JP3606842B2 - 電子銃および電子ビーム照射処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子銃および電子ビーム照射処理装置に係り、特に低温で用いることができ、長時間の連続使用が可能な電子銃および電子ビーム照射処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種研究において、金属などのサンプル加熱やサンプルに付着している不純物の除去，正電荷の中和（ニュートラライズ），プラズマ生成のトリガなどのために電子銃が用いられている。また、半導体分野におけるシリコンウエハの製造，光学分野における光学レンズの製造などでも、プラズマイオンプレーティング，プラズマＣＶＤ，プラズマスパッタリング，プラズマエッチング，電子ビーム（ＥＢ）蒸着等種々の技術で電子銃が用いられている。
【０００３】
例えば、光学レンズ製造技術では、イオンビームミリング後に正電荷を中和させるために、電子銃が用いられている。イオンビームミリングとは、イオン銃から光学レンズ等の基体にイオンビームを照射して基体表面を所定の形状に加工する方法である。基体が光学レンズなど絶縁性のものである場合、イオンビームミリング時にイオンビームの電荷により基体が帯電し、アークが生じて基体が損傷することがある。この基体損傷の原因である帯電を防止するため、イオンビーム照射後の基体に、電子銃により電子ビームを照射して、基体上の電荷を中性化する技術が一般的に知られている。
【０００４】
これらの技術には、電子銃として、図６に示すような熱電子放電型の電子銃Ｓ２が一般的に用いられている。図６の電子銃Ｓ２は、密閉容器体からなり、本体と、本体の図面左側端部に設けられたフィラメントを有するカソード電極１０２と、本体の図面右側端部に設けられた加速電極１１０と、本体内部を放電室１０１と電子ビーム加速室１０９とに分割する本体中央付近の位置に設けられたアノード電極１０４と、を備えている。また、放電室１０１には、アルゴンガスを導入するためのガス導入口１０７が設けられている。
【０００５】
図６に示す電子銃Ｓ２を用いて電子ビームを発生させるには、まず、電子銃Ｓ２内を充分排気した後、ガス導入口１０７からアルゴンガスを導入し、直流電源１０２ａをオンにしてカソード電極１０２を２０００℃〜３０００℃に加熱し、熱電子を放出させる。また、カソード電極１０２とアノード電極１０４との間に電圧を印加する。これにより、放電室１０１内にプラズマが発生する。次いで、加速電極１１０とアノード電極１０４との間に電圧を印加して、放電室１０１内のプラズマから加速電極１１０の孔を通して電子ビームを引出す。
【０００６】
しかし、かかる熱電子放電型の電子銃Ｓ２によれば、カソード電極１０２を高温に加熱するため、高温状態で電子銃Ｓ２を使用しなければならないという問題点があった。また、カソード電極１０２が高温加熱されるため、カソード電極１０２の材料が蒸発して電子ビーム中に混入し、コンタミネーションを生ずるという問題点があった。ひいては、このコンタミネーションにより、電子銃Ｓ２の連続使用時間が短くなるという問題点もあった。また、熱電子放電型の電子銃Ｓ２によれば、放電室１０１内のプラズマの発生効率が低いため、充分な量の電子ビームを取るためには、加速電極１１０とアノード電極１０４との間に高電圧を印加しなければならないという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するものであって、本発明の目的は、比較的低温下で使用することができ、コンタミネーションがなく、エネルギー効率よく電子ビームを得ることのできる電子銃および電子ビーム照射処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、請求項１に係る発明によれば、一方の端部から電子ビームを引出し可能な絶縁体からなる筒状の放電管と、該放電管内にプラズマを発生させるために前記放電管に巻装された高周波誘導コイルと、前記放電管内に収納され、前記プラズマを集束させるための空間を有し、側面に複数のスリットが形成された中空略円筒体の導電体からなるカソード電極と、前記放電管の前記一方の端部側に設けられ、前記カソード電極より正電位になるように電圧が印加されることにより前記プラズマから電子を引出して電子ビームを発生可能なアノード電極と、を備えたことにより解決される。
