JP3989584B2

JP3989584B2 - ハイパワー型マイクロ波プラズマアプリケータ

Info

Publication number: JP3989584B2
Application number: JP08132297A
Authority: JP
Inventors: シー．エッティンガーゲイリー; シャンクアンヤン; エス．ロウカム
Original assignee: エーケーティー株式会社
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2017-03-31
Also published as: US5895548A; KR100491214B1; ATE266256T1; EP0800200B1; DE69728926D1; JPH1032099A; EP0800200A3; EP0800200A2; KR970068752A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアプリケータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマに基づく励起源、すなわちプラズマアプリケータは、高反応性の化学的環境及び高温度に耐えることができ且つ大きな入力電力を取り扱うことができなければならないことが多い。例えば、プラズマアプリケータの一般的な応用においては、ＮＦ₃ガスがアプリケータ内に流入して、プラズマにより分解される。そして、生じた活性種がプラズマアプリケータから流出した後、半導体処理設備内に流入し、そこで活性種はインシチュウ（in-situ：その場）チャンバクリーニング、エッチング、フォトレジスト除去又はその他の多数の処理に用いられる。インシチュウチャンバクリーニングのために活性種を用いる例の一つとしては、特願平７−１８５９２４号（発明の名称「遠隔の励起源を用いる堆積チャンバーのクリーニング技術」）明細書（対応米国特許願０８／２７８，６０５）に開示されており、その内容は本明細書で援用する。
【０００３】
前記設備がさらされる極めて劣悪な環境は、プラズマアプリケータを短時間のうちに機能しない状態とする可能性がある。例えば、購入可能な幾つかのアプリケータは、活性種を内含するために石英管を用いている。このようなシステムにおいては、生成されたフッ素が管を極めて短時間でエッチングしてしまう。更に、高パワーレベル（例えば１ｋＷ以上）の場合、石英は分解する傾向がある。従って、ほんの数回或は処理の持続時間の間アプリケータを使用した後、管壁は薄くなり、かかるシステムで用いられる高温及び真空に連続的にさらされると破損することとなる。よって、管の寿命の非常に早い時期に、管は廃棄されて新しい管に交換されなければならない。石英管を繰り返し交換しなければならない不便さとコストは極めて高いものである。
【０００４】
既存のプラズマアプリケータには、石英管の代わりにセラミック管を用いているものがある。セラミック管は、しはしば生ずる化学的な腐食環境において石英管よりも良好に耐えることができる。しかし、セラミック管は万能ではない。セラミック管は、一般的には、石英やその他の材料に比して熱膨張率が比較的に高い。従って、室温と前記システムで一般に生ずる高い処理温度との間での繰返しサイクルは、セラミック管の内部に大きな応力を発生させる。このような応力は管に割れや破損を生ずるおそれがある。
【０００５】
マイクロ波放射線を透過する材料、例えば石英やサファイヤから作られた２本の同軸の管、すなわち外管と内管とを用いた幾つかのマイクロ波プラズマアプリケータが開発されている。内管は、プラズマを内包し、よって高温と腐食性の状況にさらされる管である。内管を冷却するために、水が２本の管の間の環状領域を通して流される。このようなシステムは、１９９５年２月１３日に出願された米国特許願０８／３８７，６０３に開示されており、その内容は本明細書で援用する。水はマイクロ波を吸収するので、環状領域の厚さをどの程度に作るかについての幾つかの制限がある。相当に厚い場合には、マイクロ波は非常に減衰されることとなり、内管内にプラズマを生起させ持続させることが困難となり、或は不可能な場合さえある。他方、この領域が非常に狭い場合には、冷却効率が過剰となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマアプリケータの設計における進歩にも拘らず、未だ、プラズマ管の熱膨張により生ずる大きな熱応力によって、管に割れを生ずるおそれがある。更に、プラズマ管のみが、損傷する要素ではない。プラズマ管内を真空に維持する助けとなり、或は冷却システムをシールする助けとなるシール及びＯリングも、高温やこのようなシステムに生ずる他の劣悪な状況にさらされた場合に、急速に劣化し損傷するおそれがある。更にまた、パワーレベルが１ｋＷを越えて増加した場合、現在入手できるプラズマアプリケータにおける損傷の問題は、より一層ひどくなり、損傷が生ずる頻度は増加する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
