子体可靠点火的方法。

等离子体减量已成为一种广泛使用的从制造工艺中去除废气的方法，且特别应用于全卤化合物尤其是全氟化合物(PFCs)的降解中。

全氟化合物通常用于半导体制造工业中，例如用于介电膜蚀刻工艺中，且在制造工艺之后通常在排出气体中存在残余全氟化合物内容物。全氟化合物难以从排出物中除去。将它们释放进入环境内是所不希望的，这是因为它们已公知具有相对较高的温室活性。以前已使用了多种减量方法，例如燃烧、反应吸附和催化氧化。减量的目的是将全氟化合物转化成一种或多种可更便于例如通过常规洗涤被除掉的化合物。

等离子体减量技术已证明是将全氟化合物降解成损害性更小的物质的有效方法。在等离子体减量工艺中，使包含要驱除物质的排出气体流入高密度等离子体内，且在等离子体内的强化条件下，全氟化合物受到高能电子撞击，导致其分解成活性物质，所述活性物质可与氧气或氢气相结合以产生相对稳定的低分子重量副产物，例如CO、CO₂和HF，所述副产物随后可在进一步处理步骤中被除去。

在在先已公知的等离子体减量技术的一种形式中，等离子体是微波等离子体。还已公知使用射频等离子体。

英国专利说明书GB 2273027A中描述了适用于微波等离子体减量的装置的一种形式。在该装置中，在处于紧密相对关系的两个电极之间产生了微波等离子体。GB 2273027A中所示的装置是自启动的。GB2273027A中的装置受到反应产物对电极较高程度的腐蚀。

US2002/0101162中描述了一种通过来自特斯拉线圈的电火花点火的微波等离子体发生器。

根据本发明，提供了一种用于形成等离子体以处理气体的设备，包括用于由不同于要受到等离子体处理的气体的流体产生离子化流体流以使等离子体点火的装置，和被布置以维持等离子体的结构。

发明人已证实，离子化流体流的提供例如辉光放电源允许等离子体的有效点火，其中等离子体维持结构中的电场条件使得等离子体不能启动或不能可靠地自启动。

所述设备可被包括在等离子体减量系统中。因此，本发明还提供了用于处理来自半导体制造加工工具的排出气体流的设备，所述设备包括用于由不同于排出气体流的流体产生离子化流体流的装置、用于将排出气体流输送至离子化流体流以使等离子体点火的装置和用于将电磁辐射施加到排出气体流中以维持等离子体的装置。

正如上面提到的，等离子体维持结构可被布置以利用电磁辐射维持等离子体。因此，等离子体维持结构可包括电磁辐射源或其可适于连接到电磁辐射源上。电磁辐射可以是微波或射频辐射；微波和射频等离子体在等离子体减量系统中有具体用处，如上所述。辐射例如可具有约580kHz、13.56MHz、27MHz、915MHz或2.45GHz的频率(现有技术装置在那些频率附近进行操作)。等离子体维持结构可包括在电磁辐射频率下产生谐振的腔体。利用谐振腔可致使形成电磁驻波，所述电磁驻波提供了电磁场强度的局部增强，尤其是在驻波的一个或多个波腹附近。

等离子体维持结构可包括可连接至要受到等离子体处理的气体流的腔体。

等离子体维持结构可包括至少一个等离子体局限电极。通过将等离子体局限于等离子体维持结构中相对有限的区域内，可获得使得能够更易于实现等离子体的点火和维持的压力降。等离子体定位电极可为前尖的；前尖的电极增强了其附近的电场。等离子体局限电极可被布置在电磁驻波波腹处或附近。等离子体维持结构可包括两个等离子体局限电极。

正如上面提到的，在某些已公知等离子体反应器中，例如GB2273027A中描述的等离子体反应器中，等离子体被局限在相对电极之间。等离子体依靠电极之间的电场被维持，所述电极包括可归因于入射电磁波的部件和可归因于等离子体的部件。在前面已公知的布置中，使电极紧密相对，例如隔开0.1至0.5mm被认为是有利的。现在已经发现可通过增加电极之间的间距增强等离子体稳定性且减少等离子体反应的腐蚀性副产物对电极的侵蚀。因此，例如在一些实施方式中，局限电极的等离子体可包括彼此相对且彼此隔开至少1mm，例如间距在2mm和8mm之间的第一和第二电极。

