JP3423543B2 - Fast atom beam source - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体素
子などの製造工程において微細な加工や処理を行なうの
に好適な高速原子線源に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-speed atomic beam source suitable for performing fine processing and processing in the manufacturing process of semiconductor devices and the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】常温の大気中で熱運動をしている原子・
分子は、おおむね０.０５ｅＶ前後の運動エネルギーを
有している。これに比べてはるかに大きな運動エネルギ
ーで飛翔する原子・分子を、高速原子と呼び、方向性を
持ったビーム状に放射される場合に、高速原子線とい
う。2. Description of the Related Art Atoms that are in thermal motion in the atmosphere at room temperature
The molecule has a kinetic energy of about 0.05 eV. Atoms and molecules that fly with much larger kinetic energy than this are called fast atoms, and when they are emitted in a directional beam, they are called fast atom beams.
【０００３】従来発表されている、気体原子の高速原子
線を発生させる高速原子線源のうち、運動エネルギーが
数ｅＶ〜１０ｋｅＶのアルゴン原子を放射する高速原子
線源の構造の一例を図７に示す。図中、符号１００は円
筒形陰極、１０２はドーナツ状の陽極、１０４は０.５
〜１０ｋeVの直流高圧電源、１０６はガス導入部である
ガスノズル、Ｇはアルゴンガス、Ｐはプラズマ、１０８
は原子放出孔、Ｂは高速原子線、１１０は放電安定抵抗
である。FIG. 7 shows an example of the structure of a fast atom beam source which emits argon atoms having a kinetic energy of a few eV to 10 keV among the fast atom beam sources which have previously been announced to generate a fast atom beam of gas atoms. Show. In the figure, reference numeral 100 is a cylindrical cathode, 102 is a donut-shaped anode, and 104 is 0.5.
DC high voltage power supply of 10 keV, 106 is a gas nozzle which is a gas introduction part, G is argon gas, P is plasma, 108
Is an atom emission hole, B is a fast atom beam, and 110 is a discharge stabilizing resistance.
【０００４】高速原子線源と放電安定化抵抗１１０以外
の構成要素を真空容器に入れ、十分に排気した後、ガス
導入パイプ１０６からアルゴンガスＧを円筒形陰極１０
０の内部に注入する。ここで直流高電圧電源１０４によ
って、陽極が正電位、陰極が、負電位となるように、直
流電圧を印加する。これで陰極・陽極間に放電が起き、
プラズマＰが発生し、アルゴンイオンと電子が生成され
る。更に、この放電において、円筒形陰極１００の底面
から放出する電子は、陽極１０２に向かって放出され、
陽極１０２の中央の孔を通過して、円筒形陰極１００の
反対側の底面に達し、ここで速度を失って反転し、改め
て陽極１０２に向かって加速される。このように電子は
陽極の中央の孔を介して、円筒形陰極の両方の底面の間
を高周波振動し、そのあいだに、アルゴンガスに衝突し
て、多数のアルゴンイオンを発生させる。After the components other than the high-speed atom beam source and the discharge stabilizing resistor 110 are put in a vacuum container and sufficiently evacuated, argon gas G is introduced from the gas introducing pipe 106 into the cylindrical cathode 10.
Inject inside 0. Here, a DC high voltage power supply 104 applies a DC voltage so that the anode has a positive potential and the cathode has a negative potential. This causes a discharge between the cathode and anode,
Plasma P is generated and argon ions and electrons are generated. Further, in this discharge, the electrons emitted from the bottom surface of the cylindrical cathode 100 are emitted toward the anode 102,
It passes through a hole in the center of the anode 102 and reaches the opposite bottom surface of the cylindrical cathode 100, where it loses speed and reverses, and is accelerated again toward the anode 102. Thus, the electrons oscillate through the central hole of the anode between the two bottom surfaces of the cylindrical cathode at a high frequency, and in the meanwhile, collide with the argon gas and generate a large number of argon ions.
【０００５】こうして発生したアルゴンイオンは、円筒
形陰極１００の底面に向かって加速され、十分な運動エ
ネルギーを得るにいたる。この運動エネルギーは、陽極
・陰極との間の放電維持電圧が、例えば１ｋＶの時は１
ｋｅＶ程度の値となる。円筒形陰極１００の底面近傍の
空間は高周波振動をする電子の折り返し点であって、低
エネルギーの電子が多数存在する空間である。この空間
に入射したアルゴンイオンは電子と衝突・再結合してア
ルゴン原子に戻る。イオンと電子の衝突において、電子
の質量がアルゴンイオンに比べて無視できるほど小さい
ために、アルゴンイオンの運動エネルギーはほとんど損
失せずにそのまま原子に受け継がれて高速原子となる。
従って、この場合の高速原子の運動エネルギーは１ｋｅ
Ｖ程度となる。この高速原子は円筒形陰極の一方の断面
に開けられた断面形状が一定の放出孔から高速原子線Ｂ
となって放出される。The argon ions thus generated are accelerated toward the bottom surface of the cylindrical cathode 100 to obtain sufficient kinetic energy. This kinetic energy is 1 when the discharge sustaining voltage between the anode and the cathode is 1 kV, for example.
