JP2014500574A

JP2014500574A - プラズマの点火及び維持の方法と装置

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Publication number: JP2014500574A
Application number: JP2013534407A
Authority: JP
Inventors: ベンジャミン・ニール・マーティン・ポール; フィッシャー・アンドレアス
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2031-10-03
Also published as: SG189219A1; KR20130123384A; US20160056023A1; CN103153517A; CN105578700A; TWI587750B; CN103153517B; JP6046628B2; JP2017054824A; TW201230885A; US10395901B2; WO2012052864A3; KR101866153B1; WO2012052864A2; US20120097646A1; KR20170106499A; US9174296B2; KR101846599B1

Abstract

【解決手段】プラズマを発生させるための装置は、プラズマ生成容器と、コイル長を有するコイルと、第１の部分的取り囲み長手方向導電性（ＰＥＬＯＣ）フィンガセットと、第２のＰＥＬＯＣフィンガセットとを含む。ＰＥＬＯＣフィンガセットは、容器の長手方向軸に沿って配向され、それぞれ容器の周りを部分的に取り囲んでいる。２つのＰＥＬＯＣフィンガセットは、フィンガの先端同士が向き合うように及びコイル長未満のセット間距離で隔てられるように配向されている。
【選択図】図２

Description

半導体製品の製造において、ウエハなどの基板は、その上に特徴を形成するために、蒸着及びエッチングのプロセスを経る。半導体基板の処理は、処理工程間でポリマ蒸着物などの残留物を残らせることが多く、更なる処理に備えて基板を洗浄するために、大気圧誘導結合プラズマトーチが用いられてきた。

議論を促すために、図１は、二重壁円筒１０２を含む代表的な先行技術の大気圧誘導結合プラズマトーチ１００を示している。円筒１０２は、石英又は類似の適切な材料で形成されるのが一般的である。冷却ガス入口１０４は、使用時に二重壁円筒１０２を熱的に調節するために、例えば窒素又は空気などの冷却ガスが円筒壁の間に注入されることを可能にする。適切な冷却ガスを用いることによって、大気圧誘導結合プラズマトーチ１００内におけるプラズマからの高い熱放散に起因するトーチ１００の熱損傷が回避される。

二重壁円筒１０２の外周を取り巻くコイル１０６が示されている。使用時には、プロセスガス入口１０８を通じて円筒１０２の内部空間にプロセスガス（例えば水素又は窒素）が導入される。（例えば４０ＭＨｚの）適切なドライバＲＦ信号がコイル１０６に供給されると、コイル１０６は、直列ＬＣ共振回路の一部として機能し、プロセスガスからプラズマを点火する。使用時におけるコイル１０６の冷却を助けるために、コイルは、液体冷却を流れることを可能にする管として設計される。

大気圧誘導結合プラズマトーチ１００内で発生した誘導結合プラズマは、開口１２０から排出される。開口１２０から排出された高温プラズマ噴流は、次いで、イオン注入プロセス後の不要なポリマ蒸着物などの物質を基板から除去又は洗浄するために用いることができる。

知られるように、コイル１０６にかかる誘起電圧は、ドライバＲＦ信号の周波数の関数である。例えば、４０ＭＨｚでは、代表的な誘導結合プラズマプラズマトーチのコイル１０６の両端に、（ピークピーク値にして）最大２０ＫＶがかかるだろう。代表的な大気圧条件でプラズマを点火するためには、高い誘起電圧が必要である。

しかしながら、先行技術で用いられている高ＲＦドライバ周波数（例えば４０ＭＨｚ又はそれ以上）は、コスト面及び工学的な面で課題がある。例えば、多くの処理システムは、エッチング及び蒸着のために、既に低周波数ＲＦソース（例えば１３．５６ＭＨｚ又は２７．１２ＭＨｚなどのように１０〜３０ＭＨｚ）を用いている。したがって、低周波数サブシステムを設計する、製造する、適格にする、及び維持するための構成要素と技術は、既に低コストで可能になっている。更に、低いドライバＲＦ周波数が用いられれば、ツール間の再現性が向上される。

