JP2014526771A - プラズマ源 - Google Patents

Abstract

本発明は、真空室にフロート状態で配置されているプラズマ源に関し、その際プラズマ源はハウジングを備え、このハウジング内にここから絶縁されて配置されるフィラメントが設けられており、ハウジングとフィラメントとの間の電位降下を測定するための手段が設けられている。測定された電位降下は、フィラメントを加熱する電圧の制御に使用されることが可能である。本発明に係り、その適切な手段が設けられている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に基づくプラズマ源に関する。また、本発明は熱電子放出によるプラズマ生成の方法に関する。

フィラメントを電流により加熱し、その結果としてフィラメントの高温面から電子が放出される。この高温面からの電子放出は、リチャードソンによって初めて唱えられた以下の法則による：
Ｊ＝Ａ_ＧＴ^２ｅ^{−Ｗ／ｋＴ}
その際、Ｊは電流密度、Ｔは温度、Ｗは電子の仕事関数を示す。

フィラメント表面が、ウォルフラムの場合に約２９００Ｋより高い温度に達すると表面から十分な電子が放出されて、これにより一定の電圧で十分に加速されると、プラズマが持続される程度のアルゴンガスのイオン化が可能になる。

従来技術では、フィラメントの加熱は一定の電流強さで行われる。多くの場合は交流電圧下で位相制御により電流の実効値が調整される。高温での作動の場合はフィラメント材料（たとえばタングステン）が蒸発し、これによりフィラメントのワイヤ径が減少してしまう。その結果、ワイヤにより定められるフィラメントの抵抗が上昇する。この際、加熱電流が同じままであれば、温度がさらに上昇し、フィラメント材料の蒸発が早まることとなり、短時間の後に熱で溶けてしまう。図１ａは、一定の加熱電流において、使用時間に対するフィラメントの径を示している。同様に図１ｂは、一定の加熱電流において、使用時間に対するフィラメント温度を示している。これにより、初めに一定的にワイヤ径が減少した後、急激にフィラメントが燃え尽きてしまう（パンチスルー効果）ことが明らかになる。

本発明の課題は、このような燃え尽きを回避し、それによって作動期間、すなわちフィラメントの耐用期間を向上させることができる方法を提供することである。

耐用期間を向上するための実験の際、一定に保たれたフィラメントワイヤの温度では、ワイヤ径はほぼ一定の速度で減少していくことを発明者は確認した。図３は、一定の温度でのフィラメントの使用時間に対するワイヤ径の変化、そして比較のために一定の電流強さでの測定を示している。

さらに実験において意外にも、フィラメントとプラズマとの間の電圧降下が一定での作動においてフィラメントの温度がほぼ一定に保たれ、フィラメント径が減少するにつれて蒸発速度が低下さえすることも発明者によって確認された。

したがって、本発明に係りフィラメントは一定の電流強さではなく、一定の電圧で作動される。

本発明を以下に図面に基づき詳しく説明する。図４は、従来技術に基づくプラズマ源を示しており、真空室１に配置されている。プラズマ源は、アルゴンガス用の入口５を有するハウジング３を備える。ハウジング３内にはフィラメント９が設けられており、これはハウジング３から絶縁された通路１１を介して変圧器１３に接続されている。フィラメント９は、たとえば直径２ｍｍのウォルフラムワイヤからなる。変圧器はたとえば、交流電圧、５０Ｈｚで作動される。フィラメント９には約２００Ａの加熱電流が通される。フィラメント９の表面の温度が２９００Ｋより高くなると、真空室１５と変圧器１３との間での電圧源１５による放電電圧のもと、入口５からハウジング３内へ流れるアルゴンガスのイオン化に十分な電子がフィラメント表面から放出される。初めは、放電はハウジング３を接地する抵抗器を介して開始される（不図示）。十分な電荷担体が存在する場合は、放電電流は開口部１７（「オリフィス」とも呼ばれる）を通り真空室１へ通されることが可能である。

続いて本発明に係り、図５に示すようにハウジングが絶縁体７により絶縁されて真空室１に配置され、浮遊電位に保たれるハウジング３とフィラメント９への配線路との間の電圧が測定される。フィラメント９は電流Ｉにより加熱される。フィラメントでは電圧Ｖ_ｈｅｉｚが降下するが、これは変圧器１３により設定されることが可能である。ソース本体３が電気的に浮遊（フロート）状態で取り付けられた後、陰極とされる配線路とハウジングとの間の本発明に係る電位測定を、フィラメント９とハウジング内部で点火されるプラズマ１９との間の電位降下の状態、すなわちフィラメントから放出される電子の状態の特性として評価することが可能である。本発明に係り、たとえば加熱電圧Ｕ_ｈｅｉｚの制御により、この状態は実質的に一定的に保持される。したがって、Ｖ_{ｆｌｏａｔ}の測定により、電子放出の最適な状態を維持することが可能になる。このようにして、フィラメントの温度が最適に維持される。ここで最適とは、その温度においてフィラメント材の蒸発速度が許容可能な程度に低いが、プラズマの持続に十分な電子放出を確実にするのに十分な高さであるということを指す。これにより、フィラメントの持続期間、すなわち耐用期間が従来技術と比較して大幅に増加する。

