DE602004007126T2

DE602004007126T2 - Vorrichtung und verfahren zur bildung eines plasmas

Info

Publication number: DE602004007126T2
Application number: DE602004007126T
Authority: DE
Inventors: Andrew James Seeley
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2024-04-17
Also published as: EP1786245A2; TWI400010B; KR101107832B1; EP1786245B1; DE602004007126D1; EP1786245A3; GB0309932D0; CN1781345A; JP2006525111A; KR20110027855A; WO2004098246A1; TW200507700A; KR101107819B1; CN100417308C; KR20060008924A; EP1618767B1; ATE365441T1; JP5039381B2; US8685332B2; SG181176A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Plasmaquellen. Insbesondere stellt die Erfindung in Plasmavernichtungssystemen brauchbare Ausführungsformen bereit, obwohl die Erfindung nicht auf solche Systeme beschränkt ist.
Ein stabiles Plasma erfordert die Existenz gewisser physikalischer Bedingungen. Jedoch braucht selbst, wenn solche Bedingungen existieren, ein Plasma nicht spontan zu zünden. Beispiele dieses Phänomens sind gut bekannt; beispielsweise erfordern atmosphärische Lichtbogenschweißgeräte einen "RF-Start". Eine andere bekannte Plasmazündtechnik arbeitet mit einem "Funken"-Zünder unter Verwendung einer Tesla-Spule. Jedoch bedingen diese beiden Techniken die Verwendung metallischer Komponenten in der Plasmareaktionskammer, was nachteilig sein kann. Im Falle von Mikrowellen-gepumpten Systemen hat sich gezeigt, dass solche Metallkomponenten das Plasma "erden" und es instabil machen.
Andere, zum Zünden eines Plasmas benutzte Verfahren umfassen die Druckabsenkung des Gases, aus welchem das Plasma gebildet werden soll, und das Einleiten von Argon, Helium oder irgendeinem anderen Gas oder von Gasen, die leichter zu ionisieren sind als das Hauptplasmagas.
Es ist besonders wichtig, in einem Mikrowellen-Plasma eine zuverlässige Zündung zu erzeugen. Beim Bilden eines solchen Plasmas werden Mikrowellen im allgemeinen durch ein Magnetron erzeugt und entlang eines Wellenleiters zum Plasma übertragen, wo ihre Energie durch das Plasma absorbiert wird, typischerweise in einer Anordnung mit stehender Welle. Wenn jedoch das Plasma nicht gezündet wird (das heißt es ist kein Plasma vorhanden, sondern nur Gas), wird nur wenig Energie absorbiert, und bei der Anordnung mit stehender Welle wird eine beträchtliche Menge der einfallenden Energie zurück zum Magnetron reflektiert, was dessen Standzeit stark verkürzen kann. Solche Rückreflexionen können durch Einbau eines Einbahn-Zirkulators oder "Ventils" in der Mikrowellenübertragungsleitung reduziert werden, aber eine solche Anordnung trägt zu den Kosten des Geräts bei. Deshalb ist ein Verfahren zum zuverlässigen Zünden eines Mikrowellen-Plasmas wünschenswert.
Die Plasmazerstörung ist zu einem weit verbreiteten Verfahren der Eliminierung von Abgasen aus Fertigungsprozessen geworden und findet eine besondere Anwendung bei der Zerstörung von perhalogenierten Verbindungen, insbesondere perfluorinierten Verbindungen (PFCs).
PFCs werden üblicherweise in der Halbleiterfertigungsindustrie verwendet, beispielsweise beim Ätzen von dielektrischen Filmen, und nach dem Fertigungsprozess ist typischerweise ein Rest-PFC-Gehalt in Abgasen enthalten. Die PFCs sind schwer aus dem Abgas abzuscheiden. Ihre Freisetzung in die Umgebung ist unerwünscht, da sie bekanntermaßen eine hohe Treibhausaktivität haben. Eine Vielfalt von Zerstörungsverfahren sind bisher schon verwendet worden, beispielsweise Verbrennung, reaktive Adsorption, und katalytische Oxidation. Das Ziel der Zerstörung ist die Umwandlung des PFC in eine oder mehrer Verbindungen, die zweckmäßig entsorgt werden könne, beispielsweise durch herkömmliches Waschen.
Die Plasmazerstörung hat sich als ein effektives Verfahren zum Abbau von PFCs in weniger schädliche Spezien erwiesen. Bei dem Plasmazerstörungsverfahren lässt man ein die zu zerstörenden Spezien enthaltendes Abgas in ein hochdichtes Plasma strömen und unter den intensiven Bedingungen innerhalb des Plasmas werden die PFCs zusammen gestoßen mit energiereichen Elektronen ausgesetzt, welche die Dissoziierung in reaktive Spezien bewirken, die sich mit Sauerstoff oder Wasserstoff kombinieren können, um relativ stabile Produkte mit niedrigem Molekulargewicht, beispielsweise Co, Co₂ und HF, zu erzeugen, die dann in einem weiteren Behandlungsschritt abgeschieden werden können. Bei einer Form einer bisher bekannten Plasmavernichtung ist das Plasma ein Mikrowellen-Plasma. Es ist auch bekannt, ein Radiofrequenz-Plasma zu verwenden.
