JP5600394B2

JP5600394B2 - マイクロ波プラズマ反応装置

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Publication number: JP5600394B2
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Inventors: マリレナラドイウ; ジェイムズロバートスミス; アンドリュージェイムズシーリー
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Description

本発明は、マイクロ波プラズマ反応装置に関する。装置は、プラズマ減少システムに特定の用途を見い出されるが、本発明はそうしたシステムに制限されるものではない。

ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、ＮＦ₃、及びＳＦ₆は、半導体製造産業において一般的に使用され、例えば、誘電層のエッチング及びチャンバのクリーニングに使用される。製造工程又はクリーニング工程の後には、代表的に、処理ツールから送出された流出ガス流れの中に、残留ＰＦＣの内容物が存在する。ＰＦＣは、流出流れから除去するのが難しく、それらは比較的高い温室ガス効果を有することが知られているので、環境に放出するのは好ましくない。

プラズマ減少は、ＰＦＣを損害の少ない種に劣化させるための効果的な方法であることが判明した。プラズマ減少工程においては、破壊すべき種を含む流出ガスを、高密度プラズマの中に流入させ、プラズマ内の強力な状態の下で、ＰＦＣは強力な電子の衝突に曝され、反応種に解離し、酸素又は水素と化合して、比較的安定な、低い分子量の副産物、例えば、ＣＯ、ＣＯ₂、及びＨＦを生成し、これらは更なる処理段階にて除去される。

ひとつの形態による既知のプラズマ減少においては、プラズマは、マイクロ波プラズマである。マイクロ波プラズマ反応装置の例は、英国特許第ＧＢ２，２７３，０２７号に開示されている。その装置においては、マイクロ波プラズマは、チャンバ内に近接して対向する関係で配置された２つの電極の間に発生し、一方の電極は軸線孔を有し、これを通って励起されたガス媒体がチャンバから排気される。

英国特許第ＧＢ２，２７３，０２７号

そうした反応装置においては、マイクロ波放射は、マイクロ波発生器から導波管によってチャンバの中へ運ばれる。導波管によってマイクロ波発生器の中へ反射して戻るマイクロ波放射の量を減少させるため、導波管には１つ又は複数の同調ネジが設けられ、内部に向けて実質的に直交して延びている。それぞれのネジが導波管の中に延入する量を調整することで、導波管によってマイクロ波発生器の中に反射して戻るマイクロ波放射の量を最小化できる。しかしながら、同調ネジの存在は、プラズマへのエネルギー吸収を抑えるように働く。

本発明によって提供されるマイクロ波プラズマ反応装置は、反応チャンバと、反応チャンバの内部に配置されたマイクロ波共鳴キャビティと、マイクロ波放射を共鳴キャビティに導くための導波管であって、収束性のテーパ部分を有してなる導波管と、共鳴キャビティの内部にプラズマを持続させるために、マイクロ波放射から、共鳴キャビティの内部に電磁定在波を形成するための手段と、ガス入口及びガス出口を有してなる共鳴キャビティと、ガス入口からガス出口へ流れるガスと共に、共鳴キャビティから運ばれたプラズマを収容すべくガス出口から延びてなる導管手段と、を備えていることを特徴とする。

導波管におけるテーパ部分の存在は、共鳴キャビティの内部に発生したプラズマに吸収されるエネルギーを減少させることなく、導波管を同調させて、導波管の内部のマイクロ波放射の反射を阻止するように働く。

導波管におけるテーパ部分は、好ましくはチャンバに隣接して配置され、好ましくはその長さは、マイクロ波放射の伝播方向において、マイクロ波放射の波長の略半分に等しくなっている。

導波管におけるテーパ部分は、好ましくは、マイクロ波放射を受けるための第１の好ましくは実質的に矩形である端面を有し、マイクロ波放射のＴＥ₀₁電場に実質的に平行な第１の高さを有し、及び、第２の好ましくは実質的に矩形である端面を、第１の端面とは反対側に有し、第１の高さに比べて小さい第２の高さを有する。第２の端面の高さは、好ましくは、共鳴キャビティの高さと実質的に等しい。導波管の高さを、第１の高さから第２の高さへと減少させることによって、電場の強度は増加する。導波管におけるテーパ部分は、好ましくは、２つの収束する側面を備え、それぞれ端面間に延在し、第１の端面に対して鋭角に傾斜している。

矩形の導波管であって、電場に対して直交して略同じ幅を有するものにおいては、電場の強度の増加は、導波管の高さの減少に正比例している。電場の強度の増加によって充分に、共鳴キャビティの内部には、マイクロ波放射からプラズマが発生できる。

