JP2007511041A

JP2007511041A - Ｅｃｒプラズマ中の電子温度制御装置

Info

Publication number: JP2007511041A
Application number: JP2006537371A
Authority: JP
Inventors: ヒツツ，ドウニ; コルミエ，ダビド
Original assignee: コミサリヤ・ア・レネルジ・アトミク
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2007-04-26
Also published as: FR2861947B1; US20070266948A1; WO2005046296A2; FR2861947A1; CN1875668A; KR20060108650A; WO2005046296A3; EP1680948A2

Abstract

本発明は、ＥＣＲプラズマチャンバ（１）中の電子温度制御装置に関する。この装置は、所定のエネルギーよりエネルギーが大きい電子の軌道に配置される少なくとも一つの減速装置（１００）を含んで、前記電子を妨害するようにしている。本発明はイオン源およびプラズマ装置に適用される。

Description

本発明は、ＥＣＲイオン源またはプラズマ装置などのプラズマチャンバ内で多重荷電されるイオン電流生成の分野に関する。本発明は、特に、ＥＣＲプラズマ中の電子温度制御装置に関する。

電子サイクロトロン共鳴（「ＲＣＥ」または英語の「ＥＣＲ」）「イオン源」の機能は、μＡからｍＡに及ぶイオン強度と、広範な荷電状態の範囲とを生成することにある。ＥＣＲイオン源のユーザは、現在のところ、Ｂ^１＋からＢ^３＋のような数ｍＡの低価イオン（注入装置の役割を果たす）と、Ａｒ^８＋、Ａｒ^１２＋、またはＰｂ^２７＋のような約１ｍＡの平均的な荷電イオン（核物理用の加速装置を供給する）と、Ａｒ^１６＋、Ａｒ^１７＋、またはＡｒ^１８＋のような数μＡの多価イオン（核物理または原子物理用の加速装置を供給する）とを求めている。

ＥＣＲ「プラズマ装置」の機能は、装置から抽出されないイオンを生成することにある。これらのイオンは、たとえば、基板に材料を堆積するために使用される。

ＥＣＲプラズマチャンバでは、プラズマ（イオンと電子の集合）は、一方が軸方向で他方が半径方向の二つの磁界を重ねて生じる磁気構成に置かれたエンクロージャに閉じ込められ、プラズマが漏れないようにしている。プラズマの全ての電子は、様々なコードにより容易に計算可能な磁界線で振動する（たとえばＡ．Ｇｉｒａｒｄらによる論文「ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅＩｏｎＳｏｕｒｃｅｓ：ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄＴｈｅｏｒｙ」第１２回ＥＣＲイオン源に関する国際セミナー議事録（１９９５年４月２５−２７日、日本、リケン）参照）。

電荷ｑ＋のイオンを生成する場合、ＥＣＲプラズマは、原子とエネルギー電子との衝突によって生じる原子の「剥取り（ｌ’ｅｐｌｕｃｈａｇｅ）」反復原理を用いる。経験に基づいて、これらの電子に必要なエネルギーは、イオンＸ^{（ｑ−１）＋}のイオン化ポテンシャルの約３倍でなければならないと推定されている。そのため、アルゴン原子のイオン化ポテンシャルが１６ｅＶであるので、Ａｒ^＋イオンを生成するための最適な電子エネルギーは約１００ｅＶである。Ａｒ^８＋イオンを生成する場合、電子のエネルギーは５００ｅＶ前後でなければならないが、Ａｒ^１８＋イオンを得るには、電子のエネルギーは約１５ｋｅＶでなければならない。

ユーザが必要とするイオン強度は、常に増え続けており、ＥＣＲイオン源の改良が必要になっている。このため、次のような複数の手段が利用されている。
・電子の加熱周波数の増加：公知のプラズマ物理法則に従ってプラズマの電子密度をこれにより増加する。
・プラズマの電子およびイオン閉じ込めの最適化：多くの作業が実施されており、たとえばＳ．Ｇａｍｍｉｎｏらによる論文「ＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳｅｒｓｅｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＥＣＲｉｏｎｓｏｕｒｃｅａｔ２８ＧＨｚ」（ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、第７２巻第１１号４０９０ページ、２００１年１１月）を参照されたい。この論文では、プラズマ閉じ込めに関連するスケールの法則が開示されている。
・マイクロ波投入の最適化：たとえば仏国特許第２６８１１８６号明細書参照。
・イオン化するガスよりも軽量なガスの投入によるイオン温度の低温化（ガス混合技術）：Ａ．Ｄｒｅｎｔｊｅによる論文「ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｈｉｇｈｌｙｃｈａｒｇｅｄｉｏｎｓｏｕｔｐｕｔｆｒｏｍＥＣＲＩＳｓ」（第１５回ＥＣＲイオン源に関する国際セミナー議事録、フィンランドＪｙｖａｓｋｙｌａ大学、２００２年６月）参照。

