TWI417931B - 電漿清除設備 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種電漿清除設備。特定而言,本發明特別適合於一用於處理一自一多晶矽蝕刻製程排出之氣流之電漿清除設備。
在形成一半導體或平面顯示設備期間,各種不同處理氣體被供應至各種處理室。化學蒸氣沈積(CVD)用於在一位於一沈積室內之基板或晶圓之表面上沈積薄膜或層。該製程藉由在促使於該表面上發生化學反應之條件下供應一個或多個反應性氣體至該室(經常使用一載體氣體)並至該基板表面之方式運作。舉例而言,可將TEOS及氧氣和臭氧中之一者供應至該沈積室以在該基板上形成一氧化矽層,且可供應矽烷及氨以形成一氮化矽層。藉由熱分解矽烷或一氯矽烷而將複晶矽(或多晶矽)沈積於該基板上。
舉例而言,在形成一半導體設備之電極及源極和汲極區域期間,亦將氣體供應至一蝕刻室以實施該沈積層區域之選擇性蝕刻。蝕刻氣體可包括全氟化合物(例如,CF4、CHF3及NF3)、鹵代化合物(例如,HCI、HBr、BCI3、CI2及Br2)及其組合。舉例而言,CF4通常用於初始在一形成於一多晶矽層上且被一光阻劑層暴露之氮化物或氧化物層之區域內形成一開口,且HBr及Cl2之混合物通常用於隨後蝕刻該暴露之多晶矽。
該等蝕刻氣體可與一光阻劑反應以形成需定期自該蝕刻
室移除之沈積物及焦油,且因而定期將一清潔氣體(通常包括SF6及氧氣)供應至該蝕刻室以自該室移除該不需要材料。
在於該蝕刻室內實施該等蝕刻及清理製程期間,自該蝕刻室排出之氣體內通常含有一殘餘量之供應至該蝕刻室之氣體。全氟化合物(例如,CF4及SF6)係溫室效應氣體,於是經常設置一清除設備以在該排出氣體被排放至大氣之前處理該排出氣體。該清除設備將該排出氣體中較危險之組分轉化為可容易自該排出氣體移除(例如,藉由習用之洗滌)及/或可安全地排出至大氣之物質。
可使用一微波電漿清除設備高效地自該氣流中移除全氟化合物(PFC)(例如,CF4、SF6、NF3及C2F6)。一微波電漿反應器之一實例闡述於第GB 2,273,027號英國專利中。在彼設備中,一波導管將微波輻照自一微波發生器傳送至一容納有兩個呈緊密對置關係之電極之氣體室內。一欲處理之氣體經由一氣體入口流進該氣體室內,且通過該兩電極之間,以使一微波電漿被流經該兩個電極之間的氣體起燃並持續在該兩個電極之間。該等電極中之一者具有一軸向孔以提供一離開該氣體室之氣體出口。在該電漿內之強烈條件下,該氣流內之物質經受與高能電子之碰撞,導致分裂為反應性物質,該等反應性物質可與氧氣或氫氣結合以產生相對穩定之副產物。
用於與該氣流內所含各種物質反應之氧氣及氫氣之一便利源係水蒸氣,其可容易地自該清除設備上游添加至該氣
流。舉例而言,在該室內CF4與水蒸氣之反應將形成CO2及HF,且Cl2與水蒸氣之反應可形成HCl。隨後可藉由一定位於該清除設備下游之濕式洗滌器自該氣流移除HF、HCl及HBr。
一電漿清除設備之各種零件(例如,該等電極、電極固持器及該室之內表面中之一者或多者)通常由不銹鋼製成。除鐵、碳及鉻外,不銹鋼亦可含有其他元素(例如,鎳、鉬、鈮及鈦)。在存在空氣之情形下,形成一鈍化表面氧化物層,其保護下層不銹鋼免受腐蝕。然而,在酸性氣體(例如,HF、HCl及HBr)存在之情形下,該鈍化層可被剝離,從而暴露出下層的不銹鋼。舉例而言,HF可存在於該氣體室內作為處理該氣體室內一全氟化合物之一副產物,且在一蝕刻製程期間自該製程室排出之氣體內可含有HCl或HBr。
