TW201324650A - 處理一氣流之裝置 - Google Patents

Abstract

為了增加一種減量裝置中之一DC電漿火炬之操作範圍，該裝置包括一功率控制器，其經組態以藉由選擇性地控制電漿源氣體流量調節器而控制該電漿火炬之功率。

Description

處理一氣流之裝置

本發明係關於一種用於處理一氣流之裝置及方法。本發明尤其適用於處理自用於半導體工業或平板顯示器工業中之一處理室排出之一氣流。

製作半導體裝置之一主要步驟係藉由蒸氣前驅物之化學反應在一半導體基板上形成一薄膜。在一基板上沈積一薄膜之一已知技術係化學氣相沈積(CVD)，其通常為電漿強化化學氣相沈積(PECVD)。在此技術中，將處理氣體供應至容納該基板之一處理室且使該等處理氣體反應，以在該基板之表面上形成一薄膜。供應至該處理室以形成一薄膜之氣體之實例包含但不限於：用於形成一個氮化矽膜之矽烷及氨；用於形成一個SiON膜之矽烷、氨及一氧化二氮；用於形成一個氧化矽膜之TEOS及氧氣及臭氧之一者；及用於形成一個氧化鋁膜之Al(CH₃)₃及水蒸氣。

在處理之後，自一處理室排出之該等氣體必須經處理之後方可釋放或儲存。使用一電漿減量裝置處理自一處理室排出之氣體效率高且成本較低。在電漿減量程序中，使廢氣流流動至一熱大氣壓電漿放電(主要為一熱源)中。該電漿使該氣流分解為反應性物種，該等反應性物種通常與氧氣或氫氣組合以產生較穩定之副產物。

用於一處理室之操作循環中之不同氣體需要將不同量之電能供應至該火炬，以進行有效處理。通常，電能源之電 壓保持大體上恆定且藉由控制所供應之電流而控制功率之變化。一典型之DC電漿火炬之功率範圍係有限，介於由可允許該火炬在不猝熄之情形下保持該放電之最小電流界定之一下限與所使用之電能源之最大額定電流或不會對火炬電極造成熱損壞之最大電流界定之一上限之間。

然而，一DC電漿火炬之電壓-電流特性表明電壓隨著電流增加而減小且電流隨著電壓增加而減小。因此，即使火炬電流發生大幅度變化，將使功率發生較小之變動。例如，將操作電流自20 A變化至40 A(即，增加一倍)將使該火炬功率僅增加約60%。

本發明之一目的在於增加一處理裝置中之一DC電漿火炬之可操作功率範圍。

本發明提供用於處理一氣流之裝置，其包括一DC電漿火炬，其用於在由一電能源供電時由一源氣體產生一電漿閃焰；一流量調節器，其用於調節供應至待供電之該火炬之源氣體之流速；及一DC電漿火炬功率控制器，其經組態以藉由選擇性地控制該流量調節器而控制該電漿火炬之功率。

附加技術方案中界定本發明之其他較佳及/或選用特徵。

為了使讀者更好地理解本發明，下文將參考附圖描述僅以舉例方式給出之本發明之一些實施例及操作方法。

參考圖1，圖中繪示用於處理一氣流12之裝置10。該裝置包括一DC電漿火炬14，其用於在由一電能源20供電時由一源氣體18產生一電漿閃焰16。一電流控制器22控制由該電源供應至該火炬之電流量。一流量調節器24調節供應至待供電之該火炬之該源氣體18之流速。一功率控制器26經組態以藉由選擇性地控制該電流控制器22及該流量調節器24而控制該電漿火炬之功率。如下文將進一步詳細地解釋，電流之變化使功率產生較小之變化，而流量之變化卻使功率發生較大之變化。因此在一配置中，可省略該電流控制器，使得由該流量調節器單獨控制功率。

