微波等离子体消除设备 【技术领域】
本发明涉及一种微波等离子体消除设备，以及操作这种设备的方法。本发明特别适用于处理从多个处理腔室中排放的气体流的微波等离子体消除设备。
背景技术
在腔室内形成半导体或者平板显示器件的过程中可以向处理腔室提供多种不同的气体。在化学气相沉积过程中，气体被提供给容纳衬底的处理腔室并且反应以在衬底表面上形成薄膜。例如，LPCVD(低压化学气相沉积)氮处理使用DCS(二氯甲硅烷)和氨在晶片的表面上形成氮化硅。在刻蚀工艺中，可以将例如三氯化硼和氯气的气体提供给腔室以去除掉不需要的铝，并且在多晶硅刻蚀工艺中，将溴化氢和氯气提供给腔室。可以将例如全氟化物CF4、C2F6、NF3和SF6以及氟气(F2)的清洗气体周期性地提供给腔室，以从腔室清洗掉不需要的沉积物。
处理工具通常具有多个处理腔室，其中每一个处理腔室可以在沉积、刻蚀或者清洗过程的各个不同阶段，因此在任何给定时间从腔室排放的气体具有各种不同的压力、成分和/或质量流速。在这些过程中，通常存在提供给处理腔室的包含在从处理腔室排放的气体中的残留气体量。全氟化物CF4、C2F6、NF3和SF6是公知的温室气体，因此，希望在将气体排放到大气之前从处理腔室排放的气体中去除掉这些气体。
可以使用微波等离子体消除器件高效地从气体流中去除掉全氟化物。在英国专利号GB2273027中描述了这种器件的例子。在该器件中，波导将来自微波发生器的微波辐射传输到容纳着紧密相对的两个电极的气体腔室中。要处理的气体通过气体入口流到气体腔室中，并在电极之间穿过。电极起到局部增强穿过腔室的微波辐射的电场的作用，使得可以在两个电极之间启动并保持来自在电极之间流动的气体的微波等离子体。其中一个电极具有轴向孔以从气体腔室提供气体出口。在等离子体内密集条件下，气体流内的物质(species)经受高能电子的冲击，使得分离成能够和添加到气体流的氧气或者氢气组合在一起以产生相对稳定的副产物的活性反应组分。
微波等离子体消除器件的破坏和去除效率依赖于被流过气体腔室的气体流吸收的微波功率的量。对于任何给定的微波功率，在腔室内吸收微波功率的程度依赖于多个因素，包括：
●腔室压力；
●通过腔室的气体流的质量流速；
●气体流的成分；
●对于腔室的电极或者其它部件的磨损或者损坏；以及
●因电极腐蚀在腔室内产生的任何残留物。
因此，当将单个微波等离子体消除器件设置成接收从多个处理腔室排放的气体时，通常的做法是将微波辐射功率设置为固定的相对较高的水平，例如6或者12kW，以便确保在进入到器件的气体流的质量流速和其内的全氟化物的浓度是最大值时，器件的效率仍旧为高。
当气体流中全氟化物的浓度相对较低时，并且尤其当气体流的质量流速特别低时，例如当没有使用一个或者多个处理腔室时，由于在气体腔室内气体的流动，产生的相对高功率的微波辐射可能导致微波辐射功率的不完全吸收。除了功率损耗之外，这可能导致下述的一种或者多种后果：
●气体腔室的过热；
●微波辐射反过来朝着微波发生器反射，其可能导致对微波发生器的损坏；以及
●气体腔室的阻抗的变化，其可能降低器件的破坏效率。
因此，希望最小化不能在气体腔室内吸收的微波功率的量，而不损害器件的破坏和去除效率。
【发明内容】
在第一方面，本发明提供了一种微波等离子体消除设备，其包括微波发生器、用于接收来自微波发生器的微波能量并在其中利用微波能量产生等离子体的气体腔室、用于监控没有在气体腔室内吸收的微波能量的量的装置，和根据来自监控装置的输出调节微波发生器产生的微波能量的功率的装置。
例如，通过监控气体腔室的温度，或者更优选地，通过监控从气体腔室反射的微波能量的功率，可以监控没有在气体腔室内吸收的微波能量的量。当没有在气体腔室内吸收的微波能量的量相对较高时，可以降低微波发生器产生的微波能量的功率，以抑制腔室的过热并减小运行成本。当没有在气体腔室内吸收的微波能量的量相对较低时，这可能表示气体流内增加的质量流速和/或全氟化物的浓度增加，因此可以增加微波发生器产生的微波能量的功率，以将设备的破坏和去除效率保持在可接受的数值。
