JP4791941B2 - トロイダル・プラズマ・チャンバ - Google Patents

Description

本発明は、概してイオン、フリーラジカル、原子、および分子を包含する活性ガスを発生させる分野、ならびに活性ガスを備える材料を処理するための装置および方法に関し、更に詳しくは、そのような装置及び方法において用いられるトロイダル・プラズマ・チャンバに関する。

プラズマ放電は、イオン、フリーラジカル、原子、および分子を含有する活性ガスを生成するようにガスを励起するために用いられ得る。活性ガスは、半導体ウェハのような固体材料、粉末、および他のガスの処理を含む、数多くの産業的ならびに科学的応用例のために用いられる。処理される材料に対するプラズマのパラメータ、およびプラズマ照射の条件は、応用例により広く異なる。

例えば、いくつかの応用例は、処理される材料が損傷に敏感であるため、低い機械的エネルギー（即ち数エレクトロンボルト）を備えたイオンの使用を必要とする。他の応用例（例えば、異方性エッチングまたは平面化誘電蒸着）は、高い機械的エネルギーのイオンを備えたイオンの使用を必要とする。また別の応用例（例えば、反応性イオンビームエッチング）は、イオンエネルギーの精密な制御を必要とする。

いくつかの応用例は、処理される材料の高密度のプラズマへの直接照射を必要とする。そのような１つの応用例は、イオン活性化学反応が発生している。他のそのような応用例は、材料のエッチングおよび材料の高アスペクト比構造への蒸着を含む。他の応用例は、材料がイオンにより生じる損傷に敏感であるため、あるいは処理が高い選択的要件を有するため、処理される材料のプラズマからの遮蔽を必要とする。

プラズマは、直流放電、高周波（ＲＦ）放電、およびマイクロ波放電を含む多様な方法において発生し得る。直流放電は、ガス内の２つの電極間においてポテンシャルを付与することにより達成される。平行なプレートは、典型的には静電気的にエネルギーをプラズマへつなげるために用いられる。誘導コイルは、典型的には電流をプラズマへ入れるために用いられる。例えば、Reinbergらに発行された米国特許第４，４３１，８９８号は、変圧器コアが交流電力ソースからの交流電力を非誘導材料から形成されるプラズマチャンバ内へ連結する、ＲＦ誘導的連結プラズマ発生器を記載している。同様に、Kaendlerらによる「Characterization of Plasma In an Inductively Coupled High-Dense Plasma Source」、Fourth International Conference on Plasma Surface Engineering、Garmisch−Partenkirchen、Germany、1994年９月、Vol.74〜75、no.１〜３、pp.539〜545)において、ＲＦ発生器からの電力がフェライトコア変圧器の１次巻線に誘導的に連結されている、プラズマ発生器が記載されている。

マイクロ波は、マイクロ波通過窓を通して、ガスを包含する放電チャンバへマイクロ波エネルギーを直接的に連結することにより達成される。マイクロ波放電は、それらが広範囲の放電条件（高度にイオン化された電子サイクロトン共振（ＥＣＲ）プラズマを含む）を支持するために用いられ得ることから、有益である。

ＲＦ放電および直流放電は、高エネルギーイオンを固有に生成し、よって処理される材料がプラズマと直接的に接触している応用例のためのプラズマを発生するためにしばしば用いられる。マイクロ波放電は、濃密な、低イオンエネルギープラズマを生成し、よって「ダウンストリーム」処理のための活性ガスのストリームを生成するためにしばしば用いられる。マイクロ波放電はまた、低エネルギーでイオンを発生し、そのイオンを付与されたポテンシャルを備えた処理面に対して加速することが望ましい応用例のためにも有益である。

しかし、マイクロ波および誘導的に連結されたプラズマソースは、高価かつ複雑な電力配絵システムを必要とする。これらのプラズマソースは、精密ＲＦまたはマイクロ波電力発生器および発生器のインピーダンスとプラズマソースを一致させる複雑な一致ネットワークを必要とする。さらに、精密計測器が通常必要とされ、プラズマに至る実電力を確実にし、かつ制御する。

ＲＦ誘導的連結プラズマは、半導体ウェハ処理のような応用例のための広い領域のプラズマを発生するために特に有益である。しかし、従来技術のＲＦ誘導的連結プラズマは、駆動電流がプラズマに弱く連結されることから、純粋に誘導的とはいえない。高電圧は、反応器表面の高エネルギーイオン照射メントを引き起こす高い静電場を生成する。イオン照射は、反応器を劣化させ、処理チャンバおよび処理される材料を汚染する。イオン照射はまた、処理される材料を損傷させ得る。

ファラデー遮蔽は、高静電場を包含するために誘導的連結プラズマソースに用いられてきた。しかし、駆動コイル電流のプラズマへの比較的弱い連結のため、遮蔽内に大きな渦電流を形成し、相当量の電力浪費をもたらす。経費、複雑性、および低減された電力効率は、ファラデー遮蔽の使用を望ましくないものにする。

