JPH03501500A - プラズマピンチ装置およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 プラズマピンチ装置およびその使用方法技術分野 本発明は一般にはプラズマピンチ装置に関し、セしてよシ詳細には、半導体回路 をアニールおよびエツチングする際に利用されるプラズマピンチ装置に関する。

背景技術 この発明は、海軍研究所によって認められた契約第Ｎ０００１４−８５−に−０ ５９８の下に政府支援によって行なわれた。政府はこの発明に一定の権利を有し ている。

以前には、集積回路および半導体チップの製造プロセスに関する幾つかの問題が あった。例えば、半導体基板をアニールするためのレーザビームの従来の利用法 は比較的高価で、かつ複雑なプロセスでｆり？、そして他の方法ではとても満足 できるものではないことが判明している。この点に関して、高価なレーザ装置を 操作するために、訓練された、特殊技術を有する人々が必要とされる。

さらによシ重大な問題は、アニーりングのためにオーバラップレーザビームを利 用することに関する。そのような技術のために基板の不均一なアニーリングを生 ずる傾向があった。この点に関して、基板の一定領域は比較的過度のエネルギー 束を受容する。

一般に、従来のレーザビームのようなコヒーレント光ビームを利用することによ って回折を生じやすく、それによってなお、アニーリングプロセスの性能を低減 させる。さらに、レーザビームに余シ露光させすぎることによって基板に微小の きずすなわち微晶質損害を与える原因となシ得る。従って、従来のアニーりング プロセスでは、幾つかの利用例に対して、完全に満足のできる結果をあげていな い。この点に関して、もたらされる製品には欠陥のある場合亀しばしばで、そし て望ましくない高い棄却率が余シにも度々発生しすぎる。従って、既知のプロ・ セスによって不要の副作用をしばしば生じ、そしてそのプロセスは時間浪費であ シ、かつ多数の不合格品を出すために高くり〈。

従って、不要の副作用を防ぐか、少なくともそれを大幅に除去するプロセスおよ び装置が必要とされている。

そのような新技術は相対的に有効で、かつ得策でなければならない。

従来の半導体エツチング技術には一般に、ホトレジスト被覆基板を入射する光ビ ームに露光させることが含まれる。しかし、半導体集積回路の一層の小屋化に伴 なって、回路詳細のサイズは非常に小さくなシククあるので、それらは入射する 光ビームそれ自体の波長のサイズと同程度の大きさになっている。従って、入射 する光は回折され、そして結果として生じる製品に不規則性が生じることもあり 得る。

その上、入射光の非レーザ光源の比較的低い輝度のために、エツチングプロセス での利用に必要なエネルギーを伝えるには、必要露出時間は延長される。従って 、このエツチングプロセスが遅延するだけでなく、不純物侵入のリスクが実質的 に増加する。

従って、アニーリング動作を改善するだけでなく、なお半導体エツチングプロセ スを最新技術と両立し得るようにする非コヒーレント光源およびそれを使用する 方法が必要とされている。この点に関して、入射するコヒーレント光ビームによ って生じる望ましくない回折は、最小化されないとしても、非常に低減されるで あろう。

半導体素子をアニールし、かつエツチングする非コヒーレント光源装置！を利用 するために種々の試みがなされてきた。例えば、表面スパーク技術が非コヒーレ ント光源として試みられている。しかし、結果の非均一性が重大な問題である。

ま友、この光源では、結果として生ずるプラズマの膨張に関連する幾つかの問題 のために、有効な光を発生するための十分な高温を達成しない。従って、そのよ うな技術は最新の半導体製造において限られた有用性しかない。

別の従来の非コヒーレント光源技術として起爆線の使用が試みられた。この技術 は導線内の高電流を利用してそれを破裂させ、よって非コヒーレント光を発生す るものである。起爆線技術の重大な欠点は、この線が各点弧後に取換えられねば ならないので、その低速繰返し率である。また、その装置によって均一な結果を 生じなかったＯ 半導体工業用に非コヒーレント光源を提供するなお別の試みとしては、プラズマ 集束装置として周知のアプローチがわる。この装置は、プラズマジェットを発生 する磁界にさらされたプラズマを利用する。このジェットは非コヒーレント光を 発射する。しかし、そのような技術は、半導体製造プロセスの間、十分な高温に 装置が到達しないという点で、全体的に満足できるというわけではない。また、 半導体エツチングまたはアニーリングプロセスにおいて利用されるＫは不適当な 量の紫外線光が発生される。

従って、半導体製造用の新規の、改善された非コヒーレント光源を手に入れるこ とが大いに所望されておシ、セしてよシ特定すれば、非コヒーレントなかつ安定 した光エネルギー源として使用されるのに適した新規プラズマ装置を手に入れる ことが大いに所望されている。プラズマ装置は、半導体工業におけるエツチング ならびにアニーリング動作で利用されるための十分なエネルギーを生成しなけれ ばならない。また、この装置は、半導体回路の最新の大量生産シーケンスにおけ る費用効果利用に従うことができなけれはならない。その装置は比較的低く、従 ってよシ安全な電圧で動作可能でなければならない。それは適切に焦点を集める ことができなければならず、そして半導体工業において有用でおるためには、そ れは十分高速でパルス化されなけれはならない。

しかし、イオン化プラズマの特性によシ、半導体の製造における非コヒーレント 光源としてのプラズマの使用に関連する幾つかの他のむずかしい問題がある。金 属あるいは電解質とは異なシ、外部の影響を受けないガスは電流のキャリヤとし て作用する自由電荷を含んでいない。