また、電子温度Ｔ_ｅの数々の測定が行われている。それによれば（たとえば上記Ａ．Ｇｉｒａｒｄらによる論文参照）、ＥＣＲプラズマでは、「非常に高温の」電子群（Ｔ_ｅ＞５０ｋｅＶ）と、「高温の」電子群（１ｋｅＶ＜Ｔ_ｅ＜５０ｋｅＶ）と、「低温の」電子群（Ｔ_ｅ＜１ｋｅＶ）とが同時に存在する。実際は、ＥＣＲプラズマでは、温度２０ｋｅＶ未満の高温電子だけが有効である（たとえばＡｒ^１８＋イオンを得る場合、上記のように約１５ｋｅＶの電子が必要である）。ところで、一般に、ＥＣＲプラズマでは、１００ｋｅＶを越えるエネルギーの電子が見られる。すなわち、これらの電子は、そのエネルギーが最適エネルギーよりも過度に高いので全く無駄である。

従って、本発明は、一方が軸方向で他方が半径方向の二つの磁界を重ねることによって生じる磁界構成に置かれるエンクロージャを含み、電子軌道の構成が前記磁界構成に依存するＥＣＲプラズマチャンバに関し、前記ＥＣＲプラズマチャンバは、少なくとも一つの減速装置を含み、その位置および形状は、エネルギーが所定のエネルギーより大きい電子を前記減速装置が妨げるように、前記磁界構成に応じて選択されることを特徴とする。

従って、上記減速装置は、プラズマチャンバ内のそれらの配置および形状により、多少とも高いエネルギーの電子を停止し、これによって、高温すぎると判断された電子数を減らし、さらには、その軌道に障害物を配置することによって、これらの電子を完全に除去できる。特に、プラズマチャンバ内の多少とも広い領域を本発明による減速装置で覆うことによって、この減速装置が妨害する電子のエネルギー範囲を決定可能である。

本発明によれば、関与するイオンのイオン化ポテンシャルと一致するように電子温度を制御できる。さらに、プラズマのイオンまたは電子が減速装置に接触すると、低エネルギーの二次電子（数ｅＶ）が生成される。その場合、これらの電子は即座に加熱され、有利にはイオン化プロセスに用いられる。

本発明に固有の特徴によれば、前記減速装置の位置および数は、妨害が望まれる電子のエネルギーと数とに応じて選択される。

このような構成により、多少とも数量の多い望ましくない電子を除去できる。

本発明に固有の別の特徴によれば、これらの減速装置の構成材料が、高エネルギー電子との衝突時に二次電子を発生する能力に応じて選択される。

実際、前記減速装置に使用される材料に応じて、このように生成される二次電子の数およびエネルギーを多少とも大きくできる。それにより、これらの二次電子がイオン生成に及ぼす影響を加減することができる。

本発明に固有の別の特徴によれば、減速装置が、少なくとも一つの作動部分と、プラズマを囲むリングとを含む。

このようにして、関与する磁界構成に応じて考えられる最適位置に前記作動部分を便利に配置可能で、なおかつ堅牢な装置が得られる。

本発明は、また、有利には、手短に説明した上記プラズマチャンバの任意の一つを含む、ＥＣＲイオン源とＥＣＲプラズマ装置とを対象とする。

本発明の他の特徴および長所は、限定的ではなく例として挙げられた特定の実施形態の以下の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。この説明は、添付図面を参照しながら行われる。

次に、本発明の様々な実施形態について説明する。

前述のように、ＥＣＲプラズマチャンバの磁気特性は、（軸方向と半径方向の）二つの磁界を重ねることによって得られる。これらの磁界の構造によりプラズマの形状が決定される。そのため、この構造は、対象とされる用途に応じて選択される。たとえば、プラズマの形状をできるだけ円筒形にしたい場合、２ｎ個の極を持つ半径方向の磁界を形成する。その場合、電子が流れる領域は、ｎ個の分枝を持つ星形になる。

