JP5257917B2 - 多重マグネチックコアが結合された誘導結合プラズマ反応器 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ放電によってイオン、フリーラジカル、原子および分子を含む活性ガスを発生させ、活性ガスで固体、粉末、ガスなどのプラズマ処理をするためのプラズマ反応器に関し、具体的には多重マグネチックコアが結合された誘導結合プラズマ反応器に関する。

プラズマ放電はイオン、フリーラジカル、原子、分子を含む活性ガスを発生するためのガス励起に使用されている。活性ガスは多様な分野で広く使用されており、代表的には、半導体製造工程、例えばエッチング、蒸着、洗浄など多様に使用されている。

最近、半導体装置の製造のためのウエハやＬＣＤガラス基板はさらに大型化されている。そのため、プラズマイオンエネルギーに対する制御能力が高く、大面積の処理能力を有する拡張性が容易なプラズマ源が要求されている。

プラズマを発生するためのプラズマ源は様々であるが、高周波（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を使用した容量結合プラズマと誘導結合プラズマがその代表的な例である。なかでも誘導結合プラズマ源は、高周波の増加によってイオン密度を比較的容易に増加させることができ、高密度プラズマを得るのに適しているとされている。

しかし、誘導結合プラズマ方式は、供給されるエネルギーに比べてプラズマに結合されるエネルギーが低く、極めて高電圧の駆動コイルを使用している。そのため、イオンエネルギーが高くてプラズマ反応器の内部表面がイオン衝撃（ｉｏｎ ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ）によって損傷する場合がある。イオン衝撃によるプラズマ反応器の内部表面の損傷は、プラズマ反応器の寿命を縮めるだけでなく、プラズマ処理の汚染源として作用する否定的な結果を得るようになる。イオンエネルギーを低めようとする場合には、プラズマに結合されるエネルギーが低くて頻繁にプラズマ放電がオフになる場合が発生するようになる。そのため、安定的なプラズマ維持が困難になるという問題が発生する。

一方、半導体製造工程において、プラズマを利用した工程における遠隔プラズマの使用は極めて有用なものと知られている。例えば、工程チャンバの洗浄やフォトレジストのストリップのためのアッシング工程で有用に使用されている。しかし、被処理基板の大型化に伴い、工程チャンバのボリュームも増加し、高密度の活性ガスを充分に遠隔で供給することができるプラズマ源が要求されている。更に、複数の基板を同時に処理する多重処理チャンバの場合には特に要求される。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、プラズマに結合される誘導結合エネルギーの伝達効率を高め、高密度のプラズマを安定的に維持・取得することができる、新規かつ改良された多重マグネチックコアが結合された誘導結合プラズマ反応器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、複数のプラズマ放電室を有する反応器本体と、複数のプラズマ放電室を横切って設置されるマグネチックコアおよび一次巻線を有する変圧器と、プラズマ放電室の内部に位置するマグネチックコアの部分を覆い保護するコア保護チューブと、一次巻線に連結される電源供給源と、を含み、電源供給源によって一次巻線の電流が駆動され、一次巻線の駆動電流が変圧器の二次回路を完成するための誘導結合プラズマを形成するＡＣ電位を誘導し、誘導結合プラズマがコア保護チューブの外側を覆うように複数のプラズマ放電室に形成されることを特徴とする誘導結合プラズマ反応器が提供される。

また、少なくとも一つのプラズマ放電室に連結されるガス入口と、少なくとも他の一つのプラズマ放電室に連結されるガス出口と、を含み、二つのプラズマ放電室を相互連結する連結通路を含むようにしてもよい。

また、反応器本体が少なくとも二つの連結通路と連結されるガス集合領域を含むようにしてもよい。

また、ガス入口にガスを均一に分配して供給するガス分配部を含むようにしてもよい。

また、二つ以上の相互分離した多重ガス出口を含むようにしてもよい。

また、反応器本体が金属物質を含み、金属物質は、エディ電流を最小化するために、金属物質内に電気的不連続性部を形成するための一つ以上の電気的絶縁領域を含むようにしてもよい。

また、コア保護チューブが誘電体物質を含むようにしてもよい。

また、コア保護チューブが金属物質を含み、金属物質は、エディ電流を最小化するために、金属物質内に電気的不連続性部を形成するための一つ以上の電気的絶縁領域を含むようにしてもよい。

また、コア保護チューブの内側に設置される冷却水供給チャンネルを含むようにしてもよい。

また、冷却水供給チャンネルが金属物質を含み、金属物質は、エディ電流を最小化するために、金属物質内に電気的不連続性部を形成するための一つ以上の電気的絶縁領域を含むようにしてもよい。

また、マグネチックコアの中心部を介して形成される冷却水供給チャンネルを含むようにしてもよい。

また、電源供給源と一次巻線との間に設けられてインピーダンス整合を行うインピーダンス整合回路を含むようにしてもよい。

また、電源供給源が調整可能な整合回路なしに動作するようにしてもよい。

また、反応器本体で発生したプラズマガスを提供されて収容するプロセスチャンバを更に含むようにしてもよい。

また、反応器本体がプロセスチャンバに搭載可能な構造を有し、電源供給源が反応器本体と物理的に分離して構成され、電源供給源と反応器本体とが電源連結ケーブルで遠隔にて連結されるようにしてもよい。

また、プラズマ放電室に流入されるガスが不活性ガス、反応ガス、不活性ガスと反応ガスの混合ガスを含むグループから選択されるようにしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の第２の観点によれば、プラズマ放電室を構成し，ガス入口およびガス出口を有する反応器本体と、プラズマ放電室の内部を横切る二つ以上のコア横断部分およびプラズマ放電室の外側に位置するコアの一部分を有するマグネチックコアと、マグネチックコアに巻線される一次巻線と、を有する変圧器と、プラズマ放電室の内部に位置する二つ以上のコア横断部分を覆い保護するコア保護チューブと、一次巻線に電気的に連結される電源供給源と、を含み、電源供給源によって一次巻線の電流が駆動され、一次巻線の駆動電流が変圧器の二次回路を完成するための誘導結合プラズマを形成する、プラズマ放電室内部のＡＣ電位を誘導し、誘導結合プラズマが二つ以上のコア横断部分を中心にしてコア保護チューブの外側を覆うようにプラズマ放電室に多段に形成されることを特徴とする誘導結合プラズマ反応器が提供される。