本発明は、総じて誘導結合プラズマツールにおける、中でも特に大気圧誘導結合プラズマトーチにおけるプラズマ点火を向上させるための方法と装置とに関する。

本発明は、限定する目的ではなく例示を意図して添付の図面に示されており、図中、同様の参照符号は、類似の要素を指すものとする。

議論を促すために、代表的な先行技術の大気圧誘導結合プラズマトーチを示す図である。

発明の一実施形態にしたがった、本発明の一実現形態を示す図である。

次に、添付の図面に例示される幾つかの実施形態を参照にして、本発明が詳細に説明される。以下の説明では、本発明の完全な理解を与えるために、数々の具体的詳細が明記されている。しかしながら、当業者ならば、本発明が、これらの詳細の一部または全部を伴わずとも実施可能であることが明らかである。また、本発明が不必要に不明瞭にされないように、周知のプロセス工程及び／又は構造の詳細な説明は省略されている。

総じて、プラズマの点火は、所定の気柱に印加される電場の強さに依存する。より具体的な事例として、ソレノイドコイルでは、点火は、ソレノイド内部の電場の強さに依存する。

電場は、一般的に、次式１によって支配される。

Ｅ＝Ｖ／Ｌ式１

ここで、Ｖはコイルの端部間における誘起電圧であり、Ｅは電場の強さであり、Ｌはコイルの長さである。「Ｌ、コイルの長さ」とは、コイルを巻くために使用されるワイヤの長さではなく、コイルソレノイドの長さを意味することに留意されるべきである。

発明者らは、コイルの有効長Ｌを短くすることができれば、コイルにかかる誘起電圧が同じでも、より強い電場Ｅが得られることを認識している。あるいは又は加えて、誘起電圧Ｖが（例えばドライバＲＦ周波数の減少ゆえに）低くなっても、コイルの有効長を短くすることによって、依然として、プラズマを成功裏に点火することができる電場が形成されるだろう。

１つ以上の実施形態では、コイルの有効長を効果的に短くする、部分的に取り囲む長手方向の導電性（ＰＥＬＯＣ）フィンガが提供される。ＰＥＬＯＣフィンガは、その名が示唆するとおり、大気圧誘導結合プラズマトーチの石英円筒の外側に配され該円筒の長手方向軸に沿って方向付けられた導電性の帯状片又は突端又は歯又は突出（ここでは総じて「フィンガ」と称される）である。２セットのフィンガが提供され、各セットのフィンガは、異なるコイル端部につながれる。第１のセットのフィンガが空間的に隔てられた形で第２のセットのフィンガの方を指している（そして、逆もまた同様である）のと同様に、各セットのフィンガは、円筒に対して長手方向に配置されている。本発明の実施形態は、また、大気圧誘導結合プラズマトーチのこれらの強化を製造する、用意する、動作させる、及び維持するための技術にも関する。

図２は、発明の一実施形態にしたがう、ＰＥＬＯＣフィンガセット２０２の導電性フィンガが円筒２１０の長手方向軸２２０に対して長手方向に配置される一構成例を示している。同様に、ＰＥＬＯＣフィンガセット２０４の導電性フィンガも、円筒２１０の長手方向軸２２０に対して長手方向に配置される。ＰＥＬＯＣフィンガセット２０２及びＰＥＬＯＣフィンガセット２０４は、ＰＥＬＯＣフィンガセット２０２のフィンガの先端がＰＥＬＯＣフィンガセット２０４のフィンガの先端の方向を向く（方向を指し示す）ように配置される。図からわかるように、ＰＥＬＯＣフィンガセット２０２及びＰＥＬＯＣフィンガセット２０４の導電性フィンガは、円筒２１０の長手方向軸２２０に沿ってセット対セット間隔Ａで空間的に隔てられている。

ＰＥＬＯＣフィンガセット２０２の導電性フィンガは、円筒２１０の周りを部分的にのみ取り囲み、その結果、図に示されるようなセット内間隔Ｂを有している。同様に、ＰＥＬＯＣフィンガセット２０４の導電性フィンガもやはり、円筒２１０の周りを部分的にのみ取り囲み、その結果、図に示されるようなセット内間隔Ｃを有している。これらの特性及び間隔は、以下で更に詳しく論じられる。

