專利名稱：用于形成等離子體的設備和方法
技術領域：
本發明涉及等離子體源。更具體而言，本發明提供了在等離子體減量(abatement)系統中有用的實施方式，盡管本發明并不限于這些系統。
穩定等離子體的存在需要一定的物理條件。然而，即便是存在那些條件，等離子體也可不自發點火。該現象的實例是眾所周知的，例如，空氣弧焊機需要“射頻啟動”。另一種已公知的等離子體點火技術包括使用特斯拉線圈感應“電火花”點火器。然而，那兩種技術均包括在等離子體反應腔中使用金屬部件，這可能是不利的。在微波泵送系統的情況下，發現這種金屬部件使等離子體“接地”且導致其不穩定。
其它用以使等離子體點火的已公知方法包括降低氣體壓力，等離子體由所述氣體形成，和引入比主等離子體氣體更易離子化的氬、氦或一種或多種其它氣體。
提供微波等離子體中的可靠點火是特別重要的。在形成這種等離子體的過程中，微波通常由磁控管提供且沿波導管被傳輸至等離子體，其能量通常在駐波裝置中被等離子體吸收。然而，如果等離子體未點火(即如果沒有等離子體而僅有氣體的話)，那么很少能量被吸收且在駐波裝置中，相當大量的入射能量被反射回磁控管，這可嚴重縮短其壽命。可通過在微波傳遞線路中包括單向循環器或“閥”而減少這種背反射，但是這種布置增加了裝置成本。因此希望存在一種使微波等離子體可靠點火的方法。
等離子體減量已成為一種廣泛使用的從制造工藝中去除廢氣的方法，且特別應用于全鹵化合物尤其是全氟化合物(PFCs)的降解中。
全氟化合物通常用于半導體制造工業中，例如用于介電膜蝕刻工藝中，且在制造工藝之后通常在排出氣體中存在殘余全氟化合物內容物。全氟化合物難以從排出物中除去。將它們釋放進入環境內是所不希望的，這是因為它們已公知具有相對較高的溫室活性。以前已使用了多種減量方法，例如燃燒、反應吸附和催化氧化。減量的目的是將全氟化合物轉化成一種或多種可更便于例如通過常規洗滌被除掉的化合物。
等離子體減量技術已證明是將全氟化合物降解成損害性更小的物質的有效方法。在等離子體減量工藝中，使包含要驅除物質的排出氣體流入高密度等離子體內，且在等離子體內的強化條件下，全氟化合物受到高能電子撞擊，導致其分解成活性物質，所述活性物質可與氧氣或氫氣相結合以產生相對穩定的低分子重量副產物，例如CO、CO2和HF，所述副產物隨后可在進一步處理步驟中被除去。
在在先已公知的等離子體減量技術的一種形式中，等離子體是微波等離子體。還已公知使用射頻等離子體。
英國專利說明書GB 2273027A中描述了適用于微波等離子體減量的裝置的一種形式。在該裝置中，在處于緊密相對關系的兩個電極之間產生了微波等離子體。GB 2273027A中所示的裝置是自啟動的。GB2273027A中的裝置受到反應產物對電極較高程度的腐蝕。
US2002/0101162中描述了一種通過來自特斯拉線圈的電火花點火的微波等離子體發生器。
根據本發明，提供了一種用于形成等離子體以處理氣體的設備，包括用于由不同于要受到等離子體處理的氣體的流體產生離子化流體流以使等離子體點火的裝置，和被布置以維持等離子體的結構。
發明人已證實，離子化流體流的提供例如輝光放電源允許等離子體的有效點火，其中等離子體維持結構中的電場條件使得等離子體不能啟動或不能可靠地自啟動。
所述設備可被包括在等離子體減量系統中。因此，本發明還提供了用于處理來自半導體制造加工工具的排出氣體流的設備，所述設備包括用于由不同于排出氣體流的流體產生離子化流體流的裝置、用于將排出氣體流輸送至離子化流體流以使等離子體點火的裝置和用于將電磁輻射施加到排出氣體流中以維持等離子體的裝置。
