JP6392119B2 - ガス流処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ガス流処理装置およびガス流処理方法に関する。本発明は、半導体またはフラットパネルディスプレイ産業で使用されるプロセスチャンバからの排出ガス流の処理に特別な用途を有する。
半導体デバイスの製造の第１段階は、蒸気前駆体の化学反応により半導体基板上に薄膜を形成することである。基板上に薄膜を蒸着させる１つの既知の技術は化学蒸着（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）であり、通常、プラズマ増強化学蒸着（plasma enhanced chemical vapour deposition： ＰＥＣＶＤ）である。この技術では、プロセスガスは、基板を収容するプロセスチャンバに供給されかつ基板の表面上に薄膜を形成すべく反応する。薄膜を形成すべくプロセスチャンバに供給されるガスの例として、窒化ケイ素膜を形成するためのシランおよびアンモニア；ＳｉＯＮ膜を形成するためのシラン、アンモニアおよび亜酸化窒素；酸化ケイ素膜を形成するためのＴＥＯＳ、および酸素およびオゾンの一方；および酸化アルミニウム膜を形成するためのＡｌ(ＣＨ３)３および水蒸気があるが、これらに限定されるものではない。
プロセシングの後、プロセスチャンバから排出されるガスは、放出または貯蔵の前に処理されなくてはならない。プロセスチャンバから排出されるガスは、プラズマ除去装置（plasma abatement device）を用いて高効率かつ比較的低コストで処理できる。プラズマ除去法では、排出ガス流は、熱大気圧延プラズマ放電（これは、主として熱源となる）中に流入される。プラズマは、ガス流を反応性種に解離し、これにより、酸素または水素と結合して比較的安定した副生物を生成する。
プロセスチャンバの作動サイクルで使用される種々のガスは、有効な処理を行うため、トーチに異なる量の出力（パワー）を供給する必要がある。通常、電気エネルギ源の電圧はほぼ一定に維持し、出力の変化は、供給電流を制御することにより制御される。一般的なＤＣプラズマトーチは、放電を消止させないようにトーチにより維持できる最小電流により定められる下限と、使用される電源の最大電流定格またはトーチ電極に熱的損傷を生じさせない最大電流により定められる上限との間の制限された出力範囲を有している。
しかしながら、ＤＣプラズマトーチの電圧-電流特性は、電流の増大による電圧の低下またはこの逆の関係になることを示している。したがって、トーチ電流の変化が大きくても、出力の変化は比較的小さい。例えば、作動電流を２０Ａから４０Ａに変化（すなわち、１００％増大）させても、トーチ出力は約６０％増大するに過ぎない。
本発明の目的は、処理装置のＤＣプラズマトーチの作動可能な出力範囲を増大させることにある。
本発明は、電気エネルギ源により付勢されたときに、源ガスからプラズマフレアを発生させるＤＣプラズマトーチと、付勢されるべくトーチに供給される源ガスの流量を調整する流量レギュレータと、該流量レギュレータの選択的制御によりプラズマトーチの出力を制御するように構成されたＤＣプラズマトーチの出力コントローラとを有するガス流処理装置を提供する。
本発明の他の好ましい特徴および／または付加的特徴は、特許請求の範囲の実施態様項に記載されている。
本発明を良く理解できるようにするため、単なる例示として示す本発明の幾つかの実施形態およびその作動方法を、添付図面を参照して以下に説明する。
図１を参照すると、ガス流１２を処理する装置１０が示されている。装置１０はＤＣプラズマトーチ１４を有し、該プラズマトーチ１４は、電気エネルギ源２０により付勢されると、源ガス１８からプラズマフレア１６を発生させる。電流コントローラ２２は、電源２０によりトーチ１４に供給される電流の量を制御する。流量レギュレータ２４は、トーチを付勢すべく供給される源ガス１８の流量を調整する。出力コントローラ２６は、電流コントローラ２２および流量レギュレータ２４を選択的に制御することにより、プラズマトーチ１４の出力を制御するように構成されている。より詳細に後述するように、電流を変化させても出力の変化は比較的小さいのに対し、流量を変化させると出力の変化は比較的大きい。したがって、１つの構成では、電流コントローラ２２を省略して、出力は流量レギュレータのみによって制御することもできる。