また、二つ以上のコア横断部分のうちいずれか一つは、プラズマ放電室内部のガス流路に直交または平行する配置構造を有するようにしてもよい。

また、マグネチックコアは、一体化された多重ループを有する多重ループマグネチックコアを含むようにしてもよい。

また、マグネチックコアは、単一ループを有する単一ループマグネチックコアを含むようにしてもよい。

また、マグネチックコアは、コアの一部分が反応器本体の側壁外部に露出した装着構造を有するようにしてもよい。

また、反応器本体がコアの一部分を収容可能な側壁室を備え、マグネチックコアのコアの一部分が反応器本体の側壁室に装着される構造を有するようにしてもよい。

また、コア保護チューブは、コア横断部分の各々に独立して装着される単一コア保護チューブを含み、反応器本体は、単一コア保護チューブの両端が設置される複数の開口部を含み、単一コア保護チューブと複数の開口部との接触部分を真空絶縁する真空絶縁部材を含むようにしてもよい。

また、コア保護チューブは、両端が各々一つのフランジ構造に一体化された一体型多重コア保護チューブを含み、反応器本体は、一体型多重コア保護チューブのフランジ部分が設置される開口部を含み、一体型多重コア保護チューブのフランジ部分と開口部との接触部分を真空絶縁する真空絶縁部材を含むようにしてもよい。

また、コア保護チューブは、コア横断部分の各々に独立して装着される単一コア保護チューブを含み、反応器本体の側壁室は、二つ以上の単一コア保護チューブの両端が設置される複数の開口部を含み、二つ以上の単一コア保護チューブと複数の開口部との接触部分を真空絶縁する真空絶縁部材を含むようにしてもよい。

また、コア保護チューブは、両端が各々一つのフランジ構造に一体化された一体型多重コア保護チューブを含み、反応器本体の側壁室は、一体型多重コア保護チューブのフランジ部分が設置される開口部を含み、一体型多重コア保護チューブのフランジ部分と開口部との接触部分を真空絶縁する真空絶縁部材を含むようにしてもよい。

また、各々のコア保護チューブの内側に設置される容量結合電極を含み、容量結合電極は、コア横断部分に複数巻線されて変圧器の二次巻線として機能し、少なくとも二つの容量結合電極は、相互間に逆電圧が誘導されて容量的に結合されるようにしてもよい。

また、容量結合電極に誘導される電圧を可変的に制御するための誘導電圧制御回路を含むようにしてもよい。

反応器本体がプロセスチャンバに搭載可能な構造を有し、電源供給源が反応器本体と物理的に分離して構成され、電源供給源と反応器本体とが高周波ケーブルで遠隔にて連結されるようにしてもよい。

反応器本体が一体に結合されるプロセスチャンバを更に含むようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、プラズマに結合される誘導結合エネルギーの伝達効率を高め、高密度のプラズマを安定的に維持・取得することができる、多重マグネチックコアが結合された誘導結合プラズマ反応器が提供される。

以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（実施例１）
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明することで、本発明の多重放電室を有するプラズマ反応器を詳しく説明する。

図１は本発明の第１の実施例によるプラズマ反応器の斜視図であり、図２ａおよび図２ｂは図１のプラズマ反応器の正断面図および側断面図である。

本発明の第１の実施例によるプラズマ反応器（１０）は、複数の独立したプラズマ放電室（２１）を有する反応器本体（２０）を備える。反応器本体（２０）には、プラズマ放電室（２１）にプラズマ放電のための起電力を伝達するための変圧器（４０）が結合される。変圧器（４０）はプラズマ放電室（２１）を横切って設置されるマグネチックコア（４１）と一次巻線（４２）を備える。プラズマ放電室（２１）の内部に位置するマグネチックコア（４１）部分はコア保護チューブ（４５）によって全体的に覆って保護される。一次巻線（４２）は高周波電源を提供する電源供給源（６０）に電気的に連結される。

複数のプラズマ放電室（２１）は、例えば、上段に二つが並列に配列され、その下段に二つが並列に配列されて全体的に四つのプラズマ放電室（２１）が二段並列に配列された構造を有する。反応器本体（２０）には上段の二つのプラズマ放電室（２１）に開口された複数のホールを有するガス入口（２２）が構成される。下段の二つのプラズマ放電室（２１）から下部に開放されたガス出口（２５）が構成される。そして、上段と下段のプラズマ放電室（２１）を相互連結する複数のホールを有する連結通路（２３）が構成される。このように、ガス入口（２２）とガス出口（２５）との間には、多段かつ並列に複数のプラズマ放電室（２１）を経由するガス流路が形成される。

ガスを均一に供給するために、反応器本体（２０）の上部にガス分配部（３０）を構成することができる。ガス分配部（３０）はガス供給源（図示せず）に連結されるガス入口（３１）とガスを均一に分配させるための一つ以上のガス分配板（３２）を含む。プラズマ放電室（２１）に流入されるガスは不活性ガス、反応ガス、不活性ガスと反応ガスの混合ガスを含むグループから選択される。または、その他プラズマプロセスに適合する他のガスが選択される。

反応器本体（２０）は、コア保護チューブ（４５）との接触部分が真空絶縁部材（４４）によって真空絶縁される。反応器本体（２０）は金属物質、例えば、アルミニウム、ステンレス、銅のような金属物質で製作される。または、コーティングされた金属、例えば、陽極処理されたアルミニウムやニッケルメッキされたアルミニウムで製作されることがある。または、耐火金属（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ｍｅｔａｌ）で製作されることがある。また、他の代案として反応器本体（２０）を石英、セラミックスのような絶縁物質で製作することも可能であり、意図されたプラズマプロセスに適合する他の物質でも製作されることがある。