正如上面提到的，等離子體維持結構可被布置以利用電磁輻射維持等離子體。因此，等離子體維持結構可包括電磁輻射源或其可適于連接到電磁輻射源上。電磁輻射可以是微波或射頻輻射；微波和射頻等離子體在等離子體減量系統中有具體用處，如上所述。輻射例如可具有約580kHz、13.56MHz、27MHz、915MHz或2.45GHz的頻率(現有技術裝置在那些頻率附近進行操作)。等離子體維持結構可包括在電磁輻射頻率下產生諧振的腔體。利用諧振腔可致使形成電磁駐波，所述電磁駐波提供了電磁場強度的局部增強，尤其是在駐波的一個或多個波腹附近。
等離子體維持結構可包括可連接至要受到等離子體處理的氣體流的腔體。
等離子體維持結構可包括至少一個等離子體局限電極。通過將等離子體局限于等離子體維持結構中相對有限的區域內，可獲得使得能夠更易于實現等離子體的點火和維持的壓力降。等離子體定位電極可為前尖的；前尖的電極增強了其附近的電場。等離子體局限電極可被布置在電磁駐波波腹處或附近。等離子體維持結構可包括兩個等離子體局限電極。
正如上面提到的，在某些已公知等離子體反應器中，例如GB2273027A中描述的等離子體反應器中，等離子體被局限在相對電極之間。等離子體依靠電極之間的電場被維持，所述電極包括可歸因于入射電磁波的部件和可歸因于等離子體的部件。在前面已公知的布置中，使電極緊密相對，例如隔開0.1至0.5mm被認為是有利的。現在已經發現可通過增加電極之間的間距增強等離子體穩定性且減少等離子體反應的腐蝕性副產物對電極的侵蝕。因此，例如在一些實施方式中，局限電極的等離子體可包括彼此相對且彼此隔開至少1mm，例如間距在2mm和8mm之間的第一和第二電極。
增加電極之間間距的結果是，對于給定外加功率，電極之間的場強度減小。結果是，等離子體可靠初始形成的條件可不再存在。
前面提到的設備提供了在可有利于等離子體穩定性且減少腐蝕同時仍然提供等離子體的有效點火的條件下進行操作的可能性，所述操作在那些操作條件下要不然不可實現或不可靠地實現。另一個優點在于，通過消除對緊密間隔電極的需要，可提供更大的源，其能夠處理更高的氣體流速。
等離子體局限電極可電接地。等離子體和入射電磁輻射可因此處于與等離子體局限電極顯著不同的電位下。
等離子體維持結構可被布置以在等離子體形成過程中大體上處于大氣壓力下。當不需要保持等離子體維持結構處于不同于大氣的壓力下時，可大大簡化所述設備。
正如前面提到的，離子化的流體流優選為輝光放電。眾所周知，輝光放電是發光的熱等離子體。其通過將大于氣體擊穿電壓的電壓施加到該氣體上而得以形成。一旦已經實現輝光放電，維持其所需的電壓通常低于擊穿電壓。輝光放電源可包括用于形成輝光放電的輝光放電電極。輝光放電源可包括或適于連接到輝光放電氣體(即其中形成輝光放電的氣體)源上。輝光放電氣體可以是氮氣或稀有氣體或任何其它大體上惰性和可電離的氣體。用于形成等離子體的氣體例如可包括來自制造工藝的廢氣。
輝光放電電極可以是細長的。
輝光放電源可包括用于提供足夠高以啟動輝光放電的電壓的電路和用于提供足夠大的電流以維持輝光放電優選至少0.1秒的電路。輝光放電源可被布置以使得等離子體被點火后停止產生輝光放電；因此輝光放電源例如可被布置以產生達10秒或例如達5秒，例如1至5秒的輝光放電。
輝光放電電極可被布置以向等離子體維持結構放電，所述等離子體維持結構可電接地。
輝光放電電極可如此進行布置以使得在使用中其處于等離子體維持結構上游的輝光放電氣體流中，從而使得輝光放電可通過輝光放電氣體被輸運進入等離子體維持結構內。這種布置的具體優點在于輝光放電電極可因此被布置遠離很熱且具有潛在反應性的設備區域。電極的壽命可通過使其離開這種區域而得到顯著延長。
輝光放電源可包括大體上圓柱形狀的腔體，所述腔體包括被布置以將輝光放電氣體大體上切向地引入腔體內的入口。
如上所述，優選通過輝光放電使等離子體點火。然而，任何適當的離子化流體流可用以使等離子體點火。在一些實施方式中，可能通過放電而不是輝光放電，例如通過電暈放電或電弧放電產生離子化氣體流。至少一些與基于輝光放電的設備相關的上述特征還可適用于利用另一種適當的離子化氣體流的系統。