従って、本発明の主要な目的は、従来のＲＦまたはマイクロ波発生器およびインピーダンス一致システムの使用なしに電力をプラズマへ連結するデバイスを連結する、高効率ＲＦ電力を用いる活性ガスのソースを提供することである。

本発明の別の主要な目的は、処理反応器内において顕著なエネルギーイオン照射のない、あるいは長期的動作がソースへの損傷かつ汚染材料の生成なしに化学的反応ガスを用いて持続され得る、材料処理のための活性ガスのソースを提供することである。

本発明の別の主要な目的は、金属、誘電、もしくは被覆金属（例えば、陽極化(anodized)）のうちのいずれかが、ソースチャンバを形成するために用いられ得る。
本発明の主要な発見は、スイッチング半導体デバイスが、変圧器の２次回路を形成するように、電磁的エネルギーをプラズマへ連結する電力変圧器の１次巻線を効率的に駆動させるために用いられ得ることである。誘導的駆動型トロイダルプラズマソースが金属性プラズマチャンバを備えて構成され得ることは、本発明の別の主要な発見である。

従って、本発明はプラズマチャンバを含むガスを解離するための装置を特徴とする。プラズマチャンバは、アルミニウムのような金属材料から形成されてもよく、あるいは石英のような誘電材料から形成されてもよい。金属材料は超硬合金であってもよい。該装置はプラズマチャンバに連結され、プラズマチャンバ内のプラズマにより発生した反応性ガスを受け取るように位置づけられた処理チャンバを含んでもよい。

該装置はまた、プラズマチャンバの一部を包囲する磁気コアを有し、かつ１次巻線を有する変圧器をも含み得る。１つ以上のスイッチング半導体デバイスは、電圧源に直接的に連結され、変換器の１次巻線に連結された出力を有する。１つ以上のスイッチング半導体デバイスは、変圧器の１次巻線に直接的に連結され得る。１つ以上のスイッチング半導体デバイスは、スイッチングトランジスタであってもよい。電圧源はライン電圧源またはバス電圧源であり得る。

該装置は、チャンバ内のプラズマの点火を補助する自由電荷発生器を含み得る。好ましい実施形態において、電極は、チャンバ内に位置づけられ、自由電荷を発生する。別の好ましい実施形態においては、電極は、容量的にチャンバに連結され、自由電荷を発生する。別の好ましい実施形態においては、紫外光源が光学的にチャンバに連結され、自由電荷を発生する。

該装置は、１次巻線の、およびプラズマの電気的パラメータを計測するための回路を含み得る。回路は、１次巻線を駆動する電流、１次巻線の電圧、バス電圧源、１次巻線における平均電力、ならびに１次巻線におけるピーク電力のようなパラメータを計測する。電力制御回路は、１次巻線の、およびプラズマの電気的パラメータを計測するために回路に連結され得る。電力制御回路は、１次巻線の、およびプラズマの電気的特性の計測に基づき、かつ所望の動作条件を表す予め決められた設定点から１次巻線を介して流れる電流を規制する。

本発明はまた、ガスを解離するための方法を特徴とする。該方法は、ある圧力下におけるガスを包含するためのチャンバを提供することを含む。圧力は、実質的には１mtorrと１００torrとの間であり得る。ガスは、希ガス、反応性ガス、もしくは少なくとも１つの希ガスおよび少なくとも１つの反応性ガスの混合物を含み得る。該方法はまた、チャンバの一部を包囲する磁気コアを有し、かつ１次巻線を有する、変圧器を提供することを含む。

加えて、該方法は１つ以上のスイッチング半導体デバイスを電圧源（これはライン電圧源またはバス電圧源であり得る）に直接的に連結することを含む。１つ以上のスイッチング半導体デバイスはまた変圧器の１次巻線に連結され、それらは１次巻線を駆動する電流を発生する。１つ以上のスイッチング半導体デバイスは、変圧器の１次巻線に直接的に連結され得る。

該方法はまた、変圧器の１次巻線における電流を備えたプラズマチャンバ内のポテンシャルを誘導することを含む。誘導ポテンシャルの大きさは、コアにより生成された磁場、ならびにスイッチング半導体デバイスがファラデーの誘導の法則に従って動作する周波数に依存する。ポテンシャルは、変圧器の２次回路を完成するプラズマを形成する。プラズマの電場は、実質的には１から１００V/cmの間であり得る。該方法はチャンバ内の最初のイオン化イベントを提供することを含んでもよい。最初のイオン化イベントは、１次巻線もしくはプラズマチャンバ内に位置づけられた電極への電圧パルスの付与であってもよい。最初のイオン化イベントはまた、チャンバを紫外線放射に照射することであってもよい。

該方法は、１つ以上の１次巻線を駆動する電流を含む、１次巻線の、およびプラズマの電気的パラメータ、１次巻線の電圧、バス電圧、１次巻線における平均電力、ならびに１次巻線におけるピーク電力を計測する工程を含んでもよい。さらに、該方法は、１次巻線、プラズマの電気的パラメータの計測からの、ならびに所望の動作条件を表す予め決められた設定点からの、１つ以上のスイッチング半導体デバイスの出力を決定する工程を含んでもよい。