增加电极之间间距的结果是，对于给定外加功率，电极之间的场强度减小。结果是，等离子体可靠初始形成的条件可不再存在。

前面提到的设备提供了在可有利于等离子体稳定性且减少腐蚀同时仍然提供等离子体的有效点火的条件下进行操作的可能性，所述操作在那些操作条件下要不然不可实现或不可靠地实现。另一个优点在于，通过消除对紧密间隔电极的需要，可提供更大的源，其能够处理更高的气体流速。

等离子体局限电极可电接地。等离子体和入射电磁辐射可因此处于与等离子体局限电极显著不同的电位下。

等离子体维持结构可被布置以在等离子体形成过程中大体上处于大气压力下。当不需要保持等离子体维持结构处于不同于大气的压力下时，可大大简化所述设备。

正如前面提到的，离子化的流体流优选为辉光放电。众所周知，辉光放电是发光的热等离子体。其通过将大于气体击穿电压的电压施加到该气体上而得以形成。一旦已经实现辉光放电，维持其所需的电压通常低于击穿电压。辉光放电源可包括用于形成辉光放电的辉光放电电极。辉光放电源可包括或适于连接到辉光放电气体(即其中形成辉光放电的气体)源上。辉光放电气体可以是氮气或稀有气体或任何其它大体上惰性和可电离的气体。用于形成等离子体的气体例如可包括来自制造工艺的废气。

辉光放电电极可以是细长的。

辉光放电源可包括用于提供足够高以启动辉光放电的电压的电路和用于提供足够大的电流以维持辉光放电优选至少0.1秒的电路。辉光放电源可被布置以使得等离子体被点火后停止产生辉光放电；因此辉光放电源例如可被布置以产生达10秒或例如达5秒，例如1至5秒的辉光放电。

辉光放电电极可被布置以向等离子体维持结构放电，所述等离子体维持结构可电接地。

辉光放电电极可如此进行布置以使得在使用中其处于等离子体维持结构上游的辉光放电气体流中，从而使得辉光放电可通过辉光放电气体被输运进入等离子体维持结构内。这种布置的具体优点在于辉光放电电极可因此被布置远离很热且具有潜在反应性的设备区域。电极的寿命可通过使其离开这种区域而得到显著延长。

辉光放电源可包括大体上圆柱形状的腔体，所述腔体包括被布置以将辉光放电气体大体上切向地引入腔体内的入口。

如上所述，优选通过辉光放电使等离子体点火。然而，任何适当的离子化流体流可用以使等离子体点火。在一些实施方式中，可能通过放电而不是辉光放电，例如通过电晕放电或电弧放电产生离子化气体流。至少一些与基于辉光放电的设备相关的上述特征还可适用于利用另一种适当的离子化气体流的系统。

本发明还提供了一种形成等离子体以处理气体的方法，所述方法包括由不同于要受到等离子体处理的气体的流体产生离子化流体流以使等离子体点火，和供应电磁辐射以维持等离子体。

所述方法可包括在第一位置产生离子化流体流和将所述流输运至第二位置，在所述位置处其使等离子体点火。等离子体优选在腔体中产生，所述腔体在电磁辐射频率下产生谐振。等离子体优选大体上在大气压力下形成。流体优选具有不同于要受到等离子体处理的气体的组分。离子化流体流优选为辉光放电。

本发明进一步提供了一种处理来自半导体制造加工工具的排出气体流的方法，所述方法包括以下步骤：由不同于排出气体流的流体产生离子化流体流、将所述离子化流体流施加到排出气体流中以使等离子体点火以及向排出气体流供应电磁辐射以维持等离子体。

排出流体流可包括全氟化合物或氢氟碳化合物，例如CF₄、C₂F₆、CHF₃、C₃F₈、C₄F₈、NF₃和SF₆中的一种。

下面将仅通过实例并结合附图对本发明的示例实施方式进行详细描述，其中：

图1是根据本发明的包括微波等离子体反应器的减量系统的流程图；

图2是图1所示反应器的垂直剖面图；

图3是图2所示的反应器内所包括的辉光放电点火电极组件的垂直剖面图；和

图4是将与图2所示的反应器的点火电极一起使用的电路的电路图。

参见图1，减量系统包括微波等离子体反应器1，所述微波等离子体反应器通过波导管3与微波供应装置2相连，并且与电源4相连。包括含有全氟化碳的废气且选择性含有附加惰性气体的要进行处理的气体被供应至反应器1，如箭头A所示。包括分解产物的处理气体离开反应器1，如箭头B所示，且随后例如通过涤气进行处理。

