TWI647004B - 減少有害物質之電漿反應器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電漿反應器，其用於在安裝在製程氣體朝向真空泵之排出路徑上時減少該等製程氣體中所包括之有害物質。
電漿反應器包括製程氣體傳送通過之具有管道形狀的絕緣體、連接於該絕緣體面對製程腔室之前端的第一接地電極、連接於該絕緣體之後端且沿製程氣體之移動方向具備面對該絕緣體內部之中心的面對部件的第二接地電極、及固定於該絕緣體之外圓周面且連接於施加AC或RF電壓之電源的驅動電極。

Description

減少有害物質之電漿反應器
本發明係關於一種電漿反應器，且更特定而言，係關於用於藉由分解且移除由真空泵前部之製程腔室產生之各種有害物質來實現環保製程的電漿反應器。
執行諸如蝕刻、沈積、清潔等之製程的製程腔室安裝於半導體、顯示器、太陽電池及其類似物之製造線中，且該製程腔室連接於真空泵以抽出製程氣體。自製程腔室釋放各種有害物質，例如蝕刻製程中釋放溫室氣體(諸如CF4、CHF3、C2F6、C4F8等)，沈積製程中排放未分解之前驅物，且清潔製程中釋放溫室氣體及粒子副產物(諸如NF3、SF6等)。
已對造成全球變暖之溫室氣體的排放進行嚴格限制，且粒子副產物在積聚在真空泵中時降低真空泵之耐用性。沈積製程中所用之大多數前驅物以液相注於真空腔室內或藉由鼓泡器等汽化，且沈積製程中未使用之所釋放前驅物指未分解前驅物。未分解前驅物積聚在真空泵內或真空泵與洗滌器之間。
因為操作及非操作狀態時真空泵內部之高的溫度差，蒸氣態之未分解前驅物與液態之未分解前驅物可共存。因此，在重複膨脹及收縮時，由於過度膨脹，其可引起爆炸。此外，在更換真空泵、洗滌器或管道 時，積聚在真空泵與洗滌器之間的未分解前驅物暴露，且其中一些可在與空氣劇烈反應時引起火災。
已研究且開發在真空泵前安裝電漿反應器之技術以分解或 移除自製程腔室釋放之各種有害物質。然而，在僅管道形狀電漿反應器中，已報導傳送通過電漿反應器中心區域之有害物質的分解率隨壓力增加而降低，從而可造成如下問題：有害物質之分解率在壓力變化時降低。
同時，在使用電漿分解有害物質之製程中，需要氧自由基及 氫自由基來使溫室氣體穩定，且對此，通常使用向電漿反應器前部輸入水蒸氣(H2O)之方法。
然而，儘管在製程安全性方面輸入水蒸氣之方法良好，但其 具有如下缺點：溫室氣體之分解率很低且氧及氫之量不能個別地控制。此外，在精細控制水蒸氣之輸入方面存在技術困難，且存在如下侷限性：整個系統變得複雜，因為需要其他設備(諸如鼓泡器)。
在先前技術部分中所揭示之以上資訊僅為增加對本發明先 前技術之瞭解，因此其可含有在本國為一般技術者已知的不形成先前技術的資訊。
本發明係關於一種用於分解且移除真空泵前部之各種有害物質的電漿反應器，且提供一種用於減少有害物質的電漿反應器，其使得有害物質甚至在大範圍之壓力條件下可藉由在壓力變化時提高有害物質之分解率而有效分解且移除。
此外，本發明提供一種用於移除有害物質之電漿反應器，其 可提高溫室氣體之分解率，同時在不使用水蒸氣下保證製程之安全性，且簡化整個系統，因為其無需其他設備(諸如鼓泡器)。
用於減少製程氣體中所包括之有害物質且安裝在製程氣體 朝向真空泵之排出路徑上的根據本發明例示性具體實例的電漿反應器包括製程氣體傳送通過之具有管道形狀的絕緣體、連接於絕緣體面對製程腔室之前端的第一接地電極、連接於絕緣體之後端且沿製程氣體之移動方向具備面對絕緣體內部之中心的面對部件的第二接地電極、及固定於絕緣體之外圓周面且連接於施加AC或RF電壓之電源的驅動電極。
面對部件與第二接地電極之內壁之間可提供預定空間，製程 氣體經由該預定空間釋放。
面對部件可與第二接地電極之內壁間隔開，且經形成而具有 與製程氣體之排出路徑交叉的平面形狀。面對部件可經由至少一個連接部件固定於第二接地電極之內壁。
第二接地電極可形成圍繞面對部件之延伸部件，且面對部件 之直徑可大於除延伸部件以外的第二接地電極之直徑。突起部件可在面對部件面對絕緣體之表面上形成。
延伸部件可充當粒子收集盒，且支撐部件可位於粒子收集盒 之內部且在面對部件之下表面與第二接地電極之間。支撐部件可形成至少一個開口以釋放製程氣體。
延伸部件可充當粒子收集盒且可具備底部部件，且第二接地 電極可包括與中間的粒子收集盒交叉的第一管道部分及第二管道部分。
第二接地電極可包括連接於絕緣體之後端的第一管道部分 及與第一管道部分交叉之第二管道部分，且第二管道部分之一部分面對第一管道部分之內部以使得第二部分之一部分充當面對部件。第二管道部分可具備長度延伸部件，其在與第一管道部分交叉之部分處具有封閉端。
