JP2009297709A - 流体又は流体混合物のためのプラズマ処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】様々な供給流路の切り替え中の流体の圧力の変化に特に関連した移行レジームの影響を制限するプラズマ処理システムの提供。
【解決手段】被処理流体の少なくとも１つの流体ソース１、流体分子の化学結合の少なくとも一部を破断させることにより被処理流体からのプラズマの発生を可能にするプラズマ処理手段８、流体ソース１とプラズマ処理手段との間に位置した少なくとも１つの多流路弁４、各多流路弁４を流体ソース１とプラズマ処理手段８との直接的な相互作用のための第１位置又は流体ソース１をプラズマ処理手段８の出口９へと直接接続することを可能にする第２位置に合わせることを可能にする多流路弁４を制御する手段及び多流路弁の第１出口７とプラズマ処理手段の入口及び／又は出口との間か又は多流路弁の第２出口１２とプラズマ処理手段の出口９との間の何れかに位置した、流体の流量を制限する少なくとも１つのデバイス１４とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体又は流体混合物、特にはガス流体のためのプラズマ処理システムであって、プラズマを前記流体又は流体混合物から発生させて、前記流体分子（例えば、ＰＦＣ又はＨＦＣ分子）の化学結合の少なくとも一部を破断し、除去するのがより容易な新たな分子を生成するシステムに関する。

集積回路の製作の過程で、半導体素子及びそれらの相互接続のための複数の製造工程は、気体状態の物質を、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）の反応器内のイオン注入器において使用することを必要とする。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地球規模の気候の温暖化の一因となるガス、とりわけ、幾つかのフッ化物誘導体、特には「ＰＦＣ」（パーフルオロガス）若しくは「ＨＦＣ」（ハイドロフルオロカーボンガス）という名称で知られているガスか、又は、生命及び健康を直接危険に曝す或る流体及び特には大気汚染ガス、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、堆積「前駆体」と呼ばれる全てのガス、及び、エッチング用、反応器の洗浄用などの全てのガスは、反応器から出て行く際に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。

フラットプラズマ若しくはＬＣＤ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、ガスと、或る数のガス前駆体、すなわち、最初は液体若しくは固体の形態にあり、蒸気の形態で配送される前駆体とが利用される。

空気からのガスの分離、又は、空気からガスを分離するプラント内のアルゴン塔からの蒸留残留物から生じるか若しくは地下水に由来する混合物から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。

集積回路を製作するためのこれら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、導波管内で搬送される超高周波（ＵＨＦ）又はマイクロ波（ＭＷ）の電磁波を、この波をガス混合物に当てて、ガスプラズマが発生するのを可能にする「アプリケータ」システムに結合させることによって発生するプラズマを大気圧で使用することが、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を考慮に入れると、或るＵＨＦ又はマイクロ波帯のみ、特には、２．４５ＧＨｚ、９１５ＭＨｚ、４３４ＭＨｚの周波数のみが、工業、科学及び医療（ＩＳＭ）の用途及び、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。

ＰＦＣ又はＨＦＣ排出物などの、特にはエッチングチャンバから生じるガス排出物は、それらの有害な性質のために、粗引きポンプにおいて、窒素中に系統的に希釈される。それ故に、排出物を処理又は分解するための上述のタイプのシステムに入って行くガス混合物の大部分は、窒素からなる。

現代の工場での半導体の製作において、半導体ウェハは、多数の連続した工程の過程で、反応器（ＰＶＤ又はＣＶＤ反応器）内へと導入され、そこで、各工程の過程において、特定の処理（蒸着など）に供される。この処理の最中又はその後、流体が、この反応器内へと導入され、その後、この工程の最後に、真空ポンプによって、排出物処理システム、特には本発明に従うプラズマ処理システムに向けて排出される。

