JP2017513189A - 電力の一様性が改善されたマイクロウェーブプラズマアプリケータ - Google Patents

Abstract

プラズマ発生用装置が提供される。本装置は、プラズマ放電管と、プラズマ放電管の外側周囲に螺旋状に巻回した導電性コイルとを含む。プラズマ放電管を包囲するマイクロ波キャビティに、プラズマ放電管内にプラズマが発生されるようにプラズマ放電管内にマイクロ波エネルギーを案内する導波管が結合される。導波管は、マイクロ波エネルギーの電界が、プラズマ放電管の長手方向軸に対して垂直の角度に配向される所定角度に位置決めされる。導電性コイル内に結果として生じた誘導電流が、プラズマ放電管における電力吸収に影響し、前記所定角度を、プラズマ放電管における電力がプラズマ放電管の長手方向軸に対する所定プロファイルに従い吸収されるように選択自在である。

Description

本発明はマイクロウェーブプラズマシステムに関し、詳しくは、処理用途用の反応性ガス種を生成するための流体冷却式マイクロウェーブプラズマアプリケータに関する。

反応性ガス及びガス混合物は、電子及び光学デバイス製造用の半導体ウェハ等の材料処理を含む多くの工業的オペレーションで用いられる。反応性ガスは、例えばマイクロエレクトロニクス製造における、誘電性及び半導体材料あるいはフォトレジスト及びポリイミド等の種々のマスキングフィルムを食刻する薄膜堆積及びエッチングで使用され得る。反応性ガスは、誘電性フィルムや金属フィルム形成に使用され得、ウェハの種々の処理ステージでのウェハ表面の洗浄にも使用され得る。

反応性ガス種の分子はガス分子をプラズマ放電で励起させることで生成され得る。放電は、プラズマ源のエネルギーをプラズマ放電管あるいはガス収納チャンバの誘電性窓内に結合させることで発生され得る。マイクロ波エネルギーはプラズマ放電を発生及び維持させるエネルギー源としてしばしば使用される。プラズマ放電を発生させるために使用される一般的なマイクロ波周波数は、利用可能な電源及びシステムコンポーネンツに基づいた２．４５ＧＨｚである。

高度にクリーンな状況下に様々な反応性ガス種を大量生成できるプラズマ源を有することが望ましい。所望されるガス種例には、種々の原子ハロゲン（原子フッ素、塩素、ホウ素等）、原子酸素、原子窒素、そして原子水素が含まれる。マイクロ波エネルギーを使用してプラズマ源内に大量の反応性ガス種を発生させる上での技術的困難の１つは、プラズマ放電管あるいは誘電性窓の冷却である。プラズマ放電管用に空冷を使用できるがこれは液冷に比較して効率が比較的悪い。更に、空冷では大量の熱を除去するための比較的大型で高価なエアブロワあるいはコンプレッサが必要となる。しかも、空冷は半導体製造に使用される最新のクリーンルーム環境に対する互換性を持たない恐れがある。

液冷は効率的であるため有益である。水冷は、水の熱容量が大きいことや、安全に取り扱え且つ環境低負荷であることから特に望ましい。また、冷水はほぼ全ての製造、大学や研究及び開発施設で容易に入手できる。マイクロ波プラズマ放電管冷却用に水を使用する上で障害となるのは、水がマイクロ波エネルギーをも容易に吸収することである。同様に、その他の望ましい冷却液の多くもマイクロ波エネルギーをも容易に吸収する。

ある種の流体、例えば、シリコーン油、幾つかのクロロフルオロカーボン、及び、種々のヒドロカーボン化合物はマイクロ波エネルギーを吸収せず、従ってプラズマ放電管の外側の冷却に使用できる。残念ながら、これらの流体は環境上望ましくない場合があり、取り扱いが危険であり、高価である。更には、これらの流体を使用するにはシステムのコストや複雑性を一層増大させる閉ループ熱交換器を使用する必要がある。

米国特許第５，６２５，２５９号明細書 米国特許第６，１５０，６２８号明細書

プラズマを発生させて活性化されたガスを生成させるために数多くの技法が使用されてきている。それら技法には容量結合放電、誘導結合放電、マイクロ波放電が含まれる。これら従来装置の何れも、工業用途上有益な、高流量で、汚染物を生じない化学活性化ガス生成用には適さないものであった。
従って、解決しようとする課題は、工業用途上有益な、高流量の、汚染物を生じない、化学活性化ガスの生成用に適した、電力の一様性が改善されたマイクロウェーブプラズマアプリケータを提供することである。

本発明の１様相によればプラズマ発生用装置が提供される。本装置は、マイクロ波エネルギーに対して実質的に透明であり且つ長手方向軸を有するプラズマ放電管を含む。プラズマ放電管の外側表面の周囲には導電性材料を含む導電性コイルが実質的に螺旋状に巻回される。マイクロ波キャビティがプラズマ放電管を包囲する。マイクロ波エネルギーをプラズマ放電管内に案内してプラズマ放電管内にプラズマを発生させるよう導波管がマイクロ波キャビティに結合される。導波管は断面長軸及び断面短軸を有し、これらの各軸は、マイクロ波エネルギーの電界がプラズマ放電管の長手方向軸に対して所定角度に配向されるように、プラズマ放電管の長手方向軸に対して位置決めされる。マイクロ波エネルギーの電界はプラズマ放電管の電力吸収に影響する電流を導電性コイル内に誘起させ、前記所定角度は、プラズマ放電管内の電力がプラズマ放電管の長手方向軸に対する所定プロファイルに従い吸収されるように選択できる。

ある実施形態では前記所定角度は電界がプラズマ放電管の長手方向軸に実質的に垂直に配向されるようなものである。ある実施形態では前記所定角度は、電界がプラズマ放電管の長手方向軸に対して３０°〜９０°の角度で配向されるようなものである。ある実施形態では前記所定角度は、電界がプラズマ放電管の長手方向軸に対して４５°〜９０°の角度で配向されるようなものである。ある実施形態では前記所定角度は、プラズマ放電管の長手方向軸に対して電力吸収の一様性が高まるように選択される。

ある実施形態では、導電性コイルはプラズマ放電管の周囲の複数のループを含み、前記複数のループは、隣り合うループ間に空間パターンを形成し、前記空間パターンは、プラズマ放電管内の電力吸収時の導電性コイル内の誘導電流の所定の所望効果に基づいて選択され得る。ある実施形態では前記隣り合うループ間の空間パターンは、プラズマ放電管の長手方向軸に対する電力吸収の一様性が高まるように選択される。ある実施形態では、選択された隣り合うループ間の空間は、選択した隣り合うループに近接するプラズマ放電管内のマイクロ波エネルギーの伝播が増大されるよう、導電性コイル内に誘導される電流を増大させるように減少され得る。ある実施形態では、選択された隣り合うループ間の空間は、選択された隣り合うループに近接するプラズマ放電管内のマイクロ波エネルギーの伝播が減少されるよう、導電性コイル内に誘導される電流を減少させるように増大され得る。

ある実施形態では、導電性コイルはプラズマ放電管に熱結合され、前記導電性コイルはプラズマ放電管を除熱する冷却用流体がそこを通して流動するチャネルを含む。隣り合うループ間の空間は、プラズマ放電管の温度を制御するように選択され得る。
ある実施形態では、装置は導電性コイルの２つの各端部位置にマイクロ波チョークを更に含み、前記マイクロ波チョークがプラズマ放電管からのマイクロ波エネルギー漏れを実質的に防止する。
ある実施形態では導電性コイルはプラズマ放電管の外側表面の周囲に螺旋状に巻回される。

ある実施形態ではコントローラが、マイクロ波エネルギーの電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の所定角度を制御する。装置は、プラズマ放電管内の電磁界強度を表す第１信号を発生するための電磁界センサと、プラズマ放電管内の温度を表す第２信号を発生するための温度センサ、の少なくとも１つを含み得、コントローラは、第１及び第２信号の少なくとも一方に基づき前記所定角度を制御する。装置は、前記所定角度を調節するよう導波管をプラズマ放電管に対して回転させるための少なくとも１つのアクチュエータを含み得、コントローラは前記少なくとも１つのアクチュエータを制御して前記所定角度を制御する。

本発明の他の様相によれば、プラズマ発生用装置が提供される。本装置は、マイクロ波エネルギーに対して実質的に透明であり且つ長手方向軸を有するプラズマ放電管を含む。導電材料を含む導電性コイルがプラズマ放電管の外側表面の周囲に実質的に螺旋状に巻回される。マイクロ波エネルギーの電界が前記導電性コイル内に電流を誘起させ、この電流がプラズマ放電管内の電力吸収に影響する。マイクロ波キャビティがプラズマ放電管を包囲する。マイクロ波エネルギーをプラズマ放電管内に案内する導波管がマイクロ波キャビティに結合されて、プラズマ放電管内にプラズマが発生される。回転結合装置が前記導波管をプラズマ放電管に結合し、それにより、前記導波管がプラズマ放電管に対して回転されることにより、マイクロ波エネルギーの電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度が調節可能とされ、かくして、前記回転結合装置の回転を介して、プラズマ放電管における電力がプラズマ放電管の長手方向軸に対する所定プロファイルにおいて吸収されるように調節され得る。