一旦該氧化鎳層已被移除,當水分含量超過百萬分之幾(ppm)時,HBr及HCl即可與該不銹鋼內含有之金屬反應。由於吸附於該不銹鋼表面上之水,該等反應之副產物可剝蝕該氣體室及該等電極,此可降低該清除設備之效率。
本發明之較佳實施例之至少一目標係提供一改良型電漿清除設備,其適合於處理一含有變化量之鹵代化合物(例如,HBr、HCl、Br2或Cl2)及水蒸氣之氣流。
在一第一態樣中,本發明提供一包含一氣體室之電漿清除設備,該氣體室具有一用於接納一欲由該設備處理之氣體之氣體入口及一氣體出口,該氣體室之至少部分內表面
係由一導電材料構成(或塗佈有該導電材料),在處理一含有一鹵代化合物及水蒸氣之氣體期間,該導電材料具有抗腐蝕性。
該氣體室之內表面可包含一該導電材料層,該導電材料層形成於一至少部分地界定該氣體室之殼體之內表面上。舉例而言,該殼體可由一不銹鋼主體構成,該不銹鋼主體具有一塗佈有該導電材料之內表面。或者,該氣體室可至少部分地由一由該導電材料構成之殼體界定。
一合適材料之一實例係鈦。已觀察到,鈦在氧化性酸性環境中表現出顯著的抗腐蝕性。濕鹵素之強氧化性質於鈦上形成一鈍化表面氧化物層,當該室暴露於一含有通式HX或X2(其中,X係一鹵素(例如,F、Cl或Br))之氣體之潮濕氣氛時,該鈍化表面氧化物層保護下層之鈦材料。
在該較佳實施例中,該電漿清除設備包含一微波電漿清除設備,但本發明亦可應用於其他類型之電漿清除設備,例如一電漿焰炬清除設備,其可具有不銹鋼電極及/或一塗佈有該導電材料之不銹鋼氣體室。較佳地,藉由該清除設備於大氣壓力下或左右處理該氣體。
該導電材料可係反磁性或順磁性。例如,當該設備係一微波電漿清除設備時,該材料之磁化率越弱,則該材料對一建立於該氣體室內之磁場之透明度越高。因此,使用反磁性材料(例如,黃銅、金及銀)及與超順磁性材料及鐵磁材料(例如,鋼及鎳)相比較具有一相對低的磁化率之順磁性材料(例如,鈦及鋁)將導致在該氣體室內建立之磁場之
磁通線之較少變形,且提高於該氣體室內產生之電漿之品質。
該氣體室可至少部分地位於該設備之一共振腔內。藉由一諸如鈦等材料構成該共振腔之內壁與一由不銹鋼或英高鎳(Inconel)構成之共振腔相比較可提供降低之導體損耗。電磁輻照於該共振腔之金屬表面處之交互作用引起一電流流動,且因此引起表現為導體損耗之功率損耗。耗散於該空腔壁內之功率與構成該等壁之材料之趨膚深度直接相關,該趨膚深度越高,則耗散於該等壁內之功率越大且因此可用於氣體清除之功率量越低。由於鈦具有較不銹鋼(約8.6微米)及英高鎳(約11.4微米)為小之趨膚深度(約7.5微米),因而藉由將鈦至少用於該共振腔之內壁可改良該設備之破壞及移除之效率。因此,該導電材料較佳地具有一少於8微米之趨膚深度。
在一第二態樣中,本發明提供一包含一氣體室之電漿消除設備,該氣體室具有一用於接納一欲由該設備處理之氣體之氣體入口及一氣體出口,該氣體室之至少部分內表面係由鈦構成(或塗佈有鈦)。
在一第三態樣中,本發明提供一包含一微波共振腔之微波電漿清除設備,該微波共振腔具有一氣體入口及一氣體出口,及一用於傳送微波輻照至該共振腔之波導管,該共振腔具有一由一導電材料構成(或塗佈有該導電材料)之內表面,在處理一含有一鹵素化合物及水蒸氣之氣體期間,該導電材料具有抗腐蝕性。
在一第四態樣中,本發明提供一包含一微波共振腔之微波電漿清除設備,該微波共振腔具有一氣體入口及一氣體出口,及一用於傳送微波輻照至該共振腔之波導管,該共振腔具有一由鈦構成(或塗佈有鈦)之內表面。
上述關於第一態樣之特徵同樣適用於第二至第四態樣,反之亦然。
