JP4059849B2 - 電子源 - Google Patents

Description

本発明は、電子源の分野に関する。より特定的には、本発明は、真空下で、または減圧状態での任意の反応性ガス雰囲気において、プラズマに入射されるように意図された拡大された電子ビームを形成することに関する。

半導体デバイス内の回路の製造に際して、イオン化ガス内で実行される所定の蒸着またはエッチングのステップは電子源を使用する。実際に、例えば基板の表面を電子ビームで衝撃することにより、これを負にバイアスする必要があることが明らかになる場合がある。電子源はさらに、プラズマを発生させる、プラズマのイオン化率を増大させる、または基板が置かれるプラズマのイオンを加速させる必要がある場合もある。さらに、考慮されるアプリケーションに応じて、異なる電子ビーム出力の使用が望まれる。例えば、基板の壊食（エッチング）を有効化するためには、出力約１００ｅＶの電子ビームを有することが必要である可能性がある。

熱放射陰極のようなポイント型の電子源は、既に入手可能である。しかしながら、このような電子源には、供給されるビームの断面が極めて小さいという欠点がある。従って、処理可能な最大表面積は大幅に限定される。さらに、関連ガス（プラズマ）には電極と反応する危険性があることから、考慮されるアプリケーションにこのような電子源を使用できることはほとんどない。

非特許文献１は、プラズマから電子が抽出される電子源について記述している。
アール．ゲラー（R.Geller）著作，「電子サイクロトロン共鳴イオン源とＥＣＲプラズマ（Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and ECR Plasmas）」パート５．５．２（Part 5.5.2）「小型化されたＥＣＲプラズマカソードの電子ビーム特性（Electron beam characteristics of miniaturized ECR plasma cathodes），インスティチュート オブ フィジックス ブリストル アンド フィラデルフィア（Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia）刊行，（３５２−３５３ページ）

しかしながら、このような電子源は、広い表面積の電子源にはなり得ない。実際、プラズマの電子抽出表面積を増大させるためには、プラズマの容積が増大されなければならない。次には、サイクロトロン共鳴においてプラズマを励起するために必要な電磁場の取得が、過剰な高強度の連続する軸方向磁場を発生させる。抽出される電子を磁場ラインに沿って閉じ込めるように意図されるこのような磁場の発生は、特に複雑で巨大かつ高価な設備の使用を課す。さらに、連続する軸方向磁場の存在は、ある種のアプリケーションでは問題となる可能性がある。これにより、抽出表面積は数平方ミリメートルにまで限定される。さらにこのタイプの電子源は、強度が約１００ミリアンペアに限定された電子ビームを生成する。さらに電流密度は、ビーム抽出出力に対して指数関数型の変動を呈する。従って、拡大された表面積上で、ビーム抽出電位が修正された場合に比較的安定したままである電流密度の電子ビームを抽出することは不可能である。さらに上記電位は、最大でほぼ数百ボルトである。

本発明の目的は、下記の特徴、即ち、
− 異なるアプリケーション分野で使用可能である、
− 可能な限り高い電子電流密度を有するビームを供給することができる、
− ビーム出力が変わっても比較的安定している、
− ビーム出力は広域で制御可能である、
− 表面積は可能な限り、例えば数センチメートルから数十センチメートルまたはそれ以上に至る直径で拡大される、
− 周知の電子源が有する欠点はなく、特に、抽出のレベルまたは下流において軸方向磁場を呈示しない、
という特徴のうちの少なくとも幾つかを呈する電子源を提供することにある。

これらの目的を達成するために、本発明は、設定可能な出力の電子ビームを供給する電子源であって、第１の値の内部表面積を有するエンクロージャと第２の値の表面積を有する抽出グリッドとで形成されるプラズマ・チャンバを備えており、グリッドの電位はエンクロージャのそれとは異なりかつ設定可能であり、プラズマはマルチポールまたはマルチダイポール磁気構造体において励起されかつ閉じ込められ、第１の値に対する第２の値の割合は下記上限に近く、その範囲はＤ／１０乃至Ｄの間であるように選択されており、但し、

ここで、
βはプラズマＰの電子比率であり、
ｍ_e は電子質量であり、
ｍ_i は正電荷イオンの質量であり、
これにより、抽出されるビームの電子電流密度は、グリッド−エンクロージャの電位差が変動した場合に、実質的に安定していることを特徴とする。