ある実施形態では、導波管は断面長軸及び断面短軸とを有し、前記回転結合装置が、マイクロ波エネルギーの電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度を調節するように前記断面長軸及び断面短軸をプラズマ放電管の長手方向軸に対して調節自在とされる。

ある実施形態では装置は、マイクロ波エネルギーの電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度を調節するコントローラを更に含む。この装置は、プラズマ放電管内の電磁界強度を表す第１信号を発生するための電磁界センサと、プラズマ放電管内の温度を表す第２信号を発生するための温度センサ、の少なくとも一つを含み得、コントローラは、第１及び第２信号の少なくとも一方に基づき、マイクロ波エネルギーの電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の前記所定角度を制御する。装置は、前記マイクロ波エネルギーの電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度を調節するよう導波管をプラズマ放電管に対して回転させるための少なくとも１つのアクチュエータを含み得、コントローラは前記少なくとも１つのアクチュエータを制御して前記マイクロ波エネルギーの電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度を制御する。

ある実施形態では、前記マイクロ波エネルギーの電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度は３０°〜９０°の範囲で調節自在である。ある実施形態では前記マイクロ波エネルギーの電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度は４５°〜９０°の範囲で調節自在である。ある実施形態では前記マイクロ波エネルギーの電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度は、プラズマ放電管の長手方向軸に関する電力吸収の一様性を高めるように調節される。
ある実施形態では装置は、プラズマ放電管内のプラズマの軸方向一様性をモニタリングするためのセンサを更に含む。

ある実施形態では、導電性コイルは、プラズマ放電管の周囲の複数のループを含み、これら複数のループは隣り合うループ間に空間パターンを形成し、前記空間パターンは、プラズマ放電管内の電力吸収に際しての導電性コイル内に誘導される電流の所定の所望効果に基づいて選択され得る。ある実施形態では前記隣り合うループ間の空間パターンは、プラズマ放電管の長手方向軸に対する電力吸収の一様性を高めるように選択される。ある実施形態では、選択された隣り合うループ間の空間は、選択された隣り合うループに近接するプラズマ放電管内のマイクロ波エネルギーの伝播が増大されるよう、導電性コイル内に誘導される電流を増大させるように減少され得る。ある実施形態では、選択された隣り合うループ間の空間は、選択された隣り合うループに近接するプラズマ放電管内のマイクロ波エネルギーの伝播が減少されるよう、導電性コイル内に誘導される電流を減少させるように増大され得る。

ある実施形態では、導電性コイルはプラズマ放電管に熱結合され、導電性コイルはプラズマ放電管を除熱する冷却用流体がそこを通して流動するチャネルを含む。隣り合うループ間の空間は、プラズマ放電管の温度を最低化しつつマイクロ波エネルギーの電界の伝播を保証するように選択され得る。

ある実施形態では、装置は導電性コイルの２つの各端部位置にマイクロ波チョークを更に含み、前記マイクロ波チョークがプラズマ放電管からのマイクロ波エネルギー漏れを実質的に防止する。
ある実施形態では導電性コイルはプラズマ放電管の外側表面の周囲に螺旋状に巻回される。

本発明の他の様相によれば、プラズマ発生装置用のプラズマ放電管アセンブリが提供される。本アセンブリは、マイクロ波エネルギーに対して実質的に透明で且つ長手方向軸を有するプラズマ放電管を含む。導電性材料を含む導電性コイルがプラズマ放電管の外側表面周囲に実質的に螺旋状に巻回される。マイクロ波エネルギーの電界が導電性コイル内に電流を誘起させ、この電流がプラズマ放電管内の電力吸収に影響する。導電性コイルの２つの各端部位置に複数のマイクロ波チョークが配置され、これらマイクロ波チョークがプラズマ放電管からのマイクロ波エネルギーの漏れを実質的に防止する。

ある実施形態では導電性コイルは、プラズマ放電管の周囲の複数のループを含み、これら複数のループが、隣り合うループ間に空間パターンを形成し、これら空間パターンはプラズマ放電管内の電力吸収に際しての導電性コイルにおける誘導電流の所定の所望効果に基づいて選択され得る。ある実施形態では、隣り合うループ間の空間パターンは、プラズマ放電管の長手方向軸に関する電力吸収の一様性が高まるように選択される。ある実施形態では、選択された隣り合うループ間の空間は、選択された隣り合うループに近接するプラズマ放電管内のマイクロ波エネルギーの伝播が増大されるよう、導電性コイル内に誘導される電流を増大させるように減少され得る。ある実施形態では、選択された隣り合うループ間の空間は、選択された隣り合うループに近接するプラズマ放電管内のマイクロ波エネルギーの伝播が減少されるよう、導電性コイル内に誘導される電流を減少させるように増大され得る。ある実施形態では隣り合うループ間の空間は０．２〜１ｃｍの間である。
ある実施形態では導電性コイルはプラズマ放電管に熱結合され、導電性コイルは、そこを通してプラズマ放電管を除熱し得る冷却用流体が流動するチャネルを含む。

工業用途上有益な、高流量の、汚染物を生じない、化学活性化ガスの生成用に適した、電力の一様性が改善されたマイクロ波プラズマアプリケータが提供される。

図１は、液冷式マイクロ波プラズマアプリケータの略断面図である。 図２は、マイクロ波吸収流体を使用し得る液冷式マイクロ波プラズマアプリケータの略断面図である。 図３は、図２に例示する冷却用ジャケットの１実施形態の略図式断面図である。 図４Ａ、４Ｂは、図２に例示するプラズマアプリケータ２用の電力吸収プロファイルの例示概略図である。 図５Ａ〜５Ｄは、ある実施形態例に従うプラズマアプリケータの略図式図である。 図６は、ある実施形態例に従うプラズマアプリケータ内の電界分布を例示する、図５Ａ−５Ｄのプラズマアプリケータの略断面図式図である。 図７Ａ、７Ｂは、ある実施形態例に従うプラズマアプリケータ内の電力吸収のシミュレーション例を示す、図５Ａ〜５Ｄのプラズマアプリケータの略断面図式図である。 図８Ａ、８Ｂは、図２等に例示する従来のプラズマアプリケータ及び、図５Ａ〜５Ｄ等に例示する、ある実施形態例に従うプラズマアプリケータのプラズマ放電管温度−圧力曲線図である。 図９は、ある実施形態例に従うプラズマアプリケータ内のプラズマ放電管の、多数の長手方向あるいは軸方向の作動温度プロファイルを例示する、温度対軸方向位置のグラフである。 図１０は、ある実施形態例に従うプラズマアプリケータの略斜視図である。 図１１Ａ、１１Ｂは、ある実施形態例に従う、図１０に例示するプラズマアプリケータの作動電力吸収プロファイルの略図式図である。 図１２Ａ〜１２Ｄは、ある実施形態例に従う、他のプラズマアプリケータの略斜視図である。 図１３は、ある実施形態例に従う、制御自在の導波管回転を伴う、他のプラズマアプリケータの略機能ブロック図式図及び斜視図である。

ここで引用することによりその全体を本明細書の一部とする米国特許第５，６２５，２５９号（以下、“２５９特許”とも称する）には、特定方向に配向したマイクロ波電界を、特定通路内においてプラズマ放電管を包囲し、マイクロ波を吸収する冷却用流体を含むチャネルを有するマイクロ波プラズマ放電管に有効結合し得ることが記載される。例えば、プラズマ放電管の中心を貫いて延びる長手方向軸と平行に配向したマイクロ波電界が、螺旋通路に於てプラズマ放電管を包囲する冷却用チャネルを有するプラズマ放電管に有効結合される。

更には、特定方向に配向したマイクロ波電界が、誘電性窓にして、この誘電性窓に接触する１つあるいは１つ以上のチャネルを有し且つマイクロ波を吸収する冷却用流体を収納する誘電性窓に有効結合され得る。例えば、前記誘電性窓の表面と平行に配向したマイクロ波電界が、螺旋通路に於てプラズマ放電管を包囲する１つあるいは１つ以上のチャネルを有するプラズマ放電管に有効結合され得る。

前記‘２５９特許には、マイクロ波吸収用流体のための流体冷却式プラズマアプリケータが記載され、水晶、サファイヤ、あるいはアルミナ等の、マイクロ波エネルギーに対して実質的に透明な材料から形成したプラズマ放電管を含んでいる。サファイヤから形成したプラズマ放電管はフッ素ベースのガスを用いる用途に望ましいものである。冷却用部材がプラズマ放電管を包囲し且つ冷却用部材の内側表面に沿って形成されてプラズマ放電管の外側表面を包囲するチャネルを形成する。冷却用部材の外側表面はプラズマ放電管に熱結合され得る。前記チャネルは、プラズマ放電管の外側表面を覆ってマイクロ波吸収用冷却流体を移送させる導管を提供する。チャネルに隣り合う媒体がプラズマ放電管へのマイクロ波電界の進入を許容し、かくして、チャネルを貫いて流体が流動する間にプラズマ放電間にプラズマが発生し且つ維持される。前記媒体は空気であり得る。