The value is about keV. The space near the bottom surface of the cylindrical cathode 100 is a turning point of electrons that vibrate at high frequency, and is a space where many low-energy electrons are present. The argon ions incident on this space collide with and recombine with electrons and return to argon atoms. In the collision between an ion and an electron, the mass of the electron is negligibly smaller than that of the argon ion, so that the kinetic energy of the argon ion is transferred to the atom as it is with almost no loss and becomes a fast atom.
Therefore, the kinetic energy of fast atoms in this case is 1 ke
It becomes about V. This fast atom is emitted from one of the cross-sections of the cylindrical cathode through a discharge hole with a constant cross-sectional shape to the fast atom beam B
Will be released.
【０００６】ところで、上述した方法で形成した高速原
子線によって、エッチングや成膜等の処理を行なうに
は、線量が面内に均一に分布すること、及び、特に微細
な加工を精密に行なうには直進性のよいビームを得るこ
とが必要である。上記のような従来の方法では、ドーナ
ッツ状の陽極１０２を用いているため、プラズマＰの分
布が不均一で線量の均一性が不充分となり、また、直進
性を確保する方策も不充分である。By the way, in order to perform processing such as etching and film formation with the high-speed atomic beam formed by the above-mentioned method, the dose should be evenly distributed in the plane, and particularly fine processing should be performed precisely. It is necessary to obtain a beam with good straightness. In the conventional method as described above, since the donut-shaped anode 102 is used, the distribution of the plasma P is non-uniform, the uniformity of the dose is insufficient, and the measure for ensuring the straightness is also insufficient. .
【０００７】これに対して、原子線量の面内均一性を担
保するために陽極を陰極（放出電極）に対向する平板状
とし、直進性のよい高中性化率のビームを得るために高
速原子放出孔の長さを長くした技術が開示されている
（特開平５-１２１１９４号）。いずれの従来の技術の
場合でも、原子放出孔は孔の方向に沿って形状や断面積
の変わらない直線状の円孔である。On the other hand, in order to ensure the in-plane uniformity of the atomic dose, the anode is formed in a flat plate shape facing the cathode (emission electrode), and a high-speed atom is obtained in order to obtain a beam having a high neutralization rate with good straightness. A technique in which the length of the emission hole is increased is disclosed (Japanese Patent Laid-Open No. 121194/1993). In any of the conventional techniques, the atom emission hole is a linear circular hole whose shape and sectional area do not change along the direction of the hole.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の技
術において、放電容器内で生成されたラジカル粒子（外
部電子配置のエネルギーが高い状態にある粒子）は電荷
を持っていないため、ガス粒子の流体挙動に従って原子
放出孔を通過する。このとき、原子放出孔が断面積一定
の直線状の孔である場合、該孔の長さに比例して、孔壁
との衝突確立が高くなり、ラジカル粒子の失活割合が大
きくなる。例えば、典型的な動作条件では、放電容器内
の平均自由行程が、０.１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。
これに対し、原子放出孔の径は１ｍｍ、長さ５ｍｍ〜２
０ｍｍである。原子放出孔中ではガス粒子密度が減少す
るので、平均自由行程が更に長くなり、原子放出孔中で
は自由分子流状態となり、ラジカル粒子と孔側壁との衝
突確立が大きく、せっかく生成されたラジカルの失活す
る確率が大きくなる。In the prior art as described above, the radical particles generated in the discharge vessel (particles in a state where the energy of the external electron arrangement is high) do not have an electric charge, and therefore gas particles Through the atomic emission holes according to the fluid behavior of. At this time, when the atom emission hole is a linear hole having a constant cross-sectional area, the probability of collision with the hole wall increases in proportion to the length of the hole, and the deactivation rate of radical particles increases. For example, under typical operating conditions, the mean free path in the discharge vessel is on the order of 0.1 mm to 10 mm.
On the other hand, the diameter of the atom emission hole is 1 mm and the length is 5 mm to 2 mm.
It is 0 mm. Since the gas particle density decreases in the atom emission hole, the mean free path becomes longer, the free molecular flow state is established in the atom emission hole, and the probability of collision between the radical particle and the side wall of the hole is large. The probability of deactivation increases.
【０００９】このように、直進性の良い高速原子線を得
るために、原子放出孔の長さを長くすると、逆に、ラジ
カル粒子の供給量が減少するため、ラジカル量は減少し
てしまい、速い加工速度は望めない。つまり、高アスペ
クト比の異方性微細加工を効率よく行うためには、直進
性の良い高速原子線量とラジカル量をバランスよく制御
することが必要であるが、上述のように高速原子線量と
ラジカル粒子線量の制御は困難であった。As described above, if the length of the atom emission hole is increased in order to obtain a high-speed atomic beam with good straightness, the supply amount of radical particles is decreased, and the radical amount is decreased. High processing speed cannot be expected. In other words, in order to efficiently perform anisotropic microfabrication with a high aspect ratio, it is necessary to control the fast atomic dose and radical amount with good straightness in a well-balanced manner. The control of particle dose was difficult.
