JP2009291784A - マイクロ波プラズマの誘起（ｉｎｉｔｉａｔｉｎｇ）方法及びこの方法を使用して化学分子を選択的に分解するためのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】流体混合物、例えばガス混合物を、プラズマを用いて処理するためのプラズマ処理システムを始動させる方法の提供。
【解決手段】マイクロ波電源と、この結合手段内にある絶縁管１６を通って流れる流体混合物特にはガス混合物とを結合させる手段を具備し、結合手段はマイクロ波エネルギーの一部を流体混合物へと伝播させてそこにプラズマを発生させ、それにより流体分子の化学結合を破断させることを可能とし、まずアルゴンが管内へと注入され、次に高圧放電がアルゴンの注入の導入位置の近傍に位置した電極23を使用して放電を点火させるのに十分なマイクロ波出力によって発生させられ、次にアルゴンがプラズマ放電を維持するように処理されるべき流体混合物の注入で徐々に置換される。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体混合物、例えばガス混合物を、プラズマを用いて処理するためのプラズマ処理システムを始動させる方法であって、このシステムは、結合手段であって、マイクロ波エネルギーの一部を流体混合物へと伝播させて、そこにプラズマを発生させ、それにより、流体分子の少なくとも或る化学結合を破断させることを可能とする、マイクロ波電源とこの結合手段内にある絶縁管を通って流れる流体混合物、特にはガス混合物とを結合させる結合手段を具備している方法に関する。また、本発明は、この始動方法を使用して、化学分子を選択的に分解するためのシステムにも関する。

集積回路の製作の間、半導体素子及びそれらの相互接続を作るための多くの工程は、イオン注入器又はエッチング反応器又は物理蒸着若しくは化学蒸着（ＰＶＤ又はＣＶＤ）の反応器において使用される気体状態の物質を利用する。これら物質の一部は、「温室効果」ガスと呼ばれるガス、即ち、大気中に存在すると気候の全体的な温度上昇の一因となるガス、とりわけ或るフッ素化誘導体、特にはＰＦＣ（パーフルオロカーボン）ガス若しくはＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）ガスとして知られているガスか、又は、生命若しくは健康を直接危険に曝す或る流体及び特には或る大気汚染ガス、より詳細には、毒性、腐食性、引火性、自燃性及び／又は爆発性である流体及び大気汚染ガスであり得る。

一般的に言うと、半導体の製作において、全ての所謂堆積「前駆体」ガス及び全てのエッチング用ガス、反応器の洗浄用ガスなどは、反応器の出口において、混合物の形態で回収され、これら排出物は処理されねばならない。

プラズマ若しくはＬＣＤフラットスクリーンの製造又は光起電力セルの製造などの他の用途では、ガス及び或る数のガス状の前駆体、又は、最初に液体若しくは固体の状態にある場合は蒸気の形態で配送されるガスが使用される。

空気ガスの分離、又は、空気ガス分離プラント内のアルゴン塔の蒸留残留物から生じるか若しくは地中堆積物から発生する混合物より直接抽出されるクリプトン若しくはキセノンなどのガスの精製などの他の用途において、得られるガスは、例えば、精製されるべきガスからできる限り十分に除去される必要があるＣＦ₄又はＣ₂Ｆ₆などの少量のフッ素化ガスを含んでいる。

集積回路製作反応器から生じる温室効果ガス又は堆積前駆体ガスを分解するために、導波管内でウェーブ「アプリケータ」システムの位置まで搬送される超高周波（ＵＨＦ）又はマイクロ波（ＭＷ）の電磁波を、ガスプラズマの発生を可能にするガス混合物と結合させることによって発生する大気圧プラズマを使用することが、例えば、欧州特許第８７４５３７号から知られている。（民間及び軍用の通信の干渉の可能性のために）電磁波の使用が厳しく規制されているという事実のせいで、幾つかのＵＨＦ又はマイクロ波帯のみ、特には、２．４５ＧＨｚ、９１５ＭＨｚ及び４３４ＭＨｚの周波数のみが、ＩＳＭ（工業、科学及び医療）の用途に対して及び特にはこれらプラズマの発生に対して利用可能であり且つ認可されている。

