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特開2024-3021プラズマ処理システムおよびプラズマ処理システムを操作する方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024003021
(43)【公開日】2024-01-11
(54)【発明の名称】プラズマ処理システムおよびプラズマ処理システムを操作する方法
(51)【国際特許分類】
H05H 1/46 20060101AFI20231228BHJP
C23C 16/50 20060101ALI20231228BHJP
H01L 21/3065 20060101ALN20231228BHJP
【ＦＩ】
H05H1/46 L
C23C16/50
H01L21/302 101E
【審査請求】有
【請求項の数】21
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023182606
(22)【出願日】2023-10-24
(62)【分割の表示】P 2021500796の分割
【原出願日】2019-07-01
(31)【優先権主張番号】16/035,551
(32)【優先日】2018-07-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】505477121
【氏名又は名称】エムケイエス インストゥルメンツ， インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(74)【代理人】
【識別番号】100142907
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 淳
(72)【発明者】
【氏名】チェン、シン
(72)【発明者】
【氏名】ポキドフ、イリヤ
(72)【発明者】
【氏名】グプタ、アトゥル
(57)【要約】
【課題】プラズマ処理システムおよびプラズマ処理システムを操作する方法を提供すること。
【解決手段】プラズマ処理システムは、プラズマチャネルを画定するプラズマチャンバであって、誘電体材料から構成された２つの誘電体部分と、２つの誘電体部分を結合面に沿って結合させて、２つの誘電体部分の間に気密封止を形成する結合インターフェースとを有するプラズマチャンバと、プラズマチャンバを実質的に取り囲むヒートシンクであって、結合面に沿って２つの伝導性部分に分割されており、２つの伝導性部分が伝導性材料から構成されるとともに互いに電気的に分離されている、ヒートシンクと、を備えているプラズマアセンブリと、磁気コア、一次コイルおよびプラズマアセンブリを含む電力変圧器であって、プラズマチャンバのプラズマチャネル内のガスをイオン化する電場を誘導するように構成されている、電力変圧器と、を含む。
【選択図】図８Ａ
【解決手段】プラズマ処理システムは、プラズマチャネルを画定するプラズマチャンバであって、誘電体材料から構成された２つの誘電体部分と、２つの誘電体部分を結合面に沿って結合させて、２つの誘電体部分の間に気密封止を形成する結合インターフェースとを有するプラズマチャンバと、プラズマチャンバを実質的に取り囲むヒートシンクであって、結合面に沿って２つの伝導性部分に分割されており、２つの伝導性部分が伝導性材料から構成されるとともに互いに電気的に分離されている、ヒートシンクと、を備えているプラズマアセンブリと、磁気コア、一次コイルおよびプラズマアセンブリを含む電力変圧器であって、プラズマチャンバのプラズマチャネル内のガスをイオン化する電場を誘導するように構成されている、電力変圧器と、を含む。
【選択図】図８Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
プラズマ処理システムであって、
プラズマアセンブリであって、
プラズマチャネルを画定するプラズマチャンバであって、（ｉ）誘電体材料から構成された２つの誘電体部分と、（ｉｉ）２つの誘電体部分を結合面に沿って結合させて、２つの誘電体部分の間に気密封止を形成する結合インターフェースと、を有する、プラズマチャンバと、
前記プラズマチャンバを実質的に取り囲むヒートシンクであって、前記結合面に沿って２つの伝導性部分に分割されており、２つの伝導性部分が伝導性材料から構成されるとともに、互いに電気的に分離されている、ヒートシンクと、を備えている、プラズマアセンブリと、
磁気コア、一次コイルおよび前記プラズマアセンブリを含む電力変圧器であって、前記プラズマチャンバのプラズマチャネル内のガスをイオン化する電場を誘導するように構成されている、電力変圧器と、
を含むプラズマ処理システム。
プラズマアセンブリであって、
プラズマチャネルを画定するプラズマチャンバであって、（ｉ）誘電体材料から構成された２つの誘電体部分と、（ｉｉ）２つの誘電体部分を結合面に沿って結合させて、２つの誘電体部分の間に気密封止を形成する結合インターフェースと、を有する、プラズマチャンバと、
前記プラズマチャンバを実質的に取り囲むヒートシンクであって、前記結合面に沿って２つの伝導性部分に分割されており、２つの伝導性部分が伝導性材料から構成されるとともに、互いに電気的に分離されている、ヒートシンクと、を備えている、プラズマアセンブリと、
磁気コア、一次コイルおよび前記プラズマアセンブリを含む電力変圧器であって、前記プラズマチャンバのプラズマチャネル内のガスをイオン化する電場を誘導するように構成されている、電力変圧器と、
を含むプラズマ処理システム。
【請求項2】
前記プラズマアセンブリが、前記ヒートシンクと前記プラズマチャンバとの間に配置された熱インターフェースをさらに有しており、熱インターフェースは、前記プラズマチャンバの熱誘起変形に適応すること、または前記プラズマチャンバから前記ヒートシンクに向かって熱を伝導することの少なくとも一方を提供するように構成されている、請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項3】
前記熱インターフェースが、コンプライアンスの特性をもつ熱伝導性材料から構成されている、請求項２に記載のプラズマ処理システム。
【請求項4】
前記プラズマチャンバが、
前記結合インターフェースにおける伝導性の前記２つの誘電体部分の結合によって形成された外側結合フランジであって、前記プラズマチャンバの外側から前記結合面に対して略平行に外向きに延在するように構成されている、外側結合フランジと、
前記結合インターフェースにおける伝導性の前記２つの誘電体部分の結合によって形成された内側結合フランジであって、前記プラズマチャンバの内側から前記結合面に対して略平行に内向きに延在するように構成されている、内側結合フランジと、をさらに備えている、請求項１に記載のプラズマ処理システム。
前記結合インターフェースにおける伝導性の前記２つの誘電体部分の結合によって形成された外側結合フランジであって、前記プラズマチャンバの外側から前記結合面に対して略平行に外向きに延在するように構成されている、外側結合フランジと、
前記結合インターフェースにおける伝導性の前記２つの誘電体部分の結合によって形成された内側結合フランジであって、前記プラズマチャンバの内側から前記結合面に対して略平行に内向きに延在するように構成されている、内側結合フランジと、をさらに備えている、請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項5】
前記プラズマアセンブリが、前記結合インターフェースにおいて前記プラズマチャンバの外側結合フランジまたは内側結合フランジの少なくとも一方に沿って配置された１つまたは複数の誘電体ブレークをさらに備えている、請求項４に記載のプラズマ処理システム。
【請求項6】
前記ヒートシンクの２つの伝導性部分が、前記１つまたは複数の誘電体ブレークと、前記結合インターフェースにおける外側結合フランジおよび内側結合フランジの少なくとも一方とによって電気的に分離されている、請求項５に記載のプラズマ処理システム。
【請求項7】
前記プラズマアセンブリが、該プラズマアセンブリ内に配置された１つまたは複数の誘電性流体継手をさらに備えており、誘電性流体継手は、前記ヒートシンクの伝導性部分と流体連通して、伝導性部分間に冷却流体を伝導する、請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項8】
前記電力変圧器の磁気コアを支持および冷却するように構成された支持構造をさらに備えている、請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項9】
前記結合インターフェースが、ガラスフリット、共晶混合物、またはエポキシのうちの１つである結合剤を含んでいる、請求項１に記載のプラズマチャンバ。
【請求項10】
前記プラズマチャンバの誘電体部分の第１の誘電体部分および前記ヒートシンクの伝導性部分の第１の伝導性部分が、前記結合面に対して前記電力変圧器の第１の半分に配置されており、前記プラズマチャンバの誘電体部分の第２の誘電体部分および前記ヒートシンクの伝導性部分の第２の伝導性部分が、前記結合面に対して前記電力変圧器の第２の半分に配置されている、請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項11】