一面において、本発明は、概略的に述べると、円筒形の外管と、この外管の内部に同軸に配置され、第１の端部及び第２の端部を有している円筒形のプラズマ管と、プラズマ管の第１の端部に配置された第１の支持体と、第１の端部にてプラズマ管を取り囲み且つプラズマ管と第１の支持体との間で圧縮されるシールであって、プラズマ管の第１の端部から第１の距離で配置されている前記シールと、プラズマ管内に第２の距離をもって延びているシールドと、を備えるプラズマアプリケータである。
【０００８】
また、他の面において、本発明は、概略的に述べると、円筒形の外管と、外管の内部に同軸に配置され、内壁面を有している円筒形のプラズマ管と、プラズマ管内に延びているプラグを有するアダプタと、を備えており、前記プラグが、当該プラグのプラズマ管内に延びている部分とプラズマ管の内壁面と間で環状の間隙領域を画成し、前記アダプタが、作動中にプラズマ管内にプロセスガスを流入させる経路を形成するよう前記環状の間隙領域と連通する流路が内部に形成されているプラズマアプリケータである。
【０００９】
更に他の面において、本発明は、概略的には、円筒形の外管と、外管の内部に配置されると共に外管と軸線方向に整列され、第１の端部及び第２の端部を有している円筒形のプラズマ管と、プラズマ管の第１の端部に配置された第１の支持体であって、プラズマ管及び外管を受け入れる第１の穴が形成されている前記第１の支持体と、前記第１の端部にてプラズマ管を取り囲み且つ前記プラズマ管と前記第１の穴の内壁面との間で延びている第１のシールと、外管を取り囲み且つ外管と第１の穴の内壁面との間で延びている第２のシールとを備えるプラズマアプリケータである。円筒形のプラズマ管と外管とは、作動中に冷却材が流通する環状の間隙領域を、両者間に形成している。
【００１０】
好適な実施態様において、本発明のプラズマアプリケータは、プラズマ管の第２の端部に配置された第２の支持体であって、プラズマ管及び外管を受け入れる第２の穴が形成されている前記第２の支持体と、第２の端部にてプラズマ管を取り囲み且つプラズマ管と第２の穴の内壁面との間で延びている第３のシールと、外管を取り囲み且つ外管と第２の穴の内壁面との間で延びている第４のシールとを更に備えている。プラズマ管は外管よりも長く、プラズマ管は外管の両端から突出している。第１の支持体は、その内部に形成された穴まで貫通して延びている複数の冷却材入口ポートを有している。冷却材が前記複数の冷却材入口ポートを通して環状の間隙領域に導入された場合に、プラズマ管に径方向において生ずる正味の力が実質的に零となるように、複数の冷却材入口ポートはプラズマ管の軸線の回りに配置されている。
【００１１】
本発明は、更に別の面においては、概略的に述べると、円筒形の外管と、外管の内部に配置されると共に外管と軸線方向に整列され、第１の端部及び第２の端部を有している円筒形のプラズマ管であって、作動中に冷却材が流通する環状の間隙領域を外管との間で形成する前記プラズマ管と、プラズマ管の第１の端部に配置された第１の支持体であって、プラズマ管及び外管を受け入れる略円筒形の穴が形成されている前記第１の支持体と、第１の端部にてプラズマ管を取り囲み、プラズマ管と円筒形の穴の内壁面との間で延び、且つ、プラズマ管の第１の端部から第１の距離で配置された第１のシールと、外管を取り囲み且つ外管と円筒形の穴の内壁面との間で延びている第２のシールとを備えており、第１の支持体が、その内部に形成された穴まで貫通して延びている複数の冷却材入口ポートを有し、前記複数の冷却材入口ポートがプラズマ管の軸線の回りに対称的に配置されているプラズマアプリケータである。
【００１２】
本発明の前記種々の面を具現化するプラズマアプリケータは、６ｋＷを容易に扱うことができ、それよりも相当な大きなパワーレベルでも何等問題なく扱えると考えられる。
【００１３】