しかし、通常、分子の幾つかを１つ以上のその外側電子を分離することでイオン 化させることによって、ガスは導電性になることができる。次いで、これらの分 離電子の幾つかは中性分子に結び付いて、負イオンを形成し、従ってイオン化ガ スには、通常、正と負の両イオン、ならびに自由電子が存在する。正イオンと負 イオンの濃度が認められるようになる場合、このイオン化ガスは一般に「プラズ マ」と称される・ 熱核融合原子炉におけるように、高温プラズマを利用する多くの応用例において 、プラズマは適切な容器あるいは小室内に、その壁から離して、封じ込める必要 がある。プラズマをそのように封じ込めることは、一般に、「プラズマピンチ」 と集合的に称される種々の技術によって達成されてきた。

プラズマピンチ装置は種々の応用例に対して利用されている。例えば、米国特許 第４，０４２，８４８号は、熱核融合温度で濃密プラズマを生成する内サイクロ イドピンチ装置について記述している。米国特許第４．４０４９５２号は、プラ ズマ集束ｆ装置を使用する、電流を阻止するスイッチについて記述している。

米国特許第４，４５０，５４８号には、レーザ事前調整プラズマピンチが開示さ れており、これは真空紫外放射を発射して、小室内に封じ込められた光分解レー ザ媒質の分子を解離する。事前調整レーザビームは、小塞軸の近くにあるガス粒 子を励起して、プラズマピンチがその中で形成されている事前調整チャネルを画 定する。

米国特許第４．５４４２５１号は、融合装置において利用されて環状プラズマを 生成するプラズマピンチについて記述している。米国特許第４，６２１，５７７ 号では、爆薬を爆発させるために使用される、電極間の放電によって形成される プラズマピンチが開示されている。

プラズマピンチの別の主な応用例は、それｔ−Ｘ線リトグラフィに利用するもの である。例えば、米国特許第４．４２４．Ｎ）２号では、開示されているプラズ マピンチは、半導体基板の反応イオンエツチングに利用される。このエツチング プロセスには、プラズマピンチと連絡したａ場の利用が含まれる。米国特許＠４ ，５０４，９４４号、第４．５３４８８４号、第４，６１１１１，９７１号、第 ４，６５３，４９２号および第４，６５５，２８２号屯また、Ｘ線リトグラフィ において利用可能で６Ｄ、それによってプラズマを通して高電ｆｉ’５−伝える ことによりＸＭが発生されるような種々のプラズマピンチ装置を開示している。

しかし、従来の既知のプラズマピンチ装置のウチのどれも、半導体をエツチング し、セしてアニーリングする際に利用するのに完全に満足できるものではなかっ た。

発明の開示 従って、本発明の目的は、半導体工業におけるエツチングおよびアニーリング動 作において利用される新規、改良プラズマピンチ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、半導体回路の最新の大量生産シーケンスにおける費用効果 利用の可能な新規、改良プラズマピンチ装置を提供することである。

本発明のなお別の目的は、比較的低電圧で動作可能であり、そして半導体の製造 に利用されるようパルス化することのできる新規、改良プラズマピンチ装置ｍｆ ：提供することである。

簡潔に云えば、本発明の上記ならびにそれ以上の目的および特徴は、中央の狭い 流れをなす圧力を受けている流体の微細な流れを包囲する希薄な蒸気の事前調整 雲から成るプラズマ源を与える流体ジェットプラズマピンチ装ａｔ含む新規、改 良プラズマピンチ装置を提供することによって実現される。放電装置は流体ジェ ットピンチ装置に電気的に接続して１対の金属電極間の流体ジェットを通る電流 の流れを生じさせ、その電極間でプラズマを生じさせる。アニーリングあるいは エツチング動作を行なうプラズマピンチ装ｆｔ’ｔ−利用する方法には、ピンチ プラズマによって発射され、そしてレンズ装置および／ま′ｆｃは反射器によっ て集光された高エネルギー放射線に半導体ウェーハを露光させる段階が含まれる 。

プラズマピンチ形成のために事前調整蒸気外装によって包囲されている圧力を受 けた流体の流れを利用することによって非常に安定したプラズマを生成し、この プラズマは半導体上アニーリングおよびエツチングする際の利用に適している。

本発明の蒸気外装安定化液体流技術を利用することから生じるプラズマは、均一 で、かつ安定しておシ、そしてそれは最新の半導体アニーリングおよびエツチン グ動作において利用されるに足る強−ｇｔ有するエネルギーを放射する。さらに 、本装置によって放射逼れる光ビームは非コヒーレントでアシ、従って半導体ア ニーりングおよびエツチングプロセスの効率は大いに改良されるが、それは回折 問題が除去される、あるいは非常に低減されるからである。さらに、発射光の比 較的高いエネルギーの強さによって半導体ウェーハの露光時間を低減させ、従っ てそこへの不純物注入の可能性を大いに低減するあるいは最小化させる。本発明 によるプラズマピンチ装置は、比較的低電圧で、かつ高放射効率で動作可能であ シ、従って絶縁体劣化およびその使用に関連する危険を低減することによって、 その応用範囲を拡大している。

この発明の望ましい形において、流体の流れはデカンのようなある液体となって いる。この発明の別の形では、この液体はペンタンである。なお別の形では、液 体の流れは水である。