チャネルは螺旋通路においてプラズマ放電管の外側表面を包囲する。マイクロ波電界が、プラズマ放電管の中心を貫いて伸延する長手方向軸と平行に配向され、流体により有意に減衰されること無くプラズマ放電管に入り、かくしてプラズマが形成及び維持され得る。冷却部材は、化学不活性で且つマイクロ波透明性のポリテトラフルオロエチレンから、あるいは、マイクロ波透明性あるいはマイクロ波反射性であり得る高伝熱性材料から形成され得る。冷却用部材内のチャネルはプラズマ放電管の外側表面を覆って流体を押送させるポンプに連結自在である。流体は高伝熱性で且つ使用に便利な水であり得る。

‘２５９特許には、マイクロ波エネルギー源と、実質的にマイクロ波エネルギーに透明性で且つマイクロ波エネルギー源に結合したプラズマ放電管と、プラズマ放電管に関する周囲方向に位置決めされ且つ実質的にマイクロ波エネルギーに透明性の冷却用ジャケットとを含むマイクロ波あるいはプラズマシステムも記載される。前記ジャケットはその内側表面に沿って螺旋状に形成されたチャネルにして、水等の流体を、プラズマ放電管の外側表面上を移送させるチャネルを形成する。チャネルに隣り合う媒体が、プラズマ放電管の中心を貫いて延びる長手方向軸と平行に配向されたマイクロ波電界のプラズマ放電管への進入、及び、チャネルを水が流通する間におけるプラズマの維持を可能とする。システムは、水源に結合したポンプと、チャネルを通して水を循環させるチャネルをも含む。

‘２５９特許には、マイクロ波プラズマシステムで使用する流体冷却式の誘電性窓も記載される。冷却用部材はこの誘電性窓の外側表面と接触する。誘電性窓は、水晶、サファイヤあるいはアルミナ等の、実質的にマイクロ波エネルギーに透明性の材料から形成される。冷却用部材は、水等のマイクロ波吸収性の冷却用流体を誘電性窓の外側表面やチャネルに隣り合う媒体等を覆って移送するためのチャネルを形成する。前記媒体は空気であり得るが、窓を通してのマイクロ波電界の進入、及び、チャネルを流体が流通する間におけるチャンバ内のプラズマの維持を可能とする。

チャネルは、前記窓の外側表面を覆う螺旋通路を形成し得る。誘電性窓の表面と平行に配向される電界は流体により有意に減衰されること無く窓から進入し、かくして、プラズマの形成及び維持が可能となる。冷却部材は、化学不活性で且つマイクロ波透明性のポリテトラフルオロエチレンから、あるいは、マイクロ波透明性あるいはマイクロ波反射性であり得る高伝熱性材料から形成され得る。冷却用部材内部のチャネルはプラズマ放電管の外側表面を覆って流体を押送させるポンプに連結自在である。

図１には従来の液冷式マイクロ波プラズマアプリケータ１の略断面図が示される。アプリケータ１は、誘電性のプラズマ放電管１０を含む。プラズマ放電管１０は、実質的にマイクロ波エネルギーに透明性の材料から作製され、且つ、プラズマ処理用の好適な機械的、熱的、及び化学的特性を有する。代表的な材料には水晶、サファイヤ及びアルミナが含まれる。プラズマ放電管１０の上部１４に位置決めされたガス入口１２により、プロセスガスがプラズマ放電管１０内に導入され得る。プラズマ放電管１０の底部１６は真空チャンバ１８に結合される。真空ポンプ１９を用いてチャンバ１８が脱気される。処理中にプラズマ放電管１０内に発生する反応性ガス種が下流に流れて真空チャンバ１８に入る。

マグネトロン２０が、プラズマ放電管１０内にプラズマを発生させ且つ維持するために必要なマイクロ波エネルギーを発生する。マグネトロン２０の出力部２２はサーキュレータ２４に結合され、このサーキュレータがマイクロ波エネルギーを導波管２６に障害無く通過させ得、前記導波管はプラズマ放電管１０に結合され、かくしてマイクロ波エネルギーがプラズマ放電管１０に移送される。サーキュレータ２４はプラズマ放電管１０からの反射マイクロ波エネルギーをダミー負荷２８に差し向け、マグネトロン２０がダメージを受けないようにする。チューナ３０が導波管２６内の電磁界を乱し、反射マイクロ波エネルギーを最小化させる。

入口３４及び出口３６を有する冷却用ジャケット３２がプラズマ放電管１０を包囲する。ジャケット３２に結合したポンプ３８が冷却液をジャケット３２を通して入口３４に押し込み、出口３６を通してポンプ３８に戻す。液体はプラズマ放電管１０の外側表面全体と直接接触する。かくして、導波管２６内のマイクロ波エネルギーは必ず液体を通して移動してプラズマ放電管１０に到達する。マイクロ波エネルギーが液体に有意に吸収されると、プラズマ放電管１０に結合する導波管２６内のマイクロ波エネルギーはプラズマを形成及び維持するのに十分ではなくなる。

従って、本構成ではマイクロ波エネルギーを有意に吸収しない液体のみが、液冷式マイクロ波プラズマアプリケータ１内で使用される。そのような液体の例には、シリコーン油、幾つかのクロロフルオロカーボン、及び、種々のヒドロカーボン化合物が含まれる。残念なことに、それら流体は環境的に望ましくなく且つ高価である。加えて、それら流体の多くは作業員にとって危険であり、且つ、複雑な取り扱い手順が必要である。更に、これら液体の大半は、システムコストや複雑さを著しく増大させる閉ループ型熱交換器の使用を必要とする。しかも、プラズマ放電管１０が壊れるとこれらの流体が処理機器を汚染させ得る。

図２には、従来のマイクロ波吸収流体を使用することのできる液冷式マイクロ波プラズマアプリケータ２の略断面図である。図２のアプリケータ２は、実質的にマイクロ波エネルギーに透明性で、且つ、プラズマ処理用に好適な機械的、熱的及び化学的特性を有する材料から作製し得る誘電性プラズマ放電管５０が含まれる。それらの材料には、水晶、サファイヤ及びアルミナが含まれる。プラズマ放電管５０の上部５４に位置決めされたガス入口５２が、プラズマ放電管５０内へのプロセスガス導入を許容する。プラズマ放電管５０の底部５６は真空チャンバ５８に結合される。プラズマ放電管５０内に発生した反応性ガス種は下方に流れて真空チャンバ５８に入る。

入口６２及び出口６４を有する冷却用ジャケット６０がプラズマ放電管５０の外側表面６６を包囲する。ジャケット６０は、実質的にマイクロ波エネルギーに透明性の、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の材料から形成される。ジャケット６０は、ジャケット６０の内側表面７０に沿って形成されてプラズマ放電管５０の外側表面を包囲するチャネル６８を含む。チャネル６８は、マイクロ波を吸収する冷却流体をプラズマ放電管５０の外側表面を直接覆って移送する導管を提供する。流体は水であり得る。

チャネル６８は、プラズマ放電管５０の外側表面の周囲の特定通路に入るよう冷却流体を押送する。前記通路は、冷却用流体に対するプラズマ放電管５０の露出面積が最大化されるように選択される。しかしながら前記通路には、特定方向のマイクロ波電界をプラズマ放電管に進入させてプラズマ放電を形成及び維持させるに十分な空間が残される。ある実施形態ではチャネルは通路のループ間が少量分離される螺旋通路においてプラズマ放電管５０の外側表面を包囲する。

導波管７２はプラズマ放電管５０内にプラズマを発生させ且つ維持するために必要なマイクロ波エネルギーをマグネトロン（図２には示さず）からプラズマ放電管５０に搬送する。ある特定実施形態では、マイクロ波電界は、プラズマ放電管５０の中心７６を貫いて延びる長手方向軸７４と平行に配向される。このように配向されることで、マイクロ波エネルギーは流体によって有意には減衰されること無く螺旋状チャネル６８のループ間からプラズマ放電管５０に容易に進入し得、かくしてプラズマを形成及び維持させ得る。

マイクロ波エネルギーはプラズマ放電の発生源として特定されるが、無線周波数（ＲＦ）エネルギー源の使用に対しても適用され得るものとする。マイクロ波吸収性の冷却液の使用が特定されたが、本発明を含むシステムは非吸収性の冷却液も利用可能である。
図３には図２に例示する冷却用ジャケットの実施形態例が略断面図式図で示される。図３を参照するに、入口８２及び出口８４を有する冷却管８０がプラズマ放電管８６の周囲を包囲している。冷却管８０は好ましくは、通路のループ間が少量分離される螺旋通路においてプラズマ放電管８６の外側表面を包囲する。ある特定実施形態ではマイクロ波電界はプラズマ放電管８６の中心９２を貫いて延びる長手方向軸９０と平行に配向される。このように配向されることで、マイクロ波エネルギーは流体によって有意には減衰されること無く螺旋状チャネルのループ間からプラズマ放電管８６に容易に進入し得、かくしてプラズマを形成及び維持させ得る。冷却管８０は金属製あるいは非金属製の何れかであり得、プラズマ放電管８６の外側表面に熱結合され得る。