突起部件可在面對部件之表面中形成，且其直徑大於第一管 道部分之內徑，且突起部件之厚度可小於第二管道部分之內徑。突起部件可在面對部件之表面中形成，且其直徑大於第一管道部分之內徑，且突起部件之厚度可大於第二管道部分之內徑。
第一接地電極及第二接地電極可包括可變直徑部件，其直徑 隨著接近絕緣體而增加，且面對部件可位於第二接地電極處所提供之可變直徑部件之後部。第一接地電極可形成反應氣體入口，反應氣體經由該反應氣體入口注入。
第一接地電極沿製程氣體之移動方向離開用於注入第一反 應氣體之第一入口及用於注入第二反應氣體之第二入口而安置，且第一反應氣體停留在電漿之內部時的滯留時間可不同於第二反應氣體停留在電漿之內部時的滯留時間。
在經由上部傳送至電漿反應器之中心區域時，未分解之有害 物質在傳送通過面對部件上之鞘區時藉由鞘區周圍形成之大功率電漿完全分解且移除。因此，可在高壓力下提高有害物質之分解率且降低有害物質對壓力之依賴性以使得可在較大壓力範圍中獲得良好分解效能。
此外，電漿反應器分別配備有氧氣源及氫氣(或烴)源，且 藉由經由兩個入口分開注入兩種類型之反應氣體，相較於水蒸氣(H2O)用作反應氣體之習知技術，製程氣體中所包括之有害物質之分解率可有效改 良。另外，製程期間之安全性由於藉由設定氧氣及氫氣(或烴)解離之時間差來避免爆炸而確保。
100、200‧‧‧製程系統
11‧‧‧製程腔室
12‧‧‧真空泵
13‧‧‧管道
210、220、230、240、250、260、270、280、290‧‧‧電漿反應器
21‧‧‧第一入口
22‧‧‧第二入口
20‧‧‧絕緣體
30‧‧‧接地電極部件
31‧‧‧第一接地電極
32‧‧‧第二接地電極
322‧‧‧面對部件
40‧‧‧驅動電極
41‧‧‧電源
圖1為製程系統之示意圖，該製程系統包括根據本發明之第一例示性具體實例之電漿反應器。
圖2為根據本發明之第一例示性具體實例之電漿反應器的截面視圖。
圖3為沿圖2之I-I線切割之電漿反應器的截面視圖。
圖4為說明圖2中所示之電漿反應器之操作的示意圖。
圖5為說明施加於圖2中所示電漿反應器之驅動電極的驅動電壓的波形的實例的圖。
圖6為根據本發明之第二例示性具體實例之電漿反應器的截面視圖。
圖7為根據本發明之第三例示性具體實例之電漿反應器的截面視圖。
圖8為根據本發明之第四例示性具體實例之電漿反應器的截面視圖。
圖9為根據本發明之第五例示性具體實例之電漿反應器的截面視圖。
圖10A及圖10B為根據本發明之第六例示性具體實例之電漿反應器的截面視圖。
圖11為製程系統的示意圖，該製程系統包括根據第七例示性具體實例之電漿反應器。
圖12為根據本發明之第七例示性具體實例之電漿反應器的截面視圖。
圖13為呈現根據反應氣體之類型四氟化碳(CF4)之分解效率的曲線。
圖14為根據本發明之第八例示性具體實例之電漿反應器的截面視圖。
圖15為說明圖14中所示之電漿反應器的操作狀態的示意圖。
圖16為根據本發明之第九例示性具體實例之電漿反應器的截面視圖。
在下文中，將參考附圖更全面描述本發明之例示性具體實例以使得熟習此項技術者可容易地對其進行利用。本發明可以各種形式實施，且本發明範疇不限於本文所述之具體實例。
圖1為製程系統之示意圖，該製程系統包括根據本發明之第一例示性具體實例之電漿反應器。圖1之製程系統可為用於半導體、顯示器、太陽電池等之低壓製程系統。
參考圖1，製程系統100包括製程腔室11，其中處理諸如蝕刻、沈積、清潔等之任務；經由管道13連接於製程腔室且釋放製程腔室11中所用之製程氣體的真空泵12；及安裝在製程腔室11與真空泵12之間的電漿反應器210。電漿反應器210可使用管道13作為接地電極。
電漿反應器210位於真空泵12之前部，且其內部維持如製程腔室11之低壓。在本文中，低壓表示在約0.01托(Torr)至10托範圍內但不限於該範圍的壓力。電漿反應器210包括反應氣體入口14，經由該反應氣體入口14注入反應氣體。反應氣體可包括O2及H2O中之至少一者，且諸如氬氣、氦氣、氮氣等之載氣可用於傳遞反應氣體。
電漿反應器210藉由在低壓及高溫下在其中產生電漿來分解製程氣體中所包括之各種有害物質(溫室氣體、未分解前驅物、粒子副產物等)。分解組分與反應氣體化學結合且變為無害化合物。因為電漿包括大量活性物質及高能電子，故電漿促進有害物質之分解組分與反應氣體之 化學反應。
下述第一至第六例示性具體實例之電漿反應器210、220、 230、240、250及260在電容耦合電漿方法中產生電漿且具備AC或RF電源，且具有用於提高傳送通過內部之中心區域的有害物質的分解率的結構。此類特徵使得在寬壓力條件下安裝成本及維護成本能夠降低且有害物質之分解效能能夠增加。
參考圖2至圖10B，描述根據第一至第六例示性具體實例之 電漿反應器的詳細結構及功能。
