JPH09219295A - Liquid cooled remote plasma applicator - Google Patents

Liquid cooled remote plasma applicator

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Publication number
JPH09219295A
JPH09219295A JP9016833A JP1683397A JPH09219295A JP H09219295 A JPH09219295 A JP H09219295A JP 9016833 A JP9016833 A JP 9016833A JP 1683397 A JP1683397 A JP 1683397A JP H09219295 A JPH09219295 A JP H09219295A
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JP
Japan
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tube
plasma
liquid
applicator
coolant
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Application number
JP9016833A
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Japanese (ja)
Inventor
Herchen Harald
ハーチェン ハラルド
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Applied Materials Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently cool an applicator without reducing the energy of microwaves or others by spirally providing a coolant tube at a specified position on the outer periphery of a plasma tube which passes through a guided wave passage to accept electromagnetic radiation. SOLUTION: A plasma tube 12 for a cooled plasma applicator passes through a rectangular guided wave passage 14. On all area inside the guided wave passage 14 for the plasma tube 12 around the outer periphery of the plasma tube 12, a spiral tube or a coil 16 as a coolant tube is wound. The coil is wound in a mutually separated manner to form a window through which microwaves pass into the plasma tube 12. During operation, coolant is circulated in the coil 16 and heat is deprived from the plasma tube 12. It is important that the diameter of a pipe to form the coil 16 is sufficiently small to minimize the amount of absorption.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は概説的には、リモー
トプラズマソースに関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to remote plasma sources.

【0002】[0002]

【従来の技術】プラズマベースのリモート励起ソースな
いしプラズマアプリケータは、高い入力電力を取り扱う
必要があり、また、高温と高化学反応性環境との組合わ
せの環境に耐える必要がある。例えば、プラズマアプリ
ケータの通常の用途において、ジェネレータにはNF3
ガスが流入し、これがプラズマにより分解する。その結
果、励起種が生じてこれがアプリケータ中を流動し、イ
ンシチュウチャンバクリーニング、エッチング、フォト
レジストストリッピングやその他のあらゆる処理を行う
半導体処理装置の中に進入する。インシチュウチャンバ
クリーニングに反応性種を用いる例としては、1994
年7月21日に出願の米国特許出願S.N.08/27
8605号、標題 A Deposition Chamber Cleaning Tec
hnique Using a Remote Excitation Source"(「リモー
ト励起ソースを用いた堆積チャンバのクリーニング技
術」)の特許出願に記載されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Plasma-based remote excitation sources or plasma applicators must handle high input power and must withstand a combination of high temperatures and highly chemically reactive environments. For example, in a typical application of a plasma applicator, the generator will have NF 3
Gas flows in and is decomposed by the plasma. As a result, excited species are generated which flow through the applicator and enter semiconductor processing equipment for in-situ chamber cleaning, etching, photoresist stripping and all other processes. Examples of using reactive species for in situ chamber cleaning include 1994
US patent application S. N. 08/27
No. 8605, Title A Deposition Chamber Cleaning Tec
hnique Using a Remote Excitation Source ".

【0003】このように非常に苛酷な環境に装置が晒さ
れるため、プラズマアプリケータはすぐに使用不能にな
ってしまう。例えば、市販のアプリケータによっては、
クオーツチューブを用いてこのような励起種を収容して
しまうものもある。このようなシステムでは、発生する
弗素がチューブを急速にエッチングしてしまう。更に、
電力のレベルが高い場合(1ないし1.5kW以上)
は、クオーツは破壊されやすい。このように、アプリケ
ータを2〜3回用いた後、あるいはある時間操作を持続
させた後では、チューブの壁は、このシステムを支配し
ている高温及び真空に晒され続ければすぐに破壊されて
しまうほどに薄くなっている。従って、チューブは、寿
命の非常に初期の段階で、新しいチューブと取り替えな
ければならない。 クオーツチューブを定期的に交換し
なければならない不便さとコストは共に非常に高いもの
である。
The exposure of the apparatus to such a very harsh environment quickly renders the plasma applicator unusable. For example, depending on the commercial applicator,
Some use quartz tubes to accommodate such excited species. In such a system, the generated fluorine will rapidly etch the tube. Furthermore,
When the power level is high (1 to 1.5 kW or more)
Quartz is easily destroyed. Thus, after using the applicator a couple of times, or after a period of operation, the tube wall will be destroyed as soon as it is exposed to the high temperatures and vacuum prevailing in the system. It's so thin that it gets lost. Therefore, the tube must be replaced with a new tube very early in life. The inconvenience and cost of having to replace the quartz tube on a regular basis is very high.

