JP2013539185A - プラズマビームを形成するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明はプラズマビームを形成する方法と装置とに関する。本発明によれば、プラズマビーム（ＰＢ）の電気的中性の質は（１２と１３の少なくとも一方で）検出され、抽出と加速のグリッド（４）の交互の極性化電位は、プラズマビーム（ＰＢ）が少なくともほぼ電気的中性となるように調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマビーム（プラズマ線）を形成するための方法および装置に関する。

半導体デバイス（半導体装置）のエッチング、宇宙空間推進、磁気閉じ込め融合、バイオテクノロジー、等々の技術は、異なる方法で得られる電気的に中性であるプラズマビームを利用している。

国際公開第２００４／００２２０１号、国際公開第２００７／０６５９１５号、および国際公開第２０１０／０６０８８７号において先行技術として引用された公知技術は、負にバイアスがかけられたグリッド（格子）を介して正イオンを抽出して加速し、続いて補助電子ビームを使用して、電気的中性であるプラズマビームを形成するために、そのように得られたイオン流を中性化させる。もちろん、この第一の方法は補助的な電子源を必要とする弱点を有する。

別な方法は、国際公開第２００７／０６５９１５号および国際公開第２０１０／０６０８８７号に関するものであり、それぞれ負と正にバイアスがかけられた少なくとも２つのグリッドを介してプラズマから正イオンと負イオンとを抽出して加速し、これら正イオンの流れと負イオンの流れとを組み合わせて、電気的中性であるプラズマビームを形成する。この方法は、正イオンと負イオンとを非常に高速で（約５ｘ１０^−８ｃｍ^３／秒）組み合わせる利点を有する。特にそれらイオンが単一イオン源から供給される場合には非常に速いが、正反対にバイアスがかけられたグリッドの同時存在によって実行が困難であり得る。

さらに別な方法（例えば、欧州特許出願第１ ２２０ ２７２ Ａ１号および米国特許第５，１５６，７０３号）は、交互に正と負であるバイアス電位を抽出と加速のグリッドに曝すことで、プラズマから正イオンおよび負に荷電した粒子を抽出して加速する。この方法では、このグリッドは正（荷電）粒子（すなわち正イオン）と負（荷電）粒子（負イオンまたは電子）をプラズマから交互に抽出して加速する。その後にこれら正粒子と負粒子はそれらの電荷を中性化するように組み合わされる。しかし、経験によれば、実際には、このようにして得られたプラズマビームの電気中性の質は最良とはならない。

国際公開第２００４／００２２０１号 国際公開第２００７／０６５９１５号 国際公開第２０１０／０６０８８７号 国際公開第２００７／０６５９１５号 国際公開第２０１０／０６０８８７号 欧州特許出願第１ ２２０ ２７２ Ａ１号 米国特許第５，１５６，７０３号

本発明の目的は、プラズマビームのさらに優れた電気的中性を達成するために、この公知方法を改良することである。

この目的を達成するために、プラズマから帯電した粒子（荷電粒子）を抽出して加速し、交互に正と負であるバイアス電位を印加された少なくとも１つの抽出と加速のグリッド（格子）を使用することによるプラズマビームを形成する方法は、
− このプラズマビームの電気的中性の質が検出され、
− このプラズマビームが少なくともほぼ電気的中性となるようにこのバイアス電位が調節される、
ことを特徴とする。

本発明は、抽出されて加速された正と負の粒子の数が、抽出と加速のグリッドに印加された正と負の電位の持続時間および振幅により決定されるという事実を活用する。

その結果、本発明による正及び／又は負のバイアス電位の持続時間及び／又は振幅の調整はプラズマビームの中性の質に作用した。この種の調整は、例えば、グリッド電流の分析を介して、あるいはこのプラズマビームを監視（モニター）する外部センサによってリアルタイムで実行できる。

プラズマビームの電気的中性の質をさらに改善するため、正と負のバイアス電位の交替の頻度が、数ｋＨｚと数ＭＨｚの範囲に含まれる無線周波数（高周波数）であることが有利である。換言すれば、正または負の電位が抽出と加速のグリッドに印加される持続時間が数ミリ秒から数マイクロ秒の範囲に含まれることが有利である。実験によれば、このような頻度は正と負の粒子の組み合わせを促す。