可以在气体腔室和微波发生器之间的任何方便的位置提供用来检测从气体腔室反射的微波辐射的功率的检测器。在优选实施例中，将检测器放置在微波波导隔离器中，用来阻止反射的微波辐射反向传送回微波发生器。可选地，可以将检测器放置在循环器中、调谐器或者波导的任何其它地方。气体腔室优选包括微波谐振腔。
可以连续地监控，或者可选地，可以周期性地监控没有在气体腔室中吸收的微波能量的量。可以在预定的时间，例如每几分钟进行周期监控，和/或可以通过一个或者多个事件触发监控，例如进入到气体腔室的气体流的变化。可以从接收随气体流一起泵出的净化气体的泵、用于控制添加到气体流的净化气体的量的控制系统，或者从测量进入到气体腔室的气体流的质量流速的流量计接收有关气体流的质量流速变化的数据。可以从处理工具的控制器接收有关气体流的成分变化的数据。可选地，可以通过接收来自处理工具或者位于气体腔室上游的气体传感器的数据的主计算机提供数据。在气体流是来自处理腔室的排出气体的情况中，数据可以可选地表示提供给处理腔室的气体成分，从该数据可以预测排放气体的成分。例如，通过监控用于向处理腔室提供气体的一个或者多个可变流控制器件可以得到表示气体成分变化的数据。可以检测用于向处理腔室提供气体的一个或者多个阀门的打开和闭合，和/或例如通过监控提供给这些器件的信号，可以检测用于控制向处理腔室提供气体的速率的一个或者多个质流控制器的传导性。
为了确定所产生微波的最佳功率，例如通过增加和随后减小所产生微波能量的功率，可以执行控制序列，其中所产生的微波的功率是变化的。当该功率变化时，可以监控检测器的输出以及根据监控的输出确定最佳功率。例如，可以如上所述确定最佳功率，其中反射功率随着产生的微波能量的功率的增加而迅速增加。
该设备尤其适用于处理从多个处理腔室排放的气体流，因此在第二方面，本发明提供了一种用于处理从多个处理腔室排放的气体的微波等离子体消除设备，该设备包括微波发生器、波导，该波导用于将来自微波发生器的微波能量传送到接收所述气体的气体腔室，并且在该腔室中使用微波能量产生等离子体、检测器，该检测器用于检测在气体腔室内对所述气体处理过程中没有在气体腔室内吸收的微波能量的量，和控制器，该控制器用于根据来自检测器的输出调节微波发生器产生的微波能量的功率。
在第三方面，本发明提供了一种操作微波等离子体消除设备的方法，该设备包括微波发生器和气体腔室，该气体腔室用于接收来自微波发生器的微波能量并在其中利用微波能量产生等离子体，该方法包括下述步骤：监控没有在气体腔室内被吸收的微波能量的量，并根据没有吸收的微波能量的量调节微波发生器产生的微波能量的功率。
在第四方面，本发明提供了一种处理气体流的方法，包括将气体流传送到气体腔室、向气体腔室提供微波能量以在气体腔室内产生等离子体、检测没有在气体腔室内吸收的微波能量的量，和根据没有吸收的微波能量的量调节提供给气体腔室的微波能量的功率。
上述关于本发明的设备方面的特征同样可应用于方法方面中，反之亦然。
【附图说明】
现在将参考附图描述本发明的优选特征，其中：
图1示意性地示出了用于处理从多个处理腔室排放的气体的设备；以及
图2示意性地示出了适用于图1的设备的微波等离子体消除设备的实施例。
【具体实施方式】
首先参考图1，处理工具包括多个处理腔室10，每一个处理腔室用于处理例如半导体器件、平板显示器或者太阳能电池板器件。每个处理腔室10接收用于在腔室10内执行处理的各种工艺气体(process gas)。例如，可以提供用于执行金属刻蚀工艺的三氯化硼和氯气，可以提供执行LPCVD工艺的氨和二氯甲硅烷，以及提供用于刻蚀多晶硅的溴化氢和氯气的源。通过向用于控制向腔室提供工艺气体速率的阀和其它流量控制器件(未示出)提供控制信号，处理工具控制向腔室10提供工艺气体。