本発明の実施形態に係り、基板の加熱およびプラズマエッチング用のプラズマ源構造は、熱電子放出の原理に基づき機能する多数のプラズマ源を備えることが可能である。プラズマ源のフィラメントは電圧の印可により加熱され、本発明に係り印可される電圧は、フィラメントとフロート状態のハウジングとの間の電圧が好適には０Ｖから−１０Ｖの間の実質的に一定的な値となるように制御される。

好適には、加熱はスイッチング電源により行われる。この実施形態では各プラズマ源にはプラズマ源コイルが設けられている。処理室内のプラズマは、外側コイルの磁場およびプラズマ源コイルの磁場の組み合わせにより処理高さに分散される。放電陽極には、処理室および／またはフロート状態で絶縁された陽極が使用されることが可能である。

本発明の別の実施形態に係り、図６に示すように、変圧器１３がいわゆるスイッチング電源２１により代替される。このようなスイッチング電源２１はフェライト磁心２３を備え、これに一次コイル２５のコイルが巻かれており（フェライト磁心の一部についてのみ図示）、その際フィラメントへの配線はたとえば単にループをなしているだけである。本発明に係り、フィラメントへの両方の配線にフェライト磁心が設けられており、放電電圧Ｖ_Ｄｉｓｃは、フィラメント９に対向する側の中央で印可される。このようにして、すなわちスイッチング電源を用いることによって、非常に小型でコンパクトなプラズマ源が実現される。

一定の加熱電流における、使用時間に対するフィラメントの径を示す図である。 一定の加熱電流における、使用時間に対するフィラメントの温度を示す図である。 一定の加熱電流の場合、ならびに一定の温度の場合における、使用時間に対するフィラメントの径を示す図である。 径に対するフィラメントの温度を示す図である。 径に対するフィラメントの蒸発速度を示す図である。 従来技術におけるプラズマ源を示す図である。 プラズマ源の本発明に係る実施形態を示す図である。 プラズマ源の本発明に係る別の実施形態を示す図である。

Claims (6)

1. プラズマを生成するための真空室に配置されるプラズマ源であって、前記真空室内に侵入する開口部を有するハウジングを前記プラズマ源が備え、絶縁されて前記ハウジング内に通される電気配線を介して加熱電圧が印加可能であるフィラメントが前記ハウジング内に設けられており、これにより前記フィラメントが電流により加熱可能であるプラズマ源において、前記ハウジングが前記真空室から電気的に絶縁されてこれに配置されており、前記電気配線と前記ハウジングとの間の電圧降下Ｕ_{ｆｌｏａｔ}を測定可能である手段が設けられており、測定された値Ｕ_{ｆｌｏａｔ}を制御信号として処理可能であるよう構成されている加熱電圧の制御手段が設けられていることを特徴とするプラズマ源。
2. 請求項１に記載のプラズマ源を多数有する装置において、前記プラズマ源がそれぞれ少なくとも１つのプラズマ源コイルに囲まれており、前記プラズマ源が、処理高さまで延伸する複数のプラズマ源を備える外側コイルに囲まれていることを特徴とする装置。
3. 請求項１または２に記載の装置において、加熱電圧が少なくとも１つのスイッチング電源により加えられ、その際好適には放電に必要な放電電圧Ｕ_ｄｉｓｃが、中心でフィラメントに対向して印加されることを特徴とする装置。
4. 真空室内でプラズマを生成するための方法であって、前記真空室にハウジングとフィラメントとを有するプラズマ源が配置されており、プラズマの持続のため前記ハウジングが前記真空室と前記フィラメントに対して浮遊電位、すなわちフロート状態で保持され、プラズマの持続のためフィラメントと内部でプラズマが燃焼するハウジングとの間の電位降下が測定され、測定された電位降下が前記フィラメントに印加される加熱電圧の制御に使用され、前記加熱電圧により前記フィラメントを熱する電流、そして電子放出がもたらされる方法。
5. 請求項３に記載の方法において、前記加熱電圧が、ハウジングとフィラメントとの間の電位降下が実質的に一定に保持されるよう制御されることを特徴とする方法。
6. 請求項３および４のいずれか一項に記載の方法において、ハウジングとフィラメントとの間の電位降下が０Ｖから−１０Ｖの間の値に保持されることを特徴とする方法。