JP3124353B2 - 中性粒子の発生方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば半導体製造プロセ
スにおいて、試料をエッチングする際に用いられる中性
粒子の発生方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高速な中性粒子線はイオン線を電
荷交換散乱で中性化し、中性化しなかったイオンを除去
することにより得られる。このような高速の中性粒子線
は例えば半導体製造プロセスにおいて試料をエッチング
する際等に用いられる。そして、この中性粒子線を用い
ることにより、照射ダメージを殆ど生じさせることなく
試料をエッチングすることができる。

【０００３】従来の中性粒子の発生装置の一構成例を図
３に示す。図中１１はチャンバ１１であり、チャンバ１
１の上方には加速電極１３を介して放電管１２が配設さ
れている。放電管１２の上部にはガス供給管１６が接続
されており、これら放電管１２、加速電極１３及びガス
供給管１６はイオン源１４となっている。またチャンバ
１１の下方には、イオン等の荷電粒子の進入を排除する
グリッド電極１５が加速電極１３と対向して設けられて
おり、チャンバ１１の側壁にはガス排気管１７が接続さ
れている。

【０００４】上記の如く構成された装置を作動させて中
性粒子を発生させるには、まずガス供給管１６より放電
管１２及びチャンバ１１内にイオン発生用ガスであるＡ
ｒを供給する。次いでチャンバ１１及び放電管１２内の
ガスをガス排気管１７より排気量を調節しながら排気
し、チャンバ１１内を所定の圧力、例えば７×１０^-2Ｐ
ａに設定する。また加速電極１３、グリッド電極１５を
それぞれ負電位、正電位に印加する。

【０００５】そして放電管１２を作動させると、放電管
１２内のＡｒガスはプラズマ化され、プラズマ中のＡｒ
⁺は負電位に印加されている加速電極１３に引き出され
てイオン源１４からグリッド電極１５へ向けて射出され
る。射出されたＡｒ⁺の一部は、チャンバ１１内のＡｒ
と電荷交換散乱を行い、運動エネルギと方向性とを失う
ことなく中性化されて高速な中性粒子となる。

【０００６】一方、電荷交換散乱により生じた低速Ａｒ
⁺と電荷交換散乱を行わなかった高速Ａｒ⁺はグリッド電
極１５内の正電位ではじき返され、これによってチャン
バ１１からはＡｒの高速な中性粒子線が試料（図示せ
ず）へ向けて射出される。なお、イオン発生用ガスとし
ては上記Ａｒの他にＮｅ、Ｋｒ等の不活性ガス等も用い
られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
装置及び方法では、高速な中性粒子がプラズマ中のＡｒ
⁺とチャンバ１１内のＡｒとの電荷交換散乱により発生
する。しかもＡｒ、Ｋｒ等の重いガスでは、弾性散乱断
面積が電荷交換散乱断面積に対して同程度又はそれ以上
の大きさを持つことがわかっており、高速の中性粒子が
電荷交換散乱だけでなく弾性散乱によっても多く発生す
る。

【０００８】Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒの各ガスのイオンエネル
ギ変化による各散乱断面積の変化を図４（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示す。なお、図中ｓは弾性散
乱、Ｔは電荷交換散乱、ｔはｔ＝ｓ十Ｔを示している。
図４からも明らかなように、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒとガスが
重くなるに従って全体の散乱断面積が増加しており、特
に弾性散乱断面積の増大が顕著である。このため、従来
の装置及び方法では試料に入射する高速な中性粒子の方
向性が得られず、またそのエネルギも広い分布を持つと
いう問題を有していた。

【０００９】本発明は上記した課題に鑑みてなされたも
のであり、所定の方向性を有すると共にエネルギ分布が
単色な高速の中性粒子を得ることができる中性粒子の発
生方法及びその装置を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る中性粒子の発生方法は、所定の方向に第
１の荷電粒子を射出し、次いでこの第１の荷電粒子と反
対の極性を持つ第２の荷電粒子を第１の荷電粒子の射出
方向と同じ方向に移動させる構成となっている。