本発明の一実施形態によれば、プラズマは分散型電子サイクロトロン共鳴においてマイクロ波により励起されかつ閉じ込められる。

本発明の一実施形態によれば、第２の値と第１の値との割合はＤ／２乃至Ｄの間であるように選択される。

本発明の一実施形態によれば、グリッドは複数の基本グリッド部分に分割されている。

本発明の一実施形態によれば、複数のグリッド部分の集合としてグリッドを構成し、各グリッド部分に別個の電位が設定される。

本発明の一実施形態によれば、電子源に続いて後段加速エンクロージャが存在する。

本発明の一実施形態によれば、ゲートは冷却用流体によって貫流される平行管で形成されている。

以下、添付の図面に関連する特定の実施形態の非限定的な説明において、本発明の上記目的、特徴及び優位点をより詳細に論じる。

本発明によれば、例えばフランス国特許出願第８５／０８８３６号、第９３／０２４１４号、第９４／１３４９９号及び第９９／１０２９１号に記述されているような分散型電子サイクロトロン共鳴においてマルチポールまたはマルチダイポール磁気構造体を使用する励起及び閉じ込め構造体を使用するプラズマ・チャンバが電子源として使用される。

このような低圧プラズマ励起デバイスは、大きな磁場容積を課すことなく、かつ抽出レベル及び抽出下流における磁場の存在を回避しながら電子ビーム抽出の表面積を増大させることを効果的に可能にする。

図１は、本発明のある特定の実施形態を略示しかつ部分表示したものである。プラズマＰの閉じ込めチャンバは、内部表面積Ｓ₁ を有するエンクロージャ１と表面積Ｓ₂ の抽出グリッド２とで形成される。グリッド２は、エンクロージャ１から隔絶され、このエンクロージャに関連して電圧Ｖ_B により電位Ｖ₂ にバイアスされる。電圧Ｖ_B は、ユーザによって設定可能である。電子は、プラズマＰから抽出されることが所望される。グリッド２の電位Ｖ₂ はエンクロージャ１の電位Ｖ₁ より大きくなければならない、即ち、電圧Ｖ_B は正である（Ｖ_B ＝（Ｖ₂ −Ｖ₁ ）＞０）。マルチポールまたはマルチダイポール磁気励起構造体は、図１には示されていない。これらは、例えば上述のフランス国特許出願に記述されているものに類似する構造体である。

こうして生成された電子ビームはグリッド２を貫通し、半導体基板のような処理されるエレメント４の処理雰囲気（ガス、イオン化ガスまたはプラズマ）を閉じ込めるエンクロージャ３へ入る。グリッド２から到来するビームはエンクロージャ３へと貫入し、基板４の表面Ｓ₄ の処理及び／または負バイアス化を可能とする。

図２は、抽出電圧Ｖ_B の値による、プラズマＰから抽出される粒子に対応する電流の理論上の変動を示す。電子電流Ｉ_e は正であると見なされ、正のイオン電流Ｉ_i は負であると見なされる。より特定的には、例えばＣＮＲＳに発行されたフランス国特許出願第９５／０４７２９号から、プラズマＰより抽出されることが可能な電子電流Ｉ_e 及び正のイオン電流Ｉ_i は差分Ｕ＝Ｖ_B −Ｖ_P に依存することが周知である。但し、Ｖ_PはプラズマＰの電位である。Ｕが負であってＶ_f からゼロまでの範囲であれば、電子電流Ｉ_e は指数法則により最大飽和値Ｉ_esatまで上昇する。Ｕが正であれば、即ちバイアス電位Ｖ_B がプラズマの電位Ｖ_P を超えていれば、抽出される電子電流は最大飽和電圧Ｉ_esatで一定したままになる。但し、抽出される正のイオン電流Ｉ_i は、Ｕが負である限り実質的に一定であり続ける。Ｕが正である場合、イオン電流Ｉ_i はゼロになる。図２はまた、破線で実電流Ｉ_r 、即ち電子電流Ｉ_e と正のイオン電流Ｉ_i との代数和を示す。電子電流Ｉ_e が正のイオン電流Ｉ_i に等しい、即ち実電流Ｉ_r がゼロである場合のＵの値は、浮遊電位Ｖ_f と呼ばれる。

先験的に、上述したように定義されたもののような電子源を取得するためには、飽和領域にあって十分に高い電圧Ｖ_B を図２の曲線の右側に印加すれば十分である。実際には、プラズマＰの電位Ｖ_P とエンクロージャ１の電位Ｖ₁ 及びグリッド２の電位Ｖ₂ との互いに関連する調整が考慮されなければならない。事実、このような自己調整は、プラズマＰの中性の保証をいつでも可能にする。中性原理を維持するために、全ての電極表面上の正のイオン電流は、これらの表面上の電子電流をいつでも正確に補償しなければならない。