図１に非常に概略的に示すように、電気エネルギ源２０は、導電体２８によりプラズマトーチ１４の電極３２に接続されている。プラズマトーチ１４についてのより詳細な説明は、図４に関連して行う。電気エネルギが電極３２に供給されると、電界が、プラズマトーチ１４内に導入された源ガス１８に通され、これにより源ガスがイオン化されて、プラズマフレア１６が発生される。プラズマフレア１６は、排出ガス流１２との反応が行われるプラズマリアクタチャンバ３６内へと下流側に延びている。処理すべきガス流１２は、入口３８を通ってリアクタチャンバ３６内に導入される。電流コントローラ２２は、破線で概略的に示された制御ライン４０に沿って、出力コントローラ２６から出力された電流制御信号に応答する。電流コントローラ２２は、出力コントローラ２６に応答して、電気エネルギ源２０により電極３２に供給される電流を制御する。
流量レギュレータ２４は、概略的に破線で示す制御ライン４２に沿って、出力コントローラ２６から出力される流量制御信号に応答する。流量レギュレータ２４は、出力コントローラ２６に応答して、源ガスの供給源４４からプラズマ装置（該プラズマ装置は、付勢されてプラズマフレア１６を形成する）に導入される源ガス１８の流量を制御する。源ガス１８は、一般的には窒素であるが、必要に応じて他のガスを使用することもできる。
出力コントローラ２６は、出力と、電流と、流量との間の所定の関係にしたがって電流および流量の両方を変えることにより、トーチ１４に供給される出力を変えるように構成されている。これらの関係が図２に示されており、出力Ｐはｙ軸上に示され、電流Ｉはｘ軸上に示され、増大する源ガスの流量は矢印Ｆで示されている。グラフには、３つの異なる源ガス流量を示す３つの曲線Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３が示されている。流量は、Ｆ１からＦ２およびＦ２からＦ３へと増大している。例えば、Ｆ１は１０ｓｌｍ、Ｆ２は２０ｓｌｍおよびＦ３は３０ｓｌｍであるとする。曲線Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、異なる流量についての出力に対する電流の関係を示している。流量が一定のとき、電流の変化が比較的大きくても、出力の変化は比較的小さいことが理解されよう。
したがって、出力コントローラ２６は、複数の異なる出力レジーム４６、４８、５０でトーチ１４の出力を制御するように構成されている。出力は、トーチ１４に供給される電流を制御することにより出力レジーム内で変化され、かつレジーム間の切換えは、源ガスの流量を調整することにより制御される。トーチ１４の操作可能な出力範囲は、図２に太線で示されている。出力の段階的変化５２は、流量がＦ１からＦ２に増大されるときにレジーム４８とレジーム５０との間に生じる。出力の他の段階的変化５４は、流量がＦ２からＦ３に増大されるときに生じる。
したがって、出力の僅かな調節は電流制御により行うことができる。一方、レジーム間の出力の段階的変化は、前記トーチの出力制御の限度に比べて比較的大きく、このため流量制御により出力の大きい変化を達成できる。出力制御の限度が１００％であると考えると、所与の流れ源ガス流量について約１０％より小さい出力の変化を達成できるのに対し、源ガス流量を変化させると２０％以上の出力変化を達成できる。
図２には３つの出力レジームが示されているが、この代わりに、処理装置１０の条件に基づいて、制御は、２つの出力レジームまたは４つ以上の出力レジームで作動するように構成できる。
従来技術と比較して、本発明の処理装置の作動可能な出力範囲は、既知の３０〜７０％から、トーチ作動電流の変化とフィードガス（Ｎ２）の流量とを組み合わせて、事実上３００〜５００％まで拡大できる。
したがって、異なる量の処理出力を必要とする複数のガス流を処理するのにプラズマトーチを制御でき、このために用いられる複数の出力レジームは、それぞれの異なる量の所要出力に一致するように配置される。これに加えまたはこの代わりに、プラズマトーチは、電気エネルギの消費を低減させるため、アイドルモードで作動するように制御でき、かつこのアイドルモードでプラズマトーチを作動させるのに必要な出力に一致するように、少なくとも１つの出力レジームが配置される。すなわち、トーチには２つの出力レジーム（１つはアイドルモード用および他はガス処理用）を設けるか、または両方ともアイドルモードのないガス処理用出力レジームを設けることができる。或いは、トーチには３つ以上の出力レジーム（１つはアイドルモード用、他は異なる排出ガス組成物の処理用）を設けることができる。