導管手段の内部にプラズマを収めるため、好ましくは、導管手段を冷却するための手段が設けられる。例えば、水又はその他の水性溶液などの冷媒を、導管手段の外面に噴霧するための手段が設けられて、導管手段を冷却する。

共鳴キャビティの内部に電磁定在波を形成する手段は、好ましくは、共鳴キャビティからマイクロ波放射を受けるために、反応チャンバにおける導波管とは反対側に取り付けられた第２のチャンバを備え、マイクロ波放射を反射して共鳴キャビティの中へ戻すために、チャンバを通るマイクロ波の伝播の方向に対して実質的に垂直に延びてなる端面を有している。共鳴キャビティの内部のプラズマへのエネルギー吸収を最適化するために、第２のチャンバは、好ましくは、第２のチャンバの端面から間隔を隔てられた同調手段を収容している。同調手段は、第２のチャンバを通るマイクロ波放射の伝播方向に対して垂直に延びてなる、好ましくは円筒形の導電同調器を備えていて、好ましくは、第２のチャンバを同調すべく、第２のチャンバに対して可動になっている。

共鳴キャビティは、好ましくは、少なくともひとつの誘電性インサートを内部に配置されて備え、ガス入口からガスを受けてガス出口へガスを運ぶために、実質的に円筒形のガスチャンバを形成し、ガス出口はガスチャンバと実質的に同軸的になっている。ガスチャンバは、円形又は楕円形の横断面を有している。少なくともひとつの誘電性インサートは、２枚の誘電性プレート部材を備え、それぞれが湾曲した側壁部分を有しているならば都合が良い。

共鳴キャビティの内部の電場を増加させるために、反応装置は、好ましくは、共鳴キャビティの内部の電磁場の中に突出してなる導電部材を備え、好ましくは、電場の強度がピークになる位置に設けられ、好ましくは、反応チャンバを通るマイクロ波の伝播方向に対して実質的に垂直に、電磁場の中に延入する。発明者が見い出したところによれば、単一の導電部材が共鳴キャビティの中に突出して存在すると、電場の強度を、例えば２〜６ｋＷなどの比較的低い出力を有するマイクロ波放射によって、プラズマが点火して維持される程度にできる。

反応装置の使用中における導電部材の浸食のために、導電部材は、好ましくは、共鳴キャビティの中に突出してなる交換可能なチップを備えている。チップは、好ましくは、タングステン、銅、又はタングステン合金などの耐腐食性及び耐熱性の材料から形成される。チップに冷却を提供して、反応装置の使用中における、その寿命を伸ばすために、チップは任意的には中空であり、そのまわりに延在する複数の開口部を備えている。共鳴キャビティにおけるガス入口とガス出口との間を流れるガスは、チップを冷却するために開口部を通り抜ける。それぞれの開口部は、好ましくは、マイクロ波放射が通過できるサイズの直径を有している。

導電部材は、好ましくは、チップに係合してなる導電本体部分を備えている。環状の冷媒通路が設けられ、環状通路は導電本体部分のまわりに延在し、冷媒を環状通路に及び環状通路から運ぶ手段を備えている。

導電本体部分は、好ましくは、共鳴キャビティを通って運ばれたガスと反応するための反応物を受け入れるためのガス入口ポートを備え、導電本体部分は、好ましくは、反応物を共鳴キャビティの中に運ぶための通路を備えている。反応装置が、プラズマ減少システムの一部として提供される場合には、チャンバを通して運ばれて、減少させるべきガスの組成に依存して、減少させるべきガスと反応させるために、共鳴キャビティの中に反応物を導入するのが有利である。例えば、減少させるべきガスが、パーフルオロ又はハイドロフルオロカーボン化合物、例えば、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₃Ｆ₈、Ｃ₄Ｆ₈、ＮＦ₃、及びＳＦ₆のうちのひとつである場合には、Ｈ₂又はＨ₂Ｏなどの反応物を、導電部材のボア孔を通して共鳴キャビティの中に運び入れ、プラズマ内にＨ又はＯＨのラジカルを形成して、減少させるべきガスと反応させる。

導電部材は、好ましくは、ガス出口の反対側に配置される。ガス入口は、好ましくは、前記少なくともひとつの誘電性インサートを通って延びていて、好ましくは、ガスチャンバの中に実質的に接線方向にガスを導入するように配置されている。これは、チャンバの内部にてガスを螺旋状とし、プラズマを最適化するために、チップの下方にてガスの均一な圧力低下を達成する。反応チャンバは、好ましくは、その側壁に配置された透明な点検窓を備え、前記少なくともひとつの誘電性インサートは、ガスチャンバと窓との間に延びた、ボア孔を形成されて有している。

