WO2020110262A1

WO2020110262A1 - プラズマ生成ユニットおよびこれを用いた排ガス除害装置

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Publication number: WO2020110262A1
Application number: PCT/JP2018/044023
Authority: WO
Inventors: 柳澤　道彦; 塚田　勉; 今村　啓志
Original assignee: カンケンテクノ株式会社; 北京康肯▲環▼保▲設▼▲備▼有限公司
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-04

Abstract

本発明は、従来より高いガス圧力や速い流速でもＩＣＰを維持することができるプラズマ生成ユニット(１０)と、かかるプラズマ生成ユニット(１０)を適用した排ガス分解効率の高い排ガス除害装置(２０)とを提供する。すなわち、本発明のプラズマ生成ユニット(１０)は、気密性を有し、その内部をガスが通流するチャンバ(１２)と、上記チャンバ(１２)内に配設され、誘導結合プラズマ(１８)を生成する高周波コイル(１４)と、上記の高周波コイル(１４)に高周波電圧を印加する高周波電源(１６)とを含む。

Description

プラズマ生成ユニットおよびこれを用いた排ガス除害装置

　本発明は、ガスの分解に好適なプラズマ生成ユニットと、これを用いた排ガス除害装置とに関する。

　半導体や液晶などの製造プロセスでは、ＰＦＣ(パーフルオロカーボン)ガスやＮＦ₃，ＳＦ₆などが使われている。これらのガスは温室効果が大きなことから、使用済みの排ガスは熱分解などの除害処理が施された後、大気中へと放出される。

　ここで、これらの排ガスを除害する方法の一つとしてフォアライン除害がある。このフォアライン除害は、液晶等を含む半導体製造プロセスにおけるプロセスチャンバとドライポンプとの間(フォアライン)に除害装置を設置して排ガスを除害する方法であり、現在多く使用されているドライポンプ後の大気圧下に除害装置を設置して排ガスを除害する方法とは、その機能や役割が若干異なる。
　すなわち、フォアラインでは、ドライポンプのパージ窒素の混入がないため、濃度の高い排ガスを処理でき効率的である。しかしながら、その一方で、フォアラインは減圧環境であることから、ガス密度が低く、ガスの流速が速い。このため、分解効率の良い方法でないと全ての排ガスを分解できない。

　現在、フォアライン除害に用いる装置としては、米国のＡｄｖａｎｃｅ　Ｅｎｅｒｇｙ社のＬＩＴＭＡＳ(登録商標、以下同じ)が主流である（非特許文献１参照）。
　このＬＩＴＭＡＳはセラミックス管からなるチャンバの外部に誘導結合コイルを巻き、このコイルに高周波の大電流を流してセラミックス製のチャンバ内に誘導結合プラズマ(以下、「ＩＣＰ」とも言う)を生成する方式を採用している。この方式は高密度プラズマを生成することから、フォアラインでも十分な排ガス分解特性を得ることができる。

"リトマス　アールピーエス　データ　シート(Ｌｉｔｍａｓ　ＲＰＳ　Ｄａｔａ　Ｓｈｅｅｔ)"、［online］、２０１６年、アドバンスドエナジー（Ａｄｖａｎｃｅ　Ｅｎｅｒｇｙ）社、［平成３０年１０月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.advancedenergy.com/globalassets/resources-root/data-sheets/litmas-rps-data-sheet.pdf＞

　ＩＣＰの生成は、まず誘導結合コイルに印加された高電圧によって容量結合性のプラズマ(以下、「ＣＣＰ」とも言う)がチャンバの内表面近傍に生成し、このＣＣＰに誘導電場による誘導電流が流れることによってＩＣＰが生成する。すなわち、ＩＣＰは必ずＣＣＰを経由して生成される。

　ここで、上記の従来のフォアライン除害用の装置であるＬＩＴＭＡＳでは、チャンバのセラミックス管壁の外側から電圧を供給するため、セラミックス管によるエネルギーロスなどが問題となっていた。このため、フォアライン内の排ガスのガス圧が高い場合や排ガスの流速が速くＩＣＰを維持できないときは、チャンバ内のプラズマがＣＣＰモードに変わってしまう欠点があった。このＣＣＰモードでは排ガスの分解効率が低く、除害装置としての要求を満足することができない。したがって、シリコンウェハの大口径化などによりガス量が増えてきている現在、ＬＩＴＭＡＳはその使用可能範囲が限定されている。