反応器本体（２０）が金属物質を含む場合には、エディ電流を最小化するために金属物質内で電気的不連続性を有するようにする一つ以上の電気的絶縁領域（２７）を含む。例えば、図面に図示されたように、各々のプラズマ放電室（２１）の近傍に横切って絶縁領域（２７）を構成することができる。

マグネチックコア（４１）は、少なくとも二つのプラズマ放電室（２１）に共有され、コアの一部分が反応器本体（２０）の外部に露出した装着構造を有する。マグネチックコア（４１）はフェライト物質で製作されるが鉄、空気のような他の代案の材料で構成することもできる。

コア保護チューブ（４５）は石英、セラミックスのような誘電体物質で製作される。または、コア保護チューブ（４５）は上述したように、反応器本体（２０）と同一の金属物質で製作することができるが、この場合には、エディ電流を防止するために電気的不連続性を有するように一つ以上の電気的絶縁領域を含む。

図３はマグネチックコアに装着されるコア保護チューブおよび冷却チューブを示した分解斜視図であり、図４ａおよび図４ｂはマグネチックコアのコア保護チューブおよび冷却チューブが装着された状態での断面図を示した図面である。

マグネチックコア（４１）には、冷却水供給チャンネルを形成するための冷却水供給管（４４）が装着される。他の代案としては、マグネチックコア（４２）の中心部を貫通して冷却水供給チャンネル（４３）を形成することもある。または、冷却水供給管（４４）とマグネチックコア（４１）の中心部に冷却水供給チャンネル（４３）を全て形成することもできる。または、反応器本体（２０）に複数の冷却水チャンネル（２６）を形成することも可能である。添付の図４ａの断面図は、マグネチックコア（４１）の中心部に冷却水供給チャンネル（４３）を形成し、コア保護チューブ（４５）の内側にも冷却水供給管（４４）を設置した状態を示した断面図である。添付の図４ｂは冷却水供給管（４４）のみを設置した状態を示した断面図である。冷却水供給管（４４）は金属材料で構成することができ、この時に冷却水供給管（４４）にエディ電流が誘導されることを防止するために、絶縁領域（４８）を有するようにすることが好ましい。

また、図２ａおよび図２ｂを参照すると、電源供給源（６０）によって一次巻線（４２）の電流が駆動される。一次巻線（４２）の駆動電流は、変圧器（４０）の二次回路を完成する誘導結合プラズマを形成するプラズマ放電室（２１）内側のＡＣ電位（ＡＣ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を誘導する。そして、誘導結合プラズマは各プラズマ放電室（２１）でコア横断部分を中心にしてコア保護チューブの外側を覆うようにプラズマ放電室（２１）に各々形成される。図面の参照符号‘４６’はマグネチックコア（４１）に誘導される電界を示し、参照符号‘４７’は誘導電界（４６）によって二次的に誘導される電界を示す。

電源供給源（６０）は、別途のインピーダンス整合器なしに出力電圧の制御が可能なＲＦ電源供給源を使用して構成される。他の代案としては、別途のインピーダンス整合器によってインピーダンスが整合されるようにするＲＦ電源供給源を使用して構成することができる。

本発明のプラズマ反応器（１０）は、プラズマ放電室（２１）の内部に複数のマグネチックコア横断部分が位置し、プラズマに結合される誘導結合エネルギーの伝達効率が極めて高い。さらに、複数のプラズマ放電室（２１）が多段に配置されており、高周波の無理な増加なしに高密度のプラズマを容易に得ることができる。

図５ａ〜図５ｃはガス流路の多様な変形を示した正断面図であり、図６ａおよび図６ｂはガス出口の実施例を示した底面斜視図である。

図５ａによる一変形例によれば、四つのプラズマ放電室（２１）の中心部にガス集合領域（５０）を構成することができる。ガス集合領域（５０）は上段の二つのプラズマ放電室（２１）で発生したプラズマガスが集められ、再び下段のプラズマ放電室（２１）に分散して入力される。

図５ｂによる他の変形例によれば、下段の二つのプラズマ放電室（２１）の下部にガス集合領域（５２）を構成することができる。ガス集合領域（５２）は下段の二つのプラズマ放電室（２１）で発生したプラズマガスが集められ、一つのガス出口（２５）を介して出力される。

図５ｃによるまた他の変形例によれば、一つのガス出口（２５）が構成され、下段の二つのプラズマ放電室（２１）と連結されるガス排出経路（５４）が備えられる。

図６ａに図示されたように、ガス出口（２５）は反応器本体（２０）の下部に細く開口されたスリット形態のガス出口（２５ａ）で構成することができる。他の代案としては、図６ｂに図示されたフランジ構造を含む円形ガス出口（２６ｂ）で構成することができる。

図７はプラズマ発生器がプロセスチャンバに搭載された例を示した図面である。

図７によるプラズマ反応器（１０）は、プロセスチャンバ（７０）に装着されて遠隔でプロセスチャンバ（７０）にプラズマを供給する。例えば、プロセスチャンバ（７０）の天井外側に装着することができる。プラズマ反応器（１０）は、電源供給源である高周波発生器（７２）から高周波が提供され、ガス供給システム（図示せず）によってガスが供給されて活性ガスを発生する。

プロセスチャンバ（７０）は、プラズマ反応器（１０）で発生した活性ガスを収容して所定のプラズマ処理を行う。プロセスチャンバ（７０）は、例えば、蒸着工程を行う蒸着チャンバ、或いはエッチング工程を行うエッチングチャンバが挙げられる。または、フォトレジストをストリッピングするためのアッシングチャンバが挙げられる。これ以外にも、多様な半導体製造工程を行うためのプラズマプロセッシングチャンバが挙げられる。