導電部材が電場内に存在することは、導波管と共鳴キャビティとの間のインピーダンスマッチングを乱し、これは、導波管を通ってマイクロ波発生器へ向かって戻る、マイクロ波放射の反射につながり、プラズマへのエネルギー吸収を減少させる。反射したエネルギーが高過ぎるならば、マイクロ波発生器は破損する。従って、導電部材と同軸的に同調器が設けられ、導電部材の平面のインピーダンスを、マイクロ波放射の周波数において、導波管のインピーダンスと整合させる。

導電部材は、好ましくは、チャンバに取り付けられたホルダーの内部に保持される。チャンバは、好ましくは、共鳴キャビティに隣接して配置された円筒形のボア孔を備え、ホルダーはボア孔の中に延入している。ホルダー及びチャンバの両方は、好ましくは、導電部材から形成され、ホルダーはチャンバと電気的に接触している。ホルダーは、好ましくは、外方に延びるスカートを備え、チャンバに取り付けられて、チャンバとホルダーとの間に、気密シールを形成している。スカートは、チャンバと電気的に接触する。別の方法としては、スカートから下向きに吊下した環状リングを、チャンバと電気的に接触させても良い。スカートのベースと、導電部材の端部との間の距離は、好ましくは、共鳴キャビティの内部における電磁場を最大化するように選択される。ホルダーは、好ましくは、細長い本体部分を備え、導電部材のチップを保持するための円錐形の突起部を有している。

導電部材は、共鳴キャビティの内部にプラズマを点火させるための手段を収容している。プラズマを点火させる手段は、好ましくは、グロー放電を発生させる手段を備え、好ましくは、導電部材の内部に配置された細長い電極を備えている。好ましくは、グロー放電ガスが電極に運ばれて、グロー放電を形成し、導電部材は、プラズマの点火のために、共鳴キャビティにグロー放電ガスを運べる通路を提供する。グロー放電ガスは、窒素、又は希ガス、又は任意のその他の実質的に不活性でイオン化可能なガスである。共鳴キャビティを通って運ばれるガスと反応するために、反応物が必要な場合には、反応物はグロー放電ガスに含有される。

グロー放電を開始（initiate）するのに充分に高い電圧を提供し、グロー放電を、好ましくは、少なくとも０．１秒間、持続させるために、回路が設けられる。グロー放電の発生は、共鳴キャビティの内部にてプラズマが点火した後に終了し、従って、グロー放電は、最大１０秒間、又は、例えば最大５秒間、又は、例えば、１〜５秒間にわたって発生する。

反応装置は、好ましくは、マイクロ波放射を発生するためのマイクロ波発生器を備えている。プラズマを点火する手段を提供するのに代えて、発生器は、例えば、２〜６ｋＷなど、共鳴キャビティの内部にプラズマを点火するのに充分な出力のマイクロ波放射を発生するように構成しても良い。発生器は、所定の時間期間、例えば、１〜５秒後には、マイクロ波放射を発生させる出力を、例えば、２〜３ｋＷに減少させるように構成される。

また、本発明は、処理ツールからのガス流れ排気を処理するための装置を提供し、装置は前述したようなマイクロ波プラズマ反応装置を備えている。

本発明の好ましい特徴について、以下、単に例示的に、添付図面を参照しつつ説明する。

図１乃至図４を参照すると、マイクロ波プラズマ反応装置１０は、導電ハウジング１２を備えている。ハウジング１２は、好ましくは、例えばステンレス鋼などの導電材料から形成されているか、または、導電性の内面を有している。図示の如く、ハウジング１２は、矩形の横断面を有している。ハウジング１２には、例えば、機械加工によって、スロット１４が形成され、反応装置１０の共鳴キャビティを提供するために、ハウジング１２の幅を横切って延びている。共鳴キャビティ１４の一端は、導波管１６に結合され、マイクロ波放射を、マイクロ波発生器（図示せず）から共鳴キャビティ１４に運ぶ。共鳴キャビティ１４の他端は、短絡回路１８に結合されている。