このプラズマがパルスとして発せられる状況では、正と負のバイアス電位の交互に連続する形態がプラズマのパルス動作と同調され、負の粒子がこのパルス動作の間隔中に抽出されると同時的に、そのパルス動作時に正イオンがプラズマから抽出されることも有利である。

正と負のバイアス電位の交互連続形態は、例えば正弦波のような、好適な連続形状を有することができる。しかし、より好適には、鋭角の縁部を有する矩形波の連続形態であり、その立ち上がり時間はイオンのおおよその移行時間であるか、さらに速い。

好適には、その抽出と加速のグリッドにバイアスをかける正および負の電位は、例えば４００ボルトである数百ボルトである。

本発明は、上記の方法を実行する装置にも関する。このプラズマから荷電粒子を抽出して加速するために少なくとも１つのグリッドと、このグリッドに電気的なバイアスをかけ、交互に正と負であるバイアス電位を発生させる手段とが提供されたプラズマ発生器を有する本発明によるこのような装置は、プラズマビームの電気的中性の質を表す信号を届ける検出器を有し、電気的にバイアスをかけるこの手段は、この検出器で制御され、プラズマビームを少なくともほぼ電気的中性とする。

この種の検出器は、プラズマビームをモニターする（連続的な記録を取る）、例えば、誘導センサであるか、あるいは前記の装置のグリッド内の電流センサであるセンサでよい。この目的を達成するためには、
−アースされているか、弱い負電位に接続された、少なくとも１つの追加のグリッドが、抽出と分極（極性化）のグリッドの下流に配置されており、
−電流センサが追加のグリッドの電流の存在を検査すること
が有利である。

好適には、この電気的なバイアス手段は、二つの反対の両極性を交互に切り替えるＭＯＳＦＥＴ高速スイッチを有する。

本発明のプラズマ発生器は、電気的バイアス手段を、プラズマがパルスとして発せられる動作と同調させる手段も有することができる。

添付の図面は本発明がどのように実施されるかに関する明確な理解を提供する。これら図面において使用される同一の符号番号は類似する要素を表す。

図１は、本発明に従った装置の実施形態のブロック図である。 図２は、図１で示す装置の抽出と加速のグリッドに印加される知られた電気的なバイアスの実施形態のタイミング図である。 図３は、図１に示す装置の抽出と加速のグリッドに印加される、本発明による電気的なバイアスの概略的な例のタイミング図である。 図４は、本発明による装置の別の実施形態のブロック図である。 図５は、図４で示す装置の抽出と加速のグリッドに印加される可変の電気的なバイアスの概略図を提供するタイミング図である。

図１で概略的に図示されている本発明のプラズマ発生装置Ｉは、ガス供給ルート２によってイオン化可能なガスＡ２が供給されるプラズマ中心部１を有している。このガスＡ２は図中にて符号「３」で示される連続的な無線周波数の電界（高周波数の電場）ＲＦの作用下でイオン化される。従って、正イオンＡ^＋、負イオンＡ⁻および電子ｅ⁻を含んだ連続プラズマはプラズマ中心部１において発生される。

プラズマ発生装置Ｉは、隣接領域５に存在するプラズマからの正イオンＡ^＋と負イオンＡ⁻とを、例えば磁気フィルター６を介して電子ｅ⁻を排除した後に、抽出して加速するためのプラズマと接触状態にあるグリッド４を有する。アースされているか、弱負電位（例えば約−１０Ｖ）に接続されたグリッド７が、抽出と加速のグリッド４の上流に設置される。負のバイアスが印加される中間グリッド８がグリッド４とグリッド７との間に配置可能である。グリッド４はプラズマ中心部１の内蔵電極と交換できる。その後にバイアス電位は、この内蔵電極と、従前同様に使用されているグリッド８とグリッド７とに適用される。

抽出と加速のグリッド４は、電気的なバイアス装置９によって交互に正と負にバイアス印加（バイアス電圧が印加）され、電位を大きく超過させずに、例えば、２つの反対の電気的な極性を高速で切り替えるＭＯＳＦＥＴ高速スイッチを含む。この「高速」の概ねの意味は、イオンの移行時間である。

グリッド４に適用可能な高電圧＋ＨＴおよび−ＨＴ（例えば、約４００Ｖ）でのバイアス信号Ｂの知られた例が図２に示されている。これは時間ｔ（横座標）の関数としての電圧Ｖ（縦座標）を表す。