【0004】現在あるプラズマアプリケータの中には、
クオーツチューブの代りにセラミックチューブを用いる
ものもある。セラミックチューブは、しばしば遭遇する
化学的腐食性環境において、クオーツチューブよりも耐
久性が高い。しかし、セラミックチューブは万能薬では
ない。これらは通常、クオーツやその他の材料と比べ
て、熱膨張係数が比較的高い。従って、このようなシス
テムに通常行われる室温と高い処理温度との間の温度サ
イクルを繰り返すことにより、セラミックチューブには
大きな応力が発生することになる。この応力により、チ
ューブにクラックが生じて破壊される。
Among the current plasma applicators are:
Some use ceramic tubes instead of quartz tubes. Ceramic tubes are more durable than quartz tubes in the often encountered chemically corrosive environments. But ceramic tubes are not a panacea. They usually have a relatively high coefficient of thermal expansion as compared to quartz and other materials. Therefore, repeated thermal cycling between room temperature and high processing temperatures, which is typically done in such systems, results in large stresses in the ceramic tube. This stress causes the tube to crack and break.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】マイクロ波プラズマア
プリケータでは、2本の同心状のセラミックチューブを
用いるものが開発されており、これらチューブ、即ち外
側チューブと内側チューブは共に、マイクロ波放射に対
して透過性を有する材料、例えばクオーツやサファイア
製である。内側チューブはプラズマを収容し、従って、
高温及び腐食性の高い環境に曝露される。内側チューブ
を冷却するため、2つのチューブの間の環状の領域の中
に水を流す。このようなシステムは、1995年2月1
3日に出願の米国特許出願第08/387603号に記
載されている。水はマイクロ波を吸収するため、この環
状の領域を形成できる厚さには、厳しい制限がある。厚
すぎれば、マイクロ波は著しく減じられ、内側チューブ
の中にプラズマを発生しこれを維持することが困難ある
いは不可能になる。他方、この領域が薄すぎれば、冷却
効率が著しく悪化する。
Microwave plasma applicators have been developed which use two concentric ceramic tubes, both of which are outer and inner tubes for microwave radiation. It is made of a transparent material such as quartz or sapphire. The inner tube contains the plasma and thus
Exposed to high temperatures and highly corrosive environments. Water is flowed into the annular region between the two tubes to cool the inner tube. Such a system is available on February 1, 1995.
It is described in U.S. patent application Ser. No. 08 / 387,603, filed on the 3rd. Since water absorbs microwaves, there is a severe limit to the thickness that can form this annular region. If too thick, the microwaves are significantly reduced, making it difficult or impossible to maintain a plasma in the inner tube. On the other hand, if this region is too thin, the cooling efficiency will deteriorate significantly.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】概説的に、1つの特徴と
して、本発明は、出力ソースに用いる液冷式プラズマア
プリケータである。このアプリケータないしジェネレー
タは、動作中に電磁放射を受容する導波路と、導波路を
貫通し導波路内の電磁マイクロ波放射により自身の内部
を流れるガスが励起されるプラズマチューブと、プラズ
マチューブの外側の周囲で且つプラズマチューブのうち
導波路内部にあり電磁放射に曝露される部分の上をスパ
イラル状に巻き付けられるクーラントチューブ(冷却液
チューブ)と、を備えている。使用中は、プラズマチュ
ーブを冷却するよう、クーラントがクーラントチューブ
内を循環する。
SUMMARY OF THE INVENTION Broadly speaking, in one aspect, the invention is a liquid cooled plasma applicator for use in an output source. This applicator or generator consists of a waveguide that receives electromagnetic radiation during operation, a plasma tube that penetrates the waveguide and excites a gas that flows inside the waveguide by electromagnetic microwave radiation, and A coolant tube that is spirally wrapped around the outside and inside the waveguide of the plasma tube that is exposed to electromagnetic radiation. During use, coolant circulates in the coolant tube to cool the plasma tube.

【0007】好ましい具体例では、以下の特徴を有して
いる。アプリケータはマイクロ波放射ソースも有し、ま
た、導波路はマイクロ波導波路である。マイクロ波放射
ソースにより、波長1〜100センチメートルの波長を
有するマイクロ波が発生する。マイクロ波の放射の波長
がλとすれば、クーラントチューブの外径はおよそλ/
100よりも低く、また、スパイラル状クーラントチュ
ーブは約λ/50よりも大きな巻き間隔を有するコイル
状である。あるいは、スパイラル状クーラントチューブ
の巻き間隔は、クーラントチューブの外径よりも大きく
てもよい(例えば、クーラントチューブの直径の2倍以
上)。また、液冷式プラズマアプリケータは、クーラン
トチューブ内を循環させようとするクーラントを受容す
るための流入コネクタと、クーラントチューブの中を通
過した後のクーラントを流出させる流出コネクタとを有
している。更に、クーラントチューブはプラズマチュー
ブの外面と接触している。
The preferred embodiment has the following features. The applicator also has a microwave radiation source and the waveguide is a microwave waveguide. The microwave radiation source produces microwaves having a wavelength of 1 to 100 centimeters. If the wavelength of microwave radiation is λ, the outer diameter of the coolant tube is approximately λ /
Below 100, the spiral coolant tube is coiled with a winding spacing greater than about λ / 50. Alternatively, the winding interval of the spiral coolant tube may be larger than the outer diameter of the coolant tube (for example, twice or more the diameter of the coolant tube). Further, the liquid-cooled plasma applicator has an inflow connector for receiving a coolant trying to circulate in the coolant tube, and an outflow connector for outflowing the coolant after passing through the coolant tube. . Further, the coolant tube is in contact with the outer surface of the plasma tube.