図１〜３を参照して記載したようなプラズマアプリケータは、工業用途で必要とされる高流量の、無汚染の、化学活性のガスを十分に生成するものであることが望ましい。上述したように、図２に例示するマイクロ波プラズマアプリケータ２は、マイクロ波キャビティと、螺旋状の冷却用コイル８０を備える誘電性プラズマ放電管５０とを含む。導波管７２内のマイクロ波電界の方向は、プラズマ放電管５０の長手方向軸７４と平行に配向される。螺旋状の冷却コイル８０のループはプラズマ放電管５０の長手方向軸にほぼ垂直であることから、この電界方向により、マイクロ波エネルギーは螺旋状の冷却コイル８０の巻回間あるいはループ間からプラズマ放電管５０内に容易に進入できる。

図２の装置ではマイクロ波電力吸収は非常に限局化される。図４Ａ及び４Ｂには、図２に例示するプラズマアプリケータ２の電力吸収プロファイルが略示される。詳しくは、図４Ａには導波管７２に垂直な方向から見た場合の図２のプラズマアプリケータ２の電力吸収プロファイルが示される。図４Ｂには、導波管７２に沿った方向から見た場合の図２のプラズマアプリケータ２の電力吸収プロファイルが示される。図４Ａ及び４Ｂから分かるように、プラズマ放電管５０における電力吸収プロファイルはプラズマ放電管５０へのマイクロ波入口に面する領域に集中している。ピーク電力密度のピークが高いと反応性ガス及びプラズマによるプラズマチャネルの過剰腐食の原因となる。更には、導波管入口付近の熱フラックスピークが高いと誘電性プラズマ放電管５０を破壊させ得る高熱−機械的応力が発生する。その結果、プラズマアプリケータ２のこのタイプでの最大作動電力は約３ｋＷに制限される。

誘導結合型及び容量結合型プラズマ装置を使用して活性化ガスを発生させ得るが、それらの装置にも厳しい制限がある。容量結合型プラズマのエネルギーは反応性ガスを発生させるには不十分である。電流が放電電極位置で終端するため、エネルギーの有意部分が電極で損失され、かくして、ガス励起用に利用出来るエネルギーが減少する。更には、電極面に高エネルギーの電子やイオンが発生してプラズマ源表面の腐食が増大する。これは化学及び粒子汚染を高めて製品寿命を縮める。

誘導結合型プラズマは容量結合型プラズマ装置と比較して高いエネルギー効率を有し得る。しかしながら、誘導結合型プラズマ装置における容量結合を完全に排除するのは困難である。磁気結合効率を高めるために、誘導結合型プラズマ装置内で、例えば、ここでの参照によりその全体を本明細書の一部とする米国特許第６，１５０，６２８号に記載される形式のトロイダル型プラズマ発生器等において磁気コアを使用し得る。トロイダルの幾何学の使用によりプラズマチャンバを形成するために使用し得る材料選択が制限される。アルミニューム、陽極処理アルミニュームあるいはアルミナセラミック等の金属、被覆金属あるいはセラミクスを使用してトロイダルプラズマチャンバを形成し得る。しかしながら、サファイヤ等の単結晶材料でプラズマチャンバを形成するのは困難である。これが、低い化学及び粒子汚染を要する用途での誘導プラズマ源の使用を制限する。

幾つかの実施形態例では、従来のマイクロ波プラズマアプリケータと比較して電力堆積の一様性が改善され、電力容量が大きく、且つ、汚染性の低いマイクロ波プラズマアプリケータが提供される。この実施形態例のアプリケータは、マイクロ波キャビティャと、導電性の冷却用コイルで包囲された誘電性プラズマ放電管とを含む。ある特定実施形態例では導電性の冷却用コイルはプラズマ放電管の外部上に螺旋状に巻回され得る。導波管におけるマイクロ波電界の方向は、プラズマ放電管の長手方向軸に対して３０°〜９０°の間、好ましくは４５°〜９０°の間の角度である。導電性コイルのループと平行の電界成分を有することから、導電性コイル内に電流が誘起される。この電流は導電性の冷却用コイルに沿って流れ、それが、マイクロ波エネルギーを誘電性プラズマ放電管の長手方向に沿って且つその周囲を方位角度的に伝播させ、かくしてマイクロ波電力はプラズマに一段と一様に吸収される。

図５Ａ〜５Ｄには、幾つかの実施形態例に従うプラズマアプリケータ１００が例示される。詳しくは図５Ａには、実施形態例に従うプラズマアプリケータ１００の部分破除した略斜視図が示され、図５Ｂには、ある実施形態に従うプラズマアプリケータ１００の略側面図が示され、図５Ｃにはある実施形態例に従う、図５Ｂの線Ａ−Ａに沿ったプラズマアプリケータ１００の略断面図が示される。図５Ｄには、ある実施形態例に従う、螺旋状の導電性冷却コイルで包囲されたプラズマ放電管の詳細断面図が示される。

図５Ａ〜５Ｃに例示するプラズマアプリケータ１００のある実施形態では導波管１７２が、電界が誘電性プラズマ放電管１５０の長手方向軸から９０°の方向であるように配向される。ある実施形態では導波管１７２は矩形断面を有し、広幅側が導波管１７２の断面長軸１７０を形成し、狭幅側が断面短軸１７１を形成する。導波管１７２は、この導波管１７２の断面長軸１７０がプラズマ放電管１５０の長手方向軸１５１と平行となるように配向される。導波管１７２内のマイクロ波電界は、その基本モードでは導波管１７２の断面短軸１７１と主に平行である（図１２Ｂ参照）。マイクロ波エネルギーは導波管１７２を通してキャビティ１５２に結合あるいは案内される。導電性冷却コイル１６０で包囲された誘電性プラズマ放電管１５０はキャビティ１５２の中心に位置付けられる。導電性冷却コイル１６０はプラズマ放電管１５０に熱結合され、かくして、プラズマ放電管１５０を除熱する。ある実施形態では導電性冷却コイルは図５Ａ〜５Ｄのある実施形態に例示されるように、プラズマ放電管５０の外部周囲に螺旋状に巻回される。隣り合うループ間の空間は、プラズマ放電管の温度を制御するように選択され得る。隣り合うループ間の空間は、プラズマ放電管の温度を最小化しつつ、マイクロ波電界の電波が保証されるように選択され得る。

ある実施形態では、導電性冷却コイルの隣り合うループ間の空間は、プラズマインピーダンス、及び／又は、マイクロ波電力レベルに従い調節され得るようにプラズマ放電管上で調節自在であり得る。この目的上、ある実施形態例では導電性冷却コイルは可撓性金属管から作製され得る。誘電性形態あるいはスペーサを導電性冷却コイル上に配置して隣り合うループ間の空間を設定できる。可撓性金属管は、銅等の軟質メタルから作製し得、あるいは、ベローズに類似する弾性構造を有し得、あるいは、グースネックチューブで使用するそれに類似の可撓性メカニズムを有し得る。前記空間は、例えば、プラズマ放電管内の電力堆積の一様性を向上させるために調節され得る。一般に、ある実施形態では導電性冷却コイルの隣り合うループ間の空間はプラズマ放電管内の任意の所望の電力プロファイルを入手するために調節され得る。

導電性冷却コイル１６０の螺旋ターンあるいはループが導波管１７２の電界とほぼ平行であるため、電流が導電性冷却コイル１６０内に誘起される。螺旋状の導電性冷却コイル１６０に沿った電流流れはプラズマ放電管１５０の長手方向軸１５１に沿ってのマイクロ波エネルギー伝播を支援する。ある実施形態では円形あるいは楕円形等のその他形状の導波管も使用できる。