前記プラズマチャンバの第１および第２の誘電体部分が同一の幾何学形状を有しており、前記ヒートシンクの第１および第２の伝導性部分が同一の幾何学形状を有している、請求項１０に記載のプラズマ処理システム。
【請求項12】
プラズマ処理システムを操作する方法であって、
少なくとも１つの磁気コア、一次コイルおよびプラズマアセンブリを有する電力変圧器を含むプラズマ処理システムを提供するステップであって、プラズマアセンブリは、（ｉ）結合面に沿って結合インターフェースを形成するように互いに結合された２つの誘電体部分によって生成されるプラズマチャネルを画定するプラズマチャンバと、（ｉｉ）プラズマチャンバを実質的に取り囲むヒートシンクであって、前記結合面に沿って２つの伝導性部分に分割されており、２つの伝導性部分は互いに電気的に分離されている、ヒートシンクと、を含む、プラズマ処理システムを提供するステップと、
ガス入口を介して前記プラズマチャネルにガスを供給するステップと、
前記電力変圧器によって、前記プラズマチャンバのプラズマチャネル内のガスをイオン化してプラズマを形成する電場を誘導するステップと、
前記プラズマの少なくとも一部を、出口フランジを介して前記プラズマチャネルから送出するステップと、
を含む方法。
少なくとも１つの磁気コア、一次コイルおよびプラズマアセンブリを有する電力変圧器を含むプラズマ処理システムを提供するステップであって、プラズマアセンブリは、（ｉ）結合面に沿って結合インターフェースを形成するように互いに結合された２つの誘電体部分によって生成されるプラズマチャネルを画定するプラズマチャンバと、（ｉｉ）プラズマチャンバを実質的に取り囲むヒートシンクであって、前記結合面に沿って２つの伝導性部分に分割されており、２つの伝導性部分は互いに電気的に分離されている、ヒートシンクと、を含む、プラズマ処理システムを提供するステップと、
ガス入口を介して前記プラズマチャネルにガスを供給するステップと、
前記電力変圧器によって、前記プラズマチャンバのプラズマチャネル内のガスをイオン化してプラズマを形成する電場を誘導するステップと、
前記プラズマの少なくとも一部を、出口フランジを介して前記プラズマチャネルから送出するステップと、
を含む方法。
【請求項13】
前記プラズマチャネル内に電場を誘導する前に、該プラズマチャネル内のガスを点火するために、前記ヒートシンクの２つの伝導性部分を反対の電圧でバイアスするステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
１つまたは複数の電気ブレークと、前記プラズマチャンバの内側結合フランジおよび外側結合フランジの少なくとも一方とによって、前記結合インターフェースにおいて前記２つの伝導性部分を電気的に絶縁するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項15】
（ｉ）前記外側結合フランジが、前記結合インターフェースにおける伝導性の前記２つの誘電体部分の結合によって形成されるとともに、前記プラズマチャンバの外側から前記結合面に対して略平行に外向きに延在しており、（ｉｉ）前記内側結合フランジが、前記結合インターフェースにおける伝導性の前記２つの誘電体部分の結合によって形成されるとともに、前記プラズマチャンバの内側から前記結合面に対して略平行に内向きに延在している、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記プラズマチャンバの内側結合フランジおよび外側結合フランジによって前記プラズマチャンバと前記ヒートシンクとの間の接触表面の量を増加させ、それによって前記プラズマチャンバ内のピーク温度を低下させるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記プラズマチャンバの内側結合フランジおよび外側結合フランジによって前記電力変圧器内のプラズマチャンバを補強し、それによって前記プラズマチャンバの変形および熱応力を低減するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項18】
前記ヒートシンクの２つの伝導性部分と流体連通している複数の誘電性流体継手を介して冷却流体を伝導することによって前記ヒートシンクを冷却するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項19】
前記プラズマチャンバと前記ヒートシンクとの間に位置する熱インターフェースによって、前記プラズマチャンバの熱誘起変形を低減するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項20】
前記熱インターフェースが前記プラズマチャンバから前記ヒートシンクに向かって熱を伝導するようにさらに構成されている、請求項１９に記載の方法。
【請求項21】
プラズマ処理システムを遠隔プラズマ源としてパルス動作で操作することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に、プラズマ生成および処理装置の分野に関し、より具体的には、プラズマ化学および汚染に対する耐性が向上したプラズマ生成および処理のための装置および方法に関する。
【背景技術】
【0002】
プラズマ放電を使用してガスを励起し、イオン、フリーラジカル、原子、分子を含む活性化ガスを生成することができる。活性化ガスは、半導体ウェハなどの固体材料、粉末、その他のガスの処理を含む多くの産業および科学用途に使用される。プラズマのパラメータおよび処理される材料へのプラズマの曝露条件は、用途によって大きく異なる。
【0003】
たとえば、一部の用途では、処理される材料が損傷を受けやすいため、運動エネルギーが低い（つまり、数電子ボルト）イオンを使用する必要がある。異方性エッチングや平坦化された誘電体堆積などの他の用途では、高い運動エネルギーを持つイオンを使用する必要がある。反応性イオンビームエッチングなどのさらに他の用途では、イオンエネルギーを正確に制御する必要がある。
【0004】
一部の用途では、処理中の材料を高密度プラズマに直接暴露させる必要がある。そのような用途の１つは、イオン活性化化学反応を発生させることである。他の用途には、高アスペクト比の構造への材料のエッチングと堆積が含まれる。他の用途では、処理中の材料をプラズマから遮蔽する必要があるが、これは、材料がイオンによる損傷を受けやすいため、またはプロセスに高い選択性要件があるためである。
【0005】
プラズマは、直流（ＤＣ）放電、高周波（ＲＦ）放電、マイクロ波放電など、さまざまな方法で生成できる。ＤＣ放電は、ガス中の２つの電極間に電位を印加することによって実現される。ＲＦ放電は、電源からプラズマにエネルギーを容量結合または誘導結合することによって実現される。マイクロ波放電は、マイクロ波エネルギー源をガスを含む放電チャンバに結合することによって生成することができる。
【0006】
プラズマ放電は、プラズマを構成する荷電種と、プラズマによって活性化できる中性種の両方が、処理される材料と密接に接触するような方法で発生させることができる。あるいは、プラズマ放電は、処理中の材料から離れて発生させることができ、その結果、比較的少数の帯電種が処理中の材料と接触する一方で、中性種が依然として処理中の材料と接触できる。このようなプラズマ放電は、一般に、リモートまたはダウンストリームプラズマ放電と呼ばれる。その構造、処理される材料に対する相対的な配置、および動作条件（例えば、ガス種、圧力、流量、およびプラズマに結合された電力）に応じて、プラズマ源は、これらの２つの一般的な種類のいずれかまたは両方の特性を有することができる。
【0007】
既存の遠隔プラズマ源は、一般に、ＲＦまたはマイクロ波電力を利用してプラズマを発生させる。現在の遠隔プラズマ源は多くの用途を正常にサポートしているが、これらの遠隔プラズマ源の実際の使用にはいくつかの技術的な制限が残っている。たとえば、マイクロ波ベースの遠隔プラズマ源は、ＲＦ源よりも一般的に高価であるが、これは、マイクロ波電力は、一般に、生成、配信、および負荷への適合に費用がかかるためである。マイクロ波源および電力供給システムも一般にＲＦ源よりもかさばり、マイクロ波電力を発生させるチューブを定期的に交換する必要がある。
【0008】
ある程度の容量性および誘導性結合を備えたＲＦ遠隔プラズマ源は、対応するマイクロ波源よりも安価で小型であってもよい。しかしながら、プラズマ点火プロセスを支援する容量結合は、プラズマで生成された高エネルギーイオンによる露出した壁の衝撃のために、プラズマチャンバの露出した壁の劣化をもたらす可能性がある。誘導性ＲＦ結合を利用するが、関連する容量結合を最小限に抑えるＲＦ遠隔プラズマ源は、プラズマ容器表面のイオンによる劣化が少ない場合がある。しかしながら、容量結合の減少または排除は、特に広範囲のプロセス条件にわたって、プラズマ点火を得るのをより困難にする可能性がある。
【0009】