【００１０】本発明は、直進性と中性化率の制御性が高
く、しかも、加速したラジカルの失活を抑えてエネルギ
ー効率良く高速原子線を生成して、高アスペクト比の微
細加工を効率よく行うことができる高速原子線源を提供
することを目的とする。According to the present invention, the straightness and the controllability of the neutralization rate are high, and moreover, the deactivation of accelerated radicals is suppressed to generate a high-speed atomic beam with high energy efficiency, and the fine processing with a high aspect ratio is efficiently performed. An object is to provide a fast atom beam source that can be performed well.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項１に記載の発明は、内部にプラズマ空間
を形成する放電容器に、複数の原子放出孔を有する平板
状の放出電極と、これに対向して配置される対向電極と
が設けられ、これらの電極による電場で該プラズマ空間
に発生したプラズマ中のイオンを放出電極に向けて加速
し、加速された前記イオンを放出電極近傍において中性
化して高速原子として前記原子放出孔から放出するよう
にした高速原子線源であって、前記放出電極として、断
面が原子の流れ方向に沿って末広がり形状の複数の原子
放出孔を有するものを用いたことを特徴とする高速原子
線源である。請求項２に記載の発明は、内部にプラズマ
空間を形成する放電容器に、複数の原子放出孔を有する
平板状の放出電極と、これに対向して配置される対向電
極とが設けられ、これらの電極による電場で該プラズマ
空間に発生したプラズマ中のイオンを放出電極に向けて
加速し、加速された前記イオンを放出電極近傍において
中性化して高速原子として前記原子放出孔から放出する
ようにした高速原子線源であって、前記放出電極とし
て、原子の流れ方向に沿って断面形状が一定の直線状の
原子放出孔と、原子の流れ方向に沿って断面が末広がり
形状の放出孔とを適切に配置したものを用いたことを特
徴とする高速原子線源である。請求項３に記載の発明
は、前記放出電極の厚みが、原子放出孔の最小径の５倍
より大きく２０倍より小さいことを特徴とする請求項２
記載の高速原子線源である。請求項４に記載の発明は、
前記放電容器は、高周波放電を用いて内部にプラズマを
発生させるように構成されていることを特徴とする請求
項１乃至３のいずれかに記載の高速原子線源である。 In order to solve such a problem, the invention according to claim 1 is a flat plate-shaped emission electrode having a plurality of atom emission holes in a discharge vessel forming a plasma space therein. And a counter electrode arranged opposite to the counter electrode. The ions in the plasma generated in the plasma space are accelerated toward the emission electrode by the electric field generated by these electrodes, and the accelerated ions are emitted from the emission electrode. A fast atom beam source , which is neutralized in the vicinity and emitted as fast atoms from the atom emission holes, and the emission electrodes are disconnected.
A plurality of atoms whose faces are divergent along the direction of atom flow
This is a high-speed atomic beam source characterized by using one having an emission hole . According to a second aspect of the present invention, a discharge vessel having a plasma space formed therein is provided with a flat plate-shaped emission electrode having a plurality of atom emission holes and a counter electrode arranged to face the discharge electrode. The ions in the plasma generated in the plasma space by the electric field of the electrode are accelerated toward the emission electrode, and the accelerated ions are neutralized in the vicinity of the emission electrode and emitted from the atom emission hole as fast atoms. And a high-speed atomic beam source as the emission electrode
A straight line with a constant cross-section along the atom flow direction.
Atom emission hole and cross section widens along the direction of atom flow
The feature is that a properly shaped discharge hole is used.
It is a high-speed atomic beam source to be considered. The invention according to claim 3 is characterized in that the thickness of the emission electrode is more than 5 times and less than 20 times the minimum diameter of the atom emission hole.
It is the described fast atom beam source. The invention according to claim 4 is
The discharge vessel uses high frequency discharge to generate plasma inside.
Claims characterized by being configured to generate
Item 5. A high-speed atomic beam source according to any one of Items 1 to 3.
【００１２】このような構成においては、例えば放電容
器内にガスパイプよりガス粒子を導入し、放出電極と対
向電極間に直流高電圧を印加することにより、グロー放
電を発生させてプラズマを生成する。プラズマ中のイオ
ンは、放出孔が設けられている電極方向に電界によって
加速され、放出孔中において残留ガス粒子と電荷交換が
行われて中性化され、高速原子線となって放出される。In such a structure, for example, gas particles are introduced into the discharge vessel through a gas pipe and a direct current high voltage is applied between the emission electrode and the counter electrode to generate glow discharge and generate plasma. Ions in the plasma are accelerated by an electric field in the direction of the electrode in which the emission holes are provided, undergo charge exchange with residual gas particles in the emission holes, are neutralized, and are emitted as fast atom beams.
【００１３】本発明では、原子放出孔の断面が末広形状
を持つので、ラジカル粒子の失活が防止され、加工性や
反応性の高い高速原子線を生成することができる。ま
た、末広孔と断面一定孔を適切に配置した高速原子線放
出用電極を用いることで、高速原子線の放射と生成され
たラジカル粒子を効率的に下流の試料表面に供給するこ
とができる。これは、以下のような作用に基づくもので
ある。In the present invention, since the cross section of the atom emission hole has a divergent shape, deactivation of radical particles is prevented, and a high-speed atom beam having high processability and reactivity can be generated. Further, by using the electrode for fast atom beam emission in which the divergent hole and the hole having a constant cross-section are appropriately arranged, it is possible to efficiently emit the fast atom beam and the generated radical particles to the downstream sample surface. This is based on the following actions.