Eine für die Verwendung bei der Mikrowellen-Plasmavernichtung geeignetes Gerät ist in der UK-Patentbeschreibung GB 2 273 027 A beschrieben. Bei diesem Gerät wird das Mikrowellen-Plasma zwischen zwei Elektroden erzeugt, die einander nahe gegenüber angeordnet sind. Die in der GB 2 273 027 A gezeigte Anordnung ist selbststartend. Die Anordnung in der GB 2 273 027 A leidet aber an einem relativ hohem Maß an Korrosion der Elektroden durch die Reaktionsprodukte.
Die US 2002/0 101 162 beschreibt einen Mikrowellen-Plasmagenerator, der durch einen Funken von einer Tesla-Spule gezündet wird.
Die RU 1 568 805 beschreibt ein Gerät zur Mikrowellen-Plasmabehandlung von Materialien, bei denen durch Mikrowellenbestrahlung aktiviertes Gas in eine Reaktionskammer eintritt, um mit einem zu behandelnden Gas in Berührung zu kommen.
Die US 2003/0 000 823 beschreibt einen Mikrowellen-Plasmagenerator unter atmosphärischem Druck, der durch eine in einem Keramikrohr gehaltene Wolframelektrode gezündet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die anliegenden Ansprüche definiert ist, ist eine Einrichtung zum Bilden eines Plasmas zur Behandlung eines Gases vorgesehen, das Mittel zum Erzeugen eines ionisierten Fluidstroms aus einem anderen Fluid als dem durch das Plasma zu behandelnden Gas zum Zünden des Plasmas, und eine zum Aufrechterhalten des Plasmas angeordnete Struktur aufweist, wobei die Plasma-aufrechterhaltende Struktur so angeordnet ist, dass sie sich während der Plasmabildung auf im wesentlichen atmosphärischem Druck befindet.
Die Erfinder haben gezeigt, dass das Vorsehen eines ionisierten Fluidstroms, beispielsweise eine Glimmentladungsquelle, eine effektive Zündung eines Plasmas erlaubt, wo die elektrischen Feldbedingungen in der Plasma-aufrechterhaltenden Struktur so sind, dass das Plasma nicht oder nicht zuverlässig selbst starten kann.
Die Plasma-aufrechterhaltende Struktur ist so angeordnet, dass sie sich während der Plasmabildung im wesentlichen auf atmosphärischem Druck befindet. Eine beträchtliche Vereinfachung der Einrichtung kann resultieren, wenn es nicht notwendig ist, die Plasmaaufrechterhaltende Struktur auf einem anderen als atmosphärischem Druck zu halten.
Wie oben erwähnt, kann die Plasma-aufrechterhaltende Struktur so angeordnet sein, dass sie elektromagnetische Strahlung beim Aufrechterhalten des Plasmas verwendet. Daher kann die Plasma-aufrechterhaltende Struktur eine Quelle der elektromagnetischen Strahlung aufweisen, oder sie kann für den Anschluss an eine Quelle der elektromagnetischen Strahlung geeignet sein. Die elektromagnetische Strahlung kann eine Mikrowellen- oder Radiofrequenzstrahlung sein; Mikrowellen- und Radiofrequenz-Plasmen sind bei Plasmavernichtungssystemen vom besonderen Interesse, wie oben erörtert. Die Strahlung kann beispielsweise eine Frequenz von etwa 580 kHz, 13,56 MHz, 27 MHz, 915 MHz oder 2,45 GHz haben (herkömmliche Geräte arbeiten ungefähr auf diesen Frequenzen). Die Plasma-aufrechterhaltende Struktur kann eine Kammer aufweisen, die bei der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung resonant ist. Die Verwendung eines resonanten Hohlraums kann zur Bildung einer elektromagnetischen stehenden Welle führen, die eine lokalisierte Verstärkung der elektromagnetischen Feldstärke bewirkt, insbesondere in der Nähe des Knotens oder der Knoten der stehenden Welle.
Die Plasma-aufrechterhaltende Struktur kann für eine Kammer aufweisen, die mit einer Strömung eines durch das Plasma zu behandelnden Gases verbindbar ist.