圖2為根據本發明之第一例示性具體實例之電漿反應器的 截面視圖，圖3為沿圖2之1-1線切割之電漿反應器的截面視圖，且圖4為說明圖2中所示之電漿反應器之操作的示意圖。
參考圖2至圖4，第一例示性具體實例之電漿反應器210包 括製程氣體傳送通過之管道形狀絕緣體20、連接於絕緣體20之面對製程腔室11之前端及連接於絕緣體20之面對真空泵12之後端的接地電極部件30、及固定於絕緣體20之外圓周面的驅動電極40。驅動電極40連接於電源41且向其施加AC或RF電壓。
接地電極部件30包括連接於絕緣體20之前端的第一接地電 極31及連接於絕緣體20之後端的第二接地電極32。第一接地電極31可為連接製程腔室11與絕緣體20之管道，且第二接地電極32可為連接絕緣體20與真空泵12之管道。亦即，管道接地以使得其充當第一接地電極31及充當第二接地電極32。圖1中所說明之反應氣體入口14在第一接地電極31上形成。為方便起見，在圖2中省略反應氣體入口之說明。
絕緣體20及驅動電極40以具有特定直徑之圓柱形形成。驅 動電極40經形成而具有短於絕緣體20之長度，且與第一接地電極31及第二接地電極32沿電漿反應器210之長度方向間隔開預定距離。絕緣體20由氧化鋁、玻璃、石英等製成，且驅動電極40及第一接地電極31及第二接地電極32由金屬(諸如不鏽鋼等)製成。
製程氣體依序傳送通過第一接地電極31、絕緣體20及第二 接地電極32之內部。因為第一接地電極31、絕緣體20及第二接地電極32形成沿一個方向連接之管道，因此電漿反應器210可容易地安裝於已安裝在半導體、顯示器、太陽電池等之製造線上的製程腔室11與泵12之間的管道13上。
第一接地電極31及第二接地電極32可包括可變直徑部件 311及321。第一接地電極31及第二接地電極32之可變直徑部件311及321的直徑隨著其接近絕緣體20而增加，且可具有可以特定比率變化之直徑。 兩個可變直徑部件311及321可經形成而具有相同長度及斜度。
此外，可變直徑部件311及321與絕緣體20直接接觸或與 絕緣體20間隔開預定距離。圖2說明可變直徑部件311及321與絕緣體20間隔開之情形的一實例。除可變直徑部件311及321以外，第一接地電極31及第二接地電極32之部件的剩餘部分可經形成而具有均勻直徑。
第二接地電極32沿製程氣體之移動方向具備面對絕緣體20 內部之中心的面對部件322。亦即，面對部件322藉由切過第二接地電極32內部之製程氣體的排放路徑來安裝。此處，面對部件322與第二接地電極32之內壁之間存在預定空間，製程氣體經由該預定空間釋放。
面對部件322以圓盤狀之形狀形成，且經由至少一個連接部 件323固定於第二接地電極32之內壁上，以使得其維持指定位置且電連接於第二接地電極32。第二接地電極32形成圍繞面對部件322之延伸部件，且可延伸面對部件322之直徑。延伸部件324指第二接地電極32之直徑最大部件，且在可變直徑部件321與延伸部件324之間，面對部件322之直徑可大於第二接地電極32之直徑。
驅動電極40連接於電源41且向其施加AC或RF電壓。可 向其施加驅動電壓，該驅動電壓可具有數千赫茲至數萬赫茲之頻率，且具有方波形、三角波形或正弦波形等，其中正值及負值以週期變化。圖5為說明施加於圖2中所示電漿反應器之驅動電極的驅動電壓的波形的實例的圖。
參考圖5，施加於電極40之驅動電壓(Vs)具有1kHz至 100MHz頻率之高電壓，且操作電壓展示正值(1/2Vs)及負值(-1/2Vs)週期性變化之可變形式。圖5以實例方式說明方波形，但亦可施加各種波形(諸如三角波形、正弦波形等)。
參考圖2至圖4，在AC驅動電壓施加於驅動電極40時，在 電漿反應器210之內部由於驅動電極40與接地電極部件30之電壓差而誘導電漿放電。放電在操作電壓高於內部氣體之擊穿電壓時發生。因為絕緣體20亦為介電材料，故放電電流隨時間增加，但隨堆積於絕緣體20表面上之壁電荷之量變大而減少。
亦即，當放電電流在開始放電後增加時，壁電荷由於堆積於 絕緣體20表面上之電漿中的空間電荷產生，且放電由於絕緣體20之壁電壓 而隨時間變弱。在維持所施加電壓時，電漿放電重複產生、維持及消除之過程。因此，在維持在輝光區時，放電不會轉變為電弧放電，且其移除自製程腔室11排出之有害物質。
在此過程中，在誘導電漿放電時，在第一接地電極31及第 二接地電極32形成可變直徑部件311及321時放電路徑縮短。亦即，第一接地電極31及第二接地電極32之可變直徑部件311及321對面對放電的一部分引起類似作用。因此，電漿放電效率可增加，因為在相同功率消耗下產生更大功率電漿。
