JP5379591B2

JP5379591B2 - 電子線照射装置

Info

Publication number: JP5379591B2
Application number: JP2009173443A
Authority: JP
Inventors: 圭吾内山; 信二郎松井; 昌義石川
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-07-24
Also published as: JP2011027541A

Description

本発明は、電子線照射装置に関する。

従来から、様々な構成の電子線照射装置が知られている。これらの電子線照射装置を開示するものとしては、例えば下記特許文献１がある。特許文献１には、電子線管、載置台、及び電子線管と載置台との間に位置するグリッド電極を備え、載置台及びグリッド電極に所定の電圧が印加される硬化処理ユニットが記載されている。

特許第４０３７４３１号

しかし、特許文献１に記載の硬化処理ユニットでは、所定の電圧が印加されたグリッド電極に電子線管からの電子線を通過させたり、載置台に所定の電圧を印加することで、その電子線のエネルギーを弱めたり、電子の数を減少させる。よって、この硬化処理ユニットでは、電子線管からの電子線そのものを制御して利用するので、基板処理等に用いられる電子のエネルギーにばらつきが生じたり、電子の数が少なくなってしまう場合がある。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、エネルギーが制御された電子を大量に照射することが可能な電子線照射装置を提供することをその目的とする。

本発明に係る電子線照射装置は、１次電子を取り出す電子線出射窓を備えた電子線源と、２次電子生成空間を挟んで電子線源と対向するように配置された載置台と、２次電子生成空間中に電子線出射窓及び載置台に離間して配置されたグリッド電極と、を備え、２次電子生成空間は、ガス雰囲気の下で電子線出射窓から取り出された１次電子により２次電子を生成する空間であり、載置台は電気的に接地されており、グリッド電極が載置台及び電子線出射窓に対して負電位となっている。

本発明に係る電子線照射装置では、２次電子生成空間において、ガス雰囲気の下で電子線出射窓から取り出された１次電子により２次電子が生成される。そして、２次電子生成空間中に電子線出射窓及び載置台に離間してグリッド電極が配置されており、載置台は電気的に接地されており、グリッド電極は載置台及び電子線出射窓に対して負電位となっている。そのため、１次電子のエネルギーを低下させつつ、１次電子によって生成した大量の２次電子を載置台に向かって所定のエネルギーで加速させることができる。従って、本発明に係る電子線照射装置によれば、エネルギーが制御された大量の電子を得ることができる。

また、載置台に照射される電子には、２次電子生成空間のうちグリッド電極と載置台との間の空間で生成される２次電子が含まれることが好適である。これにより、所定のエネルギーの電子を効率よく載置台に照射することができる。また、電子線出射窓が、電気的に接地されていることが好適である。これにより、電子線出射窓に対するグリッド電極の電位が安定し、これに伴い電子線出射窓とグリッド電極との間の電界が安定するので、２次電子が安定的に生成される。

また、グリッド電極に印加する電圧を変化可能な電圧印加手段を備えることが好適である。これにより、載置台に照射される電子のエネルギーを所望の値に制御することが可能となる。さらに、ガス雰囲気が、大気であることが好適である。これにより、１次電子が効率よくガスを電離して大量の２次電子を生成するので、高い２次電子発生効率を得ることができるとともに、載置台上に配置される被照射物の交換時にガス充填等の必要がないので、照射作業の効率が向上される。また、電子線出射窓とグリッド電極との間に距離を調整可能な第１距離調節手段を更に備えることが好適である。これにより、電子線出射窓から取り出された１次電子のエネルギーに応じて電子線出射窓とグリッド電極との間に距離を適切に制御し、載置台に照射される電子のエネルギー及び量を適切に制御することが可能となる。

また、グリッド電極と載置台との間に距離を調整可能な第２距離調節手段を更に備えることが好適である。これにより、載置台に照射される電子のエネルギー及び量を適切に制御することが可能となる。