ある実施形態では導電性冷却コイル１６０は、冷却流体がその内部を流動する銅管から作製され得る。四角形あるいは矩形断面の冷却管の使用は誘電性プラズマ放電管１５０と冷却コイル１６０との間の接触面積を広げ、かくして誘電性プラズマ放電管１５０から冷却コイル１６０への熱伝導を向上させることから有益である。冷却流体は上述した任意の冷却流体であり得る。ある実施形態では冷却流体は水である。ある実施形態では、図５Ｄで１５４Ａ、１５４Ｂ、１５４Ｃ及び１５４Ｄとして特に付記したマイクロ波チョーク１５４が、マイクロ波キャビティ１５２からのマイクロ波エネルギー漏れを防止するために冷却構造の端部位置に位置付けられる。前記冷却構造は、冷却流体、例えば水がそこから冷却コイル１６０に入る流体入口１５６と、冷却流体がそこから冷却コイル１６０を出る流体出口１５８とを含み得る。ガスはガス入口１５９を通して誘電性プラズマ放電管１５０に入る。ある実施形態では、温度センサ１５７を使用してプラズマ放電管１５０の外部温度プロファイルがモニターされる。温度センサ１５７は、マイクロ波キャビティ１５２上に位置決めされ且つ長手方向軸１５１に沿って配置された、プラズマ放電管１５０の外部温度及び外部温度プロファイルをモニターする赤外熱センサ列であり得る。温度信号は制御システムに送られ、プラズマ放電管１５０の保護及びプロセス最適化のために使用される。プラズマからの放出光をモニターするための光学センサ１６４がマイクロ波キャビティ１５２内に組み込まれ得る。光学センサは、誘電性プラズマ放電管１５０内でプラズマが点火されると起動される。その信号はマイクロ波電力投入後のプラズマ形成を表示し、その後のプロセスパラメータを制御するために使用され得る。随意的には、誘電性プラズマ放電管１５０に圧力センサ（図示せず）を流体結合してプロセス中の誘電性プラズマ放電管１５０内のガス圧をモニターし得る。

図６にはプラズマアプリケータ１００内での電界分布を例示する略断面図式図が示される。導波管１７２の、図６ではキャビティ１５２の左側に例示される後壁１７４は、螺旋状の導電冷却コイル１６０の外半径から約半波長（λ／２）である様に選択され、かくして、プラズマ放電管１５０の２つの側部における対称の電界強度を維持しつつ、螺旋状導電性冷却コイル１６０内に最大電流を誘起させる。ある実施形態では誘電性プラズマ放電管１５０の直径は１〜１０ｃｍの間であり、その長さは１０〜１００ｃｍの間である。

図７Ａ及び７Ｂには、プラズマアプリケータ１００の略断面図式図が示され、ある実施形態に従うプラズマアプリケータ１００の電力吸収プロファイルがシュミレートされている。図７Ａは導波管１７２に垂直な方向から見た場合の配向が示され、図７Ｂには導波管１７２に沿った方向から見た場合の配向が示される。図７Ａ及び７Ｂのシュミレートされた電力吸収プロファイルは図６に例示する電界分布に相当するものである。図７Ａ及び７Ｂには、この実施形態ではマイクロ波電力が、マイクロ波の有限波長により、幾つかの波構造と共にプラズマ放電管１５０の長さ全体に渡り吸収されることが例示される。

図７Ａ及び７Ｂに例示される電力吸収プロファイルは、マイクロ波電力の吸収がプラズマ放電管１５０の長さ全体に伸延することを例示する。螺旋状の導電性冷却コイル１６０内を流れるマイクロ波電流とプラズマとの間の電力結合は比較的弱い。マイクロ波エネルギーはプラズマ放電管１５０の長手方向軸において５０〜１００ｃｍまでの長さを伝播され得る。電力吸収は、マイクロ波の有限波長により、プラズマ放電管１５０の長手方向軸に沿った波形構造を有する。マイクロ波エネルギーは誘電性プラズマ放電管１５０の外側から結合することから、電力吸収も又、プラズマカラムの外半径位置で生じる。図７Ａ及び７Ｂの電力吸収プロファイルは図２、４Ａ及び４Ｂのプラズマアプリケータ２のそれと比較してずっと一様化されている。

先に詳しく説明し且つ図５Ｄ、６、７Ａ及び７Ｂに例示されるように、ある実施形態では、特に図５Ｄに１５４Ａ、１５４Ｂ、１５４Ｃ、１５４Ｄとして特に付記したマイクロ波チョーク１５４が、マイクロ波キャビティ１５２からのマイクロ波エネルギー漏れを防止するために冷却構造の端部位置に位置付けられる。チョークは約１／４波長の短絡スタブラインである。チョーク１５４の開口部はプラズマ放電管に面している。各チョーク１５４の短絡端部位置では電界は最小となり、他方、電流は最大となる。１／４波長離れると電界は最大となり、電流は最小となる。プラズマ放電管に面するチョーク開口部位置には高インピーダンスが生じ、それがプラズマ放電管に沿ったマイクロ波エネルギーの更なる伝播を防止する。
ある実施形態は、２つのチョークをプラズマ放電管の各端部位置に配置した“ダブルチョーク”構造を有する。この実施形態に従うダブルチョーク構造を使用すると、単一チョーク構造の場合は電界減少量は１倍であり得るのと比較して、マイクロ波電界は２倍（電力では４倍）減少する。プラズマ放電管の端部位置におけるこのようなマイクロ波電界及び電力低下により、プラズマ放電管の端部位置から逃失するマイクロ波電界及び電力量をブロックあるいは実質的に低下させる。その結果、プラズマ放電管内部でより大きな電力を利用できる。図６、７Ａ及び７Ｂに例示するチョーク１５４はストレートチョークであり、図５Ｄに１５４Ａ、１５４Ｂ、１５４Ｃ、１５４Ｄで示すチョークはフォールドチョークであることを銘記されたい。ストレートチョーク及びフォールドチョークは、その電気的長さが同一である限り、作動特性は同じである。この開示はフォールドチョーク及びストレートチョークの何れに対しても適用され得る。

ある実施形態では、電力の一様な吸収は、装置の最大電力能力がピーク熱負荷により制限されることがあることからハイパワープラズマ源にとって有益である。電力一様性が向上するとピーク熱フラックス及び表面温度が低下され、かくしてプラズマ放電管における熱−機械的応力が低下されるようになる。プラズマアプリケータのキャビティ１５２の端部に位置付けられたマイクロ波チョーク１５４が、アプリケータのキャビティ１５２内部のマイクロ波エネルギーを反射し且つ閉じ込める。その結果、プラズマアプリケータ１００の長さを広範囲に於て選択できるようになる。従って、この実施形態のプラズマアプリケータ１００は種々の電力条件及びガスケミストリーを収受するべく大きさを変更可能である。図５Ａ〜５Ｄの特定実施形態におけるプラズマアプリケータ１００では２．５４ＧＨｚのマイクロ波周波数を使用できる。本記載は８００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚのマイクロ波周波数に対して適合し得るものとする。

図８Ａ及び８Ｂには、図３に示すプラズマアプリケータ２等の従来のプラズマアプリケータのプラズマ放電管温度−圧力曲線と、図５Ａ〜５Ｄに示すプラズマアプリケータ１００等のある実施形態のプラズマアプリケータのプラズマ放電管温度−圧力曲線とが示される。図８Ａ及び８Ｂのグラフでは従来のアプリケータ２が点線曲線で示され、本発明のある実施形態のアプリケータ１００が実線曲線で表わされる。２対の曲線をベースにした作動実験の各々では、試験を行ったプラズマアプリケータのサイズ、冷却構造及びガス条件下での作動は同じであった。図８Ａの曲線では両アプリケータは１．５ｋＷの電力で作動され、図８Ｂの曲線では３ｋＷの電力で作動された。図８Ａ及び８Ｂに例示されるように、電界が従来のプラズマアプリケータ２におけるそれに対して９０°回転された本実施形態のプラズマアプリケータ１００は従来のプラズマアプリケータ２より４０〜５０％低温であった。

図９には、本発明のある実施形態に従うプラズマアプリケータ１００内のプラズマ放電管１５０の、多数の長手方向又は軸方向作動温度プロファイルを例示した、温度対軸方向位置のグラフが示される。図９の多数の曲線は、種々のガス流れ及び電力条件下における種々の温度プロファイルを示すものである。プラズマアプリケータ１００は６ｋＷまでのマイクロ波電力で作動されるが、これは従来のプラズマアプリケータ２の最大作動電力の約２倍であるが、プラズマ放電管１００のピーク温度は従来のプラズマアプリケータ２のそれ以下である。プラズマアプリケータ１００の長さは変更可能であることから、必要であれば電力容量を増大させ得る。