特に、プラズマ反応器（１０）と高周波を供給する電源供給源である高周波発生器（７２）は分離した構造を有する。即ち、プラズマ反応器（１０）はプロセスチャンバ（７０）に装着可能な固定型で構成され、高周波発生器（７２）はプラズマ反応器（１０）と分離可能な分離型で構成される。そして、高周波発生器（７２）の出力端とプラズマ反応器（１０）の高周波入力端は、高周波ケーブル（７４）によって相互遠隔で連結される。そのため、従来のように高周波発生器とプラズマ反応器が一つのユニットで構成される場合とは異なり、プロセスチャンバ（７０）に極めて容易に設置することができ、システムの維持管理における効率を高めることができる。

図８ａ〜図８ｄは、第１の実施例によるプラズマ発生器の変形を示した図面である。また他の変形による多様なプラズマ反応器（１０ａ〜１０ｄ）は、二つのプラズマ放電室が垂直に配列（図８ａ参照）されたり、水平に配列（図８ｄ参照）されたり、または複数のプラズマ放電室が垂直に並列配列（図８ｂ参照）されたり、水平に並列配列（図８ｃ参照）される。

以上のような変形は、これ以外にもまた他の様々な変形があるが、このような変形は本発明の思想に基づく時、当業者には自明なことであることは明らかである。

（実施例２）
図９は本発明の第２の実施例によるプラズマ反応器の斜視図であり、図１０は図９のプラズマ反応器の本体構成を示した斜視図である。そして、図１１は図９のプラズマ反応器の内部を示した部分の分解斜視図である。

本発明の第２の実施例によるプラズマ反応器（１００）は、プラズマ放電室（１１３）を構成してガス入口（１２０）とガス出口（１２１）を有する反応器本体（１１０）を備える。変圧器（１３０）は、プラズマ放電室（１１３）の内部を横切る二つ以上のコア横断部分と、プラズマ放電室（１１３）の外側に位置するコアの一部分を有するマグネチックコア（１３１）と、マグネチックコア（１３１）に巻線される一次巻線（１３２）を有する。一次巻線（１３２）は電源供給源（１３３）（図１３参照）に電気的に連結される。

電源供給源（１３３）は、別途のインピーダンス整合器なしに出力電圧の制御が可能なＲＦ電源供給源を使用して構成される。他の代案としては、別途のインピーダンス整合器を使用して構成されるＲＦ電源供給源を使用して構成することができる。

プラズマ放電室（１１３）に流入されるガスは不活性ガス、反応ガス、不活性ガスと反応ガスの混合ガスを含むグループから選択される。または、その他プラズマプロセスに適合する他のガスが選択される。

反応器本体（１１０）は、単一コア保護チューブ（１４０）の両端が設置される複数の開口部（１１１）を含む。単一コア保護チューブ（１４０）と複数の開口部（１１１）の接触部分は、真空絶縁部材（１０１）（図１３参照）によって真空絶縁される。反応器本体（１１０）は金属物質、例えば、アルミニウム、ステンレス、銅のような金属物質で製作される。または、コーティングされた金属、例えば、陽極処理されたアルミニウムやニッケルメッキされたアルミニウムで製作されることがある。または、耐火金属（ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ｍｅｔａｌ）で製作されることがある。また他の代案として、反応器本体（１１０）を石英、セラミックスのような絶縁物質で製作することも可能であり、意図されたプラズマプロセスに適合する他の物質でも製作されることがある。

反応器本体（１１０）が金属物質を含む場合には、エディ電流を最小化するために金属物質内で電気的不連続性を有するようにする一つ以上の電気的絶縁領域（１１２）を含む。電気的絶縁領域（１１２）は、図１５ａ〜図１５ｄに図示されたように多様な形態で構成することができる。

マグネチックコア（１３１）はコアの一部分が反応器本体（１１０）の側壁外部に露出した装着構造を有する。マグネチックコア（１３１）は一体化された多重ループタイプであり、例えば、二段の多重ループを有するように構成される。しかし、マグネチックコア（１３１）は独立した単一ループタイプを使っても問題ない。マグネチックコア（１３１）はフェライト物質で製作されるが鉄、空気のような他の代案の材料で構成することもできる。

プラズマ放電室（１１３）の内部に位置する二つ以上のコア横断部分は、管形状のコア保護チューブ（１４０）によって覆って保護される。コア保護チューブ（１４０）は、一つのコア横断部分に対して各々独立して装着される。コア保護チューブ（１４０）は石英、セラミックスのような誘電体物質で製作される。または、コア保護チューブ（１４０）は上述したように、反応器本体（１１０）と同一の金属物質で製作されることがあるが、この場合には、エディ電流を防止するために電気的不連続性を有するようにする一つ以上の電気的絶縁領域を含む。

図１２は図９のマグネチックコアに装着されるコア保護チューブ、冷却チューブ、容量結合電極の構成を示した分解斜視図である。

図１２によるマグネチックコア（１３１）には、冷却水供給チャンネルを形成するための冷却水供給管（１４１）が装着される。他の代案としては、マグネチックコア（１３１）の中心部を貫通して冷却水供給チャンネルを形成することもある。または、冷却水供給管（１４１）とマグネチックコア（１３１）の中心部に全て冷却水供給チャンネルを形成することもできる。または、反応器本体（１１０）に冷却水チャンネルを形成することも可能である。マグネチックコア（１３１）には容量結合電極（１４２）が装着される。容量結合電極（１４２）は選択的に装着することができ、具体的な説明は後述する。

図１３は変圧器（１３０）の電気的連結、およびこれによって誘導される磁界（１３３）および電界（１３４）を可視的に示したプラズマ反応器の断面図であり、図１４はプラズマ反応器（１１０）の多段プラズマ放電領域（ＰＤＲ＿１〜ＰＤＲ＿３）を示した断面図である。

