超高真空チャンバーのプラズマクリーニング

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ポンプダウン時間を短縮し、超高真空をより速く達成する方法

：ポンプダウンを高速化し、UHVチャンバーの真空レベルを改善するためのプラズマクリーニング

・　超高真空（UHV）以上を実現するには？

・　プラズマクリーニング前後のRGAスペクトル

・　ポンプダウン時間の短縮と真空レベルの向上

・　表面クリーニング効果の可視化

・　X線光電子分光法によるプラズマ表面クリーニング効果の評価

HV、UHV、およびXHVシステムの定義

通常の荒引きポンプでは、短時間で10^-3Torrレンジ程度の真空レベルを達成することができます。さらに圧力を下げるためには、多段式の真空ポンプシステムが必要となります。高真空（HV）とは、通常10^-3Torrから10^-8Torrの範囲の圧力を指します。圧力が10^-8Torr以下の範囲になると、超高真空（UHV）とみなすことができます。さらに圧力が10^-12Torr以下の範囲になると、超高真空（XHV）の範囲に入ります。

超高真空（UHV）以上を実現するには？

超高真空（HV）を得るための従来の方法

チャンバー内の残留ガスがサンプル表面を汚染する可能性があるため、表面科学研究においてUHVであることが重要です。また、荷電粒子加速器、電子、イオン、X線、EUVのイメージング・分析装置においても、チャンバー内の残留ガス原子や分子による各種画像の散乱を最小限に抑えるために、UHVは重要です。

粗引きポンプは、チャンバー内のガスを大気圧からすばやく除去できます。低～中真空ではガスの流れはほとんど粘性があります。低～中真空域でのポンプダウン時間は、チャンバーの容積とポンプの回転数で決まります。

圧力が高真空領域に達すると、チャンバー内壁や内部部品からのアウトガスが優位を占めます。この圧力領域では、平均自由行程が大きいため、残留ガス粒子はチャンバー内をランダムに動きます。チャンバー内壁や内部部品の表面積、材料の種類、真空システムの排気速度などの要因により、最終的な圧力とポンプダウン時間が決まります。

真空チャンバー内のアウトガスの主な発生源は、水分、炭化水素、フルオロカーボンの3つです。長鎖炭化水素とフルオロカーボンは通常、低い蒸気圧を持ちます。一定量のアウトガス源の場合、蒸気圧が低いほどアウトガスの時間が長くなります。高温であれば、脱ガス速度を上げることができます。真空チャンバー内で脱ガス速度を上げる方法としては、ベーキングが一般的に用いられています。長鎖ポリマーの場合、高温になると蒸気圧が高くなります。

プラズマクリーニングについての前書き

プラズマは第4の物質とも呼ばれており、電子、イオン、中性ガスなどで構成されています。プラズマの発生に酸素または酸素と1種類以上の不活性ガスの混合ガスを使用すると、化学反応性の原子状酸素やオゾンも発生します。プラズマを生成するためには、外部電界（ACまたはDC）によって電子を加速し、処理ガスをイオン化するのに十分な高エネルギーにします。そして、高エネルギーの電子は、衝突電離または解離によって、プロセスガスの原子や分子にエネルギーを伝達します。エネルギーを受けたプロセスガスの原子や分子は、1つまたは複数の電子を放出し、イオンとなります。また、励起された分子は分解し、より小さな断片化した原子や分子を生成することもあります。励起された原子や分子の中には、より高エネルギーの紫外線を放出するものもあります。これは「プラズマ光電子放出（plasma photoemission）」と呼ばれます。

プラズマクリーニングはUHVチャンバーのポンプダウンプロセスをどのように高速化するのか？

ダウンストリームチャンバーでは、0.5mTorrから数Torrまでの圧力範囲でプラズマを生成し、維持することができます。最初のチャンバー排気ステップの直後にプラズマクリーニングステップを追加すると、非常に便利に使用できます。EM-KLEENやSEMI-KLEENのようなリモートプラズマソースは、CF2.75 “フランジまたはNW40フランジで真空チャンバーに直接接続することができます。リモートプラズマソースとUHVチャンバーの間にアイソレーションバルブを追加することも可能です。その場合、プラズマソースは、プラズマクリーニングプロセスの間だけメインUHVチャンバーに開きます。プラズマクリーニングが終了すると、アイソレーションバルブを閉じることができます。EM-KLEENおよびSEMI-KLEENリモートプラズマソースは、チャンバーが粗引きポンプのみで排気されている状態（ターボポンプがオフ）、またはターボポンプがオンの状態で運転することができます。通常は、ターボポンプが作動している状態でプラズマソースを稼働させることを推奨しています。ターボポンプが作動している場合、プラズマクリーニング中のメインチャンバー内の圧力範囲は、通常0.5mTorr～2mTorr程度であり、これはほとんどのターボポンプにとって安全です。また、ガス流量はポンプ速度に応じて数sccmから数十sccm程度です。ここでは、プラズマクリーニングによってポンプダウンプロセスが高速化されるメカニズムをいくつか考えてみます。