通过相应的泵系统从每个腔室10的出口处汲取(draw)排放气体。在腔室10内的处理过程中，将仅仅消耗掉一部分工艺气体，因此排放气体将包含提供给腔室的工艺气体，以及在腔室内处理的副产物的混合物。每个泵系统可以包括次级泵(secondary pump)12，通常是涡轮分子泵或者Roots增压泵，用于从腔室汲取排放气体。涡轮分子泵可以在腔室10中产生至少10-3mbar的真空。通常在大约1mbar的压力下从涡轮分子泵排出气体，因此泵系统还包括初级的或者前级泵14，用于从涡轮分子泵12接收排放气体并且将气体的压力升高到大约大气压力的压力。
LPCVD和金属刻蚀工艺可能导致作为工艺副产物的可凝结物质的产生，并且在存在湿气时HBr可能腐蚀不锈钢。为了抑制前级泵14内这些物质的凝结，并清扫任何腐蚀气体的泵的容积，从其源16将氮或者氩净化气体提供给每个泵14的一个或者多个净化端口18，泵14用于汲取从腔室10排放的气体。可选地或者另外地，可以将净化气体添加到在泵14的排气口的排放气体中，净化气体反流回泵14中，和/或提供给泵14的密封装置。
除了工艺气体之外，周期性地将清洗气体从其适当的源提供给腔室10。这些清洗气体通常是包含氟的气体，例如F2或者全氟化物，例如CF4、NF3或者SF6。鉴于其它原因，例如为了对诸如形成在半导体衬底上的材料中触点、通孔和沟道的之类开口进行等离子体刻蚀，还可以将全氟化物传送到腔室10。通过向阀或者其它可变流控制器件发出适当的控制信号，处理工具控制清洗气体的提供.
已知没有消耗的全氟清洗气体具有相对高的温室活性，因此在将从泵14排放的气体流排到大气之前，将气体流混合并传送到消除设备20，以将温室气体转化成例如通过湿法或者干法洗涤器22可以容易从气体中去除掉，和/或可以被安全地排放到大气中的物质。
重要的是，消除设备20能够以很高的破坏速率效率破坏温室气体，因此通过微波等离子体消除设备提供了消除设备20。在图2中更具体地示出了这种设备。该设备包括微波发生器30、电源32、波导34、气体腔室36和短路电路38。微波发生器30是能够在接近2.45GHz的频率输出125到6000瓦特的磁控管。电源32向微波发生器30提供电能用于产生微波能量，该能量通过微波发生器30提供给波导34。波导34将微波能量传送给气体腔室36。根据空间限制，波导34可以包括一个或者多个弯曲的部分(未示出)。如图2所示，波导34包括用于去除在波导34内反过来朝着微波发生器30行进的微波的波导隔离器40。如所知的，隔离器40利用磁场将这些微波重新导向仿真负载(dummy load)，仿真负载被设置为吸收重新导向的微波。
短路电路38在气体腔室36的相对侧上提供波导34的延伸。短路电路38包括由端板部分限定的腔室，放置该端板使得通过该端板反射入射的微波辐射，以在气体腔室36内形成电磁驻波。因此气体腔室36提供了微波谐振腔。短路电路38还可以包括调谐短路电路38的调谐器。可以通过将短螺杆(stub screw)旋到短路电路38的上表面中来提供该调谐器，使得螺杆的主体延伸到基本上垂直于微波辐射通过腔室的传播方向的短路电路的腔室中。通过旋转螺杆的头，可以在腔室内升高或者降低螺杆的端部，以调谐短路电路38。还可以在波导34内，在气体腔室36和隔离器40之间提供一个或者多个类似的调谐器。
气体腔室36具有用于接收混合气体流的气体入口端42，和气体出口端44，从该出口端将处理的气体流从气体腔室朝着洗涤器22排放。可以设置气体入口端42，使得气体基本上切向地进入气体腔室36，使气体在气体腔室36中向内朝着气体腔室36的中心涡旋。在这种情况中，气体出口端44形成在气体腔室的基部，优选地和气体腔室36共轴。在从两个或者更多处理腔室10排放的气体流化学不相容的情况中，气体腔室36可以配备有一个或者多个附加的入口端，每个入口端都用于直接接收来自于各个处理腔室10的泵系统的气体流，使得可以单独地将不相容气体传送到气体腔室36。