Die Plasma-aufrechterhaltende Struktur kann mindestens eine Plasma-lokalisierende Elektrode aufweisen. Durch Lokalisieren des Plasmas auf einen relativ beschränkten Bereich in der Plasma-aufrechterhaltenden Struktur kann ein Druckabfall erhalten werden, der ein schnelleres Zünden und Aufrechterhalten des Plasmas ermöglicht. Die Plasma-lokalisierende Elektrode kann zugespitzt sein; eine zugespitzte Elektrode verstärkt das elektrische Feld in deren Nähe. Die Plasma-lokalisierende Elektrode kann an oder nahe eines Knotens einer stehenden elektromagnetischen Welle angeordnet sein. Die Plasma-aufrechterhaltende Struktur kann zwei Plasma-lokalisierende Elektroden haben. Wie oben erwähnt, wird bei gewissen bekannten Plasmareaktoren, beispielsweise dem in der GB 2 273 027 A beschriebenen, das Plasma zwischen gegenüberliegenden Elektroden lokalisiert. Das Plasma wird mittels des elektrischen Felds zwischen den Elektroden aufrecht erhalten, das eine den einfallenden elektromagnetischen Wellen zuordenbare Komponente und eine dem Plasma zuordenbare Komponente bei der zuvor bekannten Anordnung wurde es als vorteilhaft angesehen, die Elektroden nahe beieinander zu haben, beispielsweise mit einem Abstand von 0,1 bis 0,5 mm. Es wurde nun festgestellt, dass die Plasmastabilität vergrößert und die Erosion der Elektroden durch die korrosiven Nebenprodukte der Plasmareaktion durch Vergrößern des Abstands zwischen den Elektroden verringert werden können. Daher können bei manchen Ausführungsformen die Plasma-lokalisierenden Elektroden erste und zweite Elektroden umfassen, die einander gegenüberliegend angeordnet und voneinander durch einen Abstand von mindestens 1mm, beispielsweise zwischen 2 mm und 8 mm beabstandet sind.
Eine Konsequenz der Vergrößerung des Abstands zwischen den Elektroden liegt darin, dass bei einer gegebenen angelegten Leistung die Stärke des Felds zwischen den Elektroden verringert wird. Als Ergebnis können die Bedingungen für eine zuverlässige anfängliche Bildung des Plasmas nicht mehr existieren.
Die oben erwähnte Einrichtung bietet die Möglichkeit des Betriebs unter Bedingungen, die hinsichtlich Plasmastabilität und Korrosionsreduzierung günstig sind, während trotzdem eine effektive Zündung des Plasmas bereitgestellt wird, die sonst unter solchen Betriebsbedingungen nicht oder nicht zuverlässig erreichbar wäre. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass durch Beseitigen der Notwendigkeit eng beabstandeter Elektroden größere Quellen vorgesehen sein können, die höhere Gasdurchsatzraten handhaben können.
Die Plasma-lokalisierende(n) Elektrode(n) kann/können auf elektrische Masse gelegt sein. Das Plasma und die einfallende elektromagnetische Strahlung können daher auf einem wesentlich verschiedenen Potenzial von demjenigen der Plasma-lokalisierenden Elektrode(n) liegen.
Wie oben erwähnt, ist der ionisierte Fluidstrom vorzugsweise eine Glimmentladung. Bekanntermaßen ist eine Glimmentladung ein leuchtendes thermisches Plasma. Es wird durch Anlegen einer Spannung an ein Gas gebildet, die größer als die Durchbruchspannung des Gases ist. Nachdem eine Glimmentladung erzeugt worden ist, ist die zu deren Aufrechterhaltung erforderliche Spannung im allgemeinen niedrigerer als die Durchbruchspannung. Die Quelle der Glimmentladung kann eine Glimmentladungselektrode zur Bildung der Glimmentladung aufweisen. Die Glimmentladungsquelle kann eine Verbindung mit einer Quelle von Glimmentladungsgas (das ist ein Gas, in welchem die Glimmentladung gebildet wird) aufweisen oder dafür geeignet sein. Das Glimmentladungsgas kann Stickstoff oder ein Edelgas oder irgendein anderes im wesentlichen inertes und ionisierbares Gas sein. Das Gas zur Bildung des Plasmas kann beispielsweise ein Abgas aus einem Herstellungsprozess sein.
Die Glimmentladungselektrode kann länglich sein.
Die Glimmentladungsquelle kann eine Schaltung zum Erzeugen einer ausreichend hohen Spannung zum Initiieren der Glimmentladung und eine Schaltung zum Bereitstellen eines ausreichenden Stroms zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung während mindestens etwa 0,1 Sekunden umfassen. Die Glimmentladungsquelle kann so angeordnet sein, dass die Erzeugung der Glimmentladung aufhört, nachdem das Plasma gezündet ist; daher kann die Glimmentladungsquelle z. B. so ausgelegt sein, dass sie eine Glimmentladung für bis zu 10 Sekunden oder z. B. bis zu 5 Sekunden, beispielsweise von 1 bis 5 Sekunden, erzeugt.
