JP2006156394A - コイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ内部で誘導される２次電流とのカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が発生しても、磁場圧力の傾きに影響を与えない程度の強力な磁界を形成する電磁気誘導加速装置の提供。
【解決手段】外部シリンダー２０７の外側面を巻くコイル２０１と、内部シリンダー２０９の内側面を巻くコイル２０３と、接続部２１１の上側面に沿って直径が減少するように巻くコイル２０５とが全て連結されて１つのコイルを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、コイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置に関する。

電磁気誘導加速器（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）とは、電気的エネルギーと磁気エネルギーを利用して一定の空間に生成及び存在するプラズマの流れを加速させる装置であって、プラズマ加速器とも呼ばれている。
プラズマ加速器は、宇宙長距離旅行用のロケットイオンエンジン及び核融合研究などで開発されてきたが、現在では、半導体製造工程上のウェハー（ｗａｆｅｒ）エッチング（ｅｔｃｈｉｎｇ）に用いられている。

プラズマ（ｐｌａｓｍａ）とは、高温で負電荷を有する電子と正電荷を帯びるイオンとに分離された気体状態として、電荷分離度が非常に高く、且つ全体的に負と正の電荷数が同じ中性を帯びる気体を指し、固体、液体、気体（物質の３状態）に次ぎ第４の物質状態である。
温度を徐々に上げると、ほとんどの物体は固体から液体、そして気体状態に変化する。数万℃での気体は、電子と原子核とに分離されプラズマ状態になる。

図１は従来の電磁気誘導加速器を示す切断斜視図である。
同図に示すように、電磁気誘導加速器は、内部及び外部円形ループコイル１０、２０と、内部及び外部円形ループコイル１０、２０が内部及び外部それぞれに配列されたチャネル４０と、外部シリンダー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）３０と、内部シリンダー６０と、チャネル４０の底部に放電コイル５０と、を備える。ここで、内部及び外部円形ループコイル１０、２０は、円形の輪状のコイルが複数個が配列されることによりチャネル４０に磁界を形成している。

内部及び外部円形ループコイル１０、２０は同軸で並んで配列され、チャネル４０を取囲む放射状方向に電流を印加する。内部及び外部円形ループコイル１０、２０には同一の時計周りあるいは反時計周りに電流を印加して、チャネル４０の内部を横切る磁界を生成する。内部及び外部円形ループコイル１０、２０は軸方向に巻かれたコイルに流れる電流を減少させることで、チャネル４０の内部に誘導される磁界が軸方向に減少する特徴を有する。磁界は軸方向に対して垂直にチャネル４０を横切る方向に形成され、軸方向に沿って徐々に減少するよう形成される。

チャネル４０内に生成された磁界はマクスウェルの方程式によって２次電流を誘導する。放電コイル５０に電圧が印加されることで、チャネル４０内にプラズマが発生する。生成されたチャネル４０内のプラズマは、チャネル４０を横切る磁界と２次電流とにより軸方向に出口７０側に向かって加速される。
従来の電磁気誘導加速器は、入口８０側のコイルに大きい電流を印加する一方、出口７０側のコイルには小さい電流を印加することで、生じる磁場圧力の差で加速する磁界変調方式（Ｂ−Ｆｉｅｌｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）である。

このような磁界変調方式の場合には、内部シリンダー６０内に挿入されている複数の内部円形ループコイル１０のそれぞれに、相異なる電流を別個独立に印加する必要がある。そのためには、加速器内部シリンダー６０内に、内部円形ループコイル１０の数だけ引込配線を挿入しなければならない。よって、内部シリンダー６０の直径が小さい場合は、内部シリンダー６０の内表面に巻かれる内部円形ループコイル１０の数が制限される。さらに、コイルによって生じる磁界に対して引込配線が与える影響も大きくなる。

また、コイル間のカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）問題のため所望の磁場を生成することが困難である。

本発明は、前記のような問題を鑑みてなされたものであって、所望の磁界を容易に得ることが可能な電磁気誘導加速装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本願第１発明に係るコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置は、同一の中心軸を有する相異なる直径の円柱状の面に沿って形成され、前記面の間の空間であるチャネルを形成する内部及び外部シリンダーと、前記チャネルの上側面に沿って直径が減少するよう巻かれ、前記チャネルに磁界及び２次電流を誘導しプラズマを形成する放電コイルと、前記内部シリンダーの内側面と前記外部シリンダーの外側面に沿って並ぶよう螺旋状に巻かれ、前記磁界のうち軸方向の磁界を相殺させ前記プラズマを前記軸方向に加速させる内部及び外部コイルと、を含む。