参见图2，反应器1具有传导壳体5，在其内部设置有由微波可透过的材料制成的圆柱形壁部(图中未示出)且限定出腔体6.传导壳体5被连接到波导管3上(图2中未示出)，且具有底壁7，其中存在与处理气体的出口管道9连通的孔8。第一等离子体局限电极10被容纳在孔8中，所述第一等离子体局限电极包括管形构件，其上端具有传导凸缘11，所述传导凸缘使电极10位于底壁7中的凹部内。电极10通过螺母12被紧固在适当位置，所述螺母可螺合到电极10的下端上。

壳体5的上部由封闭装置13封闭，所述封闭装置限定出其中容纳有圆柱形壳体18的中心孔14。第二等离子体局限电极16被容纳在壳体18的端部17中且与电极16共轴地布置。电极组件16是中空圆柱体，其与电极10相对进行布置，电极10和16构成了一对等离子体局限电极。

辉光放电电极组件15的凸缘24与壳体18紧密配合，以使得辉光放电电极组件15被置于壳体18上。组件15、壳体18和电极16限定出第二腔体19，其通过电极16与腔体6连通。等离子体点火辉光放电电极20被同心布置在壳体18内，所述电极以具有指向电极16和10但与其隔开的尖端21的高压电极的形式存在。点火电极形成离子化流体流，所述离子化流体流在本实施方式中以辉光放电形式存在。在腔体19上部区域中的是辉光放电气体流的入口22。入口22被布置与腔体19相切以促进在电极20周围形成通常向下朝向电极16的螺旋流路。电极组件15通过连接器23被连接到电源上。

图3中更详细地示出了组件15，其中所述组件包括壳体27。壳体27是圆柱形壁部，其下端具有孔。在图2的布置中，壳体27被壳体18所代替，所述壳体18形成了部分等离子体反应器且包括反应器电极16，电极20向所述反应器电极放电。在本发明的其它实施方式中，组件15被插入现有技术反应器或其它等离子体维持结构中。在这些情况下，壳体27可需要引导放电气体流或提供表面，电极20可向所述表面放电。

在图2所示反应器的正常使用中，要进行处理的气体通过入口(未示出)被泵送入腔体6内、在电极10和16之间通过并且通过出口管道9离开腔体6。

微波频率的电磁辐射通过波导管从磁控管输入腔体6内，所述波导管在第一侧上与腔体6邻接。在腔体6的相对侧上，波导的延续部分包括活动端板，其被调节以导致入射微波形成驻波。该板受到调节以使得驻波形成具有电极10和16处的波腹。这种向腔体输送微波的方法在本领域中是众所周知的。

电极10、16电接地。它们相互间隔开5mm。在正常使用中，电极10、16用以局限或限制由要进行处理的气体形成的等离子体。由于等离子体被局限在微波驻波的波腹处，因此功率有效地从微波场耦接入等离子体内。

在以20升/分钟流动的氮气(包含用于进行加工的四氟化碳)中形成稳定的等离子体需要1kW至2kW的微波功率。然而，电极10、16的间距对于气体而言太大以至于不能仅通过入射微波功率点火形成等离子体。辉光放电源15用作等离子体焰炬，提供了辉光放电以使等离子体点火，如下所述。一旦被点火，等离子体由壳体5中且具体而言电极10、16附近的电磁条件所维持。

惰性可电离气体(在本实例中为氮气)流动通过组件15的入口22并进入腔体19内。如下所述，在该气体中形成辉光放电。

低压大电流源(在本实例中为图4所示的电容器64)被永久连接到电极20上。然而，当不存在接地传导路径时，无显著电流从该源中流出。在等离子体点火过程中，高压被暂时施加到电极20上。高压导致产生从电极20的端部21朝向近侧部分电极16通过氮气的电晕放电。该电晕放电提供了路径，通过所述路径来自低压源的大电流可流至地面。大电流的流动导致在氮气中形成辉光放电。