　それゆえに、本発明の主たる目的は、従来より高いガス圧力や速い流速でもＩＣＰを維持することができるプラズマ生成ユニットと、かかるプラズマ生成ユニットを適用した排ガス分解効率の高い排ガス除害装置とを提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明は、図１および図２に示すように、排ガス除害装置２０およびこれに適用するプラズマ生成ユニット１０を次のように構成した。
　すなわち、本発明における第１の発明は、気密性を有し、その内部をガスが通流するチャンバ１２と、そのチャンバ１２内に配設され、誘導結合プラズマ１８を生成する高周波コイル１４と、その高周波コイル１４に高周波電圧を印加する高周波電源１６とを含む、ことを特徴とするプラズマ生成ユニット１０である。

　この第１の発明は、例えば、次の作用を奏する。
　チャンバ１２の内部に高周波コイル１４が設置されているので、高周波コイル１４とその内側に生成するプラズマとが接触するようになる。このため、ＣＣＰを生じさせる際の電力の伝達効率がよくなり、それに伴って誘導結合プラズマ(ＩＣＰ)１８の生成範囲も拡くなる。これにより、従来よりガス流量が多いプロセスに対しても適用が可能となる。また、従来のようにセラミックス管壁からなるチャンバの外側から電圧を供給するものではないため、セラミックス管壁によるエネルギー(電力)ロスと言った問題がなくなり、エネルギー効率も向上する。

　本発明における第２の発明は、上記の第１の発明のプラズマ生成ユニット１０を用いた排ガス除害装置２０であって、半導体製造プロセスにおけるプロセスチャンバ２２とドライポンプ２４との間のフォアライン２６に一体的に連結され、その内部を排ガス２８が通流するチャンバ１２と、そのチャンバ１２内に配設され、誘導結合プラズマ１８を生成する高周波コイル１４と、その高周波コイル１４に高周波電圧を印加する高周波電源１６とを含むことを特徴とする。

　この第２発明では、上述した第１の発明のプラズマ生成ユニット１０をフォアライン２６に取付けているので、フォアライン２６内の排ガスＥのガス圧が高い場合や排ガスＥの流速が速い場合でもＩＣＰ１８を維持することができる。このため、シリコンウェハの大口径化などによりガス量が増えた半導体製造プロセスにも適用することができる。

　さらに、本発明は、後述する実施形態に記載された特有の構成を付加することが好ましい。

　本発明によれば、従来より高いガス圧力や速い流速でもＩＣＰを維持することができるプラズマ生成ユニットと、かかるプラズマ生成ユニットを用いた排ガス分解効率の高いフォアライン除害に好適な排ガス除害装置とを提供することができる。

本発明の一実施形態の排ガス除害装置の概要を示す図である。本発明におけるプラズマ生成ユニットの一例を示す正面視部分断面概略図である。本発明におけるプラズマ生成ユニットの他の例を示す正面視部分断面概略図である。本発明のプラズマ生成ユニットにおける排ガスの除害以外の適用事例(一例)の概略を示す図である。

　以下、本発明の一実施形態を図１および図２によって説明する。
　図１は、本発明の一実施形態のプラズマ生成ユニット１０が適用された排ガス除害装置２０の概要を示す図である。この図が示すように、本実施形態の排ガス除害装置２０は、半導体製造プロセスにおけるエッチャーやＣＶＤなどのプロセスチャンバ２２とドライポンプ２４との間のフォアライン２６に本発明のプラズマ生成ユニット１０が設置されたフォアライン除害用の装置であって、チャンバ１２，高周波コイル１４および高周波電源１６を含む。

　チャンバ１２は、ステンレス(ＳＵＳ)やハステロイ(登録商標)等の金属、或いは、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等のセラミックスと言った気密性，耐熱性および機械的強度に優れた材料で構成された筒状の部材である。このチャンバ１２には、長手方向の両端部にガス導入口１２ａおよびガス排出口１２ｂがそれぞれ開口されており、このガス導入口１２ａおよびガス排出口１２ｂを介してチャンバ１２とフォアライン２６の配管とが気密的に連結され、チャンバ１２の内部を排ガス２８が通流するようになっている。また、このチャンバ１２の側周壁には、後述する高周波コイル１４の端部が抜き出される一対の抜出口１２ｃが穿設されている。