図１は、６個の磁極２ａから２ｆにより半径方向の閉じ込めが得られるプラズマチャンバ１の断面図である（この場合、電子が流れる領域（図示せず）は、３個の分枝を持つ星形である）。

特に、プラズマチャンバ１では、
・プラズマの中央領域３（主に「高温の」電子と「低温の」イオンとを含む）と、
・プラズマの漏洩領域４と、
・プラズマのない領域５との、３タイプの領域が区別される。

プラズマのない領域５を含めて、これらの領域では全て、非常に高温の電子があることに留意すべきである。

前述のように、今日では、対象とされる用途に応じて電子軌道（ならびにプラズマの全体形状）を決定するために、理論上必要とされる数々のツールが用いられる。実際には、次のように実施することができる。
ａ）軸方向の磁界と半径方向の磁界との構成を計算する。
ｂ）全体の磁界を計算する。
ｃ）ＥＣＲプラズマ中を電子が通過する時に、この電子が包まれることになる磁界線の包絡線を得る。

このように電子軌道が決定されると、本発明による減速装置のために必要な位置、形状、および材料を決定することができる。

図２ａ、図２ｂは、チャンバのプラズマのない領域５に配置される減速装置１００を備えたプラズマチャンバ１の断面図であり、減速装置は二つの異なる形状をとっている。図２ｂの減速装置の比較的広幅の形状は、より多数の軌道で電子を遮断可能である。

図３は、プラズマの漏洩領域４に配置される減速装置１００を備えたプラズマチャンバ１の断面図であり、図４は、チャンバの中央領域３を遮断する減速装置１００を備えたプラズマチャンバ１の断面図である。

図２ａ、図２ｂ、図３、図４の各図では、例として減速装置１００を１個だけ示した。しかし、多数の事例において、所望の電子温度を得るために複数の減速装置１００を使用しなければならないことは自明である。特に、半径方向の磁界が２ｎ個の極から構成される場合、好適には、減速装置１００にｎ個の作動部分７を設け、各作動部分が、電子軌道からなるｎ個の分枝の一つにそれぞれ配置されるようにする。

さらに、高エネルギーの電子はプラズマチャンバ１全体に存在するが、電子濃度は、当然のことながらプラズマ温度自体が最大になる中央領域３で最大であることに留意されたい。従って、減速装置１００の効率を最適化するには、減速装置をこの中央領域３のできるだけ近くに置くことが求められるが、しかし、その場合には、特に、減速装置１００の構造が耐えられる温度を考慮しなければならない。

図５は、６極の磁界構成を含むプラズマチャンバに配置されるように構成された、本発明による減速装置のための構造の一例を示している。この構造は、３個の作動部分７を含み、各作動部分が、プラズマチャンバ１の横断面に半径方向に配置される円筒バー（ｂａｒｒｅａｕ）の形状をとっている。バーの一端は、チャンバの中央領域３に向けられるが、他端は、プラズマを囲むリング６からなる減速装置１００の他の部分に固定されている。

本発明の別の実施形態によれば（図示せず）、減速装置１００の作動部分７は、機械的な保持を目的として中間部分に固定されており、中間部分自体が、前述の実施形態で使用されるタイプのリング６に固定される。たとえば、中間部分は、支持ロッドから構成可能であり、バーまたは円板または球状とすることができる作動部分７が、この支持ロッドの先端に取り付けられる。

リング６の厚さは、作動部分を剛性保持するのに十分な厚さとしなければならないが、過度に肉厚にしてプラズマの遮断を妨げてはならない。たとえば、一般に、直径１００ｍｍのプラズマチャンバの場合、２ｍｍから５ｍｍの厚さが適当である。

当業者は、特に作動部分７への超高温電子の衝突時に望まれる二次電子の生成率に応じて、多少とも大型（たとえば図５のバーの直径）の作動部分７を選択する。このように生成される二次電子は、一般には低温電子である。たとえば、高温電子の数があまりに多いと認められれば、その結果として作動部分７の寸法を大きくする。

動作時には、プラズマの中央領域３のできるだけ近くに配置される作動部分７の端が、その接触時に腐食されるので、その形状が損なわれる。たとえば、一端が最初は平らであるバーから作動部分７を構成し、プラズマがこの端位置で凹形である場合、バーの端は動作中に凹形になる。