既存の遠隔プラズマ源に関する第２の困難は、プラズマで生成され、プラズマチャンバの壁に堆積される熱の除去である。これは、プラズマチャンバが複雑な形状を有する場合、および／またはプラズマチャンバが誘電体プラズマチャンバと接触する大量の流体による直接冷却が望ましくないかまたは非実用的である誘電体材料から構成される場合に特に当てはまる。これには、プラズマに確実に結合できる電力を制限する効果がある。
【0010】
（特許文献１）に記載されているものなどの既存のプラズマチャンバのいくつかは、高温成形と溶接を組み合わせて石英材料を使用して製造され、所望の形状（例えば、トーラス形状）を生成する。石英プラズマチャンバの主な欠点は、水素（Ｈ＊）、フッ化物（Ｆ＊）および／または、塩素（Ｃｌ＊）などの水素および／またはハロゲンプラズマ化学と互換性がないことであるが、これは、これらの化学物質に曝されたときの石英の化学的および物理的侵食の速度が速いためである。
【0011】
さらに、（特許文献２）に記載されているものなどのいくつかの既存のプラズマチャンバは、アルミニウムからプラズマブロックを機械加工することによって製造され、そこでプラズマブロックを接続して所望の形状のプラズマチャネル（例えば、トーラス形状）を形成する。プラズマチャネルの内面は、堆積プロセス（例えば、化学蒸着、物理蒸着、またはプラズマ溶射）、または変換プロセス（例えば、硬質陽極酸化）のいずれかを使用してコーティングして、母材とプラズマとの間に誘電体バリアを形成する。誘電体コーティングを施したアルミニウムプラズマブロックで作られたプラズマチャンバの欠点の１つは、コーティングが通常約数マイクロメートルから数十マイクロメートルと薄いため、誘電体コーティングの電気的絶縁破壊により、インプロセスガスの点火に必要な高いプラズマ点火電圧に耐えられないことである。アルゴンなどの不活性ガスを点火ガスとして使用して点火電圧を下げることができるが、点火ガスからプロセスガスへの移行により時間遅延が生じ、パルスプラズマ用途におけるスループットが低下する。薄いコーティングの別の欠点は、コーティングの欠陥が下にあるアルミニウムをプラズマチャンバ内の反応性ガスに曝すと、プラズマチャンバ本体を適切に保護できないことである。さらに、硬質アルマイトを使用するなどの化成皮膜の場合、プラズマに直接曝される皮膜の純度は、ベースのアルミニウム合金の純度に依存する。たとえば、６０６１アルミニウムのアルミニウム含有量は９５．８～９８．６％で、残りは他の金属合金元素である。これらの他の金属不純物は、半導体処理における潜在的な汚染源になる可能性がある。また、多くの機械加工されたプラズマチャネルの形状には、２：１～１０：１の範囲のアスペクト比（長さと直径の比率）の深い穴がある。このような高アスペクト比の穴は、物理蒸着（ＰＶＤ）またはプラズマ溶射法を使用してコーティングするのは実用的ではない。これらのコーティングは開放端から塗布され、手の届きにくい領域で必要なコーティング厚よりもはるかに薄くなる可能性があるためである。高アスペクト比の穴は、化学蒸着（ＣＶＤ）や原子層堆積（ＡＬＤ）などの他の堆積プロセスを使用してコンフォーマルコーティングを施すことができる。ただし、ＣＶＤおよびＡＬＤの堆積速度はスプレーコーティングの堆積速度よりもはるかに低いため、これらの堆積プロセスは遅く、法外に費用がかかる。
【0012】
さらに、（特許文献３）に記載されているものなどのいくつかの既存のプラズマチャンバは、複数の略線形の誘電体管を接続して所望の形状（例えば、トーラス形状）を達成することによって形成される。プラズマチャンバのビルディングブロックとして略線形の管を使用すると、利用可能な材料の範囲が広がるが、主な欠点は、製造の複雑さとコストが増加することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】米国特許第７６５９４８９号明細書
【特許文献2】米国特許第７１６６８１６号明細書
【特許文献3】米国特許第８０５３７００号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
半導体処理における金属汚染を最小限に抑えながら、水素および／またはハロゲンプラズマ化学などの特定のプラズマ化学に対する耐性が向上したプラズマチャンバが必要である。また、複雑さとコストを抑えて製造できるプラズマチャンバも必要である。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明は、インプロセスガスに点火することができる厚壁プラズマチャンバを提供し、そのようなプラズマチャンバは、水素および／またはハロゲンプラズマ化学などの（例えば、低い侵食速度を有する）プラズマ化学と互換性のある高純度の誘電体材料から製造することができる。高純度の誘電体材料は、半導体処理における金属汚染を最小限に抑えることもできる。高純度の誘電体材料は、さらに向上した熱機械的特性を提供する。
【0016】
一態様では、プラズマ処理システムのプラズマチャンバが提供される。プラズマチャンバは、プラズマチャネルを画定し、プラズマチャネルはその長さに沿って反対側に配置された第１の側および第２の側を有する。プラズマチャンバは、誘電体材料から構成された第１の部分を含む。第１の部分は、（ｉ）プラズマチャネルの第１の側に沿って配置されるとともに、第１の幅だけ第１の側を越えて延びる第１のフランジ、および（ｉｉ）プラズマチャネルの第２の側に沿って配置されるとともに、第２の幅だけ第２の側を越えて延びる第２のフランジを有する。プラズマチャンバは、誘電体材料から構成された第２の部分を含む。第２の部分は、（ｉ）プラズマチャネルの第１の側に沿って配置されるとともに、第１の幅だけ第１の側を越えて延びる第３のフランジ、および（ｉｉ）プラズマチャネルの第２の側に沿って配置されるとともに、第２の幅だけ第２の側を越えて延びる第４のフランジを有する。プラズマチャンバは、第１のフランジと第３のフランジの間、および第２のフランジと第４のフランジの間の第１の部分および第２の部分を結合するインターフェースをさらに備える。
【0017】
別の態様では、プラズマ処理システムのプラズマチャンバを製造する方法が提供される。プラズマチャンバは、プラズマチャネルを画定し、プラズマチャネルはその長さに沿って反対側に配置された第１の側および第２の側を有する。この方法は、誘電体材料から第１の部分を構成することを含む。第１の部分は、（ｉ）プラズマチャネルの第１の側に沿って配置されるとともに、第１の幅だけ第１の側を越えて延びる第１のフランジ、および（ｉｉ）プラズマチャネルの第２の側に沿って配置されるとともに、第２の幅だけ第２の側を越えて延びる第２のフランジを有する。方法はまた、誘電体材料から第２の部分を構成することを含む。第２の部分は、（ｉ）プラズマチャネルの第１の側に沿って配置されるとともに、第１の幅だけ第１の側を越えて延びる第３のフランジ、および（ｉｉ）プラズマチャネルの第２の側に沿って配置されるとともに、第２の幅だけ第２の側を越えて延びる第４のフランジを有する。方法は、第１の部分および第２の部分を結合して、その中にプラズマを収容するためのプラズマチャネルを有するプラズマチャンバを形成することをさらに含む。第１の部分および第２の部分を結合することは、第１のフランジと第３のフランジとの間で結合を形成して第１の幅を有する第１の結合フランジを生成し、第２のフランジと第４のフランジと間で結合を形成して第２の幅を有する第２の結合フランジを生成することを含む。
【0018】
上記の態様のいずれにも、次の特徴の１つ以上を含めることができる。いくつかの実施形態では、誘電体材料は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミックである。いくつかの実施形態では、誘電体材料は、第ＩＩ族元素、第ＩＩＩ族元素、ランタニド、またはそれらの混合物のうちの１つの酸化物または窒化物である。いくつかの実施形態では、誘電体材料は、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、またはＭｇＯのうちの１つである。いくつかの実施形態では、誘電体材料は、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＹＮのうちの１つである。
【0019】
いくつかの実施形態では、コーティングは、プラズマチャンバの内面に配置され、プラズマチャンバ内のプラズマに曝されるプラズマチャネルの少なくとも一部を形成する。コーティングは、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、Ｂ４Ｃのいずれか、またはＹＡＧを含む合金を含むことができる。
【0020】
いくつかの実施形態では、第１の部分および第２の部分は略同一である。いくつかの実施形態では、第１の部分または第２の部分の壁の厚さは、約０．１０２ｃｍ～約０．３０５ｃｍ（約０．０４インチ～約０．１２インチ）である。いくつかの実施形態では、第１の部分または第２の部分は、誘電体材料をグリーン状態で機械加工することによって構築される。
【0021】