气体流导致因此形成的辉光放电从腔体19通过电极16移动进入腔体6内。从源2中接收的微波(如箭头C所示)能够与辉光放电有效耦接且等离子体通常在小于1秒的时间内点火，导致产生稳定的微波等离子体，在电极20的电源断开后(通常在约3秒后)，所述微波等离子体可由微波源以及电极10和16保持。

我们已经发现为使等离子体点火，辉光放电的瞬间功率应与维持等离子体需要的功率相似，即对于腔体6中氮气20升/分钟的流速而言所述功率在1kW至2kW范围内。

因此，微波等离子体由电磁场维持的气体放电产生；其维持条件由带电微粒性质和能量损耗机制所决定。

图4示出了用于将高压和低压直流电流供应至电极20的适当的电容器放电电路。

高压(5kV)变压器50被连接到包括电极20和电极16的点火器70上。通过半波整流二极管51将所述变压器连接到电极20上。当对于通过电极20放电而言电流处于错误方向时，二极管52提供了在变压器50的部分交流循环期间电流放电的路线。

低压(240V)变压器60还被连接到点火器70上。变压器60被连接至全波整流电桥61以及330Ω的电阻器62和4.7KΩ的电阻器63。电阻器63与10000μF的电容器64并联且通过一列二极管65被连接到电极20上，所述二极管65分别与保护性330Ω电阻器66相关联。330Ω电阻器62在电容器64充电期间限制电流从变压器60和电桥整流器61中引出。4.7KΩ电阻器63对于电容器64是微电流放电。电阻器63、电容器64和二极管52被分别连接至变压器50的0V端子和点火器70的电极16，它们都进行了接地。

在点火前，大量电荷累积在电容器64上，这是因为其由于电极20和16未连接而不能通过点火器70放电。在点火期间，高压变压器向电极20提供了5kV半波整流交流电压。所述5kV电压导致从电极20向电极16的低电流电晕放电，正如上面讨论地。电晕放电提供了电极20和电极16之间的传导路径。一旦通过高压放电形成该路径，那么低压电容器64能够利用相同路径向地面放电。大电流随后从电容器64流出且在要进行处理的气体中形成辉光放电。

在该实例中，等离子体在约90％的时间里存在，而点火每隔数天发生。然而，提供可靠启动机制使得等离子体频繁得多地，例如每小时一次地点火的布置是可能的。

总之，对用于处理来自半导体制造加工工具的排出气体流的设备进行了描述。所述设备包括用于由惰性可电离气体产生辉光放电的等离子体喷枪。气体流被输送至辉光放电以使等离子体点火。电磁辐射源将电磁辐射施加到排出气体流中以维持等离子体。所述设备特别适于处理排出气体流中的全氟化合物和氢氟碳化合物。

尽管在此描述的实例实施方式涉及等离子体减量反应器1，但应该设想到例如辉光放电电极组件15(图3)等元件可被用以提供辉光放电以使具有等离子体维持结构，例如限定出腔体6的结构的其它系统中的等离子体点火，所述组件可被插入所述等离子体维持结构中且放电。另一种可选方式是，辅助等离子体源可更紧密地集成在被布置以维持主要等离子体的结构内，而不是作为分离的可插入单元。

如上所述，优选通过辉光放电使等离子体点火。然而，可使用任何适当的离子化流体流以使等离子体点火。例如，可能通过放电而不是辉光放电，例如通过电晕放电或电弧放电产生该离子化气体流。至少一些与基于辉光放电的设备相关的上述特征还可适用于利用另一种适当的离子化气体流的系统中。

Claims (37)

1、一种用于形成等离子体以处理气体的设备，包括用于由不同于要受到等离子体处理的气体的流体产生离子化流体流以使等离子体点火的装置，和被布置以维持等离子体的结构。

2、根据权利要求1所述的设备，其中所述等离子体维持结构被布置以利用电磁辐射维持所述等离子体。

3、根据权利要求2所述的设备，其中所述等离子体维持结构包括电磁辐射源。

4、根据权利要求2所述的设备，其中所述等离子体维持结构适于与所述电磁辐射源相连接。

5、根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其中所述电磁辐射是微波或射频辐射。

6、根据权利要求2至5中任一项所述的设备，其中所述等离子体维持结构包括在所述电磁辐射的频率下产生谐振的腔体。

7、根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述等离子体维持结构包括可连接至要受到所述等离子体处理的所述气体流的腔体。