例えば、ＣＶＤプロセスサイクルに使用される前駆体には、３つの出力帯域条件を設けることができる。
アイドルモードでは、０．５〜１ｋＷの出力が必要とされる。このようなアイドルモードでトーチを作動させるため、第１出力レジーム（例えば、図２のレジーム４６）が配置される。必要な出力範囲を達成するため、流量Ｆ１（１０ｓｌｍとすることができる）を選択できる一方、この出力範囲内で電流制御することにより、出力をより細かく調節できる。このレジームは、最小の電気エネルギ消費でプラズマ放電を維持し、プラズマ放電の消止を防止するのに使用される。
蒸着モードでは、２〜３ｋＷの出力が必要になる。トーチを作動して、誘電膜蒸着に使用される発火性または可燃性前駆体（例えば、シラン、アンモニア、ＴＥＯＳまたは４ＭＳ）のような蒸着ガスを処理すべく、第２出力レジーム（例えば、図２の出力レジーム４８）が設けられている。所要出力範囲を達成するため、流量Ｆ２（例えば２０ｓｌｍ）が選択され、一方、この範囲内での電流制御により、出力のより細かな調節を達成できる。
クリーニングモードでは、２．５〜５ｋＷの出力が必要になる。Ｆ２またはＮＦ３のようなクリーニングガスを処理すべく、トーチをクリーニングモードで作動させるため、第３出力レジーム（例えば、図２の出力レジーム５０）が設けられている。所要出力範囲を達成するため、流量Ｆ３（例えば３０ｓｌｍ）が選択され、一方、この範囲内での電流制御により、出力のより細かな調節を達成できる。
他の例示構成では、高出力および低出力作動レジームに２つの異なるＮ２流量が使用される。Ｆ２およびＮＦ３除去のため、クリーニング工程で高出力作動レジームが使用される。このレジームは、３〜５ｋＷの作動出力に対し１５ｓｌｍのＮ２を必要とする。蒸着工程およびアイドルモードについては、低出力作動レジームが使用される。このレジームは、１．５〜２．５ｋＷの作動出力について５ｓｌｍのＮ２を必要とする。出力制御は、２５Ａの適度の電流で２つのレジームを切換えるように構成されている。
流量レギュレータ２４は、ゼロすなわち無流れと１００％すなわち最大流れとの間のいずれか１つの流量を選択するための、出力コントローラ２６により作動されるマスフローコントローラで構成できる。マスフローコントローラは、最大流量と最小流量との間で必要な任意の流量でトーチを作動させるための優れた設計のフレキシビリティおよび制御を与える。しかしながら、マスフローコントローラは高価でかつ定常的メインテナンスを必要とする。
流量レギュレータ２４は、ゼロすなわち無流れと１００％すなわち最大流れとの間のいずれか１つの流量を選択するための、出力コントローラ２６により作動されるマスフローコントローラで構成できる。マスフローコントローラは、最大流量と最小流量との間で必要な任意の流量でトーチを作動させるための優れた設計のフレキシビリティおよび制御を与える。しかしながら、マスフローコントローラは高価でかつ定常的メインテナンスを必要とする。
図３に示す他の構成では、簡単化された流量レギュレータ５６が示されており、該流量レギュレータ５６は、異なる流量の源ガス１８が通ることができるように構成された複数のガス導管５８、６０を有している。流れスイッチ６２は、トーチ１４への流量を調整すべく、１つ以上の選択されたガス導管を通って流れるように源ガス１８を指向させる。例えば、ガス導管５８は、第１流量のガスがこれを通ることができるように構成されている。ガス導管６０は、第１流量とは異なる第２流量のガスがこれを通ることができるように構成されている。図２に示すように、第１流量はＦ１であり、例えば１０ｓｌｍとすることができる。第１流量はＦ２であり、例えば２０ｓｌｍとすることができる。流れスイッチ６２は出力コントローラ２６により作動されるように接続されており、出力コントローラ２６は、プラズマトーチ１４の作動に必要な出力レジームに基づいて、１つ以上のガス導管のうちいずれのガス導管を通して源ガスを搬送するかを制御すべく構成されている。流れを制御するのにロータメータを使用することができる。
ガス導管５８、６０は、ガスが所要流量でガス導管を通って流れることができるサイズを有する。或いは、図示のように、固定流量が導管５８、６０を通って流れることができるように構成された流量コントローラ６４、６６を設けることもできる。このような固定流量コントローラ６４、６６は、前述の可変マスフローコントローラよりも安価である。