【0008】また、好ましい具体例では、プラズマチュ
ーブはセラミック製であり、例えば酸化アルミニウム製
やサファイア製などである。また、クーラントチューブ
は誘電材料製であり、例えばテフロン(ポリ四弗化エチ
レン樹脂)製である。また、液冷式プラズマアプリケー
タは、自身の内部にプラズマチューブが設置されるアプ
リケータ本体と、アプリケータ本体の流入端に設置され
る第1のアダプタ板と、アプリケータ本体の流出端に設
置される第2のアダプタ板とを有している。第1のアダ
プタ板は、ガスラインをプラズマアプリケータへとつな
げ、プラズマチューブプラズマチューブ内のガスが流入
する通路を与える第1のカップリングを有し、第2のア
ダプタ板は、プラズマアプリケータから流出する励起ガ
スの流出通路を有している。
In a preferred embodiment, the plasma tube is made of ceramic, such as aluminum oxide or sapphire. The coolant tube is made of a dielectric material, for example, Teflon (polytetrafluoroethylene resin). Further, the liquid-cooled plasma applicator is installed at the applicator main body in which the plasma tube is installed, the first adapter plate installed at the inflow end of the applicator main body, and the outflow end of the applicator main body. And a second adapter plate to be used. The first adapter plate has a first coupling that connects the gas line to the plasma applicator and provides a passage for the gas in the plasma tube plasma tube, and the second adapter plate is from the plasma applicator. It has an outflow passage for the outflowing excitation gas.

【0009】スパイラル状冷却器の構成により、マイク
ロ波を吸収する水等のクーラントを用いる場合でも、プ
ラズマチューブ内を通過するマイクロ波エネルギーをあ
まり減じずに、プラズマチューブを充分に冷却すること
が可能となる。本発明の液冷式プラズマアプリケータ
は、半導体製造産業で用いられる化学物質のうち最も攻
撃性の高い化学物質のいくつかと共に用いることが可能
であり、これは例えば、Cl2、NF3、CF4、その他
弗素化合物が挙げられる。
With the configuration of the spiral cooler, even when a coolant such as water that absorbs microwaves is used, it is possible to sufficiently cool the plasma tube without significantly reducing the microwave energy passing through the plasma tube. Becomes The liquid cooled plasma applicator of the present invention can be used with some of the most aggressive chemicals used in the semiconductor manufacturing industry, such as Cl 2 , NF 3 , CF. 4 , and other fluorine compounds.

【0010】本発明のその他の利点及び特徴は、好まし
い具体例の記載及び請求の範囲により明らかになるだろ
う。
Other advantages and features of the invention will be apparent from the description of the preferred embodiment and the claims.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】図1に示すように、液冷式プラズ
マアプリケータ10は、プラズマチューブ12を有して
いる。プラズマチューブ12は、チューブ内で励起しよ
うとするガスを受容するための流入端12(a)と、遠
隔にあるプロセスチャンバ(図示せず)へ励起したガス
を流すための流出端12(b)とを有している。プラズ
マチューブ12は、方形の導波路14の中を貫通する。
導波路14は、導波路14の一方の端部につながったマ
イクロ波ジェネレータ(図示せず)からのマイクロ波エ
ネルギーを受容する。プラズマチューブ12の導波路1
4の中にある部分は、導波路14へと与えられるマイク
ロ波エネルギーに曝露される。プラズマチューブ12
は、用いるマイクロ波の放射に対して実質的に透過性を
有する誘電材料製であり、動作中にプラズマチューブ1
2の中に発生するプラズマとマイクロ波の場とを最適に
結合させるように導波路14の中に配置される。例え
ば、プラズマチューブ12は、マイクロ波放射の方向を
横切る方向に通じ、導波路内部の電界がプラズマチュー
ブ内部に最大値をもつように配置される。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As shown in FIG. 1, a liquid-cooled plasma applicator 10 has a plasma tube 12. The plasma tube 12 has an inflow end 12 (a) for receiving the gas to be excited in the tube and an outflow end 12 (b) for flowing the excited gas to a remote process chamber (not shown). And have. The plasma tube 12 penetrates through the rectangular waveguide 14.
The waveguide 14 receives microwave energy from a microwave generator (not shown) connected to one end of the waveguide 14. Waveguide 1 of plasma tube 12
The portion within 4 is exposed to the microwave energy provided to the waveguide 14. Plasma tube 12
Are made of a dielectric material that is substantially transparent to the microwave radiation used, and the plasma tube 1
It is arranged in the waveguide 14 so as to optimally couple the plasma generated in 2 and the microwave field. For example, the plasma tube 12 communicates transversely to the direction of microwave radiation and is arranged such that the electric field inside the waveguide has a maximum inside the plasma tube.