導波管１６は、第１の、実質的に矩形である本体部分２０を備え、その高さｈ₁は、導波管１６を通して共鳴キャビティ１４に運ばれるマイクロ波放射のＴＥ₀₁電場に対して実質的に平行であり、幅ｗは、マイクロ波放射の電場に対して直交している。また、導波管１６は、第２の、実質的に矩形である本体部分２２を共鳴キャビティ１４に面して備え、第２の本体部分２２は、高さｈ₂と幅ｗとを有し、ここで、ｈ₂＜ｈ₁になっている。図示の例においては、第２の本体部分２２の高さは、第１の本体部分２０の高さに比べて、略１／３になっている。

導波管１６はさらに、第１の本体部分２０と第２の本体部分２２との間に配置されてなる、テーパの付いた幅ｗの収束部分２４を備えている。テーパ部分２４は、高さｈ₁及び幅ｗの第１の本体部分に隣接した、第１の端面２５ａと、高さｈ₂及び幅ｗの第２の本体部分に隣接した、第２の端面２５ｂとを備えている。テーパ部分２４はさらに、端面２５ａ，２５ｂの間に延びた、第１及び第２の側面２５ｃ，２５ｄを備え、第２の側面２５ｂに対して鋭角に傾斜して、第１及び第２の本体部分２０，２２は同軸的になっている。テーパ部分２４は、導波管１６を通るマイクロ波放射の伝播方向に長さＬを有し、ここで、Ｌは、マイクロ波放射の波長の略半分に等しい。

短絡回路１８は、共鳴キャビティ１４の反対側に、導波管１６の延長部を提供する。短絡回路１８は、導波管１６の第２の部分２２の端部から間隔を隔てた端部プレート２６によって、部分的に区画されてなるチャンバ２７を備え、入射したマイクロ波放射は、端部プレート２６で反射して、共鳴キャビティ１４の内部に電磁定在波を形成する。導波管１６の第２の部分２２の端部に対して、端部プレート２６の位置は調整可能になっている。

短絡回路１８は、端部プレート２６から間隔を隔てて、短絡回路１８を同調させるための同調器２９を備えている。図示の例においては、同調器は、短絡回路１８の上面に螺入されたネジ２９を備え、ネジの本体は、チャンバ２７を通るマイクロ波放射の伝播方向に対して実質的に垂直に、チャンバ２７の中に延入している。ネジ２９の頭部２９ａを回すことで、ネジ２９の端部は、チャンバの内部にて上下して、短絡回路１８を同調する。

共鳴キャビティ１４は、２枚の誘電性プレート部材２８，３０を収容していて、これらは好ましくは、ＰＴＦＥ又はその他の適切な耐食性を有する適当な材料から形成され、共鳴キャビティ１４を通して運ばれるマイクロ波放射に対して実質的に透明になっている。それぞれのプレート部材２８，３０は、共鳴キャビティ１４を通るマイクロ波放射の伝播方向に対して直交して延びてなる平坦な側壁部分３２を有し、共鳴キャビティ１４の内部に、実質的に円筒形のガスチャンバ３６の一部分を形成してなる、湾曲した側壁部分３４を有している。ガスチャンバ３６は、円形又は楕円形の横断面を有している。

それぞれのプレート部材３０，３２は、それらに形成された第１のボア孔３８を有し、共鳴キャビティ１４のガスチャンバ３６へ入るガス入口を提供している。図示の反応装置１０においては、片方のボア孔３８は、ハウジング１２の側壁に形成されたガス入口ポート４０に整列され、ハウジング１２に取り付けられた第１のガス導管４２からガスを受け入れる。第２のガスポートは、第２のガス導管からガスを受けるために、ハウジング１２の反対側の側壁に任意的に形成され、このガスは、第１のガス導管４２からガスチャンバ３６に入るガスと、同一であるか又は異なるガスである。それぞれのガス入口は、好ましくは、第１のガス導管４０から実質的に接線方向にガスチャンバ３６にガスが入るように構成され、これにより、ガスチャンバ３６の中心に向けて、ガスはガスチャンバ３６の内部で内方へ渦巻く。ガス出口ポート４４は、ガスチャンバ３６から第２のガス導管４６へとガスを運ぶために、ハウジング１２のベースに形成されている。ガス出口ポート４４は、ガスチャンバ３６を横切って延び、好ましくはガスチャンバ３６と同軸的に延びる。

また、それぞれのプレート部材３０，３２は、それぞれに形成されたより小さな第２のボア孔４８を有している。一方のボア孔４８は、ハウジングの側壁に形成された開口部５０に整列され、透明なカバープレート５２によって閉じられ、ユーザが、反応装置１０の使用中に、共鳴キャビティ１４のガスチャンバ３６の内部に発生したプラズマを観察できるように、点検窓を提供している。