【０００９】
このように、放電管内にプラズマを発生させるために放電管に巻装された高周波誘導コイルと、前記放電管内に収納され、前記プラズマを集束させるための空間を有し、側面に複数のスリットが形成された中空略円筒体の導電体からなるカソード電極とを備えているため、高周波誘導コイルによる高いプラズマ効率と、空間を有するカソード電極によるプラズマの集束効果とを併せて得ることが可能となる。
【００１０】
また、放電管が絶縁体からなると共に、カソード電極の側面に複数のスリットが形成されているため、高周波誘導コイルにより発生する電界がカソード電極に囲まれた空間に導入され、カソード電極に囲まれた空間でプラズマを発生させることが可能となる。
【００１１】
また、比較的低温で使用可能な電子銃とすることができ、ひいてはコンタミネーションのないクリーンな電子銃とすることができる。
【００１２】
また、前記カソード電極内には、矩形波からなる高電圧を定期的に印加するトリガ電極が設けられているように構成すると好適である。このように、矩形波または正弦波からなる高電圧を定期的に印加するトリガ電極が設けられているため、短時間で確実にプラズマを発生させることが可能となる。
【００１３】
また、前記スリットは、少なくとも４つ以上形成されているように構成すると好適である。このように構成しているため、電子ビーム引出し方向と異なる方向からカソード電極内に電界を充分導入することが可能となる。
【００１４】
上記課題は、請求項４に係る発明によれば、真空ポンプにより内部を排気可能な気密の真空槽と、該真空槽内に配置された基板を保持する基板ホルダと、該基板ホルダに対向して配置され、前記基板上に電子ビームを照射可能な電子銃と、を備えた電子ビーム照射処理装置であって、前記電子銃は、請求項１乃至３いずれか記載の電子銃からなることにより解決される。このように構成しているため、低温状態，低電力で使用可能な電子ビーム照射処理装置を得ることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、電子銃Ｓおよび電子ビーム照射処理装置に関するものである。本発明の電子銃Ｓは、放電管１と、高周波誘導コイル３と、カソード電極２と、アノード電極４と、を備えている。放電管１は、一方の端部１ａから電子ビームを引出し可能な絶縁体からなり、筒状に形成されている。
【００１６】
高周波誘導コイル３は、放電管１内にプラズマを発生させるためのものであり、放電管１に巻装されている。
【００１７】
カソード電極２は、導電体からなり、放電管１内に収納されている。カソード電極２は、側面に複数のスリットが形成された中空略円筒体からなり、中空略円筒体のカソード電極に囲まれたプラズマを集束させるための空間を有している。カソード電極２のビーム引出し側の端部は開口として形成され、スリットは、少なくとも４つ以上形成されている。
【００１８】
アノード電極４は、放電管１の一方の端部１ａ側に設けられている。カソード電極２より正電位になるように電圧が印加されることによりプラズマから電子を引出して電子ビームを発生可能である。
【００１９】
カソード電極２内には、矩形波または正弦波からなる高電圧を定期的に印加するトリガ電極５が設けられている。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材，配置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。本例の電子銃Ｓは、正電荷の中和（ニュートラライズ）のほか、プラズマイオンプレーティング，プラズマＣＶＤ，プラズマスパッタリング，プラズマエッチング，電子ビーム（ＥＢ）蒸着等の技術や、金属などのサンプル加熱やサンプルに付着している不純物の除去，プラズマ生成のトリガなどのために用いられるものである。
【００２１】