本明細書で説明されるような形で長手方向の導電性フィンガを使用することによって、コイルから発する磁力線は、更に内方向に進んで石英管２１０を貫通することが可能となり、プラズマを維持する循環電流をトーチの内部に誘発させる。これは、上記のフィンガが磁力線の方向に基本的に平行な向きであるゆえに可能である。セット内間隔Ｂは、ＰＥＬＯＣフィンガ内部に電流加熱を発生させるため必要以上に電力を消費するだろうＰＥＬＯＣフィンガの根元における循環電流の発生を、大幅に低減させる。各フィンガセットの長手方向の導電性フィンガが、同じサイズで隙間の無い導電性の帯で置き換えられたならば、その隙間の無い導電性の帯の内部には、望ましくない循環電流が形成されるだろう。更に、本明細書で説明されるような形で長手方向の導電性フィンガを使用すれば、コイル電圧が降下する物理的距離が、コイルの長さであるＬから、セット対セット間隔であるＡに減少される。この長さの減少は、所定の誘起電圧に対し、おおよそＬ／Ａの比率で電場強度を増加させる。ゆえに、コイルにかかる誘起電圧が小さくても、プラズマの点火が可能になる。

上記のように、各ＰＥＬＯＣフィンガセットは、（例えば図２ではリード２３０及び２３２を通じて）異なるコイル端部につながれ、フィンガの先端同士は、コイルの電圧降下が生じる物理的距離を短くするために、コイル長Ｌよりも短い近接（距離）Ａを有している（一例として、図２には、長さＬの５巻きのコイルが示されている）。繰り返すが、これは、ＰＥＬＯＣフィンガセットが円筒の外側に、部分的に取り囲む形で互いに接近して配されているからである。この有効コイル長を最短にするためには、セットとセットの間隔Ａ（「セットとセット」又は「セット間」という用語は、円筒の長手方向軸に沿った、一方のフィンガセットから別のフィンガセットまでの、フィンガの先端どうしの間の間隔を示している）は、可能な限り小さいことが好ましい。しかしながら、一般的に、セットとセットの間隔Ａは、ＰＥＬＯＣフィンガセット２０２のフィンガとＰＥＬＯＣフィンガセット２０４のフィンガとの間にアーク放電を引き起こすほどには小さくはないことが望ましい。更に、セットとセットの間隔Ａは、円筒の外側で、ＰＥＬＯＣフィンガセット２０２のフィンガとＰＥＬＯＣフィンガセット２０４のフィンガとの間に望ましくないプラズマ発生を引き起こすほどには小さくはないことも望ましい。

一実施形態では、特定のトーチの場合のセットとセットの間隔Ａを決定するために、経験的方法が用いられる。先ず、２つのＰＥＬＯＣフィンガセットが円筒に部分的に巻き付けられ、円筒の長手方向軸に沿って並べられる。この時点で、フィンガセットは、円筒のサイズによって課される形状因子制約を依然として満足しながら尚且つ円筒の内側でプラズマを依然として点火可能でありながら、互いから遠く離されるように位置決めされる（ただし、この間隔距離の場合にコイルが有する大きい有効長は、プラズマの点火に必須の電場（Ｅ場）を発生させるために高いコイル電圧を必要とする）。これは、セットとセットの間隔Ａの大きさに対する上限を設ける。

ＰＥＬＯＣフィンガセットは、次いで、チャンバの長手方向軸に沿って互いに向かって前進するように動かされる。どこかの地点で、セットとセットの間隔Ａは、アーク放電が発生するほどに又はアーク放電の可能性が許容不可能なほどに高くなるほどに小さくなる。更に、セットとセットの間隔Ａ内に作り出される電場が十分に高いならば、セットとセットの間隔Ａが小さくされるにつれて、周囲空気のプラズマ点火が発生するリスクがある。このような、制御されない円筒外側における周囲空気のプラズマ点火は、望ましくないものである。アーク放電又は望ましくない周囲空気の点火を発生させない最短のセットとセットの間隔Ａは、セットとセットの間隔Ａの大きさに対する下限を確立する。