本発明はまた、処理チャンバを洗浄するための方法をも含む。該方法は、処理チャンバに連結されたプラズマチャンバを提供することを含む。プラズマチャンバは、ある圧力下における反応性ガスを包含する。変圧器は、プラズマチャンバの一部を包囲する磁気コアを有し、かつ１次巻線を有して提供される。１つ以上のスイッチング半導体デバイスは、変圧器の１次巻線を駆動する電流を発生するための電圧源に直接的に連結される。

さらに、該方法は、１次巻線内の電流を備えたプラズマチャンバ内のポテンシャルを誘導することを含む。誘導されたポテンシャルの大きさは、コアにより生成された磁場、ならびにスイッチング半導体デバイスがファラデーの誘導の法則に従って動作する周波数に依存する。ポテンシャルは、変圧器の２次回路を完成するプラズマを形成する。該方法はまた、プラズマ内で発生した原子、分子、およびフリーラジカルのような化学的に活性な種を、プラズマチャンバから処理チャンバ内へ方向づけ、それにより処理チャンバを洗浄することを含む。

本発明はまた、反応性ガスを発生するための方法をも含む。該方法は、処理チャンバに連結されたプラズマチャンバを提供することを含む。プラズマチャンバは、ある圧力下における反応ガスを包含する。変圧器は、チャンバの一部を包囲する磁気コアを有し、かつ１次巻線を有して提供される。１つ以上のスイッチング半導体デバイスは、電圧源に直接的に連結され、変換器の１次巻線を駆動する電流を発生する。

さらに、該方法は、１次巻線内の電流を備えたプラズマチャンバ内のポテンシャルを誘導することを含む。誘導ポテンシャルの大きさは、コアにより生成された磁場、ならびにスイッチング半導体デバイスがファラデーの誘導の法則に従って動作する周波数に依存する。ポテンシャルは、変圧器の２次回路を完成するプラズマを形成する。該方法はまた、プラズマ内の反応性ガスを発生することを含む。

本発明はまた、イオンを発生するための装置をも特徴とする。該装置は、耐熱金属のような金属材料から形成され得るプラズマチャンバを含む。処理チャンバは、プラズマチャンバ内のオリフィスに連結され得、プラズマにより発生するイオンを受け取るように適応され得る。加速電極は、プラズマにより発生するイオンを加速するために処理チャンバ内に位置づけられ得る。

該装置はまた、プラズマチャンバの一部を包囲する磁気コアを有し、かつ１次巻線を有する変圧器をも含んでもよい。１つ以上のスイッチング半導体デバイスは、電圧源（これはライン電圧源またはバス電圧源であり得る）に直接的に連結され、変圧器の１次巻線に連結された出力を有する。動作において、１つ以上のスイッチング半導体デバイスは、変圧器の１次巻線内の電流を駆動する。電流は、変圧器の２次回路を完成するプラズマを形成するチャンバ内のポテンシャルを誘導する。イオンは、プラズマからオリフィスを通して抽出される。イオンは、加速電極により加速され得る。

本発明はまた、ガスを解離するための別の装置をも特徴とする。該装置は、アルミニウムのような導電体を含むプラズマチャンバ、ならびにチャンバ内の誘導された電流が流れることを防ぐ、少なくとも１つの誘電領域を含む。プラズマチャンバは、プラズマチャンバの少なくとも２つの領域を区分した複数の誘電領域を含んでもよい。誘電領域は、チャンバの少なくとも１つの接合面上の誘電被覆を含んでもよい。プラズマチャンバはまた、チャンバの温度を制御する液体を通すためのクーリングチャネルを含んでもよい。

さらに、該装置は、チャンバの一部を包囲する磁気コアを有し、かつ１次巻線を有する、変圧器を含んでもよい。該装置はまた、変圧器の１次巻線に電気的に連結された出力を有する電源を含む。電源は、変圧器の２次の回路を完成するプラズマを形成をするチャンバ内のポテンシャルを誘電する１次巻線内の電流を駆動する。電源は、電圧源に直接的に連結され、変圧器の１次巻線に連結された出力を有する、１つ以上のスイッチング半導体デバイスを含み得る。電圧源は、ライン電圧源またはバス電圧源を含み得る。

該装置は、チャンバ内のプラズマの点火を補助する自由電荷を発生するための手段を含んでもよい。好ましい実施形態において、電極は、チャンバ内に位置づけられ、自由電荷を発生する。別の好ましい実施形態においては、電極は、容量的にチャンバに連結され、自由電荷を発生する。別の好ましい実施形態においては、紫外光源が光学的にチャンバに連結され、自由電荷を発生する。