図１３および図１６による電源供給源（１３３）によって、一次巻線（１３２）の電流が駆動される。一次巻線（１３２）の駆動電流は、変圧器（１３０）の二次回路を完成する誘導結合プラズマを形成するプラズマ放電室（１１３）内側のＡＣ電位（ＡＣ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を誘導する。そして、誘導結合プラズマは、二つ以上のコア横断部分を中心にしてコア保護チューブの外側を覆うようにプラズマ放電室（１１３）に多段に形成される。このように、プラズマ放電室（１１３）は多段プラズマ放電領域（ＰＤＲ＿１〜ＰＤＲ＿３）ガス流路（１３５）に沿って形成される。

図面に図示されたように、二つ以上のコア横断部分はプラズマ放電室（１１３）内部のガス流路（１３５）に直交するように配置される。しかし、代案として水平になるように位置することも可能である。

図１６は容量結合電極に誘導される電圧の位相関係を説明するための図面である。

図１６による容量結合電極（１４２）は、コア横断部分に複数巻線されて変圧器（１３０）の二次巻線として機能し、少なくとも二つの容量結合電極（１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ）は相互間を逆電圧（Ｖ＋、Ｖ−）が誘導されて容量的に結合される。

例えば、三つのコア横断部分には複数の一次巻線（１３２）が適切な方向に巻線されて各々隣接するコア横断部分に互いに逆方向の電界（１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃ）が誘導される。そのため、三つの容量結合電極（１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ）に各々相互逆電圧（Ｖ＋、Ｖ−）が誘導される。

図１７は容量結合電極の誘導電圧制御回路（１５０）の構成を示した図面である。

図１７による誘導電圧制御回路（１５０）は、容量結合電極（１４２）の巻線数を可変するためのマルチタップ（１５２）とマルチタップ（１５２）をスイッチングして巻線数を可変するスイッチング回路（１５１）を備える。スイッチング回路（１５１）のスイッチングによって巻線数が可変され、巻線数の可変によって容量結合電極（１４２）に誘導される電圧のレベルが可変される。

以上のような本発明の誘導結合プラズマ反応器は、プラズマ放電室（１１３）の内部に複数のマグネチックコア横断部分が位置し、プラズマに結合される誘導結合エネルギーの伝達効率が極めて高い。また、容量結合電極（１４２）を構成してプラズマに結合される可変的な容量結合エネルギーを追加で提供することでプラズマを安定的に維持するだけでなく、プラズマイオン密度とイオンエネルギーを容易に制御することができる。容量結合電極（１４２）は、プラズマ反応器（１００）の駆動初期にプラズマを点火する段階でのみ選択的に使用することもでき、プラズマが点火した以後に、プラズマのイオン密度とイオン温度を調節するために使用することができる。

図１８は変形した実施例によるプラズマ反応器の斜視図であり、図１９は図１８のプラズマ反応器の本体構成を示した斜視図である。図２０は図１８の一体型多重コア保護チューブの斜視図である。そして、図２１はコア保護チューブの装着構造を示したプラズマ反応器の断面図である。

図１８〜図２１による変形した実施例のプラズマ反応器（１００）は、一体型多重コア保護チューブ（１４５）で構成されることができる。一体型多重コア保護チューブ（１４５）は、コア保護チューブ（１４０）の両端が各々一つのフランジ（１４４）構造に一体化される。反応器本体（１１０’）は、多重コア保護チューブ（１４５）のフランジ（１４４）部分の設置に適合する形態の開口部（１１１’）が形成される。そして、多重コア保護チューブ（１４５）のフランジ（１４４）と開口部（１１１’）の接触部分を真空絶縁する真空絶縁部材（１０２）が構成される。

図２２、図２３ａおよび図２３ｂは他の代案の変形実施例を示したプラズマ反応器の斜視図である。

図２２による他の代案のプラズマ反応器（２００）は、単一ループを有するマグネチックコア（２３１）と一次巻線（２３２）を有する変圧器（２３０）を採用した場合である。マグネチックコア（２３１）はガス入口（２２０）とガス出口（２２１）との間に形成されるガス経路に垂直に装着される。

図２３ａおよび図２３ｂによるまた他の代案のプラズマ反応器（３００）は、ガス入口（３２０）とガス出口（３２１）との間に形成されるガス流路に平行に装着されるマグネチックコア（３３１）と、一次巻線（３３２）を有する変圧器（３３０）を有する。

以上のようなプラズマ反応器に装着されるマグネチックコアは極めて多様な変形が可能である。しかし、このような変形は本発明の思想に基づく時、当業者には自明なことであることは明らかである。

図２４は多重ガス排気口を有するプラズマ反応器の底面斜視図である。

図２４に図示されたように、プラズマ反応器（１００）は二つ以上の分離した多重ガス出口（１２１ａ〜１２１ｄ）を含む。多重ガス出口（１２１ａ、１２１ｄ）は広いボリュームを有するプラズマプロセスにおいて、大面積のプラズマを広くかつ均一に提供するために有用に使用される。

図２５はマグネチックコアを本体の側壁に装着した変形例によるプラズマ反応器の斜視図であり、図２６ａ〜図２６ｄは図２５のプラズマ反応器の内部構造を示した図面である。この変形例のプラズマ反応器（４００）は、上述した例と同一の構成を有する。そのため、同一の構成に対する説明は省略する。

この変形例によるプラズマ反応器（４００）の独特の特徴は、反応器本体（４１０）はコアの一部分を収容可能な側壁室（４１５）を備えることである。変圧器（４３０）のマグネチックコア（４３１）はそのコアの一部分が反応器本体（４１０）の側壁室（４１５）に装着される。反応器本体（４１０）は外部に側壁室（４１５）に開口された開口部（４１７）が備えられ、これを介して一次巻線（４３２）と冷却水を供給するための通路として使用される。

反応器本体（４１０）が伝導性金属で構成される場合に、側壁室（４１５）とプラズマ反応室（４１３）との間に構成される側壁（４１４）には、エディ電流を最小化するために一つ以上の絶縁領域（４１２）が適切に構成される。コア保護チューブ（４４０）は一つのコア横断部分に対して各々独立して装着されて、側壁（４１４）にはこれらが装着されるための開口部（４１１）が複数構成される。二つ以上のコア保護チューブ（４４０）と複数の開口部（４１１）の接触部分は真空絶縁部材（４０２）によって真空絶縁される。

