JPH02112134A - Microwave ion gun - Google Patents
Microwave ion gunInfo
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- JPH02112134A JPH02112134A JP26386288A JP26386288A JPH02112134A JP H02112134 A JPH02112134 A JP H02112134A JP 26386288 A JP26386288 A JP 26386288A JP 26386288 A JP26386288 A JP 26386288A JP H02112134 A JPH02112134 A JP H02112134A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明はイオン銃に関し、特にアークチェンバ中の気体
に発生させた電子サイクロトロン運動の周波数にほぼ等
しい周波数のマイクロ波を用いて該気体に電子サイクロ
トロン共鳴を生じさせ、それによりて生じたホットエレ
クトロンプラズマからイオンビームな引き出すマイクロ
波イオン銃に関する。Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to an ion gun, and in particular to an ion gun that uses microwaves of a frequency approximately equal to the frequency of electron cyclotron motion generated in a gas in an arc chamber to generate electrons in the gas. This invention relates to a microwave ion gun that generates cyclotron resonance and extracts an ion beam from the resulting hot electron plasma.
［従来の技術］
従来、大イオン電流を得るためのイオン銃として、カウ
フマン型イオン銃に代表される電子衝撃型イオン銃があ
る（Ｈ，ＲＫａｕｆｍａｎｎ ａｎｄ Ｐ。[Prior Art] Conventionally, as an ion gun for obtaining a large ion current, there is an electron impact type ion gun represented by a Kaufmann type ion gun (H, RKaufmann and P.
Ｄ、Ｒｃａｄｅｒ、 １４ｘｐｅｒｉｍｃｎｔａｌ Ｐ
ｃｒｆｏｍａｎｃｃ ｏｆ ＪｏｎＲｏｃｋｅｔｓ Ｅ
ｍｐｌｏｙｉｎｇＥｌｅｃｔ、ｒｏｎ−Ｂｏｍｂａｒｄ
ｍｅｎｔ ］、ｏｎＳｏｕｒｃｅｓ、 ｐ３ ｉｎ
Ｄ、Ｉｌ、１．ａｎｇｍｕｉｒ、 ｌＥ、ｓｔ、
ｕｈｌｉｒ＋ｇｃｒ。D, Rcader, 14xperimcntal P
crfomancc of JonRockets E
mployingElect,ron-Bombard
ment], onSources, p3 in
D, Il, 1. angmuir, lE, st,
uhlir+gcr.
ａｎｄ 、］、Ｍ、５ｅｌｌｅｎ、 Ｊｒ、 （ｅｄｓ
、）＋Ｅｌｅｃｔ：ｒｏｓ１．ａｔｉｃＰｒｏｐｕｌｓ
ｉｏｎ、Ｖｏｌ、５ （汀 ＰｒｏｇｒｅｓＳ ｉｎ
八５ｔｒｏｒ＋ａｕｔ：１ｃｓａｎｄ Ｒｏｃｋ
ｅｔ、ｒｙ、 八ｃａｄｅｍｉｃ ＰｒｅＳｓ、
Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９６］））。これは、加熱し
たカソード（フィラメント）より電子をガスに照射し、
生成されたプラズマからイオンを遮蔽電極と引出し電極
により効率良く取り出そうとするものである。しかし、
放電の際にカソードが活性ガスに攻撃され、カソートワ
イヤか切断することが多かフた。そのため、イオン化の
ためのイオン化室は希カス等の不活性なカスがイオン化
できるたけであフた。したがって、ＳｌやＧａＡｓ等の
半導体についてエツチングやデポジションを行なうため
に必要な活°性カスをイオン化するためには、このカソ
ードワイヤー等の耐腐蝕性を考慮する必要があフた。and,], M, 5ellen, Jr., (eds
,)+Elect:ros1. aticPropuls
ion, Vol, 5 (Tai ProgressS in
85tror+aut:1csand Rock
et, ry, 8 academic PreSs,
New York (196])). This is done by irradiating the gas with electrons from a heated cathode (filament).