气体腔室36可以包括一个或者多个电极，用于增强由微波辐射在气体腔室36中产生的电场。根据传送到气体腔室36的微波能量的功率，在气体腔室36内产生的电场的强度可能不足以在气体腔室36内将经过气体腔室36的气体引燃成等离子体。因此，气体腔室36可以包括用于在启动期间触发(strike)等离子体的引燃器件。在等离子体内密集条件下，流过气体腔室36的气体内的物质经受导致分解成活性反应组分的高能电子的冲击。这些活性反应组分可以和或者在气体腔室36的上游或者在气体腔室36内部添加到气体流的H2或者H2O组合在一起，产生相对稳定的副产物。
当不使用处理腔室10时，通常的做法是减小用于排空该处理腔室的泵12、14的速度，和减小提供给前级泵1 4的净化气体的量，以节约成本。如图1所示，提供了用于调节提供给前级泵14的净化气体的量的控制系统。在所示的实施例中，通过净化气体控制器50提供控制系统，该净化气体控制器50可以从处理工具或者指示将要或者已经减速的泵12、14的主计算机接收数据。响应于该数据，净化气体控制器50向阀52或者其它可变流控制器件输出适当的控制信号，以调节提供给一个或者多个前级泵14的净化气体量，在该例子中根据接收到的数据通过改变净化气体的流速来进行调节。
当提供给一个或者多个泵12、14的净化气体减少时，通过气体腔室36的总质量流速也减少了。在气体腔室36内吸收的微波功率的量尤其依赖于通过气体腔室36的气体的质量流速，因此当质量流速减小时，在气体腔室36内吸收的微波功率的量也减少了。没有在气体腔室36内吸收的任何微波功率不仅是浪费的，而且可能导致气体腔室36的过热，并且其中在不存在隔离器的情况下，朝着微波发生器30反射回的微波辐射可能破坏消除设备20。
鉴于此，消除设备包括用于监控没有在气体腔室36内吸收的微波能量的量的装置。在该实施例中，该设备包括用于检测从气体腔室36朝着微波发生器30反射回的微波能量的功率的检测器60。如图2所示，检测器60可以放置在波导隔离器40中。检测器60输出指示到控制62的检测功率的信号。该信号可以连续地、周期地或者响应控制器62发出的命令输出。根据接收到的信号，控制器62向微波发生器30输出控制信号，以调节产生的微波能量的功率。例如，在反射功率已经增加的情况中，控制器62优选向微波发生器62发出适当的控制信号，以减小产生的微波的功率，直到从检测器60接收到的信号指示反射的功率处于预定值或者低于预定值。以这种方式，可以将消除设备20的破坏和去除效率维持在预定水平或者高于预定水平，同时最小化产生的微波的功率。
显然希望消除设备20的破坏和消除效率在任何时候基本上都保持在预定水平或者高于预定水平。因此，当一个或者多个处理腔室被回用，流过气体腔室36的气体的质量流速随后再次增大时，产生的微波的功率足以维持所需的破坏和去除效率非常重要。鉴于此，可以将控制器62配置成周期性地确定微波发生器30产生的微波的最佳功率。这可以利用相对简单的控制程序来实现，其中控制器62控制微波发生器30首先增加微波能量的功率，然后将功率降低回当前水平。当微波功率变化时控制器62监控检测器60的输出。根据该输出，控制器60可以确定来自气体腔室36的反射功率开始快速增大的微波功率的值，表示在该值之上没有在气体腔室36内吸收的微波能量的量有显著增加。然后控制器62命令微波发生器30产生该功率的微波。
可以周期性地启动该控制程序，和/或响应于由控制器62从净化气体控制器50接收到的信号来启动该控制程序，所述信号指示添加到从处理腔室10排放的气体的净化气体的量已经变化。可选地，或者另外地，可以响应于从监控气体腔室36内的压力的压力传感器接收到的信号，和/或响应于从处理工具的控制器接收到的表示提供给处理腔室10的气体的成分变化的信号启动该控制程序。可选地，控制器62可以和处理工具的控制器隔离，在该情况下可以通过监控用于控制提供给处理腔室的气体的阀和其它流控制器件的状态获得表示提供给处理腔室的气体的成分变化的数据。