本發明還提供了一種形成等離子體以處理氣體的方法，所述方法包括由不同于要受到等離子體處理的氣體的流體產生離子化流體流以使等離子體點火，和供應電磁輻射以維持等離子體。
所述方法可包括在第一位置產生離子化流體流和將所述流輸運至第二位置，在所述位置處其使等離子體點火。等離子體優選在腔體中產生，所述腔體在電磁輻射頻率下產生諧振。等離子體優選大體上在大氣壓力下形成。流體優選具有不同于要受到等離子體處理的氣體的組分。離子化流體流優選為輝光放電。
本發明進一步提供了一種處理來自半導體制造加工工具的排出氣體流的方法，所述方法包括以下步驟由不同于排出氣體流的流體產生離子化流體流、將所述離子化流體流施加到排出氣體流中以使等離子體點火以及向排出氣體流供應電磁輻射以維持等離子體。
排出流體流可包括全氟化合物或氫氟碳化合物，例如CF4、C2F6、CHF3、C3F8、C4F8、NF3和SF6中的一種。
下面將僅通過實例并結合附圖對本發明的示例實施方式進行詳細描述，其中
圖1是根據本發明的包括微波等離子體反應器的減量系統的流程圖；圖2是圖1所示反應器的垂直剖面圖；圖3是圖2所示的反應器內所包括的輝光放電點火電極組件的垂直剖面圖；和圖4是將與圖2所示的反應器的點火電極一起使用的電路的電路圖。
參見圖1，減量系統包括微波等離子體反應器1，所述微波等離子體反應器通過波導管3與微波供應裝置2相連，并且與電源4相連。包括含有全氟化碳的廢氣且選擇性含有附加惰性氣體的要進行處理的氣體被供應至反應器1，如箭頭A所示。包括分解產物的處理氣體離開反應器1，如箭頭B所示，且隨后例如通過滌氣進行處理。
參見圖2，反應器1具有傳導殼體5，在其內部設置有由微波可透過的材料制成的圓柱形壁部(圖中未示出)且限定出腔體6.傳導殼體5被連接到波導管3上(圖2中未示出)，且具有底壁7，其中存在與處理氣體的出口管道9連通的孔8。第一等離子體局限電極10被容納在孔8中，所述第一等離子體局限電極包括管形構件，其上端具有傳導凸緣11，所述傳導凸緣使電極10位于底壁7中的凹部內。電極10通過螺母12被緊固在適當位置，所述螺母可螺合到電極10的下端上。
殼體5的上部由封閉裝置13封閉，所述封閉裝置限定出其中容納有圓柱形殼體18的中心孔14。第二等離子體局限電極16被容納在殼體18的端部17中且與電極16共軸地布置。電極組件16是中空圓柱體，其與電極10相對進行布置，電極10和16構成了一對等離子體局限電極。
輝光放電電極組件15的凸緣24與殼體18緊密配合，以使得輝光放電電極組件15被置于殼體18上。組件15、殼體18和電極16限定出第二腔體19，其通過電極16與腔體6連通。等離子體點火輝光放電電極20被同心布置在殼體18內，所述電極以具有指向電極16和10但與其隔開的尖端21的高壓電極的形式存在。點火電極形成離子化流體流，所述離子化流體流在本實施方式中以輝光放電形式存在。在腔體19上部區域中的是輝光放電氣體流的入口22。入口22被布置與腔體19相切以促進在電極20周圍形成通常向下朝向電極16的螺旋流路。電極組件15通過連接器23被連接到電源上。
圖3中更詳細地示出了組件15，其中所述組件包括殼體27。殼體27是圓柱形壁部，其下端具有孔。在圖2的布置中，殼體27被殼體18所代替，所述殼體18形成了部分等離子體反應器且包括反應器電極16，電極20向所述反應器電極放電。在本發明的其它實施方式中，組件15被插入現有技術反應器或其它等離子體維持結構中。在這些情況下，殼體27可需要引導放電氣體流或提供表面，電極20可向所述表面放電。
在圖2所示反應器的正常使用中，要進行處理的氣體通過入口(未示出)被泵送入腔體6內、在電極10和16之間通過并且通過出口管道9離開腔體6。