図面の簡単な説明 以下の発明の実施態様の説明ならびに添付の図面を参照することによって、この 発明についての上述のおよびその他の目的ならびに特徴が明らかになると共に、 この発明それ自体も最もよく理解逼れるであろう。

第１図は本発明の半導体製造プロセスの１部分の線図でアシ、そして本発明によ シ構成されたプラズマピンチ装置Ｋを利用している。

第２図は本発明のガス埋込み式ピンチ形成のための数値的解答を表示するグラフ 、 第３図は本発明の機械的ピンチモデルのための簡略回路図、 第４図は、約１気圧でのアルゴンにおける３■プラズマピンチの計算された動作 を表わす図、纂５図は、約１１１気圧でのアルゴンにおける１１１１１プラズマ ピンチの計算された動作を表わす図、第６図は、約ａ１気圧でのアルゴンにおけ るα５■プラズマピンチの計算された動作を表わす図、第７図は、約（Ｌ２気圧 でのアルゴンにおける１ｍプラズマピンチの計算された動作を表わす図、第８図 は、約１気圧でのアルゴンにおける１ｍプラズマピンチの計算され九動作を表わ す図、第９図は、本発明の装置ｉｔをよシ良く理解するために、約２０，０００ °にの黒体に対する代表的電カスベクトルを表わす図である。

発明を芙行する最良モード 次に第１図では、本発明に従って構成されたプラズマピンチ装ｆｉｌ口が示され ておシ、これはｆｃ＆１０ｔ−通るコンベヤベルト１３によって搬送されるウェ ーハＷのような半導体ウェーハを製造する発明のプロセスにおいて利用されるの に適している。ここで例示し、説明するプロセスはエツチングプロセスであって 、所望の回路配置をその上に有し、そして装置１０とコンベヤベルト１３間に挿 入された一連の通常のエツチングマスクＭを利用する。この点に関しては、プラ ズマ装置１０は光Ｌ（特に紫外線光〕を発射し、この光はウェーハＷおよびプラ ズマ装置１０とウェーハＷの個々のものとの間に挿入されたマスクＭの方に向け られて、ウェーハＷ上で実行されるエツチングプロセスから生ずる牛導体チップ ｔ−ｍ造するためのエツチングプロセスの一部として働く。エツチングプロセス の残シの部分は通常のものであシ、ここでは記述しない。

紫外線光発射プラズマ装置１０を利用するこの発明の半導体展進プロセスはまた 、牛導体チップ′ｔＭ造するアニーリング段において利用することもできる（図 示され−ｒいない）。この点に関して、このプロセスは、マスクＭが利用されな いということ以外は、第１図のエツチングプロセスと同様である。その代シ、装 置１ｏから発射された光はアニーリングするためにクエーハＭ上に直接あふれる 。このように、発明の半導体製造プロセスは、半導体チップを生成するエツチン グとアニーリングの画部分に対して発光プラズマ装＠１０ｉ利用する。

次に、プラズマ＠ｔ１０は一般に、プラズマ源流体ジェットピンチ装置１２を含 んでおρ、閉鎖された小室１６の限定容積内で、それに沿ってプラズマが形成さ れ、かつピンチされるために、１４の破線で示される中央の狭いＪＩ前調整流体 チャネルを生じさせる。流体チャネル１４は最初は、真空ポンプ（図示されてい ない）の作用によル真空に保持される小室１６ｔ−通って圧力を受けて流れる液 体の流れの形状となっている。蒸気雲２５はこの液体の流れを包囲し、そしてそ れと共働して、プラズマ装置ｉ１０の主要事前イオン化ドライバを形成する。２ ５で示される放電装置は小室１６の対向する末端に一対の間隔を置いた電極アセ ンブリ３５と５６を含んでお夛、液体の流れを小室１６を通るように仕向け、そ してチャネル１４に沿って液体の事前調整蒸気雲２５ｔ−通る電流の流れを作っ て、プラズマを生じさせる。

動作中に、液体の微細な流れは小ｇ１６Ｆ３部で電極アセンブリ３５と５６間を 圧力を受けて流れる。その後、放電装置１ｊ２５は作動されて約５０，０００ボ ルトの電位を電極３５と５６にかかつて伝達し、電流を最初に蒸気＠２５を通る ようにさせる。この流れは疎プラズ−ｒ　２５から発するエネルギーを吸収し、 そして次いで放射的に発熱する。次に液体の流れはイオン化され、そして高２密 プラズマに変形される。次いで発生したプラズマは連続する放電電流を伝導して 、高輝度紫外線光を発生する。発生した密ピツチプラズマは放電電流の大部分を 周囲の非密つて小室１６ｔ−通って伝導する。結果のプラズマはほぼ安定性であ シ、かつその長さ全体を通じて断面はほぼ均一になっている。

ピンチプラズマは、半導体ウェーハｗｔ−アニーリングまたはエツチングするに 足る強さの紫外線光を発生する。

このためＫは、約１〜１０パルス毎秒の速度で、装置２５によって循環放電パル スを発生することが望ましい。従って、このプラスｉは消滅し、次いで装置２５ によって繰シ返し再発生される。この点に関して、前述のプロセス段階は、プラ ズマピンチを循環的に再発生する度毎に繰返される。

次に、第１図を参照して小室１６をよシ詳細に見ることにする。この小室は一般 に、その軸方向全長にわたって中空であシ、かつその断面の形状がほぼ均一な細 長い管状外殻すなわち外被４０を含む。この断面形状は円形、長円形あるいは楕 円形であることができる。