図３には２つのガス導管５８、６０が示されているが、出力コントローラ２６により制御される選択された流量が得られるように、３つ以上のガス導管を個々に使用または組合わせて使用することができる。
一例として、プラズマ発生器１４は、図４に示すＤＣプラズマトーチにより形成できる。トーチは、カソード装置１およびアノード装置２を有している。カソード装置１は、実質的に円筒状の本体１ａおよびボタン型カソード１ｂからなる。冷却型（例えば水冷型）カソード本体１ａは、高い熱伝導率を有する導電性金属で形成され、ボタン型カソード１ｂの熱電子材料の機能以外の機能を有する。例えば、銅のカソード本体およびハフニウムのボタン型カソードを使用するのが一般的である。アノード装置２は、通常銅で形成される中空本体２ａを有し、該中空本体２ａは更に、アノードのど部２ｂと、該のど部２ｂに向かって収斂し、かつのど部２ｂに終端している截頭円錐状内面部２ｃとを有している。組立てられたとき、カソード装置１は、その少なくとも一部が銅製アノード２内にかつ同心状に配置されている。アノード２とカソード１との間にはギャップを設けなくてはならない。これにより、アノード２の外面とカソード装置１の内面との間に導管３が形成され、該導管３を通って、プラズマを発生させる源ガスが搬送される。カソード１は円錐状部分２ｃ内に終端し、該円錐状部分２ｃ内にプラズマ発生領域４を形成する。
１ カソード装置
２ アノード装置
３ 導管
４ プラズマ発生領域
１０ ガス流処理装置
１４ プラズマトーチ（プラズマ発生器）
１６ プラズマフレア
１８ 源ガス
２０ 電気エネルギ源（電源）
２２ 電流コントローラ
２４ 流量レギュレータ
３６ プラズマリアクタチャンバ
５６ 流量レギュレータ
５８、６０ ガス導管
６２ 流れスイッチ
６４、６６ 流量コントローラ
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５８、６０ ガス導管
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Claims (6)
- 電源により付勢されたときに、源ガスからプラズマフレアを発生させるＤＣプラズマトーチと、前記源ガスの流量を調整する流量レギュレータと、前記電源から供給される電流を制御する電流コントローラと、前記流量レギュレータ及び前記電流コントローラの選択的制御により、プラズマトーチの出力を制御する出力コントローラを有し、
前記出力コントローラが、流量の調整により、出力を段階的に変化させて複数の出力モード間で切換え、電流の制御により、前記出力モード内における出力の調節を行うように構成されていることを特徴とする排出ガス流プラズマ処理装置。 - 前記プラズマトーチは、異なる量の処理出力を必要とする複数の排気ガス流を処理するように構成され、前記複数の出力モードは、異なる量のそれぞれの所要出力と一致するように設定されていることを特徴とする請求項１記載の排出ガス流プラズマ処理装置。
- 前記プラズマトーチは電気エネルギの消費を低減させるためにアイドルモードで作動できるように構成され、前記複数の出力モードのうちの少なくとも１つの出力モードは、前記プラズマトーチを前記アイドルモードで作動させるのに必要な出力と一致するように設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の排出ガス流プラズマ処理装置。
- 前記流量レギュレータはマスフローコントローラであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の排出ガス流プラズマ処理装置。
- 前記流量レギュレータは、異なる流量の源ガスが通ることができるように配置された複数のガス導管と、トーチへの流量を調整すべく、源ガスが、選択されたガス導管を通って流れるように源ガスを指向させる流れスイッチとを有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の排出ガス流プラズマ処理装置。
- 前記流れスイッチは、出力コントローラにより作動されるように接続され、出力コントローラは、前記プラズマトーチの作動に必要な出力モードに基づいて、１つ以上のガス導管のうちいずれのガス導管を通して源ガスを搬送するかを制御すべく構成されていることを特徴とする請求項５記載の排出ガス流プラズマ処理装置。
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