図１は、本発明の実施形態としての、活性化ガスを生成するためのトロイダル低電場プラズマソース１０の概略図である。ソース１０は、電磁エネルギーをプラズマ１４中に結合する電力変圧器１２を有する。電力変圧器１２は、高透磁率の磁性体コア１６、１次コイル１８、および、プラズマ１４が変圧器１２の２次回路を形成することを可能にするプラズマチャンバ２０を有する。電力変圧器１２は、さらなる２次回路を形成するための、さらなる磁性体コアおよび導電体１次コイルを（図示せず）を有し得る。

プラズマチャンバ２０は、アルミニウムまたは耐熱金属などの金属材料から形成され得、あるいは、石英などの誘電体材料から形成され得る。プラズマチャンバ２０の一つ以上の側面を処理チャンバ２２に露すことにより、プラズマ１４によって発生された帯電粒子が、処理される材料（図示せず）と直接接触することを可能にし得る。処理する材料を支持するためのサンプルホルダ２３を処理チャンバ２２中に位置させ得る。処理される材料は、プラズマのポテンシャルに対してバイアスされ得る。

ライン電圧源またはバス電圧源であり得る電圧源２４が、１つ以上のスイッチング半導体デバイスを含む回路２６に、直接結合されている。１つ以上のスイッチング半導体デバイスは、スイッチングトランジスタであり得る。回路は、ソリッドステートスイッチング電源であり得る。回路２６の出力２８は、変圧器１２の１次巻線１８に直接結合され得る。

トロイダル低電場プラズマソース１０は、プラズマチャンバ２０内のプラズマを点火する初期イオン化イベントを提供する、自由電荷発生手段を有し得る。初期イオン化イベントは、プラズマチャンバに印加される短く、高電圧のパルスであり得る。パルスは、約５００〜１００００ボルトの電圧を有し得、長さ約０．１〜１０マイクロ秒であり得る。プラズマを点火するために要する電圧を減少させるために、アルゴンなどの希ガスをプラズマチャンバ２０内に挿入し得る。また、プラズマチャンバ２０内のプラズマを点火する初期イオン化イベントを提供する自由電荷を、プラズマチャンバ２０内に発生させるために、紫外線照射を用い得る。

好適な実施形態において、短く、高電圧の電気パルスは、１次コイル１８に直接印加されることにより、初期イオン化イベントを提供する。別の好適な実施形態においては、短く、高電圧の電気パルスは、プラズマチャンバ２０内に位置する電極３０に対して印加される。別の好適な実施形態においては、短く、高電圧の電気パルスは、プラズマチャンバ２０に対して容量的に結合された電極３２に対して印加される。別の好適な実施形態においては、プラズマチャンバ２０は、プラズマチャンバ２０に対して光学的に結合された紫外線光源３４から発光される、紫外線照射に曝される。紫外線照射は、プラズマを点火する初期イオン化イベントを発生させる。

トロイダル低電場プラズマソース１０はまた、１次巻線１８の電気的パラメータを測定するための回路３６を有し得る。１次巻線１８の電気的パラメータは、１次巻線１８を駆動する電流、１次巻線１８の両端に印加される電圧、電圧源２４によって発生されるバスまたはライン電圧源、１次巻線１８中の平均電力および、１次巻線１８中のピーク電力を含む。

さらに、プラズマソース１０は、プラズマ１４の重要な電気的パラメータを測定するための手段を有し得る。重要な電気的パラメータは、プラズマ電流および電力を含む。例えば、ソース１０は、変圧器１２の２次側に流されるプラズマ電流を測定するための、プラズマチャンバ２０の周囲に位置する電流プローブ３８を有し得る。プラズマソース１０はまた、プラズマ１４からの光発光を測定するための光検出器４０を有し得る。さらにプラズマソース１０は、電流プローブ３８、電力検出器４０、および回路２６のうちの１つ以上からのデータを受け取った後、１次巻線１８中の電流を調整することによりプラズマ中の電力を調整する、出力制御回路４２を有し得る。

動作中において、実質的に１mtorrから100torrの間の圧になるまで、ガスをプラズマチャンバ２０中へ流し込む。ガスは、希ガス、反応性ガス、あるいは少なくとも１つの希ガスおよび少なくとも１つの反応性ガスの混合物を包含する。スイッチング半導体デバイスを含む回路２６は１次巻線１８中に電流を供給し、この電流がプラズマチャンバ内にポテンシャルを誘導する。誘導されるポテンシャルの大きさは、ファラデーの誘導法則に基づき、スイッチング半導体デバイスが動作する周波数および、コアによって発生される磁場に依存する。プラズマを形成するイオン化イベントは、チャンバ内で開始され得る。イオン化イベントは、１次巻線またはチャンバ２０内の電極３０への電圧の印加であり得る。または、イオン化イベントは、チャンバを紫外線照射への曝露であってもよい。