いくつかの実施形態では、プラズマチャンバは、（ｉ）第１のフランジおよび第３のフランジの結合によって形成された第１の結合フランジであって、第１の幅を有する第１の結合フランジと、（ｉｉ）第２のフランジおよび第４のフランジの結合によって形成された第２の結合フランジであって、第２の幅を有する第２の結合フランジとをさらに含む。いくつかの実施形態では、第１の結合フランジの第１の幅または第２の結合フランジの第２の幅は、約０．１５２ｃｍ～約２．５４ｃｍ（約０．０６インチ～約１インチ）である。たとえば、第１の幅または第２の幅は約０．３０５ｃｍ（約０．２５インチ）であってもよい。
【0022】
いくつかの実施形態では、結合インターフェースは、ガラスフリット、共晶混合物、またはエポキシのうちの１つである結合剤を含む。例えば、共晶混合物は、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、またはＺｒＯ２の１つまたは複数を含むことができる。いくつかの実施形態では、第１の部分および第２の部分は、第１の部分および第２の部分を一緒に焼結して、第１の結合フランジおよび第２の結合フランジに気密シールを作成することによって一緒に結合される。いくつかの実施形態では、合金化剤の層は、焼結の前に、第１の部分または第２の部分のうちの少なくとも１つの内面に配置することができる。内面は、プラズマチャネルの中のプラズマに曝されるプラズマチャネルの少なくとも一部を形成するように適合されている。合金コーティングは、第１の部分および第２の部分を結合する焼結プロセスによってその上に配置された合金化剤の層を有する内面の少なくとも一部に作製される。
【0023】
いくつかの実施形態では、プラズマチャネルはトロイダルループを形成する。トロイダルプラズマチャネルは、円形、楕円形、長円形、または多角形の形状にすることができる。いくつかの実施形態では、プラズマチャネルは線形である。いくつかの実施形態では、プラズマチャネルの断面は、円形、長方形、または楕円形である。プラズマチャネルの断面の面積は、約０．２ｃｍ２～約５０ｃｍ２であってもよい。
【0024】
上記した本発明の利点は、さらなる利点とともに、添付の図面と併せて以下の説明を参照することによってよりよく理解することができる。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、技術の原理を説明することに重点が置かれている。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明のいくつかの実施形態による、例示的なプラズマチャンバを示す。
【図3】本発明のいくつかの実施形態による、長方形のトロイダルプラズマチャネルを有するトロイダルプラズマチャンバを示す。
【図4】本発明のいくつかの実施形態による、楕円形のトロイダルプラズマチャネルを有するトロイダルプラズマチャンバを示す。
【図5】本発明のいくつかの実施形態による、長方形の内側輪郭および長方形の外側輪郭の断面を有するプラズマチャネルを有するトロイダルプラズマチャンバの一部を示す。
【図6】本発明のいくつかの実施形態による、円形の内側輪郭および円形の外側輪郭の断面を有するプラズマチャネルを有するトロイダルプラズマチャンバの一部を示す。
【図7】本発明のいくつかの実施形態による、円形の内側輪郭および六角形の外側輪郭の断面を有するプラズマチャネルを有するトロイダルプラズマチャンバの一部を示す。
【図11】本発明のいくつかの実施形態による、ヒートシンク区分によってカプセル化されたプラズマチャンバを含むアセンブリの断面図を示す。
【図12b】本発明のいくつかの実施形態による、第１および第２の結合フランジを有していないプラズマチャンバのシミュレートされた温度プロファイルを示す。
【図14a】本発明のいくつかの実施形態による、例示的なプラズマチャンバを示す。
【図14b】本発明のいくつかの実施形態による、例示的なプラズマチャンバを示す。
【図14c】本発明のいくつかの実施形態による、例示的なプラズマチャンバを示す。
【発明を実施するための形態】
【0026】
図１は、本発明のいくつかの実施形態による、例示的なプラズマチャンバ１００を示している。一般に、プラズマチャンバは、ガスおよび／またはプラズマを含む容器または容器の一部であり、その中でプラズマが点火および／または維持され得る。プラズマチャンバは、発電および冷却部品などの他の部品と組み合わせて、プラズマ処理システムを形成するように適合されている。プラズマチャンバは、通常、様々な形状を有する１つまたは複数のプラズマチャネルを画定する。例えば、プラズマチャネルは、（例えば、トロイダルプラズマを支持するために）線形形状またはループ形状を有することができる。図１に示すように、プラズマチャンバ１００は、トロイダルループであってもよく、これは、閉経路におけるプラズマ電流循環を維持するために、閉経路を有するループ内部プラズマチャネル（図示せず）を形成するものとして画成される。
【0027】
プラズマチャネルを含むプラズマチャンバ１００は、プラズマチャネルの長さに沿って反対側に配置された第１の側１０２および第２の側１０４を有する。プラズマチャンバ１００はまた、第１の側１０２から第１の幅だけ延びる第１の結合フランジ１１０を含む。プラズマチャンバ１００は、第２の側１０２から第２の幅だけ延びる第２の結合フランジ１１２をさらに含む。具体的には、図１に示す円形のトロイダルプラズマチャンバ１００の場合、第１の結合フランジ１１０は、第１の側／内側１０２から第１の幅だけ内方に延び、第２の結合フランジ１１２は、第２の側／外側１０４から第２の幅だけ外方に延びる。幅。一般に、円形のトロイダルプラズマチャンバ１００の、例えば、内半径（すなわち、円形のトロイダルプラズマチャンバ１００の中心から第１の側１０２まで）および外半径（すなわち、円形のトロイダルプラズマチャンバ１００の中心から第２の側１０４まで）などの寸法は、プラズマチャネル内のプロセスガスの必要な流量および必要なプラズマ出力に基づいて規定される。いくつかの実施形態では、円形のトロイダルプラズマチャンバ１００の外半径は約１５．２ｃｍ（約６インチ）である。
【0028】
図２は、本発明のいくつかの実施形態による、図１のプラズマチャンバ１００を形成するための例示的なアセンブリを示す。プラズマチャンバ１００は、いくつかの別個の部分から構成されており、プラズマチャンバ１００の下半分を形成する第１の部分２０４、プラズマチャンバ１００の上半分を形成する第２の部分２０６、およびプラズマチャンバ１００の第１および第２の部分２０４、２０６を結合する結合インターフェース２０７（図１に示す）を含む。第１および第２の部分２０４、２０６および結合インターフェース２０７は、同じ誘電体材料または２つ以上の異なる誘電体材料から構成することができる。
【0029】
図示するように、第１の部分２０４は、（ｉ）プラズマチャネルの一部を画定する内面を有する第１の壁部分２０８、（ｉｉ）プラズマチャネルの第１の側１０２に沿って配置されるとともに、第１の幅だけ第１の側１０２を越えて延びる第１のフランジ２１０、および（ｉｉｉ）プラズマチャネルの第２の側１０４に沿って配置されるとともに、第２の幅だけ第２の側１０４を越えて延びる第２のフランジ２１２を画定する。同様に、第２の部分２０６は、（ｉ）プラズマチャネルの別の部分を画定する内面を有する第２の壁部分２１０、（ｉｉ）プラズマチャネルの第１の側１０２に沿って配置されるとともに、第１の幅だけ第１の側を越えて延びる第３のフランジ２１６、および（ｉｉｉ）プラズマチャネルの第２の側１０４に沿って配置されるとともに、第２の幅だけ第２の側１０４を越えて延びる第４のフランジ２１８を画定する。結合インターフェース２０７は、第１の部分２０４および第２の部分２０６のそれぞれの、第１のフランジ２１０と第３のフランジ２１６との間、および第２のフランジ２１２と第４のフランジ２１８との間で第１の部分２０４および第２の部分２０６を結合することによって形成される。具体的には、結合インターフェース２０７での結合は、モノリシック構造としてプラズマチャンバ１００を形成するように適合され、モノリシック構造は、（ｉ）ガスおよび／またはプラズマをその中に含むためのプラズマチャネルを協調的に画定する第１および第２の壁部分２０８、２１４、（ｉｉ）第１の幅を有する第１の結合フランジ１１０を協調的に画定する第１および第３のフランジ２１０、２１６、および（ｉｉｉ）第２の幅を有する第２の結合フランジ１１２を協調的に画定する第２および第４のフランジ２１２、２１８を含む。いくつかの実施形態では、第１の結合フランジ１１０の第１の幅および／または第２の結合フランジ１１２の第２の幅は、約０．１５２ｃｍ～約２．５４ｃｍ（約０．０６インチ～約１インチ）である。たとえば、第１の幅および第２の幅は約０．３０５ｃｍ（約０．２５インチ）であってもよい。
【0030】
一般に、結合インターフェース２０７で第１の結合フランジ１１０または第２の結合フランジ１１２を形成するための結合強度は、結合インターフェース２０７での表面積の量に比例する。結合フランジ１１０、１１２がない場合、プラズマチャンバ１００の比較的薄い第１の壁部分２０８および／または第２の壁部分２１０は、たとえ薄壁が熱応力を軽減するのに有益であっても、結合の信頼性を損なう可能性がある薄い結合インターフェース２０７を作製するように適合される。したがって、第１の結合フランジ１１０および第２の結合フランジ１１２は、プラズマチャンバ１００の第１の部分２０４と第２の部分２０６と間のより信頼性が高く頑丈な結合を保証するために使用される。これは、第１の壁部分２０８および第２の壁部分２１０の厚さを、熱機械的応力の最小化のために独立して最適化することを可能にする点で有利である。