【００１１】上記した本発明方法においては、第１の荷
電粒子と第２の荷電粒子とを同じ速さで射出することが
好適である。また例えば、第２の荷電粒子の射出方向延
長線上に一の双極子磁石を配置し、第２の荷電粒子を一
の双極子磁石へ射出して、この一の双極子磁石により第
２の荷電粒子の移動方向を第１の荷電粒子の射出方向と
同じにしてもよい。この場合には、例えば、一の極子磁
石を第１の荷電粒子の射出方向と第２の荷電粒子の射出
方向とが直交する位置に配置する。

【００１２】さらに本発明方法は、第１の荷電粒子の射
出方向延長線上でかつ一の双極子磁石から所定距離だけ
離間して配置した他の双極子磁石により、他の双極子磁
石へ入射した極性を持つ粒子の移動方向を変える構成と
してもよい。

【００１３】また本発明方法において、第１の荷電粒子
を陽イオンとし、第２の荷電粒子を電子とする。この際
の陽イオンとしては、例えば水素イオンが挙げられる。

【００１４】本発明に係る中性粒子の発生装置は、チャ
ンバと、チャンバに取り付けられて第１の荷電粒子をチ
ャンバ内に射出する第１の射出部と、チャンバに取り付
けられて第１の荷電粒子と反対の極性を持つ第２の荷電
粒子をチャンバ内に射出する第２の射出部と、チャンバ
内の第２の荷電粒子の射出方向上に配置された第１の双
極子磁石と、第１の荷電粒子の射出方向延長線上でかつ
チャンバに形成されたアパーチヤーとを備えた構成とな
っている。

【００１５】上記した本発明装置は、チャンバ内の第１
の荷電粒子の射出方向延長線上でかつ第１の双極子磁石
から所定距離で離間させて第２の双極子磁石を配置した
構成としてもよく、さらにチャンバ内の第１の荷電粒子
の射出方向延長線上でかつ第２の双極子磁石から所定距
離だけ離間させて第３の双極子磁石を配置した構成とし
てもよい。またチヤンバの第２の双極子磁石及び第３の
双極子磁石の近傍でチャンバに取り付けられたアース電
極を備えた構成とすることも可能である。

【００１６】

【作用】本発明に係る中性粒子の発生方法では、所定の
方向に第１の荷電粒子を射出した後、第１の荷電粒子と
反対の極性を持つ第２の荷電粒子を第１の荷電粒子の射
出方向と同じ方向に移動させるため、第１の荷電粒子の
射出方向延長線上にて第１の荷電粒子と第２の荷電粒子
とからなる集団（線束）、すなわち正の極性を持つ粒子
と負の極性を持つ粒子との線束が形成される。その結
果、正の極性を持つ粒子と負の極性を持つ粒子とが、弾
性散乱反応でなく電荷交換反応又は再結合反応して上記
線束中に所定の方向性を有すると共にエネルギ分布が単
色な高速の中性粒子か生成される。

【００１７】また本発明方法において、例えば第１の荷
電粒子と第２の荷電粒子とを同じ速さで射出すれば、重
心系では相対速度を持たない正の極性を持つ粒子と負の
極性を持つ粒子との線束が得られる。相対速度がない場
合においては、正の極性を持つ粒子と負の極性を持つ粒
子とが電荷交換反応又は再結合反応する確率が高くなる
ため、上記線束中に所定の方向性を有すると共にエネル
ギ分布が単色な高速の中性粒子が高い確率で生成され
る。

【００１８】さらに第１の荷電粒子の射出方向延長線上
でかつ１の双極子磁石から所定距離だけ離間して配置さ
れた他の双極子磁石により、他の双極子磁石へ入射した
極性を持つ粒子の移動方向を変える構成とすれば、一の
双極子磁石から他の双極子磁石に入射した線束中に含ま
れる高速の中性粒子と第１の荷電粒子と第２の荷電粒子
とのうち、第１の荷電粒子及び第２の荷電粒子の移動方
向が変わる。その結果、他の双極子磁石に入射した線束
より第１の荷電粒子及び第２の荷電粒子が除去され、高
速の中性粒子のみを含む線束が得られる。