セットとセットの間隔Ａについて確立された上限と下限との間の窓は、適切な動作窓である。好ましい一実施形態では、セットとセットの間隔Ａは、アーク放電又は円筒の外側における望ましくないプラズマ点火が回避されうる限り、可能な限り短く設定される。セットとセットの間隔Ａのこの最短間隔距離は、アーク放電又は望ましくないプラズマ点火が発生しないことを保証しつつコイルの有効長が最短に維持されることを保証する。

好ましくは、どのＰＥＬＯＣフィンガセットのどのフィンガも、互いに電気的に結合されている。各ＰＥＬＯＣフィンガセットについて、個々のフィンガは、電気的に相互に接続されている一方で、前述のように、円筒の長手方向軸に沿って長手方向に揃えられている。各ＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガが円筒の外周又は（例えば円筒が丸くない場合はその）外周りを部分的にのみ取り囲むように、セット内間隔Ｂ（図２を参照せよ）が提供される。この間隔は、ここでは「セット内」間隔と称され、「部分的に取り囲む」特性を実現するためにＰＥＬＯＣフィンガセットの電気的に接続されたフィンガどうしの間に設けられた断絶の寸法を定めている。

セット内間隔Ｂの存在は、各ＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガ同士の間で循環電流が最小に抑えられることを保証する。セット内間隔Ｂの寸法は、セットとセットの間隔Ａの設計と同様の検討事項（例えばアーク放電の回避）で設計される。１つ以上の実施形態では、セット内間隔Ｂは、生成される電場及び誘起される磁場における不均一性を最小限に抑えるために、可能な限り小さいことが好ましい。このような不均一性は、発生するプラズマの均一性に影響を及ぼす恐れがあり、発明の１つ以上の実施形態では、可能な限り最小に抑えられる。

一実施形態では、各ＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガを電気的に及び構造的に接続するために、導電性材料の帯状片、すなわち導電性の「スパイン」が提供される。２つの「スパイン」は、それぞれ、コイル端部（図２では２３０及び２３２で表示されている）の１つに接続される。この構成では、フィンガは、櫛の歯に類似している。この構成における２つのＰＥＬＯＣフィンガセットは、大気圧誘導結合プラズマトーチの円筒の周囲に配されたときに、歯が互いに向き合うとともに歯の先端同士がセットとセットの間隔で隔てられた２本の櫛に見えるだろう。各「櫛」は、部分的に取り囲むという特性ゆえに１本の櫛の２つの端部同士が接触せずに間隔Ｂで隔てられたセット内間隔が存在するように、大気圧誘導結合プラズマトーチの円筒に部分的に巻き付いている。この櫛の実施形態は、例えば、図２に見ることができる。

一般的に、隣り合うフィンガ間の間隔は、誘起磁場が円筒を貫通して円筒内のプラズマに到達することを可能にするので、フィンガは、必要なだけ細く又は長く／短く作成することができる。導電性フィンガ材料は、銅、銅合金、又は同様に適切な材料であってよい。電磁場を発生させるためのコイルは、フィンガの外側に（すなわち、円筒の中心長手方向軸からより大きな半径距離に）配置することができる。各櫛には、十分な本数のフィンガが提供されることが望ましく、これらのフィンガは、印加される電磁場の方位角方向における不均一性を回避するために、石英円筒の周囲に等間隔で配置されることが望ましい。導電性フィンガは、機械的に安定するのに十分な幅である必要があるが、しかしながら、一般的に、できる限り多くの磁力線が石英円筒の内側に進むことを可能にするために、フィンガ間の間隔の幅よりも狭く維持されることが望ましい（金属製のフィンガ自体は、時変磁場に対して不透過であり、間隔のみが、磁場を更に内方向に進ませる。コイルから発する磁力線は、石英円筒の内側でプラズマを維持する役割を担う）。総じて、ＰＥＬＯＣフィンガは、主に、プラズマ点火に寄与すると考えられる。プラズマの維持は、主に、コイルによって駆動されると考えられる。したがって、プラズマ均一性は、コイルの巻き線ピッチがどれだけ均一であるか、及びコイルが石英円筒とどれだけ同軸に揃えられるかに依存する傾向がある。