外被４０は２つの末端壁４１と４２によってその両末端でほぼ閉鎖しておシ、こ の壁の各々は各自の中央開口４１Ａと４２Ａｆ有して、それにシールされている 電極アセンブリ３５と５６の前部分を受容している。外被４０には、石英、サフ ァイア、ガラスあるいは他の適切な透明材料からできていることが望ましい底壁 部分４０Ａ＄あって、光Ｌｆ：通過させている。しかし、との底壁部分はその代 わ）に他の適切な透明材料からもできることを理解すべきである。端壁４１と４ ２、および残ルの土壁部分４０Ｂには不透明なあるいは反射性の内面を含むこと ができる。あるいはまた、ウェーハを小Ｎ４０の内部に太くこと亀できるので、 ウィンドウを利用する必要はない。

このようにして、真空紫外放射のウィンドウ吸収を完全に回避できる。

次に、流体ジェット装置１２ｔ−よシ詳細に見ると、小室の内部に液体の流れを 供給するための、圧力を受けている前調整液体源４６が含まれている。プラスチ ック管５５Ｂは電極アセンブリ５５の電極３７の中心孔と共に配置逼れ、そして 圧力を受けている液体源４６と流体連絡して接続している。金属電極管５５Ａは プラスチック伝達管３５Ｂと同軸的に位置合わせしておシ、電極３７のくぼみ几 と共働して入口ノズルを形成し、そして管５５Ｂと小室１６の内部との間の流体 連絡を可能にしている。管３５Ａは放電！１ｃ置２５の放電コンデンサ７３に電 気的に接続している。圧力を受けている液体の流れは小室１６内を、細い（１０ ０μｍ直径の）、狭い、真直ぐな、集中した流れとなって長さ方向に流れ、そし て周囲を取シ囲む蒸気雲２３の環をその周囲に形成させる。

発明の良好な形式では、この液体流はデカンであることが望ましい。しかし、そ の代わシにペンタンあるいは水も使用できることは轟粟肴には明らかになるであ ろり。

水銀あるいはガリウムのような液体金属もまた利用することができる。

この液体流は、電極アセンブリ３５の金属管３５Ａとプラスチック管３５Ｂと同 様に、電極アセンブリ３６の電極４９の腔の中心に配置され九金属管５６Ａｉ介 して、電極アセンブリ３６を通じて小室１６から外へ出る。金属管３６Ａと軸方 向に位置合わせされたプラスチック出口管３６Ｂは、受容した液体流を処理用の 集水槽６０に向ける。

金属管！６Ａはスイッチ７４ｔ−通じてコンデンサ７３の他の端子に電気的に接 続し、このスイッチ７４は周期的に開閉するそれである。あるいはまた、液体ジ ェットそれ自生は、流れが電極アセンブリ３５と３６間の全ギャップにわたる時 は何時でも電流が流れることができるようなスイッチとして作用することができ る。従って、液体ジェットは周期的にパルス化することができる。この点に関し て、金属管３５Ａ、！：５４Ａは直面アラインメントで配置され、かつ相互に同 軸アラインメントで対向して間隔ｔ−直いておシ、流れ２２の液体粒子のほぼ大 部分は電極アセンブリ５６によって捕獲されるようにしている。

液体流を高速で小室１６内に入れさせるために、液体は細い、狭い流れとなって 流れ、そしてそれによって圧力を受けて小室内を流通する。

電極アセンブリ３６には通常、漏斗状で、外側が先細になった入口路７０が含ま れ、電極４９と共に出口コレクタを形成して、液体流を電極アセンブリ３６の金 属管３４Ａの入口末端へ誘導している。

放電装置２５は電極アセンブリ３５と５６に一通じて流体ジェットピンチ装置１ ２に接続しておシ、この点に関しては、電極アセンブリ３５と５６は流体の流れ のためのチャネルならびに放電装置の両者として二重機能を果たしている。それ ぞれの電極アセンブリＳ５と３６の電極本体３７と４９は、真鍮、ステンレス鋼 、マロリ（Ｍａｌｌｏｒｙ　）金属あるいはこれらの組合わせのような、適切な 非腐食性導電材料から構成される。

放電装置２５には一般に、そこにエネルギーを蓄積し、そして通常は開いている スイッチ７４ｔ−介して、電極３５と３６にわたる電位のパルスを伝達するコン デンサ７３が含まれている。単一コンデンサ７３のみが図示されているが、追加 のコンデンサおよび誘導子（図示されてない）を備えて、そのようなコンデンサ あるいはパルス形成回路網（ＰＰＮ）のバンクを形成できることは、当業者にと っては明らかであろう。電源７６＃−１、通常は開いているスイッチ８０ｉ介し て、コンデンサ７５と並列に接続してそれに充電する。

スイッチ８０は閉じて電源７６にコンデンサ８０に一充電させる。スイッチ７４ はスイッチ８０の閉止時間中は開いておシ、コンデンサ７５が充電されている間 、電極アセンブリ３５と３６を通る電流の流れを阻止する・コンデンサ７３が十 分に充電されると、スイッチ８０は開き、そしてスイッチ７４は閉じて、コンデ ンサ７３を蒸気雲２５および液体流を通じて電極３５と５６ＶＣわたって放電さ せ、そしてチャネル１４に沿った大体狭い、線形の安定した形状で、プラズマが 形成され、磁気的にピンチすなわち抑制される。