1）UHVチャンバー内の水分、炭化水素、フルオロカーボンなどの汚染物質の脱着、解離、化学反応を行う。

真空チャンバー内を空気でベントすると、内部表面には数十から数百層の水分子が容易に付着します。また、水以外にも、周囲の空気やサンプル、その他の内部部品によって炭化水素やフルオロカーボンがチャンバー内に侵入する可能性があります。通常、初期段階では水分が残留ガスとして優位を占めています。圧力が10^-8Torr以下になると、炭化水素やフルオロカーボンがより重要なアウトガス源となります。EM-KLEENやSEMI-KLEENのような外部リモートプラズマソースから発生したプラズマは、特定の動作条件において、ダウンストリームチャンバーに拡散し、ダウンストリームチャンバー内でプラズマを維持することができます。そのため、外部RF電源からプラズマを介してUHVメインチャンバーにエネルギーを直接伝達することができます。メインのUHVチャンバーでプラズマが発生すると、外部のRFエネルギーによって高エネルギーの電子、イオン、中性ラジカル、UVフォトンが発生します。高エネルギー粒子がチャンバー内壁に当たると、真空チャンバーの内表面に吸着していた水分、炭化水素、フルオロカーボンなどの汚染物質を叩き出すことができます。その過程で、長鎖炭化水素やフルオロカーボンの一部は、元の長鎖ポリマーよりもはるかに高い蒸気圧を持つ小さな断片に分解されます。チャンバー内壁からの汚染物質の脱着と、分子内の結合の解離は物理的なプロセスです。この現象は、アルゴンや窒素などの化学的に不活性なガスを用いてプラズマを生成した場合でも起こる可能性があります。酸素または酸素の混合ガスでプラズマを発生させると、ラジカル性の原子状酸素やオゾンが生成されます。これらは、炭化水素をCO_xとH₂Oに化学的に変換することができます。水分、炭化水素、フルオロカーボンの分子の脱着は、表面で起こります。炭化水素分子やフルオロカーボン分子の解離や化学エッチングは、分子が表面から脱離した後、主にプラズマ容量の大部分の内部で起こります。解離過程や化学反応で生じる低分子の副生成物は、蒸気圧が高いため、通常ポンプによって容易に排出されます。

2）UHVチャンバー内の水分をパージする。

プラズマクリーニングの際には、一定量の外部ガスがプラズマソースに導入されてプラズマを生成します。ガスの流量は、数sccmから数十sccmの範囲です。一旦、UHVチャンバーの内表面から水分が脱着されると、高真空圧中では平均自由行程が長く、水分子がランダムに動くため、それらをポンプで排出するのに時間がかかることがあります。これを、低真空圧での粘性流と比較して、分子流と呼びます。分子流では、脱離した水分子が真空ポンプに入って排出されるよりも、 UVHチャンバーの内面にぶつかって再び吸着する可能性の方がはるかに高くなります。真空チャンバー内に乾燥ガスをリークすると、圧力が上昇して粘性流に変化するため、脱着した水分子をより早くUVHチャンバー外に排出することができます。また、プラズマクリーニングプロセスによって許容されるパージガスの流れは、真空ポンプが真空ポンプ内の凝縮水を除去するのに役立ちます。これは、真空ポンプのガスバラストバルブを開くのと同様の効果があります。

実験結果

実験のセットアップ

以下の実験では、EM-KLENプラズマソースを小型の高真空チャンバーの上部に設置しました。UHV対応のアイソレーションバルブにより、EM-KLENはメインチャンバーから遮断されています。アイソレーションバルブは、プラズマクリーニング中のみ開きます。プラズマクリーニングが終了すると、アイソレーションバルブが閉じ、プラズマソースからメインのUHVチャンバーへのリークを減少させます。