Die Glimmentladungselektrode kann so ausgelegt sein, dass sie zur Plasma-aufrechterhaltenden Struktur entlädt, die auf elektrischer Masse liegen kann. Die Glimmentladungselektrode kann so angeordnet sein, dass sie im Betrieb in dem Glimmentladungsgasstrom stromauf der Plasma-aufrechterhaltenden Struktur liegt, so dass die Glimmentladung durch das Glimmentladungsgas in die Plasma-aufrechterhaltende Struktur transportiert wird. Ein besonderer Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass die Glimmentladungselektrode daher von Bereichen der Einrichtung entfernt angeordnet werden kann, die sehr heiß und möglicherweise reaktiv sind. Die Standzeit der Elektrode kann beträchtlich verlängert werden, in dem sie aus solchen Bereichen herausgehalten wird.
Die Glimmentladungsquelle kann eine Kammer von im wesentlichen zylindrischer Form umfassen, die einen Einlass zum Einleiten des Glimmentladungsgases in die Kammer im wesentlichen tangential aufweist.
Wie oben angedeutet, wird es bevorzugt, dass das Plasma durch eine Glimmentladung gezündet wird. Jedoch kann irgendein geeigneter ionisierter Fluidstrom zum Zünden des Plasmas benutzt werden. Bei manchen Ausführungsformen kann es möglich sein, diesen ionisierten Gasstrom durch eine andere Entladung als eine Glimmentladung zu erzeugen, beispielsweise durch eine Koronaentladung oder eine Lichtbogenentladung. Mindestens einige der oben beschriebenen Merkmale im Zusammenhang mit einer auf Glimmentladung basierenden Einrichtung können auch zur Verwendung in einem System geeignet sein, das mit einem anderen geeigneten ionisierten Gasstrom arbeitet.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zum Bilden eines Plasmas zur Behandlung eines Gases, welches das Erzeugen eines ionisierten Fluidstroms zum Zünden des Plasmas aus einem von dem durch das Plasma zu behandelnden Gas verschiedenen Fluid, und das Zuführen elektromagnetischer Strahlung zur Aufrechterhaltung des Plasmas umfasst, wobei das Plasma auf im wesentlichen atmosphärischem Druck gebildet wird.
Das Verfahren kann das Erzeugen des ionisierten Fluidstroms an einer ersten Stelle und das Transportieren des Stroms an eine zweite Stelle umfassen, wo er das Plasma zündet. Das Plasma wird vorzugsweise in einer Kammer erzeugt, die bei der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung resonant ist. Das Fluid ist vorzugsweise von einer anderen Zusammensetzung als das durch das Plasma zu behandelnde Gas. Der ionisierte Fluidstrom ist vorzugsweise eine Glimmentladung.
Das Gas kann ein Abgasstrom aus einem Halbleiterfertigungsprozesswerkzeug sein. Der Abgasfluidstrom kann eine perfluorinierte oder Hydrofluorkarbon-Verbindung enthalten, z. B. eine von CF₄, C₂, F₆, CHF₃, C₃, F₈, C₄, F₈, NF₃ und SF₆.
Eine erläuternde Ausführungsform der Erfindung wird nun im einzelnen lediglich beispielshalber unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnungen im einzelnen beschrieben, in denen:
1 ein Strömungsdiagramm eines Vernichtungssystems mit einem Mikrowellenplasmareaktor nach der Erfindung zeigt,
2 einen Vertikalschnitt durch den Reaktor nach 1 zeigt,
3 einen Vertikalschnitt durch eine Glimmentladungs-Zündelektrodenbaugruppe zeigt, die in den Reaktor nach 2 einbezogen ist, und
4 ein Schaltbild einer Schaltung zeigt, die bei einer Zündelelektrode des Reaktors nach 2 zu verwenden ist.
Gemäß 1 weist ein Vernichtungssystem einen Mikrowellen-Plasmareaktor 1 auf, mit welchem über einen Wellenleiter 3 eine Mikrowellenzufuhr 2 und eine Energiezufuhr 4 verbunden ist. Zu behandelndes Gas, das Abgas oder Perfluorkarbone und gegebenenfalls ein zugesetztes Inertgas enthalten kann, wird zum Reaktor 1 zugeführt, wie durch den Pfeil A gezeigt. Behandeltes Gas einschließlich Zersetzungsprodukten verlasst den Reaktor 1, wie durch den Pfeil B gezeigt, und wird anschließend Behandlungen beispielsweise durch Waschen unterzogen.