Ｏリング特有の形状が、サファイヤ管と石英管とに同軸性を与え、また、アプリケータの構成要素の熱膨張差を許容して、サファイヤ管と同様な重要な要素における応力を減じ、更に、ガス・プラズマシステム及び水システムのシールを可能とする。また、水システムとガス・プラズマシステムをシールするために別個独立のＯリングを用いているので、シールは各目的に応じた最適なものとなる。
【００１４】
更に、独特なシールドの構成（すなわち、プラズマ管内に各端部で延びる延長部）は、サファイヤ管のＯリングを幾つかの方法で保護することを可能とする。それは、透過性を有するサファイヤ製プラズマ管を透過した広帯域プラズマ放射にＯリングが直接さらされるのを防止する。また、シールドは、プラズマがプラズマ用Ｏリングに達するまで伝播しなければならない長い経路（すなわち、ラビリンスシール）を提供するものである。この経路は、プラズマがＯリングに到達するのを抑制し、プラズマを冷却し、シールに達するまでに活性度を低減させる。更に、シールドは、プラズマからサファイヤ管の端部に入る熱を減じ、サファイヤ管の端部の温度を低く維持する。Ｏリングはサファイヤ管と直接接触し高温で劣化されるので、温度を低く維持することはＯリングの寿命を延ばす。プラズマＯリングを遮蔽することは、管に接している他のＯリングが受けるような直接的な水冷の利益を受けないので、重要である。
【００１５】
また、プラズマと直接接するシールド（例えば、プラズマ管の端部での延長部）の硬質被膜の陽極酸化処理は、システムと処理チャンバを汚染するパーティクルを生じ得るアーク放電の危険性を大幅に減じる。
【００１６】
他の利点及び特徴については、以下の好適な実施形態から明かとなろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１〜図３を参照すると、本発明を具現化した液体冷却式のハイパワー型遠隔プラズマアプリケータ１０はサファイヤ製のプラズマ管１２を備えており、このプラズマ管１２は外側の石英管１４の内部に同軸に整列して配置されている。プラズマ管１２は、石英管１４よりも長く、石英管１４の両端から突出するように石英管１４内に配置されている。石英管１４の内壁面とプラズマ管１２の外壁面とは狭い環状領域１６を画成しており（図３に明示する）、この環状領域１６に冷却材がプラズマ管１２を冷却すべく流通される。冷却材として水又はその他のマイクロ波吸収液体が用いられる場合、間隙の半径方向寸法は、冷却材がマイクロ波エネルギを吸収しすぎないように十分に小さくされる。
【００１８】
管１２，１４は、中央ボディ２０を含む幾つかの構成要素から成る金属製（例えばアルミニウム）のハウジング内にて支持されている。中央ボディ２０は、矩形の導波部分２２を含んでおり、また、管１２，１４の回りに形成され且つ矩形導波部分の上下に延びる円筒形状の共振空胴２３を有している。矩形導波部分２２は、マイクロ波供給源２０８（図４参照）からのマイクロ波エネルギを受け、それをプラズマ管１２内に結合させ、プラズマ管１２において、稼働中にプラズマを発生させ維持する。また、ハウジングは上部支持カラー２４及び下部支持カラー４６を含んでおり、これら支持カラー２４，４６の両者は中央ボディ２０の両端にそれぞれ螺着されている。上下の支持カラー２４，４６は、管１２，１４の端部を覆うようにして嵌合され、これらの端部を物理的に支持している。このアプリケータ１０のガス入口端部の位置においては、プラグ延長部３２を有するキャッププレート３０が上部支持カラー２４にボルト止めされ、プラグ延長部３２はプラズマ管１２内に下方に延びている。アプリケータ１０の出口端部の位置においては、中空の円筒形延長部５２を有するアダプタプレートが下部支持カラー４６にボルト止めされており、円筒形延長部５２はプラズマ管１２内に上方に延びている。
【００１９】
上部支持カラー２４（図２に明示する）は２つの冷却材入口ポート２６ａ，２６ｂを有しており、これらは互いに対称的に反対向きに配置され、カラー２４の中心を貫通する円筒形の穴２８と連通している。穴２８は、直径Ｄ₁の下部円筒形領域３３と、これよりも小さな直径Ｄ₂の上部円筒形領域３４とを画成する段付き内壁面３１を有している。直径Ｄ₁は、石英管１４を収容できるよう、石英管１４の外径よりも僅かに大きい。更に、下部円筒形領域３３は、Ｏリング４０を保持する単一の溝３８を有している。上部円筒形領域３４の直径Ｄ₂はプラズマ管１２の外径よりも僅かに大きいが、石英管１４の外径よりも小さい。従って、上部円筒形領域３４はプラズマ管１２を収容する。更に、上部円筒形領域３４の内壁面３１には２本の溝４２，４４が形成されており、それぞれ、対応のＯリング７０，７２を保持している。溝４２，４４は、入口ポート２６ａ，２６ｂがカラーを貫通する位置の上方に隣接して配置されており、溝３８は入口ポート２６ａ，２６ｂの下方に隣接して配置されている。