また、ハウジング１２には、円筒形のボア孔５４が形成され、ボア孔５４は、共鳴キャビティ１４を横切って延在し、共鳴キャビティと共に、反応装置１０の反応チャンバを形成している。ボア孔５４は、好ましくは、ガスチャンバ３６及びガス出口ポート４４に対して、実質的に同軸的になっている。ボア孔５４は、導電組立体５６を受け入れる。組立体５６は、導電部材５８と、導電部材５８を保持するためのホルダー６０とを備えている。

導電部材５８は、細長い管６２を備え、これは、銅又はその他の導電材料から形成され、図５に詳しく示すように、管状のチップ６４と係合する。チップ６４は、好ましくは、耐食性で耐熱性の材料、例えば、タングステン又はタングステン合金、例えば、タングステンとランタンとの合金から形成されている。チップ６４には、そのまわりに延在する複数の開口部６５が設けられ、ガス入口３８とガス出口４４との間のガス流れが、チップ６４を通って半径方向に通過し、それにより、チップ６４の冷却を高めている。開口部６５は、好ましくは、マイクロ波放射が開口部６５を通り抜けるような寸法になっている。

ホルダー６０は、好ましくは、導電材料、例えば、ステンレス鋼又は陽極処理アルミニウムなどから形成される。導電部材５８とホルダー６０とは、好ましくは、反応装置１０の使用中には、電気的に接地される。ホルダー６０は、中空の内部を有し、その中には、導電部材５８における管６２及びチップ６４が、好ましくは摺動嵌合している。ホルダー６０は、外方へ延びたスカート６８を有してなる第１の本体部分６６を備え、ハウジング１２におけるボア孔５４のフランジ状開口部７０に配置されている。スカート６８とフランジ状開口部７０との間には、Ｏリング７２が設けられて、気密シールを形成しており、スカート６８は、そのまわりに延びるクランプチェーン７４によってフランジ状の開口部７０にクランプされている。図３に示すように、Ｏリング７２は、好ましくは、反応チャンバの外側に、従って、反応チャンバの内部に発生する電磁場の外側に配置され、スカート６８から下向きに吊下された環状リング７６のまわりに延在し、環状リングは、ボア孔５４の直径と実質的に等しい内径を有し、ハウジング１２と電気的に接触している。代わりに、スカート６８のベースをハウジング１２に電気的に接触させても良い。

ホルダー６０はさらに、ボア孔５４の中に延在してなる、第２の細長い本体部分７８を備えている。ホルダー６０における第２の本体部分７８は、円錐形の突起部８０にて終端し、好ましくは、ガスチャンバ３６の中に突出していない。第２の本体部分７８の内径は、円錐形の突起部８０にて減少していて、チップ６４をホルダー６０の内部に保持するために、チップ６４のリム８４に係合する肩部８２を提供している。ホルダー６０における第２の本体部分７８は、好ましくは、第１の本体部分６６及びスカート６８の両方と一体的になっている。

図５に示すように、チップ６４は、好ましくは、ガスチャンバ３６の中に突出している。チップ６４の長さ、及び／又は、ホルダー６０における第２の本体部分７８の長さは、好ましくは、共鳴キャビティ１４に供給されるマイクロ波放射の周波数に応じて、共鳴キャビティ１４の内部に発生した定在波の中に、チップ６４が所定の距離だけ延入するように選択される。

管６２は、好ましくは、ホルダー６０と電気的に接触して保持される。図示の通り、金属バネ８６又はその他の導電要素がホルダー６０の内部に配置され、バネ８６の一端は、管６２に形成された第１の環状の突起部８８に係合し、バネ８６の他端は、ホルダー６０に螺入した金属ロックナット９０に係合している。

管６２は、第１の環状の突起部８８から間隔を隔ててなる、第２の環状の突起部９２を有し、ホルダー６０と管６２との間に環状の通路９４を形成している。冷却水の流れは、環状の通路９４に供給され、水は、ホルダー６０を通り抜ける冷媒入口ポート９６を通って環状の通路９４に供給され、冷媒入口ポート９６の実質的に反対側に配置された、ホルダー６０を通り抜ける冷媒出口ポート９８を通って、環状の通路９４から排出される。