微波頻率的電磁輻射通過波導管從磁控管輸入腔體6內，所述波導管在第一側上與腔體6鄰接。在腔體6的相對側上，波導的延續部分包括活動端板，其被調節以導致入射微波形成駐波。該板受到調節以使得駐波形成具有電極10和16處的波腹。這種向腔體輸送微波的方法在本領域中是眾所周知的。
電極10、16電接地。它們相互間隔開5mm。在正常使用中，電極10、16用以局限或限制由要進行處理的氣體形成的等離子體。由于等離子體被局限在微波駐波的波腹處，因此功率有效地從微波場耦接入等離子體內。
在以20升/分鐘流動的氮氣(包含用于進行加工的四氟化碳)中形成穩定的等離子體需要1kW至2kW的微波功率。然而，電極10、16的間距對于氣體而言太大以至于不能僅通過入射微波功率點火形成等離子體。輝光放電源15用作等離子體焰炬，提供了輝光放電以使等離子體點火，如下所述。一旦被點火，等離子體由殼體5中且具體而言電極10、16附近的電磁條件所維持。
惰性可電離氣體(在本實例中為氮氣)流動通過組件15的入口22并進入腔體19內。如下所述，在該氣體中形成輝光放電。
低壓大電流源(在本實例中為圖4所示的電容器64)被永久連接到電極20上。然而，當不存在接地傳導路徑時，無顯著電流從該源中流出。在等離子體點火過程中，高壓被暫時施加到電極20上。高壓導致產生從電極20的端部21朝向近側部分電極16通過氮氣的電暈放電。該電暈放電提供了路徑，通過所述路徑來自低壓源的大電流可流至地面。大電流的流動導致在氮氣中形成輝光放電。
氣體流導致因此形成的輝光放電從腔體19通過電極16移動進入腔體6內。從源2中接收的微波(如箭頭C所示)能夠與輝光放電有效耦接且等離子體通常在小于1秒的時間內點火，導致產生穩定的微波等離子體，在電極20的電源斷開后(通常在約3秒后)，所述微波等離子體可由微波源以及電極10和16保持。
我們已經發現為使等離子體點火，輝光放電的瞬間功率應與維持等離子體需要的功率相似，即對于腔體6中氮氣20升/分鐘的流速而言所述功率在1kW至2kW范圍內。
因此，微波等離子體由電磁場維持的氣體放電產生；其維持條件由帶電微粒性質和能量損耗機制所決定。
圖4示出了用于將高壓和低壓直流電流供應至電極20的適當的電容器放電電路。
高壓(5kV)變壓器50被連接到包括電極20和電極16的點火器70上。通過半波整流二極管51將所述變壓器連接到電極20上。當對于通過電極20放電而言電流處于錯誤方向時，二極管52提供了在變壓器50的部分交流循環期間電流放電的路線。
低壓(240V)變壓器60還被連接到點火器70上。變壓器60被連接至全波整流電橋61以及330Ω的電阻器62和4.7KΩ的電阻器63。電阻器63與10000μF的電容器64并聯且通過一列二極管65被連接到電極20上，所述二極管65分別與保護性330Ω電阻器66相關聯。330Ω電阻器62在電容器64充電期間限制電流從變壓器60和電橋整流器61中引出。4.7KΩ電阻器63對于電容器64是微電流放電。電阻器63、電容器64和二極管52被分別連接至變壓器50的0V端子和點火器70的電極16，它們都進行了接地。
在點火前，大量電荷累積在電容器64上，這是因為其由于電極20和16未連接而不能通過點火器70放電。在點火期間，高壓變壓器向電極20提供了5kV半波整流交流電壓。所述5kV電壓導致從電極20向電極16的低電流電暈放電，正如上面討論地。電暈放電提供了電極20和電極16之間的傳導路徑。一旦通過高壓放電形成該路徑，那么低壓電容器64能夠利用相同路徑向地面放電。大電流隨后從電容器64流出且在要進行處理的氣體中形成輝光放電。
在該實例中，等離子體在約90％的時間里存在，而點火每隔數天發生。然而，提供可靠啟動機制使得等離子體頻繁得多地，例如每小時一次地點火的布置是可能的。