【００１９】また第１の荷電粒子を陽イオンとし、第２
の荷電粒子として電子を使用すれば、陽イオンと電子と
が高い確率で電荷交換反応又は再結合反応し、高速な中
性粒子が効率的に生成される。

【００２０】本発明に係る中性粒子の発生装置では、第
１の荷電粒子と反対の極性を持つ第２の荷電粒子の射出
方向上に第１の双極子磁石が配置されているため、第１
の双極子磁石がこれに入射した第２の荷電粒子の移動方
向を第１の荷電粒子の射出方向と同じにするものの場
合、第１の射出部からチャンバ内に射出された第１の荷
電粒子と、第２の射出部からチャンバ内に射出されて第
１の双極子磁石を通過した第２の荷電粒子とからなる線
束、つまり前述したように正の極性を持つ粒子と負の極
性を持つ粒子との線束が第１の荷電粒子の射出方向延長
線上に形成される。この結果、正の極性を持つ粒子と負
の極性を持つ粒子とが、弾性散乱反応でなく電荷交換反
応又は再結合反応して上記線束中に所定の方向性を有す
ると共にエネルギ分市が単色な高速の中性粒子が生成さ
れる。そして、この中性粒子を含む線束は、第１の荷電
粒子の射出方向延長線上でかつチャンバに形成されたア
パーチャーからチャンバ外へ出射される。

【００２１】また上記した本発明装置が、チャンバ内の
第１の荷電粒子の射出方向延長線上でかつ第１の双極子
磁石から所定距離だけ離間して配置した第２の双極子磁
石を備えていれば、この第２の双極子磁石がこれに入射
した線束中に含まれる高速な中性粒子と第１の荷電粒子
と第２の荷電粒子とのうち、第１の荷電粒子及び第２の
荷電粒子のどちらか一方の移動方向を変えるものの場
合、高速の中性粒子と第１の荷電粒子と第２の荷電粒子
とを含む線束が第２の双極子磁石を通過することによ
り、線束中から第１の荷電粒子及び第２の荷電粒子の一
方が除去され、他方の荷電粒子と高速の中性粒子とを含
む線束がアパーチャーからチャンバ外へ出射される。

【００２２】さらに上記した本発明装置において、チャ
ンバ内の第１の荷電粒子の射出方向延長線上でかつ第２
の双極子磁石から所定距離だけ離間して配置した第３の
双極子磁石を備えていれば、第２の双極子磁石がこれに
入射した線束中に含まれる高速の中性粒子と第１の荷電
粒子と第２の荷電粒子とのうち、第１の荷電粒子と第２
の荷電粒子とのどちらか一方の移動方向を変えるもので
あり、第３の双極子磁石が上記線束のうち他方の移動方
向を変えるものの場合、高速の中性粒子と第１の荷電粒
子と第２の荷電粒子とを含む線束が第２の双極子磁石及
び第３の双極子磁石を通過することにより、線束中から
第１の荷電粒子と第２の荷電粒子とが除去される。この
結果、第３の双極子磁石から高速の中性粒子のみを含む
線束が射出され、アパーチャーよりチャンバ外へ射出さ
れる。

【００２３】またチャンバの第２の双極子磁石及び第３
の双極子磁石の近傍でチャンバにアース電極が取り付け
られていれば、線束中の第１の荷電粒子及び第２の荷電
粒子が、第２の双極子磁石及び第３の双極子磁石からア
ース電極に指向するように移動方向が変えられる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明に係る中性粒子の発生方法及び
その装置の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本
発明に係る中性粒子の発生装置の一実施例を示した模式
図である。図中２１は断面略矩形状を有するチャンバで
あり、チャンバ２１の上面には第１の荷電粒子として例
えば陽イオンを射出するイオン源２２が設けられてい
る。またチャンバ２１の一側壁の上方側には、イオン源
２２から射出される陽イオンと反対の極性を持つ第２の
荷電粒子として例えば電子を射出する電子銃２３が取り
付けられている。上記のイオン源２２、電子銃２３はそ
れぞれ、本発明装置における第１の射出部、第２の射出
部となるものである。