上記構成によると、コイルは内部及び外部シリンダーを螺旋状に巻くように構成されるため、引込配線数を最小限に構成することができる。よって、内部シリンダーを小さく形成することができ、これによりプラズマの生成に関係する有効放電空間を大きくすることができる。また、コイルを上記のように構成して引込配線数を最小限とすることで、引込配線の設置が容易であるとともに、引込配線が磁界に与える影響を最小化できる。また、従来のように複数個の円形ループコイルの個々に異なる電流を印加させる構成ではなく、螺旋状のコイルを設けて同一電流を印加しているため、磁場の圧力の傾きがカップリングの影響を受けない。

ここで、内部シリンダーと外部シリンダをそれぞれ螺旋状に取り巻くコイルによって軸方向に形成される磁界は相殺され、チャネル内部ではチャネルを横切る方向に強い磁界が形成される。この磁界により２次電流及びチャネルを横切る磁界により電磁気力（Ｆ）が発生し、チャネル内のプラズマが出口方向に加速される。また、プラズマの生成及び加速を行うチャネル内部で誘導電流とのカップリングが発生しても、磁界（Ｂｒ）が強力な磁界であり、磁場の圧力の傾きは影響を受けない。

本願第２発明は、第１発明において、前記外部コイルと前記放電コイルとが１つに連結されることができる。コイル数を減らすことで、コイルの駆動回路を簡単化することができる。
本願第３発明は、第１発明において、前記内部コイルと前記放電コイルとが１つに連結されることができる。コイル数を減らすことで、コイルの駆動回路を簡単化することができる。

本願第４発明は、第１発明において、前記外部コイル、内部コイル、及び放電コイルが１つに連結されることができる。コイル数を減らすことで、コイルの駆動回路を簡単化することができる。
本願第５発明は、第１〜第４発明のいずれかにおいて前記内部及び外部コイルは、前記プラズマを加速させる方向に向かって巻かれた間隔を広くすることで、磁場圧力の傾きを形成し前記プラズマを加速させることが好ましい。

電磁気誘導によるプラズマを加速することにおいて、コイルを巻く疎密の程度を調整することで、プラズマの生成、磁界及び２次電流の生成、そしてプラズマの加速が可能となる。
本願第６発明は、第１発明において、前記内部及び外部コイルは、前記磁界のうち前記軸方向に直交する方向の磁界が強化されるよう形成されることが好ましい。

本願第７発明は、本願第１発明に係るコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置を用いた中性ビーム（ｂｅａｍ）ドライエッチング装置は、乾式で半導体チップ製作用ウェハー（ｗａｆｅｒ）をエッチングできる。

本発明によれば、所望の磁界を容易に得ることが可能な電磁気誘導加速装置を提供することができる。

以下、添付した図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳説する。
図２は本発明に係るコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置を示す切断斜視図である。
本発明に係る電磁気誘導加速装置（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）２００は、プラズマを加速させる装置であり、好ましくは、半導体製造工程のウェハー（ｗａｆｅｒ）の中性ビーム（ｂｅａｍ）ドライエッチング（ｄｒｙ ｅｔｃｈｉｎｇ）装置に含まれる。

本発明の電磁気誘導加速装置２００には、プラズマの生成、磁界及び２次電流の生成、そしてプラズマの加速のため放電コイル、外部及び内部円形ループコイルを備える磁界変調方式（Ｂ−Ｆｉｅｌｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）は適用されない。本発明の電磁気誘導加速装置２００には、巻線変調方式（Ｃｏｉｌ Ｔｕｒｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）が用いられる。以下では、特に、前述の放電コイル、外部及び内部円形ループコイルの全てのコイルを、１つのコイルで代替した巻線変調方式を説明する。

電磁気誘導加速装置２００は、１つのコイルだけを用いるため、本発明に係る電磁気誘導加速装置２００を駆動する駆動回路（図示せず）を簡単化することができる。
図２に示すように、本発明に係る電磁気誘導加速装置２００は、コイル２０１、２０３、２０５と、誘電体である外部シリンダー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）２０７及び内部シリンダー２０９と、接続部２１１とを含む。