２つのスイッチ７４と８０が共働して装ｆｋ１２と２５を点弧させることについ て簡単に述べたが、点弧装置、サイラトロンあるいはスパークギャップのような コンピユータ化スイッチング装置を代わ９に利用できること、そしてそれらは適 切な繰返し態様で開閉することｔ理解されたい。

プラズマは、１つ以上のその電子がよシ高いエネルギー準位から移動するすなわ ち戻ってきた後、イオン化ガス分子がその通常状態に戻ると、強い紫外放射を発 散する。コンデンサ７３の放電が完了すると、スイッチ７４は開き、一方スイッ チ８０は閉じて、コンデンサ７５を再び充電させ、次のプラズマ形成動作のため の準備をするＯ 本発明では、プラズマピンチはガス媒質内に埋込まれていないが、ガス埋込み槽 底では、低温気体ブランケットがプラズマピンチを包囲し、かつ安定化し、そし てそれ全外被４０の内壁から隔部することを理解すべきである。高２ガス内にそ のようなピンチが形成される場合、その豊富な紫外線生成物は光分解励起によっ て周囲の気体ブランケットにおける導電性を誘発する。そのために伝導被蝋がピ ンチの周囲に形成され、そしてそのオーム発熱速ＩＥｔ−減少させることができ る。高密罠ではこれらのいずれの材料でも光学的に密になシ、よってほぼ黒体の ように放射する。

液体流誘導プラズマピンチは、拡散−放電現象を研究する便利なそしてほぼ模範 的手段である。１０２〜２．００気圧の範囲の圧力での高Ｚガスによってピンチ プラズマは熱力学的平衡状態に置かれると共に有効な真空紫外放射源となる。「 ウィンドウのない」紫外放射源として、高２ガス埋込みプラズマピンチは光分解 周囲ガスの有効な手段になっている。従って、プラズマピンチ装［１０はスイッ チとして利用することができて、熱核融合装置および光分解レーザのボンピング の制御に関するような、ピンチの周囲に形成された外装の導電性を制御する。

誘導性電気エネルギー蓄積装ｆｌＬは現在、高エネルギー装置のための伝統的な コンデンサバンクの代替装置として考えられている。一般に、蓄積エネルギー密 度が１０〜１００倍に増加することは、誘導性電気蓄積技術によって実現するこ とができる。そのような進歩ｔｉＩ成するために、蓄積誘導子からエネルギーの 抽出を可能にするためには、繰返し率において有意な発展のある開放スイッチ技 術が必★とされる。

誘導性スイッチ問題を分析することによって、拡散電気的ガス放電が評価できる 電流制御手段であることを証明した。外部放射源によって誘導されたイオン化を 通じて、伝導が惹起されることもらシ得る。電界とガスの動力学がアークの形成 を抑止するのに適切であれは、電流の流れは外部イオン化源によって調整される であろう。

スイッチを開くことはその凍でイオン化を低下させることおよび／またはシフト と付加の動力学によって達成される。繰返しのパルス動作は、次Ｏサイクルのた めに新鮮ガスによって電流制御手段を閃光させることによって容易になる。

前述の技術に基づ騒たスイッチは、そのシーケンスのそれぞれ個々のプロセスが 有効に達成され得る場合に実際の役に立つことができる。実行可能シーケンスは 外部制御によるイオン化生成である。一般に、レーザビーム、Ｘ線および電子ビ ーム源は有効性が限定されている。その上、これらの発生装置に基づいたスイッ チの多くの実施態様は、ウィンドウ伝送および寿命の制限ならびに繰返し率の冷 却成果によって妨害される。

高濃度、高２ガス埋込みプラズマピンチは有効な真空紫外放射源となることがで きる。さらに、このピンチはピンチを取巻く拡張環状外装における導電性を光分 解して誘導する。従って、ガス埋込みピンチは、拡散−放電開放スイッチとして 、興味ある代替光イオン化源となっている。

ピンチのスイッチとしての利用に関連する種々の望ましい特徴がある。ガス埋込 みピンチは、はぼ黒体のように放射するので、それは有効な真空紫外線エネルギ ー源になることができる。さらに、ピンチは流れによって定められすなわち案内 され、そして有形のウィンドウを心安としない。ピンチはただ、光分解した容積 の一部分を共有するだけである。

上述の見解によって、高２ガス壌込みプラズマピンチヲ、ヒユーズ放電スイッチ の制御およびレーザの光分解励起の両方において利用し得ることを提案している 。プラズマピンチｆ、覗囲む低温ガス状外装は不安定性を減衰させ、その結果、 安定し友紫外放射源としてのプラズマピンチ装置の利用を最適化する＠ 拡散−放電動力学は開放スイッチの考え万および放電励起レーザに関してかなシ 関心がもたれている。光分解プロセスを介して結合が行なわれることがで亀て、 挿入ウィンドウは磁力を活用することによって回避することができる。以下の提 案によって安定し友あるいは平衡ガス埋込みピンチモデル、続いて運動ピンチモ デルおよびブリーチｒＩＬ七デルを説明する。

平衡ガス埋込みピンチ 高い電圧破壊によって円筒形小室の外側絶縁壁の近くで初期電流の流れを始動さ せ、次いでガスの残ＩＩオン化し、かつ小室軸に向かって圧縮するように推移す る従来のピンチとは異なシ、本発明のガス埋込みピンチは細い流体ジェット（約 １００マイクロメータ）ｔ−別々に前イオン化することを利用して、！ＱＯＯロ ボルトの放電電圧ｔ−利用するのに先立って、小室の軸の周囲に中心の狭い伝導 流２２ｔ−生じさせる。