本例の電子銃Ｓがイオンビームミリング後の正電荷の中和（ニュートラライズ）に用いられる場合，すなわち「ニュートラライザ」として用いられる場合について、図１に基づき説明する。本例の電子銃Ｓは、図１に示すように、真空槽４１に設置される。真空槽４１内には、図示しない基板と、この基板を保持する基板ホルダとしてのサセプタ４２、基板にイオンビームを照射するイオン銃４３等が設置されている。図１に示す装置全体が、請求項の「電子ビーム照射処理装置」に該当する。
【００２２】
真空槽４１は、図示しない配管を通して真空ポンプに接続され、真空槽４１内を排気できるように構成されている。また、電子銃Ｓは、後に説明するアノード電極４が、基板を保持するサセプタ４２に対向するように配置されている。
【００２３】
本例の電子銃Ｓは、図２に示すものであり、電子銃Ｓ全体を内部に保持する電子銃ボディ９と、電子銃ボディ９内に固定された放電管１と、放電管１内に固定されたカソード電極２と、カソード電極２から距離をおいて電子銃ボディ９の電子ビーム放出側に固定されたアノード電極４と、放電管１内にガスを導入するためのガス導入管６と、放電管１周囲に巻回された高周波誘導コイル３を主要構成要素とする。
【００２４】
電子銃ボディ９は、ステンレス製の略円筒体からなり、電子銃Ｓの各構成要素，すなわち放電管１，カソード電極２，アノード電極４，ガス導入管６，高周波誘導コイル３等を内部に保持している。電子銃ボディ９は、図１に示すように、電子銃ボディ９のガス導入側端部９ａ側に土台４４を固定可能に形成されている。土台４４は、真空槽４１の底面，壁面等に固定可能である。
【００２５】
放電管１は、プラズマの発生領域を形成し、プラズマの発生領域を気密にするものである。厚さ２ｍｍ程度のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）製で、電子ビーム放出側の端面１ａが閉じられ、ガス導入側の端面が開口となった断面略コの字型の中空略円筒体からなる。放電管１は、ガス導入側の端部が、電子銃ボディ９の内側に固定されている。
【００２６】
電子ビーム放出側の端面１ａの中心には、電子ビームを放出するための電子ビーム放出孔１ｂが穿孔されている。電子ビーム放出側の端面１ａが、請求項の「一方の端部」に該当する。なお、放電管１は、耐スパッタ性を有するとともに高周波電界を透過可能な他の絶縁体材料，例えば石英（ＳｉＯ_２），その他のセラミック材料（Ｓｉ_３Ｎ_４，ＡｌＮ，ＢＮ）等を用いてもよい。
【００２７】
カソード電極２は、発生したプラズマを集束させると共に、電子ビームの量が一定になるようコントロールする役割を果たすものである。また、プラズマから電子ビームを引出すためのカソード電極としての役割も果たす。カソード電極は、ニッケル（Ｎｉ）製で、図２，図３に示すように、ガス導入側の端面２ｃが閉じられ、電子ビーム放出側の端面が開口となった断面略コの字型の中空略円筒体からなる。カソード電極２の側面は、カソード板２ｂの集合として形成され、カソード板２ｂに囲まれた中空の領域が、請求項の「空間」に該当する。
【００２８】
また、カソード電極２のガス導入側の端面２ｃ中央には、ガス導入管６を通すための貫通孔２ｄが穿孔されている。カソード電極２は、本例ではニッケルで形成しているが、金属等の導電体であってスパッタされ難い性質を有する他の材料，例えば黒鉛（Ｃ），タンタル（Ｔａ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ）等から形成してもよい。
【００２９】
カソード電極２の側面には、図３に示すように、電子ビーム放出側の端部からガス導入側に向かって、スリット２ａが６本形成されており、カソード電極２は櫛型の構造となっている。つまり、カソード電極２は、６つの断面扇形のカソード板２ｂが、所定の間隔をおいて配置されると共に、ガス導入側の端面２ｃ側で互いに連結した形状からなり、６つのカソード板２ｂが全体として略円筒形を構成する櫛型の構造として形成されている。
【００３０】
各カソード板２ｂ間に所定の間隔を形成するために、スリット２ａが形成されている。所定の間隔，すなわちスリット２ａの幅は、高周波の振幅よりも大きく，具体的には２〜５ｍｍ，好ましくは３〜４ｍｍ程度に形成されている。カソード板２ｂおよびスリット２ａの数は、単数または２以上の複数のうちから適宜選択することができる。なお、カソード板２ｂおよびスリット２ａの数を２以上，さらに好ましくは４以上とするとよい。これにより、カソード電極２の内側に高周波電界を充分に導入することが可能となる。