總之，對用于處理來自半導體制造加工工具的排出氣體流的設備進行了描述。所述設備包括用于由惰性可電離氣體產生輝光放電的等離子體噴槍。氣體流被輸送至輝光放電以使等離子體點火。電磁輻射源將電磁輻射施加到排出氣體流中以維持等離子體。所述設備特別適于處理排出氣體流中的全氟化合物和氫氟碳化合物。
盡管在此描述的實例實施方式涉及等離子體減量反應器1，但應該設想到例如輝光放電電極組件15(圖3)等元件可被用以提供輝光放電以使具有等離子體維持結構，例如限定出腔體6的結構的其它系統中的等離子體點火，所述組件可被插入所述等離子體維持結構中且放電。另一種可選方式是，輔助等離子體源可更緊密地集成在被布置以維持主要等離子體的結構內，而不是作為分離的可插入單元。
如上所述，優選通過輝光放電使等離子體點火。然而，可使用任何適當的離子化流體流以使等離子體點火。例如，可能通過放電而不是輝光放電，例如通過電暈放電或電弧放電產生該離子化氣體流。至少一些與基于輝光放電的設備相關的上述特征還可適用于利用另一種適當的離子化氣體流的系統中。
權利要求
1.一種用于形成等離子體以處理氣體的設備，包括用于由不同于要受到等離子體處理的氣體的流體產生離子化流體流以使等離子體點火的裝置，和被布置以維持等離子體的結構。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述等離子體維持結構被布置以利用電磁輻射維持所述等離子體。
3.根據權利要求2所述的設備，其中所述等離子體維持結構包括電磁輻射源。
4.根據權利要求2所述的設備，其中所述等離子體維持結構適于與所述電磁輻射源相連接。
5.根據權利要求2至4中任一項所述的設備，其中所述電磁輻射是微波或射頻輻射。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的設備，其中所述等離子體維持結構包括在所述電磁輻射的頻率下產生諧振的腔體。
7.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中所述等離子體維持結構包括可連接至要受到所述等離子體處理的所述氣體流的腔體。
8.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中所述等離子體維持結構包括至少一個等離子體局限電極。
9.根據權利要求8所述的設備，其中所述等離子體局限電極被布置在電磁駐波的波腹處或附近。
10.根據權利要求8或權利要求9所述的設備，其中所述等離子體維持結構包括兩個等離子體局限電極。
11.根據權利要求10所述的設備，其中所述等離子體局限電極包括彼此相對且彼此間隔至少1mm間距的第一和第二電極。
12.根據權利要求11所述的設備，其中所述間距在2至8mm之間。
13.根據權利要求8至12中任一項所述的設備，其中所述至少一個等離子體局限電極處于電接地狀態。
14.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中所述等離子體維持結構被布置以在等離子體形成期間大體上處于大氣壓力下。
15.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中所述流體具有不同于要受到所述等離子體處理的所述氣體的組分。
16.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中所述用于產生所述離子化流體流的裝置包括用于產生輝光放電的裝置。
17.根據權利要求16所述的設備，其中所述用于產生輝光放電的裝置包括用于形成所述輝光放電的輝光放電電極，且包括或適于連接至所述輝光放電氣體源。
18.根據權利要求17所述的設備，其中所述輝光放電電極是細長的。