The purpose is to efficiently extract ions from the generated plasma using a shielding electrode and an extraction electrode. but,
During discharge, the cathode was attacked by the active gas, often causing the cathode wire to break. Therefore, the ionization chamber for ionization was emptied only enough to ionize inert scum such as rare scum. Therefore, in order to ionize the active scum necessary for etching and deposition of semiconductors such as Sl and GaAs, it is necessary to consider the corrosion resistance of the cathode wire and the like.
大電流のイオンを低速で引き出せるイオン銃にコル）・
ロン型イオン銃等の低速イオン銃がある（Ｍ、Ｍｃｒ＋
ｚｉｎｇｅｒ ａｎｄ １．Ｗａｈｌｉｎ、
Ｒｅｖ、Ｓｃ＋、Ｉｎ５ｔｒ。An ion gun that can draw out high-current ions at low speed)・
There are low-velocity ion guns such as Ron-type ion guns (M, Mcr+
zinger and 1. Wahlin,
Rev, Sc+, In5tr.
４ｏ、 ＋０２（］！＋６９））。このイオン銃の特徴
はイオンを低速で制御できる点である。しかし、上記大
電流イオン銃と同様に、放電の際にカソードの腐蝕性の
点から活性ガスへの適用が難しかった。4o, +02(]!+69)). A feature of this ion gun is that ions can be controlled at low speed. However, like the above-mentioned high-current ion gun, it was difficult to apply it to active gas because of the corrosivity of the cathode during discharge.
プラズマに？）シ子サイクロトロン周波数に極めて近い
周波数の電磁界を外から加えれば、電子の回転連動と電
磁界とが同期（共振）状態となり、電子に選択的にエネ
ルギーか注入されて、′重子温度のみが極めて高いポッ
トエレクトロプラズマ（数１０〜］０ＯｅＶ）ができる
。大出力マイクロ波発振器により、マグネヂックスター
ラーの中で電子サイクロ［・ロン共鳴を利用して、高密
度ホットエレクトロンプラズマを生成し、引き出しおよ
び転送するイオンに軸方向エネルギーをもたせて、空間
電荷制限電流以十の一イオン電流を得ることがてきるこ
とかマイクロ波イオン銃の特徴である。マイクロ波イオ
ン銃の場合、カソードワイヤを用いないので、活性ガス
への適用か可能である（Ｓ、Ｍａｔｓｕ。To plasma? ) If an electromagnetic field with a frequency extremely close to the Shiko cyclotron frequency is applied from the outside, the rotation of the electrons and the electromagnetic field become synchronized (resonant), energy is selectively injected into the electrons, and only the 'deuteron temperature' increases. Extremely high pot electroplasma (several 10 to 0 OeV) can be generated. A high-power microwave oscillator utilizes electron cycloresonance in a magnetic stirrer to generate a high-density hot electron plasma, giving the extracted and transferred ions axial energy to limit space charge. A feature of the microwave ion gun is that it can obtain an ion current that is 10 times higher than the current. In the case of a microwave ion gun, since a cathode wire is not used, it can be applied to active gases (S, Matsu).
ａｎｄＹ、Ａｄａｃｈｉ、 Ｊｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、
ｌ’ｈｙｓ、、２１． １４（１９８２））。and Y, Adachi, Jpn, J, Appl,
l'hys,,21. 14 (1982)).