本発明によれば、エネルギーが制御された電子を大量に照射することが可能な電子線照射装置が提供される。

本実施形態に係る電子線照射装置の構成を概略的に示す概略図である。本実施形態に係る電子線照射装置の動作を説明するための図である。図１に示されている照射チャンバ部の第１変形例を示す図面である。図１に示されている照射チャンバ部の第２変形例を示す図面である。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の電子線照射装置に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る電子線照射装置１の構成を概略的に示す概略図である。電子線照射装置１は、例えば半導体製造プロセスに用いられる薄膜改質用の処理装置である。電子線照射装置１は、電子線源３と照射チャンバ部５とを備える。電子線源３は、電子線ＥＢを出射する電子銃１１、真空容器１３及び電子線出射窓１５を備える。真空容器１３は、電子線ＥＢを出射する電子銃１１を構成するフィラメント１１Ａ及び中間電極１１Ｂを収容して気密に封止して真空状態にするための容器である。真空容器１３は、出射される電子線ＥＢの出射方向に沿って延びる円筒状に形成されており、その一端に電子銃１１が配置され、他端が電子線出射窓１５によって封止されている。真空容器１３は、真空排気口１７により真空排気され、真空容器１３の内部は高真空が保たれている。

フィラメント１１Ａには図示しない回路によって、負の高電圧が印加され、電子線ＥＢとなる熱電子を発生する。フィラメント１１Ａと電子線出射窓１５との間に配置されている中間電極１１Ｂには、図示しない回路によって、フィラメント１１Ａから熱電子を引き出すための電圧が印加されている。フィラメント１１Ａと中間電極１１Ｂとの間に生じる電界によって、フィラメント１１Ａにおいて発生した熱電子が電子線ＥＢとして引き出される。フィラメント１１Ａから引き出された熱電子の加速電圧は、フィラメント１１Ａと中間電極１１Ｂの間に印加されている電圧Ｖ_Ｇ１である。フィラメント１１Ａから出射された電子線ＥＢは中間電極１１Ｂを介して電子線出射窓１５に到達する。

電子線出射窓１５は、電子銃１１から出射された電子線ＥＢを真空容器１３の外部へ出射するための膜状の部材であり、電子線ＥＢを透過しやすい材料（例えばベリリウム、チタン、シリコンなど）からなる。電子線出射窓１５は、例えば数μｍ〜数１０μｍといった厚さに形成されており、また電気的に接地されている。本実施形態における一例としては、フィラメント１１Ａから放出される熱電子に対する加速電圧Ｖ_Ｇ１が７０ｋＶの場合、電子線出射窓１５を通過した後の電子線ＥＢ（１次電子）のエネルギーは約６０ｋｅＶ程度となる。

照射チャンバ部５は、処理室を形成するケーシング２１を有する。ケーシング２１の内部は空洞となっている。ケーシング２１の内部の中央にはサンプルステージ２３Ａと、サンプルステージ２３Ａを支持する支持台２３Ｂとからなる載置台２３が配置されている。ケーシング２１の上面には開口部２５が設けられている。電子線源３は、ケーシング２１の上面であってサンプルステージ２３Ａに対向する位置に設けられている。詳細には、電子線源３は、電子線出射窓１５がケーシング２１の開口部２５を塞ぐと共にサンプルステージ２３Ａと平行となるように配置されている。ケーシング２１の上面には、筒状の絶縁支持構造体２７が開口部２５を囲むように設けられている。筒状の絶縁支持構造体２７の開口は、電子線出射窓１５を含むような大きさとなっている。絶縁支持構造体２７の底面は、サンプルステージ２３Ａと所定の間隔で離間している。絶縁支持構造体２７により、電子線出射窓１５とサンプルステージ２３Ａとの間に、円筒状の絶縁支持構造体２７の内径により決定された２次電子生成空間Ｓが区画される。なお、２次電子生成空間Ｓは、本実施形態においては絶縁支持構造体２７の内径で区画されているが、本来、電子線出射窓１５と載置台２３（サンプルステージ２３Ａ）との間におけるガス雰囲気空間のことを指す。