【００２０】
上部カラー２４が本体上に管１２，１４と共に適所に組み付けられた場合、下部の０リング４０は石英管１４の回りで圧縮され石英管１４を固定し、上部の２本のＯリング７０，７２はプラズマ管１２の回りで圧縮されてこのプラズマ管１２を固定する。
【００２１】
下部支持カラー４６は上部カラー２４とほぼ同様に設計されている。カラー４６は２つの冷却材出口ポート４８ａ，４８ｂを備えており、これらのポート４８ａ，４８ｂも互いに対称的に反対向きに配置され、下部支持カラー４６の中心を貫通する円筒形の穴と連通している。下部支持カラー４６の穴は、直径Ｄ₁の上部円筒形領域と、これよりも小さな直径Ｄ₂の下部円筒形領域とを画成する段付き内壁面を有している。下部円筒形領域の内壁面は、２本の溝、すなわち下部溝６２と上部溝６４とを有しており、それぞれ、対応のＯリング８０，８２を保持している。上部円筒形領域の内壁面は、Ｏリング６０を保持する単一の溝５８を有している。溝６２，６４は、出口ポート４８ａ，４８ｂが支持カラー４６を貫通する位置の下方に隣接して配置されており、溝５８は出口ポート４８ａ，４８ｂの上方に隣接して配置されている。
【００２２】
上部支持カラー２４におけるＯリング４０，７２及び下部支持カラー４６におけるＯリング６０，８２は、プラズマ管１２の回りに形成される冷却材ジャケットから冷却材が漏出するのを防止するシールとして機能する。Ｏリング７０，８０は、プラズマ管内のプラズマ及び活性ガスが漏出するのを防止するシールとして機能する。水及びガス又はその一方がシールを越えて万が一漏出した場合には、その漏出物を、第２のシールを突破する危険性なく逃すことのできるブリード穴７５がある。ブリード穴７５は、溝用とプラズマ用のＯリングを保持する２本の溝の間で、上下の支持カラー２４，４６を貫通して穿設されている（図２参照）。また、アプリケータの他端にて２本のＯリングを通って起こり得る漏洩を扱うために、同様に配置されたブリード穴が下部支持カラー４６に設けられている。
【００２３】
２種類のＯリングが用いられている。冷却材と接するＯリング（すなわち、Ｏリング４０，６０，７２，８２）は、購入可能なエチレン−プロピレン製のＯリングである。他方、プラズマと接する可能性のあるＯリング（すなわち、Ｏリング７０，８０）は、マイクロ波を吸収せず化学的に耐性のある材料から作られている。この実施形態では、デュポン・コーポレーションから購入可能なホワイト・カルレツ（ＷｈｉｔｅＫａｌｒｅｚ（商標））製のＯリングが用いられている。
【００２４】
Ｏリング４０，６０，７０，７２，８０，８２の形状は、漏れに対するシールを提供すること以上に、更に重要な利点を少なくとも２つ提供するものである。第１は、２本の管の同軸性を維持する助けとなる点である。第２は、２本の管の異なる軸線方向の熱膨張を許容し、管に割れや損傷を与える可能性がある過剰な応力を発生しない点である。
【００２５】
キャッププレート３０が上部支持カラー２４に組み付けられたとき、円筒形のプラグ延長部３２はプラズマ管１２内に十分に延び、その下端は、少なくとも冷却材用のＯリング７２の高さよりも下方に位置される。キャッププレート３０は、上部支持カラーと接合する面部分に形成された環状のＯリング溝３５を有している。溝３５はヴァイトン（Ｖｉｔｏｎ（商標））製のＯリングを保持し、このＯリングはプラズマ管１２内の真空を維持するのを助けると共に、活性ガスが漏出するのを防止する。
【００２６】
キャッププレート３０のプラグ延長部３２は、プラズマ管と接する２本のＯリング（すなわち、Ｏリング７０，７２）のためのシールドとして機能し、これらのＯリングが、プラズマにより発生する好ましくない放射線に直接さらされるのを防止する。この実施形態において、キャッププレート３０は全体が、熱伝導性が非常に良いアルミニウムから作られている。また、プラグ延長部３２は、プラズマ管の近傍部分内に入る熱を減じることにより、プラズマ内に生ずる高温からＯリングを保護するよう働く。
【００２７】