しかし、このマイクロ波イオン銃の場合、質ｂｔ分離機
能かないのて、プラズマて生したイオンをそのまま引き
出すため、特定のイオン種を選び選択的なエツチングお
よびテポシッションを行なうことが困難であった。また
、速度フィルタかないため、イオンのエネルギー分散か
比較的高いことが問題てあった。質量分離されていない
イオンビームでは、イオン種と対象とする材料によって
、エツチングおよびデポジションの比率か違うため、ま
た、速度分離されていないイオンビームては、試料の位
置によって、到達するイオンの速度が異なるため、均一
なエツチングを行なうことか困難てあフだ。さらに、静
電レンズにより、イオンを集めることかないので、イオ
ンビームのビーム径が広く単位面積当たりのイオン電流
を高めることが困難てあ；た。特に低エネルギーのイオ
ンを取りだすためには、プラズマからイオンを加速−４
−ることによって取り出し、所望するエネルギーまて減
速する機構が不可欠であった。However, in the case of this microwave ion gun, it is difficult to select a specific ion species and perform selective etching and tepossession because it does not have a Bt to B separation function and extracts the ions generated by the plasma as they are. Also, because there is no velocity filter, the energy dispersion of ions is relatively high. For ion beams that are not mass-separated, the etching and deposition ratios differ depending on the ion species and target material, and for ion beams that are not velocity-separated, the speed of the arriving ions varies depending on the position of the sample. Because of the difference in etching, it is difficult to perform uniform etching. Furthermore, since ions are not collected by an electrostatic lens, the beam diameter of the ion beam is wide, making it difficult to increase the ion current per unit area. In particular, in order to extract low-energy ions, it is necessary to accelerate the ions from the plasma.
- It was essential to have a mechanism to extract the desired energy and decelerate it.
［発明か解決しようとするＢ題］
−１−述の従来の低速イオン銃ては、イオン化のための
アークチェンバは希カス等の不活性なガスかイオン化で
きるたけであり、対象とするイオンか限られていること
が問題であった。[Problem B to be solved by the invention] -1- In the conventional low-speed ion gun mentioned above, the arc chamber for ionization is only capable of ionizing inert gas such as rare gas, and the target ion or The problem was that it was limited.
また、従来のマイクロ波イオン銃では、■プラズマで生
したイオンを引き出す際、質量分離機能がないため特定
のイオン種を取り出すことが困難であり、■イオンのエ
ネルギーを揃えるためのイオンの速度フィルタがないた
め、イオンのエネルキー分布か大きく、■静電レンズに
よりイオンを集めることかないので、イオンビームもビ
ーム径が大きく単位面積当たりのイオン電流を高めるこ
とが困難であるという欠点がある。In addition, with conventional microwave ion guns, it is difficult to extract specific ion species because there is no mass separation function when extracting ions produced by plasma, and there is an ion velocity filter to equalize the ion energy. Since there is no ion beam, the energy distribution of ions is large, and (2) ions are not collected by an electrostatic lens, so the ion beam has a large beam diameter and has the disadvantage that it is difficult to increase the ion current per unit area.
［課題を解決するための手段］
本発明のマイクロ波イオン銃は、
イオンビーム中の、所望の質量をもち、所望の速度をも
つイオンのみを通過させる質量・速度フィルタと、
前記質量・速度フィルタを通過したイオンビームを減速
・集束させる減速・集束手段をＭ−４−る。[Means for Solving the Problems] The microwave ion gun of the present invention includes: a mass/velocity filter that allows only ions having a desired mass and a desired velocity to pass through in an ion beam; and the mass/velocity filter. M-4- is a deceleration/focusing means for decelerating and focusing the ion beam that has passed through the ion beam.
［作 用］
アークチェンバ中て生成されたホットエレク［・ロンプ
ラズマから引き出されたイオンビーム中の、所望の質量
をもち、所望の速度をもつイオンのみが質量・速度フィ
ルタを通過し、減速・集束手段に入射し、減速され、か
つ集束される。[Function] Only ions with a desired mass and a desired velocity in the ion beam extracted from the hot electron plasma generated in the arc chamber pass through the mass/velocity filter and are decelerated and It enters the focusing means, is decelerated and focused.
したがって、ホットエレクトロンプラズマがら引き出さ
れた大電流のイオンビームの所望の種類のイオンを所望
の低いエネルギーで、かつ、細いビーム径で試料に入射
させることかできる。Therefore, desired types of ions from a large current ion beam extracted from hot electron plasma can be made incident on the sample with desired low energy and narrow beam diameter.
［実施例］
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。[Example] Next, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図は本発明のマイクロ波イオン銃の一実施例の構成
図である。FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the microwave ion gun of the present invention.