各種工程間で、流体が反応器から排出されることはない。これは、一般には不活性ガス、特には窒素中に希釈される流体、特にはＰＦＣ及び／又はＨＦＣガスが排出物処理システム内へと導入される期間と、流体がこのシステム内へと導入されない期間とをもたらし、複数の反応器（多くの場合、４つまで）がこの処理システムの入口に並列に接続されていてもこのようになる。流体がプラズマ処理システム内へと導入されないこれらの期間は、後者を、低流量の窒素が注入されてプラズマを点火状態（ignited）に保持する待機モードにするのに利用され、その後、ポンプの後段に位置した弁が、この反応器の出口をプラズマ処理システムの出口へと直接接続する第２位置に合わされる。

これらの反応器のうちの１つにおける処理がこのシステムを制御する（例えば、これらの反応器の上流にある流体弁を開く）電子的手段によって検出されると、（この方法の１つの工程を行うであろう反応器に対応した）ポンプの出口にある各（マルチポジション）弁は、このポンプの出口を処理システムの入口に接続する第１位置へと切り替えられる。

これは、特にこのシステムが大気圧（又はこれに近い圧力）で動作している場合、反応器が数１０パスカルで動作しているときに、この処理システム内に向流ガス流のポンピング効果をもたらす。この向流の流れは、プラズマの「炎」を逆流させ、この炎及び処理システムを停止（extinction）させる。それから、これは、半導体製造装置を自動的に停止させ、これは、この製造装置の効率にとって非常に有害である。

また、本発明者らは、意外なことに、これらの障害は、プラズマを発生させるのに一般的に使用されるセラミックチューブの内壁の物理的特徴に対して、マイクロ波エネルギー源がこの目的で使用される場合に、幾つかの悪影響を及ぼすことを観測した。

発生したプラズマは、もはや、チューブの高さ全体に亘って均一ではないことが観測された。それは、移動して（relocated）、局所的で過剰な熱負荷（及びチューブを破裂させるおそれ）及び／又はＰＦＣ又はＨＦＣ分子の分解速度の低下をもたらし得る。

また、プラズマシステムが、チューブ内へのＰＦＣ又はＨＦＣの注入なしに、公称出力で動作しているとき、環境上有害な化学種である、無視できない量のＮＯ_xが発生することも観測された。

それ故に、持ち上がった課題は、多流路弁（multichannel valve）の切り替え期間、特には、プラズマ処理デバイスをバイパスする第２位置から、前記処理デバイスが少なくとも１つの反応器によって直接供給を受ける第１位置への切り替え期間における、反応器から処理システムへと向かう流れの向流流体の流れの影響を避けるか又は制限することにある。

一般的に言うと、解決されるべき課題は、プラズマ処理システムの様々な供給流路の切り替え中の流体の圧力の変化に特に関連した、このシステムに対する移行レジーム（transitional regime）の影響を制限することである。

かくして提起された課題を解決するべく、本発明に従う、流体又は流体混合物、特にはガス流体のためのプラズマ処理システムは、移行レジームを、プラズマの幾何及び／又はチューブ内におけるその位置に対するそれらの影響を排除（又は少なくとも制限）するために円滑にすることを提案する。

そうするために、それは、特には、
−処理されるべき流体又は流体混合物の少なくとも１つのソースと、
−流体又は流体混合物の分子の化学結合の少なくとも一部を破断させることにより、処理されるべき流体又は流体混合物からのプラズマの発生を可能にする、流体をプラズマ処理する手段と、
−処理されるべき流体の少なくとも１つのソースとプラズマ処理手段との間に位置した少なくとも１つの多流路弁と、
−各多流路弁を、流体ソースとプラズマ処理手段との直接的な相互作用のための第１位置か、又は、前記ソースをプラズマ処理手段の出口へと直接接続することを可能にする第２位置に合わせることを可能にする、多流路弁を制御する手段と、
−多流路弁の第１出口とプラズマ処理手段の入口及び／又は出口との間か、又は多流路弁の第２出口とプラズマ処理手段の出口との間の何れかに位置した、流体の流量を制限する少なくとも１つのデバイスと
を具備している。