此外，因為第二接地電極32具備面對部件322，故在驅動 電極40與面對部件322之間以及在驅動電極40與第一接地電極31及第二接地電極32之間產生電漿。因此，在第二接地電極32之中心在面對部件322上產生大功率電漿。
電漿反應器210內部之電漿包括鞘區(圖4之區域A)及正柱區(圖4之區域B)，且鞘區位於正柱區與電漿反應器210之內表面之間。隨著壓力增加，鞘區變小，但正柱區增大。因為大多數功率消耗在鞘區，故在鞘區中有害物質之分解率較高，而正柱區中較低。
在不具有面對部件322之電漿反應器的結構中，隨著壓力增加，正柱區增大，以使得有害物質之分解率降低。因此，在高壓力條件下，傳送通過電漿反應器之中心部分的有害物質不經分解即直接流入真空泵中。
然而，在本發明例示性具體實例之電漿反應器210中，在面對部件322面對絕緣體20之表面(基於該圖為上表面)中形成鞘區。因此， 當在電漿反應器210上部區域中傳送通過電漿反應器210之中心部分時尚未完全分解之有害物質在傳送通過面對部件322上之鞘區時藉由鞘區中形成之大功率電漿完全分解。
亦即，僅傳送通過電漿反應器210之中心部分的有害物質未 充分分解，因為其僅傳送通過正柱區，但在面對部件322上傳送時在鞘區中完全分解且移除。因此，本發明例示性具體實例之電漿反應器210可甚至在高壓下提高有害物質之分解率，且藉由降低分解率之壓力依賴性在較大壓力範圍中在有害物質之分解率方面展示良好效能。
圖6為根據本發明之第二例示性具體實例之電漿反應器的 截面視圖。
參考圖6，除在面對部件322之上表面的中間形成突起部件 325之部件以外，第二例示性具體實例之電漿反應器220包括與第一例示性具體實例相同之元件。相同參考數字用於與第一例示性具體實例相同之構件，且下文主要描述不同於第一例示性具體實例之元件。
突起部件325位於面對部件322朝向絕緣體20之上側面之 中心且經形成而具有小於面對部件322之直徑。突起部件325之厚度可大於面對部件322，且整個突起部件325與第二接地電極32之內壁間隔開以釋放製程氣體。
第二例示性具體實例之電漿反應器220中的鞘區在突起部 件325朝向絕緣體20之上表面上形成，且大功率電漿可藉由相較於上述第一例示性具體實例縮短驅動電極40與面對部件322之間的放電路徑而在突起部件上產生。
圖7為根據本發明之第三例示性具體實例之電漿反應器的 截面視圖。
參考圖7，除圍繞面對部件322之延伸部件充當粒子收集盒 326的部件及面對部件322藉由支撐部件327連接於第二接地電極32以外，第三例示性具體實例之電漿反應器230包括與上述第一例示性具體實例相同的元件。相同參考數字用於與第一例示性具體實例相同之構件，且下文主要描述不同於第一例示性具體實例之元件。
在粒子收集盒326中，支撐部件327連接面對部件322之下 表面與第二接地電極32，且面對部件322藉由支撐部件327維持其指定位置且電連接於第二接地電極32。
支撐部件327以與第二接地電極32具有相同直徑之管道形 狀形成，且形成至少一個開口327a以排放製程氣體。沿支撐部件327之直徑方向及長度方向形成複數個開口，且沿直徑方向或長度方向形成隙縫狀開口。
傳送通過面對部件322上之鞘區的製程氣體移動至粒子收 集盒326之內部。此時，製程氣體中所包括之粒子副產物堆積於粒子收集盒326上，且製程氣體之剩餘部分在傳送通過支撐部件327之開口327a後流入真空泵12中。在第三例示性具體實例之電漿反應器230中，真空泵之壽命可藉由減少流入真空泵12中之粒子副產物之量而延長。
圖8為根據本發明之第四例示性具體實例之電漿反應器的 截面視圖。
參考圖8，除圍繞面對部件322之延伸部件充當粒子收集盒 326的部件及第二接地電極32包括與中間的粒子收集盒326交叉的兩個管道部分328及329以外，第四例示性具體實例之電漿反應器240包括與上文所提及之第一例示性具體實例相同的元件。相同參考數字用於與第一例示性具體實例相同之構件，且下文主要描述不同於第一例示性具體實例之元件。
粒子收集盒326可包括具有漏斗形狀之底部部件326a。第二 接地電極32包括連接於絕緣體20之後端及粒子收集盒326之上表面的第一管道部分328及連接於粒子收集盒326之側面及真空泵12之第二管道部分329。面對部件322藉由至少一個連接部件固定於粒子收集盒326之內部，維持指定位置，且電連接於第二接地電極32。
傳送通過面對部件322上之鞘區的製程氣體移動至粒子收 集盒326之內部。製程氣體中所包括之粒子副產物堆積於粒子收集盒326之底部部件326a上，且製程氣體之剩餘部分在傳送通過第二管道部分329後流入真空泵12中。
圖9為根據本發明之第五例示性具體實例之電漿反應器的 截面視圖。