共鳴キャビティに運ばれる電磁放射の出力によっては、共鳴キャビティ１４の内部に生成される電場の強度は、ガスチャンバ３６の内部でプラズマを点火するのに不十分である。従って、導電部材５８の内部には、グロー放電電極組立体１００が収容される。電極組立体１００は、プラズマ点火用のグロー放電電極１０２を備え、これは、導電部材５８の管６２内で同軸的に、間隔を隔てた、細長い高電圧電極の形態になっている。コネクタ１０４は、電極１０２を電源に接続する。電極１０２は、ロックナット９０と同軸的に配置された、相補的なネジ孔に螺入されている。ガス入口１０６は、管６２の内部に形成され、窒素、希ガス、又は任意のその他の実質的に不活性でイオン化可能なガスなどのグロー放電ガスの流れを、ホルダー６０の第１の本体部分６６を半径方向に通って延在するガス入口ポート１０８から受ける。ガス入口ポート１０８は、ガス入口ポート１０８をグロー放電ガスの源に結合するために、ホルダーに取り付けられたコネクタ１１０から、グロー放電ガスを受ける。ガス入口１０６は、好ましくは、導電部材５８における管６２のボア孔に対して接線方向に配置され、導電部材５８のチップ６４に向かう略下向きの、電極１０２のまわりにおける螺旋流れの経路の形成を促進する。

グロー放電電極組立体を設ける代わりに、マイクロ波発生器の構成を、初期の１〜５秒間、電磁場の出力を例えば略６ｋＷと比較的高くすることで、ガスチャンバ３６の内部のプラズマに点火させても良い。マイクロ波発生器は、その後、マイクロ波放射の出力を減少させて、例えば２〜３ｋＷとし、または、ガスチャンバ３６の内部にプラズマを維持するのに充分な任意のその他の出力とするように構成しても良い。

図２に示すように、ホルダー６０がハウジング１２に取り付けられたとき、導電部材５８は、ガスチャンバ３６を通るマイクロ波の伝播方向に対して実質的に垂直に、ボア孔５４の中に延入し、ガスチャンバ３６及びガス出口ポート４４の両方に対して、実質的に同軸的になっている。導電部材５８におけるチップ６４は、好ましくは、反応装置１０の使用中に、共鳴キャビティ１４の内部に形成される電磁場が最大強度になる位置に配置される。

反応装置１０の使用中に、ガスチャンバ３６を、好ましくは２０〜１５０℃の温度に、昇温させて維持するための手段が設けられる。例えば、ガスチャンバ３６は加熱されて断熱され、または、制限された冷却が与えられ、ガスチャンバ３６を所望の昇温温度に又はその温度近くに維持する。

反応装置１０の通常の使用中には、環状の通路９４に、冷却水の流れが供給される。ガス入口ポート４０を通して、ガスチャンバ３６の中にはガスが送入され、ガスチャンバ３６の内部を螺旋状に流れ、導電部材５８のチップ６４の下方を通ってから、ガス出口ポート４４を通ってガスチャンバ３６を去り、第２のガス導管４６に入る。

マイクロ波放射は、導波管１６によるマグネトロンのために、共鳴キャビティ１４に送られ、従って、ガスチャンバ３６に入る。短絡回路１８における端部プレート２６は、マイクロ波を反射して、共鳴キャビティ１４の内部に定在波を形成し、導電部材５８のチップ６４は、ガスチャンバ３６の内部の電磁場を強化する。導波管１６におけるテーパ部分２４は、導波管１６における第１及び第２の本体部分２０，２２の間の境界からのマイクロ波放射の伝達及び反射を阻止するように働き、プラズマのエネルギー吸収を最大化する。導電部材５８のチップ６４に対するホルダー６０のスカート６８の下面１１２の幾何学形状及び位置決めを選択して、スカート６８の下面１１２が、ハウジング１２のボア孔５４の内面及びホルダー６０の第２の本体部分の外面と共に、同軸的な同調器を提供し、マイクロ波放射の周波数において、導電部材５８の平面のインピーダンスを、導波管１６のインピーダンスに整合させる。

ガスチャンバ３６の内部でプラズマを点火するために、グロー放電電極組立体１００が使用される場合には、グロー放電ガスは、管６２のガス入口ポート１０６を通って、管６２のボア孔の中へ流れる。電極１０２には、低電圧高電流源が接続され、電極１０２には、一時的に高電圧が適用される。高電圧は、グロー放電ガスを通って、電極１０２のチップから、管６２の近位部分へ向かうような、コロナ放電をもたらす。そのコロナ放電は、低電圧源からの大電流がグラウンドに流れられる経路を提供する。大電流の流れは、グロー放電ガスに、グロー放電の形成をもたらす。従って、形成されたグロー放電は、管６２の内部のグロー放電ガスの流れによって、導電部材５８のチップ６４からガスチャンバ３６へと移動する。ガスチャンバ３６の内部のマイクロ波放射は、効率的にグロー放電に結合でき、代表的には１秒未満の間に、プラズマは点火し、安定したマイクロ波プラズマをもたらし、電極１０２への電力の供給がスイッチオフされた後（代表的には２〜３秒以内）には、ガスチャンバ３６に供給されるマイクロ波放射のみによって維持される。