バイアス信号Ｂは、（０と＋ＨＴの間の）鋭角の縁部を有した正の矩形波ｂ＋と、（０と−ＨＴの間の）鋭角の縁部を有した負の矩形波ｂ−との交互のシーケンス（連続、並び）で成る。このバイアス信号Ｂにおいては、全ての正のバイアス波形ｂ＋は等しい振幅ａと持続時間ｄのものであり、この条件は負の波形ｂ−にも同様に当て嵌まり、さらに極性以外では正の波形と同じである。

フィルター６が完璧なものであり、加速と抽出のグリッド４の隣接領域５には電子が一切発見されず、バイアス信号Ｂがそのグリッドに適用される理想的な場合、
− 正の波形ｂ＋が領域５でプラズマと接触状態にあるグリッド４の上に不意に現れると、正イオンＡ^＋を加速して負イオンＡ⁻を阻止する負の鞘体が形成される。
− 一方、正の波形ｂ−が領域４の上に不意に現れると、負イオンＡ⁻を加速して正イオンＡ^＋を阻止する正の鞘体が形成される。

従って、この理想的な場合には、発生器Ｉの出力部にて、交互であって同時的ではない同数の正イオンＡ^＋と負イオンＡ⁻が出現し、組み合わされて、電気的中性であるプラズマビームＰＢが形成される。

しかしながら実際には、様々な理由によって（例えば、磁気フィルター６が不完全）一部の電子ｅ⁻が抽出と加速のグリッド４の隣接領域５で発見され、よって、プラズマ（ビーム）発生装置の出口で発見され、バイアス信号Ｂによってバイアス印加されるグリッド４からのプラズマビームＰＢは、電気的に中性ではあり得なくなる。

この弱点を克服するため、本発明によれば、電気的なバイアス装置９は制御可能であり、その振幅ａ’と持続時間ｄ’とが可変である正の矩形波形ｂ’＋と負の矩形波形ｂ’−のシーケンスで成るバイアス信号Ｂ’を発生させることができる。

さらに、装置Ｉは、例えば、ビームＰＢでの電気的中性の欠如を検出でき、制御可能な電気的なバイアス装置９に作用することができる誘導センサであるセンサ１２を有している。この装置は、この電気的中性の欠如を消滅させるために正の矩形波形ｂ’＋及び／又は負の矩形波形ｂ’−の振幅ａ’と持続時間ｄ’とを変更させる。従って、プラズマビームＰＢはリアルタイムで電気的中性化が可能である。

図３は、プラズマビームＰＢを電気的に中性化するように調整された異なる振幅ａ’と持続時間ｄ’とを有したこのような波形ｂ’＋とｂ’−の別例を示す。

別例として、センサ１２は、例えば、グリッド７の電流の存在を監視する電流センサ１３と置き換えることができる。

加えて、図１のプラズマ発生器ＩでプラズマビームＰＢの電気的中性をさらに向上させるため、図１の線１０により象徴的に示すように、イオン化する電界ＲＦが、スイッチング周波数を大幅に下回る周波数でパルス化され、電気的なバイアス装置９の運用、すなわち、バイアス信号Ｂ’の発生は、そのパルス化されたイオン化電界ＲＦと同調され、正イオンＡ^＋はそのパルス中にプラズマから抽出され、負イオンＡ⁻はパルス化の間隔で抽出され、領域５の電子ｅ⁻はこの間隔の時に急速に失われる。

図４で概略的に示される本発明のプラズマ発生装置ＩＩは、供給ルート２２を介して正電気ガスＸが供給されるプラズマ中心部２１を有する。この正電気ガスＸは「２３」で概略的に示されている無線周波数電界ＲＦによってイオン化され、正イオンＸ^＋と電子ｅ⁻とを発生させる。荷電粒子、すなわち正イオンＸ^＋と電子ｅ⁻とはプラズマと接触状態のグリッド２４によって抽出および加速される。アース（接地）されているか、あるいは弱い負電位に接続されているグリッド（またはグリッドセット）２５はグリッド２４と協調する。

この抽出と加速のグリッド２４は、上述の装置９と同タイプの電気的なバイアス装置２６によってバイアス印加され、その振幅ａ”と持続時間ｄ”とが可変である一連の正波形ｂ”＋と負波形ｂ”−とで成る信号Ｂ”を発生できる。