アークヂエンバ２には、所望のイオン種を生成する化合
物または単体の気体が入れられている。The arc chamber 2 contains a compound or a single gas that generates desired ion species.
アークヂエンバ２の周囲には、８極のラジアル型永久磁
石３か設置されていてカスプ磁場を形成し、プラスマイ
オンをイオン光学軸の近くに閉じこめる。外部コイル４
によフて８７５ガウスの磁場か気体に印加ざね、約２．
４５Ｇｌｌｚの電子サイクロトロン運動か発生ずる。導
波管１によって２．４５ＧＨｚのマイクロ波か連続（Ｃ
Ｗ）発振マグネトロンより供給され、電子サイクロトロ
ン共鳴か起る。該マグネトロンの電力は１．５ｋｗであ
る。引き出し電極５は、正電極５４、買電８１５２およ
び接地電極５３０３枚で構成されている。引き出し系の
孔の直径は２ｍｍφである。引き出されたイオンはフォ
ーカスレンズ６により、引き出し位置より、４０ｃｍの
距離て集束するように設定されている。イオンビームは
集束する手前で垂直変更電極７によフてビームの位置が
調整された後、質量・速度フィルタ８に入り、所望の質
量をもち所望の速度のイオンが選択連通される。質量・
速度フィルタ８の磁場は１０００Ｇａｕｓｓであり、電
場を１０〜５０００ｅＶまで変えることにより、Ｍ／Δ
Ｍ＝４００程度の質量分離が可能となる（例えば、質量
Ｍ、−１１００とＭ２３９９が分解される）。質量分離
されたイオンは６段階のリターディンク系（減速・集束
レンズ）９により減速される。実際に発生イオンを最適
条件て取り出すためには、リターデインク系９の前にフ
ァラデーカップを取りつけ、フォーカスレンズ６、垂直
変更電極７および質量・速度フィルタ８を調整すること
で可能となる。全装置は磁気浮上型ターボ分子ポンプｌ
Ｏで排気される。An eight-pole radial permanent magnet 3 is installed around the arc chamber 2 to form a cusp magnetic field and confine plasma ions near the ion optical axis. External coil 4
A magnetic field of 875 gauss is applied to the gas, approximately 2.
The electron cyclotron motion of 45Gllz is generated. Waveguide 1 transmits 2.45 GHz microwave or continuous (C
W) Supplied by an oscillating magnetron, electron cyclotron resonance occurs. The power of the magnetron is 1.5kw. The extraction electrode 5 includes a positive electrode 54, a power purchaser 8152, and 5303 ground electrodes. The diameter of the hole in the extraction system is 2 mmφ. The extracted ions are set to be focused by a focus lens 6 at a distance of 40 cm from the extraction position. Before the ion beam is focused, the position of the beam is adjusted by a vertical change electrode 7, and then enters a mass/velocity filter 8, where ions having a desired mass and a desired speed are selectively communicated. mass·
The magnetic field of the velocity filter 8 is 1000 Gauss, and by changing the electric field from 10 to 5000 eV, M/Δ
Mass separation of approximately M=400 is possible (for example, masses M, -1100 and M2399 are resolved). The mass-separated ions are decelerated by a six-stage retarding system (deceleration/focusing lens) 9. In order to actually extract the generated ions under optimal conditions, it is possible to install a Faraday cup in front of the retarde ink system 9 and adjust the focus lens 6, vertical change electrode 7, and mass/velocity filter 8. The entire device is a magnetically levitated turbomolecular pump.
Exhausted with O.