マグネチックコア（４３１）には、図２６ｄに図示されたように、コア保護チューブ（４４０）と冷却水供給管（４４１）、そして容量結合電極（４４２）が上述した例のように装着される。

多重ループを有するマグネチックコア（４３１）は、ガス入口（４２０）とガス出口（４２１）との間にコア横断部分が垂直に交差するように並列設置される。他の代案としては、図２７に図示されたように、単一ループを有する複数のマグネチックコア（４３１）が積層して並列に設置される。

他の代案として、図２８に図示されたように、共通フランジ（４４４）を有する一体型多重コア保護チューブ（４４５）で構成される。多重コア保護チューブ（４４５）が構成される場合に、反応器本体（４１０）も上述したようにそれに適合する変形と真空絶縁が構成される。

図２９は他の変形例によるプラズマ反応器の斜視図であり、図３０ａおよび図３０ｂは図２９のプラズマ反応器の断面斜視図である。

また他の代案的な変形として、プラズマ反応器（５００）は、一つの多重ループマグネチックコア（５３１）と、一次巻線を有する変圧器（５３０）を使用して構成することができる。このような変形は上述の他の実施例でも同一に変形が可能である。また、各々独立したコア保護チューブ（５４０）を使用することと、代案的として図３１に図示されたように、共通フランジ（５４４）を有する多重コア保護チューブ（５４５）の使用も可能である。このような代案の変形を除くと、この変形例の詳細な構成と動作は上述した例と同一であり、具体的な説明は省略する。

図３２はプラズマ反応器がプロセスチャンバに搭載された例を示した図面である。

以上のような本発明の多様な実施例で説明されたプラズマ反応器（１００）は、プロセスチャンバ（６００）に装着されて遠隔でプラズマを供給する。例えば、プロセスチャンバ（６００）の天井外側に装着される。プラズマ反応器（１００）は電源供給源である高周波発生器（６１０）から高周波が提供され、ガス供給システム（図示せず）によってガスが供給されて活性ガスを発生する。

プロセスチャンバ（６００）は、プラズマ反応器（１００）で発生した活性ガスを収容して所定のプラズマ処理を行う。プロセスチャンバ（６００）は、例えば、蒸着工程を行う蒸着チャンバ、或いはエッチング工程を行うエッチングチャンバが挙げられる。または、フォトレジストをストリッピングするためのアッシングチャンバが挙げられる。これ以外にも、多様な半導体製造工程を行うためのプラズマプロセッシングチャンバが挙げられる。

特に、プラズマ反応器（１００）と高周波発生器（６１０）は分離した構造を有する。即ち、プラズマ反応器（１００）はプロセスチャンバ（６００）に装着可能な固定型で構成され、高周波発生器（６１０）はプラズマ反応器（１００）と分離可能な分離型で構成される。そして、高周波発生器（６１０）の出力端とプラズマ反応器（１００）の高周波入力端は高周波ケーブル（６２０）によって相互遠隔で連結される。そのため、従来のように高周波発生器とプラズマ反応器が一つのユニットで構成される場合と異なり、プロセスチャンバ（６００）に極めて容易に設置することができ、システムの維持管理における効率を高めることができる。

図３３はプロセスチャンバの上部に一体で構成した誘導結合プラズマ反応器を説明するための図面である。

図３３による上述したような本発明のプラズマ反応器（１００）は、プロセスチャンバ（７００）に一体に結合されて構成される。好ましくは、プロセスチャンバ（７００）の内部に備えられる基板支持台（７０１）に対向した天井に構成される。プラズマ反応器（１００）の下部は基板支持台（７０１）に対向して全体的に開放した構造（１２１’）を有する。プラズマ反応器（１００）で発生した活性ガスは、プロセスチャンバ（７００）の内部領域（７０３）に沿って流れるようになる。図面には省略したが、一般的に基板支持台はバイアス電源が連結されて基板（７０２）に活性ガスイオンが加速されるようすることができる。