【0012】ここに記載される具体例では、プラズマチ
ューブ12は酸化アルミニウム製、特に単結晶のサファ
イア製である。サファイアチューブは、例えば米国ニュ
ーハンプシャー州ミルフォードの Saphikon 社などから
入手可能である。しかし、プラズマチューブ12は、プ
ラズマチューブ内のプラズマ励起ガスによって生じる高
温及び高腐食性の環境に耐え得るあらゆる材料を使用可
能である。例えば、他のセラミック材料製あってもよ
く、あるいは、クオーツ製であってもよい。
In the embodiment described herein, the plasma tube 12 is made of aluminum oxide, especially single crystal sapphire. Sapphire tubes are available, for example, from Saphikon, Inc., Milford, NH, USA. However, the plasma tube 12 can be any material that can withstand the high temperature and highly corrosive environments created by the plasma-excited gas within the plasma tube. For example, it may be made of another ceramic material, or it may be made of quartz.

【0013】上述の如く、動作中には著しい量の熱が発
生するだろう。プラズマチューブ12を冷却するため
に、プラズマチューブの外側の周囲で且つプラズマチュ
ーブの導波路内部に配置される部分全体の上方で、スパ
イラル状に巻き付けられる、スパイラル型チューブ又は
コイル16が具備される。コイル16の巻きの間にオー
プンスペースを形成するように、コイル16の巻き同士
が分離される。コイル16の巻きが相互に分離すること
により、プラズマチューブ12の中へのマイクロ波が通
過するウィンドウが形成され、このとき、管自身又はそ
の中を通るクーラントによりマイクロ波が著しく吸収さ
れることはない。
As mentioned above, a significant amount of heat will be generated during operation. To cool the plasma tube 12, a spiral tube or coil 16 is provided, which is spirally wound around the outside of the plasma tube and over the entire portion of the plasma tube located inside the waveguide. The turns of coil 16 are separated so that an open space is formed between the turns of coil 16. The separation of the turns of the coil 16 from each other creates a window through which the microwaves pass into the plasma tube 12, where the microwaves are not significantly absorbed by the tube itself or the coolant passing through it. Absent.

【0014】図1に示されている、配管の相対サイズ、
巻きの数、巻き同士の間隔は、例示が容易となるように
選択したものであり、実際の具体例を代表するものでは
ない。実際の具体例では、配管のサイズ、巻きの数、巻
き同士の間隔は、適切に以下に示すガイドラインに従っ
て選択される。
The relative size of the tubing, shown in FIG.
The number of turns and the spacing between turns are selected for ease of illustration and are not representative of actual examples. In a practical embodiment, the size of the tubing, the number of turns, and the spacing between the turns are appropriately selected according to the guidelines given below.

【0015】ここに記載される具体例では、コイル16
はテフロン(ポリ四弗化エチレン樹脂)製であり、この
材料は、プラズマチューブ12の外側で生じる比較的高
温に対して耐性を有する材料である。無論、動作中にチ
ューブの周りに存在するだろう条件に耐え得る限り、マ
イクロ波を吸収する他の誘電材料や、更には非誘電性の
材料を用いることが可能である。
In the embodiment described herein, the coil 16
Is made of Teflon (polytetrafluoroethylene resin), which is resistant to the relatively high temperature generated outside the plasma tube 12. Of course, other dielectric materials that absorb microwaves, and even non-dielectric materials, can be used as long as they can withstand the conditions that would exist around the tube during operation.

【0016】コイル16の一方の端部にはクーラント供
給ライン22に接続する流入コネクタ20が具備され、
コイル16の他方の端部には流出ライン26に接続する
流出コネクタ24が具備される。動作中は、コイル16
の中をクーラントが循環し、プラズマチューブ12から
熱を奪い去る。ここに記載される具体例では、クーラン
トはフィルターを通った水である。しかし、他のクーラ
ントを用いてもよい。水を用いる利点は、水道から容易
に入手でき、しかも再循環させる必要がない点である。
従って、水道水を用いることにより、再循環のためクー
ラントから熱を除去する熱交換器を用いる必要をなくす
ことができる。
An inflow connector 20 connected to a coolant supply line 22 is provided at one end of the coil 16.
An outflow connector 24 connected to an outflow line 26 is provided at the other end of the coil 16. Coil 16 during operation
The coolant circulates in the interior of the plasma tube and removes heat from the plasma tube 12. In the embodiment described herein, the coolant is filtered water. However, other coolants may be used. The advantage of using water is that it is readily available from the tap and does not need to be recirculated.
Thus, the use of tap water eliminates the need to use a heat exchanger to remove heat from the coolant for recirculation.

【0017】アプリケータ12は、導波路14の上側に
取り付けられた、上側の円筒状中空の本体部30と、導
波路14の底部に取り付けられた、下側の円筒状中空の
本体部32とを有している。上側本体部30と下側本体
部32は共にメタル製(例えばAl)であり、これら本
体30、32の中を通過するプラズマチューブ12の外
径よりも僅かに大きな内径を有している。上側本体部3
0の上端にはフランジ30(a)が具備され、このフラ
ンジには、遠隔のガスソースからプラズマチューブ12
内へとガスをつなげるためのアダプタ板34がボルト留
めされている。
The applicator 12 includes an upper cylindrical hollow main body 30 attached to the upper side of the waveguide 14 and a lower cylindrical hollow main body 32 attached to the bottom of the waveguide 14. have. Both the upper body portion 30 and the lower body portion 32 are made of metal (for example, Al) and have an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the plasma tube 12 passing through the inside of these body 30, 32. Upper body 3
0 is provided with a flange 30 (a) at the upper end thereof, which is connected to the plasma tube 12 from a remote gas source.
An adapter plate 34 for bolting gas into it is bolted.