參照圖1至4,一微波電漿清除設備10包含一導電殼體12。如圖所示,殼體12可具有一矩形橫截面。一共振腔14例如藉由加工形成於殼體12內,且延伸橫跨殼體12之寬度以提供一清除設備10之共振腔。共振腔14之一端連接至一波導管16以用於自一微波發生器(未繪示)傳送微波輻照至共振腔14內。共振腔14之另一端連接至一短路18。
波導管16包含一大體上呈矩形之第一主體部分20,主體部分20具有一大體上平行於經由波導管16傳送至共振腔14之微波輻照之TE01電場之高度h 1 ,及一與該微波輻照之該電場正交之寬度w。波導管16亦包含一面向共振腔14之大體上呈矩形之第二主體部分22,該第二主體部分22具有一高度h 2 及一寬度w,其中h 2 <h 1 。在該圖解說明之實例中,第二主體部分22之高度約為第一主體部分20高度之三分之一。
波導管16進一步包含一寬度為w之錐形會聚部分24,其位於該第一及第二主體部分20、22之間。錐形部分24包含一毗鄰第一主體部分20(高度為h 1 且寬度為w)之第一端表面
25a,及一毗鄰第二主體部分22(高度為h 2 且寬度為w)之第二端表面25b。該錐形部分24進一步包含第一及第二側表面25c、25d,該等側表面於該端表面25a、25b之間延伸且以一銳角傾向第二側表面25b以使第一及第二主體部分20、22係同軸。該錐形部分24沿該微波輻照經由波導管16之傳播方向具有一長度l,其中l大約等於該微波輻照之波長之一半。
短路18於共振腔14之對置側上提供一波導管16之一延伸物。短路18包含一部分地藉由一端板26(其遠離波導管16之第二部分22之末端)界定之室27,以便藉由端板26反射入射之微波輻照以在共振腔14內形成一電磁駐波。端板26相對於波導管16之第二部分22之末端之位置可係可調整。
短路18包含一與端板26間隔開之螺釘29以調諧短路18。在該圖解說明之實例中,該調諧器包含一擰至短路18之頂部表面內之螺釘29,以使該螺釘之主體大體上垂直於該微波輻照經由室27之傳播方向而延伸至室27內。藉由轉動螺釘29之頭部29a,可在室27內升起或降低螺釘29之末端以調諧短路18。
共振腔14容納兩個介電板部件28、30,該兩個介電板部件較佳地由PTFE或其他適合之材料構成,以保留足夠耐腐蝕性且同時大體上對經由共振腔14傳送之微波輻照透明。每一板部件28、30皆具有:一平坦側壁部分32,其正交於該微波輻照經由共振腔14傳播之方向延伸;及一彎曲側壁部分34,其在共振腔14內部分地界定一大體上呈圓筒
狀之氣體室36。氣體室36可具有一圓形或橢圓形橫截面。
每一板部件30、32皆具有一形成於其中之第一孔38,以提供一至共振腔14之氣體室36內之氣體入口。在圖解說明之清除設備10內,該等孔38中之一者與一形成於殼體12之一側壁內之氣體入口40對凖以自一安裝於殼體12上之第一氣體導管42接納氣體。視需要,可在殼體12之對置側壁內形成一第二氣體口以自一第二氣體導管接納氣體,該氣體可與自第一氣體導管42進入氣體室36之氣體相同或不同。較佳地,每一氣體入口經組態以使氣體大體上成切線地自第一氣體導管40進入氣體室36,以使該氣體於氣體室36內向內朝氣體室36之中心渦旋。一氣體出口44形成於殼體12之基底內以將氣體自氣體室36傳送至一第二氣體導管46。氣體出口44橫切於且較佳地與氣體室36同軸延伸。
每一板部件30、32亦具有一形成於其中之較小第二孔48。該等孔48中之一者與一形成於該殼體之一側壁內且藉由一透明蓋板52封閉之孔50對凖以提供一檢視窗,該檢視窗使一使用者能夠在使用清除設備10期間觀察產生於共振腔14之氣體室36內之電漿。