【００１４】放電容器内で生成されたラジカル粒子は電
荷を持っていないため、ガス粒子の流体挙動に従って原
子放出孔を通過する。このとき、原子放出孔が断面積一
定の直線状の孔ではなく、例えば、末広形状の原子放出
孔であると、これによって放出された高速原子線が孔の
内面に衝突する確率が減少し、その結果ラジカル粒子の
失活する比率が低下してエネルギー効率が向上する。Since the radical particles generated in the discharge vessel have no electric charge, they pass through the atom emission holes according to the fluid behavior of the gas particles. At this time, if the atom emission hole is not a linear hole having a constant cross-sectional area, but is, for example, a divergent atom emission hole, the probability that the fast atom beam emitted thereby collides with the inner surface of the hole, As a result, the rate of deactivation of radical particles is reduced, and energy efficiency is improved.
【００１５】また、断面形状一定の直線状の放出孔と断
面が末広がりの形状の放出孔を適切に配置した電極を用
いると、断面形状一定の孔からは、直進性の良い高速原
子線が放出され、末広形状孔からは効率よくラジカル粒
子が供給されるため、直進性の良い高速原子線量とラジ
カル量を適切に制御して、試料に供給できる。従って、
スパッタ効果と化学反応性のバランスを制御することが
でき、加工速度だけでなく、異方性加工や等方性加工な
どの加工形状、加工表面粗さ、加工損傷についても、制
御が可能となる。Further, when an electrode in which a linear emission hole having a constant cross-sectional shape and an emission hole having a divergent cross-sectional shape are appropriately arranged is used, a high-speed atomic beam with good straightness is emitted from the hole having a constant cross-sectional shape. Since the radical particles are efficiently supplied from the divergent pores, it is possible to appropriately control the high-speed atomic dose and radical amount with good straightness and supply them to the sample. Therefore,
It is possible to control the balance between sputtering effect and chemical reactivity, and it is possible to control not only the processing speed but also the processing shape such as anisotropic processing and isotropic processing, processing surface roughness, and processing damage. .
【００１６】特に、原子放出孔の断面形状が超音速ノズ
ルや極超音速ノズル形状である場合には、効率よく噴流
を形成でき、かつ、断熱膨張により急激な密度減少を達
成できるため、ラジカル粒子の衝突確率を急激に減少さ
せ、ラジカルの失活を防ぐことができ、該ノズル形状の
変化によってガス粒子密度の空間的分布制御が可能とな
る。In particular, when the cross-sectional shape of the atom emission hole is a supersonic nozzle or hypersonic nozzle shape, a jet flow can be efficiently formed, and adiabatic expansion can achieve a rapid density reduction, so radical particles It is possible to sharply reduce the collision probability of H.sub.2, prevent deactivation of radicals, and control the spatial distribution of gas particle density by changing the shape of the nozzle.
【００１７】上記のように不均一形状の放出孔を均一形
状の放出孔と平面内で混在させて、種々の作用・効果を
得ることができるが、さらに、原子放出孔の長さを変え
ることができる。放出孔の長さによる作用については、
以下のような知見を得ている。As described above, the non-uniform emission holes can be mixed with the uniform emission holes in the plane to obtain various actions and effects. Further, the length of the atom emission holes can be changed. You can Regarding the effect of the length of the discharge hole,
The following findings have been obtained.
【００１８】原子放出孔長さが、孔径の１倍〜５倍で
あるとき：高密度の高速原子線とイオンビームの混在し
たビームを放出する。ただし、中性化率は低く、原子放
出孔中で中性化される割合は、約４０％以下である。ま
た、指向性もおおよそ原子放出孔のアスペクト比に対応
したビーム発散角を有するので、指向性はあまり良くな
い。
高速原子放出高長さが、孔径の５倍〜２０倍であると
き：高密度の高速原子線を発生させる。中性化率は、４
０から７０％の高中性化率を、原子放出孔中で実現す
る。また、指向性も高い高速原子線を発生させる。When the atomic emission hole length is 1 to 5 times the hole diameter: A beam in which a high-density fast atom beam and an ion beam are mixed is emitted. However, the neutralization ratio is low, and the ratio of neutralization in the atom emission holes is about 40% or less. In addition, the directivity also has a beam divergence angle approximately corresponding to the aspect ratio of the atom emission hole, so the directivity is not very good. When the fast atom emission height length is 5 to 20 times the pore diameter: A high-density fast atom beam is generated. Neutralization rate is 4
A high neutralization rate of 0 to 70% is realized in the atom emission hole. In addition, a high-speed atomic beam with high directivity is generated.
【００１９】高速原子放出高長さが、孔径の２０倍以
上であるとき：高密度の高速原子線を発生させる。中性
化率は、７０％以上の高中性化率を、原子放出孔中で実
現する。また、指向性も非常に高い高速原子線を発生さ
せる。また、プラズマで生成されたラジカル粒子は、ほ
とんど、原子放出孔中で、失活してしまうので、高速原
子線のみの、非常に指向性の良いビームの放出を行うこ
とができる。When the high-speed atom emission height length is 20 times or more the pore diameter: A high-density high-speed atom beam is generated. The neutralization rate achieves a high neutralization rate of 70% or more in the atom emission holes. In addition, it produces a high-speed atomic beam with a very high directivity. Further, most of the radical particles generated by the plasma are deactivated in the atom emission holes, so that it is possible to emit a beam having only a high-speed atom beam and a very high directivity.