參考圖9，除第二接地電極32包括彼此交叉之兩個管道部分328及329的部件以外，第五例示性具體實例之電漿反應器250包括與第五例示性具體實例相同之元件。相同參考數字用於與第一例示性具體實例相同之構件，且下文主要描述不同於第一例示性具體實例之元件。
第二接地電極32包括連接於絕緣體20之後端之第一管道部分328及與第一管道部分328交叉(例如垂直)之第二管道部分329。可變 直徑部件321位於第一管道部分328，且第二管道部分329連接於真空泵12。
由於第一管道部分328與第二管道部分329交叉，故第二管 道部分329之一部分沿製程氣體之傳輸方向(箭頭方向)面對絕緣體20之內部中心。亦即，第二管道部分329之一部分面對第一管道部分328之內部以使得第二部分329之一部分形成面對部件322。
製程氣體中所包括之有害物質主要在傳送通過電漿反應器 250之內部時分解或移除，且傳送通過電漿反應器250之中心的未分解有害物質在傳送通過面對部件上之鞘區時充分分解且移除。有害物質經移除之製程氣體流入真空泵12中，其沿側面方向流動通過第二管道部分329。
方向不直接轉變之第二管道部分329可配備有長度延伸部 件329a，其在與第一管道部分328交叉之部分處具有封閉端。電漿反應器250可由於長度延伸部件329a而在面對部件322上延伸鞘區以使得其能夠提高有害物質之分解率。
在第五例示性具體實例中，電漿反應器250不在第二接地電 極32之內部具備額外面對部件，且第二接地電極32之一部分充當面對部件322。因此，相較於上述第一至第四例示性具體實例，第二接地電極32之結構可簡化以使得製造可因此更容易。
圖10A及圖10B為根據本發明之第六例示性具體實例之電 漿反應器的截面視圖。
參考圖10A及圖10B，除突起部件325在面對部件322朝向 絕緣體20之上表面上形成的部件以外，第六例示性具體實例之電漿反應器260包括與上述第五例示性具體實例相同之元件。相同參考數字用於與第五 例示性具體實例相同之構件，且下文主要描述不同於第五例示性具體實例之元件。
形成突起部件325以使其直徑大於第一管道部分328之內部 直徑(圖10A)，且在此情形下，突起部件325經形成而具有比第二管道部分329之內部直徑小的厚度以使得製程氣體經由第二管道部分329釋放。另一方面，形成突起部件325以使其直徑小於第一管道部分328之內部直徑(圖10B)，且在此情形下，突起部件325經形成而具有大於第二管道部分329之內部直徑的厚度無問題。
在操作電漿反應器260期間，在突起部件325之上表面上形 成鞘區，且可藉由相較於上述第五例示性具體實例縮短驅動電極40與面對部件322之間的放電路徑在突起部件325上產生大功率電漿。
圖11為製程系統的示意圖，該製程系統包括根據第七例示 性具體實例之電漿反應器。圖11之製程系統可為用於製造半導體、顯示器、太陽電池等之低壓製程系統。
參考圖11，製程系統200包括製程腔室11，其中處理諸如 蝕刻、沈積、清潔等之任務；經由管道13連接於製程腔室且釋放製程腔室11中所用之製程氣體的真空泵12；及安裝在製程腔室11與真空泵12之間的電漿反應器270。電漿反應器270可使用管道13作為接地電極。
電漿反應器270位於真空泵12之前部，且其內部維持如製程腔室11之低壓。此處，低壓指(但不限於)約0.1托至10托之壓力範圍。
電漿反應器270可包括兩個反應氣體入口21及22，經由該等反應氣體入口藉由將其分成兩個入口21及22注入反應氣體。反應氣體可 與載氣(諸如氬氣、氦氣、氮氣等)一起注入電漿反應器270之內部。
電漿反應器270藉由在低壓及高溫下在其中產生電漿來分 解製程氣體中所包括之各種有害物質(hazardous substance/hazardous material)(溫室氣體、未分解前驅物、粒子副產物等)。分解組分與反應氣體化學結合且變為無害化合物。
因為電漿包括大量活性物質及高能電子，故電漿促進有害物 質之分解組分與反應氣體之化學反應。
下述第七至第九例示性具體實例之電漿反應器在電容耦合 電漿方法中產生電漿，具備AC或RF電源，且具有用於改良放電效率之結構。另外，其具有用於藉由注入分成氧氣及氫氣或氧氣及烴的兩種類型反應氣體替代H2O提高有害物質之分解率的結構。
參考圖12至圖17，描述根據第七至第九例示性具體實例之 電漿反應器的詳細結構及功能。
圖12為根據本發明之第七例示性具體實例之電漿反應器的 截面視圖。
參考圖12，第七例示性具體實例之電漿反應器270包括製 程氣體傳送通過之管道形狀絕緣體20、連接於絕緣體20朝向製程腔室11之前端的第一接地電極31及連接於絕緣體20朝向真空泵12之後端的接地電極部件32、及固定於絕緣體20之外表面的驅動電極40。驅動電極40連接於電源41且向其施加AC或RF電壓。