ガスがイオン化されるとプラズマが形成され、このプラズマが変圧器の２次回路を完成する。プラズマの電場は、実質的に１〜１００V/cmの間であり得る。希ガスのみがプラズマチャンバ２０内に存在する場合、プラズマ１４の電場は１volt/cmのように低くなり得る。しかし、電気的陰性のガスがチャンバ内に存在していれば、プラズマ１４中の電場はずっと高くなる。プラズマチャンバ１４中の低電場によってプラズマソース１０を動作させることが望ましい。なぜなら、プラズマとチャンバとの間の低ポテンシャル差は、高エネルギーイオンによるチャンバの浸食ならびにその結果としての処理中の材料の汚染を、実質的に減少させる。

プラズマに送達される電力は、出力制御回路４２，１次巻線１８の電気的パラメータを測定するための回路３６、および１つ以上のスイッチング半導体デバイスを含む回路２６を包含するフィードバックループ４４によって、正確に制御されることができる。さらに、フィードバックループ４４は電流プローブ３８および光検出器４０をも含み得る。

好適な実施形熊において、出力制御回路４２は、１次巻線１８の電気的パラメータを測定するための回路３６を用いてプラズマ中の電力を測定する。そして出力制御回路４２は、測定値を所望の動作条件を表す所定のセットポイントに対して比較し、回路２６の１つ以上のパラメータを調整することによりプラズマに送達される電力を制御する。回路２６の１つ以上のパラメータは、１つ以上のスイッチング半導体デバイスへの駆動パルスのパルス振幅、周波数、パルス幅、および相対位相を含む。

別の好適な実施形態において、出力制御回路４２は、電流プローブ３８または光検出器４０を用いてプラズマ中の電力を測定する。そして出力制御回路４２は、測定値を所望の動作条件を表す所定のセットポイントに対して比較し、回路２６の１つ以上のパラメータを調整することによりプラズマに送達される電力を制御する。

プラズマソース１０は、ライン電力からプラズマに吸収される電力への変換効率が、従来技術のプラズマソースに比較して非常に高いという利点を有する。これは、１次巻線１８へ電流を供給する１つ以上のスイッチング半導体デバイスを含む回路２６が、高効率であるためである。変換効率は、９０％より実質的に大きくあり得る。プラズマソース１０はまた、従来のインピーダンス整合ネットワークまたは従来のRF電力生成器の使用を要しない点においても、有利である。これは、一般的にコストを削減し、プラズマソースの信頼性を増す。

さらに、プラズマソース１０は、プラズマチャンバ２０中の低電場によって動作する点においても有利である。プラズマとチャンバとの間の低ポテンシャル差は、プラズマチャンバ２０内における高エネルギーイオン照射(ion bombardment)を実質的に減少させるため、低電場が望ましい。プラズマチャンバ２０内における高エネルギーイオン照射を減少させることは、特に化学反応性ガスを用いた場合において、プラズマチャンバ２０内の汚染材料の生成を最小にするため、望ましい。例えば、NF3およびCF4/02などのフッ素系のガスを本発明のプラズマソース１０中に用いた場合（耐フッ素材料で形成されたプラズマチャンバを含む）、低イオン温度フッ素プラズマの長い照射の後、チャンバの浸食はまったく観察されないか、最小限の浸食が観察されるだけであった。

プラズマソース１０は、固体表面、粉体、およびガスなどの、多くの材料を処理するために有用である。プラズマソース１０は特に、薄膜蒸着およびエッチングシステムなどの半導体処理設備中の処理チャンバの洗浄に、有用である。プラズマソース１０はまた特に、イオン注入およびイオンミリングシステム用のイオンソースを提供するために有用である。

さらに、プラズマソース１０は、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、アルミニウム、モリブデン、タングステンなどの半導体デバイス、ならびに、フォトレジスト、ポリイミド(polyimade)、およびその他のポリマー性材料などの有機材料を製造するために用いられる、多くの材料のエッチングに用いられるエッチングシステム用のソースを提供するために、有用である。プラズマソース１０はまた、ダイアモンド膜、二酸化シリコン、窒化シリコン、および窒化アルミニウムなどの多くの薄膜のプラズマ強化蒸着用のソースを提供するために、有用である。

本プラズマソースはまた、原子状フッ素、原子状塩素、および原子状酸素などの反応性ガスを生成するためにも有用である。このような反応性ガスは、二酸化シリコン、酸化スズ、酸化亜鉛、およびインジウム酸化スズなどの様々な酸化物を還元、変換、安定化、あるいは不動態化するために有用である。応用例として、フラックス無しでのはんだ付け、シリコン表面からの二酸化シリコンの除去、およびウェハ処理前におけるシリコン表面の不動態化が含まれる。

プラズマソース１０の他の応用例として、ポリマー、金属、セラミック、および紙の表面特性の改変が含まれる。プラズマソース１０はまた、CF4、NF3、C2F6、CHF3、SF6などのフッ素含有化合物ならびに、ダイオキシンおよびフランなどの有機化合物、ならびにその他の揮発性有機化合物を含む、環境に害を及ぼすガスの緩和にも用いられ得る。さらに、プラズマソース１０は、殺菌用の原子状酸素、原子状塩素または原子状フッ素の高フラックスを生成するためにも用いられ得る。プラズマソース１０はまた、大気圧トーチにおいても用いられ得る。