【００２０】放出孔の長さに関係するこのような傾向
と、断面形状が末広形に広がる放出孔の利用とを組み合
わせることにより、ラジカル粒子量の供給を効率的に行
うことができ、かつ、高速原子線量とラジカル量のバラ
ンスの制御が可能となる。従って、断面一定孔のみの場
合よりも高速加工や低ダメージの加工が可能となる。特
に、高速原子線孔の長さが孔径の５倍以上の断面一定孔
と末広孔の併用の時は、直進性のよい高速原子線量とラ
ジカル量のバランス制御ができるため、異方性の良い微
細加工や微傷物の多面加工による３次元微細加工を効率
的に行うことができる。このように、原子放出孔の孔径
と長さの関係によって、指向性や中性化率、更に、真空
容器中におけるビームの散乱確率等が変わってくるの
で、応用目的に応じて選択すればよい。By combining such a tendency related to the length of the emission hole with the use of the emission hole having a divergent cross-sectional shape, the amount of radical particles can be efficiently supplied, and It is possible to control the balance between the fast atom dose and the radical amount. Therefore, it is possible to perform high-speed processing and low-damage processing as compared with the case of using only a hole having a constant cross section. In particular, when a hole with a constant cross section having a length of the fast atom beam hole of 5 times or more of the hole diameter and a divergent hole are used together, the balance of the fast atom dose and the radical amount with good straightness can be controlled, resulting in good anisotropy It is possible to efficiently perform three-dimensional fine processing by fine processing or multi-sided processing of fine scratches. In this way, the directivity and the neutralization rate, and the scattering probability of the beam in the vacuum container are changed depending on the relationship between the diameter and the length of the atom emission hole. Therefore, it may be selected according to the application purpose. .
【００２１】また、高密度プラズマを効率よく発生させ
る手段として、直流放電の時には、磁場発生器による磁
場効果を利用して、放電容器内の電子の運動を活発にし
て高プラズマ密度を実現する。このほか、高密度プラズ
マを発生させるために、容量結合型高周波放電や誘導結
合型高周波放電を利用して、高密度プラズマを発生し、
高密度の高速原子線を発生させることができる。このほ
か、高密度プラズマの発生には、ヘリコン波プラズマや
ＥＣＲプラズマが用いられることもある。Further, as a means for efficiently generating high density plasma, at the time of direct current discharge, the magnetic field effect of the magnetic field generator is utilized to activate the movement of electrons in the discharge vessel to realize high plasma density. In addition, in order to generate high density plasma, capacitively coupled high frequency discharge or inductively coupled high frequency discharge is used to generate high density plasma,
A high-density high-speed atomic beam can be generated. In addition, helicon wave plasma or ECR plasma may be used to generate high-density plasma.
【００２２】[0022]
【実施例】図１に、本発明の第１の実施例の直流放電型
の高速原子線源を示す。これは、筒状の放電容器１０の
一端側に、多数の原子放出孔１２を有する板状陰極（放
出電極）１４が設けられ、他端側はガス導入管１６を有
する端板１８で覆われている。放電容器１０の内部に
は、放出電極１４側から、流通孔２０を有する板状陽極
（対向電極）２２と、ガス導入孔２４を有する第２の板
状陰極２６とが順次配置されて内部を区画しており、放
出電極１４側からそれぞれ第１のプラズマ空間２８、第
２のプラズマ空間３０、ガス導入空間３２が構成されて
いる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a direct current discharge type fast atom beam source according to a first embodiment of the present invention. This is provided with a plate-shaped cathode (emission electrode) 14 having a large number of atom emission holes 12 on one end side of a cylindrical discharge vessel 10 and covered with an end plate 18 having a gas introduction pipe 16 on the other end side. ing. Inside the discharge vessel 10, a plate-shaped anode (counter electrode) 22 having a flow hole 20 and a second plate-shaped cathode 26 having a gas introduction hole 24 are sequentially arranged from the side of the emission electrode 14 and the inside of the discharge container 10 is arranged. It divides, and the 1st plasma space 28, the 2nd plasma space 30, and the gas introduction space 32 are each comprised from the emission electrode 14 side.
【００２３】板状陰極１４，２６は接地され、板状陽極
２２と接地の間には直流高圧電源３４と放電安定抵抗３
６が接続されている。各電極はグラファイト製であり、
放電容器はセラミック製である。The plate cathodes 14 and 26 are grounded, and the DC high voltage power supply 34 and the discharge stabilizing resistor 3 are provided between the plate anode 22 and the ground.
6 is connected. Each electrode is made of graphite,
The discharge vessel is made of ceramic.
【００２４】この放出電極１４には、図２に示すような
本発明の断面が一定な直線状の円孔１２ａと断面が一定
でない末広形状孔１２ｂが適切に配置されている。ここ
では、後者は、内側のわずかな長さが一定断面を持ち、
それから一定のテーパをもって外側に広がる超音速ノズ
ル形状を有し、多数の一定断面の孔の中で２つが中心に
対称な位置に配置されている。The emission electrode 14 is appropriately provided with a linear circular hole 12a having a constant cross section according to the present invention and a divergent hole 12b having a non-uniform cross section as shown in FIG. Here, the latter has a constant cross section with a slight inner length,
Then, it has a supersonic nozzle shape that spreads outward with a certain taper, and two of a large number of holes of a constant cross section are arranged at symmetrical positions with respect to the center.