一圓筒狀孔54亦形成於殼體12內,孔54橫切於共振腔14延伸且同該共振腔一起界定清除設備10之一氣體室。較佳地,孔54大體上係與氣體室36及氣體出口44同軸。孔54接納一導電組件56。組件56包含一導電部件58及一用於固持導電部件58之固持器60。
導電部件58包含一細長管62,其可由銅或其他導電材料
構成,且其嚙合一管狀尖端64(如圖5中所詳細圖解說明)。較佳地,尖端64係由諸如鎢或一鎢合金(例如,一鎢及鑭之合金)等抗腐蝕且耐熱材料構成。尖端64可設置有複數個圍繞其延伸之孔65以使一於氣體入口38與氣體出口44之間流動之氣體能夠徑向地通過尖端64並藉此提高尖端64之冷卻。較佳地,孔65經確定尺寸以使微波輻照通過孔65。
較佳地,固持器60亦由導電材料構成。較佳地,在清除設備10之使用期間,導電部件58及固持器60係電接地。固持器60具有一中空內部,在其中導電部件58之管62及尖端64較佳地係一滑動配合。固持器60包含一具有一向外延伸之裙座68之第一主體部分66,裙座68位於殼體12之孔54之一帶凸緣之開口70上。一O形環72設置於裙座68與帶凸緣之開口70之間以形成一氣密密封,裙座68藉由一圍繞帶凸緣之開口70延伸之夾持鏈74而夾持至帶凸緣之開口70。如圖3中所圖解說明,O形環72較佳地位於該氣體室外側並因此位於其中產生之電磁場之外側,且可圍繞一自裙座68向下懸垂之環形圈76延伸,該環形圈具有一大體上等於孔54之直徑之內徑,且其可與殼體12電接觸。或者,裙座68之基底可與殼體12電接觸。
固持器60進一步包含一延伸至孔54內之第二細長主體部分78。固持器60之第二主體部分78之末端為一圓錐形凸起部80,其較佳地不突出至氣體室36內。第二主體部分78之內徑於圓錐形凸起部80處減小以提供一凸肩82,凸肩82嚙合尖端64之一輪緣84以將尖端64保持於固持器60內。固持
器60之第二主體部分78較佳地與第一主體部分66及裙座68兩者係一整體。
如圖5中所圖解說明,尖端64較佳地突出至氣體室36內。依據供應至共振腔14之微波輻照之頻率,較佳地選擇尖端64之長度及/或固持器60之第二主體部分78之長度以使尖端64延伸至共振腔14中產生之駐波內一既定距離。
較佳地,管62經固持以與固持器60電接觸。如所圖解說明,可將一金屬彈簧86或其他導電物體定位於固持器60內以使彈簧86之一端嚙合一形成於管62上之第一環形凸起部88且彈簧86之另一端嚙合一擰至固持器60內之金屬鎖緊螺母90。
管62具有一與第一環形凸起部88隔開之第二環形凸起部92以在固持器60與管62之間界定一環形溝道94。一冷卻水流被供應至環形溝道94,該水經由一穿過固持器60之冷卻劑入口96被供應至環形溝道94,且經由一穿過固持器60且大體上對置於冷卻劑入口96定位之冷卻劑出口98自環形溝道94排出。
依據傳送至該共振腔之電磁輻照之功率,於共振腔14形成之電場強度可能不足以點燃氣體室36內之一電漿。因此,一輝光放電電極組件100可被容納於該導電部件58內。輝光放電電極組件100包含一電漿點燃輝光放電電極102,其呈一細長高壓電極形式且同心地定位於導電部件58之管62內(但與其間隔開)。一連接器104使電極102與一電源連接。電極102可被擰入一與鎖緊螺母90同心定位之
螺紋一致之孔內。一氣體入口106形成於管62內以自一氣體入口108(其徑向地延伸穿過固持器60之第一主體部分66)接納一輝光放電氣流(例如,氮氣、一稀有氣體或任一其他大致上惰性且可電離氣體)。氣體入口108自一連接器110接納該輝光放電氣體,連接器110附裝於該固持器以將氣體入口108連接至該輝光放電氣體之一源。較佳地,相對於導電部件58之管62之孔成切線地佈置氣體入口106以促進在電極102周圍形成一大致向下朝向導電部件58之尖端64之螺旋狀流徑。