Gemäß 2 hat der Reaktor ein leitfähiges Gehäuse 5, innerhalb dessen eine zylindrische Wand (in der Zeichnung nicht dargestellt) aus einem Material angeordnet ist, das für Mikrowellen durchlässig ist und eine Kammer 6 bildet. Das leitfähige Gehäuse 5 ist mit dem Wellenleiter 3 (in 2 nicht gezeigt) verbunden und hat eine Bodenwand 7, in welcher eine Öffnung 8 vorhanden ist, die mit einem Auslassrohr 9 für das behandelte Gas in Verbindung steht. In der Öffnung 8 ist eine erste Plasma-lokalisierende Elektrode 10 aufgenommen, die aus einem rohrförmigen Bauteil besteht, das an seinem oberen Ende einen leitenden Flansch 11 aufweist, der die Elektrode 10 innerhalb einer Aussparung in der Bodenwand 7 lokalisiert. Die Elektrode 10 wird mittels einer Mutter 12, in ihrer Position gesichert, die auf das untere Ende der Elektrode 10 aufschraubbar ist.
Der obere Teil des Gehäuses 5 ist durch einen Deckel 13 verschlossen, der eine mittige Bohrung 14 bildet, in welcher ein zylindrisches Gehäuse 18 aufgenommen wird. Eine zweite Plasma-lokalisierende Elektrode 16 wird in einem Ende 17 des Gehäuses 18 aufgenommen und ist koaxial mit der Elektrode 16 angeordnet. Die Elektrodenbaugruppe 16 ist ein Hohlzylinder, welcher der Elektrode 10 gegenüberliegend angeordnet ist, so dass die Elektroden 10 und 16 ein Plasma-lokalisierendes Elektrodenpaar bilden.
Ein Flansch 24 der Glimmentladungs-Elektrodenbaugruppe 15 passt mit dem Gehäuse 18 zusammen, so dass die Glimmentladungselektrodenbaugruppe 15 auf dem Gehäuse 18 sitzt. Die Baugruppe 15, das Gehäuse 18 und die Elektrode 16 bilden eine zweite Kammer 19, die mit der Kammer 6 über die Elektrode 16 in Verbindung steht. Konzentrisch innerhalb des Gehäuses 18 ist eine Glimmentladungselektrode 20 zum Plasmazünden angeordnet, welche die Form einer Hochspannungselektrode mit einem zugespitzten Ende 21 hat, das zu den Elektroden 16 und 10 hinzeigt, aber davon beabstandet ist. Die Zündelektrode bildet einen ionisierten Fluidstrom, der in dieser Ausführungsform die Form einer Glimmentladung hat. In einem oberen Bereich der Kammer 19 ist ein Einlass 22 für eine Strömung von Glimmentladungsgas angeordnet. Der Einlass 22 ist tangential mit Bezug auf die Kammer 19 angeordnet, um die Bildung eines schraubenlinienförmigen Strömungs- Pfads um die Elektrode 20 etwa abwärts zur Elektrode 16 hin zu begünstigen. Die Elektrodenbaugruppe 15 ist über einen Verbinder 23 an eine Stromquelle angeschlossen.
Die Baugruppe 15 ist in 3 mehr im einzelnen gezeigt, wonach sie ein Gehäuse 27 aufweist. Das Gehäuse 27 ist eine zylindrische Wand mit einer Öffnung an ihrem unteren Ende. In der Anordnung nach 2 ist das Gehäuse 27 durch das Gehäuse 18 ersetzt, das einen Teil des Plasmareaktors bildet und die Reaktorelektrode 16 enthält, zu welcher die Elektrode 20 entlädt. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung ist die Baugruppe 15 in einen herkömmlichen Reaktor oder eine sonstige Plasma-aufrechterhaltende Struktur eingesetzt. In solchen Fällen kann es erforderlich sein, dass das Gehäuse 27 die Strömung von Entladungsgas leitet oder eine Oberfläche bildet, gegen welche die Elektrode 20 entladen kann.
Während des normalen Gebrauchs des Reaktors nach 2 wird zu behandelndes Gas durch einen Einlass (nicht dargestellt) in die Kammer 6 gepumpt, gelangt zwischen den Elektroden 10 und 16 hindurch, und verlässt die Kammer 6 durch das Auslassrohr 9.
Elektromagnetische Strahlung mit Mikrowellenfrequenz wird von einem Magnetron über einen Wellenleiter in die Kammer 6 eingeleitet, der an einer ersten Seite an die Kammer 6 anstößt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Kammer 6 enthält ein Fortsatz des Wellenleiters eine bewegliche Stirnplatte, die so eingestellt ist, dass die Bildung einer stehenden Welle durch die einfallenden Mikrowellen bewirkt wird. Die Platte wird so eingestellt, dass die stehende Welle sich mit einem Knoten an den Elektroden 10 und 16 bildet. Ein solches Verfahren zum Zuführen von Mikrowellen in eine Kammer ist im Stand der Technik gut bekannt.
Die Elektroden 10, 16 liegen auf elektrischer Masse. Sie sind um 5mm voneinander beabstandet. Im normalen Betrieb dienen die Elektroden 10, 16 zum Lokalisieren oder Beschränken eines Plasmas, das aus dem zu behandelnden Gas gebildet wird. Wenn das Plasma am Knoten der stehenden Mikrowellen-Welle lokalisiert wird, wird Energie effizient aus dem Mikrowellenfeld in das Plasma eingekoppelt.