【００２５】チャンバ２１内のイオン源２２から射出さ
れる陽イオンの線束（以下、単にイオン線と記す）３１
の射出方向（以下、射出方向を走行方向と記す）上に
は、電子銃２３から射出される電子の線束（以下、単に
電子線と記す）３２の走行方向とが交差する位置、ここ
では直交する位置に、第１の双極子磁石２４が配設され
ている。第１の双極子磁石２４は本発明方法における一
の双極子磁石となるものである。

【００２６】この第１の双極子磁石２４のイオン線３１
の走行方向延長線上、つまり後述する如く第１の双極子
磁石２４から射出される陽イオン、電子、中性粒子を含
む線束３３の走行方向上には、第１の双極子磁石２４か
ら所定の距離に第２の双極子磁石２６が配設されてい
る。さらに第２の双極子磁石２６のイオン線３１の走行
方向延長線上には、つまり後述する如く第２の双極子磁
石２６より射出される陽イオン、中性粒子を含む線束３
４の走行方向上には、第２の双極子磁石２４から所定の
距離に第３の双極子磁石２７が配設されている。

【００２７】なお、第２の双極子磁石２６及び第３の双
極子磁石２７は、本発明方法に置ける他の双極子磁石と
なるものである。また本実施例において第２の双極子磁
石２６は、これに入射する陽イオン、電子、中性粒子を
含む線束３３から、負の電荷粒子である電子のみの移動
方向を変えて線束３３の走行方向と異なる方向に指向
し、第３の双極子磁石２７は、これに入射する陽イオ
ン、中性粒子を含む線束３４から陽イオンのみの移動方
向を変えて線束３４の走行方向と異なる方向に指向する
ものとなっている。

【００２８】これら第２の双極子磁石２６及び第３の双
極子磁石２７近傍のチャンバ２１の一側壁には、アース
電極２８が取り付けられており、チャンバ２１の下面に
は、後述する如く第３の双極子磁石２７より射出された
高速な中性粒子のみを含む線束（以下、中性粒子線と記
す）３７の走行方向上にアパーチャー２９が形成されて
いる。またチャンバ２１の他側壁には、ガス排気管２５
が接続されている。

【００２９】次にこのように構成されている中性粒子の
発生装置を用いて中性粒子を発生させる方法に基づき、
本発明に係る中性粒子の発生方法の一実施例を説明す
る。まずチャンバ２１内のガスをガス排気管２５より排
気量を調節しながら排気し、チャンバ２１内を電子又は
イオンが散乱しない程度の低圧力、ここでは１０^-4Ｐａ
に設定する。また第１の双極子磁石２４には、後に電子
銃２３から射出する電子線３２が、後にイオン源２２か
ら射出して第１の双極子磁石２４に入射するイオン線３
１の走行方向と同じ方向に移動するように、つまり第１
の双極子磁石２４を通過したイオン線３１の走行方向延
長線上を電子線３２が走るように調整した弱い磁場を印
加する。

【００３０】次いで所定のエネルギと方向性とを持つ陽
イオンをイオン源２２において発生させ、イオン源２２
よりチャンバ２１内ヘイオン線３１を射出する。本実施
例ではイオン線３１として３３４５ｅＶのＨ⁺（水素イ
オン）の線束を用いる。イオン源２２よりチャンバ２１
内ヘイオン線３１を射出すると、イオン線３１は第１の
双極子磁石２４に入射し、第１の双極子磁石２４の影響
を殆ど受けずにここを通過して第２の双極子磁石２６に
到達する。

【００３１】続いて電子銃２３より１．８２ｅＶの電子
線３２をイオン線３１と同じ速さで射出する。すると、
電子線３２は第１の双極子磁石２４に入射する。前述し
たように第１の双極子磁石２４には弱い磁場が印加され
ているため、電子とイオンとの質量差により、第１の双
極子磁石２４に入射した電子線３２は、その移動方向が
略垂直に大きく曲げられてイオン線３１の走行方向に射
出される。つまり電子線３２は第１の双極子磁石２４を
通過することによってイオン線３１の走行方向延長線上
を走る形となる。

