環形等離子體減少設備和方法
【專利說明】環形等離子體減少設備和方法 發明領域
[0001] 本發明總體設及加工氣體減少（油atement)領域。具體來說，本發明設及使用環 形等離子體減少加工氣體的設備和方法。
[0002] 發巧背景
[0003] 在半導體制程例如蝕刻和化學氣相沉積中，可在加工時使用化學反應性氣體或 在加工時形成化學反應性氣體。在釋放到大氣之前，可處理或減少運些有毒的或W其它方 式有害的加工氣體。傳統地已將多種技術用于減少運種氣體。例如，通常通過一起燃燒含 面素的氣體與含氨氣的燃料來將氣（巧或氯（Cl)轉化成氣化氨（HF)或氯化氨（HCl)，來實 施熱減少過程。在那些示例方法中，隨后可在濕的洗涂器中除去所得HF或HCl。
[0004] 目前減少方法的另一示例是催化熱減少。通常通過將含面素的氣體在高溫度下暴 露于金屬氧化物W將面素轉化成鹽，來實施催化熱減少。另一示例是等離子體減少，其可 使用微波等離子體在小于常壓下或在常壓下進行。
[0005] 在現有熱減少方法中，能量使用效率較低。許多含面素的化合物可為化學穩定的， 需要溫度（例如，1000K-2000K)來實現熱減少。例如，在減少高度穩定的四氣化碳（CF4) 時，可出現運種困難。
[0006] 在常壓下實施的現有熱減少方法可需要在等離子體裝置的真空累添加大量吹掃 氣體來保護累。結果，將高水平的能量浪費在僅僅加熱吹掃氣體。
[0007] 催化熱減少方法可實現更高的減少效率，但其不足可為維護成本較高和消耗成 本較高。在半導體加工中，含面素的氣體的流動通常是不連續的，在各晶片循環中開啟和 關閉。因為燃燒器達到操作溫度的熱時間常數可遠遠長于晶片循環，所W常常使熱減少裝 置保持連續開啟，運顯著降低能量效率。
[0008] 在等離子體減少中，現有技術已顯示了高減少效率（例如，大于95% )。等離子 體可W各種方式產生，包括DC放電、射頻（R巧放電和微波放電。DC放電通過在氣體中的兩 個電極之間施加電勢而獲得。RF放電通過將來自電源的能量靜電地或電感地禪合成等離子 體。通常將平行板用于將能量靜電地禪合成等離子體。通常將電感線圈用于將電流誘導進 入等離子體。通過透過微波-穿透的窗戶直接將微波能量結合進入包含氣體的放電腔室， 來實現微波放電。
[0009] 現有技術例如電感禪合的等離子體或微波等離子體都可具有有限的操作范圍。為 了實現高減少效率，通常在等離子體中激發和反應要減少的氣體。理想地，使等離子體盡 可能多地覆蓋氣體流動路徑，從而氣體分子不能在不與等離子體相互作用的情況下繞過等 離子體區域。
[0010] 在減少時，可導致壓力增加，例如因對氣體流動路徑的限制而造成。因為減少裝 置常常位于加工腔室下游，該加工腔室中使用和/或產生要減少的氣體，所W減少裝置中 的壓力上升可直接影響加工腔室中的過程。因此，需要限制在減少時的壓力上升。
[0011] 現有的等離子體減少裝置的不足在于受限的氣體流量和操作壓力范圍。它們還可 遭受因例如反應性等離子體化學物質和等離子體源中產生的高能離子造成的表面腐蝕。

【發明內容】

[0012] 本發明的優勢之一在于提供因例如等離子體通道的形狀和構造帶來的高流動傳 導的等離子體源，用于減少加工氣體（例如，大于500L/S)。另一優勢是可調節和優化要 減少的加工氣體的停留時間。等離子體的氣體停留時間對減少效率而言可為至關重要。例 如，過短的停留時間可導致氣體-等離子體相互作用不足和更低的減少速率，而停留時間 過長可導致氣體的過熱和更低的能量效率。本發明的另一優勢在于它的形貌允許結構放 大，從而等離子體通道維度可定制W滿足多種加工需求和/或促進有效的減少性能。氣體 進口和出口裝配件可放大到例如匹配用戶抽吸設備，使得更容易集成進入現有的半導體制 造系統。本發明的另一優勢是因環形等離子體源中的低電場帶來的等離子體腔室表面的低 腐蝕。
[0013] 本發明的另一優勢是在減少高度穩定的CF4時，操作時使用高能量效率（例如， 對于100-200sccmCF4使用3-6kW),所取得的大于95%的高減少效率。本發明的另一優勢 是寬的操作壓力范圍，從0.1托到幾十托，且在一些情況下，最高達常壓。本發明的另一優 勢是小于或等于0. 1托的低壓力降。參數例如減少系統中的高能量效率和低壓力降可帶來 改善的產品壽命，對氣體流量變化更快的響應，和更低的減少設備的資金和操作成本。
[0014] 在一方面中，本發明包含用于減少氣體的設備。設備包含等離子體腔室，該等離 子體腔室具有接收用于灼燒成等離子體的惰性氣體的第一氣體進口，接收要減少的氣體 的第二氣體進口，氣體出口，和用于包含氣體的至少一個腔室壁。相對于環形等離子體腔 室設置一個或多個磁忍，從而環形等離子體腔室穿過一個或多個磁忍中的每一個。初級線 組禪合到（coupledto) -個或多個磁忍。等離子體腔室限定環形等離子體。環形等離子 體沿著延伸穿過等離子體腔室的平面延伸。第二氣體進口設置在環形等離子體腔室上，且 設置在第一氣體進口和氣體出口之間并沿著平面與該氣體出口相距距離d，從而第一氣體 進口和第二氣體進口之間的環形等離子體通道體積基本上由惰性氣體填充。距離d基于所 需的要減少的氣體的停留時間。