該電能源20係由電導體28連接至該電漿火炬之電極32，圖1中僅高度示意性地繪示。將參考圖4給出對該電漿火炬之更詳細描述。當向該等電極供應電能時，一電場穿過運送至該電漿火炬中之一源氣體18，因此使該源氣體離子化，進而產生該電漿閃焰16。該電漿閃焰向下游延伸至一電漿反應器室36中，在該電漿反應器室36中，該電漿閃焰與廢氣流12發生一反應。待處理之該氣流12係通過入口38運送至該反應器室中。該電流控制器22可回應於沿一控制線40來自該功率控制器26之電流控制訊號輸出，圖中以斷續線示意性地繪示該控制線40。回應於該功率控制器26，該電流控制器22控制由該電能源20供應至該等電極之電流。

該流量調節器24可回應於沿一控制線42來自該功率控制器26之流量控制訊號輸出，圖中以斷續線示意性地繪示該 控制線。回應於該功率控制，該流量調節器控制自一氣體源44運送至該電漿裝置之源氣體之流速且該源氣體經供電以形成該電漿閃焰。該源氣體一般為氮氣，但亦可視需要使用其他氣體。

該功率控制器26經組態以藉由根據功率、電流與流速之間之一預定關係而變動該電流及該流速二者而變動供應至該火炬14之功率。圖2中繪示該關係，其中將功率P顯示於y軸上，電流I係繪示於x軸上且由箭頭F繪示不斷增加之源氣體流速。該圖顯示表示三個不同源氣體流速之三條曲線F1、F2、F3。該流速自F1增加至F2至F3。例如，F1可為10 slm、F2可為20 slm且F2可為30 slm。該等曲線F1、F2、F3繪示針對不同流速電流對功率之關係。可見在一恆定流速下，電流之較大之變化將導致功率發生較小之變化。

因此，該功率控制器26經組態以將該火炬之功率控制在複數個不同功率範圍46、48、50中。藉由控制供應至該火炬之電流而使得該功率在一功率範圍內變動且藉由調節該源氣體之流量而控制功率在該等範圍之間切換。圖2中以粗線繪示該火炬之該可操作功率範圍。當流速自F1增加至F2時，功率之步進變化52在範圍48與範圍50之間發生。當該流速自F2增加至F3時，功率發生一進一步之步進變化54。

因此，可藉由電流控制對功率實施稍微調整。另一方面，相較該火炬之功率控制之限度，功率在範圍之間之步 進變化較大，使得可藉由流速控制實施功率之變化。對於一給定之源氣體流速，若功率控制之限度被視為100%，則電流變化可使得功率變化少於10%；而源氣體流速變化可使功率變化達到或超過20%。

儘管圖2中繪示三個功率範圍，根據處理裝置之要求，該控制器可經替代性地組態而在兩個功率範圍或者在三個以上功率範圍中操作該火炬。

相較先前技術，在組合火炬操作電流之變化與饋送氣體(N₂)流速之情形下，本發明之處理裝置之可操作功率範圍自已知之30%至70%延長至300%至500%。

因此，可控制該電漿火炬來處理需要不同功率量以利處理之複數個氣流，且用於此目的之該複數個功率範圍經配置以對應於所要求之各自不同之功率量。該電漿火炬可額外或替代性地控制而以一閒置模式操作，以減小電能之消耗，且該等功率範圍之至少一者經配置對應於使該電漿火炬以該閒置模式操作所需之功率。也就說，該火炬可具有兩個功率範圍，一個功率範圍係針對閒置模式且另一功率範圍係針對氣體處理，或者兩個功率範圍均用於氣體處理而不存在一閒置模式。或者，該火炬可具有兩個以上功率範圍，一者係針對閒置模式且其他功率範圍係用於處理不同廢氣組合物。

例如，用於CVD製程循環中之前驅物可具有三項功率帶要求。

在一閒置模式中，可能需要0.5 kW至1 kW之功率。一第 一功率範圍(例如，在圖2中，46)係配置以使該火炬以此一閒置模式操作。可選擇一流速F1(其可為10 slm)以達成所需之功率範圍，而將電流控制於該範圍內則允許對功率進行較小之調整。此範圍係用於在一最小電能消耗情形下保持電漿放電，以避免該放電猝熄。