図２は、本発明の実施形態としてのトロイダル低電場プラズマソースを用いた、NF3フィードガスの流速の関数としてのサーマル二酸化シリコンのエッチングレートをプロットしたものである。トロイダル低電場プラズマソース１０は、下流側における原子状フッ素ソースとして構成された。電力は約3.5kWであった。

図３は、図１に関連して説明したトロイダル低電場プラズマソースとともに用いられ得る、金属製プラズマチャンバ１００の概略図である。プラズマチャンバ１００は、アルミニウム、銅、ニッケルおよび鉄などの金属から形成される。プラズマチャンバ１００はまた、陰極処理されたアルミニウムまたはニッケルメッキされたアルミニウムなどのコーティングされた金属から形成され得る。プラズマチャンバ１００は、プラズマチャンバ１００の温度を制御する流体を通すための埋め込み型クーリングチャネル１０２を有する。

図示のように、第１の高透磁率磁性体コア１０４と第２の高透磁率磁性体コア１０６が、プラズマチャンバ１００を囲んでいる。磁性体コア１０４および１０６は、図１の変圧器１２の一部である。図１に関連して説明したように、第１のコア１０４および第２のコア１０６の各々は、変圧器１２の２次回路を完成するプラズマを形成するポテンシャルを誘導する。トロイダル低電場プラズマソースを動作させるためには、一方の磁性体コアのみが必要である。

出願人は、誘導的に駆動されるトロイダル低電場プラズマソースが、金属製のプラズマチャンバを用いて作成され得ることを見出した。従来技術における誘導結合されたプラズマソースは、誘導された電流がプラズマチャンバ自体の中で形成されることを防ぐために、誘電体材料で形成されたプラズマチャンバを用いている。本発明のプラズマチャンバ１００は、プラズマチャンバ１００の一部を電気的に分離するための少なくとも１つの誘電体領域を含んでいることにより、プラズマチャンバ１００を通じた電気的連続性を無くしている。この電気的分離は、誘導された電流がプラズマチャンバ自体の中で形成されることを防ぐ。

プラズマチャンバ１００は、誘導された電流がプラズマチャンバ１００中に形成されることを防ぐ、第１の誘電体領域１０８および第２の誘電体領域１１０を含む。誘電体領域１０８および１１０は、プラズマチャンバ１００を、第１の領域１１２および第２の領域１１４に電気的に分離する。第１の領域１１２および第２の領域１１４の各々は、高度真空シールにより誘電体領域１０８、１１０に接続されることにより、プラズマチャンバ１００を形成している。高度真空シールは、エラストマーシールからなっていてもよく、あるいは、ろう付け接合などのような永久的なシールにより形成されてもよい。汚染を減少させるために、誘電体領域１０８、１１０はプラズマから保護されてもよい。誘電体領域１０８、１１０は、プラズマチャンバ１００の組み合わせ面１１６を分離する誘電体スペーサを有してなっていてもよく、あるいは、組み合わせ面１１６上の誘電体コーティングであってもよい。

動作において、フィードガスが流入口１１８中に流れ込む。図１に関連して説明したように、第１のコア１０４および第２のコア１０６の各々は、変圧器１２の２次回路を完成するプラズマを形成するポテンシャルを、プラズマチャンバ１００内に誘導する。トロイダル低電場プラズマソースを動作させるためには、１つの磁性体コアのみが必要であることに留意されたい。

トロイダル低電場プラズマソースにおいて金属またはコーティングされた金属のチャンバを用いることは有利である。なぜなら、いくつかの金属は、プラズマ処理に通常用いられる特定の化学薬品（フッ素系ガスなど）に対してより高い耐性を有するからである。さらに、金属またはコーティングされた金属のチャンバは、誘電体チャンバよりもかなり高い温度においてかなり高い熱伝導率を有し得るため、かなり高電力のプラズマを発生することができる。

図４は、プラズマチャンバ中において誘導電流が形成されることを防ぐ図３に示す誘電体領域に適した、誘電体スペーサの概略図である。この実施形態において、高度真空シール１５２が、誘電体スペーサ１５０の外側に形成される。誘電体領域は、突出したチャンバ壁１００によってプラズマから保護される。

図５は、本発明の実施形態としてのトロイダル低電場プラズマ発生器を含む、イオンビームソース２００の概略図である。イオンビームソース２００は、イオンミリングおよびイオン注入を含む、多くのイオンビーム処理用途において、用いられ得る。イオンビームソース２００は、図３に関連して説明した金属製のプラズマチャンバ１００を含む、トロイダル低電場プラズマソース２０２を有する。プラズマチャンバ１００は、プラズマによって発生されたイオンをプラズマチャンバ１００の外部に抽出するための、スリット２０４を有する。加速電極２０６が、プラズマチャンバ１００から出てくるイオンを、所定の電場で加速することにより、イオンが所定のエネルギーを有するようなイオンビームを形成する。