外部シリンダー２０７と内部シリンダー２０９は接続部２１１により連結されてチャネル２１３を形成し、内部シリンダー２０９の直径は外部シリンダー２０７の直径より小さく形成される。好ましくは、外部シリンダー２０７、内部シリンダー２０９、及び接続部２１１は誘電体で構成される。
チャネル２１３は、プラズマが生成／移動する空間として軸方向に沿うように形成され、チャネルの上側であるチャネル上部２１５とチャネルの下側である出口２１７を含む。半導体工程上において、電磁気誘導加速装置２００がウェハーのエッチングに用いられる場合、チャネルの出口２１７はウェハーに対向する面であることが好ましい。

コイル２０１、２０３、２０５は、外部シリンダー２０７の外側面を巻くコイル２０１（以下、外部コイルと称する）と、内部シリンダー２０９の内側面を巻くコイル２０３（以下、内部コイルと称する）と、接続部２１１の上側面に沿って直径が減少するよう巻くコイル２０５（以下、放電コイルと称する）とが全て連結されて１つのコイルを形成する。

なお、ここでは、コイル２０１、２０３、２０５が１つのコイルを形成する場合を説明するが、本発明の他の実施形態において、外部コイル２０１と、内部コイル２０３と、放電コイル２０５とが各々分離されて３つの部分に区分され、別の電源（図示せず）により駆動されることもできる。
コイル２０１、２０３、２０５はプラズマを生成し、チャネル２１３内部に磁場圧力（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）の傾斜を形成し、プラズマをチャネル上部２１５から出口２１７側に向かって加速する。

以下、本発明に係る電磁気誘導加速装置２００のコイルの巻き方を図３に基づいて説明する。
図３Ａは本発明の一実施形態によるコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置を示す斜視図である。
図３Ａにおいて、図２との同一参照符号は図２で図示したものと同じである。

同図に示すように、コイル２０１、２０３、２０５は、外部シリンダー２０７の外側面に沿って出口２１７からチャネル上部２１５方向に向かって螺旋状に巻き上げられる。そして、接続部２１１の上側面に沿って直径が減少するよう巻かれた後、再び内部シリンダー２０９の内側面に沿ってチャネル上部２１５から出口２１７方向に向かって螺旋状に下巻きされる。

外部コイル２０１の端部を基準にしてコイル２０１、２０３、２０５は反時計周りに巻かれても良いし、時計周りに巻かれても良い。
図３Ｂは、図３Ａの電磁気誘導加速装置において、コイルの巻き方を示す斜視図である。
同図に示すように、コイルは外部コイル２０１と、内部コイル２０３と、放電コイル２０５とが全て１つに連結されて全体が一体に形成されていることがわかる。

内部コイル２０３は、１つのコイルから形成されているので、内部シリンダー２０９に挿入される引込配線の数は内部シリンダー２０９を巻く回数に関係なく、１つだけである。したがって、引込配線を挿入するために内部シリンダー２０９のサイズを確保することが不要となる。よって、チャネル２１３の接続部２１１を広げることができ、接続部２１１の上側面に放電コイル２０５を多く巻くことができる。放電コイル２０５が多く巻かれることにより、プラズマ生成のための有効放電空間が広くなる。

また、引込配線が１つだけなので、引込配線がコイルによって生じる磁界に与える影響を最小化できる。
さらに、チャネル２１３内部に磁場圧力の傾きを形成するために、外部及び内部コイル２０１、２０３の巻き間隔を調節する。好ましくは、チャネル上部２１５側では外部及び内部コイル２０１、２０３を密に巻き、出口２１７側では外部及び内部コイル２０１、２０３をまばらに巻く。このようにコイルを疎密に巻く事によって、チャネル２１３内部に生成される磁場圧力の傾きを形成する。このとき、密に巻かれたチャネル上部２１５から疎に巻かれた出口２１７にかけて、磁場の圧力は徐々に小さくなる。このような磁場圧力の傾きがプラズマを加速させ、磁場圧力の大きい方から小さい方にプラズマが加速される。

ここで、外部コイル２０１及び内部コイル２０３が巻かれた間隔の疎密はチャネル上部２１５側から出口２１７側に行くほど線形的に変化することもでき、所定の区間を定めて段階的に変化することもできる。
また、外部コイル２０１と内部コイル２０３との巻き間隔の疎密の程度は、必ずその巻かれた位置に対応して一致する必要はない。