【００３１】
また、カソード電極２の円筒断面の円周のうち７０〜９０％，好ましくは７５〜８５％程度をカソード板２ｂが占めるように形成すると好適である。これにより、カソード電極２の内側に導入されたプラズマをカソード電極２により充分集束させることが可能となる。カソード電極２およびスリット２ａの数は、１２以下，さらに好ましくは８以下とするとよい。これにより、カソード電極２の内側に導入されたプラズマをカソード電極２により充分集束させることが可能となる。
【００３２】
カソード電極２は、カソード電源（トリガ，アノード，カソード電源４０）と接続され、電圧を印加可能に形成されている。カソード電極２は、図３に示すように、略円板形からなるカソード固定板１１にボルト１５により固定されている。カソード固定板１１は、絶縁体のセラミック製からなり、図２に示すように電子銃ボディ９に固定されている。
【００３３】
トリガ電極５は、カソード電極２内で、カソード電極２の軸を中心としてボルト１５と対称になる位置に設置されている。また、トリガ電極５は、ワッシャ５ａを介してカソード固定板１１に固定され、トリガ電源（トリガ，アノード，カソード電源４０）に接続されている。このトリガ電極５は、トリガ電源（トリガ，アノード，カソード電源４０）から矩形波高電圧を印加して初期放電を行うために用いられる。
【００３４】
アノード電極４は、カソード電極２より正電位になるように電圧を印加して、カソード電極２内のプラズマから電子を引出すために用いられる。アノード電極４は、電極に用いられる公知の素材からなり、中央に電子ビーム引出し孔４ｂが穿孔された略リング形状からなる。アノード電極４は、電子銃ボディ９内の電子ビーム放出側の端部近傍に、電子ビーム引出し孔４ｂの引出し方向が電子ビームの放出方向に一致するように固定されている。アノード電極４は、アノード電源（トリガ，アノード，カソード電源４０）と接続され、電圧を印加可能に形成されている。
【００３５】
ガス導入管６は、放電管１内にプラズマ発生用のガスを導入するものであり、電子銃等に用いられる公知のガス導入管からなる。ガス導入管６は、電子銃ボディ９の電子ビーム放出側とは逆側に、先端のガス導入口７がカソード電極２の内部に突出するように固定されている。ガス導入管６は、図１に示すように、電子銃Ｓおよび真空槽４１の外に設置されたガス導入ユニット３６を介してガスボンベ３５に接続され、ガスボンベ３５内のガスが放電管１内に導入可能に形成されている。なお、図１では、ガス導入ユニット３６，ガスボンベ３５は、電子銃Ｓに用いるもののみ図示し、イオン銃４３に用いるものは省略している。本例では、電子銃Ｓのガス導入管６からアルゴン（Ａｒ）ガスを導入する。
【００３６】
高周波誘導コイル３は、高周波電波の放射器であって、放電管１の側面周囲に、放電管１と同軸状に巻装されている。高周波誘導コイル３は、図１に示すように、電流を制御するためのマッチングボックス３３を介して高周波（ＲＦ）電源３４に接続されている。
【００３７】
高周波電源３４から高周波誘導コイル３に高周波電流が流れると、高周波誘導コイル３が放電して放電管１内にプラズマが発生する。また、高周波誘導コイル３は、全長に渡って内部に不図示の冷却水配管を備えている。図１の冷却水配管３８を通して高周波誘導コイル３内部に冷却水が導かれ、高周波誘導コイル３を冷却可能に構成されている。
【００３８】
高周波誘導コイルは、高周波電流が流れると誘導起電力が生じ、誘導結合方式の高周波放電によって放電管１内にプラズマが発生させる。
【００３９】
電子銃ボディ９内の電子ビーム放出側端部９ｂ近傍には、略円筒体からなるビーム放出口１０が電子銃ボディ９と同軸状に固定されている。ビーム放出口１０は、放電管１の電子ビーム放出側の端面１ａ近傍からアノード４の位置まで伸びている。ビーム放出口１０の内壁の径は、電子ビーム放出孔１ｂの径よりも大きく形成されているため、電子ビームの径や角度は、ビーム放出口１０に囲まれた部分で調整可能になっている。