特にはエッチングチャンバから生じるＰＦＣ又はＨＦＣなどのガス状の排出物は、それらの危険性のために、粗引きポンプにおいて、窒素中へと系統的に希釈される。それ故に、上述のタイプの排出物処理又は分解システムに入って行くガス混合物は、主に、窒素からなる。

窒素などのキャリアガスの大気圧での使用は、ガスをイオン化し且つ窒素プラズマを保持するために、相当量のエネルギーを必要とする。更に、プラズマの点火は、未だに解決するのが難しい問題のままである。表面波プラズマは、一般には、マイクロ波出力が確立される際に自発的に誘起されるものではない。誘起のためには、補助放電を使用し、十分な数の電子を、処理されるべき流体が通らなければならない絶縁管内であって、電磁場との結合の位置に発生させて、マイクロ波場が、イオン化を増幅して、マイクロ波プラズマの定常状態をもたらすことができるようにすることが必要である。通常、こうするために、電極又は「スパークプラグ」タイプの、小さな電気アークを発生させる高電圧補助電源が使用される。しかしながら、大気圧窒素の場合、このアークが、このガスを通って、電磁場と結合する領域まで伝播することができないことが分かっている。

大気圧窒素でのこの点火の問題を解決するために、一般に採用される解決策は、数ｍｂａｒの瞬間的な真空中でプラズマを誘起することにある。しかしながら、これは、この真空を生成する手段（真空ポンプ）と、大気圧へと戻す移行レジーム（regime）を制御し且つ窒素系流体混合物を注入する手段とを必要とする。例えば、この点火は、数ｍｂａｒの制限された真空を数十秒以内で作り出すのに広く利用されるダイヤフラムポンプによって行われる。適切なマイクロ波出力（１０００Ｗ）が確立されてから、任意の適切な手段、一般には、絶縁管の頂端に位置した円錐形電極に接続された高Ｑコイルによって低周波高電圧励起を適用することにより、プラズマが誘起される。「電子モーター自動車点火」タイプの市販の装置も、２５Ｈｚの周波数でパルス列を伝える統合型で使用され得る。１０００Ｗ及び５ｍｂａｒでの誘起後、マイクロ波と共に、圧力が、処理されるべきガスの添加によって徐々に高められ、最終的には２０００Ｗのときに２０ｌ／分の流量に達する誘起時間は、約１分である。

このような解決策の１つの欠点は、その比較的高い費用である。加えて、特にはＰＦＣの転化のための化学補助剤として水蒸気をプラズマの上流に添加する所謂「ウェット」モードでシステムが稼動する場合のように、このシステムが少量の水分を有するならば、この水分のせいで、５−１０ｍｂａｒという必要な値まで真空を十分に低下させることが難しい。それ故に、誘起は、非常にランダムとなる。

更に、例えば幾つかの小径オリフィスを介して、ガスを放電管へと接線方向に入れることにより、絶縁管内に渦を発生させる流体及び／又はガス注入システムをこのプラズマ処理システムが備えている場合、大気圧まで上昇するのにかかる時間はより長い。この初期段階中はガスの総流量がかなり低く、そのために、絶縁管は、高密度な高温プラズマである窒素プラズマによって、熱応力をより多く受ける。それゆえに、この管の寿命が縮まる。

本発明の目的は、大気圧でプラズマを直接点火させる別の手段を使用して、上述した種々の欠点を軽減することにある。

本発明に従うと、絶縁管内でプラズマ放電を点火させるために、まず、アルゴンが前記管内へと注入され、次に、高圧（high-voltage）放電が、アルゴンの注入の導入位置の近傍に位置した電極を使用して、前記放電を点火させるのに十分なマイクロ波出力で発生させられ、次に、アルゴンの注入が、プラズマ放電を維持するように、処理されるべき流体混合物の注入で徐々に置換される。

この方法に従うと、アルゴン（又は８０体積％を超えるアルゴンを含んだ混合物）及び上述したものと同様のタイプの補助電気放電を使用して、プラズマが、問題なく、大気圧で点火される。