【００３２】第１の双極子磁石２４より射出された電子
線３２はイオン線３１の走行方向延長線上である第１の
双極子磁石２４と第２の双極子磁石２６との問を飛行す
るため、イオン線３１の走行方向延長線上には陽イオン
と電子とを含む線束３３が形成される。しかも、電子線
３２はイオン線３１と略等速度で飛行するため、線束３
３中の陽イオン及び電子は重心系で相対速度を持たない
状態となり、陽イオンと電子とが容易にしかも高い確率
で再結合する。この再結合反応により線束３３中に高速
な中性粒子が高い確率で発生し、線束３３は陽イオン及
び電子に加えて高速な中性粒子を含むものとなる。

【００３３】そしてこれら電子、中性粒子及び陽イオン
で構成される線束３３は第２の双極子磁石２６に入射す
る。そこで、陽イオンと再結合しなかった線束３３中の
電子がアース電極２３へ向けて電子線３５となって指向
される。すなわち第２の双極子磁石２６により、線束３
３中の電子のみの移動方向がアース電極２８へ向かう方
向に変えられて線束３３から除かれる。その結果、第２
の双極子磁石２６より高速な中性粒子及び陽イオンで構
成される線束３４が射出される。

【００３４】第２の双極子磁石２６より射出された線束
３４は、続いて第３の双極子磁石２７に入射し、電子と
電荷交換又は再結合しなかった線束３４中の陽イオン
が、第３の双極子磁石２７によりアース電極２８へ向け
てイオン線３６となって指向される。すなわち第３の双
極子磁石２７により、線束３４中の陽イオンのみの移動
方向がアース電極２８へ向かう方向に変えられて線束３
４から除かれる。従って、第３の双極子磁石２７からは
陽イオンが除去されて高速な中性粒子線３７のみが射出
される。そして、さらに中性粒子線３７はチャンバ２１
のアパーチャー２９より試料（図示せず）へ向けて射出
される。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の中性粒子の
発生方法によれば、所定の方向に第１の荷電粒子を射出
した後、第１の荷電粒子と反対の極性を持つ第２の荷電
粒子を第１の荷電粒子の射出方向と同じ方向に移動させ
ることにより、第１の荷電粒子と第２の荷電粒子とを高
い確率で電荷交換反応又は再結合反応させるので、所定
の方向性を有しかつエネルギ分布が単色な高速の中性粒
子を生成することができる。またこの際、例えば第１の
荷電粒子と第２の荷電粒子とを同じ速さで射出すれば、
上記線束中での電荷交換反応又は再結合反応の確率を高
くすることができ、高速な中性粒子をより高い確率で生
成できる。従って本発明方法は例えば試料をエッチング
する際等、半導体製造プロセスにおいて非常に有効なも
のとして使用することができる。

【００３６】 また本発明の中性粒子の発生方法によれ
ば、第１の荷電粒子の射出方向延長線上に配置した他の
双極子磁石により、他の極子磁石に入射した線束中に含
まれる高速の中性粒子と第１の荷電粒子と第２の荷電粒
子とのうち、第１の荷電粒子及び第２の荷電粒子の移動
方向を変えるようにした場合、高速の中性粒子のみを含
む線束を生成することができる。従って例えばこの中性
粒子線をエッチング工程等に用いた場合、照射ダメージ
を生じさせることなく試料を良好にエッチングすること
ができる。

【００３７】 本発明に係る中性粒子の発生装置によれ
ば、第１の荷電粒子と反対の極性を持つ第２の荷電粒子
の射出方向上に第１の双極子磁石が配置されていること
から、この第１の双極子磁石がこれに入射した第２の荷
電粒子の移動方向を第１の荷電粒子の射出方向と同じに
するものの場合、第１の射出部からチャンバ内に射出さ
れた第１の荷電粒子と、第２の射出部からチャンバ内に
射出されて第１の双極子磁石を通過した第２の荷電粒子
とからなる線束を第１の荷電粒子の射出方向延長線上に
形成できる。従って、上記本発明の方法を確実に実施で
きるため、第１の荷電粒子の射出方向延長線上に所定の
方向性を有すると共にエネルギ分布が単色な高速の中性
粒子を効率的にかつ確実に生成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る中性粒子の発生装置の一実施例を
示した模式図である。