装置Ｉに関して上述したものと同様な形態で、正イオンＸ^＋は、正波形ｂ”＋時に抽出および加速され、電子ｅ⁻は負波形ｂ”−時に抽出および加速される。図５で示すように、正イオンＸ^＋と電子ｅ⁻との間の質量と移動性の相違によって、負波形ｂ”−の持続時間と振幅とは正波形ｂ”＋のものより大幅に小さい。

加えて、装置ＩＩは、例えば、ビームＰＢにおける電気的中性の欠如を検出でき、制御可能な電気的なバイアス装置２６に作用することができる誘導センサ（あるいはグリッド２５の電流の存在をモニターできるセンサ２８）を有し、その装置は、プラズマビームＰＢの電気的中性の欠如を消滅させるために、正波形ｂ”＋及び／又は負波形ｂ”−の振幅ａ”及び／又は持続時間ｄ”を変更させる。

従って、プラズマ発生装置ＩＩの出口で、イオンＸ^＋と電子ｅ⁻が出現し、それらを組み合わせることで電気的に中性なプラズマビームＰＢを、補助的な電子源の助けを借りることなく形成する。

プラズマ発生装置Ｉに関して前述したように、線１０は、信号Ｂ”をパルスとして発せられたイオン化電界ＲＦと確実に同調させることができる。

Claims (14)

1. プラズマから荷電粒子を抽出して加速し、交互に正と負でなるバイアス電位に作用される少なくとも一つの抽出と加速のグリッド（４、２４）を利用することで、プラズマビーム（ＰＢ）を形成する方法であって、
   前記プラズマビームの電気的中性の質が検出されるステップと、
   前記プラズマビームを、少なくともほぼ電気的中性となるように、前記バイアス電位が調整されるステップと、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. 前記プラズマビームの電気的中性は、前記抽出と加速のグリッド（４、２４）に対する前記正電位と負電位の適用持続時間の少なくとも一方を調整することで、少なくとも部分的に得られることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記プラズマビームの電気的中性は、前記抽出と加速のグリッド（４、２４）に印加される前記正電位と負電位の少なくとも一方の振幅を調整することで少なくとも部分的に得られることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記正のバイアス電位と前記負のバイアス電位の交互の周波数は、数ｋＨｚから数ＭＨｚの範囲に含まれる無線周波数であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記プラズマは、パルスとして発せられており、正電位と負電位の交互のシーケンスは、前記プラズマのパルス化と同調されており、正イオンは前記パルス化時に前記プラズマから抽出され、負の粒子は前記パルス化の間隔にて抽出されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 正電位と負電位の交互のシーケンスは、連続曲線を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記連続曲線は、鋭角の縁部を有した矩形波形でなり、交互に正と負となることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記バイアス電位は約４００ボルトであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. プラズマから荷電粒子を抽出して加速する少なくとも１つのグリッド（４、２４）を備えたプラズマ発生器と、前記グリッドの電気的なバイアス手段（９、２６）とを有したプラズマビーム（ＰＢ）形成装置であって、
   交互に正と負となるバイアス電位を発生させ、前記プラズマビームの電気的中性の質を表す信号を伝達するセンサ（１２、１３、２７、２８）を有しており、前記電気的なバイアス手段（９、２６）を前記センサによって制御し、前記プラズマビーム（ＰＢ）を少なくともほぼ電気的中性とすることを特徴とする装置。
10. 前記センサは誘導センサ（１２、２７）であり、前記プラズマビーム（ＰＢ）の電気的中性の欠如を検出できることを特徴とする請求項９記載の装置。
11. −アースされているか、または弱い負の電位に接続された少なくとも一つの追加のグリッド（７、２５）が、抽出と分極のグリッド（４、２４）の下流に設置されており、
    −前記センサは、前記グリッド（７、２５）での電流の存在を検出する電流センサであることを特徴とする請求項９記載の装置。
12. 前記電気的なバイアス手段（９、２６）はＭＯＳＦＥＴ高速スイッチを有していることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記プラズマをパルス化し、前記電気的なバイアス手段（９、２６）を前記プラズマのパルス化と同調させる手段（１０）を有していることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載の装置。
14. 前記電気的なバイアス手段（９、２６）はほぼ４００ボルトの正電位と負電位とを送達することを特徴とする請求項９から１３のいずれかに記載の装置。

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