第一接地電極31可為連接製程腔室11與絕緣體20之管 道，且第二接地電極32可為連接絕緣體20與真空泵12之管道。亦即，管 道接地以使得其充當第一接地電極31及充當第二接地電極32。第一接地電極31形成第一入口21以用於欲注入之第一反應氣體，且形成第二入口22以用於欲注入之第二反應氣體。
絕緣體20及驅動電極40以具有特定直徑之圓柱形形成。驅 動電極40經形成而具有短於絕緣體20之長度，且與第一接地電極31及第二接地電極32沿製程氣體之流動方向間隔開預定距離。絕緣體20由諸如氧化鋁、玻璃、石英等之介電材料製成，且驅動電極40及第一接地電極31及第二接地電極32由諸如不鏽鋼等之金屬製成。
製程氣體依序傳送通過第一接地電極31、絕緣體20及第二 接地電極32之內部。因為第一接地電極31、絕緣體20及第二接地電極32形成沿一個方向連接之管道，因此電漿反應器270可容易地安裝於已安裝在半導體、顯示器、太陽電池等之製造線上的製程腔室11與泵12之間的管道13上。
第一接地電極31及第二接地電極32可包括可變直徑部件 311及321。第一接地電極31及第二接地電極32之可變直徑部件311及321的直徑隨著其接近絕緣體20而增加，且可具有可以預定比率變化之直徑。 兩個可變直徑部件311及321可經形成而具有相同長度及斜度。
可變直徑部件311及321與絕緣體20直接連接或與絕緣體 20間隔開預定距離。圖12說明可變直徑部件311及321與絕緣體20間隔開之情形的一實例。除可變直徑部件311及321以外，第一接地電極31及第二接地電極32之部件的剩餘部分可經形成而具有均勻直徑。
驅動電極40連接於電源41且向其施加AC或RF電壓。可 向其施加該驅動電壓，該驅動電壓可具有數千赫茲至數萬赫茲之頻率，且具有方波形、三角波形或正弦波形等，其中正值及負值以週期變化。
當AC驅動電壓施加於驅動電極40時，由於驅動電極40與 第一接地電極31及第二接地電極32或驅動電極40與接地電極部件30之電壓差在電漿反應器270內部誘導電漿放電。放電在操作電壓高於內部氣體之擊穿電壓時發生。此時，因為絕緣體20亦為介電材料，故放電電流隨時間增加，但隨堆積於絕緣體20表面上之壁電荷之量變大而減少。
亦即，當放電電流在開始放電後增加時，壁電荷由堆積於絕 緣體20表面上之電漿內部的空間電荷產生，且放電由於絕緣體20之壁電壓而隨時間變弱。在維持所施加電壓時，電漿放電重複產生、維持及消除之過程。因此，在維持在輝光區時，放電不會轉變為電弧放電，且其移除自製程腔室11排出之有害物質。
在此過程中，在誘導電漿放電時，在第一接地電極31及第 二接地電極32包括可變直徑部件311及321時放電路徑縮短。亦即，第一接地電極31及第二接地電極32之可變直徑部件311及321對面對放電的一部分引起類似作用。因此，電漿放電效率可增加，因為在相同功率消耗下產生更大功率電漿。電漿產生區標記於圖12中。在第一接地電極31、絕緣體20及第二接地電極32之整個內部形成電漿。
此外，不同於注入水(H2O)之習知結構，第一接地電極31 分別配備有注入第一反應氣體之第一入口21及注入第二反應氣體之第二入口22。第一反應氣體及第二反應氣體中之一者為氧氣(O2)，且另一者為氫氣(H2)或烴(CxHy)。舉例而言，烴可為甲烷(CH4)。
第一反應氣體及第二反應氣體在使用電漿進行之有害物質 之分解製程中充當穩定溫室氣體之氧自由基及氫自由基之供應源。此時，第一入口21及第二入口22經定位而彼此沿製程氣體之流動方向間隔開。舉例而言，第一入口21可位於電漿形成區以外，且第二入口22可位於電漿形成區中。
因此，第一及第二反應氣體之間的差異在於在電漿中之滯留 時間，且其與由電漿解離之差異一致。亦即，經由第一入口21注入之第一反應氣體首先由電漿解離，且以解離態與經由第二入口22注入之第二反應氣體混合。
特定言之，在經由第一入口21注入氧氣之情形下，注入之 氧氣O2分成兩個氧原子，且不存在由解離之氧原子與第二入口22位置處之氫氣反應而爆炸之危險。類似地，在經由第一入口21注入氫氣之情形下，注入之氫氣H2分成兩個氫原子，且不存在由解離之氫原子與第二入口22位置處之氧氣反應而爆炸之危險。
以此方式，第七例示性具體實例之電漿反應器270在不同位 置具備兩個入口21及22以使得可防止由第一反應氣體與第二反應氣體反應引起爆炸。另外，分別注入氧氣及氫氣或氧氣及烴之方法展示比使用水(H2O)之方法高的溫室氣體分解率。
圖13為呈現根據反應氣體之類型四氟化碳(CF4)之分解效 率的曲線。四氟化碳(CF4)為一種溫室氣體，曲線之來源為A.Huang等人，題為「Combination of glow-discharge and arc plasmas for CF4 abatement」,Res.Chem.Intermed.，第27卷，第9期，第957-974頁，2001之論文。