【0031】
いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ１００の第１の部分２０４および第２の部分２０６は略同一である。いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ１００の第１の部分２０４および第２の部分２０６のそれぞれは、誘電体材料から形成され、グリーン状態で機械加工される。プラズマチャンバ１００のこれらの２つの部分２０４、２０６は、以下の結合アプローチのいずれかによって結合することができ、結合アプローチは、（ｉ）フランジ２１０、２１２、２１６、２１８でガラスフリットを適用および溶融して、結合フランジ１１０、１１２でガラス接合を形成する、（ｉｉ）フランジ２１０、２１２、２１６、２１８に、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、またはＺｒＯ２の１つまたは複数を含む共晶混合物を適用して、２つの部分２０４、２０６を一緒に焼結して結合フランジ１１０、１１２を形成する、（ｉｉｉ）２つの部分２０４、２０６を同時焼成して結合フランジ１１０、１１２を形成する、または（ｉｖ）フランジ２１０、２１２、２１６、２１８に高温エポキシを適用して、２つの部分２０４、２０６を硬化させて結合フランジ１１０、１１２を形成する、ことを含む。結合されたフランジ１１０、１１２に強力な気密シールを形成することができる。
【0032】
上記のように、第１および第２の部分２０４、２０６を含むプラズマチャンバ１００は、同じ誘電体材料または異なる誘電体材料から作製することができる。典型的には、プラズマに対する特定の材料の耐性は、エッチング速度（例えば、マイクロメートル／分で測定される単位時間あたりの材料除去の速度）に関して測定される。いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ１００を構築するために使用される誘電体材料は、ハロゲンプラズマにおけるその低いエッチング速度のために選択される高純度（例えば、約９９．５％～約９９．９％）のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミック材料である。さらに、アルミナは優れた耐熱衝撃性を示し、これは、熱応力用途の材料選択に関するもう１つの重要なパラメータである。耐熱衝撃性の式を式［１］に示す。
【0033】
【数1】
【0034】
ここで、Ｒは耐熱衝撃性、σＦは材料の曲げ強度（ＭＰａ）、ｖはポアソン比、Ｋは熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、Ｅはヤング率（ＧＰａ）、αは熱膨張率（μｍ／ｍＫ）を表す。式［１］は、材料が熱応力にどれだけ耐えられるかを示す単一の数値を生成することにより、熱応力耐性に重要ないくつかの材料特性を組み合わせたものである。抵抗値が高いほど、材料は熱応力をうまく処理できる。たとえば、既存のプラズマチャンバのいくつかで使用されている誘電体材料である石英は、約２５００の耐熱衝撃係数を有する。対照的に、アルミナは、主にその高強度と高熱伝導率の組み合わせにより、約３４００の耐熱衝撃性を有する。したがって、熱応力処理の観点から、アルミナは、プラズマチャンバを構築する石英よりも構造材料として約１．４倍優れている。
【0035】
いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ１００を構築するための誘電体材料は、第ＩＩ族元素、第ＩＩＩ族元素、ランタニド、またはそれらの混合物のうちの１つの酸化物または窒化物である。例えば、誘電体材料は、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、またはＭｇＯのうちの１つであってもよい。別の例として、誘電体材料は、ＡｌＮ、ＢＮ、またはＹＮのうちの１つであってもよい。
【0036】
いくつかの実施形態において、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、またはＭｇＯなどの第ＩＩ族元素または第ＩＩＩ族元素のうちの１つの少量の酸化物でプラズマチャンバ１００を作製するために、誘電体材料（Ａｌ２Ｏ３）をドーピングまたは合金化することにより、プラズマチャンバ１００のプラズマ抵抗を向上させる。Ａｌ２Ｏ３粉末を少量のＹ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、またはＭｇＯ粉末と混合し、その混合物を約１７００℃の温度に加熱すると、ＡｌｘＹｙＯｚ、ＡｌｘＳｃｙＯｚ、またはＡｌｘＭｇｙＯｚの形の化学量論的合金が形成されることがわかっている。このような合金は、Ａｌ２Ｏ３のみと比較して、Ｆ＊、Ｃｌ＊、Ｂｒ＊などのハロゲンプラズマ化学に曝された場合の侵食速度が低いことが示されている。
【0037】
いくつかの実施形態では、コーティングは、プラズマチャンバ１００の第１の部分２０４および第２の部分２０６を結合インターフェース２０７で結合する前に、第１の部分２０４の第１の壁部分２０８の内面および／または第２の部分２０６の第２の壁部分２１０の内面に適用される。上記のように、２つの壁部分２０８、２１４は、中のプラズマに曝されるプラズマチャネルを形成するように適合されている。したがって、コーティングは、これら２つの部分の内面に、２つの部分がプラズマに直接面するように施すことができる。コーティングは、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、Ｓｃ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、Ｂ４Ｃ、またはＹＡＧの合金の１つまたは複数を含むことができ、これらは、Ａｌ２Ｏ３と比較してハロゲンプラズマでのエッチング速度が低くなる。コーティングは、Ａｌ２Ｏ３を含むこともできる。一般に、厚いコーティングは、侵食のためにエッチングに時間がかかるため、薄いコーティングよりも寿命が長くなる。ただし、プラズマチャンバ表面へのコーティングの付着は、コーティングの厚さに関係する。温度が変化すると、コーティング材料とベース材料の熱膨張係数の不一致により、界面とコーティング材料に熱機械的応力が発生する。このような応力は、温度または温度勾配とともに増加し、コーティングの破損を引き起こす可能性がある。最適なコーティングの厚さは、上記のコーティング材料のほとんどで５～１０００μｍの範囲である。いくつかの実施形態では、好ましいコーティングの厚さは、１０～１００μｍである。
【0038】
いくつかの実施形態では、プラズマまたはフレームスプレーなどのコーティングプロセスを使用して、材料の高密度コーティングを第１の壁部分２０８の内面および／または第２の壁部分２１４の内面に堆積させるが、ここで、コーティングの厚さは数ミクロンから数百ミクロン程度である。ただし、見通し内コーティングとしても知られるスプレーコーティングでは、比較的均一なコーティング厚さを実現するために、コーティング表面を十分に露出させる必要がある。図２に示すように、プラズマ源１００の区分的構造は、プラズマチャンバ１００の結果として生じるプラズマチャネルを形成する第１の壁部分２０８および第２の壁部分２１４の内面が、２つの部分２０４、２０６の接合前に容易に接近可能であり、十分に露出しているため、スプレーコーティングに特に適している。
【0039】
例示的なコーティングプロセスでは、合金化剤（例えば、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、またはＭｇＯ）の薄層が、第１の部分２０４の第１の壁部分２０８または第２の部分２０６の第２の壁部分２１０の少なくとも１つの内面に堆積されるが、これは、２つの部分２０４、２０６がグリーン状態で機械加工された後であり、図２に示すように、２つの部分２０４、２０６が結合される前に行われる。２つの部分２０４、２０６が、所望の結合プロセス（例えば、同時焼成、焼結など）を使用して結合インターフェース２０７で結合される場合、ＡｌｘＹｙＯｚ、ＡｌｘＳｃｙＯｚ、またはＡｌｘＭｇｙＯｚの形態のような合金コーティングの薄層が、内面の少なくとも一部に生成される。いくつかの実施形態では、同じ合金化剤（例えば、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、またはＹ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３の混合物）もまたスラリー材料にされ、結合剤として結合インターフェース２０７に用いられて、２つの部分２０４、２０６を共晶結合して、第１および第２の結合フランジ１１０、１１２を形成する。共晶接合と合金コーティングの形成は、同じ接合プロセスで行うことができる。