在一沈積模式中，可能需要2 kW至3 kW之功率。一第二功率範圍(例如，圖2中48)係配置以操作該火炬處理沈積氣體，諸如，用於介電膜沈積之可自然可燃燒前驅物(例如，矽烷、氨、TEOS或4MS)。可選擇一第二流速F2(其可為20 slm)達成所需之功率範圍，而將電流控制於此範圍內允許對功率進行較小之調整。

在一清潔模式中，需要2.5 kW至5 kW之功率。一第三功率範圍(例如，圖2中之50)係配置以使該火炬在該清潔模式中操作，以處理清潔氣體，諸如F₂或NF₃。可選擇一流速F3(其可為30 slm)達成所需之功率範圍，而在此範圍內控制電流則允許功率發生較小之調整。

在另一示例性配置中，可針對高操作功率範圍及低操作功率範圍使用兩個不同之N₂流速。在一清潔步驟期間可針對F₂及NF₃減量使用一高功率操作範圍。此範圍可能使得流速為15 slm之N₂需要3 kW至5 kW之一操作功率。一沈積步驟及一閒置模式可使用一較低之功率操作範圍。此後一範圍可能使得流速為5 slm之N₂需要1.5 kW至2.5 kW之一操作功率。該功率控制器可經組態而在25A之一適度電流下在此等兩個範圍之間切換。

該流量調節器24可為一質量流控制器，其可由該功率控制器26操作以選擇零(或無流量)與100%(或最大流量)之間之任一流速。一質量流控制器賦予良好之設計靈活性及對在所需之最大流速與最小流速之間之任一流速下操作該火炬之控制。然而，一質量流控制器成本高且需要定期維護。

在圖3中所示之一替代性實施例中，繪示一簡化之流量調節器56，其包括複數個氣體導管58、60，其經配置以允許具有不同流速之源氣體18流經。一流量開關62引導該源氣體流經一或多個經選定氣體導管，以調節到達該火炬之流速。例如，該氣體導管58經組態以允許氣體以一第一流速流經。該氣體導管60經組態以允許氣體以不同於該第一流速之一第二流速流經。如圖2中所示，該第一流速係F1且可為例如10 slm。該第二流速係F2且可為例如20 slm。該流量開關62經連接以允許由該功率控制器26操作且該控制器經組態以根據操作該電漿火炬所需之功率範圍控制運送該選定之一或多個氣體導管源氣體中之何者。可使用一轉子流量計來控制流量。

可設定該等氣體導管之大小以允許氣體以所需之速率流經該等氣體導管或者可提供有流量控制器64、66，如圖所示，其經組態以允許氣體以一固定流速流經該等導管。此固定流量控制器之成本低於上述之可變質量流控制器之成本。

雖然圖3中繪示兩個氣體導管58、60，可提供兩個以上 之氣體導管且該等導管可個別地或組合地使用以提供可由該功率控制器26控制之一選定之流速。

在一實例中，該電漿產生器14可由圖4中所示之該DC電漿火炬形成。該火炬包括一陰極配置1及一陽極配置2。該陰極配置包括一實質上圓柱形本體1a及一按鈕類型陰極1b。冷卻(例如，經水冷卻)之陰極本體1a係由一導電金屬製成，該導電金屬比該按鈕陰極1b之熱離子材料具有一較高導熱率及功函數，例如，通常使用一銅陰極本體及一鉿按鈕陰極。該陽極配置包括一中空本體2a，其通常由銅製成，該中空本體2a進一步包括一陽極喉部2b及朝向該喉部聚攏且終止於該喉部2b之一內截頭錐形表面部分2c。當組裝時，該陰極配置1係至少部分位於該銅陽極2內且與該銅陽極2同心。該陽極2與該陰極1之間必須存在一間隙，使得該陽極2之外表面與該陰極總成1之內表面之間形成一導管3，可通過該導管3運送源氣體，以產生一電漿。該陰極1終止於該錐形部分2c內，因而在該錐形部分2c內形成一電漿產生區域4。