【００４０】
ビーム放出口１０の外周には、環状の電磁コイル８が固定されている。電磁コイル８は、磁界分布を調整することにより電子ビームを所望の形状，角度，径にするために用いられる。電磁コイル８は、不図示のコイル電源に接続されている。
【００４１】
次に、本例の電子銃Ｓの動作について説明する。電子銃Ｓを適用する真空槽４１内を排気し、１０^−２Ｐａ〜１０^−５Ｐａ程度の高真空の状態とした後、電子銃Ｓの動作が開始する。真空槽４１内が１０^−２Ｐａ〜１０^−５Ｐａ程度に達すると、電子銃Ｓの放電管１内，ビーム放出口１０内も１０^−１Ｐａ〜１０^−５Ｐａ程度の高真空状態となる。まず、ガス導入ユニット３６を作動させ、アルゴンガスをガス導入管６から放電管１内に５〜１０ｓｃｃｍ導入する。
【００４２】
放電管１内の所定のガス圧力に達したら、高周波電源３４をオンにしてＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）電流を高周波誘導コイル３に流し、アルゴンガスを電離させて放電管１内にプラズマを発生させる。このとき、高周波電源３４をオンにすると同時に、トリガ電極５にトリガ電源（トリガ，アノード，カソード電源４０）から矩形波高電圧を印加して初期放電を行う。
【００４３】
トリガ電極５への電圧印加は、図４に示すように１２００Ｖの電圧の５秒間の印加を、６秒を１サイクルとして行う。つまり、５秒間印加したのち１秒間のインターバルをおくサイクルを繰返し行う。トリガ電極５の初期放電により、より確実にプラズマを発生させることが可能となる。
【００４４】
高周波誘導コイル３による電界は、スリット２ａを通ってカソード電極２内部に導入される。次いで、不図示のコイル電源に電圧を印加して電磁コイル８に磁場を発生させる。
【００４５】
また、カソード電源，アノード電源（トリガ，アノード，カソード電源４０）をオンにして、カソード電極２に負電位の電圧１０〜６０Ｖ、アノード電極４に正電位の電圧１０〜１００Ｖを印加する。これにより、プラズマがカソード電極２で集束されると共に、カソード電極２とアノード電極４との電位差および差圧で電子ビームが電子ビーム引出し孔４ｂから放出される。
【００４６】
なお、本例の電子銃Ｓがイオンビームミリング後の正電荷の中和（ニュートラライズ）に用いられる場合には、まず、真空槽４１内にイオン銃４３と本例の電子銃Ｓを設置し、サセプタ４２に不図示の基板を固定する。次いで、不図示の真空ポンプで真空槽４１内を排気し、イオン銃４３を用い、公知の方法により不図示の基板上にイオンビームを照射して基体表面の加工を行う。その後、上記電子銃Ｓの動作を行って、基体表面の電荷を中性化する。基体表面の電荷中性化が完了した後、不図示のバルブを開けて真空槽１内を大気圧に戻し、基体を取り出し、処理を終了する。
【００４７】
（具体的実施例）次に説明するように、トリガ電極５に印加する初期放電の電圧について、プラズマ発生の確率を確認する実験を行った。本実施例では、図２に示す電子銃Ｓを用い、トリガ電極５に所定の電圧を１０回印加し、１０回の印加のうちプラズマが発生した回数を調べた。
【００４８】
この実験は、次の方法で行った。すなわち、真空槽４１内を排気して１０^−２Ｐａ〜１０^−５Ｐａとした後、アルゴンガスをガス導入管６から放電管１内に５〜１０ｓｃｃｍ導入した。高周波電源３４をオンにしてＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）電流を高周波誘導コイル３に流し、同時にトリガ電極５に、強さ８００Ｖ，１０００Ｖ，１２００Ｖ，１４００Ｖ，１６００Ｖ，１８００Ｖ，２０００Ｖの矩形波または正弦波の電圧を印加した。その結果を表１
【００４９】
【表１】

【００５０】