【0018】アプリケータ10の下流端には、同様の構
成が配置されている。即ち、下端下側本体部32にはフ
ランジ32(a)が具備され、このフランジには、プラ
ズマチューブ12からのプラズマ励起ガスを、処理シス
テム(例えばプラズマ処理システム)に接続するライン
40へとつなげるための、別のアダプタ板38がボルト
留めされている。
A similar construction is located at the downstream end of the applicator 10. That is, the lower lower body 32 is provided with a flange 32 (a), which connects the plasma-excited gas from the plasma tube 12 to a line 40 connecting to a processing system (for example, a plasma processing system). Another adapter plate 38 for bolting.

【0019】電磁放射は、マイクロ波の範囲にある周波
数(例えば、波長1cm〜100cm)でなされる。こ
こに記載される具体例では、マイクロ波ソースは約2.
54GHzで動作する。また、出力ソースは、これより
低いRFの範囲にある周波数で動作する。このケースで
あっても、プラズマへ放射を結合させる方法は、ここに
図示され説明されたものから修正しなければならない場
合がある。
Electromagnetic radiation is provided at frequencies in the microwave range (eg wavelengths 1 cm to 100 cm). In the embodiment described herein, the microwave source is about 2.
It operates at 54 GHz. Also, the output source operates at frequencies in the lower RF range. Even in this case, the method of coupling the radiation into the plasma may have to be modified from that shown and described herein.

【0020】導波路14のマイクロ波ソースが結合する
開口と反対の端部には、プランジャ44によって動かし
出し入れすることができるメタルショート42が具備さ
れる。メタルショート42は、プラズマチューブ12の
中を流れるガスの内部でプラズマを点火させるに適切な
ポジションまで移動して、そのポジションに置かれる。
このポジションは、トライアルアンドエラーにより容易
に見出すことができる。メタルショート42は、エッチ
レイトを最も高くするための最適なポジション又はその
近傍に配置されるべきであることが見出された。無論、
いわゆる当業者に知られそして用いられ得る、別の設計
及びチューニングの方法もある。例えば、米国特許第
4,851,630号に記載されるシステムなどである。
本発明は特定の導波路の設計ないしチューニングの技術
に制限されるものではない。
A metal short 42 that can be moved in and out by a plunger 44 is provided at the end of the waveguide 14 opposite to the opening to which the microwave source is coupled. The metal short 42 is moved to the position suitable for igniting the plasma inside the gas flowing in the plasma tube 12, and is placed there.
This position can be easily found by trial and error. It has been found that the metal shorts 42 should be placed at or near the optimum position for the highest etch rate. Of course,
There are other design and tuning methods that are known and can be used by so-called persons of ordinary skill in the art. For example, the system described in US Pat. No. 4,851,630.
The present invention is not limited to any particular waveguide design or tuning technique.

【0021】前述の如く、コイル16の巻の間の空間に
より、プラズマチューブ12の中へのマイクロ波が通過
するウィンドウが形成され、このとき、冷却システムに
よりマイクロ波が著しく吸収されることはない。伝達さ
れる電力に対する冷却効率を最適化するように、巻の間
隔ないしピッチを選択するべきである。この間隔が小さ
過ぎれば、プラズマチューブ内へ伝達されるマイクロ波
エネルギーが著しく減じられるであろう。他方、この間
隔が大きすぎれば、冷却効率が許容できるものではなく
なる。一般に、離れていることによる伝達分は、コイル
の巻きのピッチないし間隔の自乗で上昇する。許容され
る間隔は、λ/50の範囲であり、λは放射の波長であ
る。
As mentioned above, the space between the turns of the coil 16 forms a window through which microwaves pass into the plasma tube 12, without the microwaves being significantly absorbed by the cooling system. . The winding spacing or pitch should be chosen to optimize the cooling efficiency for the transmitted power. If this spacing is too small, the microwave energy transferred into the plasma tube will be significantly reduced. On the other hand, if this spacing is too large, the cooling efficiency will be unacceptable. Generally, the amount of transmission due to the distance increases with the square of the pitch or spacing of the coil windings. The allowed spacing is in the range λ / 50, where λ is the wavelength of the radiation.