ガスチャンバ３６の内部にて開始（initiate）したプラズマは、ガスチャンバ３６を通って流れるガスと共に、ガスチャンバ３６からガス出口ポート４４を通って運び出され、第２のガス導管４６の内部に収容される。かくして、プラズマは、チップ６４の下方に発生した炎に類似しており、ガス出口ポート４４を通って出て、第２のガス導管４６に入る。反応装置１０の使用中には、第２のガス導管４６の内部に発生する高温のために、水などの冷媒を、第２のガス導管４６の外面に噴霧して、第２のガス導管４６を冷却する。

ガスチャンバ３６の内部に発生したマイクロ波プラズマは、多数の目的に使用される。例えば、プラズマは、ハロゲン化種、例えば、未使用のパーフルオロ及び／又はハイドロフルオロカーボンなどのチャンバクリーニングガス及びエッチングガス、チャンバを通り抜けるガス流れの内部に含有されるシラン又はアンモニアを破壊するのに使用される。ガスチャンバ３６には、これらのガスと反応させるためのＨ₂又はＨ₂Ｏなどの反応物が、導電部材５８のチップ６４の下方に発生したプラズマの内部でガスと反応させるためにグロー放電ガスと共に供給される。破壊すべきガスが、化学的に適合しない（incompatible）場合には、ガスチャンバ３６には上述の如く複数のガス入口が設けられ、適合しないガスは別個にガスチャンバ３６に運ばれる。

図１は、マイクロ波プラズマ反応装置の外形を示した斜視図である。図２は、図１の反応装置を示した側面図である。図３は、図２の線Ａ−Ａに沿った反応装置の断面図である。図４は、図２の線Ｂ−Ｂに沿った反応装置の断面図である。図５は、図３において指示した領域Ｃについての拡大図である。

符号の説明

１０マイクロ波プラズマ反応装置１２導電ハウジング
１４共鳴キャビティ１６導波管
１８短絡回路２０第１の本体部分
２２第２の本体部分２４テーパ部分
２６端部プレート２７チャンバ
２８，３０プレート部材２９同調器
３６ガスチャンバ３８ガス入口
３８第１のボア孔４０ガス入口ポート
４２第１のガス導管４４ガス出口ポート
４６第２のガス導管４８第２のボア孔
５０開口部５２カバープレート
５４ボア孔５６導電組立体
５８導電部材６０ホルダー
６２管６４チップ
６５開口部６６第１の本体部分
６８スカート７０フランジ状開口部
７２Ｏリング７４クランプチェーン
７６環状リング７８第２の本体部分
８０突起部８２肩部
８４リム８６バネ
８８第１の環状の突起部９０ロックナット
９２第２の環状の突起部９４通路
９６冷媒入口ポート９８冷媒出口ポート
１００グロー放電電極組立体１０２グロー放電電極
１０４コネクタ１０６ガス入口
１０８ガス入口ポート１１０コネクタ
１１２下面