グリッド２上で飽和Ｉ_esatに達するために、グリッド２の電位Ｖ₂ が電位Ｖ_P より大きくなるように調整が実行されなければならないことを、図２の特徴は示している。同様に、中性原理に関連して、即ちエンクロージャ１の表面積Ｓ₁ がこの飽和電流Ｉ_esatを補償するイオン電流を吸収できるためには、エンクロージャ１の電位Ｖ₁ は電位Ｖ_f より小さくなければならない。すると表面積Ｓ₁ は、図２に示すようにイオン飽和電流及び電子電流の双方を受け入れる。

定常状態では、グリッド２へ向かう飽和電子電流は下記の関係によって与えられる。

ここで、
−ｅは電子電荷であり、
βはプラズマＰの電子比率であり、
ｎはプラズマＰのイオン密度であり、
Ｓ₂ はグリッド２の表面積であり、
ｋ_B はボルツマン定数であり、
Ｔ_e はビーム内の電子温度であり、
ｍ_e は電子の質量である。

エンクロージャ１によって集められる電流は正のイオン飽和電流と電子電流との和であり、下記のように表すことができる。

ここで、
ｍ_i は正電荷イオンの質量である。

次に、プラズマの中性条件に関連してＩ₁ ＋Ｉ₂ ＝０が成立しなければならないが、これは、下記の関係になる。

さらに電位の自動調整は、この差分がプラスになるように実行されなければならない。従って、表面積比率は、下記のようでなければならない。

以後の論議を単純にするために、こうして画定される最適限界、即ち下記に示されるものをＤと呼ぶ。

この条件が満たされると、表面積Ｓ₁ は浮遊電位Ｖ_f に近い電位Ｖ₁ をとり、表面積Ｓ₂ の電位Ｖ₂ はプラズマの電位Ｖ_P に関連して正の値をとりかつ電子飽和電流密度に等しい電子電流密度を受け入れる。すると、グリッド２によって出力されるビーム内の電子のパワーは、電子の熱出力ｋ_B Ｔ_e がＶ_B に比べて極く僅かであるものとすれば、ほぼ抽出出力ｅＶ_B に等しい。従って、ビーム出力は、ユーザによりグリッド２とエンクロージャ１との間に印加される電位差Ｖ_B にのみ依存する。

こうして画定された上限が超過された場合、取得された電子源は拡大された表面積を呈するが、抽出されたビームの電子電流の密度はもはや抽出される出力に関連して実質的に一定でなく、抽出出力に伴って指数的に変動する。

しかしながら、本発明によれば、実質的に一定の強度（Ｉ_esat）及び制御された可変出力（ｅＶ_B ）の拡大された断面を有するビームを得ることが可能である。より特定的には、抽出チャンバの出力において、電子出力を数ｅＶから先行デバイスの場合の数十ｅＶではなく数百ｅＶまでの範囲内で変えることが可能である。この結果は、抽出された電子電流のレベルを修正することなく得られる。上記電流はプラズマ密度に依存し、かつ数十乃至数百ｍＡ／ｃｍ² の電流密度に達する可能性がある。

本発明によれば、電流は実質的に一定している、即ち抽出電圧Ｕによるその変動は（ｅ^U 型の）指数的性質を保有せず、α＜１／２であり下記に示す型、例えばＵ^1/2 法則に従う。

本発明によれば、抽出表面積Ｓ₂ を最適化することもまた可能である。チャンバのエンクロージャ１の内部表面積に対する抽出表面積の割合Ｓ₂ ／Ｓ₁ が限界Ｄより小さいが可能な限りこれに近いように、表面積Ｓ₂ は選定される。

処理され得る表面積Ｓ₄ を増大するため、図３に示すようにグリッドは分割されることが可能である。グリッド部分の表面積Ｓ₂₁，Ｓ₂₂，・・・，Ｓ_2nの和は、上述の表面積Ｓ₂ に一致する。事実、ビームの分散効果により、処理される表面積は抽出表面積より広い。ビームがその散乱に伴ってエレメント４のレベルで互いを部分的に覆い、よって表面積Ｓ₄ が継続的に衝撃されるように、開口は互いに近接して形成される。全てのグリッド部分は、同一のＶ_B までバイアスされることが可能である。また、グリッド部分を集めて別個の電圧にバイアスされたアッセンブリにするように選択することも可能である。