この方法の多くの利点としては、特に、
−真空生成段階の排除と、
−存在する水分の影響がないことと、
−窒素プラズマよりも（ガスの温度、即ち、電子を除いたガスの重粒子の平均エネルギー分布の点で）冷たいプラズマであるアルゴンプラズマが発生し、それにより、ガスが低流量でのみ流れて壁との熱交換が助長されるこの移行段階中において、熱応力があまり大きくないことと、
−より低い出力（典型的には、７００Ｗ）でのプラズマの誘起と、
−経済的観点から、これが真空ポンプの排除を意味していること、及び、アルゴンが、半導体製作ユニット、フラットスクリーン製造ユニット、光ファイバプラントなどにおいて広く利用可能なガスであることを前提として、アルゴン消費量が１分間に亘って約２ｌ／分であることと
が挙げられ得る。

好ましくは、流体混合物へと結合されるマイクロ波出力は、プラズマの点火中、０．５ｋＷ以上であろう。

他の実施形態に従うと、管へのアルゴンの注入は、大気圧又は大気圧に近い圧力で行われる。

好ましくは、流体混合物、特にはガス混合物の注入は、大気圧又は大気圧に近い圧力で行われる。

好ましい実施形態に従うと、アルゴンを流体混合物で徐々に置換することは、少なくとも１分間に亘って行われる。

特には渦状の効果を維持するために、追加の不活性ガス、特には窒素及び／又はアルゴンが、流体混合物の注入への補足物として注入される。

或いは、流体混合物及び／又は追加の不活性ガスは、渦の形態で注入される。

また、本発明は、排出物、特にはガス状の排出物の混合物を処理するプラズマ処理システムであって、このプラズマ処理システムは、特には、
−流体及び／又はガスを注入する手段と、
−流体及び／又はガスを受け取る絶縁管と、
−マイクロ波発生器と、
−絶縁管内にプラズマを発生させるために、マイクロ波出力を流体及び／又はガスと結合させる手段と、
−プラズマを点火させる手段と、
−プラズマを誘起するために、流体及び／又はガスを注入する手段に少なくとも一時的に接続されるアルゴンソースと
を具備している。

本発明は、図面と併せて、非限定的な例として挙げられた以下の例示的実施形態から、より十分に理解されるであろう。

本発明に従うシステムの概略的な全体図。 渦を使用し且つ図１のシステムに適した流体注入ヘッドの垂直断面図。 図１に示した図のＡ−Ａでの断面図。 図２ａのＢ−Ｂでの水平断面図。 渦を発生させる注入ヘッドの実施形態。

図１において、ガスを処理するためのプラズマ処理システムＡは、欧州特許第８７４５３７号に記載されたサーファガイド（surfaguide）タイプのフィールドアプリケータ１と、熱交換器Ｂと、スクラビング手段Ｃ及びその後段のドライクリーニング手段Ｄ（又は、所望されるのであれば、これらは、反対の順序で位置している）とを具備している。

システムＡは、プラズマを誘起するガスが弁Ｖ_dを介して供給され、及び／又は、反応器ＣＶＤ₁、ＣＶＤ₂、ＣＶＤ₃、...ＣＶＤ_nのうちの１つから、各弁Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃、...Ｖ_nを介して出てくる処理されるべきガス（これらのガスは、半導体製作反応器又はフラットスクリーン若しくは光ファイバ若しくは太陽電池の製造プラントなどから発生するガスであり得る）が、弁Ｖ_fを介して供給される。

また、システムＡは、冷却システムによって囲まれている絶縁管１６を含んでおり、この冷却システムは、熱伝達流体１９であって、マイクロ波吸収が十分に低くいために、プラズマを維持するのに利用可能な出力を保持し且つ外側のシリカ管１７とこの絶縁管１６とによって周囲を囲まれた空間１８内で循環する熱伝達流体１９を含んでいる。流体導入口１９は、システムＡの下部１３に位置しており、管１６を冷却した後の流体１９のための出口２０は、上部２４に位置している。

冷媒を循環するための空間１８を囲んだ絶縁管１６及びシリカ管１７は、フィールドアプリケータ１に、その細長い中心部３において交差している。導電材料からなり、電磁スクリーンとして働くスリーブ７、８は、上述した管の頂部及び底部の周りに位置している。スリーブ７の下部と絶縁管との間には、最適化された径方向の距離が設けられており、それにより、このスリーブの存在によってマイクロ波が妨害されることなく、導波管とこの管との間の最大結合が得られる。