【0040】
いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ１００の第１の壁部分２０８の厚さおよび／または第２の壁部分２１４の厚さは、約０．１０２ｃｍ～約０．３０５ｃｍ（約０．０４インチ～約０．１２インチ）である。誘電性プラズマチャンバ（例えば、プラズマチャンバ１００）の主な制限は、プラズマ熱負荷から生じる熱機械的応力である。熱機械的応力に関連して最適な壁厚を決定する２つの競合する要因がある。一方では、プラズマチャンバの壁が薄いほど、壁の厚さ全体の温度勾配は小さくなる。他方では、プラズマチャンバの壁は、組み立て中にプラズマチャンバが受ける熱応力および他の応力に対抗するために十分な機械的強度を有するように十分な厚さを必要とする。したがって、熱応力を軽減するために、これら２つの要因（つまり、機械的強度と低い温度勾配）の最適なバランスが望ましい。プラズマチャンバ１００の第１の壁部分２０８および／または第２の壁部分２１４の厚さは、これらの２つの競合する要因のバランスをとるために、約０．１０２ｃｍ～約０．３０５ｃｍ（約０．０４インチ～約０．１２インチ）の間で選択することができる。
【0041】
図１および２は、トロイダルプラズマチャンバ１００が全体の形状が円形であるトロイダルプラズマチャネルを有することを示しているが、楕円形、長円形または多角形などの他のトロイダルチャネル形状が可能である。例えば、図３は、本発明のいくつかの実施形態による、長方形であるトロイダルプラズマチャネルを有するトロイダルプラズマチャンバ３００を示す。図４は、本発明のいくつかの実施形態による、楕円形のトロイダルプラズマチャネルを有するトロイダルプラズマチャンバ４００を示す。トロイダルプラズマチャンバ１００に関する上記の特性および区分的製造アプローチは、線形プラズマチャンバにも同様に適用可能である。例えば、代替の実施形態では、本発明のプラズマチャンバは、開示された結合プロセスによって形成された線形プラズマチャネルの形態である。
【0042】
本発明のプラズマチャネルの断面は、円形、楕円形、長円形、多角形、または長方形／正方形などの異なる形状を有することができる。さらに、プラズマチャネルの断面の外側輪郭および内側輪郭は、同じ形状または異なる形状を有していてもよい。例えば、図５は、本発明のいくつかの実施形態による、長方形の内側輪郭５０６および長方形の外側輪郭５０８の断面５０４を有するプラズマチャネル５０２を有するトロイダルプラズマチャンバ５００の一部を示す。図６は、本発明のいくつかの実施形態による、円形の内側輪郭６０６および円形の外側輪郭６０８の断面６０４を有するプラズマチャネル６０２を有するトロイダルプラズマチャンバ６００の一部を示す。図７は、本発明のいくつかの実施形態による、円形の内側輪郭７０６および六角形の外側輪郭７０８の断面７０４を有するプラズマチャネル７０２を有するトロイダルプラズマチャンバ７００の一部を示す。いくつかの実施形態では、プラズマチャネルの断面積は、約０．２ｃｍ２～約５０ｃｍ２であってもよい。
【0043】
図８Ａ～８Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、例示的なプラズマ処理システム８００を示す。図８Ａは、図１のプラズマチャンバ１００を含む例示的なプラズマ処理システム８００を示す。図８Ｂは、図８Ａのプラズマ処理システム８００の一部切り取り図を示す。図８Ｃは、図８Ａの例示的なプラズマ処理システム８００の側面図を示す。図示するように、プラズマ処理システム８００は、少なくとも１つのガス入口８０６および出口フランジ８０８によって表される少なくとも１つのガス出口を有するプラズマチャンバ１００を含む。
【0044】
プラズマチャンバ１００は、プラズマチャンバ１００から熱を除去するためのヒートシンク８１０によって囲まれている。ヒートシンク８１０は、プラズマチャンバ１００を実質的に取り囲む少なくとも２つの区分８１０ａ、８１０ｂなどの複数の区分から形成することができる。ヒートシンク８１０の分割は、特にプラズマチャンバ１００がトロイダル形状などの複雑な形状を有する場合に、システム８００の組み立てを支援することができる。いくつかの実施形態では、ヒートシンク８１０は、方位角平面（すなわち、図８Ｂに示すようなＸ－Ｚ平面）に沿って２つの区分に分割される。結果として得られる２つのヒートシンクの区分８１０ａ、８１０ｂは、略同一であり、ｙ軸に沿って整列して、全体的なヒートシンク８１０を形成することができる。いくつかの実施形態では、ヒートシンク８１０は、単一のモノリシック構成要素として形成される。
【0045】
プラズマ処理システム８００は、電磁エネルギーをプラズマチャンバ１００に結合する電力変圧器８２２を含む。電力変圧器８２２は、高透磁率磁気コア８０４、一次コイル８２４、およびプラズマチャンバ１００を含む。プラズマチャンバ１００は、プラズマが変圧器８２２の二次回路を形成することを可能にする。磁気コア８０４は、支持構造８１８によって支持および冷却することができる。電力変圧器８２２は、追加の一次または二次回路を形成する追加の磁気コアおよび導体コイルを含むことができる。例えば、図８Ａ～８Ｃに示すシステム８００は、４つの変圧器コア（例えば、磁気コア８０４および３つの追加の磁気コア（ラベル付けされていない））によって囲まれたプラズマチャンバ１００を示す。
【0046】
図９は、図８ＣのＡ－Ａ断面線に沿ったプラズマ処理システム８００の断面図を示す。プラズマ処理システム８００は、プラズマチャンバ１００と、変圧器８２２内に配置されたヒートシンク８１０とを含むアセンブリを含む。磁気コア８０４および１つまたは複数の一次コイル８２４（図示せず）を含む変圧器８２２は、電力をプラズマチャンバ１００のプラズマチャネル８０２によって規定されるプラズマ生成体積に結合（例えば、誘導結合）するように適合されている。磁気コア８０４は、一次コイルとともに、プラズマチャネル８０２に整列した電場および電流を誘導し、これにより、プラズマチャネル８０２内のプラズマが点火および維持されて、変圧器８２２の二次回路を形成することができる。
【0047】
具体的には、動作中、ガスは、例えば、約０．１３３Ｐａ～約１３３ＫＰａ（約０．００１トル～約１０００トル）の圧力に達するまで、ガス入口８０６を介してプラズマチャネル８０２に供給することができる。変圧器８２２は、プラズマチャンバ１００のプラズマチャネル８０２内のガスをイオン化して、変圧器８２２の二次回路を完成させるプラズマを形成する電場を誘導する。プラズマチャネル８０２内のプラズマまたは活性化ガスの少なくとも一部は、出口フランジ８０８を介してシステム８００から送出することができる。いくつかの実施形態では、誘導電力がプラズマに結合される前に、プラズマチャネル８０２の内部のガスは、プラズマチャネル８０２に印加される電場によって点火されて、初期の電気的絶縁破壊を作り出す。いくつかの点火スキームは、米国特許第６１５０６２８号、同第７１６６８１６号および同第７６５９４８９号（特許文献１）に記載されており、また、これらの文献はマサチューセッツ州アンドーバーのＭＫＳ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｉｎｃ．に譲渡されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0048】
いくつかの実施形態では、ヒートシンク８１０は、ヒートシンク８１０とプラズマチャンバ１００との間に配置された熱インターフェース８１２でプラズマチャンバ１００を実質的にカプセル化／取り囲む。プラズマチャンバ１００から熱を除去するように構成されたヒートシンク８１０は、銅などの導電性材料から形成することができる。いくつかの実施形態では、冷却流体は、流体入口８２８を介して冷却ジャケットに供給され、流体出口８３０を介して除去される。熱インターフェース８１２は、コンプライアンスの特性をもつ熱伝導性パッドまたは埋込用樹脂（ｐｏｔｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）であり得る。熱インターフェース８１２は、１つまたは複数の機械的特性を有し、これにより、誘電体チャンバがプラズマからの熱負荷を受けるときに、ヒートシンク８１０内のプラズマチャンバ１００の熱変形によって誘発される圧力に対応することができる。熱インターフェース８１２は、容易に変形可能であるなど、様々な程度のコンプライアンスを有することができ、これは、システム８００の熱によって誘発される寸法変化に対応するのに役立つ。熱インターフェース８１２はまた、熱を誘電体プラズマチャンバ１００からヒートシンク８１０に向かって効果的に伝導するのに十分に高い熱伝導率を有することができる。熱インターフェース８１２は、材料に少量の多孔性（体積で０．１～１０％）を導入することによって圧縮可能にすることができる。いくつかの実施形態では、プラズマチャンバ１００とヒートシンク８１０との間のギャップは、熱インターフェース８１２で満たされ、ギャップは、幅が約０．０５０８ｃｍ（約０．０２０インチ）である。
【0049】