２次電子生成空間Ｓ中には、電子線出射窓１５及びサンプルステージ２３Ａと離間して、且つ電子線出射窓１５及びサンプルステージ２３Ａに平行にグリッド電極２９が設けられている。グリッド電極２９は、格子状部、またはメッシュ状部等の、電界を形成しつつも電子が通過可能な形状を有する電極であって、絶縁支持構造体２７に固定されている。グリッド電極２９に印加する電圧は電圧印加部３０により可変に制御することもできる。真空容器１３の電子線出射窓１５から出射された１次電子はケーシング２１の２次電子生成空間Ｓに入射され、２次電子生成空間Ｓのガス分子を電離して２次電子を生成する。

２次電子生成空間Ｓを含むケーシング２１の内部の空洞中は所定のガス雰囲気、例えば大気で満たされていることができる。これにより、１次電子が効率よくガスを電離して大量の２次電子を生成するので、高い２次電子発生効率を得ることができるとともに、載置台２３上に配置される被照射物の交換時にガス充填等の必要がないので、照射作業の効率が向上される。しかし、ケーシング２１の内部のガス雰囲気は大気に限定されず、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等のガス雰囲気であってもよい。ケーシング２１の内部が、ヘリウム等の軽元素ガスのガス雰囲気の場合には、加速される２次電子の飛程が長くなる。また、ケーシング２１の内部の空洞中は大気圧でもよく、例えばロータリーポンプで排気可能な０．１Ｔｏｒｒ程度の減圧状態であってもよい。減圧状態の場合にも、加速される２次電子の飛程が長くなる。

図２（ａ）は、２次電子生成量の電子線出射窓１５からの距離の依存性を示す図である。図２（ａ）において、縦軸は電子の進行方向における電子線出射窓１５からの距離を示し、横軸は２次電子生成量を示す。図２（ａ）において、横軸と平行な点線Ｘはグリッド電極２９が配置されている位置を示し、縦軸上の距離ｄ１及びｄ２それぞれは電子線出射窓１５からグリッド電極２９までの距離及びグリッド電極２９からサンプルステージ２３Ａまでの距離を示す。縦軸における距離ｄは電子線出射窓１５からサンプルステージ２３Ａまでの距離を示す。図２（ａ）に示すように、電子線出射窓１５から出射された１次電子による２次電子生成空間Ｓ中の空気の電離により生成される２次電子は、電子線出射窓１５からサンプルステージ２３Ａへ移動するにつれ、その生成量が減少する。サンプルステージ２３Ａが配置されている電子線出射窓１５から距離ｄだけ離れた位置では２次電子がほとんど生成されなくなる。

電子線出射窓１５は電気的に接地されており、グリッド電極２９には負の電圧Ｖ_−Ｇ２が印加されている。そのため、２次電子生成空間Ｓのうちグリッド電極２９の上側における電場の強さはＥ＝Ｖ_−Ｇ２／ｄ１となる。これにより、２次電子生成空間Ｓのうちグリッド電極２９の上側の空間において、電子線出射窓１５からグリッド電極２９の方向に移動する１次電子がＥ＝Ｖ_−Ｇ２／ｄ１によってエネルギーが低下して、これに伴いその１次電子及の速度が減速される。一方、この空間において生成された２次電子のほとんどは電子線出射窓１５とグリッド電極２９の間の電界に沿って、電子線出射窓１５の方向に向かう。