高速液体流のような主ドライバが利用される場合、放電電流は所定通路をそれに 沿って流れて、小室１６の外側周辺に沿って流れるのではない。高温の流れ２２ に接触したままになっている濃い、低温ガスの外装は、キンク不安定性の増加に ついて有効な慣性減衰を与えるが、ピンチからその周囲への熱伝導損失は適切に 低く保たれる。

プラズマ圧力と濃度、ピンチ半径、および電流の外形間の関係を分析することに よってエネルギーと質量の保存に関する幾つかの想定を伴なう。融合ピンチにお けるエネルギーの増加ｙ＄は抵抗発熱と制動放射放射損との闇の差に等しく、そ して伝導と線放射からの寄与は相対的に最小であると考えられる。別の考えは、 プラズマピンチは光学的に薄いとするものがある。そのような想定が行なわれな いとすれば、制動放射損失率は自己吸収に対して修正されるべきであろうし、そ して限度内で、それは黒体放射に発展するであろう。

高Ｚ拡散−放電ピンチを分析する際に、当業者は一般に、ピンチの光学厚さにつ いての想定を相対的に評価できるものにするようなパラメータ制約に遭遇する。

イオン化される場合でさえ、媒質それ自体が水素を含んでおらず、そしてそうい うものとして、多数の強す吸収線が含まれるであろう。さらに、以下の説明で明 らかになるように、この利用のためのピンチの最適半径は、融合ピンチのそれよ ９１桁以上大きい。

ピンチの単位長あたシのエネルギーが古典ジュール発熱によって加えられ、そし て放射率Ｃの表面無体放射によって失なわれると想定すると、プラズマパラメー タ、電気パラメータおよび装置の大きさの間に下記の量的関係が得られる。

但しＲは単位長あたシの抵抗である。Ｒはコラム断面積で除算した古典スピッツ ア抵抗率であると考えられている。従って Ｒ＝　１２５　／　ｇ　ｒ２Ｔ’／２（２）この利用例に対して温度は比較的低 く、そしてイオン電荷Ｚ＝ｌと考えられる。

式（１）の左側における有効プラズマ温度はイオンと電子に対して同じであると 考えても差支えないが、それは現在の状態での等分配時間は、放電持続時間に比 べて非常に短いからである。密度ｎは電子とイオンの密度の和であり、そして低 温ガスの充填密度の２倍であると考えられる。半径ｒが定数であるとすれば、式 （１）は次のように但し、ｍｋｓ単位でセしてＴが０にであれば、次のように運 動量保存および放射率平衡（無視できる慣性力）の想定によってプラズマと磁気 正量の平衡方程式を生ずる。

その理由は Ｂθ＝μ０工／２πｒ であシ、式（４）は周知の、ピンチに対するベネット関係である。

Ｉ２−　Ｃ３ｎｒ２Ｔ　（５） 但し、ｍｋｓ単位で４は、次の通シである。

、Ｃ，Ｗ　９Ｘ１０−” 式（３）と（５）によってなお、ｒは定数であるがＴの変化を考慮に入れている 。しかし、定常状態が想定される場合、式（８）は次のようになる、 これは　１２−を消去するために式（５）と結合すると、下記になる ｎが変数でないと想定すると、次式が得られるＴ〜ｒ−２７９（８） Ｔの値を式（５）と（６）において実体化することによって、工は下記のように なる 工〜、　Ｓ／９　（、。

放電抵抗Ｒと半径「間の関係は、式（２）、（８）および（９）から次の通シ得 られる。

Ｂ　、　ｒ−Ｉ　Ｓ／９　（ト） 電力Ｐは下記になる Ｐ〜、１／３　（ロ） 一方、軸方向電界は次になる Ｂ−ｒ−５／９ｕ 従って、ピンチが厚くなることによって、温度は低く、総電力はやや高く、抵抗 は低く、そして電圧は低くなる。

光分解応用例に対しては、半径は、始めは上記のスケ−りング以外の考え方によ って限定逼れる傾向がある。

最嶌重要なことはキンク不安定性がこのコラムを途絶させるのに擬する時間であ る。周囲ガスによって与えられた減衰に依存することが合理的であるよりに思わ れるが、そのような減員は一部分、キンクコラムの運動量の外部衝撃波への転移 によって発生されるが、この衝撃波はガス媒質に有害な影響を与えること４１あ シ得る。従って、直置しないキンク成長率は、心安とされる放射時間におけるそ れ自体の半径よシ以上までコラム’ｔｉｉｉ換するべきではない。

「高β」プラズマピンチに対するこの成長時間はちよりど、半径をわ友るイオン 音波遷移時間であることは容易に示される。従って、成長時間は、 τ〜τ／（璽、 これは、式（８）から下記になる ｔ　、、、　ｒ１０／’　８３ 大きい半径が有益なことは明らかである。