相較於在注入水蒸氣(H2O)作為反應氣體之情形下，CF4 之分解率在分別注入氧氣(O2)及甲烷(CH4)之情形下較高，且在分別注入氧氣(O2)及氫氣(H2)之情形下，CF4之分解率高得多。特定言之，注入氧氣(O2)及氫氣(H2)之情形分別展示80%或80%以上之較高分解率，除在反應之初始狀態下以外。根據反應氣體之類型，CF4之分解率可排列為(H2+O2)>(CH4+O2)>(H2O)。
因此，根據第七例示性具體實例之電漿反應器270分別具 備氧氣供應源及氫氣(或烴)供應源，且兩種反應氣體分別經由兩個入口21及22注入，從而製程氣體中所包括之有害物質之分解率可有效提高。另外，製程期間之安全性藉由設定氧氣及氫氣(或烴)解離之時間差來避免爆炸極限而確保。
圖14為根據本發明之第八例示性具體實例之電漿反應器的 截面視圖，且圖15為說明圖14中所示之電漿反應器之操作態的示意圖。
參考圖14至圖15，根據第八例示性具體實例之電漿反應器 具有另一結構來提高傳送通過中心區域之有害物質的分解率。除第二接地電極32以外之所有剩餘元件與第七例示性具體實例相同，且相同參考數字用於與第七例示性具體實例中相同之構件。
在第八例示性具體實例中，第二接地電極32沿製程氣體之 移動方向具備面對絕緣體20之內部中心的面對部件322。亦即，面對部件322藉由切過第二接地電極32內部之製程氣體的排放路徑來安裝。此處，面對部件322與第二接地電極32之內壁之間存在小空間，製程氣體經由該小空間釋放。
面對部件322以圓盤形狀形成，且經由至少一個連接部件 323(參考圖3)固定於第二接地電極32之內壁上，以使得其維持指定位置且電連接於第二接地電極32。第二接地電極32形成圍繞面對部件322之延伸部件，且可延伸面對部件322之直徑。延伸部件324指第二接地電極32之直徑最大部件，且在可變直徑部件321與延伸部件324之間，面對部件322之直徑可大於第二接地電極32之直徑。
由於第二接地電極32具備面對部件322，故在驅動電極40 與面對部件322之間以及在驅動電極40與第一接地電極31及第二接地電極32之間發生電漿放電。因此，在第二接地電極32之中心在面對部件322上產生大功率電漿。
電漿反應器280內部之電漿包括鞘區(圖15之區域A)及 正柱區(圖15之區域B)，且鞘區位於正柱區與電漿反應器280之內表面之間。隨著壓力增加，鞘區變小，但正柱區增大。因為大多數功率消耗在鞘區，故在鞘區中有害物質之分解率較高，而正柱區中較低。
在不具有面對部件322之電漿反應器的結構中，隨著壓力增 加，正柱區增大，以使得有害物質之分解率降低。因此，在高壓力條件下，傳送通過電漿反應器之中心部分的有害物質可不經分解即完整地流入真空泵中。
在第八例示性具體實例之電漿反應器280中，在面對部件 322面對絕緣體20之表面(基於該圖為上側面)中形成鞘區。因此，當在電漿反應器280上部區域中傳送通過電漿反應器280之中心部分時尚未完全分解之有害物質在傳送通過面對部件322上之鞘區時藉由鞘區中形成之大 功率電漿完全分解。
亦即，僅傳送通過電漿反應器280之中心部分的有害物質未 充分分解，因為其僅傳送通過正柱區，但在面對部件322上傳送時在鞘區中完全分解且移除。因此，第八例示性具體實例之電漿反應器280可甚至在高壓下提高有害物質之分解率，且藉由降低分解率之壓力依賴性在較大壓力範圍中在有害物質之分解率方面展示良好效能。
圖16為根據本發明之第九例示性具體實例之電漿反應器的 截面視圖。
參考圖16，除圍繞面對部件322之延伸部件充當粒子收集 盒326的部件及面對部件322藉由支撐部件327連接於第二接地電極32以外，第九例示性具體實例之電漿反應器290包括與上述第八例示性具體實例相同的元件。相同參考數字用於與第八例示性具體實例中相同之構件。
在粒子收集盒326中，支撐部件327連接面對部件322之下 表面與第二接地電極32，且面對部件322藉由支撐部件327維持其指定位置且電連接於第二接地電極32。支撐部件327以與第二接地電極32具有相同直徑之管道形狀形成，且形成至少一個開口327a以排放製程氣體。
傳送通過面對部件322上之鞘區的製程氣體移動至粒子收 集盒326之內部。此時，製程氣體中所包括之粒子副產物堆積於粒子收集盒326上，且製程氣體之剩餘部分在傳送通過支撐部件327之開口327a後流入真空泵12中。在第九例示性具體實例中，真空泵之壽命可藉由降低流入真空泵12中之粒子副產物之量延長。