ある実施形態では、プラズマ内の電力堆積の一様性を更に向上させるため、螺旋状の導電性冷却コイル１６０のピッチ角をプラズマ放電管１５０の長手方向軸に沿って変更できる。即ち、螺旋状の導電性冷却コイル１６０のループ間の空間を変更して電力吸収プロファイルの一様性を向上させ、及び／又は、所望の電力吸収プロファイルを入手可能である。
プラズマ放電管１５０の螺旋状の導電性冷却コイル１６０は多数の機能、即ち、プラズマにマイクロ波エネルギーを伝播及び結合し、及び、誘電性プラズマ放電管１５０を冷却する上で役立つ。マイクロ波電力が増大するに従い、プラズマ放電管１５０における熱−機械応力が増大する。上述したように、本実施形態ではプラズマ放電管１５０の電力容量を最大化するために螺旋状の導電性冷却コイル１６０が管から作製され、冷却流体が螺旋状の導電性冷却コイル１６０内を流動してプラズマ放電管１５０を除熱し得る。伝熱性の、コンフォーマルな接着材、例えば、熱シリコーン化合物を使用して、螺旋状の導電性冷却コイル１６０を誘電性プラズマ放電管１５０に接着させ得る。ある実施形態では、螺旋状の導電性冷却コイル１６０の隣り合うループ間の空間は、マイクロ波伝播／結合、及び熱伝達要件の最適化に基づいて選択され得る。空間を狭めると、隣り合うループ間の電界は増大し、それが螺旋状の導電性冷却コイル１６０内の誘起電流を増大させ得、かくして、マイクロ波エネルギーの、プラズマ放電管１５０への結合及びその長手方向に沿った伝播を増大させ得る。しかしながら、空間を狭めると螺旋状の導電性冷却コイル１６０位置に電気放電をも生じさせ得る。この恐れを低下させるべく、誘電性材料を隣り合うループ間の空間に堆積させて充填し、放電閾値が高められる。逆に、ループ間の空間が広いと誘電性プラズマ放電管１５０から螺旋状の導電性冷却コイル１６０内を流動する冷却流体への伝熱が低下し、それが熱−機械的応力を高め、且つ、誘電性プラズマ放電管１５０におけるプラズマ腐食を増大させることがある。ある実施形態では、１〜１０ｋＷの作動電力時における誘電性プラズマ放電管１５０の螺旋状の導電性冷却コイル１６０のループ間の好ましい間隔は０．２〜１ｃｍである。

図１０には、本発明の他の実施形態に従うプラズマアプリケータ２００の略斜視図が示される。図１０のプラズマアプリケータ２００は多くの点で図５Ａ〜５Ｄに示すプラズマアプリケータ１００と同じであり、主たる相違は、図１０のプラズマアプリケータ２００において導波管２７２がプラズマ放電管２５０に対して矢印２７３で示すようにその長手方向軸を中心として回転され、かくして、導波管２７２の断面短軸２７１、従ってマイクロ波電界はプラズマ放電管２５０の長手方向軸２５１に対して所定の角度を成す点である。この相違点以外については図５Ａ〜５Ｄに示すプラズマアプリケータ１００に関する記載は図１０のプラズマアプリケータ２００に適用されるものとする。

図１０を参照するに、この特定実施形態例では導波管２７２の断面短軸２７１と、プラズマ放電管２５０の長手方向軸２５１との間の所定角度は、図５Ａ〜５Ｄに示すプラズマアプリケータ１００では９０°であるのに代えて６０°で示される。プラズマ放電管２５０のマイクロ波電界と長手方向軸２５１との間の角度を鋭角とするのは、比較的短いプラズマ放電管２５０内にマイクロ波電力を一様に堆積させる上で特に有益である。プラズマアプリケータ１００と同様に、図１０のプラズマアプリケータ２００でも、螺旋状の導電性冷却コイル（図示せず）のループはプラズマ放電管２５０の長手方向軸にほぼ垂直である。螺旋状の導電性冷却コイル１６０のループからの電界方向が角度付けされることで、電界は螺旋状の導電性冷却コイルのループに関する垂直及び平行の両成分を有する。垂直方向電界成分

は、螺旋状の導電性冷却コイルに比較的容易に進入して限局的に吸収される。平行方向電界成分Ｅ_//は螺旋状の導電性冷却コイル内に電流を誘起させ、プラズマ放電管２５０の長手方向軸に沿ったマイクロ波エネルギー伝播を支援する。マイクロ波電界と、螺旋状の導電性冷却コイルとの間の角度を調節して

及びＥ_//の相対強度を変更することで、プラズマ放電管２５０内の電力吸収プロファイルを最適化することが可能である。

図１１Ａ及び１１Ｂには、図１０に例示するプラズマアプリケータ２００の作動電力吸収プロファイルの略図式図が示される。詳しくは、図１１Ａには、導波管２７２に垂直な方向から見た場合のマイクロ波電力吸収プロファイルの略断面図が示され、図１１Ｂには、導波管２７２に沿った方向から見た場合のマイクロ波電力吸収プロファイルの略断面図が示される。本実施形態では、導波管２７２の断面短軸２７１と、プラズマ放電管２５０の長手方向軸２５１との間の角度は６０°である。この角度では、図１１Ａ及び１１Ｂに示す直径３．８ｃｍ、長さ２０ｃｍの誘電性プラズマ放電管のマイクロ波電力吸収が最適化される。

図１２Ａ〜１２Ｄには他のプラズマアプリケータ２００Ａの略斜視図が示され、ある実施形態では導波管の断面短軸、即ち、“Ｅ”を付記した矢印あるいはベクトルで示すマイクロ波電界と、プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度がリアルタイムで調節され得る。図１２Ａを参照するに、プラズマアプリケータ２００Ａは図１０のプラズマアプリケータ２００と同一であり、プラズマアプリケータ２００Ａでは導波管２７２Ａをマイクロ波キャビティ２５２Ａ及びプラズマ放電管２５０Ａに結合する可撓性又は回転ジョイント２７５及び２７６を含む点が相違する。可撓性又は回転ジョイント２７５及び２７６により導波管２７２Ａをプラズマ放電管２５０Ａに対して矢印２７３Ａで示すように回転させ得、かくして、プラズマ放電管２５０Ａに対するマイクロ波電界の角度をリアルタイムで、例えば、特定のプラズマ負荷に合致させるように調節し得る。

図１２Ｂ〜１２Ｄには、図１２Ａに示す回転ジョイント２７５及び２７６の実施形態が示される。各回転ジョイントは２つの円形フランジを含み、一方はマイクロ波キャビティ２５２Ａに固定され、他方は導波管２７２Ａに固定される。導波管内の最低オーダーのマイクロ波電界の方向は、図１２Ｂ及び１２Ｄに“Ｅ”を付記した矢印あるいはベクトルで示す断面短軸と主に平行である。マイクロ波キャビティ２５２Ａと、このキャビティの前後の各側面に面する導波管との間の角度は、導波管のセクションをマイクロ波キャビティに対して回転させることで調節可能である。所望の角度が得られたフランジ２６２Ａ及び２６２Ｂ（あるいは２６３Ａ及び２６３Ｂ）をクランプ及び錠止し得る。ある実施形態では、フランジの相対する表面はジョイントからのマイクロ波漏出を防止するために電気的に接触される。図１２Ｃに示すような他の実施形態ではマイクロ波チョーク２６４が、導波管のフランジ２６３Ａ又は２６３Ｂにアセンブリされる。マイクロ波チョーク２６４を使用すると、導波管のフランジが電気的に接触されない場合において回転するジョイントからのマイクロ波漏出を防止する。これにより、回転ジョイントの相対角度をより調節し易くなる。

ある実施形態では、プラズマ放電管に対する導波管の回転を、プラズマ放電管に対するマイクロ波電界の角度をリアルタイムで調節できるように精密に制御できる。その結果、マイクロ波電力吸収プロファイル、及び／又は、電磁界分布、及び／又は、プラズマ放電管内の温度分布のリアルタイム調節が実現する。図１３には、ある実施形態に従う、導波管回転を制御自在のプラズマアプリケータの略斜視図が示される。図１３を参照するに、導波管３７２の、プラズマ放電管２５０Ａに対する回転が、プロセッサ／コントローラ３１４と、１つあるいは１つ以上の起動コントローラ３１８Ａ、３１８Ｂ、及び１つあるいは１つ以上のアクチュエータ３２０Ａ、３２０Ｂを介して制御可能とされている。

図１３に示すように、プラズマ放電管２５０Ａは１つあるいは１つ以上の電磁界センサ３１０、及び／又は、１つあるいは１つ以上の温度センサ３１２を有する構成とされ得る。本実施形態において、ゼロを含む任意数の電磁界センサ３１０及びゼロを含む任意数の温度センサ３１２を使用し得、各センサは種々の位置、及び／又は、プラズマ放電管２５０付近に物理的に位置付けられるものとする。図１３では、任意の位置及び全ての位置の任意の及び全ての電磁界センサは参照番号３１０で集約して示され且つ参照される。図１３では、同様に、任意の位置及び全ての位置の任意の及び全ての温度センサは参照番号３１２で集約して示され且つ参照される。