定常状態の想定は、ピンチの発熱相の間は利用できず、そこでＴ　（ｔ）とＩ（ ｔ）ｔ一式（３）と（５）ヲ結合することによって検べることにする。工を消去 することによって、下記が得ま九は、 但し、半径は定数であシ、そして および　Ｇ−ξＣ２／　ｎ　ｒ は、一定の半径ピンチに対する定数である。下記のパラメータ ｒ＝５ｘｌ　Ｏｍ、ｎ＝６ｘｔ　Ｏ”ｍ−３ｇ　およびｔ　〜１゜Ｆ＝？Ｘ１０ 　、および Ｑ＝＝４Ｘ１０　、に対する 式（至）の数値解答は第２図に示されておシ、Ｔ（りとＩ　（ｔ）の両者に対し て、式（５）のベネット関係を生じさせることによって得られる。Ｔ（りと工（ りの両者に対して、Ｔが０に近い場合、はぼ無限の上昇速度が必要とされ、セし てｖ。

が線間電圧で６Ｄ、Ｌが放電インダクタンスである場合、鷹＝０における制限と ｄ工／ｄｔ＝■ｏＬ　の次めに、この理想状Ｕを満足させることができない。し かし、理想状態への近似は、実際の電流上昇時間を、、理想とされるＩ　（ｔ） のそれである約２０ｎｓＫ等しい、Ｌ／（Ｚｏ＋Ｒ）［することによって連取す ることができる。

ｒ　＝　３１Ｅ１１．および外側電流帰路半径５３を有する５０α長さのピンチ にとって、Ｌ＝１７０ｎｈでアシ、従ってＲ＋　Ｚ　ｏ　＝＆　５　ｏｈｒｎで ある。有効励起のためには、パルスライン電気ドライバもまた、約８　ｏｈｍの インピーダンスでなければならない。従ってパルスライン電圧は３２０ｋＶにな って、放電電流を漸近的に５Ｏｋｋにするであろう。

発生した放電に対する前述の分析的解決は、特定の積項セットに関する。それは 実験的設計を導く際に、およびよシ完全かつよシ一般的モデル″ｆ：開発する際 に有用である。半径が変るそのようなモデルｔ−開発することは、エネルギー保 存に関する式の再考Ｗ＆を伴なう。

ｄＥ＝ｄ　（ＰＶ／　（１−’　））＝ｄＣｎｋＴ／（１−１）　０４但し、ｎ は粒子数である。磁化プラズマにおけるＢ磁場は自由度の数を減少させ、そして 比熱ｒは、習慣的な５／Ｓではなく、＃ｔｆｉ２となっている。従って、式（ロ ）の両辺を時間に関して微分することによって、下記が得られる。

次に、運動モデルへ入ることによって運動量平衡を生じさせる必要がある。

先ず、ピンチを拡張する傾向のある外圧ｎｋＴがあることに気付く。電流工から 生ずる磁気圧は内部へ作動して、コラムを圧縮する。従って、 但し、ｍｉはイオン質量であシ、そしてＮ＝πｒ２ｎは線密度である。式（ロ） と（至）を書き直すことによって次の式を生ずる。

第３図に示されるように、その動作は、負荷１０２ヲ有する電流源１００に対す るコンピュータコードによって分析される。その時間依存は次の通シであると考 えられる。

工（り冨　ＩＱ（１−ｅｔ／ｒ）　ｎ 式（至）、に）およびψυの組合わせハ、明白な１と１／２ステップ積分技術に よって解ける。このアプローチでは、この導関数は各ステップに対して、各ステ ップト１７２ステップにおいて２回計算されて、高す精度を得る。

Ｔ１．ｒｌおよび■、は温度、半組および速度の初期値であって、それぞれΔを 離れた１、ｏｏｏステップに対する積分は次の式によって実行される。

’ｎ−）−１＝　ｖｎ−１−１／２　°（Δ”）　＋　ｒｌ　＋■ｎ−１−１　 ＝　■ｎ−）−１７２・（Δｔ）＋ｖｎ、およびｔ　＝　（ｎ＋１　）　・　Δ ｔ　、　ｎ　＝　１　、２　、５　、＝一旦、温度履歴が発生されると、それは ファイルに記憶され、そして所定のスペクトル帯からの電力密ｉｔ一時間の関数 として計算する別のコードによって検索される。

各温度は、シンプソンの法則によって積分されるブランクの放射の法則における 定数として利用嘔れる。それぞれの和はピンチの電力履歴の一部として記憶され 、そして最後にプロットされる。

第４図、第５図、第６図および第７図は、初期条件の範囲に対する計算結果を示 す。畝十キロ度の温度は高２ピンチの電位を残臭全紫外線源として示すよう予測 される。電流はｒＸＪで、そして温度は「Δ」で与えられる。

第８図は、温度ｔ−ＬＡＮＬ地球ＭＨ１）モデルによって計算された温度を示す 追加の破線による曲＊１−組入れている。

このモデルは、プラズマチャネルは光学的に細すと想定する。従って、それが非 常によシ精巧なコードであったとしても、その結果は高２ガスアルゴンの場合に おける現在の予測以上には有効でない。これによって実験の設計を指導する現在 の単純なコードの利用に、そして高２ガスにおける広範囲の拡散−放電現象を低 価格でかつ素早く研究することに信頼を与えている。１、本発明の特定実施態様 が開示されてきたが、添付の特許請求の範囲円で、種々の異なる変化例が可能で わシ、予想されることを理解すべきである。従って、本明細書に厳密に限定しよ うとする意図はない。

キロ度　ケルビン 半径　ｌＩ藁 ＋＋？り度　ケルビン 半径　謔 キロ度　ケルビン 半径ｎ キロ度　ケルビン　−／りｌ キロ度　ケルビン ク　、／　、、？　、ｙ　、ゲ　、６″λ乙ムシηノ 国際調査報告