また、キャッププレート３０は、プロセスガスをプラズマ管１２内に導く流路を提供している。円筒形のプラグ延長部３２の直径はプラズマ管１２の内径よりも小さく、キャッププレート３０がアプリケータ１０に組み付けられたときに、狭い環状の間隙領域９０がプラグ延長部３２とプラズマ管１２の内壁面との間に存するようにしている。プラグ延長部３２は、その上端近傍において、プラグの直径をステップ状に大きくすることにより形成された肩部９２を有している。肩部９２は、装置が組み立てられた後にプラズマ管がプラグ延長部３２上で軸線方向に摺動するのを防止するストッパとして機能する。アプリケータが組み立てられたとき、肩部９２と他端の対応の肩部とは、プラズマ管が加熱されたときに軸線方向に自由に膨張できるようプラズマ管の長さよりも十分に大きな距離をもって、互いに離間されている。
【００２８】
穴１１０がキャッププレート３０に径方向且つ水平に延設されており、キャッププレート３０の中心を越えている。この穴１１０は、アプリケータ１０内に前駆ガス（precursor gas）を供給する入口ポートを形成している。プラグ延長部３２の回りには、肩部９２の近傍に（すなわち、プラグ延長部３２の直径が増加する点の直前）Ｖ字状の溝１１２があり、この溝１１２はプラグ延長部の周囲に環状凹部を形成している。溝１１２は、キャッププレートの軸線に対して約４５度の角度で当該キャッププレートに穿設された２本以上の流路１１４を介して、穴１１０と連通している。これらの流路１１４は、キャッププレートの軸線に関して互いから１８０度の位置に配置されており、溝１１２の一面からキャッププレートの中心の近傍の穴１１０まで延びている。
【００２９】
稼働中、穴１１０内に導入された前駆ガスは、プラグ延長部を一周しプレナムチャンバのように機能するＶ字状溝１１２内に、連結流路１１４を通って流入する。そして、Ｖ字状溝１１２からのガスは狭い環状間隙領域９０を通り、プラズマ管１２の内部に流入し、そこで前駆ガスはマイクロ波エネルギにより励起されてプラズマを生成する。キャッププラグを囲む環状凹部内にガスを流入することにより、そのガスはプラズマ管の内面に沿って均等に配分される。更に、ガスは狭い環状間隙領域においてプラズマ管の壁面に沿って注入されるので、これはＯリングをプラズマから保護することとなる。この保護は２つの方法で行われる。第１に、環状間隙領域９０は狭いので、プラズマがこの間隙領域内においてプラズマ管の壁面に沿って通過しないようになっている。また、ガスの外方への流れがプラズマからバッファを形成し、これも、プラズマを間隙領域内に流通させないようにする傾向がある。
【００３０】
アダプタプレート５０の円筒形延長部５２は、キャッププレート３０のプラグ延長部３２と同様な機能を果たすものである。すなわち、アダプタプレート５０がアプリケータ１０に組み付けられたとき、円筒形延長部５２はプラズマ管１２内に、Ｏリング８２の高さ、すなわち冷却材用シールの高さを越えて上方に延びている。従って、この金属製の延長部５２は、２本のＯリング８０，８２がプラズマにより生じた熱及び放射線にさらされるのを防ぐシールドとして働く。
【００３１】
円筒形延長部５２は、活性種をメインの処理チャンバに導入すべくアプリケータから流出するための穴５５を有している。穴を小さくすることは２つの利点があることを見いだした。第１に、小径の穴は、プラズマにより生ずるアーク放電を防止する傾向があり、また、マイクロ波が穴を通過するのを抑制する傾向がある。更に、円筒形延長部の外径に対して小さな穴によって、当該延長部の端部に大きな曲率半径の湾曲部を用いることが可能となり、この湾曲部で延長部の内壁面と延長部の外壁面とが融合することとなる。これは、延長部に形成される保護層（以下で説明する）に関連される利点を有する。
【００３２】
本実施形態において、アプリケータ１０の入口端部でのプラグ延長部３２上には、プラズマ管１２内で生ずる高腐食性雰囲気から保護されるよう、硬質の陽極酸化処理被覆層が形成されている。この硬質の陽極酸化処理被覆層は、約０．００１インチ（０．０２５４ｍｍ）の厚さであり、金属露出面のピッチング（孔食）を防止する。この保護層がない場合には、金属に対する相当なダメージが生じ、これは、チャンバを汚染すると共に製品を損なうパーティクルを形成する。硬質被膜の陽極酸化処理は、ＭＩＬＡ８５２５、ＴＹＰＥ III、ＣＬＡＳＳ１、非塗付式（ＮＯＮＤＹＥＤ）として認識される周知の軍用規格に従って行われる。
【００３３】
効果的な硬質の陽極酸化処理被覆層を形成するためには、延長部３２は非常に円滑で緩やかな湾曲コーナを有するのが望ましい。鋭角の縁部や小さな半径の湾曲コーナである場合には、その領域に硬質の陽極酸化処理被覆層に付着させることができず、保護が十分でなくなる。