この抽出表面積Ｓ₂ の分割における別の利点は、そのより優れた冷却を保証することにある。実際に、比較的高い密度を有する電子電流Ｉ_esatの抽出が所望される場合、グリッド・レベルでは比較的高い熱出力の発生が観測され得る。この場合は、特に２つの基本グリッドを分離する表面がラジエータとして使用され得る、または流体の流れによって冷却され得るという理由により、１つの連続する抽出グリッドよりも複数の基本グリッドを冷却する方が容易である。従って、本発明によれば、拡大された抽出表面積を保証すると同時に比較的高い抽出出力の場合でも効率的な冷却を保証することが可能である。極めて高い密度のプラズマからの抽出の場合には、約１ｍｍの距離で離隔された直径約１ｍｍの平行管の束でグリッドを形成することにより、グリッドの直接冷却が提供されなければならないであろう。

非限定的な例として、プラズマが原子番号４０を有するアルゴン・プラズマであれば、β＝１でありかつ割合Ｓ₂ ／Ｓ₁ はＤ＝１．５／（１８３６．４０）^1/2 、即ち１／１８０より小さくなければならない。実際の例では、抽出グリッドが直径４ｃｍを有しかつプラズマ・チャンバが高さ２０ｃｍ及び直径２５ｃｍを有する円筒であった特定ケースにおいて本システムの良好なオペレーションが確認されている。このケースでは、Ｓ₂ ＝１２．５ｃｍ² かつＳ₁ ＝２５５０ｃｍ² であり、よってＳ₂ ／Ｓ₁ は１／２０４であって必要な条件を満たしている。本プラズマから抽出され得た電子電流は、事実上、６０Ｖの抽出電圧Ｖ₂ −Ｖ₁ の下で０．５アンペアであった。

当然ながら、本発明は、当業者には容易に発想されるであろう様々な代替例、変形及び改良を有するものと考えられる。特に、プラズマは、アルゴン以外にも例えば水素またはヘリウム等のより軽い気体から形成されることも可能である。

さらに、図１に示す電子源を例えばフランス国特許出願第９９／１０２９１号に記述されているそのオペレーションに必要な適切なデバイスを使用して完成させることもまた当業者の能力の範囲内であろう。同様に、処理エンクロージャ３も任意の適切な様式で完成されることが可能である。後段加速グリッドまたは電極は、例えば電子源の抽出グリッド２と処理エンクロージャ３との間に設けられることが可能である。

電荷粒子抽出プラズマ・チャンバを略示する図である。 図１によるチャンバの表面レベルにおける電子電流及びイオン電流を示す図である。 本発明による代替電子源を略示する図である。

Claims (7)

1. 設定可能な出力の電子ビームを供給する電子源であって、第１の値（Ｓ₁ ）の内部表面積を有するエンクロージャ（１）と第２の値（Ｓ₂ ）の表面積を有する抽出グリッド（２）とで形成されるプラズマ・チャンバ（Ｐ）を備えており、グリッドの電位はエンクロージャのそれとは異なりかつ設定可能であり、プラズマはマルチポールまたはマルチダイポール磁気構造体において励起されかつ閉じ込められ、第１の値（Ｓ₁ ）に対する第２の値（Ｓ₂ ）の割合はＤ／１０乃至Ｄの間であるように選択されており、但し、
   

   

   ここで、
   βはプラズマＰの電子比率であり、
   ｍ_e は電子質量であり、
   ｍ_i は正電荷イオンの質量であり、
   これにより、抽出されるビームの電子電流密度は、グリッド−エンクロージャの電位差が変動した場合に、実質的に安定していることを特徴とする電子源。
2. プラズマは分散型電子サイクロトロン共鳴においてマイクロ波により励起されかつ閉じ込められることを特徴とする請求項１記載の電子源。
3. 第２の値（Ｓ₂ ）と第１の値（Ｓ₁ ）との割合はＤ／２乃至Ｄの間であるように選択されることを特徴とする請求項１記載の電子源。
4. グリッドは複数の基本グリッド部分（Ｓ₂₁，Ｓ₂₂，・・・，Ｓ_2n）に分割されていることを特徴とする請求項１記載の電子源。
5. 複数のグリッド部分の集合としてグリッドを構成し、各グリッド部分に別個の電位を設定してあることを特徴とする請求項４記載の電子源。
6. 電子源に続いて後段加速エンクロージャが存在することを特徴とする請求項１記載の電子源。
7. ゲートは冷却用流体によって貫流される平行管で形成されていることを特徴とする請求項１または４記載の電子源。

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