　なお、このチャンバ１２の一例として、図示実施形態では、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４(ＪＩＳ規格)からなる外径８０ｍｍ(内径７０ｍｍ)×長さ３５０ｍｍの円筒状部材を用いている。

そして、このチャンバ１２の内部には、高周波コイル１４が配設される。

　高周波コイル１４は、例えば銅やステンレスなどの導電性金属からなる線材を螺旋状に巻回して形成した円筒型のループコイルである。この高周波コイル１４は、螺旋状に巻回されて内部に円筒状の空間が設けられたループ部分１４ａの中心軸と、チャンバ１２の中心軸とが同軸と成るようにチャンバ１２内に装着される(図２参照)。また、高周波コイル１４のループ部分１４ａの長手方向両端部はチャンバ１２内から外部へと延出され、高周波電源１６に接続される。

　ここで、図示実施形態のプラズマ生成ユニット１０では、高周波コイル１４として、外径８ｍｍ(内径５ｍｍ)のＳＵＳパイプを外径６０ｍｍの螺旋状に巻回したものであって、隣接するループ同士が２ｍｍの間隔を置いてループ部分１４ａが形成されたものを使用している。なお、処理対象の排ガス２８中にフッ素成分が多く、塩素成分が少ない場合には、高周波コイル１４の材料として銅線を用いるのが好ましい。

　また、上述したように、チャンバ１２もこの高周波コイル１４と同様に導電性金属のステンレスで形成されているため、高周波コイル１４の長手方向両端部のそれぞれがチャンバ１２内から外へ延出される一対の抜出口１２ｃには、チャンバ１２と高周波コイル１４の延出部分とが直接接触しないように、シリコーンゴムなどからなる耐熱性の絶縁部材３０が装着されると共に、高周波コイル１４のループ部分１４ａとチャンバ１２の内壁面とが電気的に接触しないように５ｍｍのクリアランスが設けられている。因みに、チャンバ１２として非導電性のセラミックスからなるものを用いた場合には、絶縁部材３０も要らないし、チャンバ１２と高周波コイル１４との間にクリアランスを設ける必要もなく、チャンバ１２内壁面に高周波コイル１４が密着するように設けてもよい。

　なお、この高周波コイル１４と上述のチャンバ１２とは、過熱を防止するため、必要に応じて所定水温および流量（例えば、常温(２０℃±１５℃)の場合、流量３～５リットル／分程度）の冷却水で冷却するのが好ましい。

　高周波電源１６は、高周波コイル１４に対して高周波電圧を印加する電源である。この高周波電源１６としては、定格出力５ｋＷ、周波数４００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚ程度のクラスの市販のものを用いることができる。
　なお、図示はしていないが、この高周波電源１６と高周波コイル１４との間に、必要に応じて(具体的には、電力伝達の最大化などを求める場合には)、インピーダンスマッチング部（整合回路）を設けるのが好ましい。

　以上のように構成される本発明の排ガス除害装置２０を使用する際には、図示しない(排ガス除害装置２０の)操作盤の電源をオンにして(減圧下の)チャンバ１２内へのガスの通流を開始させると共に、高周波電源１６を起動させて高周波コイル１４への高周波電圧の印加を開始する。そうすると、まず高周波コイル１４のループ部分１４ａの内側に容量結合性のプラズマ(ＣＣＰ)が生成し、このＣＣＰに誘導磁場による誘導電流が流れることによって誘導結合プラズマ(ＩＣＰ)１８が生成する。

　そして、チャンバ１２内にＩＣＰ１８が生成した後、プロセスチャンバ２２に装備されたターボ分子ポンプ(ＴＭＰ)２３を介してフォアライン２６への排ガス２８の供給を開始させると、排ガス２８はチャンバ１２内を通過する際にＩＣＰ１８の高熱や電子衝撃によって分解される。

　本実施形態の排ガス除害装置２０によれば、チャンバ１２の内部に高周波コイル１４が設置されているので、高周波コイル１４とその内側に生成するプラズマとが接触するようになる。このため、ＣＣＰを生じさせる際の電力の伝達効率がよくなり、それに伴ってＩＣＰ１８の生成範囲が広くなる。その結果、チャンバ容量が同程度のＬＩＴＭＡＳと比較した場合、同じ４０００Ｗの電力印加において、ＬＩＴＭＡＳで９５％の分解率達成できるＣＦ₄流量が３５０ｓｃｃｍ(Standard Cubic Centimeter per Minute)［９０～１３０Ｐａ］であったのに対し、本実施形態の排ガス除害装置２０では８００ｓｃｃｍ［４０～２１０Ｐａ］までＣＦ₄の分解が可能となった。