【図２】本発明に係る中性粒子の発生装置の他の実施例
を示した模式図である。

【図３】従来の中性粒子の発生装置の一例を示した模式
図である。

【図４】各ガスの各散乱断面積の変化を示したグラフで
ある。

【符号の説明】

２１ チャンバ ２２ イオン源 ２３ 電子銃 ２４ 第１の双
極子磁石 ２６ 第２の双極子磁石 ２７ 第３の双
極子磁石 ２８ アース電極 ２９ アパーチ
ャー ３１ イオン線 ３２ 電子線 ３３ 電子、中性粒子、陽イオンの線束 ３４ 陽イオン、中性粒子の線束 ３７ 中性粒子線 ４３ 負イオン発生部 ４４ 負イオン線 ４５ 負イオン、中性粒子、陽イオンの線束

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中性粒子の発生方法において、 所定の方向に第１の荷電粒子を射出する工程と、 前記第１の荷電粒子と反対の極性を持つ第２の荷電粒子
   を前記第１の荷電粒子の射出方向と同じ方向に移動させ
   る工程とを有していることを特徴とする中性粒子の発生
   方法。
2. 【請求項２】 前記第１の荷電粒子と前記第２の荷電粒
   子とを同じ速さで射出することを特徴とする請求項１記
   載の中性粒子の発生方法。
3. 【請求項３】 前記第２の荷電粒子の射出方向延長線上
   に配置した一の双極子磁石に前記第２の荷電粒子を射出
   して、前記一の双極子磁石により前記第２の荷電粒子の
   移動方向を前記第１の荷電粒子の射出方向と同じにする
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の中性粒
   子の発生方法。
4. 【請求項４】 前記一の双極子磁石を前記第１の荷電粒
   子の射出方向と前記第２の荷電粒子の射出方向とが直交
   する位置に配置することを特徴とする請求項３記載の中
   性粒子の発生方法。
5. 【請求項５】 前記第１の荷電粒子の射出方向延長線上
   でかつ前記一の双極子磁石から所定距離だけ離間して配
   置した他の双極子磁石により、前記他の双極子磁石へ入
   射した極性を持つ粒子の移動方向を変えることを特徴と
   する請求項３または請求項４記載の中性粒子の発生方
   法。
6. 【請求項６】 前記第１の荷電粒子を陽イオンとし、前
   記第２の荷電粒子を電子とすることを特徴とする請求項
   １乃至請求項５のいずれか１つに記載の中性粒子の発生
   方法。
7. 【請求項７】 前記陽イオンとして水素イオンを使用す
   ることを特徴とする請求項６記載の中性粒子の発生方
   法。
8. 【請求項８】 チャンバと、前記 チャンバに取り付けられ、第１の荷電粒子を前記チ
   ャンバ内に射出する第１の射出部と、 前記チャンバに取り付けられ、前記第１の荷電粒子と反
   対の極性を持つ第２の荷電粒子を前記チャンバ内に射出
   する第２の射出部と、 前記チャンバ内に設けられ、前記第２の荷電粒子の射出
   方向延長線上に配置された第１の双極子磁石と、 前記第１の荷電粒子の射出方向延長線上でかつ前記チャ
   ンバに形成されたアパーチャーとを備えて構成されてい
   ることを特徴とする中性粒子の発生装置。
9. 【請求項９】 前記チャンバ内に設けられ、前記第１の
   荷電粒子の射出方向延長線上でかつ前記第１の双極子磁
   石から所定距離だけ離間して配置した第２の双極子磁石
   を備えたことを特徴とする請求項８記載の中性粒子の発
   生装置。
10. 【請求項１０】 前記チャンバ内に設けられ、前記第１
    の荷電粒子の射出方向延長線上でかつ前記第２の双極子
    磁石から所定距離だけ離間して配置した第３の双極子磁
    石を備えたことを特徴とする請求項９記載の中性粒子の
    発生装置。
11. 【請求項１１】 前記チャンバに取り付けられ、前記第
    ２の双極子磁石及び前記第３の双極子磁石の近傍に配置
    されたアース電極を備えたことを特徴とする請求項１０
    記載の中性粒子の発生装置。