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマピンチ装置であつて、 中心の狭い流れをなす圧力を受けている微細な流体の流れを包囲する希薄な蒸気 の事前調整雲から成るプラズマ源を生じさせる流体ジエットピンチ手段と、前記 流体ジエットピンチ手段に電気的に接続して、それに沿つてプラズマを生じさせ ている流体の流れの一部分を通つて電流の流れを供給する放電手段、とを備えて いることを特徴とする前記プラズマピンチ装置。
2. （２）請求項（１）記載の装置において、前記電手段はそこにエネルギーを蓄積 し、そしてエネルギーを周期的に放出して前記電流を与えるコンデンサ手段を含 んでいることを特徴とする前記プラズマピンチ装に。
3. （３）請求項（２）記載の装置において、前記放電手段はなお、前記コンテンサ 手段を交互に充電させ、そして放電させるスイッチング手段を含んでいることを 特徴とする前記プラズマピンチ装置。
4. （４）請求項（３）記載の装置において、前記放電手段はなお、前記流体ジエツ トピンチ手段の前記事前調整雲の対向末端に対向して間隔を開けて置かれた一対 の電極アセンプリを含んでいることを特徴とする前記プラズマピンチ装置。
5. （５）請求項（４）記載の装置において、前記電極アセンブリの各々は前記流体 の流れにそこを通過させる手段を含んでいることを特徴とする前記プラズマピン チ装置。
6. （６）請求項（５）記載の装置において、前記電極アセンブリはそれぞれ前記流 体によつて腐食されない導電材料から成る電極を含んでいることを特徴とする前 記プラズマピンチ装置。
7. （７）請求項（６）記載の装置において、前記流体ジエットピンチ手段は圧力を 受けている流体源を含んでおり、この流体源は前記流体の流れにそこを通過させ ている前記手段と流体連絡して接続していることを特徴とする前記プラズマピン チ装置。
8. （８）請求項（７）記載の装置において、前記流体ジエツトピンチは前記圧力を 受けている流体の流れがその内部を通つて流れる小室を形成する手段を含んでお り、そして前記電極アセンブリは前記小室を形成する手段に間隔を開けて配置さ れていることを特徴とする前記プラズマピンチ装置。
9. （９）請求項（８）記載の装置において、前記流体の流れをそこを通つて通過さ せている前記手段は圧力を受けている流れを前記小室の内部に入れている入口ノ ズルと、小室内を流れる流体の流れを受入れ、かつそれを小室外に出ることがで きるようにする漏斗状出口コレクタとを含んでいることを特徴とする前記プラズ マピンチ装置。
10. （１０）請求項（９）記載の装置において、前記流体ジエツト手段は前記小室か ら前記出口コレクタを介して流体の流れを引き出す集水槽手段を含んでいること を特徴とする前記ブラメマビンチ装置。
11. （１１）請求項（１）記載の装置において、前記流体は適切な表面張力を有する 水、デカン々らびにべンタンと、蒸気圧と、そして作用するための粘性とから成 るグルーブから選択されることを特徴とする前記プラズマピンチ装置。
12. （１２）プラズマピンチを発生する方法であつて、、中心の狭い流れをなす、圧 力を受けている流体の微細な流れを包囲する希薄々蒸気の事前調整雲から成るプ ラズマ源を生じさせる段階と、 プラズマをそれに沿つて生じさせている流体の流れの一部を通って電流の流れを 供給する段階、とから成ることを特徴とする前記プラズマピンチを発生する方法 。
13. （１３）請求項（１２）記載の方法であつてなお、それを逐次放電して前記電流 を発生する充電コンデンサ手段を含んでいることを特徴とする前記プラズマピン チを発生する方法。
14. （１４）請求項（１３）記載の方法において、前記流体は水と、デカンおよびペ ンタンより成るグルーブから選択されていることを特徴とする前記プラズマピン チを発生する方法。
15. （１５）半導体ウエーハから半導体チップを製造するプロセスにおける方法であ つて、 中心の狭い流れをなす圧力を受けている流体の微細な流れを包囲する希薄々蒸気 の事前調整雲から成るプラズマ源を生じさせる段階と、 それに沿つてプラズマを生じさせる流体の流れの一部分を通つて電流を供給し、 非コヒーレントな光を発生する段階と、 半導体ウエーハを前記非コヒーレソトな光に露光させる段階、 とから成ることを特徴とする前記半導体チップ製造方法。
16. （１６）請求項（１５）記載の方法てあつてなお、コンデンサを放電させて前記 電流を供給する充電コンデンサ手段を含んでいることを特徴とする前記半導体チ ップ製造方法。
17. （１７）請求項（１５）記載の方法において、前面流体は水と、デカンおよびベ ンタンから成るグループから選択されることを特徴とする前記半導体デツプ製造 方法。
18. （１８）請求項（１５）記載の方法において、前記ウエーハを露光させる段階は 前記プラズマとウエーハ間にエツチンダするためにマスクを押入する段階を含ん でいることを特徴とする前記半導体テツプ製造方法。
19. （１９）請求項（１５）記載の方法において、前記ウエーハを露光させる段階は １列の同様左ウエーハをプラズマに関して輸送する段階を含んでいることを特徴 とする前記半導体チップ製造方法。
20. （２０）請求項（１５）記載の方法において、前記ウエーハを前記非コヒーレン ト左光に露光させる段階はウェーハをアニールするに足る時間の間ウエーハを露 光させる段階を含んでいることを特徴とする前記半導体チツプ製造方法。