および図５に示す。表１の中央の列は矩形波を、右側の列は正弦波を１０回印加した場合のプラズマ発生回数を示す。表１および図５に示すように、正弦波の電圧を印加した場合と対比して、矩形波の電圧を印加した場合の方が、プラズマ発生の確率が高かった。また、矩形波の場合、１２００Ｖ以上の電圧を印加したときには９０％以上、１４００Ｖ以上の電圧を印加したときには１００％の確率でプラズマが発生していた。この結果より、トリガ電極５による初期放電は、矩形波形の１０００Ｖより高い電圧を印加したときに、高いプラズマ発生率が得られることが分かった。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、比較的低温で使用可能な電子銃とすることができ、ひいてはコンタミネーションのないクリーンな電子銃とすることができる。また、放電管内にプラズマを発生させるために放電管に巻装された高周波誘導コイルと、前記放電管内に収納され、前記プラズマを集束させるための空間を有し、側面に複数のスリットが形成された中空略円筒体の導電体からなるカソード電極とを備えているため、高周波誘導コイルによる高いプラズマ効率と、空間を有するカソード電極によるプラズマの集束効果とを併せて得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る電子ビーム照射処理装置の概略を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施例に係る電子銃の縦断面を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施例に係る電子銃の放電管，カソード電極，トリガ電極を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施例に係るトリガ電極に印加する電圧波形を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施例に係るトリガ電極に印加する電圧波形の効果実験の結果を示す説明図である。
【図６】従来の電子銃の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｓ，Ｓ２ 電子銃
１ 放電管
１ａ 電子ビーム放出側の端面
１ｂ 電子ビーム放出孔
２，１０２ カソード電極
２ａ スリット
２ｂ カソード板
２ｃ ガス導入側の端面
２ｄ 貫通孔
３ 高周波誘導コイル
４，１０４ アノード電極
４ｂ 電子ビーム引出し孔
５ トリガ電極
５ａ ワッシャ
６ ガス導入管
７，１０７ ガス導入口
８ 電磁コイル
９ 電子銃ボディ
９ａ ガス導入側端部
９ｂ 電子ビーム放出側端部
１０ ビーム放出口
１１ カソード固定板
１５ ボルト
３３ マッチングボックス
３４ 高周波電源
３５ ガスボンベ
３６ ガス導入ユニット
３８ 冷却水配管
３９ ノイズカットフィルタ
４０ トリガ，アノード，カソード電源
４１ 真空槽
４２ サセプタ
４３ イオン銃
４４ 土台
１０１ 放電室
１０２ａ 直流電源
１０９ 電子ビーム加速室
１１０ 加速電極

Claims (4)

1. 一方の端部から電子ビームを引出し可能な絶縁体からなる筒状の放電管と、
   該放電管内にプラズマを発生させるために前記放電管に巻装された高周波誘導コイルと、
   前記放電管内に収納され、前記プラズマを集束させるための空間を有し、側面に複数のスリットが形成された中空略円筒体の導電体からなるカソード電極と、
   前記放電管の前記一方の端部側に設けられ、前記カソード電極より正電位になるように電圧が印加されることにより前記プラズマから電子を引出して電子ビームを発生可能なアノード電極と、を備えたことを特徴とする電子銃。
2. 前記カソード電極内には、矩形波または正弦波からなる高電圧を定期的に印加するトリガ電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
3. 前記スリットは、少なくとも４つ以上形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
4. 真空ポンプにより内部を排気可能な気密の真空槽と、該真空槽内に配置された基板を保持する基板ホルダと、該基板ホルダに対向して配置され、前記基板上に電子ビームを照射可能な電子銃と、を備えた電子ビーム照射処理装置であって、
   前記電子銃は、請求項１乃至３いずれか記載の電子銃からなることを特徴とする電子ビーム照射処理装置。

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