そして、本発明の他の実施形態において、コイルを外部コイル２０１、内部コイル２０３、及び放電コイル２０５の３つの部分に分離して、それぞれに別個独立の駆動電流を流すこともできる。但し、外部シリンダー２０７の外側面に巻かれた外部コイル２０１の疎密や内部シリンダー２０９の内側面に巻かれた内部コイル２０３の疎密は図３Ｂに説明したようである。これにより、チャネル上部２１５から出口２１７にかけて、磁場の圧力に傾斜を形成することができる。

さらに、外部コイル２０１と放電コイル２０５とだけが連結され、内部コイル２０３と放電コイル２０５とだけが連結されてそれぞれ１つのコイルで構成できる。つまり、外部コイル２０１及び放電コイル２０５から構成されるコイルと、内部コイル２０３との２つのコイルで構成したり、外部コイル２０１と、放電コイル２０５及び内部コイル２０３から構成されるコイルとの２つのコイルで構成することもできる。

また、外部及び内部コイル２０１、２０３と放電コイル２０５とを一定の間隔で巻くこともできる。この場合、後述するように、チャネル２１３内のプラズマは電磁気力（Ｆ）により出口２１７方向に加速される。なお、外部及び内部コイル２０１、２０３を前述のように疎密に配置する方が、プラズマに働く磁場圧力の傾きが形成されてプラズマの移動がさらに加速されるので好ましい。

以下、本発明に係るコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置の動作を説明する。
電磁気誘導加速装置２００は外部コイル２０１及び内部コイル２０３が螺旋状に巻かれた間隔の疎密を調整することで、プラズマの加速のための磁場圧力の傾きを形成する。
図４は本発明の一実施形態によるコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置を簡略に示す断面図である。

図４において、図２との同一参照符号は図２で図示したものと同じである。
同図において、コイル２０１、２０３、２０５は円で表示し、コイルを通じて流れる電流の方向を表示するためにＡまたはＢで表示する。Ａは、グランドから電流が流れ出ることを表し、Ｂは、グラウンドへ電流が流れ込むことを表す。図４の実施形態によれば、コイル２０１、２０３、２０５の電流は、外部及び内部シリンダー２０７、２０９の軸を中心にしてチャネル上部２１５から出口２１７方向に観察すると、時計周りに流れていることが分かる。

ここで、コイル２０１、２０３、２０５を流れる電流は所定の周波数を有する交流電流であることが好ましい。
コイル２０１、２０３、２０５に沿って電流が流れれば、アンペアの右ネジの法則によりコイル２０１、２０３、２０５の周囲に磁界が形成される。外部コイル２０１、内部コイル２０３、及び放電コイル２０５によってチャネル２１３内部に生成される磁界は、位置によって互いに同じ方向または異なる方向に存在する。このとき、軸方向に生成される磁界は互いに反対方向に形成されるため、相殺・減少されてチャネルを横切る方向に生成された磁界（Ｂｒ）が強く形成される。

チャネル２１３内部に誘導された磁界（Ｂｒ）はマクスウェル方程式によって２次電流（Ｊ）を誘導する。したがって、図４によれば、チャネル２１３を横切る方向に生成された磁界（Ｂｒ）によりコイル２０１、２０３、２０５に流れる電流と反対方向に２次電流（Ｊ）が誘導されることがわかる。
２次電流（Ｊ）によって形成された電気場は、チャネル２１３内部に存在する、あるいは外部からチャネル２１３へ流入されるガスをプラズマ状態に変換させる。

この電気場による電子のエネルギーがチャネル２１３内部のガスのイオン化エネルギーより大きければ、電子衝突によって粒子がイオン化されプラズマが発生する。放電コイル２０５は、プラズマの生成により大きな影響を与える。
また、下記の数１によって、誘導された２次電流（Ｊ）とチャネル２１３を横切る磁界（Ｂｒ）によりチャネル上部２１５から出口２１７方向にプラズマを加速させる電磁気力（Ｆ）が発生する。

プラズマは遠距離に亘って影響を与えるクーロンの力によりプラズマ全体が動く特性があり、該動きは電磁気力（Ｆ）により出口２１７方向に加速される。
外部及び内部シリンダー２０７、２０９を巻く外部及び内部コイル２０１、２０３の疎密によって、プラズマに働く磁場圧力の傾きが形成されてプラズマの移動はさらに加速される。