【００２５】次に、前述のように構成された高速原子線
源の動作を説明する。直流高圧電源３４、放電安定抵抗
３６以外を図示しない真空容器におさめて十分に排気し
た後、ガスＧを導入し、陰極１４，２６と陽極２２の間
に直流電圧を印加する。ガスＧとしては、Ａｒなどの希
ガスやエッチングなどの場合は、塩素ガスやＣＦ4やＳ
Ｆ6などのフッ素含有ガスを用いる。これにより第２プ
ラズマ室３０で放電が起きて、プラズマが発生し、ガス
Ｇのイオンと電子が生成される。ガスＧと生成された電
子はさらに流通孔２０を介してプラズマ空間２８に流入
し、ここでも放電が起きて、プラズマが形成される。Next, the operation of the high speed atomic beam source configured as described above will be described. Except for the DC high-voltage power supply 34 and the discharge stabilizing resistor 36, the gas is introduced into the vacuum container (not shown) and sufficiently evacuated, and then the gas G is introduced to apply a DC voltage between the cathodes 14 and 26 and the anode 22. The gas G is chlorine gas, CF4 or S in the case of rare gas such as Ar or etching.
A fluorine-containing gas such as F6 is used. As a result, discharge occurs in the second plasma chamber 30, plasma is generated, and ions and electrons of the gas G are generated. The gas G and the generated electrons further flow into the plasma space 28 through the flow holes 20, where a discharge also occurs and plasma is formed.
【００２６】第１のプラズマ空間２８で生成されたイオ
ンは放出電極１４に向かって加速されて大きなエネルギ
ーを得、原子放出孔１２において、残留しているガスＧ
の原子・分子と接触して電荷を失い、あるいは電子との
再結合によって電荷を失って高速原子となり、原子放出
孔１２から放出される。The ions generated in the first plasma space 28 are accelerated toward the emission electrode 14 to obtain large energy, and the residual gas G in the atom emission hole 12 is obtained.
, Which loses the electric charge upon contact with the atoms / molecules, or loses the electric charge upon recombination with electrons, and becomes a high-speed atom, and is emitted from the atom emission hole 12.
【００２７】ここで、末広形状の原子放出孔１２ｂから
放出された高速原子線Ｂは、長さが同じであっても断面
が広がっているので内面と衝突する確率が低く、その結
果ラジカル粒子が失活する比率が低下してラジカル粒子
の残留する比率が向上する。特に、この例では超音速ノ
ズル形状であるので、効率よく噴流を形成でき、かつ、
断熱膨張により急激な密度減少を達成できるので、ラジ
カル粒子の衝突確率を急激に減少させてラジカルの失活
を防いでいる。一方、一定断面形状の放出孔１２ａから
は直進性の高い高速原子線が放出される。従って、これ
らの混合により、直進性が高く、かつラジカル粒子を必
要量有する高速原子線が下流に向けて流れる。Here, the fast atom beam B emitted from the divergent atom emission hole 12b has a wide cross section even if the length is the same, so that the probability of collision with the inner surface is low, and as a result, radical particles are generated. The rate of deactivation is reduced and the rate of residual radical particles is improved. In particular, in this example, since the nozzle has a supersonic nozzle shape, it is possible to efficiently form a jet flow, and
Since the adiabatic expansion can achieve a rapid decrease in density, the collision probability of radical particles is rapidly reduced to prevent radical deactivation. On the other hand, a high-speed atom beam having a high straightness is emitted from the emission hole 12a having a constant cross-sectional shape. Therefore, by mixing these, a high-speed atom beam having a high straightness and having a required amount of radical particles flows downstream.
【００２８】すなわち、本発明による高速原子放出孔
が、末広穴形状と直線穴形状が混在する場合、図３に示
す様に、高速原子放出孔を有する電極のすぐ下流場所で
は、噴出するラジカル量が異なり、例えば、直線状放出
孔のみの場合に比べて、多量のラジカルを噴出すること
ができる。この末広孔の数や配置を選定した設計の電極
を用いることにより、ラジカル量とビーム量の割合の制
御が効率的に行うことができる。又、電極から被加工物
までの距離の制御や末広孔の配置の選定により、被加工
物上に均一にラジカル量を供給することができる。この
様な特徴を活かして、従来の高速原子線加工よりも、効
率的な加工を実現することができる。That is, in the case where the fast atom emission hole according to the present invention has a divergent hole shape and a straight hole shape, as shown in FIG. However, a large amount of radicals can be ejected as compared with the case where only the linear emission holes are provided. By using an electrode having a design in which the number and arrangement of the divergent holes are selected, the ratio between the radical amount and the beam amount can be efficiently controlled. Further, by controlling the distance from the electrode to the workpiece and selecting the arrangement of the divergent holes, it is possible to uniformly supply the radical amount onto the workpiece. Utilizing such characteristics, it is possible to realize more efficient machining than the conventional high-speed atomic beam machining.
【００２９】なお、このような末広形状の放出孔の数や
配置は、以下のようにして決定する。すなわち、通常、
エッチングでは、試料を回転テーブル上に設置して加工
を行い、高速原子線Ｂの照射とラジカルの照射量の均一
性が実現されるようにして加工を行う。このような加工
方式の時に、超音速ノズル形状の放出孔１２ｂから放出
されるラジカルが、試料がある領域に対して、均一で拡
散の少ない状態で供給できるように、超音速ノズル形状
孔を配置する。The number and arrangement of such divergent emission holes are determined as follows. That is, normally
In the etching, the sample is set on a rotary table and processed so that the irradiation of the high-speed atomic beam B and the irradiation amount of the radicals are uniform. In such a processing method, the supersonic nozzle-shaped holes are arranged so that the radicals emitted from the supersonic nozzle-shaped emission holes 12b can be uniformly supplied to the region where the sample exists in a state with less diffusion. To do.