スリーブ８とアプリケータ１の下部の管との間には、同様な最適化された径方向の距離が設けられている。それらの他端では、スリーブ７、８は、上部２４及び下部１３に、それぞれ近接している。

フィールドアプリケータ１は、中心部分３の両側に位置する導入口／出口２、４から狭まっている中心部分を有している。このシステムが稼動しているとき、マイクロ波出力は、右側部分２から中心部分３へ向けて流れ、マイクロ波がそこに集中して、チューブ１６に沿って、フィールドアプリケータのこの中心部分３の両側に発射され（launched）、それにより、このチューブ１６内にプラズマを発生させる。このプラズマは、システムＡの上部９の上方に位置した支持体１０に固定された電極２３を使用して誘起される。

電極２３は、絶縁管１６の軸に概ね沿った状態に保持されて、高圧電源又は誘起コイルに接続されている。

このプラズマ誘起システムは、バルブＶ_nに接続されており、本質的には、２つの分岐を具備しており、その一方は質量流量調節器及びバルブＶ_Arを介してアルゴン（Ａｒ）ソースに接続されており、他方は質量流量調節器及びバルブＶ_N2を介して窒素ソースに接続されている。

熱交換器Ｂは、システムＡのプラズマから生じる高温ガスを冷却することと、約１５０℃以上にあるそれらを、スクラバＣ及びドライクリーナーＤに送ることとに貢献する（又は、汚染物質の転化によって生じるガス状の副生成物を除去する選択された方法に応じて、その逆も同様である）。

図２ａは、渦の形態でガスを注入するシステム（初期ガス又は処理されるべきガス用）を示している。ガス及び／又は流体注入管は、絶縁管１６の延長部分に位置した直立管５４へと接線方向に入っており、それにより、注入されるガス及び／又は流体中に渦効果をもたらす。

図２ａは、プラズマシステムＡの上部９、２４の垂直断面図である。図２ｂ（図１のＡ−Ａでの断面図）において認識できる４つのガス注入管（５７、５１）、（５８、６２）、（５９、５３）及び（６０、６４）は、管５４内に、この渦を発生させることを可能にする。電極２３のための支持体１０は、上部９（２４）に固定されている。これら４つの注入管は、好ましくは、（水平面では）互いに９０°を成すように向き付けされており、（垂直面では）水平か又は先が下を向くように向き付けられ得る。管（７０、７２）及び（７１、７３）（図２ａのＢ−Ｂでの水平断面図である図２ｃにおいて認識できる）も、中心管５４へと接線方向に接続されており、互いに１８０°を成すように向き付けられている。それらは、平面Ａ−Ａに位置する４つの注入器へと注入されるガスの流量が渦を維持するに不十分である場合に、追加のガス（例えば窒素）を注入するのに使用される。（このような渦は、絶縁管の壁との熱交換を低減し、プラズマとこの絶縁管との直接的な接触を防ぎ、それにより、この絶縁管に有害である高すぎる温度を避けることを可能にする。）
図３は、プラズマ内で処理されるべきガスを注入し、それにより効果的な渦を発生させる注入ヘッド９の或る実施形態を示している。他の図と同様に、同じ部材には、同じ参照番号を付している。この注入ヘッド９は、処理されるべきガスを導入する導入口１１を有しており、これらガスは、その後、導入口１１と同軸の流路８０を介して、断面図で示された、末梢流路である連続した部分８１、８２、８３及び８４へと通され、この連続流路は、中実中心部分８５を取り巻いている（中心の柱８５の周りの螺旋階段のような構造）。この中実中心部分８５は、好ましくは、導体材料から作られており、プラズマを点火して絶縁管１６内に発生させる電極として働く下部円錐部分８６で終端している。軸８５から突き出ている中実部分８７、８８、８９、９０及び９１は、軸８５の周りを渦巻状に取り巻いて、ガスの通路を規定している中実部分である。中心部分８５の上方にある上部９２は、この中心部分を固定し且つＯリングシール９４によって気密を確実にする可動部９３内に収容されている。好ましくは、図３に示しているように、ガスを導き且つそれに対して管１６において渦の効果を及ぼす流路８１、８２などは、水平方向に対して、２５°乃至３５°、より好ましくは約３０°傾いた軸を有しているであろう。