1‧‧‧陰極配置

1a‧‧‧圓柱形本體

1b‧‧‧按鈕類型陰極

2‧‧‧陽極配置

2a‧‧‧中空本體

2b‧‧‧陽極喉部

2c‧‧‧錐形部分

3‧‧‧導管

4‧‧‧電漿產生區域

10‧‧‧裝置

12‧‧‧氣流

14‧‧‧DC電漿火炬

16‧‧‧電漿閃焰

18‧‧‧源氣體

20‧‧‧電能源

22‧‧‧電流控制器

24‧‧‧流量調節器

26‧‧‧功率控制器

28‧‧‧電導體

32‧‧‧電極

36‧‧‧電漿反應器室

38‧‧‧入口

40‧‧‧控制線

42‧‧‧控制線

44‧‧‧源氣體供應源

46‧‧‧功率範圍

48‧‧‧功率範圍

50‧‧‧功率範圍

52‧‧‧步進變化

54‧‧‧步進變化

56‧‧‧簡化流量調節器

58‧‧‧氣體導管

60‧‧‧氣體導管

62‧‧‧流量開關

64‧‧‧流量控制器

66‧‧‧流量控制器

圖1示意性繪示用於處理一氣流之裝置；圖2示意性繪示功率、電流與流速之間之一關係；圖3繪示用於調節該流速之一流量調節器；及圖4繪示一電漿產生器之一更詳細視圖。

10‧‧‧裝置

12‧‧‧氣流

14‧‧‧DC電漿火炬

16‧‧‧電漿閃焰

18‧‧‧源氣體

20‧‧‧電能源

22‧‧‧電流控制器

24‧‧‧流量調節器

26‧‧‧功率控制器

28‧‧‧電導體

32‧‧‧電極

36‧‧‧電漿反應器室

38‧‧‧入口

40‧‧‧控制線

42‧‧‧控制線

44‧‧‧源氣體供應源

Claims (11)

1. 一種用於處理一氣流之裝置，其包括：一DC電漿火炬，其用於在由一電能源供電時自一源氣體產生一電漿閃焰；一流量調節器，其係用於調節供應至待供電之該火炬之一源氣體之流速；及一功率控制器，其經組態以藉由選擇性地控制該流量調節器而控制該電漿火炬之功率。
2. 如請求項1之裝置，其包括一電流控制器，其用於控制由該電源供應至該火炬之電流量，其中該功率控制器經組態以藉由選擇性地控制該電流控制器及該流量調節器而控制該電漿火炬之功率。
3. 如請求項1之裝置，其中該功率控制器經組態以藉由變動該電流及源氣體流速二者而控制供應至該火炬之功率。
4. 如請求項2之裝置，其中該功率控制器經組態以將該火炬之功率控制在複數個不同功率範圍中，可藉由控制供應至該火炬之該電流使該功率可在一功率範圍內變動且可藉由調節源氣體之流量而控制該功率在該等範圍之間之切換。
5. 如請求項4之裝置，其中該電漿火炬經組態以處理需要不同功率量以利處理之複數個氣流，且該複數個功率範圍經配置對應於所需要之各自不同之功率量。
6. 如請求項4之裝置，其中該電漿火炬經組態而以一閒置模式操作，以減小電能消耗量，且該功率範圍之至少一 者經配置以對應於以該閒置模式操作該電漿火炬所需之功率。
7. 如請求項4之裝置，其中在一範圍內，可藉由相較於該火炬之功率控制之限度來控制該電流而使該功率較小量地變動。
8. 如請求項4之裝置，其中相較該火炬之功率控制之限度，範圍之間之功率步進變化較大。
9. 如請求項1之裝置，其中該流量調節器為一質量流控制器。
10. 如請求項1之裝置，其中該流量調節器包括複數個氣體導管，其經配置以允許具有不同流速之源氣體流經該等氣體導管，且包括一流量開關，其用於引導該源氣體流經該等氣體導管之經選定之一或多者，以調節達到該火炬之流速。
11. 如請求項10之裝置，當根據請求項4時，其中該流量開關經連接以由該功率控制器操作且該功率控制器經組態以根據操作該電漿火炬所需之功率範圍來控制源氣體運送通過該經選定之一或多個氣體導管中之何者。