Die Bildung eines stabilen Plasmas in Stickstoff (das Kohlenstofftetrafluorid zur Verarbeitung enthält), das mit 20 Liter pro Minute strömt, erfordert 1kW bis 2kW Mikrowellen energie. Jedoch ist der Abstand der Elektroden 10, 16 zu groß für das in ein Plasma zu zündende Gas allein durch die einfallende Mikrowellenenergie. Die Glimmentladungsquelle 15 dient als Plasmabrenner und stellt eine Glimmentladung zum Zünden des Plasmas bereit, wie unten beschrieben. Nach dem Zünden wird das Plasma durch die im Gehäuse 5 und insbesondere in der Nähe der Elektroden 10, 16 herrschenden Bedingungen aufrechterhalten.
Ein innertes ionisierbares Gas (in diesem Beispiel Stickstoff) strömt durch den Einlass 22 der Baugruppe 15 in die Kammer 19. Eine Glimmentladung wird in diesem Gas wie folgt gebildet.
Eine Hochspannungs-Hochstrom-Quelle (in diesem Beispiel der in 4 gezeigte Kondensator 64) ist permanent an die Elektrode 20 angeschlossen. Wenn jedoch kein leitfähiger Pfad nach Masse existiert, kann aus dieser Quelle kein signifikanter Strom fließen. Während der Zündung des Plasmas wird eine hohe Spannung vorübergehend an die Elektrode 20 angelegt. Die hohe Spannung resultiert in einer corona Entladung durch das Stickstoffgas vom Ende 21 der Elektrode 20 zu einem proximalen Teil der Elektrode 16 hin. Diese Koronaentladung bildet einen Pfad, durch welchen ein großer Strom von der Niederspannungsquelle nach Masse fließen kann. Das Fließen des großen Stroms bedingt die Bildung einer Glimmentladung in dem Stickstoff.
Die so gebildete Glimmentladung wird von der Gasströmung aus der Kammer 19 durch die Elektrode 16 in die Kammer 6 bewegt. Von der Quelle 2 erhaltene Mikrowellen (durch den Pfeil C angedeutet) können effizient in die Glimmentladung einkoppeln, und in typischer Weise weniger als einer Sekunde zündet das Plasma, was zu einem stabilen Mikrowellenplasma führt, das mittels der Mikrowellenquelle und den Elektroden 10 und 16 aufrechterhalten werden kann, nachdem die Stromzufuhr zur Elektrode 20 abgeschaltet worden ist (typischerweise nach etwa drei Sekunden).
Wir haben gefunden, dass, um das Plasma zu zünden, die momentane Energie der Glimmentladung ähnlich wie die zum Unterhalten des Plasmas erforderliche Energie sein sollte, das heißt bei einem Strömungsdurchsatz von 20 Liter pro Minute Stickstoff in der Kammer 6 im Bereich von 1kW bis 2kW liegen sollte.
Daher resultiert das Mikrowellen-Plasma aus einer Gasentladung, die durch ein elektromagnetisches Feld aufrechterhalten wird; die Bedingungen für seine Aufrechterhaltung werden durch die Eigenschaften der geladenen Teilchen und Energieverlustmechanismen bestimmt.
Ein geeigneter Kondensatorentladungskreis zum Zuführen einer hohen Spannung und eines Niederspannungs-Gleichstroms zur Elektrode 20 ist in 4 gezeigt.
Ein Hochspannungstransformator 50 (5kV) ist mit einem Zünder 70 verbunden, der die Elektrode 20 und die Elektrode 16 enthält. Die Verbindung zur Elektrode 20 erfolgt über eine Halbwellen-Gleichrichterdiode 51. Eine Diode 52 bildet einen Strompfad für die Entladung während desjenigen Teils des Wechselstromzyklus des Transformators 50, wenn der Strom sich in der falschen Richtung für die Entladung durch die Elektrode 20 befindet.
Ein Niederspannungstransformator 60 (240V) ist ebenfalls an den Zünder 70 angeschlossen. Der Transformator 60 ist mit einer Vollwellen-Gleichrichterbrücke 61 und einem Widerstand 62 von 330 Ω und einem Widerstand 63 von 4,7 kΩ verbunden. Der Widerstand 63 liegt parallel mit einem Kondensator 64 von 10.000 μF und über eine Bank von Dioden 65, denen jeweils ein Schutzwiderstand 66 von 330 Ω zugeordnet ist, mit der Elektrode 20 verbunden. Der 330-Ω-Widerstand 62 begrenzt den vom Transformator 60 gezogenen Strom und überbrückt den Gleichrichter 61 während des Aufladens des Kondensators 64. Der 4,7-kΩ-Widerstand 63 bildet einen langsamen Entladungspfad für den Kondensator 64. Der Widerstand 63, der Kondensator 64 und die Diode 52 sind jeweils an den 0-V-Anschluss des Transformators 50 und die Elektrode 16 des Zünders 70 angeschlossen, wie alle auf Masse liegen.