如圖2中所圖解說明,當固持器60安裝於殼體12上時,導電部件58大體上垂直於該等微波經由氣體室36之傳播方向延伸至孔54內,且大體上係與氣體室36及氣體出口44兩者同軸。在清除設備10之使用期間,導電部件58之尖端64較佳地定位於共振腔14內所形成電磁場之一最大強度處。
在清除設備10之正常使用期間,一冷卻水流被供應至環形溝道94。一氣體經由氣體入口40被唧送至氣體室36內,螺旋地流動至氣體室36內且在經由氣體出口44離開氣體室36並進入第二氣體導管46之前通過導電部件58之尖端64下方。
微波輻照由波導管16進入共振腔14,且因而喂入氣體室36內以供給一磁控管。短路18之端板26反射該等微波以在共振腔14內形成一駐波,同時導電部件58之尖端64強化氣體室36內之電場。波導管16之錐形部分24用來抑制微波輻照自波導管16之第一與第二主體部分20、22之間介面之透
射及反射,同時最大化該電漿之能量吸收。選擇固持器60之裙座68之下表面112相對於導電部件58之尖端64之幾何形狀及位置以使裙座68之下表面112同殼體12之孔54之內表面及固持器60之第二主體部分之外表面一起提供一同軸調諧器以使導電部件58之平面內之阻抗與處於該微波輻照頻率之波導管16之阻抗相匹配。
當使用一輝光放電電極組件100點燃氣體室36內一電漿時,致使該輝光放電氣體流經管62之氣體入口106且流進管62之孔。將一低壓高電流源連接至電極102且將一高壓暫時地施加至電極102。該高壓導致一經由該輝光放電氣體自電極102之尖端朝向管62之一最近部分之電暈放電。該電暈放電可提供一大電流可藉以自該低電壓源流向大地之路徑。大電流之流動導致於該輝光放電氣體內形成一輝光放電。管62內輝光放電氣體之流動致使如此形成之輝光放電自導電部件58之尖端64移動至氣體室36內。氣體室36內之微波輻照能夠有效地耦合至該輝光放電且通常於不到一秒內點燃該電漿並導致一穩定的微波電漿,在關閉供應至電極102之電源後(通常在兩或三秒內)可僅藉助供應至氣體室36之微波輻照來維持該穩定的微波電漿。
於氣體室36內起燃之電漿經由氣體出口44藉助流經氣體室36之氣體被運載出氣體室36,且容納於第二氣體導管46內。因而該電漿類似於一於尖端64下產生並經由氣體出口44伸出至第二氣體導管46內之火焰。由於在清除設備10之使用期間於第二氣體導管46形成高溫,故可於第二氣體導
管46之外表面上噴淋一冷卻劑(例如,水)以冷卻第二氣體導管46。
當該排出氣體含有諸如HBr、HCl、Br2及Cl2等氣體時,可出現問題。室36內存在之HBr及HCl連同作為一氣體室36內所發生反應之一副產物產生之HF一起可自殼體12內之任何不銹鋼表面剝離該鈍化表面氧化物層,從而暴露該不銹鋼。進入氣體室36之排出氣體內存在之水蒸氣可被吸收至暴露的不銹鋼表面上,並因HBr、HCl、Br2或Cl2與該不銹鋼之金屬組分之反應而促進該等表面之腐蝕。其不僅降格該等不銹鋼組件之表面,且來自該腐蝕之副產物可干擾進入共振腔14之微波,且此可導致降低氣體室36內發生之氣體處理之破壞及移除效率。
鑒於此,當與水蒸氣同時或與其分別進入氣體室36之氣體很可能含有一鹵代化合物(例如,HBr、HCl、Br2或Cl2)時,殼體12之內表面且較佳地清除設備10之其他導電組件(例如,固持器60)亦係由一在處理一含有一此類鹵代化合物及水蒸氣之氣體期間具有抗腐蝕性之導電材料構成(或塗佈有該導電材料)。該導電材料較佳地係順磁性或反磁性以大體上不磁性地干擾通過殼體12之微波。該導電材料之一合適實例係鈦,其構成一阻抗該鹵代化合物剝離之氧化物表面。因此殼體12及固持器60可由鈦構成,或更佳地由另一具有一藉由任一合適技術形成於該材料之內表面上之鈦層之材料(例如,不銹鋼)構成。