いくつかの実施形態では、２つのヒートシンク区分８１０ａ、８１０ｂは、プラズマチャネル８０２の第２の側／外側１０４および／または第１の側／内側１０２に沿って配置された１つまたは複数の誘電体ブレーク８１４によって互いに電気的に分離／隔離されている。例えば、誘電体ブレーク８１４は、プラズマチャンバ１００の第１の側／内側結合フランジ１１０および／または第２の側／外側結合フランジ１１２に沿って配置することができる。これらの誘電体ブレーク８１４はまた、熱インターフェース８１２のための間隔を提供する。例えば、誘電体ブレーク８１４は、プラズマチャンバ１００とヒートシンク８１０との間のギャップ内に熱インターフェース材料を含むとともに、ヒートシンク８１０とプラズマチャンバ１００との間の空間から熱インターフェース材料が漏れるのを防ぐように構成することができる。
【0050】
いくつかの実施形態では、２つのヒートシンク区分８１０ａ、８１０ｂは、プラズマチャンバ１００のトロイダル方向に沿ってさらに電気的に分離されている。トロイダル方向へのヒートシンク８１０のそのような分割は、プラズマチャネル８０２内のプラズマによって形成された二次変圧器を短絡させ得る電流がヒートシンク８１０に誘導されるのを防ぐ。
【0051】
図１０は、図８Ｃに示すＢ－Ｂ断面線に沿ったプラズマ処理システム８００の別の断面図を示す。図示するように、プラズマチャンバ１００は、方位角方向に区分化されたヒートシンク８１０ａ、８１０ｂに囲まれるとともに、磁気コア（例えば、磁気コア８０４）に囲まれている。Ｂ－Ｂ断面線は、トロイダル状に区分化されたヒートシンク８１０の接合部を横切り、冷却流体は、誘電性流体継手８２６を介して区分化されたヒートシンク部分の間に案内される。いくつかの実施形態では、誘電性流体継手８２６は、高温プラスチックでできている。同様のヒートシンク区分化構成は、マサチューセッツ州アンドーバーのＭＫＳ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｉｎｃ．に譲渡された米国特許第７５０１６００号および同第７６５９４８９号（特許文献１）に記載されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0052】
プラズマチャンバ１００の２つの部分２０４、２０６の間の強力な結合を可能にすることに加えて（図２を参照）、第１および第２の結合フランジ１１０、１１２は、温度および熱応力を低減するという利点を提供する。具体的には、第１および第２の結合フランジ１１０、１１２は、プラズマチャネル８０２の第１および第２の側１０２、１０４をそれぞれ越えて延びるので、図９および１１に示すように、プラズマチャンバ１００の本体とヒートシンク８１０との間の接触表面積の量を増加させる。この追加の接触面は、誘電体プラズマチャンバ１００のピーク温度低下をもたらすことができる。
【0053】
図１２ａは、本発明の実施形態による、第１および第２の結合フランジ１１０、１１２を備えた図１のプラズマチャンバ１００のシミュレートされた温度プロファイルを示す。図１２ｂは、結合フランジのないプラズマチャンバ１２００のシミュレートされた温度プロファイルを示す。図１２ａのシミュレーションで使用される第１および第２の結合フランジ１１０、１１２は両方とも０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）の幅を有する。シミュレーションでは、３０℃の入口冷却水温度と６キロワット（ｋＷ）の動作電力負荷を使用する。図示するように、ピーク温度は、結合フランジなしのプラズマチャンバ１２００において約１８５℃であり、一方、本発明の例示的な実施形態によれば、結合フランジ１１０、１１２を有する場合のピーク温度は、約１５３℃である。これは、結合フランジ１１０、１１２の使用が、プラズマチャンバ１００のピーク温度上昇を約２０％低減できることを示している。
【0054】
さらに、第１および第２の結合フランジ１１０、１１２は、プラズマチャンバ１００の第１の側／内側１０２および第２の側／外側１０４の周りの補強リブとして機能し、熱負荷下でのプラズマチャンバ１００の変形および熱応力を低減することができる。
【0055】
別の態様では、誘電体ブレーク８１４およびプラズマチャンバ１００の結合フランジ１１０、１１２によって提供される２つのヒートシンク区分８１０ａ、８１０ｂの電気的分離／隔離は、プラズマ点火のためにそれらに反対の電圧でバイアスを与えることを可能にする。図１１は、図８Ａ、８Ｂ、１０および１１に示すヒートシンク区分８１０ａ、８１０ｂによってカプセル化されたプラズマチャンバ１００を含むアセンブリの断面図を示す。ヒートシンク区分８１０ａ、８１０ｂは、プラズマチャンバ１００に容量結合され、プラズマチャンバ１００内のガス１１０４の点火のために電圧を印加することができる点火電極として機能することができる。図示するように、２つのヒートシンク区分８１０ａ、８１０ｂは、ＤＣ、ＲＦまたはパルス電源であり得る電源１１０２に接続された場合、反対の極性でバイアスされ得、印加電圧は、約数百ボルトから数キロボルトになり得る。一例として、ヒートシンク区分８１０ａ、８１０ｂの形態の点火電極は、約２～５ｋＶのピークツーピーク電圧で４００ｋＨｚのＲＦ電源を使用してバイアスをかけることができる。電圧が印加されると、電気的絶縁破壊（例えば、電気的絶縁破壊１１０６）が、プラズマチャンバ１００のプラズマチャネルに含まれるガス１１０４の内部に生じる。ヒートシンク区分８１０ａ、８１０ｂの形態の点火電極は、プラズマチャネルの第２の側／外側１０４全体を実質的に覆うので、電気的絶縁破壊１１０６は、大量のプロセスガス１１０４に及ぶ（ｃｏｖｅｒ）ように適合される。この特徴は、プラズマチャンバ１００のトロイダル方向の誘導電場の使用と組み合わせて、トロイダルプラズマがプラズマチャンバ１００内に形成されることを可能にする。
【0056】
図１３は、本発明のいくつかの実施形態による、図１のプラズマチャンバ１００を製造するための例示的な工程１３００を示す。プラズマチャンバ１００は、第１の側１０２（すなわち、プラズマチャネルがトロイダルである場合は内側）および第２の側１０４（すなわち、プラズマチャネルがトロイダルである場合は外側）を有する内部プラズマチャネルを画定する。工程１３０２において、プラズマチャンバ１００の第１の部分２０４は、例えば、誘電体材料をグリーン状態で機械加工することによって、誘電体材料から構築される。工程１３０４において、プラズマチャンバ１００の第１の部分２０６は、例えば、誘電体材料をグリーン状態で機械加工することによって、同じ誘電体材料または異なる誘電体材料から構築される。第１または第２の部分２０４、２０６は、プラズマチャンバ１００の上半分または下半分であり得る。第１の部分２０４は、（ｉ）プラズマチャネルの第１の側１０２に沿って配置されるとともに、第１の幅だけ第１の側１０２を越えて延びる第１のフランジ２１０、および（ｉｉ）プラズマチャネルの第２の側１０４に沿って配置されるとともに、第２の幅だけ第２の側１０４を越えて延びる第２のフランジ２１２を有する。同様に、第２の部分２０６は、（ｉ）プラズマチャネルの第１の側１０２に沿って配置されるとともに、第１の幅だけ第１の側１０２を越えて延びる第３のフランジ２１６、および（ｉｉ）プラズマチャネルの第２の側１０４に沿って配置されるとともに、第２の幅だけ第２の側１０４を越えて延びる第４のフランジ２１８を有する。
【0057】
いくつかの実施形態では、工程１３０４の後であるが、第１および第２の部分２０４、２０６が工程１３０６で結合される前に、工程１３０８で、第１の部分２０４または第２の部分２０６のうちの少なくとも一方において、第１および／または第２の壁部分２０８、２１４の内面にコーティングが施され、そこで、第１および／または第２の壁部分２０８、２１４の内面がその中のプラズマに曝されたプラズマチャネルの少なくとも一部を形成する。いくつかの実施形態では、コーティングは、第１の部分２０４または第２の部分２０６のうちの少なくとも一方の第１の壁部分２０８および／または第２の壁部分２１４の内面に堆積された合金化剤の層である。
【0058】
工程１３０６において、第１および第２の部分２０４、２０６が結合されて、プラズマチャンバ１００を形成する。第１および第２の部分２０４、２０６の結合は、（ｉ）第１および第２の部分２０４、２０６それぞれの第１および第３のフランジ２１０、２１６の間に結合を形成して、第１の結合フランジ１１０を作製すること、および（ｉｉ）第１および第２の部分２０４、２０６それぞれの第２および第４のフランジ２１２、２１８の間に結合を形成して、第２の結合フランジ１１２を作製することを含む。この結合プロセス中に、合金化剤の層が第１の壁部分２０８および／または第２の壁部分２１０の内面に配置されていると、内面の合金コーティングは、同じ結合プロセスによって合金化剤の層から作製することができる。トロイダルプラズマチャネルを有するトロイダルプラズマチャンバに関して製造プロセス１３００を説明しているが、同じプロセス１３００は、線形であるプラズマチャネルを有するプラズマチャンバなどの他の形状のプラズマチャンバにも適用可能である。
【0059】