【0022】クーラント及びおそらくコイル自身(コイ
ルに用いる材料の選択によるが)もマイクロ波を吸収す
るため、コイルを形成する配管の直径が、吸収量を最小
にするように充分小さくすることが重要である。スパイ
ラル型コイルは、熱伝導によりプラズマチューブ12か
ら熱を奪い去り、冷却効率はコイル配管の直径に比例し
て増加する。他方、コイルにより吸収されるマイクロ波
エネルギーは、コイルの直径に比例して増加する。従っ
て、コイルの直径の増加に伴い、冷却効率のへの寄与分
がプラズマチューブへのマイクロ波伝達の減少により相
殺される分よりも大きくなるような点が存在することに
なるだろう。しかし、チューブが小さすぎれば、加熱さ
れたプラズマチューブを冷却得る能力が弱められるだろ
う。一般に、配管の直径がおよそλ/100のオーダー
またはそれ以下であれば許容される。
Since the coolant and possibly the coil itself (depending on the choice of material used for the coil) also absorbs microwaves, it is important that the diameter of the tubing forming the coil be small enough to minimize absorption. is there. The spiral coil removes heat from the plasma tube 12 by heat conduction, and the cooling efficiency increases in proportion to the diameter of the coil pipe. On the other hand, the microwave energy absorbed by the coil increases proportionally with the diameter of the coil. Therefore, as the diameter of the coil increases, there will be points where the contribution to cooling efficiency will be greater than that offset by the reduced microwave transmission to the plasma tube. However, if the tube is too small, its ability to cool the heated plasma tube will be compromised. In general, pipe diameters on the order of λ / 100 or less are acceptable.

【0023】ここに記載した具体例では配管形成のため
の材料にプラスチック又はテフロンを用いているが、他
の適切な材料を用いることもでき、これには例えば、銅
などの非誘電マイクロ波吸収材料だけでなく、マイクロ
波を吸収しない誘電材料が含まれる。更に、配管中を循
環するクーラントと加熱されたプラズマチューブの外壁
との間の熱伝導を更に向上させるため、熱セメントを用
いることもできる。
Although the embodiments described herein use plastic or Teflon as the material for forming the tubing, other suitable materials may be used, including non-dielectric microwave absorption such as copper. Not only materials, but also dielectric materials that do not absorb microwaves are included. Further, thermal cement may be used to further improve the heat conduction between the coolant circulating in the pipe and the outer wall of the heated plasma tube.

【0024】サファイアプラズマチューブの壁の厚さ
は、コイル16の巻と巻の間の間隔により決まる。ここ
に記載される具体例では、コイルの巻と巻の間の間隔が
0.25インチ(1インチ=約25.4mm)に対し
て、壁の厚さは約0.06インチよりも大きい。壁の厚
さをこのようにすることにより、壁の長手方向の温度勾
配がコイルで軸方向の温度勾配に確実に適合するように
なり、熱応力を最小にする。
The wall thickness of the sapphire plasma tube is determined by the spacing between the turns of coil 16. In the embodiments described herein, the wall thickness is greater than about 0.06 inches for a coil winding spacing of 0.25 inches (1 inch = about 25.4 mm). This wall thickness ensures that the longitudinal temperature gradient of the wall matches the axial temperature gradient at the coil and minimizes thermal stress.

【0025】コイルを形成する配管の壁の厚さは主に、
コイルの中をポンプ輸送される液体クーラントの圧力に
より決まる。無論、コイルが壊れないようにするために
は、高い圧力に対してより厚い壁が必要である。
The thickness of the wall of the pipe forming the coil is mainly
Determined by the pressure of the liquid coolant pumped through the coil. Of course, thicker walls for higher pressures are needed to prevent the coil from breaking.

【0026】このプラズマアプリケータは、広範な用途
に用いることができる。例えば、図2に示されるよう
に、プラズマ処理システムの励起ガス種の遠隔のソース
として用いることも可能である。この用途では、外部の
ガスソース100から、導管102を介してプラズマア
プリケータ10のガス流入ポートへ反応性ガスを供給す
る。次に、プラズマアプリケータ10内で生成した励起
ガス種は、プラズマアプリケータ10のガス流出ポート
に接続したライン40を介してプラズマチャンバ104
の中へと供給される。アプリケータの冷却システムの流
入ポートと流出ポートの間に接続されるポンプ104及
び熱交換器106により、動作中は、クーラントをアプ
リケータ10内に循環させる。導波路14へ電力を供給
するマイクロ波ソース108は、アプリケータ10のプ
ラズマチューブ12の中にプラズマを発生させ、主プラ
ズマチャンバ104へガス種を導入する前にこれを励起
するようにする。
The plasma applicator can be used in a wide variety of applications. For example, as shown in FIG. 2, it can also be used as a remote source of excited gas species for plasma processing systems. In this application, a reactive gas is supplied from an external gas source 100 via conduit 102 to the gas inlet port of plasma applicator 10. Next, the excited gas species generated in the plasma applicator 10 is supplied to the plasma chamber 104 via the line 40 connected to the gas outflow port of the plasma applicator 10.
Is fed into. A pump 104 and heat exchanger 106 connected between the inlet and outlet ports of the applicator's cooling system circulate the coolant within the applicator 10 during operation. A microwave source 108 that powers the waveguide 14 causes a plasma to be generated within the plasma tube 12 of the applicator 10 to excite the gas species prior to introduction into the main plasma chamber 104.

【0027】このようなシステムに典型的に存在するそ
の他の部材には、プラズマチャンバを脱気するための真
空ポンプと、プラズマチャンバ内に第2のプラズマを発
生させるための出力ソース(例えば、RF電源やDC電
源)とがある。
Other components typically present in such a system include a vacuum pump for degassing the plasma chamber and an output source (eg, RF) for generating a second plasma in the plasma chamber. Power supply and DC power supply).