[0015] 在一些實施方式中，沿著平面的距離d是約2-5英寸。在一些實施方式中，第二 氣體進口是一系列沿著環形等離子體腔室設置的可選擇的氣體進口端口。在各種實施方式 中，在進入等離子體腔室之前，使要減少的氣體與一種或多種反應物氣體混合。在一些實 施方式中，與要減少的氣體混合的一種或多種反應物氣體是水蒸汽。
[0016] 在各種實施方式中，該設備包含傳感器，該傳感器相對于氣體出口設置并構造成 監控來自等離子體腔室的排放物（emission)。在各種實施方式中，傳感器包含光學和/或 紅外傳感器。
[0017] 在一些實施方式中，在進入等離子體腔室之前，使要減少的氣體與一種或多種反 應物氣體混合。在一些實施方式中，與要減少的氣體混合的一種或多種反應物氣體是水蒸 汽。在各種實施方式中，通過第二氣體進口接收的要減少的氣體是氯化合物。在一些實施 方式中，通過第二氣體進口接收的要減少的氣體是全氣化碳化合物。在各種實施方式中， 通過第二氣體進口接收的全氣化碳化合物包含四氣化碳。
[0018] 在另一方面中，本發明包含用于在等離子體腔室之內減少加工氣體的方法。該方 法設及通過第一氣體進口，使用于灼燒成等離子體的第一氣體流動進入環形等離子體腔 室，該等離子體腔室具有禪合到該等離子體腔室的初級線組和取向的多個磁忍，從而等離 子體腔室穿過多個磁忍中的每一個。該方法還設及沿著延伸穿過等離子體腔室的平面，在 等離子體腔室中產生環形等離子體。該方法還設及沿著等離子體腔室在第一氣體進口和氣 體出口之間沿著平面與氣體出口相距距離d設置第二氣體進口，該距離d基于所需的要減 少的氣體的停留時間。該方法還設及通過第二氣體進口，使要減少的氣體流動進入等離子 體腔室，從而使要減少的氣體與環形等離子體反應。
[0019] 在一些實施方式中，該方法還設及調節第二氣體進口的位置來控制所需的要減 少的氣體的停留時間。在各種實施方式中，該方法還設及調節流入等離子體腔室的第一氣 體的流量，從而環形等離子體通道中的第一氣體進口和第二氣體進口之間的環形等離子體 通道體積基本上由第一氣體填充。在一些實施方式中，該方法還設及在通過第二氣體進口 流動進入等離子體腔室之前，提供與要減少的氣體混合的反應物氣體。此外，在各種實施方 式中，該方法還設及通過光學和/或紅外傳感器監控來自等離子體腔室的排放物，響應來 自等離子體腔室的排放物調節反應物氣體的流量，從而反應物氣體的濃度在與要減少的氣 體反應所需的水平。在一些實施方式中，該方法還設及將氣體出口結合到后續的處理裝置。
[0020] 在另一方面中，本發明包含用于減少氣體的設備。該設備包含等離子體源，該等 離子體源具有沿著氣體流動路徑引導要減少的氣體的氣體進口，氣體出口，和用于包含氣 體的至少一個腔室壁。該設備還包含沿著延伸穿過等離子體源的平面取向的環形等離子體 通道，該環形等離子體通道具有環形等離子體通道進口部分，主要環形等離子體通道部 分，和環形等離子體通道出口部分，該環形等離子體通道進口部分和環形等離子體通道出 口部分各自的寬度小于主要環形等離子體通道部分的寬度W。相對于環形等離子體源設置 一個或多個磁忍，從而環形等離子體通道穿過一個或多個磁忍中的每一個。初級線組禪合 到一個或多個磁忍。等離子體源沿著延伸穿過等離子體源的平面產生環形等離子體，且該 等離子體源限制在環形等離子體通道中。
[0021] 在一些實施方式中，氣體進口進行取向，從而氣體流動路徑基本上垂直于延伸穿 過等離子體源的平面。在一些實施方式中，主要環形等離子體通道部分的寬度W約等于環 形等離子體的橫截面直徑。
[0022] 在一些實施方式中，氣體進口包含彎曲的部分，該彎曲的部分降低要減少的氣體 流動進入環形等離子體通道的摩擦和阻力（化ag)。此外，在各種實施方式中，氣體進口的 彎曲的部分是球形純化的錐。
[0023] 在一些實施方式中，環形等離子體通道的主直徑大于或等于氣體進口的直徑。在 各種實施方式中，氣體進口的直徑是約1-10英寸。
[0024] 在一些實施方式中，在進入環形等離子體通道之前，使要減少的氣體與一種或多 種反應物氣體混合。在各種實施方式中，環形等離子體通道包含至少一個金屬層，來屏蔽 環形等離子體免受靜電禪合。在一些實施方式中，沿著環形等離子體通道設置一個或多個 介電間隙，來防止誘導的電流在環形等離子體通道中流動。
[00巧]在另一方面中，本發明包含用于在等離子體源之內減少加工氣體的方法。該方法 設及通過氣體進口，沿著氣體流動路徑將要減少的氣體引導進入等離子體源，該等離子體 源具有禪合到等離子體源的初級線組和設置的多個磁忍，從而環形等離子體通道沿著延伸 穿過等