【００３４】
アプリケータの下流側端部の延長部５２に硬質陽極酸化処理被膜を付着させることは任意である。その場合、円筒形延長部５２ないしはシールドに比較的に厚い肉厚を持たせることが望ましい。これは、穴が延長部５２の外径に比較して小さいことを意味する。また、厚い肉厚は、薄い肉厚と比較した場合、良好な熱伝導性を有し、従って熱勾配が小さい。
【００３５】
円筒形延長部５２の外径は、容易に組み立てるために、プラズマ管１２の内径に比して十分に小さい。勿論、これは、円筒形延長部の外壁面とプラズマ管の内壁面との間に、アプリケータの他端のプラグ延長部３２の周囲に形成される環状間隙領域９０と同様に、狭い環状の間隙領域を形成する。この実施形態において、この間隙を通って流れるガスは皆無である。しかし、アプリケータの入口側について前述したのと同じガス注入方法を出口側にも適用することができることに注意すべきである。換言すれば、ガスを、下部シールド延長部により形成される環状間隙領域を通してプラズマ管の下端部に流入させることができる。注入されたガスは、プラズマが間隙を透過するのを抑制する。しかし、この場合、間隙を流通するガスは、プラズマ管１２の他端内に注入されているクリーニングガスと同じものではない。例えば、そのガスは、不活性ガス、又は、窒素やヘリウム又はアルゴンのような一般的なキャリアガスとすることができる。
【００３６】
ウォータポートの形態は本実施形態の他の重要な特徴である。頂部における水の供給は、管に径方向の正味圧力が生じないよう、平衡されている。入口ポート２６ａ，２６ｂのそれぞれを通るシステム内への冷却材の流れは、プラズマ管に径方向の力を及ぼす傾向がある。２つの入口ポートを用い、且つ、それらを上部支持カラー２４内で互いに対向して配置することにより、一方の入口ポートを通って流れる冷却材により発生する横力は、他方の入口ポートで生ずる同じ大きさで反対向きの横力と平衡される。従って、冷却材をシステムに圧送した結果としてプラズマ管に生ずる径方向の正味の力は、ゼロとなる。これは、プラズマ管を一側に押し動かす傾向がある径方向の正味の力が常にないことを意味している。力が平衡状態にないと、弾性材料から作られたＯリングは変形する傾向があり、従って、プラズマ管を側方に移動させることを許容し、石英製外管とは同軸とはならなくなる。その結果、環状の間隙はプラズマ管の回りで一定の厚さとはならず、冷却はプラズマ管１２の回りで不均一となり、冷却効果は低下する。
【００３７】
本実施形態は、互いに反対向きに配置された２つのみの入口ポートを示しているが、プラズマ管に作用する正味の径方向の力が実質的にゼロとなる限り、種々の形態の入口ポートが適用可能である。従って、例えば、ｎ個の入口ポートを用い、これらを支持カラーの回りに互いに３６０／ｎ度の間隔をもって均等に配置することもできる。なお、入口ポートの数は、偶数である必要はないが、２以上であることを要する。
【００３８】
水が冷却材として用いられた場合、サファイヤ管と石英管との間の狭い間隙は、通常、０．００５〜０．０２０インチ（０．１２５〜０．５０８ｍｍ）の範囲内とすることができる。この間隙は、サファイヤ管を効果的に冷却すると共に、マイクロ波エネルギを吸収する水の質量を最小とするために十分な大きさとする必要がある。この間隙が小さ過ぎる場合、冷却ジャケットにより生ずる圧力降下が非常に大きくなり、組立てが困難となる。他方、この間隙が大き過ぎると、マイクロ波エネルギの減衰が著しくなり、プラズマアプリケータの性能や効率に悪影響を与える。
【００３９】
本実施形態において、サファイヤ管１２は外径が１．１６８インチ（２９．６８ｍｍ）、内径が約１．０４０インチ（２６．４２ｍｍ）である。石英管１４は外径が約１．３２８インチ（３３．７３ｍｍ）、内径が１．１８４インチ（３０．０７ｍｍ）であり、従って、冷却材流れのために約０．００８インチ（０．２０３２ｍｍ）のラジアル間隙を画成している。更に、サファイヤ管１２の長さは約１１インチ（２７９．４ｍｍ）であり、石英管１４は約９．５インチ（２４１．３ｍｍ）の長さを有しており、サファイヤ管１２は石英管１４の各端部から約０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）だけ突出している。
【００４０】