概して、このシステムは、処理されるべき流体の複数のソースを具備しており、これらは、各々、半導体の製作のための処理チャンバからなっている。

これらのソースは、好ましくは、互いに独立して、連結されており且つ流体又は流体混合物を生成することが可能である。

好ましい実施形態に従うと、流体をプラズマ処理する手段は、マイクロ波電源と、処理されるべき流体が内部を流れるチューブと、マイクロ波ソースとチューブの中に流れ込む流体とを結合させて、チューブ内にプラズマを発生させる手段とを具備している。

好ましい変形に従うと、多流路弁は、各流体ソースと流体をプラズマ処理する手段との間に位置している。

他の好ましい変形に従うと、各多流路弁の第１位置に対応した各出口は、流体のプラズマ処理手段の入口に接続されている。

各流体ソースの流量は、好ましくはランダムであり、この流量がゼロである期間がある。

他の変形に従うと、このソースの流量がゼロであるとき、多流路弁を制御する手段は、前記弁をその第２位置に合わせ、プラズマ処理手段を、窒素又は乾燥空気の保持流を注入することによって動作状態（active）に保つ。

好ましい変形に従うと、各流量リミッタは、較正済みオリフィス、手動ニードルバルブ、ボリューム、チェックバルブ、流量調節器及び／又はディスチャージャー（discharger）から選択される。

少なくとも１つの流量リミッタは、好ましくは、多位置弁の第１位置と前記弁の第２位置とに対応した流体回路内に位置している。

考えられる様々な解決策の中で、様々な手段からなる２つの組み合わせが、特に有効であることが分かっている。

−多流路弁の第２位置の出口とプラズマ処理システムの出口との間に据えられた較正済みオリフィス（それが挿入されるラインよりも明らかに小さな径を有している）の、多流路弁の第１位置の出口と処理デバイスの入口との間に接続された逆流受入れ器（reverse flow capability）と関連付けられた第１の組み合わせであって、プラズマをプラズマ処理システム内で保持するための流量と前記プラズマシステムの公称動作流量との間の値にある不活性ガス（特には窒素）の追加の回収流量が関連付けられる組み合わせ。

−先の第１の組み合わせと同様に設置された前記構成済みオリフィスの、前記多流路弁の第１位置の出口と前記処理デバイスの入口との間に接続されたチェックバルブと関連付けられた第２の組み合わせであって、プラズマをプラズマ処理システム内に保持するための流量と前記プラズマシステムの公称動作流量との間の値にある不活性ガス（特には窒素）の追加の回収流量が関連付けられる組み合わせ。

本発明は、図面と共に限定なしに提供された以下の例示的な実施形態の助けを借りて、より十分に理解されるであろう。

図１は、本発明に従うシステムの概略的な全体図である。 図２は、弁の切り替え中における、プラズマ処理システムを通る流体の流量の変化に関する概略図である。

図１は、本発明の実施に必要な変更を更に含んだプラズマ処理システムを概略的に示している。クライアントが所有する、半導体を製作するためのリアクタのアセンブリは、参照番号１によって概略的に示されており、この例では、減圧下にある４つの処理チャンバを具備しており、この図では、流体出口ライン３のみが示されている。各流体ライン３は真空ポンプ２に接続されており、その出口は、流体ライン５を介して、三方弁（three-channel valve）４の入口に接続されている。各弁４の直接的な出口（第１位置）は、各流体ライン７及び共有ライン６を介して、プラズマ処理デバイス８の入口へと接続されており、その出口は、流体ライン９を介して、各三方弁の全ての出口流体ライン１２からの流れを受ける制限器（restriction）（例えば、較正済みオリフィス）１４の出口から来る流体ライン１３に合流しており、前記流体ラインは、前記ラインの派生的（derivative）な出口（第２位置）に接続されている。また、このライン１２及び１３は、制限器１４と共に、プラズマ処理システムをバイパスする「バイパス」ラインとも言われる。また、プラズマ１７を保持するための不活性流体（例えば、窒素又は乾燥空気）のライン１７は、システム８の入口に接続されている。