例：
アルゴンを用いて図１のシステムがどのように始動されるかの一例を、以下に説明する。それは、２つの工程を含んでいる。

１）プラズマの誘起
プラズマを誘起するために、循環路を、Ａｒのみを用い、標準状態、即ち２７３Ｋ及び１０１３２５Ｐａで測定した、２リットル毎分（Ｓｌ／分）乃至１５Ｓｌ／分の流量でパージしなければならない。望まれるならば、４０Ｓｌ／分までの範囲にあるアルゴン流量が使用されても良いし、もちろん、高出力が使用されてよい。まず、７００Ｗのマイクロ波出力がかけられ、続いて、図１に示したように放電管の端部に位置した円錐電極に接続した高Ｑコイルを使用して、低周波（例えば、２５Ｈｚ）高電圧（例えば、１０ｋＶ）の励起が行われる。電磁波と、アルゴンと、高電圧励起によって発生する電子との結合は、プラズマを結合の位置において点火させることと、それを管全体に広げることとを可能にする。

２）窒素への切り替え
窒素をこのシステムに導入する前に、マイクロ波出力を１３００Ｗまで増加させ、窒素が添加されるときにプラズマが消えるのを防ぐ。次に、マイクロ波出力を高めることによって、窒素が徐々に注入され（最初は２Ｓｌ／分乃至５Ｓｌ／分）、それにより、２０００Ｗでは少なくとも２０Ｓｌ／分の窒素流量を得て、その後、このシステムの低速定常状態（ガス状の排出物を放出しているプロセスチャンバがないとき）に対応する少なくとも２５００Ｗでは、３５Ｓｌの窒素流量を得る。誘起のこの段階では、アルゴン流量は中断され得る。次に、このシステムの標準稼動モードに従って出力を調節することによって、公称流量の処理されるべきガス（多くとも９５％の窒素から成る）が入れられ得る。

Claims (8)

1. 流体混合物、例えばガス混合物を、プラズマを用いて処理するためのプラズマ処理システム（Ａ）を始動させる方法であって、前記システムは、結合手段（７、８）であって、マイクロ波電源（１）と前記結合手段内にある絶縁管を通って流れる流体混合物、特にはガス混合物とを結合させる手段を具備し、前記結合手段は、マイクロ波エネルギーの一部を前記流体混合物へと伝播させて、そこにプラズマを発生させ、それにより、流体分子の少なくとも或る化学結合を破断させることを可能とし、前記絶縁管（１６）内でプラズマ放電を点火させるために、まず、アルゴンが前記管内へと注入され、次に、高圧放電が、前記アルゴンの注入の導入位置（１１）の近傍に位置した電極（２３）を使用して、前記放電を点火させるのに十分なマイクロ波出力で発生させられ、次に、前記アルゴンの注入が、プラズマ放電を維持するように、処理されるべき前記流体混合物の注入で徐々に置換されることを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法であって、前記流体混合物へと結合される前記マイクロ波出力は、前記プラズマの点火中、０．５ｋＷ以上であることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２記載の方法であって、前記管（１６）への前記アルゴンの注入は、大気圧又は大気圧に近い圧力で行われることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項記載の方法であって、前記流体混合物、特にはガス混合物の前記注入は、大気圧又は大気圧に近い圧力で行われることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項記載の方法であって、前記アルゴンを前記流体混合物で徐々に置換することは、少なくとも１分間に亘って行われることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５の何れか１項記載の方法であって、追加の不活性ガス、特には窒素及び／又はアルゴンが、前記流体混合物の注入への補足物として注入されることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至５の何れか１項記載の方法であって、前記流体混合物及び／又は追加の不活性ガスは、渦の形態で注入されることを特徴とする方法。
8. プラズマ処理システムであって、
   −流体及び／又はガスを注入する手段と、
   −前記流体及び／又は前記ガスを受け取る絶縁管と、
   −マイクロ波発生器と、
   −前記絶縁管内にプラズマを発生させるために、マイクロ波出力を前記流体及び／又は前記ガスと結合させる手段と、
   −前記プラズマを点火させる手段と、
   −前記プラズマを誘起するために前記流体及び／又は前記ガスを注入する前記手段に少なくとも一時的に接続されるアルゴンソースと
   を具備したことを特徴とするシステム。

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