以上説明したように、本発明の多重放電室を有するプラズマ反応器によれば、プラズマ反応器はプラズマ放電室の内部に複数のマグネチックコア横断部分が位置し、プラズマに結合される誘導結合エネルギーの伝達効率が極めて高い。さらに、複数のプラズマ放電室が多段に配置されており、高周波の無理な増加なしに高密度のプラズマを容易に得ることができる。また、容量結合電極を構成する場合、プラズマに結合される可変的な容量結合エネルギーを追加で提供することで、プラズマを安定的に維持するだけでなく、プラズマイオン密度とイオンエネルギーを容易に制御することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の第１の実施例によるプラズマ反応器の斜視図である。 図１のプラズマ反応器の正断面図である。 図１のプラズマ反応器の側断面図である。 マグネチックコアに装着されるコア保護チューブおよび冷却チューブを示した分解斜視図である。 マグネチックコアのコア保護チューブおよび冷却チューブが装着された状態での断面図を示した説明図である。 マグネチックコアのコア保護チューブおよび冷却チューブが装着された状態での断面図を示した説明図である。 ガス流路の多様な変形を示した正断面図である。 ガス流路の多様な変形を示した正断面図である。 ガス流路の多様な変形を示した正断面図である。 ガス出口の実施例を示した底面斜視図である。 ガス出口の実施例を示した底面斜視図である。 プラズマ発生器がプロセスチャンバに搭載された例を示した説明図である。 第１の実施例によるプラズマ発生器の変形を示した説明図である。 第１の実施例によるプラズマ発生器の変形を示した説明図である。 第１の実施例によるプラズマ発生器の変形を示した説明図である。 第１の実施例によるプラズマ発生器の変形を示した説明図である。 本発明の第２の実施例によるプラズマ反応器の斜視図である。 図９のプラズマ反応器の本体構成を示した斜視図である。 図９のプラズマ反応器の内部を示した部分の分解斜視図である。 図９のマグネチックコアに装着されるコア保護チューブ、冷却チューブ、容量結合電極の構成を示した分解斜視図である。 変圧器の電気的連結およびこれによって誘導される磁界および電界を可視的に示したプラズマ反応器の断面図である。 プラズマ反応器の多段プラズマ放電領域を示した断面図である。 エディ電流を遮断するための絶縁領域の構造の多様な変形例を示した説明図である。 エディ電流を遮断するための絶縁領域の構造の多様な変形例を示した説明図である。 エディ電流を遮断するための絶縁領域の構造の多様な変形例を示した説明図である。 エディ電流を遮断するための絶縁領域の構造の多様な変形例を示した説明図である。 容量結合電極に誘導される電圧の位相関係を説明するための説明図である。 容量結合電極の誘導電圧制御回路の構成を示した説明図である。 変形実施例によるプラズマ反応器の斜視図である。 図１８のプラズマ反応器の本体構造を示した斜視図である。 図１８のコア保護チューブの斜視図である。 コア保護チューブの装着構造を示したプラズマ反応器の断面図である。 その他の代案の変形実施例を示したプラズマ反応器の斜視図である。 その他の代案の変形実施例を示したプラズマ反応器の斜視図である。 その他の代案の変形実施例を示したプラズマ反応器の斜視図である。 多重ガス排気口を有するプラズマ反応器の底面斜視図である。 マグネチックコアを本体の側壁に装着したまた他の変形例によるプラズマ反応器の斜視図である。 図２５のプラズマ反応器の内部構造を示した説明図である。 図２５のプラズマ反応器の内部構造を示した説明図である。 図２５のプラズマ反応器の内部構造を示した説明図である。 図２５のプラズマ反応器の内部構造を示した説明図である。 単一ループのマグネチックコアを積層して並列装着した例を示した分解斜視図である。 フランジ構造に変形した一体型コア保護チューブの斜視図である。 また他の変形例によるプラズマ反応器の斜視図である。 図２９のプラズマ反応器の断面斜視図である。 図２９のプラズマ反応器の断面斜視図である。 フランジ構造に変形した一体型コア保護チューブの斜視図である。 プラズマ反応器がプロセスチャンバに搭載された例を示した説明図である。 プロセスチャンバの上部に一体で構成した誘導結合プラズマ反応器を説明するための説明図である。

符号の説明

１０ プラズマ反応器
２０ 反応器本体
３０ ガス分配部
４０ 変圧器
４１ マグネチックコア
４２ 一次巻線
１００ プラズマ反応器
１１０ 反応器本体
１１２ 絶縁領域
１１３ プラズマ放電室
１２０ ガス入口
１２１ ガス出口
１３０ 変圧器
１４１ 冷却水供給管
１５０ 誘導磁界
１５１ 誘導電界
１５３ ガス流路

Claims (36)