減速装置１００の各種の構成部分は、様々な材料から製造可能である。

もちろん、リング６は、動作中に溶融するおそれのない材料から製造しなければならない。さらに、これらの材料は、好適には、ガスを発散してはならない。リング６は、たとえば金属製またはセラミック製（アルミナまたは酸化ジルコニウムなど）とすることができる。

支持ロッド等の中間部分を使用する場合、これらの中間部分は、リング６と同じ材料条件に従う。

さらに、作動部分７は、好適には、プラズマの高温に耐えられなければならない（作動部分７を機械的に支持するように構成された減速装置１００の他の部分については、プラズマの高温部分からずっと離れており、作動部分７によりある程度まで保護されているので、この点に関してそれほど注意する必要がない）。好適には、作動部分７は、タングステン、タンタル、またはモリブデン等の耐熱材料で製造される。しかし、作動部分は、セラミック（アルミナ、酸化ジルコニウム、または酸化トリウム）で製造してもよいし、あるいは全体を金属製としてもよい。

減速装置に対して選択される材料に応じて、超高温電子の衝突時に生成される二次電子の数およびエネルギーは異なる。そのため、当業者は、必要であれば原位置で幾つかのテストを行った後で、その入用度に適した材料を選択する。

図６は、図５に示したタイプの幾つかの減速装置１００を備えた、６極の半径方向閉じ込めプラズマチャンバ１の斜視図である。図６から分かるように、バー７は、望ましくない電子が流れる領域８、８’、８”に収容されている。

プラズマチャンバの断面図である。本発明による減速装置をチャンバのプラズマのない領域に配置したプラズマチャンバの断面図であり、一形態の減速装置を示している。本発明による減速装置をチャンバのプラズマのない領域に配置したプラズマチャンバの断面図であり、図２ａと異なる形態の減速装置を示している。本発明による減速装置をプラズマの漏洩領域に配置したプラズマチャンバの断面図である。本発明による減速装置をチャンバの高温プラズマ領域に配置した、プラズマチャンバの断面図である。本発明による減速装置のための構造の一例を示す図である。図５の減速装置を備えたプラズマチャンバの斜視図である。

Claims

一方が軸方向で他方が半径方向の二つの磁界を重ねることによって生じる磁界構成に置かれるエンクロージャを含み、電子軌道の構成が前記磁界構成に依存するＥＣＲプラズマチャンバ（１）であって、少なくとも一つの減速装置（１００）を含み、減速装置（１００）の位置および形状は、エネルギーが所定のエネルギーより大きい電子を前記減速装置（１００）が妨害するように、前記磁界構成に応じて選択されることを特徴とする、ＥＣＲプラズマチャンバ。
前記減速装置（１００）の位置および数は、妨害が望まれる電子のエネルギーと数とに応じて選択されることを特徴とする、請求項１に記載のＥＣＲプラズマチャンバ。
これらの減速装置（１００）の構成材料が、高エネルギー電子との衝突時に二次電子を発生する能力に応じて選択されることを特徴とする、請求項１または２に記載のＥＣＲプラズマチャンバ。
半径方向の磁界が２ｎ個の極から構成され、減速装置（１００）が、ｎ個の作動部分（７）を含み、各作動部分が、電子軌道からなるｎ個の分枝の一つにそれぞれ配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のＥＣＲプラズマチャンバ。
前記減速装置（１００）が、少なくとも一つの作動部分（７）と、プラズマを囲むリング（６）とを含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のＥＣＲプラズマチャンバ。
前記作動部分（７）が、プラズマチャンバ（１）の横断面に半径方向に配置される円筒バーの形状をとり、前記バーの一端が、プラズマチャンバ（１）の中央領域（３）に向いており、バーの他端が前記リング（６）に固定されていることを特徴とする、請求項５に記載のＥＣＲプラズマチャンバ。
前記作動部分（７）が、支持ロッドの先端に取り付けられ、前記支持ロッド自体が前記リング（６）に固定されていることを特徴とする、請求項５に記載のＥＣＲプラズマチャンバ。
少なくとも一つの減速装置（１００）が金属部分を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のＥＣＲプラズマチャンバ。
少なくとも一つの減速装置（１００）がセラミック部分を含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のＥＣＲプラズマチャンバ。
請求項１から９のいずれか一項に記載のＥＣＲプラズマチャンバを含む、ＥＣＲイオン源。
請求項１から９のいずれか一項に記載のＥＣＲプラズマチャンバを含む、ＥＣＲプラズマ装置。