Vor der Zündung wird eine große Ladung im Kondensator 64 aufgebaut, da er sich nicht über den Zünder 70 entladen kann, weil die Elektroden 20 und 16 nicht angeschlossen sind. Während der Zündung erzeugt der Hochspannungstransformator 50 eine halbwellengleichgerichtete Wechselstromspannung von 5kV an der Elektrode 20. Die 5-kV-Spannung bewirkt eine Niederstrom-Koronaentladung von der Elektrode 20 zur Elektrode 16, wie oben erörtert. Die Koronaentladung schafft einen leitfähigen Pfad zwischen der Elektrode 20 und der Elektrode 16. Nachdem dieser Pfad durch die Hochspannungsentladung hergestellt ist, kann sich der Niederspannungskondensator 64 unter Verwendung desselben Pfads nach Masse entladen. Es fließt dann ein großer Strom vom Kondensator 64, und es bildet sich eine Glimmentladung in dem zu behandelnden Gas.
Bei diesem Beispiel ist Plasma über etwa 90% der Zeit vorhanden, wobei die Zündung alle paar Tage auftritt. Jedoch macht das Vorsehen eines zuverlässigen Startmechanismus Anordnungen möglich, in denen das Plasma häufiger, z. B. stündlich, gezündet wird.
Zusammenfassend ist eine Einrichtung zum Behandeln eines Abgasstroms aus einem Halbleiterfertigungsprozesswerkzeug beschrieben. Die Einrichtung umfasst einen Plasmabrenner zum Erzeugen einer Glimmentladung aus einem innerten ionisierbaren Gas. Der Gasstrom wird in die Glimmentladung umgewandelt, um ein Plasma zu zünden. Eine Quelle elektromagnetischer Strahlung führt elektromagnetische Strahlung zu dem Abgasstrom zu, um das Plasma aufrecht zu erhalten. Die Einrichtung ist insbesondere zur Behandlung von perfluorinierten und Hydrofluorkarbon-Verbindungen in dem Abgasstrom geeignet.
Während das hier beschriebene Ausführungsbeispiel sich auf einen Plasmavernichtungsreaktor 1 bezieht, ist auch vorgesehen, dass ein Element wie beispielsweise eine Glimmentladungselektrodenbaugruppe 15 (3) verwendet werden könnte, um eine Glimmentladung zum Zünden eines Plasmas in anderen Systemen mit einer Plasma-aufrechterhaltenden Struktur verwendet werden könnte, wie derjenigen, welche die Kammer 6 bildet, in welche sie eingesetzt werden und entladen kann. Alternativ kann eine Hilfsplasmaquelle näher innerhalb einer Struktur integriert werden, die zum Aufrechterhalten des primär Plasmas angeordnet ist, anstatt eine separate einsetzbare Einheit zu sein.
Wie oben angedeutet, wird bevorzugt, dass das Plasma durch eine Glimmentladung gezündet wird. Jedoch kann irgendein geeigneter ionisierter Fluidstrom zum Zünden des Plasmas verwendet werden. Beispielsweise kann es möglich sein, diesen ionisierten Gasstrom durch eine andere Entladung als eine Glimmentladung zu erzeugen, beispielsweise durch eine Koronaentladung oder eine Lichtbogenentladung. Mindestens einige der oben beschriebenen Merkmale in Bezug auf eine auf Glimmentladung basie rende Einrichtung können auch zur Verwendung in einem System geeignet sein, das mit einem anderen geeigneten ionisierten Gasstrom arbeitet.

Claims

Einrichtung zum Bilden eines Plasmas zur Behandlung eines Gases, mit einer Struktur (6, 10, 16), die zur Aufrechterhaltung des Plasmas angeordnet ist und während der Bildung des Plasmas im wesentlichen unter atmosphärischem Druck steht, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (15) zum Erzeugen eines ionisierten Fluidstroms aus einem von dem durch das Plasma zu behandelnden Gas verschiedenen Fluid zum Zünden des Plasmas aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Plasma-aufrechterhaltende Struktur zur Verwendung elektromagnetischer Strahlung zur Unterhaltung des Plasmas ausgelegt ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Plasma-aufrechterhaltende Struktur eine Quelle (2) der elektromagnetischen Strahlung aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Plasma-aufrechterhaltende Struktur zur Verbindung einer Quelle (2) der elektromagnetischen Strahlung geeignet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die elektromagnetische Strahlung Mikrowellen- oder Radiofrequenzstrahlung ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Plasma-aufrechterhaltende Struktur eine Kammer (6) aufweist, die bei der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung resonant ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plasma-aufrechterhaltende Struktur eine Kammer (6) aufweist, die mit einer Strömung des durch das Plasma zu behandelnden Gases verbindbar ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plasma-aufrechterhaltende Struktur mindestens eine Plasma-lokalisierende Elektrode (10, 16) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 8, wobei die Plasma-lokalisierende Elektrode (10, 16) an oder nahe einer Antinode einer elektromagnetischen stehenden Welle angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei die Plasma-aufrechterhaltende Struktur zwei Plasma-lokalisierende Elektroden (10, 16) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Plasma-lokalisierenden Elektroden erste und zweite Elektroden umfassen, die einander gegenüber liegen (10, 16) und voneinander durch einen Abstand von mindestens 1 mm beabstandet sind.