【0028】励起された種は、何等かの適切な方法で処
理チャンバ内に輸送される。更に、アプリケータは、基
板処理チャンバに直接設置してもよく、又は、基板処理
チャンバから離して配置してもよく、この場合には、適
切な材料の励起ガス供給ラインが必要となる。励起弗素
の場合のように、励起種の反応性が非常に高い場合は、
ライン40を形成する材料は、発生する励起種と相互作
用をしない材料、例えばステンレス鋼とする必要があ
る。他の適切な材料には、アルミニウム、セラミックや
一部の弗素ベース材料等が挙げられる。
The excited species are transported into the processing chamber in any suitable way. Further, the applicator may be installed directly in the substrate processing chamber or may be located remotely from the substrate processing chamber, in which case an excitation gas supply line of suitable material is required. When the reactivity of the excited species is very high, as in the case of excited fluorine,
The material forming the line 40 needs to be a material that does not interact with the generated excited species, for example, stainless steel. Other suitable materials include aluminum, ceramics and some fluorine based materials and the like.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、マイクロ波等のエネルギーをさほど減じずに、ア
プリケータ等を効率良く冷却することができる装置が提
供される。
As described in detail above, according to the present invention, there is provided a device capable of efficiently cooling an applicator or the like without significantly reducing energy such as microwaves.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の具体例の1つであるプラズマアプリケ
ータの断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a plasma applicator which is one example of the present invention.

【図2】図1のプラズマアプリケータを用いた半導体処
理システムの構成図である。
FIG. 2 is a configuration diagram of a semiconductor processing system using the plasma applicator of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…液冷式プラズマアプリケータ、12…プラズマチ
ューブ、12(a)…流入端、12(b)…流出端、1
4…導波路、16…スパイラルチューブ、20…流入コ
ネクタ、22…クーラント供給ライン、24…流出コネ
クタ、26…流出ライン、30…アプリケータ上側本体
部、30(a)…フランジ、32…アプリケータ下側本
体部、32(a)…フランジ、34,38…アダプタ
板、40…ライン、42…メタルショート、44…プラ
ンジャ、102…導管、104…プラズマチャンバ、1
06…熱交換器、108…マイクロ波ソース。
10 ... Liquid cooled plasma applicator, 12 ... Plasma tube, 12 (a) ... Inflow end, 12 (b) ... Outflow end, 1
4 ... Waveguide, 16 ... Spiral tube, 20 ... Inflow connector, 22 ... Coolant supply line, 24 ... Outflow connector, 26 ... Outflow line, 30 ... Applicator upper body part, 30 (a) ... Flange, 32 ... Applicator Lower body part, 32 (a) ... Flange, 34, 38 ... Adapter plate, 40 ... Line, 42 ... Metal short, 44 ... Plunger, 102 ... Conduit, 104 ... Plasma chamber, 1
06 ... Heat exchanger, 108 ... Microwave source.