また、グリッド電極２９には負の電圧Ｖ_−Ｇ２が印加されており、サンプルステージ２３Ａは接地されている。そのため、２次電子生成空間Ｓのうちグリッド電極２９の下側における電場の強さはＥ＝Ｖ_−Ｇ２／ｄ２となる。これにより、２次電子生成空間Ｓのうちグリッド電極２９の下側の空間において、グリッド電極２９からサンプルステージ２３Ａの間で1次電子によって生成された２次電子がＥ＝Ｖ_−Ｇ２／ｄ２に対応してエネルギーが上昇して、これに伴い２次電子が加速される。

距離ｄ１及びｄ２は、以下のことを考慮しながら、フィラメント１１Ａと中間電極１１Ｂとの間に印加されている加速電圧Ｖ_Ｇ１に依存して決定することが好ましい。すなわち、グリッド電極２９と電子線出射窓１５およびサンプルステージ２３Ａとの間に放電が発生しないように離間されていることや、１次電子が十分に減速できるような距離があることに加え、グリッド電極２９に負の電圧Ｖ_−Ｇ２が印加されているときに、グリッド電極２９に流入する電子及びイオンによる電流が、グリッド電極２９に負の電圧Ｖ_−Ｇ２を印加するための電源の許容範囲を超えないように、グリッド電極２９は２次電子生成量が少ない領域に配置されること、つまり電子線出射窓１５とグリッド電極２９が近接しすぎないこと、及びグリッド電極２９で加速して２次電子を効率よく被照射物に照射させるために、距離ｄ２が加速される２次電子の飛程に対して長すぎないことが考慮されて決定されることが好ましい。

例えば、加速電圧Ｖ_Ｇ１が７０ｋＶである本実施形態の場合には、電子線出射窓１５とグリッド電極２９との間の距離ｄ１は例えば５０〜６０ｍｍの範囲内であり、グリッド電極２９とサンプルステージ２３Ａとの距離ｄ２は例えば２０〜１０ｍｍの範囲内であることが好ましい。また、電子線出射窓１５とグリッド電極２９との間の距離ｄ１及びグリッド電極２９とサンプルステージ２３Ａとの距離ｄ２それぞれが５５ｍｍ及び１５ｍｍであることがより好ましい。

図２（ｂ）は、電子数の電子線出射窓１５からの距離の依存性を示す図である。図２（ｂ）において、縦軸は電子の進行方向における電子線出射窓１５からの距離を示し、横軸は電子数を示す。図２（ｂ）において、横軸と平行な点線Ｘはグリッド電極２９が配置されている位置を示し、距離ｄ１及びｄ２それぞれは電子線出射窓１５からグリッド電極２９までの距離及びグリッド電極２９からサンプルステージ２３Ａまでの距離を示す。縦軸における距離ｄは電子線出射窓１５からサンプルステージ２３Ａまでの距離を示す。図２（ｂ）において、点線は電子線出射窓１５から取り出されてサンプルステージ２３Ａに向かって移動する１次電子の数を表す。また、実線は、２次電子生成空間Ｓにおいて１次電子により生成された２次電子の数を示す。１次電子はグリッド電極２９の下側まで到達するが、サンプルステージ２３Ａまではほとんど到達しないように制御される。

図２（ｂ）に示すように、電子線出射窓１５からサンプルステージ２３Ａまでの領域において、１次電子の数は２次電子生成量に比べて非常に少ない。上述したように、電子線出射窓１５から第２グリッド電極２９までは主に１次電子に対する減速領域となり、第２グリッド電極２９からサンプルステージ２３Ａまでは主に２次電子に対する加速領域となる。そのため、１次電子の数が減少する距離にグリッド電極２９を配置することで、２次電子と比べて高エネルギーとなる１次電子の被照射物への照射を抑制しつつ、グリッド電極２９を通過した１次電子によって生成された２次電子（図中に斜線部分Ｐ）が主に被照射物へ照射される電子とすることができる。