１つ以上の実施形態において、非常に低いＲＦドライバ周波数が望まれる又は非常に低い誘起コイル電圧が望まれるならば、本明細書で開示される技術及び装置は、本出願と同じ発明者らによって同日に出願され、あらゆる目的のために参照によって本明細書に組み込まれる、発明の名称を「METHOD AND APPARATUS FOR IGNITING AND SUSTAINING PLASMA（プラズマを点火及び維持するための方法と装置）」とする共同所有の同時係属特許出願の、新規のコイル巻き線技術及び装置と組み合わせることができる。

コイルの有効長を短くする本技術／装置と、コイル巻き数の増加を通じてコイルのインダクタンスを増加させる技術／装置とを組み合わせれば、非常に低いＲＦドライバ周波数によって及び／又は非常に低い誘起コイル電圧によって円筒の内側でプラズマを点火することができる電場を発生させることが可能である。一部の実施形態では、円筒の内側でプラズマを点火するために、数千ボルトの範囲内の誘起コイル電圧が適切だと予想される。これら２つの技術は、大気圧誘導結合プラズマトーチにおける電場形成のための異なるメカニズムを有利に操作するものであり、互いに干渉し合うことはない。１つ以上の実施形態において、これらの組み合わされた技術及び装置は、固有の新しい考えを表わしている。

以上からわかるように、発明の実施形態は、大気圧誘導結合プラズマトーチにおけるプラズマ点火電磁場の利用を強化する。本明細書で開示される技術及び装置を用いれば、例えばドライバＲＦ周波数の低下ゆえに誘起コイル電圧がたとえ下がったとしても、大気圧誘導結合プラズマトーチにおけるプラズマ点火が可能である。所要の誘起コイル電圧及び／又はドライバＲＦ周波数が下がれば、ＲＦ発生器はもちろん、大気圧誘導結合プラズマトーチのための構成要素も、より安価に作成することができるうえに、格段に容易にシステム間で一致させることが可能になり、これは、半導体製品の生産コストの低下に寄与する。

これらの技術／装置は、大気圧誘導結合プラズマトーチとの関連のもとで論じられてきたが、同じ技術及び装置は、プラズマの点火を向上させるために、並びにその他の誘導結合プラズマツール及びチャンバのなかでプラズマを維持するために用いることも可能であると考えられる。代表的な実施形態及び最良の形態が開示されてきたが、これらの開示された実施形態には、特許請求の範囲に定められた発明の主題及び趣旨の範囲内にとどまりつつ変更及び変形をなすことが可能である。