　なお、本実施形態の排ガス除害装置２０には、上述したプラズマ生成ユニット１０のほかに、次のような構成を加えることも可能である。
　すなわち、図１に示すように、フォアライン２６においてプラズマ生成ユニット１０によって分解された排ガス２８は、ドライポンプ２４を介して大気中へと排出されるが、このドライポンプ２４の排出口側の配管２５上に、スクラバ，吸着塔または大気圧除害装置からなる群より選ばれる少なくとも１つの後段処理装置１１を設けるようにしても良い。係る後段処理装置１１を設けることによって、大気中へと排出する排ガス２８の悪影響をより一層低減することができる。

　また、上述の実施形態では、フォアライン２６へと供給される排ガス２８をそのまま分解させる場合を示したが、チャンバ１２の上流側に酸素や水分などの分解補助材を添加するようにしてもよい。

　また、上述のプラズマ生成ユニット１０では、高周波コイル１４のループ部分１４ａの長手方向両端部をチャンバ１２外部へと延出させ、そこに高周波電源１６を接続して給電する場合を示しているが、図３に示すように、高周波コイル１４のループ部１４ａの端部ではなく、ループ部分１４ａの途中に一対の給電部材(電線)１５を接続して給電する形状にしてもよい。

　また、上述の実施形態では、プラズマ生成ユニット１０を排ガス２８のフォアライン除害に適用する場合を示したが、このプラズマ生成ユニット１０の用途はこれに限定されるものではなく、例えば、半導体製造プロセスにおけるウェハのプレクリーニング，フォトレジスト除去およびＡＬＤ(原子層蒸着法)などに使われる反応ガス種の供給と言ったように、ＩＣＰ１８を必要とする様々な用途で利用可能である。

　ここで、図４を参照しつつ、本実施形態のプラズマ生成ユニット１０を排ガス２８のフォアライン除害以外の用途に適用する具体的事例を説明する。なお、図４において図番が同じものは前述と同じである。
　プロセスチャンバ２２がＳｉＯ₂‐ＣＶＤなどのＳｉＨ₄ガスを使用するＳｉ系の薄膜生成プロセスである場合、プロセスチャンバ２２で反応しなかったＳｉＨ₄はそのまま下流に流れ、フォアライン２６の配管内壁やドライポンプ２４内に堆積し(図４中の点線部分)、長時間後には配管やドライポンプ２４を閉塞させてしまう。これを図４のように、ＮＦ₃をプラズマ生成ユニット１０で分解して生成させたＦ原子によって、Ｓｉ＋４Ｆ→ＳｉＦ₄という反応でガス化させてクリーニングする。これまでのＬＩＴＭＡＳでは、ＮＦ₃流量は３００ｓｃｃｍ程度が高濃度のＦ原子を発生させるときの流量上限であったが、本実施形態のプラズマ生成ユニット１０では、３０００ｓｃｃｍ程度まで流すことが可能になる。このため、フォアライン２６のクリーニングレートが格段に速くなる。

　その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。

　１０：プラズマ生成ユニット，１２：チャンバ，１４：高周波コイル，１６：高周波電源，１８：誘導結合プラズマ(ＩＣＰ)，２０：排ガス除害装置，２２：プロセスチャンバ，２４：ドライポンプ，２６：フォアライン，２８：排ガス．

Claims

　気密性を有し、その内部をガスが通流するチャンバと、
　上記チャンバ内に配設され、誘導結合プラズマを生成する高周波コイルと、
　上記の高周波コイルに高周波電圧を印加する高周波電源とを含む、
　ことを特徴とするプラズマ生成ユニット。
　半導体製造プロセスにおけるプロセスチャンバとドライポンプとの間のフォアラインに一体的に連結され、その内部を排ガスが通流するチャンバと、
　上記のチャンバ内に配設され、誘導結合プラズマを生成する高周波コイルと、
　上記の高周波コイルに高周波電圧を印加する高周波電源とを含む、
ことを特徴とする排ガス除害装置。