プラズマクリーニング前後のRGAスペクトル

プラズマクリーニングステップの前後で、真空チャンバー内の残留ガス種を測定するために、複数のRGAがUHVチャンバーに設置された。通常、チャンバーベーキングの前には水、炭化水素、フルオロカーボンのピークが非常に目立ちます。250 ℃の高温チャンバーでのチャンバーベーキングとポンピングには1週間以上かかる場合もあります。しかし、常温の空気で25分間のプラズマクリーニングを行うと、水分量が大幅に減少し、RGAスペクトルから炭化水素とフルオロカーボンのピークがほぼ完全に除去されました。

プラズマクリーニング前のRGAスペクトル

25分間のプラズマクリーニング後(プロセスガス：大気)のRGAスペクトル

プラズマクリーニングによるポンプダウン時間の短縮と真空度の向上

プラズマクリーニングを実施する前のUHVチャンバーは、ベーキングとポンピングを7日間行っても、チャンバーが加熱されている状態では1.1×10^-7Torrの圧力にしかなりませんでした。これは、ベーキングとポンピングを7日間行っても、チャンバー内に水分、炭化水素、フルオロカーボンが比較的高い濃度で存在していることを意味します。その後、EM-KLEENプラズマソースを設置するために、チャンバーを再び大気圧にベントしました。最初のポンプダウンの直後に、アルゴン80％、酸素20％のプロセスガスで真空チャンバーのプラズマクリーニングが4時間行われました。プラズマクリーニング後、チャンバーを2日間ベーキングしました。4時間のプラズマクリーニングと2日間のベーキングの結果、加熱されているチャンバーの圧力は2.4×10^-8Torrに達しました。ベーキングの時間が7日から2日に短縮されたにもかかわらず、真空度は4倍以上に向上しました。プラズマクリーニングは、通常のチャンバーベーキングよりもはるかに高速にUHVチャンバー内の水分、炭化水素、フルオロカーボンの汚染を低減しました。

表面クリーニング効果の可視化

UHVチャンバーに対するプラズマクリーニングの効果は、プラズマクリーニングの前後でUHVチャンバー内の残留ガスの組成を分析することで検証されています。プラズマクリーニング効果を可視化するために、厚い炭化水素の層で汚染された使用済みのRGAシールドグリッドをUHVチャンバー内に配置してプラズマクリーニングを行いました。表面の黒い炭素層は、RGAのフィラメントをオンにしたときにチャンバー内の炭化水素ガスとの低エネルギー電子解離によって堆積したものです。下記右側の写真がプラズマクリーニングを行った後のRGA部品です。これにより、酸素または酸素混合プラズマを用いたプラズマ・クリーニングが、真空チャンバー内の内部部品の表面に付着したカーボン汚染を効果的に除去できることが証明されました。

汚染されたRGAグリッドのプラズマクリーニング

左側：汚染されたグリッド　　　　右側：プラズマクリーニング後

X線光電子分光法によるプラズマ表面クリーニング効果の評価

別の研究では、SEMI-KLEENプラズマソースがXPSシステムのロードロックチャンバーに設置されました。ステップ1では、XPSシステムがクリーンなInGaAsサンプル表面の組成を測定しました。ステップ2では、2秒間のリモート水素プラズマで試料をクリーニングした後、再びXPSシステムで表面を分析しました。水素プラズマによるクリーニングでは、表面に炭素や酸素による汚染はありません。ステップ3では、クリーニングしたInGaAsサンプルを周囲の空気に1時間さらしました。その後のXPS測定の結果、表面に炭素や酸素による汚染が見られた。ステップ4では、汚染されたInGaAsサンプルを再び水素プラズマで2秒間クリーニングしました。

このデータは、周囲の空気中に多くの炭化水素汚染があることを証明しています。したがって、チャンバーを周囲の空気でベントすると、チャンバーは炭化水素によって再び汚染されてしまいます。また、リモートプラズマクリーニングは、試料の表面やUHVチャンバー内の内部部品の表面に付着した汚染を効果的に除去できることを証明しています。

結論

最初の低真空ポンプダウンの直後にプラズマクリーニングのステップを追加することで、ポンプダウンの全体的な時間を大幅に短縮し、最終的な真空レベルを向上させることができます。プラズマで生成された高エネルギー粒子は、チャンバー内壁や内部部品の表面に吸着した水分、炭化水素、フルオロカーボンなどの汚れを叩き出すことができます。また、酸素ガスまたは酸素ガスの混合ガスで生成されたプラズマは、長鎖有機ポリマーを化学的に変換して、ポンプで排出しやすい高蒸気圧の副生成物にすることができます。また、プラズマクリーニング時の比較的高いガス流量により、UHVチャンバー内に閉じ込められた水分子をパージすることができます。また、真空ポンプ内に結露した水も取り除くことができます。

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