プラグ延長部３２と円筒形延長部５２とは共に、約１．０００インチ（２５．４ｍｍ）の外径を有している。四がって、アプリケータ１０の両端での環状間隙領域は、約０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）の径方向寸法を有している。更に、本実施形態において、円筒形延長部５２を貫通する穴５５は約０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）の直径を有している。
【００４１】
上下の支持カラーにおける符号１１５，１１７の位置の穴は、これらの位置で穴内で支持された管よりも、径方向の寸法において公称で約０．００４〜０．００５インチ（０．１０１６〜０．１２７０ｍｍ）大きい。従って、管は、Ｏリングにより適正に保持された場合、支持カラーとは通常接しない。しかしながら、何等かの理由により管のいずれかが径方向において側方に移動した場合、そのような移動は、管が互いに接することができないよう、前記寸法までで制限されている。
【００４２】
アプリケータの両端の延長部、すなわちシールドはどちらも、前述したよりも深くプラズマ管内に差し込むことができる。これは、勿論、Ｏリングの保護を大きくするものである。また、Ｏリングの保護が小さくてもよい場合には、上述よりも浅く差し込んでもよい。更に、プラズマ管内で生成されるプラズマは管全体に行き渡る傾向があることに注意すべきである。従って、本実施形態では、アプリケータは僅かに不均一とされており、マイクロ波空胴の上方におけるプラズマ管の部分は下方部分よりも大きい。すなわち、管の入口端部からマイクロ波空胴の中心までの距離は、マイクロ波空胴の中心からアプリケータの出口端部までの距離よりも小さい。しかし、望ましい他の形状もあり得る。更に、プラズマ管、外管、Ｏリング、アプリケータハウジング、その他の構成要素に対しての特定の材料について説明したが、他の材料も適用可能なことは理解すべきである。例えば、外管は、選択された材料がマイクロ波エネルギに対して透過性を有しており且つさらされる温度に対して耐久性を有している限り、石英である必要はない。また、プラズマ管もサファイヤ以外の材料、例えば石英、他のセラミックが使用可能である。
【００４３】
【処理システムの例】
上述したプラズマアプリケータは、種々の用途に使用することができる。例えば、図４に示すようなプラズマ処理システムにおいて、活性ガス種の遠隔プラズマ源として使用することができる。この用途において、外部ガス供給源２００は、ガス（例えばＮＦ₃、Ｃ₂Ｆ₆、ＣＦ₄等）を導管２０２を通してプラズマアプリケータ１０のガス入口ポートに供給する。マイクロ波供給源２０８からのマイクロ波エネルギは導波管２２を介してアプリケータに導入され、アプリケータ内のサファイヤ製のプラズマ管を流通するガスを活性化する。プラズマアプリケータ１０内で生じた活性ガス種は、次いで、プラズマアプリケータ１０の出口ポートに接続された他のライン２４０を通してプラズマチャンバ２０４内に供給される。プラズマアプリケータ１０の冷却システムの冷却材入口ポートと出口ポートとの間にはポンプ・冷却ユニット２０６が接続されており、アプリケータ１０の稼働中、アプリケータ１０内に冷却材を循環させる。冷却材回路にはフィルタ２０７が設けられており、このフィルタ２０７は冷却材システムから異物を除去する。本実施形態において、フィルタ２０７は０．２ミクロンのフィルタである。
【００４４】
他の要素はこの種のシステムにおいて一般的にあるものであり、例えば、プラズマチャンバ２０４内から排気するための真空ポンプや、プラズマチャンバ２０４内で第２のプラズマを発生させるための電源（例えばＲＦ供給源又はＤＣ供給源）を含んでいる。これらの要素は、実際に動作させるプラズマシステムに用いられる要素であると当業者にとり周知であるので、図示していない。
【００４５】
励起された種は、種々の適当な方法により処理チャンバに移送され得ることに注意されたい。更に、アプリケータは、基体処理チャンバに直接取り付けてもよいし、そこから離れて配置されてもよいが、後者の場合、適当な材料から作られた活性ガス供給ラインが必要とされる。活性ガスが高い反応性を有する場合、活性フッ素についての場合と同様に、ライン２４０は、生成される活性種と相互反応しない材料、例えばサファイヤから作られなければならない。他の適当な材料としては、ステンレス鋼、アルミニウム、セラミック又は、フッ素をベースにした材料等がある。更に、金属ラインが用いられた場合、その一部分は、プラズマ処理チャンバをアプリケータから電気的に絶縁することができるように、サファイヤのような非導電性材料、すなわち誘電体材料から作られることが必要である。