19.根據權利要求17或權利要求18所述的設備，其中所述輝光放電電極被布置以向所述等離子體維持結構放電。
20.根據權利要求17至19中任一項所述的設備，其中所述輝光放電電極如此進行布置以使得在使用中其處于所述等離子體維持結構上游的所述輝光放電氣體流中，從而使得所述輝光放電被所述輝光放電氣體輸運進入所述等離子體維持結構內。
21.根據權利要求16至20中任一項所述的設備，其中所述用于產生所述輝光放電的裝置包括用于提供足夠高以啟動輝光放電的電壓的電路和用于提供足夠大的電流以維持所述輝光放電至少0.1秒的電路。
22.根據權利要求21所述的設備，其中所述用于產生所述輝光放電的裝置被布置以使得在所述等離子體點火后停止產生所述輝光放電。
23.根據權利要求21或權利要求22所述的設備，其中所述用于產生所述輝光放電的裝置被布置以產生達10秒的輝光放電。
24.根據權利要求23所述的設備，其中所述用于產生輝光放電的裝置被布置以產生達5秒的輝光放電。
25.根據權利要求24所述的設備，其中所述用于產生輝光放電的裝置被布置以產生1至5秒的輝光放電。
26.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中所述用于產生離子化流體流的裝置包括大體上呈圓柱形狀的腔體，所述腔體包括被布置以大體上切向地將所述離子化流體流引入所述腔體內的入口。
27.用于處理來自半導體制造加工工具的排出氣體流的設備，所述設備包括用于由不同于所述排出氣體流的流體產生離子化流體流的裝置、將所述排出氣體流輸送至所述離子化流體流以使等離子體點火的裝置和用于將電磁輻射施加到所述排出氣體流中以維持所述等離子體的裝置。
28.一種形成等離子體以處理氣體的方法，包括由不同于要受到所述等離子體處理的所述氣體的流體產生離子化流體流以使所述等離子體點火，并且供應電磁輻射以維持所述等離子體。
29.根據權利要求28所述的方法，包括在第一位置產生所述離子化流體流并且將所述離子化流體流輸運至第二位置，在所述位置處其使所述等離子體點火。
30.根據權利要求28或權利要求29所述的方法，其中所述電磁輻射是微波或射頻輻射。
31.根據權利要求28至30中任一項所述的方法，其中所述等離子體在腔體中產生，所述腔體在所述電磁輻射的頻率下產生諧振。
32.根據權利要求28至31中任一項所述的方法，其中所述等離子體大體上在大氣壓力下形成。
33.根據權利要求28至32中任一項所述的方法，其中所述流體具有不同于要受到所述等離子體處理的所述氣體的組分。
34.根據權利要求28至33中任一項所述的方法，其中所述離子化流體流為輝光放電。
35.一種處理來自半導體制造加工工具的排出氣體流的方法，所述方法包括以下步驟由不同于所述排出氣體流的流體產生離子化流體流、將所述離子化流體流施加到所述排出氣體流中以使所述等離子體點火以及將電磁輻射供應至所述排出氣體流以維持所述等離子體。
36.根據權利要求35所述的方法，其中所述排出流體流包括全氟化合物或氫氟碳化合物。
37.根據權利要求36所述的方法，其中所述化合物包括CF4、C2F6、CHF3、C3F8、C4F8、NF3和SF6中的一種。
全文摘要
描述了一種用于處理來自半導體制造加工工具的排出氣體流的設備。所述設備包括用于由惰性可電離氣體產生輝光放電的等離子體噴槍。所述氣體流被輸送至所述輝光放電處以使等離子體點火。電磁輻射源將電磁輻射供應至所述排出氣體流以維持所述等離子體。所述設備特別適于處理所述排出氣體流中的全氟化合物和氫氟碳化合物。
文檔編號H05H1/46GK1781345SQ200480011682
公開日2006年5月31日 申請日期2004年4月16日 優先權日2003年4月30日
發明者A·J·西利 申請人:英國氧氣集團有限公司