1. 複数のプラズマ放電室を有する反応器本体と、
   前記複数のプラズマ放電室を横切って設置されるマグネチックコアおよび一次巻線を有する変圧器と、
   前記プラズマ放電室の内部に位置する前記マグネチックコアの部分を覆い保護するコア保護チューブと、
   前記一次巻線に連結される電源供給源と、
   二つ以上の相互分離した多重ガス出口と
   を含み、
   前記電源供給源によって前記一次巻線の電流が駆動され、前記一次巻線の駆動電流が前記変圧器の二次回路を完成するための誘導結合プラズマを形成するＡＣ電位を誘導し、前記誘導結合プラズマが前記コア保護チューブの外側を覆うように前記複数のプラズマ放電室に形成され、
   前記反応器本体が金属物質を含み、前記金属物質は、エディ電流を最小化するために、前記複数のプラズマ放電室のそれぞれの近傍を横切って形成された、前記金属物質内に電気的不連続性部を形成するための一つ以上の電気的絶縁領域を含み、前記電気的絶縁領域は前記複数のプラズマ放電室を接続するように設けられたことを特徴とする誘導結合プラズマ反応器。
2. 少なくとも一つの前記プラズマ放電室に連結されるガス入口と、少なくとも他の一つの前記プラズマ放電室に連結されるガス出口と、を含み、
   前記二つのプラズマ放電室を相互連結する連結通路を含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ反応器。
3. 前記反応器本体が少なくとも二つの前記連結通路と連結されるガス集合領域を含むことを特徴とする、請求項２に記載の誘導結合プラズマ反応器。
4. 前記ガス入口にガスを均一に分配して供給するガス分配部を含むことを特徴とする、請
   求項２に記載の誘導結合プラズマ反応器。
5. 前記コア保護チューブが誘電体物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ反応器。
6. 前記コア保護チューブが金属物質を含み、前記金属物質は、エディ電流を最小化するために、前記金属物質内に電気的不連続性部を形成するための一つ以上の電気的絶縁領域を含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ反応器。
7. 前記コア保護チューブの内側に設置される冷却水供給チャンネルを含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ反応器。
8. 前記冷却水供給チャンネルが金属物質を含み、前記金属物質は、エディ電流を最小化するために、前記金属物質内に電気的不連続性部を形成するための一つ以上の電気的絶縁領域を含むことを特徴とする、請求項７に記載の誘導結合プラズマ反応器。
9. 前記マグネチックコアの中心部を介して形成される冷却水供給チャンネルを含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ反応器。
10. 前記電源供給源と前記一次巻線との間に設けられてインピーダンス整合を行うインピーダンス整合回路を含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ反応器。
11. 前記電源供給源が調整可能な整合回路なしに動作することを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ反応器。
12. 前記反応器本体で発生したプラズマガスを提供されて収容するプロセスチャンバを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ反応器。
13. 前記反応器本体が前記プロセスチャンバに搭載可能な構造を有し、前記電源供給源が前記反応器本体と物理的に分離して構成され、
    前記電源供給源と前記反応器本体とが電源連結ケーブルで遠隔にて連結されることを特徴とする、請求項１２に記載の誘導結合プラズマ反応器。
14. 前記プラズマ放電室に流入されるガスが不活性ガス、反応ガス、不活性ガスと反応ガスの混合ガスを含むグループから選択されることを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ反応器。
15. 複数のプラズマ放電室を構成し，ガス入口およびガス出口を有する反応器本体と、
    前記プラズマ放電室の内部を横切る二つ以上のコア横断部分および前記プラズマ放電室の外側に位置するコアの一部分を有するマグネチックコアと、前記マグネチックコアに巻線される一次巻線と、を有する変圧器と、
    前記プラズマ放電室の内部に位置する二つ以上の前記コア横断部分を覆い保護するコア保護チューブと、
    前記一次巻線に電気的に連結される電源供給源と、
    二つ以上の相互分離した多重ガス出口と
    を含み、
    前記電源供給源によって前記一次巻線の電流が駆動され、前記一次巻線の駆動電流が前記変圧器の二次回路を完成するための誘導結合プラズマを形成する、前記プラズマ放電室内部のＡＣ電位を誘導し、前記誘導結合プラズマが二つ以上の前記コア横断部分を中心にして前記コア保護チューブの外側を覆うように前記プラズマ放電室に多段に形成され、
    前記反応器本体が金属物質を含み、前記金属物質は、エディ電流を最小化するために、前記プラズマ放電室のそれぞれの近傍を横切って形成された、前記金属物質内に電気的不連続性部を形成するための一つ以上の電気的絶縁領域を含み、前記電気的絶縁領域は前記複数のプラズマ放電室を接続するように設けられたことを特徴とする誘導結合プラズマ反応器。
16. 前記二つ以上のコア横断部分のうちいずれか一つは、前記プラズマ放電室内部のガス流路に直交または平行する配置構造を有することを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
17. 前記マグネチックコアは、一体化された多重ループを有する多重ループマグネチックコアを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
18. 前記マグネチックコアは、単一ループを有する単一ループマグネチックコアを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
19. 前記マグネチックコアは、前記コアの一部分が前記反応器本体の側壁外部に露出した装着構造を有することを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
20. 前記反応器本体が前記コアの一部分を収容可能な側壁室を備え、
    前記マグネチックコアの前記コアの一部分が前記反応器本体の前記側壁室に装着される構造を有することを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
21. 前記コア保護チューブは、前記コア横断部分の各々に独立して装着される単一コア保護チューブを含み、
    前記反応器本体は、前記単一コア保護チューブの両端が設置される複数の開口部を含み、
    前記単一コア保護チューブと前記複数の開口部との接触部分を真空絶縁する真空絶縁部材を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の誘導結合プラズマ反応器。
22. 前記コア保護チューブは、両端が各々一つのフランジ構造に一体化された一体型多重コア保護チューブを含み、
    前記反応器本体は、前記一体型多重コア保護チューブのフランジ部分が設置される開口部を含み、
    前記一体型多重コア保護チューブの前記フランジ部分と前記開口部との接触部分を真空絶縁する真空絶縁部材を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の誘導結合プラズマ反応器。
23. 前記コア保護チューブは、前記コア横断部分の各々に独立して装着される単一コア保護チューブを含み、
    前記反応器本体の前記側壁室は、二つ以上の前記単一コア保護チューブの両端が設置される複数の開口部を含み、
    前記二つ以上の単一コア保護チューブと前記複数の開口部との接触部分を真空絶縁する真空絶縁部材を含むことを特徴とする、請求項２０に記載の誘導結合プラズマ反応器。
24. 前記コア保護チューブは、両端が各々一つのフランジ構造に一体化された一体型多重コア保護チューブを含み、
    前記反応器本体の側壁室は、前記一体型多重コア保護チューブのフランジ部分が設置される開口部を含み、
    前記一体型多重コア保護チューブの前記フランジ部分と前記開口部との接触部分を真空
    絶縁する真空絶縁部材を含むことを特徴とする、請求項２０に記載の誘導結合プラズマ反応器。
25. 前記コア保護チューブが誘電体物質を含むことを特徴とする、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ反応器。
26. 前記コア保護チューブが金属物質を含み、前記金属物質は、エディ電流を最小化するために、前記金属物質内に電気的不連続性部を形成するための一つ以上の電気的絶縁領域を含むことを特徴とする、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ反応器。
27. 前記コア保護チューブの内側に設置される冷却水供給チャンネルを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
28. 前記マグネチックコアの中心部を介して形成される冷却水供給チャンネルを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
29. 各々の前記コア保護チューブの内側に設置される容量結合電極を含み、
    前記容量結合電極は、前記コア横断部分に複数巻線されて前記変圧器の二次巻線として機能し、少なくとも二つの前記容量結合電極は、相互間に逆電圧が誘導されて容量的に結合されることを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
30. 前記容量結合電極に誘導される電圧を可変的に制御するための誘導電圧制御回路を含むことを特徴とする、請求項２９に記載の誘導結合プラズマ反応器。
31. 前記電源供給源と前記一次巻線との間に設けられてインピーダンス整合を行うインピーダンス整合回路を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
32. 前記電源供給源が調整可能な整合回路なしに動作することを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
33. 前記反応器本体で発生したプラズマガスを提供されて収容するプロセスチャンバを更に含むことを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
34. 前記反応器本体が前記プロセスチャンバに搭載可能な構造を有し、前記電源供給源が前記反応器本体と物理的に分離して構成され、
    前記電源供給源と前記反応器本体とが高周波ケーブルで遠隔にて連結されることを特徴とする、請求項３３に記載の誘導結合プラズマ反応器。
35. 前記反応器本体が一体に結合されるプロセスチャンバを更に含むことを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。
36. 前記プラズマ放電室に流入されるガスが不活性ガス、反応ガス、不活性ガスと反応ガスの混合ガスを含むグループから選択されることを特徴とする、請求項１５に記載の誘導結合プラズマ反応器。

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