第２図は第１図の装置から得られるイオンの空間分布の
一例を示す図で、引き出し電極５の後方６００ｍｍて得
られるイオン電流を、直径５ｍｍのファラデーカップを
５ｍｍ間隔て移動させてモニターすることにより、空間
分布を求めでイオンのビーム径を測定した例である。同
図で縦軸はイオン電流値で、横軸は、イオン光学軸から
半径方向に測った短間１である。イオンは計を放電した
際に生しるＡｒ＋である。この場合のビーム径を半値幅
で定義′１−れば、ビーム径は約３０ｍｍとなる。また
、引き出し径の接地電極からファラデーカップまでの距
離は約５００ｍｍであるのでビームの発散角はおおよそ
２，９°であると推定される。FIG. 2 is a diagram showing an example of the spatial distribution of ions obtained from the apparatus shown in FIG. 1. The ion current obtained 600 mm behind the extraction electrode 5 is monitored by moving a Faraday cup with a diameter of 5 mm at 5 mm intervals. This is an example of measuring the ion beam diameter by determining the spatial distribution. In the figure, the vertical axis is the ion current value, and the horizontal axis is the short time 1 measured in the radial direction from the ion optical axis. The ions are Ar+ produced when the meter is discharged. If the beam diameter in this case is defined by the half-value width '1-, the beam diameter will be approximately 30 mm. Furthermore, since the distance from the ground electrode of the extraction diameter to the Faraday cup is approximately 500 mm, the divergence angle of the beam is estimated to be approximately 2.9°.
第３図は第１図の装置で計を放電した際に生しるＡｒ”
″についてエネルギー分布を測定した例である。装置に
よるＡｒ＋のエネルギー設定値２０ｅＶである。エネル
ギー分布の測定は反射電界型エネルギー分析器で測定し
た。この場合に粒子捕集板にイオンか衝突することによ
り流入する電流をＩ。Figure 3 shows the Ar generated when the meter is discharged using the device shown in Figure 1.
This is an example of measuring the energy distribution for ``.The energy setting value of Ar+ by the device is 20 eV.The energy distribution was measured using a reflected electric field type energy analyzer.In this case, ions collide with the particle collection plate. The current flowing due to I.
（Ｖ、、、ｔ）、ビーム粒子のエネルギー分布関数をｆ
（Ｖ）としたとき、
たたし、粒子のエネルギーをＥ （Ｊ）とし、電荷をｑ
（Ｃ）とした時、
Ｖ ＝ Ｅ／ｑ、ただしＶｒｅｔ：反射電圧従って、式
（１）をＶｒｅｔの関数として微分することにより、エ
ネルギー分布関数ｆ（ｖｒＬｔ）が得られる。(V,,,t), the energy distribution function of the beam particles is f
(V), then the energy of the particle is E (J), and the charge is q
(C), V = E/q, where Vret: reflected voltage Therefore, by differentiating equation (1) as a function of Vret, the energy distribution function f(vrLt) is obtained.
ｄｌｒ／ｄＶ、、、ｔ ＝ −ｆ （Ｖｒ、、ｔ）
・’・（２）第３図でのエネルギー分布幅を半値幅で算
出すると２０ｅＶのＡｒ＋のエネルギー分冶１幅は約２
．ＯｅＶと極めて小さいことが分かる。dlr/dV,,,t = -f (Vr,,t)
・'・(2) Calculating the energy distribution width in Figure 3 using the half width, the energy distribution width of 20 eV Ar+ is approximately 2
．． It can be seen that the value is extremely small, OeV.
第４図も同様にして求めたＳＦ６を放電した際に生成し
たＳＦ＋を］０ＯｅＶで加速したイオンのエネルギー分
布である。この場合のエネルギー分布幅は３．６ｅＶで
あり、反応性ガスを放電した場合でも、分布の狭いイオ
ンが得られることが分かった。FIG. 4 also shows the energy distribution of ions obtained by accelerating SF+ generated when discharging SF6 obtained in the same manner at ]0 OeV. The energy distribution width in this case was 3.6 eV, and it was found that ions with a narrow distribution could be obtained even when a reactive gas was discharged.
ＳＦ６から生じる他の活性イオンについても、エネルギ
ー分布幅５ｅＶと非常に狭い幅のイオンが取り出された
。Regarding other active ions generated from SF6, ions with a very narrow energy distribution width of 5 eV were extracted.