電磁界センサ３１０は、プラズマ放電管２５０Ａ内、及び／又は、付近における電磁界強度及びその一様性を表わす信号をプロセッサ／コントローラ３１４に提供し得る。温度センサ３１２は、プラズマ放電管２５０Ａ内、及び／又は、付近における温度及びその一様性を表わす信号をプロセッサ／コントローラ３１４に提供し得る。プロセッサ／コントローラ３１４は、受けた信号を処理し、所望の電磁界、及び／又は、電力吸収、及び／又は、温度プロファイルが達成されたかを判定する。次いで、プロセッサ／コントローラ３１４は起動制御信号を発生し、この信号をアクチュエータコントローラ３１８Ａ、３１８Ｂの一方あるいは両方に送り、これらコントローラが、アクチュエータアーム３２０Ａ、３２０Ｂの、例えば夫々の長手方向偏倚等の動作を制御する。アクチュエータアーム３２０Ａは導波管３７２の前方あるいは下方セクション３７２Ａの、回転ジョイント２７６を中心とする回転を制御し、アクチュエータアーム３２０Ｂは導波管３７２の後方あるいは上方セクション３７２Ｂの、回転ジョイント２７５を中心とする回転を制御する。かくして、ある実施形態では、電磁界センサ３１０、及び／又は、温度センサ３１２、プロセッサ／コントローラ３１４が提供するフィードバックを用いて導波管３７２の、プラズマ放電管２５０Ａに対する回転を制御し、かくして、プラズマ放電管２５０Ａにおける所望の電磁界、及び／又は、電力吸収、及び／又は、温度プロファイルを達成する。

ある実施形態では、下方セクション３７２Ａ及び上方セクション３７２Ｂの両方をプラズマ放電管２５０Ａに対して同じ角度で回転させることが受け入れ可能あるいは望ましい場合がある。そのような実施形態では、アクチュエータコントローラ３１８Ａ、３１８Ｂの一方のみが必要であり、他方は排除され得る。この場合、随意的な剛性アタッチメント部材３７８を使用して下方セクション３７２Ａ及び上方セクション３７２を装着し、かくして、前記セクションの一方が起動されて回転すると、前記セクションの他方は剛性アタッチメント部材３７８を介して同一に回転される。

ある実施形態では、導波管３７２の、プラズマ放電管２５０Ａに関する回転を手動制御するためにユーザーが入力を提供することも可能である。閉ループ制御に加えて、ユーザー入力は、電磁界センサ３１０、及び／又は、温度センサ３１２により容易化され得る。ユーザー入力は、閉ループ制御に代替もさせ得、即ち、電磁界センサ３１０、及び／又は、温度センサ３１２からのフィードバックに代えてユーザー入力を使用できる。つまり、ある実施形態では随意的なユーザー入力を介して、プラズマ放電管２５０Ａに対する導波管３７２の回転を開ループ制御することができる。

本発明によれば、材料処理用の反応性ガスを発生させるための改良されたマイクロ波プラズマアプリケータが提供される。本発明によれば、プラズマにおける電力吸収が高度に一様化され、かくしてプラズマチャンバ壁へのピークパワーフラックスが低下され、且つ、表面腐食が減少される。本発明によれば、プラズマチャンバにおける熱−機械的応力も低下され、プラズマアプリケータの電力用量が増大される。チャンバ壁の表面腐食が低下され、プラズマチャンバにおける熱−機械的応力が低下されることでアプリケータの使用寿命が延びる。プラズマトポロジーが、例えば、円形、楕円形、あるいは矩形断面の直線誘電管をプラズマチャンバとして使用し得るように用いられる。これにより、プラズマ放電チャンバ用の、例えば、単結晶あるいはセラミック形態におけるＡl₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＹＡＧ、ＭｇＯ、及び／又は、ＳiＯ₂等の誘電材料に対する、プラズマチャンバ形成及び種々のプラズマケミストリ取り扱いのための選択の幅が広がる。本発明のプラズマアプリケータは、水素、酸素、窒素、フッ素、塩素等の高反応性ガス、及びそれらガスの混合物と共に、ガス流量の変化に素早く応答する状態下に作動し得る。それらガスの例には、Ｈ₂、Ｏ₂、Ｎ₂、ＮＦ₃、Ｃｌ₂、ＨＣＬ、ＮＨ₃、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₃Ｆ₈、Ｃ₄Ｆ₈、Ｃｌ₃Ｆ、Ｎ₂Ｏ、Ｈ₂Ｏが含まれる。本発明のプラズマアプリケータは、ガス流量０．１〜１００ｓｌｍ、ガス圧力範囲０．００１〜１０００トル、及びマイクロ波電力１〜２０ｋＷにおいて作動し得る。電力容量が大きくなると処理スループットが増大される。本発明によれば、プラズマチャンバ表面の腐食及び関連するケミカル及び粒状汚染が最小化される。励起された原子及び分子ガス、例えば原子Ｈ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ等の表面再結合あるいは不活性化が、反応性ガス出力を増大させるために低減される。本発明によれば、半導体製造システムに容易に一体化させ得る高エネルギー効率のプラズマアプリケータが提供される。本発明のプラズマアプリケータを適用可能なプロセスには、フォトレジストストリッピング、異方性エッチング、化学気相蒸着、原子層堆積あるいは食刻、表面酸化、及び／又は、ニトロ化、そして表面洗浄が含まれる。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

１ 液冷式マイクロ波プラズマアプリケータ／アプリケータ
２ マイクロ波プラズマアプリケータ／プラズマアプリケータ／アプリケータ
１０ プラズマ放電管
１２ ガス入口
１４ 上部
１６ 底部
１８ 真空チャンバ／チャンバ
１９ 真空ポンプ
２０ マグネトロン
２２ 出力部
２４ サーキュレータ
２６ 導波管
２８ ダミー負荷
３０ チューナ
３２ 冷却用ジャケット／ジャケット
３４ 入口
３６ 出口
３８ ポンプ
５０ 誘電性プラズマ放電管／プラズマ放電管
５２ ガス入口
５４ 出口
５６ 底部
５８ 真空チャンバ
６０ 冷却用ジャケット／ジャケット
６２ 入口
６６ 外側表面
６８ チャネル／螺旋状チャネル
７０ 内側表面
７２ 導波管
７４ 長手方向軸
７６ 中心
８０ 冷却管／冷却用コイル
８２ 入口
８４ 出口
８６ プラズマ放電管
９０ 長手方向軸
９２ 中心
１００ プラズマアプリケータ／アプリケータ／プラズマ放電管
１５０ 誘電性プラズマ放電管／プラズマ放電管
１５１ 長手方向軸
１５２ キャビティ／マイクロ波キャビティ
１５４ マイクロ波チョーク／チョーク
１５６ 流体入口
１５７ 温度センサ
１５８ 流体出口
１５９ ガス入口
１６０ 導電性冷却コイル／冷却コイル
１６４ 光学センサ
１７１ 断面短軸
１７２ 導波管
１７４ 後壁
２００ プラズマアプリケータ
２００Ａ プラズマアプリケータ
２５０ プラズマ放電管
２５０Ａ プラズマ放電管
２５１ 長手方向軸
２５２Ａ マイクロ波キャビティ
２６２Ａ フランジ
２６４ マイクロ波チョーク
２７１ 断面短軸
２７２ 導波管
２７２Ａ 導波管
２７５ 回転ジョイント
２７６ 回転ジョイント
３１０ 電磁界センサ
３１２ 温度センサ
３１４ プロセッサ／コントローラ
３１８Ａ 起動コントローラ／アクチュエータコントローラ
３２０Ａ アクチュエータアーム
３２０Ｂ アクチュエータアーム
３７２ 導波管
３７２Ａ 下方セクション
３７２Ｂ 上方セクション
３７８ 剛性アタッチメント部材

Claims (38)