Einrichtung nach Anspruch 11, wobei der Abstand zwischen 2 und 8 mm liegt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die mindestens eine Plasma-lokalisierende Elektrode auf elektrischem Massepotential liegt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid von einer anderen Zusammensetzung als das durch das Plasma zu behandelnde Gas ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Erzeugen des ionisierten Fluidstroms Mittel (15) zum Erzeugen einer Glimmentladung aufweisen.
Einrichtung nach Anspruch 15, wobei die Mittel zum Erzeugen der Glimmentladung eine Glimmentladungselektrode (20) zum Bilden der Glimmentladung aufweist und eine Quelle des Glimmentladungsgases aufweist oder für die Verbindung damit geeignet ist.
Einrichtung nach Anspruch 16, wobei die Glimmentladungselektrode (20) länglich ist.
Einrichtung nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei die Glimmentladungselektrode (20) zum Entladen in die Plasma-aufrechterhaltende Struktur ausgelegt ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Glimmentladungselektrode so angeordnet ist, dass sie im Gebrauch in dem Glimmentladungsgasstrom stromauf der Plasma-aufrechterhaltenden Struktur liegt, derart, dass die Glimmentladung durch das Glimmentladungsgas in die Plasma-aufrechterhaltende Struktur transportiert wird.
Einrichtung nach einen der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Mittel zum Erzeugen der Glimmentladung eine Schaltung zur Erzeugung einer ausreichend hohen Spannung aufweisen, um die Glimmentladung zu initiieren, und eine Schaltung zum Erzeugen von ausreichend Strom zum Aufrechterhalten der Glimmentladung während mindestens 0,1 Sekunden aufweisen.
Einrichtung nach Anspruch 20, wobei die Mittel zum Erzeugen der Glimmentladung zum Beendigen der Erzeugung der Glimmentladung nach dem Zünden des Plasmas ausgelegt sind.
Einrichtung nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei die Mittel zum Erzeugen der Glimmentladung zum Erzeugen einer Glimmentladung für bis zu 10 Sekunden ausgelegt sind.
Einrichtung nach Anspruch 22, wobei die Mittel zum Erzeugen der Glimmentladung zum Erzeugen einer Glimmentladung für bis zu 5 Sekunden ausgelegt sind.
Einrichtung nach Anspruch 23, wobei die Mittel zum Erzeugen der Glimmentladung zum Erzeugen einer Glimmentladung von 1 bis 5 Sekunden ausgelegt sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Erzeugen des ionisierten Fluidstroms eine Kammer (19) von etwa zylindrischer Form mit einem Einlass (22) aufweisen, die zum Einleiten des ionisierten Fluidstroms im wesentlichen tangential in die Kammer angeordnet ist.
Verfahren zum Bilden eines Plasmas unter im wesentlichen atmosphärischem Druck zum Behandeln eines Gases, mit dem Schritt des Zuführens elektromagnetischer Strahlung zur Aufrechterhaltung des Plasmas, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Erzeugens eines ionisierten Fluidstroms aus einem anderen Fluid als dem durch das Plasma zu behandelnden Gas zum Zünden des Plasmas aufweist.
Verfahren nach Anspruch 26, welches das Erzeugen des ionisierten Fluidstroms an einer ersten Stelle und Transportieren des ionisierten Fluidstroms an eine zweite Stelle umfasst, wo es das Plasma zündet.
Verfahren nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, wobei die elektromagnetische Strahlung Mikrowellen- oder Radiofrequenzstrahlung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das Plasma in einer Kammer (6) erzeugt wird, die bei der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung resonant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei das Fluid eine andere Zusammensetzung hat als das durch das Plasma zu behandelnde Gas.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, wobei der ionisierte Fluidstrom eine Glimmentladung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, wobei das Gas ein aus einem Halbleiterfertigungsprozesswerkzeug ausströmender Gasstrom ist.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Austrittsfluidstrom eine perfluorinierte oder Hydrofluorkarbon-Verbindung ist.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Verbindung einen der Stoffe CF₄, C₂F₆, CHF₃, C₃F₈, C₄F₈, NF₃ und SF₆ ist.