8、根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述等离子体维持结构包括至少一个等离子体局限电极。

9、根据权利要求8所述的设备，其中所述等离子体局限电极被布置在电磁驻波的波腹处或附近。

10、根据权利要求8或权利要求9所述的设备，其中所述等离子体维持结构包括两个等离子体局限电极。

11、根据权利要求10所述的设备，其中所述等离子体局限电极包括彼此相对且彼此间隔至少1mm间距的第一和第二电极。

12、根据权利要求11所述的设备，其中所述间距在2至8mm之间。

13、根据权利要求8至12中任一项所述的设备，其中所述至少一个等离子体局限电极处于电接地状态。

14、根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述等离子体维持结构被布置以在等离子体形成期间大体上处于大气压力下。

15、根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述流体具有不同于要受到所述等离子体处理的所述气体的组分。

16、根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述用于产生所述离子化流体流的装置包括用于产生辉光放电的装置。

17、根据权利要求16所述的设备，其中所述用于产生辉光放电的装置包括用于形成所述辉光放电的辉光放电电极，且包括或适于连接至所述辉光放电气体源。

18、根据权利要求17所述的设备，其中所述辉光放电电极是细长的。

19、根据权利要求17或权利要求18所述的设备，其中所述辉光放电电极被布置以向所述等离子体维持结构放电。

20、根据权利要求17至19中任一项所述的设备，其中所述辉光放电电极如此进行布置以使得在使用中其处于所述等离子体维持结构上游的所述辉光放电气体流中，从而使得所述辉光放电被所述辉光放电气体输运进入所述等离子体维持结构内。

21、根据权利要求16至20中任一项所述的设备，其中所述用于产生所述辉光放电的装置包括用于提供足够高以启动辉光放电的电压的电路和用于提供足够大的电流以维持所述辉光放电至少0.1秒的电路。

22、根据权利要求21所述的设备，其中所述用于产生所述辉光放电的装置被布置以使得在所述等离子体点火后停止产生所述辉光放电。

23、根据权利要求21或权利要求22所述的设备，其中所述用于产生所述辉光放电的装置被布置以产生达10秒的辉光放电。

24、根据权利要求23所述的设备，其中所述用于产生辉光放电的装置被布置以产生达5秒的辉光放电。

25、根据权利要求24所述的设备，其中所述用于产生辉光放电的装置被布置以产生1至5秒的辉光放电。

26、根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述用于产生离子化流体流的装置包括大体上呈圆柱形状的腔体，所述腔体包括被布置以大体上切向地将所述离子化流体流引入所述腔体内的入口。

27、用于处理来自半导体制造加工工具的排出气体流的设备，所述设备包括用于由不同于所述排出气体流的流体产生离子化流体流的装置、将所述排出气体流输送至所述离子化流体流以使等离子体点火的装置和用于将电磁辐射施加到所述排出气体流中以维持所述等离子体的装置。

28、一种形成等离子体以处理气体的方法，包括由不同于要受到所述等离子体处理的所述气体的流体产生离子化流体流以使所述等离子体点火，并且供应电磁辐射以维持所述等离子体。

29、根据权利要求28所述的方法，包括在第一位置产生所述离子化流体流并且将所述离子化流体流输运至第二位置，在所述位置处其使所述等离子体点火。

30、根据权利要求28或权利要求29所述的方法，其中所述电磁辐射是微波或射频辐射。

31、根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其中所述等离子体在腔体中产生，所述腔体在所述电磁辐射的频率下产生谐振。

32、根据权利要求28至31中任一项所述的方法，其中所述等离子体大体上在大气压力下形成。

33、根据权利要求28至32中任一项所述的方法，其中所述流体具有不同于要受到所述等离子体处理的所述气体的组分。

34、根据权利要求28至33中任一项所述的方法，其中所述离子化流体流为辉光放电。

35、一种处理来自半导体制造加工工具的排出气体流的方法，所述方法包括以下步骤：由不同于所述排出气体流的流体产生离子化流体流、将所述离子化流体流施加到所述排出气体流中以使所述等离子体点火以及将电磁辐射供应至所述排出气体流以维持所述等离子体。

36、根据权利要求35所述的方法，其中所述排出流体流包括全氟化合物或氢氟碳化合物。

37、根据权利要求36所述的方法，其中所述化合物包括CF₄、C₂F₆、CHF₃、C₃F₈、C₄F₈、NF₃和SF₆中的一种。

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