【００３０】この例では、３枚の電極１４，２２，２６
を配置して２つのプラズマ空間２８，３０を形成してい
るので、ここで常に安定した放電が起こり、ここで形成
されたプラズマは供給孔を介してプラズマ空間に供給さ
れる。つまり、第２のプラズマ空間３０に形成されるプ
ラズマは電子供給源の役割を果たしており、第１のプラ
ズマ空間２８でのプラズマ形成条件が変動してもこれを
第２のプラズマ空間３０のプラズマで補って安定化させ
ることができる。In this example, the three electrodes 14, 22, 26 are
Since two plasma spaces 28 and 30 are formed by arranging, the stable discharge always occurs here, and the plasma formed here is supplied to the plasma space through the supply holes. That is, the plasma formed in the second plasma space 30 plays a role of an electron supply source, and even if the plasma formation conditions in the first plasma space 28 are changed, the plasma is generated in the second plasma space 30. It can be supplemented and stabilized.
【００３１】この実施例による実際の比較実験では、Ｇ
ａＡｓ基板を塩素を用いた高速原子線でエッチングを行
うとき、図２に示す電極を用いた場合、直線状孔形状の
原子放出孔のみを用いた場合に比べ、約３倍以上のエッ
チング速度が得られた。In an actual comparative experiment according to this embodiment, G
When the aAs substrate is etched with a high-speed atomic beam using chlorine, the etching rate is about 3 times or more when the electrode shown in FIG. 2 is used as compared with the case where only the linear-hole-shaped atomic emission hole is used. Was obtained.
【００３２】図４は、この発明を２極型高速原子線源に
おいて適用した例を示す。この例では、第１の例とプラ
ズマ形成の過程において第２のプラズマ空間が無い点が
異なるが、基本的な作用は同一である。この例では、図
５に示すように中心に向けて傾斜した末広の放出孔１２
ｃが対称に配置されている。これは、照射を行なう対象
である基板中心にラジカル密度が高くなるようにラジカ
ルジェットの噴出方向を考慮した形状となっている。FIG. 4 shows an example in which the present invention is applied to a bipolar fast atom beam source. This example is different from the first example in that there is no second plasma space in the process of plasma formation, but the basic operation is the same. In this example, as shown in FIG. 5, the divergent emission hole 12 is inclined toward the center.
c are arranged symmetrically. This has a shape in consideration of the jet direction of the radical jet so that the radical density becomes high at the center of the substrate to be irradiated.
【００３３】図６は、高周波放電を用いてプラズマを発
生させる形式の高速原子線源の例を示すもので、この例
では、石英製の放電容器１０にガス導入管１６と放出電
極１４及び対向電極２６が設置されている。また、プラ
ズマ空間２８の中で誘導結合型高周波放電を行うため、
放電容器１０の外部にコイル３８が設置され高周波電源
４０が接続されている。放出孔１２は図２に示すような
末広形状のものが直線状のものとが混在して配置されて
いる。FIG. 6 shows an example of a high-speed atomic beam source of the type in which plasma is generated by using high-frequency discharge. In this example, a gas introduction tube 16, a discharge electrode 14 and a facing electrode are provided in a quartz discharge vessel 10. The electrode 26 is installed. Further, since the inductively coupled high frequency discharge is performed in the plasma space 28,
A coil 38 is installed outside the discharge vessel 10 and a high frequency power supply 40 is connected thereto. The emission holes 12 are arranged such that a divergent shape as shown in FIG. 2 and a linear shape are mixed.
【００３４】以上説明したいずれの実施例においても、
放出電極１４の厚さは放出孔１２の直径の最小部の５倍
以上に設定されており、直線状の放出孔１２ａにおける
中性化率は、４０から７０％と高く、指向性も高い高速
原子線を発生させる。従って、全体として、直進性が高
く、かつラジカル粒子を必要量有する高速原子線Ｂが放
出される。In any of the embodiments described above,
The thickness of the emission electrode 14 is set to 5 times or more the minimum diameter of the emission hole 12, and the neutralization rate in the linear emission hole 12a is as high as 40 to 70%, and the directivity is high. Generate an atomic beam. Therefore, as a whole, the fast atom beam B having high straightness and having a required amount of radical particles is emitted.
【００３５】[0035]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
指向性が高く、かつ高速原子量とラジカル粒子量とのバ
ランスが制御可能な高速原子線を生成することができ、
それらの制御を行うことによって、エッチングなどの加
工において、従来の高速原子線源より、高速加工を可能
としたり、高い化学反応性により低ダメージの加工を可
能とするなど、目的や条件に応じた優れた効果を奏する
ことができる。これにより、半導体などの微細加工や光
学素子・記憶素子等への加工プロセスに応用した場合
に、従来にない性能や作用を発揮することが可能とな
り、産業的・学術的な意義が大変大きい。As described above, according to the present invention,
It is possible to generate a high-speed atomic beam with high directivity and in which the balance between the high-speed atomic weight and the radical particle amount can be controlled.