【００４６】
他の実施形態は特許請求の範囲に包含されるものである。例えば、２本のＯリング（図１のＯリング７０，７２、Ｏリング８０，８２）が示されている所に、１本のＯリングを用いてもよい。ガス分配マニホールド及びラビリンスシール（すなわち、環状間隙領域を通り且つプラズマ管の端部の回りの長い経路）は、Ｏリングから離れたところにプラズマ及び活性ガスを保つ機能を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロ波プラズマアプリケータを示す断面図である。
【図２】図１における上部カラーを示す断面図である。
【図３】図１のプラズマアプリケータの入口端部を示す断面図である。
【図４】図１に示されるプラズマアプリケータを用いたプラズマ処理システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
１０…プラズマアプリケータ、１２…サファイヤ製プラズマ管、１４…石英製外管、１６…環状間隙領域、２０…中央ボディ、２２…導波部分、２３…共振空胴、２４…上部支持カラー、２６ａ，２６ｂ…冷却材入口ポート、２８…穴、３０…キャッププレート、３１…内壁面、３２…プラグ延長部、３７，４０，７０，７２，８０，８２…Ｏリング、４６…下部支持カラー、４８ａ，４８ｂ…出口ポート、５０…アダプタプレート、５２…円筒形延長部、５５…穴、９０…環状間隙領域。

Claims

円筒形の外管と、
前記外管の内部に配置されると共に前記外管と軸線方向に整列され、第１の端部及び第２の端部を有している円筒形プラズマ管であって、作動中に冷却材が流通する環状の間隙領域を前記外管との間で形成する前記円筒形プラズマ管と、
前記円筒形プラズマ管の前記第１の端部に配置された第１の支持体であって、前記円筒形プラズマ管及び前記外管を受け入れ且つ内壁面を有する第１の穴が形成されている前記第１の支持体と、
前記第１の端部にて前記円筒形プラズマ管を取り囲み且つ前記円筒形プラズマ管と前記第１の穴の前記内壁面との間で延びている第１のシールと、
前記外管を取り囲み且つ前記外管と前記第１の穴の前記内壁面との間で延びている第２のシールと、
を備え、
前記第１の支持体は、その内部に形成された穴まで貫通して延びている複数の冷却材入口ポートを有しており、冷却材が前記複数の冷却材入口ポートを通して前記環状の間隙領域に導入された場合に、前記円筒形プラズマ管に径方向において生ずる正味の力が実質的に零となるように、前記複数の冷却材入口ポートは前記円筒形プラズマ管の軸線の回りに配置されている、プラズマアプリケータ。
前記円筒形プラズマ管の前記第２の端部に配置された第２の支持体であって、前記円筒形プラズマ管及び前記外管を受け入れ且つ内壁面を有する第２の穴が形成されている前記第２の支持体と、
前記第２の端部にて前記円筒形プラズマ管を取り囲み且つ前記円筒形プラズマ管と前記第２の穴の前記内壁面との間で延びている第３のシールと、
前記外管を取り囲み且つ前記外管と前記第２の穴の前記内壁面との間で延びている第４のシールと、
を更に備える、請求項１に記載のプラズマアプリケータ。
前記円筒形プラズマ管が第１の長さを有し、前記外管が第２の長さを有し、前記第１の長さが前記第２の長さよりも大きい、請求項１に記載のプラズマアプリケータ。
前記円筒形プラズマ管が前記外管の両端から突出している、請求項３に記載のプラズマアプリケータ。
円筒形の外管と、
前記外管の内部に配置されると共に前記外管と軸線方向に整列され、第１の端部及び第２の端部を有している円筒形プラズマ管であって、作動中に冷却材が流通する環状の間隙領域を前記外管との間で形成する前記円筒形プラズマ管と、
前記円筒形プラズマ管の前記第１の端部に配置された第１の支持体であって、前記円筒形プラズマ管及び前記外管を受け入れ且つ内壁面を有する円筒形の穴が形成されている前記第１の支持体と、
前記第１の端部にて前記円筒形プラズマ管を取り囲み、前記円筒形プラズマ管と前記円筒形の穴の前記内壁面との間で延び、且つ、前記円筒形プラズマ管の前記第１の端部から第１の距離で配置された第１のシールと、
前記外管を取り囲み且つ前記外管と前記円筒形の穴の前記内壁面との間で延びている第２のシールと、
を備え、
前記第１の支持体は、その内部に形成された穴まで貫通して延びている複数の冷却材入口ポートを有しており、前記複数の冷却材入口ポートは前記円筒形プラズマ管の軸線の回りに対称的に配置されている、プラズマアプリケータ。