Claims

プラズマを発生させるための装置であって、
内部で前記プラズマが生成される容器と、
前記プラズマを少なくとも維持するためにＲＦドライバ信号を受信するように構成され、コイル長を有するコイルと、
前記容器の長手方向軸に沿って配向され、前記容器の周りを部分的に取り囲む、第１の部分的取り囲み長手方向導電性（ＰＥＬＯＣ）フィンガセットであって、前記コイルの第１の端部に電気的に結合されている第１のＰＥＬＯＣフィンガセットと、
前記容器の前記長手方向軸に沿って配向され、前記容器の前記周りを部分的に取り囲む、第２の部分的取り囲み長手方向導電性（ＰＥＬＯＣ）フィンガセットであって、前記コイルの第２の端部に電気的に結合されている第２のＰＥＬＯＣフィンガセットと、
を備え、
前記第１のＰＥＬＯＣフィンガセット及び前記第２のＰＥＬＯＣフィンガセットは、前記第１のＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガの先端が前記第２のＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガの先端の方向を向くように配向され、前記コイル長未満のセット間距離で隔てられている、装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記コイルは、前記容器の前記長手方向軸から前記第１のＰＥＬＯＣフィンガセットの半径よりも大きい半径の位置に配置されている、装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記コイルの前記第１の端部及び前記コイルの前記第２の端の１つは、接地される、装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記第１のＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガは、前記コイルが前記ＲＦドライバ信号によって通電されるときに発生する磁力線に対して平行に配置されている、装置。
請求項４に記載の装置であって、
前記第２のＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガは、前記磁力線に対して平行に配置されている、装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記容器は、大気圧誘導結合プラズマトーチのプラズマ生成容器である、装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記コイルは、チューブインチューブ構成及び並列巻回（side by side tubing）構成のいずれかによって実現される、装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記コイルの第１の端部は接地され、前記第１の端部は、また、冷却流体を注入及び排出するための端部でもある、装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記ＲＦドライバ信号は、約１０ＭＨｚから約１００ＭＨｚまでの間の周波数を有する、装置。
プラズマを発生させるための装置であって、
内部で前記プラズマが生成される円筒体と、
ＲＦドライバ信号を受信するように構成され、コイル長を有し、前記円筒の中心長手方向軸から第１の半径方向距離に配置されるコイルと、
前記円筒の前記中心長手方向軸に沿って配向され、前記円筒の周囲を部分的に取り囲む、第１の部分的取り囲み長手方向導電性（ＰＥＬＯＣ）フィンガセットであって、前記コイルの第１の端部に電気的に結合され、前記円筒の前記中心長手方向軸から第２の半径方向距離に配置されている、第１のＰＥＬＯＣフィンガセットと、
前記円筒の前記中心長手方向軸に沿って配向され、前記円筒の前記周囲を部分的に取り囲む、第２の部分的取り囲み長手方向導電性（ＰＥＬＯＣ）フィンガセットであって、前記コイルの第２の端部に電気的に結合され、前記円筒の前記中心長手方向軸から第３の半径方向距離に配置されている、第２のＰＥＬＯＣフィンガセットと、
を備え、
前記第１のＰＥＬＯＣフィンガセット及び前記第２のＰＥＬＯＣフィンガセットは、前記第１のＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガの先端が前記第２のＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガの先端の方向を向くように配向され、前記コイル長未満のセット間距離で隔てられ、前記第１の半径方向距離は、前記第２の半径方向距離及び前記第３の半径方向距離のいずれよりも大きい、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
少なくとも前記第１のＰＥＬＯＣフィンガセットの一部分及び前記第２のＰＥＬＯＣフィンガセットの一部分が、前記円筒の外表面と前記コイルとの間に配置されている、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
前記コイルの前記第１の端部及び前記コイルの前記第２の端部の１つは、接地されている、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
前記第１のＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガは、前記コイルが前記ＲＦドライバ信号によって通電されるときに発生する磁力線に対して平行に配置されている、装置。
請求項１３に記載の装置であって、
前記第２のＰＥＬＯＣフィンガセットのフィンガは、前記磁力線に対して平行に配置されている、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
前記容器は、大気圧誘導結合プラズマトーチのプラズマ生成容器である、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
前記コイルは、チューブインチューブ構成及び並列巻回（side by side tubing）構成のいずれかによって実現される、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
前記コイルの第１の端部は接地され、前記第１の端部は、また、冷却流体を注入及び排出するための端部でもある、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
前記ＲＦドライバ信号は、約１０ＭＨｚから約１００ＭＨｚまでの間の周波数を有する、装置。
プラズマによってプラズマ基板を処理するように構成されている大気圧誘導結合プラズマトーチであって、
前記プラズマを閉じ込めるための手段であって、プロセスガスを受け取るための少なくとも１つの入口と、前記プラズマを排出するための少なくとも１つの開口端とを有する手段と、
前記円筒に巻き付けられ、ＲＦドライバ信号を受信するように構成され、コイル長を有するコイルと、
前記コイルに電気的に結合され、コイル電圧が降下する距離を効果的に短くして前記コイル長未満にするために前記円筒の周りを少なくとも部分的に取り巻くように配置される手段であって、前記コイル電圧は、前記コイルが前記ドライバＲＦ信号によって通電されるときに生じること、
を備えるプラズマトーチ。