以上の構成を備える本実施形態の電子線照射装置１の動作について説明する。まず、負の高電圧がフィラメント１１Ａに印加される。この印加された電圧によりフィラメント１１Ａから熱電子が放出される。フィラメント１１Ａから放出された熱電子からなる電子線ＥＢは、フィラメント１１Ａと中間電極１１Ｂの間の電位差である加速電圧Ｖ_Ｇ１によって加速され、電子線出射窓１５を透過して、電子線源３の外部へ出射される。真空容器１３の電子線出射窓１５から出射された電子線はケーシング２１の２次電子生成空間Ｓに入射される。入射された電子線ＥＢ（１次電子）により、２次電子生成空間Ｓのガスが電離されて２次電子が生成される。生成された２次電子は、グリッド電極２９と載置台２３（サンプルステージ２３Ａ）との間に形成された加速電界によって加速されてサンプルステージ２３Ａ上の被照射物に照射される。

本実施形態に係る電子線照射装置１では、２次電子生成空間Ｓにおいて、ガス雰囲気の下で電子線出射窓１５から取り出された１次電子により２次電子が生成される。このように、２次電子の生成に固体のターゲットではなくガス雰囲気が用いられるので大量の２次電子が広範囲な空間で生成される。例えば、６０ｋｅＶの電子がガス雰囲気中で全てのエネルギーを電離に用いた場合、約１７００個程度の２次電子を生成することができる。

また、２次電子生成空間Ｓ中に電子線出射窓１５及び載置台２３に離間してグリッド電極２９が配置されており、載置台２３及び電子線出射窓１５は電気的に接地されており、グリッド電極２９は載置台２３及び電子線出射窓１５に対して負電位となっている。そのため、１次電子のエネルギーを低下させつつ、１次電子によって生成した大量の２次電子を載置台２３に向かって所定のエネルギーで加速させることができる。従って、電子線照射装置１によれば、エネルギーが制御された電子を載置台２３上の被照射物に向かって大量に照射することができる。

特に、電子を電子線出射窓１５を透過させて取り出すには、電子に電子線出射窓１５を透過できるだけのエネルギーが必要となる。そうして取り出した１次電子のエネルギーを減速電界のみで所定のエネルギーにして照射するのは、望むエネルギー値が低くなるほど困難である。電子線照射装置１においては、１次電子によって大量の２次電子を生成し、熱的な挙動のみが支配的でエネルギーの小さい２次電子をグリッド電極２９に印加する電圧によって制御する。よって、所望のエネルギーで加速させることができるので、特に低エネルギーの電子線を照射したい場合に好ましい。例えば、電子線照射装置１が、本実施形態のように、半導体製造プロセスにおける薄膜改質用の処理装置として用いられる場合においては、例えば６０ｋｅＶで取り出した１次電子によって生成した２次電子のエネルギーを制御して、２ｋｅＶのエネルギーをもった電子として加速して照射することができるので、薄膜が例えば２００ｎｍの厚さのものであっても、電子が透過してしまい薄膜下のデバイス部にダメージを与えることを防ぐことができる。

また、載置台２３を接地電位とし、グリッド電極２９を負電位にすることで、２次電子の加速電界を形成するために載置台２３上の被照射物に電圧が印加されてしまうことがないので、被照射物への電圧印加による破損を抑制することができる。また、載置台２３に照射される電子は、主に２次電子生成空間Ｓのうちグリッド電極２９と載置台２３との間の空間で生成される２次電子であるので低エネルギーの電子を効率よく載置台２３上の被照射物に照射することができる。

また、電子線出射窓１５が、電気的に接地されているので、電子線出射窓１５に対するグリッド電極２９の電位が安定する。そのため、電子線出射窓１５とグリッド電極２９との間の電界が安定し、２次電子が安定的に生成される。

グリッド電極２９に印加する電圧Ｖ_−Ｇ２を変化可能な電圧印加部３０を有する。これにより、載置台２３に照射される電子のエネルギーを所望の値に制御することが可能となる。更に、１次電子に対しては、１次電子のエネルギーに応じて適切に減速させることが可能となり、１次電子の載置台２３への照射を効率よく防止することが可能となる。