２つの流体ライン９及び１３は、互いに及びガス流体を「クリーニング」する（乾式及び／又は湿式クリーニングする）システム１０に接続されており、このシステムの出口は、流体ライン１１を介して、プラントガスの回収及び取り出しのための一般的なラインへと接続されている。

図１において、５つの好ましい領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに印が付されており、これらに１つ以上のシステムが提供されて、特にはガス流体の流体流量を制限して、三方弁の切り替え中、特には、バイパス位置から、反応器から来る流れ（flux）をプラズマ処理システムへと接続する位置へと切り替える間の流体の圧力の変化を減らす又はなくする。

上述したリミッタデバイスのうちの少なくとも１つは、これらの領域の各々に、特には以下のように位置し得る。

−領域Ａにおいて、これらデバイスのうちの少なくとも１つが、少なくとも１つの（例えば、少なくとも、最も頻繁に使用及びその後の停止が行われる反応器の）三方弁の出口であって、弁を閉じる（この方法の処理位置から、プラズマ処理システムをバイパスする位置への移行（passage）の）ときに本質的に効果を得ることが望まれる場合にはこの弁の第１位置に、及び／又は、弁を開く（第２位置から第１への移行の）ときに最も有力な（dominant）効果を得るには、この弁の第２位置に位置し得る。

−領域Ｂには、前記弁のうちの１つを開くときに最も有力な効果を得るように位置し得る。

−領域Ｃには、前記弁のうちの１つを閉じるときに最も有力な効果を得るように位置し得る。

−領域Ｄには、前記弁のうちの１つを閉じるときに最も有力な効果を得るように位置し得る。

−領域Ｅには、前記弁のうちの１つを開くときに最も有力な効果を得るように位置し得る。

当業者は、上記した領域のうちの１つ以上において１つ以上のデバイスを使用して得られる効果を組み合わせることが可能であろう。

図２には、本発明を実施する前と、２つの好ましい変形に従って本発明を実施した後との、プラズマ処理システムを通る流量の様々な変化が示されている。

曲線ａは、システムが、流出物が反応器から出て行かないレジームから、反応器が処理されるべきガスを排出するレジームへと切り替えられるときの、これらの変化を示している。この曲線ａでは、非常に高い流量と、それに続く、（曲線ａの底部の位置で）負の流量になることもある非常に低い流量とが交互に存在する、流量の急激な「振幅」が見受けられ得る。

曲線ｂは、水頭損失を補償するデバイスを領域Ｂに組み込んだ以外、同様の事象を示している。例えば、この曲線からは、大きな圧力差が排除されていることと、保持流量のレベル（待機位置）から、反応器及びそれ故にポンプが稼動されるレベルへの移行に、跳ね返り（bounce）はないが、中盤で流量の僅かな低下を伴うこととが見受けられ得る。

曲線ｃは、更に改善された解決策を示しており、ここでは、プラズマデバイスの流体ラインにおいて、三方弁を切り替える前に、不活性ガス（窒素）の追加流が上述の解決策（曲線ｂ）に追加されたものである。中盤での一時的で僅かな流量の超過が見受けられるが、流量は、ポンプが動作する公称流量未満には減少はしない。

例
例示的実施形態は、弁を切り替える際の障害を排除することを、処理装置が待機位置にされているときであっても、（第１位置を）排出物を処理する位置へと戻すときであっても可能にする２つの実施形態を上で説明している。