10‧‧‧清除設備
12‧‧‧殼體
14‧‧‧共振腔
16‧‧‧波導管
18‧‧‧短路
20‧‧‧第一主體部分
22‧‧‧第二主體部分
24‧‧‧錐形會聚部分
25a‧‧‧第一端表面
25b‧‧‧第二端表面
25c‧‧‧第一側表面
25d‧‧‧第二側表面
26‧‧‧端板
27‧‧‧室
28‧‧‧介電板部件
29‧‧‧螺釘
29a‧‧‧頭部
30‧‧‧介電板部件
32‧‧‧板部件
34‧‧‧側壁
36‧‧‧氣體室
38‧‧‧第一孔
40‧‧‧氣體入口
42‧‧‧第一氣體導管
44‧‧‧氣體出口
46‧‧‧第二氣體導管
48‧‧‧第二孔
50‧‧‧孔
52‧‧‧透明蓋板
54‧‧‧孔
56‧‧‧導電組件
58‧‧‧導電部件
60‧‧‧固持器
62‧‧‧管
64‧‧‧尖端
66‧‧‧第一主體部分
68‧‧‧裙座
70‧‧‧開口
72‧‧‧O形環
74‧‧‧夾持鏈
76‧‧‧環形圈
78‧‧‧第二主體部分
80‧‧‧圓錐形凸起部
82‧‧‧凸肩
84‧‧‧輪緣
86‧‧‧彈簧
88‧‧‧第一環形凸起部
90‧‧‧鎖緊螺母
92‧‧‧第二環形凸起部
94‧‧‧環形溝道
96‧‧‧冷卻劑入口
98‧‧‧冷卻劑出口
100‧‧‧輝光放電電極組件
102‧‧‧電極
104‧‧‧連接器
106‧‧‧氣體入口
108‧‧‧氣體入口
110‧‧‧連接器
112‧‧‧下表面
現將僅以實例方式參照附圖闡述本發明之較佳特徵,其中:圖1係一微波電漿清除設備之一外部透視圖;圖2係一圖1之設備之側視圖;圖3係該設備沿圖2之線A-A之剖視圖;圖4係該設備沿圖2之線B-B之剖視圖;及圖5係一圖3中標記為區域C之放大圖。
10‧‧‧微波電漿清除設備
12‧‧‧殼體
14‧‧‧槽溝
28‧‧‧介電板部件
30‧‧‧介電板部件
36‧‧‧氣體室
38‧‧‧第一孔
44‧‧‧氣體出口
46‧‧‧第二氣體導管
48‧‧‧第二孔
50‧‧‧孔
52‧‧‧透明蓋板
54‧‧‧圓筒狀孔
56‧‧‧導電組件
58‧‧‧導電部件
60‧‧‧固持器
62‧‧‧管
64‧‧‧尖端
66‧‧‧第一主體部分
68‧‧‧裙座
70‧‧‧開口
72‧‧‧O形環
74‧‧‧夾持鏈
76‧‧‧環形圈
78‧‧‧第二主體部分
86‧‧‧彈簧
88‧‧‧第一環形凸起部
90‧‧‧鎖緊螺母
92‧‧‧第二環形凸起部
94‧‧‧環形溝道
100‧‧‧輝光放電電極組件
102‧‧‧輝光放電電極
104‧‧‧連接器
106‧‧‧氣體入口
110‧‧‧連接器
112‧‧‧下表面
Claims (5)
- 一種微波電漿清除設備(10),其包含:一具有一氣體入口及一氣體出口之微波共振腔(14),及一用於傳送微波輻照至該共振腔之波導管(20),該共振腔具有一由鈦形成或塗佈有鈦之內表面。
- 如請求項1之設備,其中該共振腔之該內表面包含一鈦層,該鈦層形成於一至少部分地界定該共振腔之該內表面上。
- 如請求項2之設備,其中該殼體係由不銹鋼構成。
- 如請求項1之設備,其中該共振腔係至少部分地由一由鈦構成之殼體界定。
- 如請求項1至4中之任一項之設備,其包含一突出至該氣體室內之導電部件(64),該導電部件係由鈦構成或塗佈有鈦。
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