所望のイオン種を選択ために、加速されたイオンの経路中に、質量分離マグネット２０８を設置し得る。所望のイオン種を所定の高エネルギーに加速するために、加速電極の第２の組を用い得る。イオンレンズを用いて、高エネルギーイオンビームを収束させ得る。垂直軸スキャナ２１２および水平軸スキャナ２１４を用いて、サンプル２１６を横切ってイオンビームを走査してもよい。偏向器(deflector)２１８を用いてイオンビームを中性粒子から分離することにより、イオンビームはサンプル２１６に衝突し、中性粒子は中性トラップ２２０に衝突するようにしてもよい。

図６は、図１の１つ以上のスイッチング半導体デバイスを含む、ソリッドステートスイッチング電源２５０の概略ブロック図である。出願人は、電磁エネルギーをプラズマに結合することにより変圧器の２次回路を形成する電力変圧器１２の１次巻線を駆動するために、スイッチング半導体デバイスを用い得ることを見出した。

トロイダル低電場プラズマソースにおけるスイッチング半導体デバイスの使用は有利である。なぜなら、スイッチング電源は、プラズマソースに電力を提供するために用いられる従来のRFおよびマイクロ波電源よりも、ずっと安価であり、物理的にも体積がずっと小さく重量が軽いためである。これは、スイッチング電源が、ライン分離回路またはインピーダンス整合回路を必要としないためである。

本発明は、１次巻線１８（図１）中の電流を駆動するために、任意のスイッチング電源構成を用いることができる。例えば、スイッチング電源２５０は、ライン電圧源２５６に結合されたフィルタ２５２および整流器回路２５４を含み得る。フィルタ２５２および整流器回路２５４の出力２５８は、典型的には数１００ボルトの直流電圧を生成する。出力２５８は、電流モード制御回路２６０に結合される。

電流モード制御回路２６０は、第１の分離ドライバ２６２、２６２ａおよび第２の分離ドライバ２６４、２６４ａに結合される。第１の分離ドライバ２６２、２６２ａおよび第２の分離ドライバ２６４、２６４ａは、スイッチングトランジスタの第１の対２６６および第２の対２６８を駆動する。スイッチングトランジスタは、IGBTまたはFETデバイスであり得る。スイッチングトランジスタの第１の対２６６および第２の対２６８の出力は、正弦波を含む、多くの波形を有し得る。スイッチングトランジスタの出力は１次巻線および磁性体コア２６９によって、変圧器２次側を形成するトロイダルプラズマ２７０に結合されている。

均等物について付言する。本発明を特定の好適な実施形態について特に図示し説明したが、添付の請求の範囲に定義された発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な形熊および詳細における変更をなし得ることが、当業者には理解される。

本発明は、特に添付の特許請求の範囲において説明される。本発明の上記およびさらなる利点は、付随の図面に照らし合わせた以下の説明を参照しながら、よりよく理解され得る。
図１は、本発明を実施した活性ガスを生成するためのトロイダル低電場プラズマソースの概略図である。 図２は、本発明を実施した活性ガスを生成するためのトロイダル低電場プラズマソースを用いる、ＮＦ３フィードガスの流れ速度の関数とした、サーマル二酸化珪素のエッチング速度のグラフを示す。 図３は、図１に関して示されたトロイダル低電場プラズマソースと共に用いられ得る金属プラズマチャンバの概略図である。 図４は、誘導された電流の流れがプラズマチャンバ内に形成されることを防ぐ、図３に示す誘電領域に適した誘電スペーサの概略図である。 図５は、本発明を実施した、高密度のイオンビーム処理のために構成されたトロイダル低電場イオンビームソースの概略図である。 図６は、図１の１つ以上のスイッチング半導体デバイスを含む、固体のスイッチング電源の概略ブロック図である。

Claims (8)