本願の構成は、従来のような外部及び内部シリンダー２０７、２０９を複数個の円形ループコイルで巻き、各円形ループコイル毎に、流れる電流を相異ならせるようなものではない。つまり、上述のように、１つのコイルで外部及び内部シリンダー２０７、２０９巻き、同じ電流を流すため、磁場圧力の傾きがコイル間のカップリングによる影響を受けない。また、プラズマの生成及び加速を行うチャネル内部で誘導電流とのカップリングが発生しても、磁界（Ｂｒ）が強力な磁界であり、磁場の圧力の傾きは影響を受けない。

上述したように、コイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置が動作する。
上記構成によると、コイルは内部及び外部シリンダーを螺旋状に巻くように構成されるため、引込配線数を最小限に構成することができる。よって、内部シリンダーを小さく形成することができ、これによりプラズマの生成に関係する有効放電空間を大きくすることができる。また、コイルを上記のように構成して引込配線数を最小限とすることで、引込配線の設置が容易であるとともに、引込配線が磁界に与える影響を最小化できる。また、従来のように複数個の円形ループコイルの個々に異なる電流を印加させる構成ではなく、螺旋状のコイルを設けて同一電流を印加しているため、磁場の圧力の傾きがカップリングの影響を受けない。

さらに、コイル数を減らすことで、コイルの駆動回路を簡単化することができる。
また、電磁気誘導によるプラズマを加速することにおいて、コイルを巻く疎密の程度を調整することで、プラズマの生成、磁界及び２次電流の生成、そしてプラズマの加速が可能となる。
以上、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではない。実際、当業者であれば、上記の説明に基づき、特許請求の範囲に記載されている本発明の技術的範囲を逸脱することなく、本発明の実施形態に対し、種々の変更及び修正を施すことが可能であろう。従って、そのような変更及び修正は当然に、本発明の技術的範囲に含まれるべきである。

従来の電磁気誘導加速器を示す切断斜視図である。 本発明の一実施形態によるコイル巻線数による電磁気誘導加速装置を示す切断斜視図である。 本発明の一実施形態によるコイル巻線数による電磁気誘導加速装置を示す斜視図である。 図３Ａの電磁気誘導加速装置に含まれるコイルの巻かれた形状を示す斜視図である。 本発明の一実施形態によるコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置を簡略に示す断面図である。

符号の説明

２００ 電磁気誘導加速装置
２０１、２０３、２０５ コイル
２０７ 外部シリンダー
２０９ 内部シリンダー
２１１ 接続部
２１３ チャネル

Claims (7)

1. 同一の中心軸を有する相異なる直径の円柱状の面に沿って形成され、前記面の間の空間であるチャネルを形成する内部及び外部シリンダー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）と、
   前記チャネルの上側面に沿って直径が減少するよう巻かれ、前記チャネルに磁界及び２次電流を誘導しプラズマ（ｐｌａｓｍａ）を形成する放電コイルと、
   前記内部シリンダーの内側面と前記外部シリンダーの外側面に沿って並ぶよう螺旋状に巻かれ、前記磁界のうち軸方向の磁界を相殺させ前記プラズマを前記軸方向に加速させる内部及び外部コイルと、を含むことを特徴とするコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置。
2. 前記外部コイルと前記放電コイルとが１つに連結されることを特徴とする請求項１に記載のコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置。
3. 前記内部コイルと前記放電コイルとが１つに連結されることを特徴とする請求項１に記載のコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置。
4. 前記外部コイル、内部コイル、及び放電コイルが１つに連結されることを特徴とする請求項１に記載のコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置。
5. 前記内部及び外部コイルは、前記プラズマを加速させる方向に向かって巻かれた間隔を広くすることで、磁場圧力の傾きを形成し前記プラズマを加速させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置。
6. 前記内部及び外部コイルは、前記磁界のうち前記軸方向に直交する方向の磁界が強化されるよう形成されることを特徴とする請求項１に記載のコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置。
7. 請求項１におけるコイル巻線数の調節による電磁気誘導加速装置を用いて、乾式で半導体チップ製作用ウェハー（ｗａｆｅｒ）をエッチングする中性ビーム（ｂｅａｍ）ドライエッチング（ｄｒｙ ｅｔｈｃｈｉｎｇ）装置。

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