儘管已結合目前視為實用例示性具體實例之內容來描述本 發明，但應瞭解本發明不限於所揭示之具體實例，而是相反地意欲涵蓋包括在隨附申請專利範圍之精神及範疇內的各種修改及等效配置。

Claims (14)

  1. 一種電漿反應器，其用於減少製程氣體中所包括之有害物質且安裝在該製程氣體朝向真空泵之排出路徑上，其包含：製程氣體傳送通過之具有管道形狀的絕緣體；連接於該絕緣體面對該製程腔室之前端的第一接地電極；連接於該絕緣體之後端且沿製程氣體之移動方向具備面對絕緣體內部之中心的面對部件的第二接地電極；及固定於該絕緣體之外圓周面且連接於施加AC或RF電壓之電源的驅動電極，其中該面對部分與該第二接地電極之內壁之間提供預定空間，該等製程氣體經由該預定空間釋放。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中該面對部件與該第二接地電極之內壁間隔開，且經形成而具有與該等製程氣體之該排出路徑交叉的平面形狀。
  3. 如申請專利範圍第2項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中該面對部件經由至少一個連接部件固定於該第二接地電極之該內壁。
  4. 如申請專利範圍第2項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中該第二接地電極形成圍繞該面對部件之延伸部件，且該面對部件之直徑大於除該延伸部件以外的該第二接地電極之直徑。
  5. 如申請專利範圍第2項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中突起部件在該面對部件面對該絕緣體之表面上形成。
  6. 如申請專利範圍第4項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中該延 伸部件充當粒子收集盒，支撐部件位於該粒子收集盒內部且在該面對部件之下表面與該第二接地電極之間，且該支撐部件形成至少一個開口以釋放該等製程氣體。
  7. 如申請專利範圍第4項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中該延伸部件充當粒子收集盒，且具備底部部件，且該第二接地電極包含與中間的該粒子收集盒交叉的第一管道部分及第二管道部分。
  8. 如申請專利範圍第1項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中該第二接地電極包含連接於該絕緣體之後端的第一管道部分及與該第一管道部分交叉之第二管道部分，且該第二管道部分之一部分面對該第一管道部分之內部以使得該第二部分之一部分充當該面對部件。
  9. 如申請專利範圍第8項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中該第二管道部分具備長度延伸部件，其在與該第一管道部分交叉之部分處具有封閉端。
  10. 如申請專利範圍第8項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中突起部件在該面對部件之表面中形成，且其直徑大於該第一管道部分之內徑，且該突起部件之厚度小於該第二管道部分之內徑。
  11. 如申請專利範圍第8項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中突起部件在該面對部件之表面中形成，且其直徑大於該第一管道部分之內徑，且該突起部件之厚度大於該第二管道部分之內徑。
  12. 如申請專利範圍第1項至申請專利範圍第11項中任一項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中該第一接地電極及該第二接地電極包括可變直徑部件，其直徑隨著接近該絕緣體而增加，且該面對部件位於該 第二接地電極處所提供之該可變直徑部件之後部。
  13. 如申請專利範圍第1項至申請專利範圍第11項中任一項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中該第一接地電極形成反應氣體入口，該反應氣體經由該反應氣體入口注入。
  14. 如申請專利範圍第1項至申請專利範圍第11項中任一項之用於減少有害物質之電漿反應器，其中該第一接地電極沿該等製程氣體之移動方向離開用於注入第一反應氣體之第一入口及用於注入第二反應氣體之第二入口而安置，且該第一反應氣體停留在該電漿之內部時的滯留時間不同於該第二反應氣體停留在該電漿之內部時的滯留時間。
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