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 出力ソースに用いるための液冷式プラズ
マアプリケータであって、 動作中に出力ソースから電磁放射を受容する導波路と、 前記導波路内を通過し、且つ、前記導波路内の電磁放射
により自身の中を流れるガスを励起するように配置され
るプラズマチューブと、 前記プラズマチューブの外側で、且つ、前記プラズマチ
ューブのうち前記導波路の中に配置されている領域で電
磁放射に曝露されている領域の上に、スパイラル状に巻
き付けられるクーラントチューブであって、使用の際に
は前記プラズマチューブを冷却するためクーラントを前
記クーラントチューブの中に循環させる、前記クーラン
トチューブとを備える液冷式プラズマアプリケータ。
1. A liquid-cooled plasma applicator for use in an output source, the waveguide receiving electromagnetic radiation from the output source during operation, and passing through the waveguide and in the waveguide. A plasma tube arranged to excite a gas flowing therein by the electromagnetic radiation of, and electromagnetic radiation outside the plasma tube and in a region of the plasma tube arranged in the waveguide. A spirally wound coolant tube over the area exposed to, wherein the coolant tube circulates through the coolant tube to cool the plasma tube during use. Liquid cooled plasma applicator.
【請求項2】 該電磁放射がマイクロ波放射であり、前
記導波路がマイクロ波導波路である請求項1に記載の液
冷式プラズマアプリケータ。
2. The liquid cooled plasma applicator of claim 1, wherein the electromagnetic radiation is microwave radiation and the waveguide is a microwave waveguide.
【請求項3】 マイクロ波放射ソースを更に備える請求
項2に記載のプラズマアプリケータ。
3. The plasma applicator of claim 2, further comprising a microwave radiation source.
【請求項4】 前記マイクロ波放射ソースが、1〜10
0センチメートルの範囲にある波長を有するマイクロ波
を発生する請求項3に記載の液冷式プラズマアプリケー
タ。
4. The microwave radiation source is 1-10.
The liquid cooled plasma applicator of claim 3, which produces microwaves having a wavelength in the range of 0 centimeters.
【請求項5】 該マイクロ波放射の波長がλであり、前
記クーラントチューブの外径がDであり、Dが約λ/1
00未満である請求項2に記載の液冷式プラズマアプリ
ケータ。
5. The microwave radiation wavelength is λ, the coolant tube outer diameter is D, and D is about λ / 1.
The liquid-cooled plasma applicator according to claim 2, which is less than 00.
【請求項6】 該マイクロ波放射の波長がλであり、前
記スパイラル状のチューブが、巻と巻の間の間隔がSで
あるコイルをなし、Sが約λ/50よりも大きい請求項
2に記載の液冷式プラズマアプリケータ。
6. The microwave radiation has a wavelength of λ and the spiral tube forms a coil with a spacing S between windings, where S is greater than about λ / 50. The liquid-cooled plasma applicator according to.
【請求項7】 該マイクロ波放射の波長がλであり、前
記クーラントチューブの外径がDであり、前記スパイラ
ル状のチューブが、巻と巻の間の間隔がSであるコイル
をなし、SがDよりも大きい請求項2に記載の液冷式プ
ラズマアプリケータ。
7. The microwave radiation has a wavelength of λ, the coolant tube has an outer diameter of D, and the spiral tube forms a coil having an interval S between turns, S Is greater than D. The liquid cooled plasma applicator of claim 2.
【請求項8】 該マイクロ波放射の波長がλであり、前
記クーラントチューブの外径がDであり、前記スパイラ
ル状のチューブが、巻と巻の間の間隔がSであるコイル
をなし、Sが2D(Dの2倍)よりも大きい請求項2に
記載の液冷式プラズマアプリケータ。
8. The microwave radiation has a wavelength of λ, the coolant tube has an outer diameter of D, and the spiral tube forms a coil having an interval S between turns, S Is greater than 2D (twice D). The liquid cooled plasma applicator of claim 2.
【請求項9】 前記クーラントチューブ内を循環させる
クーラントを受容するための流入コネクタと、前記クー
ラントチューブを通過した後のクーラントを排出するた
めの流出コネクタとを更に備える請求項1に記載の液冷
式プラズマアプリケータ。
9. The liquid cooling according to claim 1, further comprising an inflow connector for receiving a coolant circulated in the coolant tube, and an outflow connector for discharging the coolant after passing through the coolant tube. Plasma applicator.
【請求項10】 前記クーラントチューブが前記プラズ
マチューブの外面と接触する請求項9に記載の液冷式プ
ラズマアプリケータ。
10. The liquid cooled plasma applicator of claim 9, wherein the coolant tube contacts the outer surface of the plasma tube.
【請求項11】 前記プラズマチューブがセラミック製
である請求項7に記載の液冷式プラズマアプリケータ。
11. The liquid-cooled plasma applicator according to claim 7, wherein the plasma tube is made of ceramic.
【請求項12】 前記プラズマチューブが酸化アルミニ
ウム製である請求項7に記載の液冷式プラズマアプリケ
ータ。
12. The liquid-cooled plasma applicator according to claim 7, wherein the plasma tube is made of aluminum oxide.
【請求項13】 前記プラズマチューブがサファイア製
である請求項12に記載の液冷式プラズマアプリケー
タ。
13. The liquid-cooled plasma applicator according to claim 12, wherein the plasma tube is made of sapphire.
【請求項14】 前記クーラントチューブが誘電材料製
である請求項13に記載の液冷式プラズマアプリケー
タ。
14. The liquid cooled plasma applicator of claim 13, wherein the coolant tube is made of a dielectric material.
【請求項15】 前記クーラントチューブがテフロンな
いしポリ四弗化エチレン樹脂製である請求項14に記載
の液冷式プラズマアプリケータ。
15. The liquid-cooled plasma applicator according to claim 14, wherein the coolant tube is made of Teflon or polytetrafluoroethylene resin.
【請求項16】 前記プラズマチューブが設置されるア
プリケータ本体を更に備える請求項2に記載の液冷式プ
ラズマアプリケータ。
16. The liquid-cooled plasma applicator according to claim 2, further comprising an applicator body on which the plasma tube is installed.
【請求項17】 前記アプリケータ本体の流入端に設置
され、前記プラズマアプリケータへガスラインをつなぎ
前記プラズマチューブ内へガスを流す通路を与える、第
1のアダプタ板を更に備える請求項16に記載の液冷式
プラズマアプリケータ。
17. The first adapter plate according to claim 16, further comprising a first adapter plate which is installed at an inflow end of the applicator body and connects a gas line to the plasma applicator to provide a passage for flowing gas into the plasma tube. Liquid-cooled plasma applicator.
【請求項18】 前記アプリケータ本体の流出端に設置
され、前記プラズマアプリケータから流出する励起ガス
を排出するための通路を有する、第2のアダプタ板を更
に備える請求項17に記載の液冷式プラズマアプリケー
タ。
18. The liquid cooling according to claim 17, further comprising a second adapter plate installed at an outflow end of the applicator body, the second adapter plate having a passage for exhausting an exciting gas flowing out from the plasma applicator. Plasma applicator.
JP9016833A 1996-01-30 1997-01-30 Liquid cooled remote plasma applicator Withdrawn JPH09219295A (en)

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US59383196A 1996-01-30 1996-01-30
US08/593831 1996-01-30

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