ここで、電子線照射装置１の構成は様々な変形が可能であり、以下において照射チャンバ部５の変形例を説明する。

図３は、本実施形態に係る電子線照射装置１の照射チャンバ部５の第１変形例を示す図面である。図３に示すように、第１変形例に係る照射チャンバ部５Ａは、電子線出射窓１５とグリッド電極２９との間に距離を変化させる第１距離調節部３１を更に備える点において照射チャンバ部５と相違する。その他の構成は、電子線出射窓１５と同等である。第１変形の照射チャンバ部５Ａによれば、第１距離調節部３１を更に有することにより、照射チャンバ部５により得られる効果に加えて、電子線出射窓１５から取り出された１次電子のエネルギーに応じて電子線出射窓１５とグリッド電極２９との間に距離を適切に制御し、載置台２３に照射される２次電子のエネルギー及び量を適切に制御することが可能となる。また、グリッド電極２９への印加電圧を変更することなく、電子線出射窓１５とグリッド電極２９との間の電界強度を調整することもできる。

図４は、本実施形態に係る電子線照射装置１の照射チャンバ部５の第２変形例を示す図面である。図４に示すように、第２の変形例に係る照射チャンバ部５Ｂは、照射チャンバ部５がグリッド電極２９と載置台２３との間に距離を変化させる第２距離調節部３３を更に備える点において照射チャンバ部５Ａと相違する。その他の構成は、電子線出射窓１５と同等である。第２変形例の照射チャンバ部５Ｂによれば、第２距離調節部３３を更に有することにより、照射チャンバ部５Ａにより得られる効果に加えて、載置台２３に照射される２次電子のエネルギー及び量を適切に制御することとなる。また、グリッド電極２９への印加電圧を変更することなく、グリッド電極２９と載置台２３との間の電界強度を調整することもできる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。具体的には、電子線源３が、電子線出射窓１５がケーシング２１の開口部２５を塞ぐように配置されているが、これに限定されずに電子線出射窓１５がケーシング２１の開口部２５の上側に配置されていてもよい。また、筒状の絶縁支持構造体２７の開口は、電子線出射窓１５を含むような大きさとなっているが、十分な２次電子が生成される程度である限り、電子線出射窓１５より小さくてもよい。

１…電子線照射装置、３…電子線源、１５…電子線出射窓、２３…載置台、２９…グリッド電極、Ｓ…２次電子生成空間。

Claims

１次電子を取り出す電子線出射窓を備えた電子線源と、
２次電子生成空間を挟んで前記電子線源と対向するように配置された載置台と、
前記２次電子生成空間中に前記電子線出射窓及び前記載置台に離間して配置されたグリッド電極と、
を備え、
前記２次電子生成空間は、ガス雰囲気の下で前記電子線出射窓から取り出された前記１次電子により２次電子を生成する空間であり、
前記載置台は電気的に接地されており、前記グリッド電極が前記載置台及び前記電子線出射窓に対して負電位となっている電子線照射装置。
前記載置台に照射される電子には、前記２次電子生成空間のうち前記グリッド電極と前記載置台との間の空間で生成される前記２次電子が含まれる請求項１に記載の電子線照射装置。
前記電子線出射窓が、電気的に接地されている請求項１又は２に記載の電子線照射装置。
前記グリッド電極に印加する電圧を変化可能な電圧印加手段を備える請求項１〜３の何れか一項に記載の電子線照射装置。
前記ガス雰囲気が、大気である請求項１〜４の何れか一項に記載の電子線照射装置。
前記電子線出射窓と前記グリッド電極との間に距離を調整可能な第１距離調節手段を更に備える請求項１〜５の何れか一項に記載の電子線照射装置。
前記グリッド電極と前記載置台との間に距離を調整可能な第２距離調節手段を更に備える請求項１〜６の何れか一項に記載の電子線照射装置。