1. 反応性ガスを発生するトロイダル・プラズマ・チャンバであって、
   ガスを受け取る入口と、
   金属材料とコーティングされた金属材料と誘電材料との少なくとも１つで構成されており前記ガスを保持する１又は複数のプラズマ・チャンバ壁であって、前記プラズマ・チャンバのある領域を電気的に分離して前記プラズマ・チャンバの内部に誘導電流が形成されることを防止する少なくとも１つの誘電スペーサを受け取ることができ、前記プラズマ・チャンバの内部に形成されたプラズマから前記少なくとも１つの誘電スペーサを保護することができる１又は複数のプラズマ・チャンバ壁と、
   前記プラズマと前記ガスとの相互作用によって発生された反応性ガスを出力する出口と、
   を含み、前記誘電スペーサは、前記１又は複数のプラズマ・チャンバ壁の凹所に配置され、該凹所は、少なくとも１つのプラズマ・チャンバ壁に沿うように延び実質的に前記プラズマの流れを妨げないように構成された突出部に隣接しており、それにより、前記誘電スペーサは前記プラズマに曝されるのを前記突出部によって保護されることを特徴とするトロイダル・プラズマ・チャンバ。
2. 反応性ガスを発生するトロイダル・プラズマ・チャンバであって、
   ガスを受け取る入口と、
   金属材料とコーティングされた金属材料と誘電材料との少なくとも１つで構成されており前記ガスを保持する１又は複数のプラズマ・チャンバ壁であって、前記プラズマ・チャンバのある領域を電気的に分離して前記プラズマ・チャンバの内部に誘導電流が形成されることを防止する少なくとも１つの誘電スペーサを受け取ることができ、前記プラズマ・チャンバの内部に形成されたプラズマから前記少なくとも１つの誘電スペーサを保護することができる１又は複数のプラズマ・チャンバ壁と、
   前記プラズマと前記ガスとの相互作用によって発生された反応性ガスを出力する出口と、
   を含み、前記誘電スペーサは、前記１又は複数のプラズマ・チャンバ壁の凹所に配置され、該凹所は、前記１又は複数のプラズマ・チャンバ壁に沿うように延び実質的に前記プラズマの流れを妨げないように構成された突出部を有する少なくとも１つのプラズマ・チャンバ壁に隣接しており、それにより、前記誘電スペーサは前記プラズマに曝されるのを前記突出部を有する少なくとも１つのプラズマ・チャンバ壁によって保護されることを特徴とするトロイダル・プラズマ・チャンバ。
3. 反応性ガスを発生するトロイダル・プラズマ・チャンバであって、
   ガスを受け取る入口と、
   金属材料とコーティングされた金属材料と誘電材料との少なくとも１つで構成されており前記ガスを保持する１又は複数のプラズマ・チャンバ壁であって、前記プラズマ・チャンバのある領域を電気的に分離して前記プラズマ・チャンバの内部に誘導電流が形成されることを防止する少なくとも１つの誘電スペーサを受け取ることができ、前記プラズマ・チャンバの内部に形成されたプラズマから前記少なくとも１つの誘電スペーサを保護することができる１又は複数のプラズマ・チャンバ壁と、
   前記プラズマと前記ガスとの相互作用によって発生された反応性ガスを出力する出口と、
   を含むとともに、前記少なくとも１つの誘電スペーサを更に含み、前記誘電スペーサは、前記１又は複数のプラズマ・チャンバ壁の凹所に配置され、該凹所は、前記プラズマ・チャンバ壁の１又は複数に沿うように延び実質的に前記プラズマの流れを妨げないように構成された突出部に隣接しており、それにより、前記誘電スペーサは前記プラズマに曝されるのを前記プラズマ・チャンバ壁の１又は複数における突出部によって保護されることを特徴とするトロイダル・プラズマ・チャンバ。
4. 反応性ガスを発生するトロイダル・プラズマ・チャンバであって、
   ガスを受け取る入口と、
   金属材料とコーティングされた金属材料と誘電材料との少なくとも１つで構成されており前記ガスを保持する１又は複数のプラズマ・チャンバ壁であって、前記プラズマ・チャンバのある領域を電気的に分離して前記プラズマ・チャンバの内部に誘導電流が形成されることを防止する少なくとも１つの誘電スペーサを受け取ることができ、前記プラズマ・チャンバの内部に形成されたプラズマから前記少なくとも１つの誘電スペーサを保護することができる１又は複数のプラズマ・チャンバ壁と、
   前記プラズマと前記ガスとの相互作用によって発生された反応性ガスを出力する出口と、
   を含むとともに、前記少なくとも１つの誘電スペーサを更に含み、前記誘電スペーサは、前記１又は複数のプラズマ・チャンバ壁の凹所に配置され、該凹所は、前記１又は複数のプラズマ・チャンバ壁に沿うように延び実質的に前記プラズマの流れを妨げないように構成された１又は複数の突出部を有するプラズマ・チャンバ壁に隣接しており、それにより、前記誘電スペーサは前記プラズマに曝されるのを前記少なくとも１又は複数の突出部を有するプラズマ・チャンバ壁によって前記プラズマから保護されることを特徴とするトロイダル・プラズマ・チャンバ。
5. 請求項１記載のトロイダル・プラズマ・チャンバであって、前記誘電スペーサに隣接して配置された真空シールを更に含むことを特徴とするトロイダル・プラズマ・チャンバ。
6. 請求項２記載のトロイダル・プラズマ・チャンバであって、前記誘電スペーサに隣接して配置された真空シールを更に含むことを特徴とするトロイダル・プラズマ・チャンバ。
7. 請求項３記載のトロイダル・プラズマ・チャンバであって、前記少なくとも１つの誘電スペーサに隣接して配置された真空シールを更に含むことを特徴とするトロイダル・プラズマ・チャンバ。
8. 請求項４記載のトロイダル・プラズマ・チャンバであって、前記少なくとも１つの誘電スペーサに隣接して配置された真空シールを更に含むことを特徴とするトロイダル・プラズマ・チャンバ。

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