例１：
図１に概略的に示したシステムにおいて、１０ｍｍの較正済みオリフィス（２５ｍｍの公称径を有したラインに対して）が、各弁４の第２位置の出口に位置している。このオリフィスは、このラインにおいて、２ｍｂａｒの水頭損失のみをもたらす。また、矩形状の１０リットルの逆流受入れ器が、領域Ｃ（処理デバイスの入り口の位置）に位置しており、それに加えて、当該の弁を分当たり３０乃至５０リットルの間にある値（公称温度及び圧力条件で測定されたもの）にある少なくとも１つの流量から切り替える少なくともその前に、窒素を追加注入する。それにより、切り替え中に、図２における曲線ｃのような曲線が得られる。

例２：
１０リットルの受入れ器を、プラズマ処理デバイスの入口に設置されたチェックバルブと交換されたこと以外、例１と同様の解決策が適用される。

なお、流体、特にはガスのための任意のプラズマ処理システムが本発明の適応に適し得るであろうが、大気圧又は大気圧に近い圧力で効果を発揮する表面波プラズマシステムを使用することも好ましい。

Claims (10)

1. 流体又は流体混合物、特にはガス流体のためのプラズマ処理システムであって、
   −処理されるべき流体又は流体混合物の少なくとも１つのソース（１）と、
   −前記流体又は流体混合物の分子の化学結合の少なくとも一部を破断させることにより、処理されるべき前記流体又は流体混合物からのプラズマの発生を可能にする、前記流体をプラズマ処理する手段（８）と、
   −処理されるべき流体の少なくとも１つのソースと前記プラズマ処理手段（８）との間に位置した少なくとも１つの多流路弁（４）と、
   −各多流路弁を、前記流体ソースの前記プラズマ処理手段との直接相互作用のための第１位置か、又は、前記ソースを前記プラズマ処理手段の出口へと直接接続することを可能にする第２位置に合わせることを可能にする、前記多流路弁を制御する手段と、
   −多流路弁の第１出口と前記プラズマ処理手段の入口及び／又は出口との間か、又は、多流路弁の第２出口と前記プラズマ処理手段の前記出口との間の何れかに位置した、前記流体の流量を制限する少なくとも１つのデバイスと
   を具備したシステム。
2. 請求項１記載のシステムであって、処理されるべき流体の複数のソースを具備しており、これらは、各々、半導体の製作のための処理チャンバからなるシステム。
3. 請求項２記載のシステムであって、前記複数のソースは、互いに独立して、接続されており且つ流体又は流体混合物を生成することが可能であるシステム。
4. 請求項１乃至３の何れか１項記載のシステムであって、前記流体をプラズマ処理する前記手段は、マイクロ波電源と、前記処理されるべき流体が内部を流れるチューブと、マイクロ波ソースと前記チューブの中に流れ込む流体とを結合させて、チューブ内にプラズマを発生させる手段とを具備しているシステム。
5. 請求項１乃至４の何れか１項記載のシステムであって、多流路弁（４）が、各流体ソースと前記流体をプラズマ処理する前記手段（８）との間に位置しているシステム。
6. 請求項５記載のシステムであって、各多流路弁の前記第１位置に対応した各出口は、前記流体をプラズマ処理する前記手段の入口に接続されているシステム。
7. 請求項１乃至６の何れか１項記載のシステムであって、各流体ソースの流量はランダムであり、この流量がゼロである期間があるシステム。
8. 請求項７記載のシステムであって、前記ソースの流量がゼロであるとき、前記多流路弁を制御する前記手段は、前記弁をその第２位置に合わせ、前記プラズマ処理手段を、窒素又は乾燥空気の保持流を注入することによって動作状態に保つシステム。
9. 請求項１乃至８の何れか１項記載のシステムであって、各流量リミッタは、較正済みオリフィス、手動ニードルバルブ、ボリューム、チェックバルブ、流量調節器及び／又はディスチャージャーから選択されるシステム。
10. 請求項１乃至９の何れか１項記載のシステムであって、少なくとも１つの流量リミッタが、前記多位置弁の第１位置と前記弁の第２位置とに対応した流体回路内に位置しているシステム。

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