Claims

マイクロ波プラズマ反応装置であって、
反応チャンバと、
反応チャンバの内部に配置され、ガス入口及びガス出口を有してなるマイクロ波共鳴キャビティと、
マイクロ波放射を共鳴キャビティに導くための導波管であって、収束性のテーパ部分を有してなる導波管と、
共鳴キャビティの内部にプラズマを開始及び持続させるために、共鳴キャビティの内部にマイクロ波放射から電磁定在波を形成するための手段と、
共鳴キャビティの内部の電磁場の中に突出してなる導電部材であって、共鳴キャビティの中に突出してなる交換可能なチップを備えている導電部材と、
前記ガス入口から前記ガス出口へ流れるガスと共に、共鳴キャビティから運ばれたプラズマを収容すべくガス出口から延びてなる導管手段と、を備えていることを特徴とする反応装置。
導波管におけるテーパ部分は、矩形である第１の端面をその一端に有し、矩形である第２の端面をその他端に共鳴キャビティに近接させて有し、マイクロ波放射の伝播方向に対して直交する高さを有し、導波管におけるテーパ部分の高さは、第１の端面部分から第２の端面部分へ向けて減少していることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
導波管におけるテーパ部分は、２つの収束する側面を備え、それぞれ端面間に延在し、第１の端面に対して鋭角に傾斜しており、第１の端面部分の高さは、第２の端面部分の高さの３倍であることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
第２の端部部分の高さは、共鳴キャビティの高さと、等しくなっていることを特徴とする請求項２又は３に記載の反応装置。
導波管におけるテーパ部分は、反応チャンバの外側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の反応装置。
導波管におけるテーパ部分の長さは、マイクロ波放射の伝播方向において、マイクロ波放射の波長の半分の長さに等しいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の反応装置。
導波管は、第１の本体部分と第２の本体部分とを備え、これを通して伝播したマイクロ波放射は共鳴キャビティに入り、導波管におけるテーパ部分は、導波管における本体部分同士の間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の反応装置。
導管手段を冷却するための手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の反応装置。
冷却手段は、導管手段の外面に冷媒を噴霧するための手段を備えていることを特徴とする請求項８に記載の反応装置。
共鳴キャビティの内部に電磁定在波を形成する手段は、共鳴キャビティからマイクロ波放射を受けるために、反応チャンバにおける導波管とは反対側に取り付けられた第２のチャンバを備え、マイクロ波放射を反射して共鳴キャビティの中へ戻すために、このチャンバを通るマイクロ波の伝播の方向に対して垂直に延びてなる端面を有していることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の反応装置。
第２のチャンバは、第２のチャンバの端面から間隔を隔てられた同調手段を収容しており、同調手段は、第２のチャンバを通るマイクロ波放射の伝播方向に対して垂直に延びてなる導電同調器を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の反応装置。
導電同調器は、第２のチャンバに対して可動になっていることを特徴とする請求項１１に記載の反応装置。
同調器は、円筒形であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の反応装置。
ガス出口は、チャンバを通るマイクロ波の伝播方向に対して直交するように延びていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の反応装置。
共鳴キャビティは、内部に配置された少なくともひとつの誘電性インサートを備え、これはガス入口からガスを受けてガス出口へガスを運ぶために、円筒形のガスチャンバを形成しており、ガス出口はガスチャンバと同軸的になっていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の反応装置。
ガスチャンバは、円形又は楕円形の横断面を有していることを特徴とする請求項１５に記載の反応装置。
前記少なくともひとつの誘電性インサートは、２枚の誘電性プレート部材を備え、それぞれが湾曲した側壁部分を有していることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の反応装置。
ガス入口は、前記少なくともひとつの誘電性インサートを通って延びていることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の反応装置。
ガス入口は、ガスチャンバの中に接線方向にガスを導入するように配置されていることを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の反応装置。
反応チャンバは、その側壁に配置された透明な点検窓を備え、前記少なくともひとつの誘電性インサートは、ガスチャンバと窓との間に延びるように形成されたボア孔を有していることを特徴とする請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載の反応装置。
チップは中空であり、そのまわりに延在する複数の開口部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
それぞれの開口部は、マイクロ波放射が通過できるサイズの直径を有していることを特徴とする請求項２１に記載の反応装置。
チップは、タングステン、銅、又はタングステン合金から形成されていることを特徴とする請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の反応装置。
導電部材は、チップに係合してなる導電本体部分を備えていることを特徴とする請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の反応装置。
導電本体部分のまわりに延在してなる環状の冷媒通路を備え、冷媒を環状通路に及び環状通路から運ぶ手段を備えていることを特徴とする請求項２４に記載の反応装置。
導電本体部分は、共鳴キャビティを通って運ばれたガスと反応するための反応物を受け入れるためのガス入口ポートを備え、導電本体部分は、反応物を共鳴キャビティの中に運ぶための通路を備えていることを特徴とする請求項２５に記載の反応装置。
導電部材は、反応チャンバを通るマイクロ波の伝播の方向に対して垂直に、電磁場の中に延入していることを特徴とする請求項１乃至２６のいずれか１項に記載の反応装置。
導電部材は、ガス出口とは反対側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至２７のいずれか１項に記載の反応装置。
導電部材は、共鳴キャビティの内部にプラズマを点火するための手段を収容していることを特徴とする請求項１乃至２８のいずれか１項に記載の反応装置。
マイクロ波放射を発生するマイクロ波発生器を備え、発生器は、共鳴キャビティの内部にプラズマを開始するのに充分な出力にて、マイクロ波放射を発生させるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至２９のいずれか１項に記載の反応装置。
発生器は、所定の時間期間の後に、マイクロ波放射を発生させる出力を減少させるように構成されていることを特徴とする請求項３０に記載の反応装置。
処理ツールからのガス流れ排気を処理するための装置であって、請求項１乃至３１のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ反応装置を備えてなる装置。