［発明の効果］
以ト説明したように本発明は、ホットエレクトロンプラ
ズマから取り出された大電流のイオンビームを、質量・
速度フィルタと減速・集束レンズ中を順次に通過させる
ことにより、所望の質量と所望の速度をもつイオンのみ
を減速・集束して試料に照射づ−ることかでき、その結
果、任意のイオン種の任意のエネルギーの、細くかつ高
い電流密度の低速イオンビームによって半導体のデポジ
ションやエッチンクをすることかできる効果がある。[Effects of the Invention] As explained above, the present invention allows a large current ion beam extracted from a hot electron plasma to be
By sequentially passing through a velocity filter and a deceleration/focusing lens, it is possible to decelerate and focus only ions with the desired mass and desired velocity and irradiate the sample.As a result, any ion species can be This has the advantage that semiconductor deposition and etching can be performed using a thin, high current density, slow ion beam with arbitrary energy.
第１しｊは本発明によるマイクロ波イオン銃の実施例を
示す構成図、第２図はその装置から得られるイオンの空
間分布の一例を示す図、第３図および第４図は第１図の
装置から得られるイオンのエネルギー分布図である。
１・・−導波管、
２・・・アークチェンバー
３・・・ラジアル型永久磁石、
４・・・外部コイル、
５・・・引き出し電極、
６・・・フォーカスレンス、
７・・・垂直偏向電極、
８・・・質量・速度フィルタ、
９・・・リターディンダ系、
１０・・・磁気浮上型ターボ分子ポンプ。Fig. 1 is a block diagram showing an embodiment of the microwave ion gun according to the present invention, Fig. 2 is a drawing showing an example of the spatial distribution of ions obtained from the device, and Figs. 3 and 4 are the same as Fig. 1. FIG. 3 is an energy distribution diagram of ions obtained from the device. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...-Waveguide, 2... Arc chamber 3... Radial type permanent magnet, 4... External coil, 5... Extraction electrode, 6... Focus lens, 7... Vertical deflection Electrode, 8... Mass/velocity filter, 9... Retarder system, 10... Magnetic levitation turbo molecular pump.
Claims (1)
トロン運動の周波数にほぼ等しい周波数のマイクロ波を
用いて該気体に電子サイクロトロン共鳴を生じさせ、そ
れによって生じたホットエレクトロンプラズマからイオ
ンビームを引き出すマイクロ波イオン銃において、 イオンビーム中の、所望の質量をもち、所望の速度をも
つイオンのみを通過させる質量・速度フィルタと、 前記質量・速度フィルタを通過したイオンビームを減速
・集束させる減速・集束手段を有することを特徴とする
マイクロ波イオン銃。[Claims] 1. Using microwaves with a frequency approximately equal to the frequency of the electron cyclotron motion generated in the gas in the arc chamber to cause electron cyclotron resonance in the gas, and thereby generating hot electron plasma. A microwave ion gun that extracts an ion beam includes a mass/velocity filter that allows only ions with a desired mass and a desired velocity to pass through the ion beam, and a mass/velocity filter that decelerates and decelerates the ion beam that has passed through the mass/velocity filter. A microwave ion gun characterized by having a deceleration/focusing means for focusing.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP26386288A JPH02112134A (en) | 1988-10-21 | 1988-10-21 | Microwave ion gun |
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| JP26386288A JPH02112134A (en) | 1988-10-21 | 1988-10-21 | Microwave ion gun |
Publications (1)
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| JPH02112134A true JPH02112134A (en) | 1990-04-24 |
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| JP26386288A Pending JPH02112134A (en) | 1988-10-21 | 1988-10-21 | Microwave ion gun |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02112134A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008508684A (en) * | 2004-07-30 | 2008-03-21 | イー エイ フィシオネ インストルメンツ インコーポレーテッド | Apparatus and method for milling material using ions |
| CN113380596A (en) * | 2021-06-07 | 2021-09-10 | 中国科学院化学研究所 | Low kinetic energy pulse ion source based on photoionization |
Citations (2)
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| JPS63198328A (en) * | 1987-02-13 | 1988-08-17 | Nec Corp | Forming method for ultrafine pattern |
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-
1988
- 1988-10-21 JP JP26386288A patent/JPH02112134A/en active Pending
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