いくつかの実施形態では、第１の部分２０４および第２の部分２０６は、高温低蒸気圧エポキシまたはガラスフリット結合を使用して接合することができる。そのような実施形態では、第１および第２の部分２０４、２０６は、結合の前に焼成／焼結される。エポキシまたはガラスフリットは、第１の部分２０４の少なくとも第１および第２のフランジ２１０、２１２に適用することができる。第１および第３のフランジ２１０、２１６ならびに第２および第４のフランジ２１２、２１８の結合は、第１および第２の部分を協調的に加熱してエポキシを硬化させるか、またはガラスフリットを溶融して結合インターフェース２０７を形成することによって達成される。エポキシの硬化温度は通常約２００～４００℃であり、ガラスの溶融温度は約１０００～１５００℃であり、どちらも高温セラミック材料の焼結温度よりも大幅に低い。たとえば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミックの焼結温度は２０００℃程度である。そのような実施形態におけるエポキシ硬化／ガラス溶融温度とセラミック焼結温度との違いのために、焼結および結合工程は分離されなければならない。
【0060】
図１４ａ～１４ｃは、本発明のいくつかの実施形態によるプラズマチャンバを形成するための別の例示的なアセンブリを示す。プラズマチャンバ１４００は、図１４ｂおよび１４ｃに示すように、第１の部分１４０４および第２の部分１４０６を含む２つの別個の部分から構成される。第１の部分１４０４および第２の部分１４０６のそれぞれは、プラズマチャンバ１４００の半分を含むことができ、一方の部分はガス入口を含み、他方の部分はプラズマチャンバ１４００のガス出口を含む。２つの部分は、結合剤を使用してフランジ１４１０、１４１２で互いに結合することができる。いくつかの実施形態では、部分１４０４および部分１４０６は幾何学的に同一である。いくつかの実施形態では、部分１４０４および部分１４０６は、プラズマチャンバ１４００に沿ってガスフローパターンを適応させるまたは作成するための異なる形状を有する。部分１４０４、部分１４０６、および結合インターフェース１４０７は、同じ誘電体材料から、または２つ以上の異なる誘電体材料から構築することができる。いくつかの実施形態では、コーティングは、プラズマチャンバの内面に配置され、プラズマチャンバの内面は、プラズマチャンバ内のプラズマに曝されるプラズマチャネルの少なくとも一部を形成する。コーティングは、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、Ｂ４Ｃのいずれか、またはＹＡＧを含む合金を含むことができる。プラズマ性能を最適化するために、入口部分と出口部分の内面を異なる材料でコーティングすることができる。
【0061】
別の態様では、本発明のプラズマチャンバおよびプラズマ処理システムは、ハロゲンプラズマを必要とする半導体ウェハプロセスなどの様々な用途で使用することができる。原子層エッチング（ＡＬＥ）と呼ばれる１つの例示的な半導体ウェハプロセスは、Ｃｌ＊プラズマの使用とプラズマ源のパルス動作を必要とする。本発明の誘電体プラズマチャンバ（例えば、プラズマチャンバ１００）は、Ｃｌ＊プラズマにおける侵食速度が低く、インプロセスガスを迅速に点火する能力のためにパルスモードで使用できるので、これらの要件の両方と互換性がある。
【0062】
いくつかの実施形態では、プラズマ処理システム８００などの本発明のプラズマ処理システムは、高密度プラズマ環境において低いイオン衝撃エネルギーを有しており、したがって、プラズマからのイオン衝撃によるプラズマ対向面の侵食を受ける他の容量性または誘導結合源よりも有利である。このように、本発明のプラズマ処理システムは、高いプラズマ出力密度の下で、粒子の発生が少なく、長寿命である（例えば、ＲＦ時間で測定される）。粒子欠陥が少ないと、一般に半導体デバイスに欠陥を生じさせ得る超微視的な粒子に影響を受けやすい半導体デバイスの製造で、より高い歩留まりが可能になる。
【0063】
従来のプラズマ処理システムは、通常、高出力プラズマ動作条件下でプラズマチャンバの温度を妥当な制限内に維持するのに十分な熱伝導を提供するために、内面に誘電体コーティングを施した金属（アルミニウムなど）で作られている。この材料の選択は、一般的な誘電体材料と比較して、アルミニウムの優れた（たとえば、１０倍を超える）熱伝導率によるものである。与えられた熱流束（ＱＷ／ｍ２）に対して、固体全体の温度差はΔＴ＝Ｑ＊Ｔｈｘ／ｋとして計算され、ここで、ｋは固体の熱伝導率、Ｔｈｘは熱が伝導される固体の厚さである。したがって、固体全体の温度差を最小化するには、ｋ／Ｔｈｘを最大化する必要がある。これは、材料の選択が、熱伝導率の高い金属か、熱伝導率の低い誘電体の薄い材料のいずれかでなければならないことを意味する。純粋な誘電体プラズマチャンバを使用する利点は、プラズマインプロセスガスを迅速に点火するために必要な大きな電圧（例えば、最大数十ｋＶ）を処理できることであり、一方で、金属プラズマチャンバはそのような能力に制限があり、通常は良好な点火条件（点火ガスとしてのアルゴンガスなど）に加えて、プラズマを維持するためにプロセス化学への移行が必要である。
【0064】
誘電体プラズマチャンバの点火能力におけるこの利点により、希／電気陽性ガスからプロセスガスへの切り替えに関連する追加の移行なしに、点火中に誘電体プラズマチャンバを電気陰性ガス（例えば、Ｏ２、ＮＦ３、Ｆ２、Ｃｌ２など）で満たすことができる。このような性能により、プラズマをパルス化（つまり、オン状態とオフ状態を切り替える）することもでき、これは、ＡＬＥやＡＬＤなどの原子層処理用途にとって重要である。したがって、誘電体プラズマチャンバは、遠隔誘導結合プラズマ源またはマイクロ波または誘電体バリア放電ベースのプラズマ源などの代替物と比較して、パルスラジカル送達用途の遠隔プラズマ源で使用するための最適なアーキテクチャになる。
【0065】
さらに、プラズマ処理システム８００などの本発明の変圧器結合プラズマ処理システムは、特定の化学反応物を短期間で送達するように操作することができる。図１５ａ～１５ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、遠隔プラズマ源として図８Ａ～８Ｃのプラズマ処理システム８００を使用する様々な例示的なパルス動作を示す。具体的には、図１５ａは、前駆体Ｂが、遠隔プラズマ源８００または遠隔プラズマ源８００の下流の入口のいずれかを介してプラズマチャンバ１００に流される、またはプラズマチャンバ１００に直接流される場合にのみ、遠隔プラズマ源８００を操作する（すなわち、オンにされる）ときの例示的なパルス動作を示す。図１５ｂに示すように、前駆体Ａに対してのみ、または図１５ｃに示すように、前駆体Ａおよび前駆体Ｂの両方に対して遠隔プラズマ源をオンにするなど、プラズマ処理システム８００を遠隔プラズマ源として動作させる他のモードが可能である。
【0066】
一定の流量を持つ単一の前駆体があり、遠隔プラズマ源のみが切り替えられて、プロセス全体内で特定の期間のラジカルベースの処理を可能にする場合、同じ原理を使用できる。その場合、前駆体ベースのプロセスは、リモートプラズマ源の下流での反応の速度と種類を調整するために使用される。そのような例の１つは、図１５ｄに示すＡＬＥプロセスである。このプロセスでは、遠隔プラズマ源を流れる前駆体がＣｌ２または他のハロゲンガスを含むことができ、これは、表面を活性化するために基板上の独立したバイアスを使用して、断続的な時間に基板にイオン衝撃を与えて、周期的な間隔で高い反応性を得るために、原子状塩素や励起塩素分子を含むラジカルに変換される。一般に、これらの組み合わせを最適化して特定の用途を実現する方法は数多くある。共通の特徴の１つは、原子レベルで化学反応に必要なラジカルフラックスを提供できる低粒子発生遠隔プラズマ源を備えていることである。遠隔プラズマ源は、プロセスガス内での点火を可能にするためにプロセス必要性に基づいて迅速にオンおよびオフを切り替えることができる。そのような能力は、本発明のプラズマチャンバおよびプラズマ処理システムによって達成することができる。例えば、本発明のプラズマチャンバは、誘電体材料から形成され、新しいコーティング材料が所望のプロセス化学と互換性のあるプラズマ対向面に統合されることを可能にする二枚貝形状（ｃｌａｍｓｈｅｌｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）から結合され得る。
【0067】
本発明の文脈において、「約」という用語は、「約」という用語に続く値から±５０％以内であると定義される。本発明は、特定の実施形態を参照して特に示され、説明されてきたが、当業者には、添付の請求項によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な変更を行うことができることが理解される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12a】
【図12b】
【図13】
【図14a】
【図14b】
【図14c】
【図15a】
【図15b】
【図15c】
【図15d】