1. プラズマ発生用装置であって、
   マイクロ波エネルギーに実質的に透明であり、長手方向軸を有するプラズマ放電管と、
   前記プラズマ放電管の外側表面の周囲に巻回され、導電性材料を含む導電性コイルと、
   前記プラズマ放電管を包囲するマイクロ波キャビティと、
   前記プラズマ放電管内にプラズマが発生されるように前記マイクロ波エネルギーを前記プラズマ放電管内に案内するために前記マイクロ波キャビティに結合した導波管にして、前記プラズマ放電管の長手方向に対して、マイクロ波エネルギーの電界が前記プラズマ放電管の長手方向に対して所定角度に配向されるように位置決めされた断面長軸及び断面短軸を有し、前記マイクロ波エネルギーの電界が、前記導電性コイル内の電流を含み、前記電流が、前記プラズマ放電管内における電力吸収に影響を与え、前記所定角度を、前記プラズマ放電管における電力が前記プラズマ放電管の長手方向軸に対する所定プロファイルに従い吸収されるように選択自在である導波管と、
   を含む装置。
2. 前記所定角度が、前記電界が前記プラズマ放電管の長手方向軸に実質的に対して垂直に配向されるようなものである請求項１に記載の装置。
3. 前記所定角度が、前記電界が前記プラズマ放電管の長手方向軸に対して３０°〜９０°の角度で配向されるようなものである請求項１に記載の装置。
4. 前記所定角度が、前記電界が前記プラズマ放電管の長手方向軸に対して４５°〜９０°の角度で配向されるようなものである請求項１に記載の装置。
5. 前記所定角度が、前記プラズマ放電管の長手方向軸に対する電力吸収の一様性が高まるように選択される請求項１に記載の装置。
6. 前記導電性コイルが、前記プラズマ放電管の周囲の複数のループを含み、前記複数のループが、隣り合うループ間の空間パターンを形成し、前記空間パターンが、前記プラズマ放電管における電力吸収時に前記導電性コイルに誘起される電流の所望効果に基づいて選択される請求項１に記載の装置。
7. 隣り合うループ間の前記空間パターンが、前記プラズマ放電管の長手方向軸に対する電力吸収の一様性が向上されるように選択される請求項６に記載の装置。
8. 選択された隣り合うループ間の空間が、プラズマ放電管の、前記選択された隣り合うループ付近におけるマイクロ波エネルギーの伝播を増大させて導電性コイル内に誘起される電流を増大させるよう、減少される請求項６に記載の装置。
9. 選択された隣り合うループ間の空間が、プラズマ放電管の、前記選択された隣り合うループ付近におけるマイクロ波エネルギーの伝播を減少させて導電性コイル内に誘起される電流を減少させるよう、増大される請求項６に記載の装置。
10. 前記導電性コイルが前記プラズマ放電管に熱結合され、前記導電性コイルが、冷却用流体がそこを流動し得るチャネルを有し、前記冷却用流体が前記プラズマ放電管を除熱する請求項１に記載の装置。
11. 前記導電性コイルの２つの端部位置にマイクロ波チョークを更に含み、前記マイクロ波チョークが実質的に前記プラズマ放電管からのマイクロ波エネルギー漏れを実質的に防止する請求項１に記載の装置。
12. 前記導電性コイルが前記プラズマ放電管の外側表面の周囲に螺旋状に巻回される請求項１に記載の装置。
13. 前記所定角度を制御するためのコントローラを更に含む請求項１に記載の装置。
14. 前記プラズマ放電管内の電磁界強度を表わす第１信号を発生するための電磁界センサあるいは、プラズマ放電管内の温度を表わす第２信号を発生する温度センサの少なくとも一方を更に含み、前記コントローラが、前記第１及び第２信号の少なくとも一方に基づいて前記所定角度を制御する請求項１３に記載の装置。
15. 前記プラズマ放電管に対して前記所定角度を調整するよう前記導波管を回転させるための少なくとも１つのアクチュエータを更に含み、前記コントローラが、前記所定角度を制御するために前記少なくとも１つのアクチュエータを制御する請求項１３に記載の装置。
16. プラズマ発生用の装置であって、
    マイクロ波エネルギーに実質的に透明であり、長手方向軸を有するプラズマ放電管と、
    前記プラズマ放電管の外側表面の周囲に巻回され、導電性材料を含み、前記マイクロ波エネルギーの電界が、前記導電性コイル内に電流を誘起させ、前記電流がプラズマ放電管における電力吸収に影響を与える導電性コイルと、
    前記プラズマ放電管を包囲するマイクロ波キャビティと、
    前記プラズマ放電管内にプラズマが発生されるように前記マイクロ波エネルギーを前記プラズマ放電管内に案内するために前記マイクロ波キャビティに結合した導波管と、
    前記導波管を前記プラズマ放電管に結合するための回転結合装置にして、前記導波管を前記プラズマ放電管に対して回転させることにより前記マイクロ波エネルギーの電界と、前記プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度を調節可能とし、かくして、前記回転結合装置を介して、前記プラズマ放電管における電力が前記プラズマ放電管の長手方向軸に対する所定プロファイルに従い吸収されるように調節自在である回転結合装置、
    を含む装置。
17. 前記導波管が、断面長軸及び断面短軸を含み、前記回転結合装置が、前記断面長軸及び断面短軸を前記プラズマ放電管の長手方向軸に対して調節可能とされ、かくして、前記マイクロ波エネルギーの電界と、前記プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度が調節される請求項１６に記載の装置。
18. 前記マイクロ波エネルギーの電界と、前記プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度を調節するためのコントローラを更に含む請求項１６に記載の装置。
19. 前記プラズマ放電管における電磁界強度を表わす第１信号を発生するための電磁界センサあるいは、プラズマ放電管内の温度を表わす第２信号を発生する温度センサの少なくとも一方を更に含み、前記コントローラが、前記第１及び第２信号の少なくとも一方に基づいて前記マイクロ波エネルギーの電界と、前記プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度を制御する請求項１８に記載の装置。
20. 前記プラズマ放電管に対して前記導波管を回転させることにより、前記マイクロ波エネルギーの電界と、前記プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度を調節するための少なくとも１つのアクチュエータを更に含み、前記コントローラが、前記マイクロ波エネルギーの電界と、前記プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度を制御するために前記少なくとも１つのアクチュエータを制御する請求項１８に記載の装置。
21. 前記マイクロ波エネルギーの電界と、前記プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度が３０°〜９０°の間で調節自在である請求項１６に記載の装置。
22. 前記マイクロ波エネルギーの電界と、前記プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度が４５°〜９０°の間で調節自在である請求項１６に記載の装置。
23. 前記マイクロ波エネルギーの電界と、前記プラズマ放電管の長手方向軸との間の角度が、前記プラズマ放電管の長手方向軸に対する電力吸収の一様性が増大されるように調節される請求項１６に記載の装置。
24. 前記プラズマ放電管内のプラズマの軸方向一様性をモニタリングするためのセンサを更に含む請求項１６に記載の装置。
25. 前記導電性コイルが、前記プラズマ放電管の周囲の複数のループを含み、前記複数のループが、隣り合うループ間の空間パターンを形成し、前記空間パターンが、前記プラズマ放電管における電力吸収時に前記導電性コイルに誘起される電流の所望効果に基づいて選択される請求項１６に記載の装置。
26. 隣り合うループ間の前記空間パターンが、前記プラズマ放電管の長手方向軸に対する電力吸収の一様性が高まるように選択される請求項２５に記載の装置。
27. 選択された隣り合うループ間の空間が、プラズマ放電管の、前記選択された隣り合うループ付近におけるマイクロ波エネルギーの伝播を増大させて導電性コイル内に誘起される電流を増大させるよう、減少される請求項２５に記載の装置。
28. 選択された隣り合うループ間の空間が、プラズマ放電管の、前記選択された隣り合うループ付近におけるマイクロ波エネルギーの伝播を減少させて導電性コイル内に誘起される電流を減少させるよう、増大される請求項２５に記載の装置。
29. 前記導電性コイルが前記プラズマ放電管に熱結合され、前記導電性コイルが、冷却用流体がそこを流動し得るチャネルを有し、前記冷却用流体が前記プラズマ放電管を除熱する請求項１６に記載の装置。
30. 前記導電性コイルの２つの端部位置にマイクロ波チョークを更に含み、前記マイクロ波チョークが実質的に前記プラズマ放電管からのマイクロ波エネルギー漏れを防止する請求項１６に記載の装置。
31. 前記導電性コイルが前記プラズマ放電管の外側表面の周囲に螺旋状に巻回される請求項１６に記載の装置。
32. プラズマ発生装置用のプラズマ放電管アセンブリであって、
    マイクロ波エネルギーに実質的に透明であり、長手方向軸を有するプラズマ放電管と、
    前記プラズマ放電管の外側表面の周囲に巻回され、導電性材料を含み、前記マイクロ波エネルギーの電界が前記導電性コイル内に電流を誘起させ、前記電流が前記プラズマ放電管における電力吸収に影響する導電性コイルと、
    前記導電性コイルの２つの各端部位置における複数のマイクロ波チョークにして、前記プラズマ放電管からのマイクロ波エネルギー漏れを実質的に防止するマイクロ波チョークと、
    を含むプラズマ放電管アセンブリ。
33. 前記導電性コイルが、前記プラズマ放電管の周囲の複数のループを含み、前記複数のループが、隣り合うループ間の空間パターンを形成し、前記空間パターンが、前記プラズマ放電管における電力吸収時に前記導電性コイルに誘起される電流の所望効果に基づいて選択される請求項３２に記載のプラズマ放電管アセンブリ。
34. 隣り合うループ間の前記空間パターンが、前記プラズマ放電管の長手方向軸に対する電力吸収の一様性が高まるように選択される請求項３３に記載のプラズマ放電管アセンブリ。
35. 選択された隣り合うループ間の空間が、プラズマ放電管の、前記選択された隣り合うループ付近におけるマイクロ波エネルギーの伝播を増大させて導電性コイル内に誘起される電流を増大させるよう、減少される請求項３３に記載のプラズマ放電管アセンブリ。
36. 選択された隣り合うループ間の空間が、プラズマ放電管の、前記選択された隣り合うループ付近におけるマイクロ波エネルギーの伝播を減少させて導電性コイル内に誘起される電流を減少させるよう、増大される請求項３３に記載のプラズマ放電管アセンブリ。
37. 前記隣り合うループ間の空間が０．２〜１ｃｍの間である請求項３３に記載のプラズマ放電管アセンブリ。
38. 前記導電性コイルが前記プラズマ放電管に熱結合され、
    前記導電性コイルが、冷却用流体がそこを通して流動し得るチャネルを含み、かくして前記冷却用流体が前記プラズマ放電管を除熱する請求項３２に記載のプラズマ放電管アセンブリ。

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