By controlling them, processing such as etching enables faster processing than conventional high-speed atomic beam sources and processing with low damage due to high chemical reactivity, depending on the purpose and conditions. An excellent effect can be achieved. This makes it possible to exhibit unprecedented performance and action when applied to fine processing of semiconductors and processing processes for optical elements, storage elements, etc., and has great industrial and academic significance.
【図１】この発明の第１実施例の高速原子線源の一部を
破断した斜視図である。FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of a fast atom beam source according to a first embodiment of the present invention.
【図２】図１の放出電極の、（ａ）上面図、（ｂ）断面
図、（ｃ）下面図である。2A is a top view, FIG. 2B is a cross-sectional view, and FIG. 2C is a bottom view of the emission electrode of FIG.
【図３】図１の放出電極の高速原子線中のラジカル粒子
の割合を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the ratio of radical particles in the fast atom beam of the emission electrode of FIG.
【図４】この発明の第２実施例の高速原子線源の一部を
破断した斜視図である。FIG. 4 is a partially cutaway perspective view of a fast atom beam source according to a second embodiment of the present invention.
【図５】図４の放出電極の、（ａ）上面図、（ｂ）断面
図、（ｃ）下面図である。[5] of the emission electrode of FIG. 4, (a) top view, (b) cross-sectional view, a bottom view (c).
【図６】この発明の第３実施例の高速原子線源の断面図
である。FIG. 6 is a sectional view of a fast atom beam source according to a third embodiment of the present invention.
【図７】従来の高速原子線源の一部を破断した斜視図で
ある。FIG. 7 is a perspective view in which a part of a conventional high-speed atomic beam source is cut away.
１０ 放電容器 １２ｂ 原子放出孔 １２ 原子放出孔 １４ 放出電極 ２６ 対向電極 ２８ プラズマ空間 ３８ コイル 10 discharge vessel 12b Atom emission hole 12 Atom emission hole 14 Emission electrode 26 Counter electrode 28 Plasma space 38 coils
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−190995（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−102399（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−313897（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−263353（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−289193（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−81824（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−36300（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/302 G21K 5/04 H01J 27/02 H01J 37/08 H05H 3/02 ─────────────────────────────────────────────────── --Continued from the front page (56) References JP-A-8-190995 (JP, A) JP-A-8-102399 (JP, A) JP-A-1-313897 (JP, A) JP-A-7- 263353 (JP, A) JP-A-6-289193 (JP, A) JP-A-63-81824 (JP, A) Actual Kaihei 6-36300 (JP, U) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/302 G21K 5/04 H01J 27/02 H01J 37/08 H05H 3/02
Claims (4)
に、複数の原子放出孔を有する平板状の放出電極と、こ
れに対向して配置される対向電極とが設けられ、これら
の電極による電場で該プラズマ空間に発生したプラズマ
中のイオンを放出電極に向けて加速し、加速された前記
イオンを放出電極近傍において中性化して高速原子とし
て前記原子放出孔から放出するようにした高速原子線源
であって、 前記放出電極として、断面が原子の流れ方向に沿って末
広がり形状の複数の原子放出孔を有するものを用いた こ
とを特徴とする高速原子線源。1. A discharge vessel having a plasma space formed therein is provided with a flat plate-shaped emission electrode having a plurality of atom emission holes and a counter electrode arranged opposite thereto, and an electric field generated by these electrodes. A high-speed atomic beam for accelerating the ions in the plasma generated in the plasma space toward the emission electrode and neutralizing the accelerated ions in the vicinity of the emission electrode to emit them as fast atoms from the atom emission hole. source
The emission electrode has a cross section along the direction of flow of atoms.
A high-speed atomic beam source characterized by using a device having a plurality of spread atomic emission holes .
に、複数の原子放出孔を有する平板状の放出電極と、こ
れに対向して配置される対向電極とが設けられ、これら
の電極による電場で該プラズマ空間に発生したプラズマ
中のイオンを放出電極に向けて加速し、加速された前記
イオンを放出電極近傍において中性化して高速原子とし
て前記原子放出孔から放出するようにした高速原子線源
であって、 前記放出電極として、原子の流れ方向に沿って断面形状
が一定の直線状の原子放出孔と、原子の流れ方向に沿っ
て断面が末広がり形状の放出孔とを適切に配置したもの
を用いたことを特徴とする高速原子線源。 2. A discharge vessel having a plasma space formed therein is provided with a flat plate-shaped emission electrode having a plurality of atom emission holes and a counter electrode arranged opposite thereto, and an electric field generated by these electrodes is provided. A high-speed atomic beam for accelerating the ions in the plasma generated in the plasma space toward the emission electrode and neutralizing the accelerated ions in the vicinity of the emission electrode to emit them as fast atoms from the atom emission hole. source
And the emission electrode has a cross-sectional shape along the atom flow direction.
Along a linear atom emission hole with a constant
With an emission hole whose cross section is widened toward the end
High-speed atomic beam source characterized by using.
小径の５倍より大きく２０倍より小さいことを特徴とす
る請求項２記載の高速原子線源。3. The fast atom beam source according to claim 2, wherein the thickness of the emission electrode is more than 5 times and less than 20 times the minimum diameter of the atom emission hole.
部にプラズマを発生させるように構成されていることを
特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高速原子
線源。 4. The discharge vessel is internally formed using high frequency discharge.
That it is configured to generate plasma
The fast atom according to any one of claims 1 to 3, characterized in that
Radiation source.
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